JP2001510320A - 風力発電所で用いられる同期発電機および風力発電所 - Google Patents

風力発電所で用いられる同期発電機および風力発電所

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JP2001510320A JP2000502570A JP2000502570A JP2001510320A JP 2001510320 A JP2001510320 A JP 2001510320A JP 2000502570 A JP2000502570 A JP 2000502570A JP 2000502570 A JP2000502570 A JP 2000502570A JP 2001510320 A JP2001510320 A JP 2001510320A
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Abstract

(57)【要約】 本発明は、同期発電機を用いて電気エネルギーを生成する方法に関し、同期発電機は、固定子巻き線を有する発電機固定子と、前記発電機固定子に対して移動可能な発電機回転子とを備えており、前記発電機回転子はｎ個の磁極を備え、かつ前記固定子巻き線に電圧を誘起し、同時に固定子電流は前記固定子巻き線および同期発電機を通して流れる。本発明は、記固定子巻き線の１つまたは複数で誘起された電圧の時間挙動は、前記固定子巻き線の１つまたはｍ個の固定子巻き線の少なくともｍ個の成分の電流（Ｉ１、Ｉ２）の和と近似することを企図する。さらに本発明は、磁極が発電機回転子（１２）上に非対称に設計され、または非対称に配置されていることを企図する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 （技術分野） 本発明は、風力発電所で用いられる同期発電機に関する。同期発電機は、発電
機固定子と、固定子に対して自由に移動し、かつｎ個の磁極（pole）を有する発
電機回転子とを備える。また本発明は、回転子が設けられたタワーを持つ風力発
電所および回転子によって駆動できる発電機に関する。
【０００２】 （背景技術） 風力発電所で用いられる、ゆっくりと回転する多相同期発電機が知られている
。風力発電所向けのこれらのタイプの直接駆動発電機は、一般に、２０ｒｐｍか
ら４０ｒｐｍの間の範囲の比較的ゆっくりとした回転速度で回転する。ほぼ１〜
２ＭＷの出力電力では、回転速度はより遅く、ほぼ１０〜２５ｒｐｍの範囲であ
る。上で説明した周知の多相同期発電機は、Ｅｎｅｒｃｏｎ Ｅｎｅｒｇｉｅａ
ｎｌａｇｅｎ ＧｍｂＨの風力発電所モデルＥ−４０またはＥ−６６において用
いられている。
【０００３】 これらの風力発電所では、多相同期発電機は、リング状固定子を有する。リン
グ状固定子の内部では、回転子は自由に動く。この回転子は、歯車の中途介在な
しに、風力発電所の回転子と直接接続されている。回転子は、突極機として実現
され、磁極片（pole piece）としても周知な磁極シューを有する多数の磁極を含
む。
【０００４】 （発明の開示） （発明が解決しようとする技術的課題） 発電機の構成および設計の目的は風力発電所の動作中に発生する騒音を可能な
限り削減することであり、それにより環境への影響を減らすことができる。そし
て、風力発電所についての一般の認知を向上させることができる。
【０００５】 従来の発電機は、常に求められたとおりに騒音の発生を低くすることができな
かった。それは、発電機は、動作中激しい機械的振動を受けやすく、回転子、ナ
セル、およびタワーなどの発電所の他の構成要素に伝わっていたからである。こ
れが好ましくない騒音の発生をもたらしていた。騒音は、発電機の固定子または
他の構成要素が、いわゆる固有振動数での振動を誘発する場合に特に大きい。
【０００６】 本発明の目的は、上に述べた問題を除去する方法、発電機および風力発電所を
詳しく説明することである。 本発明の目的は、請求項１および４に規定された特徴を持つ方法および同期発
電機によって実現される。副次的な請求項には、さらなる好ましい改良が記載さ
れる。
【０００７】 （その解決方法） 本発明は、発電機に、または風力エネルギー変換器の別の構成要素に振動を引
き起こす要因は発電機のあらゆるトルク変動であるという原理に基づいている。
このことは、リング発電機には、よりあてはまる。それは、非常に大きい値のト
ルクが生じるからである。発電機のトルクは、整流器ダイオードの後の結合後の
固定子コイル直流に比例する。以下の式が適用される。 Ｍ＝Ｐ／ω＝Ｉd×Ｕd／ω ここで、Ｐは実効電力、Ｍはトルク、ωは角周波数、Ｉdは直流、ＵdはＤ．Ｃ．
電圧である。 Ｕdが一定（定電圧Ｄ．Ｃ．結合）なので、Ｉdが全電流の和であるとすると、
Ｍ（ｔ）＝Ｉd（ｔ）であることがわかる。したがって、トルクＭは成分電流の 和に正比例する。
【０００８】 構成要素を流れる電流、すなわちいくつかの構成要素の電流の時間的挙動が、
固定子内に誘起された電圧の時間的挙動に一致すると、それにより、誘起された
電圧の時間曲線は、必然的に台形になり、そして台形の上側の角だけでなく下側
の角に丸みのある縁を用いると、トルク運動量の変動を最小にすることができる
。上で述べた電流および電圧の形状を実現しても、ある固定子から次の固定子ま
での境界に沿って作用する力を徹底して減少することだけはできないが、ある固
定子スロットから次の固定子スロットまでの境界に沿って作用する、接線方向に
働く力の時間的挙動を非常に滑らかにすることができる。この影響は、振動の励
起を非常によく減少させることができる。したがって、最終的には同期発電機の
動作音のレベルを大きく減少させることができる。電流および電圧の望ましい波
形形状は、例えば回転子で以下のような対策を行うことにより実現される。
【０００９】 ａ）磁石ホイールの境界に沿って個々の磁極を非対称に配置する。 ｂ）上の説明からわかるように、磁極片が実質的に矢形に設計され、その断面
が台形形状に近似するように磁極シューの形状を変化させる。 騒音の軽減という目的を達成するため、これら２つの対策が、発電機で行われ
る他の対策と別個に、または組み合わせて行うことができる。
【００１０】 従来の多相発電機の回転子では、個々の磁極は互いに一定の距離で配置されて
いる。すべての磁極が回転子の境界に沿って等しい距離に存在するこのような配
列では、前磁極シューの縁および後磁極シューの縁はすべて、固定子上に配置さ
れている対向する固定子スロットを、時間的に同一点で同期して通過する。これ
により固定子のスロットごとに機械的衝撃を生み出し、よって固定子内の振動を
誘発してしまう。これは、磁界の強さによって磁極が固定子を励磁させ振動させ
ることを意味する。この励磁振動数Ｆan＝（ｎ／６０×スロット数）は、固定子
の固有振動数と同一であり、これにより固定子には非常に大きな騒音を生成する
おそれがある。
【００１１】 本発明のある好ましい実施の形態では、回転子は互いに一定でない距離にある
磁極をもつよう設計される。磁極間の距離が一定である従来の構成とは対照的に
、本発明の磁極間のさまざまな距離は、固定子のスロットを通過する回転子の磁
極のために、機械的衝撃はなく、振動を誘発させることができず、固定子に同時
に伝達されることもない、という効果がある。これにより、騒音の発生を減少す
ることができる。本発明の効果を実現するための別の方法は、異なる幅の磁極片
を有するいくつかの磁極を用いる。
【００１２】 好ましい方法では、回転子は、磁極ａ，ｂ，ｃ間（ａ：τp；ｂ：τp＋１／３
＊τN；ｃ：τp−１／３＊τN）が３つの異なる距離をもつよう設計される。こ の対策は、固定子および回転子の励起振動数を３倍だけ増加させる。これは、励
起振幅を通常の励起振幅の１／３に順に減少させることである。
【００１３】 したがって、磁極間距離を変化させることによって励起振動数を増加させるこ
とは可能であり、同時に振幅を小さくすることもできる。その結果として、発電
機固定子の振動励起が相当起こりにくくなる。これだけでも非常にノイズを低減
することができる。
【００１４】 本発明の目的は、前に説明したタイプの同期発電機で別の特徴を用いて実現す
ることができる。回転子の磁極には、磁極片に形成された少なくとも１つの縁が
設けられており、回転子の移動方向に対して斜めに配置されている。
【００１５】 上述の磁極片を有する同期発電機では、騒音の発生が著しく小さくなる。それ
は発電機の動作中に固定子に加えられ、かつ固定子を振動させる力を大きく減少
できるからである。これは磁極片の斜めに配置された縁により実現される。振動
を引き起こす力は、実質的に、固定子の突出フィンから隣接するフィンへ磁束が
変化する間に生み出される。突出フィンと突出フィンの間には狭いスロットが区
画される。磁束は回転子の２個の磁極およびエアギャップを通り抜け、固定子の
一部を通り抜ける。あるフィンから隣接するフィンへの遷移の間に、磁束は急速
に隣接するフィンへと変化する。実質的には、前のフィンが前にあった位置に次
のフィンが到達するまでまず一瞬磁束が遮られ、磁気回路が再び接続される。
【００１６】 従来の発電機では、回転子の移動方向に案内するフィンの縁は、回転子の移動
方向に対して常に正確に直角である。同様のことが、移動方向に後を追う磁極シ
ューの縁にもいうことができる。この直角の構成では、回転するフィンの全幅は
、ほぼ一瞬で発電機の固定子の特定のスロットに届き、それにより、前に説明し
たあるフィンから次のフィンまでの磁束の変化が付随して「突然」起こる。この
急な、すなわち突然の遷移は、付随して大きな力を生み出し、その強力な力が機
械的振動を引き起こす。これにより大きな騒音が発生する。
【００１７】 この内容とは対照的に、本発明の磁極シューの（回転子の移動方向に関する）
前縁を斜めに配置することで、あるフィンから次のフィンまでの磁束の遷移が、
段階的となり、突然でなくなる。それは、フィンはまず前縁の最先端の部分の、
ある特定の固定子スロットの範囲に到達し、次にフィンの後続部分がスロット領
域に移動するからである。したがって従来の発電機と比較すると、固定子での振
動による騒音を引き起こす力が大幅に減少されるという試みが示される。これに
より騒音の発生を少なくすることができる。
【００１８】 本発明のさらなる効果は、固定子の巻き線で誘起される電圧の時間的挙動は、
磁極片の縁の斜めの形状に基づいて変更することができることである。
【００１９】 本発明による特に好ましい実施の形態では、（回転子の移動方向に関する）磁
極片の前縁には、互いに所定の角度をなして配置される２つの縁部分があり、１
点をなす。このように騒音の発生を引き起こす力はさらに減少することができ、
磁極片は実質的に対称に設計されている。これにより、例えばその１点が回転子
の移動方向、またはその反対方向に方向付けられている。
【００２０】 縁部分は、回転子の動き方向に対して約１００°〜１４０°、好ましくは１２
０°である。したがって縁部の図６に示す幅Ｂは、スロット間距離と実質的に等
しい。この配置は、特に磁束の遷移ロスの低減を促し、付随する騒音の発生を低
減することができる。
【００２１】 さらなる特に好ましい実施の形態では、回転子の磁極は、回転子の移動方向に
対して実質的に斜めに設けられた磁極片上に、少なくとも１つの後縁を持つ。回
転子の移動方向に対して後を追う縁は、互いに所定の角度をなして配置され、前
縁上の縁部分に対して平行に設けられている２つの縁部分を持ち、それにより、
磁極片の上面図は実質的に矢じりの形状になる。
【００２２】 この特定の実施の形態では、後縁上に起こる効果は、移動方向に対して後を追
う縁においてもまた起こる。これにより騒音はまたさらに低減され、電圧の挙動
が一致する。さらにこれらの計測により、隣接する磁極片を接近して配置するこ
とができる。それは、これらの磁極片は一致した形状を持ち、いわゆる「互いに
うまくはめ込まれ」ているからである。
【００２３】 本発明のさらに特別有利な面は、磁極片の断面部がほぼ台形のように形作られ
ていることである。これにより、固定子内で誘起される電圧の形状はまた台形形
状になる。従来の発電機における磁極片は正弦曲線をしており、それにより正弦
波電圧を生成することができる。本発明によれば、台形形状の電圧を誘起するこ
とができる。台形の電圧の形状の振幅は、長時間間隔にわたって一定であり、そ
れにより高価な直流フィルタはもはや必要とされず、またはかなり小さく製造で
き、したがってかなり低価格で構築することができる。電圧の時間的挙動に対応
して、この実施の形態による本発明の発電機は、すべての回転角においてほぼ一
定のトルクを与える。さらに、いわゆるトルクの調和量は現在の変換器では低す
ぎる。従来の磁極片のトルクの時間的挙動の調和は不利である。
【００２４】 加えて磁極片の台形設計は、漂遊フィールド損失（stray-field losses）を減
少することができる。漂遊フィールド損失は、ある磁極片から次の磁極片までの
遷移の間に発生する。さらに改良すると、台形の磁極片の縁は丸められる。これ
はまた、振動および漂遊フィールド損失を減少するのに役立つ。磁極片の断面が
、両面の境界領域で小さくなることは重要である。
【００２５】 （発明を実施するための最良の形態） 以下では、図面に示される例示的な実施の形態を参照して、本発明がさらに示
される。
【００２６】 図１は、多相同期発電機４を備えた本発明による風力発電所を模式的に示す。
多相同期発電機４は、歯車の中途介在なく、シャフト２を介して回転子３によっ
て直接駆動される。この同期発電機は、従来行われていたようにタワー上のナセ
ル内に位置される。
【００２７】 発電機４のトルクは、磁束密度Ｂ、電機子電流ＩAおよびこれら２つの量の間 の角度によって決定される。一方、磁場Ｂは誘起電圧Ｕindを用いて表される。 この関係は、正弦波電流に対して、式 Ｍ〜Ｂ・ＩAｓｉｎωＴ、またはＭ〜Ｉ Ｕind・ＩAｓｉｎωＴによって記述される。
【００２８】 ６つの相を含む同期発電機は、整流回路６に接続される。整流回路６は、複数
の整流ダイオード７とコンデンサ８とを備え、発電機４の各固定子巻き線の一つ
からのライン９を、２つの整流ダイオード７間のノードに接続する。それにより
、動作中、整流電圧を接続端子１０、１１で得ることができる。コンデンサ８は
接続端子１０、１１の間に接続され、整流されると、理想の直流に近い波形を持
つ電圧および電流を与える。
【００２９】 発電機４の固定子の巻き線に誘導された電流は、以下でより詳細に説明される
が、本質的に直流成分および交流成分を持つ（図２３〜２５を比較のこと）。交
流成分は、６つの相のうち、１つの相の出力電流の半波だけ、比較的滑らかに電
流を増加または減少させる。いわゆるＣｏｓφ振動は、ある相から次の相までの
連続的な電流の遷移を確実にする。整流回路６のすべての相の電流の和は、接続
端子１０、１１で電圧を確実に利用可能にする。引き出された電流は実質的に滑
らかである。コンデンサ８もまた、平滑化を確実にする。整流後、本発明の発電
機４は、ほぼ一定の振幅の直流と、回転角にかかわらずほぼ一定のトルクとを供
給する。それによって、直流フィルタはもはや必要でなくなり、または大幅に小
さく設計することができる。トルクの高調波成分は小さい。さらに本発明の発電
機４の生み出す騒音および振動は、より小さくなる。
【００３０】 図２および図３からわかるように、回転子１２の境界に沿った磁極１４間の距
離τpは、一定ではない。異なる値ａ，ｂ，ｃを仮定すると、第１の磁極距離ａ はτp 、別の磁極距離ｂは、τp＋１／３＊τN、および別の磁極距離ｃはτp−１／
３＊τNである。ここでτNは固定子のスロット幅である。これは、境界に沿った
非対称な磁極の分布を実現する。別の例として、またはこれと組み合わせること
で、磁極間距離は磁極１４の一つを特定のスロット幅だけシフトさせることによ
り配列することができる。
【００３１】 このような、スロット内に位置する、スロット幅の１／３だけオフセットを持
つ非対称配列により、オフセットのない配列と比較して、固定子の巻き線の励起
振動数が３倍増加する。励起力の振幅はオフセットのない配列における励起の１
／３に減少する。本発明により期待される効果を達成するための、磁極１４の非
対称配列を実現する別の方法は、回転子１２の境界に沿った磁極片２０の幅を変
化させることである。
【００３２】 図４は、回転子１２間の磁束φを示す。図４は、磁極１４と固定子１６とを含
む。磁極１４により発生した磁束は、ライン１８に沿って、磁極１４と、エアギ
ャップ１９と、固定子１６の鉄心とを通り、およびエアギャップ１９に戻って回
転子１２の隣接する磁極１４に入る。漂遊磁束が２つの隣接する磁極１４の間に
発生する（矢印２２を参照）。これは電力の発生に有用な磁束φを減少させる。
【００３３】 回転子１２は突極機として動作する。磁極１４の形状、特に磁極片２０の形状
は、図５〜７にもっともよく見ることができる。側面図の図５はおよそ台形の形
状をしており、磁極片２０の両方の縁２４、２６には丸みがある。磁極片２０の
周縁領域では、磁極片２０の横断面をみると両辺からその端部までは先細りして
いる。したがって、縁への近接度が増加する両辺では横断面は先細りする。
【００３４】 図６に見られるように、すなわちエアギャップ１８に面する磁極片２０表面の
上面に見られるように、磁極１４は矢じりの形状をしている。図４〜７の矢印２
８で示された回転子１２の移動方向へ導く縁２６は、２つの縁部３２、３４を有
する。２つの縁部３２、３４は、互いにある角度で位置し、１つの点３０をなす
。これらの縁部は、回転子１２の移動方向２８に対して斜めに、したがって磁極
片２０に対して斜めに設置されている。縁部３２、３４は、回転子１２の移動方
向２８に対して約１２０°の角度で設置されている。
【００３５】 回転子１２の移動方向２８に対し後を追う磁極片２０の縁は、また、２つの縁
部３６、３８を有する。２つの縁部３６、３８は回転子１２の移動方向２８に対
して斜めに配置されている。縁部３６は前縁部３２に平行に配置されており、距
離Ｂ（図６）だけオフセットされている。縁部３８は、前縁部２６の縁部３４に
平行に配置されており、距離Ｂだけオフセットされている。これにより、図６で
は磁極片２０は矢状になり、後退角としても知られた形状となる。
【００３６】 図７は、別の磁極１４を示す。その磁極片２０の上面もまた矢状に設計されて
いる。しかし、図６の磁極片２０と比較すると、縁部３２、３４、３６、３８は
回転子１２の移動方向２８に対して異なる角度になっている。
【００３７】 図７の下段は、固定子１６の巻き線内に誘起された、時間ｔの関数としての電
圧Ｕのグラフを示す。電圧の形状はほぼ台形である。これは磁極片２０の台形構
造によるものである。磁極片２０は、図５において側面図により、および断面図
により示されている。誘起電圧は磁束φに比例する。磁束φは、磁極片２０によ
って生成され、固定子１６の鉄心を透過する。磁束φは磁界Ｂに比例する。図７
に示す台形電圧を誘起するためには、磁極間、または磁極片間距離にわたる磁界
Ｂの振幅もまた台形形状になる。磁極片の周辺領域、すなわち磁極片２０の前縁
２４および後縁２６の領域では、磁束密度Ｂの振幅、および、したがって誘起電
圧Ｕの振幅は、縁２４、２６の外形形状には依存せず、同様にエアギャップ１９
にも依存しない。例示的な実施の形態では、縁２４、２６は丸みがあるが、これ
らを異なった形状にすることにより、電圧Ｕ＝０および最大電圧との間における
、電圧時間曲線の電圧増加および電圧減少がおこる領域の形状を変更することが
できる。
【００３８】 図８および９は、固定子１６の巻き線内に誘起された、時間の関数としての電
圧Ｕのグラフを示す。図示されない別の磁極片では、例えば、斜めに配置された
縁部３２、３４、３６、３８と回転子１２の移動方向２８とでなす角度はより大
きくなり、したがって上面図に示される矢形状はより鋭くなる。増加電圧Ｕまた
は減少電圧Ｕの持続期間はより長くなり、電圧が一定の持続期間中は、最大電圧
Ｕはより短くなる。これは模式的に図９に示される。
【００３９】 図８は磁極片２０の実施の形態の例を示す。ここでは、縁部３２、３４、３６
、３８と移動方向２８とでなす角度は小さくなり、それにより電圧増加および減
少持続期間はより短くなる。したがって電圧の形状は磁極片２０の実際の形状、
特に矢形によって選択的に修正することができる。電圧形状に加えて、結果的に
生じる、磁極にかかる接線方向の力は、磁極片２０の矢形状の関数として変更す
ることができる。後退角がより大きくなると、結果として生成される接線方向の
力はより小さくなる。斜めの縁２４、２６（図６または７）が固定子１６のスロ
ットに完全に重なると、接線方向の力は非常に小さくなる。しかし比較的小さな
後退角であれば（斜めの縁２４、２６がスロットの半分に重なっている場合であ
れば）、力の時間挙動はよりいっそう一様になる。これにより発電機から生じる
騒音を順に低減することができる。なぜなら力の大きさは主たる騒音源だからで
ある。力の応答は、図１１〜１５に示される。
【００４０】 図１０は、６相の固定子１６内の巻き線のレイアウトを示す。固定子１６の境
界に沿って（図４と比較のこと）、相１が０°で、相２が３０°で、相３が１２
０°で、相４が１５０°で設けられ、相５が２４０°で設けられ、相６が２７０
°で設けられている。固定子１６は６０〜１００の間の磁極（図示せず）で構成
することができる。巻き線は特別な巻き線手順を用いて設置されている。この特
別な巻き線手順は、単一パスで巻かれており、接触点を作ることなくしばしば「
ブリッジ」と呼ばれる。
【００４１】 図１１は、力―距離のグラフを示す。このグラフは、固定子１６の巻き線の境
界における接線方向に作用する力の挙動を、回転子１２の経路距離（path dista
nce）の関数として示す。この回転子１２は、回転子１２の境界に沿って個々の 磁極が一様に配置されている、従来の技術水準における同期発電機のものである
。この力は比較的大きい。
【００４２】 図１２は、本発明の非対称構成についての経路距離の関数としての力のグラフ
を示す。本発明の非対称構成では、スロット幅の半分だけ個々の磁極１４がオフ
セットされている。距離（すなわち回転子１２の回転）の関数としての力の大き
さは、そしてしたがって時間の関数としての力の大きさは、従来の発電機に比べ
て非常に小さくなる。
【００４３】 図１３は、回転子１２の境界に沿って磁極が非対称に構成され、スロット幅の
１／３だけ磁極がオフセットされている本発明による同期発電機における、経路
距離の関数としての力のグラフを示す。図１３はまた、固定子１６の巻き線に作
用する力の大きさが、従来の発電機で生じる力と比較して、大幅に低減されてい
ることも示す。本発明は、このような力によって生じるすべての騒音を大幅に低
減する。
【００４４】 図１４は、経路距離の関数としての、磁極片２０に結果的に生じる接線方向の
力のグラフを示す。このグラフは、従来の発電機と比較して、本発明の磁極片２
０の後退角が生成する力はより小さいことを示す。図示された力の大きさは、磁
極片２０の縁２４、２６が、回転子１２の移動方向に対する角度において完全に
スロット幅を覆って広がるように作成される場合に、もっとも小さくなる。後退
角が、斜めの縁２４、２６がスロット幅の半分を覆うようにされている場合には
、従来の発電機と比較すれば生成される力は低減されているが、上に説明した発
電機よりはまだ高い。このように、騒音を大幅に低減することができるが、これ
は、力の大きさが主要な騒音源だからである。短時間での力の衝撃は励起振動数
の非常に大きなスペクトルを含む。
【００４５】 図１５は、後退角が完全にスロット幅を覆って広がる場合、かつ本発明による
、回転子１２に沿って磁極１４が非対称な構成で配置された場合に、ノイズが最
も低減されることを示す。これによって生じる接線方向の力は非常に小さく、そ
れにより本発明による２つの測定の組み合わせが最も雑音を低減することができ
る。これにより、磁極１４の非対称な配置は自由に選択することができ、それに
より特定の励起振動数が現れない。
【００４６】 図１６〜２０は、時間の関数としての相電流のグラフを示す。 図１６は、磁極の非対称でない構成による、ある相の電流時間曲線を示す。 図１７は、電流持続期間が１２０°よりも大きい３相システムの２つの電流の
重ね合わせ、すなわち和を示す。この重ね合わせは整流により実現することがで
きる。 図１８は、３０°の別の位相シフトによる電流時間挙動の変化を示す。 図１９は、図１８に示す相電流を整流したものを示す。これにより、整流され
た電流は低リップル因子を持つ直流となる。このように、非正弦波電圧は個々の
固定子の相で生成することができる。コンデンサ８を備えた整流回路６への強い
非線形負荷を考慮すると（図１と比較のこと）、固定子内での３０°の位相シフ
トと組み合わせて、最小のトルク偏差を持つ電流を生成することができる。
【００４７】 図２０はまた、図の上段で、いくつかの固定子巻き線の相電流の値を示し、ま
た図の下段で、整流によって得られた相電流の値の和を示す。 図２１は、丸い端部領域を持つ、本来台形である磁極片２０を備えた本発明の
磁極１４の１つの、更なる例示的な実施の形態を示す。その断面は両側面で先細
りしている。 図２２は、固定子内に誘起された、時間の関数としての電圧のグラフを示す。
電圧は図２１に示される磁極１４と本発明の発電機４とを用いて生成することが
できる。電圧は丸みのある縁の形状をしている。必要であれば、電圧の形状は磁
極片２０の形状を変化させることによって修正することができる。例えば、断面
積をよりいっそう縮小した丸い縁によって、またはより丸みのある縁を利用する
ことにより電圧の形状を修正することができる。
【００４８】 図２３は、時間の関数としての方形波電流のグラフを示す。図２３は、発電機
４の固定子の巻き線に誘導された電流の直流成分を示す。この電流について、以
下により詳しく説明する。
【００４９】 図２４は、固定子相内に誘導された電流の交流成分を示す。交流成分によれば
、６相のうちの１つから出力される電流の電流半波を比較的滑らかに増加し、お
よび減少することができる。ＣＯＳφ振動によれば、ある相から次の相まで連続
的に電流を遷移させることができる。
【００５０】 図２５は、ある固定子相の電流の和―第６次高調波を含む方形波―のグラフを
示す。第６次高調波を含む方形波は、すでに図２０で図示したように、時間の関
数として図２３、２４に示されている。整流回路６で行われる、すべての相の電
流の加算により、接続端子１０、１１における電圧およびまとめられた電流の形
状は、実質的に滑らかである。
【００５１】 （産業上の利用の可能性） 本発明による発電機の構成および設計によれば、風力発電所の動作中に発生す
る騒音を可能な限り削減することができ、それにより環境への影響を減らすこと
ができる。そして、風力発電所についての一般の認知を向上させることができる
。
【図面の簡単な説明】
【図１】 同期発電機を備えた本発明の風力発電所の模式図である。
【図２】 磁極シュー間すなわち磁極片間で距離が様々な発電機回転子の模
式的表現である。
【図３】 図２の回転子の拡大断面図である。
【図４】 同期発電機の回転子および固定子の模式断面図である。
【図５】 本発明による固定子の磁極の側面図である。
【図６】 図５の磁極の上面図である。
【図７】 本発明の磁極の上面図と、固定子の電圧−時間の関係図である。
【図８】 固定子の電圧−時間の別の図である。
【図９】 固定子の電圧−時間の別の図である。
【図１０】 ６相巻き線としての固定子巻き線の模式的表現である。
【図１１】 固定子スロットの境界に沿った接線方向の力の応答を示す、従
来の同期発電機における力−距離のグラフである。
【図１２】 固定子スロットの境界に沿った接線方向の力の応答を示す、本
発明の同期発電機における力−距離のグラフである。
【図１３】 固定子スロットの境界に沿った接線方向の力の応答を示す、本
発明による別の同期発電機における力−距離のグラフである。
【図１４】 スロット幅の半分およびスロット幅１つ分だけ後退（sweep-ba
ck）した効果を示す、本発明による同期発電機における力−距離の別のグラフで
ある。
【図１５】 スロット幅１つ分だけ後退し、および磁極の非対称配置の同期
発電機における力−距離の別のグラフである。
【図１６】 時間の関数としての発電機の電流のグラフである。
【図１７】 時間の関数としての、３相システムの整流電流のグラフである
。
【図１８】 図１で３０°の位相シフトをした場合の時間の関数としての電
流のグラフである。
【図１９】 整流電流を含む図１８において、時間の関数としての電流のグ
ラフである。
【図２０】 時間の関数としての個々の相の電流およびそれらの和を示す図
である。
【図２１】 本発明による、丸い縁を持つ磁極片の別の例示的実施の形態を
示す図である。
【図２２】 図２１に関連する、時間の関数としての固定子電圧のグラフで
ある。
【図２３】 時間の関数としての固定子の相（stator phase）の電流グラフ
である。
【図２４】 時間の関数としての固定子の相（stator phase）の電流グラフ
である。
【図２５】 時間の関数としての図２３および２４に示す電流の輪のグラフ
である。
───────────────────────────────────────────────────── 【要約の続き】

Claims (16)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 同期発電機により電気エネルギーを生成する方法であって、
    前記同期発電機は、固定子巻き線を有する発電機固定子と、前記発電機固定子に
    対して移動可能な発電機回転子とを備えており、前記発電機回転子はｎ個の磁極
    を備え、かつ前記固定子巻き線に電圧を誘起し、同時に固定子電流が前記固定子
    巻き線を通して流れ、 １つまたは複数の前記固定子巻き線の誘起された電圧の時間挙動は、１つの前
    記固定子巻き線または少なくともｍ成分の電流（Ｉ１、Ｉ２）の和に実質的に近
    似する、電気エネルギー生成方法。
  2. 【請求項２】 前記発電機固定子は、６相固定子巻き線を含み、それにより
    各２相は相の対を成し、前記相の対の電流の和は、対応する相の前記固定子巻き
    線に誘起された電圧の時間挙動に実質的に適合する、請求項１に記載の電気エネ
    ルギー生成方法。
  3. 【請求項３】 前記発電機固定子に誘起された前記電圧の波形は、実質的に
    台形形状であり、フーリエ解析において高周波成分の最小値を含む、請求項１ま
    たは２に記載の電気エネルギー生成方法。
  4. 【請求項４】 前記固定子巻き線のＮ成分の電流の和は、ほぼ一定の直流を
    与える、請求項１〜３のいずれかに記載の電気エネルギー生成方法。
  5. 【請求項５】 発電機固定子（１６）と、前記発電機固定子に対して移動可
    能で、ｎ個の磁極（１４）とを含む発電機回転子（１２）とを備えており、 前記磁極は、前記発電機回転子（１２）上に非対称に設計され、または非対称
    に配置されている、請求項１〜４のいずれかに記載の電気エネルギーを生成する
    方法を実施するための同期発電機。
  6. 【請求項６】 前記磁極（１４）間の距離は一定でない、請求項５に記載の
    同期発電機。
  7. 【請求項７】 前記磁極（１４）は、３つの異なる磁極間距離を用いて前記
    発電機回転子（１２）上に配置されている、請求項６に記載の同期発電機。
  8. 【請求項８】 前記発電機回転子（１２）の前記磁極（１４）は磁極片（２
    ０）上に少なくとも１つの前縁（２６）を保有し、前記磁極片は、前記発電機回
    転子（１２）の移動方向（２８）に対して実質的に斜めに設けられている、請求
    項５に記載の同期発電機。
  9. 【請求項９】 前記発電機回転子（１２）の移動方向に対して先を進む前記
    磁極片（２０）の前記前縁（２６）には、２つの縁部分（３２、３４）があり、
    前記２つの縁部分（３２、３４）は互いに対して所定の角度をなして１点（３０
    ）をなす、請求項８に記載の同期発電機。
  10. 【請求項１０】 前記前縁（２６）の前記２つの縁部分（３２、３４）は、
    前記発電機固定子（１２）の移動方向（２８）に対して約１００°から１４０°
    の角度、好ましくは１２０°の角度になるように配置されている、請求項９に記
    載の同期発電機。
  11. 【請求項１１】 前記発電機回転子（１２）の前記磁極（１４）は、前記磁
    極片（２０）上に少なくとも１つの後縁（２４）を有し、前記磁極片（２０）は
    、前記発電機回転子（１２）の移動方向（２８）に対して実質的に斜めに設けら
    れている、請求項８または９に記載の同期発電機。
  12. 【請求項１２】 前記後縁（２４）は、互いに対して所定の角度をなして配
    置された２つの縁部分（３６、３８）を有し、２つの縁部分（３６、３８）は、
    前記前縁（２６）の縁部分（３２、３４）にに並行に設けられており、それによ
    り、磁極片（２０）は垂直上面から見ると本質的に矢じりの形状に設計されてい
    る、請求項１１に記載の同期発電機。
  13. 【請求項１３】 前記磁極（１４）の磁極片（２０）の断面は、台形形状で
    ある、請求項１〜１２のいずれかに記載の同期発電機。
  14. 【請求項１４】 前記磁極片（２０）の周辺領域の断面は、両側面で先細り
    している、請求項１３に記載の同期発電機。
  15. 【請求項１５】 前記台形形状の縁（２４、２６）は丸みがある、請求項１
    ３に記載の同期発電機。
  16. 【請求項１６】 タワーと、前記タワーに配置された回転子と、前記回転子
    により駆動可能な発電機（４）とを有する風力発電所であって、 前記同期発電機は、請求項１〜１５の少なくとも１つにしたがって設計されて
    いる、風力発電所。
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