(57)【要約】  風力タービンの冷却システムを提供し、この冷却システムは、発電機（１０）と、筐体部分（１）と、筐体部分（１）に関して回転可能であり、発電機（１０）に駆動式に接続されるハブ（２）と、を有する。ハブ（２）は、少なくとも１つのブレード（４）を支持する。筐体部分（１）及びハブ（２）は、少なくとも上記発電機を収容するためのキャビティを囲む。熱交換手段（６）は、動作中の上記発電機（１０）によって作られた熱の少なくとも一部を外側に伝達させるために、上記ハブ（２）の外面に設けられている。
2015516528.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
風力タービンの冷却システムであって、
発電機（１０）と、
筐体部分（１）と、
前記筐体部分（１）に対して回転可能であり、前記発電機に駆動式に接続されたハブ（２）であって、当該ハブ（２）が、少なくとも１つのブレード（４）を支持する、ハブと、
を備え、
前記筐体部分（１）及び前記ハブ（２）が、少なくとも１つの前記発電機（１０）を収容するためのキャビティを囲み、
熱交換手段が、動作中の前記発電機（１０）により作られた熱の少なくとも一部を外側に伝達するために、前記ハブ（２）の外面に設けられていることを特徴とする冷却システム。
【請求項２】
前記筐体部分（１）及び回転可能な前記ハブ（２）によって画成された前記キャビティが、外側に対してほぼ密閉されているまたは密閉可能であることを特徴とする請求項１に記載の冷却システム。
【請求項３】
前記熱交換手段が、少なくとも１つのフィン（６）を備え、
前記フィンが、一端部が前記ハブ（２）の外面に取り付けられ、他端部が前記ハブ（２）の外面から径方向に延在し、少なくとも１つの当該フィン（６）の自由端部を形成することを特徴とする請求項１または２に記載の冷却システム。
【請求項４】
少なくとも１つの前記フィン（６）が、前記ハブ（２）の回転軸に関して少なくとも部分的に傾くまたは曲がる直線状または曲線状に前記ハブ（２）の外面に配置されていることを特徴とする請求項３に記載の冷却システム。
【請求項５】
少なくとも１つのフィン（６）が、前記ハブ（２）の外面に配置されており、それにより、前記ハブ（２）に向けられた風が、少なくとも前記風力タービンのあらかじめ定めた動作状態において、ほぼ前記ハブ（２）の軸方向で少なくとも１つの前記フィン（６）に沿って案内されることを特徴とする請求項３または４に記載の冷却システム。
【請求項６】
少なくとも２つの隣接する前記フィン（６）が、設けられ、所定距離だけ前記ハブ（２）の周方向において互いに間隔をあけており、前記所定距離が、風下側において風上側よりも大きいことを特徴とする請求項３から５のいずれか１項に記載の冷却システム。
【請求項７】
前記フィン（６）それぞれが、前記ハブ（２）とは分離しかつ前記ハブ（２）に取り付け可能な構成要素として形成されていることを特徴とする請求項３から６のいずれか１項に記載の冷却システム。
【請求項８】
前記キャビティ内の空気から外側への伝熱率を増大させるために、前記キャビティの内側の空気を循環するための循環装置をさらに備えることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の冷却システム。
【請求項９】
前記キャビティの外側に位置付けられ、熱伝導流体から外側に熱交換する熱交換器（８）をさらに備えることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の冷却システム。
【請求項１０】
前記熱伝導流体が、前記熱交換器（８）にわたって、及び、前記ハブ（２）及び前記筐体部分（１）によって画成された前記キャビティの内側にある熱吸収セクションにわたって、循環されることを特徴とする請求項９に記載の冷却システム。
【請求項１１】
前記熱交換器（８）が、前記筐体部分（１）に位置付けられていることを特徴とする請求項９または１０に記載の冷却システム。
【請求項１２】
前記キャビティの内側にある熱吸収セクションが、前記発電機（１０）内にまたは前記発電機に近接して、好ましくは前記発電機（１０）のステータ内にまたはステータに近接して、形成されていることを特徴とする請求項９から１１のいずれか１項に記載の冷却システム。
【請求項１３】
前記熱交換器（８）が、通路に位置付けられており、
前記通路が、空気力学的配置を備え、それにより、空気が、前記熱交換器（８）を通って押し出されることを特徴とする請求項９から１２のいずれか１項に記載の冷却システム。
【請求項１４】
前記空気力学的配置が、拡散器を有し、前記拡散器には、前記通路へ流入する空気を集中させるための給気ノズルと前記通路から出る空気に吸引効果を与える排気ノズルとが形成されていることを特徴とする請求項１３に記載の冷却システム。
【請求項１５】
前記熱交換器が、前記筐体部分（１）の頂部に取り付けられた頂部セクション（５）に配置され、前記頂部セクションには、当該頂部セクション（５）の構造的構成要素（５１、５２、５３）による通路が形成され、前記頂部セクション（５）が、補助設備を支持するかつ／または保守ステージを提供するステージ（５１）を有することを特徴とする請求項９から１４のいずれか１項に記載の冷却システム。
【請求項１６】
前記発電機（１０）が、外側ロータ及び内側ステータによって形成されており、
前記ロータが、前記ハブ（２）に接続され、
前記ステータが、前記筐体部分（１）の内側に固定して取り付けられていることを特徴とする請求項１から１５のいずれか１項に記載の冷却システム。
【請求項１７】
前記ハブ（２）が、前記ロータの外周部の少なくとも一部を被覆し、
前記フィン（６）が、前記ハブ（２）のうち前記ロータと軸方向で重なる少なくとも表面部分に配置されていることを特徴とする請求項１６に記載の冷却システム。
【請求項１８】
前記発電機（１０）が、制御式かつ能動励磁タイプのロータを備えることを特徴とする請求項１から１７のいずれか１項に記載の冷却システム。
【請求項１９】
発電機（１０）と、筐体部分（１）と、ハブ（２）と、を備え、少なくとも１つのブレード（４）が前記ハブ（２）に取り付けられた風力タービンであって、
当該風力タービンが、前記筐体部分（１）と請求項１から１８のいずれか１項に記載の冷却システムとを支持する塔（３）を有することを特徴とする風力タービン。
【請求項２０】
前記発電機（１０）が、前記ロータ内に、能動かつ制御式励磁のための手段を備え、
前記ロータが、少なくとも２つの別個のセクタにセグメント化可能であるまたは分離可能であり、動作可能なロータを提供するために前記セクタを組み立てることによって取付可能であることを特徴とする請求項１９に記載の風力タービン。
【請求項２１】
大型風力タービンのための同期発電機であって、
当該同期発電機が、径方向外側のロータと、径方向内側のステータ（１０３）と、前記ロータ内で能動的な制御した励磁を行うための手段と、を備え、
前記ロータが、少なくとも２つの別個のセクタ（１０１、１０２）にセグメント化可能であるまたは分離可能であり、動作可能なロータを提供するために前記セクタを組み立てることによって取付可能であることを特徴とする同期発電機。
【請求項２２】
前記セクタ（１０１、１０２）が、ボルトなどによって完成したロータへ取付可能であり、
前記セクタ内のコイルの電気的接続を前記セクタ（１０１、１０２）の組立体内で確立することを特徴とする請求項１９に記載の同期発電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本主題は、一般的に、風力タービンに、特に風力タービンの冷却システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
風力発電設備で採用されるこのような風力タービンは、従来から知られている。風力発電設備の近年の開発では、大型の発電機を有する大型の風力タービンを採用し、それにより、風力発電設備の定格出力を増大させ、風力発電設備の効率を向上させている。風力発電設備の効率性を最適化するため、このような風力タービンは、約１ＭＷ（ｅｌ）以上の定格出力で最適に動作されている。その結果、このような風力タービンで発生する不可避の出力損失を対処しなければならない。このような出力損失は、環境中に伝達されなければならない熱の形態で、発電機内に現れる。
【０００３】
熱を放散／伝達させるため、風力タービンに冷却システムを採用する。このような冷却システムは、風の流れを風力タービンに向けて案内し、この風の流れは、案内される、または、冷却されるこれら構成要素／構成部材を通過させられる。結果として、冷却される構成要素を通過する空気は、加熱され、環境中へ排出される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本主題は、風力タービンの改良型冷却システムに関し、これは、最適化した冷却効率を提供しつつ、風力発電設備の信頼性を維持する。このような冷却システムは、大型風力発電設備で採用され得る。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本主題において、風力タービンの冷却システムは、発電機、筐体部分及びハブを有する。ハブは、筐体部分に対して回転可能である。さらに、ハブ（回転可能ハブと相互に入れ替え可能に称する）は、発電機に駆動式に接続されている。ハブは、少なくとも１つのブレードを支持する。
【０００６】
本主題の一形態において、筐体部分及び回転可能ハブは、少なくとも１つの発電機を収容するためのキャビティを囲む。さらに、熱交換手段は、動作中の発電機によって作られた熱の少なくとも一部を外側環境に伝達するために、ハブの外面に設けられている。
【０００７】
一形態において、筐体部分及び回転可能ハブによって画成されたキャビティは、外側に対してほぼ密閉されているまたは密閉可能である、すなわち、キャビティは、筐体部分及び回転可能ハブに向かう風の流れに関して外側環境に対して開放されていない。さらに、発電機及び他の機器を収容するためのキャビティは、固定構成要素としての筐体部分と、筐体部分に対して回転可能なハブと、によって形成される。
【０００８】
本主題に照らして、ほぼ密閉された配置とは、筐体部分及び回転可能ハブの内側にあるキャビティが常に外側環境に対して完全に閉鎖されていることを意味してはいない。特に、温度差に起因した圧力解放及び／または特有の漏洩を可能とする。しかしながら、密閉配置は、風の流れが風力タービンのキャビティに入るまたはキャビティを通過しないという効果を有し、埃、水などの異物が風力タービンのキャビティに進入することを防止するという結果として生じる効果を有する。
【０００９】
上記コンセプトは、筐体部分及び回転可能ハブによって画成されたキャビティが外側に対して密閉可能であることを含む。これは、本主題に照らして、風力タービン設備の通常動作中において外側環境に対してキャビティがほぼまたは完全に密閉されてもよい一方で圧力解放バルブなどの特有の手段が密閉状態を無効にするために設けられている。
【００１０】
本主題の一形態において、上述した熱交換手段は、少なくとも１つのフィンを有し、このフィンは、その一端部がハブの外面に取り付けられ、他端部がハブの外面から径方向に延在し、少なくとも１つのフィンの自由端部を形成する。フィンは、ハブの外面からほぼ垂直に延在する。
【００１１】
上記形態において、少なくとも１つのフィンは、単純な構造の受動熱伝導器を提供する熱交換器として採用される。風力タービン中のハブが風力タービンに向けられた風の流れに直接さらされる構成要素／構成部材を示すので、すなわち、回転可能ハブ上にこのようなフィンを配置したハブは、フィンの冷却効果を用いた対流に基づいたハブからフィンを介して環境への熱伝導の顕著な増大を招く。
【００１２】
このため、筐体部分及び回転可能ハブによって画成されたキャビティが閉鎖または密閉キャビティである上述した実施形態において、フィンの機能に基づいて、キャビティの内側からハブを通って外側環境に熱を伝達することが可能である。
【００１３】
本主題の別の形態において、少なくとも１つのフィンは、ハブの回転軸に関して少なくとも部分的に傾くまたは曲がる直線状または曲線状にハブの外面に配置されている。ハブが風力タービンの動作中に回転するという事実によって、フィンの配置は、空気の流れの方向において動作に適合されており、この空気の流れは、回転可能ハブの外面にわたって案内される。この特有の配置に起因して、空気の流れは、フィンの表面に沿って通過し、それにより、伝熱率を最適化する。
【００１４】
本主題の別の形態において、少なくとも１つのフィンは、ハブの外面に配置されており、それにより、ハブに向かう風は、風力タービンの少なくともあらかじめ定められた動作状態において、ハブのほぼ軸方向で少なくとも１つのフィンに沿って案内される。
【００１５】
このフィンの配置により、フィンから外側環境への伝熱率は、フィンの表面に沿った接線方向の空気流によって、改善される。風力タービンの主目的は、ハブにかかるトルクに基づいて機械出力を発生させることである。フィンに沿う接線方向の空気流を可能とするこの特有のフィンの配置は、発電機に取り入れられ得るトルクに対するハブの外面にあるフィンの影響を低減する。このため、この配置に基づいて、ハブにおける風の流れ方向に位置合わせされた曲線上または直線上にフィンを配置するので、風の流れは、ハブで得られるトルクへの顕著な影響が小さいまたはない。
【００１６】
本主題のさらに別の形態において、少なくとも２つの隣接したフィンを設けており、風下側において風上側よりも大きい距離だけハブの周方向において互いに離間している。上記形態において、少なくとも２つのフィンは、ハブの外面に設けられている。結果として、ハブに向けられた空気流は、ハブの表面にあるこれら少なくとも２つのフィン間で案内される。ハブの外面に向けられた空気流がその方向を変更するように強制されるという事実によって、この流動の失速は、ハブの外面のあらかじめ定めた位置において発生し得る。このため、少なくとも２つの隣接するフィンは、フィンの風下側において風上側よりも大きい距離だけハブの周方向において互いに離間しており、それにより、境界層における流動速度は、フィン間の通路領域の増大に起因して、ハブに沿うこの流動の途中において減少される。したがって、空気流の失速を低減するまたは排除する。結果として、いわゆる止水領域を低減しまたは排除し、ハブから外側環境への伝熱率を増大させる。さらに、空気流をあまり阻害しないので、ノイズ発生を低減する。このコンセプトは、３つのフィンに適用してもよく、３つのうちの各２つのフィン間の距離は、上述した形態に従っている。フィンの数は、２つ、３つに限定されず、複数のフィンを設けてもよい。
【００１７】
本主題の一形態において、各フィンは、ハブから分離し、ハブに取り付け可能な構成要素として形成されている。このコンセプトによれば、フィンは、別個の構成要素として現場に輸送され、現場でハブの外面に取り付けられてもよく、それにより、このコンセプトのフィンは、輸送の問題を取り入れることなく大型風力タービン設備にも採用され得る。
【００１８】
上記形態において、フィンは、ハブの外面にボルトまたは他の手段によってネジ止めされてもよい。注意すべきことは、ハブの外面からフィン、特にフィンの根部または基部への熱伝導を最適化することである。ハブからフィンへのこのような最適化した熱伝導は、フィンとハブとの間の境界に特有の熱伝導媒体を塗布することによって、及び、ハブの外面とフィンとの間の界面を正確に機械加工することによって、設けられてもよい。
【００１９】
本主題の冷却システムは、キャビティ内の空気から外部空気または環境への伝熱率を増大させるために、キャビティの内側で空気を循環させる循環装置をさらに備えてもよい。発電機の動作に基づいてキャビティ内で作られた熱は、少なくとも部分的に、キャビティの内側にある空気に伝達される。したがって、熱は、筐体部分及びハブに伝達され、それらの中実材料を通って伝導される。さらに、熱は、特に単一のフィンまたは複数のフィンによって、筐体部分及びハブの外面から外側環境に伝達される。キャビティの内側で空気の循環を増大させることは、キャビティの内側にある加熱された空気から筐体及びハブへの伝熱率を増大させる。結果として、循環装置を設けることによって、全体としての冷却効率を増大し得る。
【００２０】
冷却システムは、キャビティの外側に位置付けられ、熱伝導流体から外部空気へ熱交換する熱交換器をさらに備えてもよい。熱伝導流体は、熱交換器を通って、並びに、ハブ及び筐体部分によって形成されたキャビティの内側にある熱吸収セクションを通って、循環され得る。熱交換器は、上記筐体部分に位置付けられてもよい。
【００２１】
そのキャビティの外側に、特に筐体部分の外側に位置付けられた熱交換器を採用することにより、密閉したもしくは密閉可能なまたは少なくとも閉鎖したキャビティを有する配置が可能となり、発電機の効果的かつ安全な動作を確保するための十分な冷却力が提供される。
【００２２】
一形態において、キャビティの内側にある熱吸収セクションは、発電機内にまたは発電機に近接して、例えば発電機のステータ内にまたは発電機のステータに近接して、形成される。発電機の固定構成要素は、放熱体または熱交換器を含む単純な構造に基づいて冷却され得、これら放熱体または熱交換器は、特有の流体により動作される。したがって、冷却システムは、風力タービンに組み合わされた発電機のステータに適用される。
【００２３】
一形態において、熱交換器は、通路内に位置付けられ、通路は、空気力学的配置を備え、それにより、空気は、熱交換器を押し出される。熱交換器に基づいた冷却システムの効率は、熱交換器を通って流動する流体の性質に依存する。すなわち、熱交換器を通って案内されるまたは熱交換器の近くを通過する空気の速度は、その効率を強化する。したがって、上記コンセプトは、熱交換器から熱を伝達するための通路を通過させられる空気流を最適化することによって、全体の冷却システムの効率を強化し、それにより、熱交換器内で循環する流体を冷却する。
【００２４】
一形態において、通路内の空気力学的配置は、拡散器を有し、この拡散器には、通路へ流入する空気を集中させるための給気ノズルと、通路から出る空気に吸引効果を与える排気ノズルとが形成されている。結果として、空気流レート、ひいては通路を通って案内されるこの流動速度は、拡散器設計を用いた空気力学的配置によって、最大化される。
【００２５】
熱交換器は、頂部セクションに配置されてもよく、この頂部セクションには、頂部セクションの構造的構成要素によって通路が形成され、これら構造的構成要素は、補助機器を支持する及び／または保守ステージを提供するステージを有する。したがって、熱交換器を支持するための配置は、複数の機能を有してもよい。
【００２６】
一形態において、風力タービンで使用される発電機は、外側ロータ及び内側ステータによって形成されており、ロータは、ハブに接続され、ステータは、筐体部分の内側に固定して取り付けられている。このコンセプトに基づいて、ロータは、ステータの径方向外側に配置され、ハブに取り付けられている。したがって、ロータで作られた熱は、ハブへの密接接続部で放散され、ハブの外面に設けられた熱交換手段の機能に基づいて外側環境に伝達され得る。
【００２７】
ハブは、例えば、ロータの外周の少なくとも一部を覆い、フィンは、ハブのうちロータと軸方向で重なる少なくとも表面部分に配置される。このコンセプトに基づいて、外側ロータからハブへの伝熱効率を改善し得る。
【００２８】
一形態において、発電機は、ロータ内に制御されたかつ能動的な励磁体を備える。したがって、このコンセプトによれば、発電機は、内側ステータと協働して発電機の動作のための励磁を提供するための手段を有する。知られていることは、この励磁によって、制御したかつ能動的な励磁体を有する発電機のロータがロータ内の顕著な熱量を作ることである。本主題は、発電機によって作られた熱の少なくとも一部を伝達するためにハブの外面に設けられた熱交換手段に基づいたこのようなコンセプトに効果的に適用可能である。
【００２９】
風力タービンの発電機は、そのロータにおける能動的かつ制御された励磁をするための手段を備えてもよく、ロータを少なくとも２つのセクタにセグメント化可能であるまたは分離可能であり、動作可能なロータを提供するためにセクタの組立体によって取付可能である。セグメント化可能であるまたは分離可能であるロータを提供することによって、風力タービンの部品／構成部材の輸送及び配送の最適化を達成できる。特に大型風力タービン設備において、外側ロータは、例えば道路におけるまたは鉄道を介した妥当な輸送のための最大寸法を容易に越えることがある。
【００３０】
本主題は、発電機、筐体部分及びハブを有する風力タービンをさらに提供し、少なくとも１つのブレードは、ハブに取り付けられており、風力タービンは、筐体部分と上述した冷却システムとを支持する塔を有する。さらに、本主題は、特に大型風力タービンのための同期発電機を提供し、同期発電機は、径方向外側のロータと、径方向内側のステータと、ロータ内にあり、能動的かつ制御された励磁のための手段と、を備える。上記同期発電機のロータは、少なくとも２つの分離したセクタにセグメント化可能であるまたは分離可能であり、動作可能なロータを提供するためにセクタの組立体によって取付可能である。
【００３１】
セクタは、ボルトまたは同等手段によって完成したロータへ取付可能であり、セクタのコイルの電気的接続を上記セクタの組立体内で確立する。
【００３２】
いくつかの従来の風力タービンにおいて、風の流れが、放散される熱量の少なくとも一部を吸収するために筐体部分に進入し、空気を外側環境に排出することを可能とすることによって、その動作中に発電機によって作られた熱を外側環境に放散する。したがって、このような従来技術の風力タービンにおいて冷却媒体として採用された空気は、筐体部分の内側空間をと通過することが可能とされ、これにより、水及び異物は、空気と共に筐体部分に進入できる。この結果、発電機など筐体部分の内側にある構成要素を損傷する危険性を増大させる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本主題にかかる一実施形態の冷却システムを有する風力タービンを示す図である。
【図２】図１の風力タービンを示す側面図である。
【図３】図１の風力タービンを示す前面図である。
【図４】図１の風力タービンを示す後面図である。
【図５Ａ】一実施形態にかかる風力タービンに適用可能な内側ステータ及び外側ロータによって形成された発電機を示す図である。
【図５Ｂ】一実施形態にかかる風力タービンに適用可能な内側ステータ及び外側ロータによって形成された発電機を示す図である。
【図５Ｃ】一実施形態にかかる風力タービンに適用可能な内側ステータ及び外側ロータによって形成された発電機を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
以下、本主題を特有の実施形態に基づいて説明する。注意することは、実施形態の説明が本主題を説明するためのものであることである。本主題は、図示し、説明したような実施形態に限定されない。
【００３５】
図１は、本主題の一実施形態にかかる冷却システムを有する風力タービンを示す。風力タービンは、本主題にかかる筐体部分を形成するナセル１を備える。さらに、ナセル１の前方には、ハブ２が配置されている。ハブ２は、ナセル１に回転可能に取り付けられている。本実施形態において、３つのブレード４は、ハブ２の外周に等角度距離で配置されている。ナセル１の頂部には、以下で詳述する頂部セクション５が配置されている。
【００３６】
図２は、本主題の一実施形態にかかる塔３に支持されたナセル１を示す。塔３は、ハブ２及び塔３の長手方向軸回りで回転可能な他の機器と共にナセル１を支持する。風力タービンは、風の流れをハブ２に向けるように配置されており、ハブ２の回転軸は、ほぼ水平方向とされている。ハブ２の回転軸を若干傾けてもよく、それにより、この回転軸は、風力タービンの動作中の風の流れとは反対方向において、上方に若干傾けられている。ナセル１は、塔３の長手方向軸回りに回転可能であり、それにより、回転軸を現在の風向に合わせる。
【００３７】
本実施形態において、複数のフィン６は、ハブ２の外面に設けられている。図１は、各対のブレード４間にある３つのフィン６を示す。フィン６は、ハブ２の所定領域からナセル１に向けられた後側まで延在する。フィン６は、ハブ２の外面において直線または曲線で取り付けられており、ハブ２のうちハブ２の前端部に近接して位置付けられた軸方向位置から出発し、風の流れの方向に沿って延在する。フィン６の特有の設計及び形状を後述する。
【００３８】
発電機１０は、ハブ２の内側に取り付けられている。図１では、発電機１０をハブ２によって隠しており、発電機１０の位置を矢印で示す。発電機１０、特にそのロータが配置されているハブ２の軸方向部分は、矢印９によって示された直線で示されている。発電機１０のロータは、この実施形態において、この直線とナセル１への移行部におけるハブ２の軸方向後方端部との間に位置する。本実施形態において、発電機１０は、内側ステータと外側ロータとによって形成された同期発電機で示されている。すなわち、ステータは、固定部材としてナセル１に取り付けられている一方、ロータは、ステータの外周で回転可能に保持されている。ハブ２は、発電機１０のロータに駆動式に取り付けられている。
【００３９】
上述した頂部セクション５は、側方部材５２及びステージ５１のような構造部材を頂部に備える。側方部材５２及びステージ５１の内側には、通路が形成されており、この通路は、底部部材５３によってさらに画成されている。通路の内側には、後述する熱交換器８が配置されている。
【００４０】
以下において、大型風力タービンの発電機を冷却する基本要件を説明する。どんなタイプの発電機も、出力損失を受ける。このような出力損失は、熱の形態で作られる。熱は、外側環境に伝達されなければならず、それにより、発電機の構成部材が特有の温度を超えることを防止する。
【００４１】
外側にロータがあるタイプの発電機において、特有の熱量は、ロータ内で作られる。これは、永久磁石システムと同期発電機のうち能動的に励磁された外側ロータとに付与される。永久磁石システムに対する要求が増大している結果として、外側ロータを採用する高効率な同期発電機の特有の要求を引き起こす。
【００４２】
本主題にしたがって、筐体部分としてのナセル１とハブ２とは、ケーシングを形成する。このケーシングは、キャビティを形成し、このキャビティは、外側環境に対して閉塞されているまたは封止されている。この配置は、発電機１０の電気部品及びロータのためのベアリングシステムのような重要な構成要素を収容し得る閉鎖空間を形成する。ハブ２及びナセル１には、特有のラビリンス型シールまたはパッケージングが設けられており、それにより、ハブ２の形態にある回転可能部材を提供しつつ、ナセル１及びハブ２の内側のキャビティを十分な閉塞状態で維持する。このような配置により、風力タービンのケーシングの内側にある構成部材の耐用年数を増大させ、保守要求を低減する。さらに、水や埃などの異物が風力タービンの内側空間に入ることを防止するという事実によって、簡素化した配置を採用できる。実施形態は、ラビリンス型シールに限定されず、ケーシングまたはキャビティの十分な閉塞状態を達成する限り、任意のタイプの封止システムをハブ２とナセル１との移行領域に配置してもよい。
【００４３】
発電機１０の出力損失に起因して作られた熱を取り扱うため、本実施形態は、ハブ２の外面にある特有の熱交換手段を採用する。図１から図３に示すように、フィン６は、ハブ２の外面に設けられている。ナセル１及びハブ２によって閉じられた内側空間から外側への熱伝導は、ハブ２の内側及び外側の対流とハブ２を形成する材料を通した熱伝導とによって、可能となる。ハブ２の外面にあるフィン６は、内側から外側環境への熱伝導速度を増大させることに寄与する。結果として、ハブ２及びナセル１によって形成されたまたは画成された閉鎖または封止キャビティを形成することが可能となる一方、発電機１０により作られた熱は、受動要素を示すフィン６によって外側環境に伝達され、この受動要素は、制御または保守を必要としない。風力発電に適用される発電機１０の出力損失が出力に依存し、この出力が風の状態に依存するという事実によって、この実施形態の受動システムは、特有の利点を提供する。すなわち、風速が速い状態では、キャビティから外側環境に伝達される熱量が大きい。このような状態において、特にフィン６を用いて、ハブ２を通って伝達される熱量は、大きい。風速が遅い状態では、キャビティから外側環境に伝達される熱量が低い。このような状態では、フィン６の伝熱率が十分である。
【００４４】
図１に示すように、フィン６は、ハブの外面において直線上にまたは曲線上に配置されており、このハブは、ハブ２の回転軸に関して傾けられているまたは曲げられている。この実施形態の特有の配置において、フィンが配置される曲線は、ハブ２の回転運動及びハブ２の表面における風の流れを考慮して、ハブ２の表面に案内される風の流れが基本的にフィン６の側面に接するようになっている。結果として、フィン６は、フィン６の側面がハブ２のトルクを減少させるまたはトルクの影響を弱めることがないように配置されており、このトルクは、ロータのブレード４の影響により作り出される。したがって、フィン６は、この特有の設計に起因して、風力タービンの定格出力を少なくとも著しくは低減させない。もちろん、フィン６をハブ２に取り付ける直線の曲線は、幾何形状のみに言及しており、実際のフィン６は、フィン６の幅方向において特有の張出部を有する特有の領域に取り付けられている。
【００４５】
図１に示すように、３つのフィン６は、一対のブレード４間に設けられている。フィン６間の間隔または距離、すなわち、一対のフィン６は、後述のように特有の態様で構成されている。各対のフィン６間には、距離が設けられており、それにより、フィン６は、風上側において風下側よりも小さい距離で間隔があけられている。すなわち、２つのフィン６間の距離は、風力タービンの後方側において、前方側よりも大きい。この配置に基づいて、ハブ２の表面で案内される流動空気の速度は、ハブ２にわたって流動する途中で減少され、そのため、空気流の失速を低減する、または排除できる。結果として、空気流は、ハブの表面及びフィン６の表面に近接して維持される。この配置は、ハブ２にあるフィン６によって形成された熱交換手段の伝熱率をさらに増進する。図１及び図２に示すように、フィン６は、軸方向において、特有の領域から後側すなわち風下側におけるハブ２の端部までハブ２上に延在する。図１に示すように、発電機１０の外側ロータがハブ２の内周に設けられているという事実によって、フィン６をロータよりも軸方向で長い距離延在させることによって、フィン６に基づく熱交換手段の伝熱率を増進することが可能である。
【００４６】
図３は、風力タービンを前面図で示す。フィン６は、テーパ状素子として示されており、これらテーパ状素子は、上述のように、曲線または直線上に取り付けられている。風力発電設備の空気力学を最適化するため、フィン６がハブ２の外面から延在する高さは、フィン６の全軸方向長さにおいて一定ではなく、むしろ、その軸方向端部において徐々に低減されている。
【００４７】
本主題の一実施形態において、能動冷却システムを採用しており、この能動冷却システムは、流体駆動式の熱伝導システムに基づいている。図１に示すように、頂部セクション５は、熱交換器８を備える。熱交換器８は、オイルなどの流体を冷却するように構成されており、この流体は、この熱交換器８を通過する。流体は、一側においてこの熱交換器にわたって、ケーシングの内側にある熱吸収セクションにわたって循環し、このケーシングは、ハブ２及びナセル１によって形成されている。この熱吸収セクションは、例えば発電機１０のステータ内にまたはステータに近接して設けられた放熱体または熱交換器によって形成されている。代替例として、発電機１０のステータには、ステータを直接冷却するための通路が設けられてもよい。
【００４８】
図１に示すように、熱交換器８は、頂部セクション５に形成された通路に設けられており、この頂部セクションは、側方部材５２及びステージ５１並びに底部セクション５３によって構成されている。この通路内の熱交換器８は、風の流れに基づいた空気流が給気ノズルに起因して集中される領域に配置されており、この給気ノズルは、特有の形態の側方部材５２及び底部セクション５３に基づいた低減された横断面領域によって形成される。この通路の端部において、排気口には、増大した横断面領域が形成されており、それにより、拡散器は、通路内に形成され、この通路は、この通路を通って空気流を案内することに寄与し、それにより、熱交換器８の冷却率を増大させる。
【００４９】
この冷却システムで使用される流体は、ポンプによって運ばれ、ケーシング内側の熱交換器８及び熱吸収セクションにわたって循環する。
【００５０】
気体−液体タイプの熱交換器８を有する通路に基づいたこのようなシステムにおける伝熱率が風速に依存するという事実により、伝熱率は、常に、風速と熱の形態で形成された相対出力損失に基づいた適切な比率にある。
【００５１】
さらに、ハブ２及びナセル１によって形成された閉鎖または密閉キャビティの内側における能動空気流を形成できる。この能動流動は、キャビティの内側にあるファンなどによって実現されてもよく、それにより、キャビティの内側空気からハブ２及びナセル１を形成する材料への伝熱率を増大させる。
【００５２】
本主題は、風力発電設備に関して特に有利であり、この風力発電設備は、外側のロータ及び内側のステータを有する能動・制御式同期発電機を採用する。このような場合において、ロータ、特にそのコイル内の能動励磁は、対処されなければならない熱発生量の増大を招く。したがって、ハブ２の外面にある交換手段を用いたシステムは、非常に効果的である。さらに、上記改良型実施形態にかかる頂部セクション５にある熱交換器８を用いた補完型流体ベース冷却システムは、さらに、ハブ２及びナセル１によって形成されたケーシングの内側にある閉鎖または密閉キャビティを用いた特有の設計を可能とする。結果として、この相乗効果は、温度制御に関して配置の簡素化及び安全性の増大をもたらす。さらに、このような風力タービンの耐用年数は、閉鎖ケーシングに起因して増大する一方、水及び異物の進入を防止する。
【００５３】
さらに、通路の内側で熱交換器８を支持する頂部セクション５は、位置表示灯及び保守装置のような追加の器具のために使用されてもよい。したがって、全体システムは、大型風力タービンを冷却するための完全に新規のコンセプトを提供し、この冷却システムの一部のセクションは、さらなる目的のために有用である。
【００５４】
図５Ａ、図５Ｂ及び図５Ｃは、別の実施形態の発電機を示す。図５Ａは、外側のロータ及び内側のステータ１０３によって形成された発電機を示す。図５Ｂに示すように、外側ロータは、２つのセクタ１０１及び１０２にセグメント化可能であるまたは分離可能である。図５Ａ及び図５Ｂにおいて、内側ロータ１０３は、完成した構成要素として示されている。外側ロータは、ボルトによってインタフェース１０４に取り付け可能であり、それにより、完成したロータを提供する。
【００５５】
上記実施形態において、このような発電機の最大構成部材を形成する外側ロータは、少なくとも２つのセクションにセグメント化可能であり、それにより、輸送に関する制限を低減する。外側ロータは、同期発電機用の能動・制御式ロータであり、セクション１０１及び１０２のインタフェースにおいて電気系を接続するための手段を有する。さらに、ボルトによってセクタを取り付けるための手段が設けられており、それにより、外側ロータは、輸送後に建設側で取り付けられてもよい。セクタの数を要件に合わせてもよく、それにより、セクタの輸送を最適化する。特に、セクタの数は、２つより多い、例えば３つ、４つ以上であってもよい。
【００５６】
すでに述べたように、セグメント化可能であるまたは分離可能である同期発電機の外側ロータの上記コンセプトは、独立しており、もちろん上記で規定した冷却コンセプトにとって必須ではない。むしろ、本主題の上記冷却コンセプトは、永久磁石式発電機、上述した同期発電機、変速機を介して風力タービンのロータに結合された発電機、内側ロータまたは外側ロータを有する発電機、を含む任意のタイプの発電機システムに適用してもよい。さらに、上述したような数は、限定的ではなく、本主題の効果を実現できる限り、任意数のブレードまたはフィンを採用してもよい。
【符号の説明】
【００５７】
１  筐体部分，ナセル、２  ハブ、３  塔、４  ブレード、５  頂部セクション、６  フィン、８  熱交換器、１０  発電機、５１  ステージ、５２  側方部材、５３  底部部材，底部セクション、１０１，１０２  セクタ，セクション、１０３  内側ロータ，ステータ、１０４  インタフェース
【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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【国際調査報告】
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