JP4189250B2

JP4189250B2 - Windmill

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Publication number: JP4189250B2
Application number: JP2003095383A
Authority: JP
Inventors: 光一直井; 純夫斉藤; 宏志石居; 淳平山; 健一佐藤
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 2003-03-31
Filing date: 2003-03-31
Publication date: 2008-12-03
Anticipated expiration: 2023-03-31
Also published as: JP2004301031A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は風車に関し、特に風車の翼車の向きを風向に応じて回転させるためのヨーを有する風車に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図６に従来の風車の構成を示す。風車は、風力により水平な回転軸の回りに回転するブレード１と、ブレード１と一体に回転するハブ２と、ブレード１とハブ２から構成される翼車２１が取り付けられたナセル３と、翼車２１を変動する風向に対向させるためのヨー４と、ナセル３に搭載され、翼車２１の回転を増速する変速機５と、変速機５により増速された回転数で駆動される発電機６と、発電機６で発生させた電力を送るケーブル７と、翼車２１とナセル３を支持し、鉛直方向に伸びるタワー８と、ケーブル７により送られた電力を変換する電力変換機９と、風車全体を制御する制御装置１０とを備える。電力変換機９は系統連系に接続され、電力を供給する。一般に風力発電用風車は、タワー８の頂上に発電機６を収納したナセル３を配し、発電機６のシャフトは伝達系を介して翼車２１に連結されている。制御装置１０は計測された風向と翼車２１の向きの差を検出し、ヨー４の回転機構を制御して、翼車２１の回転面を変動する風向に追尾させる方位制御を行う。この方位制御機構は、ナセル３を翼車２１と共に垂直軸まわりに回転させて、翼車２１の水平な回転軸と風向との偏差角を任意の角度内に調整する。なお、風車の保護や出力制御のために方位制御を行うこともある。
【０００３】
図７に従来の風力発電用風車のヨーのナセルとタワーとの連結部分の部分断面図を示す。ナセル３側にモータ１１を配し、ベアリング１２を介して、モータ１１によって回転軸１３に設置した歯車１４とタワー８の円筒内部に切った歯１５を噛み合わせて回転させている。
【０００４】
【発明が解決すべき課題】
このような従来の翼車２１の方位制御では、翼車２１を保持し、変速機５や発電機６等を搭載するナセル３を回転させるため、過大なトルクを必要とする。このため、方位制御用のモータ１１や変速機に過大なトルクがかかる。さらに、歯車１４やベアリング１２にも大きな負荷が掛かり、消耗が加速される。
【０００５】
したがって、翼車２１を方位制御するには、過大なトルクを有するモータ１１や変速機が必要であり、これらのモータ１１や変速機のシャフトには過大なトルクがかかり、シャフトが破断することがあった。
【０００６】
そこで本発明は、過大なトルクに耐えられ、また、摩耗することがなく、永く使用できる翼車の方位制御機構を備える風車を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の風車は、例えば図1、図３に示すように、風力により回転する翼車２１を支持するナセル３と、前記ナセル３を支えるタワー８と、前記タワー８と前記ナセル３を連結し、前記ナセル３を前記タワー８に対して相対的に回転可能にするヨー４を備え、前記ヨー４は、前記ナセル側４ａに設けられた、前記ヨー４の回転中心軸線ＡＸ回りを回転するリング状の回転子１６と、前記タワー側４ｂに、前記回転子１６と対向して設けられたリング状の固定子１７を有する。このように構成すると、過大なトルクに耐えられ、また、摩耗することがなく永く使用できる翼車２１の方位制御機構を備える風車を提供できる。
【０００８】
また、請求項２に記載のように、請求項１に記載の風車において、例えば図２に示すように、前記回転子１６は、突極構造の櫛歯１８を有し、前記固定子１７は突極構造の櫛歯２０を有し、前記翼車の垂直軸まわりの方位制御をステッピングモータによるマイクロステップ駆動により行っても良い。このように構成すると、安定した翼車の方位制御機構を比較的簡易な構成で実現できる。
【０００９】
また、請求項３に記載のように、請求項１に記載の風車において、前記ステッピングモータは、直流パルス又は低周波交流で前記回転子１６又は前記固定子１７の一方に設けられた電磁石１９を電流駆動して、前記一方の櫛歯１８（又は２０）の突極に磁極を形成し、前記回転子１６又は前記固定子１７の他方の櫛歯２０（又は１８）の突極に磁極を誘導して、前記方位制御を行うようにしても良い。このように構成すると、回転子１６を歯厚の数分の１の単位で円周上を小刻みに移動でき、滑らかな動きで、高精度の方位制御を実現できる。
【００１０】
また、請求項４に記載のように、請求項２又は３に記載の風車において、前記ステッピングモータは、直流励磁で前記回転子１６をブレーキ制動するようにしても良い。このように構成すると、前記方位制御におけるブレーキ制動を確実に行うことができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づき、本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において互いに同一部分には同一符号を付して、重複した説明は省略する。
【００１２】
図１の部分断面図を参照して風車の全体構造を説明する。なおタワーの下部は図示を省略してある。複数枚のブレード１はほぼ水平な軸の回りを回転するハブ２に放射状に取り付けられて、複数枚のブレード１とハブ２で翼車２１を構成している。ハブ２は変速機５の低速側の入力軸に取り付けられ、変速機５の出力軸は発電機６ａの回転軸とカップリングにより連結されている。変速機５と発電機６ａは、ナセル３の中に収納されている。
【００１３】
ナセル３は鉛直方向に立設されたタワー８の頂部に、ほぼ鉛直方向に向いた回転軸線ＡＸ回りに回転可能に支持されている。タワー８とナセル３との間には、ヨー４が配設されている。ヨー４は、ナセル側部分４ａとタワー側部分４ｂを含んで構成されている。ナセル側部分４ａはタワー側部分４ｂに対して、ほぼ垂直な回転中心軸線ＡＸ回りに、相対的に回転可能に構成されている。図示しない制御装置１０は計測された風向と翼車２１の向きの差を検出し、ヨー４の回転機構を制御して、翼車２１の回転面を変動する風向に追尾させる方位制御を行う。
【００１４】
図２の部分断面図に、本発明の実施の形態によるヨーの回転子と固定子の構成を示す。図２において、１６はヨー４のナセル側部分４ａに固設される回転子、１７はヨー４のタワー側部分４ｂに固設される固定子である。ヨー４は回転子１６、固定子１７及びその回転子１６を回転中心軸線ＡＸ回りに回転させる回転機構から構成される。回転子１６は突極構造の櫛歯１８を有し、軟鉄製でリング状に成型されている。軟鉄製鉄芯の周囲にコイルが巻かれ、直流パルスまたは低周波の交流電流で電流駆動されることにより、電磁石１９として作用する。電磁石１９が電流駆動されると、櫛歯１８の突極に磁極が形成される。固定子１７は突極構造の櫛歯２０を有し、軟鉄製でリング状に成型されている。回転子１６の櫛歯１８の突極に形成された磁極により、櫛歯２０の突極に磁極が誘導されて、磁気回路が構成される。
【００１５】
翼車２１の方位制御機構のうち、ヨー４の回転機構はステッピングモータで構成される。ステッピングモータは、回転子１６、固定子１７の双方に突極構造の櫛歯１８，２０と溝を形成し、その一方に設けられた電磁石１９を電流駆動して、双方の櫛歯１８，２０の突極に磁極を形成し、その両者に働く磁気的吸引力、反発力の進行方向成分を推力とする。大きな推力を得るためにステップ長を小さくし、マイクロステップ駆動を行う多極構造とする。電磁石１９の駆動は、直流パルスまたは低周波の交流電流で行う。直流パルスで駆動した場合、回転子１６のステッピングによる回転は入力パルス信号に同期して進行するから、回転子１６の移動速度は入力パルス周波数に、移動距離は入力パルス数によってそれぞれ決定される。
【００１６】
固定子１７の櫛歯２０は等間隔に形成されている。回転子１６の櫛歯１８は３枚１組で１個の電磁石１９の先端に形成され、櫛歯１８の間隔は、電磁石１９内において固定子１７の櫛歯２０の間隔と等しい。電磁石１９間には一定間隔の空間が設けられ、電流駆動されている電磁石１９の櫛歯１８と固定子の櫛歯２０とが整合がとれた状態で対向している時に、隣接する電磁石１９の櫛歯１８は１／３歯厚分円周方向遠方にずれて固定子１７の櫛歯２０と対向した状態にあり、その次に隣接する電磁石１９の櫛歯１８は２／３歯厚分円周方向遠方にずれて固定子１７の櫛歯２０と対向した状態にある。その次に隣接する電磁石１９は、最初の電磁石と同時に電流駆動されている電磁石で、電磁石１９の櫛歯１８と固定子１７の櫛歯２０が整合がとれた状態で対向している。以下、これらの状態が繰り返される。全体で３６個の電磁石１９が配置されており、Ａ、Ｂ、Ｃ各１２個ずつの３グループにわけて、電流駆動される。３６個の電磁石は、Ａグループ、Ｂグループ、Ｃグループ、Ａグループ、・・・のように、同じグループが２つおきに並ぶように配置される。
【００１７】
各電磁石１９の駆動コイルには直流パルス電流を印加する直流電源（図示しない）、又は低周波の交流電流を印加する交流電源（図示しない）に電気接続されている。
【００１８】
（第１の実施の形態）
第１の実施の形態では電磁石に直流パルス電流を印加するものとする。今、図２において、回転子１６側では、Ａグループの電磁石１９ａが直流パルス電流で電流駆動されているものとする。このとき、Ａグループの電磁石１９ａの櫛歯１８ａにはＮ極が形成され、対向する固定子１７ａの櫛歯２０ａにはＳ極が誘導されているものとする。この状態で、Ａグループの電磁石１９ａの櫛歯１８ａと対向する固定子１７の櫛歯２０ａとが磁力を受けて引き合うため、電磁石１９ａの櫛歯１８ａと固定子の櫛歯２０ａとが整合がとれた状態で対向している。なお、この状態でＡグループの電磁石１９ａに、直流電流又は直流パルス電流が継続的に印加されれば、回転子１６は固定子１７に対して静止状態に保持される。すなわちナセル３はタワー８に対して静止状態に保たれる（図２（ａ）参照）。
【００１９】
ところで、磁気的バランスから、Ａ，Ｂ，Ｃ各グループの電磁石について、半分にＮ極が形成され、他の半分にＳ極が形成されるように電流駆動されるものとする。これは、電磁石の半分についてはコイルの巻き方を反対にすれば良い。本実施の形態では、同じグループで隣り合う電磁石の磁極が反対になるように、また、全体でも隣り合う電磁石の磁極が反対になるように電流駆動されるものとする。
【００２０】
次に、Ａグループの電磁石１９ａのパルス電流が遮断され、Ｂグループの電磁石１９ｂが直流パルス電流で電流駆動されると、Ｂグループの電磁石１９ｂの櫛歯１８ｂにはＳ極が形成され、対向する固定子１７の櫛歯２０ｂにはＮ極が誘導される。この状態で、Ｂグループの電磁石１９ｂの櫛歯１８ｂと対向する固定子１７の櫛歯２０ｂとが磁力を受けて引き合うため、これらの櫛歯１８ｂ、２０ｂ同士が整合がとれた状態で対向する状態が安定になり、回転子１６は１／３歯厚分右方向に回転する（図２（ｂ）参照）。
【００２１】
次に、Ｂグループの電磁石１９ｂのパルス電流が遮断され、Ｃグループの電磁石１９ｃが直流パルス電流で電流駆動されると、Ｃグループの電磁石１９ｃの櫛歯１８ｃにはＮ極が形成され、対向する固定子１７の櫛歯２０ｃにはＳ極が誘導される。この状態で、Ｃグループの電磁石１９ｃの櫛歯１８ｃと対向する固定子１７の櫛歯２０ｃとが磁力を受けて引き合うため、これら櫛歯１８ｃ、２０ｃ同士が整合がとれて対向する状態が安定になり、回転子はさらに１／３歯厚分右方向に回転する（図２（ｃ）参照）。
【００２２】
次に、Ｃグループの電磁石１９ｃのパルス電流が遮断され、Ｃグループに隣り合うＡグループの電磁石１９ａ’が直流パルス電流で電流駆動されると、Ａグループの電磁石１９ａ’の櫛歯１８ａ’にはＳ極が形成され、対向する固定子１７の櫛歯２０ａ’にはＮ極が誘導される。この状態で、Ａグループの電磁石１９ａ’の櫛歯と対向する固定子１７の櫛歯２０ａ’とが磁力を受けて引き合うため、再びこれら櫛歯１８ａ’、２０ａ’同士が整合がとれて対向する状態が安定になり、さらに回転子１６は１／３歯厚分右方向に回転し、積算すると１歯分右方向に回転する（電磁石１９ａ’、櫛歯１８ａ’、２０ａ’は図示されない）。このとき、元のＡグループの電磁石１９ａの櫛歯１８ａにはＮ極が形成され、対向する固定子１７の櫛歯２０ａにはＳ極が誘導されるが、同様に櫛歯１８ａ、２０ａ同士が整合がとれて対向する状態が安定になる。このように順次、隣り合う電磁石１９にパルス電流を移動していくことにより、回転子１６は順次右方向に回転することとなる。
【００２３】
今度は、図２（ａ）の状態から、Ａグループの電磁石１９ａのパルス電流が遮断され、Ｃグループの電磁石１９ｃが直流パルス電流で電流駆動されるものとする。Ｃグループの電磁石１９ｃの櫛歯にはＳ極が形成され、対向する固定子１７の櫛歯２０ｃにはＮ極が誘導される。この状態で、Ｃグループの電磁石１９ｃの櫛歯１８ｃと対向する固定子１７の櫛歯２０ｃとが磁力を受けて引き合うため、これら櫛歯１８ｃ、２０ｃ同士が整合がとれて対向する状態が安定になり、回転子１６は１／３歯厚分左方向に回転する。
【００２４】
さらにＢグループの電磁石１９ｂ、これに隣り合うＡグループの電磁石１９ａにパルス電流を印加していく（同時に他のＡグループの電磁石にもパルス電流が印加される）ことにより、回転子は順次左方向に回転することとなる。
【００２５】
回転子１６および固定子１７の外周は約５ｍであり、双方の櫛歯１８、２０間に磁力が強く作用し、かつスムーズに回転するように、回転子１６の櫛歯１８と固定子１７の櫛歯２０との間に約１ｍｍのギャップが設けられている。
【００２６】
図３（ａ）部分断面図にヨー４のナセル３とタワー８との連結部分の構成例を示す。図において、１６は回転子、１７は固定子である。回転子１６は櫛歯１８を内向きにしてナセル３に取り付けられ、固定子１７はタワー８に櫛歯２０を外向きにして取り付けられて、互いに櫛歯１８、２０を対向させて設置されている。ベアリング１２は内輪と外輪及びその間に配列されたボールを含んでボールベアリングを構成している。本実施の形態では内輪がナセル３側に、外輪がタワー８側に固定されている。ボールベアリング１２はラジアル力の他にスラスト力も支えることができる構造を有し、翼車２１、ナセル３などの重力によるスラスト力と風力によるラジアル力を支えることができる。ボールベアリング１２は、回転子１６、固定子１７の外側にこれらと回転中心軸線ＡＸを同じくしてリング状に配置され、回転子１６と固定子１７間の回転がスムーズに行われるよう補助する役目を有する。又、ヨー４の回転中心軸線ＡＸは翼車２１の垂直軸線にもなっている。ナセル３側に回転子１６が固設され、タワー８側に固定子１７が固設されるが、回転子１６、固定子１７のいずれを内側にしても良く、いずれを外側にしても良い。
【００２７】
図３（ｂ）の断面図にヨー４のナセル３とタワー８との連結部分の別の構成例を示す。図において、１６は回転子、１７は固定子である。回転子１６は櫛歯１８を下向きにしてナセル３に取り付けられ、固定子１７はタワー８に櫛歯２０を上向きにして取り付けられて、互いに櫛歯１８、２０を対向させて設置されている。１２はベアリングであり、配置は図３（ａ）の場合と同様である。
【００２８】
図４の平面図に回転子と固定子の配置例を示す。いずれも、図３（ａ）における櫛歯が半径方向（内向き、外向き）に対向した形状である。図４（ａ）は、回転子１６が１ブロックに、Ｎ極になる電磁石かＳ極になる電磁石のいずれか一方を有している態様である。図４（ｂ）は回転子１６が１ブロックにＮ極になる電磁石とＳ極になる電磁石をペアとして有している態様である。この場合でも同一グループ内では回転子１６側でＮ極になる電磁石の櫛歯とＳ極になる電磁石の櫛歯の間隔を等しくかつ両者が共に固定子１７の櫛歯と整合するように櫛歯を配し、他のグループでは例えば１／３歯厚分、さらに他のグループでは２／３歯厚分ずれるように構成すれば良い。固定子１７側でも櫛歯に誘起される磁極がＮ、Ｓ二種になるが、回転のメカニズムは１ブロック１電磁石の場合と同様である。
【００２９】
（第２の実施の形態）
第２の実施の形態では電磁石に低周波の交流電流を印加するものとする。交流は３相とする。回転子１６及び固定子１７の構成は第１の実施の形態と同じであり、電磁石１９のグループ分けも同じである。電磁石１９の駆動電流が異なるだけである。駆動電流が交流なので、１つの電磁石にかかる電流は正負交互に変化し、これにより磁極もＮ極とＳ極が交互に形成される。Ａ，Ｂ，Ｃ各グループの電磁石については、同じグループであれば、同じ位相で駆動されるものとする。
【００３０】
図５に、３相交流の位相の関係を示す。今、回転子１６側では、Ａグループの電磁石１９ａが交流電流で電流が正側で最大で位相が合ったところで電流駆動されているものとする。このとき、Ｂグループの電磁石１９ｂに流れる交流は１２０度位相が遅れており、Ｃグループの電磁石１９ｃに流れる交流は２４０度位相が遅れている（１２０度位相が進んでいるともいえる）。この状態では、Ａグループの電磁石１９ａの磁力が最大であり、Ａグループの電磁石１９ａの櫛歯１８ａにはＮ極が形成され、対向する固定子１７の櫛歯２０ａにはＳ極が誘導され、互いに吸引し合う。したがって、Ａグループの回転子１６の櫛歯１８ａと固定子１７の櫛歯２０ａとが整合し合う状態になる。
【００３１】
次に、Ａグループの電磁石１９ａの交流電流の位相が６０度進むと、Ｃグループの電磁石１９ｃの交流電流の位相が１８０度遅れ、負側で最大となる。このとき、Ｂグループの電磁石１９ｂの交流の位相は６０度遅れているので、Ｃグループの電磁石１９ｃの磁力が他のグループの磁力より勝り、Ｃグループの電磁石１９ｃの櫛歯１８ｃにはＳ極が形成され、対向する固定子１７の櫛歯２０ｃにはＮ極が誘導される。この状態で、Ｃグループの電磁石１９ｃの櫛歯１８ｃと対向する固定子１７の櫛歯２０ｃとが磁力を受けて引き合うため、これら櫛歯１８ｃ、２０ｃ同士が整合がとれて対向する状態が安定になり、回転子は１／３歯厚分左方向に回転する。
【００３２】
次に、Ａグループの電磁石１９ａの交流電流の位相が１２０度進むと、Ｂグループの電磁石１９ｂの交流電流の位相が合致する。このとき、Ｃグループの電磁石１９ｃの交流の位相は１２０度遅れているので、Ｂグループの電磁石１９ｂの磁力が他のグループの磁力より勝り、Ｂグループの電磁石１９ｂの櫛歯１８ｂにはＮ極が形成され、対向する固定子１７の櫛歯２０ｂにはＳ極が誘導される。この状態で、Ｂグループの電磁石１９ｂの櫛歯１８ｂと対向する固定子１７の櫛歯２０ｂとが磁力を受けて引き合うため、これら櫛歯１８ｂ、２０ｂ同士が整合がとれて対向する状態が安定になり、回転子はさらに１／３歯厚分左方向に、積算すると２／３歯厚分左方向に回転する。
【００３３】
次に、Ｂグループの電磁石１９ｂの交流電流の位相が６０度進むと、Ａグループの電磁石１９ａの交流電流の位相が１８０度遅れ、負側で最大となる。このとき、Ｃグループの電磁石１９ｃの交流の位相は６０度遅れているので、Ａグループの電磁石の磁力が他のグループの磁力より勝り、Ａグループの電磁石１９ａの櫛歯１８ａにはＳ極が形成され、対向する固定子１７の櫛歯２０ａにはＮ極が誘導される。この状態で、Ａグループの電磁石１９ａの櫛歯１８ａと対向する固定子１７の櫛歯２０ａとが磁力を受けて引き合うため、これら櫛歯１８ａ、２０ａ同士が整合がとれて対向する状態が安定になり、回転子はさらに１／３歯厚分左方向に、積算すると１歯厚分左方向に回転する。
【００３４】
次に、Ｂグループの電磁石１９ｂの交流電流の位相が１２０度進み、Ｃグループの電磁石１９ｃの交流電流の位相が合致する。このとき、Ａグループの電磁石１９ａの交流の位相は１２０度遅れているので、Ｃグループの電磁石１９ｃの磁力が他のグループの磁力より勝り、Ｃグループの電磁石１９ｃの櫛歯１８ｃにはＮ極が形成され、対向する固定子１７の櫛歯２０ｃにはＳ極が誘起される。この状態で、Ｃグループの電磁石１９ｃの櫛歯１８ｃと対向する固定子１７の櫛歯２０ｃとが磁力を受けて引き合うため、これら櫛歯１８ｃ、２０ｃ同士が整合がとれて対向する状態が安定になり、回転子はさらに１／３歯分左方向に、積算すると４／３歯分左方向に回転する。
【００３５】
このように、交流の位相の変化により、回転子１６の移動が行われる。交流の位相の変化を逆にすると、回転子１６は逆方向に回転する。
【００３６】
ところで、制御装置１０は計測された風向と翼車２１の向きの差を検出し、ヨー４の回転機構を制御して、翼車２１の回転面を変動する風向に追尾させる方位制御を行う。この方位制御機構は、ヨー４の回転子１６をナセル３及び翼車２１と共に、回転中心軸線ＡＸ（すなわち翼車２１の垂直軸）まわりに回転させて、翼車２１の水平な回転軸と風向との偏差角を小さくするように調整する。すなわち、偏差角が小さくなる方向に回転するようにヨー４の回転機構を制御して、電磁石１９に流すパルス電流を、或いは交流の位相を順次変化させていく。
【００３７】
翼車２１を搭載したナセル３の慣性が大きいため、センサは風向が１分以上同じ方向に継続した時に制御装置１０に信号を送る。制御装置１０は、センサからの信号を受信し、風向きと翼車２１の向きの差から、回転子１６の回転すべき角度と回転方向を算出して、翼車２１の方位制御を行い、翼車２１が風向きに対向するように回転子１６を回転させる。
【００３８】
風向きと翼車２１の方向がほぼ一致した時に、センサは制御装置１０に停止信号を送る。定常の直流電流を電磁石１９に流すと、回転子１６と固定子１７の磁極の状態が不変のため、制動機能が働く。そこで、翼車２１の方向が風向方向にほぼ合致した時、制御装置１０は電磁石１９への直流パルスを定常の直流電流に切り替える。あるいは交流の供給を停止して、定常の直流電流を供給する。しかし、ナセル３に慣性があるために、すぐには制動が効かず、行き過ぎてしまう場合がある。
【００３９】
このような行き過ぎを防止するため、制御装置１０は、上記偏差角が所定の角度に近づいた時から、徐々に制動を掛けるものとする。直流パルス電流のパルス幅を大きくしたり、パルスの間隔を大きくしたり、或いは交流の周期を長くしたりして、徐々に制動を掛け、最終的に偏差角が０になったら、止まるまで直流を流して、きちんと静止させるようにする。
【００４０】
本実施の形態では、このように、ステッピングモータで翼車２１の方位制御をするため、モータを構成する回転子１６や固定子１７に摩擦が生じず、回転がスムーズである。また、ヨー４を駆動するステッピングモータが、リング状の回転子１６と固定子１７とで構成されているので、中心に回転軸を有するモータ１１や変速機に比してトルクに強い構造になっている。
【００４１】
なお、本発明の風車は、上述の実施の形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【００４２】
例えば、本実施の形態では、翼車２１の方位制御をステッピングモータで駆動する例を説明したが、回転子１６又は固定子１７に誘導電流を誘起して誘導モータで駆動しても良く、回転子１６又は固定子１７に永久磁石を用いて同期モータで駆動しても良い。また、本実施の形態では、永久磁石を含まない構造であるバリアブルリラクタンス型の例を示したが、磁気回路内に永久磁石を含み歯同士が対向する構造のパーマネント型としても良い。いずれにしても、リニア駆動を行なうリニア誘導モータ、リニア同期モータ、リニアパルスモータを翼車２１の方位制御に応用可能である。
【００４３】
また、電磁石１９を回転子１６側に設け、固定子１７側に磁極を誘導する構成を説明したが、電磁石１９を固定子１７側に設け、回転子１６側に磁極を誘導する構成でも良い。また、磁極の形成は、Ａ、Ｂ、Ｃ各グループにおいて、電磁石１９の磁極の形成をどのような組み分けで行うかは、安定な磁気回路が形成されるようであれば良い。また、回転子１６の隣り合う電磁石を対として、同一パルスで駆動し、同時にＮ極とＳ極が形成され、それぞれの対向する固定子の櫛歯にＳ極とＮ極が形成されて、協働して１ステップを動かすようにしても良い。
【００４４】
また、本実施の形態では、ベアリングに半径方向の力が掛かるような例を示したが、上下方向に力が掛かるように構成しても良く、両者を併用しても良い。また、電磁石の数、櫛歯のピッチ、パルス間隔、等について種々変更が可能である。また、翼車の垂直軸とヨーの回転中心軸が一致しない場合にも使用できる。また、本発明は垂直軸風車にも使用できる。
【００４５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の風車は、風力により回転する翼車を支持するナセルと、前記ナセルを支えるタワーと、前記タワーと前記ナセルを連結し、前記ナセルを前記タワーに対して相対的に回転可能にするヨーを備え、前記ヨーは、前記ナセル側に設けられた、前記ヨーの回転中心軸線回りを回転するリング状の回転子と、前記タワー側に、前記回転子と対向して設けられたリング状の固定子を有するので、過大なトルクに耐えられ、また、摩耗することがなく永く使用できる翼車の方位制御機構を備える風車を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態における風車の部分断面図である。
【図２】本実施の形態におけるヨーの回転子と固定子の部分断面図である。
【図３】本実施の形態におけるヨーのナセルとタワーとの連結部分の部分断面図である。
【図４】本実施の形態におけるヨーの回転子と固定子の部分の平面図である。
【図５】３相交流の位相関係を示す図である。
【図６】従来の風車の構成を示す図である。
【図７】従来の風車におけるヨーのナセルとタワーとの連結部分の部分断面図である。
【符号の説明】
１ブレード
２ハブ
３ナセル
４ヨー
４ａヨーのナセル側部分
４ｂヨーのタワー側部分
５変速機
６、６ａ発電機
７ケーブル
８タワー
９電力変換機
１０制御装置
１１モータ
１２ベアリング
１３回転軸
１４歯車
１５歯
１６回転子
１７固定子
１８、１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ａ’ 回転子の櫛歯
１９、１９ａ、１９ｂ、１９ｃ、１９ａ’ 電磁石
２０、２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ａ’ 固定子の櫛歯
２１翼車
ＡＸ回転中心軸線[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a windmill, and more particularly, to a windmill having a yaw for rotating the direction of an impeller of the windmill according to the wind direction.
[0002]
[Prior art]
FIG. 6 shows the configuration of a conventional wind turbine. The windmill includes a blade 1 that rotates about a horizontal rotation axis by wind power, a hub 2 that rotates integrally with the blade 1, a nacelle 3 to which an impeller 21 composed of the blade 1 and the hub 2 is attached, The yaw 4 for making the car 21 face the fluctuating wind direction, the transmission 5 mounted on the nacelle 3 for speeding up the rotation of the impeller 21, and the power generation driven at the speed increased by the transmission 5 Machine 6, a cable 7 for sending power generated by the generator 6, a tower 8 supporting the impeller 21 and the nacelle 3 and extending in the vertical direction, and a power converter 9 for converting the power sent by the cable 7. And a control device 10 that controls the entire wind turbine. The power converter 9 is connected to the grid connection and supplies power. In general, a wind turbine for wind power generation has a nacelle 3 housing a generator 6 on the top of a tower 8, and a shaft of the generator 6 is connected to an impeller 21 via a transmission system. The control device 10 detects the difference between the measured wind direction and the direction of the impeller 21, controls the rotation mechanism of the yaw 4, and performs azimuth control to track the rotating surface of the impeller 21 with the fluctuating wind direction. The azimuth control mechanism rotates the nacelle 3 around the vertical axis together with the impeller 21 to adjust the deviation angle between the horizontal rotation axis of the impeller 21 and the wind direction within an arbitrary angle. Note that direction control may be performed for wind turbine protection and output control.
[0003]
FIG. 7 is a partial cross-sectional view of a connecting portion between a yaw nacelle and a tower of a conventional wind turbine for wind power generation. A motor 11 is arranged on the nacelle 3 side, and a gear 14 installed on a rotating shaft 13 and a tooth 15 cut inside the cylinder of the tower 8 are engaged with each other and rotated by a motor 12 via a bearing 12.
[0004]
[Problems to be Solved by the Invention]
In the conventional azimuth control of the impeller 21, excessive torque is required to hold the impeller 21 and rotate the nacelle 3 on which the transmission 5, the generator 6, and the like are mounted. For this reason, excessive torque is applied to the azimuth control motor 11 and the transmission. Further, a large load is applied to the gear 14 and the bearing 12, and the wear is accelerated.
[0005]
Therefore, in order to control the direction of the impeller 21, the motor 11 and the transmission having excessive torque are required, and excessive torque is applied to the shafts of the motor 11 and the transmission, and the shaft may be broken. there were.
[0006]
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a windmill having a bearing control mechanism for an impeller that can withstand excessive torque and that can be used for a long time without being worn.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problem, a windmill according to claim 1 includes a nacelle 3 that supports an impeller 21 that is rotated by wind power, and a tower 8 that supports the nacelle 3, as shown in FIGS. 1 and 3, for example. The tower 8 and the nacelle 3 are connected to each other, and a yaw 4 that allows the nacelle 3 to rotate relative to the tower 8 is provided. The yaw 4 is provided on the nacelle side 4a. 4 has a ring-shaped rotor 16 that rotates around the rotation center axis AX, and a ring-shaped stator 17 that is provided on the tower side 4 b so as to face the rotor 16. If comprised in this way, a windmill provided with the azimuth | direction control mechanism of the impeller 21 which can endure excessive torque and can be used for a long time without being worn can be provided.
[0008]
Further, as described in claim 2, in the wind turbine according to claim 1, for example, as illustrated in FIG. 2, the rotor 16 includes comb teeth 18 having a salient pole structure, and the stator 17 is It may have a salient-pole-structured comb tooth 20 and the azimuth control around the vertical axis of the impeller may be performed by microstep drive by a stepping motor. With this configuration, a stable impeller direction control mechanism can be realized with a relatively simple configuration.
[0009]
Further, as described in claim 3, in the wind turbine according to claim 1, the stepping motor includes an electromagnet 19 provided on one of the rotor 16 or the stator 17 with a direct current pulse or a low frequency alternating current. The current is driven to form a magnetic pole on the salient pole of the one comb tooth 18 (or 20), and the magnetic pole is guided to the salient pole of the other comb tooth 20 (or 18) of the rotor 16 or the stator 17. Then, the azimuth control may be performed. With this configuration, the rotor 16 can be moved on the circumference in units of a fraction of the tooth thickness, and high-precision azimuth control can be realized with smooth movement.
[0010]
Further, as described in claim 4, in the wind turbine according to claim 2 or 3, the stepping motor may brake the rotor 16 by direct current excitation. If comprised in this way, the brake braking in the said azimuth | direction control can be performed reliably.
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, in each figure, the same code | symbol is attached | subjected to the same part mutually, and the overlapping description is abbreviate | omitted.
[0012]
The overall structure of the wind turbine will be described with reference to the partial cross-sectional view of FIG. The lower part of the tower is not shown. The plurality of blades 1 are radially attached to a hub 2 that rotates about a substantially horizontal axis, and the blades 21 and the hub 2 constitute an impeller 21. The hub 2 is attached to the input shaft on the low speed side of the transmission 5, and the output shaft of the transmission 5 is coupled to the rotating shaft of the generator 6a by a coupling. The transmission 5 and the generator 6 a are accommodated in the nacelle 3.
[0013]
The nacelle 3 is supported on the top of a tower 8 erected in the vertical direction so as to be rotatable about a rotation axis AX substantially in the vertical direction. A yaw 4 is disposed between the tower 8 and the nacelle 3. The yaw 4 includes a nacelle side portion 4a and a tower side portion 4b. The nacelle side portion 4a is configured to be rotatable relative to the tower side portion 4b around a substantially vertical rotation center axis AX. The control device 10 (not shown) detects the difference between the measured wind direction and the direction of the impeller 21, and controls the rotation mechanism of the yaw 4 to perform azimuth control for tracking the rotating surface of the impeller 21 to the fluctuating wind direction.
[0014]
The partial cross-sectional view of FIG. 2 shows the configuration of the yaw rotor and stator according to the embodiment of the present invention. In FIG. 2, 16 is a rotor fixed to the nacelle side portion 4 a of the yaw 4, and 17 is a stator fixed to the tower side portion 4 b of the yaw 4. The yaw 4 includes a rotor 16, a stator 17, and a rotation mechanism that rotates the rotor 16 about the rotation center axis AX. The rotor 16 has comb teeth 18 having a salient pole structure, and is made of soft iron and formed into a ring shape. A coil is wound around the iron core made of soft iron, and is actuated as an electromagnet 19 by being driven by a direct current pulse or a low frequency alternating current. When the electromagnet 19 is driven by current, a magnetic pole is formed on the salient poles of the comb teeth 18. The stator 17 has salient-pole-structured comb teeth 20 and is made of soft iron and formed into a ring shape. The magnetic poles are guided to the salient poles of the comb teeth 20 by the magnetic poles formed on the salient poles of the comb teeth 18 of the rotor 16 to constitute a magnetic circuit.
[0015]
Of the azimuth control mechanism of the impeller 21, the rotation mechanism of the yaw 4 is constituted by a stepping motor. The stepping motor forms a groove with comb teeth 18 and 20 having a salient pole structure on both the rotor 16 and the stator 17, and drives an electromagnet 19 provided on one of the grooves to drive both the comb teeth 18 and 20. The magnetic poles are formed on the salient poles, and the magnetic attraction and repulsive force components acting on the two are used as the thrust. In order to obtain a large thrust, the step length is reduced, and a multipolar structure that performs microstep driving is adopted. The electromagnet 19 is driven by a DC pulse or a low-frequency AC current. When driven by a direct current pulse, rotation by the stepping of the rotor 16 proceeds in synchronization with the input pulse signal, so the moving speed of the rotor 16 is determined by the input pulse frequency, and the moving distance is determined by the number of input pulses.
[0016]
The comb teeth 20 of the stator 17 are formed at equal intervals. The comb teeth 18 of the rotor 16 are formed at the tip of one electromagnet 19 as a set of three, and the interval between the comb teeth 18 is equal to the interval between the comb teeth 20 of the stator 17 in the electromagnet 19. A space of a constant interval is provided between the electromagnets 19. When the comb teeth 18 of the electromagnet 19 driven by current and the comb teeth 20 of the stator face each other in an aligned state, the adjacent electromagnets 19 The comb teeth 18 are displaced in the circumferential direction by 1/3 tooth thickness and are opposed to the comb teeth 20 of the stator 17, and the next adjacent comb teeth 18 of the electromagnet 19 are 2/3 tooth thickness circles. It is in a state of being displaced in the circumferential direction and facing the comb teeth 20 of the stator 17. The next adjacent electromagnet 19 is an electromagnet that is current-driven at the same time as the first electromagnet, and the comb teeth 18 of the electromagnet 19 and the comb teeth 20 of the stator 17 face each other in an aligned state. Hereinafter, these states are repeated. A total of 36 electromagnets 19 are arranged, and the current is driven in three groups of 12 each of A, B, and C. The 36 electromagnets are arranged so that the same group is arranged in every two groups, such as A group, B group, C group, A group,.
[0017]
The drive coil of each electromagnet 19 is electrically connected to a DC power source (not shown) that applies a DC pulse current or an AC power source (not shown) that applies a low-frequency AC current.
[0018]
(First embodiment)
In the first embodiment, a DC pulse current is applied to the electromagnet. In FIG. 2, it is assumed that the group A electromagnets 19a are driven by a DC pulse current on the rotor 16 side. At this time, it is assumed that the N pole is formed on the comb teeth 18a of the electromagnet 19a of the A group, and the S pole is induced on the comb teeth 20a of the stator 17a facing each other. In this state, the comb teeth 18a of the stator 17 facing the comb teeth 18a of the group A electromagnets 19a are attracted by the magnetic force, so that the comb teeth 18a of the electromagnet 19a and the comb teeth 20a of the stator are aligned. Facing each other. In this state, if a direct current or a direct current pulse current is continuously applied to the A group electromagnet 19a, the rotor 16 is held stationary with respect to the stator 17. That is, the nacelle 3 is kept stationary with respect to the tower 8 (see FIG. 2A).
[0019]
By the way, from the magnetic balance, it is assumed that the A, B, and C groups of electromagnets are current-driven so that N poles are formed in half and S poles are formed in the other half. This can be done by reversing the winding of the coil for half of the electromagnet. In the present embodiment, it is assumed that current driving is performed so that the magnetic poles of the adjacent electromagnets in the same group are opposite to each other, and so that the magnetic poles of the adjacent electromagnets are reversed as a whole.
[0020]
Next, when the pulse current of the electromagnet 19a of the A group is interrupted and the electromagnet 19b of the B group is driven with a direct current pulse current, the S teeth are formed on the comb teeth 18b of the electromagnet 19b of the B group and face each other. An N pole is induced in the comb teeth 20 b of the stator 17. In this state, the comb teeth 18b of the B group electromagnet 19b and the comb teeth 20b of the stator 17 facing each other are attracted by receiving a magnetic force, so that the comb teeth 18b and 20b face each other in an aligned state. Becomes stable, and the rotor 16 rotates to the right by 1/3 tooth thickness (see FIG. 2B).
[0021]
Next, when the pulse current of the B group electromagnet 19b is cut off and the C group electromagnet 19c is driven with a direct current pulse current, N-poles are formed on the comb teeth 18c of the C group electromagnet 19c and face each other. A south pole is induced in the comb teeth 20 c of the stator 17. In this state, since the comb teeth 18c of the stator 17 facing the comb teeth 18c of the C group electromagnet 19c are attracted by the magnetic force, the comb teeth 18c, 20c are aligned and opposed to each other stably. Thus, the rotor further rotates to the right by 1/3 tooth thickness (see FIG. 2C).
[0022]
Next, when the pulse current of the group C electromagnet 19c is cut off and the group A electromagnet 19a 'adjacent to the group C is driven by a DC pulse current, the comb teeth 18a' of the group A electromagnet 19a ' The south pole is formed, and the north pole is guided to the comb teeth 20a ′ of the stator 17 facing each other. In this state, the comb teeth 20a ′ of the stator 17 facing the comb teeth of the electromagnet 19a ′ of the A group are attracted by receiving a magnetic force, so that the comb teeth 18a ′ and 20a ′ again face each other in alignment. The state becomes stable, and further, the rotor 16 rotates rightward by 1/3 tooth thickness, and when it accumulates, it rotates rightward by one tooth (the electromagnet 19a ′ and the comb teeth 18a ′ and 20a ′ are not shown). At this time, the N pole is formed on the comb teeth 18a of the original A group electromagnet 19a, and the S pole is induced on the comb teeth 20a of the opposing stator 17, but the comb teeth 18a and 20a are similarly connected to each other. Matching is achieved and the opposing state becomes stable. By sequentially moving the pulse current to the adjacent electromagnets 19 in this way, the rotor 16 is sequentially rotated rightward.
[0023]
Now, from the state of FIG. 2A, it is assumed that the pulse current of the A group electromagnet 19a is cut off and the C group electromagnet 19c is current-driven with a DC pulse current. An S pole is formed on the comb teeth of the electromagnet 19c of the C group, and an N pole is induced on the comb teeth 20c of the opposing stator 17. In this state, since the comb teeth 18c of the stator 17 facing the comb teeth 18c of the C group electromagnet 19c are attracted by the magnetic force, the comb teeth 18c, 20c are aligned and opposed to each other stably. Thus, the rotor 16 rotates to the left by 1/3 tooth thickness.
[0024]
Further, by applying a pulse current to the B group electromagnet 19b and the adjacent A group electromagnet 19a (at the same time, a pulse current is also applied to the other A group electromagnets), the rotor sequentially moves to the left. Will rotate.
[0025]
The outer circumference of the rotor 16 and the stator 17 is about 5 m, and the magnetic force acts between both the comb teeth 18 and 20, and the comb teeth 18 of the rotor 16 and the stator 17 are rotated smoothly. A gap of about 1 mm is provided between the comb teeth 20.
[0026]
FIG. 3A is a partial sectional view showing a configuration example of a connecting portion between the nacelle 3 of the yaw 4 and the tower 8. In the figure, 16 is a rotor and 17 is a stator. The rotor 16 is mounted on the nacelle 3 with the comb teeth 18 facing inward, and the stator 17 is mounted on the tower 8 with the comb teeth 20 facing outward, and is disposed with the comb teeth 18 and 20 facing each other. Yes. The bearing 12 constitutes a ball bearing including an inner ring, an outer ring, and balls arranged therebetween. In the present embodiment, the inner ring is fixed on the nacelle 3 side and the outer ring is fixed on the tower 8 side. The ball bearing 12 has a structure capable of supporting a thrust force in addition to a radial force, and can support a thrust force caused by gravity such as the impeller 21 and the nacelle 3 and a radial force caused by wind force. The ball bearing 12 is arranged outside the rotor 16 and the stator 17 in a ring shape with the same rotational center axis AX, and assists the smooth rotation between the rotor 16 and the stator 17. Have Further, the rotation center axis AX of the yaw 4 is also the vertical axis of the impeller 21. Although the rotor 16 is fixed on the nacelle 3 side and the stator 17 is fixed on the tower 8 side, either the rotor 16 or the stator 17 may be on the inside, and any of them may be on the outside.
[0027]
FIG. 3B is a sectional view showing another configuration example of a connecting portion between the nacelle 3 of the yaw 4 and the tower 8. In the figure, 16 is a rotor and 17 is a stator. The rotor 16 is attached to the nacelle 3 with the comb teeth 18 facing downward, and the stator 17 is attached to the tower 8 with the comb teeth 20 facing upward, and the comb teeth 18 and 20 are opposed to each other. Reference numeral 12 denotes a bearing whose arrangement is the same as in the case of FIG.
[0028]
An example of arrangement of the rotor and the stator is shown in the plan view of FIG. In either case, the comb teeth in FIG. 3A are in the shape of facing in the radial direction (inward and outward). FIG. 4A shows an aspect in which the rotor 16 has one of an electromagnet that becomes an N pole or an electromagnet that becomes an S pole in one block. FIG. 4B shows a mode in which the rotor 16 has an electromagnet that becomes an N pole and an electromagnet that becomes an S pole as a pair in one block. Even in this case, in the same group, the comb teeth of the electromagnet that becomes the N pole and the comb teeth of the electromagnet that becomes the S pole on the rotor 16 side are equal and both are aligned with the comb teeth of the stator 17. In other groups, for example, 1/3 tooth thickness, and in other groups, 2/3 tooth thickness may be shifted. There are N and S types of magnetic poles induced by the comb teeth on the stator 17 side, but the rotation mechanism is the same as in the case of one block and one electromagnet.
[0029]
(Second Embodiment)
In the second embodiment, a low-frequency alternating current is applied to the electromagnet. There are three phases of alternating current. The configurations of the rotor 16 and the stator 17 are the same as those in the first embodiment, and the grouping of the electromagnets 19 is also the same. Only the drive current of the electromagnet 19 is different. Since the drive current is an alternating current, the current applied to one electromagnet changes alternately between positive and negative, thereby forming N poles and S poles alternately. The electromagnets in each of the A, B, and C groups are driven with the same phase if they are the same group.
[0030]
FIG. 5 shows the phase relationship of the three-phase alternating current. Now, on the rotor 16 side, it is assumed that the electromagnet 19a of group A is driven by an alternating current, and the current is driven when the current is at the maximum and in phase with the positive side. At this time, the alternating current flowing through the electromagnet 19b of the B group is delayed by 120 degrees, and the alternating current flowing through the electromagnet 19c of the C group is delayed by 240 degrees (it can be said that the phase is advanced by 120 degrees). In this state, the magnetic force of the electromagnet 19a of the A group is maximum, the N pole is formed on the comb teeth 18a of the A group electromagnet 19a, and the S pole is induced on the comb teeth 20a of the opposing stator 17, Suck each other. Therefore, the comb teeth 18a of the rotor 16 of the A group and the comb teeth 20a of the stator 17 are aligned with each other.
[0031]
Next, when the phase of the alternating current of the electromagnet 19a of the A group advances by 60 degrees, the phase of the alternating current of the electromagnet 19c of the C group is delayed by 180 degrees and becomes maximum on the negative side. At this time, the AC phase of the electromagnet 19b of the B group is delayed by 60 degrees, so that the magnetic force of the electromagnet 19c of the C group is superior to the magnetic force of the other group, and the comb teeth 18c of the electromagnet 19c of the C group have the S pole. The N pole is guided to the comb teeth 20c of the stator 17 formed and opposed. In this state, since the comb teeth 18c of the stator 17 facing the comb teeth 18c of the C group electromagnet 19c are attracted by the magnetic force, the comb teeth 18c, 20c are aligned and opposed to each other stably. The rotor rotates to the left by 1/3 tooth thickness.
[0032]
Next, when the phase of the alternating current of the electromagnet 19a of the A group advances by 120 degrees, the phase of the alternating current of the electromagnet 19b of the B group matches. At this time, the AC phase of the electromagnet 19c of the C group is delayed by 120 degrees, so that the magnetic force of the electromagnet 19b of the B group is superior to the magnetic force of the other group, and the N pole is present on the comb teeth 18b of the electromagnet 19b of the B group. The south pole is guided to the comb teeth 20b of the stator 17 formed and opposed. In this state, the comb teeth 18b of the stator 17 facing the comb teeth 18b of the B group electromagnet 19b are attracted by receiving a magnetic force, so that the comb teeth 18b and 20b are aligned and face each other stably. Thus, the rotor further rotates to the left by 1/3 tooth thickness, and when it accumulates, it rotates to the left by 2/3 tooth thickness.
[0033]
Next, when the phase of the alternating current of the electromagnet 19b of group B advances by 60 degrees, the phase of the alternating current of the electromagnet 19a of group A is delayed by 180 degrees and becomes maximum on the negative side. At this time, the AC phase of the electromagnets 19c of the C group is delayed by 60 degrees, so that the magnetic force of the electromagnets of the A group exceeds that of the other groups, and the S pole is formed on the comb teeth 18a of the electromagnets 19a of the A group. The N pole is guided to the comb teeth 20a of the stator 17 facing each other. In this state, since the comb teeth 18a of the stator 17 facing the comb teeth 18a of the electromagnet 19a of the A group are attracted by receiving magnetic force, the comb teeth 18a, 20a are aligned and face each other stably. Thus, the rotor further rotates to the left by 1/3 tooth thickness, and when accumulated, it rotates to the left by one tooth thickness.
[0034]
Next, the phase of the alternating current of the electromagnet 19b of the B group advances by 120 degrees, and the phase of the alternating current of the electromagnet 19c of the C group matches. At this time, since the AC phase of the electromagnet 19a of the A group is delayed by 120 degrees, the magnetic force of the electromagnet 19c of the C group is superior to the magnetic force of the other groups, and the N-pole is present on the comb teeth 18c of the electromagnet 19c of the C group. The south pole is induced in the comb teeth 20c of the stator 17 formed and opposed. In this state, since the comb teeth 18c of the stator 17 facing the comb teeth 18c of the C group electromagnet 19c are attracted by the magnetic force, the comb teeth 18c, 20c are aligned and opposed to each other stably. Thus, the rotor further rotates to the left by 1/3 teeth, and when accumulated, it rotates to the left by 4/3 teeth.
[0035]
In this way, the rotor 16 is moved by the change in the AC phase. When the change in AC phase is reversed, the rotor 16 rotates in the reverse direction.
[0036]
By the way, the control device 10 detects the difference between the measured wind direction and the direction of the impeller 21, and controls the rotation mechanism of the yaw 4 to perform azimuth control for tracking the rotating surface of the impeller 21 to the fluctuating wind direction. This azimuth control mechanism rotates the rotor 16 of the yaw 4 together with the nacelle 3 and the impeller 21 around the rotation center axis AX (that is, the vertical axis of the impeller 21), and the horizontal rotation axis of the impeller 21 and the wind direction. And adjust the deviation angle to be smaller. That is, the rotation mechanism of the yaw 4 is controlled so as to rotate in the direction in which the deviation angle becomes smaller, and the pulse current flowing through the electromagnet 19 or the AC phase is sequentially changed.
[0037]
Since the inertia of the nacelle 3 on which the impeller 21 is mounted is large, the sensor sends a signal to the control device 10 when the wind direction continues in the same direction for 1 minute or more. The control device 10 receives a signal from the sensor, calculates the angle and direction of rotation of the rotor 16 from the difference between the wind direction and the direction of the impeller 21, controls the direction of the impeller 21, and The rotor 16 is rotated so that the car 21 faces the wind direction.
[0038]
When the wind direction and the direction of the impeller 21 substantially coincide with each other, the sensor sends a stop signal to the control device 10. When a steady DC current is passed through the electromagnet 19, the state of the magnetic poles of the rotor 16 and the stator 17 is not changed, so that the braking function is activated. Therefore, when the direction of the impeller 21 substantially matches the wind direction, the control device 10 switches the DC pulse to the electromagnet 19 to a steady DC current. Alternatively, the supply of alternating current is stopped and a steady direct current is supplied. However, because the nacelle 3 has inertia, braking may not be effective immediately and may go too far.
[0039]
In order to prevent such overshoot, the control device 10 gradually applies braking from the time when the deviation angle approaches a predetermined angle. Increase the pulse width of the DC pulse current, increase the pulse interval, or lengthen the AC cycle, and gradually apply the brake. When the deviation angle finally becomes 0, the DC current is stopped until it stops. To make sure it is still.
[0040]
In this embodiment, since the directional control of the impeller 21 is controlled by the stepping motor in this way, friction does not occur in the rotor 16 and the stator 17 constituting the motor, and the rotation is smooth. Further, since the stepping motor for driving the yaw 4 is composed of the ring-shaped rotor 16 and the stator 17, the structure is strong against torque as compared with the motor 11 and the transmission having the rotation shaft at the center. ing.
[0041]
In addition, the windmill of this invention is not limited only to the above-mentioned embodiment, Of course, a various change can be added in the range which does not deviate from the summary of this invention.
[0042]
For example, in the present embodiment, an example in which the azimuth control of the impeller 21 is driven by a stepping motor has been described. However, the induction current may be induced in the rotor 16 or the stator 17 and driven by the induction motor. The child 16 or the stator 17 may be driven by a synchronous motor using a permanent magnet. In the present embodiment, an example of a variable reluctance type that does not include a permanent magnet is shown. However, a permanent type that includes a permanent magnet in a magnetic circuit and has teeth facing each other may be used. In any case, a linear induction motor, a linear synchronous motor, and a linear pulse motor that perform linear driving can be applied to the direction control of the impeller 21.
[0043]
Further, the configuration in which the electromagnet 19 is provided on the rotor 16 side and the magnetic pole is guided on the stator 17 side has been described. However, the electromagnet 19 may be provided on the stator 17 side and the magnetic pole is guided on the rotor 16 side. In addition, as for the formation of the magnetic poles, the grouping of the formation of the magnetic poles of the electromagnet 19 in each of the groups A, B, and C may be performed as long as a stable magnetic circuit is formed. Further, the adjacent electromagnets of the rotor 16 are driven in the same pulse as a pair, and the N pole and the S pole are formed at the same time, and the S pole and the N pole are formed on the comb teeth of the opposing stators. You may make it move 1 step.
[0044]
In the present embodiment, an example in which a radial force is applied to the bearing has been described. However, a configuration in which a force is applied in the vertical direction may be used, or both may be used in combination. Various changes can be made to the number of electromagnets, the pitch of the comb teeth, the pulse interval, and the like. It can also be used when the vertical axis of the impeller and the rotation center axis of the yaw do not coincide. The present invention can also be used for a vertical axis wind turbine.
[0045]
【The invention's effect】
As described above, the windmill of the present invention includes a nacelle that supports an impeller rotated by wind power, a tower that supports the nacelle, the tower and the nacelle, and the nacelle is relative to the tower. And a yaw that is provided on the nacelle side and rotates around the rotation center axis of the yaw, and on the tower side, facing the rotor. Since the provided ring-shaped stator is provided, it is possible to provide a windmill having an impeller direction control mechanism that can withstand excessive torque and can be used for a long time without being worn.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a partial cross-sectional view of a windmill in the present embodiment.
FIG. 2 is a partial cross-sectional view of a yaw rotor and stator in the present embodiment.
FIG. 3 is a partial cross-sectional view of a connection portion between a yaw nacelle and a tower in the present embodiment.
FIG. 4 is a plan view of portions of a yaw rotor and a stator in the present embodiment.
FIG. 5 is a diagram showing a phase relationship of a three-phase alternating current.
FIG. 6 is a diagram showing a configuration of a conventional wind turbine.
FIG. 7 is a partial cross-sectional view of a connecting portion of a yaw nacelle and a tower in a conventional wind turbine.
[Explanation of symbols]
1 blade
2 Hub
3 Nasser
4 Yaw
4a Yass nacelle side
4b Tower side part of yaw
5 Transmission
6, 6a Generator
7 Cable
8 Tower
9 Power converter
10 Control device
11 Motor
12 Bearing
13 Rotating shaft
14 Gear
15 teeth
16 Rotor
17 Stator
18, 18a, 18b, 18c, 18a 'rotor comb teeth
19, 19a, 19b, 19c, 19a 'electromagnet
20, 20a, 20b, 20c, 20a 'Stator comb teeth
21 Wings
AX axis of rotation center

Claims

A nacelle that supports an impeller rotated by wind power;
A tower that supports the nacelle;
Connecting the tower and the nacelle and comprising a yaw that allows the nacelle to rotate relative to the tower;
The yaw includes a ring-shaped rotor provided on the nacelle side and rotating around a rotation center axis of the yaw;
A ring-shaped stator provided opposite to the rotor on the tower side;
Windmill.

The rotor has salient-pole-structured comb teeth, the stator has salient-pole-structured comb teeth, and controls the azimuth around the vertical axis of the impeller by a microstep drive by a stepping motor. Item 1. The windmill according to item 1.

The stepping motor drives an electromagnet provided on one of the rotor or the stator with a direct current pulse or a low frequency alternating current to form a magnetic pole on the salient pole of the one comb tooth, and the rotor or Guiding the magnetic pole to the salient pole of the other comb tooth of the stator to perform the azimuth control;
The windmill according to claim 2.

The stepping motor brakes the rotor with direct current excitation;
The windmill according to claim 2 or 3.