JP2018515061A - 永久磁石発電機の構成方法 - Google Patents

Abstract

発電機は、第１部品として、互いに離隔した、円板状で環状である複数のロータのスタックを備える。このスタックは、同軸上で細長い中心部材に配置され、その細長い中心部材と共に回転する。各ロータは内側環状部及び外側環状部を有する。外側環状部は、磁性環を担持し、及び／又は磁性環を備える。１以上のスペーサは、各ロータの内側環状部の間において、同軸上で中心部材の周囲に取り付けられる。このスペーサは、各ロータの内側環状部の間に所望の間隔を空けて、その内側環状部がアセンブリの長手方向軸に直交する状態を維持するように固定された状態で、その内側環状部に当接する。発電機は、第２部品として、複数の環状ステータのスタックを備える。このスタックは、複数のロータ間に配置され、スペーサの外側に配置されており、このスタックの内側間隙の直径は、スペーサのうち環状ステータが配置された外側部分の外径より大きい。

Description

本発明は、アキシャル型永久磁石回転式発電機の改良された構成方法に関する。特に本発明は、同時係属中の特許出願番号ＧＢ１３２０６２３．０に記載された発電機の改良された構成方法に関する。

軸方向に磁化された発電機は、互いに離隔して配置されたロータのスタックから構成されており、ロータのスタックにトルクを伝達するために、ロータのスタックが共通の中心軸に沿って、共通の中心軸に取り付けられることが知られている。コイル搬送プレートの形態を有するステータのスタックは、ロータ間に配置されている。ロータは永久磁石を担持しており、ロータの回転により生じる磁場が、ステータ内に埋め込まれたコイルの巻線を横切ることで、電気が生成される。このような構成は、ＵＳ２００８／０２３１１３２に例示されている。

この構成方法は、例えばロータの直径が１メートル以下の小型発電機においては実用的である一方、はるかに大型の構造においては、急速に非実用的となる。メガワットの範囲の出力を備える、洋上風力を捕らえる風力タービンに用いられるような大型発電機では、６メートル乃至８メートルにも及ぶ直径を有するロータを使用する必要がある。

これらの大型スケールの発電機の運転において重要な点は、小さく揺らぎのないエアギャップを、複数のロータに取り付けられた複数の磁石と、これらの磁石の間に配置されたステータと、の間に保持することである。このエアギャップを保持することにより生じる脆弱性は、致命的な故障を招く可能性がある。致命的な故障とは、例えば、ロータ磁石がステータのコイルに接触し、コイルを擦りつけることである。これらの構成においては、単一の中心軸に取り付けられたロータに大きな電磁力が作用する際に、ロータ本来の剛性のみを当てにすることは不適切である。この構成において、磁性材料及び銅材料を効果的かつコスト効率良く使用するためには、必然的に、ロータ及びロータの間に配置されたステータの軸方向幅が著しく薄いものとなる。例えば、軸方向幅はそれぞれ、わずか５０ｍｍである。したがって、ロータ自体が十分な剛性を有するように製造される機会はほとんど与えられない。

本発明によれば、発電機は、第１部品として、互いに離隔した、円板状で環状である複数のロータのスタックを備える。このスタックは、同軸上で細長い中心部材に配置され、その細長い中心部材と共に回転する。各ロータは内側環状部及び外側環状部を有する。外側環状部は、磁性環を担持し、及び／又は磁性環を備える。１以上のスペーサは、各ロータの内側環状部の間において、同軸上で中心部材の周囲に取り付けられる。このスペーサは、各ロータの内側環状部の間に所望の間隔を空けて、その内側環状部がアセンブリの長手方向軸に直交する状態を維持するように固定された状態で、その内側環状部に当接する。発電機は、第２部品として、環状ステータのスタックを備える。このスタックは、複数のロータ間に配置され、スペーサの外側に配置されており、このスタックの内側間隙の直径は、スペーサのうち環状ステータが配置された外側部分の外径より大きい。

実際には、スペーサは、１つ以上の管状部材を備えてよい。

この手段によれば、スペーサがロータに当接するため、内側環状部の径方向の幅によって規定される、ロータの少なくとも大部分が、ずれたり、振動したりすることが防止される。典型的なロータは相当な剛性を有する材料から製造されるため、ロータのこの内部固定は、ロータの外側環状部の固定に対して有効であり、したがって、実質的には、外側環状部の撓みの防止、及び上述したエアギャップが損なわれることの防止に対しても有効である。

本発明の特徴によれば、ステータに対応する長手方向位置におけるスペーサ断面の直径は、スペーサのうちロータ側面を押圧する部分の直径未満である。

この手段によれば、ロータの内側環状部の表面を押圧して安定性を付与する管状部材の大きい径を維持しつつ、ステータ自体の内径を相応に小さくできることにより、ステータの固有強度及び剛性を向上させることができる。

発電機を支持する土台の強度及びコストの観点から、風力タービンのナセル等の特定の用途に用いられる発電機の総重量は、相当に重要である。

本発明の特徴によれば、ロータが取り付けられている細長い中心部材は、シリンダの形態を成す。このシリンダは、ロータと、同軸上でロータに取り付けられた管状部材とに対して、芯合わせの手段となる一方、ロータの内側環状部及び外側環状部を組み合わせた径方向の合計幅を大幅に減少させる。したがって、ロータの重量は大幅に低減する。例えば、外径が６メートル、厚さが１０ｍｍであって、各間隔が１００ｍｍで配置された、２０個の鉄製のロータが用いられる典型的な構成が採用される場合において、適度な直径のシャフトに取り付けたときのそれらの合計重量は、約４０トンである。このシャフトを、例えば直径４メートルのシリンダに置換すると、このロータの重量はほぼ半減して２２トンとなり、アルミニウム製である支持シリンダの重量はわずか１．３５トンである。

しかしながら、本発明の原理は依然として適用される。設計中、シリンダ外径と管状部材の残存する径方向幅との間でバランスが取られることにより、十分な体積が確保される。管状部材に設けられた側面により、管状部材が設けられたロータが支持される。

一つの実施形態では、スペーサの外径（例えば、ステータに対応する長手方向位置、又はスペーサの最大直径、又はスペーサがロータを押圧する位置）は、磁性環の外径の、少なくとも半分、好ましくは少なくとも３分の２である。これは、ロータの最高速度の位置にステータコイル及びロータ磁石が配置される点、及びスペーサによって固定しようとする有効面積を残す点から、ロータの安定性に対して有益である。

管状部材の使用によって生じる利点は、製造中にロータ永久磁石を配置するための内部基準として、ロータに当接する管状部材の外周を使用可能な点である。したがって、磁性環の永久磁石はスペーサに当接する。

一つの態様では、発電機は、第１部品として、互いに離隔した、円板状で環状である複数のロータのスタックを備える。各ロータは内側環状部及び外側環状部を有する。外側環状部は、磁性環を担持し、及び／又は磁性環を備える。各ロータの内側環状部の間に、１以上のスペーサが配置される。このスペーサは、各ロータの内側環状部の間に所望の間隔を空けて、その内側環状部がアセンブリの長手方向軸に直交する状態を維持するように固定された状態で、その内側環状部に当接する。スペーサ及びロータは、スペーサ及びロータを貫通する複数のボルトによって、共に長手方向に固定される。発電機は、第２部品として、複数の環状ステータのスタックを備える。このスタックは、複数のロータ間に配置され、スペーサの外側に配置されており、スタックの内側間隙の直径は、スペーサのうち環状ステータが配置された外側部分の外径より大きい。この態様における利点は、組立コストの削減である。

一つの実施形態では、スペーサ及び／又はロータは、第１部品の細長い中心部材／長手方向中心軸から径方向に離隔している。一つの実施形態では、第１部品の長手方向中心軸とロータ及び／又はスペーサの内径との間の距離は、ロータの外径の少なくとも１／２である。この態様における利点は、軽量化である。

本発明について、添付図面を参照しながら、本発明について説明する。

図１は、シャフトに取り付けられたロータを示す。ロータ間には、管状部材は設けられていない。 図２は、管状支持部材を備えたロータを示す。 図３は、原寸に比例した、ロータ及びステータの概略図を示す。 図４は、外形が変更された管状部材を備えた、図２のロータを示す。 図５は、図４のステータの正面図である。 図６は、中心シリンダに図２のロータが取り付けられた状態を示す。 図７は、ロータプレート及びこれに固定された管状部材の正面図である。 図８は、別の実施形態の断面図である。

図１を参照して、従来の発電機の断面図が１０に示されている。発電機の第１部品であるスタックの円形ロータプレートが、１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄに示されている。各円形ロータプレートが、その両側に、周方向に連続した永久磁石１２、１３を担持し、又は永久磁石１２、１３を備えることにより、磁性環が形成される。記号Ｓ及びＮで示されるように、対向する磁石は、エアギャップ１４を横断して引き合う。複数のロータを相対的に配置し、外部ソース（不図示）からロータにトルクを伝達させるために、複数のロータが（シャフトの形態の）細長い中心部材１５に取り付けられている。発電機の第２部品である固定ステータプレート１６ａ、１６ｂ、１６ｃのスタックは、エアギャップ１４内に配置されている。固定ステータプレート１６ａ、１６ｂ、１６ｃの外縁には、連続したコイル１７が周回して設けられている。シャフト１５によってロータが回転し、磁束がエアギャップを横断してステータに埋め込まれたコイルの巻線を横切ることで、電力が発生する。

実際には、磁石の表面とコイルとの間のエアギャップを実現可能な範囲で最小とした配置となるように構成することが望ましい。このギャップを小さくするほど、磁束密度が大きくなるため、発生する電磁力（ｅｍｆ）も大きくなる。しかしながら、図示された配置からの考察で明らかなように、矢印１８に示すようなロータの軸方向変位によって、磁石が、複数の磁石の間に配置されたステータを擦りつける可能性がある。ロータの軸方向変位は、例えば、発電中に生じる機械的なミスアラインメントや寄生振動によって発生する可能性がある。

これに対する、本発明による解決策を、図２を参照して示す。図２において、図１に示された構成要素と同一の構成要素については、同一の参照番号で表している。一方、本実装においては、主要な構成要素である、スペーサ１９、２０、２１が追加されている。スペーサ１９、２０、２１は、好ましくは管状部材の形態を成す。図示のように、ステータの中央部が図１の配置と比較して広がっていることで、スペーサがステータを貫通して収容される。スペーサはロータの側面に当接することで、横方向の安定性を付与し、横方向に振動する傾向は実質的に排斥される。スペーサは、アセンブリ全体を貫通する締付ボルト２２により、ロータと堅固に接触して固定される。したがって、スペーサは、各ロータの内側環状部の間において、同軸上で、中心部材１５の周囲又は中心部材１５に取り付けられる。これらのスペーサは、各ロータの内側環状部の間に所望の間隔を空けて、その内側環状部がアセンブリの長手方向軸に直交する状態を維持するように固定された状態で、その内側環状部に当接する。各ロータの外側環状部は、磁性環を形成する磁石を担持し、又はその磁石を備える。ステータは、複数のロータ間に配置され、スペーサの外側に配置される。ステータの内側間隙の直径は、スペーサの外径より大きい。

スペーサを設けることにより、スペーサが設けられていないときと比べ、エアギャップの厳密かつ安全性の高い最適化が可能となる。例えば、１０ｍｍ以上にも及ぶギャップが必要である場合において、数ミリメートルまでの最適化が可能となる。

図３を参照して、管状部材の機能の重要性が最も考慮される。図１及び図２の構成は、縮尺通りに示されていないが、明瞭化のためにこれらの比率で図示されている。一方、本発明に従って構成された発電機の縮尺通りの実際の実装を図３に示す。ステータ２５がロータ２３、２４の間に配置される構成が示されている。図に示す２つのロータのスケールは、直径８メートルに対して、全体の厚さ（ロータに取り付けられた磁石を含む）がわずか８０ｍｍである。同様に、ステータ２５の厚さもわずか８０ｍである。（これらの適度な寸法は、電磁設計の検討、特に、磁性材料の適切な活用及び発電のために発生させる磁場強度の検討に関連して必要である。）したがって、ロータを固定して軸方向の撓みの発生を防止するためには、図３の２６に示すようなスペーサの使用が重要である、との印象が得られる。

本発明に従って構成される大型スケールの発電機の場合、ロータの外側環状部（永久磁石を支持する部分）の径方向幅は、その径方向寸法全体のわずか一部、例えば半分以下、又は３分の１以下、あるいは３メートルのうちわずか１メートルを占めるように選択される。これは、ロータ磁石によってステータコイルに誘起される起電力がステータコイルを横切る磁界の並進速度に比例し、可能な限り最も遠い直径において磁路の速度が最高となるためである。したがって、ロータ及びステータの生成領域をこの外側バンドに集中させることが有利である。この効果は、ロータの周囲に周回して配置された磁石の数及びステータの周囲に周回して配置されたステータコイルの数もまた、磁石及びコイルがアクティブとなる半径に正比例する、という事実にさらに影響される。すなわち、これら２つの効果が組み合わさるため、３メートルの半径でアクティブな磁石及びコイルのバンドは、１メートルで動作するバンドと比べて、発電の観点から９倍効果的となる。

したがって、ロータの内側環状部の残存した直径は、直径全体のうち相当な割合、上述の例を考慮すると、例えば６６％となることが理解され得る。これにより、大きい直径を有するスペーサ又は管状部材によって固定しようとする有効面積に自由度を残し、ロータの安定性が有利なものとなる。すなわち、スペーサの外径は、磁性環の外径の少なくとも半分であることが望ましく、磁性環の外径の少なくとも３分の２であることが好ましい。

一方、このようなスペーサ又は管状部材の大きい直径では、これに対応して、複数のロータ間に配置されたステータプレートにおいて、さらに大きい内側間隙の直径が必要である。これにより、ステータの構成材料の全体量を低減することができる。この構成は、スペーサ自体が、発電中に生じる非常に大きいトルクに耐久できなければならないため、機械的剛性の観点から不利である。

図４を参照すると、図２の構成が再び示されているが、管状部材２６の変形例が示されている。管状部材の中央部分は２７で示されているが、この部分の直径は小さくなっている。この変形の理由は、以下の通りである。発電中、ステータの本体は、そのコイル内で発生したｅｍｆの結果として生じる、上述の非常に大きなトルクを受ける。大型の発電機の場合、このトルクが数十万ニュートンメートルに達する可能性がある。ステータの本体は、この力に耐久できなければならず、耐用期間の間、周期的な内部トルク力を受けることによって生じる応力破壊又は他の機械的破壊を回避できなければならない。

図５の２７に示すように、管状部材２６の外径に段差変化２７が存在することにより、これと同等に内径が縮小するため、構造強度の点でステータは有益である。したがって、上述の内力に対して、より対処することができる。

すなわち、ステータに対応する長手方向位置におけるスペーサ断面の直径は、スペーサのうちロータ側面を押圧する部分の直径未満である。

大型の発電機の場合、ロータプレートが相当な重量を有する。２０個のロータプレートアセンブリのプレート重量は、４０トンを超える。このことは、多くの設備、特に、例えば発電機が洋上風力タービンのナセル内で使用される場合には、望ましくない。このような特定の場合には、海底地盤等の建設のサイズ及びコストに、発電機の重量が著しく反映される。

この重量を低減する方法を図６に示す。ロータは、図１及び図２の１５に示すような中心軸に固定された構造ではなく、シリンダ２８の外面に取り付けられている。シリンダは、軸受手段（不図示）によって支持されており、ロータを配置してロータにトルクを伝達するために役立つ。上述の軸を使用せずにシリンダを使用することにより、重量を大幅に節約することができる。例えば、上述の重量４０トンを、わずか２２トンまで、ほぼ半減させることができる。シリンダはアルミニウム製であってよく、問題となるサイズの例では、わずか１．８トンである。

管状部材２６及びロータの双方により軽質な材料を含有させることも、自明の節約であることは明らかである。

製造中にロータプレートに対して永久磁石を配置して接着させるためには、当然のことながら、いくつかの基準点が必要である。これにより、径方向における一貫した位置決めが、全体に亘って確実なものとなる。この位置決めを確実なものとする便利な方法は、図７を参照して示されている。図７にはロータプレートの正面図が１１で示されており、いくつかの永久磁石が、２９、３０、３１で示されている。図６において２６で示される管状部材は、斜線付きの円２９（及びシリンダ２８）で示されている。ロータに当接する場所における管状部材の外径ｄは、磁石によって形成される環状部の設計内径に等しくなるように選択される。この手段によれば、磁石を部材２９に対して容易に配置（例えば、当接）し得るため、組立工程中において磁石の正確かつ一貫した径方向位置合わせが達成される。

図２、図４及び図８の２２に示すように、入手可能な市販のドローボルトが有する機械的強度、直径及び真直度は優れている。例えば、断面直径の公差の変動に関しては、公称直径２０ｍｍのボルトにおける公差の変動を、わずか＋−０．１ｍｍ以内に抑えることができる。この品質を利用し、かつ本発明の別の態様によれば、図６及び図７に示す上述のアルミニウム製シリンダ２８を完全に省略できる。この場合、シリンダを使用しないため、ロータ３３、３４、３５、３６と、複数のロータ間に配置されたスペーサ３７、３８、３９とに設けられる貫通穴の配置及び精密牙孔を十分厳密に規定することにより、ドローボルト２２を締め付けさえすれば、すべてのロータ及びロータ間のスペーサが互いに一直線に固定される。組立中、ボルト２２が貫通するねじ切りを許容するために、ある程度の公差間隔が存在しなければならず、機械的に完全ではないが、実用的な実験においてこの方法が完全に実行可能であることが示されている。この方法は特に、ロータが完全に平衡を保つことを必須としていない低ｒｐｍの発電機に適している。上述の例を考慮すると、総重量はさらに１．３５トン減少し、コスト及び組立も同等に低減される。

複数のドローボルト２２は、第１部品を貫通して（すなわち、ロータ及びスペーサを貫通して）、ロータ及びスペーサを共に長手方向に固定する。一つの実施形態では、スペーサは、ドローボルト２２によって、ロータと接触した状態で固定される。図８に示すように、スペーサ及びロータは、中心軸、特に細長い中心部材１５から径方向に離隔している。これにより、重量が低減される。細長い中心部材１５（又は長手方向軸）とロータ／スペーサの内径との間の距離は、ロータの外径の１／２から２／３までの間であってよい。

シリンダが存在しない場合、トルクは、図８に示すように、ロータアセンブリの各外端に取り付けられた外側ディスク３２に固定された細長い中心部材１５（軸）によって、アセンブリに伝達される。ロータ及びスペーサは、複数の外側ディスク３２の間に配置されている。トルクは、細長い中心部材１５から、外側ディスク３２（及びドローボルト２２）を介して、ロータに伝達される。一つの実施形態では、外側ディスク３２は一つのみ存在している。上述のようにトルクを伝達するために、細長い中心部材１５を外側ディスクに固定することができる。または、外側ディスクは、中心部材に取り付けられた軸受４０を中心として回転してよいが、この場合、細長い中心部材１５は固定されている。有利には、細長い中心部材１５は、第１部品の中心を貫通して第１部品を均一に支持する。一方、一つの実施形態では、細長い中心部材１５は第１部品（第１部品全体）を貫通せず、第１部品の片側において軸方向に突出する（のみである）。

多くの変形形態が当業者には明らかであろう。

Claims (13)

1. 第１部品として、互いに離隔した、円板状で環状である複数のロータのスタックと、
   第２部品として、複数の環状ステータのスタックと、を備え、
   前記ロータのスタックは、同軸上で細長い中心部材に配置され、前記細長い中心部材と共に回転し、
   前記各ロータは、内側環状部及び外側環状部を有し、
   前記外側環状部は、磁性環を担持し、及び／又は磁性環を備え、
   １以上のスペーサは、前記各ロータの前記内側環状部の間において、同軸上で前記細長い中心部材の周囲に取り付けられ、
   前記１以上のスペーサは、前記各ロータの前記内側環状部の間に所望の間隔を空けて、前記内側環状部がアセンブリの長手方向軸に直交する状態を維持するように固定された状態で、前記内側環状部に当接しており、
   前記環状ステータのスタックは、複数の前記ロータの間に配置され、前記スペーサの外側に配置されているとともに、前記環状ステータのスタックの内側間隙の直径は、前記スペーサのうち前記環状ステータが配置された外側部分の外径より大きい、発電機。
2. 前記スペーサが１以上の管状部材を備える請求項２に記載の発電機。
3. ステータに対応する長手方向位置における前記スペーサの断面の直径は、前記スペーサのうち前記ロータの側面を押圧する部分の直径未満である請求項１又は２に記載の発電機。
4. 前記ロータが取り付けられている前記細長い中心部材がシリンダの形態を成す請求項１乃至３のいずれか１つに記載の発電機。
5. 前記磁性環の永久磁石が前記スペーサに当接する請求項１乃至４のいずれか１つに記載の発電機。
6. 前記スペーサの外径は、前記磁性環の外径の、少なくとも半分であり、好ましくは少なくとも３分の２であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１つに記載の発電機。
7. 前記発電機はさらに、前記第１部品を貫通して、前記スペーサを前記ロータと接触した状態で固定する、複数のボルトを備える請求項１乃至６のいずれか１つに記載の発電機。
8. 第１部品として、互いに離隔した、円板状の環状である複数のロータのスタックと、
   第２部品として、複数の環状ステータのスタックと、を備え、
   前記各ロータは内側環状部及び外側環状部を有し、
   前記外側環状部は、磁性環を担持し、及び／又は磁性環を備え、
   前記各ロータの前記内側環状部の間に、１以上のスペーサが配置され、
   前記１以上のスペーサは、前記内側環状部の間に所望の間隔を空けて、前記内側環状部がアセンブリの長手方向軸に直交する状態を維持するように固定された状態で、前記内側環状部に当接しており、
   前記スペーサ及び前記ロータは、前記スペーサ及び前記ロータを貫通する複数のボルトによって、共に長手方向に固定されており、
   前記環状ステータのスタックは、複数の前記ロータの間に配置され、前記スペーサの外側に配置されているとともに、前記環状ステータのスタックの内側隙間の直径は、前記スペーサのうち前記環状ステータが配置された外側部分の外径より大きい、発電機。
9. 前記発電機はさらに、細長い中心部材を備え、
   環状の前記ロータ及び前記スペーサは、前記細長い中心部材と同軸であって、前記細長い中心部材と共に回転する請求項８に記載の発電機。
10. 前記スペーサ及び／又は前記ロータは、前記細長い中心部材から径方向に離隔していることを特徴とする請求項１乃至７、９のいずれか１つに記載の発電機。
11. 前記発電機はさらに、複数の外側ディスクを備え、
    前記ロータ及び前記スペーサは、複数の前記外側ディスクの間に配置され、
    複数の前記外側ディスクは、前記ロータから前記細長い中心部材にトルクを伝達する請求項１乃至７、９、１０のいずれか１つに記載の発電機。
12. 前記第１部品の長手方向中心軸と前記ロータ及び／又は前記スペーサの内径との間の距離は、前記ロータの外径の少なくとも１／２であることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１つに記載の発電機。
13. 添付の図面を参照してここに実質的に開示され、及び／又は添付の図面に実質的に示されている発電機。