JP6062434B2 - 水力発電タービンのコイル配列 - Google Patents

Description

本発明は、水力発電のコイル配列に関し、特に、水力発電タービンの発電機の一部を形成するコイルの配列に関し、その配列により前記発電機のパフォーマンスを向上させるものである。

本発明は、概して、水の流れを利用して電力を生成する水力発電タービンの分野に関し、より詳細には、そのような装置のうち、大型の環状ハウジング内に配置された環状の外側リムを有する大型のプロペラ式ロータの回転を、水の潮流により生じさせる装置に関する。

多くのタービンは、シャフトにブレード又はランナーが取付けられた中央回転シャフトを備えるよう構成される一方、タービンの中央部を開放させることも知られ、リムマウントタービンとしても知られている。中央開放ロータを有するタービンは、内側と外側の環状リング又はリムの間にブレードが取付けられ、ロータを保持する環状ハウジングへ外側リムを通じてエネルギーが伝達されるものであり、低ヘッド条件、即ちより緩やかな流れにおいて特に有効である。

中央開放されたリムマウントタービンの例は、１９９７年１月１４日に提出され、２００３年１２月２日にＲＥ３８，３３６号として再発行された米国特許第５，５９２，８１６号、２００３年１１月１８日に発行された米国特許第６，６４８，５８９号、２００４年５月４日に発行された米国特許第６，７２９，８４０号、及び２００５年２月１０日に公開された米国特許出願公開ＵＳ２００５／００３１４４２号（米国特許出願第１０／６３３，８６５号）に見出すことができる。低ヘッド（潮流）条件に用いられる水力発電タービンの例は、Ｈｅｕｓｓ等の米国特許第４，４２１，９９０号、Ｖａｕｔｈｉｅｒの米国特許第６，１６８，３７３号及び同第６，４０６，２５１号、Ｓｕｓｍａｎ等の英国特許出願ＧＢ２，４０８，２９４号、ならびにＤａｖｉｓ等の国際公開ＷＯ０３／０２５３８５号に見出すことができる。

潮汐駆動タービンは、化石燃料又は原子力エネルギーを利用する発電所に代わる環境的に安全なものと考えられている。工業コンビナート、市街地又は都市部等での電力供給を可能とする、水力を利用した大規模発電では、多数のタービンを設置することが必要であるとともに、それらのタービンは、各タービンによって生成される電力量を最大化するため、できるだけ大型であることが必要である。これらのタービンのロータブレードは、その長さが多様であり、実験上の設計として５０メートルを超える長さのブレードを有するものも存在する。

ロータブレードの長さの増大に伴い、より小型のタービン又は発電機では直面することのない構造上及び製造上の問題が生じている。シャフトマウントタービンでは、強固且つ軽量な長ブレードを設置することが困難である。ある解決策において、シャフトマウントタービンのブレードが、環状ハウジング内に収容された外側の環状リムに設けられ、シャフト及びリムによってブレードが支えられる。あるいは、外側サポートリムが環状のスロット又はチャネルを有するハウジング内に保持された状態で、ブレードの内側及び外側端部に対する環状サポートを設けることにより、中央シャフトのないリムマウントタービンによってもこの問題が解決される。電力を生成する通常の手段では、多数の磁石が環状サポートリムに沿って間隔をあけて配置され、多数のコイルがステータハウジングの収容チャネルに沿って間隔をあけて配置される。ロータ界磁により形成された磁場が、ロータとステータとを隔てたギャップを横断する。ロータの回転によりコイルとの鎖交磁束に変化が生じ、コイルに電磁力が発生する。

多くは製造誤差に起因する、このような中央開放タービンの始動トルクを低減するために、このようなタービンは、通常、ステータの環状スロット又はチャネルがロータより直径の大きなものとなるように製造される。これにより、ロータが効率的に回転の浮遊軸を有して、ロータがステータ内で同軸に固定されなくなり、そして、ステータ内でのある程度の移動、浮遊、及び／又は偏心回転することができる。また、軸方向スラスト軸受は、ロータが軸方向に動くことができ、その回転平面がステータの平面と平行とならない隙間を有しており、その結果、ロータの動きは、歳差的要素及び他の複雑なパターンを含んでよい。しかしながら、この偏心回転は、コイル内に生成される電圧の不平衡を引き起こすと共に、ロータ上の磁石に近接する、ステータ上のコイルが、ロータの偏心性のためにＥＭＦ量の偏りを引き起こす。

このような多くのコイルが、互いに並列に接続されるとき、それらの異なる誘導起電力（ＥＭＦｓ）が、コイルに異なる電流を誘起して、コイルは電気的負荷を等しく分担しない。偏心位置からのロータの微小変位は、負荷の分布に偏った大きな不均衡を引き起こす。このことは、コイルに、過熱及び電力変換の効率性の低下の影響を受けやすくしてしまう。

したがって、本発明は、ステータ内で同一平面位置にロータを支持するために高耐性で密接に固定された軸受を使用する困難かつ高価な解決法に頼ることなく、上述した課題を解決することを目的とする。

本発明によると、ステータと、該ステータ内部で回転するよう収容されたシャフトレスロータと、前記ロータにある複数の磁石の配列と、前記ステータにある対応する複数のコイルの配列と、を含んで構成され、前記ステータは、前記ロータが拘束される開口部を規定し、該開口部は、前記ロータに対して、前記ロータに回転の浮動軸を提供するための形状及び長さである水力発電タービンにおいて、前記複数のコイルは、前記複数のコイルが円周に沿って互いに等間隔に離間され、且つ互いに電気的に直列接続されるグループごとに配置されることを特徴とする水力発電タービンが提供される。

好ましくは、互いに電気的に直列接続された前記複数のコイルは、前記ステータにおいて互いに物理的に隣接していない。

好ましくは、前記ロータは中央開放部を含んで構成される。

好ましくは、前記開口部は、前記ロータが略偏心又は内転サイクロイド（hypocycloidal）運動をすることができるような形状及び長さである。

好ましくは、水力発電タービンは、前記ステータ内部で前記ロータを支持する一組の軸受を含んで構成され、前記軸受は、前記ステータ及び前記ロータのどちらかにある軸受部の配列と、前記ステータ及び前記ロータの他方にある対応するジャーナルと、を含んで構成される。

好ましくは、前記ステータは、前記開口部を規定し且つその内部には、回転のために前記ロータが保持されている環状チャネルを含んで構成される。

本明細書において、用語「浮動軸」は、例えば水力発電タービンロータ等の本体部の回転軸を意味し、特に、前記ロータが前記軸周りに回転している間、特定の位置に固定されず、前記回転軸に対して略直角な方向にある程度の移動又は並進運動ができる。結果として、前記ロータは、所定の空間内においてその軸のランダムな又は環状の運動に伴って生ずる前記軸周りの複雑なパターンの回転を描いてもよい。ロータの軌跡は、内転サイクロイド運動又はランダムなものとして分類されてよく、軸方向及び前記軸の歳差の成分を有してもよい。

本発明の一実施形態による水力発電タービンの斜視図を示す。 図１に示す前記タービンの概略図を示し、前記タービンの発電機の一部を形成する部品を示す。 図２に示す前記発電機コイルの回路図を示す。 図１及び図２に示す前記コイルのうち１つに関する等価電気回路を表す回路図を示す。 図１に示す前記タービンのさらなる概略図を示す。

添付した図面を参照して、共通して参照番号１０として示された水力発電タービンを説明する。前記水力発電タービンは海底等に設置されるように構成され、好ましくは、海底の適所に固定されてよい適切なベースを介して設置される。

タービン１０は、内部でロータ１４を回転させるように設置される外側ステータ１２を備える。ロータ１４は放射状に延在するブレード１６の円形配列を備え、ブレード１６は外側リム１８と内側リム２０との間に保持される。外側リム１８は、本実施形態において、ステータ１２の内面に形成された環状チャネル（図示省略）内部に拘束されている。タービン１０は、従来のタービンにおいては、ロータ１４が回転のために設置されるであろう中央シャフトを備えていないことがわかる。したがって、タービン１０は、中央開放型又はシャフトレスタービン１０である。適切な軸受（図示省略）は、例えば、ジャーナル及び軸受板の形式で、外側リム１８及びステータ１２に配置される。さらに、外側リム１８及びステータ１２の周囲には、タービン１０の複数の電気部品が互いに対向して位置しており、したがって、これらの電気部品を総称して「リムマウント発電機」という。

これらの電気部品は、外側リム１８の周囲に取付けられた磁石の配列２２と、ステータ１２の対向面に取付けられた対応するコイルの配列２４と、を含み、磁石２２及びコイル２４は、ステータ２２とロータ１４との間の微小な隙間２６によって互いに隔てられている。当然のことながら、磁石２２及びコイル２４の位置が反転可能である。しかしながら、磁石がステータにあり、コイルがロータにある配置では、ロータから電流を集電するために多少の工夫が必要とされるという欠点が生じるため、磁石がロータにあり、コイルがステータにある配置が通常好まれることになる。

シャフトレスタービン１０の性質のため、上述したように、ロータ１４は、ステータ１２によって規定される環状チャネル内部でのある程度の動きが可能である。したがって、ステータ１２の中心に対して偏心回転をすることができる。結果として、図２において誇張した表現に示すように、多くはロータ１４がステータ１２内部に位置し、その結果、ロータ１４の一部と磁石２２の一部とがロータ１４の対向部よりステータ１２に近接することになる。これにより、磁石２２に最も近接するこれらのコイル２４が偏った高いＥＭＦを誘起することで、コイル２４間に一様でない起電力が発生する。これにより、それらのコイル２４に過熱が生じ、場合によっては損傷する。そして、タービン１０、特にコイル２４の設計時には、通常、このことを考慮しなければならない。

図４に示すように、電機子反作用、コイル抵抗及び誘導起電力を表すインダクタ素子及び抵抗器と直列なＡＣ電源により、各コイル２４を等価電気回路として表してもよい。インダクタンス及び抵抗は、コイル間でそれほど大きく異ならないが、ロータが同心でない場合に電源は異なることになる。

各コイル２４における誘導起電力は、対照として選択された１つの特定のコイルにおいて誘起されたＥＭＦに対し、その振幅、周波数及び位相によって記述することができる交流電圧である。２つ以上のコイルを並列に接続して、共通の出力に電流を搬送する場合には、２つのコイルには、等しい振幅、周波数及び位相の電源が必要となる。機械構造により周波数の等価性が確保される。振幅は、上述した理由で等しくなくてもよい。コイルが磁石の磁極ピッチの整数倍で分離される場合、電源は同位相となる。

コイル２４に流れる電流は、その電源とコイルに接続された回路の電圧との間の差をコイルのインピーダンスで割ったものと等価である。そのため、例えば、１１Ｖの電圧及び１Ωのインピーダンスを有する２つのコイルが１０Ｖの電圧で負荷回路と並列に接続される場合に、各負荷には１Ａが流れる。しかしながら、ロータの偏心回転により電圧がちょうど０．５Ｖずつわずかに変更されて１０．５Ｖ及び１１．５Ｖになった場合に、それぞれ０．５Ａ及び１．５Ａが流れる。各コイルにおける加熱効果は電流の二乗に比例し、各コイルにおける理想的には１Ｗである加熱効果は２．２５Ｗ及び０．２５Ｗで９：１の比となる。このように、電圧の等価性からの微小な偏差のために、電流に偏った大きな不均衡が生じると共に損失及びそれに付随する熱効果にさらに大きな不均衡が生じる。全損失もまた増加する。

２つのコイル２４の位相が異なる場合に、電流に微小な変化が生じることになる。ロータの偏心回転は、図５で示すように正確に離間されたコイル間の位相差を生み出す。

ロータの位置が、その軸が恒久的に一方向に変位して偏心する場合には、いくつかのステータコイルには、恒久的により高いＥＭＦが生じ、他のコイルには、より低いＥＭＦが生じるようになる。その結果、通常、外周のアークを被覆する一領域において、ステータの過熱が生じてしまう。ロータがより複雑な運動を描く場合に、より高い電流が流れるコイルの領域はロータと共に回転し、単一の領域が他の領域より加熱されることはないが、全損失は、ロータが完全な同心回転した場合よりも多くなる。

しかしながら、本発明のタービン１０において、複数のコイル２４はグループごとに配置される。そのうちの１つのみが図２に示され、そのグループにおいて、機械の外周周りに電流を一様に分布させ、且つ複数のコイル２４のいずれかの過熱も防ぐために、複数のコイル２４は電気的に直列接続されている。図３は、複数のコイル２４のこれらグループのうち１つを表す回路図を示す。タービン１０は示されていないが、タービン１０は、好ましくは、このような複数のコイル２４のグループを多数含む。

図５を参照すると、４個のコイル２４が直列に接続されている。図示のようなロータの偏心回転により、コイル２４（１）が電圧の平均未満の振幅を有するようになる。コイル２４（３）は平均より高い振幅を有し、コイル２４（４）は平均振幅を有するが、その位相が平均より進んでおり、コイル２４（２）は平均振幅を有するが、その位相が平均に対して遅れる。４つの全ての電圧を複数のコイル２４の直列接続によって足し合わせるとき、平均からの偏差は略完全に相殺される。

３６個のコイル及び４８個のロータ磁極を備えた機械は、４個のコイルがそれぞれ直列に接続された９組のコイルグループを含んでよい。第１、第１０、第１９及び第２８のコイルを含む第１のグループは図４に示すような電圧を有する。第２のグループは同様な電圧を有するが、電気角１２０度で位相シフトされている。第３のグループもまた同様であり、さらに１２０度位相シフトされている。第４、第１３、第２２及び第３２のコイルを含む第４のグループは、第１のグループのものと同様なＥＭＦｓを有する。各ＥＭＦｓはロータ偏心度の影響に応じてわずかに異なるが、全ＥＭＦは偏心度による影響をほとんど受けないままである。同様に、第７のグループは足せば同じ合計となるＥＭＦを有するが、各ＥＭＦｓもまた第１のグループのものとはいくぶん異なる。第１、第４及び第７のグループは並列に接続されてもよく、それらの全電流は均等に分配されることになる。同様に、第２、第５及び第８のグループは並列に接続されてもよく、第３、第６及び第９のグループは並列に接続されてもよい。そのため、３６個のコイルは、平衡三相出力を形成するように接続され、そして、平衡三相負荷により、電力損失及び熱が発電機の外周周りで一様に分布する。各グループ内で、複数のコイル２４は、好ましくは、ステータの外周周りで互いに等間隔に離間される。これによりほとんど一様な電流の分布が確保されることになる。したがって、例えば、図示された実施形態に示される複数のコイル２４のグループは、ステータ１２周りで互いに９０度の等間隔に離間された４個のコイルを含むが、当然のことながら、あらゆる他の適切な数のコイルが用いられてもよいであろう。

本発明を効率的に運転するために、各コイルグループに対して直列に接続された少なくとも２個のコイル２４が存在しなければならず、これらは略直径方向に対向した位置に配置され、ロータとステータとの間に相対運動があるときに、それらのＥＭＦを足し合わせるように接続されるべきである。しかしながら、全ての並列なコイルグループに対して直径方向に対向する位置で直列な２個のコイルを有することは、ケーブルがステータの半分の外周に亘って敷設されるので、直列なコイルを接続するケーブルが非常に長く、多数の並列なコイルグループを有するタービンの場合、ケーブルのコストが高くなり、ケーブル内部でのさらなる電気損失は発電機に悪影響を及ぼすことになる。

２個より多いコイルを直列に接続してケーブル長を短くすることが好ましい。例えば、各コイルグループは、直列な３個のコイルを有してもよく、それらはステータの内周周りに（１２０度で）等間隔に離間される。直列な４個のコイルを有する場合は、隣合うコイル間の角度間隔を９０度とし、又はグループごとに直列な５個のコイルを有する場合は、隣合うコイル間の角度間隔を７２度としてもよい。

好ましい実施形態は三相電機を提供するが、例えば、二相、四相、五相、六相、十二相、又はより多数の相の他の多相電機への接続を拡張することは比較的容易である。

特定の位相内での特定のコイルグループ内のコイルが何らかの理由で故障した場合に、このコイルグループと他の位相における対応するコイルは、機械から切り離されるか、又は電気的に分離され、位相のインピーダンスを同一及び平衡状態に保つ。

したがって、上記配列は、シャフトレスタービン１０の使用時に一様でない電力生成の問題を軽減又は除去する。それにより、機械設計者にとって、ロータ運動を厳密に規定された同心且つ同軸回転に拘束する必要がなくなり、ロータが偏心又は内転サイクロイドパターンで運動することが可能となり、ロータ軸が複雑又はランダムに運動することが許される。

Claims (6)

1. ステータと、
   該ステータ内部で回転するよう収容されたシャフトレスロータと、
   前記ロータにある複数の磁石の配列と、
   前記ステータにある対応する複数のコイルの配列と、
   を含んで構成され、
   前記ステータは、前記ロータが拘束される開口部を規定し、該開口部は、前記ロータに対して、前記ロータの偏心回転を発生させる回転の浮動軸を提供するための形状及び長さであり、前記複数のコイルには、前記ロータの偏心回転によって一様でない起電力が生じる水力発電タービンにおいて、
   前記複数のコイルは、前記水力発電タービンの外周周りに電流を一様に分布させて前記複数のコイルの過熱を回避するように、前記複数のコイルが円周に沿って互いに等間隔に離間され、且つ互いに電気的に直列接続されるグループごとに配置されることを特徴とする水力発電タービン。
2. 互いに電気的に直列接続された前記複数のコイルは、前記ステータにおいて互いに物理的に隣接していない請求項１に記載の水力発電タービン。
3. 前記ロータは中央開放部を含んで構成される請求項１又は請求項２に記載の水力発電タービン。
4. 前記開口部は、前記ロータが略偏心又は内転サイクロイド運動をすることができるような形状及び長さである請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の水力発電タービン。
5. 前記水力発電タービンは、前記ステータ内部で前記ロータを支持する一組の軸受を含んで構成され、
   前記軸受は、前記ステータ及び前記ロータのどちらかにある軸受部の配列と、前記ステータ及び前記ロータの他方にある対応するジャーナルと、を含んで構成される請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載の水力発電タービン。
6. 前記ステータは、前記開口部を規定し且つその内部には、回転のために前記ロータが保持されている環状チャネルを含んで構成される請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載の水力発電タービン。