JP2020517224A - ギアレス風力タービンの冷却方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、ギアレス風力タービン（１００）を制御する方法であって、風力タービン（１００）が、固定子（４０４）および回転子（４０２）と、固定子（４０４）と回転子（４０２）との間の、空隙厚さを有する空隙（４１０）と、を有する発電機（４００）、を備えており、発電機（４００）が、外側部品としての固定子（４０４）と内側部品としての回転子（４０２）とを有するインナーローター型、として設計されている、または、発電機（４００）が、外側部品としての回転子と内側部品としての固定子とを有するアウターローター型、として設計されており、本方法が、以下のステップ、すなわち、外側部品の温度を外側部品温度（ＴＡ）として検出するステップと、内側部品の温度を内側部品温度（ＴＩ）として検出するステップと、外側部品温度と内側部品温度との差としての温度差を計算するステップと、発電機（４００）の熱膨張による空隙厚さ（４１０）の減少が阻止されるように、温度差に従って発電機（４００）を制御するステップと、を含む、方法、に関する。【選択図】 図４

Description

本発明は、ギアレス風力タービンを制御する方法に関する。さらに本発明は、風力タービンにも関する。

風力タービンは、公知であり、風からの運動エネルギを電気エネルギに変換する。この目的のため、風力タービンは発電機を使用する。ギアレス発電機の場合、発電機は発電機回転子を有し、発電機回転子は風力タービンの空力ローターに直接結合されている。結果としてこの発電機回転子は、風力タービンの空力ローターが回転するのと同じ低速で回転する。この結果として、このようなギアレス風力タービンは、しばしば極めて多数の極を有し、かつ大きな空隙直径を有し、この直径は数メートルのこともあり、現在最大のギアレス風力タービン（Ｅ−１２６）の場合には１０メートルのオーダー（すなわち３０フィートのオーダー）にもおよぶ。

しかしながら同時に、このような空隙はできる限り小さい厚さを有するべきでもあり、たとえ上に挙げた大きな空隙直径の場合でも、わずか数ミリメートルである。運転中（すなわち回転している間に）発電機回転子が固定子に近づきすぎる（したがって１つの位置において空隙が小さくなりすぎる）と、損傷が発生する危険がある。これを防止する目的で、空隙厚さを監視することができる。空隙厚さが１つの領域において小さすぎると検出された場合、防護措置（発電機の電力出力を下げる、あるいは必要な場合には風力タービンを停止させるなど）がとられることがある。

ギアレス風力タービンの場合、空隙厚さの変化は、発電機の内側部品の熱膨張によって（すなわち例えば発電機がインナーローター型（internal rotor）である場合には発電機回転子の膨張によって）引き起こされることもある。したがって空隙の厚さの減少は、必ずしも発電機の障害を示すとは限らない。

しかしながら、たとえ内側部品のこのような熱膨張の場合であっても、空隙厚さを監視するセンサが反応して防護措置を開始する。しかしながら、このような状況は原則的に望ましくなく、回避するべきである。

独国特許出願公開第１０２０１４２０８７９１号明細書 米国特許出願公開第２０１４／００５４８９７号明細書

したがって本発明は、上述した問題の少なくとも１つに対処するという目的に基づく。特に、本発明は、発電機の内側部品の熱膨張によってもたらされる防護措置（特に、ギアレス風力タービンの発電機を停止させる）を回避する解決策を提案することを目的とする。本発明は、少なくとも、これまでに公知の解決策の代替方策を提案することを目的とする。

本ＰＣＴ出願に関連する優先権出願において、独国特許商標庁は次の従来技術、すなわち特許文献１および特許文献２を調査した。

本発明によれば、請求項１に記載の、ギアレス風力タービンを制御する方法、を提案する。この風力タービンは、固定子および発電機回転子を有する発電機を有する。この風力タービンはギアレス風力タービンであるため、結果として発電機回転子が風力タービンの空力ローターに直接結合されている。したがって用語「発電機回転子」は、風力タービンの空力ローターと確実に区別する目的で、発電機に関して使用されている。したがって用語「発電機回転子」の使用は、発電機のタイプの何らかの制限を意味するようには意図されていない。

さらに、発電機は、インナーローター型およびアウターローター型のいずれとして設計されていてもよい。発電機がインナーローター型として設計されている場合、発電機回転子は、半径方向に見て固定子の内側で回転するように意図されている。したがってこの場合、固定子は発電機回転子に対して外側部品であり、発電機回転子が内側部品である。

発電機がアウターローター型として設計されている場合、発電機回転子は、半径方向に見て固定子の外側で回転するように意図されており、結果として発電機回転子が外側部品を形成し、固定子が内側部品を形成する。

本方法は、外側部品の温度を外側部品温度として検出し、内側部品の温度を内側部品の温度として検出することを提案する。特に、この場合、固定子については、スロット温度（すなわち固定子巻線が中に配置されているスロットにおける温度）を検出することができる。これは、インナーローター型の場合には外側部品温度を記録する温度センサ、またはアウターローター型の場合には内側部品温度を記録する温度センサである。

発電機回転子では、温度は、例えば１つまたは複数のポールシュー（pole shoe）の領域において記録することができる。したがって、インナーローター型の場合には内側部品温度が記録され、アウターローター型の場合には外側部品温度が記録される。

この場合、外側部品温度と内側部品温度との温度差に応じて（具体的には、発電機の熱膨張に起因する空隙厚さの減少が阻止されるように）、発電機が制御されることを提案する。

したがって、絶対的な温度を考慮しない制御、または、絶対的な温度のみではなく、外側部品温度と内側部品温度との温度差も考慮する制御、を提案する。ここでは特に、内側部品が外側部品よりも大きな程度だけ熱膨張する場合に、空隙厚さの減少が起こりうることが認識されている。したがってこの場合、できる限り良好に外側部品を冷却することが好ましくないことがある。発電機の特性を改善する目的で発電機を冷却することは一般には有利であるが、空隙厚さに関しては、温度差はこれを変化させる要因でもある。

一実施形態によれば、したがって、空隙厚さの減少が阻止されるように、外側部品が温度差に応じて冷却される、または加熱されることを提案する。空隙厚さのこの減少が阻止されるように外側部品を冷却するとは、特に、外側部品の冷却が低減されることを意味し、言い換えれば、空隙厚さの減少が阻止されるように、外側部品が少しだけ冷却される、またはまったく冷却されないことを意味する。したがって特に、外側部品が同様に熱膨張することができることが考慮される。このような冷却は少なくとも考慮される。しかしながら、熱的に引き起こされる外側部品の膨張を達成する目的で、外側部品を能動的に加熱するという発想も考慮される。

したがって例えば、内側部品が熱膨張し、この膨張を、さらなる冷却によってもはや阻止できない場合、外側部品が加熱されることにより、空隙厚さの減少を防止する、または阻止することができる。

一形態によれば、外側部品温度が最大でアンダーシュート温度（undershooting temperature）だけ内側部品温度より低いように、外側部品が冷却される、または加熱されることを提案する。したがって、外側部品温度と内側部品温度との温度差が考慮される。この場合、限界値としてのアンダーシュート温度が考慮される。したがって外側部品は、最大として、アンダーシュート温度の値だけ内側部品温度より低く冷却される程度までのみ、冷却することができる。冷却しなくても外側部品温度がアンダーシュート温度の値だけ内側部品温度より下がる場合、外側部品が加熱される。

継続的な運転中に、アンダーシュート温度を、適用されるケースに従って、好ましくは適応的に、選択または指定する、あるいは場合によっては調整することを提案する。アンダーシュート温度は、値０をとることもできる。この場合、外側部品は、外側部品温度が少なくとも内側温度と同じであるように冷却または加熱される。結果として、この変形形態（したがって外側部品温度が最大で内側部品温度まで下がるように意図されている）は、明示的に特殊な場合（アンダーシュート温度が値０を有する）である。

アンダーシュート温度は負の値をとることもでき、これは、外側部品温度が内側部品温度より暖かくなければならないことを意味する。このケースは、特に、外側部品温度が少なくともオーバーシュート温度だけ内側部品温度より高いことが提案されることによって考慮される。したがってこの場合、オーバーシュート温度は正の値をとることが想定される。したがってこの場合、特に、外側部品が内側部品より高い温度にされる。

一実施形態によれば、温度差に応じて、外側部品が電気的に加熱される、および／または、内側部品が電気的に軽減される（relieved）、ことを提案する。この目的のため、発電機（特に同期発電機）がインナーローター型として設計されている場合（すなわち外側部品が固定子を形成しているときには）、固定子の電圧が下げられることを提案する。結果として固定子の電流を増大させることができ、これにより、固定子における増大した抵抗損によって固定子が暖まる。したがってこの場合、固定子の対応する固定子端子における電圧が下げられ、この結果として、固定子はより大きな固定子電流を流す。この場合、出力電力（簡潔に言えば、固定子の電圧と固定子の電流の積）は、実質的に同じままとすることができる。したがって発電機は、それまでとまったく同じ量の電力を発生させ続け、この電力は、いずれの場合にも、利用可能な風力と空力ローターの対応する設定とによって実質的に決まる。しかしながら固定子の電流が増大するため、固定子における抵抗損（すなわち固定子の巻線における線路損）が増大する。結果として、固定子はより大きな程度だけ暖まる。

したがってこれにより、固定子の加熱を容易に（固定子の端子における出力電圧を下げる）実行することができる。

固定子に接続されており第１の直流リンクに整流するパッシブ整流器の場合、この第１の直流リンクの電圧を下げることによって、この整流器を設定または制御することができる。これは例えば、一例を挙げれば昇圧コンバータ（この第１の直流リンクと、より高い直流電圧を有する第２の直流リンクとの間に配置されている）によって実行することができる。

発電機がアウターローター型として設計されている（すなわち外側部品が発電機回転子である）場合、一実施形態によれば、回転子における増大した抵抗損によって発電機回転子を加熱する目的で、回転子の電流を増大させる。これは例えば、個別に励磁される同期発電機（発電機回転子が励磁電流によって励磁される）を発電機として使用することによって、達成することができる。したがって、発電機回転子を加熱する、または発電機回転子をより大きな程度加熱する目的で、この励磁電流を増大させることができる。これは例えば、励磁電流が電流調整器（current adjuster）によって生成され、電流調整器が相応して励磁電流を増大させることによって、行うことができる。

この場合、発電機回転子の電力損を増大させる代わりに、またはこれに加えて、固定子の電圧を高めることによって固定子の電力損を低減することも考えられる。発電機がアウターローター型として設計されているこの場合、一変形形態によれば、したがって、固定子における損失の減少によって固定子が少なく暖まるように固定子の電流を低減する目的で、固定子の電圧を高めることを提案する。

さらなる実施形態によれば、外側部品を冷却するために、温度差および外側部品温度が監視され、外側部品温度が少なくともオーバーシュート温度だけ内側部品温度より高い場合、または外側温度が限界温度より高い場合に、外側部品の冷却が開始されることを提案する。

結果として、過度な差温度が阻止されるように、冷却が差温度に応じて行われる。しかしながら、さらには、絶対的な温度（具体的には第１の限界温度）が監視され、この温度は、同様に指定され、オプションとして設定することができ、特に、適応的に変更することができる。絶対的な温度のこの追加の監視によって、結果として外側部品の過熱が防止される。したがって冷却は、最初は外側部品温度を内側部品温度に基づいて制御する（すなわち特に、いくらか高い温度が許容される）が、次に冷却方法に介入するように、機能する。これにより、空隙厚さの減少につながる冷却が回避される。しかしながら、外側部品の過熱もさらに防止される。

これを目的として、好ましくは、外側部品の冷却が、可変の冷却強度を有し、外側部品温度がさらに上昇するにつれてその冷却強度が高められることを、提案する。外側部品温度がさらに上昇するにつれて、冷却強度が初期冷却強度から最大冷却強度まで線形的に高められることが好ましい。このことは、外側部品温度が最終的な温度よりオーバーシュート温度だけ高い場合（すなわち相対的な温度の上昇が存在するとき）と、外側部品温度が第１の限界温度より高い場合（すなわち絶対的な温度の上昇が存在するとき）、の両方に関係する。冷却の開始を起点として（すなわち内側部品温度がオーバーシュート温度だけ超過するときから、または第１の限界温度から）、さらなる目標温度（この温度は例えば１０Ｋまたは２０Ｋ高い）が設定されることが好ましい。予防策として、相対的な温度の監視と絶対的な温度の監視とが同時に応答することも原理的には当然ながら考えられることを指摘しておく。

一実施形態によれば、外側部品温度が内側部品温度より最小差温度未満しか高くない時点でただちに外側部品の加熱が実行されることを提案する。この最小差温度は、オーバーシュート温度より小さいように選択されることが好ましい。

最小差温度は、例えばオーバーシュート温度の半分であるように選択することが好ましい。この方策によって、第一に、外側部品の加熱が行われるタイミングに関する明確な基準が設定される。さらに、この加熱が、差温度または温度差に応じて制御される。冷却制御と組み合わせることが特に有利である。このようにして、差温度が監視され、差温度がオーバーシュート温度の値に達した時点でただちに冷却がオンにされる。これにより、特に、外側部品の冷却が前もって行われるのではなく、外側部品温度と内側部品温度のこの温度差が生じた瞬間からのみ行われるという効果が達成される。差がこの温度差より小さい場合、外側部品が熱くなりすぎない限り、冷却は行われない。

しかしながら外側部品温度が内側部品温度よりもわずかに暖かい程度まで低下した場合に、外側部品を加熱することを提案する。ただしこの加熱は、外側部品温度が内側部品温度より最小差温度未満だけ高い場合にのみ行われる。したがって、外側部品温度が、最小差温度より大きいがオーバーシュート温度より小さい値だけ内側部品温度より高い場合には、外側部品は加熱も冷却もされない。

好ましくは、加熱は可変であり、したがって可変加熱出力を有し、外側部品温度がさらに下がるにつれて加熱出力が増大され、このことは、内側部品温度に関しても考慮される。加熱出力の増大は、外側部品温度がさらに下がるにつれて、初期加熱出力から最大加熱出力まで線形的に行われることが好ましい。所定の差温度（すなわち例えば内側部品温度より１０Ｋ低い）の場合に、最大加熱出力に達するようにすることができる。外側部品が固定子である場合、加熱出力のこの設定は、例えば、固定子の出力が同じままで固定子の電圧を下げることによって、達成することができる。

本方法は、好ましくは適応的に動作することを提案する。特に、指定可能な値が、この場合には適応的に調整または設定される。このような適応的プロセスは、比較的有意な初期値から開始し、その後に初期値が調整されることが好ましい。

特に、外側部品と内側部品との接触を防止する目的で、空隙厚さが監視され、指定可能な最小厚さに達しないときに、安全措置が開始されることを提案する。したがって、この最小厚さに達しない場合、安全措置が開始され、この安全措置が開始されるたびに、この指定可能または変更可能なオーバーシュート温度が高められる。例えば、安全措置が開始されるたびに、この指定可能なオーバーシュート温度を１Ｋないし５Ｋだけ高めることができる。したがって、安全措置の開始は、温度の差がまだ十分に大きくなく、したがって外側部品の冷却が依然として早すぎたことの明確な示唆と解釈される。

さらに、試験期間内に安全措置が開始されなかった場合、オーバーシュート温度が再び段階的に下げられるようにすることが好ましい。したがって、例えば１日、一週間、または一ヶ月にわたり安全措置が開始されなかった場合、そのオーバーシュート温度はおそらく十分であり、発電機を全体としていくらか良好に冷却できるようにする目的で、少なくとももう一度いくらか下げることができる。

さらなる実施形態によれば、風力タービンの通常運転と縮小運転とが区別されることを提案する。縮小運転においては、風力タービンは、この場合には同じ風条件下で通常運転と比較して低減された回転速度で運転される。縮小運転は、例えば、騒音を低減する目的で回転速度を下げることに関連しうる。したがって、この目的のため、発電機を冷却する方法において、通常運転では縮小運転時とは異なるパラメータを使用することを提案する。特に、オーバーシュート温度と、これに加えて、またはこれに代えて、限界温度が、異なるように選択されることを提案する。この目的のため、代替のパラメータセットを記憶しておくことができる。さらに、提案される適応的な方法を使用することもでき、この場合、現在の運転モードの現在のパラメータそれぞれが適応的に決定される。したがって、風力タービンが例えば縮小運転モードで運転されており、適応的な方法によってオーバーシュート温度が下げられる場合、この縮小運転用のデータセットのオーバーシュート温度の値のみが調整される。結果として、通常運転または縮小運転のそれぞれの特有な特性を全体的に容易に考慮することができる。

好ましくは、内側部品と外側部品とに対して、異なる冷媒と、これに加えて、またはこれに代えて、異なる冷却タイプ、が提供されることを提案する。これらの異なる冷媒または冷却タイプを使用することで、外側部品および内側部品の特有の特性を考慮することができる。さらには、異なる冷媒または冷却タイプによって、異なる冷却出力（特に冷却結果）を達成することもできる。しかしながら、外側部品温度と内側部品温度との差温度を考慮することによって、このように異なる冷却結果を考慮することが可能である。特に、例えば内側冷却が低い効率で動作する影響（特に、得られる冷却効果が低く、これにより内側部品の大きな熱膨張につながる）を、阻止することが可能である。このことは、特に、差温度を考慮することによって阻止することができる。

この場合に特に得られる利点として、本発明に係る方法が使用されるならば、内側部品に対してと、その一方で外側部品に対して、大きな問題なく異なるタイプの冷却が使用される。

特に、異なる冷媒として考慮されるのは、空気と、その一方で液体冷媒（水、または添加物を有する水など）である。異なるタイプの冷却として特に考慮されるのは、能動的冷却（冷却される部品に沿って冷媒が能動的に移動する）と、その一方で受動的冷却（特に、冷却される部品に沿った空気流が可能になり、ただし必ずしも追加のアクチュエータによって促進されない）である。

好ましくは、内側部品には空気冷却および／または受動的冷却が提案され、外側部品には水冷却（特に能動的冷却）が提案される。

本発明によれば、風力タービンも提案する。本風力タービンは、固定子および発電機回転子と、固定子と発電機回転子の間の、空隙厚さを有する空隙と、を有する発電機、を備えている。この発電機は、インナーローター型として、またはアウターローター型として設計することができる。発電機がインナーローター型として設計されている場合、その発電機は、外側部品としての固定子と、内側部品としての発電機回転子とを有する。発電機がアウターローター型として設計されている場合、その発電機は、外側部品としての発電機回転子と、内側部品としての固定子とを有する。

いずれの場合にも、外側部品の温度を外側部品温度として検出するための外側部品温度測定手段、が設けられている。さらに、内側部品の温度を内側部品温度として検出するための内側部品温度測定手段、も設けられている。これらの各温度測定手段は、それぞれ１つまたは複数の温度センサを有することができ、これらのセンサは発電機の周囲全体にわたり（結果としていずれの場合にも外側部品または内側部品の周囲全体にわたり）分散して配置されていることが好ましい。

さらには、外側部品温度と内側部品温度の差としての温度差を形成する差異手段が設けられている。これにより、外側部品温度と内側部品温度とから、温度差を形成する差異を形成することができる。基本的な原則として、この温度差（したがって外側部品温度と内側部品温度との差を形成する）は、同義語として部品温度差と称することもできる。この理由として、この温度差は、２つの部品（すなわち外側部品および内側部品）の温度の差を意味するためである。外側部品温度測定手段と内側部品温度測定手段とにそれぞれ複数の温度センサが使用されている場合、各測定手段において検出温度の平均値を使用することができる、または各測定手段において最大の検出値を使用することができる。

さらには、発電機の熱膨張に起因する空隙厚さの減少を阻止するために温度差に応じて発電機を制御するように構成されている制御手段、が設けられている。

制御は、特に、風力タービンを制御する方法の少なくとも一実施形態に従って、上に説明したように行われる。

本風力タービンは、内側部品を冷却する内側冷却装置と、これに加えて、またはこれに代えて、外側部品を冷却する外側冷却装置、を有することが好ましい。結果として、外側部品および内側部品それぞれに冷却装置が設けられる。

内側冷却装置と外側冷却装置とに、異なる冷媒および／または異なる冷却タイプが提供されることが好ましい。特に、内側冷却装置は、空気冷却として、これに加えて、またはこれに代えて、受動的冷却として、設計される。外側冷却装置については、水冷却として設計されることが好ましい。

したがって、上述した少なくとも一実施形態に係る方法を実行するように設計されていることを特徴とする、ギアレス風力タービン、を提案する。

特に、この目的のため、説明した方法は、全体的または部分的に、制御手段において実施される。提供される差異手段は、ソフトウェアとして実施することもでき、特に、制御手段または個別の装置において実施することができる。

温度差は、異なる方式で（例えば係数としてなど）表してもよい。例えば、摂氏８０度〜摂氏１２０度の温度範囲が存在する場合、これは絶対温度３５２Ｋ〜３９２Ｋに相当する。したがって３．５Ｋの温度差は、例えば係数１．０１によって表すこともできる。

以下では、本発明について、一例として少なくとも１つの特定の例示的な実施形態に基づき、添付の図面を参照しながら例示的にさらに詳しく説明する。

風力タービンを斜視図で示している。 発電機の部品を分解図で示している。 空隙のさまざまな起こりうる状況を概略的に示している。 制御構造を概略的に示している。

図１は、タワー１０２およびナセル１０４を有する風力タービン１００を示している。ナセル１０４には、３枚のローターブレード１０８およびスピナー１１０を有するローター１０６が配置されている。運転時、ローター１０６が風によって回転し、これにより、ナセル１０４の中の発電機を駆動する。

図２は、発電機回転子２０２および固定子２０４を有する発電機２００を示している。この場合、発電機２００はインナーローター型として設計されており、意図された使用においては、発電機回転子２０２は、固定子２０４の中に押し込まれており、この固定子２０４の内側で回転する。この場合、発電機回転子２０２と固定子２０４との間に薄い空隙が形成される。

固定子支持体２０６も示してあり、固定子支持体２０６には、意図されているように固定子２０４が固定される。これら３つの要素（具体的には、発電機回転子２０２、固定子２０４、および固定子支持体２０６）は、意図された使用中、ケーシング２０８（同様に図示してある）によって実質的に囲まれている。

図３は、空隙３１０（４つの図すべてにおいて同じ参照符号で表してある）の４つの基本的な状況を示している。したがって４つの状態すべては、発電機回転子３０２（内側の円によって示してある）と、固定子３０４または固定子３０４の内側境界（より大きい外側の円によって示してある）をさらに示している。

図３において、状況Ａは、望ましい状態または理想的な状態を示しており、発電機回転子３０２が固定子３０４内に同心円状に理想的に配置されている。このようにして、空隙３１０も、これら２つの構成要素の間に均一に延びている。さらに、空隙３１０は薄すぎることもない。

ケースＢは、偏心した状況を示しており、発電機回転子３０２は固定子３０４内にもはや正確に同心円状に配置されていない。結果として空隙３１０は、もはやどこでも同じ厚さを有するのではなく、１つの領域では比較的薄くなっており、別の領域では比較的厚くなっている。状況Ｂは最適ではないが、この状態の発電機は動作を続けることができる。

状況Ｃは、発電機回転子３０２が固定子３０４内で実質的に同心円状に配置されているが、少なくとも状況Ａと比較して空隙３１０のサイズが減少している状況を示している。これは、発電機回転子３０２が膨張し、一方で固定子３０４は膨張していない、またはそのように大きくは膨張していない結果でありうる。しかしながら状況Ｃの場合にも、発電機は依然として動作可能である。

次に状況Ｄは、一箇所で空隙３１０が非常に薄くなっており安全措置が開始される状況を示している。状況Ｄでは、（例えば発電機回転子３０２の膨張によって）空隙３１０のサイズが全体として減少しているのみならず、発電機回転子３０２が固定子３０４内でもはや同心円状にも配置されていない。これに起因して、１つの領域において空隙３１０が極めて薄くなり、前述した安全措置が開始される（空隙スイッチのトリップとも称される）。

図３は、空隙３１０の状態のさまざまな可能性を示しているにすぎない。図３は、発電機回転子３０２が内側部品を形成しており固定子３０４が外側部品を形成しているインナーローター型の場合について説明したものである。しかしながら発電機がアウターローター型として設計されている場合（すなわち発電機回転子が外側であり、かつ固定子が内側である場合）にも、同じ説明が同様にあてはまる。そのケースは、図３で回転子３０２が固定子であり、かつ固定子３０４が回転子である場合に相当する。

図４は、特に発電機４００の冷却を制御する制御コンセプトまたは制御構造を示しており、発電機４００は図解を目的として断面図で示してある。さらにこの場合、一例として、発電機４００としてインナーローター型が使用されており、発電機４００は発電機回転子４０２および固定子４０４を有する。発電機回転子４０２は、２つのベアリング４１４によってジャーナル４１２に回転自在に取り付けられている。ジャーナル４１２には固定子支持体４０６が固定されており、固定子支持体４０６は、固定子４０４をしっかりと保持している。固定子支持体４０６は、最終的に台板（図示していない）上に保持されている。ジャーナル４１２および固定子支持体４０６は、この場合にこれらが本質的に耐荷重要素であることを示すため、斜線を施して示してある。他の要素（固定子４０４および発電機回転子４０２など）も、原則的に断面領域を有するが、特に、構造上の特定の詳細な設計は重要ではないため、これらは図４では斜線を施して示していない。

それ以外には、発電機回転子４０２にハブ４１６がしっかりと結合されており、ハブ４１６は、対応する風があるときにハブ４１６（したがって発電機回転子４０２）を回転させる目的で３枚のローターブレードを支持することができる。

発電機回転子４０２と固定子４０４との間には空隙４１０が形成されている。外側センサ４１８および内側センサ４２０もそれぞれ示してある。外側センサ４１８は、固定子４０４の固定子積層鉄心４２２の領域に配置されており、この場合、外側部品温度測定手段（さらなるセンサを備えていることもできる）を表している。

内側センサ４２０は、発電機回転子４０２のポールシュー４２４の領域に配置されており、この場合、内側部品温度測定手段（さらなるセンサを備えていることもできる）を表している。

外側センサ４１８は、外側部品温度Ｔ_Ａを検出し、内側センサ４２０は、内側部品温度Ｔ_Ｉを検出する。これら２つの温度が加算要素４２６において互いに減算され、したがって差異または温度差として差温度ΔＴ（部品温度差と称することもできる）が得られる。この温度差ΔＴは、外側部品温度Ｔ_Ａおよび内側部品温度Ｔ_Ｉから次の等式に従って得られる。

差温度ΔＴ、ならびに外側部品温度Ｔ_Ａおよび内側部品温度Ｔ_Ｉは、入力変数として制御手段４２８に入力される。加算要素４２６は差異手段の役割を果たす。

したがって制御手段４２８は、差温度ΔＴすなわち２つの個々の温度による温度差に応じて、発電機４００の冷却を作動させることができる。この目的のため、冷却ポンプ４３０、冷却流路４３２、および冷却コイル４３４による液体冷却が、固定子４０４に提供される。この場合、図解を目的として、冷却コイル４３４は固定子４０４の固定子支持リング４３６内に配置されている。固定子支持リング４３６（固定子支持体４０６によって保持されている）は、固定子積層鉄心４２２を保持しており、このことは図４では図解を目的として概略的にのみ示してある。

したがって差温度ΔＴが、指定可能なオーバーシュート温度を超えている、または外側部品温度Ｔ_Ａの絶対値が第１の限界温度より高い場合、外側冷却のための冷却信号Ｋ_Ａによって冷却ポンプ４３０が運転され、液体冷媒が、冷却流路４３２に示した矢印に従って冷却コイル４３４の中を流れる。差温度ΔＴまたは外側部品の絶対的な温度Ｔ_Ａがさらに増大する場合、この上昇に伴って、冷却ポンプ４３０のポンプ出力（したがって吐出圧力）をさらに線形的に高めることができる。制御手段４２８がこの制御を行うことができる。

これに加えて、距離センサ４３８（空隙４１０の空隙厚さを測定する）も示してあり、この距離センサ４３８は、空隙４１０のさらなる位置において空隙４１０の厚さを検出する目的で設けることのできるさまざまなさらなる距離センサの一例として示してある。結果は、図４に示したように制御手段４２８において評価することができる。

このようにして、固定子４０４（したがって外側部品）は、冷却ポンプ４３０、冷却流路４３２、および冷却コイル４３４によって液体媒体により冷却される。これにより結果として外側冷却装置が形成される。発電機回転子４０２（したがって内側部品）を冷却する目的には、固定子支持体４０６にファン４４０が設けられている。これらのファン４４０は、それぞれ、固定子支持体を通る空気流４４２を発電機回転子４０２に送り込み、この場合に固定子支持体は鐘形状の構造として設計することができ、固定子鐘状部（stator bell）とも称される。空気流は固定子支持体で分かれ、発電機回転子４０２におけるさまざまな開口部と、さらには空隙４１０の中を流れる。

ファン４４０（結果として内側冷却装置を形成する）は、同様に制御手段４２８によって作動させることができる。この目的のため、制御手段４２８は、内側冷却装置用の冷却信号Ｋ_Ｉを送る。

このようにして、発電機回転子４０２および固定子４０４を、その冷却において互いに独立して制御することができる。この制御は、図４の例では制御手段４２８によって行われる。特に、外側部品温度Ｔ_Ａは差温度ΔＴに応じて制御される。しかしながら、外側部品温度Ｔ_Ａの絶対値を直接考慮することもできる。特に、外側部品温度Ｔ_Ａが内側部品温度Ｔ_Ｉよりオーバーシュート温度だけ高い場合にのみ、固定子４０４の冷却（したがって外側部品の冷却）が開始されることを提案する。内側部品温度は、原則的には、従来の方式で（具体的には、特に、検出された内側部品温度Ｔ_Ｉに応じて）制御することができる。

したがって原則的には、システムは内側部品温度Ｔ_Ｉより高い外側部品温度Ｔ_Ａに達する。これにより、発電機回転子４０２が固定子４０４より大きい程度だけ半径方向に熱膨張することが回避され、したがって結果として、全体的な空隙厚さが減少することが回避される。それにもかかわらず小さすぎる空隙厚さが生じた場合、そのことは距離センサ４３８によって検出することができ、必要な場合には安全措置が開始される。

しかしながらどのような場合にも、提案する熱制御によって、このような安全措置を回避することができる、あるいは空隙厚さを特に小さくすることが可能である。さらに、特に、特定の運転モード（特に、騒音が低減される運転モード）を考慮することも可能である。特に、騒音が低減される運転モードの場合、実際には、できる限り大きい電力出力で（当然ながらこのことは常に目標である）、できる限り低い回転速度が使用されることがある。特に、空冷されるインナーローター型の場合、それにより比較的大きな温度上昇（したがって過度に大きな熱膨張）が引き起こされることがある。

特に、発電機の従来の温度制御（絶対的な温度のみに応じて冷却のオン／オフが切り替えられる）を使用するときには、このような差別化された配慮を行うことができない。

したがって、差温度制御によって、固定子が発電機の回転子（本明細書では発電機回転子と称する）より常に暖かくなることが保証される。このことはインナーローター型にあてはまり、アウターローター型の場合には、この逆があてはまり、具体的には、差温度制御によって、発電機回転子が固定子より常に暖かいことが保証される。提案する制御の前提条件は、外側部品および内側部品が個別の冷却システムまたは加熱システムを有することであり、少なくとも、外側部品を内側部品とは独立して冷却または加熱できることである。したがって、発電機の外側部品を内側部品より暖かく維持することができ、したがって外側部品には内側部品より大きな熱膨張が生じ、これにより、空隙の監視（すなわち薄すぎる空隙に起因する安全措置）が開始されない。

提案する解決策は、特に、従来の状況を改善するために使用することができ、従来の状況では、インナーローター型の場合、固定子の冷却が固定子の絶対的な温度に応じて制御され、回転子の冷却（すなわち発電機回転子の冷却）の効果がない間は固定子の冷却が停止されるのみであった。この場合、１００％の冷却出力の使用時に回転子が固定子より大きな程度だけ暖まる場合、回転子が膨張しすぎて、空隙スイッチのトリップが起こりうることがあった。

上記に鑑み、発電機の冷却（特に、インナーローター型の場合には固定子の冷却）が、外側部品温度と内側部品温度との差に応じて作動する解決策を提供する。これによって、固定子の温度が回転子（すなわち発電機回転子）の温度より高いことが保証される。

空隙スイッチのトリップが起こる頻度に従って（すなわち空隙厚さの不足が検出されて安全トリップが起きた頻度に従って）、パラメータ（特に、スイッチオン温度しきい値およびスイッチオフ温度しきい値）を適応的に修正することによって、１つの発展形態を達成することができる。結果として、固定子の過度な温度上昇（インナーローター型の場合には銅損も相応に増大する）を回避することができる。

さらなる態様として、冷却を作動させるだけでは所望の差温度に達することができないとき、固定子が外側部品を形成している場合には固定子をさらに加熱することを提案する。この加熱は、固定子の電圧を下げることによって達成することができ、これにより固定子の電流が増大し、結果としてより多くの固定子損失が発生し、それによって固定子が加熱される。結果として、たとえ固定子の冷却を作動させなくても、固定子の温度を回転子の温度（すなわち発電機回転子の温度）に調整することが可能になる。

したがって本発明の一態様として、外側部品（例えばインナーローター型の場合には固定子）が内側部品（インナーローター型の例ではすなわち発電機回転子）と少なくとも同じ暖かさであるように、外側部品を動作させる。このようにして、動作に起因する空隙の大きさの減少の影響が、もはや実質的に何らの影響も及ぼさないことを保証するように意図されている。

したがって、インナーローター型が想定される場合、固定子が十分に熱くない場合に（すなわち固定子が回転子と比較して指定される差温度より低い場合に）、固定子が加熱される。この目的のため、電力出力がほぼ同じに維持されたまま、固定子の電圧を下げ、したがって電流を増大させることを提案する。この増大する電流によって固定子における抵抗損が増し、結果として固定子が暖まる。

したがって、好ましくは、加熱を対象に、個別の差温度範囲を指定することを提案し、この場合、特に第２の差温度（本明細書では最小差温度とも称する）に達しないときに加熱が開始される。この目的のため、固定子の電圧を、固定子の通常の設定点値に比例して（具体的には、固定子の電圧の最大の低減が第２の差温度範囲の下端で達成されるような比例関係で）下げる、ことをさらに提案する。この第２の差温度範囲は、内側部品温度より低い（例えば現在の内側温度値より１０Ｋ低い）外側温度の値を意味しうる。したがってこの温度までは、固定子の電圧が最大値だけ下げられ、結果として、これにより達成可能または許容可能な固定子の最大加熱が達成される。

したがって例えば、固定子の温度が発電機回転子の温度より第２の差温度またはそれより小さい温度だけ高い（すなわち例えば発電機回転子の温度より５Ｋのみ高い）場合、特に、固定子の電圧を上述したように下げることによって、加熱を行うことができる。外側部品温度または温度差が、第２の差温度範囲の下端（これは例えば発電機回転子の温度より１０Ｋ低い温度とすることができる）に達するまでさらに下がるにつれて、この加熱をさらに増大させることができる。したがって上に挙げたこの例では、発電機回転子の温度より５Ｋ高い差温度を起点として、例えば現在の発電機回転子の温度より例えば１０Ｋ低い値までは、固定子の電圧が通常値から下げられる（特に線形的に下げられる）。結果として、例えば、加熱出力の線形的な上昇も達成される。

なお、冷却制御に関しては、例えばインナーローター型の場合、以前は絶対的な温度値（固定子スロット温度の例えば摂氏８０度など）から冷却制御が開始され、摂氏１００度のスロット温度において最大冷却出力に達していたことをさらに言及しておく。本例の場合、そうではなく、固定子の冷却は、固定子スロット温度が回転子のポールシューの温度より２０Ｋ高い（すなわち発電機回転子の温度より２０Ｋ高い）ときに、開始される。

外側部品には（すなわちインナーローター型の場合における固定子には）、流量が調整可能な水冷却が提供されることが好ましい。例えば、この水冷却は、２０Ｋの差温度が存在するときには低流量で開始することができ、３０Ｋの差温度が存在するときに最大流量に達することができる。この場合、好ましくは線形プロファイルが提案される。

制御の安全性を高めるため、これに加えて絶対的な値（例えば摂氏１３０度の固定子の温度など）に応じて冷却を開始することもできる。この場合、差温度に基づいて冷却がまだ開始されていないときに、その絶対的な値において冷却を開始することができ、摂氏１４０度のさらなる値までその最大値に達する。このようにして、そのような高い温度に達した場合に、とにかく固定子が冷却されることが保証される。

したがって、外側部品（すなわちインナーローター型の場合には固定子）の熱膨張が、内側部品（すなわちインナーローター型の場合には発電機回転子）の膨張より、できる限り常に大きいことが達成される。

差温度制御のパラメータを固定値として指定せずに、これらのパラメータを学習によって採択できるようにすることを、さらに提案する。空隙イベント（ａｉｒ ｇａｐ ｅｖｅｎｔ）のたびに、計算される差温度（すなわち冷却が開始される温度）を高めることを提案する。空隙イベントがそれ以上起こらないとき、対応する値が十分であると想定する。これらの値は、その後に再び下げることも可能である。空隙イベントとは、空隙厚さが小さくなりすぎたときに安全措置が開始されることと理解されたい。

特に、騒音が低減される運転の場合には、学習を使用して専用のパラメータセット（出力に関して最適な運転（すなわち基本的には通常運転）とは異なる）を採択することを提案する。この提案は、特に、インナーローター型としての個別に励磁される同期発電機に適用される。このような同期発電機の場合、騒音が低減される運転では、風力タービンを、同じ電力出力で、ただし下げた回転速度で、運転することができる。この目的のため、回転子または発電機回転子には、より大きい励磁電力が要求され、したがってより大きい励磁電流が発電機回転子または回転子に供給され、結果として回転子が熱くなる。したがってこの場合、内側部品としての発電機回転子が、外側部品としての固定子より大きな程度だけ膨張する危険性が高い。

この場合の手順は、詳細には以下のようにすることができ、最初に初期設定を工場で行う。工場では、差温度に依存する制御が行われないような初期設定が行われることが好ましい。

その後、小さすぎる空隙厚さが検出された理由で安全停止のトリップが起こる場合、提案する差異制御（すなわち部品の差温度に応じた特に冷却の制御）を作動させることができる。例えば、オーバーシュート温度の値を２０Ｋに設定することができる。したがって、初期値として、外側部品の冷却は、外側部品温度が内側部品温度より少なくとも２０Ｋ高いときにはじめて開始される。

次に、所定の再設定時間（例えば３時間、５時間、または１０時間以上）の後、障害が発生していない場合、そのオーバーシュート温度を段階的に下げることを提案する。

しかしながら、停止が再度起こる場合、オーバーシュート温度を再び段階的に高めて風力タービンを再始動させることができる。安全トリップが起きた後の温度増大幅は、長時間にわたり障害なく運転した後の温度低減幅より大きい絶対値を想定することが好ましい。

空隙が小さすぎると検出されたことによる安全トリップが起こり続ける場合、オーバーシュート温度の最大値を設けることができる。

この場合、説明した安全トリップの理由で風力タービンが停止されることが依然として起こりうるが、特にオーバーシュート温度の変更された値で、風力タービンを自動的に再び始動することができる。

継続的な運転中に、アンダーシュート温度を、適用されるケースに従って、好ましくは適応的に、選択または指定する、あるいは場合によっては調整することを提案する。アンダーシュート温度は、値０をとることもできる。この場合、外側部品は、外側部品温度が少なくとも内側部品温度と同じであるように冷却または加熱される。結果として、この変形形態（したがって外側部品温度が最大で内側部品温度まで下がるように意図されている）は、明示的に特殊な場合（アンダーシュート温度が値０を有する）である。

さらなる実施形態によれば、外側部品を冷却するために、温度差および外側部品温度が監視され、外側部品温度が少なくともオーバーシュート温度だけ内側部品温度より高い場合、または外側部品温度が限界温度より高い場合に、外側部品の冷却が開始されることを提案する。

空隙スイッチのトリップが起こる頻度に従って（すなわち空隙厚さの不足が検出されて安全トリップが起きた頻度に従って）、パラメータ（特に、スイッチオン温度しきい値およびスイッチオフ温度しきい値）を適応的に修正することによって、１つの発展形態を達成することができる。結果として、固定子の過度な温度上昇（インナーローター型の場合には固定子の損失も相応により増大する）を回避することができる。

したがって、好ましくは、加熱を対象に、個別の差温度範囲を指定することを提案し、この場合、特に第２の差温度（本明細書では最小差温度とも称する）に達しないときに加熱が開始される。この目的のため、固定子の電圧を、固定子の通常の設定点値に比例して（具体的には、固定子の電圧の最大の低減が第２の差温度範囲の下端で達成されるような比例関係で）下げる、ことをさらに提案する。この第２の差温度範囲は、内側部品温度より低い（例えば現在の内側部品温度値より１０Ｋ低い）外側部品温度の値を意味しうる。したがってこの温度までは、固定子の電圧が最大値だけ下げられ、結果として、これにより達成可能または許容可能な固定子の最大加熱が達成される。

その後、小さすぎる空隙厚さが検出された理由で安全停止のトリップが起こる場合、提案する差異制御（すなわち差温度に応じた特に冷却の制御）を作動させることができる。例えば、オーバーシュート温度の値を２０Ｋに設定することができる。したがって、初期値として、外側部品の冷却は、外側部品温度が内側部品温度より少なくとも２０Ｋ高いときにはじめて開始される。

Claims (12)

1. ギアレス風力タービン（１００）を制御する方法であって、前記ギアレス風力タービン（１００）が、固定子（４０４）および発電機回転子（４０２）と、前記固定子（４０４）と前記発電機回転子（４０２）との間の、空隙厚さを有する空隙（４１０）と、を有する発電機（４００）、を備えており、
   − 前記発電機（４００）が、外側部品としての前記固定子（４０４）と内側部品としての前記発電機回転子（４０２）とを有するインナーローター型、として設計されている、または、
   − 前記発電機（４００）が、外側部品としての前記発電機回転子と内側部品としての前記固定子とを有するアウターローター型、として設計されており、
   前記方法が、以下のステップ、すなわち、
   − 前記外側部品の温度を外側部品温度（Ｔ_Ａ）として検出するステップと、
   − 前記内側部品の温度を内側部品温度（Ｔ_Ｉ）として検出するステップと、
   − 前記外側部品温度と前記内側部品温度との差としての温度差を形成するステップと、
   − 前記発電機（４００）の熱膨張に起因する前記空隙厚さ（４１０）の減少が阻止されるように、前記温度差に従って前記発電機（４００）を制御するステップと、
   を含む、方法。
2. 前記空隙厚さの減少が阻止されるように、前記外側部品が前記温度差に応じて冷却される、または加熱される、
   ことを特徴とする、
   請求項１に記載の方法。
3. 前記外側部品が、
   − 前記外側部品温度が前記内側部品温度より最大でアンダーシュート温度だけ低いように、
   − 前記外側部品温度が少なくとも前記内側部品温度と同じであるように、または、
   − 前記外側部品温度が前記内側部品温度より少なくともオーバーシュート温度だけ高いように、
   冷却される、または加熱される、
   ことを特徴とする、
   請求項１または請求項２に記載の方法。
4. 前記温度差に応じて、前記外側部品が電気的に加熱される、および／または、前記内側部品が電気的に軽減され、特に、
   − 前記発電機がインナーローター型として設計されている場合、前記固定子における増大した抵抗損失によって前記固定子を暖める目的で、固定子電流を増大させるために固定子電圧が下げられる、または、
   − 前記発電機がアウターローター型として設計されている場合、前記固定子における減少した前記抵抗損失によって前記固定子を少なく暖める目的で、固定子電流を低減するために固定子電圧が高められる、
   ことを特徴とする、
   請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記外側部品を冷却するため、前記温度差および前記外側部品温度が監視され、
   − 前記外側部品温度が前記内側部品温度より少なくともオーバーシュート温度だけ高い、および／または、
   − 前記外側部品温度が第１の限界温度より高い、
   場合に、前記外側部品の冷却が開始され、
   好ましくは、前記外側部品の前記冷却が、可変の冷却強度を有し、前記外側部品温度がさらに高まるにつれて、特に、前記外側部品温度がさらに高まるにつれて線形的に、その冷却強度が初期冷却強度から最大冷却強度まで増大される、
   ことを特徴とする、
   請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の方法。
6. − 前記外側部品温度が前記内側部品温度より最小差温度未満しか高くない時点でただちに前記外側部品の加熱が実行され、前記最小差温度が、好ましくはオーバーシュート温度より小さいように、例えば半分であるように選択され、好ましくは、
   − 前記加熱が、可変の加熱出力を有し、前記外側部品温度が前記内側部品温度に対してさらに下がるにつれて、特に、前記外側部品温度が前記内側部品温度に対してさらに下がるにつれて線形的に、その加熱出力が初期加熱出力から最大加熱出力まで増大される、
   ことを特徴とする、
   請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の方法。
7. 特に、
   − 前記空隙厚さが監視され、指定可能な最小厚さに達しないとき、前記外側部品と前記内側部品との間の接触を防止する目的で安全措置が開始され、そして、
   − 前記安全措置が開始されるたびにオーバーシュート温度が高められ、前記オーバーシュート温度が、前記外側部品温度が前記内側部品温度よりその温度だけ高いように意図されている温度値を示しており、好ましくは、
   − 試験期間内に前記安全措置が開始されなかった場合、前記オーバーシュート温度が再び段階的に下げられる、
   ことにおいて、前記方法が適応的に動作する、
   ことを特徴とする、
   請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の方法。
8. − 前記ギアレス風力タービンの通常運転と縮小運転とが区別され、
   − 縮小運転においては、前記ギアレス風力タービンが、同じ風条件下で通常運転と比較して低減された回転速度で運転され、そして、
   − 前記発電機を冷却する方法が、通常運転においては、特に、オーバーシュート温度の、および／または第１の限界温度の、縮小運転とは異なるパラメータ値、を使用する、
   ことを特徴とする、
   請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の方法。
9. 特に、
   − 前記内側部品に空気冷却および／または受動的冷却が提供される、および／または、
   − 前記外側部品に水冷却が提供される、
   − ことにおいて、前記内側部品と前記外側部品とに異なる冷媒および／または冷却タイプが提供される、
   ことを特徴とする、
   請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の方法。
10. 固定子および発電機回転子と、前記固定子と前記発電機回転子との間の、空隙厚さを有する空隙と、を有する発電機、を有するギアレス風力タービンであって、
    − 前記発電機が、外側部品としての前記固定子と内側部品としての前記発電機回転子とを有するインナーローター型、として設計されている、または、
    − 前記発電機が、外側部品としての前記発電機回転子と内側部品としての前記固定子とを有するアウターローター型、として設計されており、
    − 前記外側部品の温度を外側部品温度として検出する外側部品温度測定手段と、
    − 前記内側部品の温度を内側部品温度として検出する内側部品温度測定手段と、
    − 前記外側部品温度と前記内側部品温度との差としての温度差を形成する差異手段と、
    − 前記発電機の熱膨張に起因する前記空隙厚さの減少を阻止するために前記温度差に応じて前記発電機を制御するように構成されている制御手段と、
    を備えている、
    ギアレス風力タービン。
11. − 前記内側部品を冷却する内側冷却装置が設けられている、および／または、
    − 前記外側部品を冷却する外側冷却装置が設けられており、好ましくは、
    特に、
    − 前記内側冷却装置が、空冷および／または受動的冷却として設計されている、および／または、
    − 前記外側冷却装置が水冷として設計されている、
    − ことにおいて、前記内側冷却装置と前記外側冷却装置とに異なる冷媒および／または冷却タイプが提供される、
    ことを特徴とする、
    請求項１０に記載のギアレス風力タービン。
12. 請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の方法を実行するように設計されている、
    ことを特徴とする、
    請求項１０または請求項１１に記載のギアレス風力タービン。

Images