JP5453439B2 - リング状発電機 - Google Patents

Description

本発明は、風力発電設備におけるリング状発電機に関する。また、本発明は、風力発電設備を制御する方法に関し、さらに、本発明は、風力発電設備に関する。

風力発電設備は、風から取り出した機械仕事を発電機を用いて電気エネルギーに変換する。その点に関して、リング状発電機は、ゆっくり回転する発電機であって、発電機のロータとロータブレードを有する機械的ロータ組立体との間の伝達部を用いずに運用する発電機である。そのため、リング状発電機は、複数の極を有する。極の数は、２０から８４極の及びそれを超える大きさのオーダーからなることがある。その点に関して、リング状発電機は、その軸方向の大きさと比較して比較的大きい直径からなる。例えば、公称電力が７メガワットの現代の風力発電機におけるリング状発電機は、空隙において約１０ｍの直径からなる一方、軸方向における空隙の大きさは、１ｍ程度である。その点に関して、公知のように、空隙は、発電機のステータとロータとの間の中間スペースである。ロータ及び／またはステータは、ほぼリング状であり、この形状は、これをリング状発電機として識別する理由と考えられる。

風力発電機のリング状発電機におけるロータの回転速度が遅く、この速度が公称回転速度として約５回転／分から約５０回転／分、特に１０回転／分から３０回転／分の範囲であるので、ロータに機械的に固定して接続されたプロペラによる自己冷却は、問題外であるまたは少なくともほとんど効果的でない。これと比較して、ステップアップ伝達部(step-up transmission)と共に風力発電設備において使用され、数千回転／分程度の公称回転速度を伴う他の発電機に注意が向けられている。このような発電機に関する解決法は、ゆっくり回転するリング状発電機に適用できない。

特許文献１は、外部ロータの形態にある伝達部なく風力を変換する発電機を開示している。発電機において全体的に磁気的に動作可能な部分は、風力発電設備のポッドの外側に配置されている。外部ロータは、冷却のために特に提案されており、ロータは、径方向から見るとステータの外側に配置されている。支持腕部は、ステータ内に配置された取付部から外部に配置されたロータまで延在する。ロータのこれら支持腕部は、同時にファンの形態をなしており、冷却空気をステータの冷却経路内に搬送する。しかしながら、このような構造は、過剰に複雑であり高価である。

内部ロータの形態にあるリング状発電機を有する風力発電設備に関する特許文献２は、ポッド内に、ポッド筐体内にあるファンによってリング状発電機の空隙を通して空気を推進させることを提案しており、これにより、リング状発電機を冷却する。

技術的なさらなる一般的な状態として、注目は、以下の特許文献１、特許文献３〜８を対象としている。

リング状発電機の冷却を増大させるため、ステータ、特にステータリングは、水冷されるように、特に水の流動を案内するように作成されている。しかしながら、これに関する欠点は、水冷を使用することが基本的にステータリングのような金属品を腐食させる危険性を伴うことである。

独国特許出願公開第１０９３６５９１号明細書 独国審査済公告第１０２００４０４６７００号明細書 独国特許出願公開第１０２４６６９０号明細書 独国特許出願公開第６００２１４９２号明細書 独国審査済公告第１９６０８２８６号明細書 独国特許出願公開第６００２９９７７号明細書 欧州特許出願公開第１８３７５１９号明細書 独国特許出願公開第１０２３３９４７号明細書

したがって、本発明の目的は、できるだけリング状発電機を改良することであり、特に、リング状発電機の冷却をより強化するかつ／もしくはより効率よくすること、または少なくとも代替のリング状発電機を提案することである。

したがって、本発明によれば、請求項１で規定されるようなリング状発電機を提案する。風から取り出した機械仕事を電気エネルギーに変換する風力発電設備のこのようなリング状発電機は、ステータと、ステータに対して回転軸回りで回転可能に取り付けられたロータと、を有する。リング状発電機に関連して、用語「ロータ」は、基本的に３つのロータ組立体ハブと少なくとも１つ、たいていは３つのロータブレードとから形成される風力発電設備の機械的ロータ組立体との混同を廃除して本明細書で使用される。用語「ロータ」の使用は、使用する発電機のタイプに参照を全くもたらさないことを意図している。しかしながら、好ましくは、同期発電機を使用する。

ステータは、実質的に、ステータ巻線を有する積層型コアを受ける周方向に延在するステータリングを有する。ステータに対するロータの回転運動は、積層型コアに交番磁界を発生させ、この交番磁界は、順に、ステータ巻線に電流の流動を引き起こし、この結果、損失に起因してステータの温度を増大させる。

ステータリングは、空気流によってステータを冷却する冷却経路を有する。このため、さらなる空冷をもたらす。このような冷却経路は、能動的な冷却のため及び受動的な冷却のためまたは双方の組合せのために設けられている。したがって、能動的な冷却の場合、人工的な空気流を冷却する目的で発生させる。

本発明によれば、リング状発電機は、内部ロータの形態をなす。したがって、ロータは、ステータ内で回転する。例えば、ロータとステータとの間の空隙は、ほぼ短い円筒殻の形態をなす。また、これには、空隙が軸方向において直径が若干減少または増大し、このため円錐の一部と同じである配置を含む。特に、その点に関して、ロータは、径方向でステータ内にあるリングの形態をなして配置されており、このステータは、同様に、リングの形態をなしている。ステータは、外側リングの形態で固定して配置されている。

好ましくは、少なくとも一部の冷却経路は、強制的な空気流によって能動的に冷却するために設けられており、代替的にまたは同時に、一部の冷却経路は、風によって受動的に冷却するために設けられている。特に、空気流を生成するデバイスが設けられており、能動的な冷却のための当該冷却経路は、当該空気流の流入及び流出開口部を有する。好ましくは、一部の冷却経路は、能動的な冷却のために、他の冷却経路は、受動的な冷却のために設けられている。

さらに、リング状発電機を冷却するためにステータ及び／またはロータを通ってかつ／またはステータ及び／またはロータに沿って能動的な空気流を形成するために圧力を増大または減少させることに関与する圧力チャンバを形成するために、ステータに接続されるステータベルが提案されている。このため、このようなステータベルは、リング状発電機及びこの隣接するものに近接する領域を囲み、この領域において、増大した空圧を生成し、この空気は、リング状発電機の所定部分を通って、特にステータリングの冷却経路を通ってかつ／または空隙を通って出て、冷却空気流を生成する。ステータベルは、ステータを固定するための周方向に延在する、特に円形の固定部分を有する。他の態様において、ステータベルの正確な形状は、基本的に重要な検討事項ではない。

一形態において、ステータリングは、回転軸に関して、能動的な冷却のための内側リング状部分と受動的な冷却のための外側リング状部分とを有し、ステータベルは、内側リング状部分のみがそこを流動する能動的な冷却空気流を有するようにステータリングに固定されている。特に、ステータベルは、径方向に関して、内側及び外側リング状部分間にある円形固定部分に固定されている。このため、内側リング状部分は、ステータベル内にほぼ配置され、これにより、ステータベルの圧力チャンバに露出される一方、外側リング状部分は、ステータベルの外側に配置される。このため、ステータベル内の圧力チャンバを通って生成された空気流は、内側リング状部分のみに到達する。

他の態様において、指摘することは、基本的に、リング状発電機の開口部を通ってステータベルに向けて空気を吸引するために、同様に、空圧の低減をステータベル内で生成することである。

好ましくは、ステータベルは、ステータ巻線を有する積層型コアを支持するステータリングを支持するように設けられている。この場合、ステータベルは、ステータリングに及び風力発電設備の機械支持部に固定される。この場合、ステータリングは、ステータベルを用いて機械支持部に固定されている。しかしながら、他の態様において、ステータベルは、ベル状構造に限定されず、一般的なカウリング形状(cowling form)などを想定してもよい。

さらなる構造において、ファンを有する少なくとも１つのファン開口部は、ステータベルに設けられている。リング状発電機を冷却するためにステータ及び／またはロータを通ってかつ／またはステータ及び／またはロータに沿って空気流を生成するために、このようなファンによって空気を圧力チャンバ内に吹き込む。あるいは、このようなファンは、反対方向の空気流を生成するために、圧力チャンバに空圧の低減をもたらす。２以上のファンは、ステータベルに均等に設けられている。

好ましくは、一部またはすべての冷却経路は、回転軸に関して軸方向に延在する。このため、リング状発電機は、少なくとも部分的に、軸方向における冷却空気流に備えている。

好ましくは、複数の冷却経路は、回転軸の周囲に同心円上に配置されており、少なくとも１つのリング状冷却領域を形成する。

さらなる形態において、リング状発電機は、ステータリングが回転軸に関して径方向で内側の及び外側の並びに選択的に中央の安定させる支持リングを有し、円形冷却領域が２つの支持リング間に形成されていることを特徴とする。このため、ステータリングは、安定領域及び冷却領域に分割される。少なくとも２つの支持リング間には、基本的に同様にリング状冷却領域がある。また、中央支持リングを使用する場合、２つのリング状冷却領域、すなわち中央及び外側支持リングの間にある一方または中央及び内側支持リング間にある他方を形成することが可能となる。支持リングそれぞれは、ほぼ中実である。また、積層型コアまたは良好な磁気導体である他の領域は、内側支持リングに固定されている。

上記２つまたは３つ支持リングは、この場合において好ましくはかつ特に、例えば成型によって一部品からそれら間に配置された冷却領域を有して共に製造される。支持リング部分と称される支持リングは、ステータリングの十分な剛性をもたらすことを意図している。中央安定支持リングを使用する場合、ステータベルは、望ましくは、中央安定支持リングに固定され、これにより、ステータリングは、ステータベルによって支持される。この場合、ステータベルは、支持する目的で、中央支持リングにステータリングを係合させる。

３つの支持リングとそれら間に配置された２つの全体的にリング状をなす冷却領域とを使用することにより、異なる冷却ステージ及び温度範囲がもたらされる。内側リング状冷却領域は、積層型コア、したがって熱源に近接しており、相応する外側リング状冷却領域よりも相応に温度が高くなる。内側リング状冷却領域における高温に起因する応力は、外側リング状冷却領域によって吸収される。したがって、内側リング状冷却領域の場合において、大量の熱及び比較的大きな膨張を計上する必要がある一方、外側リング状冷却領域の場合において、小さい熱及び相応の小さい膨張を計上する。この場合、外側リング状領域は、内側リング状領域を保持し、場合によりその膨張を制限する。

一形態において、冷却領域の隣接する冷却経路が互いに隔壁部によって区画されており、隔壁部が隣接する安定支持リング間に接続肢部を形成すること、及び／または、２つの隣接する支持リングが冷却リブによって互いに接続されること、を提案している。これにより、２つの隣接する安定支持リング間には、一方で当該支持リングに接続すると同時に冷却経路を分割する所定構造が設けられる。このような接続構造または接続肢部は、同時に冷却リブの機能を果たす。これら内側冷却リブは、基本的に任意の所望構造からなってもよい。また、直線構造の他に、Ｓ字状、巻線状及び他の形状を想定してもよい。

望ましいことは、少なくとも１つの冷却領域における少なくとも１つ、好ましくはすべての冷却経路は、軸方向横断面で三角形状をなし、かつ／または、２つの隣接する冷却経路は、共に軸方向横断面で、平行四辺形状、特に菱形状をなし、かつ／または、冷却経路は、冷却経路の内側を向く少なくとも１つの冷却リブを有する。このような三角形状は、同時に安定的でもある単純な設計の実行可能な選択肢をもたらす。同様のことは、２つの冷却経路からなる菱形状にも適用され、これは、特に２つの三角形状の冷却経路を共に適切に適合させることによってもたらされる。冷却経路の内側に冷却リブを設けることにより、当該冷却経路を通る空気流による冷却を促進する。

さらなる形態において、ステータリングが分割され、特に２、３、４以上のほぼ対称な円弧部からなることを提案している。例えば、ステータリングは、３つの１２０℃の弧部からなる。このような弧部は、基本的に製造及び／または移送が容易である。特にステータリングが１０ｍ程度の直径である場合、分割することによって取り扱いを著しく単純化する。

一形態において、少なくとも冷却経路の領域において、ステータリングがアルミニウム及び／もしくはアルミニウム合金から作成される、並びに／または、所定材料から成型されていることを提案している。アルミニウムは、高熱伝導性を有し、したがって、好ましくは冷却経路の領域、このため冷却領域に設けられる。さらに、アルミニウムは、基本的に耐腐食性を有し、このため、湿った外気などと接触するように設けられている。合金は、特に熱伝導性、耐腐食性及び安定性に関する材料の特性に影響を及ぼすために使用される。

ステータリングまたはその領域は、好ましくは、所定材料から成型される。これは、具体的な経路構造及び他の形状を容易かつ再生可能に形成することを可能とすることを意図している。少なくとも冷却経路及び／または１以上の支持リングの領域において、当該部分の成型をもたらすことが可能である。また、分割することは、例えば９０°または１２０°の弧部のような個別の弧部を成型することによって達成する。

さらなる形態は、軸方向を向く流入開口部と少なくとも部分的に径方向外側を向く流出開口部とをそれぞれ有する受動冷却経路を設けることを提案している。このため、このような受動冷却経路は、例えば風によって径方向で流入流動を受け、これにより、風は、流入開口部内に流入し、同様に少なくとも部分的に径方向外側を向く受動冷却経路から流出する。吸引作用は、径方向外側を向く流出開口部によって実現される。受動冷却経路が流入及び流出開口部を有し、このため部分的に閉じた経路の形態をなすという事実は、ステータリングの安定性における増大をもたらす。概ね、流出開口部は、同様に、軸方向を向く。

このため、好ましくは、流出開口部は、吸引開口部として設けられる。好ましくは、この効果は、ステータリングが流出開口部の領域において軸方向の湾曲面を有することによって、さらに増大されるまたは促進される。このような凸面は、航空機の翼と同様に吸引作用を作り出し、このため、この効果は、出口開口部に作用して受動冷却経路を通る空気流を増大させる。

さらに、本発明において、請求項１７で規定する風力発電設備のリング状発電機を提案している。したがって、リング状発電機は、ステータ巻線を受けるステータリングと、ステータに対して回転可能に取り付けられたロータと、を有する。ステータベルがさらに設けられており、このステータベルは、ステータリングに接続され、リング状発電機を冷却するためにステータ及び／またはロータを通る空気流を形成するための増大したまたは減少した圧力を有する圧力チャンバを形成し、ステータベルは、ファンが設けられた少なくとも１つのファン開口部を有し、ファンは、運動機構を用いて移動可能に取り付けられている、または、急動(quick-action)クランプデバイスによって固定されおり、メンテナンスの目的で及び／または、人が通ることを可能とするために、ファン開口部を一時的に開口させる。このため、ステータベルは、ステータリングに固定されており、圧力の増大は、ステータ・ロータ配置の近傍にあるステータベル内の少なくとも１つのファンによって生成され、圧力の減少は、空冷流動の形態で外に出るまたはロータ・ステータ配置の開口部を通って、例えば空隙を通って流動する。ここで、ステータベルに並外れた開口部を設けることを避けるため、及びそれにもかかわらずロータ組立体−ステータ配置へのアクセスを形成するため、運動機構を用いて少なくとも１つのファンを移動可能に取り付ける。このため、このファンは、折り畳まれ、押しのけられ、もしくは回され、または他の方法で移動され、ステータベルにある対応するファン開口部は、その後、開放され、その結果、メンテナンスの目的で及び／または人が通ることを可能とするために、障害物がなくなる。当該ファン及びさらなるファンは、当然、このようなメンテナンスの目的で作動停止される。

好ましくは、運動機構は、回動機構の形態をなす。このため、ファンは、そのファン開口部から容易に離間するように回動され、それぞれの開口または閉塞位置で拘束されることのみを必要とする。

一形態において、リング状発電機は、ステータベルが風力発電設備の機械支持部に固定するための第１固定部分と、複数の支持部分、特に支持腕部と、を有し、この支持部分は、ステータリングに固定するために第２固定部分までそこから外側に向けて星型配置で延在し、ステータリングは、支持部分によって機械支持部に支持されている。このため、径方向に関して、第１固定部分は、内側に配置された部分であり、第２固定部分は、外側の固定部分である。支持部分、特に支持腕部は、内側支持部分から外側支持部分まで星型配置で延在し、このようにして、ステータベルをほぼ横断して伸びる。支持部分すなわち支持腕部間には、ステータベルを閉塞する接続領域のようなカバー部分が設けられている。ファンを有するファン開口部は、特にこれら接続領域に設けられている。確かに、中間領域は、同様に安定するが、それにもかかわらず、支持部分すなわち支持腕部は、ステータリングを保持する機能を実質的に実行する。このため、ステータベルは、２つの機能を同時に実行する、すなわち、ステータリングを支持し、同時に空気流をもたらすために圧力の増大または減少を伴う圧力チャンバを区画する。中間領域により、特に捩り剛性の強化が実現可能となる。

好ましくは、ステータベルは、一部品として好ましくは金属、特に鋳鉄、好ましくは球状黒鉛鋳鉄から成型されており、この球状黒鉛鋳鉄は、球状黒鉛として知られている、またはＧＪＳもしくは以前はＧＧＧと略されており、球状鋳鉄を意味する。このようにして、対応する型を再使用して複数回作り出される多数の形状を達成できる。好ましい材料は、良好な機械的特性を有し、製造が安価でありかつ良好に加工される。

リング状発電機は、概ね、説明した特徴のいずれかを有し、特徴の組合せは、基本的に可能である。特に、移動可能に取り付けられたファンを有するステータベルを有するリング状発電機が少なくとも１つの空気流によってステータを冷却するための冷却経路を有するステータリングを有するリング状発電機の特徴と組み合わされる。同様に、逆の場合も可能であり、冷却経路を有するステータリングを有するリング状発電機は、移動可能に取り付けられたファンを有するステータベルの特徴を組み込んでもよい。また、この組み合わせの選択しは、１以上の形態において説明されたさらなる特徴と関係する。

好ましくは、リング状発電機は、少なくとも３０ｋＷの、好ましくは少なくとも３００ｋＷの、より好ましくは少なくとも１ＭＷの公称電力を有する。このため、リング状発電機は、公称電力の観点から現在の風力発電設備における使用に適している。

本発明において、請求項２５に示す風力発電設備を制御する方法を提案している。制御されるこのような風力発電設備は、ロータ及びステータを有するリング状発電機を有する。リング状発電機によって発生された電力は、まず検出される。このような検出は、例えばステータ巻線における直接的な測定によってもたらされる、または、例えば回転速度及び／またはロータブレードのピッチ角及び／または制御コンピュータがどの場合にも利用可能な内部算出パラメータのような特性測定値として非直接的な測定を実行することが可能である。また、温度測定は、発生した電力に関する情報をもたらす。

次に、ステータベルに設置された少なくとも１つのファンは、検出した電力が所定値に達した及び／または所定値を超えた場合に、作動され、リング状発電機を冷却するためにステータ及び／またはロータを通って及び／またはステータ及び／またはロータに沿って流動する空気を作り出す。このため、さらなる電力を必要とする能動的な冷却は、対応する電力損失したがって対応する熱負荷が発電された電力に基づいて予期されるときにのみ開始される。留意することは、風力発電設備の制御を当業者に公知の別の方法でもたらすことである。

好ましくは、風力発電設備の公称電力の３０％以上、好ましくは５０％、さらに好ましくは８０％の値は、所定値として規定される。特に、公称電力自体は、所定値として規定される。したがって、能動的な冷却は、全負荷時またはその直前のみにおいて作動され、能動的な冷却は、部分負荷時には作動しない。

好ましくは、本発明における制御方法は、本発明におけるリング状発電機のうちの１つに、及び／または、説明した形態のうちの少なくとも１つにおけるリング状発電機に、使用される。

本発明において、さらに、ポッドと、本発明、特に説明した形態のうちの１つにおけるリング状発電機のうちの１つと、を備える風力発電設備を提案している。

好ましくは、風力発電設備は、リング状発電機をステータリングの外側部分を除いてポッド内に配置し、ステータリングの外側部分をポッドの外側に配置して風の流入流動を受けることを特徴とする。また、ポッドは、風力発電設備の動作中にロータ組立体と共に回転するハブ筐体を有する。ハブ筐体は、スピナとも称される。このようにして、リング状発電機は、ほぼポッド内にあり、したがって、天候の影響からほぼ保護される。リング状発電機の冷却は、例えば冷却経路を用いて、及び／または、適切なステータベルを用いることによって、すでにポッド内で受動的にまたは能動的に達成される。ステータリングの外側部分を特に受動冷却領域と共にポッドの外側に配置することをさらに提案している。特に、これにより、いくらかポッド筐体を越えて突出しかつ冷却する目的で風の流入流動を受けるリング状部分が設けられている。この点において、特に考慮することは、発電機を直接冷却するためにポッドの周囲の風の流動を用いることが可能であることである。この点に関して、冷却効率は、行き渡る風速に特に依存する。このため、高いレベルの冷却は、全負荷範囲(full-load range)の強力な風によって実現される一方、低い冷却は、部分負荷範囲(part-load range)において実現され、このため、風が弱いと、冷却は、関連する必要性それぞれにしたがって少なくとも部分的に自動的に調整される。

ステータリングの外側部分は、好ましくは、冷却手段、特に受動的な冷却のための冷却経路を有し、これら冷却手段は、風に直接さらされる。したがって、この外側部分において、リング状発電機は、ここに流動する風に熱を直接放出する。指摘することは、風に変わるこのような状況が一般的に動作中の風力発電設備に関することである。

好ましくは、ポッドは、ポッドを風に向ける場合にほぼ層流状の風の流入を受けるために、及び、風をステータリングの外側部分の領域に入れるために、空力形状をなしている。このような空力形状は、例えば実質的にほぼ水滴状または卵状の形状及び／もしくは側面視で楕円形状によって、並びに／または、ロータ組立体の軸に関してほぼ回転対称である形状によって、実現される。

望ましいことは、ポッドの外側に流動手段を設けることであり、これは、ステータリングの外側部分の領域において風の流動を促進する。例えば、風を案内するガイドプレートを設けてもよく、または、風洞状構造の流動手段を設けてもよい。

本発明は、添付の図面と共に実施例として実施形態を用いて以下で詳細に説明される。方向についての言及は、通常使用時における風の方向に関する。このため、「前方から」は、流入する風などの視点で見て表している。

風力発電設備のステータリングを示す前面図である。 図１のステータリングを示す後面図である。 図１のステータリングを示す右側からの部分断面図である。 図２の部分Ｘを示す図である。 図４の部分Ｙを示す図である。 図４の符号Ｕで示す部分を示す図である。 ステータリングの図４の線ＡＡに沿う断面図である。 図４に示す部分を示す斜視図である。 図１の符号Ｚによる図である。 ２つの冷却経路を通る図９の線ＢＢに沿う断面図である。 図９の部分を示す斜視図である。 図１において符号ＣＣで示されるように図１で示されるステータリングの上面図である。 ステータベルの形態をなすステータベルを示す圧力チャンバに関する外側からの斜視図である。 図１３のステータベルを示すさらなる斜視図である。 図１３及び図１４のステータベルを示す横断面図である。 ファンを取り付けたステータリングに固定されたステータベルを示す側面図である。 ４つのファンであって１つがそのファン開口部から離間して部分的に回動可能なファンを有するステータリングを示す図である。 ポッド及びスピナに配置されたリング状発電機の一部を概略的に示す横断面図である。 一実施形態における風力発電設備のポッドを示す別の概略図である。 一実施形態における風力発電設備のポッドを示す別の概略図である。 一実施形態における風力発電設備のポッドを示す別の概略図である。 一実施形態における風力発電設備のポッドを示す別の概略図である。

注意することは、同一の参照符号は異なる実施形態における可能性のある同様の同一でない要素を意味することである。

図１に示すステータリング２は、リング状形状をなし、内側ロータと共にリング状発電機の一部を形成する。ステータリング２は、内側支持リング４、中央支持リング６及び外側支持リング８を有する。内側及び中央支持リング４、６間には、能動冷却部分１０が設けられている一方、受動冷却部分１２は、中央及び外側支持リング６、８間に設けられている。図示のように、ステータリング２は、内側、中央及び外側支持リング４、６、８並びに能動及び受動冷却部分１０、１２を有する一部品として成形されており、使用される材料は、アルミニウムである。

内側、中央及び外側支持リング４、６、８は、これらのほぼ中実である性質により、安定性及び剛性をもたらす。磁界を案内するため、適切な良好な磁気伝導性を有する積層型コアであってステータ巻線を支持する積層型コアは、内側支持リング４の内側に配置されている。積層型コアは、それを固定することによって、内側支持リング４に固定的に支持されている。そして、適切な方法で、内側ロータは、積層型コア内でステータに対して回転可能に取り付け、配置されている。積層型コアからの熱は、外気に直接伝達されているが、熱は、支持リング４を用いて能動冷却部分１０及び受動冷却部分１２に伝達される。そして、能動冷却部分は、熱を伝達するために、複数の能動冷却経路１４を有しており、この能動冷却経路は、内側及び中央支持リング４、６間で能動冷却部分１０においてほぼ三角形状をなす。さらなる熱は、受動冷却経路１６を用いて放出され、この受動冷却経路は、断面ほぼ矩形または台形をなす。

ステータリング２は、外径が約５ｍである。軸方向の大きさは、約９０ｃｍである。

受動冷却経路１６それぞれは、径方向外側を向く流出開口部を有しており、能動冷却経路１４のみは、図２に示す後方から見える。

径方向外側を向く流出開口部１８は、図３の底部に示される断面では図示されていない部分において図３の側面図から見える。内側支持リング４の傾斜端部２０の他に、断面領域は、能動及び受動冷却経路１４、１６の形状を軸方向断面で図示している。この場合、能動冷却経路は、入口領域２２から出口領域２４までほぼ軸方向に延在する。能動冷却経路１４は、流入開口部１７から流出開口部１８まで延在する。また、受動冷却経路１６は、ほぼ軸方向に延在し、流出開口部は、径方向外側を向く。さらに、能動冷却経路１４の入口領域２２は、ステータリング２の一方に配置されており、受動冷却経路１６の流入開口部１７の反対側にある。したがって、ステータリング２は、同様に、能動冷却経路１４を通る能動的な空気流が受動冷却経路１６を通る受動的な空気流とはほぼ反対にある関係で向かうことを定めるように構成されている。

それにもかかわらず、これら流動方向は、必須ではなく、空気流は、同様に、適切なデバイスによって上述した方向以外に少なくとも能動冷却経路を通って案内されてもよい。

特に、能動冷却経路１４の横断面またはそれら入口領域２２それぞれは、図４の拡大図で図示される部分から見える。この場合において、能動冷却経路１４は、横断面でほぼ三角形状の構造からなり、交互に違う配向で配置されており、２つの隣り合う能動冷却経路１４は、横断面において、共にほぼ平行四辺形状をなす。対応する態様、それぞれの隔壁部は、各２つの能動冷却経路間に配置されており、互いに対し傾斜した能動冷却経路１４の２つの隔壁部２６が常にある。

このため、隔壁部２６は、能動冷却経路１４を互いに対してさらに細かく分け、このため、同時に冷却リブとして機能する。さらに、これらは、交互に傾斜した配置により、安定した配置、特に内側支持リング４と中央支持リング６との間の適切な接続部をもたらす。

さらに、肢状の構造からなる追加の冷却手段すなわち冷却リブ２８は、能動冷却経路１４に設けられており、図５及び図６それぞれに拡大して示されている。

このため、冷却リブ２８は、空気流を著しく阻害することなく、能動冷却経路１４内の冷却面積を増大させる。

固定する目的で、内側支持リング孔部３４を内側支持リング４に設ける。対応する態様で、中央支持リング孔部３６を、中央支持リング６の領域と外側支持リング８に近接する受動冷却部分１２の領域とに形成しており、ステータリング２は、外側支持リング孔部３８を有する。孔部３４、３６及び３８の少なくとも一部には、ネジ山が形成されており、固定する目的で使用される。外側支持リング孔部３８は、ステータリング２をステータベルに固定する機能を果たす。

中央支持リング孔部３６は、支持リングのいくつかの場所に設けられており、より具体的には、３つの孔部が４つの場所ごとに設けられている。これらは、ケーブルを固定する機能を果たす。

図７は、受動冷却経路１６が外側支持リング８と中央支持リング６との間でどのように配置されているかを示す横断面図である。この場合において、受動冷却経路１６は、流入開口部１７から流出開口部１８まで延在する。このため、空気流は、入口開口部１７を通ってほぼ軸方向で流動し、最後には径方向外側を向く流出開口部１８を通って流出する。この場合において、外側支持リング８の側面は、受動冷却経路１６から離間しており、ステータリング２の外側３０である。したがって、適切な要件にしたがって、空気は、外側支持リング８の両側に沿って、すなわち受動冷却経路１６の内側と外側３０の外側とを通って、流動する。

能動冷却経路１４は、中央支持リング６と内側支持リング４との間に設けられている。これは、入口領域２２から出口領域２４まで延在する。また、中央支持リング６は、止まり穴(blind hole)３７を有しており、この止まり穴は、雨樋を固定する機能を果たす。

図８の斜視図は、風下及び風上それぞれにおける外側固定領域３１及び３２を示しており、この外側固定領域は、一部のみ示されており、図１２を参照して以下で詳述される。

また、図８は、受動冷却経路１６がどのようにこれらの流出開口部１８を通って外側３０に向けて開口するかを示している。流出開口部１８が径方向外側を向くという事実は、作動時における適切な風向から見て、外側支持リング孔部３８が配置される端部部分４０が受動冷却経路１６の下流に設けられることを意味する。

図９は、受動冷却経路１６の流入開口部１７を直接見た図を示している。図７ですでに示すように、受動冷却経路１６が流入開口部１７から若干狭くなっていることが分かる。これは、流入開口部１７内への風の流動を促進する。外側固定領域３１及び３２それぞれの領域において、受動冷却経路は、特にネジ山を有する孔部を設けるためのいくらかより大きな中間壁部１９’を設けるために、流入開口部１７’を相応に低減したいくらか小さい受動冷却経路１６’の形態をなしている。孔部を有さない中間壁部１９は、いくらか狭く、これにより、より大きな受動冷却経路１６に対するより大きな空間を形成する。

図１０における断面図は、受動冷却経路１６を切開した図をもたらす。再度、流入開口部１７から流出開口部１８までの受動冷却経路におけるテーパ部をここで示す。中間壁部１９の寸法は、対応して同方向で増大する。

図１１に示す部分的な斜視図は、能動冷却経路１４の出口領域２４並びに受動冷却経路１６及び１６’の流入開口部１７及び１７’を前面に出して示す。風下側及び風上側の外側固定領域３１及び３２それぞれは、受動冷却経路１６よりもいくらか狭い領域内にある外側支持リング８に配置されている。小さい流出開口部１８’は、対応して設けられている。

外側固定領域３１及び３２それぞれは、ステータリング２の所定場所それぞれに設けられており、これら所定場所は、互いに反対の関係で配置されている、すなわち、図１において３つのいくらか低減した流入開口部１７’が１２時及び６時の位置に２つ示されるように、１８０°ずらして配置されている。１つの場所の平面図は、図１２で示されており、したがって、風下側の外側固定領域３１は、８つの風下側孔部４１を有する一方、風上側の外側固定領域３２は、８つの風上側孔部４２を有する。

図１３から図１５におけるステータベル１００は、機械支持固定部１０２と、ステータリング固定部１０４と、トラニオン(trunnion)固定部１０６と、を有する。機械支持固定部１０２、ステータリング固定部１０４及びトラニオン固定部１０６それぞれは、それぞれが１または２つの周方向に延在する複数の穴部からなるリングを有する円形固定フランジの形態をなす。

６つの支持部分１０８は、ほぼ星型配置で機械支持固定部１０２からステータリング固定部１０４まで延在する。支持部分１０８は、支持腕部１０８の形態をなしており、ステータリング固定部１０４に固定されたステータの重量に起因する力を支持することができ、機械支持固定部１０２を用いてその力を機械支持部まで伝達する。

支持部分１０８間の領域それぞれは、プレート状部分によって覆われており、そこには、ファン開口部１１０それぞれが設けられている。さらに、補助開口部１１２は、一部の支持部分１０８に設けられている。

さらに、トラニオン固定部１０６の領域には、開口部が設けられているが、この開口部は、適切な方法でトラニオンを固定することによって閉塞される。

このため、ステータベル１００全体は、特にファンを用いてファン開口部１１０及び補助開口部１１２を閉塞することによって閉塞される。ステータをステータリング固定部１０４に固定し、対応するロータを設けることによって、圧力チャンバは、そのステータと一方ではロータ、他方ではステータベル１００との間に形成され、圧力を受ける。空気は、例えば空隙のようなロータ−ステータ配置にある開口部を通って抜け、この場合において、当該開口領域に空気流を導く。

図１６は、ステータリング２^＊と共にステータベル１００を示しており、このステータリングは、ステータベル１００にあるステータリング固定部１０４に固定されている。さらに、ファン開口部１１０それぞれには、ファン１１４が配置されており、このファンは、ファンカバー１１６と共にファン開口部１１０を閉塞、被覆する。

１以上のファン１１４を作動させることにより、空気は、ステータベル１００によって被覆されかつ閉鎖された空間内に吹き込まれる。空気は、ステータリング２^＊が一部を形成する発電機にある開口部を通り抜け、冷却をもたらす。そのため、補助開口部１１２は、同様に、カバーで被覆されているが、これは、図１６において詳細に示されない。当然ながら、ファン１１４は、図１６に示すように、これらがステータベル１００によって被覆された空間から、したがって、図面の平面の外から右にほぼ向けて空気を吸引するように動作する。それにもかかわらず、好ましい場合は、ステータベル１００を適切に配置した状態で被覆された空間に空気を吹き込むことによって生じ、この空気は、対応するポッドから到来し、ポッドの外側から来る外気と比較してより清浄でかつ乾燥しているという期待をもたらす。

ここで、図１７は、本発明においてメンテナンスまたは他の目的でどのようにファン開口部１１０を使用するかを示す。例えば、ファン開口部１１０の場合において、ファン１１４は、ヒンジを用いて折り畳まれ、ファン開口部１１０は、相応して開口される。ここで、人は、ファン開口部及びステータベルの後方に配置されたリング状発電機まで開口したファン開口部１１０を、ステータベル１００を、より具体的にはファン開口部１１０を通過する。同じく、ファン１１４を折り畳むヒンジに替えて、別の運動機構を設けてもよい。急動クランプ固定部は、ファン開口部１１０を開口させるために容易に使用されてもよい。このため、このような急動クランプ固定部は、いくつかの手動の動作によって開放され、このため、対応するファン１１４を取り外す。ファン開口部が部分的にのみ開口しているまたは例えば開口部１１０^＊から分かるように開口部が他のデバイスによって依然として妨害されており、人がファン開口部を登って進入できない場合、開口部のすぐ後に配置されているデバイスに関する部分的なメンテナンスを依然として考慮できる。同じことは、小型の補助開口部１１２に適用する。

図１８は、例として一実施形態を用いて本発明における全体的なコンセプトを概略的に示す。図１８は、ロータブレード２５４を有するロータ組立体２５２を有するポッド２５０と、ロータ２０１及びステータリング２０２を有するステータ２０３と、ロータ２０１とステータリング２０２及び概略的にのみ示されたステータ巻線２０７を有する積層型コア２０５を有するステータ２０３とを有するリング状発電機２００と、の所定部分の側断面図を示す。空隙２０９は、ステータ２０３とロータ２０１との間に配置されている。ステータリング２０２は、内側支持リング２０４、中央支持リング２０６及び外側支持リング２０８を有する。内側及び外側支持リング２０６、２０８間には、受動冷却部分２１２を形成する受動冷却経路２１６が設けられている。能動冷却経路２１４は、内側支持リング２０４及び中央支持リング２０６間に配置されており、能動冷却部分２１０を形成する。

ステータベル２６０は、中央支持リング２０６の領域に固定されており、分離部分２６２は、ロータ２０１の磁気作動部分に隣接して設けられている。ステータベル２６０には、ファン２６４が配置されており、このファンは、ほぼステータベル２６０と分離部分２６２との間に配置された圧力チャンバ２６６に圧力の増加をもたらす。このように圧力チャンバ２６６内に蓄積された圧力によって、空気は、空隙２０９及び能動冷却経路２１４を通って流動する。このため、発電機、特にステータは、空隙２０９及び能動冷却経路２１４を通る空気流２７０によって冷却される。

ハブ筐体２５１^＊の所定部分を有するポッド筐体２５１の所定部分は、中央支持リング２０６の高さで延在する。このため、ポッド２５０に関連して、能動冷却部分２１０を有するリング状発電機２００は、ポッド２５０内に配置される。受動冷却部分２１２のみ、このため受動冷却経路２１６は、ポッド２５０の外側に配置される。ロータ２５２及びロータブレード２５４、すなわち図１９に示すようにポッド２５０の左側にある部分、つまりハブ筐体２５１^＊を有するハブすなわちスピナは、この配置の作動時に風の中に向かう。このため、ポッド２５０まで流動する風は、ロータ２５２の領域において、まずハブ筐体２５１^＊に沿って流動する。

ポッド筐体２５１^＊は、所定領域内に下降され、このため、中央支持リング２０６と同一高さとなる。ハブ筐体は、図１８において参照符号２５１^＊＊で示すように、ロータブレード取付部の領域において外側支持リング２０８と同一高さにある。図１８は、その点における描写を示す。述べるべきことは、ハブ筐体２５１^＊に向かう側面にある中央支持リング２０６の領域においてステータリング２０２に雨樋を取り付けることであり、この領域に雨水が侵入することを防止し、このため、ポッド内に配置されているリング状発電機２００の要素を雨水から保護する。

そして、風は、陥没するハブ筐体２５１^＊の領域から流入開口部２１７の領域内に、及び受動的な外側冷却部分２１２に向けて押圧し、流入開口部２１７を通って流動し、その領域において、ステータリング２０２を冷却する。

留意すべきことは、ファン２６４が空隙２０９及び能動冷却経路２１４を流動する能動冷却流動２７０を引き起こすことである。風は、受動冷却経路２１６を流動する受動冷却流動２７２を引き起こす。留意すべきことは、能動冷却流動２７０が受動冷却流動２７２の方向とは反対側の関係にあることである。より具体的には、基本的に、ファン２６４は、ポッド内部２５３の外からステータベル２６０を通って圧力チャンバ２６６内に空気を推進し、そこから空隙２０９及び能動冷却経路２１４まで推進し、これは、ロータ組立体ハブ２５６の方向で外側にあり風とは反対側の関係にある。

図１９から図２２は、ポッド２５０を概略的に示す。特に、パイロン、ロータ組立体ブレード及び風速計などのようなポッドの構造体を示さないまたは簡単に示す。図１９の斜視図は、前方からポッド２５０まで傾いており、ポッド筐体２５１とハブ筐体２５１^＊及び２５１^＊＊それぞれとを概略的に示す。特に、受動冷却部分２１２の出口開口部２１８及び入口開口部２１７のリングの一部が見える。したがって、図１９に示すように、通常動作において、風は、ほぼ右側から図面の平面内に入り、ハブ筐体２５１に沿って流入開口部２１７内に流入し、受動冷却部分２１２内の受動冷却経路を通って同様に受動冷却部分２１２の流出開口部２１８から出る。通常動作の場合、風は、流入開口部２１７内にほぼ軸方向で流動し、径方向外側を向く流出開口部２１８から出る。

図１９は、ハブ筐体２５１^＊及び２５１^＊＊それぞれにある３つのロータブレード取付部２７４を示す。その基端側には、図１９において特に左側に示すロータブレード取付部２７４に関して、ハブ筐体２５１^＊＊の高部領域とハブ筐体２５１^＊の低部領域との間にある移行縁部２７６が示されている。ハブ筐体２５１^＊＊の高部領域は、外側支持リング２０８とほぼ位置合わせされており、このため、流入開口部２１７を覆っている。ハブ筐体２５１^＊の低部領域は、中央支持リング２０６とほぼ位置合わせされており、流入開口部２１７は、当該領域内に見え、同様に風が到達する。

図２０におけるポッド２５０の前面図は、ハブ筐体２５１^＊及び２５１^＊＊それぞれと流入開口部２１７とを概略的に示す。図２０の奥行き方向は、通常の風の流入方向に対応する。さらに、風上側の外側固定領域２３２は、１２時の位置に配置されている。図２１のさらなる斜視図及び図２２の側面図から明確であることは、ポッド側のロータブレード部分２７８が受動冷却部分２１２の領域並びに流入開口部２１７及び流出開口部２１８を通り越していることである。

２，２^＊，２０２ ステータリング、４，２０４ 内側支持リング，支持リング、６，２０６ 中央支持リング，支持リング、８，２０８ 外側支持リング，支持リング、１０，２１０ 能動冷却部分、１２，２１２ 外側冷却部分，受動冷却部分、１４，２１４ 能動冷却経路、１６，１６’，２１６ 受動冷却経路、１７，１７’，２１７ 入口開口部，流入開口部、１８，１８’，２１８ 出口開口部，流出開口部、２６ 隔壁部、２８ 冷却リブ、１００ ステータベル、１０２ 機械支持固定部、１０４ ステータリング固定部、１０６ トラニオン固定部，固定部、１０８ 支持部分，支持腕部、１１０，１１０^＊ ファン開口部，開口部、１１４，２６４ ファン、２００ リング状発電機、２０１，２５２ ロータ，ロータ組立体、２０３ ステータ、２０５ 積層型コア、２０７ ステータ巻線、２０９ 空隙、２５０ ポッド、２５１，２５１^＊，２５１^＊＊ ハブ筐体，ポッド筐体、２６０ ステータベル、２６６ 圧力チャンバ

Claims (27)

1. 風力発電設備のリング状発電機であって、
   ステータ巻線を受けるための周囲に延在するステータリングを有するステータと、
   前記ステータに対して回転軸回りで回転可能に取り付けられたロータと、
   当該リング状発電機を冷却するために前記ステータを通るかあるいは前記ステータに沿って、あるいは前記ステータを通りかつそれに沿って能動的な空気流を提供するために、圧力を増大または減少させた圧力チャンバを形成するために、前記ステータに接続されたステータベルと、
   を備え、
   前記ステータベルには、ファンを有する１つのファン開口部が設けられることを特徴とするリング状発電機。
2. 前記空気流が、前記リング状発電機を冷却するために、前記ロータを通ってまたは前記ロータに沿って、あるいは前記ロータを通ってかつそれに沿って形成され、
   当該リング状発電機が、内部ロータの形態をなし、
   前記ステータリングが、前記ステータを前記空気流によって冷却する冷却経路を有することを特徴とする請求項１に記載のリング状発電機。
3. 前記ステータベルが、前記ステータリングを支持するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載のリング状発電機。
4. 前記回転軸に関して、前記ステータリングが、能動的な冷却のための内側リング部分と、受動的な冷却のための外側リング部分と、を有し、
   前記ステータベルが、前記ステータリングに固定され、前記内側リング部分のみが、能動的に冷却する空気流の流入流動を受けることを特徴とする請求項３に記載のリング状発電機。
5. 前記ステータリングが、内側の及び外側の安定させる支持リングを有し、
   リング状の冷却領域が、少なくとも２つの前記支持リング間に設けられていることを特徴とする請求項１に記載のリング状発電機。
6. 前記ステータリングが、中央の安定させる支持リングを有し、
   リング状の冷却領域が、少なくとも２つの前記支持リング間に設けられていることを特徴とする請求項１に記載のリング状発電機。
7. 前記中央の安定させる支持リングが、設けられており、
   ステータベルが、前記ステータリング、そして前記ステータを当該ステータベルで支持するように、前記中央の安定させる支持リングに固定されることを特徴とする請求項１に記載のリング状発電機。
8. 少なくとも１つの前記冷却領域における少なくとも１つの前記冷却経路が、軸横断面において三角形状をなし、及び／または、
   ２つのそれぞれ隣り合う冷却経路が、互いに軸横断面において、平行四辺形状を形成する、及び／または、
   前記冷却経路が、当該冷却経路の内側を向く少なくとも１つの冷却リブを有することを特徴とする請求項１に記載のリング状発電機。
9. 少なくとも１つの冷却領域の少なくとも全ての冷却経路は軸横断面において三角形であり、かつ／または２つのそれぞれ隣り合う冷却経路が、互いに軸横断面において平行四辺形状を形成し、かつ／または前記冷却経路は前記冷却経路の内側に向って少なくとも１つの冷却リブを有することを特徴とする請求項８に記載のリング状発電機。
10. 軸方向を向く流入開口部と少なくとも部分的に径方向外側を向く流出開口部とを有する受動冷却経路が設けられていることを特徴とする請求項１に記載のリング状発電機。
11. 流出開口部が、外部から前記ステータリングに向けて軸方向の流入流動をもたらす風が当該流出開口部において吸引作用を作り出すように吸引開口部の形態をなす、かつ／または、当該流出開口部の領域において軸方向で前記ステータリングの当該流出開口に吸引作用を促進させる曲面を有することを特徴とする請求項１に記載のリング状発電機。
12. 前記ファン部が、運動機構を用いて移動可能に取り付けられている、または、急動クランプによって固定されており、メンテナンスの目的で及び／または人が通ることを可能とするために、前記ファン開口部を一時的に開口することを特徴とする請求項１に記載のリング状発電機。
13. 前記ステータベルが、風力発電設備の機械支持部に固定するための第１固定部分と、前記ステータリングに固定するための第２固定部分まで星型配置で外側に延在する複数の支持部分と、を有し、前記ステータリングが、前記機械支持部の支持部分によって支持されることを特徴とする請求項１に記載のリング状発電機。
14. 少なくとも１つのファン開口部それぞれが、２つの前記支持部分間に配置されていることを特徴とする請求項１３に記載のリング状発電機。
15. 前記ステータベルが、実質的に、鋳鉄、球状鋳鉄からなる群から選ばれた材料を含むことを特徴とする請求項１に記載のリング状発電機。
16. 前記運動機構が、回動機構の形態をなすことを特徴とする請求項１に記載のリング状発電機。
17. 風力発電設備を制御する方法であって、当該風力発電設備が、ロータ及びステータを有するリング状発電機を有し、
    − 前記リング状発電機で発生した電力を検出する工程と、
    − 増大するかあるいは低減された圧力によって前記リング状発電機を冷却するために前記ステータを通るかあるいはそれに沿うか、あるいは前記ステータを通りかつそれに沿う能動的な空気を流す工程と、
    − ステータベルに設置された少なくとも１つのファン部を作動させ、検出した電力が所定値に達した及び／または所定値を超えた場合に、前記リング状発電機を冷却するために、前記ステータ及び／もしくは前記ロータを通るかつ／または前記ステータ及び／もしくは前記ロータに沿う空気流を生成する工程と、
    を有することを特徴とする方法。
18. 請求項１から請求項１６のいずれか１項に記載のリング状発電機が使用されることを特徴とする請求項１７に記載の方法。
19. 検出した電力が所定値に達しかつ／または所定値を超えた場合に、前記リング状発電機を冷却するために、前記ロータを通るかまたは前記ロータに沿うか、あるいは前記ロータを通りかつそれに沿う空気流が生成されることを特徴とする請求項１７に記載の方法。
20. ３０％または３０％超の値を前記所定値として設定する、特に公称電力を前記所定値として設定することを特徴とする請求項１７に記載の方法。
21. 少なくとも３０ｋＷの公称電力によって特徴付けられる請求項１７に記載の方法。
22. ポッドと、請求項１に記載のリング状発電機と、を備えた風力発電設備。
23. ポッドと、請求項１７に記載の方法を実施するよう構成されたリング状発電機と、を備えた風力発電設備。
24. ポッドと、リング状発電機と、を備え、
    前記リング状発電機が、
    ステータ巻線を受け、周方向に延在するステータリングを有するステータと、
    前記ステータに対して回転軸回りで回転可能に取り付けられたロータと、
    を有し、
    前記リング状発電機が、内部ロータの形態をなし、
    前記ステータリングの外側部分を除いて、前記リング状発電機が、前記ポッド内に配置され、
    前記ステータリングの前記外側部分が、前記ポッドの外側に配置され、冷却する目的の風の流入流動を受けることを特徴とする請求項２２または請求項２３に記載の風力発電設備。
25. 前記ステータリングの前記外側部分が、風に直接さらされる、受動的に冷却するための冷却手段を有することを特徴とする請求項２２に記載の風力発電機。
26. 前記ポッドが、空気力学的に形付けられており、風が、前記ポッドに沿って前記ステータリングの前記外側部分までほぼ層流で流動し、前記ステータリングの前記外側部分における冷却作用を促進することを特徴とする請求項２２に記載の風力発電設備。
27. 前記ステータリングの前記外側部分に沿って風の流動を促進するために、前記ステータリングの前記外側部分の領域で前記ポッドの外側に流動手段を設けることを特徴とする請求項２２に記載の風力発電設備。

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