JP2012034565A - 回転電機および風力発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】永久磁石の使用量を比較的容易に削減することが可能な回転電機、直動電機、および風力発電システムを提供する。
【解決手段】本発明に係る回転電機は、固定子と、固定子と対向し、回転方向が固定子との対向方向に対し垂直な方向である回転子と、を備え、固定子および回転子のうちの一方は、コイルを有し、固定子および回転子のうちの他方は、回転方向に交互に並び一方側の極性が互いに反対となる第１および第２磁極を形成する、回転方向に並べられた複数の磁極ユニットを有し、磁極ユニットの各々は、一方側に突出する突起が回転方向の両端側に形成されたユニット鉄心と、ユニット鉄心の一方側であって各突起の間に設けられた永久磁石と、を有し、第１磁極は、永久磁石によって形成され、第２磁極は、回転方向に隣り合う各突起によって形成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転電機および風力発電システムに関する。

従来の回転電機においては、永久磁石を用いて磁極（界磁磁極）を形成する場合、ｎ（ｎは自然数）個の永久磁石を用いてｎ個の磁極を形成するのが一般的であった（例えば、特許文献１参照）。つまり、１個の磁極を形成するために、１個の永久磁石を用いていた。

特開平４−４２７４３号公報

近年、コスト削減のために、永久磁石の使用量を削減することが求められている。しかしながら、上記従来技術では、１個の磁極を形成するために１個の永久磁石を用いる構成であるため、永久磁石の使用量を削減するのが比較的難しかった。

そこで本発明は、永久磁石の使用量を比較的容易に削減することが可能な回転電機および風力発電システムを提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、本発明の一の観点によれば、コイルを有する固定子と、前記固定子の内周側に設けられた回転子と、を備え、前記回転子は、回転方向に交互に並び前記固定子側の極性が互いに反対となる第１および第２磁極を形成する、前記回転方向に並べられた複数の磁極ユニットと、各前記磁極ユニットを前記固定子側に保持する保持鉄心と、を有し、前記磁極ユニットの各々は、前記固定子側に突出する突起部が前記回転方向の両端側に形成されたユニット鉄心と、前記ユニット鉄心の前記固定子側であって各前記突起部の間に設けられた永久磁石と、を有し、前記第１磁極は、前記永久磁石によって形成され、前記第２磁極は、前記回転方向に隣り合う各前記突起部によって形成され、前記ユニット鉄心の突起部には、前記磁極ユニットを前記保持鉄心に固定するボルトを挿入するためのボルト穴が形成されている、回転電機が適用される。

また、本発明の別の観点によれば、発電機を備える風力発電システムであって、前記発電機は、コイルを有する固定子と、前記固定子の内周側に設けられた回転子と、を備え、前記回転子は、回転方向に交互に並び前記固定子側の極性が互いに反対となる第１および第２磁極を形成する、前記回転方向に並べられた複数の磁極ユニットと、各前記磁極ユニットを前記固定子側に保持する保持鉄心と、を有し、前記磁極ユニットの各々は、前記固定子側に突出する突起部が前記回転方向の両端側に形成されたユニット鉄心と、前記ユニット鉄心の前記固定子側であって各前記突起部の間に設けられた永久磁石と、を有し、前記第１磁極は、前記永久磁石によって形成され、前記第２磁極は、前記回転方向に隣り合う各前記突起部によって形成され、前記ユニット鉄心の突起部には、前記磁極ユニットを前記保持鉄心に固定するボルトを挿入するためのボルト穴が形成されている、風力発電システムが適用される。

また、本発明の別の観点によれば、コイルを有する固定子と、前記固定子の内周側に設けられた回転子と、を備え、前記回転子は、回転方向に交互に並び前記固定子側の極性が互いに反対となる第１および第２磁極を形成する、前記回転方向に並べられた複数の磁極ユニットと、各前記磁極ユニットを前記固定子側に保持する保持鉄心と、を有し、前記磁極ユニットの各々は、前記固定子側に突出する突起部が前記回転方向の両端側に形成されたユニット鉄心と、前記ユニット鉄心の前記固定子側であって各前記突起部の間に設けられた永久磁石と、を有し、前記第１磁極は、前記永久磁石によって形成され、前記第２磁極は、前記回転方向に隣り合う各前記突起部によって形成され、前記ユニット鉄心は、前記回転子の回転軸方向に積層された鋼板により構成される、回転電機が適用される。

本発明によれば、永久磁石の使用量を比較的容易に削減することが可能な回転電機および風力発電システムを提供することができる。

第１実施形態に係る回転電機の正断面図である。 第１実施形態に係る回転子の一部を拡大した図である。 第１実施形態に係る磁極ユニットの斜視図である。 他の構成をもつ磁極ユニットの正断面図である。 第２実施形態に係る磁極ユニットの正断面図である。 第２実施形態に係る磁極ユニットの斜視図である。 第３実施形態に係る磁極ユニットの正断面図である。 第３実施形態に係る磁極ユニットの斜視図である。 第４実施形態に係る磁極ユニットの正断面図である。 第４実施形態に係る磁極ユニットの正断面図である。 第４実施形態に係る磁極ユニットの配置図である。 ギャップ磁束分布を示す図である。 増速ギアと発電機とをもつ風力発電システムの概要を示す図である。 ダイレクトドライブ型の風力発電システムの概要を示す図である。 第５実施形態に係る直動電機の正断面図である。

以下、本発明の実施形態について図を参照して説明する。

＜第１実施形態＞
本実施形態では、回転電機について説明する。本実施形態に係る回転電機は、発電機であってもよいし、電動機であってもよい。以下、本実施形態に係る回転電機の構成例について図１を参照して説明する。図１は、第１実施形態に係る回転電機の正断面図である。図１では、図１に示す回転軸Ｒと垂直な方向に回転電機を切断したときの回転電機の断面を示している。

図１において、回転電機は、固定子１および回転子２を備える。固定子１は、固定子鉄心１１およびコイル１２を有し、回転子２の外周側を取り囲む。固定子１は、ギャップを介して回転子２の外周と対向している。回転子２の外周には、磁極が形成されている。このため、本実施形態に係る回転電機が電動機である場合には、コイル１２によって発生する回転磁界により、回転子２が回転軸Ｒまわりに回転する。一方、本実施形態に係る回転電機が発電機である場合には、回転子２が回転軸Ｒまわりに回転することで、コイル１２に電圧が誘起される。回転子２の外形状は、円形状であり、その回転方向は、周方向となる。

回転子２は、シャフト２１、回転子鉄心２２、および磁極ユニット２３を有する。回転子鉄心２２は、シャフト２１の外周に設けられる。磁極ユニット２３は、回転子鉄心２２の外周に周方向に並べられており、後述するボルト２３３によって回転子鉄心２２の外周に固定される。回転子鉄心２２は、磁極ユニット２３を保持する保持鉄心である。

次に、図２および図３を参照して磁極ユニット２３の詳細な構成について説明する。図２は、図１に示した回転子２の一部を拡大した図である。図２に示すＸは、磁極ユニット２３が固定子１と対向する対向方向を示し、Ｙは、回転子２の回転方向を示す。図３に示すＺは、回転軸Ｒ方向を示す。Ｘ方向は、Ｙ方向と垂直な方向である。Ｘ方向およびＹ方向は、Ｚ方向と垂直な方向である。図３は、図２に示した磁極ユニット２３の斜視図である。

図２および図３において、磁極ユニット２３は、ユニット鉄心２３１、永久磁石２３２、およびボルト２３３を有する。ユニット鉄心２３１は、強磁性体であり、例えば、両面に接着剤が塗布された電磁鋼板（接着コア）を積層したものである。接着剤が塗布された所定形状の電磁鋼板をＺ方向に所定枚数積層した後、積層された所定形状の電磁鋼板を加熱および加圧することにより、ユニット鉄心２３１が製造される。ユニット鉄心２３１のＹ方向における両端側には、突起部２３４が形成される。突起部２３４は、固定子１側に突出している。突起部２３４には、ボルト２３３が挿入されるボルト穴２３５が形成される。ボルト穴２３５は、１つの突起２３４に対して２つ形成されており、各ボルト穴２３５は、Ｚ方向に並んでいる。このため、磁極ユニット２３は、４本のボルト２３３によって回転子鉄心２２の外周に固定されることになる。ユニット鉄心２３１の回転子鉄心２２側の形状は、回転子鉄心２２の外周形状に合わせた円弧状であってもよいし、平坦であってもよい。ユニット鉄心２３１の回転子鉄心２２側の形状が平坦である場合、回転子鉄心２２の外周にも平坦部を設けるとよい。

永久磁石２３２は、その断面形状が台形形状であり、ユニット鉄心２３１に形成された溝部２３６に挿入され、ユニット鉄心２３１の固定子１側に設けられる。また、永久磁石２３２は、Ｙ方向におけるユニット鉄心２３１の中央に配置され、Ｙ方向に並んだ突起部２３４の間に配置される。永久磁石２３２の固定子１側の極性はＮ極となっており、ユニット鉄心２３１側の極性はＳ極となっている。突起部２３４は、永久磁石２３２の固定子１側の面よりも固定子１側に突出している。

次に、図２を参照して磁極ユニット２３によって回転子２に形成される磁極について説明する。永久磁石２３２は、第１磁極Ｐ１１を形成する。ここでは、永久磁石２３２の固定子１側の極性はＮ極となっているので、第１磁極Ｐ１１の固定子１側の極性もＮ極となる。他の磁極ユニット２３との間でＹ方向に隣り合う２つの突起部２３４は、凸極性を有する第２磁極Ｐ２１を形成する。第２磁極Ｐ２１の固定子１側の極性は、永久磁石２３２のユニット鉄心２３１側の極性と同じであり、ここではＳ極となる。このような磁極を形成する磁極ユニット２３をＹ方向に並べることにより、回転子２の外周には、Ｙ方向に交互に並び固定子１側の極性が互いに反対となる第１磁極Ｐ１１および第２磁極Ｐ２１が形成される。つまり、磁極ユニット２３をＹ方向にｍ（ｍは自然数）個並べると、総磁極数は２ｍ個となり、永久磁石２３２が形成する第１磁極Ｐ１１は総磁極数の半数（ｍ個）となり、残りの半数（ｍ個）を２つの突起部２３４が形成する第２磁極Ｐ２１で構成することができる。

このように、総磁極数（ｎ＝２ｍ）の半数（１／２ｎ＝ｍ）を永久磁石２３２による第１磁極Ｐ１１で構成し、残りの半数（１／２ｎ＝ｍ）を突起部２３４による第２磁極Ｐ２１で構成している。よって、上述した従来技術と比べて永久磁石の使用個数を半数にすることができる。

なお、図２に示すλｐは、第１磁極Ｐ１１および第２磁極Ｐ２１間の磁極ピッチである。また、図２の例では、Ｙ方向における突起部２３４の幅と永久磁石２３２の幅は、ともに１／２λｐよりも狭くなっており、突起部２３４と永久磁石２３２との間には、空間が形成されている。

以上のように、本実施形態では、総磁極数の半数を永久磁石２３２による第１磁極Ｐ１１で構成し、残りの半数を突起部２３４による第２磁極Ｐ２１で構成している。これにより、上述した従来技術と比べて永久磁石の使用個数を半数にすることができ、永久磁石の使用量を容易に削減できる。

また、回転電機に用いられる永久磁石は、一般的に、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂを主成分とした導電体の希土類磁石である場合が多い。この場合、永久磁石の内部に渦電流損が発生してしまい、効率が低下してしまう。しかしながら、本実施形態では、上述した従来技術と比べて永久磁石の使用個数を半数にすることができるので、永久磁石にて発生する渦電流損を、回転電機全体で約半分にすることができる。その結果、回転電機の効率を向上させることができる。

さらに、第２磁極Ｐ２１は、凸極性を有する。このため、回転電機が発電機である場合に、誘起電圧ベクトルに対して電流位相を進み方向にシフトさせたベクトル制御を行うことで、約３０％の出力マージンを持たせることができる。結果、同サイズで発電量を増加させることができる。

また、本実施形態では、ユニット鉄心２３１を積層された電磁鋼板で構成していた。これにより、渦電流損をさらに低減させることができる。

また、本実施形態では、ユニット鉄心２３１に接着コアと言われる電磁鋼板を用いていた。これにより、ユニット鉄心２３１の剛性および強度が向上するため、ユニット鉄心２３１に直接にボルト穴２３５を形成することができる。そして、このボルト穴２３５にボルト２３３を挿入して、磁極ユニット２３を回転子鉄心２２の外周に固定することができる。ここで、上述した従来技術では、着磁された永久磁石をロータ表面に接着剤を用いて直接固定していた。そして、永久磁石間にマグネット抑え部材を設けていた。この場合、永久磁石が着磁された後なので、永久磁石の位置ずれ等が発生し易く、またマグネット抑え部材を永久磁石とは別に用意する必要があり、固定作業が困難である。これに対し、本実施形態では、磁極ユニット２３を用いているので、固定作業性が容易になる。

また、本実施形態では、突起部２３４を永久磁石２３２の固定子１側の面よりも固定子１側に突出させていた。このため、回転軸Ｒ方向から回転子２を固定子１の内周側に組み込む際に、永久磁石２３２が固定子１に接触し難くなり、組み込み途上の永久磁石２３２の破損が防止し易くなる。

また、大口径の回転電機では、磁極数が多くなることから、上記本実施形態に係る効果は、より顕著なものとなる。

なお、図４に示すように、上述した磁極ユニット２３に凸部２３７を形成し、回転子鉄心２２に凸部２３７と嵌合可能な凹部２２１を形成してもよい。図４は、他の構成をもつ磁極ユニット２３の正断面図である。この場合、磁極ユニット２３は、ボルト２３３以外に、凸部２３７によっても固定されるので、磁極ユニット２３の固定は、より強固なものとなる。

また、上述では、磁極ユニット２３は、４本のボルト２３３によって回転子鉄心２２の外周に固定されていたが、これに限定されない。例えば、ボルト２３３は、４本に限定されず、何本であってもよい。例えば、各突起部２３４に１本ずつ、つまり計２本であってもよいし、各突起部２３４に３本ずつ、つまり計６本であってもよい。また例えば、ボルト２３３を省略して接着剤にて接着固定してもよい。この場合であっても、上述した従来技術のようにマグネット抑え部材を用いない点で、固定作業性は容易になる。

また、上述では、永久磁石２３２の固定子１側の極性をＮ極とし、ユニット鉄心２３１側の極性をＳ極としていたが、これに限定されない。永久磁石２３２の固定子１側の極性をＳ極とし、ユニット鉄心２３１側の極性をＮ極としてもよい。

また、上述では、コイル１２を固定子１に設け、磁極ユニット２３を回転子２に設けていたが、これに限定されない。コイル１２を回転子２に設け、磁極ユニット２３を固定子１に設けてもよい。この場合、固定子鉄心１１が磁極ユニット２３を保持する保持鉄心となる。

また、上述では、回転子２が固定子１の内周側に設けられ、回転子２が固定子１の内周側で回転するインナーロータ構造であったが、これに限定されない。回転子２が固定子１の外周側に設けられ、回転子２が固定子１の外周側で回転するアウターロータ構造であってもよい。つまり、図１に示した固定子１と回転子２とを入れ替えた構造であってもよい。

＜第２実施形態＞
本実施形態では、第１実施形態に係る磁極ユニットとは異なる構成をもつ磁極ユニットについて説明する。図５は、第２実施形態に係る磁極ユニットの正断面図であり、図６は、第２実施形態に係る磁極ユニットの斜視図である。図５および図６に示すＸは、図２および図３に示したＸ方向と同じ方向を示し、Ｙは、図２および図３に示したＹ方向と同じ方向を示し、Ｚは、図３に示したＺ方向と同じ方向を示している。

図５および図６において、磁極ユニット３３は、ユニット鉄心３３１、永久磁石３３２、ボルト３３３、ユニット鉄心片３３７を有する。永久磁石３３２およびユニット鉄心片３３７以外の構成は、図２および図３に示した磁極ユニット２３と同様であるため、ここでは説明を省略する。

永久磁石３３２は、その断面形状が台形形状であり、ユニット鉄心３３１に形成された溝部３３６に挿入され、ユニット鉄心３３１の固定子１側に設けられる。また、永久磁石３３２は、Ｙ方向におけるユニット鉄心３３１の中央に配置され、Ｙ方向に並んだ突起部３３４の間に配置される。永久磁石３３２の固定子１側の極性はＮ極となっており、ユニット鉄心３３１側の極性はＳ極となっている。

ユニット鉄心片３３７は、Ｚ方向に積層された電磁鋼板により構成される。ユニット鉄心片３３７は、永久磁石３３２の固定子１側の面に接着剤等で固定される。突起部３３４は、ユニット鉄心片３３７の固定子１側の面よりも固定子１側に突出している。

次に、図５を参照して磁極ユニット３３によって回転子２に形成される磁極について説明する。永久磁石３３２は、第１磁極Ｐ１１を形成する。ここでは、永久磁石３３２の固定子１側の極性はＮ極となっているので、第１磁極Ｐ１１の固定子１側の極性もＮ極となる。Ｙ方向に隣り合う２つの突起部３３４は、凸極性を有する第２磁極Ｐ２１を形成する。第２磁極Ｐ２１の固定子１側の極性は、永久磁石３３２のユニット鉄心３３１側の極性と同じであり、ここではＳ極となる。このような磁極を形成する磁極ユニット３３をＹ方向に並べることにより、回転子２の外周には、Ｙ方向に交互に並び固定子１側の極性が互いに反対となる第１磁極Ｐ１１および第２磁極Ｐ２１が形成される。

なお、図５に示すλｐは、図２に示したλｐと同様、第１磁極Ｐ１１および第２磁極Ｐ２１間の磁極ピッチである。また、図５の例では、Ｙ方向における突起部３３４の幅と永久磁石３３２の幅は、ともに１／２λｐよりも狭くなっており、突起部３３４と永久磁石３３２との間には、空間が形成されている。

以上のように、本実施形態では、永久磁石３３２の固定子１側の面に、積層された電磁鋼板により構成されるユニット鉄心片３３７を設けている。これにより、導電体の永久磁石を用いた場合に発生する渦電流損を第１実施形態以上に低減させることができる。その結果、回転電機の効率をさらに向上させることができる。

また、本実施形態では、突起部３３４を、ユニット鉄心片３３７の固定子１側の面よりも固定子１側に突出させていた。このため、回転軸Ｒ方向から回転子２を固定子１の内周側に組み込む際に、ユニット鉄心片３３７が固定子１に接触し難くなり、組み込み途上のユニット鉄心片３３７および永久磁石３３２の破損を抑えることができる。

なお、上述では特に説明していなかったが、ユニット鉄心片３３７は、第１実施形態と同様、両面に接着剤が塗布された電磁鋼板（接着コア）を積層したものであってもよい。

また、上述では、永久磁石３３２の固定子１側の極性をＮ極とし、ユニット鉄心３３１側の極性をＳ極としていたが、これに限定されない。永久磁石３３２の固定子１側の極性をＳ極とし、ユニット鉄心３３１側の極性をＮ極としてもよい。

＜第３実施形態＞
本実施形態では、第１および第２実施形態に係る磁極ユニットとは異なる構成をもつ磁極ユニットについて説明する。図７は、第３実施形態に係る磁極ユニットの正断面図であり、図８は、第３実施形態に係る磁極ユニットの斜視図である。図７および図８に示すＸは、図２および図３に示したＸ方向と同じ方向を示し、Ｙは、図２および図３に示したＹ方向と同じ方向を示し、Ｚは、図３に示したＺ方向と同じ方向を示している。

図７および図８において、磁極ユニット４３は、ユニット鉄心４３１、永久磁石４３２、およびボルト４３３を有する。ユニット鉄心４３１および永久磁石４３２以外の構成は、図２および図３に示した磁極ユニット２３と同様であるため、ここでは説明を省略する。

ユニット鉄心４３１は、強磁性体であり、例えば、両面に接着剤が塗布された電磁鋼板（接着コア）を積層したものである。接着剤が塗布された所定形状の電磁鋼板をＺ方向に所定枚数積層した後、積層された所定形状の電磁鋼板を加熱および加圧することにより、ユニット鉄心４３１が製造される。ユニット鉄心４３１のＹ方向における両端側には、突起部４３４が形成される。突起部４３４は、固定子１側に突出している。突起部４３４には、ボルト４３３が挿入されるボルト穴４３５が形成される。ここまでは、第１実施形態と同様である。

永久磁石４３２は、その断面形状が長方形状であり、ユニット鉄心４３１に形成された磁石穴４３６に挿入される。磁石穴４３６は、ユニット鉄心４３１の固定子１側に突出した挿入部４３７に形成される。これにより、永久磁石４３２の固定子１側の面には、積層された電磁鋼板からなる挿入部４３７の一部が存在することになる。挿入部４３７は、Ｙ方向におけるユニット鉄心４３１の中央に配置され、Ｙ方向に並んだ突起部４３４の間に配置される。永久磁石４３２の固定子１側の極性はＮ極となっており、ユニット鉄心２３１側の極性はＳ極となっている。突起部４３４は、挿入部４３７の前記固定子１側の面よりも固定子１側に突出している。

次に、図７を参照して磁極ユニット４３によって回転子２に形成される磁極について説明する。永久磁石４３２は、第１磁極Ｐ１１を形成する。ここでは、永久磁石４３２の固定子１側の極性はＮ極となっているので、第１磁極Ｐ１１の固定子１側の極性もＮ極となる。Ｙ方向に隣り合う２つの突起部４３４は、凸極性を有する第２磁極Ｐ２１を形成する。第２磁極Ｐ２１の固定子１側の極性は、永久磁石４３２のユニット鉄心４３１側の極性と同じであり、ここではＳ極となる。このような磁極を形成する磁極ユニット４３をＹ方向に並べることにより、回転子２の外周には、Ｙ方向に交互に並び固定子１側の極性が互いに反対となる第１磁極Ｐ１１および第２磁極Ｐ２１が形成される。

なお、図７に示すλｐは、図２に示したλｐと同様、第１磁極Ｐ１１および第２磁極Ｐ２１間の磁極ピッチである。また、図７の例では、Ｙ方向における突起部４３４の幅と挿入部４３７の幅は、ともに１／２λｐよりも狭くなっており、突起部４３４と挿入部４３７との間には、空間が形成されている。

以上のように、本実施形態では、永久磁石４３２の固定子１側の面に、積層された電磁鋼板からなる挿入部４３７が存在している。これにより、導電体の永久磁石を用いた場合に発生する渦電流損を第１実施形態以上に低減させることができる。その結果、回転電機の効率をさらに向上させることができる。

また、本実施形態では、永久磁石４３２が挿入部４３７で覆われるため、回転時の遠心力による永久磁石４３７の剥がれを防止し易くなる。

また、本実施形態では、突起部４３４を、挿入部４３７の前記固定子１側の面よりも固定子１側に突出させていた。このため、回転軸Ｒ方向から回転子２を固定子１の内周側に組み込む際に、挿入部４３７が固定子１に接触し難くなり、組み込み途上の挿入部４３７および永久磁石３３２の破損を抑えることができる。

＜第４実施形態＞
本実施形態では、第１〜第３実施形態に係る磁極ユニットの回転軸Ｒ方向の並べ方について説明する。本実施形態では、一例として、第１実施形態に係る磁極ユニットを用いて説明する。図９Ａおよび図９Ｂは、第４実施形態に係る磁極ユニットの正断面図である。図１０は、第４実施形態に係る磁極ユニットの配置図である。図１０に示すＸは、図２および図３に示したＸ方向と同じ方向を示し、Ｙは、図２および図３に示したＹ方向と同じ方向を示し、Ｚは、図３に示したＺ方向と同じ方向を示している。

図９Ａおよび図９Ｂに示すように、磁極ユニット２３として、磁極ユニット２３ａおよび２３ｂの２種類を準備する。磁極ユニット２３ａは、永久磁石２３２の固定子１側の極性をＮ極とし、ユニット鉄心２３１側の極性をＳ極としたものである。磁極ユニット２３ａにおいて、固定子１側の極性がＮ極となる第１磁極Ｐ１１が永久磁石２３２によって形成される。固定子１側の極性がＳ極となる第２磁極Ｐ２１が突起部２３４によって形成される。

磁極ユニット２３ｂは、永久磁石２３２の固定子１側の極性をＳ極とし、ユニット鉄心２３１側の極性をＮ極としたものである。磁極ユニット２３ｂにおいて、固定子１側の極性がＳ極となる第１磁極Ｐ１２が永久磁石２３２によって形成される。固定子１側の極性がＮ極となる第２磁極Ｐ２２が突起部２３４によって形成される。

このように構成された磁極ユニット２３ａは、図１０に示すように、Ｙ方向に並べられ、第１ユニット群５０ａを構成する。第１ユニット群５０ａにより、回転子２の外周には、Ｙ方向に交互に並び固定子１側の極性が互いに反対となる第１磁極Ｐ１１および第２磁極Ｐ２１が形成される。一方、磁極ユニット２３ｂは、図１０に示すように、Ｙ方向に並べられ、第２ユニット群５０ｂを構成する。第２ユニット群５０ｂは、第１ユニット群５０ａのＺ方向に並べられる。第２ユニット群５０ｂにより、回転子２の外周には、Ｙ方向に交互に並び固定子１側の極性が互いに反対となる第１磁極Ｐ１２および第２磁極Ｐ２２が形成される。

なお、磁極ユニット２３ｂは、磁極ユニット２３ａに対し１磁極ピッチλｐだけＹ方向にずれた位置、つまり電気角位相で１８０°ずれた位置に配置される。これにより、Ｚ方向からみて、第１磁極Ｐ１１と第２磁極２２が同位置に配置され、第２磁極Ｐ２１と第１磁極Ｐ１２が同位置に配置されることになる。

図１１は、ギャップ中の磁束分布（以下、ギャップ磁束分布と称す）を示す図である。図１１の縦軸は、ギャップ磁束密度であり、横軸は、Ｙ方向の位置である。図１０に示すＤ点は、第１磁極Ｐ１１の中心から１／２λｐ離れた地点であり、図１１の「０」に位置する。

図１１に示すように、第１磁極（Ｐ１１、Ｐ１２）のギャップ磁束分布は略正弦波となり、第２磁極（Ｐ２１、Ｐ２２）のギャップ磁束分布は略台形波となり、これらのギャップ磁束分布は互いに相違する。これに対し、本実施形態では、Ｚ方向からみて、第１磁極Ｐ１１と第２磁極２２を同位置に配置し、第２磁極Ｐ２１と第１磁極Ｐ１２を同位置に配置している。これにより、第１磁極Ｐ１１および第２磁極２２のギャップ磁束分布を合成したＮ極磁束分布ＰＮと、第２磁極Ｐ２１および第１磁極１２のギャップ磁束分布を合成したＳ極磁束分布ＰＳとが略同一の波形になり、全体として正弦波に近づけることができる。これにより、ギャップ磁束分布に含まれる高調波成分を低減させることができ、回転電機の効率をさらに向上させることができる。回転電機が発電機である場合には、誘起電圧波形の波形率が改善されることになる。

なお、上述では、第１ユニット群５０ａと第２ユニット群５０ｂを１個ずつ用い、Ｚ方向に並べていたが、それぞれ複数個用いて、それらをＺ方向に並べてもよい。第１ユニット群５０ａと第２ユニット群５０ｂの並べる順番は任意だが、第１ユニット群５０ａと第２ユニット群５０ｂを同数個用いることで、Ｎ極磁束分布ＰＮとＳ極磁束分布ＰＳとを略同一の波形にすることができる。

なお、第１〜第４実施形態に係る回転電機は、例えば車両等の電動機やＡＣサーボモータ等に適用可能である。また例えば、風力発電システムや車両等の発電機にも適用可能である。以下、図１２および図１３を参照して、第１〜第４実施形態に係る回転電機を風力発電システムの発電機に適用した例について説明する。図１２は、増速ギアと発電機とをもつ風力発電システムの概要を示す図である。図１３は、増速ギアを省略したダイレクトドライブ型の風力発電システムの概要を示す図である。

図１２に示す風力発電システムは、タワー６１、ナセル６２、発電機６３、増速ギア６４、風車６５を主に備える。ナセル６２は、タワー６１上に設けられ、ナセル６２内には、発電機６３と増速ギア６４が設けられる。発電機６３は、第１〜第４実施形態に係る回転電機のいずれかである。風車６５は、ロータハブ６５１とブレード６５２により構成され、増速ギア６４を介して発電機６３と接続される。風車６５の回転は、増速ギア６４で増速された後、発電機６３へ伝わる。図１３に示す風力発電システムは、タワー７１、ナセル７２、発電機７３、風車７４を主に備える。ナセル７２は、タワー７１上に設けられ、ナセル７２内には発電機７３が設けられる。発電機７３は、第１〜第４実施形態に係る回転電機のいずれかである。風車７４は、ロータハブ７４１とブレード７４２により構成され、発電機７３と接続される。

このような風力発電システムでは、発電機の回転速度が極低速になる場合が多い。このため、発電容量が大きい場合（例えば数Ｍ[Ｗ]の発電容量をもつ場合）、低速にて大トルクを発生させる発電機が必要となり、発電機の磁極数は３０〜１００極となり、大口径になる。このような大口径の発電機に上記第１〜第４実施形態に係る回転電機を適用した場合、上記第１〜第４実施形態に係る効果は、より顕著なものとなる。

なお、風力発電システムは、図１２および図１３に示した構成に限らず、他の構成であってもよい。

＜第５実施形態＞
本実施形態では、直動電機について説明する。本実施形態に係る直動電機は、発電機（リニア発電機）であってもよいし、電動機（リニア電動機）であってもよい。以下、本実施形態に係る直動電機の構成例について図１４を参照して説明する。図１４は、第５実施形態に係る直動電機の正断面図である。

図１４において、直動電機は、移動子８および固定子９を備える。移動子８の移動方向は、図１４に示すＵ方向となる。移動子８は、移動子鉄心８１およびコイル８２を有する。固定子９は、移動子８とギャップを介して対向している。図１４に示すＶは、移動子８が固定子９と対向する対向方向を示す。固定子９は、固定子鉄心９１および磁極ユニット９２を有する。磁極ユニット９２は、第１〜第４実施形態に係る磁極ユニットのいずれかに相当するものである。ここでは一例として、磁極ユニット９２として、第１実施形態に係る磁極ユニット２３に相当するものを用いている。

磁極ユニット９２は、固定子鉄心９１の移動子８側にＵ方向に並べられており、ボルト穴９２５に挿入されたボルト９２３によって固定子鉄心９１の移動子８側に固定される。固定子鉄心９１は、磁極ユニット９２を保持する保持鉄心である。磁極ユニット９２は、ユニット鉄心９２１、永久磁石９２２、およびボルト９２３を有する。ユニット鉄心９２１のＵ方向における両端側には、突起部９２４が形成される。突起部９２４は、移動子８側に突出している。突起部９２４には、ボルト９２３が挿入されるボルト穴９２５が形成される。永久磁石９２２は、その断面形状が台形形状であり、ユニット鉄心９２１に形成された溝部９２６に挿入され、ユニット鉄心９２１の移動子８側に設けられる。また、永久磁石９２２は、Ｕ方向におけるユニット鉄心９２１の中央に配置され、Ｕ方向に並んだ突起部９２４の間に配置される。永久磁石９２２の移動子８側の極性はＮ極となっており、ユニット鉄心９２１側の極性はＳ極となっている。突起部９２４は、永久磁石９２２の移動子８側の面よりも移動子８側に突出している。

次に、磁極ユニット９２によって固定子９に形成される磁極について説明する。永久磁石９２２は、第１磁極Ｐ１１を形成する。ここでは、永久磁石９２２の移動子８側の極性をＮ極としたため、ここでは、永久磁石９２２の移動子８側の極性はＮ極となっているので、第１磁極Ｐ１１の移動子８側の極性もＮ極となる。Ｕ方向に隣り合う２つの突起部９２４は、凸極性を有する第２磁極Ｐ２１を形成する。第２磁極Ｐ２１の移動子８側の極性は、永久磁石９２２のユニット鉄心９２１側の極性と同じであり、ここではＳ極となる。このような磁極を形成する磁極ユニット９２をＵ方向に並べることにより、固定子９の移動子８側には、Ｕ方向に交互に並び移動子８側の極性が互いに反対となる第１磁極Ｐ１１および第２磁極Ｐ２１が形成される。このため、本実施形態に係る直動電機が電動機である場合には、コイル８２によって発生する磁界により、移動子８がＵ方向に移動する。一方、本実施形態に係る直動電機が発電機である場合には、移動子８がＵ方向に移動することで、コイル８２に電圧が誘起される。

以上のように、磁極ユニットは、回転電機だけでなく、直動電機にも適用可能である。これにより、直動電機においても、永久磁石の使用個数を大幅に削減することができ、永久磁石の使用量を容易に削減できる。

また、直動電機に用いられる永久磁石は、一般的に、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂを主成分とした導電体の希土類磁石である場合が多い。この場合、永久磁石の内部に渦電流損が発生してしまい、効率が低下してしまう。しかしながら、本実施形態では、永久磁石の使用個数を大幅に削減することができるので、永久磁石にて発生する渦電流損を、直動電機全体で大幅に削減することができる。その結果、直動電機の効率を向上させることができる。

なお、上述では、コイル８２を移動子８に設け、磁極ユニット９２を固定子９に設けていたが、これに限定されない。コイル８２を固定子９に設け、磁極ユニット９２を移動子８に設けてもよい。この場合、移動子鉄心８１が磁極ユニット９２を保持する保持鉄心となる。

また、上述では、固定子９に固定子鉄心９１を設けていたが、これに限定されない。固定子鉄心９１を省略し、所定の軌道を描くように磁極ユニット９２を直接並べる構成であってもよい。

以上、本発明の実施形態について説明した。ただし、いわゆる当業者であれば、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、上記実施形態から適宜変更が可能であり、また、上記実施形態と変更例による手法を適宜組み合わせて利用することも可能である。すなわち、このような変更等が施された技術であっても、本発明の技術的範囲に含まれることは言うまでもない。

１、９ 固定子
２ 回転子
１１、９１ 固定子鉄心
１２、８２ コイル
２１ シャフト
２２ 回転子コア
２３、２３ａ、２３ｂ、３３、４３、９２ 磁極ユニット
８ 移動子
８１ 移動子鉄心
５０ａ 第１ユニット群
５０ｂ 第２ユニット群
６１、７１ タワー
６２、７２ ナセル
６３、７３ 発電機
６４ 増速ギア
６５、７４ 風車

Claims (13)

1. コイルを有する固定子と、
   前記固定子の内周側に設けられた回転子と、を備え、
   前記回転子は、
   回転方向に交互に並び前記固定子側の極性が互いに反対となる第１および第２磁極を形成する、前記回転方向に並べられた複数の磁極ユニットと、
   各前記磁極ユニットを前記固定子側に保持する保持鉄心と、を有し、
   前記磁極ユニットの各々は、
   前記固定子側に突出する突起部が前記回転方向の両端側に形成されたユニット鉄心と、
   前記ユニット鉄心の前記固定子側であって各前記突起部の間に設けられた永久磁石と、を有し、
   前記第１磁極は、前記永久磁石によって形成され、
   前記第２磁極は、前記回転方向に隣り合う各前記突起部によって形成され、
   前記ユニット鉄心の突起部には、前記磁極ユニットを前記保持鉄心に固定するボルトを挿入するためのボルト穴が形成されている、回転電機。
2. 前記磁極ユニットの各々は、前記永久磁石の前記固定子側に設けられたユニット鉄心片をさらに有する、請求項１に記載の回転電機。
3. 前記ユニット鉄心片は、積層された鋼板により構成される、請求項２に記載の回転電機。
4. 各前記突起部は、前記ユニット鉄心片よりも前記固定子側に突出している、請求項２または３に記載の回転電機。
5. 前記永久磁石は、前記ユニット鉄心に形成された磁石穴の内部に設けられる、請求項１に記載の回転電機。
6. 各前記突起部は、前記永久磁石の前記固定子側に存在する前記ユニット鉄心の一部よりも前記固定子側に突出している、請求項５に記載の回転電機。
7. 各前記突起部は、前記永久磁石よりも前記固定子側に突出している、請求項１に記載の回転電機。
8. 前記ユニット鉄心は、前記回転子の回転軸方向に積層された鋼板により構成される、請求項１〜７のいずれか１項に記載の回転電機。
9. 前記電磁鋼板の両面には、接着剤が塗布されている、請求項８に記載の回転電機。
10. 前記回転子は、前記回転方向に並べられた各前記磁極ユニットにより構成されるユニット群であって、前記回転子の回転軸方向に並べられた複数のユニット群を有し、
    前記複数のユニット群は、
    前記第１磁極の前記固定子側の極性がＮ極となる第１ユニット群と、
    前記第１磁極の前記固定子側の極性がＳ極となる、前記第１ユニット群と同数個の第２ユニット群と、により構成され、
    前記回転軸方向からみて、前記第１ユニット群の第１磁極と前記第２ユニット群の第２磁極が同位置に配置され、前記第１ユニット群の第２磁極と前記第２ユニット群の第１磁極が同位置に配置される、請求項１に記載の回転電機。
11. 発電機を備える風力発電システムであって、
    前記発電機は、
    コイルを有する固定子と、
    前記固定子の内周側に設けられた回転子と、を備え、
    前記回転子は、
    回転方向に交互に並び前記固定子側の極性が互いに反対となる第１および第２磁極を形成する、前記回転方向に並べられた複数の磁極ユニットと、
    各前記磁極ユニットを前記固定子側に保持する保持鉄心と、を有し、
    前記磁極ユニットの各々は、
    前記固定子側に突出する突起部が前記回転方向の両端側に形成されたユニット鉄心と、
    前記ユニット鉄心の前記固定子側であって各前記突起部の間に設けられた永久磁石と、を有し、
    前記第１磁極は、前記永久磁石によって形成され、
    前記第２磁極は、前記回転方向に隣り合う各前記突起部によって形成され、
    前記ユニット鉄心の突起部には、前記磁極ユニットを前記保持鉄心に固定するボルトを挿入するためのボルト穴が形成されている、風力発電システム。
12. 前記風力発電システムは、
    タワーと、
    前記タワーに設けられたナセルと、
    前記ナセルに設けられた前記発電機と、
    前記発電機に直接的または間接的に接続された風車と、を備える、請求項１１に記載の風力発電システム。
13. コイルを有する固定子と、
    前記固定子の内周側に設けられた回転子と、を備え、
    前記回転子は、
    回転方向に交互に並び前記固定子側の極性が互いに反対となる第１および第２磁極を形成する、前記回転方向に並べられた複数の磁極ユニットと、
    各前記磁極ユニットを前記固定子側に保持する保持鉄心と、を有し、
    前記磁極ユニットの各々は、
    前記固定子側に突出する突起部が前記回転方向の両端側に形成されたユニット鉄心と、
    前記ユニット鉄心の前記固定子側であって各前記突起部の間に設けられた永久磁石と、を有し、
    前記第１磁極は、前記永久磁石によって形成され、
    前記第２磁極は、前記回転方向に隣り合う各前記突起部によって形成され、
    前記ユニット鉄心は、前記回転子の回転軸方向に積層された鋼板により構成される、回転電機。

Images