JP2005516411A - 変圧器 - Google Patents

Abstract

本発明は、静止部材から回転部材に電力を伝送するための、第１及び第２のワインディングを有する変圧器に関する。環状スロット内に配置される環状の第１及び第２のワインディングによって、上記変圧器を、より小さい寸法で構成することが可能であり、かつ／または、同寸法でより大量の電力を伝送することが可能である。

Description

本発明は、静止部材から回転部材に電力を伝送するための変圧器に関するものであって、該変圧器は第１ワインディングと第２ワインディングとを備えている。この変圧器は、非同期マシン(asynchronous machine)として公知であり、該非同期マシンにおいては、ステータワインディングが第１ワインディングを構成し、回転ワインディングが第２ワインディングを構成するが、これは逆であってもよい。ヒステリシス・ロス(hysteresis losses)の結果として、電力を伝送する間に生じる放熱は多量であり、一方で、伝送可能な電力は僅かなキロワット数に限られている。他方で、上記したような熱は放熱されねばならず、それ故、変圧器は、必要十分な大きさの表面を有しながら、一定の最小限のサイズとする必要がある。

したがって、本発明の目的は、放熱を減じることが可能で、寸法は小さいか同等であって、より多量の電力を伝送することが可能な変圧器を提供することにある。

上記目的は、環状スロット内に配置された環状の第１及び第２のワインディングによって先述した変圧器により達成されるが、該変圧器においては、上記第１及び第２のワインディングは互いに軸方向または径方向に対向している。

本発明は、非同期マシンなどの公知のロータリ・マシンでは、構造上の奥行きが、放熱の問題を多大に助長している要素であるという理解に基づいている。逆に言うと、放熱の問題の大部分は、できるだけ薄くすることによって解消され得ることを意味する。

本発明の特に好適な展開では、変圧器は、リング・セグメントの形状を有する部材を複数備えた回転ボディを有し、上記回転ボディは、軸方向あるいは径方向に開口したスロットを有し、上記部材の材質はフェライトである。このようにすることで、好ましい磁気特性を持ちつつも空隙は無く、ロスを極力低減しつつ伝送することが可能な回転ボディを形成することが可能となる。

変圧器に作用する力が回転ボディに加わらないようにして、回転ボディの変形や損傷を防止すべく、部材を収容するための支持体が備えられている。

本発明に係る変圧器が取り付けられる風力タービンにおいては、例えば風力タービンの静止部材から，発電機のローターの回転部材に励磁力を伝送することが可能である。複数の隣接する変圧器を多相トランスミッションに用いることももちろん可能である。

本発明に係る変圧器を、熱インダクタンスやエネルギー損が最小となる効果を有しつつ作動させるには、３００キロヘルツ以下、好ましくは約２０キロヘルツの周波数が有益であることが立証されている。

本発明の好適な展開をサブクレームに記載している。以下、本発明を添付の図面を参照しながら説明する。

図１に、本発明に係る変圧器のリング１０を示す。上記リングは、部材１４が挿入される支持構成体１２を有する。上記部材１４は、支持構成体１２により形成される内部空間を完全に塞ぎ、その結果、各部材１４間に空隙はない。各部材１４間にはスロット１６が形成されている。部材１４を環状に配置することによって、環状スロット１６内にワインディングを設置することが可能となる。

図２に、１個の部材１４を平面で示す。この図では、部材のリング・セグメントの形状が明白にわかる。セグメント１４は上側バー１５、下側バー１７、及び、その間に位置するクロスピース１９を有している。バー１５、１７は、クロスピース１９に対して実質的に垂直に延在しているので、断面はＵ字型をなし、バー１５、１７とクロスピース１９との間にはスロットが形成されている。

上記Ｕ字型の断面は図３にわかりやすく示されているが、これは図１のＡ−Ａ線断面図である。図３には、部材１４が挿入される支持構成体１２も示されているが、ここでは同様にＵ字型断面を有するものとして示している。図３には、部材１４が、一体的構成のバー１５、１７、及びクロスピース１９を備えていることも示されている。スロット内にはワインディング１８が配置され、スロット内のそれ以外の空間は充填用コンパウンド２０が充填されている。この充填用コンパウンドは、一方ではワインディングをスロット内に固定する役割を果たし、他方ではスロット内に水分が浸透するのを防止することで防食に寄与している。

図４に、本発明に係る変圧リング１０の他の実施形態を示す。ここでは上述と同様、支持構成体１２の内側に部材１４が示されている。この部材１４は図１に示した部材に類似しており、同様にリング・セグメントを形成している。同様に、ワインディングを設置することが可能な環状スロット１６もある。図４ではリング・セグメントの形状で示された各部材１４が図１に比べてより大きな弧度法で延在していることに加えて、部材１４の構成が異なる点で相違している。この相違点は図５に明白に示されている。

図５に、図４のＢ−Ｂ線断面図を示す。図５からわかるように、部材１４が収容されるＵ字型支持構成体１２が同様に構成されている。この部材１４もＵ字型断面を有するが、上側バー１５、下側バー１７、及びクロスピース１９は、一体的に結合してＵ字型をなす別個のパーツとして構成されている。この実施形態では、バー１５、１７、及びクロスピース１９の製造が容易となる。上記バー１５、１７とクロスピース１９との間には、ワインディングを収容するスロット１８が同様に形成されており、該スロットには充填用コンパウンド２０が充填されている。

図６に、軸方向に対向する２つの変圧リング１０を示す。但し、この図の各変圧リング１０間の空隙は説明を目的としてこのような寸法で示しているだけで、通常の作動時には最小限にされることに注意されたい。この図では、支持構成体１２’、１２’’を再度示しており、部材１４は、ワインディング１８及び充填用コンパウンド２０がスロット内に配置された磁気リングを形成している。これら２つの変圧リング１０は、一方は例えば風力タービンの発動機のステータなどのデバイスの静止ポーションに接続され、もう一方の変圧リング１０は、リング状発動機のロータなどの回転ポーションに接続される。回転軸を鎖線で示す。両変圧リング１０は正確に対向しているため、エネルギーは、変圧器において、第１ワインディングから磁気回路を介して第２ワインディングに伝送される。

このことを図７でさらに説明する。この図は２つの対向する変圧リング１０の上部の断面図である。両変圧リング１０’、１０’’は、支持構成体１２’、１２’’を有しており、該構成体においては、部材１４’、１４’’によって形成された磁気回路が一体のエレメントとして示されている。対向する部材間の空隙、ひいては磁気回路内の空隙は最小限、例えば０．１ｍｍから１０ｍｍとすることが重要である。部材１４’、１４’’によって構成される各スロット内には、ワインディング１８’、１８’’が配置される。この図の左側に示されているワインディング１８’が第１ワインディングで、右側に示されているワインディング１８’’が第２ワインディングである。第１ワインディングでは、電流フローの方向は、観者から離間する方向で示している。このため、部材１４’、１４’’によって形成された磁気回路において、磁界は矢印で示したような方向性を有する。上記磁界は第２ワインディング１８’’において電圧を誘発し、該電圧によって、観者の方向（図中の点付き円）に向かって電流フローが生じる。このようにして、電力はこの変圧器によって第１（左）サイドから第２（右）サイドに伝送される。

図８は同様に、２つの変圧リング１０を示している。但し、リングは径方向に対向すべく配置されている。ここでも、支持構成体１２’、１２’’が設けられており、一体の支持部材１４’、１４’’は順番に磁気回路を形成する。この図８では、下側のワインディングが第１ワインディングで、上側のワインディングが第２のワインディングである。ここでも電流フローの向きは観者から離間する方向である。そして、磁気回路において、矢印で示したような方向性を有する磁界が発生し、上記磁界は、第２ワインディングにおいて電圧を誘発し、該電圧によって、観者の方向に向かって電流フローが生じる。また、このような径方向の配置によって、磁気回路の部材１４’、１４’’間の空間、ひいては磁気回路内の空隙は、できるだけ小さく、例えば１メートルと３ミリメートル、する必要がある。

図９に、簡略化した斜視図で部材１４を示す。該部材１４が複数個シーケンスで配置された形状によって、スロット１６を有するリングが下向きに開口することは明白である。そして、上記形状の部材１４は、図８の上側支持構成体１２内に設置され、下向きに開口したスロット１６を有するリングを形成する。

図１０も同様に、簡略化した斜視図で部材１４を示す。該部材１４は、図８の下側支持構成体１２内に嵌合し、上向きに開口したスロットを有するリングを形成する。

図９及び１０に示した部材を利用すれば、本発明による変圧器を、リングを径方向に対向させて製造することが可能である。

本発明に係る変圧器が予定する用法は、例えば、同期マシンなどの発動機を操作するにあたり、電気的な制御パワーを発動機のロータに伝送することである。該制御パワーは、例えば５０キロワットを超える範囲とするとよく、好ましくは８０〜１２０キロワットの範囲であるとよい。

本発明に係る変圧器の特に有利な点は、電気的励起力を発動機のロータに利用するのに従前使われてきたスリップ・リング・ロータが不要であり、これまでの風力タービンにおける摩耗や断裂の原因が取り除かれる点である。本発明に係る変圧器を用いれば電気的励起力はワイヤレスで伝送されるので、上記の摩耗や断裂は発生しない。

本発明に係る電気変圧器は、特に、同期発動機／リング発動機に利用可能である。このような発動機は、５００キロワットの電力定格において比較的大きい直径、例えば４メートル、を有しているので、本発明に係る変圧器を収容するのに十分な空間を備えている。

回転ボディの第１実施形態の側面図である。 図１の回転ボディの一セグメントである。 図１のＡ−Ａ線断面図である。 回転ボディの第２実施形態の側面図である。 回転ボディの第２の実施形態のＢ−Ｂ線断面図である。 ２つの回転ボディの配置を示す斜視図である。 回転ボディの部分断面図である。 回転ボディの異なる配置を示す部分断面図である。 図８の一方の回転ボディの部材を示す斜視図である。 図８と異なる回転ボディの部材を示す斜視図である。

Claims (10)

1. 第１ワインディング（１８’）及び第２ワインディング（１８’’）を有する、静止部材から回転部材に電力を伝送するための変圧器であって、環状の第１及び第２のワインディング（１８’、１８’’）が環状スロット（１６）内に配置されていることを特徴とし、上記第１及び第２のワインディング（１８’、１８’’）は軸方向あるいは径方向に対向すべく配置され、上記第１ワインディングは静止部材内に配置され、上記第２ワインディングは回転部材内に配置されている、変圧器。
2. 軸方向あるいは径方向に開口したスロット（１６）を有するリング・セグメントの形状の部材（１４）を備えた回転ボディを特徴とする、請求項１に記載の変圧器。
3. 上記部材（１４）を収容する支持構成体（１２）を特徴とする、請求項１及び２のいずれかに記載の変圧器。
4. 一体的に構成された部材（１４）を特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の変圧器。
5. 複数個のピース（１５、１７、１９）によって構成された部材（１４）特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の変圧器。
6. 部材（１４）の材質はフェライトであることを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載の変圧器。
7. 上記部材はトロイダル・テープ・コアによって形成されることを特徴とする、請求項１〜６のいずれかに記載の変圧器。
8. 請求項１〜７のいずれかに記載の変圧器を少なくとも１つ有することを特徴とする、風力タービン。
9. 作動周波数が３００キロヘルツ以下、好ましくは約２０キロヘルツであることを特徴とする、請求項１〜７のいずれかに記載の変圧器を操作する方法。
10. 好ましくは同期発動機であって、発動機の回転ポーションに発動機の作動に必要な励起力を伝送するために、請求項１〜７のいずれかに記載の変圧器が用いられている、風力タービンの発動機。
    

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