JP2016116304A - 発電機システムまたは風力発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】メンテナンス時に電力変換器の構成部品の交換が容易な発電機システムまたは風力発電システムを提供する。【解決手段】上記課題を解決するために、固定子巻線７を有する固定子と、回転子巻線８を有すると共に固定子５の内径側に所定の間隙を介して配置される回転子６、とを備える発電機２と、回転子巻線７に電気的に接続されると共に、回転子６の内部に収納される電力変換器４と、回転子６の内径側に配置され、かつ電力変換器４の少なくとも一部が固定されるベース１８と、ベース１８を支持すると共に、回転子６内部に固定される支持部材２０を備える。【選択図】図３

Description

本発明は発電機システムまたは風力発電システムに関するものであり、特に、発電機内部に電力変換器を備えている発電機システムまたは風力発電システムに関するものである。

近年、地球温暖化防止のため風力発電或いは太陽光発電等のような自然エネルギーを利用した発電システムが注目を浴びている。この中で、風力を利用した風力発電システムでは、発電装置として交流励磁式発電機を使用する例が多い。

風力発電システムの発電装置として交流励磁式発電機を使用する場合、運転中は、回転している回転子内の回転子巻線に励磁電力を供給する必要がある。通常は、回転子巻線に電力を供給するために、スリップリング及びブラシを設け、回転するスリップリングにブラシを接触させて通電するようにしている。

しかし、風力発電システムにおいて発電運転を行うためのエネルギーは大きく、発電運転を行う上での励磁電力供給用にスリップリング及びブラシを設けると、ブラシの摩耗が進んでしまうため、定期的なメンテナンスが必要となる。

ところが、風力発電システムでは、交流励磁式発電機は風車のタワー上にあるナセル内に設置されており、定期的なメンテナンスは、ナセル内という限られた空間内で行う必要があり、ブラシレス化などのメンテナンス軽減が求められていた。

ブラシレスの交流励磁式発電機として、例えば、特許文献１に記載された技術がある。特許文献１には、固定子巻線を有する固定子と、回転子巻線を有すると共に、該固定子の内径側に間隙を設けて配置される回転子と、更に第２の固定子巻線を有する第２の固定子と、第２の回転子巻線を有すると共に、該第２の固定子の内径側に間隙を設けて配置される第２の回転子とを有する第２の発電機と、前記回転子巻線及び前記第２の回転子巻線に電気的に接続される電力変換器とを備え、前記回転子の回転時には、前記電力変換器は回転する様に配置されていることが記載されている。これにより、第２の発電機を介して、第１の発電機の回転子に電力を供給できるようになり、ブラシレス化が可能となる。

特開2013-110801号公報

特許文献１により、発電機のブラシレス化は可能となる。しかし、さらなる課題として、メンテナンス時の作業の容易化も必要となる。これは、風力用発電機は一般に耐用年数が例えば２０年程と長期間であるため、特に電力変換素子は、その間に何らかの原因で故障することが考えられる。そのため、回転子内に収納した電力変換素子をメンテナンス時に容易に取り外し、または取り付けできることが望ましい。

本発明は上述の点に鑑みなされたもので、その目的とするところは、メンテナンス時に電力変換器の構成部品の交換が容易な発電機システムまたは風力発電システムを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係る発電機システムは、固定子巻線を有する固定子と、回転子巻線を有すると共に前記固定子の内径側に所定の間隙を介して配置される回転子、とを備える発電機と、前記回転子巻線に電気的に接続されると共に、前記回転子の内部に収納される電力変換器と、前記回転子の内径側に配置され、かつ前記電力変換器の少なくとも一部が固定されるベースと、前記ベースを支持すると共に、前記回転子内部に固定される支持部材を備えることを特徴とする。

また、本発明に係る風力発電システムは、風を受けて回転するロータと、上記ロータの回転に伴って発電運転する発電機システムとを備えることを特徴とする。

メンテナンス時に電力変換器の構成部品の交換が容易な発電機システムまたは風力発電システムを提供することが可能になる。

本発明の発電機システムの実施例１に関するものであり、発電機システムの概要を示す断面図である。 本発明の実施例１に関し、電力変換器１相分を示す斜視図である。 本発明の発電機システムの実施例１に関し、軸方向1/2断面を示す斜視図である。 本発明の発電機システムの実施例２に関し、軸方向1/2断面を示す斜視図である。 本発明の実施例２に関し、電力変換器１相分を示す斜視図である。 本発明の発電機システムの実施例２に関し、軸方向1/2断面を示す斜視図である。 本発明の発電機システムの実施例３を示す斜視図である。 本発明の発電機システムの実施例３を示す斜視図である。 本発明の発電機システムの実施例４を示す斜視図である。 本発明の発電機システムの実施例５を示す斜視図である。 本発明の発電機システムの実施例６を示す斜視図である。 本発明の発電機システムを採用した風力発電システムを示す概略構成図である(実施例７)。

以下、図示した実施例に基づいて本発明の発電機システム及び風力発電システムを説明する。以下、各実施例では発電機の回転子内に電力変換器を収納する内容について説明する。なお、各実施例において、同一構成部品には同符号を用いて説明する。下記はあくまでも実施例であって本発明の実施態様が下記具体的態様に限定されることを意図する趣旨ではない。

図１に、本発明の発電機システムの実施例１を示す。なお、以下に説明する主発電機と補助発電機は、いずれもその固定子と回転子の間隙が径方向に形成されるラジアルギャップ方式の発電機を一例として例示している。また、電力変換器は、電圧形方式の電力変換器を例にして説明している。

該図に示す如く、本実施例の発電機システム１は、電力系統に発電電力を送るための発電機として働く第１の発電機である主発電機２と、運転条件により励磁機と発電機の２つの働きをする第２の発電機である補助発電機３と、主発電機２及び補助発電機３と電気的に接続される電力変換器４とを備える。

主発電機２は、主発電機固定子５と、この主発電機固定子５の内径側に所定の間隙を設けて配置される主発電機回転子６と、主発電機固定子５に設けられているスロット内に例えば短節巻にて二層に巻回される三相の主発電機固定子巻線７と、主発電機回転子６内に設けられているスロット内に例えば全節巻にて二層に巻回される三相の主発電機回転子巻線８とから構成されている。なお、三相の主発電機固定子巻線７及び三相の主発電機回転子巻線８は、電気的に１２０°間隔で配置されている。

また、補助発電機３も同様に、補助発電機固定子９と、この補助発電機固定子９の内径側に所定の間隙を設けて配置される補助発電機回転子１０と、補助発電機固定子９に設けられているスロット内に例えば短節巻にて二層に巻回される三相の補助発電機固定子巻線１１と、補助発電機回転子１０内に設けられているスロット内に例えば全節巻にて二層に巻回される三相の補助発電機回転子巻線１２とから構成されている。なお、三相の補助発電機固定子巻線１１及び三相の補助発電機回転子巻線１２は、電気的に１２０°間隔で配置されている。

上述した主発電機２と補助発電機３は、後述するが運転モードが異なる。具体的には、主発電機２は常に発電運転をするが、補助発電機３は回転速度により、励磁機として運転する場合と、発電機として運転する場合がある。主発電機２及び補助発電機３は、（電力変換器４を介して）回転子巻線に励磁電力を供給することで発電運転する交流励磁式発電機である。

一方、上記電力変換器４は、主発電機２に電気的に接続されている電力変換器と、補助発電機３に電気的に接続されている電力変換器とにより構成されている。また、主発電機２に電気的に接続されている電力変換器と補助発電機３に電気的に接続されている電力変換器は、電気的に直流で接続されている。これにより各電力変換器は、それぞれＡＣとＤＣを変換するだけで足りる。

また、上述した主発電機２と補助発電機３及び電力変換器４は、回転軸１３に機械的に接続されている。

図１の電力変換器４は、主発電機２の内径に配置される。これは、一般に主発電機の方がトルクが大きくなるため、体格も大きく、電力変換器４を内蔵するスペースを広く確保できるためである。しかしながら、補助発電機３の内径に配置してもよく、主発電機２の内径と補助発電機３の内径に分けて配置してもよい。

また、運転条件に合わせ制御するために、電力変換器４は外部から指令情報を受信したり、運転状況の情報を送信する必要がある。そこで、本実施例では、電力変換器４が回転しているため、情報の伝達に無線による通信が有効であり、電力変換器４には、無線による情報の送受信が可能な装置を接続することが好ましい。しかしながら、情報の伝達のためのエネルギーは大きくないため、ブラシを用いても摩耗が少ない。従って、電力変換器４の情報伝達のためのブラシ、スリップリングを設けても良く、同様に、アースのためのブラシ、スリップリングを設けても良い。また、回転軸１３は、主発電機２側と補助発電機３側で分け、カップリング等で接続してもよい。

図２に、１相分の電力変換器を示す。電力変換素子は主に、電力変換素子１４、コンデンサ１５、バスバー１６から構成され、電力変換素子１４には冷却用にフィン１７を取り付けている。これらの電力変換素子は、ベース１８に固定されている。図３に、発電機システムの軸方向1/2断面の斜視図を示す。主発電機２と回転軸１３はアーム３８により接続されており、主発電機回転子内径（電力変換器配置スペース）はアーム３８により分割される。電力変換器４は、図３のように電力変換器配置スペース１９に挿入され、ベース１８と支持部材であるフレーム２０が固定されることで、主発電機回転子６内に、固定される。尚、フレームはベース１８に加わる遠心力に対し支えるために配置しているものであり、アーム３８間に配置することでアーム３８の周方向の強度を向上する効果もある。これにより、電力変換素子を直接フレームに固定する場合に比べ、作業しやすい場所で取り付けることができるため、作業が容易となる。さらにメンテナンスによる電力変換器交換時にも、電力変換器を直接フレームに固定されている場合は、交換する構成部品がアクセスしにくいと他の構成部品ごと取り外す必要があるが、ベース１８に取り付けている場合、ベース１８ごと電力変換素子を全部取り出してから作業できるため、素子の取り外し数が少なくなり、工数を低減できる。

なお、図２、図３では各相の電力変換器の構成部品を電力変換素子を６個、コンデンサを４個としているが、発電機出力に合わせ他の数でもよいことは言うまでもない。

実施例１では、フレーム２０とベース１８は溝を設けていない単なる平板としたが、図４に示すような溝２１を設けたベースとしてもよく、この場合図５に示すような溝２１に嵌る凸部２２を設けたフレーム２０としてもよい。これにより、図６に示すようにフレーム２０に対するベース１８の周方向位置が一意に決まるため、電力変換素子の挿入が容易となる。さらに、溝２１に凸２２部がはまっているため、溝が回転子の回転により、ベース１８が周方向に移動することを防ぐことができる。

なお、図４、図５では溝２１、凸部２２の本数を２としているが、他の数でも同様の効果が得られることは言うまでもない。また、ベース１８に凸部２２を、フレーム２０に溝２１を設けているが、ベースに溝２１を、フレームに凸部２２を設けてもよい。さらに、図４では溝２１の形状を四角形としているが、たとえば三角形など他の形状でもよく、その場合でも、図５の凸部２２の形状を溝の形状に対応するようにすればよい。

図７、図８に本発電機システムの第３実施例を示す。

図７に、発電機筺体を示す。図７のように、発電システムを筺体２３で覆い、ベース１８に固定された電力変換素子を出し入れする挿入孔２４を筺体に設けてもよい。加えて、図８のように挿入孔２４を覆う蓋２５を設けてもよい。これにより、電力変換素子の出し入れ可能な上、発電機を全閉にすることができ、発電機を塩害等から保護することができる。

なお、図７、図８では挿入孔２４を１つとしているが、２つ以上としても同様の効果が得られることは言うまでもない。

また、図７は主発電機２側に挿入孔２４を設けているが、電力変換器４を補助発電機３の内径に配置した場合は、挿入孔２４を補助発電機４側に配置することが好ましく、電力変換器４を主発電機２の内径と補助発電機３の内径に分けて配置した場合は、挿入孔４は、主発電機２側と補助発電機側３側の両方に配置することが好ましい。

図９に本発電機システムの第４実施例を示す。

該図に示す実施例では、ベース１８の挿入孔（或いはベース１８を挿入する側）とは回転軸の長手方向反対側にベース１８との嵌めこみ２６をフレーム２０に設けている。これにより、挿入孔２４と長手方向反対側をボルト等の結束具で固定する必要がなくなるので、挿入孔２４側を結束具で止めるだけでよく、より取り出し作業等が容易となる。

なお、フレーム２０に設けた嵌めこみ２６は、フレーム２０を加工して設けてもよく、別部材で作成し、溶接等で取り付けてもよい。

図１０に本発電機システムの第５実施例を示す。

該図に示す実施例では、フレーム２０の周方向両側にベース１８との嵌めこみ２７を設けている。これにより、嵌めこみ２７がベース１８を挿入する際のガイド部となるため、挿入が容易となる。さらに、回転子の回転により、ベース１８が周方向に移動することを防ぐことができる。加えて、嵌めこみ２７がベースを固定するため、結束具の数を減らすことができる。

なお、フレーム２０に設けた嵌めこみ２７は、フレーム２０を加工して設けてもよく、別部材で作成し、溶接等で取り付けてもよい。

図１１に本発電機システムの第６実施例を示す。

該図に示す実施例では、フレーム２０を回転軸に対し斜めに配置している。これにより、例えば回転軸１３が水平面に対し主発電機２側から補助発電機３に向けて下がるように斜めに配置された場合、下側のフレーム１８が水平に近くなるので、メンテナンス時に下側の電力変換器４を取り出しやすくなる。

なお、図１１では、フレーム２０を主発電機２から補助発電機３に向けて窄むように斜めに配置しているが、発電機システムの使用条件に合わせ、逆にしてもよい。

図１２に、本発明の発電機システムを風力発電システムに適応した実施例７を示す。

該図に示す如く、本実施例の風力発電システムは、風を受けて回転するロータ２８と、このロータ２８に増速機２９を介して接続される本発明の発電機システム３０と、この発電機システム３０を内部に収納するナセル３１と、ナセルを支持するタワー３２とから構成され、主発電機３３と補助発電機３４は、ロータ２８の回転力により回転すると共に、主発電機固定子巻線と補助発電機固定子巻線は、電力系統３５側に接続されているものである。

これにより、ロータ２８が受けた風のエネルギーを発電機システム３０が電気エネルギーに変換し、電力系統３５に送電することができる。

このような本実施例によれば、上述した発電機システムを採用しているので、電力変換器故障時のメンテナンスが容易となり、発電機の稼働率が向上が可能となる。

なお、電力変換器３６と並列に保護装置３７を設けても良い。これにより、系統故障時に加わる過大な電力から、電力変換器３６を保護できる。また、増速機２９を失くしたギアレスシステムに本発明を適用しても良い。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かり易く説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成を置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１…発電機システム、２…主発電機、３…補助発電機、４…電力変換器、５…主発電機固定子、６…主発電機回転子、７…主発電機固定子巻線、８…主発電機回転子巻線、９…補助発電機固定子、１０…補助発電機回転子、１１…補助発電機固定子巻線、１２…補助発電機回転子巻線、１３…回転軸、１４…電力変換素子、１５…コンデンサ、１６…バスバー、１７…フィン、１８…ベース、１９…電力変換器配置スペース、２０…フレーム、２１…溝、２２…凸部、２３…筺体、２４…挿入孔、２５…蓋、２６、２７…嵌めこみ、２８…ロータ、２９…増速器、３０…発電機システム、３１…ナセル、３２…タワー、３３…主発電機、３４…補助発電機、３５…電力系統、３６…電力変換器。３７…保護装置。

Claims (8)

1. 固定子巻線を有する固定子と、回転子巻線を有すると共に前記固定子の内径側に所定の間隙を介して配置される回転子、とを備える発電機と、
   前記回転子巻線に電気的に接続されると共に、前記回転子の内部に収納される電力変換器と、
   前記回転子の内径側に配置され、かつ前記電力変換器の少なくとも一部が固定されるベースと、
   前記ベースを支持すると共に、前記回転子内部に固定される支持部材を備えることを特徴とする発電機システム。
2. 請求項１に記載の発電機システムであって、
   前記ベースまたは前記支持部材の一方は、前記回転軸の長手方向に溝が形成され、
   前記ベースまたは前記支持部材の他方は、前記溝の形状に対応する凸部を備えることを特徴とする発電機システム。
3. 請求項２に記載の発電機システムであって、
   更に、少なくとも前記発電機を内部に収納すると共に、前記電力変換器の挿入孔を備える筐体と、
   前記挿入孔を覆う蓋を備えることを特徴とする発電機システム。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項に記載の発電機システムであって、
   前記回転軸の長手方向において前記挿入孔と反対側で、前記ベースは前記支持部材を用いて固定されることを特徴とする発電機システム。
5. 請求項２ないし４のいずれか１項に記載の発電機システムであって、
   更に、前記ベースに対して周方向両側に配置されるガイド部を備えることを特徴とする発電機システム。
6. 請求項２ないし５のいずれか１項に記載の発電機システムであって、
   更に、前記支持部材を回転軸に対し斜めに配置していることを特徴とする発電気システム。
7. 請求項１ないし６のいずれか１項に記載の発電機システムであって、
   前記固定子巻線を第１の固定子巻線、前記固定子を第１の固定子、前記回転子巻線を第１の回転子巻線、前記回転子を前記第１の回転子、前記発電機を第１の発電機とし、
   更に、第２の固定子巻線を有する第２の固定子と、第２の回転子巻線を有すると共に前記第２の固定子の内径側に所定の間隙を介して配置される第２の回転子、とを備える第２の発電機を備え、
   前記電力変換器は前記第２の回転子巻線にも電気的に接続されることを特徴とする発電機システム。
8. 風を受けて回転するロータと、
   前記ロータの回転に伴って発電運転する請求項１ないし７のいずれか１項に記載の発電機システムを備えることを特徴とする風力発電システム。