JP7313729B2 - 発電機ロータ及び風力発電機 - Google Patents
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Description
本発明は、一般に、発電機の技術分野に関し、特にロータに用いられる入風口フレームに関する。また、本発明はさらに、発電機ロータに関する。
発電機は、風力エネルギや水エネルギなどの他の形態のエネルギを電気エネルギに変換する機械装置であり、その主な構成部品はステータとロータである。発電機の原理は、風力や水力といった動力源によってロータが回転し、それにより、コイルが磁力線をカットして誘導電流を生成することである。
現在、一部の発電機のロータには、ロータとステータを冷却するための風道が設けられている。しかしながら、従来のロータの風道構造により、ロータ内部の風道の抵抗が大きく、それ自体が発生する流量が小さく、空力騒音の問題が発生する可能性がある。多くの場合、発電機の温度上昇要求を保証するために追加の冷却ファンの組み合わせが必要とされ、それにより、投資コストと運営保守コストが増加する。
本発明の課題は、ロータ用入風口フレーム及び発電機ロータを提供することであり、当該入風口フレーム及び／又は発電機ロータによって、入風口の縮流（Ｖｅｎａ Ｃｏｎｔｒａｃｔａ）現象を大幅に低減させることができ、これによりロータ内部の風道における気流の流量が大幅に向上し、ひいては空力騒音の問題が解決され、ロータの放熱効率が向上する。
本発明の第１態様において、当該課題は、ロータの入風口を少なくとも部分的に取り囲むように構成されるロータ用入風口フレームであって、前記入風口フレームは、内面に弧状の曲がり角を有するロータ用入風口フレームによって解決される。
本発明の範囲において、「弧状の曲がり角」という用語は、表面が平面ではなく曲面である曲がり角をカバーしており、前記曲面は、例えば、楕円体、球面、不規則な曲面などであってもよい。
本発明の好適手段において、前記入風口フレームは、内面の厚さ方向における頂部及び底部に弧状の曲がり角をそれぞれ有することが規定されている。二つの曲がり角をいずれも弧状に構成することにより、入風口の縮流現象をさらに低減させることができる。一実施例において、フレームの内面は、単一の弧状の曲がり角のみを含んでもよく、又は二つの曲がり角の曲面が互いに結合するように二つの曲がり角が丸められる。
本発明の拡張手段において、前記弧状の曲がり角は、金型を利用して曲がり角を丸めることによって得られるものであることが規定されている。弧状の曲がり角の形成方式は、例えば、研磨丸めプロセス、レーザカットプロセス、化学エッチングプロセスなど、さまざまな適切なプロセスを採用することができる。
本発明の別の拡張手段において、前記入風口フレームは、シリコン鋼からなることが規定されている。入風口フレームの材料としてシリコン鋼を採用することにより、高い透磁率及び高い可塑性の入風口フレームを提供することができる。
本発明の別の拡張手段において、前記入風口フレームは、溶接、接着、ボルト接続によってロータの入風口に接続可能に、又は前記入風口と一体的に形成可能に構成されることが規定されている。
本発明の第２態様において、前記課題は、回転軸に近接する側に入風口を有する発電機ロータ用金属片であって、前記入風口は、弧状の曲がり角を有する発電機ロータ用金属片によって実現される。
本発明の範囲において、「金属片」という用語は、例えば、金属板材、金属シートなど、厚さが長さ及び幅よりも小さい金属材料をカバーしている。
本発明の好適手段において、前記金属片は、複数の入風口を有するとともに、各入風口は、金属片の厚さ方向における頂部及び底部に弧状の曲がり角をそれぞれ有することが規定されている。入風口は、金型を使用して金属片をパンチングし、丸めることによって形成することができる。
また、本発明はさらに、本発明に係る複数の金属片を含む発電機ロータに関する。ロータを構成する複数の金属片には、金属片がパンチングされた後、それらの入風口が互いによく面一になられることが保証されるように、例えば、異なる入風口寸法を有する金属片を設けることができる。
また、本発明は、本発明に係る発電機ロータを含む風力発電機に関する。
また、本発明はさらに、回転軸に近接する側に入風口を有する発電機ロータ用複数の金属片を含む発電機ロータであって、隣接する金属片の間に空隙を有し、前記入風口は、入風口の曲がり角及び前記空隙の曲がり角における縮流現象を低減させるための弧状の曲がり角を有する発電機ロータを関する。
本発明によれば、弧状の曲がり角を有する入風口を採用することにより入風口の縮流現象を大幅に低減させることができ、それにより、ロータ内部の通風抵抗が低減され、ロータの自己駆動流量が向上すると同時に、風流量の増大により、良好な冷却効果をもたらすとともに空力騒音を低減させることができる。また、風流量の増大により、ロータは、追加の冷却ファンを必要とせず、投資及び維持管理コストが低減され、システムの信頼性及び安定性が向上する。
以下は、図面を参照しながら具体的な実施形態に基づいて本発明をさらに説明する。
なお、各図面における各構成部品は、図示で説明するために誇大に示されている可能性があり、必ずしも比例が正しいものではない。各図面において、同一又は機能的に同一の構成部品には同一の符号が付されている。
本発明において、特に断りがない限り、「…上に配置」、「…上方に配置」及び「…の上に配置」は、両者の間に中間物が存在する場合を排除していない。また、「…上又は上方に配置」は、二つの部材間の相対的な位置関係のみを示し、一定の場合、例えば、製品の方向を逆にした後は、「…下又は下方に配置」に変換することもでき、逆も同様である。
本発明において、各実施例は、本発明の手段を例示することのみを目的とし、限定的とは理解されるべきではない。
本発明において、特に断りがない限り、量詞「一つ」、「一」は、複数の要素の態様を排除していない。
なお、本発明の実施例において、明確かつ簡単にするために、部材又は構成部品の一部のみを示した可能性があるが、当業者は、本発明の教示の下で、具体的な態様に応じて必要な部材又は構成部品を追加することができる。
なお、本発明の範囲内において、「同一」、「同じ」、「等しい」などの文言は、両者の数値が絶対に同じという意味ではなく、一定の合理的な誤差を許容することを意味し、すなわち、前記文言は「実質的に同一」、「実質的に同じ」、「実質的に等しい」もカバーしている。これにより類推すれば、本発明において、方向を表す用語「に垂直」、「に平行」などは、「に実質的に垂直」、「に実質的に平行」を同様にカバーしている。
また、本発明の各方法のステップの番号は、前記方法ステップの実行順序を限定するものではない。特に断りがない限り、各方法ステップは異なる順序で実行することができる。
以下は、図面を参照しながら具体的な実施形態に基づいて本発明をさらに説明する。
本発明は、本発明者の以下の洞察に基づく。図１を参照して、従来のロータにおいて、入風口は、直角曲がり角であるため、これらの直角曲がり角（又はコーナ）を流体が流れる際に、曲がり角に還流低圧領域１（又は分離渦と呼ばれる）が形成され、これにより流路断面には、スロート領域、すなわち断面における最も狭い領域が形成され、ここは縮流２（Ｖｅｎａ Ｃｏｎｔｒａｃｔａ）と呼ばれる。ロータの実際の流路幅は、これらのコーナにおける渦の存在により十分に利用できず、局所的な抵抗損失がもたらされ、システム流量が小さくなるのに対し、本発明では、弧状の曲がり角を有する入風口を構成することにより、縮流現象を著しく低減させることができ、これにより風道における気流量が増加する。
図２ａにおける左側部分は、本発明に係る発電機ロータ用金属片１００の切り取り部分を示し、右側部分は、当該金属片１００の断面図を示す。
金属片１００は、例えば円形であり、複数の入風口１０１を有し、ここでは金属片１００の一部のみを示す。入風口１０１は、金属片１００の回転軸に近接する側に設けられている。前記入風口は、弧状の曲がり角１０２を有する。本発明の範囲内において、「弧状の曲がり角」という用語は、表面が平面ではなく曲面である曲がり角をカバーしており、表面は、例えば、楕円体、球面、不規則な曲面などであってもよい。入風口は、金型を使用して金属片をパンチングすることにより形成することができ、それから、金型により入風口の各エッジが丸められる。金属片の材料は、適切な金属又は合金であってもよいが、シリコン鋼であることが好ましい。
図３ａ及び図３ｂは、本発明に係る発電機ロータにおける気流の流れを示す概略図である。
図３ａ及び図３ｂに示すように、発電機ロータ２００内において、軸方向の入風口２０１内の気流は、ロータ通風路における通風リブによってロータに吸い込まれ、それから、気流は、９０度偏向されて、径方向の通風路２０２に入り込む。図３ｂから明らかなように、本発明の弧状曲がり角の設計（図３ｂにおける丸を参照）により、曲がり角における縮流が大幅に減少し、これにより、通風路幅がよりよく利用され、流動損失が低減される。
本発明は、少なくとも以下の有益な効果を有する。本発明によれば、弧状の曲がり角を有する入風口を採用することにより入風口の縮流現象を大幅に低減させることができ、それにより、ロータ内部の通風抵抗が低減され、ロータの自己駆動流量が向上すると同時に、風流量の増大により、良好な冷却効果をもたらすとともに空力騒音を低減させることができる。また、風流量の増大により、ロータは、追加の冷却ファンを必要とせず、投資及び維持管理コストが低減され、システムの信頼性及び安定性が向上する。
本発明のいくつかの実施形態は、本願書類において既に説明されたが、当業者は、これらの実施形態が例としてのみ示されていることを理解することができる。当業者は、本発明の教示の下で、本発明の範囲を超えることなく、多数の変形手段、代替手段及び改良手段を思いつくことができる。添付の特許請求の範囲は、本発明の範囲を限定することを意図しており、これにより、これらの請求項自体及びそれらの同等に変換される範囲内の方法及び構造がカバーされる。
Claims (2)
- 風力発電機に用いられる発電機ロータであって、
回転軸に沿って空隙を空けて配列されるとともに前記回転軸に近接する側に通風口を有する発電機ロータ用の複数の金属片を含み、
前記通風口は、その入口部及び出口部に弧状の曲がり角を有し、
複数の前記通風口の配列方向と直交するように前記空隙によって形成された流路の入口部において、一方の前記金属片の前記通風口の前記出口部における前記弧状の曲がり角と一方の前記金属片と隣接する他方の前記金属片の前記通風口の前記入口部における前記弧状の曲がり角とによって、一方の前記金属片の前記通風口を通過した気流の一部が直角に曲がるように前記流路に導入されることで、前記流路の前記入口部における縮流現象を低減させ、
前記弧状の曲がり角は、気流が直角に曲がる部分に設けられている、
発電機ロータ。 - 請求項１に記載の発電機ロータを含む風力発電機。
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