JP2012249386A - 回転電機および風力発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】ロータコアの材料の歩留まりを向上させ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、シャフト２１と、シャフト２１を取り囲むように配置されたロータコア２４と、ロータコア２４の外周部に対向するように配置されたステータコア１１とを備え、ロータコア２４は、永久磁石３０（３１）を有する複数の第１磁極部２４１ａ（２４１ｂ）と、永久磁石３０（３１）を有さない複数の第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ているとともに、複数のコア部２４０を含むように周方向に分割可能に構成されている。
【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、永久磁石を有する複数の磁極（第１磁極部）と、永久磁石を有さない複数の非励磁の磁極（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）を備えるハイブリッド励磁式回転電機が開示されている。このハイブリッド励磁式回転電機では、回転子は、回転子軸（回転軸部）を取り囲む円筒形状に形成されている。

特開平８−２５１８９１号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示されたハイブリッド励磁式回転電機では、円環状に打ち抜いた鋼板を軸方向に積層することにより、円筒形状の回転子を構成していると考えられる。このように円環状に打ち抜いた鋼板により回転子を構成する場合では、打ち抜かれた円環状の鋼板の内周側の部分の材料が無駄になるので、回転子（ロータコア）の材料の歩留まりが低下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、ロータコアの材料の歩留まりを向上させ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、回転軸部と、回転軸部を取り囲むように配置されたロータコアと、ロータコアの外周部に対向するように配置されたステータコアとを備え、ロータコアは、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ているとともに、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ている。

この発明の第１の局面による回転電機によれば、ロータコアの材料の歩留まりを向上させることができる。

この発明の第２の局面における風力発電システムは、回転軸部と、回転軸部を取り囲むように配置されたロータコアと、ロータコアの外周部に対向するように配置されたステータコアとを含む発電機と、発電機の回転軸部に接続されるブレードとを備え、ロータコアは、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ているとともに、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ている。

本発明の第１〜第４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。 本発明の第１実施形態による発電機のステータおよびロータを軸方向の一方側（図１の矢印Ａ方向側）から見た図である。 図２の拡大図である。 図３を軸方向の他方側（図１の矢印Ｂ方向側）から見た拡大図である。 図３および図４の２００−２００線に沿った断面図である。 図３および図４の３００−３００線に沿った断面図である。 本発明の第１実施形態による発電機のロータコアの内部における磁力線を示した図である。 本発明の第１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。 本発明の第１〜第４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を示す斜視図である。 本発明の第１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。 本発明の第１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。 本発明の第２実施形態による発電機のロータを軸方向の一方側から見た拡大図である。 図１２を軸方向の他方側から見た拡大図である。 本発明の第３実施形態による発電機のロータを軸方向の一方側から見た拡大図である。 図１４を軸方向の他方側から見た拡大図である。 図１４および図１５の４００−４００線に沿った断面図である。 図１４および図１５の５００−５００線に沿った断面図である。 本発明の第４実施形態による発電機のロータを軸方向の一方側から見た拡大図である。 図１８を軸方向の他方側から見た拡大図である。 本発明の第３実施形態の変形例によるロータを軸方向の一方側から見た拡大図である。 図２０を軸方向の他方側から見た拡大図である。 本発明の第１、第２および第４実施形態の変形例によるロータの軸方向に沿った断面図である。 本発明の第３実施形態の変形例によるロータの軸方向に沿った断面図である。 本発明の第１〜第４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。

（第１実施形態）
まず、図１を参照して、本発明の第１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９を参照して、本発明の第１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。また、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。なお、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。また、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。

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。なお、シャフト２１は、本発明の「回転軸部」の一例である。

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。

図２に示すように、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。第１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（軸方向の一方側（図１の矢印Ａ方向側）のロータコア２４）と、ロータコア２４ｂ（軸方向の他方側（図１の矢印Ｂ方向側）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。このように永久磁石３０（３１）が埋め込まれたロータコア２４ａ（２４ｂ）の構造は、一般に、ＩＰＭ（Ｉｎｔｅｒｉｏｒ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ）構造と呼ばれている。

ここで、第１実施形態では、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、第１実施形態では、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（外周側がＮ極となるように）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（外周側がＳ極となるように）着磁されている。このように半径方向の着磁方向が同一となるように複数の永久磁石３０（３１）が周状に配置されたロータコア２４ａ（２４ｂ）の構造は、一般に、コンシクエントポール構造と呼ばれている。

また、第１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（３１）の外周側を覆う磁石被覆部２４３と、永久磁石３０（３１）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（３１）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側でかつ第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２４１ａ（２４１ｂ）に隣接する２つの第２磁極部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、第１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、第１実施形態では、図３、図４および図８に示すように、第１磁極部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（２４６ｂ）が設けられている。この孔部２４６ａ（２４６ｂ）には、永久磁石３０（３１）の後述する傾斜部３０ａ（３１ａ）のうちのロータコア２４ａ（２４ｂ）の内周側の部分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。

また、第１実施形態では、永久磁石３０（３１）は、軸方向から見て略台形形状の断面を有するように形成されている。すなわち、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。

また、第１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、図３に示すように、永久磁石３０は、ロータコア２４ａの孔部２４６ａに接着剤などを介して取り付けられた状態で、外周側がＮ極となるように着磁されている。また、図４に示すように、永久磁石３１は、ロータコア２４ｂの孔部２４６ｂに接着剤などを介して取り付けられた状態で、外周側がＳ極となるように着磁されている。

また、第１実施形態では、図３〜図６に示すように、ロータコア２４ａとロータコア２４ｂとは、回転方向に所定の角度（電気角で１８０度）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、ロータコア２４ａとロータコア２４ｂとは、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の半分の長さ（Ｌ／２）となっている。

また、第１実施形態では、図２〜図４に示すように、ロータコア２４ａ（２４ｂ）は、複数のコア部２４０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２４０の境界部分は、ロータコア２４ａ（２４ｂ）の第２磁極部２４２ａ（２４２ｂ）に対応する部分に配置されている。具体的には、複数のコア部２４０の境界部分は、第２磁極部２４２ａ（２４２ｂ）の磁気的な境界部分（第２磁極部２４２ａ（２４２ｂ）の周方向の中心部）に配置されている。すなわち、複数のコア部２４０の境界部分は、ロータコア２４（２４ａ）の内部において永久磁石３０により発生される静磁界の線対称軸（図７の直線ｌ１参照）に重なるように配置されている。

また、第１実施形態では、図３および図４に示すように、複数のコア部２４０の境界部分は、４つの第２磁極部２４２ａ（２４２ｂ）毎に配置されている。すなわち、複数のコア部２４０は、４つの第２磁極部２４２ａ（２４２ｂ）の各々の間に配置されている３つの第１磁極部２４１ａ（２４１ｂ）を含むように構成されている。なお、図２〜図４および図８に示すように、複数のコア部２４０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（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、図２〜図７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２４０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２４０ａに挿入されるように構成されている。また、ナット４１は、ナット挿入穴２４０ａに挿入された状態で軸方向に延びるように構成されている。具体的には、図９に示すように、ナット４１は、長さＬ／２を有する直方体形状に形成されている。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（第１実施形態では、２つ）設けられている。また、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（図５および図６参照）に挿入されるように構成されている。また、ボルト４２は、ロータコア２４ａ（２４ｂ）を構成するコア部２４０の後述する溝部２４０ｂ（図３〜図８参照）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２４０ａは、図３、図４、図７および図８に示すように、ロータコア２４ａ（２４ｂ）を構成するコア部２４０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２４０ａ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２４０ｂは、複数のナット挿入穴２４０ａ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２４０ｂの各々は、ナット挿入穴２４０ａと、ロータコア２４ａ（２４ｂ）を構成するコア部２４０の内周面とを接続する溝状に形成されている。なお、図８に示すように、溝部２４０ｂの溝幅Ｗ１は、ナット挿入穴２４０ａの穴幅Ｗ２よりも小さくなるように構成されている。また、図３および図４に示すように、複数のナット挿入穴２４０ａおよび溝部２４０ｂ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２４０ａおよび溝部２４０ｂは、軸方向に沿って延びるように設けられている。

ボルト挿入穴２３ａは、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２４０ａ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（第１実施形態では、２つ）設けられている。

なお、図３、図４および図６〜図８に示すように、ロータコア２４ａ（２４ｂ）を構成するコア部２４０の内周面には、軸方向に延びる第１キー挿入溝２４０ｃ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２４０ｃ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２４０ｃおよび第２キー挿入溝２３ｂからなるキー挿入穴５０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５０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５０は、ロータコア２４ａ（２４ｂ）を構成するコア部２４０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１１を参照して、本発明の第１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、図５および図６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、図２〜図４および図７に示すように、ロータヨーク２３の外周面上に、複数のコア部２４０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２４０（図８参照）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度）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２４０の溝部２４０ｂと、ロータヨーク２３のボルト挿入穴２３ａとの位置を合わせる。また、ロータコア２４ａ（２４ｂ）のコア部２４０の第１キー挿入溝２４０ｃと、ロータヨーク２３の第２キー挿入溝２３ｂとの位置を合わせる。

次に、図１０に示すように、ロータヨーク２３と、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）のコア部２４０のナット挿入穴２４０ａに対して、直方体形状のナット４１（図９参照）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およびロータコア２４ａ（２４ｂ）のコア部２４０の溝部２４０ｂ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１１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）のコア部２４０の第１キー挿入溝２４０ｃ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５０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、本発明の第１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。

第１実施形態では、上記のように、ロータコア２４（ロータコア２４ａおよび２４ｂ）を、複数のコア部２４０を含むように周方向に分割可能に構成する。これにより、円環状に打ち抜いた鋼板によりロータコア２４を構成する場合に比べて、ロータコア２４を製造する際に無駄になる材料をより少なくすることができるので、ロータコア２４の材料の歩留まりを向上させることができる。また、一般に、風力発電システム１００の発電機１に使用されるロータコア２４は、サイズが大きいため、材料の無駄が発生しやすい。この場合に、第１実施形態では、ロータコア２４の材料の歩留まりを向上させることができるので、風力発電システム１００に適したロータコア２４を提供することができる。

また、第１実施形態では、上記のように、複数のコア部２４０の境界部分を、ロータコア２４ａ（２４ｂ）の第２磁極部２４２ａ（２４２ｂ）に対応する部分に配置する。これにより、永久磁石３０（３１）が取り付けられていない第２磁極部２４２ａ（２４２ｂ）においてロータコア２４ａ（２４ｂ）が分割されるので、ロータコア２４ａ（２４ｂ）の磁気特性が低下するのを抑制することができる。その結果、発電機１の発電効率が低下するのを抑制することができる。また、永久磁石３０（３１）を取り付けるための孔部２４６ａ（２４６ｂ）が設けられた第１磁極部２４１ａ（２４１ｂ）においてロータコア２４ａ（２４ｂ）が分割される場合と異なり、ロータコア２４ａ（２４ｂ）の機械的強度が低下するのをより抑制することができる。また、ロータコア２４ａ（２４ｂ）の組み立て精度をより向上させることができる。

また、第１実施形態では、上記のように、複数のコア部２４０の境界部分を、ロータコア２４ａ（２４ｂ）の第２磁極部２４２ａ（２４２ｂ）の磁気的な境界部分（図７の直線ｌ１参照）に配置する。これにより、第２磁極部２４２ａ（２４２ｂ）のうちの磁気的な影響の最も小さい部分においてロータコア２４ａ（２４ｂ）が分割されるので、ロータコア２４ａ（２４ｂ）の磁気特性が低下するのをより抑制することができる。その結果、発電機１の発電効率が低下するのをより抑制することができる。

また、第１実施形態では、上記のように、複数のコア部２４０の境界部分を、４つの第２磁極部２４２ａ（２４２ｂ）毎に配置する。これにより、ロータコア２４ａ（２４ｂ）を全ての第２磁極部２４２ａ（２４２ｂ）において分割する場合に比べて、ロータコア２４ａ（２４ｂ）の分割数をより少なくすることができるので、ロータコア２４ａ（２４ｂ）を分割数が多くなることに起因してロータコア２４ａ（２４ｂ）の磁気特性が低下するのを抑制することができる。

また、第１実施形態では、上記のように、第１磁極部２４１ａ（２４１ｂ）の外周部近傍に、永久磁石３０（３１）と係合する係合部２４７を設ける。これにより、永久磁石３０（３１）を係合部２４７と係合させることにより、容易に、永久磁石３０（３１）を第１磁極部２４１ａ（２４１ｂ）の外周部近傍に取り付けることができる。

また、第１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。これにより、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、永久磁石３０（３１）を第１磁極部２４１ａ（２４１ｂ）の外周部近傍に強固に固定することができる。

また、第１実施形態では、上記のように、第１磁極部２４１ａ（２４１ｂ）の外周部近傍に、永久磁石３０（３１）の外周側の表面を覆う磁石被覆部２４３を設ける。これにより、磁石被覆部２４３により、ロータコア２４が回転される際の遠心力によって永久磁石３０（３１）が外周側に外れるのを抑制することができる。

また、第１実施形態では、上記のように、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とによりロータコア２４を構成し、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度）ずれた状態で軸方向に重なるようにロータコア２４ａとロータコア２４ｂとを配置する。これにより、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から磁束をバランスよく発生させることができる。

（第２実施形態）
次に、図１２および図１３を参照して、本発明の第２実施形態による発電機１ａのロータ２０ａの構成について説明する。この第２実施形態では、永久磁石３０（３１）が軸方向から見て略台形形状の断面を有するように形成される上記第１実施形態と異なり、永久磁石３２（３３）が軸方向から見て略長方形形状の断面を有するように形成される例について説明する。なお、発電機１ａは、本発明の「回転電機」の一例である。

図１２および図１３に示すように、第２実施形態によるロータ２０ａのロータコア２５は、ロータコア２５ａとロータコア２５ｂとが回転方向に所定の角度（電気角で１８０度）ずれた状態で軸方向に重なって配置されることにより構成されている。なお、ロータコア２５ａおよび２５ｂ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。

ロータコア２５ａ（２５ｂ）は、複数のコア部２５０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２５０には、それぞれ、ナット４１を挿入するためのナット挿入穴２５０ａと、ボルト４２を挿入するための溝部２５０ｂと、キー部材４３を挿入するためのキー挿入穴５１を構成する第１キー挿入溝２５０ｃとが形成されている。

また、ロータコア２５ａ（２５ｂ）は、永久磁石３２（３３）を有する複数の第１磁極部２５１ａ（２５１ｂ）と、永久磁石３２（３３）を有さない複数の第２磁極部２５２ａ（２５２ｂ）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、図１２に示すように、第１磁極部２５１ａの後述する孔部２５６ａには、外周側がＮ極となるように着磁された永久磁石３２が接着剤などを介して埋め込まれている。また、図１３に示すように、第１磁極部２５１ｂの後述する孔部２５６ｂには、外周側がＳ極となるように着磁された永久磁石３３が接着剤などを介して埋め込まれている。すなわち、ロータコア２５ａおよび２５ｂは、共に、ＩＰＭ構造で、かつ、コンシクエントポール構造を有するように構成されている。

図１２および図１３に示すように、第１磁極部２５１ａ（２５１ｂ）は、永久磁石３２（３３）の外周側を覆う磁石被覆部２５３と、永久磁石３２（３３）の両側端面を露出する２つの空隙２５４と、２つの空隙２５４のそれぞれに対応するように設けられる２つの連結部２５５とを含むように構成されている。また、第１磁極部２５１ａ（２５１ｂ）には、空隙２５４に連続するように、永久磁石３２（３３）を取り付けるための孔部２５６ａ（２５６ｂ）が設けられている。

ここで、第２実施形態では、永久磁石３２（３３）は、軸方向から見て長方形形状の断面を有するように形成されている。すなわち、永久磁石３２（３３）の両側端面は、互いに略平行になるように構成された平行部３２ａ（３３ａ）が設けられている。

また、第２実施形態では、ロータコア２５ａ（２５ｂ）の第１磁極部２５１ａ（２５１ｂ）の孔部２５６ａ（２５６ｂ）には、永久磁石３２（３３）の平行部３２ａ（３３ａ）のうちのロータコア２５ａ（２５ｂ）の内周側の部分と当接することにより係合する一対の係合部２５７が設けられている。これら一対の係合部２５７の間の周方向の幅は、ロータコア２５ａ（２５ｂ）の内周側と外周側とで略等しくなるように構成されている。

なお、第２実施形態のその他の構成は、上記第１実施形態と同様である。

第２実施形態では、上記のように、永久磁石３２（３３）の両側端面が互いに略平行になるように略長方形形状の断面を有するように永久磁石３２（３３）を形成する。これにより、永久磁石３２（３３）を略長方形形状以外の形状（たとえば、扇形形状）に形成する場合と異なり、永久磁石３２（３３）を容易に製造することができる。

なお、第２実施形態のその他の効果は、上記第１実施形態と同様である。

（第３実施形態）
次に、図１４〜図１７を参照して、本発明の第３実施形態による発電機１ｂのロータ２０ｂの構成について説明する。この第３実施形態では、永久磁石３０（３１）の外周側の表面が磁石被覆部２４３により覆われる上記第１実施形態と異なり、永久磁石３０（３１）の外周側の表面が露出される例について説明する。なお、発電機１ｂは、本発明の「回転電機」の一例である。

図１４〜図１７に示すように、第３実施形態によるロータ２０ｂのロータコア２６は、ロータコア２６ａとロータコア２６ｂとが回転方向に所定の角度（電気角で１８０度）ずれた状態で軸方向に重なって配置されることにより構成されている。なお、ロータコア２６ａおよび２６ｂ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１４および図１５に示すように、ロータコア２６ａ（２６ｂ）は、複数のコア部２６０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２６０には、それぞれ、ナット４１を挿入するためのナット挿入穴２６０ａと、ボルト４２を挿入するための溝部２６０ｂと、キー部材４３を挿入するためのキー挿入穴５２を構成する第１キー挿入溝２６０ｃとが形成されている。

また、図１４に示すように、ロータコア２６ａは、外周側がＮ極となるように着磁された永久磁石３０を有する複数の第１磁極部２６１ａと、永久磁石３０を有さない複数の第２磁極部２６２ａ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。また、図１５に示すように、ロータコア２６ｂは、外周側がＳ極となるように着磁された永久磁石３１を有する複数の第１磁極部２６１ｂと、永久磁石３１を有さない複数の第２磁極部２６２ｂ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。すなわち、ロータコア２６ａおよび２６ｂは、共に、コンシクエントポール構造を有している。

ここで、第３実施形態では、図１４〜図１７に示すように、永久磁石３０（３１）は、永久磁石３０（３１）の外周側の表面が露出されるように、接着剤などを介して第１磁極部２６１ａ（２６１ｂ）に取り付けられている。このように永久磁石３０（３１）の外周側の表面が露出されるように取り付けられたロータコア２６ａ（２６ｂ）の構造は、一般に、ＳＰＭ（Ｓｕｒｆａｃｅ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ）構造と呼ばれている。したがって、この第３実施形態によるロータコア２６ａおよび２６ｂは、共に、ＳＰＭ構造で、かつ、コンシクエントポール構造を有している。

また、第３実施形態では、図１４および図１５に示すように、第１磁極部２６１ａ（２６１ｂ）には、永久磁石３０（３１）を取り付けるための磁石取付部２６３ａ（２６３ｂ）が設けられている。この磁石取付部２６３ａ（２６３ｂ）は、ロータコア２６ａ（２６ｂ）の内周側に向かって凹む凹形状に形成されている。また、磁石取付部２６３ａ（２６３ｂ）には、永久磁石３０（３１）の傾斜部３０ａ（３１ａ）のうちのロータコア２６ａ（２６ｂ）の内周側の部分と当接することにより係合する一対の係合部２６４が設けられている。

なお、第３実施形態では、第２磁極部２６２ａ（２６２ｂ）は、ロータコア２６ａ（２６ｂ）の外周側に向かって突出する凸形状に形成されている。図１４に示すように、ロータコア２６ｂの第２磁極部２６２ｂは、軸方向の一方側から見て、ロータコア２６ａの第１磁極部２６１ａの永久磁石３０に対して外側にはみ出るように形成されている。同様に、図１５に示すように、ロータコア２６ａの第２磁極部２６２ａは、軸方向の他方側から見て、ロータコア２６ｂの第１磁極部２６１ｂの永久磁石３１に対して外側にはみ出るように形成されている。

ＳＰＭ構造を有する第３実施形態のロータコア２６では、ＩＰＭ構造を有する上記第１実施形態のロータコア２４と異なり、永久磁石３０（３１）を取り付けるための孔部（上記第１実施形態の孔部２４６ａ（２４６ｂ）（図３および図４参照））をロータコア２６ａ（２６ｂ）に設ける必要がない。すなわち、ロータコア２６ａ（２６ｂ）を製造する際に、永久磁石３０（３１）の外周側の表面を覆う部分（上記第１実施形態の磁石被覆部２４３（図３および図４参照））を設ける必要がない分、ロータコア２６ａ（２６ｂ）を容易に製造することが可能である。

なお、第３実施形態のその他の構成は、上記第１実施形態と同様である。

また、第３実施形態のその他の効果は、上記第１実施形態と同様である。

（第４実施形態）
次に、図１８および図１９を参照して、本発明の第４実施形態による発電機１ｃのロータ２０ｃの構成について説明する。この第４実施形態では、複数のコア部２４０の境界部分がロータコア２４ａ（２４ｂ）の第２磁極部２４２ａ（２４２ｂ）に対応する部分に配置される上記第１実施形態と異なり、複数のコア部２７０の境界部分がロータコア２７ａ（２７ｂ）の第１磁極部２７１ａ（２７１ｂ）に対応する部分に配置される例について説明する。なお、発電機１ｃは、本発明の「回転電機」の一例である。

図１８および図１９に示すように、第４実施形態によるロータ２０ｃのロータコア２７は、ロータコア２７ａとロータコア２７ｂとが回転方向に所定の角度（電気角で１８０度）ずれた状態で軸方向に重なって配置されることにより構成されている。なお、ロータコア２７ａおよび２７ｂ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。

ロータコア２７ａ（２７ｂ）は、永久磁石３０（３１）を有する複数の第１磁極部２７１ａ（２７１ｂ）と、永久磁石３０（３１）を有さない複数の第２磁極部２７２ａ（２７２ｂ）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、図１８に示すように、第１磁極部２７１ａの後述する孔部２７６ａには、外周側がＮ極となるように着磁された永久磁石３０が接着剤などを介して埋め込まれている。また、図１９に示すように、第１磁極部２７１ｂの後述する孔部２７６ｂには、外周側がＳ極となるように着磁された永久磁石３１が接着剤などを介して埋め込まれている。すなわち、ロータコア２７ａおよび２７ｂは、共に、ＩＰＭ構造で、かつ、コンシクエントポール構造を有するように構成されている。

図１８および図１９に示すように、ロータコア２７ａ（２７ｂ）の第１磁極部２７１ａ（２７１ｂ）は、永久磁石３０（３１）の外周側を覆う磁石被覆部２７３と、永久磁石３０（３１）の両側端面を露出する２つの空隙２７４と、２つの空隙２７４のそれぞれに対応するように設けられる２つの連結部２７５とを含むように構成されている。また、第１磁極部２７１ａ（２７１ｂ）には、空隙２７４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２７６ａ（２７６ｂ）が設けられている。この孔部２７６ａ（２７６ｂ）には、永久磁石３０（３１）の傾斜部３０ａ（３１ａ）のうちのロータコア２７ａ（２７ｂ）の内周側の部分と当接することにより係合する一対の係合部２７７が設けられている。

ここで、第４実施形態では、ロータコア２７ａ（２７ｂ）は、複数のコア部２７０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２７０には、ナット４１を挿入するためのナット挿入穴２７０ａと、ボルト４２を挿入するための溝部２７０ｂと、キー部材４３を挿入するためのキー挿入穴５３を構成する第１キー挿入溝２７０ｃとが形成されている。

また、第４実施形態では、複数のコア部２７０の境界部分は、ロータコア２７ａ（２７ｂ）の第１磁極部２７１ａ（２７１ｂ）に対応する部分に配置されている。具体的には、複数のコア部２７０の境界部分は、第１磁極部２７１ａ（２７１ｂ）の周方向の中心部に配置されている。また、複数のコア部２７０の境界部分は、３つの第１磁極部２７１ａ（２７１ｂ）毎に配置されている。すなわち、複数のコア部２７０は、３つの第１磁極部２７１ａ（２７１ｂ）の各々の間に配置されている２つの第２磁極部２７２ａ（２７２ｂ）を含むように構成されている。

なお、第４実施形態のその他の構成は、上記第１実施形態と同様である。

第４実施形態では、上記のように、複数のコア部２７０の境界部分を、３つの第１磁極部２７１ａ（２７１ｂ）毎に配置する。これにより、ロータコア２７ａ（２７ｂ）を全ての第１磁極部２７１ａ（２７１ｂ）において分割する場合に比べて、ロータコア２７ａ（２７ｂ）の分割数をより少なくすることができる。その結果、ロータコア２７ａ（２７ｂ）を分割することに起因してロータコア２７ａ（２７ｂ）の磁気特性が低下するのを抑制することができる。

また、第４実施形態では、上記のように、複数のコア部２７０の境界部分を、ロータコア２７ａ（２７ｂ）の第１磁極部２７１ａ（２７１ｂ）の周方向の中心部（つまり、第１磁極部２７１ａ（２７１ｂ）の磁気的な境界部分（図７の直線ｌ２参照））に配置する。これにより、第１磁極部２７１ａ（２７１ｂ）のうちの磁気的な影響の最も小さい部分においてロータコア２７ａ（２７ｂ）を分割することができる。

なお、第４実施形態のその他の効果は、上記第１実施形態と同様である。

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、上記第１〜第４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、上記第１〜第４実施形態では、複数のコア部の境界部分がロータコアの磁気的な境界部分に配置されている（たとえば、第１実施形態では、第２磁極部における静磁界の線対称軸（図７の直線ｌ１参照）に配置されており、第４実施形態では、第１磁極部における静磁界の線対称軸（図７の直線ｌ２参照）に配置されている）例を示したが、本発明はこれに限らない。本発明では、複数のコア部の境界部分がロータコアの磁気的な境界部分の近傍に配置されていてもよい。このように構成すれば、ロータコアのうちの磁気的な影響の最も小さい部分の近傍においてロータコアが分割されるので、ロータコアの磁気特性が低下するのを効果的に抑制することができる。なお、複数のコア部の境界部分は、ロータコアの磁気的な境界部分およびその近傍以外に配置されていてもよい。

また、上記第１実施形態では、複数のコア部の境界部分が４つの第２磁極部毎に（４つの第２磁極部の各々の間に配置された３つの第１磁極部を含むように）配置されている例を示したが、本発明はこれに限らない。本発明では、３つ以下の第２磁極部毎に配置されていてもよいし、５つ以上の第２磁極部毎に配置されていてもよい。

同様に、上記第４実施形態では、複数のコア部の境界部分が３つの第１磁極部毎に（３つの第１磁極部の各々の間に配置された２つの第２磁極部を含むように）配置されている例を示したが、本発明では、複数のコア部の境界部分が２つ以下の第１磁極部毎に配置されていてもよいし、４つ以上の第１磁極部毎に配置されていてもよい。

また、上記第３実施形態では、ＳＰＭ構造を有するロータコアに略台形形状の断面を有する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、図２０および図２１に示す変形例によるロータ２０ｄのように、ＳＰＭ構造を有するロータコア２８に略長方形形状の断面を有する永久磁石３２（３３）を取り付けてもよい。

この第３実施形態の変形例では、図２０および図２１に示すように、ロータ２０ｄのロータコア２８は、コンシクエントポール構造で、かつ、ＳＰＭ構造を有するロータコア２８ａとロータコア２８ｂとが回転方向に所定の角度（電気角で１８０度）ずれた状態で軸方向に重なって配置されることにより構成されている。なお、ロータコア２８ａおよび２８ｂ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。

また、この第３実施形態の変形例では、ロータコア２８ａ（２８ｂ）は、複数のコア部２８０を含むように周方向に分割可能に構成されている。また、ロータコア２８ａ（２８ｂ）は、複数の第１磁極部２８１ａ（２８１ｂ）と複数の第２磁極部２８２ａ（２８２ｂ）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。このロータコア２８ａ（２８ｂ）の第１磁極部２８１ａ（２８１ｂ）には、略長方形形状の断面を有する永久磁石３２（３３）を取り付けるための凹状の磁石取付部２８３ａ（２８３ｂ）が設けられている。なお、磁石取付部２８３ａ（２８３ｂ）には、一対の係合部２８４が設けられている。これら一対の係合部２８４は、永久磁石３２（３３）の側端面の平行部３２ａ（３３ａ）のうちのロータコア２８ａ（２８ｂ）の内周側の部分と係合するように構成されている。

この第３実施形態の変形例のように構成すれば、永久磁石３２（３３）を略長方形形状以外の形状（たとえば、扇形形状）に形成する場合と異なり、永久磁石３２（３３）を容易に製造することが可能なＳＰＭ構造を有するロータコア２８ａ（２８ｂ）を提供することができる。

また、上記第１〜第４実施形態では、コンシクエントポール構造を有する２つのロータコア（第１ロータコアおよび第２ロータコア）によりロータを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、図２２および図２３に示す変形例のように、コンシクエントポール構造を有する１つのロータコアによりロータを構成してもよい。

たとえば、図２２に示す第１、第２および第４実施形態の変形例では、永久磁石３４が埋め込まれたＩＰＭ構造の１つのロータコア２９ａによりロータ２０ｅが構成されている。また、図２３に示す第３実施形態の変形例では、外周側の表面が露出するように取り付けられた永久磁石３５を有するＳＰＭ構造の１つのロータコア２９ｂによりロータ２０ｆが構成されている。

また、上記第１〜第４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２４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、１ａ、１ｂ、１ｃ 発電機（回転電機）
４ ブレード
２１ シャフト（回転軸部）
２４、２５、２６、２７、２８ ロータコア
２４ａ、２４ｂ、２５ａ、２５ｂ、２６ａ、２６ｂ、２７ａ、２７ｂ、２８ａ、２８ｂ ロータコア（第１ロータコア、第２ロータコア）
３０、３１、３２、３３、３４、３５ 永久磁石
３０ａ、３１ａ 傾斜部
１００、１０１ 風力発電システム
２４０、２５０、２６０、２７０、２８０ コア部
２４３、２５３、２７３ 磁石被覆部
２４７、２５７、２６４、２７７、２８４ 係合部
２４１ａ、２４１ｂ、２５１ａ、２５１ｂ、２６１ａ、２６１ｂ、２７１ａ、２７１ｂ、２８１ａ、２８１ｂ 第１磁極部
２４２ａ、２４２ｂ、２５２ａ、２５２ｂ、２６２ａ、２６２ｂ、２７２ａ、２７２ｂ、２８２ａ、２８２ｂ 第２磁極部

Claims (11)

1. 回転軸部と、
   前記回転軸部を取り囲むように配置されたロータコアと、
   前記ロータコアの外周部に対向するように配置されたステータコアとを備え、
   前記ロータコアは、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ているとともに、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ている、回転電機。
2. 前記複数のコア部の境界部分は、前記ロータコアの前記第２磁極部に対応する部分に配置されている、請求項１に記載の回転電機。
3. 前記複数のコア部の境界部分は、複数の前記第１磁極部毎または複数の前記第２磁極部毎に配置されている、請求項１または２に記載の回転電機。
4. 前記複数のコア部の境界部分は、３つ以上の前記第１磁極部毎または３つ以上の前記第２磁極部毎に配置されている、請求項３に記載の回転電機。
5. 前記複数のコア部の境界部分は、前記ロータコアの磁気的な境界部分の近傍に配置されている、請求項１〜４のいずれか１項に記載の回転電機。
6. 前記第１磁極部の外周部近傍には、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１〜５のいずれか１項に記載の回転電機。
7. 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６に記載の回転電機。
8. 前記永久磁石は、前記永久磁石の両側端面が互いに略平行になるように略長方形形状の断面を有するように形成されている、請求項１〜６のいずれか１項に記載の回転電機。
9. 前記第１磁極部の外周部近傍には、前記永久磁石の外周側の表面を覆う磁石被覆部が設けられている、請求項１〜８のいずれか１項に記載の回転電機。
10. 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１〜９のいずれか１項に記載の回転電機。
11. 回転軸部と、
    前記回転軸部を取り囲むように配置されたロータコアと、
    前記ロータコアの外周部に対向するように配置されたステータコアとを含む発電機と、
    前記発電機の前記回転軸部に接続されるブレードとを備え、
    前記ロータコアは、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ているとともに、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ている、風力発電システム。

Images