JP2015039270A - 発電機 - Google Patents

Abstract

【課題】コギングトルクが小さく、発電効率が高い発電機を提供する。
【解決手段】この発電機は、回転方向に配列された複数の永久磁石３，４を含むロータ１と、複数の永久磁石３，４に対向して設けられ、各々がロータ１の回転時に交流電圧を発生する複数のコイル１３を含むステータ１０と、それぞれ複数のコイル１３内に設けられた複数の磁性体１２とを備え、コイル１３の中心軸方向において磁性体１２の長さＬｍはコイル１３の長さＬｃよりも短く設定されている。したがって、コアレス構造よりも発電量が大きくなる。
【選択図】図１

Description

この発明は発電機に関し、特に、水力、風力のような自然エネルギーを用いて発電する発電機に関する。

水力発電および風力発電において回転型発電機を用いる場合、発電機には高出力、高効率は勿論のこと、低コスト、小型(省スペース)、低コギングトルク等が求められる。

コギングトルクやトルクリップルを低減させる構造として、ロータやステータにスキューを設けた例がある。特許文献１では、ロータにスキューを設け、スキュー形状を最適化することで起動改善やコギングトルクの低減、生産性の向上を図っている。

また特許文献２では、発電波形を正弦波状に近付けるためにステータにスキューを設けているが、これも結局はコギングトルクやトルクリップルを平滑化することと同義であり、スロットの巻線形態を工夫することで発電波形を正弦波状にしながら、ステータの製造工数削減も図っている。

一方、コギングトルクをさらに低減させる手法としてコアレス構造が挙げられる。コアレス構造は、コイル内部に挿入する鉄心を無くし、コイルのみでステータを形成している。これによりコギングトルクは事実上ゼロとなる。コギングトルクは、回転時の振動、騒音の元になるため、コアレス構造であればその懸念は無くなる。特許文献３では、風力発電用の発電機において、コアレスのコイルを軸方向両側から永久磁石で挟み込む構造にし、界磁磁束の強化を図っている。また特許文献４では、さらにそれを軸方向に複数積層し、発電機の出力向上を図っている。

特開２０００−３５４３４１号公報 特開２００９−２０１２７８号公報 特許第３０４７１８０号公報 特開２００８−１８７８７２号公報

水力発電や風力発電のような自然エネルギー源が入力となる場合、その変動に無駄なく追従できる発電能力が求められる。水力発電の場合では一日を通してほぼ一定の水量が得られる場合が多いが、風量は途絶えることが幾度とあり、発電機のコギングトルクが大きい場合は、次に回転起動できるための風量が発生するまで発電できない。言い換えれば、回転起動できるための風量以下の小さな風のエネルギーは全て無駄になってしまう。小さな水量・風量からすぐにロータが再起動することができれば、一日を通して発電機の停止時間は短くなり、総じて発電量を上げられる。特にマイクロ水力発電には、非常時や緊急時に流水量の小さな身近な水路に発電装置を設置した場合でも、電力を確保できることが求められる。

このように小さな水力、風力によってロータを起動させるためには、発電機のコギングトルクを低減することが有効である。しかし、特許文献１，２では、コギングトルクを十分に小さくすることができなかった。

また、特許文献３，４では、コアレス構造を採用したので、コギイングトルクをゼロにすることができるが、界磁磁束が大きく漏れ、コイルを効率よく縦断する磁束が著しく減少するため、発電効率が大幅に低下するという問題がある。この問題を軽減する方法として、永久磁石の使用量を増加する方法、永久磁石の磁力を強化する方法、コイル巻数を増やす方法などが考えられるが、いずれの方法も装置の大型化や高コスト化を招いてしまう。

それゆえに、この発明の主たる目的は、コギングトルクが小さく、発電効率が高い発電機を提供することである。

この発明に係る発電機は、回転方向に配列された複数の永久磁石を含むロータと、複数の永久磁石に対向して設けられ、各々がロータの回転時に交流電圧を発生する複数のコイルを含むステータと、それぞれ複数のコイル内に設けられた複数の磁性体とを備え、コイルの中心軸方向において磁性体の長さはコイルの長さよりも短いものである。

好ましくは、複数の永久磁石は、ロータの回転方向に配列された第１および第２の永久磁石を含む。第１の永久磁石のＳ極はステータ側に向けられ、第２の永久磁石のＮ極はステータ側に向けられている。

好ましくは、複数の永久磁石は、ロータの回転方向に配列された第１〜第４の永久磁石を含む。第１の永久磁石のＳ極はステータ側に向けられ、第２の永久磁石のＳ極は第１の永久磁石側に向けられ、第３の永久磁石のＮ極はステータ側に向けられ、第４の永久磁石のＮ極は第３の永久磁石側に向けられている。

好ましくは、ロータは第１のバックヨークをさらに含み、複数の永久磁石の一方端は複数のコイルに対向して設けられ、複数の永久磁石の他方端は第１のバックヨークに固定されている。

好ましくは、ステータは第２のバックヨークをさらに含み、複数の磁性体の一方端は複数の永久磁石に対向して設けられ、複数の磁性体の他方端は第２のバックヨークに固定されている。

好ましくは、複数のコイルの各々は断面四角形状の電線を巻回したものである。
好ましくは、発電機はラジアルギャップ型である。

好ましくは、発電機はアキシアルギャップ型である。
好ましくは、発電機は風力発電または水力発電に使用される。

この発明に係る発電機では、コイルよりも短い磁性体をコイル内に設けるので、コギングトルクを小さくし、かつ発電効率を高くすることができる。

本発明の実施の形態１による発電機の構成を示す図である。 図１に示した磁性体の長さとコイルの長さとの比と、誘起電圧およびコギングトルクとの関係を示す図である。 図２に示した磁性体の長さとコイルの長さとの比を説明するための図である。 実施の形態１の比較例を示す図である。 本発明の実施の形態２による発電機の構成を示す図である。 図５に示したハルバッハ配列の効果を説明するための図である。 実施の形態２の変更例を示す図である。 本発明の実施の形態３による発電機の構成を示す図である。 実施の形態３の比較例を示す図である。

[実施の形態１]
本発明の実施の形態１による発電機は、図１に示すように、ラジアルギャップタイプのアウターロータ型構造であり、円筒状のロータ１と、円筒状のステータ１０とを備える。ロータ１はステータ１０の外周側に配置されており、ロータ１とステータ１０は同心状に配置されている。この発電機は、水力、風力のような自然エネルギーを用いて発電するのに適しており、特に水力発電機または風力発電機として使用するのに適している。ロータ１は、自然エネルギーによって回転駆動されるプロペラ(図示せず)と結合されており、ステータ１０の周囲で回転可能に設けられている。

ロータ１は、円筒部材２と、複数対（図では１０対）の永久磁石３，４とを含む。複数対の永久磁石３，４は、円筒部材２の内周面に固定されている。図１では、永久磁石３，４内の矢印の方向がＮ極を示し、矢印の反対方向がＳ極を示している。永久磁石３はＳ極をステータ１０側に向けられ、永久磁石４はＮ極をステータ１０側に向けられ、永久磁石３と永久磁石４はロータ１の回転方向に交互に配列されている。

ステータ１０は、円筒状の磁性体１１と、複数（図では１５個）の磁性体１２と、複数（図では１５個）のコイル１３とを含む。磁性体１１は、ステータ１０側のバックヨークである。磁性体１２は、コイル１３内に挿入される鉄心（コア）であり、たとえば円柱状に形成され、円筒状の磁性体１１の外周面に垂直に凸設されている。複数の磁性体１２は、複数対の永久磁石３，４に対向してリング状に配列されている。磁性体１１と磁性体１２は、一体成型されていてもよいし、軸方向に積層した複数の電磁鋼鈑で構成されていてもよい。

コイル１３は、電線（絶縁膜で被覆された銅線）をたとえば円筒状に巻回したものである。複数のコイル１３の孔は、それぞれ複数の磁性体１２に嵌め込まれている。コイル１３の中心軸は、円筒状の磁性体１１の外周面に対して垂直方向に向けられている。コイル１３の中心軸方向において磁性体１２の長さは、コイル１３の長さよりも短く設定されている。

自然エネルギーを用いてロータ１を回転駆動させると、永久磁石３，４の磁束をコイル１３の銅線が横切ることとなり、コイル１３の端子間に交流電圧が発生する。複数のコイル１３は直列、並列に接続され、発電機からたとえば３相交流電圧が出力される。

ここで、磁性体１２の長さとコイル１３の長さとの関係について説明する。上述の通り、水力発電および風力発電において、小さな水力または風力によってロータをスムーズに起動、回転させるためには、発電機のコギングトルクを低減することが重要である。コギングトルクの低減対策として、ステータのコアレス構造(ステータのコアやバックヨーク等の磁性体を省いた構造)が適用されることが多いが、磁性体が無いため界磁磁束の漏れが大きくなり、発電量(発電効率)が低下する。そこで、本願発明では、コイル１３内に挿入する磁性体１２の長さを最適にすることで、コギングトルクを最小限に抑制しながら、発電量(発電効率)を最大限に確保する。

図２の横軸は磁性体１２の長さＬｍとコイル１３の長さＬｃの比Ｌｍ／Ｌｃを示し、図２の縦軸はコイル１３の端子間に誘起される電圧Ｅ（Ｖ）とコギングトルクＴｃ（Ｎ・ｍ）を示している。また、図３（ａ）〜（ｃ）は、それぞれＬｍ／Ｌｃを０，０．２５，０．５，０．７５，１．０に設定した場合における磁性体１２とコイル１３の関係を示す断面図である。

ここでは発電機の発電量を、コイル１３に発生する誘起電圧Ｅ（Ｖ）に置き換えて説明する。図３（ａ）では、磁性体１２の長さＬｍは０である場合、すなわちコアレス構造(ただし、バックヨークは付けている)である場合が示されている。この場合は図２から分かるように、誘起電圧Ｅ（Ｖ）が小さいが、コギングトルクＴｃ（Ｎ・ｍ）も発生しない。

一方、図３(ｅ)では、磁性体１２の長さＬｍとコイル１３の長さＬｃが等しい場合が示されている。この場合は図２から分かるように、大きな誘起電圧Ｅ（Ｖ）が得られるが、コギングトルクＴｃ（Ｎ・ｍ）も増加している。また、図３(ａ)〜（ｅ）に示すように、Ｌｍ／Ｌｃを大きくして行くと、誘起電圧Ｅ（Ｖ）はＬｍ／Ｌｃに応じて上昇して行くが、コギングトルクＴｃ（Ｎ・ｍ）はＬｍ／Ｌｃがある値α（図では０．５）までは０となり、その値αを超えると急に増加することが分かった。

つまり、Ｌｍ／Ｌｃをある値αに設定することにより、コアレス構造のようにコギングトルクＴｃ（Ｎ／ｍ）をほぼ０に維持したまま、発電量をさらに上げることが可能となる。したがって、発電機の用途や使用環境に応じて許容されるコギングトルク値以下となるよう、数値解析や実機評価等に基づき、Ｌｍ／Ｌｃを最適値に設定すればよい。たとえば、本実施の形態１では、コギングトルクＴｃ（Ｖ）が発生する直前の値（図では０．５）にＬｍ／Ｌｃを設定している。これにより、発生する誘起電圧値がコアレスの場合と比べ４０〜５０％の増加に成功した。さらに本構造では、通常のインナーロータタイプのＳＰＭ型やＩＰＭ型に比べ、機械体が外周側のみに存在し発電機内部が大きな空洞となるため、発電機体積に対して非常に軽量な構造であるのも利点である。

この実施の形態１では、コイル１３内部の磁性体１２を完全に無くすのではなく、Ｌｍ／Ｌｃを最適値に設定するので、コギングトルクを最小限に抑制し、コアレス構造のように低振動、低騒音を確保しながら、コアレス構造よりも大きな発電量を得ることができる。特に風力発電、水力発電分野において、高効率な発電機を実現することができる。

なお、コイル１３としては、断面が真四角の電線（真四角線）、あるいは断面が長方形の電線（平角線）を巻回したものを用いることが好ましい。この場合は、空間に対する銅密度を上げることができるので、コイル１３の抵抗値を下げて銅損を低減することができる。通常のラジアル型電動機のスロット巻線のような台形形状では丸線を使用するのが一般的であり、複雑な形状であるためコイルの占積率を確保しにくく、自動巻きも困難であった。一方で本構造では空心コイル（或いはボビン巻）でよいため、生産性が非常に高く、コストも低い。さらにコアレス構造の場合ではコイル位置決め用の治具や工程が必要になるが、本構造の場合は磁性体４の外径側から空芯コイルを嵌め込むだけで構成できるため、製造コストの低減と組立性の向上も両立可能である。また本構造では多極多スロット化することで、ロータ磁石とコイル間のエアギャップを可能な限り小さくし、誘起電圧値の増加と発電効率の上昇の両立を図っている。

図４は、実施の形態１の比較例となる発電機の構成を示す図であって、図１と対比される図である。図４において、この発電機が図１の発電機と異なる点は、ステータ１０がステータ１５で置換されている点である。ステータ１５は、ステータ１０から磁性体１２を削除したものである。すなわち、Ｌｍ／Ｌｃ＝０である。この発電機では、コイル１３内部の磁性体１２を完全に無くしたので、図２で示したように、コギングトルクＴｃ（Ｎ・ｍ）を０にすることができるが、発電量が低下してしまう。

[実施の形態２]
図５は、本発明の実施の形態２による発電機の構成を示す図であって、図１と対比される図である。図５において、この発電機が図１の発電機と異なる点は、ロータ１がロータ２０で置換されている点である。

ロータ２０は、円筒部材２と、複数組（図では１０組）の永久磁石２１〜２４とを含む。複数組の永久磁石２１〜２４は、円筒部材２の内周面に固定されている。図５では、永久磁石２１〜２４内の矢印の方向がＮ極を示し、矢印の反対方向がＳ極を示している。複数組の永久磁石２１〜２４は、ハルバッハ型に配列されている。

すなわち、永久磁石２１，２３はロータ２０の径方向に着磁され、永久磁石２２，２４はロータ２０の周方向（回転方向）に着磁されている。永久磁石２１はＳ極をステータ１０側に向けられ、永久磁石２３はＮ極をステータ１０側に向けられ、永久磁石２１と永久磁石２３はロータ１の回転方向に交互に配列されている。永久磁石２２は永久磁石２１と２３の間に設けられ、永久磁石２２のＳ極およびＮ極はそれぞれ永久磁石２１，２３側に向けられている。永久磁石２４は永久磁石２３と２１の間に設けられ、永久磁石２４のＮ極およびＳ極はそれぞれ永久磁石２３，２１側に向けられている。

図６（ａ）はハルバッハ配列された永久磁石２１〜２４とそれらの周辺に発生する磁場エリアＭＡ１を示す図であり、図６（ｂ）は通常磁極配列された永久磁石３，４とそれらの周辺に発生する磁場エリアＭＡ２を示す図である。図６（ａ）（ｂ）において、ハルバッハ型配列では、永久磁石２１〜２４の配列方向に対して片側（ステータ１０側）のみに強磁界を生成することが可能であり、さらに磁界が正弦波状に切り替わるという特徴も持っている。永久磁石３，４を交互に配置した通常磁極配置と比べ、ハルバッハ配列によれば、より遠方まで磁場を生成する(磁束を飛ばす)ことが可能である。

図４で示したコアレス構造の場合、永久磁石３，４付近の磁場エリアＭＡ２内(磁束が届く範囲内)にコイル１３を配置する必要があるため、コイル体積を十分に確保することができず、コイル１３の内部抵抗の増加(銅損の増加)に繋がっていた。しかし、ハルバッハ型配列にすることで、より遠方まで磁場が形成されるため、コイル体積の拡大が可能となり、コイル１３の内部抵抗の減少により発電効率を高めることができる。

実施の形態２では、ハルバッハ型配列にしたので、通常の磁極配置を採用した実施の形態１よりも大きな磁束を得ることができ、大きな発電量を確保することができる。

また、通常の磁極配置ではＮ極とＳ極が急峻に切り替わるため、コギングトルク、鉄損の増加等を伴う。これに対してハルバッハ型配列の場合は磁極が正弦波状に切替わるため、コギングトルクや鉄損を抑えることが可能となる。したがって、実施の形態２では、実施の形態１よりもコギングトルクおよび鉄損を低減することができる。

図７は、実施の形態２の変形例となる発電機の構成を示す図であって、図５と対比される図である。図７を参照して、この発電機が図５の発電機と異なる点は、ロータ２０がロータ３０で置換されている点である。ロータ３０は、ロータ２０の円筒部材２を円筒状の磁性体３１で置換したものである。磁性体３１は、ロータ３０のバックヨークを構成する。これにより、さらなる磁束の強化を図ることができ、また、発電機外に磁束が漏れるのを防止することができる。

[実施の形態３]
実施の形態１，２では、本願発明がラジアルギャップ型の発電機に適用された場合について説明したが、本願発明はアキシアルギャップ型の発電機にも適用可能である。

図８は、本発明の実施の形態３による発電機の構成を示す図である。図８において、この発電機は、アキシアルギャップ型構造であり、円板状のロータ４１と、円板状のステータ５０とを備える。ロータ４１とステータ５０は、所定の隙間を開けて互いに平行に配置されている。この発電機は、水力、風力のような自然エネルギーを用いて発電するのに適しており、特に水力発電機または風力発電機として使用するのに適している。ロータ４１は、自然エネルギーによって回転駆動されるプロペラ(図示せず)と結合されており、回転可能に設けられている。

ロータ４１は、円板部材４２と、複数対の永久磁石４３，４４とを含む。複数対の永久磁石４３，４４は、円板部材４２のステータ５０側の表面に固定されている。永久磁石４３はＳ極をステータ５０側に向けられ、永久磁石４４はＮ極をステータ５０側に向けられ、永久磁石４３と永久磁石４４はロータ４１の回転方向に交互に配列されている。

ステータ５０は、円板状の磁性体５１と、複数の磁性体５２と、複数のコイル５３とを含む。磁性体５１は、ステータ５０側のバックヨークである。磁性体５２は、コイル５３内に挿入される鉄心（コア）であり、たとえば円柱状に形成され、円板状の磁性体５１のロータ４１側の表面に垂直に凸設されている。複数の磁性体５２は、複数対の永久磁石４３，４４に対向して円形に配列されている。磁性体５１と磁性体５２は、一体成型されていてもよいし、軸方向に積層した複数の電磁鋼鈑で構成されていてもよい。

コイル５３は、電線（絶縁膜で被覆された銅線）をたとえば円筒状に巻回したものである。複数のコイル５３の孔は、それぞれ複数の磁性体５２に嵌め込まれている。コル５３の中心軸は、円板状の磁性体５１の表面に対して垂直方向に向けられている。コイル５３の中心軸方向において磁性体５２の長さＬｍは、コイル５３の長さＬｃよりも短く設定されている。Ｌｍ／Ｌｃは、コギングトルクＴｃ（Ｖ）が小さく、かつ発電量が大きくなるような値（たとえば０．５）に設定されている。

自然エネルギーによってロータ５１を回転駆動させると、永久磁石５３，５４の磁束をコイル５３の銅線が横切ることとなり、コイル５３の端子間に交流電圧が発生する。複数のコイル５３は直列、並列に接続され、発電機からたとえば３相交流電圧が出力される。この実施の形態３でも、実施の形態１，２と同じ効果が得られる。

図９は、実施の形態３の比較例となる発電機の構成を示す図であって、図８と対比される図である。図９において、この発電機が図８の発電機と異なる点は、ステータ５０がステータ５５で置換されている点である。ステータ５５は、ステータ５０から磁性体５２を削除したものである。すなわち、Ｌｍ／Ｌｃ＝０である。この発電機では、コイル５３内部の磁性体５２を完全に無くしたので、図２で示したように、コギングトルクＴｃ（Ｎ・ｍ）を０にすることができるが、発電量が低下してしまう。

今回開示された実施の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説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、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ことが意図される。

１，２０，３０，４１ ロータ、２ 円筒部材、３，４，２１〜２４，４３，４４ 永久磁石、１０，１５，５５ ステータ、１１，１２，３１，５１，５２ 磁性体、１３，５３ コイル。

Claims (9)

1. 回転方向に配列された複数の永久磁石を含むロータと、
   前記複数の永久磁石に対向して設けられ、各々が前記ロータの回転時に交流電圧を発生する複数のコイルを含むステータと、
   それぞれ前記複数のコイル内に設けられた複数の磁性体とを備え、
   前記コイルの中心軸方向において前記磁性体の長さは前記コイルの長さよりも短い、発電機。
2. 前記複数の永久磁石は、前記ロータの回転方向に配列された第１および第２の永久磁石を含み、
   前記第１の永久磁石のＳ極は前記ステータ側に向けられ、前記第２の永久磁石のＮ極は前記ステータ側に向けられている、請求項１に記載の発電機。
3. 前記複数の永久磁石は、前記ロータの回転方向に配列された第１〜第４の永久磁石を含み、
   前記第１の永久磁石のＳ極は前記ステータ側に向けられ、前記第２の永久磁石のＳ極は前記第１の永久磁石側に向けられ、前記第３の永久磁石のＮ極は前記ステータ側に向けられ、前記第４の永久磁石のＮ極は前記第３の永久磁石側に向けられている、請求項１に記載の発電機。
4. 前記ロータは第１のバックヨークをさらに含み、
   前記複数の永久磁石の一方端は前記複数のコイルに対向して設けられ、前記複数の永久磁石の他方端は前記第１のバックヨークに固定されている、請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の発電機。
5. 前記ステータは第２のバックヨークをさらに含み、
   前記複数の磁性体の一方端は前記複数の永久磁石に対向して設けられ、前記複数の磁性体の他方端は前記第２のバックヨークに固定されている、請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の発電機。
6. 前記複数のコイルの各々は断面四角形状の電線を巻回したものである、請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の発電機。
7. 前記発電機はラジアルギャップ型である、請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の発電機。
8. 前記発電機はアキシアルギャップ型である、請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の発電機。
9. 前記発電機は風力発電または水力発電に使用される、請求項１から請求項８までのいずれか１項に記載の発電機。

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