JP5833622B2 - リング状発電機 - Google Patents

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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 (32)

  1. 風力発電設備のリング状発電機であって、
    ステータ巻線を有する積層型コア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、
    を備え、
    当該リング状発電機は、内部ロータを備えた形態をなし、かつ、当該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ってかつ/または前記ステータ及び/もしくは前記ロータに沿って、能動的な空気流を形成することに関して、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、前記ステータリングに接続されたステータベルをさらに有し、前記ステータベルは、前記ステータリングを支持するように構成され、したがって、前記ステータは前記ステータベルによって支持され、前記ステータベルは前記風力発電設備の機械支持部に対して固定され、
    前記ステータベルは、前記風力発電設備の前記機械支持部に対する固定のための第1の固定部分と、そこから前記ステータリングに対する固定のための第2の固定部分まで星型配置で外向きに延在する複数の支持部分と、を有し、これによって前記ステータリングは前記機械支持部上で前記支持部分によって支持可能となっていることを特徴とするリング状発電機。
  2. 前記ステータ及び/もしくは前記ステータリングが、前記ステータを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. 前記冷却経路の少なくとも一部が、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、かつ/または、
    前記冷却経路の一部が、特に風によって受動的に冷却するために設けられていることを特徴とする請求項2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1に記載のリング状発電機。
  5. 前記ステータベルには、ファンを有する少なくとも1つのファン開口部が設けられることを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載のリング状発電機。
  6. 前記ステータベルには、前記ステータリングが前記ステータベルによって前記機械支持部に対して固定されるように、前記ステータリングに対してかつ前記機械支持部に対して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。
  7. 前記冷却経路の一部またはすべてが、前記回転軸に関して軸方向に延在することを特徴とする請求項2または3に記載のリング状発電機。
  8. 複数の前記冷却経路が、前記回転軸の周囲に同心円上に配置され、少なくとも1つのリング状冷却領域を形成することを特徴とする請求項2,3および7のいずれか1項に記載のリング状発電機。
  9. 前記回転軸に関する径方向において、前記ステータリングが、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、
    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から8のいずれか1項に記載のリング状発電機。
  10. 前記中央の安定させる支持リングが、設けられており、
    前記ステータベルが、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9に記載のリング状発電機。
  11. 冷却領域において隣り合う冷却経路が、隔壁部によって互いに区画されており、
    前記隔壁部が、2つの隣り合う安定させる前記支持リング間にある接続肢部を形成し、かつ/または、2つの隣り合う前記支持リングが、隔壁部によって互いに接続されていることを特徴とする請求項9または10に記載のリング状発電機。
  12. 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、好ましくはすべての前記冷却経路が、軸横断面において三角形状をなし、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11に記載のリング状発電機。
  13. 前記ステータリングが、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特徴とする請求項1から12のいずれか1項に記載のリング状発電機。
  14. 前記ステータリングが、少なくとも前記冷却経路の領域において、アルミニウム及び/もしくはアルミニウム合金から形成されており、かつ/または材料から成型されていることを特徴とする請求項2,3,7,11および12のいずれか1項に記載のリング状発電機。
  15. 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から14のいずれか1項に記載のリング状発電機。
  16. 前記流出開口部が、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し、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部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15に記載のリング状発電機。
  17. 前記支持部分は支持腕部であることを特徴とする請求項1に記載のリング状発電機。
  18. 前記支持部分(108)間の領域はプレート状部分によって覆われることを特徴とする請求項17に記載のリング状発電機。
  19. 前記ステータベルが、ファン部が設けられた少なくとも1つのファン開口部を有し、
    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か、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放することを特徴とする請求項17または18に記載のリング状発電機。
  20. 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19に記載のリング状発電機。
  21. 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17または18に記載のリング状発電機。
  22. なくとも1つのファン開口部は前記プレート状部分に設けられることを特徴とする請求項18に記載のリング状発電機。
  23. 前記ステータベルが、ほぼ金属、および/または鋳鉄、好ましくは球状鋳鉄からなり、かつ/または、一部品として成型されていることを特徴とする請求項17から20のいずれか1項に記載のリング状発電機。
  24. 少なくとも30KW、好ましくは少なくとも300KW、さらに好ましくは少なくとも1MWの公称電力であることを特徴とする請求項1から23のいずれか1項に記載のリング状発電機。
  25. 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、特に、請求項1から24のいずれか1項に記載の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、
    − 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、前記ステータ及び/もしくは前記ロータを通りかつ/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。
  26. 前記風力発電設備の公称電力の値、または公称電力の30%以上、好ましくは50%、さらに好ましくは80%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25に記載の方法。
  27. 請求項1から16のいずれか1項及び/または請求項17から24のいずれか1項に記載のリング状発電機を使用することを特徴とする請求項25または26に記載の方法。
  28. ポッドと、機械支持部と、請求項1から24のいずれか1項に記載のリング状発電機と、を備え、かつ/または請求項25から27のいずれか1項に記載の方法を実行することを特徴とする風力発電設備。
  29. 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、
    ステータ巻線を有する積層型コアを受け、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、特に請求項28に記載の風力発電設備。
  30. 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冷却手段、特に受動的に冷却するための冷却経路を有することを特徴とする請求項29に記載の風力発電設備。
  31. 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29または30に記載の風力発電設備。
  32. 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29から31のいずれか1項に記載の風力発電設備。
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