JP2020530083A - 風力発電装置用の発電機、及び発電機を備えた風力発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】出力収率と比較してできるだけ小さく寸法決定することのできる発電機を提示する。【解決手段】本発明は、風力発電装置（１００）の機械支持体（１１４）に発電機ステータ（３）を固定するための取付部分（２１）を備えた発電機ステータ（３）と、発電機軸線（Ａ）の周りで発電機ステータ（３）に対して相対回転運動可能に備えられた発電機ロータ（５）とを有する、風力発電装置（１００）用の発電機（１）に関する。本発明により、発電機（１）は、単段歯車装置（１１）を有し、単段歯車装置（１１）は、駆動側でロータブレードハブ（１１３）と相対回転不能に協働し、従動側で発電機ロータ（５）と相対回転不能に接続されているように構成されていることが提案される。【選択図】図２

Description

本発明は、風力発電装置の機械支持体に発電機ステータを固定するための取付部分を備えた発電機ステータと、発電機軸線の周りで発電機ステータに対して相対回転運動可能に備えられた発電機ロータとを有する風力発電装置用の発電機に関する。

前述の形式の発電機は、風力発電装置において様々なかたちで使用される。従来技術では、一方において、ロータブレードハブの回転運動が多段歯車装置（多段変速装置）を用いて発電機の発電機ロータに伝達されるという風力発電装置が構築されており、この際、多段歯車装置は、ロータブレードハブにより予め定められた駆動運動を、より高い回転数で伝動するように変換する。従来技術から知られている歯車装置は、高い荷重状況では故障や欠陥の発生のしやすさが増加する。歯車装置を含んだ駆動トレインを有する風力発電装置は、通常、非同期発電機を有し、非同期発電機は、原理的に高い回転数を必要とする。歯車装置を有する風力発電装置は、典型的には、ハブが、歯車装置に向かうメインシャフトと従動側で相対回転不能に接続されるように構成されている。メインシャフトは、風力発電装置の駆動トルクだけを伝達するのではなく、風、乱流、ハブの動特性と自重から結果として生じる荷重と振動も伝達する。回転する部材としてメインシャフトは、それにより著しい交番荷重にさらされ、それに応じて寸法決定されなくてはならない。

それに対し、従来技術では、低速回転の多極同期発電機を使用するギヤレス風力発電装置が、特に本出願人によるものとして成果を収めている。この際、ギヤレス機構は、典型的には、直接的にハブの内側で定置固定の軸頸部（アクスルジャーナル）に備えられ、それにより外部からの荷重は、十分に定置固定の構造要素を介してタワーに導かれる。

記載なし

低速回転の多極同期発電機は、整備しやすく信頼性が高いが、その原理に起因し、比較的低い回転数ではあるがそれでも十分な電気エネルギー生成を保証可能とするために、大きな発電機直径を必要とする。出力クラスが４ＭＷを遥かに超えて益々大きくなる傾向にあることに基づき、このことに関して改善の必要性がある。

従って本発明の基礎を成す課題は、前記の欠点ができるだけ十分に軽減されるように、冒頭に記載した形式の発電機を改善することであった。特に本発明の基礎を成す課題は、出力収率と比較してできるだけ小さい寸法にすることのできる発電機を提示することであった。更に電気エネルギーの獲得における効率は、できるだけ損なわれるべきではないだろう。

本発明は、本発明の基礎を成す課題を、冒頭に記載した形式の発電機において、請求項１の特徴を有する発電機が構成されていることにより解決する。

以下、発明を実施するための形態について説明する。

特に本発明は、単段歯車装置を有する発電機を提案し、前記単段歯車装置は、駆動側で風力発電装置のロータブレードハブと相対回転不能に協働し、従動側で発電機ロータと相対回転不能に接続されている。本発明は、単段歯車装置の使用により、ロータブレードハブの回転数に対して発電機ロータの回転数の増加を達成することができ、この際、直接的に駆動される発電機のその他の利点を断念する必要はなく、つまり低速回転の多極同期発電機の高い頑強性（ロバストネス）並びにその使用の可能性を断念する必要はないという認識を利用する。発電機に直接的に単段歯車装置を位置付けることは、更に、発電機の他に歯車装置を実装するために構造上大きい構造体を必要とし且つ回転軸線の方向に風力発電装置のナセルの比較的大きい広がりを余儀なくするという歯車装置を含んだ従来の風力発電装置と比べ、著しい改善をもたらす。単段歯車装置は、発電機の回転軸線の方向において最小限の構成空間を必要とするだけである。更に発電機内に単段歯車装置を実装することによりパラダイムシフトが可能とされる。つまり今まで、特に低速回転の同期発電機は、ギヤレスでのみ動かされており、従来技術では、むしろ、同期発電機を有する風力発電装置に歯車装置を設けること、特に低速回転の同期発電機を有する風力発電装置に歯車装置を設けることは、このことが必要ではなかったため、基本的に拒まれていた。

しかし驚くべきことに、わかりやすい１つの歯車比変更だけを必然的に伴う単段だけの歯車装置を選択することにより、電気エネルギーの生成に関して効率の増加を達成できることが分かった。従来の風力発電装置と比較し、単段歯車装置の歯車比の結果、本発明による発電機では、より小型の発電機サイズのものを、より高い回転数で運転することができる。つまりこのことは、所定の出力クラスの従来の装置と比較し、同じ出力クラスでは、より小型で遥かに軽量構造の発電機を風力発電装置に使用することができ、それでもギヤレスの駆動トレインの利点は、実質的に維持され続けるということを意味する。

単段歯車装置は、好ましくは１：１．５から１：１０までの範囲内の歯車比を有する伝動歯車装置である。好ましい更なる構成において、単段歯車装置は、太陽歯車（サンギヤ）と、所定数の遊星歯車（プラネタリギヤ）を備えた遊星キャリアと、内歯歯車（中空歯車：インターナルギヤ）とを有する遊星歯車装置として構成されており、この際、遊星歯車は、太陽歯車及び内歯歯車と係合状態にある。好ましくは、遊星歯車装置は、２つ以上の遊星歯車を有し、特に好ましくは３つの遊星歯車を有する。

遊星歯車装置の優れた利点としては、遊星歯車装置が、特に（発電機の回転軸線に関して）軸方向において、高い頑強性と少ない構成空間を兼ね備えているということである。遊星歯車装置の摩擦損失は中程度であり、それにより遊星歯車装置を使用することで電気エネルギーの獲得に関する風力発電装置の全効率が悪くなることを、より高い回転数に基づくエネルギー生成の増加により補償することができる。

好ましい一実施形態において、遊星歯車装置の遊星キャリアは、駆動側でロータブレードハブと相対回転不能に接続されている。

更に好ましい一実施形態において、発電機は、発電機ロータが固定されている発電機中空シャフトを有する。好ましくは、その中空シャフトは、太陽歯車と相対回転不能に接続されている。

好ましくは、前述の（機械支持体への）取付部分は、発電機の第１の取付部分であり、更に発電機は、発電機軸線の方向で第１の取付部分とは反対側に配設され且つ風力発電装置の軸頸部と相対回転不能に接続するための第２の取付部分を有する。軸頸部は、好ましくは、ロータブレードハブを支持するように構成されている。この実施形態において、発電機は、風力発電装置タワーのロータブレードハブと同じ側（即ち風力発電装置から見てロータブレードハブの設けられている側）に配設されるように構成されている。

好ましくは、遊星キャリアとロータブレードハブは、連結装置（クラッチ装置）を介在して接続されており、該連結装置は、連結された状態と連結解除された状態を選択的に切替可能であり、この際、連結された状態では、単段歯車装置とロータブレードハブの間の相対回転不能な接続が成され、連結解除された状態では、発電機に対してロータブレードハブの相対回転運動が成される。

ロータブレードハブと発電機を互いに直接的に隣接して配設することは、発電機の単段歯車装置へのロータブレードハブの直接的な結合が可能であるという利点を提供する。

代替的な好ましい一実施形態により、発電機は、風力発電装置のタワーにおいてロータブレードハブとは反対側に配設されるように構成されている。この際、発電機は、発電機ハウジングと、該発電機ハウジングに備えられたメインシャフトとを有すると好ましく、またこの際、メインシャフトは、ロータブレードハブと相対回転不能に接続されるように構成されており、発電機中空シャフトを通して案内され且つ発電機中空シャフトと同軸に備えられており、更にこの際、遊星キャリアは、メインシャフトと相対回転不能に接続されている。

前述の複数の実施形態は、遊星歯車装置を単段歯車装置として使用することに関する。但し本発明により単段歯車装置は、好ましくは磁気歯車装置を用いて実現可能である。つまり更なる好ましい一実施形態において、単段歯車装置は、太陽歯車の代わりに内側永久磁石リングを有し、遊星キャリア［歯車］の代わりに強磁性中間リング（ピニオンリング）を有し、内歯歯車の代わりに外側永久磁石リングを有する磁気歯車装置として構成されている。

本発明は、上記のように、風力発電装置の発電機に関する第１の視点に基づいて説明された。更に本発明は、本発明の基礎を成す課題を、第２の視点として、冒頭に記載した形式の風力発電装置において解決し、第２の視点では、風力発電装置は、ロータブレードハブと、タワーと、発電機を受容するための取付部分を備え且つタワーに回転可能に備えられた機械支持体と、対応の取付部分を用いて機械支持体に固定された電気エネルギーを生成するための発電機とを有し、この際、発電機は、前述の好ましい実施形態の１つにより構成されている。

発電機は、第１の好ましい代替形態により、機械支持体の第１の側に配設され、ロータブレードハブは、発電機とは反対側の機械支持体の第２の側に配設されている。

特に好ましくは、ロータブレードハブから風力発電装置にもたらされる駆動トルクは、メインシャフトを用いて発電機に伝達され、この際、メインシャフトは、発電機の中空シャフトを貫通して案内される。

好ましい一代替形態において、発電機とロータブレードハブは、機械支持体の同じ側に配設されており、この際、特に好ましくは、発電機には、又は発電機を支持する構造体には、ロータブレードハブを支持する軸頸部（アクスルジャーナル）が接続されている。

この際、好ましくは、発電機は、第１の取付部分を用いて機械支持体の対応の取付部分に固定され、ロータブレードハブは、対応の取付部分を有する軸頸部を用いて発電機の第２の取付部分に固定されている。

本発明による風力発電装置の使用される発電機は、好ましくは、同期発電機として、特に好ましくは多極同期発電機として、特に低速回転の多極同期発電機として構成されている。特に好ましくは、発電機は、環状発電機（リングジェネレータ）である。

特に好ましくは、発電機の単段歯車装置は、取付歯車装置（アタッチメント歯車装置）として構成され、発電機において機械支持体に対して反対の側に取り付けられている。それにより整備目的で歯車装置への特に容易なアクセス性が達成される。

低速回転の発電機とは、本発明により、毎分１００回転の回転速度、又はそれよりも少ない回転数で回転する発電機として理解される。

多極発電機とは、本発明により、少なくとも４８個、９６個、又は特に少なくとも１９２個のロータ極を有する発電機として理解される。

環（リング）状発電機とは、回転子とステータ（固定子）の磁気活動領域、即ち特にステータの積層鉄心（積層板パッケージ）と回転子の積層鉄心（積層板パッケージ）が、回転子とステータを互いに分離する空隙を巡って（介して）環形状の領域に配設されている発電機として理解される。この際「回転子」とは、発電機ロータと同義語である。

発電機は、好ましくは、中央の空隙半径の少なくとも５０％の半径を有する内側領域において、磁気的に有効な領域（磁気的作用域）から自由となっている。

また環状発電機は、磁気的活性部分又は他の表現で磁気的活性領域における半径方向の厚み、即ち磁極ホイールの内側縁部からステータの外側縁部までの半径方向の厚さ、或いは外側回転子（アウタロータ）の場合はステータの内側縁部から回転子の外側縁部までの半径方向の厚さが、空隙半径よりも小さいことによっても定義することができ、特に発電機の磁気的活性領域の半径方向の厚みは、空隙半径の３０％未満、特に２５％未満であることによっても定義することが可能である。それに加え又はその代わりに、環状発電機は、その深さ、即ち回転軸線の方向における発電機の軸方向の広がりが空隙半径よりも小さいことにより定義することができ、特にその深さ（軸方向寸法）が空隙半径の３０％未満、特に２５％未満であることにより定義することができ、この際、それぞれ（空隙半径については）空隙の中央の基準円に関して述べられている。

以下、２つの好ましい実施例に基づき、添付の図面を参照しながら本発明を詳細に説明する。

本発明による一風力発電装置の概要的な立体図を示す図である。 第１実施例として、図１による風力発電装置のナセルに沿った概要的な横断面図を示す図である。 第２実施例として、図１の本発明による風力発電装置のナセルに沿った概要的な横断面図を示す図である。

図１は、本発明による風力発電装置１００の概要図を示している。風力発電装置１００は、タワー１０２と、タワー１０２上にナセル１０４を有する。ナセル１０４には、３つのロータブレード１０８と１つのスピナ１１０とを備えた空気力学的ロータ１０６が設けられている。空気力学的ロータ１０６は、風力発電装置１００の運転時には風により回転運動され、空気力学的ロータ１０６と直接的に又は間接的に連結されている発電機１（図２）を駆動する。発電機１は、ナセル１０４内に配設され、電気エネルギーを生成する。

図２では、第１実施例によるナセル１０４の内部構造が概要的に示されている。図１に示されたロータブレード１０８は、ここでは簡単な図とするために図示されていない。

風力発電装置１００の発電機１は、ステータ（固定子）３と、ステータ３に対して相対回転可能に備えられた発電機ロータ５とを有する。発電機ロータ５とステータ３の間には、空隙７が形成されている。

発電機ロータ５は、発電機シャフト９を用いて単段歯車装置１１と相対回転不能に接続されており、特に発電機ロータ５は、太陽歯車（サンギヤ）１５と相対回転不能に接続されている。ステータ３は、好ましくは、単段歯車装置１１の内歯歯車（中空歯車：インターナルギヤ）１３と相対回転不能に接続されている。

単段歯車装置１１は、更に遊星キャリア１７に配設されている所定数の遊星歯車（プラネタリギヤないしピニオンギヤ）を有し、この際、遊星キャリア１７は、連結装置（クラッチ装置）１９を用いてロータブレードハブ１１３と接続されている。従ってロータブレードハブ１１３の回転運動は、単段歯車装置１１の遊星キャリア１７を用いて発電機ロータ５に伝達され、この際、内歯歯車１３が定置固定でステータ３と相対回転不能に接続されていることにより、ロータブレードハブ１１３の回転運動は、変速されて太陽歯車１５に伝動され、それにより発電機シャフト９と、従って発電機ロータ５は、ロータブレードハブ１１３よりも速く回転する。

発電機１は、第１の取付部分２１を有し、第１の取付部分２１を用い、発電機１は、機械支持体１１４に間接的に又は直接的に固定されている。取付部分２１は、好ましくはフランジ部分として構成されている。

また機械支持体１１４は、好ましくは回転接続機構を用い、風力発電装置１００のタワー１０２に（回転可能に）固定されている。発電機１とロータブレードハブ１１３は、好ましくは、発電機軸線Ａと同軸に配設されている。

ロータブレードハブ１１３は、好ましくは、軸頸部（アクスルジャーナル）１１２上に備えられており、この際、ロータブレードハブ１１３ないし軸頸部１１２は、第２の取付部分２３（好ましくはフランジ部分として構成されている）を用いて発電機１に固定されており、従ってそれらは、風力発電装置１００の機械支持体１１４の同じ側に配設されている。

図３には、好ましい第２実施例による発電機装置が示されている。図３は、発電機１’を示しており、発電機１’は、図２による発電機と異なり、２つの取付部分を有するのではなく、唯一の取付部分２１’だけを有し、又は、好ましくは、発電機１’を風力発電装置１００の機械支持体１１４に接続させるフランジ部分として構成されている。発電機１’は、図２による発電機１と異なり、機械支持体１１４に対してロータブレードハブ１１３と同じ側に配設されるのではなく、機械支持体１１４に対してロータブレードハブ１１３の反対側で機械支持体１１４に固定され、それによりロータブレードハブ１１３の自重と発電機１’の自重により生じるタワー１０２上の転倒モーメントが少なくとも部分的に平衡化される。

発電機１’は、図２の発電機１と同様に、ステータ３と、発電機ロータ５と、それらの間に形成された空隙７とを有する。

発電機ロータ５は、発電機シャフト（中空シャフト）９を用いて単段歯車装置１１の太陽歯車１５と相対回転不能に接続され、ステータ３は、単段歯車装置１１の内歯歯車１３と相対回転不能に接続されている。所定数の遊星歯車を有する遊星キャリア１７は、ここでも（図２の実施例とシステム的に同一）は、ロータブレードハブ１１３の回転運動を変速して発電機ロータ５に伝動する。しかし図２と異なり、ロータブレードハブ１１３は、遊星キャリア１７と直接的に連結されているのではなく、中空シャフトとして構成された発電機シャフト９を通して案内されているメインシャフト１１５を介して遊星キャリア１７と連結されている。図３による配設構成において、単段歯車装置１１は、同様に遊星歯車装置として構成されているが、取付歯車装置（アタッチメント歯車装置）として、機械支持体１１４に対して反対側に且つロータブレードハブ１１３に対して反対側に配設されており、それにより単段歯車装置１１は、任意選択的に、発電機ハウジング２５に対応の開口部が設けられている場合には、ロータブレードハブ１１３に触れることなく、外部からアクセス可能である。

（図１）
１００ 風力発電装置
１０２ タワー
１０４ ナセル
１０６ 空気力学的ロータ
１０８ ロータブレード
１１０ スピナ

（図２）
１ 発電機
３ ステータ
５ 発電機ロータ
７ 空隙
９ 発電機シャフト（中空シャフト）
１１ 単段歯車装置
１３ 内歯歯車（インターナルギヤ）
１５ 太陽歯車（サンギヤ）
１７ 遊星キャリア
１９ 連結装置
２１ 第１の取付部分
２３ 第２の取付部分
１００ 風力発電装置
１０２ タワー
１１２ 軸頸部（アクスルジャーナル）
１１３ ロータブレードハブ
１１４ 機械支持体
Ａ 発電機軸線

（図３）
１’ 発電機
３ ステータ
５ 発電機ロータ
７ 空隙
９ 発電機シャフト
１１ 単段歯車装置
１３ 内歯歯車（インターナルギヤ）
１５ 太陽歯車（サンギヤ）
１７ 遊星キャリア
２１’ 取付部分
２５ 発電機ハウジング
１００ 風力発電装置
１１３ ロータブレードハブ
１１４ 機械支持体
１１５ メインシャフト

本発明は、風力発電装置の機械支持体に発電機ステータを固定するための取付部分を備えた発電機ステータと、発電機軸線の周りで発電機ステータに対して相対回転運動可能に備えられた発電機ロータとを有する風力発電装置用の発電機に関する。

前述の形式の発電機は、風力発電装置において様々なかたちで使用される。従来技術では、一方において、ロータブレードハブの回転運動が多段歯車装置（多段変速装置）を用いて発電機の発電機ロータに伝達されるという風力発電装置が構築されており、この際、多段歯車装置は、ロータブレードハブにより予め定められた駆動運動を、より高い回転数で伝動するように変換する。従来技術から知られている歯車装置は、高い荷重状況では故障や欠陥の発生のしやすさが増加する。歯車装置を含んだ駆動トレインを有する風力発電装置は、通常、非同期発電機を有し、非同期発電機は、原理的に高い回転数を必要とする。歯車装置を有する風力発電装置は、典型的には、ハブが、歯車装置に向かうメインシャフトと従動側で相対回転不能に接続されるように構成されている。メインシャフトは、風力発電装置の駆動トルクだけを伝達するのではなく、風、乱流、ハブの動特性と自重から結果として生じる荷重と振動も伝達する。回転する部材としてメインシャフトは、それにより著しい交番荷重にさらされ、それに応じて寸法決定されなくてはならない。

それに対し、従来技術では、低速回転の多極同期発電機を使用するギヤレス風力発電装置が、特に本出願人によるものとして成果を収めている。この際、ギヤレス機構は、典型的には、直接的にハブの内側で定置固定の軸頸部（アクスルジャーナル）に備えられ、それにより外部からの荷重は、十分に定置固定の構造要素を介してタワーに導かれる。

WO 2011/058185 A2 EP 1 353 436 A2 DE 10 2011 011164 A1 WO 2016/131078 A1

低速回転の多極同期発電機は、整備しやすく信頼性が高いが、その原理に起因し、比較的低い回転数ではあるがそれでも十分な電気エネルギー生成を保証可能とするために、大きな発電機直径を必要とする。出力クラスが４ＭＷを遥かに超えて益々大きくなる傾向にあることに基づき、このことに関して改善の必要性がある。

従って本発明の基礎を成す課題は、前記の欠点ができるだけ十分に軽減されるように、冒頭に記載した形式の発電機を改善することであった。特に本発明の基礎を成す課題は、出力収率と比較してできるだけ小さい寸法にすることのできる発電機を提示することであった。更に電気エネルギーの獲得における効率は、できるだけ損なわれるべきではないだろう。

本発明は、本発明の基礎を成す課題を、冒頭に記載した形式の発電機において、請求項１の特徴を有する発電機が構成されていることにより解決する。
即ち本発明の第１の視点により、
風力発電装置の機械支持体に発電機ステータを固定するための取付部分を備えた発電機ステータと、発電機軸線の周りで前記発電機ステータに対して相対回転運動可能に備えられた発電機ロータとを有する、風力発電装置用の発電機であって、前記発電機は、単段歯車装置を有し、前記単段歯車装置は、駆動側でロータブレードハブと相対回転不能に協働し、従動側で前記発電機ロータと相対回転不能に接続されているように構成されている。
更に本発明の第２の視点により、
ロータブレードハブと、タワーと、発電機を受容するための取付部分を備え且つ前記タワーに回転可能に備えられた機械支持体と、対応の取付部分を用いて前記機械支持体に固定された電気エネルギーを生成するための発電機とを有する風力発電装置であって、前記発電機は、前記第１の視点に記載の発電機として構成されている。
尚、本願の特許請求の範囲において付記された図面参照符号は、専ら本発明の理解の容易化のためのものであり、図示の形態への限定を意図するものではないことを付言する。

本発明において、以下の形態が可能である。
（形態１）
風力発電装置の機械支持体に発電機ステータを固定するための取付部分を備えた発電機ステータと、発電機軸線の周りで前記発電機ステータに対して相対回転運動可能に備えられた発電機ロータとを有する、風力発電装置用の発電機であって、
前記発電機は、単段歯車装置を有し、前記単段歯車装置は、駆動側でロータブレードハブと相対回転不能に協働するように、かつ、従動側で前記発電機ロータと相対回転不能に接続されているように構成されていること。
（形態２）前記発電機において、
前記単段歯車装置は、太陽歯車と、所定数の遊星歯車を備えた遊星キャリアと、内歯歯車とを有する遊星歯車装置として構成されており、前記遊星歯車は、前記太陽歯車及び前記内歯歯車と噛合状態にあること、が好ましい。
（形態３）前記発電機において、
前記太陽歯車は、従動側で前記発電機ロータと相対回転不能に接続されていること、が好ましい。
（形態４）前記発電機において、
前記遊星キャリアは、駆動側で前記ロータブレードハブと相対回転不能に接続されていること、が好ましい。
（形態５）前記発電機において、
前記発電機ロータが固定されている発電機中空シャフトが設けられていること、が好ましい。
（形態６）前記発電機において、
前記取付部分は、第１の取付部分であり、前記発電機は、前記発電機軸線の方向で前記第１の取付部分とは反対側に配設され且つ前記風力発電装置の軸頸部と相対回転不能に接続するための第２の取付部分を有すること、が好ましい。
（形態７）前記発電機において、
遊星キャリアと前記ロータブレードハブが、連結装置を介して接続されており、前記連結装置は、連結された状態と連結解除された状態を選択的に切替可能であり、連結された状態では、前記単段歯車装置と前記ロータブレードハブの間の相対回転不能な接続が成され、連結解除された状態では、前記発電機ロータに対して前記ロータブレードハブの相対回転運動が成されること、が好ましい。
（形態８）前記発電機において、
発電機ハウジングと、前記発電機ハウジングに備えられたメインシャフトとが設けられており、前記メインシャフトは、前記ロータブレードハブと相対回転不能に接続されるように構成されており、発電機中空シャフトを通して案内され且つ発電機中空シャフトと同軸に備えられており、遊星キャリアが、前記メインシャフトと相対回転不能に接続されていること、が好ましい。
（形態９）前記発電機において、
前記単段歯車装置は、太陽歯車の代わりに内側永久磁石リングを有し、遊星キャリアの代わりに強磁性中間リングを有し、内歯歯車の代わりに外側永久磁石リングを有する磁気歯車装置として構成されていること、が好ましい。
（形態１０）
ロータブレードハブと、タワーと、発電機を受容するための取付部分を備え且つ前記タワーに回転可能に備えられた機械支持体と、対応の取付部分を用いて前記機械支持体に固定された電気エネルギーを生成するための発電機とを有する風力発電装置であって、
前記発電機は、形態１〜９のいずれか一形態に従って構成されていること。
（形態１１）前記風力発電装置において、
前記発電機は、形態１〜５、８、又は９のいずれか一形態に従って構成されており、前記機械支持体の第１の側に配設され、前記ロータブレードハブは、前記発電機とは反対側の前記機械支持体の第２の側に配設されていること、が好ましい。
（形態１２）前記風力発電装置において、
前記発電機は、形態６、７、又は９のいずれか一形態に従って構成されており、前記ロータブレードハブと前記発電機は、機械支持体の同じ側に配設されていること、が好ましい。
（形態１３）前記風力発電装置において、
前記発電機は、第１の取付部分を用いて前記機械支持体の対応の取付部分に固定され、前記ロータブレードハブは、対応の取付部分を有する軸頸部を用いて前記発電機の第２の取付部分に固定されていること、が好ましい。
（形態１４）前記風力発電装置において、
前記発電機は、同期発電機として構成されていること、が好ましい。
（形態１５）前記風力発電装置において、
前記発電機の単段歯車装置は、取付式歯車装置として構成され、前記発電機において前記機械支持体に対して反対側に取り付けられていること、が好ましい。

以下、発明を実施するための形態について説明する。

特に本発明は、単段歯車装置を有する発電機を提案し、前記単段歯車装置は、駆動側で風力発電装置のロータブレードハブと相対回転不能に協働し、従動側で発電機ロータと相対回転不能に接続されている。本発明は、単段歯車装置の使用により、ロータブレードハブの回転数に対して発電機ロータの回転数の増加を達成することができ、この際、直接的に駆動される発電機のその他の利点を断念する必要はなく、つまり低速回転の多極同期発電機の高い頑強性（ロバストネス）並びにその使用の可能性を断念する必要はないという認識を利用する。発電機に直接的に単段歯車装置を位置付けることは、更に、発電機の他に歯車装置を実装するために構造上大きい構造体を必要とし且つ回転軸線の方向に風力発電装置のナセルの比較的大きい広がりを余儀なくするという歯車装置を含んだ従来の風力発電装置と比べ、著しい改善をもたらす。単段歯車装置は、発電機の回転軸線の方向において最小限の構成空間を必要とするだけである。更に発電機内に単段歯車装置を実装することによりパラダイムシフトが可能とされる。つまり今まで、特に低速回転の同期発電機は、ギヤレスでのみ動かされており、従来技術では、むしろ、同期発電機を有する風力発電装置に歯車装置を設けること、特に低速回転の同期発電機を有する風力発電装置に歯車装置を設けることは、このことが必要ではなかったため、基本的に拒まれていた。

しかし驚くべきことに、わかりやすい１つの歯車比変更だけを必然的に伴う単段だけの歯車装置を選択することにより、電気エネルギーの生成に関して効率の増加を達成できることが分かった。従来の風力発電装置と比較し、単段歯車装置の歯車比の結果、本発明による発電機では、より小型の発電機サイズのものを、より高い回転数で運転することができる。つまりこのことは、所定の出力クラスの従来の装置と比較し、同じ出力クラスでは、より小型で遥かに軽量構造の発電機を風力発電装置に使用することができ、それでもギヤレスの駆動トレインの利点は、実質的に維持され続けるということを意味する。

単段歯車装置は、好ましくは１：１．５から１：１０までの範囲内の歯車比を有する伝動歯車装置である。好ましい更なる構成において、単段歯車装置は、太陽歯車（サンギヤ）と、所定数の遊星歯車（プラネタリギヤ）を備えた遊星キャリアと、内歯歯車（中空歯車：インターナルギヤ）とを有する遊星歯車装置として構成されており、この際、遊星歯車は、太陽歯車及び内歯歯車と係合状態にある。好ましくは、遊星歯車装置は、２つ以上の遊星歯車を有し、特に好ましくは３つの遊星歯車を有する。

遊星歯車装置の優れた利点としては、遊星歯車装置が、特に（発電機の回転軸線に関して）軸方向において、高い頑強性と少ない構成空間を兼ね備えているということである。遊星歯車装置の摩擦損失は中程度であり、それにより遊星歯車装置を使用することで電気エネルギーの獲得に関する風力発電装置の全効率が悪くなることを、より高い回転数に基づくエネルギー生成の増加により補償することができる。

好ましい一実施形態において、遊星歯車装置の遊星キャリアは、駆動側でロータブレードハブと相対回転不能に接続されている。

更に好ましい一実施形態において、発電機は、発電機ロータが固定されている発電機中空シャフトを有する。好ましくは、その中空シャフトは、太陽歯車と相対回転不能に接続されている。

好ましくは、前述の（機械支持体への）取付部分は、発電機の第１の取付部分であり、更に発電機は、発電機軸線の方向で第１の取付部分とは反対側に配設され且つ風力発電装置の軸頸部と相対回転不能に接続するための第２の取付部分を有する。軸頸部は、好ましくは、ロータブレードハブを支持するように構成されている。この実施形態において、発電機は、風力発電装置タワーのロータブレードハブと同じ側（即ち風力発電装置から見てロータブレードハブの設けられている側）に配設されるように構成されている。

好ましくは、遊星キャリアとロータブレードハブは、連結装置（クラッチ装置）を介在して接続されており、該連結装置は、連結された状態と連結解除された状態を選択的に切替可能であり、この際、連結された状態では、単段歯車装置とロータブレードハブの間の相対回転不能な接続が成され、連結解除された状態では、発電機に対してロータブレードハブの相対回転運動が成される。

ロータブレードハブと発電機を互いに直接的に隣接して配設することは、発電機の単段歯車装置へのロータブレードハブの直接的な結合が可能であるという利点を提供する。

代替的な好ましい一実施形態により、発電機は、風力発電装置のタワーにおいてロータブレードハブとは反対側に配設されるように構成されている。この際、発電機は、発電機ハウジングと、該発電機ハウジングに備えられたメインシャフトとを有すると好ましく、またこの際、メインシャフトは、ロータブレードハブと相対回転不能に接続されるように構成されており、発電機中空シャフトを通して案内され且つ発電機中空シャフトと同軸に備えられており、更にこの際、遊星キャリアは、メインシャフトと相対回転不能に接続されている。

前述の複数の実施形態は、遊星歯車装置を単段歯車装置として使用することに関する。但し本発明により単段歯車装置は、好ましくは磁気歯車装置を用いて実現可能である。つまり更なる好ましい一実施形態において、単段歯車装置は、太陽歯車の代わりに内側永久磁石リングを有し、遊星キャリア［歯車］の代わりに強磁性中間リング（ピニオンリング）を有し、内歯歯車の代わりに外側永久磁石リングを有する磁気歯車装置として構成されている。

本発明は、上記のように、風力発電装置の発電機に関する第１の視点に基づいて説明された。更に本発明は、本発明の基礎を成す課題を、第２の視点として、冒頭に記載した形式の風力発電装置において解決し、第２の視点では、風力発電装置は、ロータブレードハブと、タワーと、発電機を受容するための取付部分を備え且つタワーに回転可能に備えられた機械支持体と、対応の取付部分を用いて機械支持体に固定された電気エネルギーを生成するための発電機とを有し、この際、発電機は、前述の好ましい実施形態の１つにより構成されている。

発電機は、第１の好ましい代替形態により、機械支持体の第１の側に配設され、ロータブレードハブは、発電機とは反対側の機械支持体の第２の側に配設されている。

特に好ましくは、ロータブレードハブから風力発電装置にもたらされる駆動トルクは、メインシャフトを用いて発電機に伝達され、この際、メインシャフトは、発電機の中空シャフトを貫通して案内される。

好ましい一代替形態において、発電機とロータブレードハブは、機械支持体の同じ側に配設されており、この際、特に好ましくは、発電機には、又は発電機を支持する構造体には、ロータブレードハブを支持する軸頸部（アクスルジャーナル）が接続されている。

この際、好ましくは、発電機は、第１の取付部分を用いて機械支持体の対応の取付部分に固定され、ロータブレードハブは、対応の取付部分を有する軸頸部を用いて発電機の第２の取付部分に固定されている。

本発明による風力発電装置の使用される発電機は、好ましくは、同期発電機として、特に好ましくは多極同期発電機として、特に低速回転の多極同期発電機として構成されている。特に好ましくは、発電機は、環状発電機（リングジェネレータ）である。

特に好ましくは、発電機の単段歯車装置は、取付歯車装置（アタッチメント歯車装置）として構成され、発電機において機械支持体に対して反対の側に取り付けられている。それにより整備目的で歯車装置への特に容易なアクセス性が達成される。

低速回転の発電機とは、本発明により、毎分１００回転の回転速度、又はそれよりも少ない回転数で回転する発電機として理解される。

多極発電機とは、本発明により、少なくとも４８個、９６個、又は特に少なくとも１９２個のロータ極を有する発電機として理解される。

環（リング）状発電機とは、回転子とステータ（固定子）の磁気活動領域、即ち特にステータの積層鉄心（積層板パッケージ）と回転子の積層鉄心（積層板パッケージ）が、回転子とステータを互いに分離する空隙を巡って（介して）環形状の領域に配設されている発電機として理解される。この際「回転子」とは、発電機ロータと同義語である。

発電機は、好ましくは、中央の空隙半径の少なくとも５０％の半径を有する内側領域において、磁気的に有効な領域（磁気的作用域）から自由となっている。

また環状発電機は、磁気的活性部分又は他の表現で磁気的活性領域における半径方向の厚み、即ち磁極ホイールの内側縁部からステータの外側縁部までの半径方向の厚さ、或いは外側回転子（アウタロータ）の場合はステータの内側縁部から回転子の外側縁部までの半径方向の厚さが、空隙半径よりも小さいことによっても定義することができ、特に発電機の磁気的活性領域の半径方向の厚みは、空隙半径の３０％未満、特に２５％未満であることによっても定義することが可能である。それに加え又はその代わりに、環状発電機は、その深さ、即ち回転軸線の方向における発電機の軸方向の広がりが空隙半径よりも小さいことにより定義することができ、特にその深さ（軸方向寸法）が空隙半径の３０％未満、特に２５％未満であることにより定義することができ、この際、それぞれ（空隙半径については）空隙の中央の基準円に関して述べられている。

以下、２つの好ましい実施例に基づき、添付の図面を参照しながら本発明を詳細に説明する。

本発明による一風力発電装置の概要的な立体図を示す図である。 第１実施例として、図１による風力発電装置のナセルに沿った概要的な横断面図を示す図である。 第２実施例として、図１の本発明による風力発電装置のナセルに沿った概要的な横断面図を示す図である。

図１は、本発明による風力発電装置１００の概要図を示している。風力発電装置１００は、タワー１０２と、タワー１０２上にナセル１０４を有する。ナセル１０４には、３つのロータブレード１０８と１つのスピナ１１０とを備えた空気力学的ロータ１０６が設けられている。空気力学的ロータ１０６は、風力発電装置１００の運転時には風により回転運動され、空気力学的ロータ１０６と直接的に又は間接的に連結されている発電機１（図２）を駆動する。発電機１は、ナセル１０４内に配設され、電気エネルギーを生成する。

図２では、第１実施例によるナセル１０４の内部構造が概要的に示されている。図１に示されたロータブレード１０８は、ここでは簡単な図とするために図示されていない。

風力発電装置１００の発電機１は、ステータ（固定子）３と、ステータ３に対して相対回転可能に備えられた発電機ロータ５とを有する。発電機ロータ５とステータ３の間には、空隙７が形成されている。

発電機ロータ５は、発電機シャフト９を用いて単段歯車装置１１と相対回転不能に接続されており、特に発電機ロータ５は、太陽歯車（サンギヤ）１５と相対回転不能に接続されている。ステータ３は、好ましくは、単段歯車装置１１の内歯歯車（中空歯車：インターナルギヤ）１３と相対回転不能に接続されている。

単段歯車装置１１は、更に遊星キャリア１７に配設されている所定数の遊星歯車（プラネタリギヤないしピニオンギヤ）を有し、この際、遊星キャリア１７は、連結装置（クラッチ装置）１９を用いてロータブレードハブ１１３と接続されている。従ってロータブレードハブ１１３の回転運動は、単段歯車装置１１の遊星キャリア１７を用いて発電機ロータ５に伝達され、この際、内歯歯車１３が定置固定でステータ３と相対回転不能に接続されていることにより、ロータブレードハブ１１３の回転運動は、変速されて太陽歯車１５に伝動され、それにより発電機シャフト９と、従って発電機ロータ５は、ロータブレードハブ１１３よりも速く回転する。

発電機１は、第１の取付部分２１を有し、第１の取付部分２１を用い、発電機１は、機械支持体１１４に間接的に又は直接的に固定されている。取付部分２１は、好ましくはフランジ部分として構成されている。

また機械支持体１１４は、好ましくは回転接続機構を用い、風力発電装置１００のタワー１０２に（回転可能に）固定されている。発電機１とロータブレードハブ１１３は、好ましくは、発電機軸線Ａと同軸に配設されている。

ロータブレードハブ１１３は、好ましくは、軸頸部（アクスルジャーナル）１１２上に備えられており、この際、ロータブレードハブ１１３ないし軸頸部１１２は、第２の取付部分２３（好ましくはフランジ部分として構成されている）を用いて発電機１に固定されており、従ってそれらは、風力発電装置１００の機械支持体１１４の同じ側に配設されている。

図３には、好ましい第２実施例による発電機装置が示されている。図３は、発電機１’を示しており、発電機１’は、図２による発電機と異なり、２つの取付部分を有するのではなく、唯一の取付部分２１’だけを有し、又は、好ましくは、発電機１’を風力発電装置１００の機械支持体１１４に接続させるフランジ部分として構成されている。発電機１’は、図２による発電機１と異なり、機械支持体１１４に対してロータブレードハブ１１３と同じ側に配設されるのではなく、機械支持体１１４に対してロータブレードハブ１１３の反対側で機械支持体１１４に固定され、それによりロータブレードハブ１１３の自重と発電機１’の自重により生じるタワー１０２上の転倒モーメントが少なくとも部分的に平衡化される。

発電機１’は、図２の発電機１と同様に、ステータ３と、発電機ロータ５と、それらの間に形成された空隙７とを有する。

発電機ロータ５は、発電機シャフト（中空シャフト）９を用いて単段歯車装置１１の太陽歯車１５と相対回転不能に接続され、ステータ３は、単段歯車装置１１の内歯歯車１３と相対回転不能に接続されている。所定数の遊星歯車１７Aを有する遊星キャリア１７は、ここでも（図２の実施例とシステム的に同一）は、ロータブレードハブ１１３の回転運動を変速して発電機ロータ５に伝動する。しかし図２と異なり、ロータブレードハブ１１３は、遊星キャリア１７と直接的に連結されているのではなく、中空シャフトとして構成された発電機シャフト９を通して案内されているメインシャフト１１５を介して遊星キャリア１７と連結されている。図３による配設構成において、単段歯車装置１１は、同様に遊星歯車装置として構成されているが、取付歯車装置（アタッチメント歯車装置）として、機械支持体１１４に対して反対側に且つロータブレードハブ１１３に対して反対側に配設されており、それにより単段歯車装置１１は、任意選択的に、発電機ハウジング２５に対応の開口部が設けられている場合には、ロータブレードハブ１１３に触れることなく、外部からアクセス可能である。

（図１）
１００ 風力発電装置
１０２ タワー
１０４ ナセル
１０６ 空気力学的ロータ
１０８ ロータブレード
１１０ スピナ

（図２）
１ 発電機
３ ステータ
５ 発電機ロータ
７ 空隙
９ 発電機シャフト（中空シャフト）
１１ 単段歯車装置
１３ 内歯歯車（インターナルギヤ）
１５ 太陽歯車（サンギヤ）
１７ 遊星キャリア
１９ 連結装置
２１ 第１の取付部分
２３ 第２の取付部分
１００ 風力発電装置
１０２ タワー
１１２ 軸頸部（アクスルジャーナル）
１１３ ロータブレードハブ
１１４ 機械支持体
Ａ 発電機軸線

（図３）
１’ 発電機
３ ステータ
５ 発電機ロータ
７ 空隙
９ 発電機シャフト
１１ 単段歯車装置
１３ 内歯歯車（インターナルギヤ）
１５ 太陽歯車（サンギヤ）
１７ 遊星キャリア
１７Ａ 遊星歯車
２１’ 取付部分
２５ 発電機ハウジング
１００ 風力発電装置
１１３ ロータブレードハブ
１１４ 機械支持体
１１５ メインシャフト

Claims (15)

1. 風力発電装置（１００）の機械支持体（１１４）に発電機ステータ（３）を固定するための取付部分（２１）を備えた発電機ステータ（３）と、発電機軸線（Ａ）の周りで前記発電機ステータ（３）に対して相対回転運動可能に備えられた発電機ロータ（５）とを有する、風力発電装置（１００）用の発電機（１）であって、
   前記発電機（１）は、単段歯車装置（１１）を有し、前記単段歯車装置（１１）は、駆動側でロータブレードハブ（１１３）と相対回転不能に協働するように、かつ、従動側で前記発電機ロータ（５）と相対回転不能に接続されているように構成されていること
   を特徴とする発電機（１）。
2. 前記単段歯車装置（１１）は、太陽歯車（１５）と、所定数の遊星歯車を備えた遊星キャリア（１７）と、内歯歯車（１３）とを有する遊星歯車装置として構成されており、前記遊星歯車は、前記太陽歯車（１５）及び前記内歯歯車（１３）と噛合状態にある、
   請求項１に記載の発電機（１）。
3. 前記太陽歯車（１５）は、従動側で前記発電機ロータ（５）と相対回転不能に接続されている、
   請求項２に記載の発電機（１）。
4. 前記遊星キャリア（１７）は、駆動側で前記ロータブレードハブ（１１３）と相対回転不能に接続されている、
   請求項２又は３に記載の発電機（１）。
5. 前記発電機ロータ（５）が固定されている発電機中空シャフト（９）が設けられている、
   請求項１〜４のいずれか一項に記載の発電機（１）。
6. 前記取付部分は、第１の取付部分（２１）であり、前記発電機は、前記発電機軸線（Ａ）の方向で前記第１の取付部分（２１）とは反対側に配設され且つ前記風力発電装置（１００）の軸頸部（１１２）と相対回転不能に接続するための第２の取付部分（２３）を有する、
   請求項１〜５のいずれか一項に記載の発電機（１）。
7. 遊星キャリア（１７）と前記ロータブレードハブ（１１３）が、連結装置（１９）を介して接続されており、前記連結装置（１９）は、連結された状態と連結解除された状態を選択的に切替可能であり、連結された状態では、前記単段歯車装置（１１）と前記ロータブレードハブ（１１３）の間の相対回転不能な接続が成され、連結解除された状態では、前記発電機ロータ（５）に対して前記ロータブレードハブ（１１３）の相対回転運動が成される、
   請求項６に記載の発電機。
8. 発電機ハウジング（２５）と、前記発電機ハウジング（２５）に備えられたメインシャフト（１１５）とが設けられており、
   前記メインシャフト（１１５）は、前記ロータブレードハブ（１１３）と相対回転不能に接続されるように構成されており、発電機中空シャフト（９）を通して案内され且つ発電機中空シャフト（９）と同軸に備えられており、
   遊星キャリア（１７）が、前記メインシャフト（１１５）と相対回転不能に接続されている、
   請求項１〜５のいずれか一項に記載の発電機。
9. 前記単段歯車装置（３）は、太陽歯車（１５）の代わりに内側永久磁石リングを有し、遊星キャリア（１７）の代わりに強磁性中間リングを有し、内歯歯車（９）の代わりに外側永久磁石リングを有する磁気歯車装置として構成されている、
   請求項２〜８のいずれか一項に記載の発電機（１）。
10. ロータブレードハブ（１１３）と、タワー（１０２）と、発電機を受容するための取付部分（２１、２１’）を備え且つ前記タワーに回転可能に備えられた機械支持体（１１４）と、対応の取付部分（２１、２１’）を用いて前記機械支持体（１４）に固定された電気エネルギーを生成するための発電機（１）とを有する風力発電装置（１００）であって、
    前記発電機（１）は、請求項１〜９のいずれか一項に従って構成されている風力発電装置。
11. 前記発電機（１’）は、請求項１〜５、８、又は９のいずれか一項に従って構成されており、前記機械支持体（１１４）の第１の側に配設され、前記ロータブレードハブ（１１３）は、前記発電機（１’）とは反対側の前記機械支持体（１１４）の第２の側に配設されている、
    請求項１０に記載の風力発電装置（１００）。
12. 前記発電機（１）は、請求項６、７、又は９のいずれか一項に従って構成されており、前記ロータブレードハブ（１１３）と前記発電機（１）は、機械支持体（１１４）の同じ側に配設されている、
    請求項１０に記載の風力発電装置（１００）。
13. 前記発電機（１）は、第１の取付部分（２１）を用いて前記機械支持体（１１４）の対応の取付部分に固定され、前記ロータブレードハブ（１１３）は、対応の取付部分を有する軸頸部（１１２）を用いて前記発電機（１）の第２の取付部分（２３）に固定されている、
    請求項１２に記載の風力発電装置。
14. 前記発電機（１）は、同期発電機として構成されている、
    請求項１０〜１３のいずれか一項に記載の風力発電装置（１００）。
15. 前記発電機（１）の単段歯車装置（１１）は、取付式歯車装置として構成され、前記発電機（１）において前記機械支持体（１１４）に対して反対側に取り付けられている、
    請求項１０〜１４のいずれか一項に記載の風力発電装置（１００）。

Images