JP2015061464A - 永久磁石回転電機、および、風力発電システム - Google Patents

永久磁石回転電機、および、風力発電システム Download PDF

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Abstract

【課題】巻線の銅損が大きくなることを防止し、効率を向上可能な、永久磁石回転電機等を提供する。
【解決手段】実施形態の永久磁石回転電機は、ロータコアとステータコアとを有する。ロータコアは、回転軸に取付けられており、永久磁石が設けられている。ステータコアは、回転軸の径方向においてロータコアに対向して配置されており、スロットに巻線が設けられている。ここでは、巻線が集中巻きで巻回されている。また、毎極毎相スロット数qが下記の関係式(A)を満たす分数になるように構成されている。
1/4<q<1/2 ・・・(A)
【選択図】図6

Description

本発明の実施形態は、永久磁石回転電機、および、風力発電システムに関する。
永久磁石回転電機は、ロータコアに永久磁石が設けられたロータ(回転子)と、ステータコアのスロットに巻線(コイル)が設けられたステータ(固定子)とを含む。永久磁石回転電機は、たとえば、インナーロータタイプであって、回転軸の径方向においてロータの外側にステータが配置されている。
永久磁石回転電機は、たとえば、風力発電システムにおいて発電機として利用されている(たとえば、特許文献1参照)。この永久磁石回転電機は、分布巻きの巻線を含み、毎極毎相スロット数qが、1<q≦3/2の関係を満たす分数になるように構成されている。たとえば、この永久磁石回転電機は、3相交流発電機(相数m=3)であって、14極の永久磁石(極数p=14)と、48個のスロット(スロット数s=48)とを備えている場合、毎極毎相スロット数qが8/7である(q=s/(m×p)=48/(3×14))。
上記のように構成(分数スロット)することにより、永久磁石回転電機においては、毎極毎相スロット数qを同じにする場合に極数pを増加したときでも、毎極毎相スロット数qが整数の場合(整数スロット)と比べて、採用しうるスロット数sの種類が増える結果、スロット数sが増加することを抑制することができる。また、低速の発電機において誘導される電圧の周波数を大きくするために、極数pを増加させた場合でも、分数スロットの場合は整数スロットに比べてスロット数の増加を抑えることができるため、スロットを形成するときの打ち抜き工程数が増加することを抑制することができる。
特許4725684号
近年、風力発電システムは、洋上に設置され、大容量化が進められている。これに伴って、風力発電システムは、風車ブレードの大直径化と強度の関係から、低速化が求められている。さらに、風力発電システムは、洋上への設置に対応して、保守の軽減と信頼性の向上を実現するために、風車と発電機との間に増速機を設置せずに、低速で発電機を直接駆動させる場合がある。たとえば、一分間当たり10回転程度の条件で、発電機の駆動が行われる。
発電システムの出力部において50Hzから60Hzの電圧を出力するために、発電機の出力はインバータにおいて周波数が変換される。しかし、インバータに入力される周波数の下限(入力下限周波数)は、たとえば、10Hz前後であるので、その下限の周波数に発電機の発電電圧をするためには、極数pを大きくする必要がある。たとえば、極数pが120から140極になる。また、この場合において、上記の永久磁石回転電機(特許文献1)を発電機として利用するときには、スロット数sが480個になる。
このような事情により、永久磁石回転電機においては、スロット1個当たりの断面積が小さくなり、スロット内において絶縁膜が占める割合が大きくなるので、スロット内に挿入可能な巻線は、断面積が小さくなる。その結果、永久磁石回転電機においては、巻線の銅損が大きくなり、発電などの効率を十分に向上させることが困難な場合がある。特に、低速で駆動する発電機として永久磁石回転電機を利用するときには、上記の不具合の発生が顕在化する場合がある。
したがって、本発明が解決しようとする課題は、巻線の銅損が大きくなることを防止し、効率を向上可能な、永久磁石回転電機、および、風力発電システムを提供することである。
実施形態の永久磁石回転電機は、ロータコアとステータコアとを有する。ロータコアは、回転軸に取付けられており、永久磁石が設けられている。ステータコアは、回転軸の径方向においてロータコアに対向して配置されており、スロットに巻線が設けられている。ここでは、巻線が集中巻きで巻回されている。また、毎極毎相スロット数qが下記の関係式(A)を満たす分数になるように構成されている。
1/4<q<1/2 ・・・(A)
図1は、実施形態に係る風力発電システムの主要部を示す図である。 図2は、実施形態に係る永久磁石回転電機の主要部を示す図である。 図3は、実施形態に係る永久磁石回転電機の主要部を示す図である。 図4は、実施形態に係る永久磁石回転電機において、ステータコアの一部を示す図である。 図5は、実施形態に係る永久磁石回転電機において、巻線の配置を模式的に示す図である。 図6は、実施形態に係る永久磁石回転電機において、毎極毎相スロット数qと巻線係数Kとの関係、および、毎極毎相スロット数qと銅損比率Zとの関係を示す図である。 図7は、実施形態に係る風力発電システムの変形例について、主要部を示す図である。
実施形態について、図面を参照して説明する。
[A]風力発電システムの構成
図1は、実施形態に係る風力発電システムの主要部を示す図である。図1では、風力発電システムの側面を模式的に示しており、一部については断面を示している。
風力発電システム1は、図1に示すように、たとえば、アップウィンド型のプロペラ風車であって、タワー2と、ナセル3と、ロータハブ4と、ブレード5とを有する。
風力発電システム1のうち、タワー2は、垂直方向に沿って延在しており、地中に埋め込まれた基台(図示省略)に下端部が固定されている。
ナセル3は、タワー2の上端部に設置されている。ナセル3の内部には、永久磁石回転電機10が発電機として収容されている。永久磁石回転電機10は、回転軸11が水平方向にほぼ沿うように延在しており、その回転軸11が軸受11Jに回転自在に支持されている。
ロータハブ4は、永久磁石回転電機10の回転軸11に設置されている。
ブレード5は、ロータハブ4に設置されている。ブレード5は、回転軸11の径方向において外方へ延在している。ブレード5は、複数であって、その複数のブレード5は、ロータハブ4を中心にして回転軸11の周方向(回転方向)に等しい間隔で配置されている。
風力発電システム1では、たとえば、回転軸11の軸方向に沿って流れる風をブレード5が受けて回転軸11が回転することによって、永久磁石回転電機10において発電が行なわれる。
[B]永久磁石回転電機10の構成
図2,図3は、実施形態に係る永久磁石回転電機の主要部を示す図である。図2は、永久磁石回転電機の正面を模式的に示している。また、図3は、図2の一部を拡大して示している。なお、図2においては、図3に示している、永久磁石21、スロット31、および、巻線32などの細部について図示を省略している。
永久磁石回転電機10は、図2,図3に示すように、回転軸11と、ロータコア12と、ステータコア13とを有する。
詳細については後述するが、本実施形態では、永久磁石回転電機10は、たとえば、インナーロータタイプの3相交流発電機(相数m=3)として、風力発電システム1(図1参照)に適用されている。また、ステータコア13においては、巻線32が集中巻きで巻回されている。そして、毎極毎相スロット数qが下記の関係式(A)を満たす分数になるように構成されている。
1/4<q<1/2 ・・・(A)
なお、毎極毎相スロット数qは、スロット数sと極数pと相数mとにより、下記の式(B)で表される。
q=s/(p×m) ・・・(B)
以下より、永久磁石回転電機10を構成する各部の詳細について順次説明する。
[B−1]回転軸11
回転軸11は、図2,図3から判るように、円柱形状であって、リブ110を介して、ロータコア12が取付けられている。
[B−2]ロータコア12
ロータコア12は、図2,図3から判るように、円筒形状であって、内径が、回転軸11の外径よりも大きい。ロータコア12は、回転軸11の径方向において内周面が回転軸11の外周面に対向して配置されており、回転軸11と同軸である。ロータコア12は、リブ110を介して、回転軸11に固定されており、回転軸11の回転に伴って回転する。
ロータコア12は、たとえば、複数の電磁鋼板を積層することによって形成されている。この他に、ロータコア12については、たとえば、鉄などの強磁性体を円形に折り曲げて形成してもよく、強磁性体を円筒形状にした鋳物等として形成してもよい。
図3に示すように、ロータコア12は、永久磁石21が設けられている。永久磁石21は、ロータコア12の外周部に複数が設置されている。複数の永久磁石21は、回転軸11(図2参照)の周方向(回転方向)において、極性が交互になるように等しいピッチで配置されている。
図3では、8つの永久磁石21が示されているが、本実施形態では、たとえば、160個の永久磁石21がロータコア12の外周部に取付けられている。
[B−3]ステータコア13
ステータコア13は、図2,図3から判るように、円筒形状であって、内径が、ロータコア12の外径よりも大きい。ステータコア13は、回転軸11の径方向において内周面がロータコア12の外周面に対向して間を隔てて配置されており、回転軸11とロータコア12とのそれぞれと同軸である。
図2に示すように、本実施形態では、ステータコア13は、複数のステータコア部材13A〜13Fを組み合わせて構成されている。たとえば、ステータコア13は、互いに同じ形状で分割されていた6つのステータコア部材13A〜13Fを組み合わせることによって構成されている。
図3に示すように、ステータコア13は、内周面にスロット31が複数形成されている。複数のスロット31は、回転軸11(図2参照)の周方向(回転方向)において、等しいピッチで配列されている。
本実施形態では、ステータコア13にスロット31が形成されるスロット数sは、ステータコア13を構成する複数のステータコア部材13A〜13Fの数の整数倍である。図3では、スロット番号が1番(#1)から9番(#9)までのスロット31を示している。しかし、本実施形態では、全周に亘ってスロット31が形成されているので、たとえば、スロット番号が1番(#1)から180番(#180)までのスロット31が形成されている。つまり、ステータコア13の内周部には、合計で180個のスロット31が形成されており、スロット数sは、ステータコア部材13A〜13Fの数(6つ)の整数倍である。
図3に示すように、ステータコア13のスロット31には、巻線32が複数設けられている。
本実施形態においては、図3に示すように、U相の巻線32と、V相の巻線32と、W相の巻線32とのそれぞれを含む。U相の巻線32は、図3において「U」および「U*」と示した部分であり、「U」と「U*」とは、互いに流れる電流の向きが逆になることを示している。V相の巻線32、および、W相の巻線32についても同様に示している。
図3に示すように、巻線32は、1つのスロット31に2つの巻線32が配置されている。つまり、巻線32は、いわゆる二重巻きになっている。たとえば、スロット番号が1番(#1)のスロット31においては、V相の巻線32と、W相の巻線32との両者が配置されている。
図4は、実施形態に係る永久磁石回転電機において、ステータコアの一部を示す図である。図4は、図3において一のスロット部分を拡大して示している。
図4に示すように、ステータコア13においてスロット31が形成された部分と、巻線32との間には、絶縁膜33が形成され、両者の間が電気的に絶縁されている。
また、図4に示すように、1つのスロット31において配置された2つの巻線32の間にも、絶縁膜33が形成され、両者の間が電気的に絶縁されている。
なお、絶縁膜33の厚みtは、永久磁石回転電機10において誘導される電圧の大きさなどによって決定される。このため、スロット31の断面積を小さくしても絶縁膜33の厚みtが変わらないので、スロット31の断面積を小さくしたときには、スロット31の断面積において絶縁膜33が占める割合が大きくなる。
図5は、実施形態に係る永久磁石回転電機において、巻線の配置を模式的に示す図である。図5では、図3と同様に一部について示している。また、図5では、図3と同様に、「U」,「U*」,「V」,「V*」,「W」,「W*」を用いて、巻線の配置を示している。
図5に示すように、U相の巻線32と、V相の巻線32と、W相の巻線32とのそれぞれは、巻回されるスロット31のピッチが1である。
具体的には、U相の巻線32は、スロット番号#4(U*)のスロット31と、スロット番号#5(U)のスロット31とにおいて、巻回されている。同様に、U相の巻線32は、スロット番号#5(U)のスロット31とスロット番号#6(U*)のスロット31とにおいて巻回されると共に、スロット番号#6(U*)のスロット31と、スロット番号#7(U)のスロット31とにおいて巻回されている。
V相の巻線32は、スロット番号#1(V*)のスロット31と、スロット番号#2(V)のスロット31とにおいて、巻回されている。同様に、V相の巻線32は、スロット番号#2(V)のスロット31とスロット番号#3(V*)のスロット31とにおいて巻回されると共に、スロット番号#3(V*)のスロット31と、スロット番号#4(V)のスロット31とにおいて巻回されている。
W相の巻線32は、スロット番号#7(W*)のスロット31と、スロット番号#8(W)のスロット31とにおいて、巻回されている。同様に、W相の巻線32は、スロット番号#8(W)のスロット31とスロット番号#9(W*)のスロット31とにおいて巻回されると共に、スロット番号#9(W*)のスロット31と、スロット番号#10(W)のスロット31とにおいて巻回されている。
図示を省略しているが、本実施形態では、スロット番号#1からスロット番号#9の間の配置が、スロット番号#1からスロット番号#9以外において、順次、繰り返されている。このため、U相の巻線32とV相の巻線32とW相の巻線32とのそれぞれが60個ずつであって、合計で180個の巻線32が、180個のスロット31に設けられている。このように、本実施形態では、巻線32は、「集中巻き」によって巻回されている。
[B−4]毎極毎相スロット数qについて
本実施形態の永久磁石回転電機10は、上述したように、スロット数sが180個(s=180)であり、極数pが160極(p=160)であり、相数mが3相(m=3)である。
このため、本実施形態の永久磁石回転電機10は、上述の式(B)より、毎極毎相スロット数qが「3/8」の分数である(q=3/8)。したがって、本実施形態の永久磁石回転電機10は、上述の式(A)の関係(1/4<q<1/2)を満足する。
[C]式(A)の関係について
図6は、実施形態に係る永久磁石回転電機において、毎極毎相スロット数qと巻線係数Kとの関係、および、毎極毎相スロット数qと銅損比率Zとの関係を示す図である。
図6では、毎極毎相スロット数qと巻線係数Kとの関係、および、毎極毎相スロット数qと銅損比率Zとの関係について、シミュレーションを行った結果を示している。図6において、横軸は、毎極毎相スロット数qである。これに対して、縦軸は、巻線係数Kまたは銅損比率Zである。この永久磁石回転電機の設計シミュレーションは、毎極毎相スロット数qを変化させて実施している。
上記において、「巻線係数K」とは、永久磁石21と巻線32との間の磁気的結合の度合いを意味する。また、「銅損」とは、巻線32の電気抵抗によって失われるエネルギーを意味しており、「銅損比率Z」とは、毎極毎相スロット数qが1/2の場合における銅損に対する銅損の割合を意味する。すなわち、「銅損比率Z」とは、毎極毎相スロット数qが1/2の場合における銅損を1としたときに、毎極毎相スロット数qを変化させたときの銅損を意味する。
図示を省略しているが、巻線係数Kは、毎極毎相スロット数qが1の場合には、0.966である(q=1のとき、K=0.966)、毎極毎相スロット数qが1よりも小さい範囲(q<1)では、巻線係数Kは、毎極毎相スロット数qが1の場合よりも小さい。しかし、図6に示すように、毎極毎相スロット数qを1/2よりも更に小さくすると(q<1/2)、巻線係数Kは、ほぼ同程度の値で極大になった後に、小さくなる。
銅損比率Zは、図6に示すように、毎極毎相スロット数qが1/2よりも小さく7/20よりも大きい範囲(7/20<q<1/2)では、毎極毎相スロット数qが小さくなるに伴って、小さくなる。そして、毎極毎相スロット数qが7/20前後において、銅損比率Zは、ほぼ一定になる。
これは、以下の理由によると考えられる。毎極毎相スロット数qが7/20よりも小さい場合では、毎極毎相スロット数qがスロット数sに比例するから、スロット数sも小さくなり、スロット31(図4などを参照)1個当たりの断面積が大きくなる。このため、スロット31の内部において絶縁膜33(図4などを参照)が占める割合が小さくなるので、スロット31において巻線32の挿入が可能な面積が大きくなる。また、毎極毎相スロット数qが1/2よりも小さく7/20よりも大きい範囲では毎極毎相スロット数qが小さくなるに伴って巻線係数Kが大きくなるので、スロット31に挿入する巻線数が減少し、電流密度が低くなる。したがって、これらの理由により、毎極毎相スロット数qが1/2よりも小さく7/20よりも大きい範囲(7/20<q<1/2)では、銅損比率Zが低くなると考えられる。つまり、銅損が小さくなる。
また、毎極毎相スロット数qが3/10よりも小さい範囲では、毎極毎相スロット数qが小さくなるに伴って、銅損比率Zが大きくなる。
これは、以下の理由によると考えられる。毎極毎相スロット数qが3/10よりも小さいときには(q<3/10)、スロット数sが小さくなり、スロット31(図4などを参照)1個当たりの断面積が大きくなる。このため、スロット31の内部において絶縁膜33(図4などを参照)が占める割合が小さくなるので、その分、巻線32を挿入することができる面積が大きくなる。しかしながら、毎極毎相スロット数qが3/10よりも小さい範囲では、毎極毎相スロット数qが小さくなるに伴って巻線係数Kの値が小さくなる。その結果、スロット31に挿入する巻線数が増加し、電流密度が高くなるので、スロット面積が増加して効果が打ち消される。したがって、銅損比率Zが大きくなり、銅損が増加すると考えられる。
図6に示すように、毎極毎相スロット数qが上述の式(A)に示すように1/4よりも大きく1/2よりも小さい範囲では、他の範囲よりも、銅損比率Zが低い。つまり、銅損が小さい。
風力発電システムにおいては、ギアや発電機などの要素における総損失のうち、銅損が占める割合が大きい。図6から判るように、銅損は、毎極毎相スロット数qが上述の式(A)に示すように1/4よりも大きく1/2よりも小さい範囲では、通常の集中巻きとなる、毎極毎相スロット数qが1/2の場合よりも小さい。このため、本実施形態では、毎極毎相スロット数qが上述の式(A)を満足するので、風力発電システムの効率を向上させることができる。
なお、毎極毎相スロット数qが増加すると、スロット数sが増加し、スロット31を形成するときの打ち抜き工程の数が増加するため、この点についても考慮して、毎極毎相スロット数qを設定することが好ましい。
[C]まとめ
本実施形態においては、上述したように、毎極毎相スロット数qが下記の関係式(A)を満たす分数になるように構成されている。
1/4<q<1/2 ・・・(A)
具体的には、本実施形態の永久磁石回転電機10は、上述したように、スロット数sが180個(s=180)であり、極数pが160極(p=160)であり、相数mが3相(m=3)である。このため、本実施形態の永久磁石回転電機10は、毎極毎相スロット数qが「3/8」の分数であり(q=3/8)、上述の式(A)の関係を満足する。
したがって、本実施形態の永久磁石回転電機10においては、上述したように、銅損を低減することができる(図6参照)。その結果、本実施形態では、風力発電システム1の効率を向上させることができる。
特に、毎極毎相スロット数qが3/8(q=3/8)であるので、巻線係数Kが0.94を超えて、q<1/2の領域でほぼ最大になる。また、スロット数が適切になり、スロット断面積もほぼ最大になる。このため、両者の効果により、銅損が小さくなり、損失が最小になるので、好適である。
さらに、相数が3相(m=3)であるので、現行の電力システムとの接続において好適となる。
また、本実施形態の永久磁石回転電機10において、ステータコア13は、上述したように、複数のステータコア部材13A〜13Fを組み合わせて構成されている。そして、ステータコア13にスロット31が形成されたスロット数sは、そのステータコア13を構成する複数のステータコア部材13A〜13Fの数の整数倍である。具体的には、ステータコア13の内周部には、合計で180個のスロット31が形成されており、スロット数sは、ステータコア部材13A〜13Fの数(6つ)の整数倍である。このため、本実施形態では、複数のステータコア部材13A〜13Fのそれぞれにおいて互いに等しい数で、スロット31を配置することができる。
[D]変形例
[D−1]変形例1
上記の実施形態では、風力発電システム1において、永久磁石回転電機10を発電機として利用する場合について説明したが、これに限らない。風力発電システム1以外の機器に、永久磁石回転電機10を利用してもよい。
[D−2]変形例2
上記の実施形態では、永久磁石回転電機10の毎極毎相スロット数qが、3/8である場合(q=3/8)について説明したが、これに限らない。上述の式(A)に示したように、毎極毎相スロット数qが1/4よりも大きく1/2よりも小さい範囲(1/4<q<1/2)であれば、毎極毎相スロット数qが3/8以外であってもよい。
[D−3]変形例3
上記の実施形態では、永久磁石回転電機10は、スロット数sが180個(s=180)であり、極数pが160極(p=160)である場合について説明したが、これに限らない。上述の式(A)に示したように、毎極毎相スロット数qが1/4よりも大きく1/2よりも小さい範囲(1/4<q<1/2)になるように、スロット数sおよび極数pを、適宜、選択することができる。
[D−4]変形例4
上記の実施形態では、永久磁石回転電機10において誘導される電圧の相数mが3相(U相,V相,W相)である場合について説明したが、これに限らない。相数mが3相以外でもよい。たとえば、2相でもよいし、4相以上でもよい。
[D−5]変形例5
上記の実施形態では、風力発電システム1において、永久磁石回転電機10の回転軸11にロータハブ4が取付けられている場合について説明したが、これに限らない。
図7は、実施形態に係る風力発電システムの変形例について、主要部を示す図である。図7では、図1と同様に、風力発電システムの側面を模式的に示しており、一部については断面を示している。
図7に示すように、永久磁石回転電機10の回転軸11と、ロータハブ4との間に、ギア20を介在させてもよい。
[D−6]変形例6
上記の実施形態では、永久磁石回転電機10がインナーロータタイプである場合について説明したが、これに限らない。永久磁石回転電機10がアウターロータタイプであってもよい。つまり、回転軸の径方向においてステータの外側にロータが配置される場合であってもよい。
<その他>
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…風力発電システム、2…タワー、3…ナセル、4…ロータハブ、5…ブレード、10…永久磁石回転電機、11…回転軸、11J…軸受、12…ロータコア、13…ステータコア、13A〜13F…ステータコア部材、20…ギア、21…永久磁石、31…スロット、32…巻線、33…絶縁膜、110…リブ

Claims (5)

  1. 回転軸に取付けられており、永久磁石が設けられているロータコアと、
    前記回転軸の径方向において前記ロータコアに対向して配置されており、スロットに巻線が設けられているステータコアと
    を有し、
    前記巻線が集中巻きで巻回されており、
    毎極毎相スロット数qが下記の関係式(A)を満たす分数になるように構成されていることを特徴とする、
    永久磁石回転電機。
    1/4<q<1/2 ・・・(A)
  2. 前記毎極毎相スロット数qが、3/8であることを特徴とする、
    請求項1に記載の永久磁石回転電機。
  3. 相数が3相であることを特徴とする、
    請求項1または2に記載の永久磁石回転電機。
  4. 前記ステータコアは、複数のステータコア部材を組み合わせて構成されており、
    前記スロットが前記ステータコアに形成されるスロット数は、前記ステータコアを構成する複数のステータコア部材の数の整数倍であることを特徴とする、
    請求項1から3のいずれかに記載の永久磁石回転電機。
  5. 請求項1から4のいずれかに記載の永久磁石回転電機
    を有し、
    前記永久磁石回転電機の回転軸が風力によって回転することにより、前記永久磁石回転電機において発電が行われることを特徴とする、
    風力発電システム。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2017200403A (ja) * 2016-04-28 2017-11-02 アイシン精機株式会社 三相同期機およびその製造方法

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110337772B (zh) * 2017-02-02 2022-05-03 西门子歌美飒可再生能源公司 分段定子电机
EP3528372A1 (en) * 2018-02-19 2019-08-21 Siemens Gamesa Renewable Energy A/S Formation of stator coils for use in concentrated winding electrical machine

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4390307A (en) * 1979-08-17 1983-06-28 Rice Alan R Pile-driving apparatus
US4968911A (en) * 1985-11-20 1990-11-06 Allied-Signal Inc. Clam-shell stator construction for electrical machines
FR2759369B1 (fr) * 1997-02-13 1999-04-02 Essilor Int Nouveaux monomeres mono(thio)(meth)acrylates, composes intermediaires pour la synthese de ces monomeres, compositions polymerisables et polymeres obtenus et leurs applications optiques et ophtalmiques
DK173641B1 (da) * 1998-12-15 2001-05-14 Bonus Energy As Generator, fortrinsvis til en vindmølle
WO2003055045A1 (fr) * 2001-12-20 2003-07-03 Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha Machine dynamoelectrique du type a aimants permanents et generateur synchrone du type a aimants permanents utilisant l'energie eolienne
US6742788B1 (en) * 2002-09-17 2004-06-01 Shan-Yuan Chan Replaceable skate assembly
FI119748B (fi) * 2006-12-21 2009-02-27 Kone Corp Sähkömoottori
CN101286687B (zh) * 2007-03-08 2012-07-18 山洋电气株式会社 直线电动机
IT1401625B1 (it) * 2010-08-04 2013-07-26 Nuova Saccardo Motori S R L Generatore a magneti permanenti con effetto cogging ridotto e relativo magnete.
WO2013026088A1 (en) * 2011-08-19 2013-02-28 Newsouth Innovations Pty Limited Interior permanent magnet machine
WO2013161019A1 (ja) * 2012-04-25 2013-10-31 株式会社安川電機 回転電機および風力発電システム
WO2014030246A1 (ja) * 2012-08-23 2014-02-27 株式会社安川電機 回転電機および風力発電システム

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2017200403A (ja) * 2016-04-28 2017-11-02 アイシン精機株式会社 三相同期機およびその製造方法

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