JP2009531597A - 風力及び水力タービン用発電機 - Google Patents

Abstract

風力タービン・ナセルに収容される発電機。発電機ロータ（６）がギヤボックス出力ピニオン（２１）に取り付けられており、この結果、継手が不要になる。発電機フレーム（３）がギヤボックス（２７）に直接配置され、エアギャップ（３１）を制御するように配置されている。発電機の取り外しを容易にするため、用いられる材料の摩擦係数を上回る急峻な角度を有するテーパ（３３、３４）が利用されている。その全長にわたって十分な支持を行うため、シャフト（２２）は二重テーパ（３３、３４）を用いており、それぞれの短くて正確に配置されたテーパの円錐状表面によって、シャフト（２２）の近くの側及び遠くの側への正確な位置決めが可能になる。二重位置決めテーパ（３３、３４）間における真直ぐなシャフト（２２）の長さは、取り付け及び取り外し中、発電機を支持する働きをする。取付け中、テーパ（３３、３４）が前記ロータ（６）の心合わせを行い、弾丸形状ピン（３５）がフレーム（３）（ステータ（４））の心合わせを行う。システムによってロータ（６）とステータ（４）のアライメントがとれると、保持部品（２、１６）が、汚染から発電機内部を保護するように設計されたラビリンス・シールの働きをする。

Description

関連出願

関連出願の相互参照
本出願は、２００４年２月４日に提出された「Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｓｐｅｅｄ Ｗｉｎｄ Ｔｕｒｂｉｎｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ」と題する米国特許出願第１０／７７３，８５１号、米国特許第６，３０４，００２号、２００２年８月７日に提出された「Ｉｍｐｒｏｖｅｄ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｐｏｗｅｒ Ｔｒａｉｎ Ｔｈａｔ Ｉｎｃｒｅａｓｅｓ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ Ｄｅｎｓｉｔｙ」と題するＡｍｉｒ Ｓ． Ｍｉｋｈａｉｌ及びＥｄｗｉｎ Ｃ． Ｈａｈｌｂｅｃｋの米国特許出願第１０／２１３，７６４号、２００１年７月３１日に提出された「Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ Ｄｒｉｖｅｔｒａｉｎ （ＤＧＤ） Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ｆｏｒ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｔｏ Ｗｉｎｄ Ｔｕｒｂｉｎｅ ａｎｄ Ｏｃｅａｎ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｔｕｒｂｉｎｅ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒｓ」と題するＰｅｔｅｒ Ｓｔｒｉｃｋｅｒの米国特許出願第０９／９２０，２４７号、２００３年４月３０日に提出された「Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｓｔａｔｉｃ ＶＡＲ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ （ＤＳＶＣ） Ｓｙｓｔｅｍ Ｆｏｒ Ｗｉｎｄ ａｎｄ Ｗａｔｅｒ Ｔｕｒｂｉｎｅ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」と題するＫｅｖｉｎ Ｌ． Ｃｏｕｓｉｎｅａｕの米国特許出願第１０／４２６，２８７号、及び、２００３年５月３１日に提出された「Ｉｍｐｒｏｖｅｄ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｐｏｗｅｒ Ｔｒａｉｎ （ＤＧＤ） ｗｉｔｈ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｐｏｗｅｒ Ｐａｔｈｓ」と題するＡｍｉｒ Ｓ． Ｍｉｋｈａｉｌ及びＥｄｗｉｎ Ｃ． Ｈａｈｌｂｅｃｋの米国特許出願第１０／４４９，３４２号に関連するものであり、これらの全てが、Ｃｌｉｐｐｅｒ Ｗｉｎｄｐｏｗｅｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｉｎｃ．に譲渡されており、本明細書において参考までに援用されている。

本発明は、風力タービンや潮流タービンのような発電装置に関するものであり、とりわけ、水平軸、軸流、風力、または、水力タービンのタービン・ナセルに収容するのに特に適した発電機に関するものである。

典型的な水平軸風力タービンの場合、ナセルは高い垂直タワーに取り付けられている。ナセルには、動力伝達機構、電気機器が収容されており、一方の端部においてロータ・システムを支持している。水平軸風力タービン用のロータ・システムには、シャフトのロータ・ハブに取り付けられた１つ以上のブレードが含まれている。風の流れによってロータが回転し、その結果、ナセルの主軸が回転する。主軸によって、発電機にトルクを伝えるギヤボックスの歯車が回転する。ナセルは、一般に、どの方向からの風も利用するため、垂直タワーの周りを旋回することができる。風向きの変化に応答したこの垂直軸まわりの旋回は、ヨーまたはヨー応答として知られ、垂直軸はヨー軸と呼ばれる。風が十分な速度でブレードを通過すると、ロータ・システムが回転し、風力タービンは、発電機を介して風のエネルギを電気エネルギに変換する。発電機の電気出力は電力網に接続される。

風力タービンに用いられる発電機は、通例、たわみ継手を備えたギヤボックスアウトプット・シャフトに接続されている。発電機は支持構造に取り付けられ、発電機とギヤボックスのアライメントをとるため、ネジによって粗調整または調整が施される。

極めて大きいプラットフォームのたわみ性のため、継手は、たわみに対応するために継手と副軸へ拡張される。発電機のロータは発電機フレームに配置された軸受によって支持されており、一定のスケジュールで注油を必要とする。

従って、本発明の目的は、継手を排除する発電機搭載システムを提供することにある。

本発明のもう１つの目的は、高いタワーの上に配置されたナセルに対する取付けと取り外しが容易な風力タービン発電機を提供することにある。

本発明のもう１つの目的は、エアギャップの完全またはほぼ完全なアライメントを可能にする風力タービン発電機を提供することにある。

本発明のもう１つの目的は、マグネット・プロテクタを兼ねるラビリンス・シールを用いることによって、コスト節減を可能にする風力タービン発電機を提供することにある。

本発明の原理によれば、水平軸流体流タービン用の発電機には、ギヤボックス出力ピニオンに唯一に取り付けられており、従って、継手を不要にする発電機ロータが含まれる。発電機フレームは、ギヤボックスに直接配置されており、エアギャップを制御するように配置されている。

エアギャップの制御は、適正な発電機の機能にとって重要である。本発明の態様の１つによれば、発電機ロータの配置には、二重位置決めテーパが役立っている。テーパによって遊びのないアライメントが可能になる。発電機の取り外しを容易にするため、テーパは、用いられる材料の摩擦係数を上回る急峻な角度を有している。急峻なテーパは、直径が急激に小さくなるので、長さがわずかしかない。その全長にわたって十分な支持を行うため、シャフトは二重テーパを用いており、それぞれの短くて正確に配置された円錐状表面によって、シャフトの近くの側と遠くの側への正確な位置決めが可能になる。正確な位置を見つけることによって、ロータの正しいバランスが確保される。

二重位置決めテーパ間における真直ぐなシャフトの長さは、取り付けと取り外し中、発電機を支持する働きをする。これは、発電機の取付けを簡便かつ安全にするのに重要である。シャフトと嵌合いロータ・ボアの嵌合には、あらゆる条件下における組立てを可能にするのに十分な遊びが設けてある。

二重位置決めテーパ間における真直ぐなシャフト部分は、組立てを容易にするために十分な遊びを有しているが、フレーム位置決めピンの係合の開始を可能にするのに十分な正確さで発電機フレームを位置決めする。発電機のナセルへの搭載中に、ギヤボックスのシャフトで発電機を進める際、これら弾丸形状ピンによってフレームのセルフ・アライメントが生じる。

発電機アセンブリが、その取付けボルトを締めることによってシャフトに引き付けられる際、テーパによってロータが心合わせされ、弾丸形状ピンによってフレーム（ステータ）が心合わせされる。

ロータとステータは、それぞれ、それぞれのボルト締めシステムによって保持されている。ロータ・ボルト締めシステムによって、必要な駆動トルクを伝えるのに十分な接触荷重がテーパに加えられる。

ロータとフレーム・サブアセンブリの大まかなアライメントをとるため、サブアセンブリは、すきま保持部品によってアライメントがとられる。これらの部品は、ロータ・マグネットに対する損傷を防ぐのに十分なロータとステータの心合わせを行うため、遊びがエアギャップよりもわずかに小さい。このシステムによってロータとステータのアライメントがとられる時、これらの保持部品は、発電機内部を汚染から保護するように設計されたラビリンス・シールの働きをする。

本発明には、独自の取り付けシステムによって継手が排除されるという利点がある。

本発明には、高いタワーの上に配置された風力タービン・ナセルに対する発電機の取り付けと取り外しが容易であるという利点がある。

本発明には、発電機の設計によって、エアギャップのほぼ完全なまたは完全なアライメントが取れるという利点がある。完全なアライメントによって、工場公差でバランスが反復されるという利点がある。

本発明には、発電機のラビリンス・シールがマグネット・プロテクタを兼ねており、従って、コストが節減されるという利点がある。

本発明には、テーパを用いることによって、ロータ対ギヤボックスのランダムな配向が可能になるという利点がある。フィールド・ギヤボックスにはブレーキがかけられる。キーを利用する場合、軸受のない発電機のアライメントは容易にとることができない。

先行技術による従来式風力タービン発電機の切取透視図である図１を参照する。風力タービンは、発電機１００と、継手１０２を介して発電機のインプット・シャフトに結合されたギヤボックス１０４から構成されている。ギヤボックスのインプット・シャフトは、タービン主軸１０６に接続されており、タービン主軸は、風力によって回転するタービン・ロータによって駆動される。

以下では、先行技術との違いを示す本発明の主たる特徴が要約されており、重要な構成部品については後続セクションにおいて詳述される。
・一体化シャフト、２段ヘリカル・ギヤボックス、４つのアウトプット・シャフトによって駆動される複数発電装置を特徴とするコンパクトなパワー・トレイン。図２Ｃ参照。
・いくつかの比較的評価の高い風力タービンよりも大幅に短いコンパクトなナセル。図２Ａ、２Ｂには、組み立てられたナセルの主要寸法が示されている。
・全電力変換を行う、４つの独立した液冷または空冷式永久磁石型同期発電機。
・典型的な１．５ＭＷ〜２ＭＷ定格タービンに要求される要件に比べて緩和されたクレーン許容荷重要件。

４つの発電機を含む風力タービン発電機サブアセンブリの透視図である図２Ｃ、２Ｄを参照する。本発明は、各発電機毎に具現化される。風力発電装置には、地面に固定された高いタワー構造の頂部にあるヨー・ベース２０２に取り付けられた、タービン・ナセル２００に収容された発電機が含まれている。タービン・ヨー・ベース２０２は、卓越風の流れ内に留まりやすいように、水平面で自由に回転する。タービンは、主ブレード（不図示）が取り付けられたハブ２０６を備えている。ブレードは気流に応答して回転する。ブレードは、それぞれ、ロータの直径を可変にするため、長さを変えることが可能なブレード延長部分を備え、ピッチの変更に合わせて調整することが可能である。

ナセル２００には、動力伝達機構、電気機器、ロータを支持するシャフトが収容されている。図２Ｃ、２Ｄに示すロータ・システムは、ナセル内のシャフトを回転させる、ハブ２０６の外側リムに取り付けられたブレード（不図示）を備えている。シャフトによって歯車が回転し、４つの発電機にトルクが伝達される。ナセルは、垂直軸まわりを旋回して、どの方向から流れてくる風も利用することができる。風向きの変化に応答したこの垂直軸まわりの旋回は、ヨーまたはヨー応答として知られ、垂直軸はヨー軸と呼ばれる。風が十分な速度でブレードを通過すると、ロータ・システムが回転し、風力タービンは、発電機を介して風のエネルギを電気エネルギに変換する。発電機の電気出力は電力網に接続される。

低流速においてロータ・ブレードを完全に伸ばし、流速が増すにつれて、ロータ・ブレードを引っ込めて、ロータの直径を制御し、ロータによって伝達される荷重またはロータにかかる荷重が設定限界を超えないようにすることが可能である。タービンは、気流と水平方向においてアライメントのとれる所定位置に保持されるように、タワー構造によって気流の流路内に保持されている。発電機は、タービンによって駆動されて、電気を発生し、他の装置及び／または電力網に相互接続する送電ケーブルに接続されている。

図２Ｃ、２Ｄに示す発電機の１つに関する側断面図である図３を参照する。下記の番号は、発電機／ギヤボックス装置の対応する構成要素を識別する。
１−水冷式発電機のラジエータ
２−アップウィンド・エンド・ハウジング
３−外部ジャケット
４−ステータ・コア
５−エンド・ファン
６−ロータ・コア
７−ラジエータ・ボルト
８−リテーナ・ボルト
９−グリース・ホース
１０−接地ブラシ
１１−ダウンウィンド・エンド・ハウジング
１２−ブラシ・ハブ
１３−軸流ファン
１４−ラジアル・ファン
１５−軸受保持器
１６−ラビリンス・シール
１７−オプションの外部軸受
１８−スピンドル・ハブ
１９−ロータ・ハブ
２１−ギヤボックス高速ピニオン
２２−ギヤボックス・スピンドル
２３−センタ・サポート・ハウジング
２４−給水口
２５−給水口保持ボルト
２６−ギヤボックス・スピンドル軸受け
２７−ギヤボックス・ハウジング
２８−センタ・サポート・ボルト
２９−アップウィンド・エンド・ハウジング・ボルト
３０−ダウンウィンド・エンド・ハウジング・ボルト
３１−エアギャップ
３２−給水口保持器
３３−テーパ
３４−テーパ
３５−弾丸形状ノーズ・ピン
３６−取り付けボルト
３７−ロータ・ボルト
３８−ロータ・マグネット
３９−整流器
４０−発電機リード線
４１−ダイオード・アセンブリ
４２−出力バス

発電機には、ギヤボックス出力ピニオン２１に唯一に取り付けられていて、継手の必要性をなくす発電機ロータ６が含まれている。発電機フレーム３は、ギヤボックス２７に直接配置され、エアギャップ３１を制御するように配置されている。

エアギャップの制御は、適正な発電機の機能にとって重要である。発電機ロータの配置は、二重テーパ３３、３４によってアライメントがとられる。テーパによって遊びのないアライメントが可能になる。除去を容易にするため、テーパは、用いられる材料の摩擦係数を上回る急峻な角度を有している。急峻なテーパは、直径が急激に小さくなるので、長さがわずかしかない。その全長にわたって十分な支持を行うため、シャフトは二重テーパを用いている。それぞれの短くて正確に配置されたテーパの円錐状表面によって、近くの側及び遠くの側への正確な位置決めが可能になる。

位置決めテーパ３３と３４の間における真直ぐなスピンドル・シャフト２２の長さは、取り付けと取り外し中、発電機を支持する働きをする。これは、取付けを簡便かつ安全にするので重要である。シャフトと嵌合いロータ・ボアの嵌合には、あらゆる条件下における組立てを可能にするのに十分な遊びが設けてある。

真直ぐなスピンドル・シャフト部分２２は、組立てを容易にするために十分な遊びを有しているが、フレーム位置決めピン３５の係合の開始を可能にするのに十分な正確さで発電機フレーム３を位置決めする。ギヤボックスのシャフト２２で発電機を進める際、これら弾丸形状ピン３５によってフレームのセルフ・アライメントが生じる。

発電機アセンブリが、その取付けボルト３６を締めることによってシャフトに引き付けられる際、テーパによってロータ６が心合わせされ、弾丸形状ピン３５によってフレーム／ステータ３が心合わせされる。

ロータとステータは、それぞれ、それぞれのボルト締めシステムによって保持されている。ロータ・ボルト締めシステム３６によって、必要な駆動トルクを伝えるのに十分な接触荷重がテーパ３３、３４に加えられる。

ロータとフレーム・サブアセンブリの大まかなアライメントをとるため、サブアセンブリは、すきま保持部品２〜１６によってアライメントがとられる。これらの部品２〜１６は、ロータ・マグネット３８に対する損傷を防ぐのに十分なロータとステータの心合わせを行うため、遊びがエアギャップ３１よりもわずかに小さい。このシステムによってロータとステータのアライメントがとられる時、これらの保持部品は、発電機内部を汚染から保護するように設計されたラビリンス・シール１６の働きをする。

一体式整流器
典型的な可変周波数システムは、その出力がＤＣに整流され、さらに線周波数に反転される同期または非同期発電機から構成されている。従来のアプローチでは、可変周波数出力がコンバータ・システムに伝導され、コンバータ・システムにおいてこれらの変換が実施される。本発明の場合、整流は、発電機に直接配置された整流器３９において行われる。これには、下記の利点がある。

発電機のリード線４０がダイオード・アセンブリ４１に直接接続されるので、不必要な接合及び絶縁が排除される。

出力バス４２はより高電圧であり、発電機出力リード線４０のサイズが縮小される。発電機の相がいくつあろうと、出力バス４２には、２つのワイヤ、すなわち、＋と−の出力だけしか含まれていない。ワイヤ数の減少は、ワイヤの引き回しが長い場合コストが節減されるので、極めて重要である。

発電機の配置は、余分な接合及びヒートシンクの一部としての発電機フレームの延長部を排除することによって、コンパクトなパッケージングとするに役立つ。

複数発電機を備える分散構成で整流器が発電機に直接接続されると、整流器の故障中に個別に発電システムを切断することが可能になり、残りの装置は動作を継続することが可能になる。

水冷式ステータ
次に、永久磁石型（ＰＭ）発電機のステータを冷却するための水冷式システムの配置を例示した、図３に示す発電機の１つに関する側断面図の一部である図４を参照する。冷却式タービンは、巻付けスロットに直接配置されるか、または、巻付けスロットのすぐ上または巻付けスロットに隣接して開けられた穴内に配置される。図５に示すマニホルド５０、５２の配管によって、ステータ・コア４（図３）のスロット１つおきに、水流方向を交互に換えて、ステータ・コアの各端部毎にステータ・コアからの熱除去のバランスをとる給水ライン５４、５６が得られる。水冷式発電機のためにラジエータ１が設けられており、その配置が、給水口２４、給水口保持ボルト２５、給水口保持器３２と共に図３に示されている。

図６Ａは、巻線６４に隣接した穴すなわち巻付けスロット６８内の冷却管５０及び５２を示す、ステータの２分の１の断面図である。

図６Ｂは、巻付けスロット内の冷却管５０を示す（図６Ａに示す構成の代替案として）巻付けスロット６８の断面図である。

図７は、図３に示すステータ・コア４の図である。

要約
解説してきたのは、重量を減らし、発電機が収容される風力タービン・ナセルに配置された搭載クレーンによって、発電機を実際に昇降させることができるようにする、極めてコンパクトな風力発電機設計である。本発明の原理に従って組み立てられた発電機は、シャフトがなく、エンド・カバーによってロータを支持していないので、軽量になるため、可能な最小限の重量を実現することができ、セルフ・ハンドリングが可能になる。当該技術者には明らかなように、エンド・カバーの一方は、ギヤボックスの面を利用して、発電機のその端部を閉じることによって完全になくすことが可能である。

従来の機械では、ギヤボックスのシャフトは発電機のシャフトと同様にキーを備えている。発電機に軸受がなければ、それが取り付けられるまで、ロータをうまく回転させることができない。その一方で、タービンが風力タービンの所定位置に配置される際、安全のため、タービン・シャフトを固定しなければならない。これは、特殊なハンドリング手段を用いなければ、２つのキーの位置合わせを不可能にする。テーパ嵌めによれば、アライメントをとるためのキーがないので、この問題が解消される。コストの低下、部品数の減少、潤滑を改善するためのギヤボックス内への軸受の収容の全てが相俟って、新規の風力タービンが生み出される。

本発明は、地上配備のタワーの頂部に取り付けられた風力タービンに関連して示され、解説されてきたが、当該技術者には明らかなように、本発明は、タービンが水中に係留されていて、水流の力によってブレードが回転する水中タービンにも適用可能である。

本発明は、とりわけその望ましい実施形態に関連して示され、解説されてきたが、当該技術者には明らかなように、本発明の範囲を逸脱することなく、形態及び細部に関して上記及びその他の変更を加えることが可能である。

先行技術による従来の風力タービン発電機の切取透視図である。 本発明が具現化されるナセルの正面図である。 本発明が具現化されるナセルの左側面図である。 図２Ａ及び２Ｂのナセルの切取透視図である。 それぞれにおいて本発明が具現化される４つの発電機から構成されたサブアセンブリの透視図である。 図２Ｄに示す発電機の１つに関する側断面図である。 図３に示す発電機の１つに関する側断面図の一部である。 図４に示す水冷式の配管を例示した図である。 ステータの２分の１の断面図である。 巻付けスロットの断面図である。 図３に示すステータ・コアの図である。

Claims (8)

1. 風力タービン・ナセルに収容するための発電機であって、
   ギヤボックス（２７）に直接配置された発電機フレーム（３）と、
   前記フレーム（３）の位置決めをガイドして、前記発電機のステータ・コア（４）とロータ・コア（６）の間のエアギャップ（３１）を制御するための手段（３５）が含まれている発電機。
2. シャフト（２２）が、シャフト全長にわたって十分な支持を行うため、二重テーパ（３３、３４）を用いており、前記二重テーパのそれぞれの短くて正確に配置された円錐状表面によって、前記シャフト（２２）の近くの側と遠くの側への正確な位置決めが可能になり、前記二重位置決めテーパ（３３、３４）間における真直ぐなシャフト（２２）の長さが、取り付け及び取り外し中、前記発電機を支持する働きをするようになっていることを特徴とする請求項１に記載の発電機。
3. 取付け中、前記位置決めテーパ（３３、３４）が前記ロータ（６）の心合わせを行う働きをし、弾丸形状ピン（３５、３６）が前記ステータ（４）の心合わせを行う働きをすることを特徴とする請求項２に記載の発電機。
4. 前記ロータ（６）と前記ステータ（４）のアライメントをとる際、保持部品（１６）が、汚染から発電機内部を保護するラビリンス・シールの働きをすることを特徴とする請求項３に記載の発電機。
5. 風力タービン・ナセルに収容するための発電機であって、
   ギヤボックス（２７）に配置されており、前記発電機のステータ（４）を具備する発電機フレーム（３）と、
   前記ギヤボックス（２７）のアウトプット・シャフト（２２）に心合わせされる前記発電機のロータ（６）と、
   前記フレーム（３）の位置決めをガイドして、前記ステータ・コア（４）と前記ロータ・コア（６）の間のエアギャップ（３１）を制御するための手段（３５）が含まれている発電機。
6. シャフト（２２）が、シャフト全長にわたって十分な支持を行うため、二重テーパ（３３、３４）を用いており、前記二重テーパのそれぞれの短くて正確に配置された円錐状表面によって、前記シャフト（２２）の近くの側及び遠くの側への正確な位置決めが可能になり、前記二重位置決めテーパ（３３、３４）間における真直ぐなシャフト（２２）の長さが、取り付け及び取り外し中、前記発電機を支持する働きをするようになっていることを特徴とする請求項５に記載の発電機。
7. 取付け中、前記位置決めテーパ（３３、３４）が前記ロータ（６）の心合わせを行う働きをし、弾丸形状ピン（３５、３６）が前記ステータ（４）の心合わせを行う働きをすることを特徴とする請求項６に記載の発電機。
8. 前記ロータ（６）及び前記ステータ（４）のアライメントをとる際、保持部品（１６）が、汚染から発電機内部を保護するラビリンス・シールの働きをすることを特徴とする、請求項５〜７のいずれか１つに記載の発電機。

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