JP2013519044A

JP2013519044A - 垂直軸盤式発電機用磁気浮上支持構造とそれを用いた垂直軸盤式発電機

Info

Publication number: JP2013519044A
Application number: JP2012551482A
Authority: JP
Inventors: ダローンジアーン; ジアーンホゥイワン
Original assignee: ナショナルウィンドエナジーカンパニーリミテッド
Priority date: 2010-02-08
Filing date: 2011-02-09
Publication date: 2013-05-23

Abstract

【課題】垂直軸盤式発電機用磁気浮上支持構造、および、垂直軸盤式発電機用磁気浮上支持構造を利用する垂直軸盤式発電機を提供することを課題とする。
【解決手段】
磁気浮上支持構造は２つ以上の磁気浮上支持部品（５、６）を備え、そのうち第１磁気浮上支持部品５は環状の第１上下永久磁石体組立部品で構成され、第１上永久磁石体組立部品を回転子の上端カバー３の下に取付け、第１下永久磁石体組立部品を固定子２の上に取付け、上下永久磁石体組立部品は磁化方向が対立して反発し合う推力を生じ、第２磁気浮上支持部品６は第２上下永久磁石体組立部品で構成され、第２上永久磁石体組立部品を回転子の下端カバー４の上に取付け、第２下永久磁石体組立部品を固定子２の下に取付け、第２上下永久磁石体組立部品は磁化方向が対立して反発し合う推力を生じることを特徴とする垂直軸盤式発電機用磁気浮上支持構造。
【選択図】図１

Description

本発明は、発電機技術分野に関し、垂直軸盤式発電機用の磁気浮上支持構造、および、当該磁気浮上支持構造を備えた垂直軸盤式発電機に関する発明である。

盤式発電機は広く利用されている発電機であり、例えば、電動自転車のモーター、歯車なし巻上機のモーター、風力発電機等に用いられる。実際の利用では、盤式発電機の回転軸が通常、垂直で設けられ、垂直軸（縦型）盤式発電機と呼ばれる。

盤式発電機の回転子部の重量は、推力軸受（スラスト軸受）によって重力に抗して支えられる必要がある。発電機回転子の重量が大きい時に、推力軸受で支えるのは摩擦力と摩擦ブレーキトルクを大きくし、軸受の耐用年数を下げる場合がある。一方、盤式発電機を平坦化した結果、固定子の厚さが薄くなり、この時、円盤が大きくなる場合は、外側が重力を受けて下へ曲がり、さらに、固定子と回転子の間に比較的大きな機械空隙が形成されて、発電機の効率を降下させる。このことは、盤式発電機の大型化の支障となっている。この問題を解決するために、磁力反発で支えて機械摩擦力を取り除くようにしたものがある。例えば、中国実用新案特許ＺＬ２００８２０１２６５０７．１号においては、垂直軸風力タービン用磁気浮上装置が開示されている。当該特許では、発電機回転子の主軸が台座に設けられて、主軸底部には上磁体を設け、台座には、主軸底部に囲まれた空腔内に下磁体を設け、下磁体が上磁体の下部に、かつ上磁体と同一極性として向かい合って設けられる。磁気浮上装置が発電機主軸の底部に設けられるので、上磁体及び上磁体の上部に設けられる発電機主軸が同極性の磁石の反発による上方への磁力を受けて、軸受にかかる圧力を一部相殺させることができる。そして、それによって回転の抵抗モーメントを小さくし、発電効率を向上させ、風輪の起動に必要な風速を降下させるとともに、軸受の耐用年数を延長することもできる。

なお、中国実用新案特許ＺＬ２００８２００２４５４６．０には、磁気浮上の羽根ピッチを自動調節できる垂直軸風力発電機が開示されている。当該垂直軸風力発電機は、磁気浮上風力発電機を含み、磁気浮上風力発電機の発電機軸と羽根の羽根軸とを一体化し、発電機軸が発電機体に通じて、それに発電機軸に発電機回転子を、発電機体に固定子を取付け、また、発電機軸と発電機体に軸方向磁気浮上装置と径方向磁気浮上装置を取付けて磁気浮上に係る位置決めを行う。軸方向磁気浮上装置は、発電機体内部の頂端にある固定盤を有し、固定盤と発電機軸が連接固定され、かつ固定盤に環状の軸方向上磁石と、これに対応して固定盤に環状の軸方向下磁石を設ける。径方向磁気浮上装置は発電機軸に設けられる径方向内磁石を少なくとも１つ設け、発電機体にそれに対応する径方向外磁石を設ける。

本発明は、垂直軸盤式発電機用磁気浮上支持構造を提供することを課題とする。

また、本発明は、上記磁気浮上支持構造を利用する垂直軸盤式発電機を提供することをもう１つの課題とする。

上記発明の目的を実現するために、本発明は以下の技術提案を提出する。

本発明にかかる垂直軸盤式発電機用の磁気浮上支持構造は、２つまたは２つ以上の磁気浮上支持部品を備え、そのうち第１磁気浮上支持部品は環状の第１上永久磁石体組立部品と、第１下永久磁石体組立部品で構成され、第１上永久磁石体組立部品を回転子の上端カバーの下に取付け、第１下永久磁石体組立部品を固定子の上に取付け、第１上永久磁石体組立部品と第１下永久磁石体組立部品とは磁化方向が対立して反発し合う推力を生じさせて、第２磁気浮上支持部品は環状の第２上永久磁石体組立部品と第２下永久磁石体組立部品で構成され、第２上永久磁石体組立部品を回転子の下端カバーの上に取付け、第２下永久磁石体組立部品を固定子の下に取付け、第２上永久磁石体組立部品と第２下永久磁石体組立部品とは磁化方向が対立して反発し合う推力を生じさせることを特徴とする。

また、本発明にかかる垂直軸盤式発電機用の磁気浮上支持構造の一態様では、前記上、下永久磁石体組立部品の双方は、軛鉄と永久磁石体を含んで構成され、２つ以上の永久磁石体が環状軛鉄の上部または下部に設けられて径方向において極性が入り組むように配置され、永久磁石体の極性が径方向において入り組んで配列している永久磁石体多層リングになる、ことを特徴としても良い。

また、本発明にかかる垂直軸盤式発電機用の磁気浮上支持構造の一態様では、前記上、下永久磁石体組立部品はそれぞれ固定子、回転子側に設けられ、上、下永久磁石体が上下に正対して並べられて、磁化方向が対立して反発し合う推力を生じさせる、ことを特徴としても良い。

また、本発明にかかる垂直軸盤式発電機用の磁気浮上支持構造の一態様では、前記永久磁石体多層リングの各層永久磁石体リングは、２つ以上の同一極性の永久磁石体が周方向に沿って配列されて環状軛鉄に接続されることを特徴としてもよい。

磁気浮上支持構造を利用した垂直軸盤式発電機の断面を示す図である。磁気浮上支持部品の径方向の断面を示す図である。本発明のほかの実施方式においての、磁気浮上支持構造を使用した垂直軸盤式発電機の断面を示す図である。本発明のほかの実施方式においての、磁気浮上支持構造を使用した垂直軸盤式発電機の断面を示す図である。本発明のほかの実施方式においての、磁気浮上支持構造を使用した垂直軸盤式発電機の断面を示す図である。本発明のほかの実施方式においての、磁気浮上支持構造を使用した垂直軸盤式発電機の断面を示す図である。本発明のほかの実施方式においての、磁気浮上支持構造を使用した垂直軸盤式発電機の断面を示す図である。本発明のほかの実施方式においての、磁気浮上支持構造を使用した垂直軸盤式発電機の断面を示す図である。本発明のほかの実施方式においての、磁気浮上支持構造を使用した垂直軸盤式発電機の断面を示す図である。本発明の一つの実施例においての、磁気浮上支持構造を使用した垂直軸盤式発電機の断面を示す図である。本発明のもう一つの実施例においての、磁気浮上支持構造を使用した垂直軸盤式発電機の断面を示す図である。

次に、本発明について、図面を参照して実施形態を具体的に説明する。図においては、同一部品に同じの図符号をつけた。

本発明にかかる前記垂直軸盤式発電機は、鉄心のない盤式外回転子永磁発電機でもいい。図１に示すように、当該発電機は主に回転軸１、固定子２、回転子の上端カバー３、回転子の下端バー４、第１磁気浮上支持部品５、第２磁気浮上支持部品６、上軸受７、下軸受８、軛鉄９、永久磁石体１０で構成される。回転子の上端カバーの下に軛鉄９、永久磁石体１０を取付け、回転子の下端バーの上に軛鉄９、永久磁石体１０を取付ける。上、下端カバーの永久磁石体は軸方向励磁であり、極性が円周に入り組んで配列して、上、下端カバーの二つの互いに向かい合う永久磁石体は磁化方向が同じで、互いに引きつけ合う。固定子２（固定子２の内側）には、円周方向に沿って分布されるアーマチュア・コイルが設けられてあり、当該アーマチュア・コイルに巻きつけられた軸線は垂直な軸線でもある。磁気回路は上端カバーの軛鉄、上端カバーの永久磁石体、上端カバーと固定子との気隙、固定子、下端カバーと固定子との気隙、下端カバー永久磁石体、下端カバーの軛鉄を通して閉磁気回路になる。回転子が回転すると、アーマチュア・コイルに囲まれた磁場は交互変化を発生して、アーマチュア・コイルが起電力を発生し、この時に外部電気回路に接続されていることで電気エネルギーを外部に出力できる。

図１に示すように、鉄心のない盤式外回転子永磁発電機は垂直軸盤式発電機の実現形態の一つにすぎない。実際には、当該垂直軸盤式発電機は発電機として運転してもいいし、モーターとして運転してもいい。また、その固定子、回転子構造は鉄心または歯槽のある径方向磁気回路構造であってもよい。また、その励磁形式は永久磁石でもいいし、電気励磁でもいい。その固定子・回転子とも相対的な状態にあってもよいし、それらの構造は外部端カバーが固定子となり、内部コイルが回転子となってもよい。このような実現形態はまたいろいろがあるが、ここに例を一つ一つ挙げない。

既存技術では、磁気浮上構造はほとんどが小型、軽型垂直軸発電機に適用するしかないため、磁気浮上構造は一般的に、比較的小さい荷重が生じるところにシングルリングによる支持を採用するものとなっている。しかし、大型垂直軸発電機に必要な推力を実現させるために、発電機の構造特性とともに、多重環を利用して、２つ以上（２つを含む）の磁気浮上支持部品で磁気浮上推力を実現させることが考えられる。

本発明の前記磁気浮上支持構造は、少なくとも２つの磁気浮上支持部品を含む。磁気浮上支持部品のうちの中の１つとなる第１磁気浮上支持部品は、環状の上、下永久磁石体組立部品５で構成され、上永久磁石体組立部品を回転子の上端カバー３の内側の下に取付け、下永久磁石体組立部品を固定子２の内側の上に取付け、上、下永磁組立部品は磁化方向が対立して反発し合う推力が形成され、それによって上端カバー、下端カバーで構成される回転子を重力に打ち勝たせて下へ曲げないようにする（浮遊させる）。第２磁気浮上支持部品は、環状の上、下永久磁石体組立部品６で構成され、上永久磁石体組立部品を回転子の下端カバー４の外側の上に取付け、下永久磁石体組立部品を固定子２の外側の下に取付け、上、下永磁組立部品は磁化方向が対立して反発し合う推力が形成され、磁場による浮力の影響下で上端カバー、下端カバーで構成される回転子を重力に打ち勝たせて下へ曲げないようにする。回転子の回転部分に重力の浮遊状態が前記二つの磁気浮上支持部品で抑えられるため、上軸受７、下軸受８が径方向以外から受ける負荷を少なくして、回転の抵抗モーメントが小さくなる。

図２は図１の磁気浮上支持部品の径方向断面を示す図である。当該断面図は中心軸線を通した平面を断面にした図である。当該磁気浮上支持部品は上永久磁石体組立部品と下永久磁石体組立部品が環状で構成されて、上、下永久磁石体組立部品の間は気隙である。図２において矢印が記載された箇所は、磁気浮上永久磁石体１２であり、例えば、ネオジム、鉄、ホウ素を主成分とするネオジム永久磁石であり、希土類永磁材料で作られる。図２のハッチング部は磁気浮上軛鉄１１であり、同一永久磁石体組立部品が隣り合った永久磁石体の磁場が軛鉄を通して磁気抗力が小さい磁気回路になって、それによって磁場の磁気誘導度を増大して、続いて上、下永久磁石体組立部品の間の反発力をいっそう強める。図２では、異なる２つの極性の永久磁石体が交互に配列される実現形態を示した。実際は上、下永久磁石体組立部品は軛鉄と永久磁石体で構成され、径方向において、２つ以上の永久磁石体が、極性が交互となるように入り組んで配列して環状軛鉄の上部または下部に設けられて、環状の永久磁石体の極性が沿径方向に異なる極性で隣り合って入り組んで配列し、永久磁石体多層リングを形成する。上、下永久磁石体組立部品はそれぞれ固定子、回転子側に設けられ、上、下永久磁石体が垂直方向に向かい合って（上下にきちんと正対して並べられて）、磁化方向が対立して反発し合う推力を生じさせる。永久磁石体多層リングの永久磁石体リングの各層は、周方向において、２つ以上の永久磁石体で同一極性で配列して環状軛鉄に接続される。磁気浮上永久磁石体１２は接着剤で貼付けられてもいいし、或いはほかの機械方式で軛鉄に貼付けられてもいい。軛鉄は接着剤で貼付けられてもいいし、或いはほかの機械方式で上、下端カバー或いは固定子に貼付けられてもいい。

図３〜９は本発明の磁気浮上支持構造のほかの実施形態を示す図である。

図３では、それぞれ上、下永久磁石体組立部品４件で構成される磁気浮上支持部品を使用した。そのうち、第１磁気浮上支持部品の下永久磁石体組立部品は固定子の内側の上に設けられ、上永久磁石組立部品は上端カバーの内側の下に設けられる。そして、第２磁気浮上支持部品の下永久磁石体組立部品は固定子の内側の下に、上永久磁石体組立部品は下端カバーの内側の上に設けられる。第３磁気浮上支持部品の下永久磁石体組立部品は固定子の外側の下に、上永久磁石体組立部品は下端カバーの外側の上に設けられる。第４磁気浮上支持部品の下永久磁石体組立部品は、固定子の外側の上に、上永久磁石体組立部品は、上端カバーの外側の下に設けられる。第１磁気浮上支持部品と第２磁気浮上支持部品における上永久磁石体組立部品と下永久磁石体組立部品とは、磁化方向が対立して反発し合うように配置され、上端カバー、下端カバーで構成される回転子を重力に打ち勝たせて浮遊させる。第３磁気浮上支持部品と第４磁気浮上支持部品における上、下永久磁石体組立部品は、磁化方向が対立して反発し合うように配置されて、固定子の外側を、磁気浮力の影響下で重力に抗して下へ曲がらないようにする。

図４では図３の第３、第４磁気浮上支持部品を使用していない実施形態になっている。

図５では図３の第３磁気浮上支持部品を使用していない実施形態になっている。

図６では図３の第４磁気浮上支持部品を使用していない実施形態になっている。

図７の実施形態では、図３の４つの磁気浮上支持部品に加えて、回転子の下端カバーの軸に近いところに、さらに別の磁気浮上支持部品１つを回転子のカバーへの補助として、重力を支える用途で追加されたものとなっている。

図８では、図３の第１磁気浮上支持部品を使用していない実施形態になっている。

図９では、図３の第１、第４磁気浮上部品を使用していない実施形態になっている。

図１０では、本発明の磁気浮上支持部品の実施形態の一つを示した。図１０の垂直軸盤式発電機では、内部回転子、上固定子のカバーと下固定子のカバーを軸に固定させ、回転子の重力を抑えるために、回転子と下固定子カバーの間には磁気浮上支持部品を設置した。

図１１では、本発明の磁気浮上支持部品の実施形態のもう一つを示した。図１０のように図１１の垂直軸盤式発電機では、内部回転子、上固定子のカバーと下固定子のカバーを軸に固定させ、回転子の重力を抑えるために、回転子と下固定子カバーの間には磁気浮上支持部品を２つ設置した。

上記は垂直軸盤式発電機用磁気浮上支持構造に対する詳しい説明である。この分野の研究に従事する技術者は、本発明の精神に違背しない範囲で何らかの変更を加えたものであっても本発明の範囲内となることは明らかであり、本発明特許権に対する侵害とみなされる。

Claims

磁気浮上支持構造は２つまたは２つ以上の磁気浮上支持部品を備え、そのうち第１磁気浮上支持部品は環状の第１上永久磁石体組立部品と、第１下永久磁石体組立部品で構成され、第１上永久磁石体組立部品を回転子の上端カバーの下に取付け、第１下永久磁石体組立部品を固定子の上に取付け、第１上永久磁石体組立部品と第１下永久磁石体組立部品とは磁化方向が対立して反発し合う推力を生じ、
第２磁気浮上支持部品は環状の第２上永久磁石体組立部品と第２下永久磁石体組立部品で構成され、第２上永久磁石体組立部品を回転子の下端カバーの上に取付け、第２下永久磁石体組立部品を固定子の下に取付け、第２上永久磁石体組立部品と第２下永久磁石体組立部品とは磁化方向が対立して反発し合う推力を生じることを特徴とする垂直軸盤式発電機用磁気浮上支持構造。
請求項１記載の垂直軸盤式発電機用磁気浮上支持構造であって、
第１上永久磁石体組立部品を回転子の上端カバー内側の下に、第１下永久磁石体組立部品を固定子の内側の上に取付けることを特徴とする垂直軸盤式発電機用磁気浮上支持構造。
請求項１記載の垂直軸盤式発電機用磁気浮上支持構造であって、
第１上永久磁石体組立部品を回転子の上端カバーの外側の下に、第１下永久磁石体組立部品を固定子の外側の上に取付けることを特徴とする垂直軸盤式発電機用磁気浮上支持構造。
請求項１記載の垂直軸盤式発電機用磁気浮上支持構造であって、
第２上永久磁石体組立部品を回転子の下端カバーの内側の上に、第２下永久磁石体組立部品を固定子の内側の下に取付けることを特徴とする垂直軸盤式発電機用磁気浮上支持構造。
請求項１記載の垂直軸盤式発電機用磁気浮上支持構造であって、
第２上永久磁石体組立部品を回転子の下端カバーの外側の上に、第２下永久磁石体組立部品を固定子の外側の下に取付けることを特徴とする垂直軸盤式発電機用磁気浮上支持構造。
請求項１記載の垂直軸盤式発電機用磁気浮上支持構造であって、
前記磁気浮上支持構造は、磁気浮上支持部品をさらに備え、当該磁気浮上支持部品の上永久磁石体組立部品が下端カバーの内側の下に設けられ、下永久磁石体組立部品が軸に取付けられる支持体に取り付けられることを特徴とする垂直軸盤式発電機用磁気浮上支持構造。
請求項１記載の垂直軸盤式発電機用磁気浮上支持構造であって、
前記上、下永久磁石体組立部品は軛鉄と永久磁石体を含んで構成され、２つ以上の永久磁石体の極性が径方向において交互に配列して環状軛鉄の上部または下部に設けられて、永久磁石体の極性が交互となるように配置される永久磁石体多層リングを形成し、
前記上、下永久磁石体組立部品はそれぞれ、固定子、回転子側に設けられ、上、下永久磁石体が上下に向かい合って並べられて、磁化方向が対立して反発し合う推力を生じさせ、
前記永久磁石体多層リングの各層の永久磁石体リングは、２件以上の同一極性の永久磁石体が周方向において配列されて、環状軛鉄に接続されることを特徴とする垂直軸盤式発電機用磁気浮上支持構造。
請求項１〜７のいずれかに記載の垂直軸盤式発電機用磁気浮上支持構造を使用したことを特徴とする垂直軸盤式発電機。