JP5591331B2 - 発電機および発電機の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、中空軸を有する電気機械用のリング状回転子に関する。本発明は、特に、例えば風力発電設備用ギヤレス発電機のような非常に大型の電気機械において使用される。

出力クラスが高くなるにつれて、ギヤレス風力発電設備は、ギヤを装備した設備に比べて、ますます競争力が強くなる。ギヤレス風力発電設備の場合には、ロータハブが同期発電機に直結されている。このような構造の主な利点は、ギヤを装備した風力発電設備に比べて、必要とする回転機械要素が少ない、明らかに簡素な構造である、ということにある。これは、設備のメンテナンス費用の低減および設備の稼働率の向上という結果をもたらす。

特に大型の風力発電設備は、一般に、かなり低めの回転数で動作する。従って、このような設備は、ギヤレス構成の場合、極めて大型でかつ重量のある発電機を装備しなければならない。その場合、この機械の直径は４〜５ｍの限界を容易に超過する。

ギヤレス風力発電設備用の発電機は、中空軸を有するリング状回転子を含む場合が多い。この種の電気機械は、例えば特許文献１から公知である。この特許文献１は、多数のセグメントに分割された回転子を開示しており、それらのセグメントは、回転子の管状リングの上に嵌め込まれている。

これらの設備の、より高い出力を必然的に伴う風力発電機の大型化によって、その設備の組立作業は、ますます困難なものとなる。風力又は潮力発電所のギヤレスタービンは、しかしながら、その輸送およびロジスティックスに関して解決すべき大きな課題がある。

国際特許出願公開第２００６／０３２９６９号明細書

本発明の基礎を成す課題は、大型の電気機械の輸送の簡易化を図ることにある。

その課題は、請求項１の特徴を有する回転子によって解決される。

また、その課題は、次の方法ステップを有する電気機械の製造方法によって解決される。
ａ） 複数の部分リング状の回転子セグメントに永久磁石を装着するステップ、
ｂ） 複数の部分リング状の固定子セグメントにコイルを装着するステップ、
ｃ） 各１個の部分リング状の回転子セグメントと各１個の部分リング状の固定子セグメントとを繋ぎ合わせて１個の部分リング状の機械要素にまとめるステップ、
ｄ） ステップｃ）に従って組み立てた機械要素を繋ぎ合わせて１個の閉じたリングにまとめるステップ。

本発明の有利な実施形態は、各従属請求項に記載されている。

本発明の中心思想は、特に永久磁石励磁式同期機である電気機械の回転子を周方向において複数の部分リング状の回転子セグメントに分割することにある。この分割は、円形のデコレーションケーキを個別の扇形片に分割するのと同じように、半径方向の分離線に沿って行なわれるとよい。本発明によるリング状回転子を複数の回転子セグメントに分解することで、中空軸回転子の閉じたリング状が解体される。回転子は、そのような分解形状では、完全なリング状の回転子よりも明らかに少ない体積を占める。それぞれ１８０°の円弧に広がる２つだけの部分リング状の回転子セグメントに分解するだけでも、このような回転子の道路輸送を可能とする明らかな体積減少が生じることとなる。

本発明の有利な実施形態では、各回転子セグメントが少なくとも１つの永久磁石を有する。これによって、特に永久磁石励磁式同期機が実現される。励磁磁界を発生させるために回転子上で永久磁石を使用することは、リング状回転子に個々の回転子セグメントを取り付ける際にその個々の回転子セグメント間で電気的接続を行なう必要がないという利点を有する。永久磁石はそれぞれ、回転子セグメント上に接着することができ、もしくは、本発明の有利な実施形態では回転子セグメント上にある磁石ポケット内に配置することもできる。

本発明の他の有利な実施形態では、回転子が表裏両端面にそれぞれ１つのリング状フランジを含み、このフランジによって回転子セグメントが結合されるようにするならば、個々の回転子セグメント相互の機械的結合は省略することもできる。このフランジは、例えば風力発電機設備のタービンフランジとすることもできる。この場合、それらの部分リング状の回転子セグメントは、それぞれ個別に、建設現場においてタービンフランジに直接に取り付けることができる。

回転子セグメントの安価な製造は、回転子セグメントが回転子の軸方向に積層された部分リング状の電磁鋼板を含む本発明の一実施形態によって保証することができる。互いに絶縁された個別の電磁鋼板からなる回転子の構成によって回転子内のヒステリシス損失および渦電流損失が低減される。

本発明は、内側回転子としての回転子形態も外側回転子としての回転子形態も可能にする。

通常、完成した発電機又は完成した電動機は、その後の使用現場に輸送される。そこで、本発明の有利な実施形態は、既述の実施形態の１つに基づく回転子と、周方向において複数の部分リング状の固定子セグメントに分割された固定子とを備え、固定子セグメントの個数が回転子セグメントの個数に等しい電気機械を特徴とする。個々の固定子セグメントは半径方向に延びた分離線を介して互いに隔てられていることが好ましい。この種の構成は電気機械の対になった出荷および組立を可能にする。即ち、先ず１つの回転子セグメントがそれに付属した１つの固定子セグメントと一対にされて、後の使用現場に輸送される。そして、本発明の更なる経過において機械要素とも呼ばれるこれらの回転子・固定子セグメントの対同士が繋ぎ合わされて、完全な電気機械が形成される。

特に、永久磁石励磁式電気機械の場合には、固定子セグメントと回転子セグメントとを対にした出荷は、非常に強い永久磁石の明らかに簡単な扱いを可能にする。永久磁石の巨大な吸引力のゆえに、永久磁石を装備した機械部分を輸送する際には、非常に厳重な安全条件が守られなければならない。しかし、回転子セグメントを固定子セグメントと結合することによって、永久磁石が既に磁気的に周囲に対して遮蔽され、従ってもはやそれほど大きな危険をもたらさなくなる。回転子セグメントと固定子セグメントとを互いに対にして取り付けるならば、電気機械の組立も明らかに簡単化される。

この場合、電気機械が複数の各回転子セグメントに対して１つの固定子セグメントを含み、それら各固定子セグメントの円弧状の範囲が実質的に等しい中心角を有する、という本発明の一実施形態が有利である。このようにして作製される複数の機械要素は同様の円弧状であるので、それら複数の機械要素を繋ぎ合わせることによって、中空軸回転子を備えた１つの電気機械が生じる。

この電気機械を本発明に従って製造する際には、先ず部分リング状の回転子セグメントに永久磁石を装着し、引き続いて部分リング状の固定子セグメントに電機子磁界を発生させるためのコイルを装着する。次に、それぞれ永久磁石を装着された回転子セグメントとコイルを装着された部分リング状の固定子セグメントとを結合することによって、同様に部分リング状の既述の機械要素を形成する。この場合に、固定子セグメントと回転子セグメントとは、電機機械を組み立てた状態で固定子と回転子とを互いに分離する空隙を介して隔てられているように、例えば適切な結合要素を介して、互いに結合される。

斯くして、このような機械要素は、従来技術から知られている如き完全な回転子および固定子を輸送可能とする場合よりも明らかに簡易に、後の使用現場へと輸送され得るものとなる。

そのように組み立てられた複数の機械要素は、建設現場においてはじめて、１つの閉じたリング状に繋ぎ合わされる。電気機械が風力発電設備に風力発電機として取り付けられる場合、上記の予め組み立てられた機械要素は、本発明の有利な実施形態では、風力発電設備のタービンのフランジに直接に設置されることが可能であるので、回転子は閉じたリング状として、上記のフランジに直接に取り付けられることとなる。この組立様式の場合、それぞれ１つの回転子セグメントが１つの固定子セグメントと共に同時にそのフランジに取り付けられる。回転子の永久磁石は、組立中にも固定子セグメントによって遮蔽されている。この場合、固定子セグメントおよび回転子セグメントは、特に既述の結合要素によって、互いに隔てられている。高い磁気吸引力のために、そして固定子と回転子との間の僅かな空隙のために、永久磁石を有する回転子を固定子孔に挿入する際に困難性が存在することが従来技術から知られているが、このような困難性は、本発明による組立方法によっては生じない。

以下、図示された実施例に基づき、本発明を更に詳細に記載して説明する。

回転子セグメントおよび固定子セグメントを含む機械要素の第１実施例を示す図である。 回転子セグメントおよび固定子セグメントを含む機械要素の第２実施例を示す図である。 表面冷却を有する内側回転子形発電機のセグメントの電磁鋼板形状を示す図である。 内部冷却を有する図である側回転子形発電機のセグメントの電磁鋼板形状を示す図である。 表面冷却を有する外側回転子形発電機のセグメントの電磁鋼板形状を示す図である。 内部冷却を有する外側回転子形発電機のセグメントの電磁鋼板形状を示す図である。 電気機械と本発明の一実施例に基づいて構成された回転子を有する風力発電設備を示す図である。

図１は、回転子セグメント１および固定子セグメント５を含む機械要素の第１実施例を示す。回転子セグメント１も固定子セグメント５も１８０°の円弧に広がっている。図示の構造形式の２個の回転子セグメント１を繋ぎ合わせるならば、中空軸を有する電気機械の完全な１個の回転子が形成されることとなる。

同様に、図示の構造形式の２個の固定子セグメント５を１個の閉じたリングとして完全にするならば、その電気機械の完全な固定子が生じることとなる。

ここに示された電気機械は、永久磁石励磁式同期機である。従って、ここでは、内側回転子として形成されている回転子セグメント１に、複数の永久磁石が装着されている。これらの永久磁石は、埋め込み磁石として施工されている。即ち、これらの永久磁石は、回転子セグメント１の周囲上に分布させられて形成されているポケット内に挿入されている。これらの永久磁石は、前記のポケット内に、軸方向に押し込むことができる。

ここに示された回転子の場合には、電気励磁が全く行なわれないので、この種の２個のセグメントからなる回転子の構造も極めて簡易なものとなっている。組立時にこれらの回転子セグメント１の間の電気接続部を設ける必要は全くない。

固定子セグメント５には、この図では示されていない複数のスロットが設けられていて、それらのスロット内に、回転磁界を発生させるための複数のコイルが挿入されている。

複数のコイルを装着された固定子セグメント５が、複数の永久磁石を装着された回転子セグメント１に、結合要素６を介して最初は固く結合されており、回転子セグメント１と固定子セグメント５との間には、両セグメントを互いに隔てる空隙が確保されている。これらの結合要素６は、回転子セグメント１および固定子セグメント５を含む図示の機械要素が同じ構造様式の他の機械要素と共に完全な電気機械に組み立てられたときに、はじめて解除される。固定子セグメント５および回転子セグメント１がそれぞれリング状フランジの上に取り付けられたときに、はじめてそれらの結合要素６が解除される。この種の組立の場合、回転子セグメント１のこれらの永久磁石は、全組立工事の間ずっと、固定子セグメント５によって遮蔽されている。永久磁石の強い吸引力によって異物が引きつけられることに起因した機械の損傷、又は更に悪しくは組立作業員の事故が起こり得るといった危険が、回避される。完成した回転子を完成した固定子の中に僅かな空隙を維持しながら挿入しなければならないという、従来の大型発電機の場合における実際上極めて困難な組立工程が、省略される。

図示された固定子セグメント５および回転子セグメント１への機械のセグメント化によってはじめて、例えば現代の風力発電設備において要求されるような１０〜１５ｒｐｍにおける５ＭＷ、８ＭＷもしくは１０ＭＷというより大きな出力までの電気機械の等級区分が可能となる。この種の機械は１２〜１４ｍのロータ直径を必要とするため、完成した回転子もしくは完成した固定子の道路輸送は、殆ど不可能となる。

図２は、回転子セグメント１および固定子セグメント５を含む機械要素の第２実施例を示す。この図２ならびに本出願全体において、機能的に同様に作用する要素には同じ参照符号を付してある。

図１に示した機械要素とは異なり、図２に示した機械要素は、１２０°の円弧しか有していない。従って、１個の完成した回転子を形成するためには、それぞれ３個の回転子セグメント１を、互いに繋ぎ合わせなければならない。同様に、完全な固定子は、３個の図示の固定子セグメント５から構成される。図２において１つのリング状フランジ３が示されているが、それらの回転子セグメントは、機械組立時に、前記のフランジの上に取り付けられる。固定子セグメント５用にも、それらに相応の１つのリング状フランジが設けられている。そのフランジ上に、回転子セグメント１が、固定子セグメント５と対応して完全に円弧状の機械要素の形で取り付けられたときにはじめて、図１に示した結合要素６が解除されて、その機械が回転可能となる。

図３は、表面冷却式の内側回転子形発電機のセグメントの電磁鋼板形状を示す。そこには軸方向に互いに積層されて既述の回転子セグメントを形成する回転子電磁鋼板４が示されている。これらの電磁鋼板４には、複数の孔が打ち抜かれており、これらの孔によって、複数の永久磁石２を収容するための複数の磁石ポケットが形成される。これらの複数の磁石ポケットの中に、永久磁石２を軸方向に挿入することができる。

更に、固定子セグメントを製作するための、他の電磁鋼板８が示されている。これらの電磁鋼板には、後の複数のスロット形状が打ち抜かれている。更に、これらの他の電磁鋼板８は、表面冷却を可能にする複数の冷却リブ１０を含んでいる。

図４は、内部冷却式の内側回転子形発電機のセグメントの、他の電磁鋼板形状を示す。これらは内部冷却を可能にするために、半径方向に延びる冷却スリット９を含んでいる。

図５および図６は、外側回転子形として用いられる発電機のための電磁鋼板の形状を示す。この外側回転子形についても、本発明によるセグメント化に関連して既に図３および図４で説明したような冷却構想を実現することができる。

図７は、本発明に係る１つの電気機械１１と一実施例に基づいて構成された回転子とを有する風力発電設備７を示す。この電気機械は、中空軸を備えた永久磁石励磁式同期機として実施されている。既に実施形態において説明したように、回転子および固定子がセグメント化されて構成されている。ここに図示された、直接駆動される風力発電設備では、極めて大型の発電機が使用されるので、その固定子および回転子のセグメント化された構成によってはじめて、風力発電設備の建設現場への電気機械１１の道路輸送が可能となる。

１ 回転子セグメント
２ 永久磁石
３ リング状フランジ
４ 電磁鋼板
５ 固定子セグメント
６ 結合要素
７ 風力発電設備
８ 他の電磁鋼板
９ 冷却スリット
１０ 冷却リブ
１１ 電気機械

Claims (4)

1. 回転子に永久磁石を有すると共に固定子にコイルを有する発電機の製造方法であって、
   ａ） 複数の部分リング状の回転子セグメントに複数の永久磁石を装着するステップと、
   ｂ） 複数の部分リング状の固定子セグメントに複数のコイルを装着するステップと、
   ｃ） 各１個の前記部分リング状の回転子セグメントと各１個の前記部分リング状の固定子セグメントとを、結合要素によって所定の空隙を確保した状態で一対に結合して、１個の部分リング状の機械要素に纏めるステップと、
   ｄ） 前記機械要素が取り付けられるリング状フランジを用意し、前記ステップｃ）によってそれぞれ一対に纏められた複数の前記機械要素を１個の閉じたリング状に繋ぎ合わせて前記リング状フランジ上に取り付けることで、それら複数の前記機械要素に含まれている複数の前記回転子セグメントと複数の前記固定子セグメントとを、互いに前記空隙を隔てて配置された各１個の閉じたリング状に組み立てた状態で前記リング状フランジに取り付けるステップと、
   ｅ） 複数の前記回転子セグメントと複数の前記固定子セグメントとを、互いに前記空隙を隔てて配置された各１個の閉じたリング状に組み立てた状態で前記リング状フランジに取り付けた後、前記結合要素を解除するステップと
   を含むことを特徴とする発電機の製造方法。
2. 請求項１記載の発電機の製造方法において、
   前記発電機が、風力又は潮力発電設備のギヤレスタービン用の発電機である
   ことを特徴とする発電機の製造方法。
3. 請求項１又は２記載の発電機の製造方法において、
   前記回転子セグメント（１）が、前記永久磁石ごとに１つの磁石ポケットを有するように形成し、前記磁石ポケット内に前記永久磁石（２）を配置する
   ことを特徴とする発電機の製造方法。
4. 請求項１から３の１つに記載の発電機の製造方法において、
   部分リング状の複数の電磁鋼板（４）を打ち抜き、当該打ち抜いてなる複数の電磁鋼板（４）を前記回転子の軸方向に積層して、前記回転子セグメント（１）を形成する
   ことを特徴とする発電機の製造方法。
   
   

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