DE112013006792T5

DE112013006792T5 - Sich drehendes, elektrisches Maschinensystem und Windenergieerzeugungssystem

Info

Publication number: DE112013006792T5
Application number: DE112013006792.7T
Authority: DE
Inventors: Mamoru Kimura; Nobuhiro KUSUNO; Masahiro Hori
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2013-03-08
Filing date: 2013-03-08
Publication date: 2015-11-19
Also published as: TW201507323A; TWI516001B; JP5908646B2; GB201512808D0; WO2014136251A1; GB2526213B; JPWO2014136251A1; GB2526213A

Abstract

Die Erfindung sieht ein sich drehendes elektrische Maschinensystem vor, bei dem eine Größenzunahme der gesamten sich drehenden elektrischen Maschine und eine Verringerung des Betriebsbereichs verhindert werden. Erfindungsgemäß umfasst das sich drehende elektrische Maschinensystem eine erste sich drehende elektrische Maschine, die durch einen ersten Stator, der eine erste Statorwicklung aufweist, und einen ersten Rotor, der eine erste Rotorwicklung enthält und auf einer Innendurchmesserseite des ersten Stators mit einem vorbestimmten dazwischen befindlichen Spalt angeordnet ist, konfiguriert ist, eine zweite sich drehende elektrische Maschine, die durch einen zweiten Stator, der eine zweite Statorwicklung enthält, und einen zweiten Rotor, der eine zweite Rotorwicklung enthält und auf einer Innendurchmesserseite des zweiten Stators mit einem vorbestimmten dazwischen befindlichen Spalt angeordnet ist, konfiguriert ist, und einen Leistungswandler, der elektrisch mit der ersten und der zweiten sich drehenden elektrischen Maschine verbunden ist, wobei die erste und die zweite sich drehende elektrische Maschine und der Leistungswandler mechanisch mit einer Rotorwelle verbunden sind, und unter der Voraussetzung, dass, wenn die Anzahl der Pole in einer der beiden sich drehenden elektrischen Maschinen, die stets einen Erzeugungsbetrieb durchführt, p1 ist und die Anzahl der Pole in der anderen, sich drehenden elektrischen Maschine p2 ist, p1/p2 > 1,8 gilt.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein sich drehendes, elektrisches Maschinensystem und ein Windenergieerzeugungssystem, insbesondere auf ein sich drehendes, elektrisches Maschinensystem und ein Windenergieerzeugungssystem, die beide für ein System bevorzugt sind, das mit einer ersten sich drehenden elektrischen Maschine (Hauptgenerator) und einer zweiten sich drehenden elektrischen Maschine (Hilfsgenerator) ausgestattet ist.
Stand der Technik
In den letzten Jahren liegt ein Schwerpunkt auf einem Erzeugungssystem, das natürliche Energie verwendet, wie sie bei der Windenergieerzeugung, der Solarenergieerzeugung oder dergleichen verwendet wird, um die globale Erwärmung zu verhindern. Zu solchen Erzeugungssystemen gehört eine große Anzahl von Beispielen, die eine sich drehende elektrische Maschine vom Wechselstromerregungstyp verwenden, als Erzeugungsvorrichtung bei einem Windenergieerzeugungssystem, bei dem Windenergie verwendet wird.
In einem Fall zum Verwenden einer sich drehenden elektrischen Maschine vom Wechselstromerregungstyp als Erzeugungsvorrichtung in einem Windenergieerzeugungssystem ist es notwendig, angeregte Energie einer Rotorwicklung in einem sich drehenden Rotor während des Betriebs der sich drehenden elektrischen Maschine vom Wechselstromerregungstyp zuzuführen. Um Energie der Rotorwicklung zuzuführen, werden üblicherweise ein Schleifring und eine Bürste angeordnet, und es wird eine Leitung dadurch vorgesehen, dass die Bürste mit einem sich drehenden Schleifring in Kontakt gebracht wird.
Allerdings ist die Energiemenge zum Durchführen des Erzeugungsbetriebs im Windenergieerzeugungssystem groß, und wenn der Schleifring und die Bürste so angeordnet sind, dass nach dem Durchführen des Erzeugungsbetriebs angeregte Energie zugeführt wird, schreitet ein Abnutzen der Bürste fort, wodurch eine regelmäßige Wartung notwendig ist.
Im Übrigen wird bei dem Windenergieerzeugungssystem die sich drehende elektrische Maschine vom Wechselstromerregungstyp in einer Gondel auf einem Turm eines Windrads installiert, und eine regelmäßige Wartung wird notwendigerweise in einem begrenzten Raum im Inneren der Gondel durchgeführt. Daher ist eine Verringerung der Wartung erforderlich, indem zum Beispiel die sich drehende elektrische Maschine vom Wechselstromerregungstyp bürstenlos ausgeführt wird.
Es wird eine Technologie für eine bürstenlose sich drehende elektrische Maschine vom Wechselstromerregungstyp beispielsweise in der Patentliteratur 1 offenbart. In der Patentliteratur 1 wird das Durchführen eines Erzeugungsbetriebs in einer Weise offenbart, in der die Energie eines Systems durch eine sich drehende Erregermaschine und einen Leistungswandler, die beide koaxial zu einem Wechselstromerregungs-Synchrongenerator angeordnet sind, zu einem Gleichstrom gleichgerichtet wird, der Gleichstrom zu einem Stator der sich drehenden Erregermaschine geleitet wird, Energie einem Rotor gemäß dem Prinzip des Synchrongenerators zugeführt wird und dann Energie, deren Spannung und Frequenz durch den Leistungswandler umgewandelt werden, einem Rotor des Wechselstromerregungs-Synchrongenerators zugeführt wird.
Literaturliste
Patentliteratur

Patentliteratur: JP-A-2002-136191

Offenbarung der Erfindung
Technisches Problem
Bei einem allgemeinen Wechselstromerregungs-Synchrongenerator der verwandten Technik wird die Energie eines Systems einem Rotor durch einen Leistungswandler zugeführt, wenn die Drehzahl des Rotors geringer als oder gleich einer synchronen Drehzahl ist, und die Energie des Rotors wird dem System durch den Leistungswandler zugeführt, wenn die Drehzahl des Rotors größer oder gleich der synchronen Drehzahl ist.
Allerdings wird in der Patentliteratur 1, selbst wenn es möglich ist, Energie vom System dem Wechselstromerregungs-Synchrongenerator zuzuführen, die Spannung des Systems der sich drehenden Erregermaschine nach dem Gleichrichten durch einen Gleichrichter zugeführt. Da der Gleichrichter eingebaut ist, ist es nicht möglich, dem System Energie von einem Wechselstromerregungs-Synchrongenerator zuzuführen. Daher ist der Betriebsumfang desjenigen in der Patentliteratur 1 im Vergleich zu einem allgemeinen Wechselstromerregungs-Synchrongenerator in der verwandten Technik begrenzt.
Da die sich drehende Erregermaschine zusätzlich zum Generator angeordnet ist, erhöht sich in der Patentliteratur 1 die Gesamtgröße des Generators um die angeordnete, sich drehende Erregermaschine, und es wird ein großer Anordnungsraum benötigt.
Die Erfindung erfolgte im Hinblick auf die obigen Punkte, und eine Aufgabe derselben besteht darin, ein sich drehendes, elektrisches Maschinensystem und ein Winderzeugungserzeugungssystem zur Verfügung zu stellen, bei dem, selbst wenn die Systeme mit einer ersten sich drehenden elektrischen Maschine und einer zweiten sich drehenden elektrischen Maschine ausgestattet sind, die sich drehenden elektrischen Maschinen bürstenlos sein können, so dass sich eine Größenzunahme der gesamten sich drehenden elektrischen Maschinen und eine Reduzierung von deren Betriebsreichweite verhindert werden können.
Lösung des Problems
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird, um die obige Aufgabe zu erzielen, ein sich drehendes, elektrisches Maschinensystem mit einer ersten sich drehenden elektrischen Maschine, die durch einen ersten Stator, der eine erste Statorwicklung aufweist, und einen ersten Rotor, der eine erste Rotorwicklung enthält und auf einer Innendurchmesserseite des ersten Stators mit einem vorbestimmten dazwischen befindlichen Spalt angeordnet ist, konfiguriert ist, einer zweiten sich drehenden elektrischen Maschine, die durch einen zweiten Stator, der eine zweite Statorwicklung enthält, und einen zweiten Rotor, der eine zweite Rotorwicklung enthält und auf einer Innendurchmesserseite des zweiten Stators mit einem vorbestimmten dazwischen befindlichen Spalt angeordnet ist, konfiguriert ist, und einem Leistungswandler vorgesehen, der elektrisch mit der ersten und der zweiten Rotorwicklung verbunden ist, wobei der erste und der zweite Rotor und der Leistungswandler mechanisch mit einer Rotorwelle verbunden sind und unter der Voraussetzung, dass, wenn die Anzahl der Pole in einer der beiden sich drehenden elektrischen Maschinen, die stets einen Erzeugungsbetrieb durchführt, p₁ ist und die Anzahl der Pole in der anderen, sich drehenden elektrischen Maschine p₂ ist, p₁/p₂ > 1,8 gilt.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein Windenergieerzeugungssystem vorgesehen, das einen Rotor, der sich durch das Einfangen von Wind dreht, das sich drehende elektrische Maschinensystem, das die obige Konfiguration hat und mit dem Rotor über eine Hauptwelle verbunden ist, eine Gondel, die das sich drehende elektrische Maschinensystem aufnimmt, und einen Turm aufweist, der die Gondel trägt, wobei die erste und die zweite sich drehende elektrische Maschine durch ein Drehmoment des Rotors gedreht werden und die Statorwicklungen der ersten und der zweiten, sich drehenden elektrischen Maschine mit einem Energiesystem verbunden sind.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Konfigurationsdarstellung, die eine erste Ausführungsform eines sich drehenden elektrischen Maschinensystems der Erfindung veranschaulicht.
2 ist eine Darstellung zum Beschreiben eines Energieflusses in einem Fall, in dem die Drehzahl einer Rotorwelle in der ersten Ausführungsform des sich drehenden elektrischen Maschinensystems der Erfindung niedriger als die Synchrondrehzahl eines Hauptgenerators ist.
3 ist eine Darstellung zum Beschreiben eines Energieflusses in einem Fall, in dem die Drehzahl der Rotorwelle in der ersten Ausführungsform des sich drehenden elektrischen Maschinensystems er Erfindung höher als die Drehzahl des Hauptgenerators ist.
4 ist eine charakteristische Darstellung, die eine Beziehung zwischen einem Schlupf des Hauptgenerators und der Leistung des Hauptgenerators, der Leistung eines Hilfsgenerators und der Leistung eines Systems in einem Fall der Bedingung 1 veranschaulicht.
5 ist eine Darstellung, die eine Beziehung zwischen einem Schlupf des Hauptgenerators und einen Schlupf des Hilfsgenerators in einem Fall der Bedingung 2 darstellt.
6 ist eine Darstellung zum Beschreiben eines Energieflusses, wenn die Drehzahl der Rotorwelle niedriger als die Synchrondrehzahl des Hauptgenerators in dem Fall der Bedingung 2 ist.
7 ist eine Darstellung, die eine Beziehung zwischen einem Schlupf des Hauptgenerators und einem Schlupf des Hilfsgenerators in einem Fall der Bedingung 3 darstellt.
8 ist eine Darstellung zum Beschreiben eines Energieflusses, wenn die Drehzahl der Rotorwelle höher als die Drehzahl des Hauptgenerators in dem Fall der Bedingung 3 ist.
9 ist eine charakteristische Darstellung, die eine Beziehung zwischen einem Schlupf des Hauptgenerators und der Leistung des Hauptgenerators und der Leistung des Hilfsgenerators in einem Fall der Bedingung 4 veranschaulicht.
10 ist eine Querschnittsansicht, die eine zweite Ausführungsform der sich drehenden elektrischen Maschine der Erfindung veranschaulicht.
11 ist eine Querschnittsansicht, die eine dritte Ausführungsform der sich drehenden elektrischen Maschine der Erfindung veranschaulicht.
12 ist eine Querschnittsansicht, die eine vierte Ausführungsform der sich drehenden elektrischen Maschine der Erfindung veranschaulicht.
13 ist eine schematische Konfigurationsdarstellung, die ein Windenergieerzeugungssystem veranschaulicht, auf das das sich drehende elektrische Maschinensystem der Erfindung angewendet wird (fünfte Ausführungsform).
Beschreibung von Ausführungsformen
Nachfolgend werden ein sich drehendes elektrisches Maschinensystem und ein Windenergieerzeugungssystem der Erfindung auf der Grundlage der veranschaulichten Ausführungsformen beschrieben. Jede Ausführungsform wird für dieselbe Komponente mit demselben Bezugszeichen beschrieben.
Erste Ausführungsform
1 veranschaulicht eine erste Ausführungsform des sich drehenden elektrischen Maschinensystems der Erfindung. Sowohl ein nachfolgend beschriebener Hauptgenerator als auch ein Hilfsgenerator gehören zu sich drehenden elektrischen Maschinen vom Radialspalttyp, bei denen ein Spalt zwischen einem Stator und einem Rotor in diametraler Richtung ausgebildet ist.
Wie in 1 veranschaulicht ist, ist ein sich drehendes elektrisches Maschinensystem 1 der vorliegenden Ausführungsform mit einem Hauptgenerator 2, bei dem es sich um eine erste sich drehende elektrische Maschine handelt, die als Generator arbeitet, um erzeugte Energie zu einem Energiesystem zu transportieren, einem Hilfsgenerator 3, bei dem es sich um eine zweite sich drehende elektrische Maschine handelt, die je nach den Betriebsbedingungen auf zweierlei Weisen entweder als Erregermaschine oder als Generator arbeitet, und einem Leistungswandler 4 ausgestattet, der elektrisch mit dem Hauptgenerator 2 und dem Hilfsgenerator 3 verbunden ist, die alle in demselben sich drehenden elektrischen Maschinenrahmen 16 angeordnet sind.
Der Hauptgenerator 2 wird durch einen Hauptgeneratorstator 6, einen Hauptgeneratorrotor 5, der auf der Innendurchmesserseite des Hauptgeneratorstators 6 mit einem vorbestimmten, dazwischen befindlichen Spalt angeordnet ist, eine Dreiphasen-Hauptgeneratorstatorwicklung 7, die als Kurzschritt-Doppellagenwicklung in einer Nute gewickelt ist, die sich im Hauptgeneratorstator 6 befindet, und eine Dreiphasen-Hauptgeneratorrotorwicklung 8 konfiguriert, die als Vollschritt-Doppellagenwicklung in einer Nute gewickelt ist, die sich im Hauptgeneratorrotor 5 befindet. Die Dreiphasen-Hauptgeneratorstatorwicklung 7 und die Dreiphasen-Hauptgeneratorrotorwicklung 8 sind elektrisch in einem Abstand von 120° angeordnet.
In ähnlicher Weise wird der Hilfsgenerator 3 durch einen Hilfsgeneratorstator 9, einen Hilfsgeneratorrotor 10, der auf der Innendurchmesserseite des Hilfsgeneratorstators 9 mit einem vorbestimmten, dazwischen befindlichen Spalt angeordnet ist, einer Dreiphasen-Hilfsgeneratorstatorwicklung 11, die als Kurzschritt-Doppellagenwicklung in einer Nute gewickelt ist, die im Hilfsgeneratorstator 9 angeordnet ist, und einer Dreiphasen-Hilfsgeneratorrotorwicklung 12 konfiguriert, die als Vollschritt-Doppellagenwicklung in einer Nute gewickelt ist, die im Hilfsgeneratorrotor 10 angeordnet ist. Die Dreihasen-Hilfsgeneratorstatorwicklung 11 und die Dreiphasen-Hilfsgeneratorrotorwicklung 12 sind elektrisch in einem Abstand von 120° angeordnet.
Der Hauptgenerator 2 und der oben beschriebene Hilfsgenerator 3 haben unterschiedliche Betriebsweisen, wie im Folgenden beschrieben ist. Insbesondere führt der Hauptgenerator 2 stets einen Erzeugungsbetrieb durch, aber der Hilfsgenerator 3 kann als Erregermaschine arbeiten oder kann je nach Drehzahl als Generator betrieben werden. Die Leistung des Hauptgenerators 2 ist höher als oder gleich der Leistung des Hilfsgenerators 3.
Der Leistungswandler 4 wird durch einen Leistungswandler 13, der elektrisch mit dem Hauptgenerator 2 verbunden ist, und einem Leistungswandler 14 konfiguriert, der elektrisch mit dem Hilfsgenerator 3 verbunden ist. Der Leistungswandler 13 und der Leistungswandler 14 sind elektrisch über Gleichstrom verbunden. Wenn der Leistungswandler 13 und der Leistungswandler 14 über Wechselstrom verbunden sind, müssen der Leistungswandler 13 und der Leistungswandler 14 jeweils mit einem Leistungswandler für AC → DC → AC ausgestattet sein. Allerdings müssen durch das Verbinden des Leistungswandlers 13 und des Leistungswandlers 14 über Gleichstrom die Leistungswandler 13 und 14 jeweils nur Wechselstrom und Gleichstrom umwandeln, und die Funktionen, die jeder der Leistungswandler 13 und 14 aufweist, können um die Hälfte reduziert werden.
Der Hauptgenerator 2, der Hilfsgenerator 3 und der Leistungswandler 4, wie oben beschrieben, sind mechanisch mit einer Rotorwelle 15 verbunden.
Das bedeutet, dass der Hauptgeneratorstator 6 und der Hilfsgeneratorstator 9 mit dem sich drehenden elektrischen Maschinenrahmen 16 über eine Mehrzahl von Armen 17 verbunden sind, der Hauptgeneratorrotor 5 jedoch über eine Mehrzahl von Armen 19 mit der Außenseite des Leistungswandlerrahmens 18 verbunden ist, in dem die Leistungswandler 13 und 14 angeordnet sind, und das Innere des Leistungswandlerrahmens 18 mechanisch drehbar mit der Rotorwelle 15 verbunden ist. Darüber hinaus ist das Leistungswandlerrahmen 18, in dem die Leistungswandler 13 und 14 angeordnet sind, im Inneren des Hauptgeneratorrotors 5 angeordnet. Dies liegt daran, dass der Hauptgenerator 2 eine größere Leistung als der Hilfsgenerator 3 hat und daher größer ist. Es ist daher möglich, einen großen Raum zum Einbauen des Leistungswandlers 4 sicherzustellen.
Mit anderen Worten bedeutet die oben beschriebene Konfiguration, dass die sich drehende Rotorwelle 15 es ermöglicht, dass sich der Hauptgenerator 2, der Hilfsgenerator 3 und der Leistungswandler 4 gleichzeitig mit derselben Drehzahl drehen. Demgemäß entstehen keine Probleme dahingehend, dass Verdrahtungsteile, die den Hauptgenerator 2 und den Leistungswandler 13, den Leistungswandler 13 und den Leistungswandler 14 und den Leistungswandler 14 und den Hilfsgenerator 3 verbinden, sich verdrehen.
Der Leistungswandler 4 muss Anweisungsinformationen von außen empfangen und Betriebszustandsinformationen übertragen, um gemäß den Betriebsbedingungen gesteuert zu werden. Da sich der Leistungswandler 4 der vorliegenden Ausführungsform dreht, ist daher eine drahtlose Kommunikation bei der Übertragung von Informationen effektiv, und der Leistungswandler 4 ist vorzugsweise mit einer Einrichtung verbunden, die Informationen drahtlos übertragen und empfangen kann.
Als Nächstes erfolgt eine Beschreibung für einen Energiefluss im sich drehenden elektrischen Maschinensystem.
2 veranschaulicht einen Energiefluss in einem Fall, in dem die Drehzahl der Rotorwelle 15 niedriger als die Synchrondrehzahl des Hauptgenerators 2 ist.
In 2 sind die Hauptgeneratorstatorwicklung 7 und die Hilfsgeneratorstatorwicklung 11 elektrisch mit einem Energiesystem verbunden. Ein Energiesystem hat eine Netzfrequenz und es fließt ein Wechselstrom darin. Daher wird dadurch, dass die Spannung sich zeitlich ändert und der Hilfsgeneratorrotor 10 sich dreht, ein Induktionsstrom in der Hilfsgeneratorrotorwicklung 12 abhängig von der Anzahl der Magnetpole und der Drehzahl erzeugt. Die Hilfsgeneratorrotorwicklung 12 ist elektrisch mit der Hauptgeneratorrotorwicklung 8 über den Leistungswandler 4 verbunden. Aufgrund des Induktionsstroms, der durch Drehung der Hilfsgeneratorrotorwicklung 12 erzeugt wird, kann dem Hauptgenerator 2 ein Erregerstrom zur Verfügung gestellt werden.
Der Hilfsgenerator 3 arbeitet daher als Erregermaschine bei einer Bedingung, bei der die Drehzahl der Rotorwelle 15 niedriger als die Synchrondrehzahl des Hauptgenerators 2 ist. Ein Gleichstrom muss in der Hauptgeneratorrotorwicklung 8 fließen, wenn die Drehzahl der Rotorwelle 15 dieselbe wie die Synchrondrehzahl des Hauptgenerators 2 ist, aber durch Anlegen einer Gleichspannung an den Leistungswandler 4, kann der Hilfsgenerator 3 betrieben werden.
3 veranschaulicht einen Energiefluss in einem Fall, in dem die Drehzahl der Rotorwelle 15 höher als die Drehzahl des Hauptgenerators 2 ist.
In 3 fließt ein Induktionsstrom, der in der Hauptgeneratorrotorwicklung 8 erzeugt wird, über den Leistungswandler 4 in die Hilfsgeneratorrotorwicklung 12 und fließt von der Hilfsgeneratorrotorwicklung 12 weiter in die Hilfsgeneratorstatorwicklung 11. Dadurch wird Energie von der Hilfsgeneratorstatorwicklung 11 dem Energiesystem zugeführt.
Der Hilfsgenerator 3 arbeitet daher als Generator bei einer Bedingung, bei der die Drehzahl der Rotorwelle 15 höher als die Drehzahl des Hauptgenerators 2 ist.
Demgemäß kann ein Erregerstrom in der Hauptgeneratorrotorwicklung 8 und der Hilfsgeneratorrotorwicklung 12 fließen, ohne dass ein Schleifring und eine Bürste verwendet werden(bürstenlos), so dass eine Wartung aufgrund des Verschleißes einer Bürste nicht notwendig ist.
Obwohl ein Beispiel für die Verwendung einer drahtlosen Kommunikation beim Übertragen von Informationen auf die Leistungswandler 13 und 14 in der vorliegenden Ausführungsform beschrieben wird, ist die Energiemenge, die zum Übertragen von Informationen benötigt wird, nicht groß. Daher ist das Ausmaß des Verschleißes gering, selbst wenn eine Bürste verwendet wird. Somit können eine Bürste und ein Schleifring angeordnet werden, damit die Leistungswandler 13 und 14 Informationen übertragen. In ähnlicher Weise können eine Bürste und ein Schleifring zum Erden angeordnet werden.
Charakteristika einer sich drehenden elektrischen Maschine vom Wechselstromerregungstyp sind durch einen Schlupf s festgelegt, der in der Gleichung 1 dargestellt ist. s = (N₀ – N)/N₀ (Gleichung 1)
Hier ist N₀ eine Synchrongeschwindigkeit und N ist eine Drehzahl.
Charakteristika einer sich drehenden elektrischen Maschine vom bürstenlosen Wechselstromerregungstyp werden durch zwei Schlupfe, einen Schlupf s₁ eines Hauptgenerators und einen Schlupf s₂ eines Hilfsgenerators, festgelegt, weil eine sich drehende elektrische Maschine vom bürstenlosen Wechselstromerregungstyp durch zwei sich drehende elektrische Maschinen vom Wechselstromerregungstyp eines Hauptgenerators und eine Hilfsgenerators konfiguriert wird. Darüber hinaus wird die Synchrondrehzahl N₀ durch die Anzahl der Pole festgelegt. Daher ist es notwendig, die Anzahl der Pole p₁ im Hauptgenerator und die Anzahl der Pole p₂ im Hilfsgenerator gemäß den Spezifikationen eines Generators in geeigneter Weise auswählen. Hier haben der Schlupf s₁ des Hauptgenerators und der Schlupf s₂ des Hilfsgenerators die folgende Beziehung. s₂ = 1 – p₂(1 – s₁)/p₁ (Gleichung 2)
Im Folgenden werden die Charakteristika im Hinblick auf p₁/p₂ für Fälle beschrieben. Da die sich drehende elektrische Maschine vom Wechselstromerregungstyp einen variablen Drehzahlbereich hat, wird davon ausgegangen, dass deren Untergrenze s_u ist und deren Obergrenze so ist. Wenn darüber hinaus der Hauptgenerator und der Hilfsgenerator elektrisch mit dem Energiesystem verbunden sind und deren Leistung negativ ist, bedeutet dies, dass ihnen Energie vom Energiesystem zugeführt wird. Bedingung 1: p < p₂, p₁/p₂/ > (1 – s_u)
4 veranschaulicht eine Beziehung zwischen dem Schlupf s₁ und der Leistung des Hauptgenerators, die Leistung des Hilfsgenerators und der Gesamtleistung in Bedingung 1. Wie aus 4 ersichtlich ist, ist in der Bedingung 1 die Leistung des Hilfsgenerators in einem Hochleistungsbereich negativ. Daher wird durch den entsprechenden Betrag an negativer Leistung, die Leistung des Hauptgenerators von der Gesamtleistung her erhöht. Da es daher notwendig ist, den Hauptgenerator gemäß der Leistung des Hauptgenerators anzuordnen, wird der Hauptgenerator vergrößert. Bedingung 2: p₁ < p₂, p₁/p₂/ < (1 – s_u)
5 veranschaulicht das Schaubild der Gleichung 2 mit einer geraden Linie A in Bedingung 2. Die horizontale Achse des Schaubilds ist s₁, und dessen vertikale Achse ist s₂. Aus 5 wird deutlich, dass s₂ = 0 in einem Betriebsbereich vorliegt. Der Hilfsgenerator befindet sich im Fall von s₂ = 0 in einem Zustand des synchronen Arbeitens. Daher sind Magnetflüsse nicht mit dem Rotor verknüpft, und es kann dem Rotor keine Energie vom Stator zugeführt werden (6 veranschaulicht diesen Zustand). Aus diesem Grund kann dem Rotor des Hautgenerators keine Energie zugeführt werden und der Hauptgenerator kann nicht arbeiten.
Es ist daher notwendig, den Hauptgenerator unter Vermeidung einer Drehzahl nahe s₂ = 0 zu betreiben. Wie in 5 veranschaulicht ist, ist ein nicht betriebsbereiter Bereich im betriebsbereiten Bereich vorhanden, und der betriebsbereite Bereich wird durch den Umfang des nicht betriebsbereiten Bereich gesenkt. Bedingung 3: p₁ > p₂, p₁/p₂ < (1 – S_o)
7 veranschaulicht das Schaubild der Gleichung 2 mit einer geraden Linie B in Bedingung 3. Die horizontale Achse des Schaubilds ist s₁, und seine vertikale Achse ist s₂. Es ist aus 7 ersichtlich, dass s₂ = 0 im Betriebsbereich liegt. Der Hilfsgenerator befindet sich in einem Zustand des synchronen Arbeitens im Fall von s₂ = 0. Daher wird Energie eines Gleichstroms vom Leistungswandler dem Rotor zugeführt (8 veranschaulicht diesen Zustand). Allerdings kann die Temperatur des Leistungswandlers hoch sein, wenn der Leistungswandler einen Gleichstrom ausgibt.
Es ist daher notwendig, den Hauptgenerator unter Vermeidung einer Drehzahl in der Nähe von s₂ = 0 zu betreiben. Wie in 7 veranschaulicht ist, liegt im Betriebsbereich ein kaum betriebsbereiter Bereich vor, und der Betriebsbereich wird um das Ausmaß des kaum betriebsbereiten Bereichs verringert. Bedingung 4: p₁ > p₂, p₁/p₂ < 1,8
9 veranschaulicht eine Beziehung zwischen der maximalen Leistung des Hauptgenerators und der maximalen Leistung des Hilfsgenerators im Hinblick auf ein Verhältnis der Polzahlen in Bedingung 4. Ein Leistungsüberschuss in 9 wird wie folgt definiert: Leistungsüberschuss = (maximale Leistung des Hauptgenerators + maximale Leistung des Hilfsgenerators) – 1
Das heißt, dass die Leistung des Generators größer als die Gesamtleistung in einem Fall sein muss, in dem der Leistungsüberschuss ≠ 0, so dass der Generator größer wird. Es ist aus 9 ersichtlich, dass der Leistungsüberschuss auftritt, wenn das Verhältnis der Polzahlen p₁/p₂ kleiner als 1,8 ist.
Von der obigen Beschreibung her ist es nicht notwendig, dass der Generator eine große Leistung aufweist, weil der Leistungsüberschuss nicht auftritt (der Generator kann arbeiten, während der kaum betriebsbereite Bereich vermieden wird), wenn das Verhältnis der Anzahl der Pole p₁/p₂ größer als 1,8 ist (p₁/p₂ > 1,8), und eine Größenzunahme der sich drehenden elektrischen Maschine vom bürstenlosen Wechselstromerregungstyp und eine Reduzierung des Betriebsbereichs können verhindert werden.
Zweite Ausführungsform
10 veranschaulicht eine zweite Ausführungsform des sich drehenden elektrischen Maschinensystems der Erfindung.
Der Leistungswandler 4 ist in der obigen ersten Ausführungsform im Inneren des Hauptgeneratorrotors 5 angeordnet. Dagegen ist in der vorliegenden Ausführungsform der Leistungswandler 4 sowohl über der Innenseite des Hauptgeneratorrotors 5 als auch des Hilfsgeneratorrotors 10 angeordnet, wie in 10 veranschaulicht ist. Darüber hinaus sind der Hauptgeneratorstator 6 und der Hilfsgeneratorstator 9 mit dem sich drehenden elektrischen Maschinenrahmen 16 über die Mehrzahl der Arme 17 verbunden. Der Hauptgeneratorrotor 5 und der Hilfsgeneratorrotor 10 sind über die Mehrzahl der Arme 19 und eine Mehrzahl von Armen 20 mit der Außenseite des Leistungswandlerrahmens 18 verbunden, in dem der Leistungswandler 4 angeordnet ist. Das Innere des Leistungswandlerrahmens 18 ist mit der Rotorwelle 15 verbunden. Unter der Voraussetzung, dass in der vorliegenden Ausführungsform die Anzahl der Pole im Hauptgenerator 2, der stets den Erzeugungsbetrieb durchführt, p₁ ist und die Anzahl der Pole im anderen Hilfsgenerator 3 p₂ ist, gilt auf dieselbe Weise wie in der ersten Ausführungsform, dass p₁/p₂ > 1,8 ist.
Gemäß der Ausführungsform wird augenscheinlich dieselbe Wirkung wie bei der ersten Ausführungsform erzielt, und der Leistungswandler 4 kann weiter auf einer Innenumfangsseite angeordnet sein. Daher kann die Zentrifugalkraft, die an den Leistungswandler 4 angelegt wird, verringert sein.
Dritte Ausführungsform
11 veranschaulicht eine dritte Ausführungsform des sich drehenden elektrischen Maschinensystems der Erfindung.
In der vorliegenden Ausführungsform, die in 11 veranschaulicht ist, sind die Hauptgeneratorstatorwicklung 7 und die Hauptgeneratorrotorwicklung 8 so angeordnet, dass sie einander in diametraler Richtung überlappen, und dasselbe gilt für die Hilfsgeneratorstatorwicklung 11 und die Hilfsgeneratorrotorwicklung 12. Unter der Voraussetzung, dass in der vorliegenden Ausführungsform die Anzahl der Pole im Hauptgenerator 2, der stets den Erzeugungsbetrieb durchführt, p₁ ist und die Anzahl der Pole im anderen Hilfsgenerator 3 p₂ ist, gilt auf dieselbe Weise wie in der ersten Ausführungsform, dass p₁/p₂ > 1,8 ist.
Gemäß der Ausführungsform wird augenscheinlich dieselbe Wirkung wie bei der ersten Ausführungsform erzielt, und die Abmessungen des Generatorsystems können reduziert werden, weil die axiale Länge des Generatorsystems verringert werden kann.
Vierte Ausführungsform
12 veranschaulicht eine vierte Ausführungsform des sich drehenden elektrischen Maschinensystems der Erfindung.
In der in 12 veranschaulichten Ausführungsform wird ein Stufenrahmen 21, das mit dem Außendurchmesser des Hauptgenerators 2 und des Hilfsgenerators 3 übereinstimmt, in der Konfiguration der in 1 veranschaulichten ersten Ausführungsform verwendet. Das heißt, dass das Stufenrahmen 21 auf eine solche Weise konfiguriert ist, dass ein Teil, in dem der Hauptgenerator 2 angeordnet ist, und ein Teil, in dem der Hilfsgenerator 3 angeordnet ist, einen unterschiedlichen Durchmesser aufweisen und daher abgestuft sind. Unter der Voraussetzung, dass in der vorliegenden Ausführungsform die Anzahl der Pole im Hauptgenerator 2, der stets den Erzeugungsbetrieb durchführt, p₁ ist und die Anzahl der Pole im anderen Hilfsgenerator 3 p₂ ist, gilt auf dieselbe Weise wie in der ersten Ausführungsform, dass p₁/p₂ > 1,8 ist.
Gemäß der Ausführungsform wird augenscheinlich dieselbe Wirkung wie in der ersten Ausführungsform erzielt, wird weiter Platz gespart, ohne dass Raum übrig bleibt, und kann das Gewicht des Generatorsystems reduziert werden.
Fünfte Ausführungsform
13 veranschaulicht eine fünfte Ausführungsform, bei der das sich drehende elektrische Maschinensystem der Erfindung auf ein Windenergieerzeugungssystem angewendet wird.
Wie in 13 veranschaulicht ist, wird das Windenergieerzeugungssystem der vorliegenden Ausführungsform durch einen Rotor 24, der sich durch das Einfangen von Wind dreht, ein sich drehendes elektrisches Maschinensystem 22 der Erfindung, das mit dem Rotor 24 über einen Drehzahlbeschleuniger 23 verbunden ist, eine Gondel (nicht veranschaulicht), die das sich drehende elektrische Maschinensystem 22 aufnimmt, und einen Turm (nicht veranschaulicht) konfiguriert, der die Gondel trägt. Ein Hauptgenerator 25 und ein Hilfsgenerator 26 werden durch das Drehmoment des Rotors 24 gedreht, und eine Hauptgeneratorstatorwicklung und eine Hilfsgeneratorstatorwicklung sind mit einem Energiesystem 27 verbunden.
Demgemäß kann das sich drehende elektrische Maschinensystem 22 die Energie des Winds, den der Rotor 24 einfängt, in elektrische Energie umwandeln und die elektrische Energie zum Energiesystem 27 übertragen.
Da das sich drehende elektrische Maschinensystem in der obigen Ausführungsform verwendet wird, kann gemäß der vorliegenden Ausführungsform eine Größenzunahme der Vorrichtungen verhindert werden, und dies kann zu einer Verkleinerung der Gondel beitragen.
Ein Leistungswandler 28 kann vor übermäßiger Energie geschützt werden, die bei einem Systemfehler auftritt, indem ein Schutzschalter 29 parallel zum Leistungswandler 28 anordnet wird. Die Erfindung kann weiter auf ein getriebeloses System angewendet werden, das keinen Drehzahlbeschleuniger 23 aufweist.
Die Erfindung ist nicht auf die obigen Ausführungsformen beschränkt und umfasst verschiedene Modifikationsbeispiele. Zum Beispiel werden die obigen Ausführungsformen ausführlich beschrieben, um das Verständnis der Erfindung zu erleichtern, und es müssen nicht notwendigerweise alle beschriebenen Konfigurationen in einer Ausführungsform der Erfindung enthalten sein. Darüber hinaus ist es möglich, einen Teil der Konfigurationen einer Ausführungsform durch Konfigurationen einer anderen Ausführungsform zu ersetzen, und es ist auch möglich, Konfigurationen einer andern Ausführungsform Konfigurationen einer Ausführungsform hinzuzufügen. Weiterhin kann ein Teil der Konfigurationen jeder Ausführungsform weggelassen oder durch eine andere Konfiguration ersetzt werden oder es kann eine andere Konfiguration hinzugefügt werden.
Bezugszeichenliste

1, 22 sich drehendes elektrisches Maschinensystem; 2, 25 Hauptgenerator; 3, 26 Hilfsgenerator; 4, 13, 14, 28 Leistungswandler; 5 Hauptgeneratorrotor; 6 Hauptgeneratorstator; 7 Hauptgeneratorstatorwicklung; 8 Hauptgeneratorrotorwicklung; 9 Hilfsgeneratorstator; 10 Hilfsgeneratorrotor; 11 Hilfsgeneratorstatorwicklung; 12 Hilfsgeneratorrotorwicklung; 15 Rotorwelle; 16 sich drehendes elektrisches Maschinenrahmen; 17, 19, 20 Arm; 18 Leistungswandlerrahmen; 21 Stufenrahmen; 23 Drehzahlbeschleuniger; 24 Rotor; 27 Energiesystem; 29 Schutzschalter

Claims

Sich drehendes elektrische Maschinensystem, umfassend: eine erste sich drehende elektrische Maschine, die durch einen ersten Stator, der eine erste Statorwicklung aufweist, und einen ersten Rotor, der eine erste Rotorwicklung enthält und auf einer Innendurchmesserseite des ersten Stators mit einem vorbestimmten dazwischen befindlichen Spalt angeordnet ist, konfiguriert ist; eine zweite sich drehende elektrische Maschine, die durch einen zweiten Stator, der eine zweite Statorwicklung enthält, und einen zweiten Rotor, der eine zweite Rotorwicklung enthält und auf einer Innendurchmesserseite des zweiten Stators mit einem vorbestimmten dazwischen befindlichen Spalt angeordnet ist, konfiguriert ist; und einen Leistungswandler, der elektrisch mit der ersten und der zweiten sich drehenden elektrischen Maschine verbunden ist, wobei die erste und die zweite sich drehende elektrische Maschine und der Leistungswandler mechanisch mit einer Rotorwelle verbunden sind, und unter der Voraussetzung, dass, wenn die Anzahl der Pole in einer der beiden sich drehenden elektrischen Maschinen, die stets einen Erzeugungsbetrieb durchführt, p₁ ist und die Anzahl der Pole in der anderen, sich drehenden elektrischen Maschine p₂ ist, p₁/p₂ > 1,8 gilt.
Sich drehendes elektrisches Maschinensystem nach Anspruch 1, wobei der erste Stator und der zweite Stator elektrisch mit einem Energiesystem verbunden sind.
Sich drehendes elektrisches Maschinensystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei die erste sich drehende elektrische Maschine, die zweite sich drehende elektrische Maschine und der Leistungswandler in demselben sich drehenden elektrischen Maschinenrahmen angeordnet sind.
Sich drehendes elektrisches Maschinensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei ein Leistungswandlerrahmen, in dem der Leistungswandler angeordnet ist, auf einer Innendurchmesserseite der ersten sich drehenden elektrischen Maschine angeordnet ist.
Sich drehendes elektrisches Maschinensystem nach Anspruch 4, wobei der Stator der ersten sich drehenden elektrischen Maschine und der Stator der zweiten sich drehenden elektrischen Maschine mit dem sich drehenden elektrischen Maschinenrahmen über eine Mehrzahl von Armen verbunden sind, der Rotor der ersten sich drehenden elektrischen Maschine mit einem Ende des Leistungswandlerrahmens über eine Mehrzahl von Armen verbunden ist, das andere Ende des Leistungswandlerrahmens mit der Rotorwelle verbunden ist und der Rotor der zweiten sich drehenden elektrischen Maschine mit der Rotorwelle über eine Mehrzahl von Armen verbunden ist.
Sich drehendes elektrisches Maschinensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Leistungswandlerrahmen sowohl über einer Innendurchmesserseite des Rotors der ersten sich drehenden elektrischen Maschine als auch des Rotors der zweiten sich drehenden elektrischen Maschine angeordnet ist.
Sich drehendes elektrisches Maschinensystem nach Anspruch 6, wobei der Stator der ersten sich drehenden elektrischen Maschine und der Stator der zweiten sich drehenden elektrischen Maschine mit dem sich drehenden elektrischen Maschinenrahmen über eine Mehrzahl von Armen verbunden sind, der Rotor der ersten sich drehenden elektrischen Maschine und der Rotor der zweiten sich drehenden elektrischen Maschine über eine Mehrzahl von Armen mit der Außenseite eines Leistungswandlerrahmens verbunden sind, in dem der Leistungswandler angeordnet ist, und das Innere des Leistungswandlerrahmens mit der Rotorwelle verbunden ist.
Sich drehendes elektrisches Maschinensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Statorwicklung und die Rotorwicklung der ersten sich drehenden elektrischen Maschine so angeordnet sind, dass sie einander in diametraler Richtung überlappen, und die Statorwicklung und die Rotorwicklung der zweiten sich drehenden elektrischen Maschine so angeordnet sind, dass sie einander in diametraler Richtung überlappen.
Sich drehendes elektrisches Maschinensystem nach einem der Ansprüche 3 bis 8, wobei das sich drehende elektrische Maschinenrahmen in einer solchen Weise konfiguriert ist, dass ein Teil, in dem die erste sich drehende elektrische Maschine angeordnet ist, und ein Teil, in dem die zweite sich drehende elektrische Maschine angeordnet ist, einen unterschiedlichen Durchmesser aufweisen und abgestuft sind.
Windenergieerzeugungssystem, umfassend: einen Rotor, der sich durch das Einfangen von Wind dreht; das sich drehende elektrische Maschinensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, das mit dem Rotor über eine Hauptwelle verbunden ist; eine Gondel, die das sich drehende elektrische Maschinensystem aufnimmt; und einen Turm, der die Gondel trägt, wobei die erste und die zweite sich drehende elektrische Maschine durch ein Drehmoment des Rotors gedreht werden, und die Statorwicklungen der ersten und der zweiten sich drehenden elektrischen Maschine mit einem Energiesystem verbunden sind.
Windenergieerzeugungssystem nach Anspruch 10, wobei ein Schutzschalter parallel zum Leistungswandler des sich drehenden elektrischen Systems eingebaut ist.