JP2006254638A - 回転電機及び風力発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】
永久磁石式回転電機特に風力発電用永久磁石式回転電機において誘導起電力波形の歪み率を低減することである。
【解決手段】
本発明は、風力発電用回転電機において、分布巻巻線を施す、固定子スロット構造と、永久磁石を持った回転子磁極構造からなり、毎極毎相スロット数を極数Ｐとして３Ｐで割り切れない数に選定し、ポールピース幅Ｔｐを永久磁石回転子の隣り合う最外径極中心間の距離Ｔｒで、ポールピース幅Ｔｐを除算した極幅率Ｐｗが、Ｐｗ≦０.６，０.６７≦
Ｐｗ≦０.７１，０.７８≦Ｐｗのいずれかの範囲でポールピース４の幅Ｔｐを選択することが望ましい。
【選択図】図７

Description

本発明は、回転電機及び風力発電システムに関する。

風力発電導入量が近年飛躍的に増加しており、単機容量増加による経済性向上を狙い、１ＭＷ以上の大容量永久磁石機の要求が高まっている。特開２００１−０６９７３５号公報には、鉄心に電機子巻線を設けた固定子と、鉄心に永久磁石を設けた回転とを備えて構成され、固定子と回転子との間で生じる全トルクは、リラクタンストルクと、電機子巻線の電流と永久磁石の鎖交磁束との作用で発生するトルクとを合成して作られるように構成し、電機子巻線は、巻線ピッチを極ピッチの４０％〜８０％として固定子鉄心に巻き付けた回転電機が記載されている。

特開２００１−０６９７３５号公報

大容量回転電機に、永久磁石機を適用する際には、回転電機が大型化するため誘導起電力波形を重視し、分布巻を採用することになる。

しかしながら、極数と巻線数には無数の組合せがありその中には、誘導起電力波形が歪んでしまう組合せが存在する課題があった。コギングトルク低減策としては、極数とスロット数の組合せを選定するものがあるが、同様の方法を用いても誘導起電力波形が歪んでしまう課題があることがわかった。

本発明の目的は、回転電機及び風力発電システムにおいて誘導起電力波形の歪み率を低減することである。

本発明の一つの特徴は、回転電機をコイルが巻かれた固定子と回転可能に支持された回転子とを備え、回転子と固定子の間にギャップを有し、回転子は永久磁石を備え、ポールピースの幅Ｔｐを前記回転子の隣り合う最外径極中心間の距離Ｔｒで除算した極幅率Ｐｗが、Ｐｗ≦０.６，０.６７≦Ｐｗ≦０.７１，０.７８≦Ｐｗのいずれかの関係を満足するものとした点にある。

また、本発明の他の特徴は、コイルが巻かれた固定子と回転可能に支持された回転子とを備え、回転子と固定子の間にギャップを有し、回転子は永久磁石及び永久磁石の外周側に磁性体からなるポールピースを備え、ポールピースは外周側に略円弧形状の部分を有し、ポールピースの略円弧形状の部分の半径Ｒ２よりも回転子の最外周部の半径Ｒ１が大きいものとした点にある。

本発明のその他の特徴は、本明細書の発明を実施するための最良の形態の欄で説明する。

本発明の回転電機及び風力発電システムによれば、誘導起電力波形の歪み率を小さくできる。

以下本発明の実施の形態を図面を用いながら説明する。各図において同一部分は同じ番号を付与している。

１ＭＷ以上の大容量永久磁石式回転電機は、その容量から実負荷試験を行うことが困難であり、今後は規格に基づき試験を行って商取引されると考えられる。その試験項目中に波形ひずみ率あるいは波形くるい率のような高調波電圧を規制する項目が入ってくることは必然であり、１ＭＷ以上の大容量永久磁石式回転電機は、風力発電に使用した場合最も効果的である。

図１は、本発明の第１の実施例の６極５４スロット永久磁石式回転電機の回転電機端部断面図である。該当機は、数ＭＷ級の風力発電用発電機に適しており、１０００〜2000
rpm の回転数を許容する。固定子１は、固定子ティース１２にコイル１０を分布的に巻いた分布巻固定子となっている。コイル１０はＵＶＷの３相巻線が施されており５４スロットで６極が電気的に作られるように配置されている。またコイル１０は固定子ティース
１２の間の固定子スロット１３に上コイル８，下コイル９のように配置されている。第１実施例においてコイル１０は分布巻と呼ばれる方式で巻かれており、これが周方向に続き３相巻線を形成している。固定子１の中心には回転子２が回転可能に配置されている。回転子２では永久磁石３が回転子鉄心５とポールピース４で挟まれて配置されている。また、回転子鉄心５はシャフト６に接続されている。また、極間に永久磁石３が周方向に動かないようにするために極間保持材７を配置する。極間保持材７はアルミあるいは銅のような非磁性体を用いることが望ましい。

図２は本発明の第２の実施例の６極６３スロット永久磁石式回転電機の回転電機端部断面図である。実施例２と同様に、固定子２１に、コイル１０は分布巻と呼ばれる方式で巻かれており、これが周方向に続き３相巻線を形成している。固定子１の中心には回転子２が回転可能に配置されている。回転子２では永久磁石３が回転子鉄心５とポールピース４で挟まれて配置されている。また、回転子鉄心５はシャフト６に接続されている。また、極間に永久磁石３が周方向に動かないようにするために極間保持材７を配置する。極間保持材７はアルミあるいは銅のような非磁性体を用いることが望ましい。

図３は本発明の第３の実施例の６極４５スロット永久磁石式回転電機の回転電機端部断面図である。実施例１と同様に、固定子３１に、コイル１０は分布巻と呼ばれる方式で巻かれており、これが周方向に続き３相巻線を形成している。固定子１の中心には回転子２が回転可能に配置されている。回転子２では永久磁石３が回転子鉄心５とポールピース４で挟まれて配置されている。また、回転子鉄心５はシャフト６に接続されている。また、極間に永久磁石３が周方向に動かないようにするために極間保持材７を配置する。極間保持材７はアルミあるいは銅のような非磁性体を用いることが望ましい。

図４に実施例１の誘導起電力波形の高調波分析結果を示す。同図に示すように基本波、つまり高調波次数１次を１００とした場合に、１７次，１９次の含有率が高いことがわかる。波形歪み率を低減するためには、基本波以外の次数の含有率を０に近づける必要がある。

図５に実施例２の誘導起電力波形の高調波分析結果を、図６に実施例３の誘導起電力波形の高調波分析結果を示す。実施例２，３のようにスロット数を選択することにより、高調波含有率を低減することができる。これは、一般化すると（１）式に示すスロット数
Ｎｓを極数Ｐと相数Ｎで除算した毎極毎相スロット数Ｎspp が割り切れないように選択することを意味する。

実施例２の場合、Ｎｓ＝６３，Ｎ＝３，Ｐ＝６なので、Ｎspp＝３.５となる。また、実施例３の場合、Ｎｓ＝４５，Ｎ＝３，Ｐ＝６なのでＮspp＝２.５となる。分析の結果、
Ｎspp を整数でない数に選択すると、波形歪み率を小さくすることができることが分かったが、特に今回の実施例２，３のようにＮspp を３.５，２.５となる場合が歪み率低減の効果が高い。また、誘導起電力波形歪み率は、実施例１の回転子２のポールピース４の幅を適切に選択することでも低減が可能である。図７に実施例１の補足説明図を示す。

回転中心Ｏから引かれた補助線７１，７２は、回転子２の最外径極中心７３を貫くように引かれており、この間の円弧をＴｒとする。ポールピース４の幅Ｔｐとの関係を（２）式のように極幅率Ｐｗとする。

図８は前記極幅率Ｐｗと誘導起電力歪み率の関係を示した図である。曲線８１は極幅率に応じて変化している。波形歪み率はＪＥＣ規格より１０％以下にすることが要求されているため、１０％以下となるおおよそ極幅率Ｐｗ≦０.６，０.６７≦Ｐｗ≦０.７１，
０.７８≦Ｐｗのいずれかの範囲でポールピース４の幅Ｔｐを選択することが望ましい。また、図８からＴｐを上記範囲とするとひずみ低減効果が顕著に発揮できることが分かる。また、図９に示すように、ポールピース４の幅Ｔｐを図８で示した幅となるようにダンパバー９１をポールピース４にもうけてもよい。

図１０は実施例１における、ポールピース４の曲率の補足説明図である。回転子２は、半径Ｒ１の最外周部９１を持っているが、ポールピース４の外周部の円弧Ｒ２をＲ１よりも小さく取ることで誘導起電力歪み率を低減することができる。

図１１は、ポールピース４の外周部の円弧Ｒ２と回転子２の半径Ｒ１との除算と波形歪み率との関係を示した図である。曲線１０１はＲ２／Ｒ１が減少するに従い、波形歪み率が低減することを示している。前記規格のように波形歪み率は１０％以下とする必要があることから、Ｒ２／Ｒ１は約０.９以下とすることが望ましい。

図１２は、本発明の回転電機を風力発電システムに適用した例を示す。実施例１から実施例３で示した回転電機１２１は、風車１２４と増速ギア１２３を介して接続され、風車ナセル１２２内に設置される。さらに回転電機１２１は電力系統１２６と電力変換器125を介して接続され、発電運転を行うことができる。また、風車１２２と回転電機１２１は直結することも可能である。なお本実施例では風力を動力源としているが、例えば、水車，エンジン，タービンなどにも十分適用が可能である。また、本実施例は電動機にも適用可能である。

本発明の回転電機の実施例を示した説明図である。（実施例１） 本発明の回転電機の実施例を示した説明図である。（実施例２） 本発明の回転電機の実施例を示した説明図である。（実施例３） 本発明の実施例の効果を示した説明図である。（実施例１） 本発明の実施例の効果を示した説明図である。（実施例２） 本発明の実施例の効果を示した説明図である。（実施例３） 本発明の回転電機の実施例を示した補足説明図である。（実施例１） 本発明の実施例の効果を示した説明図である。（実施例１） 本発明の回転電機の実施例を示した説明図である。（実施例１） 本発明の回転電機の実施例を示した補足説明図である。（実施例１） 本発明の実施例の効果を示した説明図である。（実施例１） 本発明の回転電機の実施例を示した説明図である。（実施例４）

符号の説明

１…固定子、２…回転子、３…永久磁石、４…ポールピース、５…回転子鉄心、６…シャフト、７…極間保持材、８…上コイル、９…下コイル、１０…コイル、１２…固定子ティース、１３…スロット。

Claims (10)

1. コイルが巻かれた固定子と回転可能に支持された回転子とを備え、前記回転子と前記固定子の間にギャップを有し、前記回転子は永久磁石を備え、ポールピースの幅Ｔｐを前記回転子の隣り合う最外径極中心間の距離Ｔｒで除算した極幅率Ｐｗが、Ｐｗ≦０.６，
   ０.６７≦Ｐｗ≦０.７１，０.７８≦Ｐｗ のいずれかの関係を満足することを特徴とする回転電機。
2. 請求項１において、前記固定子のスロット数をＮｓ、前記固定子のコイルの相数をＮ、前記固定子の極数をＰとすると、ＮｓをＰとＮで除算したときに割り切れない数としたことを特徴とする回転電機。
3. 請求項２において、Ｎｓ／（Ｐ・Ｎ）が２.５または３.５となることを特徴とする回転電機。
4. 請求項１において、前記コイルは分布巻きにより巻かれ、前記回転子の各々の極は、ポールピースと回転子鉄心によって前記永久磁石を挟み、極間に非磁性部材を配置したことを特徴とする回転電機。
5. コイルが巻かれた固定子と回転可能に支持された回転子とを備え、前記回転子と固定子の間にギャップを有し、前記回転子は永久磁石及び永久磁石の外周側に磁性体からなるポールピースを備え、前記ポールピースは外周側に略円弧形状の部分を有し、前記ポールピースの略円弧形状の部分の半径Ｒ２よりも前記回転子の最外周部の半径Ｒ１が大きいことを特徴とする回転電機。
6. 請求項５において、前記ポールピースの略円弧形状の部分の半径Ｒ２に対する前記回転子の最外周部の半径Ｒ１の比率が０.９以下であることを特徴とする回転電機。
7. 請求項５において、前記固定子のスロット数をＮｓ、前記固定子のコイルの相数をＮ、前記固定子の極数をＰとすると、ＮｓをＰとＮで除算したときに割り切れない数としたことを特徴とする回転電機。
8. 請求項５において、前記固定子のスロット数をＮｓ、前記固定子のコイルの相数をＮ、前記固定子の極数をＰとすると、ＮｓをＰとＮで除算したときに割り切れない数としたことを特徴とする回転電機。
9. 請求項５において、Ｎｓ／（Ｐ・Ｎ）が２.５または３.５となることを特徴とする回転電機。
10. 巻線が巻かれた固定子と回転可能に支持された回転子とを備え、前記回転子と前記固定子の間にギャップを有し、前記回転子は永久磁石を備え、ポールピースの幅Ｔｐを前記回転子の隣り合う最外径極中心間の距離Ｔｒで除算した極幅率Ｐｗが、Ｐｗ≦０.６，0.67≦Ｐｗ≦０.７１，０.７８≦Ｐｗのいずれかの関係を満足する永久磁石式回転電機と、前記回転子を回転させる動力を発生する風車とを備える風力発電システム。
    

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