JP2013099007A - 発電機 - Google Patents

Abstract

【課題】少ない回転数で効率的に発電する多極発電機を、高効率にかつ、材料の無駄を無くし、さらに巻線のターン数を増やしても大型化させずに提供する。
【解決手段】発電機１のロータ１０は、回転軸２中心に等角度間隔に複数の永久磁石の磁極を、回転軸２方向に向けて配置されている。ステータポール５０は、帯状の電磁鋼板を巻いた鉄心に巻線が施されており、回転軸２中心に対して等角度間隔に、ロータ１０の磁極に向けて非磁性の保持板２１，３１に固定されている。ヨーク２２、３２は、ステータポール５０の他端が当接して、ステータポール５０相互を磁気的に結合している。
【選択図】図１

Description

本発明は、風車等の低速回転の出力軸に連結して発電を行う発電機に関する。

商用電力の周波数は５０Hz（または６０Ｈｚ）であり、たとえば、火力・水力発電における２極ロータによるタービン発電では、３０００回転／分の高速回転が必要である（６０Ｈｚの場合、３６００回転／分）。ところが、風力を利用した風車では、高速回転は望めず、ギアで回転数を増速させるか、多極のロータの発電機を用いる。２０極のロータならば３００回転／分の低速回転でも商用電力の周波数の電力を得ることができ、ギアレスの発電が可能になる。

例えば、特許文献１には、多極発電機が開示されている。この発電機は、永久磁石を磁極とするロータと、放射線形状のステータとを有し、ロータを回転させることにより、固定子の放射状のティース（teeth）に巻き回された電機子巻線に交流電圧を発生させている。
特許文献１のような半径方向に磁気ギャップを持つラジアルギャップ型の発電機の他に、軸方向に磁気ギャップを持つアキシャルギャップ型の発電機として、特許文献２に示すような発電機が知られている。

この発電機は、薄い箔状のアモルファス帯を巻き取って鉄心（ティース）を作り、磁石が回転軸に対して平行に複数個固定されており、これに対向するよう鉄心を円周上に配置し、磁石と反対側に位置する鉄心の端部がヨーク（継鉄）に固定されている。鉄心と鉄心の間は、樹脂の射出成形により埋められている。

特開２０００−６００９２号公報 特開２０１１−９１９３３号公報

低い回転でも所定の周波数を得ようとすると極数を増やさなけばならないが、発電機の径を大きくしないと多数の極数を収容するのが難しい。一方、所定の磁束に対して電圧を増やすには巻線のターン数を増やせばよいが、固定子の長さを長くしなければならない。アキシャルギャップ型の発電機において、ティースは磁石の反対側でヨークに固定されている。ティースが長くなると、磁石の回転により力を受ける箇所から離れるため、梃子の原理によりこの力は増大し、これを支えるためにヨークはそもそもの軸方向の強度に加えさらに強い構造体にしなければならない。強度に関しては、ティースの間を樹脂モールドで埋めてしまうことにより解決できるが、逆に発生する熱が逃げにくくなる。

本出願人は、ラジアルギャップの発電機を、構造体をさほど強化せずに多極化を図る手法として、特願２０１１−１８８３７６号を提案している。発電機においては、ティースの巻線数を増やすために、ティースを長くすると発電機の直径が大きくなる上、ステータポール外周部においては、間隔が広く開いて容積が増えてしまう。

そこで、本発明は、少ない回転数で効率的に発電する多極発電機を、高効率に巻線のターン数を増やしても大型化させずに提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明の発電機は、回転軸中心に複数の永久磁石の磁極をＮ極Ｓ極交互に、当該回転軸方向に向けて配置されたロータと、軟磁性体鉄心に巻線を施した多数のステータポールと、前記回転軸中心に対して、前記ステータポールの磁気回路の一端を前記ロータの磁極に向けて前記ステータポールを固定して、磁極との間に磁気ギャップを形成した非磁性の保持板と、前記複数のステータポールの他端が当接して、前記複数のステータポール相互を磁気に結合するヨークと、ベアリング軸受けを介して前記回転軸を内装し、前記保持板とヨークとを外装して連結する中空管とを有することを特徴とする。

本発明によれば、ステータポールとヨークが別体で作製され、ステータポールの固定は保持板と中空管が受け持つので、発電機としての構造上の強度を磁気ギャップに近い位置に持たせることができる。従って、磁気の移動により発生するモーメントに対し、この力に対する支点と作用点が近いため構造が簡易になる。又、ステータポールの両端が支持されるため、ステータポールの長さを長くすることも可能となる。

図１は本実施例の発電機1を示している。発電機1は、アキシャルギャップ型の発電機であり、回転軸２には永久磁石を磁極としたロータ１０が固定され、ロータ１０を挟んで設けられた固定子２０、３０の間で回転する。回転軸２は、ベアリング４３を介して回転可能に中空管４１内に内装されている。回転軸２は中空であり、風車等の軸を直接挿入することができる。

各固定子２０、３０は、回転軸２を中心に等角度間隔で配置された複数のステータポール５０と、ステータポール５０のロータ１０側でステータポール５０の一端５０ａを支持する非磁性の保持板２１、３１と、ステータポール５０の他端５０ｂにおいてステータポール５０を支持するヨーク２２、３２とからなる。ヨーク２２、３２は、各ステータポール５０の磁束を他のステータポール５０へ短絡する。ヨーク２２、３２のステータポール５０側には、後述する位置決め枠が設けられている。中空管４１を支える支持体６０、中空管４２（図３参照）を支える支持体７０、及び固定子２０、３０は基台８０上に固定されており、各固定子２０、３０はさらに、連結継手９０により連結されている。

以下、発電機１を組み立てていく過程を示して、構造を詳細に説明する。
図２は、ステータポール５０の組立工程を示す図である。ステータコア５１の回りに帯状の薄い軟磁性体５２を多数回巻きつけてゆく。電磁鋼板は薄いほど鉄損が少なく、軟磁性体５２として用いる電磁鋼板の厚さは薄い方が良い。尚、軟磁性体５２の表面には、絶縁皮膜が施されている。薄い軟磁性体５２を巻いてステータポール５０を作製するので、打ち抜きの際に残る材料の無駄が省くことができる。

また、電磁鋼板には、無方向性電磁鋼板と方向性電磁鋼板があり、一般に方向性電磁鋼板は周波数特性及び鉄損に優れるので高効率、高性能の機器などの用途向き、無方向性電磁鋼板は回転機などの用途向きとして用いられる。本実施例においては、無方向性電磁鋼板よりも鉄損が少なく、透磁率の高い方向性電磁鋼板を、軟磁性体５２として用いている。方向性電磁鋼板の磁化容易方向ａは、軟磁性体５２の長さ方向（ステータコア５１に巻きつけていく方向）に垂直とする。ステータポール５０が形成する磁気回路の方向と一致させる為である。

ステータコア５１は、軟磁性体５２の幅よりも若干長く、軟磁性体５２を巻きつけたときに両側に端部５１ａが覗くようにする。一方、端部５１ａが収まる孔５３ａを有したフランジ５３を、軟磁性体５２をまきつけたステータコア５１の両側から装着する。フランジ５３としては、軟磁性鋼板を用いる。このようにして形成した鉄心のフランジ５３間に、巻線５４を巻きつける。このようにして、ステータポール５０を作製する。フランジ５３が、ステータポール５０により形成される磁気回路の一端５０ａ、他端５０ｂとなる。

図３は、固定子２０、３０の組立てを示す図であり、図３Ａは固定子２０、図３Ｂは固定子３０を示している。固定子２０、３０は、構成が殆ど同じであるが、固定子２０は中空管４１が支持体６０まで延長されるために、やや固定子３０側の中空管４２よりも長いことが相違するのみである。保持板２１、３１は非磁性体のステンレス鋼板であり、中空管４１、４２が挿入固着される中央孔２１ａ、３１ａと、そのまわりに等角度間隔にステータポール５０のフランジ５３が挿入固着される孔２１ｂ、３１ｂが設けられている。孔２１ｂ、３１ｂに挿入された一端５０ａ側のフランジ５３は、保持板２１、３１に溶接により固定されるとともに、磁極１１ａ（図５）との間で磁気ギャップを形成する。一方、ヨーク２２、３２には、ステータポール５０側に位置決め枠２３、３３が設けられている。この位置決め枠２３,３３にもヨーク２２、３２に連通する中央孔２３ａ、３３ａを有し、中空管４１、４２が挿入される。中央孔２３ａ、３３ａのまわりには、等角度間隔にステータポール５０の他端５０ｂ側のフランジ５３が挿入される孔２３ｂ、３３ｂが設けられている。尚、作図の都合上、位置決め枠２３の中央孔２３ａ及び孔２３ｂについては図面上現れていないが、位置決め枠３３のものと同じものである。位置決め枠２３、３３は、非磁性でも磁性でも良くまた、金属でなくても良い。このように、永久磁石１１との吸着力、反発力、回転力は、その作用点の直近（保持板２１、３１）の位置で支える。位置決め枠２３、３３は、ステータポール５０の他端５０ｂ側のフランジ５３を挿入し、ヨーク２２、３２と当接させて磁気結合させる。ステータポール５０の他端５０ｂと位置決め枠２３、３３との接続構造は、アキシャル方向（回転軸２の方向）の荷重を受け止めれば、自重および振動に耐えれるものであれば良い。

ヨーク２２、３２は、円盤状の無方向性電磁鋼板（軟磁性材）を電気絶縁して複数積層したものである。無方向性電磁鋼板を用いるのは、ステータポール５０と磁気的に結合してステータポール５０からの磁束を導入する為である。ヨーク２２、３２は、帯状の無方向性電磁鋼板を多数回巻き取って円筒状に作製したものでも良い。
図４は、ロータ１０の構成を示している。ロータ１０は、２枚の非磁性材（アルミニウム）の円盤１２、１３を合わせたものであり（図４Ａ）、永久磁石１１として、円柱状のネオジム磁石１４を用い、磁束密度を上げるために、その両側の磁極に継鉄１５（軟磁性体）を磁気結合させる。継鉄１５は、一方端面が他方端面よりも面積の大きく、一方端面から他方端面に向かって断面積を順次減少する円錐台を含んでいる。面積の大きい継鉄１５の一方端面が永久磁石に磁気的に結合している（図４Ｃ）。円盤１２、１３には、永久磁石１１を収容する孔１１ｂが設けられており、継鉄１５は小さい面積の他方端面を孔１１ｂから円盤１２、１３の表面に露出する。露出した継鉄１５の径は、ネオジム磁石１４側の径よりも小さいため、これによりネオジム磁石１４の磁極面の面積を縮小して磁束密度を増加する。

図５は、固定子２０が取り付けられた発電機１に対し、ロータ１０を回転軸２に固定し、かつ固定子３０を連結継手９０により固定子２０と連結する状態を示している。ロータ１０は円盤であり、等角度間隔にＮ極とＳ極が交互に円盤面上に現れるように複数の永久磁石１１の継鉄１５による磁極１１ａが形成されている。本実施例においては、ステータポール１８個に対して、磁極数は２４個である。

図６は、発電機１の断面図である。ステータポール５０の一端５０ａ同士が向かい合い、その間にロータ１０の永久磁石１１が配置されて、その表裏の磁極１１ａとステータポール５０の一端５０ａとの間で夫々磁気ギャップが形成されている。回転軸２は、中空管４１、４２の中に配置されたベアリング４３、４５を介して内装されており、中空管４１、４２は、ヨーク２２、３２と保持板２１、３１の中央孔に挿入されそれぞれ両者を連結している。回転軸２は、回転力をロータ１０へ伝えられる。保持板２１の直近に配置されたベアリング４５は、回転によるロータ１０に発生する振動を抑止する。回転軸２は中空であり、この中に風車の回転軸を挿入する。

図７は、固定子２０を流れる磁極１１ａによる磁束を示している。同図において、ロータ１０を挟んで、永久磁石１１が、回転軸２の方向に対して平行に配置され、ロータ１０の表裏面に双方の磁極１１ａが配置される。かつ、ロータ１０の表面側に配置されるステータポール５０（固定子２０側）は、裏側に配置されるステータポール５０（固定子３０側）と一直線上に配置されている。本実施例においては、１つのステータポール５０の磁束を他のステータポール５０へ結合させる通路としてヨーク２２、３２を用いている。すなわち、磁極１１ａとステータポール５０は相対的に回転状態にあるとは言え、磁極１１ａから発せられステータポール５０を経てヨーク２２に至った磁束の総和は各ヨークにおいてほぼゼロとなり、その結果、ヨーク２２から漏れ出す磁束は殆ど無い状態となる。裏返せば、磁極１１ａから発した磁束は、アキシャルギャップや一部の電気絶縁のためのギャップを除き、その全行程をステータポール５０、ヨーク２２による軟磁性体を通過する磁気回路を流れることになる。

固定子３０側でも裏側の磁極１１ａとの間で同様な磁気回路が形成されている。このため、永久磁石１１の表裏双方の磁極を用いた発電ができる。もし、発電機１の長さを短くしなければならないのならば、固定子３０側を削除して、その代わりにロータ１０の裏側の磁極１１ａを短絡する軟磁性体を設ければ良い。このように本実施例においては、磁束を発生した磁極にその磁束を返すための帰還ループを構成する軟磁性体を有していないため、発電機１の直径が小さくなる。また、電圧を増やすためにコイルの巻き数を増やすには、単にステータポール５０の長さを長くすればよいだけであり、ステータポール５０を長くし分だけ、発電機の長さが伸びるだけである。また、ステータポール５０（固定子２０側）と、裏側に配置されるステータポール５０（固定子３０側）とは、一直線上であるため、同相の電圧が発生し、これらの巻線を直列に結線することにより、１つのステータとして大きな電圧が得られる。

発電機１は、回転数の低い風力発電に用いる場合、回転数が低いのでこれにより発生する、交番磁界の周期も長い。従って、フランジ及び保持板２１、３１で発生する渦電流は大きくならず、この箇所での鉄損は少ない。さらに、材質がステンレス等の非磁性材料は、電気抵抗値が銅の約１００倍程度と大きいため、渦電流の影響は少ない。保持板２１、３１については、強化樹脂等の非磁性材料の板を利用することも可能である。
一方、磁気回路の大部分の長さを占めるステータポール５０やヨーク２２、３２においては、電磁鋼板は絶縁された状態で重なっているので、鉄損は少ない。

また、ロータ１０が回転するとステータポール５０は、周方向への振動する力を受けるが、これを保持板２１、３１が当該振動の発生する地点で支えることになる。

ヨーク２２、３２は、ステータポール５０の他端５０ｂ側のフランジ５３の外面と接触している。ヨーク２２、３２及びステータポール５０は、構造材ではないので、位置決め枠２３、３３はステータポール５０に対してヨーク２２、３２をずれないように押さえておく機構があればよい。

発電機１の動作において、磁極１１ａから発せられた磁束は、磁気ギャップを介して、フランジ５３に至る。一端５０ａ側のフランジ５３に至った磁力線は、軟磁性体の磁化容易方向に沿って他端５０ｂ側のフランジ５３へ到達し、ここからヨーク２２或いは３２へ移る。そして、再び、他のステータポール５０に至ってから他の磁極１１ａへ戻るのである。

上記実施例においては、製造上の都合からステータコア５１を用いたが、これを用いなくとも良い。例えば、軟磁性体をステータコア５１なしで巻き取ってステータポールを作製してもよい。また、特許文献２のように、予め作っておいた巻線にステータポールを挿入して、フランジ５３を付けても良い。

また、非磁性の保持板２１、３１には貫通した孔２１ｂ、３１ｂは無くても良い。この場合、磁気ギャップの間隔が広がるが、保持板２１,３１の強度は強化される。また、保持板２１,３１に対して溶接での固定を行ったが、フランジを保持板へボルトにより固定しても良い。

本実施例では、ステータポール５０を１８極のものを示したが、より多くの極数としてもよい。一方、永久磁石１１の極数は、コギングを少なくするように、正対をできるだけ少なくするようにする。また、中空管４２は、回転軸２を内挿されないのならば、中空でなくても良い。

固定子２０、３０のステータポール５０は一線上に配置されており、同期した電圧が流れるので、これを直列に結線すれば２倍の電圧を得ることができる。

本実施例による発電機１は、磁極１１ａを配したロータ１０に対して、固定子２０、３０が円周方向に放射状に配することは無く、回転軸方向に平行に配されるため、横断面が少なく、風車などの回転軸に対して直結乃至夫々の軸平行に配置した場合に、風圧を受けることが少ない。

発電機１の斜視図である。 ステータポールの組立を示す図である。 固定子の組立を示す図である。 ロータの組立てを示す図である。 固定子とロータの組立を示す図である。 発電機の断面分解図である。 磁束の流れを説明する図である。

１ 発電機
２ 回転軸
１０ ロータ
１１ 永久磁石
２０、３０ 固定子
２１、３１ 保持板
２２、３２ ヨーク
４１、４２ 中空管
５０ ステータポール

Claims (7)

1. 回転軸中心に複数の永久磁石の磁極をＮ極Ｓ極交互に、当該回転軸方向に向けて配置されたロータと、
   軟磁性体鉄心に巻線を施した多数のステータポールと、
   前記回転軸中心に対して、前記ステータポールの磁気回路の一端を前記ロータの磁極に向けて前記ステータポールを固定して、磁極との間に磁気ギャップを形成した非磁性の保持板と、
   前記複数のステータポールの他端が当接して、前記複数のステータポール相互を磁気に結合するヨークと、
   ベアリング軸受けを介して前記回転軸を内装し、前記保持板とヨークとを外装して連結する中空管とを有することを特徴とした発電機。
   
2. 前記多数のステータポールは、帯状の電磁鋼板を巻いた鉄心に巻線を施したステータポールであることを特徴とする請求項１の発電機。
   
3. 前記ステータポールの帯状の電磁鋼板は、方向性磁性鋼板であって、磁化容易軸をステータポールの磁気回路の方向と一致させたことを特徴とした請求項１の発電機。
   
4. 前記ロータの各永久磁石の双方の磁極を前記ロータの表裏に配置させ、
   前記ステータポールを固定した前記非磁性の保持板は、前記ロータの表裏面側に対して、夫々設けられ、
   前記ヨークは、前記ロータの表裏面側に夫々設けられた前記非磁性の保持板の前記複数のステータポールの他端に対して夫々配置され、夫々が前記複数のステータポールに当接して前記複数のステータポール相互を磁気に結合することを特徴とした請求項１の発電機。
   
5. 前記ロータの表面側のステータポールと前記ロータの裏面側のステータポールは、一直線上に配置され、当該一直線上に配置されたステータポールの巻線を直列に結線したことを特徴とする請求項４の発電機。
   
6. 前記回転軸は中空であることを特徴とする請求項1の発電機。
   
7. 一方端面の面積を順次縮小して他方端面とした軟磁性体の継鉄であって、前記一方端面を前記永久磁石と磁気結合し、前記他方端面を前記ロータに配置した前記磁極とすることを特徴とした請求項1の発電機。