JP6258925B2 - ギアレス式風力発電装置用の同期発電機 - Google Patents

Description

本発明は、ギアレス式風力発電装置用の同期発電機に関する。本発明は、またギアレス式風力発電装置に関する。

風力発電装置は、周知のように、風力から電力を発生する。通常、図１に例示するような水平回転軸型の風力発電装置がこのために使用される。風力発電装置は、風力によって駆動され、実質的に水平軸周りに回転して、発電機を駆動する、空力ロータを有する。特に信頼性の高い風力発電装置はギアレス式であって、空力ロータは発電機、すなわち発電機の電機ロータに直結される。空力ロータと電機ロータ（混同を避けるため、以下、電機ロータは「回転子」と称する）は、同速で回転する。このため、メガワット級である最近の高出力な風力発電装置にしても、大規模構造すなわち特に大きな径方向エアギャップを有する所定の同期発電機が求められる。換言すると、径方向エアギャップが大きくなるにつれて、同期発電機の全体構造も大きくなって同期モータの出力量も大きくなる。特に信頼性が高い風力発電装置はギアレス式である。空力ロータが発電機すなわち発電機の電気力学ロータに直結されているからである。このため、いずれにしても、現在ではメガワット級の高レベル出力を有する風力発電装置のため、対応して大きな構造の同期発電機、特に大きなエアギャップ径を備えるものが求められている。換言すると、エアギャップ径は、対応して大きくなり、これによって、同期発電機の全体構造も対応して大きくなり、同期発電機の出力も大きくなっていく。

DE 44 02 184 A1 DE 196 36 591 A1 DE 199 23 925 A1 DE 10 2004 018 758 A1

しかしながら、発電機のサイズを、望み通りに大きくすることはできない。特に公道輸送の問題が、発電機構造のサイズを制限している。

現在、最も高出力の風力発電装置は、“ENERCON”社製の“E126”であり、径方向エアギャップが10mあり、発電機の回転子とステータをそれぞれ４セグメントに分割し、建設現場でそれらを組み立てることによって、輸送上の問題の解決を図っている。しかし、そのような方法は、複雑で費用がかかり、特に分割場所でエラーのリスクを減らすため、特定の事前措置を前提とするだろう。またアセンブリに掛かる手間と費用を減らすことも望まれるだろう。

独国特許商標庁の調査によると、下記の先行特許文献がある：DE 44 02 184 A1, DE 196 36 591 A1, DE 199 23 925 A1、およびDE 10 2004 018 758 A1。

かくして、本願の目的は、少なくとも一つの上記問題を解決することである。特に、本発明において、可及的に高出力で、ギアレス式発電装置に適し、風力発電装置の建設が簡単で低コストとなる、発電機が提供されるべきである。本発明においては、少なくとも一つの代替手段が提案されるべきである。

本発明の第１の視点によれば、以下の同期発電機が提案される。即ち、第１の視点によれば、外部回転子とステータを有するギアレス式風力発電装置の同期発電機は、他励式かつ環状であること、
前記外部回転子は、励磁巻線を備える複数の磁極を備えること、
前記励磁巻線を流れる電流によって、前記複数の磁極が励磁されて前記外部回転子が制御されること、
前記複数の磁極は、前記外部回転子の支持リングによって支持され、かつ前記励磁巻線を備える複数の磁極片または磁極片体であること、
前記複数の磁極片または磁極片体の間に、径方向外方に向かって拡がっていく間隔が設けられること、
前記ステータと前記外部回転子の間にエアギャップがあり、前記外部回転子は、前記エアギャップに向かう冷却開口を有し、冷却エアの一部を、前記エアギャップから前記外部回転子を通じてさらに外方に向かって流し、そして、前記複数の磁極片の間に、前記外部回転子の前記励磁巻線に沿って流し、これによって、前記磁極片および前記励磁巻線を冷却すること、
前記同期発電機は発電機の外径を有し、前記ステータはステータの外径を有すること、
前記同期発電機の前記外径に対する前記ステータの前記外径の比が、０．８６よりも大きく、かつ、前記ステータの外径が、少なくとも４．４ｍであること、
前記ステータは、
内側から径方向に冷却エアを供給する径方向冷却通路と、
前記ステータを冷却するため前記径方向に供給された冷却エアを軸方向に案内する軸方向冷却通路と、を有し、
前記径方向冷却通路は、前記径方向に供給された冷却エアが、ステータ積層アセンブリ及び／又はステータ巻線アセンブリを通過して案内され、及び／又は前記径方向に供給された冷却エアが分流されて軸方向前方および後方へ案内されるよう構成されることを特徴とする。
さらに、本発明の第２の視点によれば、第１の視点による同期発電機を有する風力発電装置が提供される。
なお、本願の特許請求の範囲に付記した図面参照符号は、専ら理解を助けるためのものであり、図示の態様に限定することを意図するものではない。

本発明において、以下の形態が可能である。
（形態１）第１の視点のとおり。
（形態２）前記ステータは、径方向内側に向かって延在して、前記ステータを貫通し軸方向に延在する軸取付部材に固定するための径方向支持構造を有することが好ましい。
（形態３）前記ステータは、内側から径方向に冷却エアを供給する径方向冷却通路と、前記ステータを冷却するため前記径方向に供給された冷却エアを軸方向に案内する軸方向冷却通路と、を有し、特に、前記径方向冷却通路は、前記径方向に供給された冷却エアが、ステータ積層アセンブリ及び／又はステータ巻線アセンブリを通過して案内され、及び／又は前記径方向に供給された冷却エアが分流されて軸方向前方および後方へ案内されるよう構成される、ことが好ましい。
（形態４）冷却エアは、前記ステータの軸方向全長に亘って径方向に供給され、及び／又は、径方向通路ないし前記径方向通路は、径方向支持構造ないし前記径方向支持構造によって構成される、ことが好ましい。
（形態５）前記同期発電機、特に外部回転子はカプセル状に取り囲まれ、及び／又は、前記外部回転子は、前記外部回転子及び／又は前記ステータをメンテナンスするための検査用開口を備えた回転子ベルを有する、ことが好ましい。
（形態６）前記同期発電機は、他励式であり、及び／又は、環状に構成され、及び／又は、少なくとも48個又は少なくとも72個、特に少なくとも192個のステータ磁極を有し、及び／又は、六相式であり、及び／又は、前記ステータは連続巻線を有する、ことが好ましい。
（形態７）前記ステータは、前記ステータおよび前記外部回転子を貫通して延在する軸取付部材、特に軸ジャーナル取付部材に支持され、前記外部回転子は、前記軸取付部材に支持される第1および第2軸受によって任意に支持され、前記第1および第2軸受は、前記ステータの一側で軸方向に配列され、特に一方の前記軸受が、前記軸方向において他方の前記軸受と前記ステータとの間に配置される、ことが好ましい。
（形態８）前記ステータの外径が、少なくとも4.4m、好ましくは少なくとも4.5m、特に好ましくは4.6mであり、特に前記発電機の外径が約5mであることが好ましい。
（形態９）前記ステータ積層アセンブリを通じて径方向外方へ冷却エアを送るため、少なくとも一つのブロワが、特に前記ステータの支持構造内に設けられる、ことが好ましい。
（形態１０）エアギャップは、前記外部回転子と前記ステータとの間に設けられ、外部回転子は、前記エアギャップに向かう冷却開口を有し、冷却エアの一部を、前記エアギャップから前記外部回転子を通じてさらに外方に向かって流し、そして、複数の磁極の間、特に前記外部回転子の複数の回転子磁極片の間に、前記外部回転子の巻線に沿って流し、これによって、磁極片、特にそれらの励磁巻線を冷却する、ことが好ましい。
（形態１１）第２の視点のとおり。
ギアレス式風力発電装置のこの同期発電機は、外部回転子（アウタロータ）とステータを有し、外部回転子はステータの周りを規定のとおり回転する。同期発電機は発電機外径を有し、ステータはステータ外径を有する。ここで提案される同期発電機は、同期発電機の外径に対するステータの外径の比が、0.86よりも大きくなるよう構成される。ギアレス式風力発電装置用に同期発電機のエアギャップは、可及的に外側に配置されることが提案される。このため、同期発電機は、エアギャップが可及的に外側に配置されるよう対応して構成され、この結果、外部回転子は、可及的に薄く（狭く）なり、同期発電機の外径に対するステータの外径の比が、0.86よりも大きくなる。

なおこのため、ここで提案される外部回転子型の同期発電機では、ステータ外径が、基本的にエアギャップ径に対応している。このため、適合する基本的構造は、まずステータおよび回転子と、特にエアギャップが円筒状である。エアギャップの厚さを無視すると、エアギャップ径はステータ外径に対応（相応）している。

特に好ましくは、エアギャップは、発電機の外径に対するステータの外径の比が0.9よりも大きくなるよう、外側に配置される。さらに好ましくは、同期発電機は、発電機の外径に対するステータの外径の比が0.92よりも大きくなるよう構成される。

提案する外部回転子の使用によって、そのような有利な比が得られる。より詳細には回転子磁極又は実際の物理的構造においては対応する励磁巻線を備えた回転子磁極を含む構造によって、もし他励式同期発電機が使用されるなら、径方向範囲は僅かに減少できる。その結果、エアギャップは、可及的に外側に配置できる。同時に、これは、有利に設計されるステータ巻線用のルームを有することを意味する。ステータ内部の他の空間を、後述する実施形態で例示するように使用することができる。

一実施形態において、ステータは、径方向内側に向かって延在して、ステータの軸方向に延在する軸取付部材を固定する径方向支持構造を有することが提案される。ここで、ステータ内部のスペースは、ステータの安定構造用に有利に利用される。このため、基本的構造は、ステータの中央を通って延在するよう発電機に規定に従って装着された軸ジャーナル取付部材を有する。そのような軸取付部材、特に、機械支持体に固定的に確保され、例えば鋳鉄製の管状要素は安定的である。支持構造は、ステータ巻線を保持するステータ積層アセンブリから、実質的にはエアギャップから、適切な環状フランジによって固定できる径方向内方の軸取付部材まで、延在する。

好ましくは提案するステータは、径方向および軸方向の冷却通路を有する。径方向冷却通路は、冷却エアをステータに、すなわちステータの積層アセンブリに径方向から供給するよう設けられる。軸方向冷却通路は、径方向に供給されたステータ冷却用の冷却エアを、後者に沿って、特にステータ積層アセンブリを通過するよう及び／又は回転子磁極間に案内する。特に、径方向に適量で供給される冷却エアは、分割されて軸方向に案内され、すなわち風力発電装置の正常稼働時には風と反対の軸方向前方と、後方すなわち基本的には風の方向とに案内される。

また、ステータ内部のスペースが有利に使用される。このようにスペースの使用によって、大容量の冷却エアが供給できる。それが前方と後方に分割できれば、それは、そのような分割位置から、軸方向にステータ長の半分だけ対応して流れる。これによって、ステータを十分に冷却することができ、長い冷却経路、すなわち、そのような冷却経路の終点に到達したとき、冷却エアが所定範囲まで加熱されてしまって、その冷却能力が顕著に減じてしまうことが回避される。

また好ましくは、冷却エアは、ステータの軸方向全長に亘って径方向に供給される。このため、径方向通路は、ステータ長に対応する幅を有するよう構成される。これによって、冷却エアが径方向に供給されるとき、大容量の冷却流れのオプションが可能となり、冷却エア流れの圧力損失が回避される。

また好ましくは、径方向支持構造は、径方向冷却通路を形成するよう構成される。この場合、まずステータ内部の全体スペースを冷却エアの供給に使用することができる。このため、支持構造は、幾つかの実質的に径方向に延在する支持プレートを有する。好ましくは、支持プレートにおいて、幾つかは、径方向および軸方向に延在し、他は径方向および長軸方向すなわち同期発電機の回転軸線に交差するよう延在する。これらのプレートは、ステータすなわち特にステータ積層アセンブリを安定的に保持することができ、同時に、冷却エアをステータ積層アセンブリに向かって径方向に案内するよう、アセンブリできる。前記構造が全体的にステータの内部スペースが実質的に径方向の冷却エアの供給に利用できるよう構成される場合、大容量の冷却エアが保障でき、かくして冷却エア流れの低速化が達成でき、この結果、径方向冷却通路の空気力学に関して低い要求しかなされない。

提案する同期発電機の他の構成は、カプセル状取り囲み型である。特に提案においては、同期発電機の外部回転子がカプセル状に取り囲まれる。これによって、輸送上の取り扱いが有利なコンパクトな構造を提供することができる。エアギャップが可及的に径方向外方に配置された有利な構造によって、発電機出力の増加が、外径の増加を伴わずに達成できる。出力増加が発電機の全体寸法の増加を伴わずに実現できるため、可及的に発電機が一体化された状態で製造工場から建設現場まで輸送できる。カプセル型構造は工場で既にそうなっており、発電機をカプセル化状態で有利に輸送することができる。それは全体として風力発電装置の建設を容易にする。

特にこのため、回転子すなわち外部回転子は、回転子ベル、より詳細には回転子をベル状に取り囲む回転子ベルを有する。この場合、検査用開口が、このベルに、同期発電機のメンテナンスのために設けられる。このような検査用開口は、特に回転子端部が開口できるよう設けられ、検査用開口を通じて、同期発電機の状態を目視したり、小さな修理等を実行できたりする。

好ましくは同期発電機は、他励式（外部から励磁エネルギーを供給する方式、fremderregt）である。この場合、回転子すなわち外部回転子は、巻線をそれぞれ備える多くの回転子磁極を有し、巻線に流れる電流によって回転子磁極が励磁されて、回転子が制御される。これらの回転子磁極は、特に励磁巻線を備える磁極片又は磁極片体の形状で構成され、回転子の支持リングで保持される。この構造は、特に細長く形成されて最小限の径方向厚みとなるよう、構成される。これによって、エアギャップを可及的に径方向外方に配置することができる。

好ましくは同期発電機は、環状発電機の形状である。環状発電機において、有効磁気領域は、実質的に、発電機の回転軸（ないし軸線）と同心な環状領域上に形成される。特に有効磁気領域において、より詳細には、回転子およびステータは、発電機の径方向外側四分の一の領域にだけ配置される。このような環状発電機の構造によれば、エアギャップを可及的に径方向外方に配置することができ、又そのような構造を容易に得ることができる。

好ましくは、低速運転に適した同期発電機が提案され、この同期発電は、少なくとも48個のステータ磁極を有する。これによって、低速回転時であっても、比較的高周波数の交流が発生できる。好ましくは、少なくとも72個のステータ磁極が設けられ、さらに好ましくはそれより多いステータ磁極が用いられ、特に少なくとも192個のステータ磁極が用いられる。

また、好ましい同期発電機は六相として構成され、特に約30度ずつ位相ずれして配置された2つの三相系を有する。そのような構成は、特に六相交流の発電に有利であって、整流に高度に適し、原理的に、直流への整流時における高調波成分の発生をより低い程度に抑制する。

またステータ用に連続巻線を備えることが提案され、より詳細には特に各相用に連続線又は連続線系が設けられる。六相発電機の場合すなわち二つの三相がある場合、合計六つの線系が設けられる。好ましくは外径4.5mを有することができるステータ全体に亘って中断しない、そのような六つの線系の配置は、非常に複雑でコストがかかる。しかし、さもなくば運転中に外れる（ないしゆるむ）可能性がある接続箇所がないことは、高信頼性のステータにつながり、かくして高信頼性の発電機につながる。

他の一実施形態において、提案されるステータは、軸取付部材上、特に軸ジャーナル取付部材上に保持される。この軸取付部材、特に軸ジャーナル取付部材は、ステータおよび外部回転子を通過して軸方向に延在し、より詳細には、外部回転子の回転軸と同心に延在し、同時にステータ軸と同心に延在する。また外部回転子は、前記取付部材に接続される第1および第2軸受によって支持される。両軸受は、軸方向にステータの一側に配置され、特に、一方の軸受が、軸方向に関して他方の軸受とステータとの間に配置される。外部回転子は、これら二つの軸受によって支持され、ステータの領域により片持ち状態で保持される。

換言すると、ステータは、これら二つの、軸方向に離間して配置された軸受によって前記取付部材に固定的に確保され、外部回転子は、ステータ外周上方を延在して、ステータの一側に二つの軸受によって支承される。これによって、きわめて安定的構造が、比較的容易に構築される。二つの軸受の使用、すなわちステータの一側における両軸受の使用は、特に、ロータブレード上に吹きつけてロータハブを経由し外部回転子に力を及ぼす風によって生じる、傾けようとする力に対抗するのに好適である。なお両軸受の一方は、前記取付部材ないし軸ジャーナル取付部材上のステータ固定位置から遠く離れた位置に配置することができる。二つの軸受間隔が広いほど、傾けようとする力に対抗する能力は向上する。

好ましくは、提案される同期発電機は、少なくとも一つのブロワ(309)を有することを特徴とする。ブロワ(309)は、特にステータの支持構造内に配置され、冷却目的のエアを径方向外方にステータ積層アセンブリ(658)を通じて吹きつける。このエア流れは、外方を指向し、まずステータを冷却することができる。

他の一実施形態において、提案される外部回転子は、エアギャップを向いた冷却用開口を有する。これによって、冷却エアの一部は、エアギャップ(206)からさらに外方の外部回転子(304)を通り、外部回転子の回転子磁極間、特に回転子磁極片(32A)間を外部回転子の巻線に沿って通って流れ、これによって、回転子磁極片、特に励磁巻線が冷却される。

好ましい一実施形態によれば、他励式回転子を有する大型低速運転同期発電機が提案される。特に好ましい形態では、それは、ステータの支持構造内に配された少なくとも一つのブロワによって冷却される。この場合、冷却エアは、ブロワから径方向外方に向かって吹き付けられ、すなわち外方に向かって付勢され、これによってまずステータ、特にステータ積層アセンブリが冷却される。冷却エアは、ステータ積層アセンブリを通過した後、エアギャップに向かって径方向外方に流れる。冷却エアは、エアギャップを通過してさらに流れ、かくして、ステータおよび外部回転子が冷却される。またそれまでに既にいくらか加熱された冷却エアの一部は、外部回転子の開口を通じて外方に流れる。これによって、外部回転子の励磁巻線（界磁巻線）は、エアギャップと直接接触していないにもかかわらず、冷却エアの到達によって冷却される。

このようなギアレス式−他励式−外部回転子型−低速運転可能な−発電機によれば、以上のようなアウタロータ部材の冷却が達成できる。外部回転子構造によって、回転子の磁極片の領域に、そのような冷却を可能とする中間スペースが提供される。

好ましくは同期発電機は、ステータ外径が少なくとも4.4m、好ましくは少なくとも4.5m、特に少なくとも4.6m、加えて、特に発電機外径が5mとなるよう構成され寸法設計される。提案する外径5mの同期発電機は、なお公道輸送が可能であり、ステータ外径が可及的に大きく、もって定格出力を可及的に高くすることができる。

また、少なくとも一つの上述した実施形態による同期発電機を有する風力発電機装置が提案される。

本発明を、添付図面を参照しながら、後述する実施形態を用いて説明する。

図1は風力発電装置の斜視図である。 図2は、内部回転子型発電機の部分横断面図である。 図3は、外部回転子型発電機の部分横断面図である。 図4は、図3と同様の発電機の斜視図である。 図5は、図4に示した発電機の別方向からの斜視図である。 図6は、本発明の他の実施形態に係る発電機の斜視図である。 図7は、図6の発電機の部分斜視図である。 図8は、図7の発電機の別方向からの部分斜視図である。 図9は、発電機を部分拡大して模式的に示す図である。 図10は、発電機を部分拡大して模式的に示す図である。 図11は、外部回転子の回転子を、内部回転子の回転子と一緒に模式的に示す図である。 図12は、支持構造に固定された発電機の側面から見た断面（縦断面）を模式的に示す図である。

図1は、タワー(パイロン)102およびナセル(ポッド)104を有する風力発電装置100を示す。ナセル104には、三枚のロータブレード108とスピナ(ハブ)110を有するロータ106が配置されている。運転時、ロータ106は風力を受けて回転して、ナセル104内で発電機を駆動する。

図2は、内部回転子型、すなわち、外周側にステータ202が配置され、内周側に（内部）回転子204が配置される発電機201を示す。エアギャップ206は、ステータ202と回転子204の間にある。ステータ202は、ステータベル208を介して、ステータ支持体（キャリア）上に載置されている。ステータ202は、巻線を保持するステータ積層アセンブリ（軟磁性鋼積層体、Statorblechpaket）212を有し、その巻線ヘッド（複数）214が図示されている。基本的に、巻線ヘッド214は、一つのステータ溝から次のステータ溝へと敷設された巻線ワイヤを示している。ステータ202のステータ積層アセンブリ212は、ステータ202の一部とみなすこともできる支持リング216に固定される。ステータ202は、支持リング216を介して、ステータベル208のステータフランジ218に固定される。ステータベル208はそれ自体によって、ステータ202を保持している。また、ステータベル208は、ステータベル208内に配置される冷却用ブロワを備えることができる。これによって、冷却エアを、エアギャップ206を通じて強制導入することもでき、次にこれによってエアギャップ領域を冷却することができる。

図2は、発電機201の外周(外径)220も示す。吊金具222だけが、外周220を越えて突出しているが、外周220の全周に亘って存在するものではないので全く問題にはならない。

ステータ支持体210に隣接して、部分的に図示する軸ジャーナル224が配置される。回転子204は、片方のみを図示する二つの回転子軸受226を介して、軸ジャーナル224に支持される。このため、回転子204は、ハブ部分228に固定される。ハブ部分228は、また空力ロータのロータブレードに接続される。風力によって駆動されるロータブレードは、ハブ部分228を介して、回転子204を回転させることができる。

この配置において、回転子204は、励磁巻線（複数）230を備える多磁極片体を有する。巻線230のエアギャップ206側に、磁極片232の一部を見ることができる。エアギャップ206から遠い側すなわち内周側において、巻線を保持する磁極片232は、回転子支持体（キャリア）236によってハブ部分228に固定されるロータ支持リング234に、固定される。回転子支持リング234は、基本的に連続した筒状の剛体部分である。回転子支持体236は複数の支柱を有する。

図2から分かるように、回転子204の径方向寸法すなわち回転子支持リング234からエアギャップ206までの寸法は、ステータ202の径方向寸法すなわちエアギャップから外周220までの寸法よりも顕著に小さい。

また図示の（軸方向）間隔長さ238は、回転子取付部材250のステータ取付部材252に対する平均間隔（中央間の間隔）をおおよそ示している。間隔長さ238は、外力によって、発電機構造のエアギャップに影響する寸法である。図2に図示された発電機によれば、軸方向間隔長さは比較的大きく、図示されたステータおよび回転子の非常に剛的な構造は、動作中、ステータと回転子の間に一様な間隔を確保するためにも必要である。

図3の発電機301は、外部回転子型（アウタロータ型）である。よって、ステータ302は内側に配置され、回転子304外側に配置される。ステータ302は、中央ステータ支持構造308によって、ステータ支持体310上に保持される。冷却用のブロワ309が、ステータ支持構造308内に図示されている。ステータ302は、このように中央で支持されることによって、安定性を増加させることができる。また、内側から、ブロワ309(単に典型例として示し、他のブロワも代表する)によって冷却される。この構成によれば、ステータ302に内側からアクセスすることができる。冷却エアは、ブロワによって外側へ吹きつけられる。

回転子304は、外側に配置された回転子支持リング334を有する。回転子支持リング334は、回転子支持体336に固定される。回転子支持体336は、回転子ベル336と称することもできる。回転子支持リング334は、前記支持体ないしベルによって、ハブ部分328上に保持される。ハブ部分328は、（一方の回転子軸受326のみが図示されているが）二つの回転子軸受を介して、軸ジャーナル324上に取り付けられる。

ステータ302と回転子304の配置関係が反対であることによって、図3の構成によれば、エアギャップ306の径が、図2の内部回転子型の発電機201におけるエアギャップ206よりも、大きくなる。

図3は、必要に応じて設置されるブレーキ340を備えた有利な配置構成を示す。回転子304に接続されるブレーキディスク342によって、回転子304を停止させることができる。

また図3の軸方向間隔長さ338は、回転子取付部材350のステータ取付部材352に対する平均間隔（中央間の間隔）をおおよそ示している。ここで、この間隔長さ338は、図2に示した内部回転子型の発電機に図示した軸方向間隔長さ238に比べて、顕著に減少している。図2中の軸方向間隔長さ238は、また、一方はステータ202用であり他方は回転子204用である二つの支持構造の間の平均間隔をおおよそ示している。このような軸方向間隔長さ238又は338が短い程、得られるエアギャップ安定性、特にステータと回転子間の傾きに関連する安定性は、対応して大きくなる。

外周320の外径344は、図2および図3の発電機において同じである。図2の発電機201の外周220の外径は、外径344である。同じ外径344であるにもかかわらず、図3の外部回転子型の発電機によれば、図2のエアギャップ206に比べて、エアギャップ306のような大きなエアギャップ径を得ることができる。

本発明による取囲み型（カプセル状に取囲まれた構造、gekapselt）の発電機401の基本構造が、図4の斜視図にみることができる。図4は、ステータ支持体410、特にそのフランジを示す。ステータ支持体410はステータを保持する。図示の支持体フランジ450は、より詳細には風力発電装置のナセル上に適宜固定的に配置される機械支持体に固定するよう設けられる。ステータ支持体410は、発電機401のステータを保持し、また軸ジャーナル取付部材とも称される。なぜなら、軸ジャーナル取付部材は、その一側がすなわち支持体フランジ450が機械支持体に固定される一方、図4で不図示の他側では、軸ジャーナルに固定的に接続されるからである。そのような軸ジャーナル（短軸）は、空力ロータを保持ないし支持する。

ステータ支持体410ないし軸ジャーナル取付部材410は、発電機401の一部と解釈できる。

図4は、外部回転子404から内側に配置されたステータ402までの移行部を表わすブレーキ440も示す。この場合、ブレーキ440は、環状ステータディスク446に固定され、そこで回転子404をそのブレーキディスク442で制動することができる。環状ステータディスク446は、実質的に支持体フランジ450に固定される。

図5は、別方向からの発電機401を示し、特にカプセル状に取囲まれた構造の（eingekapselten）回転子404を示す。また図5のステータ支持体410ないし軸ジャーナル取付部材410の斜視図において、軸ジャーナルが通常使用時に取り付けられる軸ジャーナルフランジ452を見ることができる。これによっても、軸ジャーナル取付部材410ないしステータ支持体410は、発電機401の一部と解釈することができ、それはさらに実施形態のためだけではない。図4および5から明らかなように、ステータ支持体410を備えた発電機401は、いずれにしても、空間的に明確に所定の装置を構成するからである。

図6は、発電機401および 発電機301と同様の構造を有する発電機601を示す。発電機601は、図4および5の発電機401と、ステータ支持体ないし軸ジャーナル取付部材が不図示である点で実質的に相違しているが、これは、図示上の問題であって重要ではない。また、図6は検査用開口656を示し、検査用開口656を通じて、外部回転子604を見て、外部回転子604のいかなるメンテナンスも又は動作チェックも実行することができる。また、検査用開口656を通じて、ステータ602を少なくとも部分的に調査したり、ステータ602にアクセスしたりすることができる。検査用開口656は、図6に概略的に示されている。しかしながら、必要に応じて、又は外部回転子604の図示したカプセル状取囲み構造の安定性の保持を考慮して、他の検査用開口も好ましくは設けられる。ステータ602の検査および評価のため、一つの検査用開口656が、ステータ602の対応箇所（外周上の角度位置）に配されることができれば十分である。しかし、外部回転子604の検査のため、複数の検査用開口656を設けることも有利である。

図7は、内側に配置されたステータ602の構造の一部を示す。ステータ602は、巻線ヘッド660によって示すように、巻線が巻かれたステータ積層アセンブリ658を有する。回転軸方向に向かって、ステータ602は、径方向支持構造662を有する。径方向支持構造662は、実質的に、径方向外方に延在して発電機601の回転軸方向と直角に配置された二つのガイドプレート664を有する。これらのガイドプレート664は、ステータ602、特にステータ積層アセンブリ658を巻線と共に、図4に410で例示したようなステータ支持体ないし軸ジャーナル取付部材上に、固定することができる。同時に、ガイドプレート664は、エアを冷却エアとして、ステータ積層アセンブリ658に向かってガイドすることができる。

このようにして、巻線ヘッド660によって示す、ステータ積層アセンブリ658およびその上の巻線も、冷却することができる。ステータ積層アセンブリ658の径方向外方に隣接するよう、外部回転子604が磁極片632と共に設けられている。エアギャップ606が、ステータ積層アセンブリ658と磁極片（複数）632の間に形成されており、図7では線によって図示されている。

図8の斜視図は、二つの径方向ガイドプレート664を備える径方向支持構造662を有するステータ602の構造も示している。ここでは、ステータ602と外部回転子604の両方の検査とメンテナンスのためにまた設けられる別の検査用開口（複数）656’を見ることができる。また、これらの検査用開口656’が径方向ロータプレート666に配置され、外部回転子の磁極片632、特に機械支持体側の巻線ヘッド660を見ることができるようになる。

この配置において、径方向ロータプレート666は、ブレーキディスク642も保持できるよう構成される。

図9および10は、異なる型式の発電機、すなわち図9に示す内部回転子（インナロータ）型の発電機901と、図10に示す外部回転子（アウタロータ）型の発電機1001とにおける、冷却流れを示す部分図である。図9に示す部分は、図2に示した発電機201の部分におおよそ相当するが、図9は僅かに異なる実施形態を示している。図10に示す部分は、図3に示した発電機301の部分におおよそ相当するが、図10は僅かに異なる実施形態を示している。

図9を参照すると、径方向冷却流れ(複数)970は、回転子904の図9の図示において実質的に両側を、径方向にステータ積層アセンブリ958および巻線ヘッド960まで流れる。軸方向流れ972は一方向にのみ形成され、ステータ積層アセンブリ958も回転子磁極片932もいずれも軸方向に冷却しなければならない。冷却通路は、このため比較的長く、冷却エアの送出は、径方向冷却流れ(複数)970のうちの一つを介して、実質的になされる。

外部回転子型の発電機1001は、冷却エアを径方向に案内して、基本的にステータ1002の全幅を覆う径方向冷却流れ1070を、ステータ積層アセンブリ1058にもたらす。ステータ積層アセンブリ1058から、冷却エアは、さらに、冷却通路(不図示)を通じて、（外部）回転子磁極片（複数）1032に案内されることができる。冷却エアは、（外部）回転子1004およびステータ1002を、軸方向冷却流れ1072,1072として示すように、軸方向の二つの向きにおいて（両側に向かって）冷却することができる。よって、多量の冷却エアを特にステータ1002の全幅ないしステータ1002の全軸長に亘って供給することができる(図10参照)。この場合、径方向に供給される冷却風である冷却流れ1070は、エアギャップ1006におおよそ到達した時点で分割可能であり、ステータ1002および（外部）回転子1004はそれぞれ、軸方向に半分の行程の冷却流れ1072によって冷却されるだけである。かくして、各冷却流れ1072の加熱（熱交換）行程は半分となる。

図9と図10の比較によって、図9の発電機901のステータ巻線ヘッド960の位置および必要なスペース(内部回転子型用)と、外部回転子型である図10の発電機1001のステータ巻線ヘッド1060の位置および必要なスペース(外部回転子型用)と、が示されている。

図10に示した径方向冷却流れ1070および軸方向冷却流れ1072は、例えば図3の発電機301中に図示したブロワ309のようなブロワによって、形成することができる。そのような複数設けることもできるブロワは、例えば二つの径方向ガイドプレート1064の間に向かって冷却エアを付勢し（押込み）、冷却エアは二つの径方向ガイドプレート1064の間を径方向に案内される。また、ステータに対する冷却エアの別の送出によって、冷却流れが径方向に発生できる。ステータ冷却流れがステータ積層アセンブリ1058又は磁極片1032又は実質的にエアギャップ1006の領域に到達したとき、径方向の冷却流れは、軸方向流れに向きを変える（偏向される）ことができる。さらに径方向冷却エア1070がステータ1002を通過するよう、適切な冷却通路が、ステータ積層アセンブリ1058全体に亘って設けられている。冷却エアは、実質的に、磁極片（複数）1032の間を軸方向に流れることができ、エアギャップ1006を軸方向に流れることができる。冷却エアの軸方向流れの一部は、またステータ積層アセンブリ1058の一部分内、すなわち特に巻線孔内で（但し巻線後も自由空間が残っている場合）、例えば巻線内に配置された冷却通路内で、発生することができる。冷却エアの別の通路が、積層アセンブリ内に延在する通路と連通することができる。ところでなお、矢線によって示された径方向冷却流れ1070および軸方向冷却流れ1072は、模式的なものであることを理解すべきである。冷却エアの一部は、径方向外方に向かって、エアギャップ1006から、開口を通じて、回転子1004すなわち外部回転子1004に流れる。これによって、外部回転子1004が良く冷却される。なお、これらの流れ部分は図10で不図示である。

図11は模式図であって、外部回転子4Aの磁極片32Aの一部を、内部回転子4Bの磁極片32Bの一部と共に、一葉に図示したものである。このアセンブリにおいて、図示の配置構成は、機能する機械の一部ではない。

図11は、他励式同期発電機の外部回転子4Aにおける磁極片配置と、他励式同期発電機の内部回転子4Bにおける磁極片配置との相違を明確化するためのものである。図11は、配向ガイドとして、エアギャップ6ABを図示する。内部回転子4Bは、 エアギャップ6ABから内側に延在し、よって磁極片（複数）32Bはエアギャップ6ABから互いに収束するように配されている。この場合、間隔48Bは径方向内方に向かって減少していき、磁極片（複数）32Bは基本的に互いに近付いていく。これは、磁極片32Bの巻線スペースが制限され、また冷却流れ用のスペースが減少することを意味している。なお、図11は軸方向、すなわち、回転軸方向から見た図である。

これに対して、外部回転子4Aの磁極片（複数）32Aは、エアギャップ6ABから径方向外方に向かって拡がっていく。このため、磁極片32A間に大きな間隔48Aが発生している。これは、構造的にも有利であって、回転子磁極片の径方向の延在寸法にとって有利であるため、基本的に回転子の径方向の延在寸法を減少させることができる。これによって、本発明の全実施形態で重要なことであるが、エアギャップを可及的に径方向外方に配置するために有利な手段が提供され、かくして、発電機の効率を、所与の構造寸法内で、特に規定の発電機外径（寸法）において、さらに増加ないし最適化することができる。

図11の外部回転子4Aの図示は、冷却エアのガイドのためにも使用される間隔（複数）48Aを示している。

図12は、装着状態の発電機を模式的（線図で）に示す。機械支持体1209が設けられ、それにステータ支持体1210が固定される。ステータ支持体1210には、軸ジャーナル1224が固定される。発電機1201のステータ1202は、ステータ支持体1210に固定される。機械支持体1209、ステータ支持体1210、軸ジャーナル1224およびステータ1202はこのように接続され、図示の全体構造の方位角調整（ヨー制御）を度外視すれば、剛体の定置要素を構成する。

外側に配置された（外部）回転子1204は、ロータハブ1228に、ロータ支持体1236を介して固定される。ハブ部分1228は、軸ジャーナル1224上に、第1および第2ロータ軸受1226, 1227を介して回転自在に取り付けられる。第1および第2ロータ軸受1226,1227間の広い軸方向間隔ａによって、回転子1204に高レベルの傾き安定性がもたらされる。

図12は、図3の間隔長さ338に対応する軸方向間隔長さeも示している。これは、ロータ支持体1236からステータ取付部材1252までの軸方向の平均間隔を示している。外部回転子型発電機の提供、及びかくして内側に配置されたステータ1202によって、軸方向に図示のステータ1202を、ステータ支持体1210の中央に固定することができ、図示の間隔長さeは、比較的短くなる。前記広い間隔ａおよびそれにより生じる傾き安定性によって、特に安定構造をもたらすことができる。

回転子1204は、 周状に延在するブレーキディスク1242も有する。 ブレーキディスク1242は、稼働時、回転子1204と一緒に回転する。ブレーキ1240 は、ブレーキ又は停止固定のために設けられる。

図12からも理解できるように、冷却媒体、特に内側からステータ1202に向かって流される冷却エアのために、多くのスペースが設けられている。特にそのような冷却媒体は、図示したステータ取付部材1252の内部においてステータ1202に向かって、特にステータ巻線1230の領域内に流れる。また、径方向に案内された冷却エアは、励磁巻線であるロータ磁極1231を冷却するよう用いることもできる。

それゆえ、第1に、内部回転子型の他励式発電機と比較して、発電機の外径が同じであっても、エアギャップ径を増大させることができる。内部回転子型の発電機の場合、エアギャップ径の全体外径に対する比は、0.86未満に限定される。これに対して、外部回転子型の他励式発電機の場合には、その比を増大させることができる。例えば、その比を0.86〜0.94とすることができる。また、カプセル状取囲み型では、ステータ巻線ヘッド用のスペースが十分に確保される。これによって、カプセル状取囲み型構造であっても、ステータ巻線ヘッドへのアクセスが容易となる。

外部回転子型の発電機の場合、ステータ積層アセンブリ全体（全幅）を通過するエア流れに加えて、外側構造内部にエアを供給することも容易にできる。

本発明に基づいて提案された他励式外部回転子発電機によれば、同じエアギャップ径を有する内部回転子型発電機に比べて、磁極において積層アセンブリをより大きくすること、励磁巻線をより多くすること、および磁極アセンブリ間の冷却エアをより多くすることができる。

外径寸法に比して小さなエアギャップ径を有する従来技術の欠点は、カプセル状取囲み型構造および所定の（限定的）空冷オプションを有する場合に、ステータ巻線ヘッドへのアクセスを困難又は不可能とすることであるが、これは、提案する本発明によって少なくとも部分的に解決できる。これによって、材料の有効利用、良い冷却ができ、もってより高レベルの発電機出力ないしより低い発電機出力損失が達成できる。

同時に、搬送サイズを小さく維持でき、特に公道輸送用の最大搬送サイズを遵守することができる。発電機の冷却の改善を達成することができ、この結果、より高レベルの発電機出力又は少なくともより低レベルの発電機出力損失が達成できる。

提案する他励式外部回転子型発電機によれば、同じエアギャップ径を有する公知の内部回転子型発電機と比較して、より大きな積層アセンブリを採用し、より多くの励磁巻線を配し、磁極アセンブリないし磁極片間の冷却エアをより多くすることができる。

100 風力発電装置
102 タワー(パイロン)
104 ナセル(ポッド)
106 （空力）ロータ
108 ロータブレード
110 スピナ(ハブ)
301 発電機
302 ステータ
304 回転子（外部回転子、アウタロータ）
306 エアギャップ
308 ステータ支持構造
309 ブロワ
310 ステータ支持体、軸取付部材（軸ジャーナル取付部材）
320 外周
324 軸ジャーナル取付部材
326 回転子軸受
328 ハブ部分
334 回転子支持リング
336 回転子支持体（キャリア）、回転子ベル
338 軸方向間隔長さ
340 ブレーキ
342 ブレーキディスク
344 外径（寸法）
350 回転子取付部材
352 ステータ取付部材
401 発電機
402 ステータ
404 回転子、外部回転子
410 ステータ支持体、軸ジャーナル取付部材
440 ブレーキ
442 ブレーキディスク
446 環状ステータディスク
450 支持体フランジ
452 軸ジャーナルフランジ
601 発電機
602 ステータ
604 回転子、外部回転子
606 エアギャップ
632 磁極片
642 ブレーキディスク
656 検査用開口
656’ 別の検査用開口
658 ステータ積層アセンブリ
660 巻線ヘッド
662 径方向支持構造
664 ガイドプレート
666 径方向ロータプレート
1001 外部回転子型の発電機
1002 ステータ
1004 回転子、外部回転子
1006 エアギャップ
1032 磁極片、外部回転子磁極片
1058 ステータ積層アセンブリ
1060ステータ巻線ヘッド
1064 径方向ガイドプレート
1070 径方向冷却流れ
1072 軸方向冷却流れ
1201 発電機
1202 ステータ
1204 回転子
1209 機械支持体
1210 ステータ支持体
1224 軸ジャーナル
1226 第1ロータ軸受
1227 第2ロータ軸受
1228 ロータハブ、ハブ部分
1230 ステータ巻線
1231 ロータ磁極
1236 ロータ支持体
1240 ブレーキ
1242 ブレーキディスク
1252 ステータ取付部材
4A 外部回転子
32A 磁極片
48A 間隔
a 軸受間隔、軸方向間隔
e 軸方向間隔長さ

Claims (11)

1. 外部回転子（３０４）とステータ（３０２）を有するギアレス式風力発電装置（１００）の同期発電機であって、
   前記同期発電機（３０１）は、他励式かつ環状であること、
   前記外部回転子は、励磁巻線を備える複数の磁極を備えること、
   前記励磁巻線を流れる電流によって、前記複数の磁極が励磁されて前記外部回転子が制御されること、
   前記複数の磁極は、前記外部回転子の支持リング（２３４）によって支持され、かつ前記励磁巻線を備える複数の磁極片または磁極片体であること、
   前記複数の磁極片または磁極片体の間に、径方向外方に向かって拡がっていく間隔（４８Ａ）が設けられること、
   前記ステータ（３０２）と前記外部回転子（３０４）の間にエアギャップ（２０６）があり、前記外部回転子（３０４）は、前記エアギャップに向かう冷却開口を有し、冷却エアの一部を、前記エアギャップ（２０６）から前記外部回転子（３０４）を通じてさらに外方に向かって流し、そして、前記複数の磁極片（３２Ａ）の間に、前記外部回転子の前記励磁巻線に沿って流し、これによって、前記磁極片および前記励磁巻線を冷却すること、
   前記同期発電機（３０１）は発電機の外径（３４４）を有し、前記ステータ（３０２）はステータの外径を有すること、
   前記同期発電機（３０１）の前記外径（３４４）に対する前記ステータ（３０２）の前記外径の比が、０．８６よりも大きく、かつ、前記ステータの外径が、少なくとも４．４ｍであること、
   前記ステータ（３０２）は、
   内側から径方向に冷却エアを供給する径方向冷却通路と、
   前記ステータを冷却するため前記径方向に供給された冷却エアを軸方向に案内する軸方向冷却通路と、を有し、
   前記径方向冷却通路は、前記径方向に供給された冷却エアが、ステータ積層アセンブリ及び／又はステータ巻線アセンブリを通過して案内され、及び／又は前記径方向に供給された冷却エアが分流されて軸方向前方および後方へ案内されるよう構成されること
   を特徴とするギアレス式風力発電装置（１００）の同期発電機。
2. 前記同期発電機（３０１）の前記外径（３４４）に対する前記ステータ（３０２）の前記外径の比が、０．９よりも大きく、又は０．９２よりも大きいことを特徴とする請求項１記載の同期発電機。
3. 前記ステータ（３０２）は、径方向内側に向かって延在して、前記ステータ（３０２）を貫通し軸方向に延在する軸取付部材（３１０）に固定するための径方向支持構造（６６２）を有することを特徴とする請求項１記載の同期発電機。
4. 冷却エアは、前記ステータ（３０２）の軸方向全長に亘って径方向に供給され、及び／又は、径方向通路ないし前記径方向通路は、径方向支持構造ないし前記径方向支持構造（６６２）によって構成される、
   ことを特徴とする請求項３記載の同期発電機。
5. 前記同期発電機（３０１）の外部回転子（３０４）はカプセル状に取り囲まれることを特徴とする請求項１記載の同期発電機。
6. 前記外部回転子（３０４）は、前記外部回転子（３０４）及び／又は前記ステータ（３０２）をメンテナンスするための検査用開口（６５６）を備えた回転子ベルを有する、ことを特徴とする請求項５記載の同期発電機。
7. 前記同期発電機（３０１）は、少なくとも４８個のステータ磁極を有し、六相式であり、及び前記ステータ（３０２）は連続巻線（１４）を有する、
   ことを特徴とする請求項１記載の同期発電機。
8. 前記ステータ（３０２）は、前記ステータ（３０２）および前記外部回転子（３０４）を貫通して延在する軸取付部材に支持され、
   前記外部回転子（３０４）は、前記軸取付部材に支持される第１および第２軸受によって支持可能であり、前記第１および第２軸受は、前記ステータの一側で軸方向に配列される、ことを特徴とする請求項１記載の同期発電機。
9. 前記ステータの外径が、少なくとも５ｍであることを特徴とする請求項１記載の同期発電機。
10. 前記ステータ積層アセンブリ（６５８）を通じて径方向外方へ冷却エアを送るため、少なくとも一つのブロワ（３０９）が支持構造内に設けられる、ことを特徴とする請求項１記載の同期発電機。
11. 請求項１〜１０のいずれか一記載の同期発電機を有することを特徴とする風力発電装置。

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