特開 2024-174813 巻線アセンブリ並びに関連方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024174813

(43)【公開日】2024-12-17

(54)【発明の名称】巻線アセンブリ並びに関連方法

(51)【国際特許分類】

   H02K 3/18 20060101AFI20241210BHJP

   F03D 80/80 20160101ALN20241210BHJP

【ＦＩ】

H02K3/18 P

F03D80/80

【審査請求】未請求

【請求項の数】15

【出願形態】ＯＬ

【外国語出願】

(21)【出願番号】P 2024078301

(22)【出願日】2024-05-14

(31)【優先権主張番号】23382501.7

(32)【優先日】2023-05-26

(33)【優先権主張国・地域又は機関】EP

(71)【出願人】

【識別番号】513131419

【氏名又は名称】ゼネラル エレクトリック レノバブレス エスパーニャ， エセ．エレ．

(74)【代理人】

【識別番号】100105588

【弁理士】

【氏名又は名称】小倉 博

(74)【代理人】

【識別番号】100129779

【弁理士】

【氏名又は名称】黒川 俊久

(72)【発明者】

【氏名】セザール・ムイズ・カサイス

(72)【発明者】

【氏名】フリオ・セザール・アーレスティ

(57)【要約】      （修正有）

【課題】過熱と、絶縁劣化を促進する機械的ストレスを低減する巻線アセンブリを提供する。
【解決手段】本開示は、電気機械用の巻線アセンブリに関する。巻線アセンブリ１００は、絶縁ストランドを有する複数の巻線体を含む。複数の巻線体は、固定子歯２００の基部２１０の周囲に取り付けられるように構成された第１の巻線体１２０と、固定子歯の先端に近接して取り付けられるように構成された第２の巻線体１３０とを含む。また、第１の巻線体と第２の巻線体は電気的に接続されている。かかる巻線アセンブリを含む固定子セグメント並びに磁極片も提供する。巻線アセンブリを固定子歯に取り付ける方法も提供する。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

電気機械の固定子歯（２００）のための巻線アセンブリ（１００）であって、前記固定子歯（２００）が、半径方向に基部（２１０）から遠位端（２２０）まで延在しており、当該巻線アセンブリ（１００）が、
前記固定子歯（２００）の基部の近くの固定子歯（２００）のセクションの周囲に取り付けられるように構成された第１の巻線体（１２０）であって、前記固定子歯（２００）の周囲に巻回された複数の第１の絶縁ストランド（１２１）を備える、第１の巻線体（１２０）と、
第１の巻線体（１２０）よりも前記固定子歯（２００）の遠位端に近接して取り付けられるように構成された第２の巻線体（１３０）であって、前記固定子歯（２００）の周囲に巻回された複数の第２の絶縁ストランド（１３１）を備える第２の巻線体（１３０）と
を備えており、第２の巻線体（１３０）が第１の巻線体（１２０）から離間している、巻線アセンブリ。

【請求項2】

第１の巻線体（１２０）が第２の巻線体（１３０）と電気的に接続されている、請求項１に記載の巻線アセンブリ。

【請求項3】

第１のストランド（１２１）の断面積が第２のストランド（１３１）の断面積よりも大きい、請求項１又は請求項２に記載の巻線アセンブリ。

【請求項4】

第１のストランド（１２１）の断面積が第２のストランド（１３１）の断面積よりも５０％以上大きい、請求項３に記載の巻線アセンブリ。

【請求項5】

第１の巻線体と第２の巻線体の間に冷却流路（１４０）をさらに備える、請求項１乃至請求項のいずれか１項に記載の巻線アセンブリ。

【請求項6】

前記冷却流路（１４０）が液体冷却材を搬送するように構成されている、請求項５に記載の巻線アセンブリ。

【請求項7】

第１の巻線体（１２０）が、第２の巻線体（１３０）と同一又はそれ以上の高さを有する、請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の巻線アセンブリ。

【請求項8】

第１の巻線体（１２０）が第２の巻線体（１３０）の高さの１５０％以上の高さを有し、特に第１の巻線体（１２０）の高さが第２の巻線体（１３０）の高さの１５０％～２００％である、請求項７に記載の巻線アセンブリ。

【請求項9】

当該巻線アセンブリが、第２の巻線体に電気的に接続された第３の巻線体であって、前記歯の周囲に巻回された複数の第３の絶縁ストランドを備えており、第２の巻線体よりも固定子歯の遠位端に近接して取り付けられるように構成された第３の巻線体を備えており、適宜、第３の巻線体のストランドの断面積が第２の巻線体のストランドの断面積よりも小さく、第２の巻線体と第３の巻線体の間に追加の冷却回路をさらに備える、請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載の巻線アセンブリ。

【請求項10】

半径方向に基部から遠位端まで延在する１以上の固定子歯を備えており、各固定子歯の周囲に請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載の巻線アセンブリをさらに備える固定子セグメント。

【請求項11】

当該固定子セグメントの基部が、固定子の嵌合構造に嵌合する形状を有する、請求項１０に記載の固定子セグメント。

【請求項12】

当該固定子セグメントが、単一の固定子歯を含む磁極片である、請求項１０又は請求項１１に記載の固定子セグメント。

【請求項13】

機械軸の周りで回転可能な回転子と、
前記回転子と同心の固定子であって、請求項１０乃至請求項１２のいずれか１項に記載の１以上の固定子セグメントを含む固定子と
を備える電気機械。

【請求項14】

請求項１３に記載の電気機械を備える風力タービン。

【請求項15】

請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載の巻線アセンブリを固定子歯に取り付ける方法であって、前記固定子歯が半径方向に基部から遠位端まで延在しており、当該方法が、
前記固定子歯の基部の近くの固定子歯のセクションに複数の第１の絶縁ストランドを巻回することにより、第１の巻線体を用意するステップと、
前記固定子歯の遠位端に近い固定子歯のセクションの周囲に複数の第２の絶縁ストランドを巻回することによって、第２の巻線体を用意するステップと、
第１の巻線体を第２の巻線体と電気的に接続するステップと
を含む、方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、巻線アセンブリ並びにかかる巻線アセンブリを含む磁極片に関する。本開示はさらに、電気機械、例えば、かかる巻線アセンブリ又は磁極片を含む発電機に関する。本開示は、さらに、かかる発電機を備える風力タービンに関する。本開示は、巻線アセンブリを電気機械の固定子歯に取り付ける方法にも関する。

【背景技術】

【0002】

先進風力タービンは、電力網への電力の供給に常用されている。この種の風力タービンは、一般に、タワーとタワーに配置されたロータとを備える。ロータは、通例ハブと複数のブレードを備えており、ブレードに対する風の影響下で回転する。この回転は通常ロータシャフトによって発電機に直接（「直接駆動」又は「ギアレス」）又はギアボックスを用いて伝達されるトルクを生成する。こうして、発電機は電力を発生し、電力を電力網に供給することができる。

【0003】

風力タービン発電機並びにモーターのような他の電気機械は、一般に回転子及び固定子を備える。回転子及び固定子は、それらの間に半径方向空隙を設けて同心に取り付けることができる。回転子は固定子に対して回転する。回転子が内側構造を形成し、固定子が外側構造を形成してもよい。したがって、固定子が半径方向に回転子を取り囲んでいてもよい。或いは別の構成では、配置が逆転して、回転子が半径方向に固定子を取り囲んでいてもよい。

【0004】

先進風力タービンのような大型発電機は永久磁石発電機（ＰＭＧ）又は電気励磁発電機であることがある。永久磁石発電機では、永久磁石（ＰＭ）は一般に回転子に配置され、巻線素子（つまりコイル）は通常固定子に含まれる。永久磁石発電機は概して信頼性があり、他のタイプの発電機よりもメンテナンスが少なくて済むので、洋上風力タービンに適しているとみなされることが多い。

【0005】

永久磁石発電機は、半径方向に突出する複数の歯を有する固定子ヨークを備えていてもよい。固定子が発電機回転子を取り囲んでいる発電機では、歯は固定子ヨークの中心に向かって突出し得る。或いは発電機回転子が固定子を取り囲んでいる発電機では、歯は固定子ヨークの半径方向外側に向かって突出し得る。さらに、複数のスロットが隣接する歯の間に画成されていてもよく、各スロットはそれぞれの巻線又は異なる巻線の幾つかの部分を収容し得る。

【0006】

一方、電気励磁発電機は、一般に、複数の磁極片及び励磁巻線（すなわちコイル）を有する回転子を備える。使用時には、励磁コイルに電流が印加される。印加された電流は磁極の極性を生じ、隣接する磁極は異なる磁気極性を有する。回転子が回転すると、磁極片からの磁界が固定子の巻線に達して固定子巻線に可変磁束が発生して固定子巻線に電圧を生じる。

【0007】

巻線は通例絶縁銅線でできており、必要な電磁場を発生させるために歯の周りに巻回される。大型電気機械の巻線に関連する大きな問題の１つは過熱である。巻線内の銅線に電流が流れると、熱が発生して蓄積し、絶縁体の劣化及び／又は電気機械の全体的性能の低下を招くおそれがある。過熱は、高い電流密度、不十分な冷却又は低品質の絶縁を始めとする様々な要因に起因する。さらに、過熱は、絶縁破壊を招くおそれがあり、短絡及び機械の重大な損傷を生じかねない。

【0008】

巻線に関連するもう一つの問題は、絶縁不良である。銅線の絶縁は、短絡その他の電気的問題を防ぐうえで不可欠である。しかし、巻線を有効に絶縁することは、巻線表面の周りに絶縁材料をしっかりと固定する必要があることを意味する。そのため絶縁材料（例えば絶縁テープ）は、巻線の角などで高負荷に付される。この過度の機械的ストレスは、経時的に絶縁劣化を促進するおそれがある。絶縁不良は、機械に重大な損傷を与えかねない。

【0009】

かかる潜在的な問題は、電気機械の大型化に伴って悪化しかねない。電気機械のサイズが大きくなると、固定子歯及び対応する巻線のサイズも大きくなることがある。例えば、大型電気機械、特に発電機は、ダイレクトドライブ風力タービン、特に公称出力が１０ＭＷ以上のダイレクトドライブ風力タービンで知られている。かかるダイレクトドライブ発電機は、例えば６～８ｍ又は以上の直径及び１～２ｍ又は以上の長さを有することがある。大型電気機械は、水力発電設備などの他の技術分野でも知られている。

【0010】

本開示は、巻線アセンブリ及び関連方法であって、大型又は非常に大型の電気機械にも適しており、上述の短所の幾つかを少なくとも部分的に解消するものを提供することを目的とする。

【発明の概要】

【0011】

本開示の一態様では、電気機械の固定子歯のための巻線アセンブリを提供するが、固定子歯は半径方向に基部から遠位端まで延在している。巻線アセンブリは、固定子歯の基部の近くの固定子歯のセクションの周囲に取り付けられるように構成された第１の巻線体であって、固定子歯の周囲に巻回された複数の第１の絶縁ストランドを備える第１の巻線体を備える。巻線アセンブリは、第１の巻線体よりも固定子歯の遠位端に近接して取り付けられるように構成された第２の巻線体であって、固定子歯の周囲に巻回された複数の第２の絶縁ストランドを備える第２の巻線体を備える。第２の巻線体は、第１の巻線体から離間している。

【0012】

複数の巻線体を設けると、アセンブリの絶縁が簡単になり、例えば、各巻線体は独立した絶縁を有することができ、絶縁材料は、巻線体の高さの低減のため、受ける引張荷重が減る。また、幾つかの例では、第１及び第２の巻線体は、以下で説明するように、異なる目的のために至適化し得る。さらに、開示された巻線アセンブリの温度は、単一の体巻線と比較して外表面積対体積比の増加によって、さらに効率的に制御し得る。巻線体を物理的に分離することで、以下で説明するような追加の冷却が可能となる。

【0013】

本開示の別の態様では、半径方向に基部から遠位端まで延在する１以上の固定子歯を含む固定子セグメントを提供する。本固定子セグメントは、前記態様に係る巻線アセンブリをさらに備える。

【0014】

さらに別の態様では、電気機械を提供する。電気機械は、機械軸の周りで回転可能な回転子と、回転子と同心の固定子とを備える。固定子は、前記態様に係る複数の磁極片を備える。

【0015】

さらに別の態様では、かかる電気機械を備える風力タービンも提供する。

【0016】

さらに別の態様では、巻線アセンブリを固定子歯に取り付ける方法を提供するが、固定子歯は、半径方向に基部から遠位端まで延在している。本方法は、固定子歯の基部の近くの固定子歯のセクションに複数の第１の絶縁ストランドを巻回することによって第１の巻線体を用意するステップと、固定子歯の遠位端に近い固定子歯のセクションに複数の第２の絶縁ストランドを巻回することによって第２の巻線体を用意するステップとを含む。本方法は、第１の巻線体を第２の巻線体に電気的に接続することをさらに含む。

【0017】

さらに別の態様では、電気機械の固定子用の磁極片を提供する。磁極片は、半径方向に基部から遠位端まで延在する固定子歯を備えており、磁極片の基部は、固定子の嵌合構造に嵌合するような形状である。磁極片は、固定子歯の基部の近くの固定子歯のセクションの周囲に巻回された複数の第１の絶縁ストランドを含む第１の巻線体と、第１の巻線体よりも固定子歯の先端に近い固定子歯に巻回された複数の第２の絶縁ストランドを含む第２の巻線体とをさらに備える。第２の巻線体は、第１の巻線体から分離しており、第１の巻線体は第２の巻線体に電気的に接続される。

【0018】

本開示全体を通して、「ストランド」という用語は、ワイヤ又はケーブルであって断面が円形又は丸みを帯びもの、並びにプレート状材料で、例えば断面が長方形、正方形又は他の断面形状のものをいう。本明細書では、プレート状材料は一定の厚さを有していてもよく、例えばストリップ又はバーとみなすことができる。

【0019】

本開示技術の実施形態のその他の目的、利点及び特徴については、以下の詳細な説明から当業者には明らかとなろうし、或いは本技術の実施を通して習得できるものもあろう。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】風力タービンの一例の概略斜視図。

【図2】風力タービンのハブ及びナセルの一例を示す図。

【図3】固定子歯に取り付けられた本開示に係る巻線アセンブリの一例の概略斜視図。

【図4】図３のＡ－Ａ’矢視概略断面図。

【図5】巻線アセンブリの別の例の概略断面図。

【図6】本開示に係る固定子歯に風力アセンブリを取り付ける方法の一例のフローチャート。

【発明を実施するための形態】

【0021】

以下、本開示技術の様々な実施形態について詳細に説明し、その１以上の実施例を図面に示す。各実施例は、本技術を限定するものではなく、例示のためのものである。実際、特許請求の範囲に記載された技術的範囲及び技術的思想を逸脱することなく、本技術に様々な修正及び変更をなし得ることは当業者には明らかであろう。例えば、ある実施形態の一部として例示又は記載された特徴を、別の実施形態と共に用いてさらに別の実施形態とすることができる。従って、本開示は、添付の特許請求の範囲及びその均等の範囲に属する修正及び変更を包含する。

【0022】

図１は、風力タービン１０の一例の斜視図である。この例では、風力タービン１０は水平軸風力タービンである。或いは、風力タービン１０は、垂直軸風力タービンであってもよい。この例では、風力タービン１０は、地表面１２の支持システム１４から延在するタワー１５と、タワー１５に取り付けられたナセル１６と、ナセル１６に結合したロータ１８とを含む。ロータ１８は、回転可能なハブ２０と、ハブ２０に結合しかつハブ２０から外側に延在する１枚以上のロータブレード２２とを含む。この例では、ロータ１８は３枚のロータブレード２２を有する。別の実施形態では、ロータ１８は、３枚未満又は３枚超のロータブレード２２を含む。タワー１５は、支持システム１４とナセル１６の間の空洞（図１には図示せず）を画成するための管状鋼から製造し得る。別の実施形態では、タワー１５は、任意の適切な高さを有する任意の適切なタイプのタワーである。別の実施形態では、タワーは、コンクリート製部分と管状鋼部分とを含むハイブリッドタワーであってもよい。また、タワーは部分的又は完全な格子タワーであってもよい。

【0023】

ロータブレード２２は、ロータ１８を回転させて風から運動エネルギーを使用可能な機械的エネルギー、ひいては電気エネルギーへと伝達できるように、ハブ２０の周りに離間して配置される。ロータブレード２２は、ブレード基部部２４を複数の荷重伝達領域２６でハブ２０に結合することによってハブ２０に連結される。荷重伝達領域２６は、ハブ荷重伝達領域及びブレード荷重伝達領域（いずれも図１には図示せず）を有していてもよい。ロータブレード２２で惹起された荷重は、荷重伝達領域２６を介してハブ２０に伝達される。

【0024】

幾つかの例では、ロータブレード２２は、約１５ｍ～約９０ｍ以上の範囲の長さを有し得る。ロータブレード２２は、本明細書に記載の機能を風力タービン１０が発揮し得る任意の適切な長さを有し得る。例えば、ブレード長の非限定的な例として、２０ｍ以下、３７ｍ、４８．７ｍ、５０．２ｍ、５２．２ｍ又は９１ｍ超の長さが挙げられる。風向２８からロータブレード２２に風が当たると、ロータ１８はロータ軸３０の周りで回転する。ロータブレード２２が回転して遠心力を受けると、ロータブレード２２にも様々な力及びモーメントが加わる。そこで、ロータブレード２２は、中立又は非撓み位置から撓み位置まで撓む及び／又は回転し得る。

【0025】

さらに、ロータブレード２２のピッチ角（すなわち風向に対するロータブレード２２の向きを定める角度）は、風ベクトルに対する１以上のロータブレード２２の角度位置の調整によって風力タービン１０で発生する荷重及び電力を制御するためのピッチシステム３２によって変更し得る。ロータブレード２２のピッチ軸３４が示してある。風力タービン１０の運転中、ピッチシステム３２は、特にロータブレード（の部分）の迎角が小さくなるようにロータブレード２２のピッチ角を変化させることができ、回転速度の低下を促進し、及び／又はロータ１８の失速を促進する。

【0026】

この例では、各ロータブレード２２のブレードピッチは、風力タービンコントローラ３６又はピッチ制御システム８０によって個々に制御される。或いは、全てのロータブレード２２に対するブレードピッチを、制御システムによって同時に制御してもよい。

【0027】

また、この例では、風向２８の変化に伴って、ロータブレード２２を風向２８に対して位置付けるため、ナセル１６のヨー方向をヨー軸３８の周りで回転させてもよい。

【0028】

この例では、風力タービンコントローラ３６は、ナセル１６内に集中化したものとして示してあるが、風力タービンコントローラ３６は、風力タービン１０全体、支持システム１４上、風力発電所内及び／又は遠隔制御センターにおける分散システムとしてもよい。風力タービンコントローラ３６は、本明細書に記載の方法及び／又はステップを実行するように構成されたプロセッサ４０を含む。さらに、本明細書に記載の他の部品の多くは、プロセッサを含む。

【0029】

本明細書で用いる「プロセッサ」という用語は、当技術分野でコンピュータと呼ばれる集積回路に限定されず、広義に、コントローラ、マイクロコントローラ、マイクロコンピュータ、プログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）、特定用途向け集積回路その他のプログラマブル回路をいい、これらの用語は、本明細書で互換的に用いられる。プロセッサ及び／又は制御システムは、メモリ、入力チャネル及び／又は出力チャネルも含むことができる。

【0030】

図２は、風力タービン１０の一部の拡大断面図である。この例では、風力タービン１０は、ナセル１６と、ナセル１６に回転可能に結合したロータ１８とを含む。さらに具体的には、ロータ１８のハブ２０は、主軸４４、ギアボックス４６、高速軸４８及びカップリング５０によってナセル１６内に位置する電動発電機４２に回転可能に結合している。この例では、主軸４４は、ナセル１６の長手方向軸（図示せず）に対して少なくとも部分的に同軸に配置されている。主軸４４の回転はギアボックス４６を駆動し、次いでギアボックス４６はロータ１８及び主軸４４の比較的遅い回転運動を高速軸４８の比較的速い回転運動に変換することによって高速軸４８を駆動する。後者は、カップリング５０によって電気エネルギーを生成するための発電機４２に接続されている。さらに、４００Ｖ～１０００Ｖの間の電圧を有する発電機４２によって生成された電気エネルギーを中電圧（１０～３５ＫＶ）の電気エネルギーに変換するために、変圧器９０及び／又は適切な電子機器、スイッチ、及び／又はインバータがナセル１６内に配置されることもある。電気エネルギーは、ナセル１６からタワー１５へ電力ケーブルを介して伝導される。

【0031】

ギアボックス４６、発電機４２及び変圧器９０は、ナセル１６の主支持構造フレームによって支持してもよく、適宜メインフレーム５２として具現化される。ギアボックス４６は、１以上のトルクアーム１０３によってメインフレーム５２に接続されたギアボックスハウジングを含んでいてもよい。この例では、ナセル１６は、主前方支持軸受６０及び主後方支持支持軸受６２も含む。さらに、発電機４２は、特に発電機４２の振動がメインフレーム５２に導入され、それによって騒音発生源となるのを防止するために、デカップリング支持手段５４によってメインフレーム５２に取り付けることができる。

【0032】

適宜、メインフレーム５２は、ロータ１８及びナセル１６の部品の重量並びに風及び回転荷重によって生じる全荷重を担持するように構成され、さらに、これらの荷重を風力タービン１０のタワー１５に導入する。ロータシャフト４４、発電機４２、ギアボックス４６、高速軸４８、カップリング５０、並びに限定されるものではないが、支持体５２、前方支持軸受６０及び後方支持軸受６２を始めとする関連する締結、支持、及び／又は固定装置は、駆動トレイン６４と呼ばれることもある。

【0033】

幾つかの例では、風力タービンは、ギアボックス４６のない直接駆動風力タービンであってもよい。発電機４２は、直接駆動風力タービンにおけるロータ１８と同じ回転数で作動する。従って、それらは一般に、同程度の電力を供給するためのギアボックス４６を有する風力タービンで使用される発電機よりもはるかに大きい直径を有する。

【0034】

ナセル１６は、風向２８に対するロータブレード２２の全体的位置を制御するために、ヨー軸３８の周りでナセル１６、さらにはロータ１８を回転させるために使用し得るヨー駆動機構５６を含んでいてもよい。

【0035】

ナセル１６を風向２８に対して適切に位置決めするために、ナセル１６は、風向計及び風速計を始めとする１以上の気象測定システム５８を含んでいてもよい。気象測定システム５８は、風向２８及び／又は風速を始めとする情報を風力タービンコントローラ３６に供給し得る。この例では、ピッチシステム３２は、ピッチアセンブリ６６としてハブ２０内に少なくとも部分的に配置されている。ピッチアセンブリ６６は、１以上のピッチ駆動システム６８及び１以上のセンサ７０を含む。各ピッチ駆動システム６８は、ピッチ軸３４に沿ってロータブレード２２のピッチ角を変調するため各ロータブレード２２（図１に示す）に結合している。図２には、３つのピッチ駆動システム６８の１つしか示していない。

【0036】

この例では、ピッチアセンブリ６６は、ハブ２０に結合し、かつピッチ軸３４の周りで各ロータブレード２２を回転させるため各ロータブレード２２（図１に示す）に結合した１以上のピッチ軸受７２を含む。ピッチ駆動システム６８は、ピッチ駆動モータ７４と、ピッチ駆動ギヤボックス７６と、ピッチ駆動ピニオン７８とを備える。ピッチ駆動モータ７４は、ピッチ駆動ギアボックス７６に機械的な力を与えるようにピッチ駆動ギアボックス７６に結合している。ピッチ駆動ギアボックス７６はピッチ駆動ピニオン７８に結合しており、ピッチ駆動ギアボックス７６によってピッチ駆動ピニオン７８が回転する。ピッチ軸受７２はピッチ駆動ピニオン７８に結合しており、ピッチ駆動ピニオン７８の回転によってピッチ軸受７２の回転を生じる。

【0037】

ピッチ駆動システム６８は、風力タービンコントローラ３６から１以上の信号を受信したときにロータブレード２２のピッチ角を調整するため、風力タービンコントローラ３６に連結している。この例では、ピッチ駆動モータ７４は、ピッチアセンブリ６６が本明細書に記載の通り機能できるようにする電力及び／又は油圧システムによって駆動される任意の適切なモータである。或いは、ピッチアセンブリ６６は、任意の適切な構造、構成、配置並びに／或いは、限定されるものではないが、油圧シリンダ、バネ及び／又はサーボ機構などの部品を含んでいてもよい。ある実施形態では、ピッチ駆動モータ７４は、ハブ２０の回転慣性及び／又は風力タービン１０の部品にエネルギーを供給する備蓄エネルギー源（図示せず）から抽出されるエネルギーによって駆動される。

【0038】

ピッチアセンブリ６６は、特定の優先的状況及び／又はロータ１８の過速度の場合に、風力タービンコントローラ３６からの制御信号に従ってピッチ駆動システム６８を制御するための１以上のピッチ制御システム８０を含んでいてもよい。この例では、ピッチアセンブリ６６は、風力タービンコントローラ３６から独立してピッチ駆動システム６８を制御するための各ピッチ駆動システム６８に通信可能に結合した１以上のピッチ制御システム８０を含む。この例では、ピッチ制御システム８０は、ピッチ駆動システム６８及びセンサ７０に結合している。風力タービン１０の正常運転中、風力タービンコントローラ３６は、ロータブレード２２のピッチ角を調整するようにピッチ駆動システム６８を制御して得る。

【0039】

一実施形態では、例えば、電池及び電気キャパシタを含む電力発生器８４は、ハブ２０に又はハブ２０内に配置され、センサ７０、ピッチ制御システム８０及びピッチ駆動システム６８に電力源を提供するためこれらの部品に結合される。この例では、電力発生器８４は、風力タービン１０の運転中にピッチアセンブリ６６に継続的な電力源を提供する。別の実施形態では、電力発生器８４は、風力タービン１０の電力喪失時にだけピッチアセンブリ６６に電力を供給する。電力喪失事象としては、電力網の喪失又はディップ、風力タービン１０の電気システムの誤作動、及び／又は風力タービンコントローラ３６の故障が挙げられる。電力喪失の際に、電力発生器８４は、ピッチアセンブリ６６が電力喪失事象中も作動できるように、ピッチアセンブリ６６に電力を供給するように作動する。

【0040】

この例では、ピッチ駆動システム６８、センサ７０、ピッチ制御システム８０、ケーブル及び電力発生器８４は、各々、ハブ２０の内面８８によって画成されるキャビティ８６内に配置される。別の実施形態では、これらの部品は、ハブ２０の外側屋根面に対して配置され、外側屋根面に直接的又は間接的に結合し得る。

【0041】

図３は、本開示の一例による巻線アセンブリ１００の概略を示す。さらに正確には、図３の巻線アセンブリ１００は、取り付けられた構成で例示されており、巻線アセンブリ１００は電気機械の固定子歯２００に取り付けられている。

【0042】

図３の固定子歯２００は、半径方向ＲＤに基部２１０から遠位端２２０まで延在している。また、固定子歯２００は、半径方向ＲＤに対して略直交する長手方向ＬＤに沿って延在している。長手方向ＬＤは、軸方向に延びていてもよく、電気機械の回転軸と平行であってもよい。

【0043】

固定子歯２００は、固定子構造の残りの部分、例えば対応する各歯の基部２１０を通る固定子ヨークに取り付けてもよい。歯の遠位端２２０は、固定子と回転子の間の空隙の側面に配置される。

【0044】

巻線アセンブリ１００は、絶縁ストランド１２１，１３１を含む複数の巻線体１２０，１３０を備える。また、複数の巻線体１２０，１３０は、固定子歯２００の基部２１０の近くのセクションの周囲に取り付けられるように構成された第１の巻線体１２０と、第１の巻線体１２０よりも固定子歯２００の先端２２０に近接して取り付けられるように構成された第２の巻線体１３０とを備える。さらに、第１及び第２の巻線体１２０，１３０は電気的に接続される。図３の例では、第１及び第２の巻線体１２０，１３０は、コネクタ１６０を介して電気的に接続されている。

【0045】

本願で提供する巻線アセンブリ１００は、単一の巻線体を使用する場合よりも低い高さ対幅比の巻線体を使用できるようになる。例えば、高さ対幅の比率は、１以上の巻線体について５未満、さらに具体的には３未満であってもよく、その結果、絶縁不良を低減させることができる。従って、本巻線アセンブリは、絶縁体１２０，１３０の周囲に固定させるために絶縁材料１２２、１３２に加わる張力を減少させることができる。これは、同時に、巻線体１２０，１３０の角部付近の絶縁体の樹脂含有量を増加させる。

【0046】

図３にさらに示すように、巻線アセンブリ１００は、第１及び第２の巻線体１２０，１３０の間の冷却チャネル１４０をさらに備えていてもよい。冷却チャネル１４０は、液体又は気体冷却材を搬送し得る。

【0047】

幾つかの例では、図４の例のように、第１の巻線体１２０は、第２の巻線体１３０よりも大きな高さを有し得る。したがって、固定子歯の側面の大部分は、第１の巻線体１２０で囲まれていてもよく、第２の巻線体１３０は、側面の比較的小さな部分しか占めていない。幾つかの例では、第１の巻線体１２０は、第２の巻線体の高さの１５０％以上の高さを有していてもよく、さらに具体的には、第１の巻線体の高さは、第２の巻線体の高さの１５０～２００％であってもよい。

【0048】

図３には示していないが、巻線アセンブリ１００は、第１及び第２の巻線体１２０，１３０に電気的に接続された第３の巻線体を備えてもよい。第３の巻線体は、第２の巻線体１３０よりも固定子歯２００の先端２２０に近接して取り付けられるように構成し得る。２以上の巻線体を設ける例では、追加の冷却チャネル又は回路を、それぞれの追加の巻線体の間に設けてもよい。実施例では、巻線体間の冷却チャネルは、それらが設けられる巻線体に応じて異なる冷却特性を有していてもよい。例えば、第１及び第２の巻線体１２０，１３０の間の冷却流路１４０は、液体冷却材を搬送するように構成し、第２及び第３の巻線体間の冷却回路は、冷却ガス（例えば空気）を搬送するように構成してもよい。別の例では、冷却チャネルは、同じ流体を搬送するように構成してもよく、同一又は異なる冷却流量を有していてもよい。

【0049】

図４は、図３のＡ－Ａ’矢視概略断面図を示す。なお、ストランド１２１，１３１の断面は、平易にするため断面で示してはいない。

【0050】

図４から明らかな通り、磁極片は、固定子構造に取り付けることができる別個のユニットとして用意し得る。電気機械の固定子用の磁極片は、固定子歯と、本明細書に開示された例のいずれかによる複数の巻線体を含む巻線アセンブリとを備えていてもよい。

【0051】

特定の態様では、本開示は、磁極片を提供し、磁極片は、半径方向に基部２１０から遠位端２２０まで延在する固定子歯２００を備える。磁極片の基部２１０は、固定子の嵌合構造に嵌め込める形状である。

【0052】

磁極片は、固定子歯２００の基部２１０に近い固定子歯２００のセクションの周囲に巻回された複数の第１の絶縁ストランド１２１を含む第１の巻線体１２０と、第１の巻線体よりも固定子歯の先端に近い固定子歯の周囲に巻回された複数の第２の絶縁ストランド１３１とを含む第２の巻線体１３０とをさらに備える。第２の巻線体１３０は、第１の巻線体１２０から分離され、第１の巻線体１２０は、第２の巻線体１３０に電気的に接続されている。

【0053】

図４に示すように、各巻線体１２０，１３０は、複数の絶縁ストランド１２１，１３１を有し得る。また、各巻線体１２０，１３０は、互いに独立した絶縁素子１２２、１３２を有していてもよい。絶縁素子１２２、１３２（例えば絶縁テープ）に作用する荷重は、巻線体の高さとともに増加し得る。したがって、個々に絶縁されるように構成された複数の巻線体１２０，１３０を含む巻線アセンブリ１００を有することは、絶縁劣化及び関連する問題の可能性を低減する。

【0054】

図４はまた、第１及び第２の巻線体１２０，１３０を冷却チャネル１４０で分離し得ることを示している。本例では、冷却流体を冷却流路１４０を流してもよい。冷却材は、液体でも気体でもよく、例えば空隙に供給される冷却空気であってもよいし、空隙に供給される冷却空気から分岐してもよい。冷却チャネルは、バッフル、或いは乱流を促進しかつ蛇行構成などを有する構造を含んでいてもよい。冷却システム１４０の詳細は、平易にするため図４には示していない。

【0055】

図４の断面図は、電気的に接続された２つの巻線体１２０，１３０を備える巻線アセンブリ１００の例を示しているが、巻線アセンブリ１００は、２以上の巻線体を備えていてもよい。例えば、巻線アセンブリ１００は、電気的に接続された３又は４つの巻線体を備えていてもよい。さらに、隣接する巻線体の一部（又は全部）のペアは、追加の冷却回路によって、又は追加の独立した冷却システムによって分離してもよい。

【0056】

図４に示すように、磁極片又は巻線アセンブリ１００は、固定子歯２００の側壁に連結され、巻線アセンブリ１００を所定の位置に保持する１以上の巻線ストッパ１５０（又は他の巻線保持要素）をさらに含んでいてもよい。巻線ストッパ１５０は、固定子歯２００の遠位端２２０又はその近傍、或いは中間位置、すなわち第１及び第２の巻線体１２０，１３０の間に位置してもよい。また、巻線ストッパ１５０は、保持要素、弾性部材、くさび型要素などの幾つかの部品を備えていてもよい。従って、幾つかの例では、巻線ストッパ１５０は、固定子歯２００の遠位端２２０に（又はそれに近い）幾つかの部品、及び巻線体１２０，１３０の間の他の部品を有し得る。例えば、巻線ストッパ１５０の保持要素を固定子歯２００の遠位端２２０（又はその近傍）に配置してもよく、リップルバネ又はくさびなどの弾性要素を、第１及び第２の巻線体１２０，１３０の間、又は第１及び第２の巻線体１２０，１３０と冷却システム１４０の間に配置してもよい。巻線保持要素の他の構成を、巻線アセンブリ１００に含めてもよい。

【0057】

この例の磁極片の基部２１０は、固定子、特に固定子リム又は固定子ヨークに嵌合するような形状である。さらに具体的には、この例の基部２１０は、基部の各側面の側壁２８０に凹部２８２，２８４を備える。対応する雄構造を、固定子の嵌合構造、例えば固定子ヨークに設けてもよい。固定子ヨークの雄構造は、凹部２８２，２８４に達して、基部２１０を保持することができる。例では、磁極片は、このようにして固定子ヨーク上に軸方向にスライドさせてもよい。

【0058】

幾つかの他の例では、凹部２８２，２８４は、冷却チャネルとして使用してもよく、すなわち、固定子歯の温度を制御又は低下させるために、空気をこれらのチャネルに流してもよい。

【0059】

磁極片の基部２１０は、基部の底面２９０に凹部２９６をさらに備えてもよい。基部は、底面２９０に中央穴を備えてもよく、中央穴２９８は、基部２１０を２つの部分、２９２及び２９４に分割し、中央穴２９８は、ナット２９９を収容してもよい。ボルト又は同様の留め具を使用して、ナット２９９と係合して、基部２１０を固定子ヨークに確実に取り付けることができる。

【0060】

固定子構造にユニットとして取り付けることができる単一の固定子歯を有する磁極片ではなく、さらに別の例では、複数の固定子歯を含む固定子セグメントを使用してもよい。固定子セグメントは、本明細書では、１以上の固定子歯を含むアセンブリとみなすことができる（固定子セグメントは磁極片も包含する）。固定子セグメントの複数の歯、又は固定子セグメントの各歯は、本明細書に開示された例による巻線アセンブリを備えていてもよい。

【0061】

固定子セグメントは、ユニットとして残りの固定子構造体に取り付けてもよい。固定子構造体の基部は、固定子の嵌合構造に嵌め込むような形状（磁極片についても例示したような形状）であってもよい。複数の特徴（突起又は凹部）を、残りの固定子構造の対応する特徴、特に固定子リム又は固定子ヨークとの嵌合に適した固定子セグメントの基部に組み込んでもよい。

【0062】

別の例では、第１及び第２の巻線アセンブリ（固定子歯の周囲に配置され、おそらく固定子シューに属するか、又は固定子セグメントに属する）を、互いに電気的に接続する必要はない。幾つかの例では、第１の歯の周囲に配置された第１の巻線アセンブリは、第２の歯の第２の巻線アセンブリに接続し得る。個々の歯に配置された第１及び第２の巻線アセンブリは、これらの例では直列ではなく並列に接続してもよい。固定子セグメントの場合、第１及び第２の歯は、同じ固定子セグメントの一部を形成してもよい。

【0063】

図５は、巻線アセンブリの別の例及び電気機械の固定子用の磁極片の断面の概略を示す。図５の例では、巻線アセンブリ１００は、絶縁ストランド１２１，１３１からなる複数の巻線体１２０，１３０を備える。また、複数の巻線体１２０，１３０は、固定子歯２００の基部２１０の周囲に取り付けられるように構成された第１の巻線体１２０と、第１の巻線体１２０よりも固定子歯２００の先端２２０に近い位置に取り付けられるように構成された第２の巻線体とを含む。さらに、第１及び第２の巻線体のストランド１２１，１３１は異なる。

【0064】

図５の例では、第１の巻線体１２０は、第２の巻線体１３０のストランド１３１の断面積よりも大きい断面積を有するストランド１２１を備える。さらに正確には、第１の巻線体１２０のストランド１２１の断面積は、第２のストランドの断面積よりも５０％以上大きい。図５に示す第１及び第２の巻線体からのストランド間の断面積比は、例示を目的として選択したものにすぎない。また、ストランド１２１は、円形の断面積を有するワイヤとして示してあるが、他の箇所で述べたように、ストランドは、実質的に矩形又は他の断面を有していてもよい。

【0065】

複数の巻線体１２０，１３０を含む巻線アセンブリ１００は、渦電流損失及び／又は他の損失が少なくとも部分的に低減されるように構成し得る。

【0066】

渦電流は、変化する磁場又は磁場中での導体の相対運動によって導体内に誘導される電流のループと解される。渦電流は、磁場に垂直な面で、導体内の閉ループを流れる。特定のループ内の電流の大きさは、磁場の強さ、ループの面積及び磁束の変化率に比例し、材料の抵抗率に反比例する。磁束の変化率は歯の高さに沿って一定ではなく、歯の遠位端付近で高くなる。歯の遠位端付近の渦電流を減少させるために、第２の巻線アセンブリ（又は存在する場合は第３又は第４の巻線アセンブリ）は、断面の減少したストランドを有していてもよい。

【0067】

導体を流れる電流も、材料内の熱としてエネルギーを放散する。断面積が小さくなると、電流密度が増加し、発熱量が増える。しかし、歯の遠位端付近では、損失の主な要因は渦電流の発生であることが今回判明した。逆に、歯の基部付近では、損失の主な要因は電流密度であるため、そこでの断面積の増加によって、全体的な損失を制御できる。従来技術のシステムと比較して、全体的な損失が低減し、全体的な熱分布が一様になる。

【0068】

幾つかの例では、異なる巻線アセンブリからのストランドは、異なる材料から作ることができ、異なる抵抗率をもつ。

【0069】

図６は、巻線アセンブリを電気機械の固定子歯２００に取り付けるための例示的な方法６００のフローチャートである。

【0070】

図６に示すように、方法６００は、固定子歯２００の基部２１０に近い歯のセクションの周囲に第１の巻線体１２０を設けることを含む（ブロック６０２）。方法６００は、第１の巻線体１２０よりも固定子歯２００の遠位端２２０に近い歯のセクションの周囲に第２の巻線体１３０を設けることをさらに含む（ブロック６０４）。第１及び第２の巻線体１２０，１３０は、絶縁ストランド１２１，１３１を含んでいてもよい。方法６００は、ブロック６０６において、第１の巻線体１２０を第２の巻線体１３０と電気的に接続することをさらに含む。

【0071】

幾つかの例では、個々の巻線体は、絶縁材料、例えば絶縁テープで包まれていてもよい。

【0072】

方法６００は、以下に説明する一の実施態様又は複数の実施態様の任意の組合せなど、及び／又は本明細書の他の場所で説明する巻線アセンブリ１００に関連して、追加の実施態様を含んでいてもよい。第１の実施態様では、第１の巻線体１２１のストランドの断面積は、第２の巻線体１３１のストランドの断面積よりも大きくてもよい。

【0073】

方法６００の幾つかの例では、巻線体１２０，１３０を電気的に接続することは、コネクタ１６０を第１及び第２の巻線体１２０，１３０に溶接又はろう付けすることを含んでいてもよい。

【0074】

別の実施態様では、単独で、又は上述の実施態様の１以上と組合せて、方法６００は、第１及び第２の巻線体１２０，１３０の間に冷却システム１４０を設けることをさらに含んでいてもよい。

【0075】

別の実施態様では、単独で、又は上述の実施態様の１以上と組合せて、固定子歯２００に第１の巻線体１２０、第２の巻線体１３０及び冷却システム１４０を設けることを、１つのステップで行ってもよい。

【0076】

図６は、方法６００のブロックの例を示しているが、幾つかの実施態様では、方法６００は、図６に示すものよりも、追加のブロック、より少ないブロック、異なるブロック、又は異なる配置のブロックを含んでいてもよい。さらに、又は代替的に、方法６００のブロックのうちの２以上を並行して実行してもよい。

【0077】

巻線アセンブリのすべての特徴は、巻線アセンブリを固定子歯に取り付けるための方法に含めることができ、その逆も同様である。

【0078】

本明細書では、本発明を好ましい実施形態を含めて開示するとともに、装置又はシステムの製造・使用及び方法の実施を始め、本発明を当業者が実施できるようにするため、例を用いて説明してきた。本発明の特許性を有する範囲は、特許請求の範囲によって規定され、当業者に自明な別の例も包含する。かかる他の例は、特許請求の範囲と文言上の差のない構成要素を有しているか、或いは特許請求の範囲の文言と非本質的な差しかない均等な構成要素を有していれば、特許請求の範囲に記載された技術的範囲に属する。当業者であれば、本願に記載した様々な実施形態の様々な態様並びにかかる各態様について公知の他の均等物を適宜組み合わせて、本願の原理に則した追加の実施形態及び技術を構成することができる。図面に関する符号が特許請求の範囲に括弧書きで記載されている場合、そうした符号は、特許請求の範囲の記載を理解し易くするためのものにすぎず、特許請求の範囲に記載された技術的範囲を限定するものと解すべきではない。

【符号の説明】

【0079】

１０ 風力タービン
１５ タワー
１６ ナセル
１８ ロータ
２０ ロータハブ
２２ ロータブレード
１００ 巻線アセンブリ
１２０ 巻線体
１２１ 絶縁ストランド
１２２ 絶縁材料
１３０ 巻線体
１３１ 絶縁ストランド
１３２ 絶縁材料
１４０ 冷却チャネル
２００ 固定子歯
２１０ 固定子歯の基部
２２０ 固定子歯の遠位端

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【外国語明細書】