(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
風力装置のための低速回転同期発電機であって、
ロータと、
該ロータの周囲を取り囲み、少なくとも１つの三相電流巻線を有するステ−タと、
フィルタとを備え、
該フィルタはコンデンサ、インダクタ及びダンピング抵抗を含み、
前記コンデンサ、インダクタ及びダンピング抵抗は恒常的にステ−タに接続され、少なくとも、容量性電流のステ−タへの印加、又は容量性電流による発電機の励磁電力の一部分の生成のいずれかを行ない、
前記フィルタは発電機の後段に接続する整流器に高調波電力を供給する
ことを特徴とする同期発電機。
【請求項２】
前記同期発電機は三相発電機であり、ステ−タ電流を供給するとともに励磁電流を低減するコンデンサ及びフィルタ回路のうちの少なくともいずれかがステ−タ巻線の個々の相の導体間に設けられたことを特徴とする請求項１記載の同期発電機。
【請求項３】
ステ−タ内に誘導される電圧は、電圧―時間関係図において、実質的に台形波形を有することを特徴とする請求項１または２に記載の同期発電機。
【請求項４】
ステ−タ巻線は、互いに３０°だけずれた少なくとも２つの三相電流システム（三相巻線）を含むことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一に記載の同期発電機。
【請求項５】
発電機は恒久的に励磁された発電機であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一に記載の同期発電機。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれか一に記載の同期発電機を含む風力装置。
【請求項７】
前記同期発電機はリング発電機であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか一に記載の同期発電機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（技術分野）
本発明は同期発電機に関する。
【０００２】
（背景技術）
低速で回転する電気機器、例えば、エネルコン（Enercon）社によるタイプＥ−３３、Ｅ−４０、Ｅ−１２、Ｅ−６６の風力装置において使用されるようなリング発電機は、非常に大きな励磁電力を必要とする。この点において、必要な励磁電力は極数、広がる空隙、無効電力のレベルによって上昇する。
【０００３】
上記のタイプのリング発電機は例えば７２極または８４極の極数を有する。風力の領域用の直接駆動発電機の効率は、１日において２４時間可能な限り稼動したときのように、できるだけ高くすべきである。
【０００４】
例えばエネルコン社のＥ−６６タイプのような風力装置のための低速で動作する発電機は、１０ｒｐｍ〜２２ｒｐｍの回転速度範囲で作動する。そのようなリング発電機は例えば７２極（３６極対）を持つように構成され、これによって６Ｈｚ〜１３．２Ｈｚの周波数を生成する。
【０００５】
そのようなリング発電機は、その巻線によって励磁電力を発生させるロータと、ロータをとり囲むステ−タとを有する。この点に関し、コンデンサによる、無効電力における補償、または、ステ−タの過補償は、前述の様に周波数が非常に低速であることから、非常に高価となる。
【０００６】
コンデンサ電流は一般に次式で計算される。
ｉc＝Ｃ・ｄｕ／ｄｔ
【０００７】
この点において、正弦波電圧に関し、次式のコンデンサ電流が得られる。
ｉc＝Ｕ・２・π・ｆ・Ｃ
【０００８】
それゆえコンデンサ電流は、電圧、コンデンサの容量および印加された周波数によって決定される。
【０００９】
（発明の開示）
（発明が解決しようとする技術的課題）
この点に関し、例えば６〜１３．２Ｈｚの発電周波数により、従来の５０又は６０Ｈｚの周波数と比較して、望ましくない小さなコンデンサ電流のみが存在する。その正弦波コンデンサ電流は、実際には、有効電流に対して９０°ずれた位相を含むが、１８０°の範囲を超えたそれぞれの場合で流れ、そのような状況によりステ−タ巻線中の銅損が増加する。
【００１０】
ＤＥ４２１８２９８は、永久励磁発電システムを開示する。その文献において、同期発電機は、永久励磁同期発電機の出力電圧により調整可能な回転磁界と、電圧検出器により検出された電圧を、電圧設定装置により設定可能な基準電圧と比較するコンパレータとを有している。
【００１１】
ＵＳ−Ａ−５７７３９６４は、自動車の発電機に対する調整システムを開示する。
【００１２】
本発明の目的は、前述のタイプの直接駆動型発電機の効率を改善すること、および、前述の課題を回避することにある。
【００１３】
（その解決方法）
本発明によれば、前述の目的を達成するために、請求項１に記載の特徴を有する低速回転同期発電機を提供する。従属請求項に有利な展開を示している。
【００１４】
（発明を実施するための最良の形態）
本発明は、発電機の一部の励磁電力が、従来の様にロータ（すなわち、その巻線）のみによって印加されるのではなく、発電機すなわちその三相巻線によってもまた印加されるという技術的なアプローチに基いている。
【００１５】
この場合、好ましくは、ステ-タは容量性電流によって励磁される。
この場合、ステ-タに含まれる電圧は、その形状が正弦波ではなく、台形の特性を示す（図３参照）。そして、台形状の電圧によって、容量性のコンデンサ電流は、次式にしたがい電圧の正または負の側の期間だけ流れる。
ｉc＝Ｃ・ｄｕ／ｄｔ
【００１６】
そのような状況で発生する電流パルスは、１００Ｈｚ〜１８０Ｈｚ間、好ましくは１３０Ｈｚの周波数である。それにより結果として、正弦波電圧が含まれる場合よりも約１０だけ高い電流振幅が与えられる。
【００１７】
本発明に係る発電機の更なる大きな利点は、容量性電流が、振幅の半分の全体における最初の時点で流れることである。このことは、１００％の容量性電流が、ロータにより減少し得る励磁電流に対応することを意味する。さらに、その電流は、巻線を流れる高い負荷電流がまだないときにのみ、ステ−タ巻線を流れる。発電機のステ−タは、三相巻線を有する三相電流巻線を（少なくとも）２つ持つよう設計されるのが好ましい。その構成において、それらの三相電流巻線は位相角３０°だけずらして配置される（図５）。
【００１８】
その構成により、次の位相が３０°後毎に新たな振幅で始る。図６は３６０°の範囲でのその関係を示す。
【００１９】
図７は、２つの三相電流システムのステ-タにおける容量性励磁電流を時間軸と関連付けて示した図である。コンデンサによって３０°電気角毎に、新しい電流パルスが生成されている（図５参照）。このフィルタは、それが、整流器が必要とする、オーバーシュート（高調波）によって必要とされる電流に加え、発電機のステ-タに対する容量性電流のピークを与えるように設計される。
【００２０】
本発明の構成の利点は、励磁電力がロータのみによって生成される従来の発電機との比較により示される。励磁電力がロータのみによって生成される従来の構成では、約２０％の誘導損失がある。このことは、Ｐ＝ｉ2・Ｒ（１００％＋２０％＝１．２）の式から、１．２2の損失を意味する。原則として、従来の発電機においては、損失成分を避けることはできない。なぜならば、極片を互いに無限の距離間隔で置くことはできず、磁気損失が１つの極片から直接他の極片へ極部品間の空隙を介して達する限り、互いに並置された極部品により２０％の損失が生ずるからである。
【００２１】
しかしながら、もし、ステ-タにより励磁電力が生成されれば、励磁電力が生じたその部分においてはそのような損失はもはや生じない。このことは、ステ-タにより生成された励磁電力の部分が電力に対して１００％寄与することをまた意味している。それゆえ、ロータの励磁電力は全体において、いくらか低減され、それにより、その損失がないために、損失成分がステ-タの励磁電力により低減する。しかしながら、ロータからの励磁電力の低減により、漂遊インダクタンスがまた低減され、それにより従来の２０％の損失成分がもう一度低減される。
【００２２】
図８は同期機械及び後段に接続されたインバータを有する風力装置のブロック図である。
【００２３】
図９は、容量性ネットワークが簡単な三相電流システムの巻線に対して星型ポイント回路で接続された、本発明による風力装置のブロック図である。
【００２４】
本発明による構成のさらなる利点は図１４において見られる。図１４は発電機の送信された電力に関連した必要な励磁電流を示す。上側の曲線はフィルタがないときの電力需要を示す。約２０％低減された励磁電流に対する下側の曲線は、本発明による構成の実施を示す。
【００２５】
２０％の励磁電流の削減により、極ホイールまたはロータ中の励磁電力を約３６％より少なくする。それは、ロータの電力損失における大きな削減を表している。その方法により、発電機の電力を増加させることが可能となる。定格速度である約２０ｒｐｍの発電機の場合、構造的なサイズを決定するのは、第一に回転速度であり、故に、ｄΦ／ｄｔまたは空隙におけるインダクションＢである。その方法で、以前の発電機の定格電力は、エネルコン社のＥ−６６タイプ（定格電力１．５ＭＷ）の風力装置の場合と同様に１８００ｋｗまでに増加し得る。
【００２６】
図１は、整流器が接続された三相電流システムを有する発電機（同期機械ＳＭ）を示す。３つのコンデンサからなるデルタ回路を含む容量性ネットワークが三相導電システムに接続されている。電圧ＵGが三相巻線のそれぞれの導体に印加される。図２に示すように、正弦波導体電圧によって位相がずれた正弦波電流Ｉcが生ずる。
【００２７】
図３は台形波電圧とコンデンサ電流を示す。図４は、電流−時間図において、コンデンサ電流Ｉcの構成、及び負荷電流ＩLの構成を示す。
【００２８】
図５は少なくとも２つの三相電流システムを含んだ同期発電機（リング発電機）の構造を示す。三相電流システムのそれぞれは３つの三相電流巻線を有する。三相電流システムの双方は互いに約３０°だけずらされている。その点は図１０、図１１にも示されている。図１０は、本発明による低速回転同期発電機の部分の断面図である。この場合ロータはステ−タ内で回転する。
【００２９】
さらに（図１１を参照して）、ステ−タ中に、２つの独立した三相電流巻線Ｕ1、Ｖ1、Ｗ1とＵ2、Ｖ2、Ｗ2とがある。これにより発電機の電力が、三相電流システムのそれぞれが定格電力の５０％のみを占めるように、両三相電流巻線（三相電流システム）に送られる。三相電流システムの双方は電気角で３０°だけずらされており、これによって電気的にまた機械的（空間的）に互いに孤立させられる。このことは、リアクタンスＸDが約２倍であり、短絡電流が半分であることを意味する。これは、三相電流システムにおいて起こり得る短絡において、半分だけの短絡電力が発生し得ることに利点を有する。これにより、最大短絡時間（例えばＵ1とＶ1間の二相の短絡）において、その技術状態によるシステム構成で５０％の削減を可能とする。
【００３０】
図１１は、ステ−タのより広い範囲に対する別の三相電流システムの個々の位相の構成の簡単な概略図である。
【００３１】
図１２は、本発明（ロータ→ステ−タ）による発電機における磁束を示した図である。この構成では、磁束はロータの極ヘッドから溝の間のステ−タまで均一に流れる。
【００３２】
図１３は、本発明の同期発電機を有する風力装置ポッドの断面図である。この場合、発電機ロータは、風力装置のロータに対してフランジ取りつけされ、発電機ロータと風力装置ロータはトラニオン上に支持される。したがって、風力装置ロータは、トランスミッションなしで、シャフトなしで、同期発電機のロータに直接接続される。発電機ロータは、トラニオンに直接フランジ取りつけされた発電機ステ−タ内に配置される。トラニオンは、その上に取りつけられた駆動トレイン全体のように、発電機のそばに、マシーン支持部によって保持される。
【００３３】
発電機の２つの三相電流巻線の構成により、ステ−タ巻線の場合に生ずる短絡トルクを、最大でも定格トルクの４倍、このマスクは２倍に常に制限する手段がある。短絡トルクを常に定格トルクの２倍より小さくできる。発電機ロータはダンピングケージまたはダンピング巻線なしで設計することができる。
【００３４】
本発明の構成が恒久的に励磁された発電機に関しても適用することが認められるであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】  整流器が接続された三相電流システムを有する発電機（同期機械ＳＭ）を示した図である。
【図２】  正弦波導体電圧によって生ずる位相がずれた正弦波電流Ｉcを示した図である。
【図３】  台形波電圧とコンデンサ電流を示した図である。
【図４】  電流−時間図において、コンデンサ電流Ｉcの構成、及び負荷電流ＩLの構成を示した図である。
【図５】  少なくとも２つの三相電流システムを含んだ同期発電機（リング発電機）の構造を示す。
【図６】  ３６０°の範囲での相電圧の関係を示した図。
【図７】  ２つの三相電流システムのステ-タにおける容量性励磁電流を時間軸と関連付けて示した図である。
【図８】  同期機械及び後段に接続されたインバータを有する風力装置のブロック図である。
【図９】  容量性ネットワークが簡単な三相電流システムの巻線に対する星型ポイント回路に接続された、本発明による風力装置のブロック図である。
【図１０】  本発明による低速回転同期発電機の部分の断面図である。
【図１１】  ステ−タのより広い範囲に対する別の三相電流システムの個々の位相の構成の簡単な概略図である。
【図１２】  本発明（ロータ→ステ−タ）による発電機における磁束を示した図である。
【図１３】  本発明の同期発電機を有する風力装置ポッドの断面図である。
【図１４】  発電機の送信された電力に関連した必要な励磁電流を示した図である。
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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