JP5306458B2 - 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開発された。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。

したがって、本発明の課題は、冒頭で述べた形式の風車を改良して、好適には風車の設計を単純化しかつ廉価にすることである。

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た直接駆動発電機と、定置の外側軸と、中心軸線を備える回転可能な内側軸とを有する風車において、少なくとも２つの主軸受けが、回転可能な内側軸を定置の外側軸の内側で支持しており、ステータ集合体が、定置の外側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、かつ該ロータ集合体の前側で、回転可能な内側軸および／または風車のハブに少なくとも間接的に取り付けられているようにした。本発明は、直接駆動発電機を備える風車の新しいコンセプトを追求する。この場合、ステータ集合体は、定置の外側軸の外側に、かつ風車の定置の外側軸の周囲にそれぞれ配置されている。これにより、比較的に単純な形で、空隙の幅の維持とステータ集合体全体の軽量設計とに関して利点を有する、ステータ集合体の両側支持が可能になる。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、ロータ集合体の前側で、回転可能な内側軸、ハブまたは内側軸とハブとの両方に少なくとも間接的に取り付けられており、回転可能な内側軸は、通常、定置の外側軸内で２つの主軸受けによって支持されている。このようにして、コンパクトかつ比較的に軽量な、単純化された廉価な設計が達成されている。

本発明の１つの実施形態によれば、ロータ集合体の後側が、支持軸受け、つまり第３の軸受けによって定置の外側軸に少なくとも間接的に接続されている。このようにして、ロータ集合体も両側支持を有している。これによって、発電のために互いに向き合って配置されたステータ集合体とロータ集合体との間、特にステータ集合体のエレメントと、ロータ集合体のエレメントとの間の空隙のほぼ一定の幅の所要の維持が少なくとも単純化される。このような形式で、ロータ集合体およびステータ集合体の両側支持が、上述の回転軸コンセプト、特に４軸受け配列と比べて、１つの軸受けを節減しつつ達成される。したがって、風車の設計は単純化され廉価である。

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回転可能な内側軸、定置の外側軸および／または直接駆動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３つ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。

それゆえに、本発明の１実施形態によれば、ロータ集合体が、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、回転可能な内側軸、風車のハブまたは内側軸およびハブの両方に少なくとも間接的に取り付けられている。前側エンドプレートが、実質的に回転可能な内側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、回転可能な内側軸の中心軸線の方向で、適度に可撓性を有していると有利である。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、回転可能な内側軸の中心軸線の方向でのロータ集合体の前側エンドプレート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回転可能な内側軸と定置の外側軸と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な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、たとえば回転可能な内側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特に平坦な後側エンドプレートを有している。この後側エンドプレートは、支持軸受けまたは第３の軸受けにより定置の外側軸に少なくとも間接的に接続されている。本発明の別の実施形態によれば、後側エンドプレートも、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有している。一般に、この中空円筒状のエレメントは前側エンドプレートと後側エンドプレートと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、定置の外側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つの巻線を備える少なくとも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、この空隙は、約５ｍｍのほぼ一定の幅を有している。

本発明の別の実施形態では、定置の外側軸は、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、定置の外側軸が、台板上に配置された保持装置に取り付けられている。

本発明の別の実施形態では、支持軸受けが、４点軸受けである。このような４点軸受けは、両方の軸方向で高い軸方向荷重を伝達することができ、したがって本発明の３軸受け配列を可能にする。

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、定置の外側軸６を有している。この定置の外側軸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。定置の外側軸６の前側に、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、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。本発明のこの実施形態の場合、支持エレメント１２は、定置の外側軸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。

中心軸線Ａを有する回転可能な内側軸１４は、定置の外側軸６の内側に配置されており、２つの主軸受け１５，１６によって、定置の外側軸６に対して回転可能に支持されている。本発明のこの実施形態では、中心軸線Ａは、回転可能な内側軸１４と、定置の外側軸６との共同の中心軸線である。ハブ１７は、回転可能な内側軸１４の前端部に、たとえばボルトにより結合されている。ハブ１７は、３つの風力ロータブレード（詳細には図示しないが、十分に知られている）のための３つの組付け装置１８を有している。つまり、回転可能な内側軸１４は、ハブ１７と一緒に回転することができる。

ロータ集合体１９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１９は、環状の前側エンドプレート２０と、環状の後側エンドプレート２１と、中空円筒状のエレメント２２とを有している。この中空円筒状のエレメント２２は、環状の前側エンドプレート２０と環状の後側エンドプレート２１とを互いに接続している。この中空円筒状のエレメント２２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２３を有している。約５ｍｍの幅を有する空隙２４は、永久磁石２３と積層体１０との間に配置されている。

本発明のこの実施形態の場合、環状の前側エンドプレート２０は、ハブ１７と回転可能な内側軸１４とに結合されていて、たとえばボルト締結されている。環状の後側エンドプレート２１は、第３の軸受け、いわゆる支持軸受け２５により、定置の外側軸６に接続されている。したがって、ロータ集合体１９も、両側支持を有している。さらに、ロータ集合体１９は、ハブ１７と、回転可能な内側軸１４と一緒に回転することができ、特に、永久磁石２３は、発電のために積層体１０に対して相対的に回転する。

２つの主軸受け１５，１６と、１つの支持軸受け２５とを有する３軸受け配列が不静定である状況を防ぐために、ロータ集合体１９の前側エンドプレート２０が、中心軸線Ａの方向で十分な可撓性を有している。したがって、前側エンドプレート２０は、空隙２４の幅を維持するためにロータ集合体１９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回転可能な内側軸１４と定置の外側軸６と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２０は、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２０は、たとえば回転可能な内側軸１４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、主軸受け１５，１６を用いて互いに接続された回転可能な内側軸１４と定置の外側軸６との曲げが生じた場合、前側エンドプレート２０は中心軸線Ａの方向に曲がって、この場合、空隙２４の幅は、ほぼ一定に維持されるか、または要求された公差内に維持される。

前側エンドプレート２０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１９の後側エンドプレート２１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２１は、前側エンドプレート２０よりも大きな厚さを有している。

本発明の１つの実施形態では、支持軸受けは、中心軸線Ａの両方向で高い軸方向荷重を伝達することができる４点軸受けである。

第３の軸受け配列は、軽量で、比較的に単純な、かつ廉価な設計の利点の他に、風車の既存の設計に勝る付加的な利点を有しており、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のほぼ全体的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環境での使用のために重要である。

ところで、上記の風車１は通常、ナセルと呼ばれるハウジングＨを有している。

Claims (14)

1. 内側のステータ集合体（８）および外側のロータ集合体（１９）を備える直接駆動発電機（２）と、
   定置の外側軸（６）と、
   中心軸線（Ａ）を有する回転可能な内側軸（１４）と
   を有する風車であって、
   少なくとも２つの主軸受け（１５，１６）が、前記回転可能な内側軸（１４）を前記定置の外側軸（６）の内側で支持しており、
   前記ステータ集合体（８）が、前記定置の外側軸（６）の外側に配置されており、
   前記ロータ集合体（１９）が、前記ステータ集合体（８）の周囲に配置されていて、かつ前記ロータ集合体（１９）の前側で、前記回転可能な内側軸（１４）または風車（１）のハブ（１７）の少なくともいずれかに直接または間接的に取り付けられていて、前記ロータ集合体（１９）が、前側エンドプレート（２０）を有しており、該前側エンドプレート（２０）が、前記回転可能な内側軸（１４）または風車（１）の前記ハブ（１７）の少なくともいずれかに直接または間接的に取り付けられており、前記前側エンドプレート（２０）の少なくとも一部が、前記回転可能な内側軸（１４）の前記中心軸線（Ａ）の方向で可撓性を有することを特徴とする、風車。
2. 前記ロータ集合体（１９）の後側が、支持軸受け（２５）によって前記定置の外側軸（６）に直接または間接的に接続されている、請求項１記載の風車。
3. 前記前側エンドプレート（２０）が、環状のエンドプレートである、請求項１または２記載の風車。
4. 前記前側エンドプレート（２０）が、鋼またはガラス繊維から成っている、請求項１から３までのいずれか１項記載の風車。
5. 前記前側エンドプレート（２０）が、１５ｍｍ〜５０ｍｍの厚さを有している、請求項１から４までのいずれか１項記載の風車。
6. 前記ロータ集合体（１９）が、環状の後側エンドプレート（２１）を有しており、該後側エンドプレート（２１）が、支持軸受け（２５）によって、前記定置の外側軸（６）に直接または間接的に接続されている、請求項１から５までのいずれか１項記載の風車。
7. 前記後側エンドプレート（２１）が、鋼またはガラス繊維から成っている、請求項６記載の風車。
8. 前記ロータ集合体（１９）が、中空円筒状のエレメント（２２）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. 前記中空円筒状のエレメント（２２）が、前記前側エンドプレート（２０）と前記後側エンドプレート（２１）とを互いに接続している、請求項８記載の風車。
10. 前記ロータ集合体（１９）が、少なくとも１つの永久磁石（２３）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. 前記ステータ集合体（８）が、ステータ支持構造（９，１２，１３）と、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. 前記定置の外側軸（６）が、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. 前記定置の外側軸（６）が、前記台板（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。
14. 前記支持軸受け（２５）が４点軸受けである、請求項２または６記載の風車。

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