JP2004301031A

JP2004301031A - Wind mill

Info

Publication number: JP2004301031A
Application number: JP2003095383A
Authority: JP
Inventors: Koichi Naoi; 光一直井; Sumio Saito; 純夫斉藤; Hiroshi Ishii; 宏志石居; Atsushi Hirayama; 淳平山; Kenichi Sato; 健一佐藤
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 2003-03-31
Filing date: 2003-03-31
Publication date: 2004-10-28
Anticipated expiration: 2023-03-31
Also published as: JP4189250B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a wind mill equipped with an orientation control mechanism of a wing wheel, capable of long-term use without wear. <P>SOLUTION: This wind mill comprises a nacelle for supporting the wing wheel rotated by wind power; a tower supporting the nacelle; and a yaw system which connects the tower with the nacelle and makes the nacelle rotatable relative to the tower. The yaw system includes a ring-shaped rotor which is provided on the nacele side and rotates around the rotational axis of the yaw system, and a ring-shaped stator provided so as to face the rotor on the tower side. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は風車に関し、特に風車の翼車の向きを風向に応じて回転させるためのヨーを有する風車に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図６に従来の風車の構成を示す。風車は、風力により水平な回転軸の回りに回転するブレード１と、ブレード１と一体に回転するハブ２と、ブレード１とハブ２から構成される翼車２１が取り付けられたナセル３と、翼車２１を変動する風向に対向させるためのヨー４と、ナセル３に搭載され、翼車２１の回転を増速する変速機５と、変速機５により増速された回転数で駆動される発電機６と、発電機６で発生させた電力を送るケーブル７と、翼車２１とナセル３を支持し、鉛直方向に伸びるタワー８と、ケーブル７により送られた電力を変換する電力変換機９と、風車全体を制御する制御装置１０とを備える。電力変換機９は系統連系に接続され、電力を供給する。一般に風力発電用風車は、タワー８の頂上に発電機６を収納したナセル３を配し、発電機６のシャフトは伝達系を介して翼車２１に連結されている。制御装置１０は計測された風向と翼車２１の向きの差を検出し、ヨー４の回転機構を制御して、翼車２１の回転面を変動する風向に追尾させる方位制御を行う。この方位制御機構は、ナセル３を翼車２１と共に垂直軸まわりに回転させて、翼車２１の水平な回転軸と風向との偏差角を任意の角度内に調整する。なお、風車の保護や出力制御のために方位制御を行うこともある。
【０００３】
図７に従来の風力発電用風車のヨーのナセルとタワーとの連結部分の部分断面図を示す。ナセル３側にモータ１１を配し、ベアリング１２を介して、モータ１１によって回転軸１３に設置した歯車１４とタワー８の円筒内部に切った歯１５を噛み合わせて回転させている。
【０００４】
【発明が解決すべき課題】
このような従来の翼車２１の方位制御では、翼車２１を保持し、変速機５や発電機６等を搭載するナセル３を回転させるため、過大なトルクを必要とする。このため、方位制御用のモータ１１や変速機に過大なトルクがかかる。さらに、歯車１４やベアリング１２にも大きな負荷が掛かり、消耗が加速される。
【０００５】
したがって、翼車２１を方位制御するには、過大なトルクを有するモータ１１や変速機が必要であり、これらのモータ１１や変速機のシャフトには過大なトルクがかかり、シャフトが破断することがあった。
【０００６】
そこで本発明は、過大なトルクに耐えられ、また、摩耗することがなく、永く使用できる翼車の方位制御機構を備える風車を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の風車は、例えば図１、図３に示すように、風力により回転する翼車２１を支持するナセル３と、前記ナセル３を支えるタワー８と、前記タワー８と前記ナセル３を連結し、前記ナセル３を前記タワー８に対して相対的に回転可能にするヨー４を備え、前記ヨー４は、前記ナセル側４ａに設けられた、前記ヨー４の回転中心軸線ＡＸ回りを回転するリング状の回転子１６と、前記タワー側４ｂに、前記回転子１６と対向して設けられたリング状の固定子１７を有する。このように構成すると、過大なトルクに耐えられ、また、摩耗することがなく永く使用できる翼車２１の方位制御機構を備える風車を提供できる。
【０００８】
また、請求項２に記載のように、請求項１に記載の風車において、例えば図２に示すように、前記回転子１６は、突極構造の櫛歯１８を有し、前記固定子１７は突極構造の櫛歯２０を有し、前記翼車の垂直軸まわりの方位制御をステッピングモータによるマイクロステップ駆動により行っても良い。このように構成すると、安定した翼車の方位制御機構を比較的簡易な構成で実現できる。
【０００９】
また、請求項３に記載のように、請求項１に記載の風車において、前記ステッピングモータは、直流パルス又は低周波交流で前記回転子１６又は前記固定子１７の一方に設けられた電磁石１９を電流駆動して、前記一方の櫛歯１８（又は２０）の突極に磁極を形成し、前記回転子１６又は前記固定子１７の他方の櫛歯２０（又は１８）の突極に磁極を誘導して、前記方位制御を行うようにしても良い。このように構成すると、回転子１６を歯厚の数分の１の単位で円周上を小刻みに移動でき、滑らかな動きで、高精度の方位制御を実現できる。
【００１０】
また、請求項４に記載のように、請求項２又は３に記載の風車において、前記ステッピングモータは、直流励磁で前記回転子１６をブレーキ制動するようにしても良い。このように構成すると、前記方位制御におけるブレーキ制動を確実に行うことができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づき、本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において互いに同一部分には同一符号を付して、重複した説明は省略する。
【００１２】
図１の部分断面図を参照して風車の全体構造を説明する。なおタワーの下部は図示を省略してある。複数枚のブレード１はほぼ水平な軸の回りを回転するハブ２に放射状に取り付けられて、複数枚のブレード１とハブ２で翼車２１を構成している。ハブ２は変速機５の低速側の入力軸に取り付けられ、変速機５の出力軸は発電機６ａの回転軸とカップリングにより連結されている。変速機５と発電機６ａは、ナセル３の中に収納されている。
【００１３】
ナセル３は鉛直方向に立設されたタワー８の頂部に、ほぼ鉛直方向に向いた回転軸線ＡＸ回りに回転可能に支持されている。タワー８とナセル３との間には、ヨー４が配設されている。ヨー４は、ナセル側部分４ａとタワー側部分４ｂを含んで構成されている。ナセル側部分４ａはタワー側部分４ｂに対して、ほぼ垂直な回転中心軸線ＡＸ回りに、相対的に回転可能に構成されている。図示しない制御装置１０は計測された風向と翼車２１の向きの差を検出し、ヨー４の回転機構を制御して、翼車２１の回転面を変動する風向に追尾させる方位制御を行う。
【００１４】
図２の部分断面図に、本発明の実施の形態によるヨーの回転子と固定子の構成を示す。図２において、１６はヨー４のナセル側部分４ａに固設される回転子、１７はヨー４のタワー側部分４ｂに固設される固定子である。ヨー４は回転子１６、固定子１７及びその回転子１６を回転中心軸線ＡＸ回りに回転させる回転機構から構成される。回転子１６は突極構造の櫛歯１８を有し、軟鉄製でリング状に成型されている。軟鉄製鉄芯の周囲にコイルが巻かれ、直流パルスまたは低周波の交流電流で電流駆動されることにより、電磁石１９として作用する。電磁石１９が電流駆動されると、櫛歯１８の突極に磁極が形成される。固定子１７は突極構造の櫛歯２０を有し、軟鉄製でリング状に成型されている。回転子１６の櫛歯１８の突極に形成された磁極により、櫛歯２０の突極に磁極が誘導されて、磁気回路が構成される。
【００１５】
翼車２１の方位制御機構のうち、ヨー４の回転機構はステッピングモータで構成される。ステッピングモータは、回転子１６、固定子１７の双方に突極構造の櫛歯１８，２０と溝を形成し、その一方に設けられた電磁石１９を電流駆動して、双方の櫛歯１８，２０の突極に磁極を形成し、その両者に働く磁気的吸引力、反発力の進行方向成分を推力とする。大きな推力を得るためにステップ長を小さくし、マイクロステップ駆動を行う多極構造とする。電磁石１９の駆動は、直流パルスまたは低周波の交流電流で行う。直流パルスで駆動した場合、回転子１６のステッピングによる回転は入力パルス信号に同期して進行するから、回転子１６の移動速度は入力パルス周波数に、移動距離は入力パルス数によってそれぞれ決定される。
【００１６】
固定子１７の櫛歯２０は等間隔に形成されている。回転子１６の櫛歯１８は３枚１組で１個の電磁石１９の先端に形成され、櫛歯１８の間隔は、電磁石１９内において固定子１７の櫛歯２０の間隔と等しい。電磁石１９間には一定間隔の空間が設けられ、電流駆動されている電磁石１９の櫛歯１８と固定子の櫛歯２０とが整合がとれた状態で対向している時に、隣接する電磁石１９の櫛歯１８は１／３歯厚分円周方向遠方にずれて固定子１７の櫛歯２０と対向した状態にあり、その次に隣接する電磁石１９の櫛歯１８は２／３歯厚分円周方向遠方にずれて固定子１７の櫛歯２０と対向した状態にある。その次に隣接する電磁石１９は、最初の電磁石と同時に電流駆動されている電磁石で、電磁石１９の櫛歯１８と固定子１７の櫛歯２０が整合がとれた状態で対向している。以下、これらの状態が繰り返される。全体で３６個の電磁石１９が配置されており、Ａ、Ｂ、Ｃ各１２個ずつの３グループにわけて、電流駆動される。３６個の電磁石は、Ａグループ、Ｂグループ、Ｃグループ、Ａグループ、・・・のように、同じグループが２つおきに並ぶように配置される。
【００１７】
各電磁石１９の駆動コイルには直流パルス電流を印加する直流電源（図示しない）、又は低周波の交流電流を印加する交流電源（図示しない）に電気接続されている。
【００１８】
（第１の実施の形態）
第１の実施の形態では電磁石に直流パルス電流を印加するものとする。今、図２において、回転子１６側では、Ａグループの電磁石１９ａが直流パルス電流で電流駆動されているものとする。このとき、Ａグループの電磁石１９ａの櫛歯１８ａにはＮ極が形成され、対向する固定子１７ａの櫛歯２０ａにはＳ極が誘導されているものとする。この状態で、Ａグループの電磁石１９ａの櫛歯１８ａと対向する固定子１７の櫛歯２０ａとが磁力を受けて引き合うため、電磁石１９ａの櫛歯１８ａと固定子の櫛歯２０ａとが整合がとれた状態で対向している。なお、この状態でＡグループの電磁石１９ａに、直流電流又は直流パルス電流が継続的に印加されれば、回転子１６は固定子１７に対して静止状態に保持される。すなわちナセル３はタワー８に対して静止状態に保たれる（図２（ａ）参照）。
【００１９】
ところで、磁気的バランスから、Ａ，Ｂ，Ｃ各グループの電磁石について、半分にＮ極が形成され、他の半分にＳ極が形成されるように電流駆動されるものとする。これは、電磁石の半分についてはコイルの巻き方を反対にすれば良い。本実施の形態では、同じグループで隣り合う電磁石の磁極が反対になるように、また、全体でも隣り合う電磁石の磁極が反対になるように電流駆動されるものとする。
【００２０】
次に、Ａグループの電磁石１９ａのパルス電流が遮断され、Ｂグループの電磁石１９ｂが直流パルス電流で電流駆動されると、Ｂグループの電磁石１９ｂの櫛歯１８ｂにはＳ極が形成され、対向する固定子１７の櫛歯２０ｂにはＮ極が誘導される。この状態で、Ｂグループの電磁石１９ｂの櫛歯１８ｂと対向する固定子１７の櫛歯２０ｂとが磁力を受けて引き合うため、これらの櫛歯１８ｂ、２０ｂ同士が整合がとれた状態で対向する状態が安定になり、回転子１６は１／３歯厚分右方向に回転する（図２（ｂ）参照）。
【００２１】
次に、Ｂグループの電磁石１９ｂのパルス電流が遮断され、Ｃグループの電磁石１９ｃが直流パルス電流で電流駆動されると、Ｃグループの電磁石１９ｃの櫛歯１８ｃにはＮ極が形成され、対向する固定子１７の櫛歯２０ｃにはＳ極が誘導される。この状態で、Ｃグループの電磁石１９ｃの櫛歯１８ｃと対向する固定子１７の櫛歯２０ｃとが磁力を受けて引き合うため、これら櫛歯１８ｃ、２０ｃ同士が整合がとれて対向する状態が安定になり、回転子はさらに１／３歯厚分右方向に回転する（図２（ｃ）参照）。
【００２２】
次に、Ｃグループの電磁石１９ｃのパルス電流が遮断され、Ｃグループに隣り合うＡグループの電磁石１９ａ’が直流パルス電流で電流駆動されると、Ａグループの電磁石１９ａ’の櫛歯１８ａ’にはＳ極が形成され、対向する固定子１７の櫛歯２０ａ’にはＮ極が誘導される。この状態で、Ａグループの電磁石１９ａ’の櫛歯と対向する固定子１７の櫛歯２０ａ’とが磁力を受けて引き合うため、再びこれら櫛歯１８ａ’、２０ａ’同士が整合がとれて対向する状態が安定になり、さらに回転子１６は１／３歯厚分右方向に回転し、積算すると１歯分右方向に回転する（電磁石１９ａ’、櫛歯１８ａ’、２０ａ’は図示されない）。このとき、元のＡグループの電磁石１９ａの櫛歯１８ａにはＮ極が形成され、対向する固定子１７の櫛歯２０ａにはＳ極が誘導されるが、同様に櫛歯１８ａ、２０ａ同士が整合がとれて対向する状態が安定になる。このように順次、隣り合う電磁石１９にパルス電流を移動していくことにより、回転子１６は順次右方向に回転することとなる。
【００２３】
今度は、図２（ａ）の状態から、Ａグループの電磁石１９ａのパルス電流が遮断され、Ｃグループの電磁石１９ｃが直流パルス電流で電流駆動されるものとする。Ｃグループの電磁石１９ｃの櫛歯にはＳ極が形成され、対向する固定子１７の櫛歯２０ｃにはＮ極が誘導される。この状態で、Ｃグループの電磁石１９ｃの櫛歯１８ｃと対向する固定子１７の櫛歯２０ｃとが磁力を受けて引き合うため、これら櫛歯１８ｃ、２０ｃ同士が整合がとれて対向する状態が安定になり、回転子１６は１／３歯厚分左方向に回転する。
【００２４】
さらにＢグループの電磁石１９ｂ、これに隣り合うＡグループの電磁石１９ａにパルス電流を印加していく（同時に他のＡグループの電磁石にもパルス電流が印加される）ことにより、回転子は順次左方向に回転することとなる。
【００２５】
回転子１６および固定子１７の外周は約５ｍであり、双方の櫛歯１８、２０間に磁力が強く作用し、かつスムーズに回転するように、回転子１６の櫛歯１８と固定子１７の櫛歯２０との間に約１ｍｍのギャップが設けられている。
【００２６】
図３（ａ）部分断面図にヨー４のナセル３とタワー８との連結部分の構成例を示す。図において、１６は回転子、１７は固定子である。回転子１６は櫛歯１８を内向きにしてナセル３に取り付けられ、固定子１７はタワー８に櫛歯２０を外向きにして取り付けられて、互いに櫛歯１８、２０を対向させて設置されている。ベアリング１２は内輪と外輪及びその間に配列されたボールを含んでボールベアリングを構成している。本実施の形態では内輪がナセル３側に、外輪がタワー８側に固定されている。ボールベアリング１２はラジアル力の他にスラスト力も支えることができる構造を有し、翼車２１、ナセル３などの重力によるスラスト力と風力によるラジアル力を支えることができる。ボールベアリング１２は、回転子１６、固定子１７の外側にこれらと回転中心軸線ＡＸを同じくしてリング状に配置され、回転子１６と固定子１７間の回転がスムーズに行われるよう補助する役目を有する。又、ヨー４の回転中心軸線ＡＸは翼車２１の垂直軸線にもなっている。ナセル３側に回転子１６が固設され、タワー８側に固定子１７が固設されるが、回転子１６、固定子１７のいずれを内側にしても良く、いずれを外側にしても良い。
【００２７】
図３（ｂ）の断面図にヨー４のナセル３とタワー８との連結部分の別の構成例を示す。図において、１６は回転子、１７は固定子である。回転子１６は櫛歯１８を下向きにしてナセル３に取り付けられ、固定子１７はタワー８に櫛歯２０を上向きにして取り付けられて、互いに櫛歯１８、２０を対向させて設置されている。１２はベアリングであり、配置は図３（ａ）の場合と同様である。
【００２８】
図４の平面図に回転子と固定子の配置例を示す。いずれも、図３（ａ）における櫛歯が半径方向（内向き、外向き）に対向した形状である。図４（ａ）は、回転子１６が１ブロックに、Ｎ極になる電磁石かＳ極になる電磁石のいずれか一方を有している態様である。図４（ｂ）は回転子１６が１ブロックにＮ極になる電磁石とＳ極になる電磁石をペアとして有している態様である。この場合でも同一グループ内では回転子１６側でＮ極になる電磁石の櫛歯とＳ極になる電磁石の櫛歯の間隔を等しくかつ両者が共に固定子１７の櫛歯と整合するように櫛歯を配し、他のグループでは例えば１／３歯厚分、さらに他のグループでは２／３歯厚分ずれるように構成すれば良い。固定子１７側でも櫛歯に誘起される磁極がＮ、Ｓ二種になるが、回転のメカニズムは１ブロック１電磁石の場合と同様である。
【００２９】
（第２の実施の形態）
第２の実施の形態では電磁石に低周波の交流電流を印加するものとする。交流は３相とする。回転子１６及び固定子１７の構成は第１の実施の形態と同じであり、電磁石１９のグループ分けも同じである。電磁石１９の駆動電流が異なるだけである。駆動電流が交流なので、１つの電磁石にかかる電流は正負交互に変化し、これにより磁極もＮ極とＳ極が交互に形成される。Ａ，Ｂ，Ｃ各グループの電磁石については、同じグループであれば、同じ位相で駆動されるものとする。
【００３０】
図５に、３相交流の位相の関係を示す。今、回転子１６側では、Ａグループの電磁石１９ａが交流電流で電流が正側で最大で位相が合ったところで電流駆動されているものとする。このとき、Ｂグループの電磁石１９ｂに流れる交流は１２０度位相が遅れており、Ｃグループの電磁石１９ｃに流れる交流は２４０度位相が遅れている（１２０度位相が進んでいるともいえる）。この状態では、Ａグループの電磁石１９ａの磁力が最大であり、Ａグループの電磁石１９ａの櫛歯１８ａにはＮ極が形成され、対向する固定子１７の櫛歯２０ａにはＳ極が誘導され、互いに吸引し合う。したがって、Ａグループの回転子１６の櫛歯１８ａと固定子１７の櫛歯２０ａとが整合し合う状態になる。
【００３１】
次に、Ａグループの電磁石１９ａの交流電流の位相が６０度進むと、Ｃグループの電磁石１９ｃの交流電流の位相が１８０度遅れ、負側で最大となる。このとき、Ｂグループの電磁石１９ｂの交流の位相は６０度遅れているので、Ｃグループの電磁石１９ｃの磁力が他のグループの磁力より勝り、Ｃグループの電磁石１９ｃの櫛歯１８ｃにはＳ極が形成され、対向する固定子１７の櫛歯２０ｃにはＮ極が誘導される。この状態で、Ｃグループの電磁石１９ｃの櫛歯１８ｃと対向する固定子１７の櫛歯２０ｃとが磁力を受けて引き合うため、これら櫛歯１８ｃ、２０ｃ同士が整合がとれて対向する状態が安定になり、回転子は１／３歯厚分左方向に回転する。
【００３２】
次に、Ａグループの電磁石１９ａの交流電流の位相が１２０度進むと、Ｂグループの電磁石１９ｂの交流電流の位相が合致する。このとき、Ｃグループの電磁石１９ｃの交流の位相は１２０度遅れているので、Ｂグループの電磁石１９ｂの磁力が他のグループの磁力より勝り、Ｂグループの電磁石１９ｂの櫛歯１８ｂにはＮ極が形成され、対向する固定子１７の櫛歯２０ｂにはＳ極が誘導される。この状態で、Ｂグループの電磁石１９ｂの櫛歯１８ｂと対向する固定子１７の櫛歯２０ｂとが磁力を受けて引き合うため、これら櫛歯１８ｂ、２０ｂ同士が整合がとれて対向する状態が安定になり、回転子はさらに１／３歯厚分左方向に、積算すると２／３歯厚分左方向に回転する。
【００３３】
次に、Ｂグループの電磁石１９ｂの交流電流の位相が６０度進むと、Ａグループの電磁石１９ａの交流電流の位相が１８０度遅れ、負側で最大となる。このとき、Ｃグループの電磁石１９ｃの交流の位相は６０度遅れているので、Ａグループの電磁石の磁力が他のグループの磁力より勝り、Ａグループの電磁石１９ａの櫛歯１８ａにはＳ極が形成され、対向する固定子１７の櫛歯２０ａにはＮ極が誘導される。この状態で、Ａグループの電磁石１９ａの櫛歯１８ａと対向する固定子１７の櫛歯２０ａとが磁力を受けて引き合うため、これら櫛歯１８ａ、２０ａ同士が整合がとれて対向する状態が安定になり、回転子はさらに１／３歯厚分左方向に、積算すると１歯厚分左方向に回転する。
【００３４】
次に、Ｂグループの電磁石１９ｂの交流電流の位相が１２０度進み、Ｃグループの電磁石１９ｃの交流電流の位相が合致する。このとき、Ａグループの電磁石１９ａの交流の位相は１２０度遅れているので、Ｃグループの電磁石１９ｃの磁力が他のグループの磁力より勝り、Ｃグループの電磁石１９ｃの櫛歯１８ｃにはＮ極が形成され、対向する固定子１７の櫛歯２０ｃにはＳ極が誘起される。この状態で、Ｃグループの電磁石１９ｃの櫛歯１８ｃと対向する固定子１７の櫛歯２０ｃとが磁力を受けて引き合うため、これら櫛歯１８ｃ、２０ｃ同士が整合がとれて対向する状態が安定になり、回転子はさらに１／３歯分左方向に、積算すると４／３歯分左方向に回転する。
【００３５】
このように、交流の位相の変化により、回転子１６の移動が行われる。交流の位相の変化を逆にすると、回転子１６は逆方向に回転する。
【００３６】
ところで、制御装置１０は計測された風向と翼車２１の向きの差を検出し、ヨー４の回転機構を制御して、翼車２１の回転面を変動する風向に追尾させる方位制御を行う。この方位制御機構は、ヨー４の回転子１６をナセル３及び翼車２１と共に、回転中心軸線ＡＸ（すなわち翼車２１の垂直軸）まわりに回転させて、翼車２１の水平な回転軸と風向との偏差角を小さくするように調整する。すなわち、偏差角が小さくなる方向に回転するようにヨー４の回転機構を制御して、電磁石１９に流すパルス電流を、或いは交流の位相を順次変化させていく。
【００３７】
翼車２１を搭載したナセル３の慣性が大きいため、センサは風向が１分以上同じ方向に継続した時に制御装置１０に信号を送る。制御装置１０は、センサからの信号を受信し、風向きと翼車２１の向きの差から、回転子１６の回転すべき角度と回転方向を算出して、翼車２１の方位制御を行い、翼車２１が風向きに対向するように回転子１６を回転させる。
【００３８】
風向きと翼車２１の方向がほぼ一致した時に、センサは制御装置１０に停止信号を送る。定常の直流電流を電磁石１９に流すと、回転子１６と固定子１７の磁極の状態が不変のため、制動機能が働く。そこで、翼車２１の方向が風向方向にほぼ合致した時、制御装置１０は電磁石１９への直流パルスを定常の直流電流に切り替える。あるいは交流の供給を停止して、定常の直流電流を供給する。しかし、ナセル３に慣性があるために、すぐには制動が効かず、行き過ぎてしまう場合がある。
【００３９】
このような行き過ぎを防止するため、制御装置１０は、上記偏差角が所定の角度に近づいた時から、徐々に制動を掛けるものとする。直流パルス電流のパルス幅を大きくしたり、パルスの間隔を大きくしたり、或いは交流の周期を長くしたりして、徐々に制動を掛け、最終的に偏差角が０になったら、止まるまで直流を流して、きちんと静止させるようにする。
【００４０】
本実施の形態では、このように、ステッピングモータで翼車２１の方位制御をするため、モータを構成する回転子１６や固定子１７に摩擦が生じず、回転がスムーズである。また、ヨー４を駆動するステッピングモータが、リング状の回転子１６と固定子１７とで構成されているので、中心に回転軸を有するモータ１１や変速機に比してトルクに強い構造になっている。
【００４１】
なお、本発明の風車は、上述の実施の形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【００４２】
例えば、本実施の形態では、翼車２１の方位制御をステッピングモータで駆動する例を説明したが、回転子１６又は固定子１７に誘導電流を誘起して誘導モータで駆動しても良く、回転子１６又は固定子１７に永久磁石を用いて同期モータで駆動しても良い。また、本実施の形態では、永久磁石を含まない構造であるバリアブルリラクタンス型の例を示したが、磁気回路内に永久磁石を含み歯同士が対向する構造のパーマネント型としても良い。いずれにしても、リニア駆動を行なうリニア誘導モータ、リニア同期モータ、リニアパルスモータを翼車２１の方位制御に応用可能である。
【００４３】
また、電磁石１９を回転子１６側に設け、固定子１７側に磁極を誘導する構成を説明したが、電磁石１９を固定子１７側に設け、回転子１６側に磁極を誘導する構成でも良い。また、磁極の形成は、Ａ、Ｂ、Ｃ各グループにおいて、電磁石１９の磁極の形成をどのような組み分けで行うかは、安定な磁気回路が形成されるようであれば良い。また、回転子１６の隣り合う電磁石を対として、同一パルスで駆動し、同時にＮ極とＳ極が形成され、それぞれの対向する固定子の櫛歯にＳ極とＮ極が形成されて、協働して１ステップを動かすようにしても良い。
【００４４】
また、本実施の形態では、ベアリングに半径方向の力が掛かるような例を示したが、上下方向に力が掛かるように構成しても良く、両者を併用しても良い。また、電磁石の数、櫛歯のピッチ、パルス間隔、等について種々変更が可能である。また、翼車の垂直軸とヨーの回転中心軸が一致しない場合にも使用できる。また、本発明は垂直軸風車にも使用できる。
【００４５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の風車は、風力により回転する翼車を支持するナセルと、前記ナセルを支えるタワーと、前記タワーと前記ナセルを連結し、前記ナセルを前記タワーに対して相対的に回転可能にするヨーを備え、前記ヨーは、前記ナセル側に設けられた、前記ヨーの回転中心軸線回りを回転するリング状の回転子と、前記タワー側に、前記回転子と対向して設けられたリング状の固定子を有するので、過大なトルクに耐えられ、また、摩耗することがなく永く使用できる翼車の方位制御機構を備える風車を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態における風車の部分断面図である。
【図２】本実施の形態におけるヨーの回転子と固定子の部分断面図である。
【図３】本実施の形態におけるヨーのナセルとタワーとの連結部分の部分断面図である。
【図４】本実施の形態におけるヨーの回転子と固定子の部分の平面図である。
【図５】３相交流の位相関係を示す図である。
【図６】従来の風車の構成を示す図である。
【図７】従来の風車におけるヨーのナセルとタワーとの連結部分の部分断面図である。
【符号の説明】
１ブレード
２ハブ
３ナセル
４ヨー
４ａヨーのナセル側部分
４ｂヨーのタワー側部分
５変速機
６、６ａ発電機
７ケーブル
８タワー
９電力変換機
１０制御装置
１１モータ
１２ベアリング
１３回転軸
１４歯車
１５歯
１６回転子
１７固定子
１８、１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ａ’ 回転子の櫛歯
１９、１９ａ、１９ｂ、１９ｃ、１９ａ’ 電磁石
２０、２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ａ’ 固定子の櫛歯
２１翼車
ＡＸ回転中心軸線[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a windmill, and more particularly to a windmill having a yaw for rotating a direction of a windmill wheel according to a wind direction.
[0002]
[Prior art]
FIG. 6 shows a configuration of a conventional wind turbine. The windmill includes a blade 1 that rotates around a horizontal rotation axis by wind power, a hub 2 that rotates integrally with the blade 1, a nacelle 3 to which an impeller 21 composed of the blade 1 and the hub 2 is attached, A yaw 4 for causing the vehicle 21 to face a fluctuating wind direction, a transmission 5 mounted on the nacelle 3 for increasing the rotation of the impeller 21, and power generation driven by the rotation speed increased by the transmission 5 , A cable 7 for transmitting the electric power generated by the generator 6, a tower 8 supporting the impeller 21 and the nacelle 3 and extending vertically, and a power converter 9 for converting the electric power transmitted by the cable 7. And a control device 10 for controlling the entire wind turbine. The power converter 9 is connected to the grid connection and supplies power. In general, a wind turbine for wind power generation has a nacelle 3 containing a generator 6 disposed at the top of a tower 8, and a shaft of the generator 6 is connected to an impeller 21 via a transmission system. The control device 10 detects a difference between the measured wind direction and the direction of the impeller 21, controls the rotation mechanism of the yaw 4, and performs azimuth control for tracking the rotating surface of the impeller 21 to the fluctuating wind direction. This azimuth control mechanism rotates the nacelle 3 about the vertical axis together with the impeller 21 to adjust the deviation angle between the horizontal rotation axis of the impeller 21 and the wind direction within an arbitrary angle. In addition, azimuth control may be performed for protection of the windmill and output control.
[0003]
FIG. 7 shows a partial cross-sectional view of a connecting portion between a yaw nacelle and a tower of a conventional wind turbine for wind power generation. A motor 11 is provided on the nacelle 3 side, and a gear 14 installed on a rotating shaft 13 and a tooth 15 cut inside a cylinder of the tower 8 are rotated by a motor 11 via a bearing 12 by meshing.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
In such conventional azimuth control of the impeller 21, an excessive torque is required to hold the impeller 21 and rotate the nacelle 3 on which the transmission 5 and the generator 6 are mounted. For this reason, excessive torque is applied to the azimuth control motor 11 and the transmission. Further, a large load is applied to the gear 14 and the bearing 12, and the wear is accelerated.
[0005]
Therefore, in order to control the direction of the impeller 21, a motor 11 and a transmission having excessive torque are necessary, and excessive torque is applied to the shaft of the motor 11 and the transmission, and the shaft may be broken. there were.
[0006]
Therefore, an object of the present invention is to provide a wind turbine provided with an impeller azimuth control mechanism that can withstand excessive torque and that can be used for a long time without being worn.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problem, a windmill according to claim 1 includes, as shown in FIGS. 1 and 3, a nacelle 3 that supports a wing wheel 21 that is rotated by wind power, and a tower 8 that supports the nacelle 3. A yaw 4 that connects the tower 8 and the nacelle 3 to rotate the nacelle 3 relative to the tower 8, wherein the yaw 4 is provided on the nacelle side 4 a. 4 includes a ring-shaped rotor 16 that rotates around the rotation center axis AX, and a ring-shaped stator 17 provided on the tower side 4b so as to face the rotor 16. With this configuration, it is possible to provide a windmill having an azimuth control mechanism of the impeller 21 that can withstand excessive torque and can be used for a long time without being worn.
[0008]
Further, as described in claim 2, in the wind turbine according to claim 1, for example, as shown in FIG. 2, the rotor 16 has comb teeth 18 having a salient pole structure, and the stator 17 It may have a comb tooth 20 having a salient pole structure, and control the azimuth around the vertical axis of the impeller by micro-step driving using a stepping motor. With such a configuration, a stable impeller azimuth control mechanism can be realized with a relatively simple configuration.
[0009]
Further, as described in claim 3, in the wind turbine according to claim 1, the stepping motor includes an electromagnet 19 provided on one of the rotor 16 or the stator 17 with a DC pulse or a low-frequency AC. A current is driven to form a magnetic pole at the salient pole of the one comb tooth 18 (or 20), and a magnetic pole is induced at the salient pole of the other comb tooth 20 (or 18) of the rotor 16 or the stator 17. Then, the azimuth control may be performed. With such a configuration, the rotor 16 can be moved in small increments on the circumference in a unit of a fraction of the tooth thickness, and high-precision azimuth control can be realized with smooth movement.
[0010]
According to a fourth aspect of the present invention, in the wind turbine according to the second or third aspect, the stepping motor may brake the rotor 16 by DC excitation. With this configuration, it is possible to reliably perform the brake braking in the azimuth control.
[0011]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In each of the drawings, the same parts are denoted by the same reference numerals, and redundant description will be omitted.
[0012]
The overall structure of the wind turbine will be described with reference to the partial sectional view of FIG. The lower part of the tower is not shown. The plurality of blades 1 are radially mounted on a hub 2 that rotates around a substantially horizontal axis, and the impeller 21 is configured by the plurality of blades 1 and the hub 2. The hub 2 is attached to a low-speed input shaft of the transmission 5, and an output shaft of the transmission 5 is connected to a rotating shaft of the generator 6a by a coupling. The transmission 5 and the generator 6a are housed in the nacelle 3.
[0013]
The nacelle 3 is rotatably supported on the top of a vertically standing tower 8 about a rotation axis AX that is substantially vertically oriented. A yaw 4 is disposed between the tower 8 and the nacelle 3. The yaw 4 includes a nacelle-side portion 4a and a tower-side portion 4b. The nacelle-side portion 4a is configured to be relatively rotatable about a rotation center axis AX substantially perpendicular to the tower-side portion 4b. The control device 10 (not shown) detects a difference between the measured wind direction and the direction of the impeller 21, controls the rotation mechanism of the yaw 4, and performs azimuth control for tracking the rotation surface of the impeller 21 to the fluctuating wind direction.
[0014]
FIG. 2 is a partial sectional view showing a configuration of a yaw rotor and a stator according to the embodiment of the present invention. In FIG. 2, reference numeral 16 denotes a rotor fixed to the nacelle-side portion 4a of the yaw 4, and 17 denotes a stator fixed to the tower-side portion 4b of the yaw 4. The yaw 4 includes a rotor 16, a stator 17, and a rotation mechanism that rotates the rotor 16 around a rotation center axis AX. The rotor 16 has comb teeth 18 having a salient pole structure, and is made of soft iron and formed into a ring shape. A coil is wound around a soft iron core, and is driven by a DC pulse or a low-frequency AC current to act as an electromagnet 19. When the electromagnet 19 is driven by a current, a magnetic pole is formed on the salient pole of the comb teeth 18. The stator 17 has comb teeth 20 having a salient pole structure, and is made of soft iron and formed into a ring shape. The magnetic poles formed on the salient poles of the comb teeth 18 of the rotor 16 induce the magnetic poles on the salient poles of the comb teeth 20 to form a magnetic circuit.
[0015]
Among the azimuth control mechanisms of the impeller 21, the rotation mechanism of the yaw 4 is constituted by a stepping motor. The stepping motor forms comb teeth 18, 20 of salient pole structure and a groove on both the rotor 16 and the stator 17, and drives an electromagnet 19 provided on one of them to drive both comb teeth 18, 20. Magnetic poles are formed at the salient poles, and the traveling direction components of the magnetic attractive force and the repulsive force acting on both are used as the thrust. In order to obtain a large thrust, the step length is reduced, and a multi-pole structure for performing micro-step driving is adopted. The electromagnet 19 is driven by a DC pulse or a low-frequency AC current. When driven by a DC pulse, the rotation of the rotor 16 due to the stepping proceeds in synchronization with the input pulse signal. Therefore, the moving speed of the rotor 16 is determined by the input pulse frequency, and the moving distance is determined by the number of input pulses.
[0016]
The comb teeth 20 of the stator 17 are formed at equal intervals. The comb teeth 18 of the rotor 16 are formed as a set of three at the tip of one electromagnet 19, and the interval between the comb teeth 18 is equal to the interval between the comb teeth 20 of the stator 17 in the electromagnet 19. A space is provided at a fixed interval between the electromagnets 19, and when the comb teeth 18 of the current-driven electromagnet 19 and the comb teeth 20 of the stator face each other in a matched state, the space between the adjacent electromagnets 19 is reduced. The comb teeth 18 are shifted by a distance of 1/3 tooth thickness in the circumferential direction to face the comb teeth 20 of the stator 17, and the comb teeth 18 of the next adjacent electromagnet 19 are 2/3 tooth thickness circles. It is in a state of being shifted to the circumferential direction and facing the comb teeth 20 of the stator 17. The next adjacent electromagnet 19 is an electromagnet that is current-driven at the same time as the first electromagnet, and the comb teeth 18 of the electromagnet 19 and the comb teeth 20 of the stator 17 face each other in a state where they are aligned. Hereinafter, these states are repeated. A total of thirty-six electromagnets 19 are arranged, and are driven by current in three groups of 12 each of A, B, and C. The thirty-six electromagnets are arranged such that the same group is lined up every two groups, such as group A, group B, group C, group A,....
[0017]
The drive coil of each electromagnet 19 is electrically connected to a DC power supply (not shown) for applying a DC pulse current or an AC power supply (not shown) for applying a low-frequency AC current.
[0018]
(First Embodiment)
In the first embodiment, a DC pulse current is applied to the electromagnet. Now, in FIG. 2, it is assumed that the electromagnets 19a of the A group are current-driven by the DC pulse current on the rotor 16 side. At this time, it is assumed that the north pole is formed at the comb teeth 18a of the electromagnet 19a of the group A, and the south pole is induced at the comb teeth 20a of the opposed stator 17a. In this state, the comb teeth 18a of the electromagnets 19a of the A group and the comb teeth 20a of the stator 17 facing each other receive magnetic force and attract, so that the comb teeth 18a of the electromagnet 19a and the comb teeth 20a of the stator are aligned. Facing each other. In this state, if a DC current or a DC pulse current is continuously applied to the electromagnets 19a of the group A, the rotor 16 is held stationary with respect to the stator 17. That is, the nacelle 3 is kept stationary with respect to the tower 8 (see FIG. 2A).
[0019]
By the way, from the magnetic balance, it is assumed that the electromagnets of each of the groups A, B, and C are driven by current so that the N pole is formed in half and the S pole is formed in the other half. This can be achieved by reversing the winding of the coil for half of the electromagnet. In the present embodiment, it is assumed that current driving is performed so that the magnetic poles of adjacent electromagnets in the same group are opposite, and the magnetic poles of adjacent electromagnets are also opposite in the whole.
[0020]
Next, when the pulse current of the electromagnet 19a of the group A is cut off and the electromagnet 19b of the group B is driven by a DC pulse current, an S pole is formed on the comb teeth 18b of the electromagnet 19b of the group B, and they are opposed to each other. The north pole is guided to the comb teeth 20 b of the stator 17. In this state, the comb teeth 18b of the electromagnets 19b of the B group and the comb teeth 20b of the stator 17 facing each other are attracted by the magnetic force, so that the comb teeth 18b and 20b face each other in a state where they are aligned. Is stabilized, and the rotor 16 rotates rightward by 1/3 tooth thickness (see FIG. 2B).
[0021]
Next, when the pulse current of the electromagnets 19b of the B group is cut off and the electromagnets 19c of the C group are driven by the DC pulse current, an N pole is formed on the comb teeth 18c of the electromagnets 19c of the C group, and they are opposed to each other. An S pole is guided to the comb teeth 20c of the stator 17. In this state, the comb teeth 18c of the electromagnets 19c of the C group and the comb teeth 20c of the stator 17 facing each other are attracted by magnetic force and attracted. Therefore, the state in which the comb teeth 18c and 20c are aligned and opposed to each other stably. Thus, the rotor further rotates rightward by 1/3 tooth thickness (see FIG. 2C).
[0022]
Next, when the pulse current of the electromagnet 19c of the group C is cut off and the electromagnet 19a 'of the group A adjacent to the group C is driven by the DC pulse current, the comb teeth 18a' of the electromagnet 19a 'of the group A are applied. An S pole is formed, and an N pole is guided to the comb teeth 20a 'of the stator 17 facing the S pole. In this state, the comb teeth of the A group electromagnets 19a 'and the opposing comb teeth 20a' of the stator 17 attract each other by receiving magnetic force, so that the comb teeth 18a 'and 20a' are aligned again and face each other. The state becomes stable, and the rotor 16 further rotates rightward by 1/3 tooth thickness, and when integrated, rotates rightward by one tooth (the electromagnet 19a 'and the comb teeth 18a', 20a 'are not shown). At this time, the north pole is formed at the comb teeth 18a of the original electromagnet 19a of the group A, and the south pole is induced at the comb teeth 20a of the opposed stator 17, but similarly, the comb teeth 18a, 20a are connected to each other. The alignment and the opposing state are stabilized. By sequentially moving the pulse current to the adjacent electromagnets 19 in this manner, the rotor 16 is sequentially rotated rightward.
[0023]
This time, from the state of FIG. 2A, it is assumed that the pulse current of the electromagnet 19a of the group A is cut off and the electromagnet 19c of the group C is driven by a DC pulse current. An S pole is formed at the comb teeth of the electromagnets 19c of the C group, and an N pole is induced at the comb teeth 20c of the stator 17 opposed thereto. In this state, the comb teeth 18c of the electromagnets 19c of the C group and the comb teeth 20c of the stator 17 facing each other are attracted by magnetic force and attracted. Therefore, the state in which the comb teeth 18c and 20c are aligned and opposed to each other stably. Accordingly, the rotor 16 rotates leftward by １／ tooth thickness.
[0024]
Further, the pulse current is applied to the electromagnet 19b of the group B and the electromagnet 19a of the group A adjacent thereto (the pulse current is simultaneously applied to the electromagnets of the other group A). Will rotate.
[0025]
The outer circumferences of the rotor 16 and the stator 17 are about 5 m, and the magnetic force acts strongly between the two comb teeth 18 and 20, and the comb teeth 18 of the rotor 16 and the stator 17 are rotated so as to rotate smoothly. A gap of about 1 mm is provided between the comb teeth 20.
[0026]
FIG. 3A is a partial cross-sectional view showing a configuration example of a connection portion between the nacelle 3 of the yaw 4 and the tower 8. In the figure, 16 is a rotor, and 17 is a stator. The rotor 16 is attached to the nacelle 3 with the comb teeth 18 facing inward, and the stator 17 is attached to the tower 8 with the comb teeth 20 facing outward, and is installed with the comb teeth 18 and 20 facing each other. I have. The bearing 12 forms a ball bearing including an inner ring, an outer ring, and balls arranged therebetween. In the present embodiment, the inner ring is fixed to the nacelle 3 side, and the outer ring is fixed to the tower 8 side. The ball bearing 12 has a structure capable of supporting not only a radial force but also a thrust force, and can support a thrust force due to gravity of the impeller 21 and the nacelle 3 and a radial force due to wind force. The ball bearing 12 is arranged outside the rotor 16 and the stator 17 in a ring shape with the same rotation center axis AX as the ring bearing, and serves to assist smooth rotation between the rotor 16 and the stator 17. Having. Further, the rotation center axis AX of the yaw 4 is also the vertical axis of the impeller 21. The rotor 16 is fixed on the nacelle 3 side, and the stator 17 is fixed on the tower 8 side. Either the rotor 16 or the stator 17 may be inside or any of them may be outside.
[0027]
FIG. 3B is a cross-sectional view showing another configuration example of a connecting portion between the nacelle 3 of the yaw 4 and the tower 8. In the figure, 16 is a rotor, and 17 is a stator. The rotor 16 is attached to the nacelle 3 with the comb teeth 18 facing down, and the stator 17 is attached to the tower 8 with the comb teeth 20 facing up, and is installed with the comb teeth 18 and 20 facing each other. Reference numeral 12 denotes a bearing, the arrangement of which is the same as that in the case of FIG.
[0028]
An example of the arrangement of the rotor and the stator is shown in the plan view of FIG. Each of them has a shape in which the comb teeth in FIG. 3A are opposed in the radial direction (inward and outward). FIG. 4A shows an embodiment in which the rotor 16 has, in one block, either an electromagnet that becomes an N pole or an electromagnet that becomes an S pole. FIG. 4B shows an embodiment in which the rotor 16 has, as a pair, an electromagnet serving as an N pole and an electromagnet serving as an S pole in one block. Even in this case, in the same group, the teeth of the electromagnet which becomes the N pole and the teeth of the electromagnet which becomes the S pole on the rotor 16 side have the same interval, and both are aligned with the comb teeth of the stator 17. And the other groups may be shifted by, for example, １／ tooth thickness, and the other groups may be shifted by ／ tooth thickness. On the stator 17 side, the magnetic poles induced by the comb teeth are of two types, N and S, but the rotation mechanism is the same as that of the case of one block and one electromagnet.
[0029]
(Second embodiment)
In the second embodiment, a low-frequency alternating current is applied to the electromagnet. The alternating current has three phases. The configurations of the rotor 16 and the stator 17 are the same as in the first embodiment, and the grouping of the electromagnets 19 is also the same. Only the drive current of the electromagnet 19 is different. Since the drive current is alternating, the current applied to one electromagnet alternates positively and negatively, whereby the magnetic poles are also formed with N poles and S poles alternately. The electromagnets in each of the groups A, B, and C are driven in the same phase if they belong to the same group.
[0030]
FIG. 5 shows the relationship between the phases of the three-phase alternating current. Now, on the rotor 16 side, it is assumed that the electromagnets 19a of the A group are driven by an alternating current when the phase is the maximum on the positive side and the phase is matched. At this time, the alternating current flowing through the electromagnets 19b of the group B has a phase delay of 120 degrees, and the alternating current flowing through the electromagnets 19c of the group C has a phase delay of 240 degrees (it can be said that the phase is advanced by 120 degrees). In this state, the magnetic force of the electromagnet 19a of the group A is the largest, the north pole is formed at the comb teeth 18a of the electromagnet 19a of the group A, and the south pole is induced at the comb teeth 20a of the stator 17 facing the group. Suction each other. Therefore, the comb teeth 18a of the rotor 16 of the A group and the comb teeth 20a of the stator 17 are aligned.
[0031]
Next, when the phase of the alternating current of the electromagnet 19a of the group A advances by 60 degrees, the phase of the alternating current of the electromagnet 19c of the group C is delayed by 180 degrees and becomes maximum on the negative side. At this time, since the AC phase of the electromagnet 19b of the B group is delayed by 60 degrees, the magnetic force of the electromagnet 19c of the C group exceeds the magnetic force of the other group, and the S pole is provided at the comb teeth 18c of the electromagnet 19c of the C group. The N pole is induced in the comb teeth 20c of the stator 17 thus formed and opposed to each other. In this state, the comb teeth 18c of the electromagnets 19c of the C group and the comb teeth 20c of the stator 17 facing each other are attracted by magnetic force and attracted. Therefore, the state in which the comb teeth 18c and 20c are aligned and opposed to each other stably. , And the rotor rotates to the left by 1/3 tooth thickness.
[0032]
Next, when the phase of the alternating current of the electromagnet 19a of the group A advances by 120 degrees, the phase of the alternating current of the electromagnet 19b of the group B matches. At this time, since the alternating current phase of the electromagnet 19c of the C group is delayed by 120 degrees, the magnetic force of the electromagnet 19b of the B group exceeds the magnetic force of the other group, and the N pole is provided at the comb teeth 18b of the electromagnet 19b of the B group. The S pole is guided to the comb teeth 20b of the stator 17 formed and opposed to each other. In this state, the comb teeth 18b of the electromagnets 19b in the B group and the comb teeth 20b of the stator 17 which are opposed to each other receive magnetic force and attract, so that the state in which the comb teeth 18b and 20b are aligned and opposed to each other stably. Thus, the rotor further rotates to the left by 1/3 tooth thickness, and when integrated, it rotates to the left by 2/3 tooth thickness.
[0033]
Next, when the phase of the alternating current of the electromagnet 19b of the B group advances by 60 degrees, the phase of the alternating current of the electromagnet 19a of the A group is delayed by 180 degrees and becomes maximum on the negative side. At this time, since the AC phase of the electromagnet 19c of the group C is delayed by 60 degrees, the magnetic force of the electromagnet of the group A exceeds the magnetic force of the other group, and the S pole is formed on the comb teeth 18a of the electromagnet 19a of the group A. Then, an N pole is guided to the comb teeth 20a of the opposed stator 17. In this state, the comb teeth 18a of the electromagnets 19a in the A group and the comb teeth 20a of the stator 17 facing each other receive magnetic force and attract, so that the state in which the comb teeth 18a and 20a are aligned and opposed to each other stably. Thus, the rotor further rotates to the left by 1/3 tooth thickness, and further to the left by 1 tooth thickness when integrated.
[0034]
Next, the phase of the alternating current of the electromagnet 19b of the group B advances by 120 degrees, and the phase of the alternating current of the electromagnet 19c of the group C matches. At this time, since the phase of the alternating current of the electromagnet 19a of the group A is delayed by 120 degrees, the magnetic force of the electromagnet 19c of the group C exceeds the magnetic force of the other group, and the N pole is provided at the comb teeth 18c of the electromagnet 19c of the group C. An S pole is induced in the comb teeth 20c of the stator 17 thus formed and opposed to each other. In this state, the comb teeth 18c of the electromagnets 19c of the C group and the comb teeth 20c of the stator 17 facing each other are attracted by magnetic force and attracted. Therefore, the state in which the comb teeth 18c and 20c are aligned and opposed to each other stably. Thus, the rotator further rotates leftward by 1/3 teeth, and furthermore, rotates leftward by 4/3 teeth.
[0035]
As described above, the rotor 16 is moved by the change of the AC phase. When the change in the AC phase is reversed, the rotor 16 rotates in the opposite direction.
[0036]
Meanwhile, the control device 10 detects a difference between the measured wind direction and the direction of the impeller 21, controls the rotation mechanism of the yaw 4, and performs azimuth control for tracking the rotating surface of the impeller 21 to the fluctuating wind direction. This azimuth control mechanism rotates the rotor 16 of the yaw 4 together with the nacelle 3 and the impeller 21 around the rotation center axis AX (that is, the vertical axis of the impeller 21), and the horizontal rotation axis of the impeller 21 and the wind direction. Is adjusted so as to reduce the deviation angle with respect to. That is, the rotation mechanism of the yaw 4 is controlled so as to rotate in the direction in which the deviation angle becomes smaller, and the pulse current flowing to the electromagnet 19 or the alternating current phase is sequentially changed.
[0037]
Since the inertia of the nacelle 3 on which the impeller 21 is mounted is large, the sensor sends a signal to the control device 10 when the wind direction continues in the same direction for one minute or more. The control device 10 receives the signal from the sensor, calculates the angle to be rotated and the rotation direction of the rotor 16 from the difference between the wind direction and the direction of the impeller 21, controls the direction of the impeller 21, The rotor 16 is rotated so that the car 21 faces the wind.
[0038]
The sensor sends a stop signal to the control device 10 when the wind direction substantially matches the direction of the impeller 21. When a steady DC current is passed through the electromagnet 19, the state of the magnetic poles of the rotor 16 and the stator 17 does not change, so that a braking function is performed. Therefore, when the direction of the impeller 21 substantially matches the wind direction, the control device 10 switches the DC pulse to the electromagnet 19 to a steady DC current. Alternatively, the supply of AC is stopped, and a steady DC current is supplied. However, due to the inertia of the nacelle 3, braking may not be effective immediately and the nacelle 3 may go too far.
[0039]
In order to prevent such overshoot, the control device 10 applies braking gradually from when the deviation angle approaches a predetermined angle. When the pulse width of the DC pulse current is increased, the interval between pulses is increased, or the period of the AC is increased, braking is gradually applied. And let it stand still.
[0040]
In this embodiment, since the azimuth control of the impeller 21 is performed by the stepping motor, the rotor 16 and the stator 17 constituting the motor do not generate friction, and the rotation is smooth. Further, since the stepping motor for driving the yaw 4 is composed of the ring-shaped rotor 16 and the stator 17, it has a structure that is more resistant to torque than the motor 11 or the transmission having a rotating shaft at the center. ing.
[0041]
It should be noted that the wind turbine of the present invention is not limited to the above-described embodiment, and it is needless to say that various changes can be made without departing from the spirit of the present invention.
[0042]
For example, in the present embodiment, an example in which the azimuth control of the impeller 21 is driven by a stepping motor has been described, but an induced current may be induced in the rotor 16 or the stator 17 to be driven by the induction motor. The drive may be driven by a synchronous motor using a permanent magnet for the stator 16 or the stator 17. Further, in the present embodiment, an example of the variable reluctance type having a structure not including a permanent magnet has been described, but a permanent type having a structure in which a permanent magnet is included in a magnetic circuit and teeth face each other may be used. In any case, a linear induction motor, a linear synchronous motor, and a linear pulse motor that perform linear driving can be applied to the direction control of the impeller 21.
[0043]
Further, the configuration in which the electromagnet 19 is provided on the rotor 16 side and the magnetic pole is guided to the stator 17 has been described. However, the configuration may be such that the electromagnet 19 is provided on the stator 17 side and the magnetic pole is guided to the rotor 16 side. Regarding the formation of the magnetic poles, in each of the groups A, B and C, the combination of the formation of the magnetic poles of the electromagnet 19 may be determined as long as a stable magnetic circuit is formed. In addition, adjacent electromagnets of the rotor 16 are driven as a pair with the same pulse, and at the same time, an N pole and an S pole are formed. An S pole and an N pole are formed at the comb teeth of the opposed stators. It may be operated to move one step.
[0044]
Further, in the present embodiment, an example has been described in which a radial force is applied to the bearing. However, the bearing may be configured to apply a vertical force, or both may be used in combination. Various changes can be made to the number of electromagnets, the pitch of the comb teeth, the pulse interval, and the like. It can also be used when the vertical axis of the impeller does not coincide with the yaw rotation center axis. The invention can also be used for vertical axis wind turbines.
[0045]
【The invention's effect】
As described above, the windmill of the present invention is a nacelle that supports a wheel wheel that rotates by wind power, a tower that supports the nacelle, connects the tower and the nacelle, and moves the nacelle relative to the tower. A yaw is provided on the nacelle side, and a ring-shaped rotor that rotates around a rotation center axis of the yaw, and on the tower side, the yaw is opposed to the rotor. Since the ring-shaped stator is provided, it is possible to provide a windmill having an impeller direction control mechanism that can withstand excessive torque and can be used for a long time without being worn.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a partial sectional view of a wind turbine according to the present embodiment.
FIG. 2 is a partial sectional view of a yaw rotor and a stator according to the embodiment.
FIG. 3 is a partial cross-sectional view of a connecting portion between a yaw nacelle and a tower in the present embodiment.
FIG. 4 is a plan view of a portion of a yaw rotor and a stator in the present embodiment.
FIG. 5 is a diagram showing a phase relationship of three-phase alternating current.
FIG. 6 is a diagram showing a configuration of a conventional wind turbine.
FIG. 7 is a partial sectional view of a connecting portion between a yaw nacelle and a tower in a conventional wind turbine.
[Explanation of symbols]
1 blade
2 hub
3 Nasser
4 Yaw
4a Nacelle side part of yaw
4b Yaw tower side
5 Transmission
6, 6a generator
7 Cable
8 Tower
9 Power converter
10 Control device
11 Motor
12 Bearing
13 Rotation axis
14 gears
15 teeth
16 rotor
17 Stator
18, 18a, 18b, 18c, 18a 'Comb of rotor
19, 19a, 19b, 19c, 19a 'Electromagnet
20, 20a, 20b, 20c, 20a 'Stator comb teeth
21 Wing Car
AX rotation center axis

Claims

A nacelle supporting an impeller rotated by wind power;
A tower supporting the nacelle;
A yaw connecting the tower and the nacelle and allowing the nacelle to rotate relative to the tower;
A ring-shaped rotor provided on the nacelle side and rotating around a rotation center axis of the yaw;
A ring-shaped stator provided on the tower side so as to face the rotor;
Windmill.

The said rotor has a comb tooth of a salient pole structure, and the stator has a comb tooth of a salient pole structure, and performs azimuth control about the vertical axis of the impeller by a micro step drive by a stepping motor. Item 2. The windmill according to Item 1.

The stepping motor drives an electromagnet provided on one of the rotor and the stator with a DC pulse or a low-frequency AC to form a magnetic pole on the salient pole of the one comb tooth, and the rotor or Inducing the magnetic pole to the salient pole of the other comb tooth of the stator to perform the azimuth control;
The windmill according to claim 2.

The stepping motor brakes the rotor with DC excitation;
The windmill according to claim 2.