JP2014053990A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】第２ロータから第１ロータへ付与される力を全体として低減させ、第１ロータの回転軸へ加わる負荷を軽減する。
【解決手段】回転電機１００は多数の永久磁石５ａ、５ｂからなる第１磁石列１０Ａが外周に傾斜して配置され第１回転軸１１回りを回転する第１ロータ１０と、第１ロータ１０の外周近傍に設けられ多数の永久磁石５ａ、５ｂからなる第２磁石列２０Ａがらせん状に設けられ、第１回転軸１１に直交する第２回転軸２１回りを回転する複数の第２のロータ２０とを備えている。第２ロータ２０は各々同一構造をもち、第２ロータ２０は等間隔をおいて配置されている。このことにより各第２ロータ２０から第１ロータ１０への半径方向合成力を全体として打消すことができる。
【選択図】図１２

Description

本発明の実施形態は、回転電機に関する。

発電機等の回転電機においては、発電機体格は発電機の回転数に反比例することが知られている。風力、潮力、波力などの自然エネルギーを動力源とした回転電機では、タービン翼などにより自然エネルギーを回転エネルギーに変換するが、回転速度は、低速であり、タービン翼によって得られた回転速度にて発電機を駆動する場合には発電機体格が大型となる傾向にある。発電機の体格を小型にするためタービン翼と発電機の間に機械式増速機を配置して、発電機の回転数を増速する方式が一般的であるが、磁気ウォームギヤを用いて発電機を増速する回転電機も提案されている。

特開平９−５６１４６号公報 英国特許第２４６３１０２号

磁気ウォームギヤを用いた回転電機は、２種類のロータ（大ロータ、小ロータ）が機械的に非接触であるため、エネルギーの伝達効率が高く、保守性の面でも機械的増速機に比べ利点がある。

磁気ウォームギアを用いた増速システムは、ウォームホイールに相当する大ロータとウォームに相当する小ロータにより構成されるシステムであり、大ロータの円周上に小ロータが配置される構造となる。また大ロータおよび小ロータの表面には、ウォーム角度に応じてらせん状に永久磁石および磁性体が配列されており、その増速比に応じて小ロータの回転速度を増速する。また小ロータに発電機を内包、若しくは直結させることによって、発電機を駆動し発電を行うことができる。

大ロータおよび小ロータの空隙間には磁気的な吸引力若しくは反発力が作用し、また両ロータの磁石間に位相差が発生した場合は、空隙部のせん断方向に対しても磁気力が働く。この空隙部のせん断力は磁石がらせん状に配列されることから、更に小ロータの軸方向および接線方向に分解される。

小ロータで発電機を駆動させるシステムにおいては、小ロータに作用する接線方向の分力のみが発電機の回転に用いられることとなり、軸方向と径方向の磁気分力は発電には寄与しない分力となる。また小ロータは大ロータ外周に円周状に配列されているため、これらの磁気分力を合成した力が大ロータに対して作用する。この場合、力のベクトルによっては、例えば大ロータ軸受に対して大きな荷重が負荷されることも考えられ、この場合は、構成要素を大型化しなければならない。そのため、磁気ウォームギアのみではなく、システム全体として捉えた場合の最適な小ロータ配置が必要となる。

本発明は、このような点を考慮してなされたものであり、大ロータとなる第１ロータと、小ロータとなる第２ロータとを有する回転電機において、第２ロータから第１ロータへ付与される力を全体として低減させ、第１ロータの回転軸へ加わる負荷を軽減することができる回転電機を提供することを目的とする。

本実施形態によれば、多数の永久磁石からなる第１磁石列が外周に傾斜して設けられ、第１回転軸回りを回転するウォームホイールを構成する第１ロータと、第１ロータの外周近傍に配置され、多数の永久磁石からなる第２磁石列が外周にらせん状に設けられ、第１回転軸に直交する第２回転軸回りを回転するウォームを構成するとともに各々が発電機を駆動する複数の第２ロータとを備え、第２ロータは各々同一構造をもち、かつ各第２ロータを第１ロータの外周近傍に等間隔で配置することにより各第２ロータから第１ロータへの第１ロータの半径方向合成力を全体として打消すことを特徴とする磁気ウォームギアを用いた回転電機である。

本実施形態によれば、多数の永久磁石からなる第１磁石列が外周に傾斜して設けられ、第１回転軸回りを回転するウォームホイールを構成する第１ロータと、第１ロータの外周近傍に配置され、多数の永久磁石からなる第２磁石列が外周にらせん状に設けられ、第１回転軸に直交する第２回転軸回りを回転するウォームを構成するとともに各々が発電機を駆動する複数の第２ロータとを備え、第２ロータは各々同一構造をもち、かつ各々が同一の数の第２ロータを有する複数の第２ロータグループを構成し、各第２ロータグループを第１ロータの外周近傍に等間隔で配置することにより各第２ロータから第１ロータへの第１ロータの半径方向合成力を全体として打消すことを特徴とする磁気ウォームギアを用いた回転電機である。

本実施形態によれば、多数の永久磁石からなる第１磁石列が外周に傾斜して設けられ、第１回転軸回りを回転するウォームホイールを構成する第１ロータと、第１ロータの外周近傍に配置され、多数の永久磁石からなる第２磁石列が外周にらせん状に設けられ、第１回転軸に直交する第２回転軸回りを回転するウォームを構成するとともに各々が発電機を駆動する複数の第２ロータとを備え、第２ロータは各々同一構造をもち、かつ第１ロータの第１回転軸上方に位置する第２ロータの数を第１回転軸下方に位置する第２ロータの数より大きくし、各第２ロータから第１ロータへの第１ロータの半径方向合成力を全体として上方へ向けることを特徴とする磁気ウォームギアを用いた回転電機である。

本実施形態によれば、多数の永久磁石からなる第１磁石列が外周に傾斜して設けられ、第１回転軸回りを回転するウォームホイールを構成するとともに多段に配置された偶数台の第１ロータと、各第１ロータの外周近傍に配置され、多数の永久磁石からなる第２磁石列が外周にらせん状に設けられ、第１回転軸に直交する第２回転軸回りを回転するウォームを構成するとともに各々が発電機を駆動する複数の第２ロータとを備え、偶数台の第１ロータのうち半数の第１ロータについて第１磁石列を一方向に傾斜させ、残りの半数の第１ロータについて第１磁石列を他方向に傾斜させ、各第２ロータから対応する各第１ロータへの第１ロータの第１回転軸方向合成力を合計した第１回転軸方向合計力を全体として打消すことを特徴とする磁気ウォームギアを用いた回転電機である。

本実施形態によれば、多数の永久磁石からなる第１磁石列が外周に傾斜して設けられ、外部から軸方向の力が付与される第１回転軸回りを回転するとともにウォームホイールを構成する第１ロータと、第１ロータの外周近傍に配置され、多数の永久磁石からなる第２磁石列が外周にらせん状に設けられ、第１回転軸に直交する第２回転軸回りを回転するウォームを構成するとともに各々が発電機を駆動する複数の第２ロータとを備え、第１ロータについて、第１磁石列は所定方向に傾斜し、外力から第１ロータへ付与される第１回転軸方向の力に対して、各第２ロータから第１ロータへの第１ロータの第１回転軸方向合成力を逆方向に向けることを特徴とする磁気ウォームギアを用いた回転電機である。

本実施形態によれば、多数の永久磁石からなる第１磁石列が外周に傾斜して設けられ、外部から軸方向の力が付与される第１回転軸回りを回転するとともにウォームホイールを構成する第１ロータと、各第１ロータの外周近傍に配置され、多数の永久磁石からなる第２磁石列が外周にらせん状に設けられ、第１回転軸に直交する第２回転軸回りを回転するウォームを構成するとともに各々が発電機を駆動する複数の第２ロータとを備え、各第１ロータについて、第１磁石列は同一方向に傾斜し、外力から各第１ロータへ付与される第１回転軸方向の力に対して、各第２ロータから対応する各第１ロータへの第１ロータの第１回転軸方向合成力を合計した第１回転軸方向合計力を逆方向に向けることを特徴とする磁気ウォームギアを用いた回転電機である。

回転電機が組込まれた風力発電システムの概略構成を示す斜視図。 図１の風力発電システムにおけるナセルの内部構成の一例を示す概念図。 図２中に示されるナセルの中に設置される回転電機の構造の一例を示す斜視図。 図３中の面Ａにて回転電機を切断した部分を小ロータの軸方向から見た場合の断面の概略形状を示す断面図。 小ロータに内蔵された発電機を示す図。 小ロータの外周面に永久磁石によりらせん状の磁極がＮ極、Ｓ極交互に配置されるよう形成された構成を説明するための概念図。 第１の実施形態による小ロータの鳥瞰図。 図７におけるＡ−Ａ断面図であって磁気吸引力を示す図。 図７におけるＢ−Ｂ断面図であって小ロータの半径方向に働く半径方向分力を示す図。 第１の実施形態による小ロータの磁気吸引分力を示す図。 図７におけるＢ−Ｂ断面図であって大ロータに作用する磁気吸引力を示す図。 第１の実施形態における小ロータの配置図。 第２の実施形態における小ロータの配置図。 第３の実施形態における小ロータの配置図。 第４の実施形態における風力発電システムの概略構成を示す図。 第４の実施形態における大ロータおよび小ロータの配置図。 第５の実施形態における大ロータおよび小ロータの配置図。

以下、図面を参照して、実施の形態について説明する。

（第１の実施形態）
最初に、図１乃至図１２を参照して、第１の実施形態について説明する。なお、これらの図のうち、図１乃至図１１は、後述する第２〜第５の実施形態にも適用される。

図１は、第１の実施形態に係る風力発電システム概略構成の一例を示す斜視図である。また、図２は、図１の風力発電システムにおけるナセルの内部構成の一例を示す概略図である。

図１に示される風力発電システムは、主な要素として、ナセル１、風車翼２、およびタワー３を備えている。

ナセル１は、タワー３の頂部に取り付けられ、図２に示されるように、回転電機１００を収容するほか、回転電機１００に搭載された発電機から発生される電力に対して電圧調整や周波数調整を行う電力調整部１０１などを収容している。ただし、電力調整部１０１は場合により地上に設けられる場合もある。

風車翼２は、ナセル１内の回転電機１００の回転軸１１に直結するよう取り付けられた翼軸（ブレード軸）２Ａと、この翼軸２Ａの周囲に取り付けられた複数の風車翼本体２Ｂとから成る。

タワー３は、地面に設置され、ナセル１を支持する。タワー３の内側には電力を伝達するケーブルＣが設けられている。ケーブルＣは、ナセル１側からタワー３の内側を通って下方に導かれ、地面近傍にてタワー３の外側へと導かれる。

このような構成において、風力により風車翼２が回転すると、その回転力は風車翼２の翼軸２Ａからナセル１内に設置された回転電機１００の回転軸１１へと伝わり、回転電機１００に搭載された発電機により発電が行われる。回転電機１００の発電機から発生した電力は、電力調整部１０１により調整された後、ケーブルＣを通じてナセル１からタワー３を通り、タワー３の外側へ送り出される。

電力調整部１０１が地上に設置される場合には、回転電機１００の発電機から発生じた電力は、ケーブルを通じてナセル１からタワー３を通り、タワー３の外側へ送り出され、電力調整部１０１により調整される。

図３は、図２中に示されるナセル１の中に設置される回転電機１００の構造の一例を示す斜視図である。

図３に示されるように、回転電機１００は、トロイド状の第１のロータ１０（以下、「大ロータ１０」と称す）と、大ロータ１０の外周側に離間して配置される１つ又は複数の円筒状の第２ロータ２０（以下、「小ロータ２０」と称す）と、小ロータ２０の内径側に配置されるアウターロータ方式の発電機３０とを有する。発電機３０は、本実施形態では、永久磁石同期発電機によって構成され、永久磁石を備えた回転子およびコイルを備えた固定子により構成される。

大ロータ１０は、図３に示されるように、風車翼２の翼軸２Ａに直結するとともに軸受け１１Ａに支持された回転軸（第１回転軸）１１と、支持部材（スポーク）１２とを備え、回転軸１１を中心に回転するように構成されている。大ロータ１０の外周面は、小ロータ２０の外周面とのギャップＧを均等に保ちつつ小ロータ２０の半周分を取り囲むよう、半円環状（Ｕ字形状）を構成している。ここで支持部材１２は全面に渡って板状に形成されているが、重量、通風を考慮して板状の支持部材１２に複数の開口を設けてもよい。小ロータ２０は、大ロータ１０の回転軸１の方向に対して垂直方向を向いた回転軸（第２回転軸）２１を中心に回転するように構成されている。図３中の面Ａにて回転電機１００を切断した部分を小ロータ２０の軸方向から見た場合の断面概略形状を図４に示す。図４に示されるように、大ロータ１０と小ロータ２０との間には、半円環状のギャップＧがある。このように、大ロータ１０の回転軸１と、小ロータ２０の回転軸２１とは、互いに直交している。

大ロータ１０および小ロータ２０は、それぞれの外周面に永久磁石を備え、磁気ウォームギヤを構成している。

具体的には図３に示すように、大ロータ１０の外周には多数の永久磁石５Ｂからなる第１磁石列１０Ａが傾斜角αをもって傾斜して設けられている。

このうち各永久磁石５Ｂは、Ｎ極５ｃとＳ極５ｄを有し、、Ｎ極５ｃとＳ極５ｄとを有する永久磁石５Ｂが連続して配置されて第１磁石列１０Ａを構成している。

また第１磁石列１０Ａを構成する永久磁石５Ｂ間に磁性材６Ｂが介在されている。この磁性材６Ｂは永久磁石５Ｂを近接配置することにより磁極を形成するとともに、永久磁石５Ｂにより生じる渦電流損を抑える機能を果たす。

また図６に示すように、小ロータ２０の外周には多数の永久磁石５Ａからなる第２磁石列２０Ａが所定のらせん角βをもってらせん状に設けられている。

このうち各永久磁石５Ａは、Ｎ極５ａとＳ極５ｂとを有し、Ｎ極５ａとＳ極５ｂとを有する永久磁石５Ａが連続して配置されて第２磁石列２０Ａを構成している。

また第２磁石列２０Ａを構成する永久磁石５Ａ間に磁性材６Ａが介在されている。この磁性材６Ａは永久磁石５Ａを近接配置することにより磁極を形成するとともに、永久磁石５Ａにより生じる渦電流損を抑える機能を果たす。

なお、第２磁石列２０Ａのらせん角βは磁気ウォームギアのウォーム角に対応する。

また少なくとも大ロータ１０と小ロータ２０とが磁気的に結合する領域においては、大ロータ１０の第１磁石列１０Ａの間隔および第１磁石列１０Ａの傾斜角度αが、それぞれ、小ロータ２０の第２磁石列２０Ａの間隔および第２磁石列２０Ａのらせん角βと略等しくなるように構成されていることが望ましい。

このような構成において、大ロータ１０が回転すると、大ロータ１０の第１磁石列１０Ａと小ロータ２０の第２磁石列２０Ａとが吸引または反発することにより、大ロータ１０の回転に追従して小ロータ２０が回転する。このとき、大ロータ１０の第１磁石列１０Ａによる磁極数と小ロータ２０の第２磁石列２０Ａによるギヤ条数とで決まるギヤ比で小ロータ２０の回転が増速され、小ロータ２０の回転数に応じた電力が発電機３０（図５参照）から発生する。

図５は第１の実施形態に係り、図３中の面Ｂにて回転電機１００を切断した部分を小ロータ２０の断面の概略形状を示すものである。図５において、発電機３０は、アウターロータ方式永久磁石発電機であり、その界磁ロータ４１は界磁ロータ鉄心５１の内周面に、永久磁石９ａを備えた構造であり、前記永久磁石９ａによって前記界磁ロータ鉄心５１に生じる磁束が、小ロータ２０の外周の永久磁石５Ａや磁性材６Ａの特性を害さないように、非磁性リング５２を設けている。界磁ロータ４１の内周側には電機子ステータ５０が設置されており、界磁ロータ４１の発生する回転磁束に同期した電力が、電機子巻線２２に誘起され、出力として取り出される。このような小ロータ２０が複数あり、電機子巻線２２の出力は、変換器によって、個別に整流され、その直流出力は加算回路によって加算され、更に交流変換器によって系統出力に相応した周波数の交流電力に変換される。前記電機子巻線の交流出力は、制御回路によって、小ロータ２０ごとに制御される。出力制御には界磁ロータ４１の位置検出を行う必要があるが、これについては、位置センタを用いる方法、センサレス制御による方法など種々の方法が知られており、条件に応じて選択される。

本実施形態によれば、発電機３０の出力は、小ロータの取り付け位置や製造精度による伝達磁気力のばらつきや、大ロータの急峻な回転速度の変化によらず、制御することができるので、脱調状態に陥ることなく安定な発電出力を得ることが可能になる。

次に図６乃至図１１により、大ロータ１０と小ロータ２０との間に生じる力の作用について説明する。

図６乃至図１１に示すように、小ロータ２０の外周にはＮ極５ａおよびＳ極５ｂを含む永久磁石５Ａからなる第２磁石列２０Ａが、小ロータ２０の円周方向に対して所定のらせん角βをもってらせん状に配置されている。上述のように、同様に大ロータ１０の外周にもＮ極５ｃおよびＳ極５ｄを含む永久磁石５Ｂからなる第１磁石列１０Ａが、大ロータ１０の軸方向に対して傾斜して設けられている。

また小ロータ２０の第２磁石列２０Ａ間には、磁性材６Ａが介在され、大ロータ１０の第１磁石列１０Ａ間にも磁性材６Ｂが介在されている。

ここで大ロータ１０の第１磁石列１０Ａと小ロータ２０の第２磁石列２０Ａとの間に位相差が生じた場合、大ロータ１０と小ロータ２０との間のギャップＧにおいて大ロータ１０の第１磁石列１０Ａと小ロータ２０の第２磁石列２０Ａとの間に磁気吸引力が生じ、この磁気吸引力により大ロータ１０の回転が小ロータ２０の回転を生じさせる。

図８に示すように、大ロータ１０と小ロータ２０との間のギャップＧに生じる磁気吸引力を２１Ｆで表すことができる。

この場合、大ロータ１０と小ロータ２０との間の磁気吸引力２１Ｆは更に、ギャップＧにおいて小ロータ２０の半径方向に働く半径方向分力２３Ｆと、この半径方向分力２３Ｆに直交するせん断方向分力２２Ｆとに分解することができる。

ここで、図９は図７におけるＢ−Ｂ断面を示している。上述した小ロータ２０の半径方向に働く半径方向分力２３Ｆは、更にｘ軸方向の力と、ｙ軸方向の力に分解される。図９に示すように、半径方向分力２３Ｆのうちｘ軸方向の力は互いにキャンセルされることになる。このため結局、半径方向分力２３Ｆは、ｙ軸方向の合成ベクトルとなる。

次に大ロータ１０と小ロータ２０との間のギャップＧに働く磁気吸引力２１Ｆのうち、せん断方向分力２２Ｆについて、図６、図１０および図１１により説明する。

図６に示すように、小ロータ２０外表面にはＮ極５ａとＳ極５ｂとを含む永久磁石５Ａにより構成される第２磁石列２０Ａがウォーム角度に対応するらせん角βに応じてらせん状に配列されている。ここで磁気吸引力２１Ｆのせん断方向分力２２Ｆは、この第２磁石列２０Ａに対して直交する方向に作用する。この場合、せん断方向分力２２Ｆは小ロータ２０の軸方向分力２４Ｆと接線方向分力２５Ｆに分解されるが、この接線方向分力２５Ｆが発電機の回転に用いられる磁気力となる。

図１０に、小ロータ２０における磁気吸引力２１Ｆのうち、半径方向分力２３Ｆ、軸方向分力２４Ｆ、および接線方向分力２５Ｆをそれぞれ示す。

次に図１１により大ロータ１０側に作用する磁気吸引力について説明する。図１１は図７のＢ−Ｂ線断面図であり、大ロータ１０に加わる接線方向分力と半径方向分力を表したものである。ここで、小ロータ２０から大ロータ１０に作用する接続方向分力２５Ｆは、更にｘ軸方向分力とｙ軸方向分力に分解される。小ロータ２０からのｙ軸方向分力は大ロータ１０において偶力の関係となるが、大ロータ１０の回転軸１１とは直交する軸における偶力であるため、接線方向分力２５Ｆの合成ベクトルはｘ軸方向のベクトルとなり、大ロータ１０の軸方向分力３５Ｆとして作用する。また小ロータ２０における半径方向分力２３Ｆは大ロータ１０に対して反対方向のベクトルを持つ半径方向分力３３Ｆとなり、同様に小ロータ２０における軸方向分力２４Ｆも反対方向のベクトルとなり、大ロータ１０においては接線方向分力３４Ｆとなる（図１０および図１１参照）。

次に上述した大ロータ１０と小ロータ２０との間に生じる吸引力２１Ｆを考慮した小ロータ２０の配置形態について、図１２により説明する。

図１２は、大ロータ１０の外周近傍に配置された小ロータ２０の配置形態を示す図である。

図１２に示すように、大ロータ１０の外周近傍に複数の小ロータ２０が配置されている。図１２において、各小ロータ２０は同一構造をもち、各小ロータ２０は大ロータの外周近傍に等間隔をおいて配置されている。

図１２において、各小ロータ２０は同一構造をもち、かつ各小ロータ２０は大ロータ１０の外周近傍に等間隔をおいて配置されているため、各小ロータ２０から大ロータ１０に対して作用する半径方向分力３３Ｆは互いに等しく、かつ打消し合う方向に働く。

このため各小ロータ２０から大ロータ１０へ加わる大ロータ１０の半径方向分力３３Ｆを合成した半径方向合成力を全体として打消すことができる。

このように、大ロータ１０の回転軸１１に加わる半径方向の力を全体として打消すことができ、回転軸１１を支持する軸受１１Ａに対する負荷を小さくすることができる。このため軸受１１Ａを過度に大きくしたり、過度に剛性を高める必要はなく、システム全体としての製造コスト低減を図ることができる。

（第２の実施形態）
次に第２の実施形態について、図１３により説明する。

図１３に示す第２の実施形態において、図１乃至図１２に示す第１の実施形態と同一部分については同一符号を付して詳細な説明は省略する。

図１３は大ロータ１０の外周近傍に配置された小ロータ２０の配置形態を示す図でありる。

図１３に示すように、大ロータ１０の外周近傍に複数の小ロータ２０が配置されている。図１３において、各ロータ２０は同一構造をもち、かつ同一の数、例えば３台の小ロータ２０により小ロータグループ（第２ロータグループ）２０Ｇが構成されている。図１３に示す実施形態によれば、３台の小ロータ２０により構成された４組の小ロータ２０Ｇが大ロータ１０の外周近傍に配置されている。

そしてこれら４組の小ロータグループ２０Ｇは大ロータ１０の外周近傍に、等間隔をおいて配置されている。また各小ロータグループ２０Ｇ内においても、３台の小ロータ２０は等間隔をおいて配置されている。

図１３において、各々が３台の小ロータ２０からなる４組の小ロータグループ２０Ｇが、大ロータ１０の外周近傍に等間隔をおいて配置されているため、各小ロータ２０から大ロータ１０に対して作用する半径方向分力３３Ｆは互いに等しく、かつ打消し合う方向に働く。

このため、各小ロータ２０から大ロータ１０へ加わる第１ロータ１０の半径方向分力３３Ｆを合成した半径方向合成力を全体として打消すことができる。

このことにより、大ロータ１０の回転軸に加わる半径方向の力を全体として打消すことができ、回転軸１１を支持する軸受１１Ａに対する負荷を軽減することができる。

このため軸受１１Ａを過度に大きくしたり、過度に剛性を高める必要はなく、システム全体としての製造コスト低減を図ることができる。

（第３の実施形態）
次に第３の実施形態について図１４により説明する。

図１４に示す第３の実施形態において、図１乃至図１２に示す第１の実施形態と同一部分については同一符号を付して詳細な説明は省略する。

図１４は大ロータ１０の外周近傍に配置された小ロータ２０の配置形態を示す図である。

図１４に示すように、大ロータ１０の外周近傍に複数の小ロータ２０が配置されている。図１４において、各小ロータ２０は同一構造をもち、各大ロータ１０の回転軸１１より上方に位置する小ロータ２０の数（５台）が回転軸１１より下方に位置する小ロータ２０の数（１台）より大きくなっている。

図１４において、各小ロータ２０は同一構造をもち、かつ各大ロータ１０の回転軸１１より上方に位置する小ロータ２０の数（５台）が、回転軸１１より下方に位置する小ロータ２０の数（１台）より大きくなっているため、各小ロータ２０から大ロータ１０に対して作用する半径方向分力３３Ｆは互いに等しく、かつ全体として上向きに働く。

このため各小ロータ２０から大ロータ１０へ加わる大ロータ１０の半径方向分力３３Ｆを合成した半径方向合成力を全体として上方へ向けることができる
このことにより、大ロータ１０の回転軸１１に加わる半径方向の力を全体として上方へ向けることができる。回転軸１１に対しては、大ロータ１０および小ロータ２０等の固有の荷重が予め加わっているが、小ロータ２０から大ロータ１０へ加わる大ロータ１０の半径方向合成力を全体として上方へ向けることにより、回転軸１１を支持する軸受１１Ａに対する負荷をより小さくすることができる。このため軸受１１Ａを過度に大きくしたり、過度に剛性を高める必要はなく、システム全体としての製造コスト低減を図ることができる。

（第４の実施形態）
次に図１５および図１６により第４の実施形態について説明する。

図１５および図１６に示す第４の実施形態において、図１乃至図１２に示す第１の実施形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。

図１５は風力発電システムの概略構成を示す図である。

図１５に示すように風力発電システムは翼軸２Ａと風車翼本体２Ｂとを有する風車翼２と、翼軸２Ａに連結され軸受１１Ａにより支持された回転軸１１と、回転軸１１回りを回転する偶数台、例えば２台の大ロータ１０とを備えている。図１５に示すように、２台の大ロータ１０は回転軸１１に多段（２段）に配置され、各大ロータ１０の外周近傍に複数の小ロータ２０が配置されている。

図１６において２台の大ロータ２０のうち、例えば風車翼２側の大ロータ１０の第１磁石列１０Ａは一方向に傾斜して配置され、風車翼２と反対側の大ロータ１０の第１磁石列１０Ａは風車翼２側の大ロータ１０と反対側の他方向に傾斜して配置されている。また２段の大ロータ１０と、各大ロータ１０に対して設けられた複数の小ロータ２０とにより回転電機１００が構成されている。

図１６において、風車翼２側（左側）の大ロータ１０に対して対応する各小ロータ２０から付与される軸方向の合成力は、例えば図１６の右方向へ働く。他方、残りの風車翼２と反対側（右側）の大ロータ１０に対して対応する各小ロータ２０から付与される軸方向の合成力は、例えば図１６の左方向へ働く。

２台の大ロータ１０に対して付与される軸方向の力３５Ｆを図１６に示す。図１６において、各大ロータ１０に対して働く半径方向分力が符号３３Ｆにより示されている。

図１６に示すように風車翼２側（左側）に位置する大ロータ１０に対して対応する小ロータ２０から付与される軸方向分力３５Ｆを合成した軸方向合成力は図１６の右方向に働く。他方、風車翼２と反対側（右側）に位置する大ロータ１０に対して対応する小ロータ２０から付与される軸方向分力３５Ｆを合成した軸方向合成力は、図１６の左方向へ働く。

そして図１６において左側の大ロータ１０に働く軸方向合成力と右側の大ロータ１０に働く軸方向合成力とが結局打消し合う。このことにより、これら２台の大ロータ１０に働く軸方向合成力を合計した軸方向合計力を略０とすることができる。このため回転軸１１に働く軸方向の力を抑制することができ、回転軸１１の軸方向の力を受けるスラスト軸受に過度の負荷が加わることはない。

なお、図１５および図１６に示す第４の実施形態において、各大ロータ１０の外周近傍に配置される小ロータ２０の配置形態としては、図１２に示す第１の実施形態における配置形態、図１３に示す第２の実施形態における配置形態、あるいは図１４に示す第３の実施形態における配置形態のいずれかの形態をとることができる。

また図１５および図１６に示す第４の実施形態において、回転軸１１に対して２台の大ロータ１０を多段に設けた例を示したが、偶数台の大ロータ１０であれば、４台、６台、または８台の大ロータ１０を多段に回転軸１１に設けてもよい。

（第５の実施形態）
次に図１５および図１７により第５の実施形態について説明する。

図１５および図１７に示す第５の実施形態において、図１乃至図１２に示す第１の実施形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。

図１５は風力発電システムの概略構成を示す図である。

図１５に示すように風力発電システムは翼軸２Ａと風車翼本体２Ｂとを有する風車翼２と、翼軸２Ａに連結され軸受１１Ａにより支持された回転軸１１と、回転軸１１回りを回転する偶数台、例えば２台の大ロータ１０とを備えている。図１５に示すように、２台の大ロータ１０は回転軸１１に多段（２段）に配置され、各大ロータ１０の外周近傍に複数の小ロータ２０が配置されている。

次に図１７により大ロータ１０と小ロータ２０との関係を示す。図１７において２台の大ロータ２０のうち、例えば風車翼２側（左側）の大ロータ１０の第１磁石列１０Ａと、風車翼２と反対側（右側）の大ロータ１０の第１磁石列１０Ａは、いずれも同一方向に傾斜している。

また２段の大ロータ１０と、各大ロータ１０に対して設けられた複数の小ロータ２０とにより回転電機１００が構成されている。

図１７において、風車翼２側（左側）の大ロータ１０に対して対応する各小ロータ２０から付与される軸方向の合成力は、例えば図１７の左方向へ働く。他方、残りの風車翼２と反対側（右側）の大ロータ１０に対して対応する各小ロータ２０から付与される軸方向の合成力も、図１７の左方向へ働く。

２台の大ロータ１０に対して付与される軸方向の力を図１７に示す。図１７において、各大ロータ１０に対して働く半径方向分力が符号３３Ｆにより示されている。

図１７に示すように風車翼２側（左側）に位置する大ロータ１０に対して対応する小ロータ２０から付与される軸方向分力３５Ｆを合成した軸方向合成力は図１７の左方向に働く。他方、風車翼２と反対側（右側）に位置する大ロータ１０に対して対応する小ロータ２０から付与される軸方向分力３５Ｆを合成した軸方向合成力も、図１７の左方向へ働く。

そして図１７において左側の大ロータ１０に働く軸方向合成力と右側の大ロータ１０に働く軸方向合成力とを合計することにより、軸方向合計力を求めることができる。

ところで図１５に示す風力発電システムにおいて、外部から風力が風車翼２に加えられ、風車翼２に外部からの風力が加えられると、この風力（外力）により回転軸１１に対して図１５および図１７の右方向へ軸方向の力が働く。

本実施形態によれば、上述のように風車翼２側の大ロータ１０に対応する小ロータ２０から大ロータ１０へ左方向へ軸方向合成力が働き、風車翼２と反対側の大ロータ１０に対応する小ロータ２０から大ロータ１０へ同様に左方向へ軸方向合成力が働き、これら各大ロータ１０に働く軸方向合成力を合計することにより、回転軸１１に対して大ロータ１０から左方向へ軸方向合計力が加わることになる（図１５および図１７参照）。

他方、上述のように外部の風力により回転軸１１に対して図１５および図１７の右方向へ軸方向の力が働く。このため外部の風力により回転軸１１に働く力と、大ロータ１０から回転軸１１に働く軸方向の力を打消すことができ、このことにより結局回転軸１１に働く軸方向の力を抑制することができる。

このため回転軸１１の軸方向の力を受けるスラスト軸受に過度の負荷が加わることはない。

また、図１５および図１７に示す第５の実施形態において、２台の大ロータ１０を回転軸１１に設置した例を示したが、これに限らず回転軸１１に１台の大ロータ１０を設置し、この大ロータ１０に対応する小ロータ２０から大ロータ１０へ左方向へ加わる軸方向の合成力を生じさせ、外部の風力により回転軸１１に働く右方向への軸方向の力を大ロータ１０から回転軸１１に働く左方向への軸方向の力により打消し合ってもよい。

なお、図１５および図１７に示す第５の実施形態において、各大ロータ１０の外周近傍に配置される小ロータ２０の配置形態としては、図１２に示す第１の実施形態における配置形態、図１３に示す第台２の実施形態における配置形態、あるいは図１４に示す第３の実施形態における配置形態のいずれかの形態をとることができる。

また図１５および図１７に示す第４の実施形態において、回転軸１１に対して２台の大ロータ１０を多段に設けてもよく、３台あるいはそれ以上の大ロータ１０を多段に回転軸１１に設けてもよい。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１ ナセル、２ 風車翼、２Ａ 翼軸、２Ｂ 風車軸本体、３ タワー、５Ａ 小ロータの永久磁石、５Ｂ 大ロータの永久磁石、６Ａ 磁性材、６Ｂ 磁性材、１０ 大ロータ、１０Ａ 第１磁石列、２０ 小ロータ、２０Ｂ 第２磁石列、２２Ｆ せん断方向分力、２３Ｆ 半径方向分力、２４Ｆ 軸方向分力、２５Ｆ 接線方向分力、３０ 発電機、３３Ｆ 半径方向分力、３４Ｆ 接線方向分力、３５Ｆ 軸方向分力、１００ 回転電機

Claims (6)

1. 多数の永久磁石からなる第１磁石列が外周に傾斜して設けられ、第１回転軸回りを回転するウォームホイールを構成する第１ロータと、
   第１ロータの外周近傍に配置され、多数の永久磁石からなる第２磁石列が外周にらせん状に設けられ、第１回転軸に直交する第２回転軸回りを回転するウォームを構成するとともに各々が発電機を駆動する複数の第２ロータとを備え、
   第２ロータは各々同一構造をもち、かつ各第２ロータを第１ロータの外周近傍に等間隔で配置することにより各第２ロータから第１ロータへの第１ロータの半径方向合成力を全体として打消すことを特徴とする磁気ウォームギアを用いた回転電機。
2. 多数の永久磁石からなる第１磁石列が外周に傾斜して設けられ、第１回転軸回りを回転するウォームホイールを構成する第１ロータと、
   第１ロータの外周近傍に配置され、多数の永久磁石からなる第２磁石列が外周にらせん状に設けられ、第１回転軸に直交する第２回転軸回りを回転するウォームを構成するとともに各々が発電機を駆動する複数の第２ロータとを備え、
   第２ロータは各々同一構造をもち、かつ各々が同一の数の第２ロータを有する複数の第２ロータグループを構成し、各第２ロータグループを第１ロータの外周近傍に等間隔で配置することにより各第２ロータから第１ロータへの第１ロータの半径方向合成力を全体として打消すことを特徴とする磁気ウォームギアを用いた回転電機。
3. 多数の永久磁石からなる第１磁石列が外周に傾斜して設けられ、第１回転軸回りを回転するウォームホイールを構成する第１ロータと、
   第１ロータの外周近傍に配置され、多数の永久磁石からなる第２磁石列が外周にらせん状に設けられ、第１回転軸に直交する第２回転軸回りを回転するウォームを構成するとともに各々が発電機を駆動する複数の第２ロータとを備え、
   第２ロータは各々同一構造をもち、かつ第１ロータの第１回転軸上方に位置する第２ロータの数を第１回転軸下方に位置する第２ロータの数より大きくし、各第２ロータから第１ロータへの第１ロータの半径方向合成力を全体として上方へ向けることを特徴とする磁気ウォームギアを用いた回転電機。
4. 多数の永久磁石からなる第１磁石列が外周に傾斜して設けられ、第１回転軸回りを回転するウォームホイールを構成するとともに多段に配置された偶数台の第１ロータと、
   各第１ロータの外周近傍に配置され、多数の永久磁石からなる第２磁石列が外周にらせん状に設けられ、第１回転軸に直交する第２回転軸回りを回転するウォームを構成するとともに各々が発電機を駆動する複数の第２ロータとを備え、
   偶数台の第１ロータのうち半数の第１ロータについて第１磁石列を一方向に傾斜させ、残りの半数の第１ロータについて第１磁石列を他方向に傾斜させ、各第２ロータから対応する各第１ロータへの第１ロータの第１回転軸方向合成力を合計した第１回転軸方向合計力を全体として打消すことを特徴とする磁気ウォームギアを用いた回転電機。
5. 多数の永久磁石からなる第１磁石列が外周に傾斜して設けられ、外部から軸方向の力が付与される第１回転軸回りを回転するとともにウォームホイールを構成する第１ロータと、
   第１ロータの外周近傍に配置され、多数の永久磁石からなる第２磁石列が外周にらせん状に設けられ、第１回転軸に直交する第２回転軸回りを回転するウォームを構成するとともに各々が発電機を駆動する複数の第２ロータとを備え、
   第１ロータについて、第１磁石列は所定方向に傾斜し、外力から第１ロータへ付与される第１回転軸方向の力に対して、各第２ロータから第１ロータへの第１ロータの第１回転軸方向合成力を逆方向に向けることを特徴とする磁気ウォームギアを用いた回転電機。
6. 多数の永久磁石からなる第１磁石列が外周に傾斜して設けられ、外部から軸方向の力が付与される第１回転軸回りを回転するとともにウォームホイールを構成する第１ロータと、
   各第１ロータの外周近傍に配置され、多数の永久磁石からなる第２磁石列が外周にらせん状に設けられ、第１回転軸に直交する第２回転軸回りを回転するウォームを構成するとともに各々が発電機を駆動する複数の第２ロータとを備え、
   各第１ロータについて、第１磁石列は同一方向に傾斜し、外力から各第１ロータへ付与される第１回転軸方向の力に対して、各第２ロータから対応する各第１ロータへの第１ロータの第１回転軸方向合成力を合計した第１回転軸方向合計力を逆方向に向けることを特徴とする磁気ウォームギアを用いた回転電機。

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