JP2017200302A - 発電機システムまたは風力発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】信頼性向上や質量低減が可能となる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】上記課題を解決すべく、第１の固定子巻線７を有する第１の固定子５と、第１の回転子巻線８を有すると共に第１の固定子５の内径側に所定の間隙を介して配置される第１の回転子６、とを備える第１の発電機と、第１の回転子巻線８と電気的に接続されると共に、回転子６の内部に少なくとも一部が配置される電力変換器４と、第１の発電機が接続される回転軸１３と、回転軸１３と第１の回転子６を接続する複数本のシャフトアーム１５と、シャフトアーム１５間に配置されて、電力変換器４を支持するステー１６と、ステー１６と第１の回転子６の間に少なくとも一部が配置される補強部材１７を備える。【選択図】図２

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。第１の固定子巻線を有する第１の固定子と、第１の回転子巻線を有すると共に前記第１の固定子の内径側でかつ所定の間隙を介して配置される第１の回転子とを備える第１の回転電機と、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の固定子の内径側でかつ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の回転電機と、前記第１の回転子巻線及び前記第２の回転子巻線と電気的に接続され、かつ少なくとも前記第１の回転子または前記第２の回転子のいずれかの内径側に配置される電力変換器と、前記電力変換器に備えられるコンデンサとを備え、前記コンデンサの数が３の倍数であることを特徴とする回転電機システム、が記載されている。この構成により、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。

国際公開２０１６／１３０９７号公報

特許文献１では、電力変換器を構成する電力変換素子やコンデンサは、シャフトアーム間に配置された構造部材上に配置させている。しかし、例えばMW級の発電機の場合、電力変換器の質量は数百キロ以上となるため、発電機が運転している際の遠心力は数トン以上となり、この遠心力をシャフトアームと構造部材との接合部で支えなくてはならない。そのため、この部分を非常に強固に作成しなければならず、質量の増加や加工工数の増加により発電機のコスト増となる可能性がある。

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、信頼性向上や質量低減が可能となる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、第１の固定子巻線を有する第１の固定子と、第１の回転子巻線を有すると共に前記第１の固定子の内径側に所定の間隙を介して配置される第１の回転子、とを備える第１の発電機と、前記第１の回転子巻線と電気的に接続されると共に、前記回転子内部に少なくとも一部が配置される電力変換器と、前記第１の発電機が接続される回転軸と、前記回転軸と前記第１の回転子を接続する複数本のシャフトアームと、前記シャフトアーム間に配置されて、前記電力変換器を支持するステーと、前記ステーと前記第１の回転子の間に少なくとも一部が配置される補強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、前記該ロータの回転に伴って発電運転する上記発電機システムを備えることを特徴とする。

信頼性向上や質量低減が可能となる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、発電機システムの３次元概略構成図である。 本発明の実施例２に関し、発電機システムの３次元概略構成図である。 本発明の実施例３に関し、発電機システムの３次元概略構成図である。 本発明の実施例４に関し、発電機システムの３次元概略構成図である。 本発明の実施例５に関し、発電機システムの３次元概略構成図である。 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６)。

本発明者は、発電機システムの大型化に伴い、発電機に電力変換器を搭載する上で、数百キロ以上にも及ぶことになる電力変換器の遠心力が過大なものになる点を新規に課題として認識した。そして、仮にシャフトアーム間に配置されたステー上に配置させて、シャフトアームと構造部材で遠心力の全てを支持することとなった場合、非常に強固な作成が必要になり、簡素な構造での実現が困難であること、或いはシャフトアームとステーの強度が不十分な場合、信頼性向上の余地が残ることに着目した。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。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。更に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、電圧型の電力変換器を例にして説明している。電力変換器は、電力変換素子やコンデンサを含んでいる。

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。主発電機固定子巻線７と補助発電機固定子巻線１１はいずれも電力系統に接続されている。

上述した主発電機２と補助発電機３は、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。両電力変換器を合わせて電力変換器と呼ぶことも出来る。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、主発電機２、補助発電機３、及び電力変換器４を冷却するための冷却風１４は補助発電機３側から入力し、電力変換器４を通った後、主発電機２側から排出することが好ましい。これは、一般に補助発電に比べ、主発電機側のほうが損失が大きくなるためであり、これにより、最も冷却の条件が厳しい電力変換器に比較的温度の低い冷却風を当てることができる。

図２に発電機システムの３次元概略構成図を示す。図２に示すように電力変換器４は、シャフトアーム１５間に配置されたステー１６上にステー１６の内径側に配置される。発電機が回転すると、電力変換器４に遠心力が加わる。この遠心力に対し、電力変換器４を支えるため、電力変換器４を配置したステー１６と回転子６との間、即ち回転子の内部であり、かつステー１６の径方向外側に補強部材１７を配置している。この補強部材１７を配置することで、ステー１６とシャフトアーム１５との接続部に加わる応力を低減できるため、構造物の簡略化が可能となり、発電機質量の低減が可能となる。後述する様に、補強部材は周方向に複数設けても良く、電力変換器４と補強部材を隣接するシャフトアーム同士の中心線に対して対称に配置される様にするのが良い。

さらに、電力変換器４の大きさ次第では、ステー１６が回転子６より軸方向に長くなることが考えられる。ステー１６が回転子６より長いと、ステー１６の軸方向端部を固定することができなくなり、回転の遠心力により、ステー１６の軸方向端部が径方向底側に反り返るように変形する可能性がある。そこで、補強部材１７の軸方向長さをステー１６と略等しくすることが好ましい。これにより、補強部材１７が強度メンバーとなり、ステー１６の軸方向端部の反り返りを抑制することができる。

さらに、補強部材１７は、断面の径方向外側の長さが、径方向内側の長さより大きい、略台形とすることが望ましい。これは、断面を略台形とすることで、回転子６との接触面積が大きくなるため、補強部材１７が回転子６に与える応力が小さくなり、回転子の信頼性を高くなる。ここで、断面を径方向に長方形とすることでも同様の効果を得られるが、必要以上に補強部材１７の質量を増加させることが懸念される。また、補強部材１７を略台形とすることで、回転時に補強部材１７がファンと同様の効果をするため、回転子巻線８の端部の冷却性能を向上できる。ファンの効果を得る上では台形ではなくとも、補強部材の回転子の回転方向側の辺が、径方向に対して回転方向に傾斜する様にすれば良い。尚、辺と言った際に、必ずしも直線状を指す訳でなく、曲線状に構成することも可能である。

なお、補強部材１７の形状は、略台形だけでなくとも、径方向外側の辺の幅（周方向長）が、径方向内側の辺の幅（周方向長）より大きければ良い。例えば、周方向の辺を曲線にしても良く、周方向の２辺の長さが異なっても良い。

加えて、補強部材１７と回転子６は、製作時の焼嵌などにより圧力をかけて接合させた場合でも、製作時に意図的に接合させず遠心力によるステーの変形で接合させた場合でも同様の効果が得られる。

図３を用いて実施例２について説明する。実施例１では、補強部材を軸方向に並行として配置したが、図３に示すように軸方向に対し斜めにした補強部材１８を配置することも可能である。これにより、冷却風を軸方向に送るアキシャルファンの効果が得られるため、冷却性能を向上できる。それ以外の点については実施例１と同様であり、説明は省略する。

図４を用いて実施例３について説明する。上記各実施例では、補強部材の断面形状を軸方向で等しくしていたが、図４に示すように、補強部材１９について、軸方向長が異なる複数の部分を有する様にし、かつ軸方向長が異なる複数の部分同士を接続する段差部を有する様に構成することもできる。そして、強度部材１９と回転子６の接合部の長さを回転子コアと略等しくし、段の角部２０に曲線を持たせる形状としても良く、強度部材１９の回転子６と接している部分の回転軸方向長さを回転子６の軸方向長さと略等しくなる様にしても良い。これにより曲線部が遠心力によるステーの反り返りの支点となるため、曲線により応力を分散でき、応力集中を緩和できる。それ以外の点については実施例１と同様であり、説明は省略する。

図５を用いて実施例４について説明する。上記各実施例では、補強部材を１つとしていたが、図５に示すように複数個の補強部材２１としても良い。電力変換器４の質量やステー１６のサイズにより補強部材２１の寸法や個数、位置を最適化することで、システム全体の軽量化や信頼性の向上ができる。それ以外の点については実施例１と同様であり、説明は省略する。

図６を用いて実施例５について説明する。回転子６を軸方向に複数個のパケット２２に分割し、パケット２２間に回転子６の内径側と外径側とを連通するラジアルダクト２３を設けても良い。ここで図６において、補強部材１７、ステー１６及び回転子６に囲まれる空間２４は軸方向に連通するが、この空間２４をラジアルダクト２３と連通してい形成することができる。これにより、冷却風の流路を形成でき、回転子６の冷却性能を向上できる。この場合、前述した補強部材１７のファン効果は、回転子巻線８だけでなく、回転子６に流れる冷却風にも寄与し、冷却風１４が回転子６内に流れることで、冷却性能が向上する。加えて、固定子５を複数個のパケット２５に分割し、ラジアルダクト２６を設けることで、固定子５の冷却性能も向上できる。それ以外の点については実施例１と同様であり、説明は省略する。

図７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５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２７と、このロータ２７に増速機２８を介して接続される本発明の発電機システム２９と、この発電機システム２９を内部に収納するナセル３０と、ナセル３０を支持するタワー３１とから構成され、主発電機３２と補助発電機３３は、ロータ２７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３４側に接続されているものである。

これにより、ロータ２７が受けた風のエネルギーを発電機システム２９が電気エネルギーに変換し、電力系統３４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、発電機が軽量となり、風力発電システムの強度部材の簡素化が可能となる。

なお、電力変換器３５と並列に保護装置３６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３５を保護できる。また、増速機２８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…冷却風、１５…シャフトアーム、１６…ステー、１７、１８、１９、２１…補強部材、２０…曲率を与えた補強部材の角部、２２…回転子コアパケット、２３…回転子ラジアルダクト、２４…回転子内径側空間、２５…固定子コアパケット、２６…固定子ラジアルダクト、２７…ロータ、２８…増速器、２９…発電機システム、３０…ナセル、３１…タワー、３２…主発電機、３３…補助発電機、３４…電力系統、３５…電力変換器。３６…保護装置。

Claims (14)

1. 第１の固定子巻線を有する第１の固定子と、
   第１の回転子巻線を有すると共に前記第１の固定子の内径側に所定の間隙を介して配置される第１の回転子、とを備える第１の発電機と、
   前記第１の回転子巻線と電気的に接続されると共に、前記回転子内部に少なくとも一部が配置される電力変換器と、
   前記第１の発電機が接続される回転軸と、
   前記回転軸と前記第１の回転子を接続する複数本のシャフトアームと、
   前記シャフトアーム間に配置されて、前記電力変換器を支持するステーと、
   前記ステーと前記第１の回転子の間に少なくとも一部が配置される補強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、
   前記電力変換器の軸方向長及び前記ステーの軸方向長は前記回転軸の軸方向長よりも長く、
   前記補強部材は、前記回転子の内部における前記ステーの径方向外側に配置されることを特徴とする発電機システム
3. 請求項１または２に記載の発電機システムであって、
   前記補強部材は前記シャフトアーム間の隣接するシャフトアーム同士の中心線に対して対称に配置され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、
   前記ステーと前記補強部材の軸方向長は略等しいことを特徴とする発電機システム
5. 請求項１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、
   前記補強部材における前記回転子の回転方向側の辺は、径方向に対して前記回転方向に傾斜していることを特徴とする発電機システム
6. 請求項１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、
   前記補強部材は、前記軸方向に対して斜めに配置されていることを特徴とする発電機システム
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、
   前記補強部材は、軸方向長が異なる複数の部分を有すると共に、前記軸方向長が異なる複数の部分同士を接続する段差部を備え、
   前記段差部は曲線部を備えることを特徴とする発電機システム
8. 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であって、
   前記構造物は径方向外側の幅が、径方向内側の幅よりも広いことを特徴とする発電機システム
9. 請求項８に記載の発電機システムであって、
   前記補強部材は略台形形状であることを特徴とする発電機システム
10. 請求項１ないし９のいずれか１項に記載の発電機システムであって、
    前記回転子は径方向に連通する流路を備えており、
    前記補強部材、前記ステー及び前記回転子に囲まれる部位は前記流路と連通していることを特徴とする発電機システム
11. 請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の発電機システムであって、
    前記補強部材は軸方向長が異なる複数の部分を有し、前記複数の部分が滑らかに繋がることを特徴とする発電機システム
12. 請求項１ないし１１のいずれか１項に記載の発電機システムであって、
    前記補強部材の径方向外側の回転軸方向長さが回転子の回転軸方向長さと略等しいことを特徴とする発電機システム
13. 請求項１ないし１２のいずれか１項に記載の発電機システムであって、
    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の回転子を備え、
    前記電力変換器は、前記第１の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ことを特徴とする発電機システム
14. 風を受けて回転するロータと、
    該ロータの回転に伴って発電運転する請求項１ないし１２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。

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