(57)【要約】      （修正有）【課題】信頼性を向上させた発電機システムおよび風力発電システムを提供する。【解決手段】固定子と、固定子に対向して配置される回転子と、第１の構造物１８と第１の構造物１８に設けられている第１のアンテナ１６と、第１の構造物１８に対向して配置され、かつ、回転子と共に回転する第２の構造物１９と、第２の構造物１９に設けられ第１のアンテナ１６と通信する第２のアンテナ１７と、を有する。第１のアンテナ１６及び第２のアンテナ１７は、第１の構造物１８及び第２の構造物１９が対向する部位２１に配置され、対向する部位２１は、端部が開口する開口部２２と連通しており、対向する部位２１と開口部２２が異なる方向に伸びている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定子と、
前記固定子に対向して配置される回転子と、
第１の構造物と、
前記第１の構造物に設けられている第１のアンテナと、
前記第１の構造物に対向して配置され、かつ、前記回転子と共に回転する第２の構造物と、
前記第２の構造物に設けられ第１のアンテナと通信する第２のアンテナと、
前記第１のアンテナ及び前記第２のアンテナは、前記第１の構造物及び前記第２の構造物が対向する部位に配置され、
前記対向する部位は、端部が開口する開口部と連通しており、
前記対向する部位と前記開口部が異なる方向に伸びていることを特徴とする発電機システム。
【請求項２】
請求項１に記載の発電機システムであって、
前記第１の構造物及び前記第２の構造物が金属であることを特徴とする発電機システム。
【請求項３】
請求項１に記載の発電機システムであって、
前記開口部は前記第１の構造物と前記第２の構造物の間に形成されることを特徴とする発電機システム。
【請求項４】
請求項１または３に記載の発電機システムであって、
前記第１のアンテナと第２のアンテナが前記回転子の回転軸に対して略並行に対向して配置されることを特徴とする発電機システム。
【請求項５】
請求項１または３に記載の発電機システムであって、
前記第１のアンテナと第２のアンテナが前記回転子の前記回転軸に対して略垂直に対向して配置されることを特徴とする発電機システム。
【請求項６】
請求項５に記載の発電機システムであって
前記対向する部位の前記第１のアンテナと第２のアンテナの対向面に平行な方向長さが、前記第１のアンテナと前記第２のアンテナが通信する際の波長の1/2以下であることを特徴とする発電機システム。
【請求項７】
請求項１または６に記載の発電機システムであって
前記開口部の開口端における開口長が、波長の1/4以下であることを特徴とする発電機システム。
【請求項８】
請求項１または７に記載の発電システムであって、
前記対向する部位のうち前記第１のアンテナと前記第２のアンテナが、信号強度がピークとなる位置に配置されていることを特徴とする発電機システム。
【請求項９】
請求項１または８に記載の発電機システムであって、
冷却風をガイドする傾斜面を有する構造物を備えることを特徴とする発電機システム。
【請求項１０】
請求項１または９に記載の発電機システムであって、
前記回転子は回転子巻線を有し、前記回転子巻線に電気的に接続される電力変換器を備え、
前記電力変換器は前記第１のアンテナから前記第２のアンテナへ通信される信号を用いて制御されることを特徴とする発電機システム。
【請求項１１】
請求項１０に記載の発電機システムであって、
前記固定子を第１の固定子とし、前記第１の固定子は第１の固定子巻線を有し、前記回転子を第１の回転子とし、前記第１の回転子は第１の回転子巻線を有し、
更に前記第１の固定子とは異なる第２の固定子と、
前記第２の固定子に対向して配置される第２の回転子と、
前記第２の固定子は第２の固定子巻線を有し、前記第２の回転子は第２の回転子巻線と、
前記電力変換器は、前記第１の回転子巻線及び前記第２の回転子巻線に電気的に接続されていることを特徴とする発電機システム。
【請求項１２】
固定子と、
前記固定子に対向して配置される回転子と、
第１のアンテナと、
前記回転子と共に回転し、前記第１のアンテナと通信する第２のアンテナと、
前記第１のアンテナと前記第２のアンテナが対向する部位と連通し、端部が開口する開口部を備え、
前記対向する部位と前記開口部が異なる方向に伸びていることを特徴とする発電機システム。  
【請求項１３】
風を受けて回転するロータと、
前記ロータの回転に伴って発電運転する請求項１〜１２に記載の発電機システムとを備えることを特徴とする風力発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は発電機システムまたは風力発電システムに関するものであり、特に、発電機内部に電力変換器を備えている発電機システムまたは風力発電システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球温暖化防止のため風力発電或いは太陽光発電等のような自然エネルギーを利用した発電システムが注目を浴びている。この中で、風力を利用した風力発電システムでは、発電装置として交流励磁式発電機を使用する例が多い。
【０００３】
風力発電システムの発電装置として交流励磁式発電機を使用する場合、運転中は、回転している回転子内の回転子巻線に励磁電力を供給する必要がある。通常は、回転子巻線に電力を供給するために、スリップリング及びブラシを設け、回転するスリップリングにブラシを接触させて通電するようにしている。
【０００４】
しかし、風力発電システムにおいて発電運転を行うためのエネルギーは大きく、発電運転を行う上での励磁電力供給用にスリップリング及びブラシを設けると、ブラシの摩耗が進んでしまうため、定期的なメンテナンスが必要となる。
【０００５】
ところが、風力発電システムでは、交流励磁式発電機は風車のタワー上にあるナセル内に設置されており、定期的なメンテナンスは、ナセル内という限られた空間内で行う必要があり、ブラシレス化などのメンテナンス軽減が求められていた。
【０００６】
ブラシレスの交流励磁式発電機として、例えば、特許文献１に記載された技術がある。特許文献１には、固定子巻線を有する固定子と、回転子巻線を有すると共に、該固定子の内径側に間隙を設けて配置される回転子と、更に第２の固定子巻線を有する第２の固定子と、第２の回転子巻線を有すると共に、該第２の固定子の内径側に間隙を設けて配置される第２の回転子とを有する第２の発電機と、前記回転子巻線及び前記第２の回転子巻線に電気的に接続される電力変換器とを備え、前記回転子の回転時には、前記電力変換器は回転する様に配置されていることが記載されている。これにより、第２の発電機を介して、第１の発電機の回転子に電力を供給できるようになり、ブラシレス化が可能となる。
また、前記回転する回転変換機に制御信号を送るためには、無線通信が必要となる。回転体との無線通信として、例えば、特許文献２や特許文献３に記載された技術がある。特許文献２には、回転子と、前記回転子と相互作用して回転子を回転させる固定子と、前記回転子の回転を制御する制御装置とを有する回転電機であって、前記回転電機は、前記回転子の表面または内部に設置されたＲＦ−ＩＣチップと、前記ＲＦ−ＩＣチップに接続もしくは一体化されたセンサ素子と、前記ＲＦ−ＩＣチップに対向する位置に設けられ、前記ＲＦ−ＩＣチップおよびセンサ素子への電力供給と情報の送受信を非接触で行う信号の読取発信機とを有し、前記制御装置は前記読取発信機より得られた情報により回転電機を制御することができる回転電機が記載されている。
【０００７】
また、特許文献３には、回転子と、固定子と、回転子および固定子を収容し、前記回転子が固定子内で回転自在に保持されるように固定子を支持する筺体と、回転電機の物理量を検出するセンサと、物理量を送信するアンテナと、を備える回転電機が記載されている。これにより、前記物理量は通信制御部によって取得することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開2013-110801号公報
【特許文献２】特開2010-88164号公報
【特許文献３】ＷＯ2014-125725
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１に記載する発電機においては、運転条件に合わせ制御するために、電力変換器は外部から指令情報を受信、あるいは運転状況の情報を送信する必要がある。そこで、電力変換器が回転しているため、特許文献２・３に記載の様な情報の伝達のための無線による通信が有効である。そのため、発電機筺体内にアンテナを設ける必要がある。電力変換器の制御信号を伝搬する無線通信は、発電機が回転中においても均一な電波強度で通信することが望まれる。
【００１０】
本発明は上述の点に鑑みなされたもので、その目的とするところは、信頼性を向上させた発電機システムを提供すること、また信頼性を向上させた風力発電システムを提供することにある。 
【課題を解決するための手段】
【００１１】
以上の課題を解決するための本発明は、本発明に係る発電機システムでは、固定子と、前記固定子に対向して配置される回転子と、第１の構造物と前記第１の構造物に設けられている第１のアンテナと、前記第１の構造物に対向して配置され、かつ、前記回転子と共に回転する第２の構造物と、前記第２の構造物に設けられ第１のアンテナと通信する第２のアンテナと、前記第１のアンテナ及び前記第２のアンテナは、前記第１の構造物及び前記第２の構造物が対向する部位に配置され、前記対向する部位は、端部が開口する開口部と連通しており、前記対向する部位と前記開口部が異なる方向に伸びていることを特徴とする。  
また、本発明に係る風力発電システムは、風を受けて回転するロータと、前記ロータの回転に伴って発電運転する上記発電機システムとを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、信頼性を向上させた発電機システムを提供することが可能になる。また、信頼性を向上させた風力発電システムを提供することも可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の発電機システムの実施例１に関するものであり、発電機システムの概要を示す断面図である。
【図２】本発明の実施例１に関し、アンテナ部の拡大図である。
【図３】本発明の実施例２に関し、アンテナ部の拡大図である。
【図４】本発明の実施例３に関し、アンテナ部の拡大図である。
【図５】本発明の実施例３に関し、アンテナ部の拡大図である。
【図６】本発明の実施例４に関し、アンテナ部の拡大図である。
【図７】本発明の実施例４に関し、アンテナ部の拡大図である。
【図８】本発明の実施例４に関し、アンテナ部の拡大図である。
【図９】本発明の発電機システムを採用した風力発電システムを示す概略構成図である(実施例５)。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図示した実施例に基づいて本発明の発電機システム及び風力発電システムを説明する。以下、各実施例では発電機の回転子内に電力変換器を収納する内容について説明する。なお、各実施例において、同一構成部品には同符号を用いて説明する。下記はあくまでも実施例であって本発明の実施態様が下記具体的態様に限定されることを意図する趣旨ではない。
【実施例１】
【００１５】
図１に、本発明の発電機システムの実施例１を示す。なお、以下に説明する主発電機と補助発電機は、いずれもその固定子と回転子の間隙が径方向に形成されるラジアルギャップ方式の発電機を一例として例示している。また、電力変換器は、電圧形方式の電力変換器を例にして説明している。
【００１６】
該図に示す如く、本実施例の発電機システム１は、電力系統に発電電力を送るための発電機として働く第１の発電機である主発電機２と、運転条件により励磁機と発電機の２つの働きをする第２の発電機である補助発電機３と、主発電機２及び補助発電機３と電気的に接続される電力変換器４とを備える。
【００１７】
主発電機２は、主発電機固定子５と、この主発電機固定子５の内径側に所定の間隙を設けて対向して配置される主発電機回転子６と、主発電機固定子５に設けられているスロット内に例えば短節巻にて二層に巻回される三相の主発電機固定子巻線７と、主発電機回転子６内に設けられているスロット内に例えば全節巻にて二層に巻回される三相の主発電機回転子巻線８とから構成されている。なお、三相の主発電機固定子巻線７及び三相の主発電機回転子巻線８は、電気的に１２０°間隔で配置されている。
【００１８】
また、補助発電機３も同様に、補助発電機固定子９と、この補助発電機固定子９の内径側に所定の間隙を設けて対向して配置される補助発電機回転子１０と、補助発電機固定子９に設けられているスロット内に例えば短節巻にて二層に巻回される三相の補助発電機固定子巻線１１と、補助発電機回転子１０内に設けられているスロット内に例えば全節巻にて二層に巻回される三相の補助発電機回転子巻線１２とから構成されている。なお、三相の補助発電機固定子巻線１１及び三相の補助発電機回転子巻線１２は、電気的に１２０°間隔で配置されている。
【００１９】
電力変換器４は、主発電機回転子巻線８及び補助発電機回転子巻線１２に電気的に接続されている。
【００２０】
上述した主発電機２と補助発電機３は、運転モードが異なる。具体的には、主発電機２は常に発電運転をするが、補助発電機３は回転速度により、励磁機として運転する場合と、発電機として運転する場合がある。主発電機２及び補助発電機３は、（電力変換器４を介して）回転子巻線に励磁電力を供給することで発電運転する交流励磁式発電機である。
【００２１】
一方、上記電力変換器４は、主発電機２に電気的に接続されている電力変換器と、補助発電機３に電気的に接続されている電力変換器とにより構成されている。また、主発電機２に電気的に接続されている電力変換器と補助発電機３に電気的に接続されている電力変換器は、電気的に直流で接続されている。これにより各電力変換器は、それぞれＡＣとＤＣを変換するだけで足りる。
【００２２】
また、上述した主発電機２と補助発電機３及び電力変換器４は、回転軸１３に機械的に接続されている。
【００２３】
図１の電力変換器４は、主発電機２の内径に配置される。これは、一般に主発電機の方がトルクが大きくなるため、体格も大きく、電力変換器４を内蔵するスペースを広く確保できるためである。しかしながら、補助発電機３の内径に配置してもよく、主発電機２の内径と補助発電機３の内径に分けて配置してもよい。
【００２４】
また、主発電機２、補助発電機３、及び電力変換器４を冷却するための冷却風１４は補助発電機３側から入力し、電力変換器４を通った後、主発電機２側から排出することが好ましい。これは、一般に補助発電に比べ、主発電機側のほうが損失が大きくなるためであり、これにより、最も冷却の条件が厳しい電力変換器に比較的温度の低い冷却風を当てることができる。
【００２５】
ここで、運転条件に合わせ制御するために、電力変換器４は外部から指令情報を受信したり、運転状況の情報を送信する必要がある。そこで、電力変換器４が回転しているため、情報の伝達に無線による通信が有効である。そのため、発電機筺体１５内にアンテナを設ける必要がある。
【００２６】
図２にアンテナ部の拡大図を示す。固定側アンテナ１６と回転側アンテナ１７は、固定側構造物１８と回転側構造物１９とにより形成された空間２０の内、固定側構造物１８と回転側構造物１９が対向する面（対向部２１）に、配置されている。電力変換器４は第１のアンテナ１６から第２のアンテナ１７へ通信される信号を用いて制御されている。また、本実施例では対向部２１が回転子８の回転軸１３に対して略垂直に配置されている。さらに、対向部は、少なくとも一端が開口している面（開口部２２）に接続されており、対向部２１と開口部２２は異なる方向に伸びている。対向部２１は、開口部２２と連通している。アンテナに着目すれば、第１のアンテナ１６と第２のアンテナ１７が対向する部位と、端部が開口する開口部が連通していると言える。ここでいう異なる方向としては、対向部２１と開口部２２の成す角が９０度以下であることが望ましい。これにより、対向部２１内において、導波管と同様な電波伝搬がなされるため、回転中においても、均一な電波強度で通信することが可能となるため、固定側構造物１８、回転側構造物１９が無い場合に比べ、通信の信頼性が向上する。また、開口部２２により、通信用の電波の空間からの漏れを減少することができるため、通信の信頼性が向上する。ここで、電波の漏れを防止する観点から、開口部の間隙（開口端における開口長）を1/4波長以下とすることが好ましい。1/4波長以下の隙間とすることで、電波から見て隙間が実質ない様になる。よって、電波が通信空間から漏れることを効果的に防止できる。また、第１の構造物１８及び第２の構造物１９は金属であることが望ましく、特に、鉄やコバルトといった磁性材料が好ましい。構造物が磁性材料であることにより、対向部外からの余計な電波の干渉を防ぐことが可能となる。
【００２７】
なお、本実施例においては説明の便宜上、対向部と開口部と言う用語を導入しているが、両者が別の部材から形成されなければならない訳ではなく、一体の部材として形成してもよい。無論、両者を別の部材から形成し、機能毎に分離することも可能である。
【００２８】
また、無線通信により伝搬された制御信号等は、回転軸の内部を通る信号用ケーブルにより、電力変換器に伝搬される。
【実施例２】
【００２９】
実施例１では、固定側アンテナ１６と回転側アンテナ１７の通信面を回転軸と略垂直としたが、図３に示すように、固定側アンテナ１６と回転側アンテナ１７の通信面を回転軸と略平行になるように、固定側構造物２３と回転側構造物２４を設けてもよい。つまり２つのアンテナの対向部２１が回転子の回転軸１３に対して略並行に配置されている。これにより、実施例１に比べ回転側アンテナ１７がより回転子内径に配置されるため、回転側アンテナ１７に加わる遠心力を低減でき、さらに、回転側アンテナ１７と回転軸１３が近くなるため、回転軸内部にある信号用ケーブルと接続しやすくなり、配線を簡易化できる。尚、実施例１の対向部２１の場合でも回転軸１３に近ければ遠心力の低減は図れるが、略並行に配置した方が容易に遠心力を低減した形での配置が可能である。
【実施例３】
【００３０】
図４、図５に本発電機システムの第３実施例を示す。
【００３１】
図４のように対向部２１のアンテナが配置されている部位の長さLを通信に用いる波長λの1/2以下とすることが好ましい。これにより、通信用信号の信号強度がピークとなる位置が、通信用空間の中央となり、この位置に合わせアンテナを配置すれば通信の信頼性が向上するため、アンテナ配置の検討が容易になる。ここで、高さの上限値はないが、高さが大きくなるほど、電波強度の分布が複雑となり、アンテナの配置や設計が困難となる。よって、通信空間の高さはλ/2以下が好ましく、これより大きなる場合は、可能な限り小さくするほうが良い。
【００３２】
また、図５に示すように、Lがλの1/2より大きい場合は、信号強度がピークとなる位置が通信用空間の中央からずれるため、信号強度がピークとなる位置に合わせアンテナを配置することが好ましい。具体的には、信号強度がピークとなる位置をアンテナが含むようにするのが良い。
【実施例４】
【００３３】
図６〜図８に本発電機システムの第４実施例を示す。本実施例では、回転側構造物２５または固定側構造物２６の少なくとも一方が冷却風をガイドする傾斜面を備える。
【００３４】
図６に示すように、開口端から離れる方向に傾斜部を持つ回転側構造物２５を用いてもよい。これにより、構造物が冷却風のガイドとなり、冷却効率が向上する。
【００３５】
同様に、図７のように、開口端から離れる方向に傾斜部を持つ固定側構造物２６や、図８のように、開口端から離れる方向に傾斜部を持つ回転側構造物２５と開口端から離れる方向に傾斜部を持つ回転側構造物２６の両方を用いても同様の効果がある。
【００３６】
なお、実施例４では、傾斜部と構造物と一体として説明したが、また別の部材を設けることも可能である。
【実施例５】
【００３７】
図９に、本発明の発電機システムを風力発電システムに適応した実施例５を示す。
【００３８】
該図に示す如く、本実施例の風力発電システムは、風を受けて回転するロータ２７と、このロータ２７に増速機２８を介して接続される本発明の発電機システム２９と、この発電機システム２９を内部に収納するナセル３０と、ナセルを支持するタワー３１とを備え、主発電機３２と補助発電機３３は、ロータ２７の回転力により回転すると共に、主発電機固定子巻線と補助発電機固定子巻線は、電力系統３４側に接続されているものである。つまり、風を受けて回転するロータ２７と、ロータ２７の回転に伴って発電運転する前述に記載の発電機システム２９とを備える風力発電システムである。
【００３９】
これにより、ロータ２７が受けた風のエネルギーを発電機システム２９が電気エネルギーに変換し、電力系統３４に送電することができる。
【００４０】
このような本実施例によれば、上述した発電機システムを採用しているので、通信の信頼性が高く、制御信号の誤りなどによる発電機のトリップが少なくなくなり、発電機の稼働率が向上する。
【００４１】
なお、電力変換器３５と並列に保護装置３６を設けても良い。これにより、系統故障時に加わる過大な電力から、電力変換器３５を保護できる。また、増速機２８を失くしたギアレスシステムに本発明を適用しても良い。
【００４２】
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かり易く説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成を置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
【符号の説明】
【００４３】
１…発電機システム、２…主発電機、３…補助発電機、４…電力変換器、５…主発電機固定子、６…主発電機回転子、７…主発電機固定子巻線、８…主発電機回転子巻線、９…補助発電機固定子、１０…補助発電機回転子、１１…補助発電機固定子巻線、１２…補助発電機回転子巻線、１３…回転軸、１４…冷却風、１５…発電機筺体、１６…固定側アンテナ、１７…回転側アンテナ、１８、２３…固定側構造物、１９、２４…回転側構造物、２０、２１、２２…通信用空間、２５…一部を回転軸に対し斜めにした回転側構造物、２６…一部を回転軸に対し斜めにした固定側構造物、２７…ロータ、２８…増速器、２９…発電機システム、３０…ナセル、３１…タワー、３２…主発電機、３３…補助発電機、３４…電力系統、３５…電力変換器。３６…保護装置。
【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５】
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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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