JP5260737B2 - 風車 - Google Patents

Description

本発明は、直接駆動発電機を有する風車に関する。

原理的には、風車の駆動構成に関して２つの主要なタイプの風車がある。第１のタイプの風車は、主軸と風車の発電機との間に配置されたギアボックスを有するより古典的なタイプの風車である。第２のタイプの風車は、直接駆動発電機または直接的に駆動される発電機を有するギアレスタイプである。このような直接駆動発電機は、風にさらされたロータを備えた、またはロータに取り付けられた永久磁石を備えた同期発電機として形成することができるか、または択一的なタイプの発電機として設計することができる。直接駆動発電機のタイプにかかわらず、発電機のロータとステータとの間の空隙の幅は、風車のロータ、主軸および直接駆動発電機の配列が荷重を受けた場合でさえも、風車と直接駆動発電機のそれぞれの運転中に一定に維持されるかまたは少なくとも所定の公差内に維持されることが望ましい。

したがって、直接駆動発電機を有する風車の駆動構成のための種々異なる軸受け配列が発展させられた。現在に至るまで、直接駆動発電機の古典的な軸受け配列は、２軸受け配列である。この場合、風車のロータに結合された発電機のロータが、２つの軸受けによって、定置の内側軸または位置固定された内側軸に向かって支持されている。ステータは一方の側において定置の内側軸に取り付けられている。これにより、ロータは、定置の内側軸の周囲でステータに対して回転することができる。このような設計を備えた風車は、たとえば、欧州特許出願公開第１６４１１０２号明細書および米国特許第６４８３１９９号明細書に記載されている。このような設計の欠点は、ステータの片側支持により、特に発電機構造全体が重力および慣性質量だけではなく不均衡な磁気的引っ張りをも受けた場合に、ステータの支持されていない側において、空隙の幅を少なくともほぼ一定に維持することが困難になることである。この欠点を軽減するために、このような２軸受け配列を備える直接駆動発電機は、ステータの比較的に大きな曲げモーメントを吸収することができる大きくかつ重いステータ支持構造を必要とする。このようなステータ支持構造は、たとえば国際公開第０２／０５４０８号パンフレットに記載されており、この場合、ステータ支持構造は、多数の支持アームを備える支持構造を有している。

択一的な設計では、上記２軸受け配列は、定置の内側軸に取り付けられた定置の内側軸受け部分と、直接駆動発電機のロータを支持する回転する外側軸受け部分とを備えた１つの軸受けによって代替される。１つの軸受けを備える直接駆動発電機を有する風車は、米国特許出願公開第２００６／０１５２０１４号明細書および国際公開第０２／０５７６２４号パンフレットに開示されている。しかし、２軸受け配列を１つの軸受けにより代替することは、片側で支持されたステータ構造の欠点を実質的に変更していない。

いくつかの別の解決手段では、定置の内側軸のコンセプトは、回転軸のコンセプトによって代替される。発電機のステータは、回転軸のコンセプトに従って、両側において支持されているので、発電機のロータとステータとの間の空隙の幅を少なくともほぼ一定に維持することがより容易である。回転軸のコンセプトには２つの公知の態様がある。第１には、２軸受け配列を備える態様であり、第２には４軸受け配列を備える態様である。

２軸受け配列によれば、発電機の軸受けは、風車のための主軸の軸受けとして作用し、この主軸は風車のロータに結合されている。ステータ構造は、主軸に向かって支持されていて、風車の台板に取り付けられている。このような設計を有する風車は、米国特許第７１１９４５３号明細書および国際公開第０３／０２３９４６号パンフレットに開示されている。この設計の欠点は、ステータ構造が、風車ロータの全ての荷重、つまり風車ロータの重量と、全ての非対称な空気力学的な荷重とを、空隙の幅を所要の公差内で維持するために吸収して伝達するように寸法設計される必要があることである。大型の風車では、これは極めて重くかつ高価なステータ構造につながる。

４軸受け配列では、一方の端部において風車のロータに結合された風車の主軸は、当該主軸の２つの軸受けにより支持されていて、他方の端部において直接駆動発電機を支持している。直接駆動発電機は、ステータ内でロータをセンタリングするための２軸受け配列を有している。このような風車の例は、米国特許第６７８１２７６号明細書に記載されている。この主軸が取り付けられた構成では、発電機のステータは、発電機のロータによって支持されており、トルクは発電機からトルクアーム装置を介して風車の台板に伝達される。このトルクアーム装置は、主軸、つまり発電機構造と、風車の台板との間の小さな不整合を許容することができるように、たとえばゴムエレメントにより与えられるある程度の可撓性を備えている必要がある。ロータにおけるステータの両側支持は、比較的に軽量のステータ構造を可能にする。この設計の主な欠点は、合計４つの軸受けが要求されることであり、全トルクが少なくとも部分的にこれらの軸受けを通過しなければならないことである。大型の風車にとって、このことは、比較的に大きくかつ高価な軸受けであることを意味する。さらに、大型の風車のためには、トルクアーム装置は比較的に頑丈で重い構造になる。

米国特許第４２９１２３５号明細書には、風車のための別の軸受け配列が開示されている。風車は、定置の軸と、内側ステータおよび外側ロータを備える直接駆動発電機とを有している。内側ステータは、定置の軸上に配置されている。外側ロータは、風車のハブに結合されており、このハブは、前側では前側軸受けにより定置の軸に結合されており、後側では後側軸受けにより定置の軸に結合されている。したがって、軸受け配列は、許容荷重に関して最適化されていない。

本発明の課題は、冒頭で述べた形式の風車を改良して、単純化された設計と、改善された許容荷重とを備えるようにすることである。

この課題を解決するために、本発明による構成では、内側のステータ集合体および外側のロータ集合体を備える直接駆動発電機と、中心軸線（Ａ）を備える定置の軸とを有する風車であって、ステータ集合体が、定置の軸の外側に配置されており、ロータ集合体が、実質的にステータ集合体の周囲に配置されていて、該ロータ集合体の前側で主軸受けに定置の軸上によって少なくとも間接的に支持または配置されていて、該ロータ集合体の後側で支持軸受けによって定置の軸上に少なくとも間接的に支持または配置されている形式のものにおいて、主軸受けおよび／または支持軸受けが、４点軸受けであるようにした。本発明によれば、ステータ集合体とロータ集合体とは両方とも、発電機と風車とのそれぞれの運転中の空隙の幅の維持に関する利点を備える両側支持を有している。したがって、特にステータ集合体を、片側支持構造に比べて比較的軽量に設計することができる。ロータ集合体は、実質的にステータ集合体の周囲に配置されていて、前側および後側で軸受けによって支持されている。主軸受けおよび／または支持軸受けは、既に述べたように、４点軸受けである。４点軸受け、特に４点ころ軸受けは、通常、その外輪および内輪に２つの円弧状の軌道を有しており、この軌道の湾曲の中心がずらされているので、半径方向の負荷時に軸受けエレメントが軌道に４点で接触する。４点軸受けの接触角は比較的に大きい。したがって、このような軸受けは、定置の軸の中心軸線の両方の方向で高い軸方向荷重を伝達することができる。このようにして、特に４点軸受けに関連して改善された許容荷重を有する風車の簡略化された設計が達成される。

上述の主４点軸受けおよび／または支持４点軸受けを有する軸受け配列は、２つの軸受けのように作用する４点軸受けに基づいて、少なくとも３軸受け配列の特性を備えている。このような３軸受け構造は、時として不静定である場合がある。組付け公差に基づく不整合または定置の軸および／または発電機全体への重力または外部荷重の結果として生じる変形がある場合、風車の軸受けの間の不均一な荷重分布につながる可能性があり、この不均一な荷重分布は早期の軸受け故障を引き起こす恐れがある。

したがって、ロータ集合体は、本発明の実施形態によれば、ロータ支持構造の一部として前側エンドプレートを有している。この前側エンドプレートは、主軸受けによって定置の軸上に少なくとも間接的に支持または配置されている。したがって、前側エンドプレートは、特に、ハブが主軸受けによって定置の軸に対して支持されている場合に、このハブに取り付けられていてよい。前側エンドプレートは、定置の軸の中心軸線に対してほぼ垂直に配置され、かつ／または少なくとも部分的に、定置の軸の中心軸線の方向で、適度に可撓性であると有利である。したがって、３軸受け配列の不静定の潜在的な問題は、本発明のこの実施形態では、ロータ集合体の前側エンドプレートの、定置の軸の中心軸線の方向での十分な可撓性を設定することにより排除することができる。これにより、前側エンドプレートは、空隙を維持するためにロータ集合体を半径方向で実質的に堅固に支持するが、たとえば大きな抵抗なしに定置の軸の曲げを可能にするために容易に撓む膜として作用する。

本発明の別の実施形態では、前側エンドプレートは環状のエンドプレートであり、特にほぼ平坦である。有利には、前側エンドプレートは、鋼またはガラス繊維から成っている。本発明のさらに別の実施形態によれば、前側エンドプレートは約１５ｍｍ〜５０ｍｍ、有利には２０〜３０ｍｍの厚さを有している。したがって、前側エンドプレートは、たとえば前側エンドプレートの材料および／または構造に関連して、前側エンドプレートが比較的に小さい曲げ剛性を有しているような寸法設計を有している。前側エンドプレートは、たとえば定置の軸が撓みによって僅かに変位させられた場合に単に受動的に撓む一方で、同時に空隙の幅を維持している。

本発明の別の実施形態では、ロータ集合体が環状かつほぼ平坦な後側エンドプレートを、ロータ支持構造の一部として有している。この環状の後側エンドプレートは、支持軸受けによって定置の軸に少なくとも間接的に支持または配置されている。本発明の別の実施形態によれば、後側エンドプレートは、鋼またはガラス繊維から成っている。

本発明のさらに別の実施形態によれば、ロータ集合体は、中空円筒状のエレメントをロータ支持構造の一部として有している。通常、この中空円筒状のエレメントは、前側および後側のエンドプレートを互いに接続している。

本発明の別の実施形態では、ロータ集合体が少なくとも１つの永久磁石を有している。典型的には、複数の永久磁石が中空円筒状のエレメントの円筒状の内面に配置されている。

本発明の別の実施形態では、ステータ集合体が、定置の軸に少なくとも間接的に取り付けられたステータ支持構造と、当該ステータ支持構造上に配置された少なくとも１つの巻線を有する少なくとも１つの積層体（積層鉄心）とを有している。巻線を有する積層体は、ロータ集合体の永久磁石と向き合って、この永久磁石との間に空隙を備えながら配置されている。通常、この間隙は、約５ｍｍのほぼ一定の幅を有している。

本発明の変化形では、定置の軸は少なくとも間接的に風車の台板上に配置されている。有利には、定置の軸が、台板上に配置された保持装置に取り付けられている。

以下に本発明を、本発明による風車の一部を示す概略図を参照しながらより詳しく説明する。

風車１のタワー３の風上側に配置された直接駆動発電機２を有する、本発明による風車１の１つの実施形態を概略的に示す図である。

タワーフランジ４は、タワー３の頂部に配置されている。台板５はタワーフランジ４に取り付けられている。風車１は、明示されていない形式で、風車１の台板５を、タワー３の軸線Ｙを中心として、風車１の台板５に直接的にまたは間接的に取り付けられた別の構成要素と一緒に回転させるためのヨー・システムを有している。

風車１は、中心軸線Ａを備える定置の軸６を有している。この定置の軸６の後側は、台板５に取り付けられた保持装置７に取り付けられている。定置の軸の前側には、直接駆動発電機２のステータ集合体８が配置されている。このステータ集合体８は、ステータ支持構造９と、巻線１１を備える積層体（積層鉄心）１０とを有している。ステータ支持構造９は、本発明のこの実施形態の場合、積層体１０を両側で支持するための２つの支持エレメント１２を有している。本発明の本実施例の場合、これらの支持エレメント１２は、定置の軸６の外側に取り付けられた、たとえばボルト締結された環状の支持エレメント１２である。環状の支持エレメント１２は、コンパクトであるか、またはスポークまたはスポーク構造を有していてよい。一種の中空円筒状の支持エレメント１３が、環状の支持エレメント１２の外端部に取り付けられている。この中空円筒状の支持エレメント１３は、巻線１１を備えた環状の積層体１０を支持している。積層体１０は、それぞれ少なくとも１つの巻線１１を有する積層体セグメントにより形成された環状セグメントを有している。これらのセグメントは全体として積層体１０を形成している。

ロータ集合体１４は、実質的にステータ集合体８の周囲に配置されている。本発明のこの実施形態の場合、ロータ集合体１４は、環状の前側エンドプレート１５と、環状の後側エンドプレート１６と、中空円筒状のエレメント１７を有している。この中空円筒状のエレメント１７は、環状の前側エンドプレート１５と環状の後側エンドプレート１６とを互いに接続している。中空円筒状のエレメント１７は、その内側に、積層体１０にほぼ向かい合って配置された複数の永久磁石１８を有している。約５ｍｍの幅を有する空隙１９が、永久磁石１８と積層体１０との間に配置されている。

本発明の本実施例の場合、環状の前側エンドプレート１５は、４点軸受け２０によって定置の軸６に間接的に配置されている。この４点軸受け２０は、中心軸線Ａの両方の方向で、大きな軸方向荷重を伝達することができる。適切な４点軸受けは、たとえば、ドイツ連邦共和国実用新案第２０１１６６４９号明細書に開示されている。４点軸受け２０の定置の部分２１は定置の軸６に取り付けられている。４点軸受け２０の回転可能な部分２２は、本発明のこの実施形態の場合、組付けリング２３に結合されている。前側エンドプレート１５および風車１のハブ２４は、組付リング２３に取り付けられていて、たとえばたとえばボルト締結されている。ところで、このハブ２４は、図示されていないが公知の３つの風車ロータブレードのための３つの組付け装置２５を有している。

環状の後側エンドプレート１６は、支持軸受けと呼ばれる別の４点軸受け２６によって定置の軸６に取り付けられている。つまり、ロータ集合体１４は、両側支持を有している。さらにロータ集合体１４は、ハブ２４と一緒にステータ集合体８に対して回転することができる。この場合、特に永久磁石１８は、発電のために積層体１０に対して回転する。

２つの４点軸受け２０および２６を有する軸受け配列が不静定である状況を回避するために、ロータ集合体１４の前側エンドプレート１５は、中心軸線Ａの方向で十分な可撓性を有している。これによって、前側エンドプレート１５は、空隙１９の幅を維持するためにロータ集合体１４を半径方向で実質的に堅固に支持するが、たとえば大きな抵抗なく定置の軸６の曲げを許容するために容易に撓む膜として作用する。前側エンドプレート１５は、この前側エンドプレート１５が、比較的に小さな曲げ剛性を有しているように寸法設計されている。前側エンドプレート１５は、たとえば定置の軸６が撓みにより僅かに変位させられた場合に単に受動的に撓む。したがって、定置の軸６の曲げが生じた場合、前側エンドプレート１５は中心軸線Ａの方向に曲がって、この場合、空隙１９の幅はほぼ一定に維持されるか、または所望の公差内に維持される。

前側エンドプレート１５は、典型的には鋼またはガラス繊維から成っていて、約１５ｍｍ〜５５ｍｍ、有利には２０ｍｍ〜３０ｍｍの厚さを有している。ロータ集合体１４の後側エンドプレート１６も、鋼またはガラス繊維から成っていてよい。通常、後側エンドプレート１６は、前側エンドプレート１５よりも大きな厚さを有している。

この軸受け配列は、軽量で比較的に単純かつ廉価な設計の他にも、風車の既存の設計に勝る付加的な利点を有している。すなわち、この軸受け配列は、特に直接駆動発電機２がタワー３の風上側に位置している場合に、良好に規定されたシール装置のための前提条件を提供する。したがって、発電機２のほぼ完全な閉鎖を得ることが容易であり、このことは、特に沖合または問題のあるその他の環境での使用のために重要である。

ところで、風車１は、通常はナセルと呼ばれるハウジングＨを有している。

さらに、両軸受け、つまり主軸受け２０および支持軸受け２６が４点軸受けであることは必須ではない。主軸受け２０のみ、または支持軸受け２６のみが４点軸受けであることも可能である。

Claims (13)

1. 内側のステータ集合体（８）および外側のロータ集合体（１４）を有する直接駆動発電機（２）と、
   中心軸線（Ａ）を有する定置の軸（６）と
   を有する風車であって、
   ステータ集合体（８）が、定置の軸（６）の外側に配置されており、
   ロータ集合体（１４）が、ステータ集合体（８）の周囲に配置されていて、かつ該ロータ集合体（１４）の前側で主軸受け（２０）によって定置の軸（６）上に直接または間接的に支持されており、該ロータ集合体（１４）の後側で支持軸受け（２６）によって定置の軸（６）上に直接または間接的に支持されている形式のものにおいて、
   主軸受け（２０）または支持軸受け（２６）の少なくともいずれかが、４点軸受け（２０，２６）であり、
   ロータ集合体（１４）が、主軸受け（２０）によって定置の軸（６）上に直接または間接的に支持された前側エンドプレート（１５）を有しており、前側エンドプレート（１５）の少なくとも一部が、定置の軸（６）の中心軸線（Ａ）の方向で可撓性を有する
   ことを特徴とする、風車。
2. 前側エンドプレート（１５）が、環状のエンドプレートである、請求項１記載の風車。
3. 前側エンドプレート（１５）が、鋼またはガラス繊維から成っている、請求項１または２記載の風車。
4. 前側エンドプレート（１５）が、１５ｍｍ〜５０ｍｍの厚さを有している、請求項２から３までのいずれか１項記載の風車。
5. ロータ集合体（１４）が、支持軸受け（２６）によって定置の軸（６）上に直接または間接的に支持された後側エンドプレート（１６）を有している、請求項１から４までのいずれか１項記載の風車。
6. 後側エンドプレート（１６）が、環状のエンドプレートである、請求項５記載の風車。
7. 後側エンドプレート（１６）が、鋼またはガラス繊維から成っている、請求項５または６記載の風車。
8. ロータ集合体（１４）が、中空円筒状のエレメント（１７）を有している、請求項１から７までのいずれか１項記載の風車。
9. 中空円筒状のエレメント（１７）が、前側エンドプレート（１５）と、後側エンドプレート（１６）とを互いに接続している、請求項８記載の風車。
10. ロータ集合体（１４）が、少なくとも１つの永久磁石（１８）を有している、請求項１から９までのいずれか１項記載の風車。
11. ステータ集合体（８）が、ステータ支持構造（９，１２，１３）と、当該ステータ支持構造（９，１２，１３）上に配置された少なくとも１つの巻線（１１）を備える少なくとも１つの積層体（１０）とを有している、請求項１から１０までのいずれか１項記載の風車。
12. 定置の軸（６）が、当該風車（１）の台板（５）上に直接または間接的に配置されている、請求項１から１１までのいずれか１項記載の風車。
13. 定置の軸（６）が、台板（５）上に配置された保持装置（７）に取り付けられている、請求項１２記載の風車。

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