(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転子と固定子とを有する同期機を備えた風力発電装置であって、
前記固定子は、電気的に互いに隔離された少なくとも２つの独立三相システムを備え、
前記回転子は、実質的に矢型構造のポールシューを備え、
前記同期機は、固定子巻線における短絡の場合に発生する短絡トルクを、常に、その最大値が定格トルクの４倍までであるように制限する手段を備える風力発電装置。
【請求項２】
前記回転子が、ダンパケージまたは制動巻線をもたないことを特徴とする請求項１に記載の風力発電装置。
【請求項３】
前記短絡トルクが、常に、定格トルクの２倍未満であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の風力発電装置。
【請求項４】
前記回転子と前記固定子が、共通の軸ジャーナルによって支えられ、その固定子が、フランジ台によって、その軸ジャーナルに直接取り付けられることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の、同期機を備えた風力発電装置。
【請求項５】
前記固定子が、支持台によって保持され、前記同期機の回転子および前記支持台が、固定軸ジャーナルによって支えられ、その支持台およびその軸ジャーナルが、１つの構造ユニットであることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の風力発電装置。
【請求項６】
前記同期機が、同期発電機であり、および／または、前記固定子支持台と前記軸ジャーナルとが、１つの一体化された鋳鋼部品であることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の風力発電装置。
【請求項７】
短絡の場合に前記固定子を開放する機械的安全装置が、前記固定子と前記軸ジャーナルとの間に提供されないことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載の風力発電装置。
【請求項８】
第１の三相システムが、第２の三相システムに相対的に約３０度の（電気的）角度だけずらされることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれかに記載の風力発電装置。
【請求項９】
少なくとも１００ｋＷのパワー、好ましくは５００ｋＷから１０ＭＷのパワーを持つ請求項１から請求項８のいずれかに記載の風力発電装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（背景技術）
同期機は、多くの異なる形態で、長く知られている。発電機としての動作、また、モーターとしての動作中、例えば、接続端子における短絡、または固定子巻線内の短絡のような短絡の状態において、そのような同期機は、非常に大きい短絡トルクを生成する。その点において、それらの非常に大きい短絡トルクピークは、同期機の定格トルクの６倍から８倍までの値に到達しうる。それ故、同期機の機械的な構造に関して、そのかなりまれな短絡状態、及び付随して起こる非常に大きい短絡トルクの発生に対しても考慮しなければならない。
【０００２】
上述の種類の同期機は、すでに、Ｅｎｅｒｃｏｎ社製の風力発電装置において長く使用されてきた。それらの種類の風力発電装置において、同期機は、リング発電機の形態である。その発電機の回転子は、発電機の固定子内で回転し、その発電機の回転子は、フランジ台によって、風力発電装置の回転子に直接取り付けられる。発電機の回転子が、フランジ台によって、駆動機に直接取り付けられる場合には、短絡状態において非常に大きい短絡トルクが発生し、その構造は、大きな損傷を避けるために、かなり高いコスト水準、及びかなり高いメンテナンス水準と結び付けられる。
【０００３】
それ故、例えば、Ｅｎｅｒｃｏｎ社製のＥ−４０型風力発電装置において使用される同期機では、せん断ピン継手の形態の機械的安全装置が開発され、使用された。その場合には、固定子（発電機の固定部材）を支える、いわゆる固定子支持台スターまたはスパイダ（支持台）が、せん断ピンを経由して、固定された軸ジャーナル、またはスタブ軸に接続される。発電機が短絡する場合には、ピンはせん断され、固定子が軸ジャーナルの周りを回転することが可能となる。伝送されるトルクの最大値が定格トルクの４倍に制限され、発電機の短絡状態において、ドライブトレインが保護されることが保証される。
【０００４】
本発明の目的は、その構造に関して、同期機を簡単化すること、及び上記の欠点を回避することである。
【０００５】
本発明によると、その目的は、請求項１に示される特徴を有する同期機によって達成される。効果的な発展は、さらなる請求項において述べられる。
【０００６】
本発明は、もし、最大短絡トルクが、これまで一般的であるそのトルクの一部に制限されるなら、例えば、せん断ピン継手等の特別の安全装置が必要でなくなるということの実現に基づいている。好ましくは、本発明による同期機において、短絡トルクは、常に、そのトルクの２倍未満である。
【０００７】
短絡トルクを制限する特に好ましい方法において、固定子は、電気的におよび／または空間的に、互いに隔離された少なくとも２つの独立三相巻線を有する。それは、発電機の電力が、２つの異なる三相システムに分割されることを可能にする。２つの独立三相システムを用いると、各々のシステムは、定格電力の５０％しか関係しない。加えて、それらのシステムは、３０度の角度でずらされる。これは、両方の三相システムが、電気的および機械的（空間的）に隔離されていることを意味する。しかし、その場合に、リアクタンスＸｄもおよそ２倍であり、従って短絡電流は半分である。これは、システムが短絡する場合に、半分の短絡電力しか発生しないという特別な効果を提供する。従って、これまで一般的であった単一システム装置と相対的に、５０％だけ最大短絡モーメント（例えば、Ｕ１およびＶ２の２相の短絡）を減ずることが可能である。
【０００８】
短絡トルクを減ずるもう１つの方法は、特に、リアクタンスＸｄ”およびＸｄ’が、動的短絡電流構造を決定するように、ダンパケージを排除することである。最大短絡トルクは、ダンパケージの省略のために、すなわち、制動巻線を持たない突極機の使用のために、約３０％減じられることが可能である。
【０００９】
関係するトルクを減じるさらなる方法として、回転子のポールヘッドが実質的に矢型構造をしていることが提案される。従って、２つの三相システムのうち１つにおいて短絡が生じている場合には、エキサイタポールにおける磁束が、回転の方向に急速に傾くことが可能である。それは、エキサイタ磁束と溝内の固定子磁束とのソフトな動的デカップリングを提供する。従って、ポール幅毎に、短絡電流は、６つの全ての溝のうち２つにしか流れない。エキサイタ磁束の動的デカップリングは、さらに短絡トルクを減じる。
【００１０】
（発明の開示）
以下に、添付の図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図１は、軸ジャーナルまたはスタブ軸２上に支持される回転子１を備えた風力発電装置ポッドの一部を示す。回転子１は、変速機を経由せずに、同期発電機の発電機回転子に直接接続される。発電機回転子は、フランジ台によって軸ジャーナル２に直接取り付けられる発電機固定子３内に配置される。その上に取り付けられる完全ドライブトレインのような軸ジャーナル２は、発電機に加えて、マシン支持台４によって支えられる。また、回転ハブ５とベアリング６も示される。
【００１１】
図２は、既知の同期発電機を備えた風力発電装置ポッドを示す。その発電機において、発電機固定子３は、固定子支持台スター７またはスパイダによって支えられ、次に、その固定子支持台スター７は、軸ジャーナル２上に配置され、せん断ピン継手８を利用して固く保持される。
【００１２】
例えば、接続端における、または、固定子巻線（図示されない）内における短絡の場合、非常に大きい短絡トルクが同期発電機内で生成される。定格トルクの６倍から８倍（または、それ以上）の値にまで達する場合があるこれらの非常に大きいトルクピークは、関連する機械的構造によって考慮されなければならない。図２に示されるような、Ｅｎｅｒｃｏｎ社製のＥ−４０型風力発電装置の場合には、機械的構造は、せん断ピン継手８の形態の機械的安全装置によって具体化される。発電機の短絡の場合、ピン（複数）はせん断され、その固定子３が軸ジャーナル２の周りに回転することが可能になる。これにより、伝送トルクの最大値が定格トルクの４倍に制限される。従って、発電機の短絡の場合には、ドライブトレインが保護されることが保証される。
【００１３】
図３ａは、本発明による同期機（同期発電機）の一部の断面図である。この場合において、回転子は、固定子内で回転し、回転子の突極機は、ダンパケージ（制動巻線）、または、短絡リングをもたない。
【００１４】
加えて、２つの独立三相巻線Ｕ１、Ｖ１、Ｗ１および独立三相巻線Ｕ２、Ｖ２、Ｗ２が、固定子内に位置される。従って、発電機の電力は、２つの三相巻線（三相システム）に分割される。故に、各々の三相システムは、定格電力の５０％しか扱う必要がない。２つの三相システムは、３０％の電気角度に渡ってずらされ、従って、お互いから、電気的および機械的（空間的）に隔離される。しかし、それは、また、リアクタンスＸｄが約２倍であり、従って、短絡電流が半分になることを意味している。それは、三相システムにおける短絡の場合に、半分の短絡電力しか発生しないという効果がある。それは、システム装置（従来技術）と比べて、５０％の最大短絡モーメント（例えば、Ｕ１とＶ１の２相の短絡）の減少を可能にする。図３ｂは、固定子のより大きな領域に渡って、２つの異なる三相システムの個々の相の配置を示す、より適当な概観図である。
【００１５】
図３ｃは、既知の同期発電機（ダンパケージを備えた全極機（ｆｕｌｌ ｐｏｌｅ）の形態の同期機）（Ｅ−４０型）の一部の断面図である。この同期発電機において、発電機の回転子には、ダンパケージが備えられ、発電機の電力が、たった１つの三相システムＵ、Ｖ、Ｗによって処理される。また、ポールコア９、短絡リング１０、ダンパバー１１、固定子プレート１２が示される。
【００１６】
図３ａに示されるような、回転子のポールコア上に支えられるポールシューまたはポールヘッドは、図４に示されるような矢型構造である。
【００１７】
この場合に、図４ｂに示されるように、エアギャップに対向する面上の平面図において、ポールヘッドは矢型である。図３ａの矢によって識別されるように、回転子の運動方向において先端であるエッジは、２つのエッジ部分を有している。それらのエッジ部分は、互いにある角度関係に配列され、共に一点を形成し、回転子、従って、ポールヘッドの運動方向に関して傾いて配列される。それらのエッジ部分は、回転子の運動方向に関して、約１５０度の角度で配置される。また、回転子の運動方向において後縁であるポールヘッドのエッジも、回転子の運動方向に関して傾いて配置されるエッジ部分を有する。
【００１８】
図５は、本発明による短絡のない発電機における磁束（回転子-->固定子）の図である。この場合において、磁束は、ポールヘッドから固定子まで、直接に、溝間で均一に通過する。
【００１９】
図６に示されるように、Ｕ２によって識別される溝において短絡する場合、磁力線（磁束Ф）は屈折せざるをえない。矢型のポールヘッドは、ポール内の右および左に向かう屈折を可能にし、故に、磁束は、他の隣接する溝領域に分布されうる。回転の方向におけるエキサイタポールの磁束の屈折は、エキサイタ磁束と溝内の固定子磁束とのソフトな動的デカップリングを提供する。ポール幅毎に、短絡電流は、６つの全ての溝のうち２つにしか流れない。このエキサイタ磁束の動的デカップリングは、さらに短絡トルクを減じる。
【００２０】
図７および図８は、部分負荷（１２００ｋＷ）および全負荷（１５００ｋＷ）、かつ、人工的に生成された発電機短絡の下で、一例として、１．５ＭＷの同期発電機（Ｅｎｅｒｃｏｎ社製のＥ−６６型）の回転の回転トルク、電力およびスピードに関した一連の時間測定を示す。その測定結果は、２相の発電機短絡のために全ての操作状態において発生する最大トルクが、定格トルクの２倍よりも著しく小さいことを示す。
【００２１】
上述の種々の測定の組み合せのように、少なくとも２つの独立三相システム、ダンパケージなし、矢型ポールヘッドは、短絡モーメントにおける劇的な減少を提供する。それは、風力発電装置において使用される発電機の場合に、特に大きな効果がある。図１に示されるように、固定子支持台構造全体が、図２に示される以前の設計構造と比較して、非常に簡単化されうるので、短絡モーメントのおける減少と共に、簡単化された機械設計を達成することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明による同期発電機を備えた本発明による風力発電装置ポッドの断面図。
【図２】  既知の同期発電機を備えた既知の風力発電装置ポッドの断面図。
【図３ａ】  本発明による同期発電機の一部を示す図。
【図３ｂ】  位相コンダクタ分布の図式的な図。
【図３ｃ】  既知の同期発電機の一部を示す図。
【図４ａ】  矢型ポールヘッドの斜視図。
【図４ｂ】  矢型ポールヘッドの平面図。
【図５】  短絡がない磁束構成を示す図。
【図６】  短絡のある磁束構成を示す図。
【図７】  部分負荷または全負荷で短絡状態における測定記録を示す図。
【図８】  部分負荷または全負荷で短絡状態における測定記録を示す図。
【符号の説明】
１  回転子
２  軸ジャーナル
３  固定子
４  マシン支持台
５  回転ハブ
６  ベアリング
【図１】
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【図２】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図３ｃ】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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