JP5257983B2 - 発電機／モータが中空形状で構成される風車／水力発電所／船舶用の直接駆動発電機／モータ、およびこのような風車／水力発電所を組み立てる方法 - Google Patents

Description

本発明は、ロータタービンがステータ上に支持される、直接駆動発電機を有する風力発電所、および発電機ロータと発電機とを組み立てるための方法に関する。

本発明は、ロータブレードが上に配置される密封されたねじれ防止形状で構成される直径の大きなリング形状のロータハブに関する。ロータハブは同時に、軸方向の力を吸収する磁気固定式ベアリングを備える。本発明は、空気または水で構成される環境でのエネルギー生成、および推進システムとしての両方で使用することができる。

好ましくは電力の形態で動力を生成するための風車または風力タービンの開発は、着実に大型風車の方向に進んでいる。約５ＭＷの出力量で１１５−１２５ｍを超えるロータ径の風車が、現在設計され建設されている。このような大型風車を陸上で輸送することは困難なため、５ＭＷ以上の大型の風車は基本的に、沖合いに設置されることを考慮して設計される。これらの水平軸風車の原理は、その小型の姉妹品と基本的には同様である。それらは、高耐久性のボールベアリングによって固定されているシャフトを備える中央ハブの上に装着される、典型的には３つのブレードで構成されるロータを基本とする。風方向での各個々のブレードに対する風力、およびブレードがその回転経路内で上下どちらの方向にあるかによって絶えず方向が変化する、風に対してほぼ直角の面内の各ブレードの自重の両方起因する相当な曲げモーメントに耐えるように、ハブの寸法を決めなければならない。各ブレードが、所与の瞬間に風からの異なる荷重を有する場合、シャフトの長手軸に対して直角の軸の周りでハブを回転させようとするモーメントが生じる。極端な場合には、このモーメントが例外的に大きくなるため、シャフトの寸法も、このようなモーメントに耐えるように決める必要がある。中央ハブおよびシャフトはまた、直接またはギアを介して、発電機にロータのトルクを転送する。

沖合い風車に関する維持費用は最初は、陸上を土台とする風車より高い。また天候状況により必要な修理を行うために風車に乗り込むことができないことが多いため、欠陥によるエネルギー生成における障害は、多くの場合、沖合いではより重大な結果となる。海の陸から離れた場所では、一般に風の状況はまた、陸上よりも著しく強大になる。風によってブレードが回転する基準風速を上げることによって、このエネルギーをできるだけ多く取り入れたいと望む場合、風力発電施設は、風の状態が穏やかな場所と比較して、多大な疲労荷重を受けることになる。

大型の風車または風力タービンには、生成されるエネルギーユニットのｋＷｈ当たりのメンテナンス、および制御システムなどの「単発の費用」の削減を見込むことができるという利点がある。欠点は、このような大型風車の場合、生成される電力のｋＷｈ当たりの重量および材料消費が増加する点である。今日の技術を備えた陸上風車の最適な経済的サイズは、多くの場合約１−３ＭＷと推定される。

生成される電力ユニット当たりの重量および材料消費が、風車のサイズと共に増加する理由としては、重量はほぼ長手方向寸法の３乗だけ増加し（体積増加）、ロータの掃引領域（回転時にロータブレードを取り囲む円領域として定義される）、したがってエネルギー生成量が、長手方向寸法の２乗だけ増大するからである。これは両方の場合での、風力が同一である所与の場所の比較を示唆する。すなわち、以前と同様の技術を使用して風車のサイズを増大させることが望まれる場合、生成されるエネルギーユニット当たりの重量、したがって相当な費用が、風車のサイズと共にほぼ線形に増加する。

さらに、回転速度（角速度）は、風車のロータ径の増加と共に減少する。これは、最適なブレードの先端速度は、風速の関数として与えられるからである。以後先端速度比と称する、ブレードの先端速度と風速との最適な比率は、３つのブレードの風車では通常ブレードの長さ／横幅比によって、およそ６程度である。したがって風速が同一であるとき、ロータ径の大きな風車は、ロータの角速度が減少する。生成される出力は、損失を無視すると、ロータの角速度とロータのトルクとの積であり、Ｐ＝Ｍ_Ｔ* ωであり、Ｐは出力、Ｍ_Ｔはトルク、ωは角速度である。

ロータ径を拡大することによって電力が増大されるとき、駆動ギアを介して空気力学ロータから電気発電機に転送されるべきトルクの増加量は、以下の考察によって推定することができる。
Ｐ=Ｃｐ*ｐ*ｖ^３*Ａ=Ｃｐ*ｐ*ｖ^３*Ｄ^２*π/４、
Ｃｐ は定数、ｐは液体または空気の濃度、ｖは風速、Ａはロータの掃引領域およびＤはロータ径であり、
ω=ｖ*６/(Ｄ*π)*２*π=１２*ｖ/Ｄ、
６は、先端速度比である。

式Ｐ = Ｍ_Ｔ *ωのＰおよびωの代わりに挿入すると、
Ｍ_Ｔ = Ｃｐ*ρ*ｖ^３*Ｄ^２*π*Ｄ/(４*１２*ｖ) = Ｃｐ*ｐ*ｖ^２*Ｄ^３*π/４８となる。
Ｍ_Ｔ ＝ ｋ* Ｄ^３、
ｋは所与の風速および空気密度の定数である。

したがって、ロータの重量同様に、駆動ギアを介してロータから発電機へ転送されるトルクはロータ径の３乗だけ増加し、出力はロータ径の２乗だけ増加する。これはまた大型風車の場合、変速装置（ギアボックス）が不均衡に大きな荷重を受けることを示し、これは、直接駆動によって解決することが有利である。問題の１つは、上記に記載のようにロータ径が大きい場合回転速度が遅いことであり、むしろ、大きなロータ径を有する直接駆動風車に関する実際の発電機部分内で必要なアクティブ要素が不均衡に相当量増加する。さらに直接駆動風車に関して、メインシャフトのたわみに起因するステータと電気ロータ部の間のエアギャップ（通常は、＋／−数ｍｍ内に維持されなければならない）を制御することは、今日の技術では困難である。

上記に記載の状況は、出力を増加させるために、風車のロータ径を増大させることの問題点を示す。したがってメガワット級の風車に関して、生成されるｋＷｈ当たりの重量、したがって相当な費用がロータ径と共にほぼ線形に増加し、これは、今日の既知の技術を使用する大型風車の建設に対する反論となる。さらに大型直接駆動発電機にとっては、ステータと電気ロータの間のエアギャップ公差は問題である。特に洋上に浮かぶ設置の場合、変化する風速に起因するブレードおよびタワー構造の疲労も問題である。

上記の状況は、実質的に３−５ＭＷを超える沖合い風車の建設に関して最も重要な制限を提示する。

この分野の従来技術であり、ハブの直径は比較的大きいが、ロータブレードからの荷重を吸収することができるように十分な重量を有する直接駆動風力タービン（ギアなし）を教示する米国特許第６，２８５，０９０号を言及することができる。固定シャフトと回転部分の間のボールベアリングも大型であり相当の消耗を受けるため、注油およびメンテナンスが必要である。

米国特許第６，９１１ ，７４１号で、ステータと電気ロータの間のエアギャップ内のわずかな公差に関する問題が記載されている。
国際公開０２/０９９９５０号は、一端で外部リングまたはリムに固定され、他端で偏心的にハブに固定されるスポークを備える自転車のホイールと同様の原理に従ってステータホイールおよびロータホイールが形成される、直接駆動発電機を備えるタービンを教示する。この方法において、タービンは、半径方向、および一定の範囲の軸方向の両方の力を吸収する。

ドイツ特許公開第３６３８１２９号は、発電機のロータリングが風力タービンロータの先端に固定されるリング発電機を有する風力発電所を教示する。発電機の風力タービンロータおよびロータリングは、磁気ベアリング上に支持される。

ドイツ特許公開第１９７１１８６９号は、中空のハブを備える風力タービンを教示する。ハブは、２つのＬ字型部分に分割され、Ｌ字型部分の一方はタワー上に配置され、他方のＬ字型部分上にタービンブレードが配置される。第２のＬ字型部分がベアリングによって、第１のＬ字型部分上に支持される。

本出願において、用語「タービンロータ」は、水または風のエネルギーを機械エネルギーに変換し、さらに発電機内で電気エネルギーに変換する風力または水力発電所での回転ユニットに関する集合的用語として使用される。磁石が装着される発電機ロータは、電気ロータとも称される。「タービンロータ」は、推進機械のロータを称するのにも使用される。

発電機の「アクティブ部分」は、風力発電所のエネルギー変換に寄与する部分を指す。「鉄を含まない原理」は、本発明において、磁場を伝導するために強磁性材料を使用しない発電機のための構造原理を示す。

本発明の開発において、生成されるエネルギーのｋＷｈ当りのブレードおよびハブの重量を増大させることなく、またトルクが構造体内で大きな力を生じさせることなく、大幅に増大したロータ径を備え、これによりエネルギー生成が増加する、５−１５ＭＷ級の風力発電所用の費用効果の高い一体式のロータおよび発電機を建設することが目的である。 本発明の一部が、水力発電生成、ボートおよび船用の潮の作用力および／または推進システム（ロータがプロペラとして使用される）に好適でなければならないということも目的である。

これらの目的は、独立請求項内に開示されるように本発明によって実現される。代替の実施形態は、各独立請求項に関連する従属請求項内に開示される。

本発明によって、以下の利点が得られる。
１）ロータブレードの長さおよび重さを増大させずに、ロータの掃引領域（および、これによるエネルギー生成）が大幅に増大する、
２）ハブの直径が著しく増大する場合でも、その重量が減少する、
３）ハブの直径が大きいことに起因するハブおよびシャフトのねじり応力（回転軸を中心とする）が小さい、
４）直接駆動により、伝送ユニット（ギア）が省略され、同時にステータと電気ロータ（磁石）の間の周辺速度が増加し、これにより発電機内のアクティブ要素に関する要件を縮小することができる、
５）ステータと電気ロータの間のエアギャップ公差が大きいため、その結果もはや臨界パラメータでなくなる、
６）冷媒を循環させるためにいかなるポンプシステムも必要とせず、直接空気を冷却する、
７）作動中メインベアリングまたは発電機内の移動部分間で接触がなく、その結果消耗およびメンテナンスが大幅に減少される、
８）５ＭＷから１０ＭＷの風力タービンに関する従来技術の増加率と比較して、ロータおよび発電機の総重量が５０％を超えて削減される。

本発明の第１の態様によって、風または水のエネルギーを電気エネルギーに変換するために直接駆動発電機を有する風力発電所または水力発電施設用のタービンロータが提供され、風力または水力発電施設が、ステータの中央軸と一致する回転軸を有するリング形状のハブをさらに備えるタービンロータと、ステータとを備え、タービンロータがリング形状のハブの上に配置される少なくとも１つのロータブレードを備える。

有利には、リング形状ハブは、発電機ロータ（電気ロータ）を備える。

さらにこれは、発電機ロータがリング形状ハブに装着される場合に有利である。

リング形状ハブは有利には、密封された円形断面、またはほぼ円形の断面を有する円環として構成されるが、密封された多角形断面を有する円環として構成されてもよい。
リング形状ハブを貫通し風力タービンロータの回転軸に垂直な部分は有利には、リング形状であり、リングの外周および内周は円形であるが、またこの部分がリング形状であり、リングの外周および内周が多角形であってもよい。

有利には、タービンロータの回転軸から、タービンロータの回転軸の周りのリング形状ハブの外周までの距離は、回転軸からブレード先端までのタービンロータの半径の少なくとも１／１２である。

一実施形態において、リング形状ハブは磁気ベアリングによってステータに対して支持される。この磁気ベアリングは、パッシブ磁気ベアリングまたは電磁ベアリングであってよいが、従来のベアリングであってもよい。

好ましい実施形態において、リング形状ハブは、磁気ベアリングによって、全体の曲げモーメント（各ロータブレードに対する異なる風圧によって生じる）、および軸方向の力を吸収するために、ステータに対して軸方向に支持され、リング形状ハブは、半径方向の力を吸収する従来のベアリングによって半径方向に支持される。

半径方向の力を吸収するために、風力タービンロータは、それぞれの第１端部でステータの中央軸と同軸のベアリングに固定され、それぞれの第２端部で、リング形状ハブに固定される少なくとも２つの張力ロッド、または少なくとも２つの圧力ロッドを備えることができる。これらの張力または圧力ロッドは好ましくは、１つの同一面内に位置する。

本発明の好ましい実施形態において、リング形状ハブの回転軸から、磁気ベアリングの力転送面の中央の領域までの最短距離は、リング形状ハブの回転軸から、リング形状ハブの断面のねじれに対して中立の軸までの距離よりも短い。このような磁気ベアリングの配置は、ロータに対する風力によって生じるリング形状ハブの曲げおよびねじれによって、磁気ベアリングのロータ部分の軸方向の移動が互いに相殺されることを示す。各ブレードの周囲のハブの局部的な曲げが、局部的にベアリングを風の方向に引っ張り、ハブ断面のねじれの回転が、ベアリングを風の方向に対して移動させる。理想的に配置されると（図８の角α）、ハブに接続された磁気ベアリングの軸方向の移動は、全体的にまたは部分的に無効することができる。磁気ベアリング面は、できるだけ平ら（平坦）に維持されるため、ハブのたわみによって、局部的に互いに接触しないことが保証されることが利点である。

一実施形態において、リング形状ハブの回転軸に垂直な面から外への曲げに対するリング形状ハブの曲げ剛性は、同一面から外への曲げに対するステータの曲げ剛性より大きい。好ましい実施形態において、リング形状ハブの回転軸に垂直な面から外への曲げに対するリング形状ハブの曲げ剛性は、面から外への曲げに対するステータの曲げ剛性の少なくとも２倍である。

本発明の第２の態様によって、請求項１−２０によるタービンロータを備えた、流動する風または水のエネルギーを電気エネルギーに変換するための風力または水力発電所が提供される。また水力発電所は、この定義において、潮の作用力による発電所または川の流れる力による発電所であってよい。

本発明の第３の態様によって、電気エネルギーを運動エネルギーに変換するために直接駆動モータを有し、タービンロータおよびステータを備える推進機械用のタービンロータが提供され、タービンロータは、ステータの中央軸と一致する回転軸を有するリング形状ハブ（６）と、および密封された中空の形状から成るリング形状ハブ上に配置される少なくとも１つのロータブレードとを備える。

本発明の第４の態様によって、請求項２２−４１によるタービンロータを有する推進機械を備える船が提供される。

本発明の第５の態様によって、風エネルギーを電気エネルギーに変換するために直接駆動発電機を有する風力または水力発電所が提供され、風力発電所がステータと、電気発電機を有するタービンロータとを備え、電気発電機またはステータのどちらか、あるいは電気発電機およびステータの両方がエネルギー生成ユニットを備え、タービンロータが磁気ベアリングによってステータ上に支持され、エネルギー生成ユニット内で巻線が鉄を含まない芯を有して構築される。

有利にはタービンロータは、磁気ベアリングによってステータ上に支持されるリング形状ハブを備える。

有利には、発電機の電気ロータはリング形状ハブに装着される。

リング形状ハブは有利には、円形断面を有する円環として構成され得るが、多角形断面を有する円環であってもよい。

リング形状ハブを貫通し風力タービンロータの回転軸に対して垂直な部分は有利には、リング形状であり、リングの外周および内周は円形であるが、この部分がリング形状であり、リングの外周および内周が多角形であってもよい。

有利には、タービンロータの回転軸からリング形状ハブの外周までの距離は、回転軸からブレード先端までのタービンロータの半径の少なくとも１／１２である。

一実施形態において、リング形状ハブは磁気ベアリングによって、ステータ上に支持される。この磁気ベアリングは、パッシブ磁気ベアリング、電磁ベアリングまたは従来のベアリングであってよい。

好ましい実施形態において、リング形状ハブは、曲げモーメント、および軸方向の力を吸収するために、磁気ベアリングによってステータに対して軸方向に支持され、リング形状ハブは、半径方向の力を吸収する従来のベアリングによって、半径方向に支持される。

半径方向の力を吸収するために、風力タービンロータは、それぞれの第１端部でステータの中央軸と同軸のベアリングに固定され、それぞれの第２端部で、リング形状ハブに固定される少なくとも２つの張力ロッド、または少なくとも２つの圧力ロッドを備えることができる。これらの張力または圧力ロッドは好ましくは、軸方向の力または曲げモーメントが、半径方向のベアリングおよびそのシャフトに転送されないように、１つの同一面内に位置する。

本発明の好ましい実施形態において、リング形状ハブの回転軸から磁気ベアリングの力転送面の中央の領域までの最短距離は、リング形状ハブの回転軸からリング形状ハブの断面の中立軸までの距離よりも短い。このような磁気ベアリングの配置は、ロータに対する風力によって生じるリング形状ハブの曲げおよびねじれによって、磁気ベアリングのロータ部分の軸方向の移動が互いに相殺されることを示す。各ブレードの周囲のハブの局部的曲げは、ベアリングを局部的に風の方向に引っ張り、ハブ断面のねじれの回転が、ベアリングを風の方向に対して移動させる。理想的に配置されると（図８の角α）、ハブに接続された磁気ベアリングの軸方向の移動は、全体的にまたは部分的に互いを打ち消す。磁気ベアリング面は、できるだけ平坦（平ら）に維持されるため、ハブのたわみによって局部的に互いに接触しないことが保証される点が有利である。

一実施形態において、リング形状ハブの回転軸に垂直な面から外への曲げに対するリング形状ハブの曲げ剛性は、同一面から外への曲げに対するステータの曲げ剛性より大きい。好ましい実施形態において、リング形状ハブの回転軸に垂直な面から外への曲げに対するリング形状ハブの曲げ剛性は、同一面から外への曲げに対するステータの曲げ剛性の少なくとも２倍大きい。これは、磁気ベアリングが局部的可撓性を有し、磁気ベアリングの領域内の磁石が互いに接触するように接近する場合、ステータが局部的にたわむことができること示す。

本発明の第６の態様によって、風力または水力発電所の直接駆動発電機内で電気ロータと、ステータ巻線を備えるステータとを組み立てるための方法が提供され、風力または水力発電施設がさらにリング形状ハブを備えるタービンロータを備え、ステータ、およびタービンロータのリング形状ハブに装着され得るようになされる電気発電機の上に配置される磁気ベアリングによって、タービンロータがステータ上に支持され、組み立てる際以下の
ワークショップ内の制御された状態で、電気ロータおよびステータ巻線を備えるステータが、いくつかの部分で製造されるステップと、
ワークショップ内の制御された状態で、電気ロータおよびステータ巻線を備えるステータの対応する部分が一緒に装着されるステップと、
電気ロータおよびステータ巻線を備えるステータの組み立てられた部分が、風力発電所の１ユニット内に設置されるステップと
が実行される。

電気発電機ユニットと、ステータ巻線との組み立てられた部分の対応する部分が、ワークショップ内で一緒に設置されると、それらは１ユニット内に設置される前に、風力発電所の場所に輸送される。

組み立てられた部分は、風力タービンロータのリング形状ハブ、およびステータのステータリングに対して装着される。

装着する際、一度に１つの部分がステータリング、次にリング形状ハブに装着される、またはその反対の順序のいずれかで装着される。

装着時、各部分が最終的に装着されたユニットが完全にまたはほぼ完全な平坦な面内に位置するように、各個々の部分は好ましくは平面内に適合される。この方法において、完全に平面でないことが多く、それゆえ磁気ベアリングおよび電気発電機にとって問題を引き起こす可能性のある、リング形状ハブおよびステータリングの凸凹を補償することが可能である。

本発明が風力発電所と関連して使用される場合、発電所は、ハブを形成するリングが、ロータ径のほぼ１０−２０％程度の直径を有する大型リング形状ハブを備える。リングの断面は、ハブへの装着部でのブレードのほぼ直径程度の直径を有する。１つまたは複数のロータブレードがリング形状ハブに対して配置される。ロータブレードは、タービンロータの回転軸から外に離れて終結するため、ブレードの根元での曲げモーメントは、対応するロータ領域を備える従来型ハブを有する風車の場合より著しく小さい。ハブは、大きなねじりモーメントおよび曲げモーメントを同時に吸収するように設計されるリング形状ハブで構成される。これは、ブレードの自重が曲げモーメントとしてリング形状ハブに転送され、風力によりブレードの根元で発生する曲げモーメントが、ねじりモーメントとしてリング形状ハブに転送されることを示す。エネルギー生成を生じさせるロータのトルクＭ_Ｔは、中央シャフトを介して進まずに、直接ステータ内に吸収される。したがって本特許出願のシャフトは、発電機ステータと同一であり、ハブの周辺直径に適合された大きな周辺直径を有する短い環状リングで構成され、モータ筐体または風力発電所の支持構造体に対して直接配置される。これは、ロータのトルクによって生じるシャフト内の従来の大きなねじりストレスＭ_Ｔが大幅に減少され、実際問題としては消滅することを示す。

電気発電機のベアリングと同一の風力発電所のメインベアリングは、本発明で好ましくはハブの周辺で固定式磁気ベアリングで構成される。

ベアリングはさらに、半径方向機械ベアリングと組み合わされる、ハブの周辺の磁気軸方向ベアリングで構成されてよい。この場合、磁気ベアリングはリング形状ハブとステータリングの間に装着され、ここで軸方向の力が吸収され、リング形状ハブと、回転軸の中央で風車の固定構造体に対して配置される機械ベアリングとの間にスポークシステムを配置することによって、半径方向の力が吸収される。

任意でハルバッハ配列を使用することによって、軸方向および半径方向の両方の力を吸収する完全磁気ベアリングを使用することができる。アーンショウの定理によると、永久磁石を使用することによって、単独で磁気的に固定のベアリングを実現することは不可能である(極端に低温下で、超伝導が使用されない場合）。これは米国特許第 ６，１１１，３３２号および米国特許第５，４９５，２２１号により詳細に記載される。磁気の不安定性に関するアーンショウの定理を回避するために、ハブを支持するために、上記の２つの特許で記載されるようないわゆるハルバッハ配列を有するパッシブ磁気ベアリングを使用するか、または任意で磁気の安定性および制動を得るために、アクティブサーボ制御を備えたアクティブ電磁ベアリングを使用することができる。ハブを支持するために、永久磁石、およびアクティブサーボ制御を備えたアクティブ電磁ベアリングの両方を備えた混合型の解決法を使用することもできる。

あるいはハブは、ハルバッハ配列または任意の同様の構造で構成された永久磁石を備えた固定式のパッシブ磁気ベアリングを備えてよく、これらは共にハブのためにベアリングの機能を有し、同時に発電機のアクティブ部分、すなわち直接駆動発電機の磁石および導電体を包含する。

上記の両ケースにおいて、発電機内の相当な磁気引力を回避するために、ステータ内の電気巻線は好ましくは鉄を含まない（強磁性芯がない）。発電機ステータは、電力生成のための電気巻線、および任意で（ハルバッハ配列の単独の磁気支持体を使用するとき)磁気ベアリングの一部として両電気巻線を包含する。

同様の巻線は任意で共に電気生成機能を有し、同時に磁気固定式ベアリングで要求される電気巻線の全体または一部を形成することができる。

ステータ内の電気巻線は、上記に記載のように好ましくは鉄を含まないが、このような余剰の磁気引力が望まれるステータに沿った領域に鉄を含むことがある。上記に記載の代替形態に関して、パッシブ固定ベアリングは、特別なシステム（ハルバッハ配列または同様のシステム）でハブまたは電気ロータ上に直接配列される強力な永久磁石、およびステータ上に配置される導電体で構成される。磁石が作動されると、導電体内に電気ロータ内の磁石に反発する電流が生成される。磁石は、電気ロータ内に２または３列で配置されるため、システムは、軸方向および半径方向の外向きの力に対して安定する。さらに、磁気ベアリングがアクティブになるためロータが十分な速度に達するまで、ロータを支持する機械支持体が設けられる。これは、電源の切断、またはサーボ制御システムの故障の際、電磁ベアリングが使用される場合にも必要である。上記の磁気ベアリングの制動特性を向上させるために、構造体への磁石の装着に関連して、ゴムまたは他の良好な制動特性を有する制動材料を使用することができる。

磁石が導電体に近づく程、反発力は大きくなる。電気ロータ内で磁石をハルバッハ配列で配置することによって、磁気不安定性のアーンショウの定理を回避し、それにも関わらず半径方向および軸方向の両方に磁気固定式のベアリングを実現することができる。鉄を含まないハルバッハ配列の原理に基づく発電機に関するエアギャップは、ステータ風車内で鉄芯が使用される既知の風車技術に対して数ｍｍから２０ｍｍを超えて増大することができる。したがって本発明によって、特に直径の大きな風力発電機に関して、従来技術に関連する問題部分である、風力発電所内の発電機の支持構造部分に関する建設および曲げ公差を同時に軽減することが可能になる。

ｍ^２アクティブ面当たり５０トンまでの磁力を備える強力な永久磁石は今日、例えばネオジウム磁石が商業的に入手可能である。このような磁石は、風力発電所のロータに関して記載したベアリング内で、適切な寸法を決定する全ての力を吸収するのに十分である。この特許によるハブは直径が大きく、その結果、それぞれのブレードに対する風力の異なる分布などロータに対する様々な荷重に耐えるために、モーメントアームが大きい点が有利である。

電気ロータおよび磁気ベアリングを備えるハブおよびステータはまた、風の方向に見られる開放ハブの中央部分を通り抜ける空気流によって直接空気を冷却するために、冷却リブを備えてよい。ステータ巻線は好ましくは、鉄芯なしで複合ステータ部の中に埋め込まれる。これは有利には、中を貫通することができ、その結果水、油、空気または他の好適な冷媒が、ステータ巻線の周囲を循環することができる。任意で、このような冷却穴を貫通する空気の自然な循環は、ステータの冷却に十分であり、および／またはそれらが電気ロータ上に配置される場合、ロータ内の磁石の冷却に十分であり得る。

磁気ベアリングを備える発電機を上記に記載してきたものと逆に配置することも可能である。磁石がステータ内にあり、ロータ内に電気巻線がある。この場合、電力は、電気スリップリングを介して風力発電所の残りの部分に戻されなければならない。

円形ハブの中央との同軸に、モータ、光などをピッチ制御するために、ロータに必要な電力を転送するスリップリングベアリングが設けられる（図示せず）。さらに、落雷に関連して放電するために、ロータとナセル／タワーとの間の電気接触部を設ける。この接触部は、落雷が、これを横切ってライトアーチ（図示せず）内に飛び込むことのできる小型の開口を備え、やはり円形ハブの中央と同軸であるスリップ接触部または開放接触部のいずれかであってよい。

添付の図面中で示される本発明の好ましい実施形態の非限定的実施例の記載を以下に提示する。

図１は、リング形状ハブ６を形成する大型リング形状ハブを備え、リング形状ハブが２０メートル程の直径を有し得る１０−１２ＭＷ出力の風力発電所１を示す。リング形状ハブ６の断面は、２メートル程の直径を有し得る。ロータブレード３、４、５は、それぞれ６０ｍの長さを有し、図２に示すように、ピッチ制御システム（図示せず）からの衝撃によって、その長手軸を中心としてブレードを回転することができるように配置されるピッチベアリング８、９、１０に対して配置されてよい。ピッチベアリングは、各ベアリングの間に１２０度の角度を有してリング形状ハブ６の中に配置される。リング形状ハブ６は、中空の円形の管で構成される密封された中空形状であり、円の直径はロータの直径の約１５％であり、管はピッチベアリングへの装着部で、ブレード３、４、５の断面の約７０％の断面を有する。ハブの内側には、ステータ部１２に対して支持される電気ロータ１１が配置される。ステータ１２は、円筒形管１４を介して支持構造体の残りの部分に力を伝える曲げ剛性梁１３によって支持される。ロータおよびステータは、自然に通気される冷却リブ１６を備える。

リング形状ハブ６の耐荷重断面は、直径が約２メートルの密封された円形の中空形状で構成され、重量およびロータブレードに対する風荷重によって生じる大きなねじりモーメントおよび曲げモーメントを同時に吸収するように適合される。ステータ１２は、円筒形管１４を介して支持構造体の残りの部分に力を伝える曲げ剛性梁１３によって支持される。

各ピッチベアリングは、円筒形管１４に対して機械的に半径方向に支持される中央アンカーリングまたはアンカー板６０内で全てが互いに接続される張力ロッドまたは圧力ロッド１５によって、リング形状ハブ６の反対側に接続される。張力または圧力ロッドが軸方向の力を転送しないように(軸方向の力を吸収することができるように、２つの異なる位置でスポークが中央ハブに対して装着される自転車のホイールとは異なり）、張力ロッドまたは圧力ロッド１５は１つの同一面内に位置する。ブレード３、４および５に対する風圧によって生じるロータからの軸方向の力は、リング形状ハブ６とステータ１２の間に軸方向に整列される磁気ベアリング３９によって、ステータ１２に直接転送される。この磁気ベアリングは対向するように向けられた永久磁石で構成され、その結果、ベアリング面に反発力が発生する。ベアリングは有利には、複動式、すなわち両方の軸方向で力を吸収するようになされる。これを実現するために、４列の磁石がベアリング内で使用されてよい。あるいは、ベアリング内で電磁石を使用することができる。エネルギー生成をもたらすタービンロータのトルクＭ_Ｔは、中央シャフトを介して通過せずに、ステータ１２内に直接吸収される。したがって固定シャフト１２は、発電機ステータと同一であり、リング形状ハブ６の周辺直径に適合された大きな周辺直径を有する短い環状リングで構成され、直接モータ筐体１４に対して、または梁１３を介して風力発電所の支持構造体７に対して配置される。ロータ面内（本明細書では、３つのブレードの外側の先端と交わる面として定義される）でのロータ２およびハブ６の制動は、任意でロータ面に空気力学式制動をもたらす空気力学ブレーキと共に、動力変換器（整流器／インバータ、図示せず）の制御システムを利用して、発電機動力出力をアクティブ調整することによって実行される。当業者が精通する既知の発電機技術の要素は、本明細書にさらに詳細に記載せずに、本明細書で使用することができる。これらの要素は、コギングなどを回避するために、例えば傾斜したステータ巻線または磁石、あるいは磁石間、またはステータ巻線間の不規則な距離などであり得るが、これに限定されるものではない。

メインベアリング３９は、図８に示すように、それらの間に反発力が生じるように互いに対して向けられる永久磁石６１で構成される固定式磁気ベアリングである。

ステータ内の電気巻線は好ましくは、概して鉄を含まないが、そうでなければ、あるいは領域２１、２２内に鉄芯を含んでよい。

半径方向および軸方向の両方に完全な磁気ベアリングがある場合(ハルバッハ配列で）、電気ロータ１１とステータ１２の間に、パッシブ磁気ベアリングがアクティブになるのに十分な速度に達するまで軸方向および半径方向の両方に電気ロータを支持する機械ベアリング（図示せず）を設けることができる。

永久磁石２３および６１は、磁気固定式ベアリングに半径方向および軸方向の制動を与えるために、ゴムベースに対して固定される。

図８は、磁気固定式ベアリングと、鉄芯なしの電気巻線２４を備えるステータリング(リム上に装着される）１２、およびロータ上の永久磁石２３から成る電気発電機６２で構成される発電機とが組み合わされた好ましい断面（図６に示される断面Ａ−Ａ）を示す。永久磁石２３を備える電気ロータ１１は、リング形状ハブ６の一部であり、そこに直接固定される。

図７ａ、７ｂ、７ｃおよび７ｄは、組み合わされた磁気固定式ベアリングおよび発電機の代替の断面（図６に示される断面Ａ−Ａ）を示す。

図８および９は、電気発電機１１がリング形状ハブ６上に配置されたリング形状ハブ６を備える風力発電所の側面図である。電気ロータ１１は、リング形状ハブ６に装着される。電気ロータは、ステータ１２が中に位置する環状くぼみを有して構成される。このくぼみは、上方（図８）または下方（図９）のいずれかを向くＵ字型の形状を有してよい。利用可能な磁気領域を拡大するために、発電機および磁気ベアリングを、軸方向の複数のくぼみおよび関連する複数のステータリングで構成される軸方向に連続するいくつかのディスクの形態で形成することも可能である。電気ロータ１１およびステータ１２は、風の荷重によって生じる軸方向の力および曲げモーメントを吸収する磁気ベアリングを一緒に形成する磁石を備える。電気発電機１１およびステータ１２はまた、電流生成要素、すなわち磁石およびステータ巻線を備える。巻線は電気ロータ上に、磁石はステータ上に配置されることも考えられる。電気ロータ１１内の環状くぼみおよびステータ１２は、例えば図７ａ−ｄおよび図８に示すように異なる設計であってよい。

半径方向の力、特にタービンロータの重量を吸収するために、一端がリング形状ハブ６に固定され、他端が、円筒形管１４に対して半径方向に機械的に支持される中央アンカーリングまたはアンカー板５５に固定される張力または圧力ロッド１５が設けられる。

またリング形状ハブ上で、タービンロータブレード３、４、５が、それぞれのピッチベアリング上に装着される。

図１０は、電気ロータ１１およびステータ１２が、１つのユニット内に設置される前に、組み立てられる部分にどのように一緒に配置されるかを簡単に概略的に示し、組み立てられた部分は、最初にリング形状ハブ６上に、次にステータ梁１３の上に設置される、または最初にステータ梁１３の上に、次にリング形状ハブ６の上に配置される。図面中、電気ロータ１１およびステータ１２は、１つのユニット内に組み立てられて示される。製造する際、電気ロータ１１およびステータ１２は、いくつかの部分に区分される。この図面では、線７１、７２、７３、７４、７５、７６、７７、７８によって、電気ロータ１１およびステータ１２が、８つの部分に分けられることが示されている。ステータ部９１、９２、９３、９４、９５、９６、９７、９８内のベアリング磁石間、およびロータ部８１， ８２、８３、８４、８５、８６、８７、８８内の対応するベアリング磁石間に強力な磁力が生成されるため、区分することは、これらの力をより容易に統制し得るための良好な解決策となる。部分が組み立てられ、仮の輸送固定具によって一緒に保持されると、それらは風力発電所の設置場所に個別に輸送され、そこでハブ６に対する１つのユニットに組み立てられる。

また電気ロータ１１およびステータ１２を区分することにより、リング形状ハブ６およびステータ梁１３の上に設置されるとき、電気ロータおよびステータが、確実に平坦なユニットを形成することがより容易になる。例えば部分が最初にリング形状ハブ６に設置される際、シムを使用することによって新規の部分が調整され、その結果すでに設置されている部分と一致する面となる。リング形状ハブ６および部分が、完全なまたはほぼ完全な面内に設置されたとき、すでに１つのユニットを構成するリング形状ハブおよび部分が、ステータ梁１３に装着される。組み立てられた部分のユニットが、そのステータ梁１３への装着の際シムを使用して凸凹を一面にならすことによって、完全なまたはほぼ完全な平面内に保持されることをさらに確実にする必要がある。したがって大きな直径を有するハブおよびステータ梁に関する建設公差は、重要ではない。これにより、作動中タービンロータは、危険性が極めて減少したステータを中心として回転し、電気ロータが物理的に接触するようになる。

本発明はまた、エアクラフト、および水中での全てのタイプの小型船またはボート用の推進シムとして使用することができる。本発明のこの事例において、リング形状ハブ６を備えるタービンロータ２、ピッチベアリング８、９、１０および磁気ベアリング３９は、プロペラとして配置される。プロペラのサイズ、強度およびねじれ／傾度などは、この目的のための従来技術によって変更される。発電機は、電気モータとして作動する。推進システムは、推進システムによって移動される船舶３７上に配置され、図１４および１５に２つの実施例を示す。本発明の一変形体において、船舶３７または船体上で、移動される物体／船体の他の可能な部分に、流線形の接続部を装着することができる。本発明の別の変形体において、推進システム４０は舵を備えて配置される（図示せず）。本発明のさらに別の変形体において、推進システム４０は、推進システム自体が方位プロペラとして、船舶への回転可能な装着部の垂直軸の周りを回転することができるように配置される。従来技術によるプロペラを装着するための他の多くの構成も可能である。プロペラは、本明細書に例示する好ましい実施形態より少ない、またはこれより多いブレードを有することができる。船舶３７はまた、複数のプロペラを備えることができる。

ロータブレードおよびハブで構成される風力タービンロータを備える風力発電所の図である。風力発電所は、タワー７の上に設置される。タワーは固定式の土台を有する、または沖合いに浮かぶように設置されるかのいずれかであってよい。 ブレードがピッチベアリング内に装着された風力タービンロータの図である。 風力発電所の部分側面図である。 風力発電所の部分斜視図である。 ステータから取り外されたロータの斜視図である。 異なる領域に代替的に分割されたステータの図である。 組み合わされた磁気固定式ベアリングおよび発電機の４つの代替の断面図（図６に示す断面Ａ−Ａ）の図である。 組み合わされた磁気固定式ベアリングおよび発電機の４つの代替の断面図（図６に示す断面Ａ−Ａ）の図である。 組み合わされた磁気固定式ベアリングおよび発電機の４つの代替の断面図（図６に示す断面Ａ−Ａ）の図である。 組み合わされた磁気固定式ベアリングおよび発電機の４つの代替の断面図（図６に示す断面Ａ−Ａ）の図である。 組み合わされた軸方向の磁気ベアリングおよび半径方向の機械ベアリングの図である。 風力発電所の一部の側面図である。 製造中、いかに組立体を分割し得るかに関するアウトラインである。 空気中または水中で船舶用に推進システムとして風力発電所が使用される構成を示す図である。 ハブが船舶の船体の一部または全体を囲繞する推進システムの図である。

Claims (22)

1. 流動する風または水のエネルギーを電気エネルギーに変換するために直接駆動発電機を有し、タービンロータおよびステータを備える風力発電所または水力発電所用のタービンロータであって、前記タービンロータが、前記ステータの中央軸と一致する回転軸を備える密封された中空形状として構成されるリング形状ハブとを備え、
   前記リング形状ハブが、円形状の断面を有する円環、または、多角形の断面を有する円環として形成され、
   前記リング形状ハブを貫通し前記タービンロータの回転軸に垂直な部分がリング形状であり、前記リングの外周および内周が多角形または円形状であり、
   前記タービンロータが、前記リング形状ハブ上に配置される少なくとも１つのロータブレードを備えることを特徴とするタービンロータ。
2. 前記直接駆動発電機の発電機ロータが前記リング形状ハブに装着されることを特徴とする、請求項１に記載のタービンロータ。
3. 前記タービンロータの前記回転軸から、前記タービンロータの前記回転軸の周囲の前記リング形状ハブの前記外周までの距離が、前記回転軸からブレード先端までの前記タービンロータの半径の少なくとも１／１２であることを特徴とする、請求項１または２に記載のタービンロータ。
4. 前記タービンロータが、それぞれの第１端部で前記ステータの中央軸と同軸のベアリングに装着され、それぞれの第２端部で前記リング形状ハブに固定される少なくとも２つの張力ロッドを備えることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載のタービンロータ。
5. 前記張力ロッドが１つの同一面内に位置することを特徴とする、請求項４に記載のタービンロータ。
6. 前記タービンロータが、それぞれの第１端部で前記ステータの中央軸と同軸のベアリングに固定され、それぞれの第２端部で前記リング形状ハブに固定される少なくとも２つの圧力ロッドを備えることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載のタービンロータ。
7. 前記圧力ロッドが１つの同一面内に位置することを特徴とする、請求項６に記載のタービンロータ。
8. タワー構造体と、タービンロータと、風または流動する水のエネルギーを電気エネルギーに変換するための直接駆動発電機とを有する発電所であって、前記直接駆動発電機が前記タービンロータ上に設置される発電機ロータと、前記タワー構造体に設置されるステータと、前記タービンロータを前記ステータ上に支持するベアリングとを備え、
   前記タービンロータが請求項１から７のいずれかによって形成され、前記タービンロータが前記直接駆動発電機の前記ステータの中央軸と一致する回転軸を有することを特徴とする発電所。
9. 前記タービンロータが、永久磁石、電磁磁石または両方の組み合わせのいずれかで構成される磁気ベアリングによって前記ステータ上に支持されることを特徴とする、請求項８に記載の発電所。
10. 前記磁気ベアリングがパッシブ磁気ベアリングであることを特徴とする、請求項９に記載の発電所。
11. 前記磁気ベアリングが、ハルバッハ配列で配置された磁石を有するパッシブ磁気ベアリングであることを特徴とする、請求項９に記載の発電所。
12. 前記ステータ内で、前記磁石が短絡された導電体で置き換えられることを特徴とする、請求項９または１１のいずれか一項に記載の発電所。
13. 前記磁気ベアリングが電磁ベアリングであることを特徴とする、請求項９に記載の発電所。
14. 電流生成巻線（２４）が、磁気伝導鉄芯なしで設置されることを特徴とする、請求項９に記載の発電所。
15. 前記発電機磁石が、ハルバッハ配列で配列された永久磁石で構成されることを特徴とする、請求項１４に記載の発電所。
16. 前記タービンロータがベアリングによって前記ステータ上に支持されることを特徴とする、請求項８に記載の発電所。
17. 前記タービンロータが、磁気ベアリングによって前記ステータに対して軸方向に支持され、従来のベアリングによって半径方向に支持されることを特徴とする、請求項８に記載の発電所。
18. 前記リング形状ハブの前記回転軸から前記磁気ベアリングの力転送面の中央の領域までの最短距離が、前記リング形状ハブの前記回転軸から前記リング形状ハブの側部断面の中立軸までの距離よりも短いことを特徴とする、請求項９から１５のいずれか一項に記載の発電所。
19. 前記リング形状ハブ（６）を貫通し、前記リング形状ハブの前記回転軸に垂直な面から外への曲げに対する前記リング形状ハブの曲げ剛性が、同一面から外への曲げに対する前記ステータの曲げ剛性より大きいことを特徴とする、請求項９から１８いずれか一項に記載の発電所。
20. 前記リング形状ハブ（６）を貫通し、前記リング形状ハブの前記回転軸に垂直な面から外への曲げに対する前記リング形状ハブの曲げ剛性が、同一面から外への曲げに対する前記ステータの曲げ剛性の少なくとも２倍であることを特徴とする、請求項９から１９のいずれか一項に記載の発電所。
21. 風力発電所または水力発電所における、請求項１から７のいずれかによる前記タービンロータの使用。
22. 船舶の推進手段としての、請求項１から７のいずれかによる前記タービンロータの使用。

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