JP5511982B2 - 冷却システムを有する直接駆動型風車および直接駆動型風車を制御する方法 - Google Patents

Description

本発明は、概して、風車に関する。特に、本発明は、風車の軸受の冷却に関する。

風車の軸受には約−０．１〜０．２ｍｍのクリアランスが設けられている。発電機の寿命およびエアギャップを制御するためには、このクリアランスを制御することが有利である。問題は、軸受の内側リングが加熱されて膨張し、軸受の寿命を短くしてしまうことである。加熱の原因は軸構造と一体化している軸受の内側リングが、外側リングの大きさ／構造と比較して、小さい（低い）大きさ／剛性を有することである。これは、内側リングの平均温度が外側リングおよび外側リング周囲の構造よりも高いことを意味する。

風車の軸受は通常冷却されない。しかし、一体化されたオイル潤滑システムによって軸受を冷却することが一般に知られており、このシステムでは、冷却されたオイルが軸受アセンブリの回りにポンプにより供給される。オイルの循環は限られており、直接駆動型風車用の大型の主軸受を冷却するには十分ではない。さらに、一体的な冷却のためのオイル潤滑システムは複雑であり、避けなければならない風車内部でのオイル漏れのリスクが常に存在する。

グリース潤滑型の軸受についての冷却システムは知られていない。

したがって、本発明の課題は、軸受用の向上された冷却を提供することである。

この課題は、請求項１、１０および１４に記載の特徴によりそれぞれ解決される。従属請求項により、本発明のさらなる詳細および利点が提供される。

一実施形態では、本発明は冷却システムを備える直接駆動型風車に関する。該風車は、ロータおよびステータを有する発電機を含み、該ステータは内側リングおよび外側リングを有する軸受を有し、外側リングはロータとステータとを回転可能に接続する。冷却システムは、軸受の内側リングと熱的に接続する少なくとも１つのヒートシンクと、ヒートシンクと熱的に接続している熱放散器とを有する。内側リングの冷却により、風車の動作中における、外側リングと内側リングとの間の温度差を制御できかつ低減しまたはなくすことができる。したがって、制御不能かつ不所望の内側リングの熱膨張は回避される。軸受の信頼性および寿命は向上される。

発電機の寿命およびエアギャップを制御しかつ維持するために、軸受のクリアランス（−０．１〜０．２ｍｍ）を制御することが、今や可能となる。

この冷却システムは、グリースおよびオイル潤滑型の軸受にも同様に用いることができる。

直接駆動型風車のヒートシンクは、たとえば、水などの冷却媒体のための冷却溜めを有する、この方法で、ナセルに既に搭載されている水冷却システムを軸受の内側リングの十分な冷却を提供するために用いることができる。この解決手段は、軸受用の冷却システムを有しない既存の風車に容易に搭載することができる。

ヒートシンクは、たとえば、内側リングの内周面に設けられている。良好なサイズおよび表面特性のために、内周面はヒートシンクのための良好な接触領域を提供する。

ヒートシンクはたとえば内側リングと一体的に形成されている。ヒートシンクの少なくとも一部は、たとえば、内側リングの内側に配置され、内側リングからヒートシンクへの熱移動は向上される。たとえば、ヒートシンクは、一体的に形成された部分および内側リングの表面に設けられた部分の両方を含む。

冷却システムは、標準的な軸受のための付加的な解決手段を容易に搭載することができ、あるいは、冷却システムは、冷却チャネルまたはチャンバがたとえば軸受の内側リングおよび／または外側リングに一体化されているような、内側リングまたは外側リングの一体化された部分であってもよい。

ヒートシンクは、たとえば導管を介して熱放散器に接続されている。ヒートシンク、好ましくは冷却溜めは、たとえば、発電機などの冷却用にナセルに既に搭載されている風車の水冷却システムに接続されている。水冷却システムの熱放散器は、軸受の冷却にも用いられる。導管には、たとえば、軸受の冷却を制御するために、冷却溜めへのまた冷却溜めからの冷却媒体の流れを制御するためのバルブが設けられている。

一方で、ヒートシンクには冷却フィンやペルティエ素子などの内側リングを局所的に冷却するものを用いてもよい。

軸受の外側リングのためのヒートシンクが設けられていてもよい。外側リングにも同様にヒートシンクを設けることにより、軸受に対する冷却能力は向上される。

軸受とヒートシンクとの間に熱インタフェース材料が設けられていてもよい。低い熱抵抗を得るため、アルミニウムシート、伝熱ペーストまたは他の適した熱インタフェース材料を内側リングの表面およびヒートシンクの表面との間に用いることができる。

冷却システムはたとえば少なくとも１つの温度測定装置と、軸受の温度を制御するための制御装置と、を有する。内側リングおよび軸受の正確かつ信頼性の高い温度測定を可能とするため、温度測定装置は、たとえば、内側リングに、多数の測定点に等しく設けられている。制御装置は、ヒートシンクと熱放散器との間の導管中に配置されたバルブを制御することにより内側リングの冷却を制御するために用いることができる。

発電機はたとえば、外側ロータ／内側ステータ型の発電機である。たとえば、軸受の内側リングは風車の固定部分に接続され、軸受の外側リングは風車のロータヨークに接続されている。

冷却システムは、たとえば、軸受の内側リングの内径と実質的に等しい外径を有する複数の冷却溜めを備える。溜めの長さは、たとえば周縁部分のみを覆うものであるため、内側リングを冷却するために１つ以上の溜めが設けられるのみであり、したがって既存の設備への冷却システムの搭載が容易となる。

別の実施形態では、本発明は、内側リングと外側リングとを有する軸受アセンブリに関し、これにおいて、少なくとも１つの冷却溜めが内側リングおよび／または外側リングに設けられており、冷却溜めは冷却媒体の循環のために少なくとも１つのポートを有する。冷却溜めを軸受に直接設けることにより急速かつ完全な温度調節が可能となる。軸受の信頼性および寿命は従って向上される。

複数の冷却溜めがたとえば内側リングの周に沿って均等に配置されている。この構成により、既存の風車への搭載が容易となる。さらに、局所的な温度変化についても調節可能である。

冷却溜めはたとえば内側リングの内周面に沿って延在しており、２つの冷却溜めがたとえば並列に配置されている。この構成により、さらにより細かい温度修正が可能となる。たとえばホットスポットを無くすことができる。

少なくとも１つの温度測定装置が、リングまたは軸受の温度を測定するために内側リングおよび／または外側リングに設けられている。軸受の良好な温度制御を可能とするため、測定値は制御装置に送信可能である。

別の態様では、本発明は、軸受の温度を制御する方法に関する。軸受の温度が測定され、軸受のリングに取り付けられた少なくとも１つの冷却溜めを介して水などの冷却媒体の流れが制御される。この方法を採用することにより、軸受の温度制御が可能となり、軸受の信頼性および寿命が向上される。

少なくとも１つの冷却溜めがたとえば軸受の内側リングに取り付けられており、たとえば軸受の内側リングの少なくとも１つの点において温度が測定される。多くの設計において、内側リングは軸受の最も温度の高い部分であり、この部分を直接測定し、冷却することが有利である。

添付図面は実施形態のさらなる理解を提供するためのものである。他の実施形態および意図される多くの利点は、以下の詳細な説明を参照してよりよく理解されるように、容易に理解されるであろう。図面の要素同士は必ずしも互いに寸法を定めるものではない。同様の参照番号は対応する同様の部分を指す。

本発明に係る軸受および冷却システムを有する風車の中央部分の概略図を示す。 本発明に係る冷却システムが取り付けられた軸受の正面図を示す。 本発明に係る冷却システムが取り付けられた軸受の斜視図を示す。

以下の詳細な説明では、本願の一部をなす添付図面が参照されるが、本発明を実施可能な特定の実施形態を例示するものである。これに関して、方向を表す用語たとえば「上」や「下」は、記載されている図面の向きに関して用いられている。実施形態の構成要素は、複数の異なる向きに配置可能であり、この方向を表す用語は例示目的で用いられており、何ら限定するものではない。他の実施形態も用いることができ、構造的または論理的変更は本発明の主旨を逸脱することなくなしうる。以下の詳細な説明はしたがって限定的な意味でとられるべきではなく、本発明の範囲は添付の特許請求の範囲により定められる。

風車１は地面に固定されたタワー２を備え、風車１の全体構造を保持する。タワー２の頂部にはタワーコネクタ３が取り付けられている。タワーコネクタ３は風車１の主軸４を保持する。タワーコネクタ３とは反対側の主軸４の一端には、主軸受とも呼ばれる軸受５が固定されている。軸受５は主軸受４に固定された内側リング６と、外側リング７とを有する。外側リング７はロータヨーク８に固定されている。ロータヨーク８は風車１の複数のブレードを保持するブレードハブ９に接続されている。簡略化のためブレードは図示していない。ナセル１０は主軸４を囲み、主軸４に取り付けられている。

風車１は直接駆動型風車であり、すなわち、発電機１１は主軸４およびロータヨーク８にそれぞれ直接結合されている。トランスミッションは用いられていない。発電機１１はロータヨーク８に取り付けられた外側ロータ１２と、保持構造１４を介して主軸４に固定された内側ステータ１３とを有する。

外側リング７が取り付けられたロータヨーク８は、大気と接触している。したがって、外側リング７の冷却は大気により行われる。一方、内側リング６は風車１の構造の内側に位置しており、大気によって冷却されない。これにより、内側リング６と外側リング７との間に温度差が生じることとなる。

主軸４と一体の主軸受５の内側リング６は、外側リング７およびロータ構造と比較して大きさはより小さい。したがって、内側リング６は外側リング７よりも速く加熱されやすい。

さらに、内側リング６は、ロータ１２からステータ１３アセンブリへの電気経路を妨げるために、通常主軸４から電気的に絶縁されているが、この電気絶縁により内側リング６と主軸４との間の伝熱性は低減され、内側リング６のさらなる加熱さえも生じる。

風車１は軸受５から、特に内側リング６から熱を運び去る冷却システム１５を有する。冷却システム１５は、内側リング６の内周面に取り付けられた１つ以上のヒートシンクまたは冷却溜め１６を有する。ここでは、複数の冷却溜め１６が内側リング６に取り付けられている。冷却溜め１６の構成の詳細は、図２および３と関連して説明される。

各冷却溜め１６は、水などの冷却媒体を冷却溜め１６を通して循環するために、導管１７に接続されている。冷却媒体は内側リング６から熱を運び去る。導管１７は概略的に示されている。たとえば障害物や急峻な曲がりを避けるために、導管１７の実際の経路は示されているものとは異なってもよい。さらに、冷却媒体の閉ループが好ましい場合がある。理解を容易なものとするため、図１には１つの冷却溜め１６について１つの導管１７が示されている。

バルブ１８は導管１７を通る冷却媒体の流れを制御する。バルブ１８はたとえば交差点１９の前に配置されており、１つのバルブ１８によって全ての導管１７を介した冷却媒体の流れが制御される。「前」との語は、本明細書では、冷却溜め１６に向かう冷却媒体の流れの方向におけるものを意味する。代替的に、各冷却溜め１６を個別に制御するために、１つのバルブが各導管に設けられていてもよい。さらに、両方の組み合わせも可能である。したがって、各バルブが一群の冷却溜め１６を制御してもよい。

さらに、バルブ１８の前には、冷却システム１５の中央装置２０が配置されている。中央装置２０は、たとえば冷却媒体のためのポンプと、制御ユニットとを有する。中央装置２０には、熱放散器またはラジエータ２１が接続されている。熱放散器２１は、冷却媒体を冷却するための大気を用いるために、ナセル１０の外側に配置されている。熱放散器２１はたとえば最適な熱移動のためにナセル１０の頂部に配置されている。バルブ１８は導管１７の別の部分を介して中央装置２０と接続されている。中央装置２０は導管１７の他の部分を介して熱放散器２１と接続されている。

冷却媒体は、熱放散器２１から中央装置２０を通り、さらに冷却媒体の流れを制御するバルブ１８を通って循環される。交差点１９において導管１７は分岐し、冷却媒体は冷却溜め１６へと流れる。冷却溜め１６を通って流れる間、冷却媒体は内側リング６から熱を吸収する。冷却媒体は、熱放散器へと流れて戻り、ここで冷却される。冷却媒体を熱放散器２１まで戻して送るための１つ以上の導管は簡略化のため示していない。

冷却装置２０や熱放散器２１などの冷却システム１５の一部は、発電機１１などの他の装置を冷却するために用いることができる。冷却システム１５が風車に組み込まれる場合、中央装置２０や熱放散器２１などの既存の部分は、軸受５の冷却のために同様に用いることができる。

軸受５の冷却を制御するため、１つ以上の温度測定装置または温度センサを用いることができる。温度センサは温度測定のためにたとえば内側リング６に配置される。測定結果は中央装置２０に送られ、中央装置２０は温度測定に基づいてバルブ１８を制御する。より小さい制御ループでは、温度センサはバルブ１８を直接制御する。数個の温度センサと数個のバルブ１８および冷却溜め１６との組み合わせによって、より精度の高い温度制御が可能となる。この場合、内側リング６はたとえばいくつかの制御ゾーンに分けられる。各ゾーンに対して、１つ以上の冷却溜め１６と、１つの導管または導管１７の一部と、バルブ１８とが割り当てられる。

この実施形態では、水などの冷却媒体を用いる、冷却溜め１６および導管１７が用いられる。いくぶん局所的なヒートシンクまたは熱放散器を用いてもよい。「局所的」との語は、軸受５または内側リング６の近傍またはこれに直接配置されたヒートシンクおよび熱放散器を意味する。このコンセプトの実施形態は、たとえば、フィンやペルティエ素子を有するヒートシンクである。熱移動は、たとえば、大気を局所的なヒートシンクおよび熱放散器に沿って流す空気伝達システムによりサポートされる。

図２は内側リング６および外側リング７を有する軸受５を示す。各リング６、７は、軸受５を主軸４およびロータヨーク８にそれぞれ取り付けるためのフランジを有する。

内側リング６の内周面６ａに沿って、３つの冷却溜め１６が配置されている。冷却溜め１６の曲げ形状は、内周面６ａに適合している。冷却溜め１６と内側リング６との間の熱接触の向上のため、アルミニウムシートや熱伝導ペーストなどの熱インタフェース材料を用いることができる。冷却溜め１６は、たとえば内周に沿って均等に配置されるか、または、たとえば空間的制約を考慮するため、図示のように不均一に間隔が設けられている。１つ以上のヒートシンクまたは冷却溜めを内側リング６の面側に取り付けてもよい。ヒートシンクが、内側リング６を主軸４に接続するボルトなどの取付装置と当たらないように注意すべきである。

各冷却溜め１６は、水やガスなどの冷却流体が内部を循環可能な中空の内部空間を有する。冷却媒体の出入のため、冷却溜め１６には少なくとも１つのポート（図示せず）が設けられている。たとえば２つのポートを用いることができ、これらのポートは、たとえば冷却溜め１６の両端に配置され、これにより冷却媒体は冷却溜め１６の全体を流れる。これにより、内側リング６から冷却溜め１６を介した冷却媒体への良好な熱移動が確実となる。

各冷却溜め１６はそれ自身の導管により熱放散器２１または交差点に接続されていてもよい。これは並列の設定である。あるいは、冷却溜め１６の出口ポートがこれに続く冷却溜め１６の入口ポートに接続された直列の設定も可能である。内周面６ａの全体またはそのほとんどをカバーする１つの大型の冷却溜めも同様に用いることができる。

ヒートシンクまたは冷却溜め１６は、内側リング６の構造と一体化されていてもよい。内側の切削穴またはチャネルを内側リング６を通して冷却媒体を流すために用いることができる。冷却媒体の循環のための１つ以上のポートは、また内側リング６に直接配置されている。一体的に形成されたヒートシンクおよび外部のヒートシンクの組み合わせも用いることができる。たとえば、内側リング６の表面に、１つ以上の外部のヒートシンクと通じる冷却溜めを形成する溝が一体的に形成されてもよい。

図３は内側リング６および外側リング７を有する軸受５を示す。内側リング６の内周面６ａには、ヒートシンクまたは冷却溜め１６が設けられている。ここでは、６つの冷却溜め１６が内側リング６に取り付けられている。内側リング６の周に沿って、３つの対の、並列された２つの冷却溜め１６が配置されている。この配置により、内側リング６と冷却溜め１６中の冷却媒体との間の良好な熱移動が可能となる。図２の詳細な説明は図３に示される軸受４にも適用される。

軸受５の温度を制御する１つの方法では、軸受５における温度が測定される。たとえば、温度は、ほとんどの場合に軸受５の最も熱い部分である内側リング６において直接測定される。一般に知られる温度測定装置を用いることができる。

測定に基づいて、１つ以上の冷却溜め１６を介した冷却媒体の流れが制御される。たとえば測定された温度が上側閾値に達した場合、冷却媒体の流れが増大されるか、または、冷却媒体の温度が下げられる。これにより、より高い熱除去につながる。たとえば、測定された温度が下側閾値に達した場合、冷却媒体の流れが減少されるか、または、冷却媒体の温度が上げられる。これにより、より低い熱除去につながる。この方法により所定の目標通路における軸受５または内側リング６の温度が保持される。目標通路はたとえばデフォルトの設定を用いて風車のモデルに適用することができる。目標通路はたとえば風速または周囲温度に依存して即時的に適用可能である。目標通路の代わりに所定温度の目標点を用いてもよい。

冷却媒体の流れはたとえば冷却溜め１６に達する導管１７に配置された１つ以上のバルブ１８により制御される。バルブ１８は温度測定装置により直接、または、冷却システム１５の中央装置２０により制御可能である。

１ 風車、 ５ 軸受、 ６ 内側リング、 ７ 外側リング、 １１ 発電機、 １２ ロータ、 １３ ステータ、 １５ 冷却システム、 １６ ヒートシンク、 １７ 導管

Claims (8)

1. ロータ（１２）およびステータ（１３）を有する発電機（１１）を含む、冷却システム（１５）を備える直接駆動型風車であって、
   前記ステータ（１３）は内側リング（６）および外側リング（７）を有する軸受（５）を有し、前記外側リング（７）は前記ロータ（１２）と前記ステータ（１３）とを回転可能に接続し、
   前記冷却システム（１５）は、前記軸受（５）の内側リング（６）と熱的に接続する少なくとも１つのヒートシンク（１６）と、前記ヒートシンク（１６）と熱的に接続している熱放散器（２１）とを有し、
   前記ヒートシンク（１６）は、冷却媒体の冷却溜めを有し、かつ、複数のバルブ（１８）および複数の導管（１７）を介して前記熱放散器（２１）に接続されており、
   前記冷却システム（１５）は、少なくとも１つの温度測定装置と、前記軸受（５）の温度を制御するための制御装置と、をさらに有し、
   前記内側リング（６）は複数の制御ゾーンに分けられ、各ゾーンに対して１つ以上の前記冷却溜め（１６）と、１つの前記導管（１７）または１つの前記導管（１７）の一部と、１つの前記バルブ（１８）とが割り当てられており、
   前記制御装置は、前記制御ゾーン毎に前記軸受（５）の温度を制御する、
   ことを特徴とする直接駆動型風車。
2. 前記ヒートシンク（１６）は、前記内側リング（６）の内周面（６ａ）に設けられている、請求項１記載の直接駆動型風車。
3. 前記ヒートシンク（１６）は前記内側リング（６）と一体的に形成されている、請求項１または２記載の直接駆動型風車。
4. 前記軸受（５）の外側リング（７）のためにヒートシンク（１６）が設けられている、請求項１から３のいずれか１項記載の直接駆動型風車。
5. 前記軸受（５）と前記ヒートシンク（１６）との間に熱インタフェース材料が設けられている、請求項１から４のいずれか１項記載の直接駆動型風車。
6. 前記ロータ（１２）は外側ロータであり、前記ステータ（１３）は内側ステータであり、前記軸受（５）の前記内側リング（６）は前記風車（１）の固定部分（４）に接続され、前記軸受（５）の外側リング（７）は前記風車（１）のロータヨーク（８）に接続されている、請求項１から５のいずれか１項記載の直接駆動型風車。
7. 請求項１から６のいずれか１項記載の直接駆動型風車を制御する方法であって、
   前記軸受（５）の温度を測定するステップと、
   前記軸受（５）のリング（６、７）に取り付けられた少なくとも１つの冷却溜め（１６）を介して冷却媒体の流れを制御するステップと、
   を含む、ことを特徴とする方法。
8. 前記少なくとも１つの冷却溜め（１６）は前記軸受（５）の前記内側リング（６）に取り付けられており、前記軸受（５）の前記内側リング（６）の少なくとも１つの点において温度を測定する、請求項７記載の方法。

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