JP2012070622A - 磁石配置を決定する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、電気機械（３）のロータ（１）またはステータ（２）の複数の磁石（Ｍ）のための磁石配置（１０，２０）を決定する方法について開示する。
【解決手段】本方法は、電気機械（３）の、調整されるべき複数の性能パラメータを識別するステップと、複数の近接する磁石（Ｍ）を１つの磁石グループ（Ｇ２，Ｇ３）に割り当てるステップと、磁石グループ（Ｇ２，Ｇ３）に対する、磁石配置の複数の異なる変数（ｄ２１，ｄ３１，ｄ３２，ｗ）を識別するステップと、性能パラメータの所望の調整に基づいて、配置の変数（ｄ２１，ｄ３１，ｄ３２，ｗ）の値を計算するステップと、計算された配置の変数（ｄ２１，ｄ３１，ｄ３２，ｗ）に基づいて、磁石グループ（Ｇ２，Ｇ３）のさらなる磁石（Ｍ１，Ｍ２）を、磁石グループ（Ｇ２，Ｇ３）の基準磁石（Ｍｒｅｆ）に対して相対的に配置するステップと、を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、電気機械の複数の磁石のための磁石配置を決定する方法について述べる。本発明は、さらに、電気機械の複数の磁石を配置する方法について述べる。また、本発明は、その磁石配置で配置された複数の磁石と、発電機とを備える風力タービンについて述べる。

様々な公知の理由により、電気モータと発電機とはうまく動作せず、いくつかの要因のために全体の効率が損なわれることがある。例えば、ロータの磁石と、ステータスロットもしくはステータ歯との間の磁力によって、コギングトルクが生じる。磁石／ステータスロットが全て等間隔を空けて配置されているような均一の配置における、ステータと相対的なロータの特定の配置では、磁石とステータスロットとの間の磁力は相当大きくなる。小型モータと発電機とは、通常、十分に最適化される。しかし、風力タービンにおける３ＭＷ発電機のような大型機械では、コギングトルクが公称トルクの５％の値にまで容易に達してしまう。始動時およびロータの各回転中、この力には何度も打ち勝たなければならないため、発電機の性能、機械の寿命の短縮、および、ノイズレベルの上昇に大きな影響が及ぼされる。従って、コギングトルクを抑制するために、通常、発電機の設計段階で対策が取られる。

他の問題としては、コギングトルクの合計であるトルクリップル、および、機械の空隙磁束における高調波によって引き起こされる付加的なトルク変化がある。これらの高調波の原因は、通常、ステータの鉄部分や、ロータ磁石とステータとの間の距離などである。ステータスロットの数を、磁石の数の倍数とすれば、トルクリップルをある程度抑制することができる。しかし、それでも、トルクリップルは、発電機の効率、寿命、および、ノイズレベルに悪影響を及ぼす。

発電機の性能を最適化するための様々な方法が存在する。しかし、公知の方法はかなり複雑である。例えば、磁石または極がステータ歯に向かって同時に引っ張られる時に生じるコギングトルクを最小にするために、もはや互いに等間隔に配置されないように「極移動（pole shifting）」として知られる工程を用いて極を再配列させ、その結果、コギングトルクを下げることが可能である。しかし、この改善方法は、各ステータ歯に対する所定のロータ位置に対してのみ望ましいものである。また、コギングを抑制する目的で極を移動させた場合でも、トルクリップルは増加する可能性がある。しかし、移動した極のパターンをシミュレーションすることは、非常にコストがかさむ。なぜなら、経験則によれば、計算時間は極の増加に伴って指数関数的に増加し、多数の極を含むパターンでは、計算時間は非常に長くなってしまうためである。

コギングトルクやトルクリップルなどの様々な性能パラメータは同じ最適値を有していないため、妥協またはトレードオフする必要がある。例えば、コギングトルクを最小化した場合、同時にトルクリップルを最小化することはできない。他の重要な考慮しなければならない要素として、極移動により常に、通常は不利益となる逆起電力および動作トルクが抑制され、さらに、その影響力の範囲は極移動パターンの選択に依存するということがある。

公知の方法には、磁石配置や、所定の負荷条件などの既知のパラメータを考慮して、発電機の性能をシミュレーションするためのソフトウェアアルゴリズムを使用するものがある。しかし、通常、ステータや他の構成部品に使用される鉄はかなり飽和しており、計算式が非常に非線形で複雑になる。そこで、正確な分析を行うには、数値場解析が必要とされるが、最適解を得る際により多くの変数が変更されると、分析がより複雑になる。偏心といった製造上の許容値などの要因により、モデル形状は実際に製造された機械と大きく異なるため、実際の性能は、（シミュレーションによる）予期された性能を満たさないことになる。多数の磁石を互いに対して極移動させることに基づく方法では、機械形状の些細な「エラー」により、極移動の利点が簡単になくなってしまう。

従って、本発明の目的は、電気機械の磁極のために最適な配置を決定するための、簡易で改良された方法を提供することである。

本発明の目的は、電気機械のロータまたはステータの複数の磁石のための磁石配置を決定する請求項１の方法、電気機械のロータまたはステータ上に複数の磁石を配置する請求項１１による方法、および、請求項１２による風力タービンによって達成される。

本発明によれば、電気機械のロータまたはステータの複数の磁石のための磁石配置を決定する方法において、方法は、電気機械の調整されるべき多数の性能パラメータを識別するステップと、複数の近接する磁石を磁石グループに割り当てるステップと、ここで、磁石グループは、基準磁石および少なくとも１つのさらなる磁石を含み、さらに、磁石は基準磁石に対して相対的に配置されており、磁石グループの多数の異なる磁石配置の変数を識別するステップと、ここで、磁石配置の変数の数は、性能パラメータの数と等しいものであり、性能パラメータの所望の調整に基づいて、配置の変数の値を計算するステップと、計算された配置の変数に基づいて、磁石グループのさらなる磁石を、磁石グループの基準磁石に対して相対的に配置するステップと、を備える。

初めに述べたように、発電機の動作中、一定の力が発電機の性能を下げるように作用する。大きな問題は、コギングトルクおよびトルクリップルである。本文脈において、コギングトルクおよびトルクリップルは、最適化されるべき「性能パラメータ」と見なしてもよい。一方、他の性能パラメータを考慮してもよい。例えば、所定のトルク、コギングによる構造振動、半径方向力、および、平均トルクなどを提供するために必要な電流がある。本発明の明白な利点は、比較的単純な工程において、１つ以上のこれらの性能パラメータに関して、最小限の数の変数のみを調整することにより、電気機械の性能が調整され得るということである。磁石配置の変数の数は、性能パラメータの数に制限される。これにより、性能パラメータに関する変数を変更する効果を決定するために必要とされる計算が、非常に単純化される。最小限の数の変数のみを使用すると、計算時のエラーが少なくなるため、最適化の精度が向上するというさらなる利点もある。これにより、製造後の微調整にかかる時間が短くなるため、電気機械の実現にかかる総コストが抑えられる。コギングトルク，トルクリップルなどによる損失、ノイズ、および、疲労が最小化されるため、機械の動作中にさらなる節約を行うことができ、ノイズレベルの標準限界の範囲内で、機械をより効率よく、かつ、信頼性高く動作させることが可能になる。

多数の磁石を極移動して１つまたは２つの性能パラメータのみを最小化する従来技術の解決方法と比較して、磁石配置の変数の数を性能パラメータの数に制限することにより、機械の性能の最適化はより単純かつ高速に実行される。さらに、本発明による方法における極パターンは、繰り返し型パターンであり、機械の対称性により、場のシミュレーションにおいては、１つのパターンのみが含まれる。

本発明によれば、上記の方法を用いて決定された磁石配置に従って、複数の磁石が、電気機械のロータまたはステータ上に配置され、さらに、発電機を備える風力タービンは、ロータ、ステータ、および、複数の磁石を有し、複数の磁石がロータ上に上記の方法で配置される。

磁石配置を決定するための本発明による方法について、風力タービンにおける発電機のロータまたはステータの複数の磁石のための磁石配置を決定する際に使用することが特に適している。

特に、本発明の有利な実施形態および特徴は、以下の記載により明らかになるように、従属請求項によって与えられる。異なる実施形態の特徴は、さらなる実施形態を提示するために適切に組み合わされ得る。

電気的な視点から、「場」または電気機械の場の要素は、例えば発電機である電気機械が製造される方法に依存して、ロータまたはステータであってもよい。しかし、通常、特に大きな発電機の場合、ロータは、場の要素であって磁石を支え、一方でステータは、アーマチャ要素であってコイル巻線を有する。従って、以下では、本発明を全く制限することなしに、電気機械は発電機であり、複数の磁石がロータに取り付けられていることを想定する。しかし、本発明による磁石配置を決定するための方法は、複数の磁石がステータに取り付けられている形態にも同じく適用可能である。発電機は、直接駆動型発電機を有することが好ましい。

本発明の好ましい実施形態において、磁石グループは１つの基準磁石を有し、磁石グループのその他全ての磁石をその１つの基準磁石に対して調整することが可能である。

決定された磁石配置が所期の性能を確実にもたらすように、複数の磁石の１つ１つの磁石が考慮されるべき、すなわち、１つのグループに含まれるべきである。なぜなら、磁石配置から「外れた」任意の磁石は、発電機の動作中、その性能に悪影響を与える可能性があるためである。本発明の好ましい実施形態においては、従って、複数の磁石の総数は、同一の磁石グループの数の整数倍を有する。すなわち、複数の磁石の総数は、グループサイズの整数倍であり、かつ、最適化工程から外れる磁石がないように、グループサイズは全てのグループで同じである。

本発明の特に好ましい実施形態において、各磁石グループの磁石は、同一の配置を取る。すなわち、磁石のパターンは全てのグループで繰り返される。各グループの磁石をこのように配置することにより、シミュレーション時間を最小に維持することができるため、最適化を実行することがさらに容易になる。また、各グループの磁石は繰り返しパターンに従って取り付けられるため、最終的にロータ上に複数の磁石を取り付けることが容易になる。

磁石グループが数個の磁石のみ、例えば、せいぜい４個の磁石を有するように、グループサイズは小さく維持されることが好ましい。ここで、磁石の１つは基準磁石である。他の磁石は、基準磁石に対して移動させる、および／または、それらの幅を変更する、および／または、移動した極を用いる、ことによって調整される。全ての磁石に対して繰り返されるこのような小さなグループまたはパターンを使用することにより、磁石配置に関する機械形状における任意の正規化されたエラーは、例えば、構成要素の寸法のわずかなずれ、ロータ偏心などの、機械のあらゆる部位で生じる不可避なエラーによって、好ましく抑制または打ち消すことができる。実際には、グループサイズは極の総数の５％の領域内になればよいが、本発明による方法は、より大きなグループサイズに使用可能である。例えば、極が実質的に４つのグループに分割されるように、グループが極の総数の１／４のサイズを有する例も考えられる。

本発明に係る方法において、性能パラメータの最適化のために、任意の適切な磁石配置の変数が選択されてもよい。本発明の好ましい実施形態において、磁石配置の変数は、磁石グループの近接する磁石間の距離を含む。性能パラメータを調整するために、さらなる磁石とグループの基準磁石との間の距離は、変更されてもよい。また、他の変数も使用可能である。本発明のさらに好ましい実施形態において，例えば、磁石の幅は、性能パラメータを調整するために（コンピュータシミュレーションによって）変更されてもよい。

従って、本発明の好ましい一実施形態において、１つの磁石グループは２つの磁石を含み、配置の変数は、磁石グループの基準磁石と、磁石グループの他の磁石との間の距離を含み、性能パラメータは、コギングトルクを含み、および、配置の変数は、コギングトルクの所期の抑制量に基づいて計算される。このようにして、各グループの２つの磁石の最適な配置が決定される。このパターンは、ロータの全ての磁石に対して繰り返される。複数の磁石がロータ上に取り付けられる際、基準磁石は、「標準の」位置に配置され、他の磁石は、対応する基準磁石からの計算された距離に基づいて取り付けられる。

本発明の他の好ましい実施形態において、１つの磁石グループは、３つの磁石を含み、第１の配置の変数は、基準磁石と磁石グループの第１のさらなる磁石との間の距離を含み、第２の配置の変数は、基準磁石と磁石グループの第２のさらなる磁石との間の距離を含み、性能パラメータは、コギングトルクおよびトルクリップルを含み、第１および第２の配置の変数は、コギングトルクの所期の抑制量およびトルクリップルの所期の抑制量に基づいて計算される。このようにして、各グループの３つの磁石の最適な配置が決定される。このパターンは、ロータの全ての磁石に対して繰り返される。複数の磁石がロータ上に取り付けられる際、基準磁石は、「標準の」位置に配置され、他の磁石は、対応する基準磁石からの計算された距離に基づいて取り付けられる。

コギングトルクおよびトルクリップルに加えて、他のパラメータが最適化されてもよい。例えば、風力タービンに対する、卓越風の速度に対応する所定の負荷点を興味深い初期の負荷点とみなすことができる。そして、そのような負荷点を考慮して、磁石配置を決定することができる。また、電流を最小化することによって、より小さな負荷の下でのリップルを最小にできる。これは、磁石配置を適切に調整することによっても達成できる。電流を最小化することに加えて、期待される負荷プロファイルに対する全体の効率が最大化される。例えば、ある負荷状態の下で機械がどの位の時間動作することを期待できるかといった、全体の効率が最大化される。

最適化を実行するに際して、当業者に公知である任意の適切な技術を用いることができる。例えば、磁石配置は、経験的な位置決めにより決定することもできる。本方法のステップは、反復実行されることが好ましい。そのために、選択された変数のための推定値を用いて、妥当な「開始点」を選択してもよい。また、性能パラメータの達成可能な調整については推定可能であり、最適化工程のために使用することもできる。次いで、反復工程において、所期のまたは十分な性能パラメータが得られるまで、変数を調整することができる。本方法のステップは、コンピュータシミュレーションで実行される、例えば、有限要素解析で実行されることが好ましい。

ステータおよび従来技術によるロータ上の磁石配置を示す、発電機の一部分の断面を示す図。 Ａ）乃至Ｃ）は、発電機の２つの性能パラメータのための、本発明による第１の磁石配置の概略を示す図。 図２に基づく磁石配置を有する発電機の一部分の断面を示す図。 発電機の２つの性能パラメータのための、本発明による第２の磁石配置の概略を示す図。

本発明の他の目的および特徴は、添付の図面と共に考慮される以下の詳細な記載から明らかとなるであろう。しかし、図面は、単に例示目的のために示されており、本発明を制限するものではないことは理解されたい。

図面において、全体を通して同じ参照符号は同じ構成要素であることを表す。但し、図中の構成要素は必ずしも縮尺通りに描かれたものではない。

図１には、発電機３の非常に単純化された断面が示されており、ロータ１およびステータ２が示され、多数の磁石がロータ１上に配置されている。従来の単純な配置では、磁石Ｍは、全て互いに等間隔を空けて配置されている。ステータ２は、ステータ巻線（図示せず）を収容するための複数のスロット２ｂを画定する複数の歯２ａを有する。ステータ２および従ってステータ歯２ａは、通常は鋼鉄からなる。その結果、動作中、コギングトルクとして知られる磁力が磁石Ｍとステータ歯２ａとの間に作用する。

図２は、発電機の２つの性能パラメータのための、本発明による第１の磁石配置１０に到達するために取られるステップのいくつかを図示したものである。まず、図２Ａで示される、初めは等間隔に並んでいる複数の磁石Ｍが、複数のグループに分けられる。２つの性能パラメータが最適化されるべきであるため、設計者は、基準磁石に対して２つの磁石を操作すると決定してもよい。この実施例では、ロータの磁極Ｍの総数が３で割り切れると仮定する。従って、複数の磁石Ｍは、３つの極グループに分割される。すなわち、複数のグループＧ３はそれぞれ、１つの基準磁石Ｍｒｅｆおよびさらなる２つの磁石Ｍ１，Ｍ２である、３つの磁石を有している。各グループは、ロータの表面上で所定の半径方向距離Ｓを占めている。２つの性能パラメータの最適化に際し、設計者は、基準磁石Ｍｒｅｆと第１の磁石Ｍ１との間の間隔またはピッチｄ３１、および、基準磁石Ｍｒｅｆと第２の磁石Ｍ２との間の間隔またはピッチｄ３２を使用すると決定してもよい。ここで、グループの距離Ｓは変化しないままである。反復工程において、例えば、適切なソフトウェアプログラムを用いて、コギングトルクの所期の抑制量およびトルクリップルの所期の抑制量を与えるために、基準磁石Ｍｒｅｆに対する磁石Ｍ１，Ｍ２の最適な配置が決定されてもよい。次いで、発電機の製造中に、決定された間隔ｄ３１，ｄ３２に従って、複数の磁石Ｍがロータの外側に配置される。

そのような配置１０の一部分が、発電機３の部分断面図である図３に示されている。それぞれの３極のグループＧ３において、基準磁石Ｍｒｅｆおよび他の磁石Ｍ１，Ｍ２に対して、上述のように計算された極のピッチ間隔ｄ３１，ｄ３２を用いて、複数の磁石Ｍが、ロータ１の外側に取り付けられる。これにより、図２に記載されているように、各グループの半径方向の距離は一定に維持される。

図４には、発電機の２つの性能パラメータのための、本発明による第２の磁石配置２０の概略が示されている。この場合、設計者は、基準磁石に対して１つの磁石のみを操作すると決定してもよい。従って、複数の磁石Ｍは、２極グループに分割される。すなわち、複数のグループＧ２はそれぞれ、１つの基準磁石Ｍｒｅｆおよびさらなる１つの磁石Ｍ１である、２つの磁石を有している。設計者は、基準磁石Ｍｒｅｆと他の磁石Ｍ１との間の間隔ｄ２１、および、１つまたは両方の磁石の幅ｗを使用すると決定してもよい。この場合は、ｗは他の磁石Ｍ１の幅ｗである。これにより、図２に記載されているように、各グループの半径方向の距離は一定に維持される。再度、反復工程において、所期のパラメータを与えるために、磁石Ｍｒｅｆ，Ｍ１に対して最適な構成２０が決定される。

本発明は、好ましい実施形態およびそれらの変形の形態として開示されているが、本発明の範囲から外れることなしに、数々のさらなる改良や変形がなされ得ることは理解されよう。

明確性を期すために、本出願全体に亘って、単数の形で記載されていても複数の場合を除外するものではなく、「備える」、「有する」、「含む」などの文言は他の工程や構成要素を除外するものではないことに注意すべきである。

Claims (14)

1. 電気機械（３）のロータ（１）またはステータ（２）の複数の磁石（Ｍ）のための磁石配置（１０，２０）を決定する方法において、
   電気機械（３）の調整されるべき複数の性能パラメータを識別するステップと、
   複数の近接する磁石（Ｍ）を１つの磁石グループ（Ｇ２，Ｇ３）に割り当てるステップと；
   前記磁石グループ（Ｇ２，Ｇ３）は、基準磁石（Ｍｒｅｆ）および少なくとも１つのさらなる磁石（Ｍ１，Ｍ２）を含み、さらに、さらなる磁石（Ｍ１，Ｍ２）は基準磁石（Ｍｒｅｆ）に対して相対的に配置されており、
   前記磁石グループ（Ｇ２，Ｇ３）に対する、磁石配置の複数の異なる変数（ｄ２１，ｄ３１，ｄ３２，ｗ）を識別するステップと；
   前記磁石配置の変数（ｄ２１，ｄ３１，ｄ３２，ｗ）の数は、前記性能パラメータの数と等しいものであり、
   性能パラメータの所望の調整に基づいて、前記配置の変数（ｄ２１，ｄ３１，ｄ３２，ｗ）の値を計算するステップと、
   前記計算された配置の変数（ｄ２１，ｄ３１，ｄ３２，ｗ）に基づいて、前記磁石グループ（Ｇ２，Ｇ３）のさらなる前記磁石（Ｍ１，Ｍ２）を、前記磁石グループ（Ｇ２，Ｇ３）の前記基準磁石（Ｍｒｅｆ）に対して相対的に配置するステップと、
   を備えることを特徴とする、磁石配置（１０，２０）を決定する方法。
2. 前記磁石グループ（Ｇ２，Ｇ３）は、１つの基準磁石（Ｍｒｅｆ）を有することを特徴とする、請求項１記載の方法。
3. 前記複数の磁石（Ｍ）の総数は、同一の前記磁石グループ（Ｇ２，Ｇ３）の数の整数倍を有することを特徴とする、請求項１または２記載の方法。
4. 各前記磁石グループ（Ｇ２，Ｇ３）の前記複数の磁石（Ｍｒｅｆ，Ｍ１，Ｍ２）は、同一の配置を取ることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか１項記載の方法。
5. 前記磁石配置の変数（ｄ２１，ｄ３１，ｄ３２）は、前記磁石グループ（Ｇ２，Ｇ３）の近接する磁石（Ｍｒｅｆ，Ｍ１，Ｍ２）間の距離（ｄ２１，ｄ３１，ｄ３２）を含むことを特徴とする、請求項１乃至４のいずれか１項記載の方法。
6. 前記磁石配置の変数（ｗ）は、前記磁石グループ（Ｇ２）の前記磁石（Ｍ１）の幅（ｗ）を含むことを特徴とする、請求項１乃至５のいずれか１項記載の方法。
7. 前記磁石グループ（Ｇ２）は、２つの前記磁石（Ｍｒｅｆ，Ｍ１）を含み、
   前記配置の変数（ｄ２１）は、前記磁石グループ（Ｇ２）の前記基準磁石（Ｍｒｅｆ）と、前記磁石グループ（Ｇ２）の他の前記磁石（Ｍ１）との間の距離（ｄ２１）を含み、
   前記性能パラメータは、コギングトルクを含み、
   前記配置の変数（ｄ２１）は、前記コギングトルクの所期の抑制量に基づいて計算される
   ことを特徴とする、請求項１乃至６のいずれか１項記載の方法。
8. 前記磁石グループ（Ｇ３）は、３つの前記磁石（Ｍｒｅｆ，Ｍ１，Ｍ２）を含み、
   第１の前記配置の変数（ｄ３１）は、前記基準磁石（Ｍｒｅｆ）と前記磁石グループ（Ｇ３）の第１のさらなる前記磁石（Ｍ１）との間の距離（ｄ３１）を含み、
   第２の前記配置の変数（ｄ３２）は、前記基準磁石（Ｍｒｅｆ）と前記磁石グループ（Ｇ３）の第２のさらなる磁石（Ｍ２）との間の距離（ｄ３２）を含み、
   前記性能パラメータは、コギングトルクおよびトルクリップルを含み、
   前記配置の変数（ｄ３１，ｄ３２）は、前記コギングトルクの所期の抑制量および前記トルクリップルの所期の抑制量に基づいて計算される
   ことを特徴とする、請求項１乃至６のいずれか１項記載の方法。
9. 前記方法の前記ステップは、反復実行されることを特徴とする、請求項１乃至８のいずれか１項記載の方法。
10. 前記方法の前記ステップは、コンピュータシミュレーションで実行されることを特徴とする、請求項１乃至９のいずれか１項記載の方法。
11. 請求項１乃至１０のいずれか１項記載の方法を用いて決定される磁石配置（１０，２０）に基づいて、電気機械（３）のロータ（１）またはステータ（２）上に複数の磁石（Ｍ）を配置することを特徴とする、方法。
12. ロータ（１），ステータ（２）、および、複数の磁石（Ｍ）を有する発電機（３）を備える風力タービンにおいて、
    前記複数の磁石（Ｍ）が、ロータ（１）上に、請求項１１記載の方法による磁石配置（１０，２０）で配置されている
    ことを特徴とする、風力タービン。
13. 前記発電機は、直接駆動型発電機を有することを特徴とする、請求項１２記載の風力タービン。
14. 請求項１２または１３記載の風力タービンのための磁石配置（１０，２０）を決定する際の、請求項１乃至１０のいずれか１項記載の方法の使用。

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