(57)【要約】    本発明は、風力または水力発電所用の、または船舶用推進手段用のタービンロータであり、該タービンロータはドーナツ型形状のハブを備える。該タービンロータは、断面Ｂにおいて、密封型中空の外形形状で構成され。前記ドーナツ形状のハブの形状は、断面Ｂにおいてはその形状が円形でありかつリングの外周および内周の形状が円形である断面Ａにおいてリング形状である、円環形状、または断面Ｂにおいてその形状が多角形または円形形状であり、リングの外周および内周が多角形または円形である断面Ａにおいて該形状がリング形状である、準円環形状のうちどちらかの形状で形成される。なお、該円環または該準円環上に、少なくとも１つのロータブレードが設けられる。また、タービンロータを備える、風力、水力、または潮力発電所も提供する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
風力または水力発電所用の、または船舶用推進手段用のタービンロータであって、
前記タービンロータは概してドーナツ形状のハブ（６）を備え、前記ドーナツ形状のハブは断面Ｂが密封型中空の外形形状で構成され、前記ドーナツ形状のハブの形状は、
―断面Ｂにおいてはその形状が円形でありかつリングの外周および内周の形状が円形である断面Ａにおいて該形状がリング形状である、円環形状、または
―断面Ｂにおいてその形状が多角形または円形形状であり、リングの外周および内周が多角形または円形である断面Ａにおいて該形状がリング形状である、準円環形状のうちどちらかの形状で形成され、
該円環または該準円環上に、少なくとも１つのロータブレードが設けられることを特徴とする風力または水力発電所用の，または船舶用推進手段用のタービンロータ。
【請求項２】
前記断面Ａおよび/または前記準円環の断面Ｂの多角形状が正多角形であることを特徴とする請求項１に記載のタービンロータ。
【請求項３】
タービンロータの回転軸からドーナツ形状のハブの断面Ａに形成されるリングの外周まで、または該リングの形状が多角形である場合、ドーナツ形状のハブの断面Ａに形成されるリングの外周ポリゴンを囲む円までの距離は、前記タービンロータの半径の少なくとも１／１２である、つまり、回転軸からブレード先端までの距離に相当することを特徴とする請求項１または２に記載のタービンロータ。
【請求項４】
ドーナツ形状のハブの小径の大きさは、ブレードの根元部の少なくとも１枚のブレードの直径と略同じ大きさであることを特徴とする請求項１に記載のタービンロータ。
【請求項５】
少なくとも１つの取付要素（１０６）がドーナツ形状のハブ上に取り付けられ、前記取付要素（１０６）には、前記取付要素がドーナツ形状のハブ上に取り付けられた場合に前記取付要素（１０６）がドーナツ形状のハブ（１０５）を囲むように、ドーナツ形状のハブ（１０５）の形状と大きさとに対応する形状と大きさとを有する貫通穴が形成される請求項１に記載のタービンロータ。
【請求項６】
ロータブレード（１０７）が取付要素（１０６）に装着され、前記ロータブレード（１０７）はタービンロータの回転軸から略離れる方向に延伸されることを特徴とする請求項５に記載のタービンロータ。
【請求項７】
前記ロータブレード（１０７）がピッチベアリング（１０８）を有する取付要素（１０６）に装着されることを特徴とする請求項６に記載のタービンロータ。
【請求項８】
前記タービンロータが少なくとも２つの張力ロッドを備え、該張力ロッドの第１端部はドーナツ形状のハブに装着されかつ第２端部が中央ハブ上に取り付けられる中央ベアリングに装着され、該中央ベアリングおよび該中央ハブがステータの中央軸と同軸的に設けられることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載のタービンロータ。
【請求項９】
前記張力ロッドが略同一面内に配置されることを特徴とする請求項８に記載のタービンロータ。
【請求項１０】
少なくとも２つの圧力ロッドを備え、該圧力ロッドの第１端部はドーナツ形状のハブに装着されかつ第２端部は中央ハブ上に取り付けられる中央ベアリングに装着され、該中央ベアリングおよび該中央ハブがステータの中央軸と同軸的に設けられることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載のタービンロータ。
【請求項１１】
前記圧力ロッドが略同一面内に配置されることを特徴とする請求項１０に記載のタービンロータ。
【請求項１２】
前記発電機ロータがドーナツ形状のハブに取り付けられることを特徴とする請求項１乃至１１の一項に記載のタービンロータ。
【請求項１３】
前記タービンロータが少なくとも２組の支持部材（１０１）を備え、該支持部材（１０１）はドーナツ形状のハブ（１０５）の装着領域（１１２）と少なくとも２つの離間する中央ベアリング（１０４）の間を互いに延伸することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載のタービンロータ。
【請求項１４】
前記装着領域（１１２）は前記タービンロータの回転軸に略向かって対面するドーナツ形状のハブ（１０５）の一部に位置することを特徴とする請求項１３に記載のタービンロータ。
【請求項１５】
角度αが断面Ｂにおいて２組の支持部材（１０１）の間に形成され、該角度αは９０度未満であり、好ましくは５０度未満であり、最も好ましくは２０度未満であることを特徴とする請求項１３または１４に記載のタービンロータ。
【請求項１６】
磁石（１０２）は、前記少なくとも２組の支持部材（１０１）のうち１つまたはその両方に装着され、前記磁石（１０２）は、電気発電機の一部を形成することを特徴とする請求項１３乃至１５のいずれか一項に記載のタービンロータ。
【請求項１７】
風または流水のエネルギーを電気エネルギーに変換するための直接駆動発電機と、筐体（１１０）が取り付けられるタワー（１１１）とを備える発電所であって、前記筐体（１１０）が固定式の中央ハブ（１０９）を備え、前記発電所はタービンロータをさらに備え、
前記タービンロータが請求項１乃至７または１３乃至１６のいずれか一項に従って形成され、前記タービンロータが中央ハブ（１０９）に設けられる前記少なくとも２つの離間するベアリング（１０４）の上に支持され、かつ直接駆動発電機の前記ステータ（１００）が中央ハブ（１０９）の上に取り付けられることを特徴とする風または流水のエネルギーを電気エネルギーに変換するための直接駆動発電機と，筐体（１１０）が取り付けられるタワー（１１１）とを備える発電所。
【請求項１８】
直接駆動発電機の前記ステータ（１００）が、前記ステータ（１００）の両側に同数設けられるベアリング（１０４）を有する、前記少なくとも２つの離間するベアリング（１０４）の間の中央ハブ（１０９）に取り付けられることを特徴とする請求項１７に記載の発電所。
【請求項１９】
ドーナツ形状のハブ（１０５）および中央ハブ（１０９）の間の領域は、前記少なくとも２組の支持板（１０１）によって完全にまたは部分的に覆われていることを特徴とする請求項１７または１８に記載のタービンロータ。
【請求項２０】
風または流水のエネルギーを電気エネルギーに変換する直接駆動発電機と、タワー構造体と、タービンロータとを備える発電所であって、該直接駆動発電機がタービンロータ上に取り付けられる発電機ロータと、タワー構造体上に取り付けられるステータと、該ステータ上のタービンロータを支持するベアリングとを備え、前記タービンロータは、請求項１乃至１５のいずれか一項に従って形成され、前記タービンロータは、直接駆動発電機のステータの中央軸に一致する回転軸を有することを特徴とする風または流水のエネルギーを電気エネルギーに変換する直接駆動発電機と、タワー構造体と、タービンロータとを備える発電所。
【請求項２１】
前記タービンロータが、永久磁石、電磁石、またはその両方の組み合わせによって構成される磁気ベアリングによって、前記ステータ上に支持されることを特徴とする請求項２０に記載の発電所。
【請求項２２】
前記磁気ベアリングがパッシブ磁気ベアリングであることを特徴とする請求項２１に記載の発電所。
【請求項２３】
前記磁気ベアリングがハルバッハ配列で配列される磁石を有するパッシブ磁気ベアリングであることを特徴とする請求項２１に記載の発電所。
【請求項２４】
前記ステータ内の前記磁石が短絡導電体によって置き換えられることを特徴とする請求項２１または２３の一項に記載の発電所。
【請求項２５】
前記磁気ベアリングが電磁ベアリングであることを特徴とする請求項２１に記載の発電所。
【請求項２６】
前記電流生成巻線（２４）が磁気伝導鉄芯なしで設置されることを特徴とする請求項２１に記載の発電所。
【請求項２７】
前記発電機磁石が、ハルバッハ配列で配列された永久磁石で構成されることを特徴とする請求項２６に記載の発電所。
【請求項２８】
前記タービンロータが従来のベアリングによって前記ステータ上に支持されることを特徴とする請求項２０に記載の発電所。
【請求項２９】
前記タービンロータが磁気ベアリングによって、前記ステータに対して軸方向に支持され、前記タービンロータが従来のベアリングによって半径方向に支持されることを特徴とする請求項２０に記載の発電所。
【請求項３０】
ドーナツ形状のハブの回転軸から磁気ベアリングの力転送面の領域中央までの最短距離は、ドーナツ形状のハブの回転軸からドーナツ形状のハブの断面の中立の軸までの距離よりも短いことを特徴とする請求項２１乃至２７の一項に記載の発電所。
【請求項３１】
前記ドーナツ形状のハブ（６）を通る面であって、前記ドーナツ形状のハブ（６）の前記回転軸に垂直な面から外に曲がろうとする、前記ドーナツ形状のハブ（６）の曲げ剛性が、同一面から外に曲がろうとする前記ステータの曲げ剛性より大きいことを特徴とする請求項２１乃至３０の一項に記載の発電所。
【請求項３２】
前記ドーナツ形状のハブ（６）を通る面であって、前記ドーナツ形状のハブ（６）の前記回転軸に垂直な面から外に曲がろうとする、前記ドーナツ形状のハブ（６）の曲げ剛性が、同一面から外に曲がろうとする前記ステータの曲げ剛性と比べて、少なくとも２倍であることを特徴とする請求項２１乃至３１の一項に記載の発電所。
【請求項３３】
風力発電所または水力発電所内の、請求項１乃至１６のいずれかに記載のタービンロータに対しての使用。
【請求項３４】
船舶の推進手段としての、請求項１乃至１６のいずれかに記載のタービンロータに対しての使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風力、水力、または潮力発電所用のタービンロータおよびそのようなタービンロータを備える風力または水力発電所に関する。また、本発明は、風力または水力発電所用のタービンロータの使用、または船舶の推進手段としての使用に関する。簡単に言うと、該タービンロータは、正面から見ると、大径を有する、略「ドーナツ形状の」またはリング形状のロータハブを備える。該ロータハブは、ロータブレードが設けれ、かつ密封型中空のねじれ防止が施された外形形状で構成される。
【背景技術】
【０００２】
好ましくは電力としての形態で動力を発生させるための、風車または風力タービンの開発は、着実に大型風車の方向に進んでいる。
約５ＭＷの出力量で１１５−１２５ｍを超えるロータ径の風車が、現在設計され建設されている。このような大型風車を陸上で輸送することは困難なため、５ＭＷ以上の大型風車は本来、沖合いに設置されることを考慮して設計される。これらの水平軸風車の原理は、その小型の姉妹品と基本的には同様である。それらは、高耐久性のボールベアリングによって固定されているシャフトを備える中央ハブ上に取り付けられる、典型的には３つのブレードで構成されるロータを基本とする。ハブの寸法は、風方向での各ブレードに対する風力、およびブレードがその回転経路内で上下どちらの方向にあるかによって絶えず方向が変化する、風に対してほぼ直角の面内の各ブレードの自重の両方に起因する相当な曲げモーメントに耐えるように決めなければならない。各ブレードが、所与の瞬間に風からの異なる荷重を有する場合、シャフトの長手軸に対して直角の軸の周りでハブを旋回させようとするモーメントが生じる。極端な場合には、このモーメントが例外的に大きくなるため、シャフトの寸法も、このようなモーメントに耐えるように決める必要がある。中央ハブおよびシャフトはまた、直接またはギアを介して、発電機にロータのトルクを転送する。
【０００３】
沖合い風車の維持費用は、初期の段階では、陸上風車より高い。また天候状況により必要な修理を行うために風車に乗り込むことができないことが多いため、欠陥によるエネルギー生成における障害は、多くの場合、沖合いではより重大な結果となる。海上はるか遠方では、一般に風の状況はまた、陸上よりも著しく強大になる。風によってブレードが回転する基準風速を上げることによって、このエネルギーをできるだけ多く取り入れたいと望む場合、風力発電施設は、風の状態が穏やかな場所と比較して、多大な疲労荷重を受けることになる。
【０００４】
大型風車または風力タービンには、生成されるエネルギーユニットのｋＷｈ当たりのメンテナンス、および制御システムなどの「単発の費用」の削減を見込むことができるという利点がある。欠点は、このような大型風車の場合、生成される電力のｋＷｈ当たりの重量および材料消費が増加する点である。今日の技術を備えた陸上風車の最適な経済的サイズは、多くの場合約１−３ＭＷと推定される。
【０００５】
生成されるエネルギーユニット当たりの重量および材料消費が、風車のサイズと共に増加する理由としては、重量はほぼ長手寸法の３乗だけ増加する（体積増加）一方、ロータ、つまりエネルギー生成、の掃引領域（回転時にロータブレードを取り囲む円領域として定義される）が長手寸法の２乗だけ増大するからである。これは両方の場合での、風力が同一である所与の場所の比較を示唆する。すなわち、以前と同様の技術を使用して風車のサイズを増大させることが望まれる場合、生成されるエネルギーユニット当たりの重量、したがって相当な費用が、風車のサイズと共にほぼ線形に増加する。
【０００６】
さらに、回転速度（角速度）は、風車のロータ径の増加と共に減少する。これは、最適なブレードの先端速度は、風速の関数として与えられるからである。以後先端速度比と称する、ブレードの先端速度と風速との最適な比率は、３つのブレードの風車では通常ブレードの長さ／横幅比によって、およそ６程度である。したがって風速が同一であるとき、ロータ径の大きな風車は、ロータの角速度が減少する。生成される出力は、損失を無視すると、ロータの角速度とロータのトルクとの積であり、Ｐ＝ＭＴ＊ωであり、Ｐは出力、ＭＴはトルク、ωは角速度である。
【０００７】
ロータ径を拡大することによって電力が増大されるとき、駆動ギアを介して空気力学ロータから電気発電機に転送されるべきトルクの増加は、以下により推定できる。
Ｐ=Ｃｐ＊ρ＊ｖ３＊Ａ=Ｃｐ＊ρ＊ｖ３＊Ｄ２＊π／４
なお、Ｃｐは定数、ρは液体または空気の濃度、ｖは風速、Ａはロータの掃引領域およびＤはロータ径であり、
ω＝ｖ＊６／（Ｄ＊π）＊２＊π＝１２＊ｖ／Ｄ，
なお、６は、先端速度比である。
式Ｐ＝ＭＴ＊ωのＰおよびωに代入すると、
ＭＴ＝Ｃｐ＊ρ＊ｖ３＊Ｄ２＊π＊Ｄ／（４＊１２＊ｖ）＝Ｃｐ＊ρ＊ｖ２＊Ｄ３＊π／４８、
ＭＴ＝ｋ＊Ｄ３となる。
なお、ｋは所与の風速および空気密度の定数である。
【０００８】
したがって、ロータの重量同様に、駆動ギアを介してロータから発電機へ転送されるトルクはロータ径の３乗だけ増加し、出力はロータ径の２乗だけ増加する。これはまた大型風車の場合、変速装置（ギアボックス）が不均衡に大きな荷重を受けることを示し、これは、発電機用直接駆動によって解決することが有利である。問題の１つは、上記に記載のようにロータ径が大きい場合回転速度が遅いことであり、むしろ、大きなロータ径を有する直接駆動風車に関する実際の発電機部分内で必要なアクティブ要素が不均衡に相当量増加する。さらに直接駆動風車に関して、メインシャフトのたわみに起因するステータと電気ロータ部の間のエアギャップ（通常は、＋／−数ｍｍ内に維持されなければならない）を制御することは、今日の技術では困難である。
【０００９】
上記に記載の状況は、出力を増加させるために、風車のロータ径を増大させることの問題点を示す。したがってメガワット級の風車に関して、生成されるｋＷｈ当たりの重量、したがって相当な費用がロータ径と共にほぼ線形に増加し、これは、今日の既知の技術を使用する大型風車の建設に相対する。さらに大型直接駆動発電機にとっては、ステータと電気ロータの間のエアギャップ公差は問題である。特に洋上設備の場合、変化する風速に起因するブレードおよびタワー構造の疲労も問題である。
【００１０】
上記の状況は、実質的に３〜５ＭＷを超える沖合い風車の建設に関して最も重要な制限を提示する。
【００１１】
当分野の従来技術において、特許文献１には、一端で外部リングまたはリムに固定され、他端で偏心的にハブに固定されるスポークを備える自転車のホイールと同様の原理に従ってステータホイールおよびロータホイールが形成される、直接駆動発電機を備えるタービンを開示する。この方法において、タービンは、半径方向、および一定の範囲の軸方向の両方の力を吸収する。しかし、上記公報の説明において強調されるのは、ロータ輪が風や水からの力を抽出するためのブレードまたはその他の手段を一体化していないという点である。特に強調されるのは、ブレードが引っ張り部材上に取り付けられないという点である。密封型中空のねじれ防止が施された外形形状を有する、大径のハブに関しては一切の説明がない。
【００１２】
特許文献２には中空の環状ハブを有する風力タービンが開示される。上記環状ハブは２つの概してＬ字形状部に切り離される。２つの部分のうち、１つのＬ字形状部はタワー上に設けられ、他方のＬ字形状部には、タービンブレードが設けられる。第２Ｌ字形状部がベアリングを用いて第１Ｌ字形状部上に支持される。この文献でも密封型中空のねじれ防止が施された外形形状を有する、大径のハブに関しては一切の説明もない。図面から判断して、Ｌ字形状部は密封型中空の外形形状で形成されると言うよりもむしろ固体の金属板から形成されているので、この風力発電所がブレードに対する風荷重により発生したねじりモーメントを吸収できない。
【００１３】
特許文献３には、各ブレードが２つのベアリングを有するハブに取り付けられる、風力発電所が開示されている。該文献によると、２つのベアリングの間の距離は可能な限り大きくなければならず、それは明らかに重量を削減するためである。またブレードはハブ内の円錐形状のキャビティ内に取り付けられる。２つのベアリングの間に、可能な限り大きい距離を得る方法は、２つのうち１つのベアリングの位置決めをしなければならない。ハブとブレードの装着部とに関する限り、この風力発電所の設計は、それ故、従来の風力発電所と同様である。密封型中空のねじれ防止が施された外形形状を有する、大径のハブ（その上にタービンロータのブレードが設けられる）の使用に関しては一切の説明もない。
【００１４】
特許文献４には、環状ステータリング内を回転する環状ロータリングを備える、環状電気機械が開示されている。該文献の発明は、基本的に、船舶用プロペラまたは２０メートルの直径を有する比較的小型の風力または水力発電所に関する。前記の先行技術文献の記載を検討すると、密封型中空のねじれ防止が施された外形形状を有する、大径のハブ（その上にタービンロータのブレードが設けられる）に関しては一切の説明もない。ロータリングおよびステータリングの環状形状は、該文献の発明に関する大きさを有する、大型の発電所に適していない、と思われる。
【００１５】
本出願において、用語「タービンロータ」は、水または風のエネルギーを機械エネルギーに変換し、さらに発電機内で電気エネルギーに変換する風力または水力発電所での回転ユニットに関する集合名として使用される。磁石が取り付けられる発電機ロータは、電気ロータとも称される。「タービンロータ」は、船舶の推進機械の推進手段を称するのにも使用される。
【００１６】
発電機の「アクティブ部分」は、発電所のエネルギー変換に寄与する部分を指す。
【００１７】
「鉄を含まない原理」は、本発明において、磁場を伝導するために強磁性材料を使用しない発電機のための構造原理を意味する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１８】
【特許文献１】国際公開第０２／０９９９５０号パンフレット
【特許文献２】ドイツ特許公開１９７１１８６９
【特許文献３】ドイツ特許公開１０２５５７４５
【特許文献４】国際公開第９９／３７９１２パンフレット
【特許文献５】米国特許第６、１１１、３３２号
【特許文献６】米国特許第５、４９５、２２１号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
本発明の開発において、本発明の目的は、費用対効果の高い一体型のタービンロータおよび発電機発電所を建設することであるであって、特に、該風力発電所は、５〜１５ＭＷ級であって、生成されるエネルギーのｋＷｈ当りのブレードおよびハブの重量を、事前に関連させた大幅な増大をもたらすことなく、またトルクが構造体内で大きな力を生じさせることなく、大幅に増大したロータ径を備え、これによりエネルギー生成が増加するような風力発電所である。
【００２０】
本発明のその他の目的は、本発明の一部が、水力発電生成、ボートおよび船用の潮の水力および／または推進システム（タービンロータが船舶用プロペラ手段として使用される）に好適であることである。
【００２１】
これらの目的は、独立請求項内に開示されるように本発明によって実現される。代替の実施形態は、各独立請求項に関連する従属請求項内に開示される。
【００２２】
本発明の根幹をなす基本的考えは、中空の密封型の外形形状として形成される略「ドーナツ」形のハブの使用である。タービンロータのブレードはドーナツ形状のハブに装着される。ここで重要なのは、外形形状がドーナツ形状のハブの重量を低く保持するために中空かつ密封型の外形形状で構成されていることと、同時に、必要な強度およびタービンロータのブレードに対する風荷重によって生み出される曲げモーメントを吸収する能力を有することとである。曲げモーメントは、その後、ねじりモーメントとして、ドーナツ形状のハブへ転送される。タービンロータからの半径方向および軸方向の力の減結合が本発明でも達成される。本発明では、半径方向の力のみが中央ベアリングに働き、その結果、曲げモーメントは中央ベアリングへ転送されなくなる。上記のように、先行技術文献に開示された風力タービンでは、これらの目的を達成できない。つまり、先行技術では、ねじりモーメントを吸収しつつ、それと同時に大型風力発電所の重量を十分小さく保持できない。
【００２３】
概して、ドーナツ形状のハブは円環形状を有し、本発明では、２つの重要な断面を有する。本明細書において断面Ａと称する断面は、タービンロータの回転軸に対して垂直なハブも通る断面である。該断面は、該ハブが円環形状を有する場合、２つの同心円を有するリングを形成する。断面Ａにて得られる、リングの外側の円、または多角形状リングの外接円（準円環内、以下参照）、の直径は、円環または準円環の大直径とも呼ばれる。本明細書では、もう一方の断面を断面Ｂと称し、該断面Ｂは、タービンロータの回転軸に対して平行な面の断面であり、該断面には、回転軸が設けられる。ドーナツ形状のハブが完全な円環である場合、断面Ｂは、タービンロータの回転軸の両側に配置される対称的な、２つの円形から構成される。しかし、後で詳しく説明するように、タービンロータのドーナツ形状のハブが完全な円環である必要はなく、ハブの断面Ａおよび/または断面Ｂが別の形状であり得る準円環であってよい。例えば、その形状は多角形状、特に正多角形状であるが、その形状に限定されない。断面がその他の形状であっても、同様に機能できる。好ましくは、ハブの外形形状としての形（つまり、断面Ｂにおいて分かるように）は、略外形形状の全円周にわたって、外形形状が描く曲率曲線が同符号を有し、またはゼロである（外形の平坦部において)ような形状である。断面Ｂにおけるハブの外形形状の小さな「へこみ」があってもよい。しかし、「へこみ」が大きくなればなるほど、「へこみ」の形状が鋭くなる。つまり、ねじりモーメントを吸収する能力に関して言えば、ドーナツ形状のハブが非効率になる。例えば、ハブ内の深いＶ字形状の「へこみ」は、ねじりモーメントを吸収するハブの能力を実質的に減少させる。従って、断面Ｂにおけるハブの形状は、好ましくは円形または多角形であるが、例えば、ボックス形状の梁を用いて形成できる。
【００２４】
風力発電所の、実用的な実施形態において、ドーナツ形状のハブは、ロータの直径の約１０〜２０％、少なくとも１／１２（＝８．３３％）の大きさを有する。リングの断面Ｂは、ハブに対する装着部においてブレードの直径の大きさと略同じ大きさの直径を有するが、大きくても小さくてもよい。１つ以上のロータブレードがドーナツ形状のハブに対して設けられる。ロータブレードはタービンロータの回転軸から離れたところで終端されるので、ロータブレードの長さはより短く、そして、ブレードの根元の曲げモーメントは対応するロータ領域を有する従来型のハブを有する風車に比べて格段と小さい。上記のように、ハブは、大きいねじりモーメントおよび曲げモーメントを同時に吸収するように設計されたドーナツ形状のハブによって構成される。つまり、ブレードの自重は曲げモーメントとしてドーナツ形状のハブ内へ転送される一方、風力によって発生する、ブレードの根元に起こる曲げモーメントがドーナツ形状のハブ内にねじりモーメントとして転送される。発電機内にエネルギー生成をもたらすタービンロータのトルクＭＴは中央シャフトを介して通過せずに、ステータ内に直接吸収される。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
本発明の一実施形態において、シャフトは従って発電機ステータと同一であり、ハブの周辺直径に適合された大きな周辺直径を有する短い環状リングで構成され、直接モータ筐体に対して、または風力発電所の支持構造体に対して設けられる。つまり、シャフト内に存在する従来型の大きなねじり応力ＭＴはロータのトルクによって発生するものの、格段と削減されるので、問題として残らない。
【００２６】
本実施形態の風力発電所のメインベアリングは電気発電機のベアリングと同一であるが、本発明では、好ましくは、ハブの周囲において固定式磁気ベアリングによって構成される。
【００２７】
ベアリングはさらに半径方向の機械的中央ベアリングと組み合わされたハブの周囲に磁気軸ベアリングによって構成されてもよい。その場合、磁気ベアリングがドーナツ形状のハブおよび軸方向の力が吸収されるステータリングの間に取り付けられる一方、ドーナツ形状のハブと回転軸の中心の風車の固定式構造に対して設けられる機械的ベアリングとの間にスポークまたは板状の装置を設けることによって半径方向の力が吸収される。
【００２８】
任意で、純粋な磁気ベアリングを設け、軸方向および半径方向両方の力を吸収できる。この場合、ハルバッハ配列を用いて設ける。アーンショーの定理によれば、永久磁石を使うだけでは磁気固定式ベアリングを得ることは不可能である（もし極めて低温下の超伝導性を使用しなければ）。このことは、特許文献５および６に詳細に説明されている。磁気的不安定さに関するアーンショーの定理を回避するためには、上述の２つの特許文献５および６に記載されているように、所謂ハルバッハ配列を有するパッシブ磁気ベアリングを使用してハブを支持するか、または任意で、アクティブサーボ制御を備えるアクティブ電磁ベアリングを使用して、磁気安定性および制動を得るか、である。ハブを支持するために、永久磁石、およびアクティブサーボ制御を備えたアクティブ電磁ベアリングの両方を備えた混合型の解決法を使用することもできる。
【００２９】
あるいはハブは、ハルバッハ配列または任意の同様の構成で形成された永久磁石を備えた固定式のパッシブ磁気ベアリングを備えてよく、これらは共にハブのためにベアリングの機能を有し、同時に発電機のアクティブ部分、すなわち直接駆動発電機の磁石および導電体を包含する。
【００３０】
上記のどちらの場合でも、発電機内の相当な磁気引力を回避するために、ステータ内の電気巻線は好ましくは鉄を含まない（強磁性芯がない）。発電機ステータは、電力生成のための両電気巻線、および任意で（ハルバッハ配列の単独の磁気支持体を使用するとき)磁気ベアリングの一部として電気巻線を包含する。
【００３１】
同様の巻線は任意で共に電力生成機能を有し、同時に磁気固定式ベアリングで要求される電気巻線の全体または一部を形成することができる。
【００３２】
ステータ内の電気巻線は、上記に記載のように好ましくは鉄を含まないが、このような余剰の磁気引力が望まれるステータに沿った領域に鉄を含むことがある。上記に記載の代替形態に関して、パッシブ固定ベアリングは、特別なシステム（ハルバッハ配列または同様のシステム）でハブまたは電気ロータ上に直接配列される強力な永久磁石、およびステータ上に設けられる導電体で構成される。磁石が作動されると、導電体内に電気ロータ内の磁石に反発する電流が生成される。磁石は、電気ロータ内に２または３列で配置されるため、システムは、軸方向および半径方向の外力に対して安定する。さらに、磁気ベアリングがアクティブになるためロータが十分な速度に達するまで、ロータを支持する機械支持体が設けられる。これは、電源の切断、またはサーボ制御システムの故障の際、電磁ベアリングが使用される場合にも必要である。上記の磁気ベアリングの制動特性を向上させるために、構造体への磁石の装着に関連して、ゴムまたは他の良好な制動特性を有する制動材料を使用することができる。
【００３３】
磁石が導電体に近づく程、反発力は大きくなる。電気ロータ内で磁石をハルバッハ配列で配置することによって、磁気不安定性のアーンショーの定理を回避し、それにも関わらず半径方向および軸方向の両方に磁気固定式のベアリングを実現することができる。鉄を含まないハルバッハ配列の原理に基づく発電機に関するエアギャップは、ステータ風車内で鉄芯が使用される既知の風車技術に対して数ｍｍから２０ｍｍを超えて増大することができる。したがって本発明によって、特に大径の風力発電機に関して、従来技術に関連する問題部分である、風力発電所内の発電機の支持構造部分に関する建設および曲げ公差を同時に軽減することが可能になる。
【００３４】
ｍ２アクティブ面当たり５０トンまでの磁力を備える強力な永久磁石は今日、例えばネオジウム磁石が商業的に入手可能である。このような磁石は、風力発電所のロータに関して記載したベアリング内で、適切な寸法を決定する全ての力を吸収するのに十分である。本特許によるハブは直径が大きく、その結果、それぞれのブレードに対する風力の異なる分布などロータに対する様々な荷重に耐えるために、モーメントアームが大きい点が有利である。
【００３５】
電気ロータおよび磁気ベアリングを備えるハブおよびステータはまた、風の方向に見られる開放ハブの中央部分を通り抜ける空気流によって直接空気を冷却するために、冷却リブを備えてよい。ステータ巻線は好ましくは、鉄芯なしで複合ステータ部の中に埋め込まれる。これは有利には、中を貫通することができ、その結果、水、油、空気または他の好適な冷媒が、ステータ巻線の周囲を循環することができる。任意で、このような冷却穴を貫通する空気の自然な循環は、ステータの冷却に十分であり、および／またはそれらが電気ロータ上に配置される場合、ロータ内の磁石の冷却に十分であり得る。
【００３６】
磁気ベアリングを備える発電機を上記に記載してきたものと逆に配置することも可能である。磁石がステータ内にあり、ロータ内に電気巻線がある。この場合、電力は、電気スリップリングを介して風力発電所の残りの部分に戻されなければならない。
【００３７】
円形ハブの中央との同軸に、モータ、光などをピッチ制御するために、ロータに必要な電力を転送するスリップリングベアリングが設けられる（図示せず）。さらに、落雷に関連して放電するために、ロータとナセル／タワーとの間の電気接触部を設ける。この接触部は、落雷が、これを横切ってライトアーチ（図示せず）内に飛び込むことのできる小型の開口を備え、やはり円形ハブの中央と同軸であるスリップ接触部または開放接触部のいずれかであってよい。
【００３８】
本発明の第２実施形態において、タービンロータからの軸方向の力が機械式中央ベアリングに供給されるが、曲げモーメントはロータブレードから中央ベアリングへ転送されることはない。第２実施形態がロータの回転軸に平行な垂直部分内に配置される状態で図８に示される。ブレード（１０７）がピッチベアリングシステム（１０８）および取付要素（１０６）を介してドーナツ形状のハブ（１０５）に接続される。第１実施形態と同様の接続形態である。しかしながら、ドーナツ形状のハブ（１０５）を、中央ベアリング（１０４）に接続する構造部材（１０１）は、ここでは、軸方向にも強固に作られるので、曲げモーメントを中央ベアリングに転送することができる。しかし、これらの曲げモーメントは、従来技術の従来型の風力タービンと比べて、格段と小さい。なぜなら、中央ベアリング（１０４）の曲げモーメントは、ドーナツ形状のハブ（１０５）および構造部材（１０１）の間に転送される軸方向の力と、点（１１２）でのドーナツ形状のハブ（１０５）から中央ベアリング（１０４）までの半径方向の距離と、の結果のみによるものであるからである。ブレード（１０７）からの曲げモーメントは中央ベアリング（１０４）に一切転送されない。上に述べたことを確実にするために、フレキシブル接続部を点（１１２）でのドーナツ形状のハブ（１０５）と構造部材（１０１）との間に提供する。こうすることによって、ドーナツ形状のハブ（１０５）がねじれて生じる（ドーナツ形状のハブ（１０５）のねじれの大きさは、典型的には、１度未満である）。このようにして、実質的にブレード（１０７）からの全ての曲げモーメントがドーナツ形状のハブ（１０５）によって吸収され、それと同時に、ロータがタービンロータからの軸方向の推力を、中央ベアリング（１０４）および固定式（非回転型）メインシャフト（１０９）を介して、ナセル（１１０）に転送し続ける。
【００３９】
このようにすれば、円形板またはスポークおよびリムシステム等の限定されない構造部材を備えるステータ構造部材（１００）は動力生成トルクのみが充填される。こうすることによって、さらに軽く、低コストのステータ構造が確保される。動力生成電気巻線（１１２）および電気ロータ磁石（１０２）がタービンロータ内部に保持される。電気ステータおよび電気ロータ要素(磁石)の間の相対偏位に敏感に反応することを防ぐため、軸方向指向磁気ベアリング(本図には図示せず)を、本発明の第１実施形態と同様に、ステータと動力生成電気巻線（１１２）近傍のロータとの間に設置することができる。こうすれば、十分なエアギャップクリアランスが常に保持できる。ここで、有利なのは、鉄を含まない電気巻線を使用することである。そうすれば、電気ステータおよび電気ロータ間の吸引力を完全に防ぐことができる。本実施形態の磁気ベアリングの必要寸法は第１実施形態と比較して飛躍的に減少させることができる。なぜなら、タービンロータからの軸方向の力の大半が今では中央ベアリング（１０４）に直接供給されるようになったためであり、かつステータ構造部材（１００）が軸方向の変位に対してフレキシブル化する(つまり、もし単一の円板として形成されれば)。従って、磁気ベアリングがステータを、適宜、簡単に軸方向に偏位するようになり、その結果、エアギャップに対する、望ましい中心位置が発電機に確保される。
【００４０】
図９は、ドーナツ形状のハブ（１０５）とステータ構造部材（１０１）との間のフレキシブル接続部の例を示す。本接続部は、ドーナツ形状全体の、内側の円に沿う形で一体化できるし、複数の短い部分に分割することもできる。ゴム製などであり得る、可撓性シム板（２０１）を使用して、ボルト（２０２）を有する構造部材（２０３）をフレキシブルにドーナツ形状のハブ（１０５）に接続する。金属製のシム板（２０５）を使用すれば、可撓性材質に荷重を分散できる。穿孔（２０４）を構造部材（２０３）内に用意すれば、ボルトをその中に挿入できる。構造部材（１０１）（図９参照）は、構造部材（２０３）に接続される。硬化プレート（２０６）を使用すれば、フレキシブルベアリングの箇所だけにフレキシブルな回転を発生させることができる。
【００４１】
本発明によれば、以下の利点を得ることができる。
１）ロータブレードの長さおよび重さを増大させずに、ロータの掃引領域（および、これによるエネルギー生成）が大幅に増大する。
２）ハブの直径が著しく増大する場合でも、その重量が減少する。
３）ハブの直径が大きいことに起因するハブおよびシャフトのねじり応力（回転軸を中心とする）が小さい。
４）直接駆動により、伝送ユニット（ギア）が省略され、同時にステータと電気ロータ（磁石）の間の周辺速度が増加し、これにより発電機内のアクティブ要素に関する要件を縮小することができる。
５）ステータと電気ロータの間のエアギャップ公差が大きいため、その結果もはや臨界パラメータでなくなる。
６）冷媒を循環させるためにいかなるポンプシステムも必要とせず、直接空気を冷却する。
７）作動中メインベアリングまたは発電機内の移動部分間で接触がなく、その結果消耗およびメンテナンスが大幅に減少される。
８）５ＭＷから１０ＭＷの風力タービンに関する従来技術の増加率と比較して、ロータおよび発電機の総重量が５０％を超えて削減される。
【００４２】
本発明の第１実施形態において提供されるのが、風力または水力発電所用の、または船舶用推進手段用のタービンロータである。前記タービンロータは概してドーナツ形状のハブを備え、断面Ｂを見れば分かるように、前記ドーナツ形状のハブは、断面Ｂにおいて、密封型中空の外形形状で構成される。前記ドーナツ形状のハブの形状は、
―断面Ｂにおいてはその形状が円形でありかつリングの外周および内周の形状が円形である断面Ａにおいて該形状がリング形状である、円環形状、または、
―断面Ｂにおいてその形状が多角形または円形形状であり、リングの外周および内周が多角形または円形である断面Ａにおいて該形状がリング形状である、準円環形状のうちどちらかの形状で形成される。なお、該円環または該準円環上に、少なくとも１つのロータブレードが設けられる。
【００４３】
好ましくは、前記断面Ａおよび／または前記準円環の断面Ｂの多角形状が正多角形であるが、これらの断面が不規則な多角形状を有していてもよい。
【００４４】
円環または準円環形状のハブ(略ドーナツ形状)の大きさが、既知の発電所と比べて、タービンロータの全直径よりも大きく構成される。好ましくは、タービンロータの回転軸からドーナツ形状のハブの断面Ａに形成されるリングの外周まで、または該リングの形状が多角形である場合、ドーナツ形状のハブの断面Ａに形成されるリングの外周ポリゴンを囲む円までの距離は、前記タービンロータの半径の少なくとも１／１２である、つまり、タービンロータの回転軸からブレード先端までの距離に相当する。
【００４５】
好ましくは、断面Ｂを見れば分かるように、ドーナツ形状のハブの小径の大きさは、ブレードの根元部の少なくとも１枚のブレードの直径と略同じ大きさである。ハブの小径は、しかし、タービンロータのブレードの直径よりも幾分小さく構成される。明らかに、その小径はブレードの直径よりも大きく構成することも可能であるが、可能な限り小さく構成すべきである。なぜなら、タービンの重量を可能な限り低く抑えることが望ましいからである。一番大切なことは、ドーナツ形状のハブを十分頑丈に構成するべきであって、こうすれば、ブレードに対する風荷重によって発生するねじりモーメントおよび曲げモーメントを吸収することができる。
【００４６】
タービンロータのブレードが、ピッチベアリングを有するドーナツ形状のハブに直接取り付けられてもよい。他の選択肢は、ドーナツ形状のハブ上に取り付けられる取付要素を利用することである。好ましくは、取付要素は、前記取付要素がドーナツ形状のハブ上に取り付けられると前記取付要素がドーナツ形状のハブ（１０５）を囲むように、ドーナツ形状のハブの形状と大きさとに対応する形状と大きさとを有する貫通穴が形成される。好ましくは、貫通穴を形成する切込み片が、ドーナツ形状の中空の外形形状の内部に、（ドーナツ形状の壁厚を考慮して、材料の一部の角を落とした後）再設置される。再設置されたものは、硬化部材として用いる。このようにすれば、取付部材内の貫通穴を形成した後も、ドーナツ形状および取付部材両方の構造的収容能力を損なわれない状態に維持できる。
【００４７】
各ブレードの根元の風力によって発生する曲げモーメントはこのようにドーナツ形状のハブへ、貫通穴用の切込みのオリフィスの周りの純せん断力として、転送される。これは、取付部材およびドーナツ形状のハブの間の「筒状ジョイント」内の高応力集中を避けるには有利な方法である。各ブレードの根元のブレードの重力によって発生する曲げモーメントは、最適アームを取付部材の幅（直径）として、力対として転送される。これらの力は、現状復帰された切込み片を内部硬化として転送されるので、低応力集中および高座屈抵抗を有する強固で見た目にも美しいジョイントが確実に実現される。
【００４８】
ロータブレードが各取付要素に装着されるが、前記ロータブレードはタービンロータの回転軸から略離れる方向に延伸される。好ましくは、ロータブレードがピッチベアリングを有する取付要素に取り付けられるが、ピッチベアリングを使わずに取付要素に取り付けられてもよい。
【００４９】
本発明の他の実施形態において、前記タービンロータが少なくとも２つの張力ロッドを備え、該張力ロッドの第１端部がドーナツ形状のハブに取り付けられ、かつ第２端部が中央ハブ上に装着される中央ベアリングに取り付けられ、該中央ハブおよび該中央ベアリングがステータの中央軸と同軸的に設けられる。
好ましくは、前記張力ロッドが略同一面内に配置される。こうすることによって、半径方向の力が転送される。そして、タービンロータの風荷重によって発生した軸方向に向けられる力は転送されたとしてもほんのわずかまたは全く転送されない。
【００５０】
張力ロッドを使用する代わりに、前記タービンロータが少なくとも２つの圧力ロッドを備えてもよい。該張力ロッドは、第１端部がドーナツ形状のハブに取り付けられ、かつ第２端部が中央ハブ上に取り付けられる中央ベアリングに取り付けられ、該中央ベアリングおよび該中央ハブがステータの中央軸と同軸的に設けられる。好ましくは、前記圧力ロッドが略同一面内に配置される。半径方向の力が転送される。そして、タービンロータの風荷重によって発生した軸方向に向けられる力は転送されたとしてもほんのわずかまたは全く転送されない。
【００５１】
本発明の一実施形態において、発電機ロータはドーナツ形状のハブに取り付けられる。
【００５２】
本発明の他の実施形態において、前記タービンロータが少なくとも２組の支持部材を備え、該支持部材はドーナツ形状のハブの装着領域と少なくとも２つの離間する中央ベアリングの間をおのおの延伸する。好ましくは、前記タービンロータが２組の支持部材を備えるが、例えば、４組または６組など２組以上の支持部材でもよい。支持部材は、ロッドまたは板（プレート）またはその他の適切な要素、および別の種類の要素の組み合わせを備えてもよい。ただし、この場合は、風荷重により発生する軸方向の力をタービンロータが支持される中央ハブに対して転送できる必要がある。風荷重によって発生されるねじりモーメントと、ブレードの重量によって発生する曲げモーメントとは略ドーナツ形状の円環内に吸収される。
【００５３】
好ましくは、前記装着領域はドーナツ形状のハブの内部に、つまり、前記タービンロータの回転軸に略向かって対面するドーナツ形状のハブの一部に、位置することを特徴とする。好ましくは、支持部材が相互に接触することによって互いの間に角度αが形成されるように、支持部材が装着領域にてドーナツ形状のハブに取り付けられる。この角度は、広範囲の値から選択されるが、９０度未満である。好ましくは、角度αは５０度未満であり、最も好ましくは、２５度未満である。支持部材が２組以上あった場合に形成される角度は、明らかに、他の組数の支持部材の間に形成される角度とは異なる。
【００５４】
好ましくは、磁石が電気発電機の一部を形成する、少なくとも２組の支持板の１つまたは両方に取り付けられる。
【００５５】
本発明の第２の観点において、風または流水のエネルギーを電気エネルギーに変換するための直接駆動発電機と、筐体が取り付けられるタワーとを備える発電所が提供される。前記筐体が固定式の中央ハブを備え、前記発電所は請求項１乃至７または１３乃至１６のいずれか一項に従って形成されるタービンロータを備える。前記タービンロータが少なくとも２つの離間するベアリングの上に支持され、かつ直接駆動発電機の前記ステータが中央ハブの上に取り付けられる。
【００５６】
直接駆動発電機の前記ステータが、前記ステータの両側に同数設けられるベアリングを有する、前記少なくとも２つの離間するベアリングの間の中央ハブに取り付けられてもよい。支持部材が支持板から構成される場合、ドーナツ形状のハブおよび中央ハブの間の領域は、少なくとも２組の支持板によって完全にまたは部分的に覆われている。支持板に穴を設けてもよい。
【００５７】
本発明の第３の観点において、風または流水のエネルギーを電気エネルギーに変換するための直接駆動発電機を備える発電所が提供される。前記発電所は、タワー構造体とタービンロータとを備える。前記直接駆動発電機は、タービンロータ上に取り付けられる発電機ロータを備える。さらに、前記発電所はタワー構造体の上に取り付けられるステータと、ステータ上のタービンロータを支持するベアリングとを備える。前記発電所のタービンロータは、請求項１乃至１５のいずれか一項に従って形成され、前記タービンロータは、直接駆動発電機のステータの中央軸に一致する回転軸を有する。
【００５８】
本発明の一実施形態において、前記タービンロータの、円環または準円環形状であるドーナツ形状のハブは、磁気ベアリングによってステータの上に支持される。前記磁気ベアリングがパッシブ磁気ベアリング、または電磁ベアリング、またはその両者の組み合わせであってよい。本発明の一実施形態において、前記ベアリングは、従来型のベアリングであってもよい。
【００５９】
本発明の他の実施形態において、ドーナツ形状のハブは、磁気ベアリングによって、軸方向の力と、各ロータブレードに対する異なる風圧によって生じる、全体の曲げモーメントと、を吸収するために、ステータに対して軸方向に支持され、ドーナツ形状ハブは、半径方向の力を吸収する従来のベアリングによって半径方向に支持される前記ステータに対して軸方向に支持される。
【００６０】
半径方向の力を吸収するために、風力タービンロータは、上述のように、少なくとも２つの張力ロッドまたは少なくとも２つの圧力ロッドを備えることができる。同ロッド内では、それぞれの第１端部が中央ハブ上に設けられる中央ベアリングに取り付けられ（中央ベアリングと中央ハブとはステータの中心軸と同軸である）、かつそれぞれの第２端部がドーナツ形状のハブに取り付けられる。好ましくは、前記張力ロッドまたは圧力ロッドは、略同一面内に設けられる。これは、磁気ベアリングによって大半の軸方向の力が吸収されるため、半径方向の力のみを略転送するためである。他の選択肢は、いかなる予張力（圧力または張力）なしのロッドを使うことである。
【００６１】
本発明の他の実施形態において、前記磁気ベアリングは、ハルバッハ配列で配列された磁石を有する、パッシブ磁気ベアリングである。
【００６２】
本発明の他の実施形態において、前記ステータ内の前記磁石は、短絡導電体によって置き換えられる。
【００６３】
本発明のその他の実施形態において、前記電流生成巻線は、磁気伝導鉄芯なしで設置される。
【００６４】
本発明のさらに他の実施形態において、好ましくは、前記発電機磁石は、ハルバッハ配列で配列された永久磁石で構成される。
【００６５】
本発明の他の実施形態において、ドーナツ形状のハブの回転軸から磁気ベアリングの力転送面の中央の領域までの最短距離は、ドーナツ形状のハブの回転軸からドーナツ形状のハブの断面のねじれに対して中立の軸までの距離よりも短い。このような磁気ベアリングの配置は、ロータに対する風力によって生じるドーナツ形状のハブの曲げおよびねじれによって、磁気ベアリングのロータ部分の軸方向の変位が互いに相殺されることを意味する。各ブレードの周囲のハブの局部的な曲げが、局部的にベアリングを風の方向に引っ張る一方、ハブ断面のねじれの回転が、ベアリングを風の方向に対して変位させる。理想的に配置されると（図８の角α）、ハブに接続された磁気ベアリングの軸方向の変位を、全体的にまたは部分的に中立化させることが可能である。この利点は、磁気ベアリング面は、できるだけ平ら（平坦）に維持されるため、ハブのたわみによって、局部的に互いに接触しないことが保証されることである。
【００６６】
本発明のその他の実施形態において、発電機ステータに発電機ロータが接触する危険性を削減するために、前記ドーナツ形状のハブの前記回転軸に垂直な面から外に曲がろうとする、前記ドーナツ形状のハブの曲げ剛性が、同一面から外に曲がろうとする前記ステータの曲げ剛性より大きい。前記ステータがドーナツ形状のハブの曲げ剛性未満の曲げ剛性を有している場合、前記ステータは風力タービンに対する風荷重によって発生するドーナツ形状のハブの内の局地的なたわみを追う傾向を示す。その結果、前記ロータと前記ステータとが接触する危険性が削減される。換言すれば、その意味は、前記磁気ベアリングは局地的なフレキシビリティを有しており、磁気ベアリングアプローチの領域の磁石が互いに接触する場合、前記ステータは局地的にたわむことが可能である。本発明の好ましい実施形態において、前記ドーナツ形状のハブの前記回転軸に垂直な面から外に曲がろうとする、前記ドーナツ形状のハブの曲げ剛性は、同一面から外に曲がろうとする前記ステータの曲げ剛性と比べて、少なくとも２倍である。
【００６７】
本発明の第５の観点では、風力発電所または水力発電所内に、請求項１乃至１６のいずれかに記載のタービンロータに使用する。
【００６８】
本発明の第６の観点では、船舶の推進手段として、請求項１乃至１６のいずれかに記載のタービンロータを使用する。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
添付の図面中で示される本発明の好ましい実施形態の非限定的実施形態の記載を以下に提示する。
【図１】ロータブレードおよびハブから構成される風力タービンロータを備える風力発電所を示す図である。風力発電所は、タワー７の上に取り付けられる。タワーは固定式の土台を有する、または沖合いに浮かぶように設置されるかのいずれかであってよい。
【図２】ブレードがピッチベアリング内に取り付けられた風力タービンロータの図である。
【図３】ステータから解体されたロータの斜視図である。
【図４】別の領域に別の方法で分割されたステータを示す図である。
【図５】５ａ〜ｄは、組み合わされた磁気的に安定したベアリングおよび発電機の他の断面（図６に示すＡ―Ａ断面）を示す図である。
【図６】軸方向磁気ベアリングと機械的ベアリングとが組み合わされた図である。
【図７】風力発電所の断面の側面図である。
【図８】本発明の第２実施形態を示す図である。
【図９】ドーナツ形状のハブとステータ構造部材との間のフレキシブル接続の例を示す図である。
【図１０ａｂ】断面Ａおよび断面Ｂにおける、ドーナツ形状の互いに異なった可能な組み合わせを示す図である。
【図１１ａｂ】断面Ａおよび断面Ｂにおける、ドーナツ形状の互いに異なった可能な組み合わせを示す図である。
【図１２ａｂ】断面Ａおよび断面Ｂにおける、ドーナツ形状の互いに異なった可能な組み合わせを示す図である。
【図１３ａｂ】断面Ａおよび断面Ｂにおける、ドーナツ形状の互いに異なった可能な組み合わせを示す図である。
【図１４】風力発電所が空中の航空機または水中の船舶用の推進システムとして使用される場合の構成を示す図である。
【図１５】ハブが船舶の船体の一部または全体を囲む場合の推進システムを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００７０】
以下、本発明の第１実施形態は、例えば、図６および７に示されるように、ドーナツ形状のハブが、少なくとも一部に磁気ベアリングを有するステータ上に支持される実施形態に関して述べる。また本発明の第２実施形態は、図８に示されるように、ドーナツ形状のハブが中央ハブ上に支持される実施形態に関して述べる。
【００７１】
図１は、大型の概してドーナツ形状のハブ６（１０５）を有する、１０−１２ＭＷ出力の風力発電所１を示す。なお、ドーナツ形状のハブ６（１０５）は２０メートル程の直径を有し得る。ドーナツ形状のハブ６（１０５）の断面Ｂは、３メートル程の直径を有し得る。ロータブレード３、４、５は、それぞれ６０ｍの長さを有し、図２に示すように、ピッチベアリング８、９、１０に対して配置されてよい。該ベアリング８、９、１０はピッチ制御システム（図示せず）からの衝撃によってその長手軸を中心としてブレードを旋回させるように設けられる。ブレードは、例えば、図８に示すように、取付要素１０６を使用することによってドーナツ形状ハブ６（１０５）に取付られ得る。ピッチベアリング８、９、１０は、各ブレード３、４、５の間に１２０度の間隔を有するように、ドーナツ形状のハブ６上の取付要素１０６に設けられる。ドーナツ形状のハブ６（１０５）は密封型中空の外形を有する。該中空外形は、図１０ａおよび１０ｂに示すように、中空の円形の管により構成され得る。該管の外円（断面Ａ）はタービンロータの直径の約１５％の直径を有し、該管は、ピッチベアリング８、９、１０の装着部において、ブレード３、４、５の断面の約１００％の断面を有する。第１実施形態のドーナツ形状のハブ６の内部では、ステータ部１２に対して支持される電気ロータ１１が設けられる。ステータ１２は、円筒形管１４を介して力を支持構造７の残りの部分に伝える、曲げ剛性梁１３によって支持される。ロータおよびステータは自然に通気される冷却リブ１６を備える。
【００７２】
ドーナツ形状のハブ６（１０５）の耐荷重断面は、直径約３メートルを有する、密封型の、中空円形の外形形状で構成され、重量およびロータブレードに対する風荷重によって生じる大きなねじりモーメントおよび曲げモーメントを同時に吸収するように適合される。本発明の第１実施形態では、ステータ１２は、円筒形管１４を介して力を支持構造７の残りの部分に伝える、曲げ剛性梁１３によって支持される。各ピッチベアリングは、張力ロッドまたは圧力ロッド１５を介して、ドーナツ形状のハブ６の反対側に接続される。全ての張力ロッドまたは圧力ロッド１５は、円筒形管１４に対して半径方向に機械的に支持される中央アンカーリングまたはアンカー板６０内に、互いに接続される。張力ロッドまたは圧力ロッド１５は、同張力ロッドまたは同圧力ロッド１５が軸方向の力を転送しないように略同一面内に位置する(スポークが２つの別の位置で中央ハブに対して取り付けられ、軸方向の力を吸収するような自転車のホイールとは異なるところである)。ブレード３、４、５に対する風圧によって発生する、ロータからの軸方向の力が、ドーナツ形状のハブ６およびステータ１２の間の軸方向に並ぶ磁気ベアリング３９を介して、ステータ１２に直接転送される。この磁気ベアリング３９は、反対方向を向く永久磁石を備える。その結果、ベアリング面に反発力が発生する。有利には、ベアリング３９は、複動式、すなわち両方の軸方向で力を吸収するようになされる。これを実現するために、４列の磁石がベアリング３９内で使用されてよい。あるいは、ベアリング３９内で電磁石を使用することができる。エネルギー生成をもたらすタービンロータのトルクＭＴは、中央シャフトを介して通過せずに、ステータ１２内に直接吸収される。したがって固定シャフト１２は、発電機ステータと同一であり、ドーナツ形状ハブ６の周辺直径に適合された大きな周辺直径を有する短い環状リングで構成され、直接モータ筐体１４に対して、または梁１３を介して風力発電所の支持構造体７に対して設けられる。ロータ面内（本明細書では、３つのブレードの外側の先端と交わる面として定義される）でのロータ２およびハブ６の制動は、任意でロータ面に空気力学式制動をもたらす空気力学ブレーキと共に、動力変換器（整流器／インバータ、図示せず）の制御システムを利用して、発電機動力出力をアクティブ変調することによって実行される。当業者が精通する既知の発電機技術の要素は、本発明にさらに詳細に記載せずに、本明細書で使用することができる。これらの要素は、コギングなどを回避するために、例えば傾斜したステータ巻線または磁石、あるいは磁石間、またはステータ巻線間の不規則な距離などであり得るが、これに限定されるものではない。
メインベアリング３９は、図６に示すように、それらの間に反発力が生じるように互いに対して向けられる永久磁石６１で構成される固定式磁気ベアリングである。
【００７３】
ステータ内の電気巻線は好ましくは、概して鉄を含まないが、そうでなければ、あるいは領域２１、２２内に鉄芯を含んでよい。
【００７４】
半径方向および軸方向の両方に純粋な磁気ベアリングがある場合(ハルバッハ配列で）、電気ロータ１１とステータ１２の間に機械的ベアリング（図示せず）を設けることができる。該ベアリングはパッシブ磁気ベアリングがアクティブになるのに十分な速度に達するまで軸方向および半径方向の両方に電気ロータを支持する。
【００７５】
永久磁石２３および６１はゴムベースに対して固定されるが、これは、磁気固定式ベアリングに半径方向および軸方向の制動を与えるためである。
【００７６】
図６は、磁気固定式ベアリングと発電機とが組み合わされた好ましい断面（図４に示される断面Ａ−Ａ）を示す。なお、発電機は鉄芯なしの電気巻線２４を有するステータリング(リム上に取り付けられる）１２、およびロータ上の永久磁石２３から成る電気発電機６２で構成される。永久磁石２３を備える電気ロータ１１は、ドーナツ形状ハブ６の一部であり、同ハブ６に直接固定される。
【００７７】
図５ａ、５ｂ、５ｃおよび５ｄは、組み合わされた磁気固定式ベアリングおよび発電機のその他の断面（図６に示される断面Ａ−Ａ）を示す。
【００７８】
図６および７は、電気発電機１１がドーナツ形状ハブ６に設けられた、ドーナツ形状ハブ６を備える風力発電所の側面図である。電気ロータ１１は、ドーナツ形状ハブ６に装着される。電気ロータ１１は、ステータ１２が内的に位置される環状くぼみを有して構成される。このくぼみは、上方（図６）または下方（図７）のいずれかを向くＵ字型の形状を有してよい。利用可能な磁気領域を拡大するために、電気発電機１１および磁気ベアリング３９を、軸方向の複数のくぼみおよび関連する複数のステータリングで構成される軸方向に連続するいくつかのディスクの形態で形成することも可能である。電気ロータ１１およびステータ１２は、風荷重によって生じる軸方向の力および曲げモーメントを吸収する磁気ベアリング３９を一緒に形成する磁石を備える。電気発電機１１およびステータ１２はまた、電流生成要素、すなわち磁石およびステータ巻線を備える。巻線は電気ロータ上に、磁石はステータ上に設けることも考えられる。電気ロータ１１内の環状くぼみおよびステータ１２は、例えば図５ａ−ｄおよび図６に示すように異なる設計であってよい。
【００７９】
半径方向の力、特にタービンロータの重量を吸収するために、張力または圧力ロッド１５が設けられる。該ロッド１５は、一端がドーナツ形状ハブ６に固定され、他端が中央アンカーリングまたはアンカー板５５に固定される。なお、該中央アンカーリングまたはアンカー板５５は、円筒形管１４に対して半径方向に機械的に支持される。
【００８０】
またドーナツ形状ハブ６上で、タービンロータブレード３、４、５が、それぞれのピッチベアリング８、９、１０上にも取り付けられる。
【００８１】
図１０〜１３は、概してドーナツ形状のハブ６（１０５）の別の構成を示す。その形状は、真円環または準円環である。上述のように、２つの重要な断面がある。つまり、断面Ａおよび断面Ｂである。図面から分かるように、２つの断面ＡおよびＢは円形または多角形状であってよい。多角形状の場合、例えば、五角形や六角形などのような、正多角形が好ましい。別の可能な、円と多角形との組み合わせが図１０〜１３に示される。図１０ａおよび１０ｂには、ドーナツ形状のハブ６（１０５）が示される。なお、断面Ａおよび断面Ｂ両方においてその形状は円である。この例では、ドーナツ形状のハブは真円環の形状を有する。図１０ａおよび１０ｂには、ドーナツ形状のハブ６（１０５）が示される。なお、断面ＡおよびＢのうち１つの断面は円形に成形され、もう１つは多角形に成形される（図１１および１２）。最後の選択肢としては、両断面Ａおよび断面Ｂが多角形状である（図１３）。図１１〜１３に示すドーナツ形状のハブは準円環の形状を有する。
【００８２】
図８に本発明の第２実施形態が示される。図示するように、タービンロータからの軸方向の力が機械的中央ベアリングに供給されるが、曲げモーメントはロータブレードから中央ベアリングへ転送されることはない。第２実施形態がロータの回転軸に平行な垂直部分内に配置される状態で図８に示される。ブレード１０７がピッチベアリングシステム１０８および取付要素１０６を介してドーナツ形状のハブ１０５に接続される。第１実施形態と同様の接続形態である。しかしながら、ドーナツ形状のハブ１０５を、中央ベアリング１０４に接続する構造部材１０１は、ここでは、軸方向にも強固に作られるので、曲げモーメントを、中央ベアリングに転送することができる。しかし、これらの曲げモーメントは、従来技術の従来型の風力タービンと比べて、格段と小さい。なぜなら、中央ベアリング１０４の曲げモーメントは、ドーナツ形状のハブ１０５および構造部材１０１の間に転送される軸方向の力と、点１１２でのドーナツ形状のハブ１０５から中央ベアリング１０４までの径方向の距離と、の結果のみによるものであるからである。ブレード１０７からの曲げモーメントは中央ベアリング１０４に一切転送されない。上に述べたことを確実にするために、フレキシブル接続部を点１１２でのドーナツ形状のハブ１０５と構造部材１０１との間に提供する。こうすることによって、ドーナツ形状のハブ１０５がねじれてよじれる（ドーナツ形状のハブ１０５のねじれの大きさは、典型的には、１度未満である）。このようにして、実質的にブレード１０７からの全ての曲げモーメントがドーナツ形状のハブ１０５によって吸収され、それと同時に、ロータがタービンロータからの軸方向の推力を、中央ベアリング１０４および固定式（非回転型）メインシャフト１０９を介して、ナセル１１０に転送し続ける。
【００８３】
このようにすれば、円形板またはスポークおよびリムシステム等の非限定の構造部材を備えるステータ構造部材１００は動力生成トルクのみが充填される。こうすることによって、さらに軽く、低コストのステータ構造が確保される。動力生成電気巻線１１２および電気ロータ磁石１０２がタービンロータ内部に保持される。電気ステータおよび電気ロータ要素(磁石)の間の相対偏位に敏感に反応することを防ぐため、軸方向指向磁気ベアリング(本図には図示せず)を、本発明の第１実施形態と同様に、ステータと動力生成電気巻線１１２近傍のロータとの間に設置することができる。こうすれば、十分なエアギャップクリアランスが常に保持できる。ここで、有利なのは、鉄を含まない電気巻線を使用することである。そうすれば、電気ステータおよび電気ロータ間の吸引力を完全に防ぐことができる。本実施形態の磁気ベアリングの必要寸法は第１実施形態と比較して飛躍的に減少させることができる。なぜなら、タービンロータからの軸方向の力の大半が今では中央ベアリング１０４に直接供給されるようになったためであり、かつステータ構造部材１００が軸方向の変位に対してフレキシブル化する(つまり、もし単一の円板として形成されれば)。従って、磁気ベアリングがステータを、適宜、簡単に軸方向に偏位するようになり、その結果、エアギャップに対する、望ましい中心位置が発電機に確保される。
【００８４】
図９は、ドーナツ形状のハブ１０５とステータ構造部材１０１との間のフレキシブル接続部の例を示す。本接続は、ドーナツ形状全体の、内側の円に沿う形で一体化できるし、複数の短い部分に分割することもできる。ゴム製などであり得る、可撓性シム板２０１を使用して、ボルト２０２を有する構造部材２０３をフレキシブルにドーナツ形状のハブ１０５に接続する。金属製のシム板２０５を使用すれば、可撓性材質に荷重を分散できる。穿孔２０４を構造部材２０３内に用意すれば、ボルトをその中に挿入できる。構造部材１０１(図９参照)は、構造部材２０３に接続される。硬化プレート２０６を使用すれば、フレキシブルベアリングの箇所だけにフレキシブルな回転を発生させることができる。
【００８５】
本発明はまた、水中での全てのタイプの小型船またはボート用の推進シムテムとして使用できる。本発明のこの事例において、ドーナツ形状のハブ６を備えるタービンロータ２、ピッチベアリング８、９、１０および磁気ベアリング３９は、プロペラとして設けられる。プロペラのサイズ、強度およびねじれ／傾度などは、この目的のための従来技術に従って変更される。発電機は、電気モータとして作動する。推進システムは、推進システムによって移動される船舶３７上に設けられ、図１４および１５に２つの例を示す。本発明の一変形例において、船舶３７または船体上で、流線形の接続部を移動される物体／船体の他の可能な部分に取り付け可能である。本発明のその他の変形例において、推進システム４０は舵を備えて配置される（図示せず）。本発明のさらに他の変形例において、推進システム４０は、推進システム４０自体が方位プロペラとして、船舶への回転可能な装着部の垂直軸の周りを旋回することができるように設けられる。従来技術によるプロペラを取り付けるための他の多くの構成も可能である。プロペラは、本明細書に例示する好ましい実施形態より少ない、またはこれより多いブレードを有してもよい。船舶３７はまた、複数のプロペラを備えることができる。
【符号の説明】
【００８６】
４  ロータブレード
５  ロータブレード
６  ドーナツ形状のハブ
７  支持構造体
８、９、１０  ピッチベアリング
１１  電気発電機
１２  ステータ部（ステータ、ステータリング）
１３  曲げ剛性梁
１４  円筒形管（モータ筐体）
１５  張力ロッドまたは圧力ロッド
１６  冷却リブ
２１、２２  領域
２３  永久磁石
２４  電気巻線
３７  船舶
３９  磁気ベアリング（メインベアリング）
４０  推進システム
５５  中央アンカーリング
６０  アンカー板
６１  永久磁石
６２  電気発電機
１０１  構造部材
１０４  中央ベアリング
１０５  ドーナツ形状のハブ
１０６  取付要素
１１０  ナセル
１１２  点
２０２  ボルト
２０３  構造部材
２０４  穿孔
２０５  金属製のシム板
Ａ  断面
Ｂ  断面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５ａ】
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【図５ｂ】
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【図５ｃ】
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【図５ｄ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１０ａｂ】
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【図１１ａｂ】
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【図１２ａｂ】
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【図１３ａｂ】
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【国際調査報告】
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2010523895.tif 000022