JP5769406B2 - 電気機械の不均一なエアギャップを補償するための装置 - Google Patents

Description

本発明は、電気機械内に存在する不均一なエアギャップを補償する装置に関する。本発明は、特に、発電機のロータとステータとの間のエアギャップを補償することに関する。

電気機械は好ましくは、風力タービンに用いられる「ダイレクトドライブ型」発電機のような発電機である。

いずれの発電機も、そのステータの構成要素とロータの構成要素との間にエアギャップを有している。ロータの構成要素には例えば複数の永久磁石が含まれ、ステータの構成要素には、ステータコイルの少なくとも１つの巻線を備えた積層板が含まれる。

エアギャップは発電機の高効率性を保証するよう比較的小さくなければならない。したがって、エアギャップはほんの数ミリメートルの幅になければならない。ダイレクトドライブ型発電機のような発電機に関しては、その大きさからこれは非常に難しい。ダイレクトドライブ型発電機は数メートルの直径を有している。

ロータの構成要素およびステータの構成要素は互いに対向して配置されているので、エアギャップにより発電機の動作中にそれらの構成要素が確実に接触しないようにしなければならない。

したがって、エアギャップは一方で発電機の効率性を保証するように非常に小さくなければならず、他方では、機械的損傷を防止するよう一定の幅のエアギャップが必要とされる。

特にダイレクトドライブ型発電機に関しては、エアギャップをわずか数ミリの幅に維持することは困難である。つまりダイレクトドライブ型発電機は、ステータの構成要素とロータの構成要素とに対して、剛性が高く、大きく、また重い支持構造を必要としている。

発電機のエアギャップは、
−ロータの一部である永久磁石の公差
−ステータの一部である積層板の公差
−ステータコイルの一部であるコイル巻線の公差
により決定される。

発電機の他の構成要素もエアギャップの寸法に関係する。

ロータがその回転軸の周りを回転する間に、エアギャップはロータの構成要素とステータの構成要素とが接触しないように設計される。

ダイレクトドライブ型発電機のための種々のベアリング装置が公知である。その１つはいわゆる「２ベアリング」装置である。この装置は例えばＥＰ１６４１１０２Ａ１またはＵＳ６，４８３，１９９Ｂ２に開示されている。

これらの文献によれば、発電機のロータは風力タービンのシャフトと接続されている。シャフト自体は２つのベアリングを介して支承されている。発電機のステータは一方の側において１つのベアリングを介していわゆる「固定内部シャフト」に取り付けられている。したがって、ロータは固定内部シャフトの周りをステータに対して相対的に回転する。

ステータを一方の側で支承されているので、エアギャップを一定にまたは、少なくともほぼ一定に維持することは困難である。また、重力が巨大な発電機に作用し、エアギャップにも影響を及ぼす。ロータの構成部品もまた、その質量慣性のため、エアギャップに影響を及ぼす。発電機の構成要素に作用する磁力、および、発電機の振動もまた、発電機の動作中のエアギャップの幅に影響を及ぼす。

２ベアリング装置に代わり「１ベアリング装置」が使用される。この技術は、例えばＵＳ２００６／０１５２０１４Ａ１およびＷＯ０２／０５７６２４Ａ１に開示されている。固定された内部のベアリング部分は固定内部シャフトに取り付けられており、回転する外側のベアリング部分はダイレクトドライブ型発電機のロータを支承している。

図３は、典型的な周知の「１ベアリング」装置を示す。風力タービン４０１はダイレクトドライブ型発電機４０２を備えている。ダイレクトドライブ型発電機４０２は、風力タービン４０１のタワー４０３の風上側に配置されている。

タワーフランジ４０４はタワー４０３の頂部に配置されている。ベッドプレート４０５はタワーフランジ４０４に取り付けられている。風力タービン４０１はヨーシステム（図示せず）を備えている。ヨーシステムは、風力タービン４０１のベッドプレート４０５をＹ軸の周りに回転させるために用いられる。

風力タービン４０１は固定シャフト４０６を備えており、この固定シャフト４０６は中心軸Ａを有している。固定シャフト４０６の後部側は保持部材４０７に取り付けられている。固定シャフト４０６の前部側には、ダイレクトドライブ型発電機４０２のステータ４０８が配置されている。

ステータ４０８はステータ支承構造体４０９および積層体４１０を備えている。積層体４１０は巻線４１１を備えている。

ステータ支承構造体４０９は、積層体４１０を２個所で支承するための２つの支承部材４１２を備えている。支承部材４１２は環状に構成されている。支承部材４１２は固定シャフト４０６の外面に取り付けられている。

中空円筒状の支承部材４１３は環状の支承部材４１２の外周端に取り付けられている。中空円筒状の支承部材４１３には環状の積層体４１０および巻線４１１が収容されている。

ロータ４１４はステータ４０８の周囲に配置されている。ロータ４１４は前部側端板４１５と、円筒状部材４１７とを備えている。前部側端板４１５は環状に構成されており、円筒状部材４１７は中空に構成されている。

円筒状部材４１７は複数の永久磁石４１８を備えている。複数の永久磁石４１８は中空の円筒状部材４１７の内側に配設されている。

複数の永久磁石４１８は積層体４１０と、この積層体４１０に備えられている巻線４１１に対向して配置されている。

約５ｍｍ幅のエアギャップ４１９が、複数の永久磁石４１８と積層体４１０との間に設けられている。

前部側端板４１５はベアリング４２０を介して固定シャフト４０６に取り付けられている。ベアリング４２０は軸方向荷重を中心軸Ａの両方向の荷重に変換することができる。適切なベアリングは例えばＤＥ２０１１６６４９Ｕ１に開示されている。

ベアリング４２０の固定部４２１は固定シャフト４０６に取り付けられている。ベアリング４２０の回転部４２２は取り付けリング４２３に連結されている。前部側端板４１５とハブ４２４は取り付けリング４２３に取り付けられている。ハブ４２４は風力タービンの回転ブレード（図示せず）のための取り付け機構４２５を備えている。

ここに示すエアギャップ４１９は均一であり、ロータの構成部材とステータの構成部材との間に一定の距離を形成している。１ベアリングの設計は、設計が簡単なため、非常に魅力的である。その一方で、１ベアリング装置は上述の２ベアリング装置と同じ欠点を有している。

いずれのベアリング装置も、それぞれ利点と欠点を有する。

ＷＯ０２／０５７６２４Ａ１ ＵＳ２００６／０１５２０１４Ａ１ ＤＥ２０１１６６４９Ｕ１

それらのベアリング装置を風力タービンのダイレクトドライブ型発電機に適用した場合には、エアギャップが均一ではなくなる可能性が高い。発電機の構成部品のサイズに起因して、エアギャップの断面積はその長さ方向において変化する虞がある。つまり、不均一なエアギャップが生じる場合がある。その結果、発電機の効率が低下する虞がある。

したがって、本発明の課題は、電気機械、特にダイレクトドライブ型発電機のような巨大な発電機における不均一なエアギャップの影響を補償する装置を提供することである。

この課題は、電気機械がステータとロータとを備えており、ロータが長軸の周りを回転し、ロータの少なくとも一部がステータの一部と相互作用して発電し、エアギャップがロータの一部とステータの一部との間の距離によって画定されており、ステータの一部が、所定の長さにわたって、ロータの一部に対向しており、エアギャップの断面積が所定の長さにわたって変化し、これにより該エアギャップが所定の長さに関して不均一であり、ロータが複数の磁石を有しており、エアギャップ内の磁束密度がエアギャップの断面積に依存して変化していることにより解決される。

好適な実施形態は、従属項に記載されている。

本発明において、電気機械はステータとロータとを備えている。ロータは長軸の周りを回転する。この長軸は電気機械の長軸であってもよい。

ロータの少なくとも一部はステータの一部と相互作用して発電する。エアギャップはロータの一部とステータの一部との間の距離によって画定される。

ステータの一部は、所定の長さにわたって、ロータの一部に対向している。

エアギャップの断面積は所定の長さにわたって変化するので、エアギャップは所定の長さに関して不均一である。

不均一なエアギャップの好ましくない影響を補償するため、ロータの一部である磁石の磁束密度が、エアギャップの断面積に依存して変化される。

好ましくは、永久磁石がロータにおいて用いられている。

エアギャップ内の磁束密度は、好ましくは、ロータの一部から特定距離のエアギャップの断面積に依存して変化される。

本発明の第１の実施形態において、磁石のタイプを不均一なエアギャップにわたって変更することができる。エアギャップがその第１の側において「短い」第１の距離を有する場合、そこに位置する磁石は第１の磁束密度（または磁界強度）を有してもよい。

エアギャップがその第２の側において「比較的長い」第２の距離を有する場合、対応するそこに位置する磁石は、第１の磁束密度に関して増加されている第２の磁束密度（または磁界強度）を有してもよい。

本発明の第２の実施形態において、磁石のサイズを不均一なエアギャップにわたって変更することができる。エアギャップがその第１の側において「短い」第１の距離を有する場合、そこに位置する磁石のサイズは第１の距離に関して第１の高さを有する。したがって、磁石は第１の磁束密度（または磁界強度）を有することになる。

エアギャップがその第２の側において「比較的長い」第２の距離を有する場合、そこに位置する磁石のサイズはそこで第２の距離に関して第２の高さを有する。したがって、磁石は、第１の磁束密度（または磁界強度）に関して増加されている第２の磁束密度（または磁界強度）を有することになる。エアギャップに関連する磁石の異なる高さが均衡するよう、磁石は異なるベースメントに配置されている。ベースメントの高さはエアギャップの断面積に応じて個別に選択される。

好ましくは、電気機械は１ベアリング装置を有する。従って、ただ１つのベアリングがロータの片側支承体として用いられる。ベアリングを介してロータとステータが接続される。ロータは、電気機械の長軸に関して、支承されている第１の端部と好ましくは支承されていない第２の端部とを備えている。

好ましくは、電気機械は発電機である。

好ましくは、発電機はダイレクトドライブ型発電機である。

好ましくは、発電機は風力タービンである。

好ましくは、発電機は外側に位置するロータと内側に位置するステータとを有しているので、ロータはステータの周りを回転する。

好ましくは、発電機は中心軸を持つ固定シャフトを有する。ステータは固定シャフトの外面に配置されている。ロータは実質的にステータの周囲に配置されている。発電機の前部側には、ロータがメインベアリングにより、固定シャフト上に少なくとも間接的に支承されているか、または固定シャフト上に配置されている。

エアギャップの幅は電気機械の動作中に変化しやすい。印加される力を不均一なエアギャップに関して考慮すれば、動作中にロータがステータと衝突する危険性は低減されているか、または、無くなりさえする。

他方では、不均一なエアギャップの望ましくない効果が低減されているか、または、無くなりさえするので、電気機械の効率性は向上する。

以下では、図面を参照しながら本発明を詳細に説明する。図面は異なる実施形態を示すものであり、本発明の範囲を限定するものではない。

本発明の有利な実施形態を示す図である。 図１の詳細を示す図である。 本願明細書の背景技術の項において説明した、ダイレクトドライブ型発電機の周知の「１ベアリング装置」を示す図である。

図１は本発明の有利な実施形態を示す。

風力タービン１０１はダイレクトドライブ型発電機１０２を備えている。ダイレクトドライブ型発電機１０２は、風力タービン１０１のタワー１０３の風上側に配置されている。

タワーフランジ１０４はタワー１０３の頂部に配置されている。ベッドプレート１０５はタワーフランジ１０４に取り付けられている。風力タービン１０１はヨーシステム（図示せず）を備えている。ヨーシステムは、風力タービン１０１のベッドプレート１０５をＹ軸の周りに回転させるために用いられる。

風力タービン１０１は固定シャフト１０６を備えており、この固定シャフト１０６は中心軸Ａを有している。固定シャフト１０６の後部側は保持部材１０７に取り付けられている。固定シャフト１０６の前部側には、ダイレクトドライブ型発電機１０２のステータ１０８が配置されている。

ステータ１０８はステータ支承構造体１０９および積層体１１０を備えている。積層体１１０は巻線１１１を備えている。

ステータ支承構造体１０９は、積層体１１０を２個所で支承するための２つの支承部材１１２を備えている。支承部材１１２は環状に構成されている。支承部材１１２は固定シャフト１０６の外面に取り付けられている。

中空円筒状の支承部材１１３は環状の支承部材１１２の外周端に取り付けられている。中空円筒状の支承部材１１３には環状の積層体１１０および巻線１１１が収容されている。

ロータ１１４はステータ１０８の周囲に配置されている。ロータ１１４は前部側端板１１５と、円筒状部材１１７とを備えている。前部側端板１１５は環状に構成されており、円筒状部材１１７は中空に構成されている。

円筒状部材１１７は複数の永久磁石１１８を備えている。複数の永久磁石１１８は中空の円筒状部材１１７の内側に配設されている。

複数の永久磁石１１８は積層体１１０と、この積層体１１０に備えられている巻線１１１に対向して配置されている。

平均幅が約５ｍｍの不均一なエアギャップ１１９が、複数の永久磁石１１８と積層体１１０との間に設けられている。

前部側端板１１５はベアリング１２０を介して固定シャフト１０６に取り付けられている。ベアリング１２０は軸方向荷重を中心軸Ａの両方向の荷重に変換することができる。適切なベアリングは例えばＤＥ２０１１６６４９Ｕ１に開示されている。

ベアリング１２０の固定部１２１は固定シャフト１０６に取り付けられている。ベアリング１２０の回転部１２２は取り付けリング１２３に連結されている。前部側端板１１５とハブ１２４は取り付けリング１２３に取り付けられている。ハブ１２４は風力タービンの回転ブレード（図示せず）のための取り付け機構１２５を備えている。

本発明によれば、複数の複数の永久磁石１１８は異なるサイズを有し、したがって、不均一なエアギャップ１１９の断面積に関して異なる高さＨ１１、Ｈ２１を有している。

エアギャップ１１９の第１の側Ｓ１は前部側端板１１５に隣接している。エアギャップ１１９は第１の側Ｓ１において第１の幅Ｗ１を有している。

第１の幅Ｗ１は、発電機１０２の動作中に、ステータ１０８の構成部材と、ロータ１１４の構成部材との接触が確実に防止されることを保証しなければならない。

エアギャップ１１９の第２の側Ｓ２は第１の側Ｓ１とは反対側に位置する。エアギャップ１１９は第２の側Ｓ２において第２の幅Ｗ２を有している。

ベアリングの構成部材１２０、１２２、１２３の位置に起因して、第２の幅Ｗ２は第１の幅Ｗ１よりも大きい。

第２の幅Ｗ２は、発電機１０２の動作中に、ステータ１０８の構成部材と、ロータ１１４の構成部材との接触が確実に防止されることを保証しなければならない。

不均一なエアギャップにより、
−ロータの構成部材に働く重力、
−ハブ１２４からシャフト１０６を介して発電機１０２に誘起される空力的な力、
−発電機１０２の回転する構成部材により生成される質量慣性、
−発電機の構成部材に働く磁力、または、
−振動
が補償および吸収される。

積層体１１０を２個所で支承する２つの支承部材１１２は、好ましくは同一の長さを有していることを言及しておく。

図２は図１の詳細を示す。

複数の磁石１１８のサイズは不均一なエアギャップ１１９にわたり変化する。エアギャップ１１９が、その第１の側Ｓ１において「短い」第１の距離または幅Ｗ１を有する場合、そこに位置する磁石１１８は第１の幅Ｗ１に関して第１の高さＨ１１を有する。したがって、第１の側Ｓ１において磁石１１８は第１の磁界強度（磁束密度）を有する。

エアギャップ１１９が、その第２の側Ｓ２において「比較的長い」第２の距離または幅Ｗ２を有する場合、そこに位置する磁石は第２の幅Ｗ２に関して第２の高さＨ２１を有する。したがって、磁石１１８は第２の側Ｓ２において、第１の側Ｓ１における第１の磁界強度に関して増加されている第２の磁界強度（磁束密度）を有する。し、第１の側Ｓ１における第１の磁界強度（束密度）に関して、第２の側Ｓ２における磁界強度（束密度）は増大する。

エアギャップ１１９の変化する断面積に関して、複数の磁石１１８の異なる高さＨ１１およびＨ２１が均衡するよう、複数の磁石１１８が複数の異なるベースメントＢＭ上に配設される。

ベースメントＢＭの高さは、エアギャップの断面積に応じて個別に選択される。

本発明が、セグメント化されたステータおよび／またはセグメント化されたロータを備えている発電機に特に適していることは留意すべきである。このような発電機は、製造工場または製造場所においてステータ／ロータに取り付けられる複数のセグメントを有する。

この構造は、典型的に４メートル以上の直径を有する風力タービンのダイレクトドライブ型発電機に特に適している。

不均一なエアギャップがロータ近傍での調節により補償されるので、セグメントが組み合わされて発電機全体が形成される前に、調節は容易に行うことができる。

複数のベースメントＢＭの種々の高さを選択することにより、エアギャップの不均一性を増加させるか、不均一性を生じさせることすらできる。

エアギャップの断面積および複数の磁石の高さ／厚さを段階的に変化させ、効果的な補償を実現することができる。

好ましい実施形態では、エアギャップは、第１の側Ｓ１において６ｍｍの距離を有し、また、第１の側Ｓ１において第１の磁石の２０ｍｍの高さまたは厚さを有する。第２の側Ｓ２におけるエアギャップは好ましくは９ｍｍであり、相応する磁石の高さまたは厚さは３０ｍｍである。したがって、エアギャップは第１の側Ｓ１から第２の側Ｓ２まで１．５の係数で増加し、不均一なエアギャップの効果は係数１．５で磁石の高さ／厚さが同様に増加することにより補償される。

本発明の別の好ましい実施形態によれば、不均一なエアギャップの補償は、磁石の強さの増加と組み合わせて達成される。複数の磁石の強さを１．１テスラ〜１．２テスラの範囲で変化させることができる、および／または、複数の磁石の異なる高さ／厚さにより変化させることができる。

Claims (12)

1. 電気機械（１０２）における不均一なエアギャップ（１１９）を補償するための装置であって、
   前記電気機械（１０２）はステータ（１０８）とロータ（１１４）とを備えており、
   前記ロータ（１１４）は長軸（Ａ）の周りを回転し、
   前記ロータ（１１４）の少なくとも一部（１１８）は前記ステータ（１０８）の一部（１１１）と相互作用して発電し、
   前記エアギャップ（１１９）は前記ロータ（１１４）の一部と前記ステータ（１０８）の一部との間の距離によって画定されており、
   前記ステータ（１０８）の一部は、所定の長さにわたって、前記ロータ（１１４）の一部に対向しており、
   前記エアギャップ（１１９）の断面積は前記所定の長さにわたって変化し、これにより該エアギャップ（１１９）は前記所定の長さに関して不均一であり、
   前記ロータ（１１４）は複数の磁石を有しており、
   前記エアギャップ（１１９）内の磁束密度は該エアギャップ（１１９）の断面積に依存して変化しており、
   前記ステータ（１０８）は、ステータコイルの少なくとも１つの巻線（１１１）を備えている積層体（１１０）を有しており、
   前記ロータ（１１４）は前部側端板（１１５）および円筒状部材（１１７）を備えており、
   前記前部側端板（１１５）は環状に構成されており、前記円筒状部材（１１７）は中空に構成されており、
   中空に構成されている前記円筒状部材（１１７）は前記複数の磁石を保持しており、該複数の磁石は前記円筒状部材（１１７）の内側に配設されており、
   前記複数の磁石は前記積層体（１１０）および支持された前記巻線（１１１）に対向して配置されており、
   前記エアギャップ（１１９）は、前記複数の磁石と前記ステータコイルの支持された前記巻線（１１１）との間に形成されており、
   前記エアギャップ（１１９）の前記第１の側（Ｓ１）は前記前部側端板（１１５）に隣接しており、
   前記第１の側（Ｓ１）に位置する磁石は、前記長軸（Ａ）に対して所定の第１の高さ（Ｈ１１）を有しており、
   前記第２の側（Ｓ２）に位置する磁石は、前記長軸（Ａ）に対して所定の第２の高さ（Ｈ２１）を有しており、
   前記第２の高さ（Ｈ２１）は前記第１の高さ（Ｈ１１）よりも高い、
   ことを特徴とする、装置。
2. 前記複数の磁石は永久磁石（１１８）である、請求項１記載の装置。
3. 前記磁束密度は、
   前記エアギャップ（１１９）に関する、前記複数の磁石のサイズの変化により、および／または、
   前記エアギャップ（１１９）に関する、前記複数の磁石の高さの変化により、および／または、
   前記エアギャップ（１１９）に関する、前記複数の磁石の強さまたは磁界強度の変化により
   変化している、請求項１または２記載の装置。
4. 前記複数の磁石のタイプが不均一な前記エアギャップ（１１９）にわたって変化しており、前記エアギャップ（１１９）の断面積に依存して、前記複数の磁石の磁界強度または磁束密度が調節されている、請求項２または３記載の装置。
5. 前記エアギャップ（１１９）に関して前記複数の磁石（１１８）の異なる高さ（Ｈ１１、Ｈ２１）が均衡するよう、前記複数の磁石は複数のベースメント（ＢＭ）上に配置されており、
   前記エアギャップ（１１９）の前記第１の側（Ｓ１）に近い磁石（１１８）のベースメント（ＢＭ）は、前記エアギャップ（１１９）の前記第２の側（Ｓ２）に近い磁石（１１８）のベースメント（ＢＭ）より高い、
   請求項１記載の装置。
6. 電気コイルが前記ロータ（１１４）に隣接した磁石として用いられる、請求項１記載の装置。
7. 前記ステータ（１０８）および前記ロータ（１１４）は単一のメインベアリング（１２０〜１２３）を介して接続されている、請求項１記載の装置。
8. 前記ステータ（１０８）はステータ支承構造体（１０９）と積層体（１１０）とを備えており、
   前記積層体（１１０）はステータコイルの巻線（１１１）を支持するよう構成されており、
   前記ステータ支承構造体（１０９）は前記積層体（１１０）を２個所で支承するための２つの支承部材（１１２）を備えており、
   前記支承部材（１１２）は環状に構成されており、
   前記支承部材（１１２）は前記ロータ（１１４）に単一のメインベアリング（１２０〜１２３）を介して接続されており、
   前記環状の支承部材（１１２）の外周端は中空円筒状の支承部材（１１３）に取り付けられており、
   前記中空円筒状の支承部材（１１３）は環状の前記積層体（１１０）および前記巻線（１１１）を収容している、
   請求項１乃至７のいずれか１項記載の装置。
9. 複数の前記環状の支承部材（１１２）は同一の直径を有している、請求項１記載の装置。
10. 前記電気機械は発電機である、請求項１記載の装置。
11. 前記発電機は外側に位置するロータと内側に位置するステータとを備えており、ロータはステータの周りを回転する、および／または、
    発電機は、風力タービンに設けられるダイレクトドライブ型発電機である、
    請求項１０記載の装置。
12. 前記発電機は中心軸を有する固定シャフトを備えており、
    前記ステータ（１０８）は前記固定シャフトの外面に配置されており、
    前記ロータ（１１４）は前記ステータ（１０８）の周囲に配置されており、
    前記ロータ（１１４）は単一のメインベアリングにより前記固定シャフトに支承されており、
    前記メインベアリングは発電機の前部側に設けられる、
    請求項１０または１１記載の装置。

Images