JP2013505697A - 直接駆動式の電気機器 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明による直接駆動式の電気機器は、力密度の最大化及び活動性構成部材料(active material)の最小化により原価を低減し、回転子など回転体の支持及びガイドのためにベアリングレス(bearingless)方式を適用することにより非活動性構成部材料(inactive material)を顕著に低減でき、回転子及び固定子などが複数のモジュールに分離構成されたモジュール構造を有することにより、組み立て、取り扱い、輸送、設置、メンテナンスが容易であることを特徴とする。
【選択図】図8
Description
ここで、前記回転子または移動子と前記固定子の組合わせた構造において、前記回転子または移動子を中心として両側に孔隙を有するように固定子が配置される両側孔隙型構造で構成されることを特徴とする。
また、前記回転子または移動子と前記固定子との間で両側の孔隙は、各固定子の巻線に印加される電流を制御して孔隙を維持するベアリングレスドライブ(drive)により維持されることを特徴とする。
また、前記回転子と前記固定子がそれぞれリング状になることを特徴とする。
また、前記電気機器が横磁束発電機または横磁束電動機であってもよく、または前記電気機器が縦磁束発電機または縦磁束電動機であってもよい。
また、前記回転子と固定子との間で孔隙は、流体圧力及び浮力により回転子を支持する流体静圧軸受と、各固定子の巻線に印加される電流を制御して孔隙を維持するベアリングレスドライブにより維持されることを特徴とする。
また、発電機または電動機として、固定構造物に流体が満たされるリング状の固定部が固定設置され、前記固定部の内部には同心円上に配置されるリング状の回転部が設置され、前記固定部の内側面に固定子が設置され、前記回転部の外側面には前記固定子と対向する位置に回転子が設置され、前記固定部の内部には孔隙を維持するための流体が満たされ、前記回転部は固定部の外部に延長された連結部を介してローターブレードに連結された構成を有することを特徴とする。
ここで、前記ローターブレードが固定部の外径側に配置され、前記回転部が固定部の外径側に延長された連結部を介してローターブレードに連結されることを特徴とする。
また、前記ローターブレードが固定部の内径側に配置され、前記回転部が固定部の内径側に延長された連結部を介してローターブレードに連結されることを特徴とする。
また、前記回転子または移動子では各モジュール毎に2つの永久磁石が設けられ、前記2つの永久磁石の間に永久磁石の磁束経路を形成する三角断面形状の鉄心が配置され、各モジュールに逆三角断面形状の磁束集中型鉄心が設けられ、前記2つの永久磁石が前記磁束集中型鉄心の両側傾斜面に配置され、各永久磁石が磁束集中型鉄心の傾斜面と磁束経路維持用鉄心の傾斜面との間に配置される構造であることを特徴とする。
−電磁界構成部(electromagnetic part/active part)
・永久磁石(Permanent Magnet、PM)型機器により高い力密度を有する構造
・磁束経路の長さを短くして活動性構成部材料(active matierial)を低減する構造
・広い鉄心面積により鎖交磁束を増加させる構造
−構造的構成部(structural part/inactive part)
・ベアリングレス(bearingless)駆動方式を用いて非活動性構成部材料(inactive material)を顕著に低減する構造
−実用上の問題(pratical issues)
・複数のモジュールに分離構成されたモジュール構造を有することにより、組み立て、取り扱い、輸送、設置、メンテナンスが容易な構造
・複数のモジュールに分離構成されたモジュール構造を有することにより、各モジュールが独立して運転される構造、したがって、特定のモジュールまたは特定の部品に問題が発生しても、問題のない他のモジュールでは、継続的に電力生産が可能な構造。例えば、10MWシステムが5個のモジュールの発電機により構成される場合、個別モジュールの出力は2MWである。任意の1個のモジュールに問題が発生した場合、センサにより問題に関する情報を検出でき、その後、残り4個のモジュールだけで継続して電力を生産できるように制御及び運転が可能である。したがって、一部部品に問題があってもシステム全体を停止せず、問題が解決されるまで(8MWの)電力を継続的に生産できるフォールトトレランス(fault tolerance)概念の構造が要求される。
・柔軟で軽量化(flexible and lightweight)された構造、及び大直径を有する軸受(bearing)により、構造物が重くなくても、強固でなくても、精密でなくてもよい構造、及びメインシャフト(main shaft)に対して精密さを要する軸受がなくてもよい構造。
・力密度の最大化及び活動性構成部材料(active material)の最小化
・非活動性構成部材料(inactive material)の最小化
・新概念のガイド及び軸受システム
永久磁石型機器(発電機/電動機)は、巻線型機器に比べて単位重量当たりの出力比、効率、信頼性、及びエネルギーの算出に優れている。したがって、本発明では大型風力タービン発電機の力密度の最大化と活動性構成部材料の最小化のために永久磁石型機器の構造が採用される。この永久磁石型機器は、磁束の形成方向により、軸磁束永久磁石(Axial Flux Permanent Magnet、AFPM)機器、半径磁束永久磁石(Radial Flux Permanent Magnet、RFPM)機器、及び横磁束永久磁石(Transverse Flux Permanent Magnet、TFPM)機器に分類される。この中、横磁束永久磁石機器は、力密度が他の機器に比べて相対的に高く、活動性構成部材料を低減する可能性が高い。したがって、本発明では力密度の最大化と活動性構成部材料の最小化のために、新概念の横磁束永久磁石機器の構造が提示される。
1)コンセプトA:単側孔隙、単一巻線、磁束集中タイプTFPM機器
2)コンセプトB:リング状の巻線の代わりに、大直径の機器に適当なモジュール形状の巻線
3)コンセプトC及びD:高い印加電圧の生産のために増加された鉄心の面積(Increased iron core area to produce higher induced voltage)
4)コンセプトE:スロット間隔と高さを減らすことにより、活動性構成部材料を低減できる短い磁束経路を有する複数モジュールのコンセプト(Plural module concept with short flux path to reduce the active material by decreasing slot pitch and height)
風力タービンに用いられる発電機における非活動性構成部(inactive part)の役割は次の通りである。
・発電機の回転子と固定子との間の孔隙維持
・タービンのローターブレードから回転力を受けて発電機の回転子に伝達
1)ベアリングレス(bearingless)永久磁石機器
2)シャフト及びその他の構造物がないリング(ring)状の永久磁石機器
1)永久磁石ベアリングレス電動機(PM bearingless motors)
2)同期リラクタンスベアリングレス電動機(synchronous reluctance bearingless motors)
3)ベアリングレス誘導電動機(bearingless induction motors)
4)スイッチドリラクタンスベアリングレス電動機(switched reluctance bearingless motors)
5)単極、複合、及び可変極ベアリングレス電動機(homopolar、hybrid and consequent−pole bearingless motors)
1)小さいサイズ及び軽量化
2)高いパワーファクター(high power factor)と高効率
3)メイン巻線の印加電流がなくても生成されるサスペンションの力(suspension forces generated without excitation current in the main winding)
4)磁気サスペンションが、電動機の巻線電流にかかわらず、独立して作動するため、インバーター故障に対する高い独立性(high inverter fault independence because magnetic suspension operates independently of the motor winding current)
ベアリングレス電動機の大きい特徴は、(磁気)軸受巻線が電動機に結合されていることである。
(1)非活動性構成部の重量を顕著に減少(significant mass reduction of the inactive part)
(2)軸受力の発生に消費される電力の最小化(minimized power consumption to produce the bearing force)
(3)単純化した制御及び構成要素(simplified control and components)
したがって、何れの方法やガイドを用いて回転子の重力方向の位置を要求範囲内で一定に維持できるならば、本発明によるベアリングレス駆動構造は、風力タービンだけでなく、他の大型直接駆動式装置にも使用可能である。さらに、線形駆動システム(linear drive system)にも適用が可能であり、この時、制御対象が回転子(rotor)でなく、移動子(mover)となる。
孔隙1と孔隙2の長さが異なる場合は、各孔隙での磁束密度(flux density、B)が変わって最終的に回転子と固定子との間に存在する吸引力の大きさも変わるようになる。すなわち、他の寸法とパラメータは変わらず、孔隙の長さだけ変わるようになって、孔隙の長さが増加した側では磁束密度が減少し、孔隙の長さが減少した側では磁束密度が増加する。
(1)製作、組み立て、移動、設置、及びメンテナンスなどで発生する問題を解決
(2)発電機(または電動機)の一部部品または一部のモジュールで問題が発生しても問題のない他のモジュールは継続的に電力生産(または運転)が可能
このためには、発電機(または電動機)の回転子、固定子、電力変換装置、及び構造物を一体型ではなく、モジュール型に構成する。この場合、発電機(または電動機)が3相(3 phase)の構造であれば、各固定子モジュールは、個別的に3相の発電機(または電動機)の固定子となり、単に出力だけ小さい。したがって、各モジュールの出力は「発電機(電動機)の全体出力/モジュールの数」となる。
既存の直接駆動式の風力タービンには、回転体と固定体のガイドと支持のために一般の軸受(例えば、機械軸受)を用いる。軸受と発電機の回転子の構成を考慮すると、風力タービンを(1)ダブル軸受システム(double bearing system)、(2)シングル軸受システム(single bearing system)、(3)内部回転子システム(internal rotor system)、(4)外部回転子システム(external rotor system)などのように分類することができる。風力タービンに使用可能な通常の直接駆動式システムの構造を図13に示す。図13を参照すると、回転する部分、固定体、軸受が示されており、既存の軸受システムが有する問題点は次の通りである。
1)浮力を有する回転体(または移動体)
浮力を用いて重い構造物を流体内で容易に持ち上げることができる。回転体または移動体が流体内で浮力を有する構造であれば、重力を克服して回転体または移動体を所定の地点に容易に位置させることができる。したがって、回転体または移動体の重力方向位置を一定の範囲内で維持するための既存の重くて、強固で、精密な構造が不要である。
2)流体静圧軸受
上記のように流体静圧軸受が適用されたリング状の発電機(または電動機)構造は、風力タービン用以外にも、低速高トルク発電機(または電動機)にも適用可能である(例えば、船舶、潜水艦などの推進用電動機、潮力または水力発電用発電機など)。
11 ローターブレード
12 回転子
13 シャフト
14 固定子
15 軸受
22,23 鉄心
24 永久磁石
Claims (16)
- 発電機及び電動機のように回転子または移動子と共に固定子を有する直接駆動式の電気機器であって、
前記回転子または前記移動子と、これに組み合わされる前記固定子がそれぞれ分離構成された複数のモジュールが1つの相(phase)を構成するように組み合わされ、短い磁束経路を有する複数のモジュール組合せ型構造で構成されることを特徴とする直接駆動式の電気機器。 - 前記回転子または前記移動子と前記固定子の組合わせ構造において、前記回転子または前記移動子を中心として両側に孔隙を有するように固定子が配置される両側孔隙型構造で構成されることを特徴とする請求項1に記載の直接駆動式の電気機器。
- 前記回転子または前記移動子と前記固定子との間の両側の孔隙は、各固定子の巻線に印加される電流を制御して孔隙を維持するベアリングレスドライブにより維持され、前記ベアリングレスドライブは、前記回転子または前記移動子の重量の支えに用いられないように形成されることを特徴とする請求項2に記載の直接駆動式の電気機器。
- 前記両側の孔隙で鎖交する磁束の方向が軸方向の軸磁束機器の構造を有することを特徴とする請求項2または3に記載の直接駆動式の電気機器。
- 両側の各前記固定子に対応する前記回転子または前記移動子がそれぞれ設けられ、左側の前記固定子+前記回転子(または前記移動子)の1セットと、右側の前記固定子+前記回転子(または前記移動子)の1セットで構成されることを特徴とする請求項2または3に記載の直接駆動式の電気機器。
- 前記回転子と前記固定子がそれぞれリング状になることを特徴とする請求項2または3に記載の直接駆動式の電気機器。
- 前記電気機器が横磁束発電機または横磁束電動機であることを特徴とする請求項1から3のうち何れか1項に記載の直接駆動式の電気機器。
- 前記電気機器が縦磁束発電機または縦磁束電動機であることを特徴とする請求項1から3のうち何れか1項に記載の直接駆動式の電気機器。
- 前記回転子と前記固定子との間の孔隙は、流体圧力及び浮力により前記回転子を支持する流体静圧軸受と、各前記固定子の巻線に印加される電流を制御して前記孔隙を維持するベアリングレスドライブにより維持されることを特徴とする請求項2に記載の直接駆動式の電気機器。
- 発電機または電動機として、
固定構造物に流体が満たされるリング状の固定部が固定設置され、前記固定部の内部には同心円上に配置されるリング状の回転部が設置され、前記固定部の内側面に前記固定子が設置され、前記回転部の外側面には前記固定子と対向する位置に前記回転子が設置され、前記固定部の内部には前記孔隙を維持するための前記流体が満たされ、前記回転部は前記固定部の外部に延長された連結部を介してローターブレードに連結された構成を有することを特徴とする請求項9に記載の直接駆動式の電気機器。 - 前記ローターブレードが前記固定部の外径側に配置され、前記回転部が前記固定部の外径側に延長された前記連結部を介して前記ローターブレードに連結されることを特徴とする請求項10に記載の直接駆動式の電気機器。
- 前記ローターブレードが前記固定部の内径側に配置され、前記回転部が前記固定部の内径側に延長された前記連結部を介して前記ローターブレードに連結されることを特徴とする請求項10に記載の直接駆動式の電気機器。
- 前記回転子または前記移動子では各モジュール毎に2つの永久磁石が設けられ、前記2つの永久磁石の間に永久磁石の磁束経路を形成する三角断面形状の鉄心が配置され、
前記各モジュールに逆三角断面形状の磁束集中型鉄心が設けられ、前記2つの永久磁石が前記磁束集中型鉄心の両側傾斜面に配置され、各前記2つの永久磁石が磁束集中型鉄心の傾斜面と磁束経路維持用鉄心の傾斜面との間に配置される構造であることを特徴とする請求項1に記載の直接駆動式の電気機器。 - 前記各モジュールは、独立した機能及び運転を行うように、独立した構成を有することを特徴とする請求項1に記載の直接駆動式の電気機器。
- 前記巻線は、レーストラック(racetrack)状の構造を有することを特徴とする請求項3に記載の直接駆動式の電気機器。
- 前記直接駆動式の電気機器は、前記移動子と前記固定子で構成される線形駆動の電気機器であることを特徴とする請求項3に記載の直接駆動式の電気機器。
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