JP2013505690A - 風力又は水力エネルギィ装置 - Google Patents

Abstract

本発明は電気エネルギィを生成する風力又は水力エネルギィ装置（１０）に関し、この装置は、少なくとも一のプロペラ（３０）と、少なくとも一のロータと、少なくとも一のステータと、磁束を生成する少なくとも一の磁気回路（１２０）とを具える少なくとも一の発電機（６０）とを具える。本発明によれば、少なくとも一の磁気回路が、ステータ側の少なくとも一のマグネット（１３０、１３１、１３２）と、ステータ側のマグネットの磁束の少なくとも一部が流れるステータ側の少なくとも一のコイル（１４０、１４１、１４２）とを具え、この磁気回路がロータによって閉じられている。この回路は、ステータに対向する面において各々の回転角度に応じた磁気抵抗（Ｒｍ）を有しており、少なくとも一のステータ側コイルの磁束の大きさが、ロータの各々の回転角度に依存すると共に、ロータが回転した時に変化するようにしている。
【選択図】図２

Description

本発明は、請求項１に記載の序文に書かれた特徴を有する風力又は水力エネルギィ装置に関する。

何年もの間、電力エネルギィは風力タービンを利用して風から得ており、このタービンはこれまでにより大きなものになってきた。入手可能な電力レベルは、とりわけ、風力タービンの直径に依存している。従って、電力レベルが高いということは、タービンの直径が大きく、プロペラのブレード長が長いことを意味する。プロペラチップの円周速度には技術的な制限があり、この結果、これまでは回転速度が遅かった。

機械的な力を電気エネルギィに変換する小型で軽量の低コスト発電機を使用できるようにするために、プロペラと発電機との間には通常ギアボックスが配置されている。

本発明は、高い電力レベルで発電することができるが、単純で軽量なデザインの風力または水力エネルギィ装置を特定するという目的に基づく。

本発明によれば、この目的が、請求項１に請求されている特徴を有する風力又は水力エネルギィ装置によって達成される。本発明による風力又は水力エネルギィ装置の有利な改良点が、従属請求項に記載されている。

従って、本発明によれば、風力又は水力エネルギィ装置が、少なくとも一のプロペラと少なくとも一の発電機を有する電力エネルギィ生成装置として提供されており、この装置は、少なくとも一のロータと、少なくとも一のステータと、磁束を生成する少なくとも一の磁気回路とを具える。この少なくとも一の磁気回路は、少なくとも一のステータ側マグネットと、ステータ側マグネットの磁束の少なくとも一部が流れる少なくとも一のステータ側コイルを具える。この磁気回路は、ロータによって閉じられており、ステータに対向する面では、ロータの磁気抵抗が各回転角度に応じて異なる。少なくとも一のステータ側コイルの磁束の大きさは、ロータの各回転角度に依存しており、ロータが回転する間に変化する。

本発明の風力又は水力エネルギィ装置の１つの主な利点は、限界温度が過剰にならないようにするために、発電機の稼働中に加熱されて冷却を必要とする構成部品がすべて、発電機のステータ内に配置されていることである。ステータを外側から冷却することは技術的に比較的簡単であり、低コストで実現できる。これらの部分と磁束を担う要素は、ロータ内に配置されており、再磁化または渦電流によって加熱できる。また、熱伝達及び／又は放熱によってステータで加熱することもできる。これらは本発明による風力又は水力エネルギィ装置の場合、温度が重要でない部品によって形成することができ、その結果、更に冷却する必要がない。換言すると、本発明による風力又は水力エネルギィ装置の１つの主たる利点は、非常に高い電力レベルが生じる場合でも、ステータ部分を冷却する必要があるだけで、ロータの冷却が不要であることである。

この風力又は水力エネルギィ装置は、少なくとも定格１ｋＷの装置であることが好ましい。これは、一般的に送電システムを経済的に使用するために必要な定格である。

風力又は水力エネルギィ装置の好ましい改良によれば、プロペラが発電機のロータに連結されており、これらが一緒に回転するようになっている。従って、ロータとプロペラの間にギアボックスが不要であり、重量とコストが低減される。

好ましくは、ステータ側のマグネットは、永久磁石である。代替的に、磁束を発生するのに永久磁石に代えて電磁石を使用することもでき、あるいは電磁石と永久磁石を組み合わせて使用しても良い。

ロータに対向する面、例えば、ロータに対向する内側面に、ステータが多数の磁気回路を有していることが好ましく、この磁気回路はそれぞれ、少なくとも一のステータ側マグネットと、それぞれ少なくとも一のステータ側コイルを具え、それぞれ、ロータによって磁気的に閉じられている。ステータ側コイルは電気的に相互接続されており、風力又は水力エネルギィ装置が接続されている電力供給システムの構造に依存して適宜の電流又は電圧を提供する。

好ましくは、ステータの電磁回路の配置と、ロータの磁気抵抗の局所分布がそれぞれ回転対称である。

例えば三相などの多相電力を生成するには、ステータの磁気回路の配置の回転対称角度と、ロータの磁気抵抗の局所分布の回転対称角度が異なっていれば、有利であると考えられる。回転対称角度の差によって、ステータとロータのポールピッチが異なることになり、従って、多相システム用の電流を生成することが可能になる。

ステータの回転対称角度とロータの回転対称角度とは、本発明が単一の電流及び電圧相を生成するのであれば、同じである。

好ましくは、ステータに対向する面において、ロータが外側に半径方向に延在する歯を有する。歯の構造、又は歯のプロファイルによって、ロータの面に、特に簡単な方法でロータの各回転角度に応じた磁気抵抗を作ることができる。好ましくは、ロータの面の歯は、磁気抵抗が低い物質、すなわち、磁場がかかると高い磁束が生じる物質でできている。例えば、この歯に適している物質の１つは、強磁性物質である。これは、非常に透磁率が高いためである。

ステータの隣接する歯の間の中間スペースは、例えば、全体的にあるいは部分的に、歯の物質よりより磁気抵抗が高い物質で満たされている。例えば、この隣接する歯の間の中間スペースは、プラスチック又は樹脂で満たすことができる。

しかしながら、隣接する歯の間の中間スペースをフリーにしておくことは、特に有利であると考えられる。なぜなら、ロータが回転するときに、露出した歯がステータとロータの間のエアギャップに空気の渦を生じさせ、これによって、ロータとステータが冷却されるためである。

特に好ましくは、少なくとも一の磁気回路のステータ側の部分が、少なくとも一のステータ側のコイルを通る磁束案内要素を有し、コイル領域における磁束案内要素の断面積がステータ側のマグネットの断面積より小さい。これらの断面積がこの方法で改良されると、ステータ側のコイルの領域において磁束密度が生じる。

対応するやり方で、磁束案内ステータ側要素は、コイル領域において、ロータとのインターフェースを形成するリム端部の面積より小さくても良い。この改良も、コイル領域における磁束を密にするが、この場合、ロータとステータとの間のインターフェースにおいて、エアギャップの場に影響することがある。

ステータを通る力線を可能な限り最適な方法で案内するために、磁気回路のステータ側部分に、各ステータ側部分の残りの物質より高い特定の磁気抵抗を有する少なくとも一の磁束バリアを設けるようにしても良い。このような磁束バリアは、力線が磁気バリアを通過できないか、わずかしか通過しないため、磁束バリアの周りを通過しなければならず（少なくとも、大部分は）、力線のプロファイルを変える。

更に、ステータ側のマグネットを、磁束案内ステータ側の物質中に埋め込むことは有利であると考えられる。「埋める」の用語は、この場合、ステータ側のマグネットが磁束案内ステータ側物質によって完全に取り囲まれており（全面）、従って、特にロータに対向するステータ内側面と、ロータから外れているステータ外側面とから離れていることを意味する。このような「埋め込み」を行った結果、所定の割合のステータ側マグネットの磁束が、磁気案内ステータ側物質によって磁気的に短絡され、この結果、効率が低減するが、「埋め込み」は、個別の取付手段なしで済ますことができ、更に、例えば、ステータ側のマグネットを「封入」することができ、これによって、外部環境の影響から効率良く保護することができる。このことは、磁性物質が比較的もろく、製造工程を経た結果、常に小さなクラックとマイクロクラックが生じ、磁性物質が常に腐食しやすいためである。例えば、発電機が海に挿入された場合、あるいは海にある場合、水分と塩分がクラックと腐食部分の中に滲みたり、及び／又は破裂や剥離が生じることがあるため、ステータ側のマグネットがダメージを受ける。ステータ側のマグネットを磁束案内ステータ側物質に「埋める」ことによって、環境の影響に対して有効な保護が達成される。

プロペラの回転速度に依存する発電機の出力電圧及び出力周波数を変換するのに、コンバータを使用することが好ましい。また、ロータの構造を一方向に傾ける、あるいは、例えばそれぞれ半分を両方向に傾けて（矢印で示す傾斜）、とりわけ、コギングトルクを低減し、発生する音に良い影響を与えることができる。

本発明を例示的実施例に関する以下のテキストにおいて、より詳細に説明する。
図１は、電力伝達システムに接続された、本発明に係る風力エネルギィ装置を有する構成の一実施例を示す図である。 図２は、図１に示す風力エネルギィ装置用の発電機の実施例を示す図である。 図３は、図１に示す風力エネルギィ装置用の発電機の実施例を示す図である。 図４は、図１に示す風力エネルギィ装置用の発電機の実施例を示す図である。 図５は、図１に示す風力エネルギィ装置用の発電機の実施例を示す図である。 図６は、図１に示す風力エネルギィ装置用の発電機の実施例を示す図である。 図７は、図１に示す風力エネルギィ装置用の発電機の実施例を示す図である。 図８は、図１に示す風力エネルギィ装置用の発電機の実施例を示す図である。 図９は、図１に示す風力エネルギィ装置用の発電機の実施例を示す図である。 図１０は、図１に示す風力エネルギィ装置用の発電機の実施例を示す図である。 図１１は、図１に示す風力エネルギィ装置用の発電機の実施例を示す図である。 図１２は、図１に示す風力エネルギィ装置用の発電機の実施例を示す図である。 図１３は、図１に示す風力エネルギィ装置用のロータの斜めに回る歯の実施例を示す図である。 図１４は、図１に示す風力エネルギィ装置用のロータの斜めに回る歯の別の実施例を示す図である。

明確にするために、これらの図面中の同一又は比較可能な構成要素については、同じ符号を常に使用している。

図１は、電力伝達システム２０に接続された風力エネルギィ装置１０を有する構成を示す。この風力エネルギィ装置１０は、風力エネルギィを電気エネルギィに変換し、この電気エネルギィを電力伝達システム２０に送る。

風力エネルギィ装置１０は、複数の刃４０を有するプロペラ３０を具える。図１に示す例示的実施例では、プロペラ３０は３枚の刃を有するが、もちろん、プロペラ３０はこれ以上又はこれより少ない刃を有するものでも良い。

プロペラ３０は、風力エネルギィ装置１０の発電機６０に接続されたシャフト５０を中心に回転する。プロペラ３０の上の風の動きが、プロペラ３０をシャフト５０を中心に回転させ、この結果、発電機６０が電流Ｉを発生し、電力伝達システム２０に送られる。

例として、図２は、部分的に示した発電機６０の実施例を示す。図２は、従って、発電機６０のステータの部分１００を示しており、このステータの詳細については記載しない。更に、この図は、発電器６０のロータの部分１１０を示しており、このロータも詳細には記載しない。

図２の符号１２０は、ステータ側マグネット１３０と、２つのステータ側コイル１４０と１４１を具える磁気回路を示す。このステータ側マグネット１３０によって生じる磁束の少なくとも一部が、ステータ側コイル１４０と１４１を流れる。

更に、磁気回路１２０は、ステータの部分１００と、ロータの部分１１０を具える。ロータの部分１１０は、ステータに対するロータの各回転角度に依存する磁気抵抗Ｒｍを形成する。例えば、図２は、部分１１０が、磁気抵抗の小さい歯１５０を有することを示している。歯１５０は、ギャップ１６０によって互いに分離されており、このギャップは歯１５０の磁気抵抗より高い磁気抵抗を作っている。ここでロータがステータに対して回転すると、磁気回路１２０の全磁気抵抗が周期的に変化する。この変化は、常に、ステータに対するロータの各回転角度に依存する。

例えば、ステータ側マグネット１３０が一定の地場強度を作ると仮定すると、磁気回路１２０を通る磁束は、ロータの各位置に依存する。ロータが図２に示すように整列している場合、磁気回路１２０の磁束が最大になる。逆に、ロータが回転すると、この磁束が少なくなる。この２つのステータ側コイル１４０と１４１における磁束の変化によって、２つのコイルの導電体端部において電圧が生じ、これが電気エネルギィとして図１に示すように電力伝達システム２０へ出力される。

更に、図２に見られるように、磁束案内ステータ側要素１２５は、Ｕ字型断面を有し、２つのリム端部２００と２１０を有する。このリム端部が、ロータの部分１１０における歯１５０とギャップ１６０と相互作用する。断面Ｕ字型の磁束案内ステータ側要素１２５の構成は、この場合、一例として考えるべきであり、磁束案内ステータ側要素１２５は、もちろん、別の実施例との関連で以下により詳細に説明するように異なる形状であっても良い。

ロータ表面を平滑にするために、ギャップ１６０を歯１５０の物質と異なる磁気抵抗を有する物質で満たすようにしても良い。例えば、ギャップ１６０をプラスチック又は樹脂で満たすことができる。

しかしながら、ギャップ１６０を空気で満たすだけにしておくことが特に有利であると考えられる。この結果、ロータが回転すると、ロータとステータの間のギャップ内で空気が渦巻き、ロータ及びステータがこの空気流によって冷却される。

ステータ側マグネット１３０は、永久磁石又は電磁石であっても良い。

図３は、図１に示す発電機６０の改良型の別の実施例を示す図である。この図３に示す例示的実施例では、ステータ側マグネット１３０が磁束案内ステータ側要素１２５の磁束案内ステータ側物質１２７に埋め込まれている。この「埋め込む」の用語は、この場合、ステータ側マグネット１３０、すなわち、マグネットの全面が、磁束案内ステータ側要素１２５の磁束案内ステータ側物質１２７によって完全に囲まれており、従って、例えば、磁束案内ステータ側要素１２５のロータに対向するステータ内側面１２８と、磁束案内ステータ側要素１２５のロータから外れているステータ外側面１２９とから、分離されている、と解するべきである。これ以外は、この図３に示す例示的実施例は、図２に示す例示的実施例に対応している。

例として、図４には、２つのステータ側マグネット１３０と１３１がある実施例が示されている。この２つのステータ側マグネットは、Ｕ字型磁束案内ステータ側要素１２５のリム端部２００と２１０に配置されている。この他は、図４に示す実施例は、図２及び３に示す実施例に対応している。

図５は、発電機６０の一実施例を示す図であり、ここでは、磁束案内ステータ側要素１２５の、ステータ側コイル１４０及び１４１の領域における断面積が、リム端部２００及び２１０の領域における断面積より小さい。好ましくは、ロータの歯１５０の形状がリム端部２００及び２１０の形状と断面積に合致している。例えば、リム端部の断面と歯１５０の断面が同じである。

図６は、発電機６０の一実施例を示す図であり、ここでは、ステータ側コイル１４０と１４１の領域において、磁束が同様に密集している。図に見られるように、磁束案内ステータ側要素１２５は、ステータ側コイル１４０と１４１の領域における断面積が、磁束案内ステータ側要素１２５の湾曲した領域１２６における断面積より小さい。

例として、図７は、図４及び５に示す実施例を組み合わせた形の実施例を示す。例えば、図７は、磁束案内ステータ側要素１２５のリム端部２００と２１０に配置した２つのステータ側マグネット１３０と１３１を示している。この図面は、また、リム端部２００と２１０の断面と、ステータ側マグネット１３０と１３１の断面が、２つのステータ側コイル１４０と１４１の領域におけるステータ側要素１２５の断面より大きいことを示している。

図８は、発電機６０の一実施例を示す図であり、ここでは、磁束案内ステータ側要素１２５が櫛状であるか、櫛の形をしている。好ましくは、ステータ側要素１２５が、内側に向けて半径方向に形成されたリムを有する環状に閉じた櫛であり、３つのリムには、例として図８において符号３００、３０１、及び３０２が付されている。

ステータのポールピッチと、ロータのポールピッチは、図８に示す実施例では同じであり、この結果、ステータ側コイル１４０、１４１、１４２に発生する電圧は、同相であるか、あるいは、１８０°の位相オフセットを有する。従って、ステータ側コイルを適宜接続することによって、単相電力伝達システム用の電流と電圧が生じる。

図９に示す実施例では、磁束案内ステータ側要素１２５が、同様に、図８を参照してすでに説明したような櫛型構造の環状要素によって形成されている。しかしながら、図８に示す実施例とは対照的に、ステータとロータの間のポールピッチは同一ではなく、この結果、ステータ側コイル１４０、１４１、及び１４２に生じる電圧は、互いに対して、ステータとロータの間のポールオフセットによる位相オフセットを有する。このようなオフセットによって、例えば、三相といった、多相電流及び電圧を、多相、特に、三相電力伝達システム用に作ることができる。

図１０は、ステータ側マグネット１３０、１３１、及び１３２が、磁束案内ステータ側要素１２５のリム３００、３０１、及び３０２の長手方向に沿って整列している発電機の実施例を示す図である。この改良型では、ステータに対してロータが相対的に回転する結果、リム内の力線の方向が変化して、ステータ側コイル１４０、１４１、及び１４２に生じた電圧の位相が変化する。

図１１は、特に磁気抵抗が高い磁束バリア４００が磁束案内ステータ側要素１２５のリム３００、３０１、及び３０２に一体化されている発電機６０の実施例を示す。磁束バリア４００の機能は、磁気力線を磁束案内ステータ側要素１２５内に適当な方法で案内して、できるだけ高い効率レベルを達成することである。

例として、図１２は、図２乃至１１に示すすべての実施例の代表として、ロータ側部分１１０がステータ側部分１００の周りの外側を移動できるようにした図１に示すような発電機６０の設計可能性を示す。図３乃至１１に示す変形例はすべて、外付けロータの形式であっても良い。

例として、図１３は、歯１５０が図１に示す回転軸５０に平行に並ぶ必要がないことを示す。図に見られるように、図１１に示す実施例において、斜めのプロファイルを有するロータの歯１５０が設けられている。これは、歯１５０が斜めに並ぶあるいは、ロータの回転軸５０に対して角度を成して並んでいるためである。

対応して、磁束案内ステータ側要素１２５のリムも、斜めに整列していても良いし、あるいは、発電機の回転軸５０に対して角度を成して並んでいても良い。

例として、図１４は、傾斜した歯の形状を示しており、ここでは、歯が矢型に傾斜している。従って、各歯の一部分がそれぞれ回転軸から離れる方向を向いているが、対称的に、それぞれの歯のこの部分に隣接する部分は、回転軸の方向を向いており、従って、回転軸に沿って見ると歯ごとに全体的に矢型の構造を形成している。

１０ 風力エネルギィ装置
２０ 電力伝達システム
３０ プロペラ
４０ 刃
５０ シャフト
６０ 発電機
１００ ステータ側部分
１１０ ロータ側部分
１２０ 磁気回路
１２５ ステータ側要素
１２６ 底領域
１２７ 磁束案内ステータ側物質
１２８ ステータ内側面
１２９ ステータ外側面
１３０ マグネット
１３１ マグネット
１３２ マグネット
１４０ ステータ側コイル
１４１ ステータ側コイル
１４２ ステータ側コイル
１５０ 歯
１６０ ギャップ
２００ リム端部
２１０ リム端部
３００ リム
３０１ リム
３０２ リム
４００ 磁束バリア
Ｉ 電流
Ｒｍ 抵抗

Claims (16)

1. 少なくとも一のプロペラ（３０）と、少なくとも一のロータと、少なくとも一のステータと、磁束を発生する少なくとも一の磁気回路（１２０）とを有する少なくとも一の発電機（６０）とを具える電気エネルギィを生成する風力又は水力エネルギィ装置（１０）において、
   −前記少なくとも一の磁気回路が少なくとも一のステータ側マグネット（１３０、１３１、１３２）と、前記ステータ側マグネットの磁束の少なくとも一部が流れる少なくとも一のステータ側コイル（１４０、１４１、１４２）とを具え、前記磁気回路が前記ロータによって閉じられており、
   −前記ステータに対向する面において、前記ロータがロータの各回転角度に依存する磁気抵抗（Ｒｍ）を有し、前記少なくとも一のステータ側コイルにおける磁束の大きさが、前記ロータの各回転角度に依存しており、前記ロータが回転する間に変化する、
   ことを特徴とする風力又は水力エネルギィ装置。
2. 請求項１に記載の風力又は水力エネルギィ装置において、前記プロペラが前記発電機のロータに接続されて、当該プロペラとロータが一緒に回転することを特徴とする装置。
3. 請求項１又は２に記載の風力又は水力エネルギィ装置において、前記少なくとも一のステータ側マグネットが永久磁石であることを特徴とする装置。
4. 請求項１又は２に記載の風力又は水力エネルギィ装置において、前記少なくとも一のステータ側マグネットが電磁石であることを特徴とする装置。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の風力又は水力エネルギィ装置において、ロータに対向する面において、ステータが複数の磁気回路を具え、当該磁気回路がそれぞれ少なくとも一のステータ側マグネットと、ステータ側コイルを具え、これらが各々前記ロータによって閉じられていることを特徴とする装置。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の風力又は水力エネルギィ装置において、前記ステータの磁気回路の構成が回転対称であることを特徴とする装置。
7. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載の風力又は水力エネルギィ装置において、前記ステータに対向する面において、前記ロータがその磁気抵抗の局所的分布に対して回転対称に構成されていることを特徴とする装置。
8. 請求項６又は７に記載の風力又は水力エネルギィ装置において、前記ステータの磁気回路の構成の回転対称角度と、前記ロータの磁気回路の局所的分布の回転対称角度とが異なることを特徴とする装置。
9. 請求項１乃至８のいずれか１項に記載の風力又は水力エネルギィ装置において、前記ステータに対向する面において、前記ロータが外側に半径方向に延在する歯（１５０）を具えることを特徴とする装置。
10. 請求項９に記載の風力又は水力エネルギィ装置において、前記ロータも、前記ステータの周りの外側を回転することを特徴とする装置。
11. 請求項９又は１０に記載の風力又は水力エネルギィ装置において、隣接する歯の間の中間スペースが、全体的にあるいは部分的に、当該歯の物質より磁気抵抗が高い物質で埋められていることを特徴とする装置。
12. 請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の風力又は水力エネルギィ装置において、前記少なくとも一の磁気回路のステータ側部分が前記少なくとも一のステータ側のコイルを通る磁束案内要素（１２５）を具え、前記磁束案内要素の断面積が、前記ステータ側のマグネットの断面積より小さいことを特徴とする装置。
13. 請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の風力又は水力エネルギィ装置において、前記少なくとも一の磁気回路のステータ側部分が前記少なくとも一のステータ側のコイルを通る磁束案内要素（１２５）を具え、前記コイル領域における磁束案内要素の断面積が、前記ロータのインターフェースを形成する前記要素（１２５）のリム端部（２００、２１０）の断面積より小さいことを特徴とする装置。
14. 請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の風力又は水力エネルギィ装置において、前記磁気回路のステータ側部分の各々に、少なくとも一の磁束バリア（４００）を設けたことを特徴とする装置。
15. 請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の風力又は水力エネルギィ装置において、前記ステータ側マグネットが前記ステータの磁束案内物質に埋め込まれていることを特徴とする装置。
16. 請求項１５に記載の風力又は水力エネルギィ装置において、前記ステータが前記ロータに対向するステータ内側面と、前記ロータからそれているステータ外側面を具え、前記ステータ側マグネット又は複数のマグネットが前記ステータの磁束案内物質内に埋め込まれており、前記ステータ側のマグネットが前記ステータ内側面と前記ステータ外側面とから、前記ステータの磁束案内物質によって分離されていることを特徴とする装置。
    

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