JP2012152054A - 回転電機および風力発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】遠心力による永久磁石の外れを抑制しながら、ロータコアが繰り返し回転される際における耐久性を高め、かつ、永久磁石の側端部から漏れる漏れ磁束を少なくすることが可能な回転電機を提供する。
【解決手段】この発電機１（回転電機）は、複数の第１磁極部２４１ａ（２４１ｂ）と、複数の第２磁極部２４２ａ（２４２ｂ）とが１つずつ交互に周状に配置されることにより構成されるロータコア２４（ロータコア２４ａおよび２４ｂ）を備え、第１磁極部２４１ａ（２４１ｂ）は、永久磁石３０（３１）の外周側を覆う磁石被覆部２４３と、永久磁石３０（３１）の側端面を露出する空隙２４４と、空隙２４４に対応するように設けられ、磁石被覆部２４３と第１磁極部２４１ａ（２４１ｂ）に隣接する第２磁極部２４２ａ（２４２ｂ）とをロータコア２４の外周に沿って連結する連結部２４５とを含む。
【選択図】図２

Description

この発明は、回転電機および風力発電システムに関し、特に、永久磁石を有する複数の第１磁極部と、永久磁石を有さない複数の第２磁極部とが１つずつ交互に周状に配置されることにより構成されるロータコアを備える回転電機および風力発電システムに関する。

従来、永久磁石を有する複数の第１磁極部と、永久磁石を有さない複数の第２磁極部とが１つずつ交互に周状に配置されることにより構成されるロータコアを備える回転電機が知られている（たとえば、特許文献１参照）。

上記特許文献１には、複数の永久磁石と、永久磁石を含まない複数の鉄心極（第２磁極部）とが１つずつ交互に周状に配置されることにより構成される回転子（ロータコア）を備えるベアリングレスモータ（回転電機）が開示されている。このベアリングレスモータでは、永久磁石の内周側のみが回転子に埋め込まれており、永久磁石の外周側は露出している。

しかしながら、上記特許文献１に開示された回転電機では、永久磁石の外周側が露出しているため、ロータコアが回転された際の遠心力により永久磁石が外周側に外れてしまう場合がある。

そこで、永久磁石が外れるのを抑制するために、ロータコアに永久磁石の外周側の表面と側端面とを覆う部分を設けることが考えられる。

特開２００８−１７８１６５号公報

しかしながら、ロータコアに永久磁石の外周側の表面と側端面とを覆う部分を設ける場合には、ロータコアが繰り返し回転される際に加わる回転方向の応力（曲げ応力）により、ロータコアの永久磁石の側端面を覆う部分の破損が起こり易いという不都合がある。ここで、このような曲げ応力に対する耐久性を高めるためには、ロータコアの永久磁石の側端面を覆う部分の厚みを大きくする必要がある。しかしながら、この場合には、永久磁石の側端部の外周面と内周面とを結ぶ磁路の磁気抵抗が小さくなるため、永久磁石の側端部から漏れる漏れ磁束が増大するという問題点がある。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の１つの目的は、遠心力による永久磁石の外れを抑制しながら、ロータコアが繰り返し回転される際における耐久性を高め、かつ、永久磁石の側端部から漏れる漏れ磁束を少なくすることが可能な回転電機を提供することである。

課題を解決するための手段および発明の効果

上記目的を達成するために、この発明の第１の局面における回転電機は、永久磁石を有する複数の第１磁極部と、永久磁石を有さない複数の第２磁極部とが１つずつ交互に周状に配置されることにより構成されるロータコアを備え、第１磁極部は、永久磁石の外周側を覆う磁石被覆部と、永久磁石の側端面を露出する空隙と、空隙に対応するように設けられ、磁石被覆部と第１磁極部に隣接する第２磁極部とをロータコアの外周に沿って連結する連結部とを含む。

この発明の第１の局面による回転電機では、上記のように、第１磁極部を、永久磁石の外周側を覆う磁石被覆部と、永久磁石の側端面を露出する空隙と、空隙に対応するように設けられ、磁石被覆部と第１磁極部に隣接する第２磁極部とをロータコアの外周に沿って連結する連結部とを含むように構成する。これにより、磁石被覆部により、ロータコアが回転される際の遠心力によって永久磁石が外周側に外れるのを抑制することができる。また、連結部をロータコアの外周に沿って（ロータコアが繰り返し回転される際に加わる応力（引張応力および圧縮応力）の方向（回転方向）に沿って）設けることにより、ロータコアが繰り返し回転される際において、連結部には引張応力および圧縮応力が加わる一方、引張応力および圧縮応力に比べて破損が起こりやすい曲げ応力が加わりにくくなる。これにより、曲げ応力による連結部の破損を抑制することができるので、ロータコアが繰り返し回転される際における耐久性を高めることができる。また、空隙を永久磁石の側端面を露出するように設けることにより、永久磁石の側端部の外周面と内周面とを結ぶ磁路を長くし、その磁気抵抗を大きくすることができるので、永久磁石の側端部の外周面から内周面へ（または内周面から外周面へ）漏れる漏れ磁束を少なくすることができる。

この発明の第２の局面における風力発電システムは、永久磁石を有する複数の第１磁極部と、永久磁石を有さない複数の第２磁極部とが１つずつ交互に周状に配置されることにより構成されるロータコアを含む発電機と、発電機のロータコアに接続されるブレードとを備え、第１磁極部は、永久磁石の外周側を覆う磁石被覆部と、永久磁石の側端面を露出する空隙と、空隙に対応するように設けられ、磁石被覆部と第１磁極部に隣接する第２磁極部とをロータコアの外周に沿って連結する連結部とを有する。

この発明の第２の局面による風力発電システムでは、上記のように、発電機のロータコアの第１磁極部を、永久磁石の外周側を覆う磁石被覆部と、永久磁石の側端面を露出する空隙と、空隙に対応するように設けられ、磁石被覆部と第１磁極部に隣接する第２磁極部とをロータコアの外周に沿って連結する連結部とを含むように構成する。これにより、磁石被覆部により、ロータコアが回転される際の遠心力によって永久磁石が外周側に外れるのを抑制することができる。また、連結部をロータコアの外周に沿って（ロータコアが繰り返し回転される際に加わる応力（引張応力および圧縮応力）の方向（回転方向）に沿って）設けることにより、ロータコアが繰り返し回転される際において、連結部には引張応力および圧縮応力が加わる一方、引張応力および圧縮応力に比べて破損が起こりやすい曲げ応力が加わりにくくなる。これにより、曲げ応力による連結部の破損を抑制することができるので、ロータコアが繰り返し回転される際における耐久性を高めることができる。また、空隙を永久磁石の側端面を露出するように設けることにより、永久磁石の側端部の外周面と内周面とを結ぶ磁路を長くし、その磁気抵抗を大きくすることができるので、永久磁石の側端部の外周面から内周面へ（または内周面から外周面へ）漏れる漏れ磁束を少なくすることができる。ここで、一般に、風力発電システムは、長期間に渡って使用されるため、高い耐久性が求められる。この場合に、本発明では、ロータコアが繰り返し回転される際における耐久性を高めることができるので、風力発電システムに適した発電機を提供することができる。

本発明の一実施形態による風力発電システムの構成を示す模式図である。 本発明の一実施形態による発電機のステータおよびロータを図１のＡ方向側から見た図である。 図２の拡大図である。 図３を図１のＢ方向側から見た拡大図である。 図３および図４の５０−５０線に沿った断面図である。 図３および図４の１５０−１５０線に沿った断面図である。 本発明の一実施形態による発電機のロータコアを構成するコア部を示す図である。 本発明の一実施形態による発電機のロータコアをロータヨークに取り付ける際に用いるナット部材を示す斜視図である。 本発明の一実施形態による発電機のロータコアとロータヨークとを締結する手順を説明するための断面図である。 本発明の一実施形態による発電機のロータコアとロータヨークとをキー部材により固定する手順を説明するための断面図である。 本発明の一実施形態の変形例による風力発電システムの構成を示す模式図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

まず、図１を参照して、本発明の一実施形態による発電機１を含む風力発電システム１００の構成について説明する。なお、発電機１は、本発明の「回転電機」の一例である。

図１に示すように、風力発電システム１００は、発電機１と、ナセル２と、ロータハブ３と、ブレード４と、タワー（支持柱）５とにより構成されている。発電機１は、ナセル２の内部に収容されている。また、ロータハブ３は、発電機１の後述するシャフト２１に接続されている。また、ロータハブ３には、複数のブレード４が取り付けられている。また、ナセル２は、タワー５に取り付けられている。

次に、図２〜図８を参照して、本発明の一実施形態による発電機１の構成について説明する。

図２に示すように、発電機１は、ステータ１０と、ロータ２０とを備えている。ステータ１０は、ロータ２０の外周面に対向するように所定の空間（ギャップ）を隔てて配置されている。また、ステータ１０は、ロータ２０を取り囲む円筒形状を有している。なお、ステータ１０は、複数のスロット１１ａが形成されたステータコア１１と、巻線１２とにより構成されている。これら複数のスロット１１ａは、ステータコア１１の内周に沿って略等角度間隔で配置されている。巻線１２は、スロット１１ａ間に、集中巻または分布巻によって巻回されている。

図２に示すように、ロータ２０は、シャフト２１と、ロータホイール２２と、ロータヨーク２３と、ロータコア２４とにより構成されている。シャフト２１は、ロータホイール２２の中央部近傍に設けられるシャフト挿入穴２２ａに挿入されることにより、ロータ２０の中心を貫通してＸ方向（図１参照）（以下、軸方向と呼ぶ）に延びるように設けられている。また、ロータホイール２２は、シャフト２１を取り囲むとともに、ロータヨーク２３の内周面に接する円板状に形成されている。このロータホイール２２には、軸方向に貫通する複数の開口部２２ｂが設けられている。また、ロータヨーク２３は、シャフト２１を取り囲むとともに、円板状のロータホイール２２の外周部に接する内周面を有する円筒形状に形成されている。なお、図５および図６に示すように、円筒形状のロータヨーク２３の軸方向の長さＬは、円板状のロータホイール２２の厚みｔよりも大きくなるように構成されている。

ロータコア２４は、ロータヨーク２３の外周面上に配置される内周面を有する円筒形状を有している。また、ロータコア２４は、図５および図６に示すように、軸方向に重なるように積層された複数の電磁鋼板により構成されている。本実施形態では、ロータコア２４は、軸方向の中央部において２つに分割されている。すなわち、ロータコア２４は、軸方向に重なるように配置されたロータコア２４ａ（Ａ方向（図１参照）側のロータコア２４）と、ロータコア２４ｂ（Ｂ方向（図１参照）側のロータコア２４）とにより構成されている。なお、ロータコア２４ａおよび２４ｂは、本発明の「第１ロータコア」および「第２ロータコア」の一例である。

図２〜図４に示すように、ロータコア２４ａおよび２４ｂには、それぞれ、複数の永久磁石３０および３１が回転方向（以下、周方向と呼ぶ）に沿って間隔を隔てて周状に埋め込まれている。具体的には、図２および図３に示すように、ロータコア２４ａは、永久磁石３０を有する第１磁極部２４１ａと、永久磁石３０を有さない第２磁極部２４２ａとが１つずつ交互に周状に配置されることにより構成されている。同様に、図４に示すように、ロータコア２４ｂは、永久磁石３１を有する第１磁極部２４１ｂと、永久磁石３１を有さない第２磁極部２４２ｂとが１つずつ交互に周状に配置されることにより構成されている。

なお、後述するように、複数の永久磁石３０は、共に、半径方向の着磁方向が同一となるように着磁されている。また、複数の永久磁石３１は、共に、半径方向の着磁方向が同一（永久磁石３０とは反対の着磁方向）となるように着磁されている。一般に、このような半径方向の着磁方向が同一となるように周状に複数の永久磁石３０（３１）が配置されたロータコア２４ａ（２４ｂ）の構造は、コンシクエントポール構造と呼ばれている。

ここで、本実施形態では、図３および図４に示すように、第１磁極部２４１ａ（２４１ｂ）は、永久磁石３０の外周側を覆う磁石被覆部２４３と、永久磁石３０の両側端面を露出する２つの空隙２４４と、２つの空隙２４４のそれぞれに対応するように設けられる２つの連結部２４５とを含むように構成されている。

磁石被覆部２４３の外周側の表面は、軸方向から見て、永久磁石３０の中央部に対応する部分を頂部とする凸形状を有するように形成されている。また、空隙２４４の連結部２４５に対応する部分の第２磁極部２４２側の角部２４４ａは、円弧状の断面形状を有するように形成されている。また、連結部２４５は、磁石被覆部２４３と、第１磁極部部２４１ａ（２４１ｂ）に隣接する２つの第２磁極部部２４２ａ（２４２ｂ）とをロータコア２４ａ（２４ｂ）の外周に沿って連結する薄肉状に形成されている。なお、本実施形態では、連結部２４５の半径方向の厚みｔ１は、磁石被覆部２４３の半径方向の厚みｔ２よりも小さくなるように構成されている。たとえば、連結部２４５の半径方向の厚みｔ１は、約１ｍｍ以上約１．５ｍｍ以下であるとともに、磁石被覆部２４３の中央部の半径方向の厚みｔ２は、約３ｍｍ以上約４ｍｍ以下である。

また、本実施形態では、図３および図４に示すように、第１磁極部部２４１ａ（２４１ｂ）には、空隙２４４に連続するように、永久磁石３０（３１）を取り付けるための孔部２４６ａ（２６４ｂ）が設けられている。この孔部２４６ａ（２６４ｂ）には、永久磁石３０（３１）の後述する傾斜部３０ａ（３１ａ）と当接することにより係合する一対の係合部２４７が設けられている。これら一対の係合部２４７の間の周方向の幅は、ロータコア２４ａ（２４ｂ）の内周側から外周側に向かうにしたがって徐々に小さくなるように構成されている。ここで、永久磁石３０（３１）は、略台形形状の断面を有するように形成されている。具体的には、永久磁石３０（３１）の両側端面には、永久磁石３０（３１）の周方向の幅がロータコア２４ａ（２４ｂ）の内周側から外周側に向かうにしたがって徐々に小さくなるように傾斜部３０ａ（３１ａ）が設けられている。

なお、本実施形態では、ロータコア２４ａおよび２４ｂは、回転方向に所定の角度（電気角で１８０°）ずれた状態で軸方向に重なるように配置されている。すなわち、図５および図６に示すように、ロータコア２４ａおよび２４ｂは、ロータコア２４ａの第１磁極部２４１ａとロータコア２４ｂの第２磁極部２４２ｂとが対応するとともに、ロータコア２４ａの第２磁極部２４２ａとロータコア２４ｂの第１磁極部２４１ｂとが対応するように配置されている。なお、ロータコア２４ａおよび２４ｂの軸方向の長さは、それぞれ、ロータヨーク２３の軸方向の長さＬの半分（Ｌ／２）である。

また、本実施形態では、ロータコア２４ａの第１磁極部２４１ａに埋め込まれる永久磁石３０と、ロータコア２４ｂの第１磁極部２４１ｂに埋め込まれる永久磁石３１とは、外周側において互いに異なる極性を有するように着磁されている。具体的には、永久磁石３０は、ロータコア２４ａの外周側においてＮ極となるように着磁されており、永久磁石３１は、ロータコア２４ｂの外周側においてＳ極となるように着磁されている。

また、本実施形態では、図２〜図４に示すように、ロータコア２４ａ（２４ｂ）は、それぞれ、複数のコア部２５を含むように周方向に分割可能に構成されている。これら複数のコア部２５の各々は、コア部２５の外周に沿って隣接する３つの第１磁極部２４１ａ（２４１ｂ）を含むように構成されている。また、これら複数のコア部２５は、それぞれ、円筒形状のロータコア２４ａ（２４ｂ）を略等角度間隔に分割した略同一の形状を有するように形成されている。具体的には、これら複数のコア部２５は、それぞれ、軸方向から見て略円弧形状を有するように形成されている。

また、本実施形態では、図２〜図６に示すように、ロータコア２４ａ（２４ｂ）の内周部とロータヨーク２３とは、ナット４１と、ナット４１に螺合するボルト４２とにより締結されている。ナット４１およびボルト４２は、ロータコア２４ａ（２４ｂ）の内周部の第２磁極部２４２ａ（２４２ｂ）に対応する部分に配置されているとともに、ロータコア２４ａ（２４ｂ）を構成する複数のコア部２５の境界部分に配置されている。

ナット４１は、図５および図６に示すように、ロータコア２４ａ（２４ｂ）の内周部の後述するナット挿入穴２５ａに挿入され、ロータコア２４ａ（２４ｂ）側に軸方向に延びるように配置されている。このナット４１は、長さＬ／２を有する直方体形状（図８参照）に形成されている。また、このナット４１には、内面に雌ねじが形成されたねじ孔４１ａがナット４１の延びる方向（軸方向）に沿って複数（本実施形態では、２つ）設けられている。ボルト４２は、ロータヨーク２３の内周面の後述するボルト挿入穴２３ａに挿入されるとともに、ロータコア２４ａ（２４ｂ）を構成するコア部２５の後述する溝部２５ｂを介してナット４１のねじ孔４１ａに螺合するように構成されている。

ナット挿入穴２５ａは、図３、図４および図７に示すように、ロータコア２４ａ（２４ｂ）を構成するコア部２５の内周部に複数設けられている。これら複数のナット挿入穴２５ａの各々は、軸方向から見てナット４１と略同じ大きさを有する矩形形状に形成されている。また、溝部２５ｂは、複数のナット挿入穴２５ａの各々に対応するように複数設けられている。これら複数の溝部２５ｂの各々は、ナット挿入穴２５ａとロータコア２４ａ（２４ｂ）のコア部２５の内周面とを接続する溝状に形成されている。なお、本実施形態では、溝部２５ｂの溝幅Ｗ１は、ナット挿入穴２５ａの穴幅Ｗ２よりも小さくなるように構成されている。また、複数のナット挿入穴２５ａおよび溝部２５ｂは、ロータコア２４ａ（２４ｂ）の周方向に沿って略等角度間隔で配置されている。また、図５および図６に示すように、複数のナット挿入穴２５ａおよび溝部２５ｂは、軸方向に沿って延びるように設けられている。

図５および図６に示すように、ボルト挿入穴２３ａは、円筒形状のロータヨーク２３の内周面のうちのロータホイール２２からはみ出した部分（ロータホイール２２とロータヨーク２３とが接している部分以外の部分）に、ロータヨーク２３の内周面と外周面とを貫通するように設けられている。このボルト挿入穴２３ａは、ナット挿入穴２５ａにナット４１が挿入された状態でナット４１とボルト４２とが螺合可能なように、ナット４１の延びる方向（軸方向）に沿って複数（本実施形態では、２つ）設けられている。

なお、本実施形態では、図３、図４および図６に示すように、ロータコア２４ａ（２４ｂ）を構成するコア部２５の内周面には、軸方向に延びる第１キー挿入溝２５ｃが形成されている。また、ロータヨーク２３の外周面には、第１キー挿入溝２５ｃに対応するように第２キー挿入溝２３ｂが形成されている。これら第１キー挿入溝２５ｃおよび第２キー挿入溝２３ｂからなるキー挿入穴６０には、平行キーなどからなるキー部材４３が挿入されている。このキー挿入穴６０は、ロータコア２４ａ（２４ｂ）の内周部とロータヨーク２３の外周部とが接する部分において、周方向に沿って略等角度間隔（図２参照）で複数配置されている。具体的には、キー挿入穴６０は、ロータコア２４ａ（２４ｂ）を構成するコア部２５の内周部の周方向に沿った方向の中央部近傍に配置されている。

次に、図２〜図１０を参照して、本発明の一実施形態による発電機１のロータ２０の組み立て手順について説明する。

まず、図２に示すように、シャフト２１を円板状のロータホイール２２のシャフト挿入穴２２ａに挿入するとともに、ロータホイール２２の外周部に円筒形状のロータヨーク２３を取り付ける。

次に、ロータヨーク２３の外周面上に、複数のコア部２５からなるロータコア２４（ロータコア２４ａおよび２４ｂ）を取り付ける。具体的には、略円弧形状の複数のコア部２５を、円筒形状のロータヨーク２３の外周面上に周状に組み合わせて配置する。これにより、ロータヨーク２３の外周面に接する内周面を有する円筒形状の２つのロータコア２４ａおよび２４ｂを構成する。

なお、このとき、ロータコア２４ａに埋め込まれた永久磁石３０と、ロータコア２４ｂに埋め込まれた永久磁石３１とが外周側において互いに異なる極性を有するようにロータコア２４ａおよび２４ｂを構成する。具体的には、ロータコア２４ａに埋め込む永久磁石３０の外周側の極性をＮ極とするとともに、ロータコア２４ｂに埋め込む永久磁石３１の外周側の極性をＳ極とするようにロータコア２４ａおよび２４ｂを構成する。

また、このとき、ロータコア２４ａとロータコア２４ｂとを回転方向に所定の角度（電気角で１８０°）ずらした状態で、ロータヨーク２３の外周面上にロータコア２４ａおよび２４ｂを軸方向に重ねて配置する。具体的には、ロータコア２４ａの第１磁極部２４１ａとロータコア２４ｂの第２磁極部２４２ｂとを対応させるとともに、ロータコア２４ａの第２磁極部２４２ａとロータコア２４ｂの第１磁極部２４１ｂとを対応させるように、ロータヨーク２３の外周面上にロータコア２４ａおよび２４ｂを配置する。

次に、ロータコア２４ａ（２４ｂ）を構成するコア部２５の内周部の溝部２５ｂと、ロータヨーク２３の内周面および外周面を貫通するボルト挿入穴２３ａとの位置を合わせる。また、ロータコア２４ａ（２４ｂ）のコア部２５の内周部の第１キー挿入溝２５ｃと、ロータヨーク２３の外周面の第２キー挿入溝２３ｂとの位置を合わせる。

次に、図９に示すように、ロータヨーク２３の外周面上に配置したロータコア２４ａ（２４ｂ）の内周部とロータヨーク２３とを、ナット４１およびボルト４２により締結する。具体的には、まず、ロータコア２４ａ（２４ｂ）の内周部に軸方向に沿って延びるように設けられたナット挿入穴２５ａに対して、直方体形状のナット４１（図８参照）を軸方向に挿入する。そして、ロータヨーク２３のボルト挿入穴２３ａに対してボルト４２をロータヨーク２３の内側から挿入する。そして、上記のように位置を合わせたロータヨーク２３のボルト挿入穴２３ａとロータコア２４ａ（２４ｂ）のコア部の溝部２５ｂとを介してナット４１のねじ孔４１ａにボルト４２を螺合する。

最後に、図１０に示すように、上記のように位置を合わせたロータコア２４ａ（２４ｂ）の第１キー挿入溝２５ｃおよびロータヨーク２３の第２キー挿入溝２３ｂからなるキー挿入穴６０に対して、平行キーなどからなるキー部材４３を軸方向に挿入する。このようにして、本発明の一実施形態による発電機１のロータ２０の組み立てが行われる。

本実施形態では、上記のように、第１磁極部２４１ａ（２４１ｂ）を、永久磁石３０（３１）の外周側を覆う磁石被覆部２４３と、永久磁石３０（３１）の側端面を露出する空隙２４４と、空隙２４４に対応するように設けられ、磁石被覆部２４３と第１磁極部２４１ａ（２４１ｂ）に隣接する第２磁極部２４２ａ（２４２ｂ）とをロータコア２４（ロータコア２４ａおよび２４ｂ）の外周に沿って連結する連結部２４５とを含むように構成する。これにより、磁石被覆部２４３により、ロータコア２４が繰り返し回転される際の遠心力によって永久磁石３０が外周側に外れるのを抑制することができる。また、連結部２４５をロータコア２４の外周に沿って（ロータコア２４が繰り返し回転される際に加わる応力（引張応力および圧縮応力）の方向（回転方向）に沿って）設けることにより、ロータコア２４が繰り返し回転される際において、連結部２４５には引張応力および圧縮応力が加わる一方、引張応力および圧縮応力に比べて破損が起こりやすい曲げ応力が加わりにくくなる。これにより、曲げ応力による連結部２４５の破損を抑制することができるので、ロータコア２４が繰り返し回転される際における耐久性を高めることができる。

また、空隙２４４を永久磁石３０（３１）の側端面を露出するように設けることにより、永久磁石３０（３１）の側端部の外周面と内周面とを結ぶ磁路を長くするとともに、その磁気抵抗を大きくすることができるので、永久磁石３０（３１）の側端部の外周面から内周面へ（または内周面から外周面へ）漏れる漏れ磁束を少なくすることができる。ここで、一般に、風力発電システムは、長期間に渡って使用されるため、高い耐久性が求められる。この場合に、本実施形態では、ロータコア２４が繰り返し回転される際における耐久性を高めることができるので、風力発電システム１００に適した発電機１を提供することができる。

また、本実施形態では、上記のように、連結部２４５の半径方向の厚みｔ１（図３および図４参照）を、磁石被覆部２４３の半径方向の厚みｔ２（図３および図４参照）よりも小さくする。このように構成すれば、連結部２５５の厚みと磁石被覆部２４３の厚みとが同じ場合と比べて、連結部２５５の厚みが小さくなる分、漏れ磁束の流れる経路となる連結部２４５の断面積を小さくすることができるので、永久磁石３０（３１）の側端部から漏れる漏れ磁束をより少なくすることができる。

また、本実施形態では、上記のように、空隙２４４の連結部２４５に対応する部分の第２磁極部２４２ａ（２４２ｂ）側の角部２４４ａを、円弧状の断面形状を有するように形成する。このように構成すれば、空隙２４４の連結部２４５に対応する部分の第２磁極部２４２ａ（２４２ｂ）側の角部２４４ａを矩形状の断面形状を有するように形成する場合と異なり、連結部２４５の第２磁極部２４２ａ（２４２ｂ）側の半径方向の厚みを大きくすることができるので、ロータコア２４が繰り返し回転される際における耐久性をより高めることができる。

また、本実施形態では、上記のように、第１磁極部２４１ａ（２４１ｂ）に、空隙２４４に連続するように、永久磁石２４ａ（２４ｂ）を取り付けるための孔部２４６ａ（２４６ｂ）を設け、その孔部２４６ａ（２４６ｂ）に、永久磁石３０（３１）と係合する係合部２４７を設ける。このように構成すれば、永久磁石３０（３１）を孔部２４６ａ（２４６ｂ）に取り付ける際に、永久磁石３０（３１）と係合部２４７とを係合させることにより、孔部２４６ａ（２４６ｂ）に対して永久磁石３０（３１）を強固に固定することができる。

また、本実施形態では、上記のように、永久磁石３０（３１）の側端面に、永久磁石３０（３１）の周方向の幅が内周側から外周側に向かうにしたがって徐々に小さくなるように傾斜部３０ａを設け、係合部２４７を、永久磁石３０（３１）の傾斜部３０ａと当接することにより係合するように構成する。このように構成すれば、永久磁石３０（３１）を係合部２４７から外れにくくすることができるので、孔部２４６ａ（２４６ｂ）に対して永久磁石３０（３１）をより強固に固定することができる。

また、本実施形態では、上記のように、磁石被覆部２４３の外周側の表面を、軸方向から見て、永久磁石３０（３１）の中央部に対応する部分の近傍を頂部とする凸形状を有するように形成する。このように構成すれば、磁石被覆部２４３（ロータコア２４の外周部）とステータコアの内周部との間のギャップにおける磁束密度の分布を正弦波状にすることができるので、発電機１の磁気特性を高めることができる。

また、本実施形態では、上記のように、ロータコア２４を、軸方向に重なるように配置したロータコア２４ａとロータコア２４ｂとにより構成し、ロータコア２４ａの永久磁石３０とロータコア２４ｂの永久磁石３１とを、外周側において互いに異なる極性を有するように着磁する。また、ロータコア２４ａとロータコア２４ｂとを、ロータコア２４ａの第１磁極部２４１ａとロータコア２４ｂの第２磁極部２４２ｂとが対応するとともに、ロータコア２４ａの第２磁極部２４２ａとロータコア２４ｂの第１磁極部２４１ｂとが対応するように回転方向に所定の角度（電気角で１８０°）ずれた状態で軸方向に重なるように配置する。このように構成すれば、ロータコア２４ａとロータコア２４ｂとからなるロータコア２４には、軸方向から見て、外周側において互いに異なる極性を有するように着磁された永久磁石３０および３１が１つずつ交互に周状に配置されることになるので、ロータコア２４とステータコア１１との間のギャップにおいて、軸方向から見てバランスよく磁束を発生させることができる。

また、本実施形態では、上記のように、磁石被覆部２４３を、軸方向に重なるように積層した複数の電磁鋼板により構成する。このように構成すれば、電機子反作用により発生する磁束は、磁石被覆部２４３を構成する各電磁鋼板の延びる方向（軸方向に交差する方向）に沿って流れることになるので、磁石被覆部２４３の電機子反作用による磁束が流れる部分の断面積を小さくすることができる。これにより、磁石被覆部２４３において生じる渦電流損を小さくすることができる。

なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。

たとえば、上記実施形態では、本発明を風力発電システムの発電機に適用した例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明は、風力発電システム以外の発電システムに用いられる発電機およびモータなどの回転電機全般に適用可能である。

また、上記実施形態では、連結部の半径方向の厚みが磁石被覆部の半径方向の厚みよりも小さい例を示したが、本発明はこれに限らない。本発明では、連結部の半径方向の厚みと磁石被覆部の半径方向の厚みが同じ大きさであってもよい。

また、上記実施形態では、永久磁石の断面形状を略台形形状としたが、本発明はこれに限らない。本発明では、たとえば、永久磁石の断面形状を長方形形状としてもよい。

また、上記実施形態では、孔部に係合部を設け、その係合部に永久磁石を係合させることにより、孔部に永久磁石を取り付ける例を示したが、本発明はこれに限らない。本発明では、孔部に係合部を設けずに、接着剤を用いて孔部に永久磁石を取り付けてもよい。

また、上記実施形態では、ロータコアを、回転方向に所定の角度ずらした状態で軸方向に重ねた２つのロータコアにより構成する例を示したが、本発明はこれに限らない。本発明では、ロータコアを１つのロータコアにより構成してもよいし、３つ以上のロータコアにより構成してもよい。なお、ロータコアを偶数個のロータコアにより構成すれば、ロータコアとステータコアとの間のギャップにおいて、軸方向から見てバランスよく磁束を発生させることができる。

また、上記実施形態では、ロータヨークとロータコアとをナットおよびボルトにより締結する例を示したが、本発明はこれに限らない。本発明では、ロータヨークとロータコアとを焼き嵌めにより固定してもよい。

また、上記実施形態では、最後に、ロータコアの第１キー挿入溝およびロータヨークの第２キー挿入溝からなるキー挿入穴に対して、キー部材を軸方向に挿入するとしたが、本発明はこれに限らない。本発明では、まず、ロータヨークの第２キー挿入溝にキー部材を挿入してもよい。この場合、キー部材を第１キー挿入溝に挿入しながら、複数のコア部を、ロータヨークの外周面上に周状に配置する。このとき、コア部の内周部の溝部と、ロータヨークの内周面および外周面を貫通するボルト挿入穴との位置を合わせるように構成する。その後、ロータヨークとロータコアとをナットおよびボルトにより締結する。

また、上記実施形態では、ロータハブが発電機の回転軸に取り付けられている例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、図１１に示す変形例による風力発電システム１０１のように、ロータハブ３と発電機１との間にギアボックス６を設けてもよい。

１ 発電機（回転電機）
４ ブレード
２４ ロータコア
２４ａ、２４ｂ ロータコア（第１ロータコア、第２ロータコア）
２５ コア部
３０、３１ 永久磁石
３０ａ 傾斜部
１００、１０１ 風力発電システム
２４１ａ、２４１ｂ 第１磁極部
２４２ａ、２４２ｂ 第２磁極部
２４３ 磁石被覆部
２４４ 空隙
２４４ａ 角部
２４５ 連結部
２４６ａ、２４６ｂ 孔部
２４７ 係合部

上記目的を達成するために、この発明の第１の局面における回転電機は、永久磁石を有する複数の第１磁極部と、永久磁石を有さない複数の第２磁極部とが１つずつ交互に周状に配置されることにより構成されるロータコアを備え、第１磁極部は、永久磁石の外周側を覆う磁石被覆部と、永久磁石の側端面を露出する空隙と、空隙に対応するように周方向に延びて設けられ、磁石被覆部と第１磁極部に隣接する第２磁極部とをロータコアの外周に沿って連結する連結部とを含み、空隙の連結部に対応する部分の第２磁極部側の角部は、円弧状の断面形状を有するように形成され、連結部の半径方向の厚みは、磁石被覆部の半径方向の厚みよりも小さく、磁石被覆部の外周側の表面は、軸方向から見て、永久磁石の中央部に対応する部分の近傍を頂部とする凸形状を有するとともに、当該頂部が連結部の外周よりも径方向外側に設けられるように形成され、第２磁極部の外周側の表面は、軸方向から見て、第２磁極部の中央部に対応する部分の近傍を頂部とする凸形状を有するとともに、当該頂部が連結部の外周よりも径方向外側に設けられるように形成され、ロータコアは、複数のコア部を含むように周方向に分割可能に構成されるとともに、第２磁極部において分割可能に構成される。

この発明の第２の局面における風力発電システムは、永久磁石を有する複数の第１磁極部と、永久磁石を有さない複数の第２磁極部とが１つずつ交互に周状に配置されることにより構成されるロータコアを含む発電機と、発電機のロータコアに接続されるブレードとを備え、第１磁極部は、永久磁石の外周側を覆う磁石被覆部と、永久磁石の側端面を露出する空隙と、空隙に対応するように周方向に延びて設けられ、磁石被覆部と第１磁極部に隣接する第２磁極部とをロータコアの外周に沿って連結する連結部とを有し、空隙の連結部に対応する部分の第２磁極部側の角部は、円弧状の断面形状を有するように形成され、連結部の半径方向の厚みは、磁石被覆部の半径方向の厚みよりも小さく、磁石被覆部の外周側の表面は、軸方向から見て、永久磁石の中央部に対応する部分の近傍を頂部とする凸形状を有するとともに、当該頂部が連結部の外周よりも径方向外側に設けられるように形成され、第２磁極部の外周側の表面は、軸方向から見て、第２磁極部の中央部に対応する部分の近傍を頂部とする凸形状を有するとともに、当該頂部が連結部の外周よりも径方向外側に設けられるように形成され、ロータコアは、複数のコア部を含むように周方向に分割可能に構成されるとともに、第２磁極部において分割可能に構成される。

Claims (9)

1. 永久磁石を有する複数の第１磁極部と、前記永久磁石を有さない複数の第２磁極部とが１つずつ交互に周状に配置されることにより構成されるロータコアを備え、
   前記第１磁極部は、前記永久磁石の外周側を覆う磁石被覆部と、前記永久磁石の側端面を露出する空隙と、前記空隙に対応するように設けられ、前記磁石被覆部と前記第１磁極部に隣接する前記第２磁極部とを前記ロータコアの外周に沿って連結する連結部とを含む、回転電機。
2. 前記連結部の半径方向の厚みは、前記磁石被覆部の半径方向の厚みよりも小さい、請求項１に記載の回転電機。
3. 前記空隙の前記連結部に対応する部分の前記第２磁極部側の角部は、円弧状の断面形状を有するように形成されている、請求項１または２に記載の回転電機。
4. 前記第１磁極部は、前記空隙に連続するように形成され、前記永久磁石を取り付けるための孔部をさらに含み、
   前記孔部には、前記永久磁石と係合する係合部が設けられている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の回転電機。
5. 前記永久磁石の側端面には、前記永久磁石の周方向の幅が内周側から外周側に向かうにしたがって徐々に小さくなるように傾斜部が設けられており、
   前記係合部は、前記永久磁石の前記傾斜部と当接することにより係合するように構成されている、請求項４に記載の回転電機。
6. 前記磁石被覆部の外周側の表面は、軸方向から見て、前記永久磁石の中央部に対応する部分の近傍を頂部とする凸形状を有するように形成されている、請求項１〜５のいずれか１項に記載の回転電機。
7. 前記ロータコアは、軸方向に重なるように配置された第１ロータコアと第２ロータコアとを含み、
   前記第１ロータコアの前記永久磁石と前記第２ロータコアの前記永久磁石とは、外周側において互いに異なる極性を有するように着磁されており、
   前記第１ロータコアと前記第２ロータコアとは、前記第１ロータコアの前記第１磁極部と前記第２ロータコアの前記第２磁極部とが対応するとともに、前記第１ロータコアの前記第２磁極部と前記第２ロータコアの前記第１磁極部とが対応するように回転方向に所定の角度ずれた状態で軸方向に重なるように配置されている、請求項１〜６のいずれか１項に記載の回転電機。
8. 前記磁石被覆部は、軸方向に重なるように積層された複数の電磁鋼板からなる、請求項１〜７のいずれか１項に記載の回転電機。
9. 永久磁石を有する複数の第１磁極部と、前記永久磁石を有さない複数の第２磁極部とが１つずつ交互に周状に配置されることにより構成されるロータコアを含む発電機と、
   前記発電機の前記ロータコアに接続されるブレードとを備え、
   前記第１磁極部は、前記永久磁石の外周側を覆う磁石被覆部と、前記永久磁石の側端面を露出する空隙と、前記空隙に対応するように設けられ、前記磁石被覆部と前記第１磁極部に隣接する前記第２磁極部とを前記ロータコアの外周に沿って連結する連結部とを有する、風力発電システム。

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