JP2003510492A - 風力発電機 - Google Patents

風力発電機

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Abstract

(57)【要約】 本発明は、羽根によって駆動される発電機を用いて電流を発生させるための風車に関する。回転子および羽根は、共通の軸受によって支持されている。本発明によれば、固定子は、発電機の回転部分と静止部分との間のエアシールによって密閉室内に配置される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 （技術分野） 本発明は、請求項１の前文に記載の風車に関する。
【０００２】 （背景技術） このタイプの風車は、ドイツ特許第４４０２１８４号によって知られている。
既知の装置において、風車が静止している間、発電機の巻線に水分が付着する恐
れがあることが考えられる。この場合には、風車の始動前に、水分を除去するた
めに、固定子が加熱されなければならない。そうでなければ、固定子の巻線に短
絡が生じる恐れがあるからである。この加熱には、相当の時間がかかり、そのた
め風車を十分な効率で用いることができる時間に関して不都合な影響を及ぼすこ
とになる。
【０００３】 （発明の開示） この欠点を回避するために、装置は、請求項１の前文に基づいて設計される。
これにより、湿った空気が固定子の周辺のチェンバに送り込まれることが防止さ
れ、水分の付着を避けることができる。
【０００４】 改良によれば、本発明は、請求項２に基づいて設計される。これにより、固定
子における凝結の危険性をさらに低減する。
【０００５】 改良によれば、この装置は、請求項３に基づいて設計される。これにより、湿
った空気が密閉室内に供給されることを防止する。
【０００６】 改良によれば、この装置は、請求項４に基づいて設計される。その結果、空気
は凝結の危険性がある場所でのみ乾燥されるため、除湿器の摩損が緩和される。
【０００７】 改良によれば、この装置は、請求項５に基づいて設計される。これにより、固
定子の周囲温度は均一になり、局所的な凝結の可能性がなくなる。固定子は、ま
た、非円形（unround）になることが防止され、エアギャップをより小さく保つ
ことができる。
【０００８】 一実施形態によれば、この風車は、請求項６に基づいて設計される。その結果
、軸受に沿った空気の供給または排気が不可能となり、適切な場合には、密閉室
内に過圧（superatmospheric pressure）を作用させてもよい。
【０００９】 一実施形態によれば、この風車は、請求項７に基づいて設計される。これによ
り、軸受における潤滑油の有無を点検しやすくなるため、潤滑油の欠如のために
シールに生じる損傷がなくなる。
【００１０】 改良によれば、この装置は、請求項８に基づいて設計される。その結果、軸受
およびシールに正確に潤滑油をさすという進行中の基準を点検（確認）し、必要
であれば適切な測定を容易に行うことができる。
【００１１】 （発明を実施するための最良の形態） 本発明は、代表的な実施形態を参照し、図面を用いて、以下に説明される。
【００１２】 図１は、風車の機械室４の断面図を示している。機械室４は、軸受２によって
マスト１に配置される。機械室４は、円錐ブシュ５の周囲に据え付けられる発電
機７を具備している。円錐ブシュ５には、固定子９と、回転軸３を中心にして回
転することができる主軸受１１と、が据え付けられる。回転子８は、固定子９の
外側に配置され、主軸受１１の回転部分に取付けられる。発電機７の外周は、回
転子８と共に回転する発電機キャップ６によって覆われているため、発電機室４
６を形成する。
【００１３】 同様に、羽根１０が取付けられる羽根支持材１２は、羽根１０が羽根調整機構
（図示せず）を装備する軸受１１の回転部分に取付けられる。回転子８および羽
根調整機構への電流を供給するために、スリップリングを有するスリップリング
ホルダ１４が存在する。羽根支持材１２の前面は、ノーズキャップ１３によって
保護されている。
【００１４】 プラットホーム１５が、スタッフの作業のために、円錐ブシュ５の位置で機械
室４の内部に配置されている。機械室４はまた、空気装置１６、冷却装置１７、
潤滑装置１８も収容する。空気装置１６は、発電機室４６に空気を供給する役割
を担っており、この空気は水分が発電機７の巻線に達しないようにするために、
乾燥していることが好ましい。
【００１５】 さらに詳細に述べるように、冷却装置１７は、冷却液が発電機の固定子９を通
って循環し、その結果、熱が発電機７から確実に分散される。相当量の熱が、発
電機の固定子９に生じるため、熱を直ちに分散させる必要がある。このため、冷
却装置１７は、エアチャネル５６に保持される熱交換器４９を収容している。エ
アチャネル５６は、機械室４の風上側に配置された冷却用空気吸気口５４から、
機械室４の風下側に配置された冷却用空気排気口５７まで続いている。エアチャ
ネル５６は概ね密閉式のチャネルであるため、塩分および水分を含んでいる可能
性がある冷却用空気が機械室４に入ることはない。適切な場合には、エアチャネ
ル５６はファン５５を収容することができるため、同程度の冷却能力を維持する
と同時に、エアチャネル５６および熱交換器４９の寸法をより小さく保つことが
できる。適切な場合には、長期の静止期間中またはその後に、たとえば、風がな
い結果として、凝結が形成されないか、または分散させるように固定子９の巻線
を温かい状態に保つか、または固定子９の巻線を加熱するために、熱を循環する
冷却液に送り込むことができる。
【００１６】 潤滑装置１８は、主軸受１１が適切に円滑になっていることを保証する。さら
に、機械室４は、さまざまな制御安全装置を含む。これらの制御安全装置につい
ては詳細に述べないが、たとえば羽根の調整を制御するための装置および上述の
装置を制御するための装置などである。さらに、ブレーキ（図示せず）が存在し
、適切な場合には、整備作業中、風車の羽根１０の移動を停止するためのブロッ
キングピンが存在する。
【００１７】 示されている風車の代表的な実施形態において、マスト１は、高さ約７０ｍで
あり、直径２ｍである。羽根１０の直径は、７０ｍであり、主軸受１１の直径は
約１８００ｍｍであり、発電機の直径は３８００ｍｍである。発電機７によって
発生される定格出力は、回転子の回転速度が１８ｒｐｍの場合には１５００ｋｗ
であり、２４ｒｐｍの場合には２０００ｋｗである。
【００１８】 図２は、発電機７を示している。図の下半分は、固定子９の断面を示している
。支持板２１を有する支持リング２２は、円錐ブシュ５の周囲に固定される。固
定子コア２３は、既知の方法で軟鉄の板から構成され、支持リング２２の周囲に
固定される。固定子コア２３の外周において、固定子ポール１９（図１参照）の
間に巻線スロット３０があり、巻線スロット３０を通って、固定子コイル２０の
巻線が続いている。図の上半分は、固定子コイル２０の外側の図を示しており、
固定子ポール１９は回転軸３と約５°の角度を成すことが図からわかる。この角
度のために、固定子ポール１９はまた、回転軸３に平行に配置された回転子８の
磁石と一定の角度を成す。これにより、発電機は静かに作動することになる。
【００１９】 図３および図４は、発電機７のさらなる詳細図を示しており、図３は図４の断
面ＩＩＩＡ，ＩＩＩＢを示しており、図４は図３の断面ＩＶＡ，ＩＶＢを示して
いる。固定子コア２３は支持リング２２の周囲に配置され、固定子コア２３は、
その間に固定子ポール１９および巻線スロット３０を備えている。巻線スロット
３０を通っている巻線は、共に固定子コイル２０を形成する。固定子コア２３は
、テンションロッド３４によって締付け板２９の間に締付けられる板から構成さ
れる。冷却ライン２８は、固定子コア２３を通り、マニホルドによって吸気口ラ
イン２４および排気口ラインに接続される。
【００２０】 鉄心３３は、既知の方法で発電機キャップ６に取付けられる。各鉄心３３の周
囲には、使用中、界磁電流によって既知の方法で電圧が印加されるコイル３１が
存在するため、回転子８が回転する場合には、磁界を変化させることによって、
固定子ポール１９と鉄心３３との間にエアギャップ３２が生じ、その結果、電圧
および電流が固定子コイル２０に発生する。部分的には巻線に発生した電流の結
果として、熱が固定子９に生じるため、この熱を分散しなければならない。巻線
の温度は、温度センサ４４を用いて測定される。温度が高すぎる場合、たとえば
４０℃に達する場合には、冷却装置１７のスイッチが入る。冷却装置１７は、た
とえば、固定子の温度を一定レベルに保つための制御装置を備えている。その結
果、固定子コイル２０の温度が依然として低いままであり、そのために、巻線の
ワイヤの抵抗が増大せず、効率に悪影響を及ぼすことはない。回転磁石コイル３
１および鉄心３３に発生される熱は、鉄心３３を経て発電機キャップ６に分散さ
れ、そこから空気中へ分散される。部分的に言えば、固定子９の温度が４０℃に
保持される結果として、固定子によって囲まれる空間の温度もより温かくなるこ
とはなく、機械室４内部の機器および主軸受１１の温度は依然として十分に低い
。そのため、これらの構成要素に関して、さらに冷却する必要はない。
【００２１】 一旦、風が停止すると、固定子コイル２０の巻線に水分が凝結する危険性があ
る。発電機が始動されると、高電圧が固定子コイル２０に印加されるため、巻線
に短絡が生じる危険性があり、装置に不良が生じる場合がある。この危険性を低
減するために、水分の付着が防止されるか、または始動前に固定子コイル２０が
加熱された結果として、付着された水分が熱によって放出される。この加熱には
、電熱器手段として作用するコイル中の特殊な巻線を用いてもよい。別の実施形
態は、冷却ライン２８中の液体を用いて固定子コイル２０が加熱される場合であ
る。固定子コイル２０が至る所で均一に加熱される結果として、凝結が形成され
る恐れがある局所的な冷点の可能性はなくなる。
【００２２】 コイル３１を電流が通過し、たとえば、交流電流を用いてコイル３１に電圧を
印加することによって、固定子９の電流の発生を防止する結果として、回転子は
、電気的に加熱しやすいコイル３１を有する。
【００２３】 固定子９の均一な加熱および一定の温度に保持された固定子９のさらなる利点
は、至る所で同一温度を維持する結果として、固定子９は、均一に、かつ厳密な
制限の中で制御されるさまざまな温度の限定された範囲で膨張することである。
その結果、エアギャップ３２が至る所で同様に維持され、局所的な膨張を経験す
る一定の領域が小さすぎることがない。その結果、エアギャップ３２を小さく保
つことができ、発電機７の効率に有益な影響を及ぼしうる。
【００２４】 固定子コイル２０における凝結の危険性は、発電機室４６が乾燥した空気のみ
を確実に含むようにすることによって、さらに低減される。このことは、風車が
たとえば海の近くまたは海に配置される場合には特に有用である。このため、主
軸受１１は、既知の方法でシール４５を装備し、シール２６が回転発電機キャッ
プ６と静止円錐リング５との間に配置され、発電機室４６の他のすべての開口部
が密閉される。シール２６は、ダストキャップ２７に装備されるため、シールの
ゴムは太陽の影響および天候による他の影響から保護される。温度が変化した場
合には、空気が外部から発電機室４６に引き込まれないようにするために、空気
装置１６は、空気を機械室４から供給することによって、発電機室４６に限定し
た過圧をできる限り形成する。空気はできる限り乾燥しており、さらに除湿器を
用いて、乾燥させることが好ましい。適切な場合には、空気装置１６は、発電機
室４６から吸い込まれるように設計される。したがって、このような空気は、外
部または機械室４からの限定量の空気と空気装置１６で混合された後、乾燥され
、発電機室４６に戻される。適切な場合には、空気装置１６は、切替手段を備え
ているため、風車が静止している場合に限り、空気装置のスイッチが入る。風車
が作動中は固定子が十分に温かいため、凝結の危険性はなく、空気装置の摩損が
低減される。また、センサ（図示せず）の場合には、発電機室４６に配置するこ
とも考えられ、空気の露点を測定するためにセンサを用いることができる。例え
ば冷却の結果として、空気が露点に近い場合には、空気装置１６のスイッチが入
るため、凝結が防止される。
【００２５】 代表的な実施形態は、エアギャップ３２がほぼ円筒である発電機７に説明して
いる。また、発電機７は円錐ブシュ５の形状に十分に従うため、同様の方法で、
エアギャップ３２が円錐である発電機を製作することも可能であり、適切な場合
には重量を節約することもできる。図示された発電機７は、４８本の固定子ポー
ル１９および４８個の磁気コイル３１を備えるように設計されている。当然の事
ながら、発電機は、異なるように設計されてもよい。たとえば、ここに示された
回転子８ではなく永久磁石を備える場合には、たとえば、風車のスイッチが切れ
る場合には磁力線を遮断するために交換可能なステンレス鋼製のブシュの形態で
特徴物が設けられてもよい。
【００２６】 風車が問題なく作動するためには、主軸受１１に潤滑油を継続的にさす必要が
あることが重要である。このため、潤滑装置１８が利用可能であり、その動作が
図５に示される。主軸受１１は、外部リング４１、内部リング４３、レース４２
、シール４５（図３参照）を有する。主軸受１１の上部には、供給ライン４０が
レース４２の中に展開しており、主軸受１１の下部と中心との間の中間には、レ
ース４２に接続される戻りライン３７がある。ポンプ３６が、緩衝管３５から供
給ライン４０に油をポンプで送り込むために用いられ、圧力および／または流量
センサ３９は、油がポンプで送り込まれているかどうかを監視するために用いら
れる。レース４２に供給された油は、緩衝管３５へ戻るように流れる。たとえば
、シール４５の漏れの結果として、緩衝管３５に戻る油が足りない場合には、レ
ベルが低下する。これは、レベルセンサ３８を用いて信号を送信するため、早め
に整備を行うことができる。そのときまで、レース４２の下部には依然として油
があるため、主軸受１１は十分な油を保持している。適切な場合には、センサが
軸受に配置され、風車が停止された後、軸受が温まっている場合を検出する。
【００２７】 図６は、固定子９の温度を制御するためのシステムを図式的に示しており、こ
のタイプの循環システムの既知の構成要素には、液層、センサ、自動調温弁、遮
断弁、この図には示されていない他の制御手段が含まれる。このシステムは、電
気発生のために重要であるため、必要に応じて、さまざまな構成要素が重複され
ており、構成要素が故障した場合に風車が停止しないようになっている。循環ポ
ンプ４７によって、液体が供給ライン２４およびマニホルド２５によって冷却ラ
イン２８に送り込まれる。固定子９から出てくる液体が空気循環によって冷却さ
れる場合には、熱交換器４９に供給される。熱交換器４９は、外気が流れること
ができる密閉式のエアチャネル５６に配置される。適切な場合には、冷却用空気
吸気口５４より高いレベルにある冷却用空気排気口５７に向かって上昇する熱気
の結果として、熱循環を用いて、熱交換器４９を通る外気の流れは、冷却用空気
排気口５４に吹き込む風の結果として発生する。適切な場合には、エアチャネル
５６は、たとえば、さらなる冷却が必要な場合にスイッチが入るファンを含む。
熱交換器４９はまた、たとえば、機械室４の壁の一部として設計され、熱が外部
に沿って流れる空気によって分散されてもよい。適切な場合には、循環液体は、
ヒータ設備４８で加熱されるため、固定子９を加熱することができる。確実に動
作させるために、循環ポンプ４７および熱交換器４９は、重複して設けられても
よい。
【００２８】 エアチャネル５６はまた、図８に示されているように異なるように設計されて
もよい。この場合には、エアチャネル５６が円錐ブシュ５および支持リング２２
によって形成され、次に発電機キャップ６の前面および後面まで広くなっている
。この場合には、後面にシール２６があり、前面に同様のシール５８があるため
、発電機室４６は依然として密閉されたままである。したがって、円錐ブシュ５
と支持リング２２との間の空間に、熱交換器４９が配置される。発電機キャップ
６は、前面に冷却用空気吸気口５４が設けられ、後面に冷却用空気排気口５７と
しての開口部がある。図示されていない手段も、発電機室に吹き込む雨を排出す
るために設けられる。
【００２９】 図７は、発電機室４６の過圧を維持するための手段が作動する方法を図式的に
示している。発電機室４６は概ね気密であり、吸気口５２を経てファン５０によ
って吹き込まれる空気は、排気口５３を経由してのみ出ることができる。排気口
５３は、たとえばシール２６の位置に配置される。除湿器５１を用いることが好
ましいため、発電機室４６の空気の水分含有量は依然として低いままである。別
の実施形態において、発電機室４６の過圧を維持するために必要な外気の量少量
にすると同時に、空気装置１６は、発電機室４６に存在する空気の量がファン５
０によって吸い込まれるように設計されてもよい。吸い込まれた空気は、除湿器
５１で乾燥され、発電機室４６に導入される。
【００３０】 図９は、図１に示される風車の発電機の第二の実施形態を示している。この場
合も、主軸受１１は、円錐ブシュ５によって機械室４に連結される。羽根支持材
１２は、主軸受１１の外部リングに連結されている。この実施形態において、発
電機は、固定子内部の回転子を備えるように設計される。回転子支持リング６７
は、主軸受１１の外部リングに取付けられる。発電機内部リング６６は、回転子
支持リング６７の周囲に固定される。回転子ポール６４は、発電機内部リング６
６に取付けられる。この場合には、回転子ポール６４は、永久磁石として設計さ
れる。円錐ブシュ５が機械室４に取付けられる位置において、発電機後部壁６５
もまた、機械室４に取付けられる。発電機後部壁６５は、発電機外部リング６１
を支持する。前面には、発電機外部リング６１は、羽根支持材１２が隣接する発
電機前部壁６０を備える。シール６８は、静止している発電機前部壁６０と回転
している羽根支持材１２との間に配置される。発電機前部壁６０、発電機外部リ
ング６１、発電機後部壁６５は、円錐ブシュ５と共に、密閉室、すなわち発電機
室４６を形成する。シール６８は、外気が一切入らないように設計されるため、
発電機室４６内の空気を上記の方法で乾燥することができ、わずかな過圧を維持
することができる。シール６８は、発電機室４６からアクセスすることができる
ため、整備作業を実行しやすい。
【００３１】 固定子ポール６３が、発電機外部リング６１の内部に配置される。発電機ポー
ル６３に発生される熱を分散するために、冷却リブ６２は、発電機外部リング６
１の外部に配置される。固定子ポール６３は確実に至る所で同一温度にするため
に、固定子ポール６３は、上述のように液体循環システムを備える。この液体循
環システムは、永久にスイッチが入っていてもよく、または固定子ポール６３間
の温度差が測定された場合のみスイッチが入ってもよい。これにより、固定子が
、たとえば、日射の結果または機械室４の流れに差を生じる冷却リブ６２による
熱の分散における差の結果として、至る所で均一でない温度に達しないようにす
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】 風車の概略的な断面図を示す。
【図２】 図１に示される風車の部分の断面部分投影図を示す。
【図３】 図１に示される風車の発電機の断面図を示す。
【図４】 図１に示される風車の発電機の縦断面図を示す。
【図５】 図１に示される風車の軸受の潤滑装置を図式的に示す。
【図６】 図１に示される風車の発電機の冷却装置を図式的に示す。
【図７】 図１に示される風車の発電機室への空気の供給をを図式的に示す
。
【図８】 冷却装置のエアチャネルの第２の実施形態を示す。
【図９】 図１に示される風車の発電機の第２の実施形態を示す。

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 羽根（１０）によって駆動される発電機であって、回転子（
    ８）と、固定子（９）と、前記羽根が取り付けられている軸受（１１）とを備え
    た発電機（７）、を用いて電流を発生させるための風車において、 前記固定子が、発電機の回転部分と静止部分との間に設けられた少なくとも１
    つのエアシール（２６；６８）によって密閉室（４６）内に配置されることを特
    徴とする風車。
  2. 【請求項２】 前記密閉室（４６）が、密閉室内に存在する空気を乾燥させ
    るための手段（５１）を備えることを特徴とする請求項１に記載の風車。
  3. 【請求項３】 前記密閉室（４６）が、乾燥済みまたは乾燥した空気を供給
    するための手段、および適切な場合には、前記密閉室において過圧を維持するた
    めの手段（５１）、を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の風車。
  4. 【請求項４】 風車が静止している間に前記密閉室内に存在する空気を乾燥
    させるための前記手段（５１）のスイッチを入れるための切替手段が設けられて
    いることを特徴とする請求項２または３に記載の風車。
  5. 【請求項５】 前記固定子（９）の周囲の温度を略同一に維持するための手
    段が設けられることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の風車。
  6. 【請求項６】 前記軸受（１１）が、前記密閉室用の気密シールを提供する
    ためのシール（４５）を備え、適切な場合には、前記シールが、前記密閉室内に
    存在する過圧に対して耐性があることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１
    項に記載の風車。
  7. 【請求項７】 前記軸受は、前記軸受に少なくとも所望の量の潤滑油が存在
    する時に、潤滑油が前記軸受から流れ出るように配置されているチャネル（３７
    ；４０）を有する潤滑油入口および潤滑油出口を備えていることを特徴とする請
    求項６に記載の風車。
  8. 【請求項８】 前記軸受（１１）に対する潤滑油の循環を監視するための手
    段、および／または前記軸受からの潤滑油のリターンフローを検出するための手
    段（３９）、が設けられたことを特徴とする請求項７に記載の風車。
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