JP2010065693A - ステータ配列、発電機及び風力タービン - Google Patents

Abstract

【課題】過剰な支持構造を必要とすることなく、空隙距離が、形状及び寸法公差、特に円筒形状、円形度及び直径に関して極めて正確であることができるように、セグメント化されたステータ配列、発電機及び風力タービンを提供する。
【解決手段】電気機械のステータ配列２０であって、半径方向に中心合わせされた軸２１の周囲に円筒状に実質的に電気機械のステータを形成している複数のステータセグメントが設けられており、ステータ配列２０が、半径方向で、回転可能に取り付けられたロータ配列２２によって包囲されており、ステータセグメントが、半径方向で、支持構造２３の外面に取り付けられており、支持構造２３が、剛性の結合部を介して軸２１に固定されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、電気機械の、特に風力タービンの発電機のステータ配列に関する。本発明は、発電機、例えば、このようなステータ配列を有する、風力タービンのための直接駆動発電機、及びこのような発電機を有する風力タービンにも関する。

各風力タービンは、発電機、例えば、電気エネルギを発生するための、発電機ステータ及び発電機ロータを有する大きな直接駆動発電機を有する。

発電機の、特に風力タービンの発電機の比較的高い効率を達成するために、発電機の、ロータエレメント、例えば永久磁石と、ステータエレメント、例えば巻線を備えた積層体との間の半径方向空隙は、比較的小さいべきであり、概して、場合によっては数メートルの直径を有する直接駆動又は直接被動発電機のような大型発電機の場合でさえも、僅か数ミリメートルの範囲であるべきである。

したがって、ロータ及びステータエレメントに対する機械的な損傷を回避するために、互いに向き合って配置された、ロータエレメントの外面と、ステータエレメントの外面とは、発電機の運転中に互いに直接接触しないことを保証する必要がある。その結果、効率の理由から比較的小さな高さでなければならない小さな空隙は、狭い公差の公称値において保証されなければならない。

現代の風力タービンにおいて、直接駆動発電機は数メートルの直径を有することができる。このような寸法の発電機のロータエレメントとステータエレメントとの間に数ミリメートルの範囲の空隙を維持することは、特にステータ配列の、比較的剛性の、ひいては大きな、重い支持構造を必要とする。

従来の内部ロータの場合、機械は外側にステータ支持構造を有しており、その結果、大きくて重い発電機が生じる。

発電機ステータが一連の独立したステータセグメントを有していると有利である。ステータを製造する場合、能動的なエレメントは、セグメントとして製造されるならば、著しくより容易に取り扱うことができ、セグメント化されたステータは、故障の場合に、個々の影響されたステータセグメントが、ステータ全体を交換するために必要とされるコスト及び労力の一部で交換されることができる。

これに対して、ステータのセグメント化は、円筒度を維持するための剛性が不足するという欠点を有する。セグメント化されていないステータの場合、ステータの積層体全体の環状体剛性化効果は、円筒度を維持することに貢献する実質的な剛性を提供する。セグメント化された発電機の場合、積層体は、ステータの円筒度を維持することを補助するあらゆる剛性を提供しない。したがって、特にステータとロータとの間の空隙に関して、形状及び寸法公差を保証するために、セグメント化されたステータのために、実質的により精巧な支持構造が必要とされる。

ステータ支持構造の剛性は、構造の、局所的な断面積、すなわち材料体積及び厚さと、全体的な断面高さとの関数である。例えば、大きな電気機械のための従来のステータ支持構造の所要の剛性は、外側ステータの積層体の外側に溶接された、外側シェルで補強された２００ｍｍＴ字形ビームによって達成されてよく、これは、３００ｍｍの支持構造断面の合計厚さを提供する。空隙半径が２０００ｍｍで、積層体が２００ｍｍの半径方向高さを有しているならば、発電機の正味半径は、２２００ｍｍである。しかしながら、支持構造の３００ｍｍが付加されると、半径は２５００ｍｍに増大する。これは、全体的な運送コストにおける大きな差を生じ、著しい付加的な重量につながる。

したがって、本発明の目的は、余分な支持構造を必要とすることなく、空隙距離が、形状及び寸法公差、特に円筒度、真円及び直径に関して極めて正確であることができるように、最初に言及した、セグメント化されたステータ配列、発電機及び風力タービンを提供することである。

本発明の目的は、請求項１に記載の特徴を備えたステータ配列と、請求項１１に記載された特徴を備えた発電機と、請求項１２に記載された特徴を備えた風力タービンとによって達成される。

有利な実施形態は従属請求項において見られることができる。

本発明による電気機械のステータ配列は、半径方向で中心合わせされた軸の周囲に円筒状に、実質的に電気機械のステータを形成する複数のステータセグメントを有しており、ステータ配列は、半径方向で、回転可能に取り付けられたロータ配列によって包囲されており、ステータセグメントは、半径方向で、支持構造の外面に取り付けられており、支持構造が、剛性結合を介して軸に固定されている。

ステータのための支持構造は、軸と同心に配置された１つ又は２つ以上の支持部材を有していてよい。

本発明によるステータ配列は特に有利である。なぜならば、内側ステータのセグメントが容易にステータ支持構造に組み付けられることができるからである。なぜならば、セグメントは、１つずつ半径方向に取り付けられることができるからである。ロータがステータの内側において回転する従来の内側ロータ機械の場合、これは、セグメントのくさび形状により不可能である。このような従来の内側ロータ機械の場合、セグメントは、巻線ヘッドの外側において、それぞれが完成した支持構造を備えておりかつ端部においてのみ支持された完全な独立したユニットでなければならないか、又は、少なくとも最後のセグメントにおいて、軸方向で組み付けられなければならず、このことは、小さな公差が要求されるので困難である。

ステータ支持構造は、発電機の外部寸法のためのあらゆる結果なしに極めて剛性に形成されることができるので、ステータ配列は特に有利である。ステータ支持構造は、基本的に、発電機の軸とステータセグメント積層体の内面との間の全ての空間を含む、極めて大きな断面高さを有することができる。これは、空隙が、発電機の運転中にも、内側ステータと外側ロータとの間に所望の半径方向距離範囲で正確に維持されることができるように、セグメントのための所要の支持を保証するために要求されるような剛性を提供することが容易であることを意味する。

剛性は断面高さの二乗で増大するので、支持構造は、外側ステータの場合よりも、オーダだけより剛性になるように容易に形成されることができる。

好適な実施形態において、ステータ支持構造は、２つの端部プレートによって支持された、単一の環状の管の形式で組み立てられた円筒を含み、この場合、２つの端部プレートのうちの第１の端部プレートが、管の一方の端部の近傍において管に取り付けられており、２つの端部プレートのうちの第２の端部プレートが、管の他方の端部の近傍において管に取り付けられている。ステータセグメントは、環状の管の外側に取り付けられている。

択一的な実施形態において、ステータ支持構造は、第１及び別個の第２の環状のフランジの形式で組み立てられた少なくとも１つの円筒を含み、２つの端部プレートのうちの第１の端部プレートが、第１のフランジに取り付けられており、２つの端部プレートのうちの第２の端部プレートが、第２のフランジに取り付けられている。フランジは、積層体の軸方向端部のうちの一方の近傍にそれぞれ配置されるべきである。ステータセグメントは環状のフランジに取り付けられている。

択一的な実施形態において、ステータ支持構造は、多角形構造を含み、この多角形構造は、多角形構造を発電機の中央部分に結合する１つ又は２つ以上の部材を含み、多角形構造は、好適には、それぞれ積層体の軸方向端部のうちの１つの近傍に配置された、ステータセグメントの数と同じ数の表面を有する、第１及び別個の第２の多角形構造の形式で配置されている。したがって、ステータセグメントは、平坦な取付面において取り付けられ、支持構造の多角形面に取り付けられている。

多角形構造は、発電機の軸線に対して垂直であってよい。

さらに別の実施形態において、ステータ支持構造は、発電機の軸の半径方向外面に取り付けられた２つの端部プレートを含むのに対して、軸の外側表面は、発電機のケーシングに対して不動である。つまり、軸の前記外面は、軸の軸線を中心に回転しない。

択一的な実施形態において、ステータ支持構造は、軸の半径方向外面に軸受を介してそれぞれ取り付けられた２つの端部プレートを含むが、軸は回動可能である。これにより、端部プレートの内周に隣接した軸及び軸の表面が、軸線を中心に回転するとしても、ステータは、発電機のケーシングに対して固定されている。軸受の高さと共に、端部プレートは、発電機の軸又は軸線に対するステータ積層体の正確な距離を保証する。これはやはり、外側ロータが同じ回転する軸に結合及び回転可能に連結されているので、空隙の幅を保証する。

本発明の目的は、発明によれば、前述のステータ配列を有する発電機と、前述のステータ配列を有する発電機を含む風力タービンとによっても達成される。

以下に図面を参照しながら発明をより詳細に説明する。

風力タービンを示す図である。 風力タービンのモジュールを示す図である。 風力タービンの発電機を示す図である。 発電機の択一的な手段を示す図である。

図１は、タワー２と、ナセル３と、ロータ羽根５を備えたハブ４とを有する風力タービン１を示している。ナセル３には、図２に概略的に示されているように、発電機１１等の、風力タービン１の複数の別の構成部材が配置されている。発電機１１は、示されていない形式で、電気エネルギの発生のためにハブ４に結合されており、実質的に水平な中心軸線Ａを有している。

図２は、風力タービン１の幾つかの基本的な構成部材を示している。構成部材は、組み立てられている場合でさえも、互いの間に僅かな間隙を備えて示されており、これらの間隙は閉鎖されている。ここでも、ハブ４が示されており、ハブ４には、ロータ羽根（図示せず）が取り付けられる。それぞれ互いに隣接した別の構成部材は、発電機１１、負荷／軸受区分１２であり、負荷／軸受区分１２は、図示されていないタワー２への結合部を有している。次に、別の構成部材は、制御ユニット１３、冷却機器１４、及び端部キャップ１５である。

図３は、本発明によるステータ配列２０を備えた本発明による電気機械としての発電機１の１つの実施形態を示している。図３は、発電機１１の軸２１と、ロータ２２と、ステータ２０とを示す断面図である。実質的に回転対称な発電機１１の回転軸線Ａは、一点鎖線によって示されている。

軸２１は、主に２つの別個の部分、すなわち外側固定部分２１Ａと内側回転部分２１Ｂとを有しており、これらは、軸受４０を介して結合されている。軸２１の半径方向内側部分２１Ｂは、羽根５及びハブ４によって駆動され、軸線Ａを中心に回転する。軸２１の回転部分２１Ｂには、図面の左側に示された第１のロータ端部プレート４１と、図面の右側に示された第２のロータ端部プレート４２とが、緊密に固定されている。両ロータ端部プレート４１，４２は外側のロータ２２に結合されており、これにより、ステータ配列のケーシングを構成している。第２のロータ端部プレート４２は軸受４０に取り付けられており、軸受４０は、軸２１の固定部分２１Ａへの緩い結合を提供している。外側のロータ２２と共に、第１及び第２のロータ端部プレート４１，４２は、ステータ配列のケーシングを含む。

内側ステータ２０は、積層体から成るステータセグメントによって示されている。積層体を通る１つの巻線４３も示されている。

外側ロータ２２と内側ステータ２０との間の空隙４４も図示されている。

内方で、ステータセグメントを組み立てるために、管状の円筒体２３が設けられている。チューブ状又は管状の円筒体２３はこの実施形態において、ステータの積層体の長さと同じ円筒体長さを有していなければならない。円筒状の管の外面４５において、ステータセグメントは固定されている。円筒状の管の内面４６に、２つの本発明による端部プレート２４，２５が、端部プレート２４，２５の円周３０において取り付けられている。

端部プレート２４，２５は、発電機１の中心に位置する、軸線Ａを中心とする円形の、軸２１の外側部分２１Ａの外面に、内周面３２を介して取り付けられている。この実施形態において、端部プレート２４，２５は、回転しない軸２１の外側部分２１Ａに固定されている。

実施形態に示された端部プレート２４，２５自体は、小さな高さ及び大きな外側半径を備えたディスク状である。２０００ｍｍ（ミリメートル）の空隙４４半径と、２００ｍｍのステータの積層高さとを備えた発電機１１のための値の例は、所要の剛性に達するために、各端部プレート２４，２５のための３００ｍｍ以上の高さである。これは、軸２１の外側半径に対応する端部プレート２４，２５の内側半径にも依存する。好適な実施形態において、端部プレート２４，２５のこの内側半径は６００ｍｍであってよい。したがって、端部プレート２４，２５の支持構造は、２０００ｍｍマイナス２００ｍｍマイナス６００ｍｍで、１２００ｍｍの半径方向高さ差に等しい。既に述べたように、剛性は、半径方向高さの二乗で増大する。したがって、内側ステータ２０と、１２００ｍｍの半径方向高さの端部プレート２４，２５とを備えたこの解決手段は、同じ寸法の発電機の外側ステータの場合よりも、オーダだけより剛性である。

以下で、択一的な実施形態が、図４によって説明され、この実施形態において、図３のために既に開示された構成部材は、前と同じ参照符号が付与されている。

図４は、図３と比較して、それぞれが、図３による前の実施形態の特徴と独立して組み合わされることもできる２つの相違を示している。第１の変更点は、ステータセグメントを組み立てるために設けられた、図３の管状の円筒体２３が、２つの別個のフランジ５０，５１によって置き換えられていることである。第２の変更点は、どのように端部プレート２４，２５が軸２１に取り付けられているかである。この場合、端部プレート２４，２５は、この場合も同様に回転軸２１に直接に結合されている軸受５２に取り付けられている。これにより、この場合も同様に、ステータ２０が発電機１１のハウジングに関して固定されたままであることが保証される。

端部プレート２４，２５が、図３のものと同じ又は広く同じ形状であり、ステータセグメントの方向では外側半径面３０を介してフランジ５０，５１に取り付けられており、軸２１の方向では内側半径面３２を介して軸受５２に取り付けられていることの他に、図３の実施形態と比較して、端部プレート２４，２５に関する概念的な相違は存在しない。この場合も同様に、端部プレート２４，２５の減じられた半径方向高さにより、ステータ配列２０の剛性は著しく増大する。また、これは、同様に、空隙４４が、ステータ配列２０の全周に亘って、ほとんど完全に同じ幅であることを保証する。

概して、既に説明したように、実施形態は、半径方向で中心合わせされた軸２１の周囲に円筒状に実質的に電気機械のステータを形成している複数のステータセグメントが設けられており、ステータ配列２０が、回転可能に取り付けられたロータ配列２２によって半径方向で包囲されており、ステータセグメントが、支持構造２３の外面に半径方向で取り付けられており、支持構造２３が剛性の結合を介して軸２１に固定されている、電気機械、すなわち風力タービン１の発電機１１のステータ配列２０に関する。

場合によっては、軸２１の剛性結合は、軸２１に結合された、２つの基本的に環状の端部プレート２４，２５を含んでよく、２つの端部プレート２４，２５は、軸の軸線Ａに対して垂直であり、各端部プレート２４，２５は、端部プレート２４，２５の外側半径面３０を用いて、ステータセグメントの内面３１又は支持円筒体２３に取り付けられており、各端部プレート２４，２５は、端部プレート２４，２５の内側半径面を用いて、軸２１の半径方向外側面４７に取り付けられている。

支持構造は、少なくとも１つの円筒体の形式であってよい。特に、少なくとも１つの円筒体２３は、１つの環状の管２３の形式で形成されていてよく、２つの端部プレート２４，２５のうちの第１の端部プレートは、管２３の第１の端部区分３４に取り付けられており、２つの端部プレート２４，２５の第２の端部プレートは、管２３の第２の端部区分３４に取り付けられている。

端部プレート２４，２５自体は、端部プレートの構造的な手段によって及び／又はそれほど容易に曲げられることができない材料を選択することによって、望まれる剛性を支持していてよい。

１ 風力タービン、 ２ タワー、 ３ ナセル、 ４ ハブ、 ５ ロータ羽根、 １１ 発電機、 １２ 負荷／軸受区分、 １３ 制御ユニット、 １４ 冷却機器、 １５ 端部キャップ、 ２０ ステータ、 ２１ 軸、 ２１Ａ 外側固定部分、 ２１Ｂ 内側回転部分、 ２２ ロータ、 ２３ 管状の円筒体、 ２４，２５ 端部プレート、 ４０ 軸受、 ４１ 第１のロータ端部プレート、 ４２ 第２のロータ端部プレート、 ４３ 巻線、 ４４ 空隙、 ４７ 半径方向外側面、 ５０，５１ フランジ、 ５２ 軸受

Claims (12)

1. 電気機械のステータ配列（２０）であって、半径方向で中心合わせされた軸（２１）の周囲に円筒状に実質的に電気機械のステータを形成している複数のステータセグメントが設けられている形式のものにおいて、
   ステータ配列（２０）が、半径方向で、回転可能に取り付けられたロータ配列（２２）によって包囲されており、
   ステータセグメントが、半径方向で、支持構造（２３）の外面に取り付けられており、
   支持構造（２３）が、剛性の結合を介して軸（２１）に固定されていることを特徴とする、電気機械のステータ配列。
2. 電気機械が、発電機（１１）である、請求項１記載のステータ配列。
3. 電気機械が、風力タービン（１）のための発電機（１１）である、請求項１記載のステータ配列。
4. 支持構造（２３）が、円筒の形式で形成されており、２つの端部プレート（２４，２５）を介して軸（２１）に結合されている、請求項１から３までのいずれか１項記載のステータ配列。
5. 支持構造（２３）が、第１の環状フランジ（５０）及び第２の環状フランジ（５１）の形式で形成されており、２つの端部プレート（２４，２５）のうちの第１の端部プレートが、前記第１の環状フランジ（５０）に取り付けられており、２つの端部プレート（２４，２５）のうちの第２の端部プレートが、前記第２の環状フランジ（５１）に取り付けられている、請求項１から３までのいずれか１項記載のステータ配列。
6. 支持構造（２３）が、少なくとも２つの端部プレート（２４，２５）によって支持された多角形構造の形式で形成されている、請求項１から５までのいずれか１項記載のステータ配列。
7. ２つの端部プレート（２４，２５）が、軸（２１）の外側部分（２１Ａ）の半径方向外面（４７）に直接に取り付けられており、軸（２１）の外面（４７）が、軸受（４０）により発電機（１１）のケーシングに関して不動である、請求項４から６までのいずれか１項記載のステータ配列。
8. 軸受（４０）が、軸（２１）の外側部分（２１Ａ）と内側部分（２１Ｂ）との間及び／又はケーシングと軸（２１）の外側部分（２１Ａ）との間に配置されている、請求項７記載のステータ配列。
9. ケーシングが、外側ロータ（２２）に結合された２つのロータ端部プレート（４１，４２）から成り、第１のロータ端部プレート（４１）が、さらに、軸（２１）の内側回転部分（２１Ｂ）に結合されており、第２の端部プレートが、さらに、軸（２１）の外側定置部分（２１Ａ）に結合された軸受（４０）に結合されている、請求項１から８までのいずれか１項記載のステータ配列。
10. ２つの端部プレート（２４，２５）が、それぞれ、軸受（５２）を介して、軸（２１）の半径方向外側面（４７）に取り付けられており、軸（２１）が、回動可能である、請求項４から９までのいずれか１項記載のステータ配列。
11. ステータ配列（２０）が、請求項１から１０までのいずれか１項記載のように配置されていることを特徴とする、ステータ配列（２０）を含む発電機（１１）。
12. 発電機がステータ配列（２０）を含む、発電機（１１）を含む風力タービン（１）において、前記ステータ配列（２０）が、請求項１から１０までのいずれか１項記載のように配置されていることを特徴とする、風力タービン。

Images