JP6120228B2 - 風力発電機の空冷 - Google Patents

Description

本発明は、風力発電機に関する。本発明は、発電機の冷却を向上させるための風力発電機の固定子および回転部の構造部品の形状を含んでもよい。本発明は、オフショアおよびオンショアでの用途に適用できる。

風力を電力などの他の形のエネルギーに変換するために、オフショア（海上）およびオンショア（陸上）の風力タービンを設置することが知られている。

本発明は、添付の特許請求の範囲に記載するような風力発電機を提供する。

本発明は、発電機の冷却を向上させるための風力発電機の固定子および回転部の構造部品の形状を含んでもよい。

本発明は、特に軸方向磁束発電機に適用できる。軸方向磁束発電機は、磁石間の磁束線が、電気コイルを、発電機の回転部の回転軸に略平行である略軸方向に通る発電機である。

本明細書において、本発明の実施形態を、例示のみにより添付図面を参照しながら説明する。

風力タービンの一部を形成する風力タービン回転部を示す。 風力タービン回転部の中心部を示し、３つのブレードが発電機をまたぐように支えていることを示す。 一実施形態における固定子および風力タービンの発電機回転部の変更方法を示す断面図である。 本発明の別の実施形態を示す。

図１は、風力タービンタワー（不図示）に取り付けるのに適した風力タービン回転部を示す。説明する実施形態は、例えば５〜１０メガワットの電力を発電するような大規模な風力タービンに適しており、例えば回転部１の重量は３０〜４００トン（３０，０００〜４００，０００Ｋｇ）の範囲にある。

風力タービン回転部１の主構成要素は、ブレード回転部２と、回転部４と固定子８を備える発電機とである。ブレード回転部２は、以降で説明するようにブレード支持部１２によりそれぞれ支持される。

図２は、風力タービン回転部１の中心部を示す。ブレード回転部２と発電機回転部４とは両方とも、軸６に回転可能に取り付けられる。固定子８はスポーク１０により支持され、軸６の周囲は回転しない。発電機回転部４と固定子８とは共に、発電を行う発電機を形成している。

ブレード回転部２は、３つのブレード支持部1２に支持される３枚のブレード５（図１に図示）を備える。ブレード指示部１２はそれぞれ、発電機回転部４と固定子８をまたぐ２本の脚１４を有し、間隔を空けて軸６上に回転可能に取り付けられる。

ブレード支持部１２はそれぞれ、ブレード５をブレード支持部１２に取り付けてピッチモーター１８により回転させることができるピッチベアリング１６を備える。これにより、各ブレード５のピッチを、現在の風速および要求電力に合わせ調整することが可能となる。別の実施形態では、ピッチベアリング１６を省くこともでき、ブレード５は例えばブレード支持部１２に一体化して形成することもできる。

発電機回転部４は複数の支持部品により支持され、この支持部品は複数のＡフレームとして配置され、前述の軸６上に回転可能に取り付けられる。発電機回転部４は、その外周に永久磁石を配置する。固定子８は発電機回転部４の磁石内に配置された電気巻線を備える。発電機回転部４と固定子８の電気コイル間の磁石の相対移動により発電が行われる。電気コイルは、鉄のコアを有しても有していなくても良い。

図３は、本発明の一実施形態における固定子８および発電機回転部４の変更方法を示す断面図である。

最初に、固定子８を形成する構成要素について考える。固定子８は、固定子支持枠を支持する固定子スポーク１０を備え、これは固定子８の電気巻線３４を格納する巻線ハウジング３２を支持する。巻線ハウジング３２は図３のような断面形状を有し、厚みのある外側枠部３８と厚みのある内側枠部４０とを備えた平らな中間部３６を有する。外側および内側の枠部３８,４０は、平らな中間部３６よりも厚くなっているため、図３に示すように、電気巻線３４が適切に回転できるようになる。巻線ハウジング３２は、固定子枠支持部３０に、それぞれの間を間隔４４を空けて配置した一連の支持部４２により接続される。図３では、間隔を空けて配置された支持部４２と間隔４４とが網掛けの領域４２／４４で示され、図２では間隔を空けて配置された支持部４２と間隔４４とが別個に図示され、別々に符号を付している。

図３には、発電機回転部４の詳細も示す。発電機回転部４は、２つの磁石支持構造４６を備え、プレートから形成され発電機回転部４の外周を通り固定された永久磁石４８内部に延びる。磁石支持構造４６と磁石４８とは、巻線ハウジング３２の平らな中間部３６の片側に配置され、巻線ハウジング３２の外側および内側の枠部３８，４０は、磁石支持構造４６と磁石４８とを超えて突出する。磁石支持構造４６は、前述および図２に示す支持部品２０により支持される。ただし、支持部品２０は分かりやすくするため図３では省いている。

次に、発電機の空冷に関連する図３の特徴について説明する。分かりやすくするため、これらの特徴は図１および図２では省いている。図３は気流を発電機を通るよう方向を変え発電機巻線３４の冷却を発生させる３つの風ガイドの追加を図示している。これらの風ガイドについて、以下に説明する。

発電機の風上（向かい風）側では、内側の風ガイド５０は磁石４８の内側のエッジまたは磁石支持構造４６に固定され、巻線ハウジング３２の内側の枠部４０に隣接する。また、発電機の向かい風側では、外側の風ガイド５２が磁石４８の外側のエッジまたは磁石支持構造４６に固定され、巻線ハウジング３２の外側の枠部３８に隣接する。動作中、内側の風ガイド５０は、発電機の向かい風側上の磁石４８と巻線ハウジング３２との間の空隙への急速な流れを方向づける。外側の風ガイド５２は、巻線ハウジングの枠部３８を流れる風から保護し、低圧、すなわち吸引を生み出す。これにより、図３の気流の矢印で示すように、空気が、空隙を通って巻線ハウジング３２の外側の枠部３８の周囲の空隙から出るように流れることができる。

発電機の風下では、図３の気流の矢印で示すように、隙間４４を通って、発電機の下流側の巻線ハウジング３２と磁石４８の間の空隙に流れるような空気の向きにするように、流風ガイド５４が固定子支持枠３０に固定され巻線ハウジング３２の内側の枠部４０の周囲に沿って湾曲する。図３に示すように、下流風ガイド５４は、磁石４８の内側のエッジまたは磁石支持構造４６のいずれかまたは両方に置かれ、空気の損失を防ぐ役割をする。別の実施形態では、下流風ガイド５４は代わりに磁石４８および／または磁石支持構造４６に固定しても良く、ブラシ５６を代わりに固定子支持枠３０に置いても良い。

別の実施形態を図４に示す。ここでは下流風ガイド５４を大きくした下流風ガイド５８に替え、支持部６０により固定子支持枠３０に固定しても良い。大きくした下流風ガイド５８は、隙間４４を通る空気と固定子８のスポーク１０間を通る空気との両方の向きを変えることができる。これにより、下流発電機空隙を通る気流が増大する。大きくした下流風ガイド５８とその支持部６０とは別に、図４の実施形態の他の構成要素は、図３の構成要素と同様である。

図３および図４の各実施形態を３つの風ガイドを使って説明したが、少なくとも１つの風ガイドを使用した場合に発電機巻線３４の冷却の一部が達成される。例えば、図３または図４では内側および外側の風ガイド５０，５２を取り除き、下流風ガイド５４，５８のみを提供することもできる。一般に、１つ以上の風ガイドのいかなる組み合わせも採用できる。

ここでは、風ガイドのサイズについて述べる。前述の軸を含む平面における断面において、１つ以上の前述の風ガイドの長さが、固定子と磁石の間の空隙の半径の長さの少なくとも１５パーセントであることが好ましい。

ここでは、使用中の空隙を通る気流の速度について述べる。風速が少なくとも１４ｍ／秒である場合、風ガイドは少なくとも速度１５ｍ／秒で空隙を通る空気の流れを発生させることが望ましい。

さまざまな変形例も可能である。例えば、内側風ガイド５０は、発電機回転部４ではなく固定子８や例えば固定子支持部枠３０に固定し、風が上流の空隙に向かうようにすることもできる。

好ましい実施形態では発電機の回転部に磁石を、固定子に電気巻線を使用しているが、これらを逆にし、発電機の回転部に電気巻線を、固定子に磁石をそれぞれ使用しても良い。この選択肢は通常、発電機の回転部状に、発生した電気を発電機の回転部から導電するためのスリップリングが必要になるためあまり好ましくない。このような別の実施形態の例では、図３の実施形態は、電気巻線３４を備えた固定子８が軸６の周囲を回転可能になり（固定子８が回転部となる）、磁石４８を備えた発電機回転部４を軸５に対して一定の位置に固定（発電機回転部４が固定子になる）できるよう変更することができる。この場合、電気巻線３４は図３の実施形態と同様な方法で磁石４８間に固定されるが、電気巻線３４は（固定子ではなく）代わりに発電機回転部の一部となる。

図３および図４の実施形態における風ガイド５０，５２，５４，５８の形状は例である。異なる形状およびサイズの風ガイドを使用して、必要な気流を形成することもできることが理解されよう。１つの風ガイドのみを使用する場合、風の向きを発電機巻線３４の両側の２つの空隙を通るようにする。例えば、図４の下流風ガイド５８により風の向きは、この風ガイドが内側および外側風ガイド５０，５２（図３で示す）なしで使用される場合でも、発電機巻線３４の両側の空隙を通るようになることが理解されよう。

Claims (22)

1. 風力を電気に変換するための風力タービン軸方向磁束発電機であって、
   軸の周囲を回転可能な発電機回転部と、
   固定子と、
   を備え、前記発電機回転部と前記固定子との一方が磁石を備え、他方が、発電機回転部と固定部間の相対的な動きにより電気を誘発する電気巻線を備え、
   前記発電機がさらに、
   前記電気巻線の風上側に前記電気巻線の風上側の前記電気巻線と前記磁石の少なくとも一部との間の風上空隙と、
   前記電気巻線の風下側に前記電気巻線の風下側の前記電気巻線と前記磁石の少なくとも一部との間の風下空隙と、
   前記風上空隙と前記風下空隙の両方を通る、前記電気巻線の前記風上側と風下側の両方からの前記電気巻線を冷却するための気流となるような方向に前記風の向きを方向づける少なくとも１つの風ガイドと、
   を備えた発電機。
2. 前記軸を含む平面における断面において、前記少なくとも１つの風ガイドの長さが、少なくとも１つの前記空隙の半径の長さの少なくとも１５パーセントである、請求項１に記載の風力タービン発電機。
3. 風速が少なくとも１４ｍ／秒である場合、前記少なくとも１つの風ガイドが少なくとも速度１５ｍ／秒で前記空隙を通る空気の流れを発生させる、請求項１または２に記載の風力タービン発電機。
4. 前記空隙のそれぞれが内側開口部および外側開口部を有し、前記外側開口部が前記内側開口部から外に向かって放射状に配置され、前記発電機が、前記空隙の前記外側開口部を前記風から少なくとも一部保護するように配列された外側風ガイドを有し、使用中に前記風が空気を前記外側開口部に流れ込まないようにしてある、請求項１〜３のいずれか１項に記載の発電機。
5. 前記外側風ガイドが前記発電機回転部に固定されている、請求項４に記載の発電機。
6. 前記空隙のそれぞれが内側開口部および外側開口部を有し、前記外側開口部が前記内側開口部から外に向かって放射状に配置され、前記発電機が、空気が前記風から少なくとも１つの前記内側開口部の方に向かうように配列された内側風ガイドを有している、請求項１〜５のいずれか１項に記載の発電機。
7. 前記内側風ガイドが前記発電機回転部に固定されている、請求項６に記載の風力タービン発電機。
8. 前記内側風ガイドが前記発電機回転部の内側のエッジに固定され、外側に向かって前記固定子から離れるように湾曲し、流れてくる風に向かうような方向に配置されている、請求項７に記載の風力タービン発電機。
9. 前記内側風ガイドが前記固定子に固定されている、請求項６に記載の風力タービン発電機。
10. さらに、前記風を前記風下空隙に風を方向づける下流風ガイドを備える、請求項１〜９のいずれか１項に記載の風力タービン発電機。
11. 前記下流風ガイドが前記固定子に固定されている、請求項１０に記載の風力タービン発電機。
12. 前記下流風ガイドが前記発電機回転部と接触するブラシを備える、請求項１１に記載の風力タービン発電機。
13. 前記下流風ガイドが前記発電機回転部に固定されている、請求項１０に記載の風力タービン発電機。
14. 前記下流風ガイドが前記固定子と接触するブラシを備える、請求項１３に記載の風力タービン発電機。
15. 前記固定子が、前記風の少なくとも一部が固定子を通るようにし、前記下流風ガイドが、前記固定子の前記風下の少なくとも一部に配置され、少なくとも一部の風が前記固定子から前記風下空隙へと通るようにする、請求項１０〜１４のいずれか１項に記載の風力タービン発電機。
16. 前記固定子が、前記電気巻線または磁石を支持する１つの固定子支持枠をそなえ、固定子支持枠により支持される電気巻線または磁石内部に放射状に配置され、前記固定子支持枠と、固定子支持枠により支持される電気巻線または磁石との間に少なくとも若干の間隔が提供され、前記下流風ガイドが、前記間隔を通る前記風の少なくとも一部が前記風下空隙を通るように配置されている、請求項１５に記載の風力タービン発電機。
17. 前記下流風ガイドが前記固定子支持枠に取り付けられている、請求項１６に記載の風力タービン発電機。
18. 前記固定子が放射状に延びるスポークを備え、前記下流風ガイドが、前記スポーク間の間隔を通った少なくとも一部の風を前記風下空隙を通るような向きにするよう配置されている、請求項１０〜１７のいずれか１項に記載の風力タービン発電機。
19. 前記固定子を通る前記風の少なくとも一部が前記固定子を通れるようにする開口部を備え、前記固定子を通った前記風の少なくとも一部が、前記風下の空隙に向かうよう向きを強制する固定子の風下側に前記下流風ガイドが提供される、請求項１〜１８のいずれか１項に記載の風力タービン発電機。
20. 前記少なくとも１つの風ガイドが少なくとも２つの風ガイドを備える、請求項１〜１９のいずれか１項に記載の風力タービン発電機。
21. 前記少なくとも１つの風ガイドが少なくとも３つの風ガイドを備える、請求項１〜２０のいずれか１項に記載の風力タービン発電機。
22. 請求項４または５に直接的または間接的に従属している場合に、前記外側の風ガイドが前記電気巻線を超えておよび／または前記固定子を超えて外側に突出している、請求項１〜２１のいずれか１項に記載の風力タービン発電機。

Images