JP2006094645A - 永久磁石を用いた回転界磁型の同期発電機および風力発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 低速回転でも十分に大きな出力電圧を得ることができ、安価で保守性の高い発電機を提供する。
【解決手段】 円筒状をなす電機子巻線２を有する固定子１と、永久磁石４ａ、４ｂ、５ａ、５ｂにより形成され電機子巻線に隣接して配置された同心の円筒状をなす界磁極を有する回転子３とを備える。界磁極は、同心状に配置された外側界磁極３ｃと内側界磁極３ｂから構成され、外側界磁極と内側界磁極の間の間隙内に電機子巻線が配置され、外側界磁極と内側界磁極との間に、前記電機子巻線の円筒壁に対して実質的に直交する方向の磁界であって、周方向において極性の反転を繰り返す多極磁界が形成されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、風力発電やマイクロ水力発電等の、自然エネルギーを利用した低速回転の動力に適した発電機に関する。

風力発電やマイクロ水力発電等に用いる発電機としては、ブラシやスリップリングを持たないメンテナンスフリーのアウターロータ、すなわち、永久磁石を用いた回転界磁型の同期発電機が主流になりつつある。アウターロータ発電機は、界磁束を作るための界磁電流を必要としないので、巻線型回転子に比べ損失が少なく、構造も簡素である。

アウターロータ発電機の一例として、特許文献１に開示された発電機の構造を図５に示す。図５（ａ）は断面で示した平面図、（ｂ）は断面で示した側面図である。この発電機は、環状の固定子２０と、この環状の固定子２０の外側に同心状に配置された円筒型の回転子２１とから成る。固定子２０は電気子巻線を有し、回転子２１は、円周方向に永久磁石２２を複数個並べて多極構成としたものである。

回転子２１を支持するために、回転子２１の上部端面に支持枠２３が一体的に固定され、一方、回転子軸２４に貫通固定されたフランジ２５が支持枠２３と一体的に固定されている。それにより、回転子２１、支持枠２３、回転子軸２４、フランジ２５が一体に形成されている。回転子軸２４の下端部にスラスト軸受２６を設置することにより、回転子２１の推力がスラスト軸受２６で支えられ、回転子２１は回転自在に支持されている。環状の固定子２０は、ブラケット２７を介して台座部に支持されている。ブラケット２８により、スラスト軸受２６が支持されている。回転子軸２４は、図示しないガイド軸受により支持されている。
特開２００３−２８６９３８号公報

しかし、サボニウス型垂直軸風車やセルウィング水平軸風車など抗力型の風車を動力とする場合、風速比すなわち風速に対する回転数が小さく低速回転であるため、上記従来の発電機では、十分な出力電圧を得ることができない。そのため、このような風車に対しては、機械的な増速機や電気的な昇圧回路が必要となり、保守性の低下や製造コストの増加を招く原因となっていた。

本発明は、低速回転でも十分に大きな出力電圧を得ることができ、機械的な増速機や電気的な昇圧回路を必要とすることなく、安価で保守性の高い発電機を提供することを目的とする。

本発明の永久磁石を用いた回転界磁型の同期発電機は、円筒状をなす電機子巻線を有する固定子と、永久磁石により形成され前記電機子巻線に隣接して配置された同心の円筒状をなす界磁極を有する回転子とを備え、前記界磁極は、同心状に配置された外側界磁極と内側界磁極から構成され、外側界磁極と内側界磁極の間の間隙内に前記電機子巻線が配置され、前記外側界磁極と内側界磁極との間に、前記電機子巻線の円筒壁に対して実質的に直交する方向の磁界であって、周方向において極性の反転を繰り返す多極磁界が形成されていることを特徴とする。

上記構成によれば、最も周速度の速い外周部に界磁極を配置でき、電機子巻線は界磁極との間で周面を近接して対向させた状態になるので、界磁極の磁束と電機子巻線が効果的に鎖交する状態が得られる。また、界磁極が電機子巻線を挟む状態になっているので、電機子巻線が形成する円筒壁に直交する磁束は十分に集中して、強い磁界が形成される。従って、低速回転でも十分に大きな出力電圧を得ることができる。

本発明の永久磁石を用いた回転界磁型の同期発電機において、前記電機子巻線の各巻線の主要部が、前記回転子の回転軸方向に配列されていることが好ましい。巻線の主要部とは、巻線を形成するために不可避的に形成される折曲部等の部分を除き、界磁極からの磁束と鎖交させるために配置された、電機子巻線としての本来の機能を果たす部分を意味する。

また好ましくは、前記外側界磁極と内側界磁極を形成する前記永久磁石は、円筒の径方向にＮ極とＳ極が配列されている。

また好ましくは、前記回転子と前記固定子は、スラスト軸受けを介して、互いに回転自在に結合された構成とする。前記スラスト軸受けは、少なくとも前記回転子における前記界磁極の二重壁間の間隙の底部と、前記固定子における前記電機子巻線が設けられた円筒壁の端面との間に配置された構成とすることができる。

また好ましくは、前記電機子巻線は、フィルム状に樹脂モールドされた構成とする。

本発明の風力発電装置は、前記タワーの上部に設置された風車と、前記タワーのいずれかの位置に設置された発電機と、前記風車の回転軸の回転を前記発電機の回転子に伝達する回転伝達機構とを備え、前記発電機として上記構成の回転界磁型の同期発電機を用いたた構成とする。

以下本発明の実施の形態における永久磁石を用いた回転界磁型の同期発電機について、図面を参照して具体的に説明する。

図１は、本発明の一実施の形態における回転界磁型の同期発電機の構造を示す断面図である。図２は、同発電機の平面構造を断面で示した平面図である。

固定子１は、全体として概略円筒形状をなし、円板部１ａと環状部１ｂとからなる。環状部１ｂには、電機子巻線２が固定されている。電機子巻線２は、主として固定子１の円筒形状の軸方向に延在するように配置され、フィルム状に樹脂モールドされている。回転子３も全体として円筒形状をなし、円板部３ａと、二重の円筒状界磁極を形成する内側環状部３ｂ、及び外側環状部３ｃとからなる。内側環状部３ｂ、及び外側環状部３ｃは、固定子１の環状部１ｂに対して、それぞれ内周面及び外周面に対向して配置されている。すなわち、固定子１の環状部１ｂが、回転子３の内側環状部３ｂと外側環状部３ｃの間の間隙内に挟まれて配置されている。内側環状部３ｂ、外側環状部３ｃにはそれぞれ、界磁極を形成する永久磁石４ａ、４ｂ、５ａ、５ｂが固定されている。永久磁石４ａ、４ｂ、５ａ、５ｂとしては、例えばネオジウム磁石等を用いることができる。

図２に示すように、電機子巻線２を挟んで対向する、内側環状部３ｂの永久磁石４ａと、外側環状部３ｃの永久磁石５ａとは、各々Ｓ極及びＮ極を互いに対向させている。従って、内側環状部３ｂと外側環状部３ｃとの間に、電機子巻線２に直交する方向に貫通する磁界、すなわち径方向磁界が形成されている。そして、内側環状部３ｂにおいては、隣接する永久磁石４ａと４ｂが、交互にＳ極とＮ極を繰り返して配列され、外側環状部３ｃにおいても、隣接する永久磁石５ａ、５ｂが、交互にＮ極とＳ極を繰り返して配列されているので、円周方向において向きが交互に反転する径方向磁界が形成されて、多極構造となっている。通常、抗力型の風車の回転数は１分間に数１０回転程度の低速であるため、回転子の界磁極を多極構造にして、固定子の電機子巻線から誘起される交流電力の周波数を高めることが望ましい。

なお、永久磁石４ａ、４ｂ、５ａ、５ｂの磁極は、回転子３の径方向に配列されれいる。永久磁石４ａ、４ｂの電機子巻線２に対向する側の磁極は、それぞれＳ極、Ｎ極であり、電機子巻線２から遠い側が、それぞれＮ極、Ｓ極である。同様に永久磁石５ａ、５ｂの電機子巻線２に対向する側は、それぞれＮ極、Ｓ極であり、電機子巻線２から遠い側が、それぞれＳ極、Ｎ極である。

この界磁極および電機子巻線の構造においては、電機子巻線２の各巻線は、回転子３の回転軸方向に延在している部分が多いので、界磁極からの磁束と鎖交する長さが十分に長く、発電の効率上有利である。

回転子３と固定子１とは、スラスト軸受け６ａ、６ｂを介して、互いに回転自在に結合されている。上側のスラスト軸受け６ａは、回転子３における内側環状部３ｂと外側環状部３ｃの二重壁間の間隙の底部と、固定子１における環状部１ｂの上端面との間に配置されている。下側のスラスト軸受け６ｂは、固定子１における環状部１ｂの下端面と、回転子３における外側環状部３ｃの下端部との間に配置されている。スラスト軸受け６ｂを保持するために、外側環状部３ｃの下端部には、軸受け支持部材７が、例えばボルト等の固定部材８により固定されている。それにより、環状部１ｂの下端面と、軸受け支持部材７の間に、スラスト軸受け６ｂが保持されている。回転子３の内側環状部３ｂの内部は、中空の内部空間９を形成している。

以上のような構成の回転界磁型の同期発電機によれば、回転子３の界磁極が、発電機全体の円筒形状の最外周部において、固定子１の電機子巻線２を挟んで配置されている。従って、界磁極の周速が最も大きい状態を、すなわち、界磁極と電機子巻線２の相対速度が最も大きい状態を得ることができる。しかも、界磁極が形成する磁界は、内側環状部３ｂと外側環状部３ｃの間の間隙を隔てて近接して対向する永久磁石４ａ、４ｂ、５ａ、５ｂにより形成されるので、電機子巻線２に直交する径方向磁界として、磁束が十分に集中した状態が得られる。従って、これに鎖交する電機子巻線２には、低速回転でも十分に大きな起電力が発生し、大きな出力電圧を得ることができる。

さらに、回転子３の内側環状部３ｂと外側環状部３ｃの直径を大きくしても、回転子３の内部空間９は中空であるため、内部空間９における質量が増大することはない。従って、回転子３の回転駆動負荷の増大をそれ程伴わずに、回転子３の直径を大きくし、回転子３の界磁極の磁束と電機子巻線２が鎖交する速度を高めて、容易に出力電圧を高めることができる。

さらに、発電機の高さｈを、発電機半径ｒに対して大きくとることも容易である。それにより、電機子巻線２における磁束に直交する巻線長さを、発電機半径ｒに依存することなく大きくとることができ、発電電圧を容易に高めることが可能となる。

回転子３と固定子１とを、スラスト軸受け６ａ、６ｂを介して結合した構造は、軸ぶれに強いので、大型化の際の構造として有利である。また、図１に示すように、回転軸を持たない構造とすれば、発電機を風車のブレードとを一体化した構造を容易に実現できる。すなわち、回転子３に直接ブレードを結合させて構造とすればよい。但し、必要に応じて、後述する図３、４に示すような回転軸を有する構造としてもよい。

本実施の形態における発電機は、例えば、図１に示す回転子３の半径ｒを１００〜３００ｍｍ、高さｈを５０〜３００ｍｍとすることができる。その場合、電機子巻線２の線幅（線の太さ）は、例えば０．１〜０．５ｍｍとし、フィルム状に樹脂モールドしたものを用いることができる。界磁極を形成する磁石の周方向における配列は、３６〜４８極とすることが好ましい。

図３に、上記構成の発電機を用いた風力発電装置の構造の一例を示す。この風力発電装置は、基礎部から垂直に建てられたタワー１０と、タワー１０の頂上部に設置された垂直軸型風車であるサボニウス式風車１１とを備えている。風車１１のブレードが固定された回転軸１２の回転力により発電機１３が駆動される。発電機１３は、図１及び２に示したものと同様の構成を有する。なお、発電機１３から出力される交流電力を送電するための電力ケーブル、変圧器、スイッチ等の変電機器等は、図示が省略されている。

タワー１０の頂上部を拡大して、図４に示す。タワー１０の先端にブラケット１４が設置され、ブラケット１４上に、発電機１３の固定子１が固定されている。回転軸１２の下端に発電機１３の回転子３が固定されている。従って、回転軸１２の回転に伴い回転子３が回転して、固定子１の電機子巻線２に対する界磁極の相対的な運動が発生し、発電が行われる。

なお、図３及び図４の風力発電装置においては、発電機１３は、回転子３の回転軸が垂直方向になるように配置されているが、回転軸が水平方向になるように発電機を配置することもできる。その場合は、サボニウス式風車１１に代えて、回転軸が水平方向に配置されるプロペラ式風車を用いることもできる。

さらに、本発明の発電機は、風力発電装置に限らず、水力発電装置や、その他の自然エネルギーを利用した低速回転の動力に有効に適用することが可能である。

本発明の永久磁石を用いた回転界磁型の同期発電機は、風力発電やマイクロ水力発電等の、自然エネルギーを利用した低速回転の動力に適した発電機として有用である。

本発明の一実施の形態における永久磁石を用いた回転界磁型の同期発電機の構造を示す断面図 同発電機の平面構造を断面で示した平面図 同発電機を用いた風力発電機を示す正面図 同風力発電機の要部を示す断面図 従来のアウターロータ発電機の一例を示し、（ａ）は断面で示した平面図、（ｂ）は断面で示した側面図

符号の説明

１ 固定子
１ａ 円板部
１ｂ 環状部
２ 電機子巻線
３ 回転子
３ａ 円板部
３ｂ 内側環状部
３ｃ 外側環状部
４ａ、４ｂ、５ａ、５ｂ 永久磁石
６ａ、６ｂ スラスト軸受け
７ 軸受け支持部材
８ 固定部材
９ 内部空間
１０ タワー
１１ 風車
１２ 回転軸
１３ 発電機
１４ ブラケット
２０ 固定子
２１ 回転子
２２ 永久磁石
２３ 支持枠
２４ 回転子軸
２５ フランジ
２６ スラスト軸受
２７、２８ ブラケット

Claims (7)

1. 円筒状をなす電機子巻線を有する固定子と、永久磁石により形成され前記電機子巻線に隣接して配置された同心の円筒状をなす界磁極を有する回転子とを備えた永久磁石を用いた回転界磁型の同期発電機において、
   前記界磁極は、同心状に配置された外側界磁極と内側界磁極から構成され、外側界磁極と内側界磁極の間の間隙内に前記電機子巻線が配置され、
   前記外側界磁極と内側界磁極との間に、前記電機子巻線の円筒壁に対して実質的に直交する方向の磁界であって、周方向において極性の反転を繰り返す多極磁界が形成されていることを特徴とする回転界磁型の同期発電機。
2. 前記電機子巻線の各巻線の主要部が、前記回転子の回転軸方向に配列されている請求項１に記載の回転界磁型の同期発電機。
3. 前記外側界磁極と内側界磁極を形成する前記永久磁石は、円筒の径方向にＮ極とＳ極が配列されている請求項１に記載の回転界磁型の同期発電機。
4. 前記回転子と前記固定子は、スラスト軸受けを介して、互いに回転自在に結合されている請求項１に記載の回転界磁型の同期発電機。
5. 前記スラスト軸受けは、少なくとも前記回転子における前記界磁極の二重壁間の間隙の底部と、前記固定子における前記電機子巻線が設けられた円筒壁の端面との間に配置されている請求項４に記載の回転界磁型の同期発電機。
6. 前記電機子巻線は、フィルム状に樹脂モールドされている請求項１に記載の回転界磁型の同期発電機。
7. タワーと、前記タワーの上部に設置された風車と、前記タワーのいずれかの位置に設置された発電機と、前記風車の回転軸の回転を前記発電機の回転子に伝達する回転伝達機構とを備えた風力発電装置において、
   前記発電機は、請求項１に記載の回転界磁型の同期発電機により構成されたことを特徴とする風力発電装置。

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