(57)【要約】【課題】発電機の幾何学形状を侵害することなく、少なくとも１つのステータ歯部のひずみの測定を可能とし、当該ひずみに基づく、可聴の狭帯域音、並びに発電機の寿命への悪影響を抑制する。【解決手段】本発明は、ロータ（１３４）と、ステータ歯部（１４２、１４２ａ、１４２ｂ）を有するステータ（１３２）と、少なくとも１つのステータ巻線を受容するためにステータ歯部の間に配設された溝部（１６２）とを含む、電流を発生させる、特に風力発電装置（１００）の発電機（１３０）に関し、この際、ステータ（１３２）の少なくとも１つのステータ歯部（１４２ａ）の変位を測定するための測定装置（１６０）が、発電機（１３０）と接続して設けられており、この際、測定装置（１６０）は、ひずみゲージとして構成されている少なくとも１つの測定ユニット（１７０）と接続されている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロータ（１３４）と、ステータ歯部（１４２、１４２ａ、１４２ｂ）を有するステータ（１３２）と、少なくとも１つのステータ巻線を受容するために前記ステータ歯部の間に配設された溝部（１６２）とを含む、電流を発生させる、特に風力発電装置（１００）の発電機（１３０）であって、
測定装置（１６０）が、前記ステータ（１３２）の少なくとも１つの前記ステータ歯部（１４２ａ）の変位を測定するために、前記発電機（１３０）と接続して設けられており、前記測定装置（１６０）は、ひずみゲージとして構成されている少なくとも１つの測定ユニット（１７０）を有するように構成されていること
を特徴とする発電機。
【請求項２】
前記測定ユニット（１７０）は、電気的なひずみゲージ又は光学的なひずみゲージとして構成されていること
を特徴とする、請求項１に記載の発電機（１３０）。
【請求項３】
前記測定装置（１６０）は、前記測定ユニット（１７０）により発生された信号の変化から前記ステータ歯部（１４２ａ）の変位を測定するように構成されていること
を特徴とする、請求項１又は２に記載の発電機（１３０）。
【請求項４】
前記測定ユニット（１７０）は、前記ステータ（１３２）と前記ロータ（１３４）の間の空隙において、接線方向に延在し、直接的に又は間接的に隣接する２つの前記ステータ歯部（１４２ａ、１４２ｂ）に張り渡されるように配設されていること
を特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の発電機（１３０）。
【請求項５】
前記測定ユニット（１７０）は、前記ステータ歯部（１４２ａ、１４２ｂ）の間の前記溝部（１６２）により互いに離間されて配設された支持要素（１６４）上に配設されている光学的な導波路部分（１６６）を含むこと
を特徴とする、請求項４に記載の発電機（１３０）。
【請求項６】
ブラッグ格子（１６８）を有する前記光学的な導波路部分（１６６）は、直接的に又は間接的に隣接する前記ステータ歯部（１４２ａ、１４２ｂ）の間で実質的に中央に位置決めされていること
を特徴とする、請求項５に記載の発電機（１３０）。
【請求項７】
少なくとも２つの前記光学的な導波路部分（１６６）は、支持要素（１６４）を用い、隣接する前記ステータ歯部（１４２ａ、１４２ｂ）上に配設されており、前記光学的な導波路部分（１６６）は、前記溝部に対して異なる配向を有し、特に前記溝部に対して４５°又は−４５°で回転された配向を有すること
を特徴とする、請求項５又は６に記載の発電機（１３０）。
【請求項８】
前記測定装置（１６０）は、前記発電機のトルクを測定するように構成されていること
を特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載の発電機（１３０）。
【請求項９】
前記発電機は、同期発電機として、非同期発電機として、又は二重給電式非同期発電機として構成されていること
を特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載の発電機（１３０）。
【請求項１０】
ロータ（１３４）と、ステータ歯部（１４２）を有するステータ（１３２）と、ステータ巻線を受容するために前記ステータ歯部の間に配設された溝部（１６２）とを含む、電流を発生させる、風力発電装置（１０１）の発電機（１３０）、特に請求項１〜９のいずれか一項に記載の発電機（１３０）のための測定装置（１６０）であって、
前記測定装置（１６０）は、前記ステータ（１３２）の少なくとも１つの前記ステータ歯部（１４２ａ）の変位を測定するために、前記発電機（１３０）と接続して設けられており、前記測定装置（１６０）は、ひずみゲージとして構成されている少なくとも１つの測定ユニット（１７０）を有すること
を特徴とする測定装置。
【請求項１１】
発電機（１３０）における、請求項１０に記載の測定装置（１６０）の使用、特に請求項１〜９のいずれか一項に記載の発電機（１３０）における、請求項１０に記載の測定装置（１６０）の使用。
【請求項１２】
ロータ（１３４）と、ステータ歯部（１４２、１４２ａ）を有するステータ（１３２）と、ステータ巻線を受容するために前記ステータ歯部の間に配設された溝部（１６２）とを含み、電流を発生させる、特に風力発電装置（１０１）の発電機（１３０）を運転するための方法であって、
ひずみゲージとして構成された少なくとも１つの測定ユニット（１７０）を有する測定装置（１６０）が、前記ステータ（１３２）の少なくとも１つのステータ歯部（１４２ａ）の変位を測定するために、発電機と接続して稼働され、前記測定ユニット（１７０）により検知された、少なくとも１つの前記ステータ歯部（１４２ａ）の変位を表す測定値が、前記測定装置（１６０）により評価されること
を特徴とする方法。
【請求項１３】
少なくとも１つの前記ステータ歯部（１４２ａ）において測定された変位に依存し、前記発電機（１３０）の励磁電流が制御されること
を特徴とする、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
請求項１０に記載の測定装置（１６０）を含む、請求項１〜９のいずれか一項に記載の発電機（１３０）を備えた風力発電装置（１０１）であって、
前記発電機（１３０）は、請求項１２に記載の方法により運転可能である風力発電装置。
【請求項１５】
風力発電装置（１０１）を運転するための方法であって、
発電機（１３０）は、ひずみゲージとして構成されて前記発電機（１３０）のステータ（１３４）とロータ（１３２）の間の空隙に配設された少なくとも１つの測定ユニット（１７０）の測定値に基づいて制御又は調整されること
を特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロータと、ステータ歯部を有するステータと、少なくとも１つのステータ巻線を受容するためにステータ歯部の間に配設された溝部とを含む、電流を発生させる、特に風力発電装置の発電機に関する。更に本発明は、発電機のための測定装置に関する。更に本発明は、発電機を運転するための方法に関する。更に本発明は、風力発電装置、並びに風力発電装置を運転するための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
風力発電装置は、一般的に知られており、風力発電装置は、発電機を用いて風から電流を発生させる。発電機としては、本発明により、特に同期発電機、好ましくは環状発電機（リングジェネレータ）、非同期発電機、又は二重給電式非同期発電機として理解されるべきである。
【０００３】
下記特許文献１は、電動機が駆動される場合に、ステータ歯部に生じる変形に依存する量を検知する、電動機のためのトルク推定装置を開示し、この際、ステータ歯部は、ステータの構成部分である。トルク推定装置は、ステータ歯部に生じる変形に依存する検知された量に基づき、電動機により発生されるトルクの量を推定する。
【０００４】
下記特許文献２は、巻線ヘッドを備えたロータと、ステータ積層鉄心と、ロータとステータの間ないし巻線ヘッドとステータの間の空隙と、空隙を画定する面部の状態を検知するための監視装置とを含む、電気機械に関し、監視装置は、ロータに取り付けられた導体と、導体に接続されたエネルギー源と、導体内のエネルギーの流れを検知するための検知器とを含んでいる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】WO 2015/002153 A1
【特許文献２】DE 10 2011 105 427 A1
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
空気力学的ロータは、その用途に従い、風により回転運動され、それにより発電機の電気機械的ロータを駆動する。従って発電機の磁極ホイールは、発電機のステータに対して相対回転される。ステータに対する磁極ホイールの相対回転によりステータには電流が発生され、それにより風の運動エネルギーが電気エネルギーに変換される。
【０００７】
個々のステータ歯部と、通過運動するロータ磁極の間に生じる磁気的な相互作用は、磁力をもたらす。この磁気的な相互作用は、ステータ歯部に対する力を生じさせ、この力は、ステータ歯部、並びに発電機の支持構造体の変位（位置ずれ Auslenkung）及び／又は変形（Verformung）をもたらす。この変位又は変形は、可聴の狭帯域音を生じさせることになり、このことは、環境に対する余分な負荷であるとされる。それに加え、この周期的な変形は、発電機の寿命に影響を及ぼすことになる。
【０００８】
従って、本発明の課題は、上記問題点の少なくとも１つに対処することである。特には、発電機の幾何学形状に干渉することなく、少なくとも１つのステータ歯部の変位（ひずみ）の測定が可能とされるべきである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に従い、請求項１に記載の発電機が提案される。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、発明を実施するための形態について説明する。
【００１１】
本発明による発電機は、特に同期発電機、非同期発電機、又は二重給電式非同期発電機とすることができる。同期発電機の一例は、この際、他の同期発電機を含めて他の発電機も本発明により使用可能であるが、風力発電装置の多極式同期環状発電機である。そのような風力発電装置の多極式同期環状発電機は、多数のステータ歯部（ステータティース）、特に少なくとも４８個のステータ歯部を有し、多くの場合は、特に９６個のステータ歯部のようにそれよりも明らかに多くのステータ歯部、又は更に多くのステータ歯部を有する。同期発電機の磁気的にアクティブな領域、即ち回転子と称することもできるロータ（電気機械的ロータ）と、ステータの双方の磁気的にアクティブな領域は、同期発電機の回転軸線の周りで環状領域に配設されている。
【００１２】
ステータは、歯部と、それらの歯部の間に配設された溝部とを備えている。溝部は、１つのステータ巻線、又は複数のステータ巻線を受容し、それによりステータ巻線は、溝部を通ってステータ歯部の周りに配設される。
【００１３】
所定の測定装置が、ステータの少なくとも１つのステータ歯部の変位（変位量）を測定するために、発電機と接続して設けられており、この際、測定装置は、ひずみゲージ（帯状伸び測定ゲージ）として構成されてロータとステータの間の空隙に配設されている少なくとも１つの測定ユニットと接続されている。磁気的な相互作用により生じるステータ歯部の変形は、伸び（ひずみ）を表す信号を発生させ、該信号は、測定ユニットから、測定ユニットと信号技術的に接続された測定装置に転送される。例えば、空気力学的ロータ、通常ではそのロータブレード、又は発電機構造体、即ち鋼材構造で製造された要素において配設されている加速度センサを用いたトルクの測定と異なり、機械的なエネルギーが電気的なエネルギーに変換される場所で発電機の空隙において変位の測定が行われる。このようにして電気機械的なエネルギー変換が直接的に測定可能である。
【００１４】
更なる利点は、ひずみゲージとして構成されて空隙に配設された測定ユニットは、磁力に起因しない特に機械的な振動により影響を受けることはないということにある。更にひずみゲージは、省スペースで低コストである。このことは、少なくとも１つの測定ユニットを既存の発電機に後付けすることも可能にする。ひずみゲージを用い、ステータ歯部に作用する磁力による個々のステータ歯部の変位を測定することが可能であり、この際、少なくとも１つの測定ユニットを配設するために磁気的にアクティブな部分を何らかの方式で変更する必要はない。
【００１５】
それに加え、少なくとも１つの測定ユニットは、電気的なひずみゲージ又は光学的なひずみゲージとして構成されていることが可能である。光学的なひずみゲージの使用は、光学的なひずみゲージにより発生された測定信号が電磁場により影響されないという利点を有する。更に光学的なひずみゲージは、光学的なファイバラインを用いて信号技術的に測定装置に接続されている。このことは、配線の省スペースの敷設を可能とし、それは、光学的なファイバラインの使用により、異なる基本波長の多数のセンサが互いに接続可能であるためである。更に測定装置の配設は、発電機に対して大きな間隔をもって行うことができる。電気的なひずみゲージは、光学的なひずみゲージと比べ、幾つかの実施形態において、層厚がより薄いという利点を有し、このことは、ロータとステータの間の空隙における取り付けにおいて有利である。
【００１６】
更に測定装置は、測定ユニットにより発生された信号の変化からステータ歯部の変位を測定するように構成されていることが可能である。測定ユニットの信号から測定装置により測定された変位は、発電機の制御及び運転監視のために援用されることが可能である。特に少なくとも１つのステータ歯部の変位の時間的な変化を測定装置により測定することができる。
【００１７】
測定ユニットは、ステータとロータの間の空隙において、接線方向（tangential）に延在し、直接的に又は間接的に隣接する少なくとも２つのステータ歯部に張り渡されるように配設されている。この配設は、ロータの回転面（ロータのステータに指向する即ち空隙に面する回転面）に投影して見ると、直接的に又は間接的に隣接する２つのステータ歯部においてロータの回転面内で行われ、それによりステータ歯部の接線方向の変位を検知することができる。間接的に隣接するステータ歯部は、これらのステータ歯部の間にある少なくとも１つのステータ歯部により互いに離間されている。直接的に隣接するステータ歯部に張り渡される配設構成は、通常は、比較的高い信号対雑音比を提供する。この際、測定ユニットの延在部分は、ロータの回転面内にあるか、又は軸方向における成分を含むことも可能である。軸方向成分により、接線方向の変位に加え、ステータ歯部の軸方向の変位を検知することが可能である。
【００１８】
光学的なひずみゲージとして構成された測定ユニットは、好ましくはステータ歯部の間の溝部により互いに離間されて配設された支持要素上に配設されている光学的な導波路部分を含んでいる。支持要素は、好ましくは、材料厚が僅かな板状要素である。支持要素は、好ましくは、非磁性で非導電性の材料を有するか、或いはそのような材料から成る。この際、支持要素は、比較的硬質の材料から構成されるべきであろう。それぞれの支持要素の配設は、有利には、少なくとも溝部により離間されているそれぞれ互いに隣接するステータ歯部上で行われる。間接的に隣接するステータ歯部、つまり少なくとも１つの更なるステータ歯部により互いに離間している２つのステータ歯部を橋渡しする測定ユニットの配設を提案することもできる。光学的な導波路部分は、その自由端部を用いてそれぞれの支持要素上に位置固定される。支持要素の利点は、例えば、特に支持要素の高さに基づき、溝部閉鎖ウェッジに対してないしステータ歯部の表面に対して間隔があるということにあり、それにより光学的な導波路部分が自由に振動するように配設されている。測定ユニットの光学的な導波路部分は、少なくとも、隣接する両方のステータ歯部の間に延在する溝部に張り渡されている。測定ユニットの光学的な導波路部分は、支持要素を利用することなく、隣接するステータ歯部の１つのステータ歯部の表面上に配設されていることも可能である。
【００１９】
好ましくは、光学的な導波路部分は、少なくとも１つのブラッグ格子（ブラッググレーティング）を有する。ブラッグ格子を有する光学的な導波路部分は、変位が検知されるべき隣接するステータ歯部の間で実質的に中央に位置決めされている。これらのステータ歯部の間にある溝部は、一般的に、ステータ歯部の表面よりも奥に僅かに引っ込んでいる溝部閉鎖ウェッジにより覆われている。従ってブラッグ格子を含んだ光学的な導波路部分の所定部分は、隣接するステータ歯部の間で自由に振動するように配設されていることが可能である。ブラッグ格子は、多数の反射箇所を有し、これらの反射箇所は、互いに同じ間隔で光学的な導波路部分に書き込まれている。ステータ歯部の変形により表わされる光学的な導波路部分のひずみは、反射箇所の間隔を変化させる。これらの反射箇所により構造的干渉（構造的に規定された干渉）をもって反射される光の波長は、今やこれらの反射箇所の間隔に依存する。従ってひずみにより反射ピークの波長が変化する。
【００２０】
本発明の有利な更なる一構成は、光学的な導波路部分を有する少なくとも２つの測定ユニットが、隣接するステータ歯部上に配設されており、それらの光学的な導波路部分は、それらの光学的な導波路部分が張り渡された溝部に対して例えば４５°又は−４５°の角度で回転された配向を有することを提案する。この際、少なくとも２つの測定ユニットの配設、ないしそれぞれの支持要素の配設は、ステータの軸方向において互いにずらされて行われ、このことは、隣接するステータ歯部の接線方向の変位と、軸方向の変位の双方の評価を可能にする。勿論、測定ユニットの他の配設構成、特に互いに異なる角度を用いる配設構成、及び／又は２つよりも多くの測定ユニットを用いる配設構成も、想定可能である。
【００２１】
光学的な導波路部分が張り渡された溝部に対して４５°の配向を有する少なくとも２つの測定ユニットの配設は、支持要素の実質的にｘ字形状の配置により行われる。この際、少なくとも２つの測定ユニットの光学的な導波路部分は、交差する。
【００２２】
溝部に対して−４５°の配向を有する配設構成は、光学的な導波路部分の実質的にｖ字形状の配設により達成される。この配設構成において、測定ユニットの光学的な導波路部分は、接触せず、又は交差しない。
【００２３】
溝部に対して所定の角度で傾斜した配向を用いて２つの隣接するステータ歯部に少なくとも２つの測定ユニットを配設することは、接線方向の変位と軸方向の変位の双方を測定することを可能にする。この際、特に導波路部分の間の好ましい角度により、測定ユニットの両方の信号の合計は、ステータ歯部の接線方向の変位のための尺度であり、それらの差は、ステータ歯部の軸方向の変位のための尺度である。他の角度は、場合により三角法の換算を要求する。
【００２４】
また、有利な構成では、比較的多数の測定ユニットを、例えば、異なるステータ歯部、及び／又は軸方向におけるステータ歯部の両端部に設けることが可能である。
【００２５】
更に、測定装置は、回転モーメント（トルク）を測定するように構成されていることが可能である。
【００２６】
発電機は、同期発電機として、非同期発電機として、又は二重給電式非同期発電機として構成されていることが可能である。これらの構造形式の発電機は、それらが空隙により互いに離間されているステータとロータを有すること、及びロータとステータの間の磁気的な相互作用に基づき、例えばステータ歯部において変位が発生することがあり、これらの変位が非所望で可聴の騒音をもたらすということで共通している。
【００２７】
本発明により、更に、請求項１〜９のいずれか一項により構成されている発電機を備えた風力発電装置が提案される。
【００２８】
更に、本発明により、電流を発生させる、特に風力発電装置の発電機、特に請求項１〜９のいずれか一項に記載の発電機のための測定装置が提案される。当該発電機は、ロータと、ステータ歯部を有するステータと、ステータ巻線を受容するためにステータ歯部の間に配設された溝部とを含み、この際、測定装置は、ステータの少なくとも１つのステータ歯部の変位を測定するために、発電機と接続して設けられている。この際、測定装置は、ひずみゲージとして構成されている少なくとも１つの測定ユニットを有する。特に少なくとも１つの測定ユニットは、光学的なひずみゲージとして構成されている。
【００２９】
更に、本発明により、発電機における、請求項１０に記載の測定装置の使用、特に請求項１〜９のいずれか一項に記載の発電機における、請求項１０に記載の測定装置の使用が提案される。
【００３０】
更に、本発明により、ロータと、ステータ歯部を有するステータと、ステータ巻線を受容するためにステータ歯部の間に配設された溝部とを含み、電流を発生させる、特に風力発電装置の発電機を運転するための方法が提案され、この際、ひずみゲージとして構成された少なくとも１つの測定ユニットを有する測定装置が、ステータの少なくとも１つのステータ歯部の変位を測定するために、発電機と接続して稼働され、この際、測定ユニットにより検知された、少なくとも１つのステータ歯部の変位を表す測定値が、測定装置により評価される。
【００３１】
この際、発電機において、ステータ歯部の少なくとも１つのステータ歯部において測定された変位に依存し、発電機の励磁電流、又は発電機において引き出される電流を制御することが可能である。それに加え、発電機の寿命を推定可能とするために、測定装置により測定された少なくとも１つのステータ歯部の変位、好ましくは複数のステータ歯部の変位を援用することもできる。更に、当該変位の測定は、空隙内の電磁場の均一性についての推定を可能にする。
【００３２】
更に、本発明により、請求項１０に記載の測定装置を含む、請求項１〜９のいずれか一項に記載の発電機を備えた風力発電装置が提案され、この際、発電機は、請求項１２に記載の方法により運転される。
【００３３】
更に、本発明により、風力発電装置を運転するための方法が提案され、この際、発電機は、ひずみゲージとして構成されてステータとロータの間の空隙に配設された少なくとも１つの測定ユニットの測定値に基づいて制御又は調整される。
【００３４】
本発明の更なる実施形態は、図面に基づいて詳細に説明される複数の実施例から得られる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】一風力発電装置を示す図である。
【図２】一同期発電機の模式的な側面図を示す図である。
【図３】１つの測定ユニットを含んだ測定装置を有するステータの模式的な部分図を示す図である。
【図４】２つの測定ユニットを含んだ測定装置を有するステータの模式的な部分図を示す図である。
【図５】両方の測定ユニットが実質的にｖ字形状に配設された図４による測定装置を有するステータの模式的な部分図を示す図である。
【図６】ひずみと時間のグラフを示す図である。
【図７】隣接するステータ歯部の差分変位の経過曲線のグラフを示す図である。
【図８】２つの隣接するステータ歯部の変位について測定された経過曲線のグラフを示す図である。
【実施例】
【００３６】
図１は、本発明による一風力発電装置１００の模式図を示している。風力発電装置１００、タワー１０２と、タワー１０２上にナセル１０４を有する。ナセル１０４には、３つのロータブレード１０８と１つのスピナ１１０を備えた空気力学的ロータ１０６が設けられている。空気力学的ロータ１０６は、風力発電装置１００の運転時には風により回転運動され、それにより空気力学的ロータ１０６と直接的に又は間接的に結合されている発電機のロータ（電気機械的ロータ）又は回転子も回転させる。電気的な発電機は、ナセル１０４内に配設されており、電気エネルギーを発生させる。ロータブレード１０８のピッチ角度は、それぞれのロータブレード１０８のロータブレード付根部におけるピッチモータにより変更可能である。
【００３７】
図２は、同期発電機１３０として構成された一発電機を模式的に側面図として示している。同期発電機１３０は、ステータ１３２と、ステータ１３２に対して回転可能に備えられた電気機械的ロータ１３４とを有し、そのステータ１３２を用いてジャーナル（軸頸部）１３６により機械支持体１３８に固定されている。ステータ１３２は、ステータ支持体１４０と、ステータ積層鉄心として構成されたステータ歯部（ステータティース）１４２とを有し、これらのステータ歯部１４２は、同期発電機１３０のステータ磁極を構成し、ステータリング１４４を用いてステータ支持体１４０に固定されている。
【００３８】
電気機械的ロータ１３４は、ロータ磁極片（ロータポールシュー）１４６を有し、これらのロータ磁極片１４６は、ロータ磁極を構成し、ロータ支持体１４８と軸受１５０によりジャーナル１３６上に回転軸線１５２の周りで回転可能に支持されている。幅狭の空隙１５４だけが、ステータ積層鉄心ないしステータ歯部１４２と、ロータ磁極片１４６を離間させ、空隙１５４は、数ｍｍの厚さ、特に６ｍｍ未満の厚さであるが、数メートルの直径、特に４ｍよりも大きい直径を有する。
【００３９】
ステータ歯部１４２とロータ磁極片１４６は、それぞれ環状部材（リング）を構成し、共同で環状でもあり、従って同期発電機１３０は、環状発電機（リングジェネレータ）である。用途に従い、同期発電機１３０の電気機械的ロータ１３４は、空気力学的ロータ１０６（図１）のロータハブ１５６と共に回転し、図２では、空気力学的ロータ１０６のうち、ロータブレードの連結部１５８だけが示唆されている。
【００４０】
図３に記載の図面は、測定装置１６０を備えたステータ１３２（図２）の模式的な部分図を示している。この模式的な部分図は、電気機械的ロータ１３４（図２）の回転面（電気機械的ロータの回転周面）の方を指向するステータ１３２の円周面（即ち空隙１５４に面する面）であって、ステータ１３２において隣接するステータ歯部１４２ａ、１４２ｂ、１４２ｃの個々の表面部分を示している。ステータ歯部１４２ａ、１４２ｂ、１４２ｃは、それぞれ溝部１６２により互いに離間されている。これらの溝部１６２内には、ステータ積層体ないしステータ歯部１４２ａ、１４２ｂ、１４２ｃの周りに配設される巻線が延在可能である。
【００４１】
測定装置１６０は、光学的なひずみゲージ（帯状伸びゲージ）として構成されている少なくとも１つの測定ユニット１７０を含んでいる。少なくとも１つの測定ユニット１７０は、光ファイバから成り且つ所謂ブラッグ格子（Bragg Gitter）１６８を有する光学的な導波路部分１６６を含んでいる。導波路部分１６６の光ファイバには、光学的な干渉フィルタとして作用するブラッグ格子１６８が書き込まれ、ないし刻み込まれ、これらのブラッグ格子１６８は、検知される導波路部分１６６の伸び（ひずみ）εに比例する反射波長を発生させる。
【００４２】
少なくとも１つの測定ユニット１７０は、少なくとも端部側において支持要素１６４上に配設されており、これらの支持要素１６４は、溝部１６２の両側において、変位（変形による位置ずれ）が測定されるべき２つの隣接するステータ歯部１４２の表面（周面）上に配設されている。この際、溝部１６２には、少なくとも１つの測定ユニット１７０が張り渡されている。１つのステータ歯部の表面上に直接的に測定ユニットを配設し、支持要素１６４を設けないことも同様に想定可能である。
【００４３】
より具体的に説明するために、変位が測定されるべき一対のステータ歯部１４２を、以下、前方ステータ歯部１４２ａ及び後方ステータ歯部１４２ｂと呼ぶことにする。この際、ステータ歯部１４２ａは、電気機械的ロータ１３４の回転方向で見て前方のステータ歯部であり、それに対してステータ歯部１４２ｂは、後方のステータ歯部である。
【００４４】
１つ又は複数の信号ライン１７２を用い、少なくとも１つの測定ユニット１７０の導波路部分１６６は、測定装置１６０と信号技術的に接続状態にある。代替的に複数の測定ユニットを信号ライン（複数）により互いに接続させることが可能であり、このようなチェーンは、少なくとも１つの測定装置と接続される。信号ライン（複数）１７２は、光学的なファイバラインとして構成されている。光学的なファイバラインとして構成された信号ライン（複数）１７２は、これらの信号ライン１７２がコンパクトな寸法により傑出するという利点を有し、それにより同期発電機１３０における省スペースの配設構成、ないし電気機械的ロータ１３４とステータ１３２の間の空隙における省スペースの配設構成が可能である。更に光学的なファイバラインは、電磁場に対して敏感ではなく、それにより少なくとも１つの測定ユニット１７０から測定装置１６０への信号伝送に影響が及ぼされることはない。測定装置１６０の配設は、少なくとも１つの測定ユニット１７０に対して大きな間隔（距離）をもって行うことができる。光学的なひずみゲージとして構成された少なくとも１つの測定ユニット１７０は、ケーブル配線の手間をより少なくすることに寄与する。信号ライン１７２が異なる基本波長の複数の測定ユニット１７０を互いに接続させることにより、単一の光学的なファイバライン内に複数の光学的なひずみゲージを統合させることも可能である。従ってそのような光学的な測定チェーンは、同期発電機１３０の電気機械的ロータ１３４とステータ１３２の間の空隙における適用において個々の要求にも適合される。
【００４５】
支持要素１６４としては、隣接するステータ歯部１４２ａ、１４２ｂの表面上に板状要素が取り付けられ、好ましくは接着される。支持要素１６４は、非磁性で非導電性の材料から構成される。この際、支持要素１６４のために使用される材料は、ある程度の剛性を有するべきである。図示の実施例において、支持要素１６４は、ガラスから構成されている。代替的に支持要素１６４は、セラミック又はプラスチックから構成されてもよく、又は説明したように、むしろ支持要素を完全に省略してもよい。
【００４６】
個々のステータ歯部１４２と、通過運動するロータ磁極１４６（図２）の間に生じる磁力は、ロータ磁極１４６とステータ歯部１４２の間に磁気的な相互作用をもたらす。この磁気的な相互作用は、それぞれのステータ歯部１４２の変位を生じさせ、この変位は、ステータ歯部１４２の変形をもたらす。
【００４７】
隣接するステータ歯部１４２ａ、１４２ｂの表面上に支持要素１６４を用いて取り付けられ、同じ間隔で刻み込まれたブラッグ格子１６８を有する導波路部分１６６は、この変形により、測定可能な伸び（ひずみ）εをこうむる。それらの反射箇所により構造的に規定された干渉をもって反射される光の波長は、今やこれらの反射箇所の間隔に依存する。例えば前方ステータ歯部１４２ａの変形の結果としての導波路部分１６６のひずみεにより、反射されるブラッグ波長は、個々のブラッグ格子１６８の間隔変化に基づいて変化する。従って前方ステータ歯部１４２ａの変位ないし変形の際には、反射ピークの波長が変化する。
【００４８】
支持要素１６４上の導波路部分１６６の配設は、ブラッグ格子１６８が前方ステータ歯部１４２ａと後方ステータ歯部１４２ｂの間で実質的に中央に位置するように行われる。ステータ歯部１４２ａ、１４２ｂの間には溝部１６２があり、それぞれの溝部１６２を閉じる溝部閉鎖ウェッジは、典型的には、ステータ歯部１４２の表面よりも奥に僅かに引っ込んでいるので、ブラッグ格子１６８を含んだ導波路部分１６６の所定部分は、自由に振動できる。導波路部分１６６は、溝部１６２の延在方向に対して直交して配設されており、つまり投影して見て電気機械的ロータ１３４の回転面内に、配設されている。少なくとも１つの測定ユニット１７０のこの配設構成により、隣接するステータ歯部１４２ａ、１４２ｂの接線方向の変位を測定することができる。
【００４９】
図４による図面は、２つの測定ユニット１７０を含んだ測定装置１６０を有するステータ１３２（図２）の模式的な部分図を示している。この実施形態は、前述の実施形態とは、測定装置１６０が２つの測定ユニット１７０を含み、これらの測定ユニット１７０は、実質的にｘ字形状に配設されていることにより異なっている。つまりブラッグ格子１６８を含んだそれぞれの導波路部分１６６の所定部分は、溝部１６２の領域において互いに重なり合うように、ないし交差するように配設されている。この際、導波路部分１６６は、それぞれ、溝部１６２に対してほぼ４５°の角度で回転された配向を有する。導波路部分１６６を受容するそれぞれの支持要素１６４は、前方ステータ歯部１４２ａと後方ステータ歯部１４２ｂの軸方向（接線方向に直角の方向即ち溝部に平行な方向）において互いにずれされて配設されている。因みに両方の測定ユニット１７０の構造は、前述の測定ユニット１７０の構造と異なるものではない。測定ユニット１７０のこの配設構成により、ステータ歯部１４２ａ、１４２ｂの接線方向の変位と軸方向の変位を同時に測定することができる。この際、測定装置１６０により、導波路部分１６６の伸び（ひずみ）εを表す両方の信号の合計から、ステータ歯部１４２ａ、１４２ｂの接線方向（即ち、回転方向）の変位が測定され、それらの差からステータ歯部１４２ａ、１４２ｂの軸方向の変位が測定される。伝送のためには、光学的なファイバラインとして構成された信号ライン１７２が設けられている。
【００５０】
図５による図面は、両方の測定ユニット１７０が実質的にｖ字形状に配設された、図４による測定装置１６０を有するステータ１３２（図２）の模式的な部分図を示している。この際、導波路部分１６６は、それぞれ、溝部１６２に対してほぼ−４５°ないし４５°の角度で回転された配向を有する。この際、両方の測定ユニット１７０の配設は、接触することなく且つ重なり合うことのないように行われる。前述のようにブラッグ格子１６８が存在するそれぞれの導波路部分１６６の所定部分は、ステータ歯部１４２ａ、１４２ｂの間で実質的に中央に位置している。
【００５１】
図６には、測定ユニット１７０を用いて検出された導波路部分１６６の伸び（ひずみ）εの時間的な経過曲線１７４を表す、伸び（ひずみ）と時間のグラフを示している。測定装置１６０により検知された信号の評価は、結果として、測定ユニット１７０の伸び（ひずみ）ε、即ち導波路部分１６６の伸び（ひずみ）εを、時間の関数として提供する。
【００５２】
この結果は、測定装置１６０を用い、隣接するステータ歯部１４２の差分変位（differentielle Auslenkung）に換算される。そのために、隣接するステータ歯部１４２ａ、１４２ｂの間の導波路部分１６６の自由長（ひずみのない状態の長さ）が測定される。この際、校正のために、それぞれのステータ歯部１４２ａ、１４２ｂの寸法と、溝部１６２の寸法を援用することができる。伸び（ひずみ）εと、導波路部分１６６の自由長の積から、隣接するステータ歯部１４２ａ、１４２ｂの差分変位１７６が得られ、この差分変位１７６は、測定ユニット１７０により検知される。図７による図面は、隣接するステータ歯部１４２ａ、１４２ｂの差分変位（differentielle Auslenkung）の経過曲線１７６のグラフを示している。（図７に記載された差分変位の単位［ｍ］は、メートルを表す。）
【００５３】
個々のステータ歯部１４２ａ、１４２ｂの変位を測定するためには、各ステータ歯部１４２ａ、１４２ｂの変位が、振幅において同一であり、しかし時間的に互いにずれているということが前提とされる。秒単位のこの時間的なずれΔｔは、測定中の電気機械的ロータ１３４の毎分の回転による回転数ｎと、ステータ歯部１４２の数Ｎとから、以下の式に基づいて計算できる。
【００５４】
Δｔ＝６０／（ｎ＊Ｎ）
【００５５】
図８は、上記数式に従って測定された、隣接するステータ歯部１４２ａ及び１４２ｂの変位の経過曲線１７８、１８０のグラフの図を示している。経過曲線１７８は、電気機械的ロータ１３４の回転方向における前方ステータ歯部１４２ａの変位を表し、経過曲線１８０は、電気機械的ロータ１３４の回転方向における後方ステータ歯部１４２ｂの変位を表している。（図８に記載された変位の単位［ｍ］は、メートルを表す。）
【００５６】
同期発電機１３０を運転するために、同期発電機１３０は、測定装置１６０により制御される。この際、測定装置１６０により、少なくとも１つの測定ユニット１７０により検知され且つ少なくとも１つのステータ歯部１４２の変位を表す測定値が評価される。少なくとも１つのステータ歯部１４２の測定された変位に依存し、同期発電機１３０の励磁電流、又は同期発電機１３０において引き出される電流が制御される。このようにしてステータ歯部１４２の変位に起因する、ステータ歯部の変位の結果としての高調波の発生は、騒音発生を減少するように作用される。
【００５７】
それに加え、同期発電機１３０の運転状態と寿命を推定可能とするために、測定装置１６０により測定された少なくとも１つのステータ歯部１４２の変位を援用することもできる。
【符号の説明】
【００５８】
（図１）
１００        風力発電装置
１０２        タワー
１０４        ナセル
１０６        空気力学的ロータ
１０８        ロータブレード
１１０        スピナ
（図２）
１３０        同期発電機
１３２        ステータ
１３４        電気機械的ロータ
１３６        ジャーナル（軸頸部）
１３８        機械支持体
１４０        ステータ支持体
１４２        ステータ歯部
１４４        ステータリング
１４６        ロータ磁極片（ロータ磁極）
１４８        ロータ支持体
１５０        軸受
１５２        回転軸線
１５４        空隙
１５６        ロータハブ
１５８        ロータブレードの連結部
（図３、図４、図５）
１４２ａ      ステータ歯部
１４２ｂ      ステータ歯部
１４２ｃ      ステータ歯部
１６０        測定装置
１６２        溝部
１６４        支持要素
１６６        光学的な導波路部分
１６８        ブラッグ格子
１７０        測定ユニット
１７２        信号ライン
（図６）
１７４        導波路部分１６６の伸び（ひずみ）εの時間的な経過曲線
（図７）
１７６        隣接するステータ歯部１４２ａ、１４２ｂの差分変位の経過曲線
（図８）
１７８        前方ステータ歯部１４２ａの変位の経過曲線
１８０        後方ステータ歯部１４２ｂの変位の経過曲線
【図１】
2020508633.tif 000003
【図２】
2020508633.tif 000004
【図３】
2020508633.tif 000005
【図４】
2020508633.tif 000006
【図５】
2020508633.tif 000007
【図６】
2020508633.tif 000008
【図７】
2020508633.tif 000009
【図８】
2020508633.tif 000010
【手続補正書】
【提出日】令和1年8月27日(2019.8.27)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロータ（１３４）と、ステータ歯部（１４２、１４２ａ、１４２ｂ）を有するステータ（１３２）と、少なくとも１つのステータ巻線を受容するために前記ステータ歯部の間に配設された溝部（１６２）とを含む、電流を発生させる発電機であって、
測定装置（１６０）が、前記ステータ（１３２）の少なくとも１つの前記ステータ歯部（１４２ａ）の変位を測定するために、前記発電機（１３０）と接続して設けられており、前記測定装置（１６０）は、ひずみゲージとして構成されている少なくとも１つの測定ユニット（１７０）を有するように構成されていること
を特徴とする発電機。
【請求項２】
前記測定ユニット（１７０）は、電気的なひずみゲージ又は光学的なひずみゲージとして構成されていること
を特徴とする、請求項１に記載の発電機。
【請求項３】
前記測定装置（１６０）は、前記測定ユニット（１７０）により発生された信号の変化から前記ステータ歯部（１４２ａ）の変位を測定するように構成されていること
を特徴とする、請求項１又は２に記載の発電機。
【請求項４】
前記測定ユニット（１７０）は、前記ステータ（１３２）と前記ロータ（１３４）の間の空隙において、接線方向に延在し、直接的に又は間接的に隣接する２つの前記ステータ歯部（１４２ａ、１４２ｂ）に張り渡されるように配設されていること
を特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の発電機。
【請求項５】
前記測定ユニット（１７０）は、前記ステータ歯部（１４２ａ、１４２ｂ）の間の前記溝部（１６２）により互いに離間されて配設された支持要素（１６４）上に配設されている光学的な導波路部分（１６６）を含むこと
を特徴とする、請求項４に記載の発電機。
【請求項６】
ブラッグ格子（１６８）を有する前記光学的な導波路部分（１６６）は、直接的に又は間接的に隣接する前記ステータ歯部（１４２ａ、１４２ｂ）の間で実質的に中央に位置決めされていること
を特徴とする、請求項５に記載の発電機。
【請求項７】
少なくとも２つの前記光学的な導波路部分（１６６）は、支持要素（１６４）を用い、隣接する前記ステータ歯部（１４２ａ、１４２ｂ）上に配設されており、前記光学的な導波路部分（１６６）は、前記溝部（１６２）に対して異なる配向を有し、又は前記溝部（１６２）に対して４５°又は−４５°で回転された配向を有すること
を特徴とする、請求項５又は６に記載の発電機。
【請求項８】
前記測定装置（１６０）は、前記発電機（１３０）のトルクを測定するように構成されていること
を特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載の発電機。
【請求項９】
前記発電機（１３０）は、同期発電機として、非同期発電機として、又は二重給電式非同期発電機として構成されていること
を特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載の発電機。
【請求項１０】
ロータ（１３４）と、ステータ歯部（１４２）を有するステータ（１３２）と、ステータ巻線を受容するために前記ステータ歯部の間に配設された溝部（１６２）とを含む、電流を発生させる、風力発電装置（１００）の発電機（１３０）のための測定装置であって、
前記測定装置（１６０）は、前記ステータ（１３２）の少なくとも１つの前記ステータ歯部（１４２ａ）の変位を測定するために、前記発電機（１３０）と接続して設けられており、ひずみゲージとして構成されている少なくとも１つの測定ユニット（１７０）を有すること
を特徴とする測定装置。
【請求項１１】
請求項１０に記載の測定装置（１６０）が発電機（１３０）において使用されることを特徴とする使用方法。
【請求項１２】
ロータ（１３４）と、ステータ歯部（１４２、１４２ａ）を有するステータ（１３２）と、ステータ巻線を受容するために前記ステータ歯部の間に配設された溝部（１６２）とを含み、電流を発生させる発電機（１３０）を運転するための方法であって、
ひずみゲージとして構成された少なくとも１つの測定ユニット（１７０）を有する測定装置（１６０）が、前記ステータ（１３２）の少なくとも１つのステータ歯部（１４２ａ）の変位を測定するために、発電機と接続して稼働され、前記測定ユニット（１７０）により検知された、少なくとも１つの前記ステータ歯部（１４２ａ）の変位を表す測定値が、前記測定装置（１６０）により評価されること
を特徴とする方法。
【請求項１３】
少なくとも１つの前記ステータ歯部（１４２ａ）において測定された変位に依存し、前記発電機（１３０）の励磁電流が制御されること
を特徴とする、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
請求項１０に記載の測定装置（１６０）を含む、請求項１〜９のいずれか一項に記載の発電機（１３０）を備えた風力発電装置であって、
前記発電機（１３０）は、請求項１２に記載の方法により運転可能であること
を特徴とする風力発電装置。
【請求項１５】
風力発電装置（１００）を運転するための方法であって、
発電機（１３０）は、ひずみゲージとして構成されて前記発電機（１３０）のステータ（１３４）とロータ（１３２）の間の空隙に配設された少なくとも１つの測定ユニット（１７０）の測定値に基づいて制御又は調整されること
を特徴とする方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
本発明に従い、請求項１に記載の発電機が提案される。
即ち本発明の第１の視点により、
ロータと、ステータ歯部を有するステータと、少なくとも１つのステータ巻線を受容するために前記ステータ歯部の間に配設された溝部とを含む、電流を発生させる発電機であって、測定装置が、前記ステータの少なくとも１つの前記ステータ歯部の変位を測定するために、前記発電機と接続して設けられており、前記測定装置は、ひずみゲージとして構成されている少なくとも１つの測定ユニットを有するように構成されていることを特徴とする発電機が提供される。
更に本発明の第２の視点により、
ロータと、ステータ歯部を有するステータと、ステータ巻線を受容するために前記ステータ歯部の間に配設された溝部とを含む、電流を発生させる、風力発電装置の発電機のための測定装置であって、前記測定装置は、前記ステータの少なくとも１つの前記ステータ歯部の変位を測定するために、前記発電機と接続して設けられており、ひずみゲージとして構成されている少なくとも１つの測定ユニットを有することを特徴とする測定装置が提供される。
更に本発明の第３の視点により、
前記第２の視点に記載の測定装置が前記第１の視点に記載の発電機において使用されることを特徴とする使用方法が提供される。
更に本発明の第４の視点により、
ロータと、ステータ歯部を有するステータと、ステータ巻線を受容するために前記ステータ歯部の間に配設された溝部とを含み、電流を発生させる発電機を運転するための方法であって、ひずみゲージとして構成された少なくとも１つの測定ユニットを有する測定装置が、前記ステータの少なくとも１つのステータ歯部の変位を測定するために、発電機と接続して稼働され、前記測定ユニットにより検知された、少なくとも１つの前記ステータ歯部の変位を表す測定値が、前記測定装置により評価されることを特徴とする方法が提供される。
更に本発明の第５の視点により、
前記第２の視点に記載の測定装置を含む、前記第１の視点に記載の発電機を備えた風力発電装置であって、前記発電機は、前記第４の視点に記載の方法により運転可能であることを特徴とする風力発電装置が提供される。
更に本発明の第６の視点により、
風力発電装置を運転するための方法であって、発電機は、ひずみゲージとして構成されて前記発電機のステータとロータの間の空隙に配設された少なくとも１つの測定ユニットの測定値に基づいて制御又は調整されることを特徴とする方法が提供される。
尚、本願の特許請求の範囲において場合により付記される図面参照符号は、専ら本発明の理解の容易化のためのものであり、図示の形態への限定を意図するものではないことを付言する。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
本発明において、以下の形態が可能である。
（形態１）
ロータと、ステータ歯部を有するステータと、少なくとも１つのステータ巻線を受容するために前記ステータ歯部の間に配設された溝部とを含む、電流を発生させる、特に風力発電装置の発電機であって、測定装置が、前記ステータの少なくとも１つの前記ステータ歯部の変位を測定するために、前記発電機と接続して設けられており、前記測定装置は、ひずみゲージとして構成されている少なくとも１つの測定ユニットを有するように構成されていること。
（形態２）
前記測定ユニットは、電気的なひずみゲージ又は光学的なひずみゲージとして構成されていることが好ましい。
（形態３）
前記測定装置は、前記測定ユニットにより発生された信号の変化から前記ステータ歯部の変位を測定するように構成されていることが好ましい。
（形態４）
前記測定ユニットは、前記ステータと前記ロータの間の空隙において、接線方向に延在し、直接的に又は間接的に隣接する２つの前記ステータ歯部に張り渡されるように配設されていることが好ましい。
（形態５）
前記測定ユニットは、前記ステータ歯部の間の前記溝部により互いに離間されて配設された支持要素上に配設されている光学的な導波路部分を含むことが好ましい。
（形態６）
ブラッグ格子を有する前記光学的な導波路部分は、直接的に又は間接的に隣接する前記ステータ歯部の間で実質的に中央に位置決めされていることが好ましい。
（形態７）
少なくとも２つの前記光学的な導波路部分は、支持要素を用い、隣接する前記ステータ歯部上に配設されており、前記光学的な導波路部分は、前記溝部に対して異なる配向を有し、特に前記溝部に対して４５°又は−４５°で回転された配向を有することが好ましい。
（形態８）
前記測定装置は、前記発電機のトルクを測定するように構成されていることが好ましい。
（形態９）
前記発電機は、同期発電機として、非同期発電機として、又は二重給電式非同期発電機として構成されていることが好ましい。
（形態１０）
ロータと、ステータ歯部を有するステータと、ステータ巻線を受容するために前記ステータ歯部の間に配設された溝部とを含む、電流を発生させる、風力発電装置の発電機、特に形態１〜９のいずれか一項に記載の発電機のための測定装置であって、前記測定装置は、前記ステータの少なくとも１つの前記ステータ歯部の変位を測定するために、前記発電機と接続して設けられており、前記測定装置は、ひずみゲージとして構成されている少なくとも１つの測定ユニットを有すること。
（形態１１）
発電機における、形態１０に記載の測定装置の使用、特に形態１〜９のいずれか１つに記載の発電機における、形態１０に記載の測定装置の使用。
（形態１２）
ロータと、ステータ歯部を有するステータと、ステータ巻線を受容するために前記ステータ歯部の間に配設された溝部とを含み、電流を発生させる、特に風力発電装置の発電機を運転するための方法であって、ひずみゲージとして構成された少なくとも１つの測定ユニットを有する測定装置が、前記ステータの少なくとも１つのステータ歯部の変位を測定するために、発電機と接続して稼働され、前記測定ユニットにより検知された、少なくとも１つの前記ステータ歯部の変位を表す測定値が、前記測定装置により評価されること。
（形態１３）
少なくとも１つの前記ステータ歯部において測定された変位に依存し、前記発電機の励磁電流が制御されることが好ましい。
（形態１４）
形態１０に記載の測定装置を含む、形態１〜９のいずれか１つに記載の発電機を備えた風力発電装置であって、前記発電機は、形態１２に記載の方法により運転可能である、風力発電装置。
（形態１５）
風力発電装置を運転するための方法であって、発電機は、ひずみゲージとして構成されて前記発電機のステータとロータの間の空隙に配設された少なくとも１つの測定ユニットの測定値に基づいて制御又は調整されること。
【国際調査報告】
2020508633.tif 000011
2020508633.tif 000012
2020508633.tif 000013
2020508633.tif 000014