JP4725684B1 - 発電機および風力発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】誘導電圧の波形の歪を小さくし、かつ、巻線の銅損が大きくなるのを抑制することが可能な発電機を提供する。
【解決手段】この発電機１は、永久磁石１４が設けられるロータコア１３と、ロータコア１３と半径方向に対向するように配置され、複数のスロット１７が設けられるステータコア１５と、ステータコア１５のスロット１７に巻回される巻線１６とを備え、スロット１７の数を永久磁石１４の極数と電圧の相数とで除算した値である毎極毎相スロット数ｑが、１＜ｑ≦３／２を満たす分数になるように構成されている。
【選択図】図２

Description

この発明は、発電機および風力発電システムに関し、特に、巻線と、巻線が巻回されるスロットとを備える発電機および風力発電システムに関する。

従来、巻線と、巻線が巻回されるスロットとを備える発電機が知られている（たとえば、特許文献１参照）。

上記特許文献１には、巻線と、巻線が巻回されるスロットとを備える３相電機子巻線（発電機）が開示されている。この３相電機子巻線では、４極の磁石と、４８個のスロットとが設けられている。これにより、毎極毎相スロット数ｑ（＝スロット数／（相数×極数））は、４（＝４８／（３×４）（整数））となる。ここで、毎極毎相スロット数ｑは、１極、１相当たりのスロット数を意味するパラメータであり、１個の極を作るために必要なスロット数を表わしている。

一方、低速の発電機では、誘導される電圧の周波数を大きくするために極数を増加させる必要があることが知られている。このような低速の発電機に、上記のような従来の毎極毎相スロット数ｑが整数の構成を適用する場合において、極数を増加する場合に、毎極毎相スロット数ｑの値を同じに維持しようとすると、その分スロット数も増加するため、スロットを形成する打ち抜き工程数が増加するという不都合がある。そこで、従来では、このような不都合を抑制するために、毎極毎相スロット数ｑが分数にされた発電機が提案されている。このように、毎極毎相スロット数ｑを分数にすることにより、毎極毎相スロット数ｑの値を同じに維持しながら極数を増加させても、毎極毎相スロット数ｑが整数の場合に比べて、スロット数が増加するのを抑制することが可能となる。

特開平７−１４３６９７号公報

しかしながら、分数の毎極毎相スロット数ｑが適用された場合でも、毎極毎相スロット数ｑが小さくなるとスロット数が小さくなり、誘導電圧の歪（正弦波からの歪）が大きくなるという問題点がある。一方、毎極毎相スロット数ｑが大きくなるとスロット数が大きくなり、スロット１個当たりの断面積が小さくなるため、スロット内に設けられる絶縁膜の割合が大きくなる。このため、スロット内に挿入可能な巻線の断面積が小さくなるので、その分、銅損（巻線の電気抵抗によって失われるエネルギー）が大きくなるという問題点がある。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の１つの目的は、誘導電圧の波形の歪を小さくし、かつ、巻線の銅損が大きくなるのを抑制することが可能な発電機および風力発電システムを提供することである。

課題を解決するための手段および発明の効果

上記目的を達成するために、本願発明者が鋭意検討した結果、毎極毎相スロット数ｑを１＜ｑ≦３／２の範囲に設定すれば、上記目的を達成することが可能であることを見い出した。すなわち、この発明の第１の局面による発電機は、永久磁石が設けられるロータコアと、ロータコアと半径方向に対向するように配置され、複数のスロットが設けられるステータコアと、分布巻線方式にてステータコアのスロットに巻回される巻線とを備え、スロットの数を永久磁石の極数と電圧の相数とで除算した値である毎極毎相スロット数ｑが、１＜ｑ≦３／２を満たす分数になるように構成されているとともに、巻線が２個のスロットを間に挟むように巻回されている。

すなわち、本願発明者は、毎極毎相スロット数ｑが１未満（ｑ＜１）の場合では、スロット数が小さくなるので、誘導電圧の波形の正弦波からの歪が大きくなることを見い出した。また、毎極毎相スロット数ｑが３／２より大きい（ｑ＞３／２）場合では、スロット数が大きくなるので、誘導電圧の波形の正弦波からの歪が小さくなる一方、スロット数が大きくなることにより、スロット１個当たりの断面積が小さくなる。このため、スロット内に設けられる絶縁膜の割合が大きくなるので、その分、巻線の挿入可能な面積が小さくなる。その結果、毎極毎相スロット数ｑが３／２より大きい場合には、銅損が大きくなることを見い出した。また、巻線が巻回されるスロットのピッチを、比較的銅損の小さい毎極毎相スロット数ｑが１の場合（４ピッチ）と同程度にして、かつ、毎極毎相スロット数ｑが３の場合の波形の歪よりも歪を小さくするためには、毎極毎相スロット数ｑが、１＜ｑ≦３／２を満たす分数である必要があることを見い出した。これらの知見に基づき、本願発明者は、毎極毎相スロット数ｑを、１＜ｑ≦３／２を満たす分数になるように構成することを見い出した。これにより、誘導電圧の波形の正弦波からの歪が大きくなるのを抑制しながら、銅損が大きくなるのを抑制することができる。なお、毎極毎相スロット数ｑを、１＜ｑ≦３／２を満たす分数になるように構成することにより、誘導電圧の波形の正弦波からの歪が大きくなるのを抑制することと、銅損が大きくなるのを抑制することとは、後述する本願発明者のシミュレーションにより確認済である。

この発明の第２の局面による風力発電システムは、永久磁石が設けられるロータコアと、ロータコアと半径方向に対向するように配置され、複数のスロットが設けられるステータコアと、分布巻線方式にてステータコアのスロットに巻回される巻線とを含み、スロットの数を永久磁石の極数と電圧の相数とで除算した値である毎極毎相スロット数ｑが、１＜ｑ≦３／２を満たす分数になるように構成されているとともに、巻線が２個のスロットを間に挟むように巻回されている発電機と、発電機の回転軸に接続されるブレードとを備える。

この第２の局面による風力発電システムでは、上記のように、毎極毎相スロット数ｑを、１＜ｑ≦３／２を満たす分数になるように構成することにより、誘導電圧の波形の正弦波からの歪が大きくなるのを抑制し、かつ、銅損が大きくなるのを抑制することが可能な風力発電システムを得ることができる。

本発明の一実施形態による風力発電システムの全体構成を示す図である。 本発明の一実施形態による風力発電システムの発電機の平面図である。 本発明の一実施形態による発電機のステータコアの拡大図である。 本発明の一実施形態による発電機の永久磁石の拡大図である。 本発明の一実施形態による発電機の巻線のスロットへの配置を示す図である。 本発明の一実施形態による発電機の毎極毎相スロット数ｑに対する波形歪率について行ったシミュレーションの結果を示す図である。 本発明の一実施形態による発電機の毎極毎相スロット数ｑに対する銅損比率について行ったシミュレーションの結果を示す図である。 本発明の一実施形態の変形例による風力発電システムの全体構成を示す図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

まず、図１〜図４を参照して、本実施形態による風力発電システム１００の構成について説明する。

図１に示すように、風力発電システム１００は、発電機１と、発電機１を収納するためのナセル２と、ロータハブ３と、ブレード４と、タワー５とによって構成されている。発電機１は、ナセル２に収納されている。また、ロータハブ３は、発電機１の回転軸１１に取り付けられている。また、ロータハブ３には、複数のブレード４が取り付けられている。また、ナセル２は、タワー（支持柱）５に取り付けられている。

図２に示すように、発電機１は、回転軸１１と、回転軸リブ１２と、ロータコア１３と、永久磁石１４と、ステータコア１５と、巻線１６とから構成されている。回転軸１１は、回転軸リブ１２を介して、ロータコア１３に取り付けられている。ロータコア１３は,たとえば電磁鋼板を積層して形成される。なお、ロータコア１３は、たとえば、鉄などの強磁性体部材を円形に折り曲げたものであってもよいし、円筒形の強磁性体部材であってもよい。また、円筒形の強磁性体部材は、鋳物等により構成されてもよい。

ロータコア１３の外周部には、複数の永久磁石１４が取り付けられている。図２では、１４個の永久磁石１４がロータコア１３の外周部に取り付けられている。なお、発電機１の回転数と、誘導される電圧の周波数と、極数との関係は、下記の式（１）によって表わされる。

回転数＝１２０×ｆ／ｐ ・・・（１）
ここで、ｆは、周波数を表わし、ｐは、極数を表わす。一般的に、大型の風力発電システムでは、回転数が比較的小さくなり、たとえば１分間当たり２０回転程度である。このような回転数が比較的小さい風力発電システムにおいて、周波数ｆが５０Ｈｚ〜６０Ｈｚ程度の電圧を発電しようとする場合、極数ｐを大きくする必要がある。すなわち、大型の風力発電システムでは、本実施形態のように、永久磁石１４を比較的多く備える必要がある。

また、ロータコア１３の半径方向に対向するように、ステータコア１５が配置されている。ステータコア１５には、複数のスロット１７がステータコア１５の内側に形成されている。図２では、４８個のスロット１７がステータコア１５に形成されている。

また、ステータコア１５は、６つのコア１５ａ〜１５ｆに分割されている。なお、ステータコア１５の分割数は、誘導される電圧の相数（３相）の倍数が用いられることが多い。つまり、分割数は、３、６、９、・・・、が考えられる一方、軸電圧の発生を抑制するように、本実施形態では、分割数を６としている。なお、軸電圧とは、分割されたコアの継目の隙間によって不均一になった磁束に起因して回転軸に発生する電圧を意味する。また、対極数（ロータコア１３に配置される永久磁石１４の対角線上に対をなしている数）をｐ１、分割されたステータコア１５の数をｑ１とした場合、分数ｑ１／ｐ１を約分したｑ２／ｐ２の分子ｑ２が偶数の場合は、軸電圧が発生しない。本実施形態では、ロータコア１３に配置される永久磁石１４の対極数ｐ１は、７（＝１４極／２）であり、分割されたステータコア１５の数ｑ１は、６個である。したがって、分数ｑ１／ｐ１は、６／７となる。なお、６／７は、割り切れないので、本実施形態による分子ｑ２は、６となり、偶数である。その結果、本実施形態では、永久磁石１４の数を１４個にするとともに、ステータコア１５の分割数を６個にすることにより、軸電圧の発生を抑制することが可能となる。また、本実施形態では、スロット１７の数（４８個）は、分割されたコア１５ａ〜１５ｆの数（６個）の整数倍（８倍）になるように構成されている。

また、６つのコア１５ａ〜１５ｆには、それぞれ、８個のスロット１７が設けられている。具体的には、コア１５ａには、スロット番号＃４〜＃１１のスロット１７が設けられている。コア１５ｂには、スロット番号＃１２〜＃１９のスロット１７が設けられている。コア１５ｃには、スロット番号＃２０〜＃２７のスロット１７が設けられている。コア１５ｄには、スロット番号＃２８〜＃３５のスロット１７が設けられている。コア１５ｅには、スロット番号＃３６〜＃４３のスロット１７が設けられている。コア１５ｆには、スロット番号＃４４〜＃３のスロット１７が設けられている。

スロット１７には、巻線１６が巻回されている。ここで、本実施形態では、巻線１６は、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の３つの巻線を含む。なお、図２において、「Ｕ」と「Ｕ^＊」とは、Ｕ相の巻線１６を表わす。また、「Ｕ」と「Ｕ^＊」とでは、巻線１６を流れる電流の方向が逆になる。同様に、「Ｖ」と「Ｖ^＊」とは、互いに流れる電流の方向が逆であるＶ相の巻線１６を表わす。また、「Ｗ」と「Ｗ^＊」とは、互いに流れる電流の方向が逆であるＷ相の巻線１６を表わす。また、巻線１６は、１つのスロット１７に２つの巻線１６が配置される二重巻となっている。たとえば、スロット番号＃２のスロット１７には、Ｕ相の巻線１６とＷ相の巻線１６とが配置されている。

図３に示すように、スロット１７の内側面と、巻線１６との間には、絶縁膜１８が形成されている。これにより、スロット１７と巻線１６とが短絡するのが絶縁膜１８によって抑制される。また、同一のスロット１７内に巻回される２つの異なる巻線１６同士が短絡するのが絶縁膜１８によって抑制される。なお、絶縁膜１８の厚みｔは、誘導される電圧の大きさ等によって決められるものである。このため、スロット１７の断面積を小さくしても、絶縁膜１８の厚みｔは変わらないので、スロット１７の断面積を小さくした場合、スロット１７内に設けられる絶縁膜１８のスロット１７の断面積に対する割合が大きくなる。

また、図４に示すように、ロータコア１３の外周部に設けられる永久磁石１４は、略台形形状の断面を有する。そして、本実施形態では、永久磁石１４のステータコア１５に対向する面１４ａは、略平坦になるように構成されている。

一般的に発電機では、誘導される電圧に高調波成分が含まれる。高調波成分とは、基本となる周波数に対し、基本となる周波数の整数倍の周波数を持つ電圧の成分を意味する。高調波成分の波高値は、下記の式（２）によって表わされる。

高調波成分の波高値＝１／ｎ×（ｃｏｓ（ε×ｎ）） ・・・（２）
ここで、ｎは、高調波成分の次数を表わし、εは、発電機に設けられる隣接する永久磁石の間の間隔である。また、偶数の次数に相当する高調波成分が出現しないことが知られている。また、３相の交流電圧では、３の倍数の次数に相当する高調波成分が出現しないことが知られている。したがって、出現する高調波成分の次数は、５次、７次、１１次、・・・、となる。そして、上記の式（２）に示すように、高調波成分は、次数ｎにより除算されるので、高次の次数ほど誘導電圧への波形への影響が小さくなる。この点を考慮して、本実施形態では、誘導電圧の波形への影響が大きいと考えられる次数の小さい５次および７次の高調波成分を除去するように、永久磁石１４のステータコア１５側の幅Ｗ１を、隣接する永久磁石１４の間に隙間が生じない場合の永久磁石１４の幅Ｗ２の４／５以上６／７以下になるように設定している。なお、主に５次の高調波成分を除去する場合には、永久磁石１４の幅Ｗ１を４／５以上６／７以下の範囲の中で４／５に近い値に設定し、主に７次の高調波成分を除去する場合には、永久磁石１４の幅Ｗ１を４／５以上６／７以下の範囲の中で６／７に近い値に設定するのが好ましい。また、永久磁石１４の幅Ｗ１を４／５以上６／７以下の中間の値（たとえばＷ１＝２９／３５）に設定すれば、５次および７次の高調波を均等に除去することが可能となる。

次に、図５を参照して、本実施形態の巻線１６のスロット１７への配置について説明する。

図５に示すように、Ｕ相の巻線１６は、スロット番号＃１（Ｕ^＊）のスロット１７と、スロット番号＃４（Ｕ）のスロット１７とに巻回されている。つまり、巻線１６が巻回されるスロット１７のピッチ（スロット番号＃１からスロット番号＃４）は、４である。同様に、スロット番号＃２（Ｕ^＊）およびスロット番号＃５（Ｕ）と、スロット番号＃５（Ｕ）およびスロット番号＃８（Ｕ^＊）と、スロット番号＃８（Ｕ^＊）およびスロット番号＃１１（Ｕ）と、スロット番号＃１２（Ｕ）およびスロット番号＃１５（Ｕ^＊）と、スロット番号＃１５（Ｕ^＊）およびスロット番号＃１８（Ｕ）と、スロット番号＃１９（Ｕ）およびスロット番号＃２２（Ｕ^＊）と、スロット番号＃２２（Ｕ^＊）およびスロット番号＃２５（Ｕ）とのスロット１７にＵ相の巻線１６が巻回されている。なお、スロット番号＃２５からスロット番号＃１までのスロット１７における巻線１６の配置は、スロット番号＃１からスロット番号＃２５までの巻線１６の配置と同様である。

また、Ｖ相の巻線１６は、スロット番号＃４８（Ｖ）のスロット１７と、スロット番号＃３（Ｖ^＊）のスロット１７とに巻回されている。つまり、巻線１６が巻回されるスロット１７のピッチ（スロット番号＃４８からスロット番号＃３）は、４である。同様に、スロット番号＃４（Ｖ^＊）およびスロット番号＃７（Ｖ）と、スロット番号＃７（Ｖ）およびスロット番号＃１０（Ｖ^＊）と、スロット番号＃１１（Ｖ^＊）およびスロット番号＃１４（Ｖ）と、スロット番号＃１４（Ｖ）およびスロット番号＃１７（Ｖ^＊）と、スロット番号＃１７（Ｖ^＊）およびスロット番号＃２０（Ｖ）と、スロット番号＃１８（Ｖ^＊）およびスロット番号＃２１（Ｖ）と、スロット番号＃２１（Ｖ）およびスロット番号＃２４（Ｖ^＊）とのスロット１７にＶ相の巻線１６が巻回されている。なお、スロット番号＃２４からスロット番号＃４８までのスロット１７における巻線１６の配置は、スロット番号＃４８からスロット番号＃２４までの巻線１６の配置と同様である。

また、Ｗ相の巻線１６は、スロット番号＃４７（Ｗ^＊）のスロット１７と、スロット番号＃２（Ｗ）のスロット１７とに巻回されている。つまり、巻線１６が巻回されるスロット１７のピッチ（スロット番号＃４７からスロット番号＃２）は、４である。同様に、スロット番号＃３（Ｗ）およびスロット番号＃６（Ｗ^＊）と、スロット番号＃６（Ｗ^＊）およびスロット番号＃９（Ｗ）と、スロット番号＃９（Ｗ）およびスロット番号＃１２（Ｗ^＊）と、スロット番号＃１０（Ｗ）およびスロット番号＃１３（Ｗ^＊）と、スロット番号＃１３（Ｗ^＊）およびスロット番号＃１６（Ｗ）と、スロット番号＃１６（Ｗ）およびスロット番号＃１９（Ｗ^＊）と、スロット番号＃２０（Ｗ^＊）およびスロット番号＃２３（Ｗ）とのスロット１７にＷ相の巻線１６が巻回されている。なお、スロット番号＃２４からスロット番号＃４７までのスロット１７における巻線１６の配置は、スロット番号＃４７からスロット番号＃２３までの巻線１６の配置と同様である。上記のように、本実施形態では、巻線１６は、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相のそれぞれについて、１６個ずつの巻線１６を含み、合計４８個の巻線が、４８個のスロット１７に分布して巻回される分布巻を構成している。

次に、スロット数と、極数と、相数との関係について説明する。スロット数と、極数と、相数との関係を表わす毎極毎相スロット数ｑは、下記の式（３）によって表わされる。

ｑ＝スロット数／（極数×相数） ・・・（３）
ここで、本実施形態では、図２に示す発電機１では、スロット数が４８個であり、極数が１４極であり、相数がＵ相、Ｖ相およびＷ相の３相であるので、毎極毎相スロット数ｑは、８／７（＝４８／（１４×３））となる。このように、本実施形態の発電機１では、毎極毎相スロット数ｑが分数になるように構成されている。

次に、本願発明者が鋭意検討した結果見い出した毎極毎相スロット数ｑの範囲について詳細に説明する。まず、毎極毎相スロット数ｑの下限値について説明する。図６には、毎極毎相スロット数ｑと波形歪率との関係について行ったシミュレーションの結果が示されている。なお、波形歪率とは、正弦波からの波形の歪の程度を意味する。

図６に示すように、このシミュレーションでは、毎極毎相スロット数ｑが大きくなるのに従って、波形歪率が小さくなることが確認された。一般的に、毎極毎相スロット数ｑが大きくなると、ステータコアに設けられるスロット数が増加する。スロット数が増加することにより、スロットに巻回される巻線の数が増えるので、それぞれの巻線に誘導される電圧を合成した場合に、合成した波形は、正弦波に近くなる。これにより、毎極毎相スロット数ｑが大きくなることにより、波形歪率が小さくなると考えられる。

ここで、毎極毎相スロット数ｑが分数の場合の波形歪率は、分数の分子に対応する整数の毎極毎相スロット数ｑの波形歪率に対応する。たとえば、毎極毎相スロット数ｑが３／４の場合には、毎極毎相スロット数ｑが３の場合の波形歪率（０，７５）に対応する。また、毎極毎相スロット数ｑが５／４の場合には、毎極毎相スロット数ｑが５の場合の波形歪率（０．６３）に対応する。このように、波形歪率は、毎極毎相スロット数ｑが３／４（ｑ＜１に相当）の場合では、０．７５となり、比較的大きくなる一方、毎極毎相スロット数ｑが５／４（ｑ＞１に相当）の場合では、０．６３となり、比較的小さくなる。このシミュレーション結果から、毎極毎相スロット数ｑが１よりも小さい分数の場合には、スロット数が小さくなることにより、波形歪率（誘導電圧の波形の正弦波からの歪）がｑ＝３（ｑ＝３／４）の場合よりも大きくなってしまうので、波形歪率（誘導電圧の波形の正弦波からの歪）を比較的小さくする（ｑ＝３（ｑ＝３／４）の場合よりも小さくする）ためには、毎極毎相スロット数ｑを１よりも大きい分数にする（ｑ＞１）必要があることが判明した。

なお、毎極毎相スロット数ｑが１未満（ｑ＜１）の範囲内で、たとえば毎極毎相スロット数ｑを７／１５のように分子を大きくして、波形歪率を小さくすることも可能であると考えられる。しかし、分子を大きくするのに伴って、分母（極数）も大きくする必要があるため、選択可能な極数の範囲が狭くなる。また、毎極毎相スロット数ｑが１未満（ｑ＜１）の範囲では、スロット数が比較的小さくなるため、１個のスロットに配置される巻線の太さが大きくなり、その結果、スロットへの巻線の配置が困難となる。毎極毎相スロット数ｑを設定する際には、これらの点も考慮すべきである。

上記した種々の検討の結果、本願発明者は、毎極毎相スロット数ｑを１よりも大きい分数に設定するのが好ましいことを見い出した。この知見に基づき、本実施形態では、毎極毎相スロット数ｑを、ｑ＝８／７＞１としている。

次に、毎極毎相スロット数ｑの上限値について説明する。図７には、毎極毎相スロット数ｑと銅損比率との関係について行ったシミュレーションの結果が示されている。なお、銅損とは、巻線の電気抵抗によって失われるエネルギーを意味する。また、銅損比率とは、毎極毎相スロット数ｑが１（ｑ＝１）の場合の銅損を１とした場合に対する、毎極毎相スロット数ｑを変化させた場合の銅損を意味する。ここで、風力発電では、ギアや発電機など風力発電システムを構成する要素の総損失に占める銅損の割合が大きい。したがって、風力発電システムの高効率化を図るためには、銅損を小さくする必要がある。

図７に示したシミュレーションの結果から、毎極毎相スロット数ｑが大きくなるに従って、銅損が大きくなることが確認された。すなわち、図７に示すように、毎極毎相スロット数ｑが１．５（ｑ＝１．５）の場合では、毎極毎相スロット数ｑが１の場合の銅損比率（１）と略同じ銅損比率（１．０２）となり、毎極毎相スロット数ｑが１．５（３／２）よりも大きくなると、銅損比率がｑ＝１の場合よりも大きくなってしまうことが判明した。これは、以下の理由によると考えられる。すなわち、毎極毎相スロット数ｑが３／２より大きい（ｑ＞３／２）場合では、スロットの数が大きくなるので、誘導電圧の波形の正弦波からの歪が小さくなる一方、スロットの数が大きくなることにより、スロットの１個当たりの断面積が小さくなる。このため、スロット内に設けられる絶縁膜１８の割合が大きくなるので、その分、巻線１６の挿入可能な面積が小さくなる。その結果、毎極毎相スロット数ｑが３／２より大きい場合には、銅損が大きくなると考えられる。また、たとえば、毎極毎相スロット数ｑが、３／２よりも大きく、かつ、２未満（３／２＜ｑ＜２）の場合、巻線が巻回されるスロットのピッチは、毎極毎相スロット数ｑが１の場合のピッチ（４）よりも大きい５となるので、その分、巻線（コイルエンド）が長くなり、その結果、銅損が大きくなると考えられる。

一方、毎極毎相スロット数ｑを３／２以下にすれば、巻線が巻回されるスロットのピッチを、毎極毎相スロット数ｑが１の場合のピッチ（４）と同じにすることが可能であるので、銅損を毎極毎相スロット数ｑが１の場合と同等レベルに抑えることができる。このことから、銅損を毎極毎相スロット数ｑが１の場合と同等レベルに小さくして、風力発電システムの高効率化を図るためには、毎極毎相スロット数ｑが１．５（３／２）以下である必要があると考えられる。

なお、毎極毎相スロット数ｑを増加すると、スロットの数が増加することにより、スロットを形成する打ち抜き工程数が増加してしまう。毎極毎相スロット数ｑを設定する際には、この点も考慮すべきである。

上記した種々の検討の結果、本願発明者は、毎極毎相スロット数ｑを、１．５（３／２）以下の分数に設定するのが好ましいことを見い出した。この知見に基づき、本実施形態では毎極毎相スロット数ｑを、ｑ＝８／７≦１．５（３／２）としている。

以上のように、本願発明者は、毎極毎相スロット数ｑの範囲として、１＜ｑ≦３／２が適切であることを見い出した。

そして、上記した知見に基づき、本実施形態では、スロット１７の数（４８個）を永久磁石１４の極数（１４個）と電圧の相数（３相）とで除算した値である毎極毎相スロット数ｑが、１＜ｑ≦３／２を満たす分数になるように、毎極毎相スロット数ｑを８／７（＝４８／（１４×３））に設定している。これにより、誘導電圧の波形の正弦波からの歪が大きくなるのを抑制しながら、銅損が大きくなるのを抑制することができる。

また、本実施形態では、上記のように、毎極毎相スロット数ｑを、８／７になるように構成する。これにより、毎極毎相スロット数ｑが１よりも大きく、かつ、３／２以下になるので、誘導電圧の波形の正弦波からの歪が大きくなるのを抑制しながら、銅損が大きくなるのを抑制することができる。

また、本実施形態では、上記のように、巻線１６を、毎極毎相スロット数ｑが１＜ｑ≦３／２を満たすように、複数のスロット１７に巻回される分布巻になるように構成する。これにより、巻線１６が所定のスロット１７に集中して巻回される集中巻と比べて、位相の異なる電圧が多数誘導されるので、誘導される電圧を合成した波形をより正弦波に近づけることができる。

また、本実施形態では、上記のように、誘導される電圧の相数が３相であり、毎極毎相スロット数ｑを、１＜ｑ≦３／２を満たす分数になるように構成する。これにより、誘導される電圧の相数が３相である発電機１において、誘導電圧の波形の正弦波からの歪が大きくなるのを抑制しながら、銅損が大きくなるのを抑制することができる。

また、本実施形態では、上記のように、永久磁石１４を、ロータコア１３の外周部に複数（１４個）設けて、永久磁石１４のステータコア１５側の幅Ｗ１を、隣接する永久磁石１４の間に隙間が生じない場合の永久磁石１４の幅の４／５以上６／７以下の大きさになるように構成する。これにより、容易に、誘導電圧の波形への影響が大きいと考えられる５次および７次の高調波成分の出現を抑制することができる。

また、本実施形態では、上記のように、永久磁石１４のステータコア１５に対向する面が略平坦になるように永久磁石１４を形成する。これにより、永久磁石１４のステータコア１５に対向する面をたとえば円弧形状に形成する場合と異なり、永久磁石１４を容易に形成することができる。なお、誘導電圧の波形が正弦波から大きく歪む場合では、永久磁石の外周面の円弧と内周面の円弧との中心点が異なる（外周面の円弧と内周面の円弧とが同心円上に配置されていない）ように円弧形状に永久磁石を形成して、誘導される電圧を正弦波に近づける必要がある。一方、本実施形態では、毎極毎相スロット数ｑを１よりも大きく（ｑ＞１）して、誘導電圧の波形の正弦波からの歪を小さくすることにより、永久磁石１４のステータコア１５に対向する面を略平坦にしても、誘導電圧の波形の正弦波からの歪を小さくすることができる。したがって、本実施形態では、誘導電圧の波形の歪を小さくしながら、永久磁石１４の形成を容易に行うことができる。

また、本実施形態では、上記のように、ステータコア１５が、分割された複数のコア１５ａ〜１５ｆを含み、分割された複数のコア１５ａ〜１５ｆの数（６個）の整数倍（８倍）になるようにスロット１７の数を構成する。これにより、容易に、分割された複数のコア１５ａ〜１５ｆに、等しい数のスロット１７を配置することができる。

なお、今回開示された実施形態は、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、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに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。

たとえば、上記実施形態では、風力発電システムの発電機に本発明を適用する例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、風力発電システム以外の発電機に本発明を適用してもよい。

また、上記実施形態では、毎極毎相スロット数ｑを８／７にする例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、毎極毎相スロット数ｑが、１＜ｑ≦３／２を満たす分数になるように構成されていればよい。

また、上記実施形態では、スロットの数を４８個、永久磁石の数を１４個にすることによって、毎極毎相スロット数ｑを８／７にする例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、毎極毎相スロット数ｑが、１＜ｑ≦３／２を満たす分数になるように、スロットの数および永久磁石の数を選択すればよい。

また、上記実施形態では、誘導される電圧の相数がＵ相、Ｖ相およびＷ相の３相である例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、誘導される電圧の相数が２相でもよいし、４相以上でもよい。

また、上記実施形態では、ステータコアが分割された６個のコアからなる例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、軸電圧を抑制することが可能な分割数であれば、ステータコアが６個以外の個数に分割されていてもよい。

また、上記実施形態では、ロータハブが発電機の回転軸に取り付けられている例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、図８に示す変形例による風力発電システム１０１のように、ロータハブ３と発電機１との間にギア１０２を設けてもよい。

また、上記実施形態では、永久磁石が略台形形状の断面を有しており、永久磁石のステータコアに対向する面が、略平坦になるように構成されている例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、永久磁石のステータコア側の辺およびロータコア側の辺が円弧形状に形成され、永久磁石の外周面の円弧と内周面の円弧とが、同心円上に配置されるように構成されていてもよい。

また、上記実施形態では、ロータがステータの内側に配置されるインナーロータタイプの発電機に本発明を適用する例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明は、ロータがステータの外側に配置されるアウターロータタイプの発電機にも適用可能である。

１ 発電機
４ ブレード
１１ 回転軸
１３ ロータコア
１４ 永久磁石
１５ ステータコア
１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄ、１５ｅ、１５ｆ コア
１６ 巻線
１７ スロット
１００、１０１ 風力発電システム

Claims (8)

1. 永久磁石が設けられるロータコアと、
   前記ロータコアと半径方向に対向するように配置され、複数のスロットが設けられるステータコアと、
   分布巻線方式にて前記ステータコアのスロットに巻回される巻線とを備え、
   前記スロットの数を前記永久磁石の極数と電圧の相数とで除算した値である毎極毎相スロット数ｑが、１＜ｑ≦３／２を満たす分数になるように構成されているとともに、前記巻線が２個のスロットを間に挟むように巻回されている、発電機。
2. 前記毎極毎相スロット数ｑは、８／７になるように構成されている、請求項１に記載の発電機。
3. 誘導される電圧の相数は、３相であり、前記毎極毎相スロット数ｑが、１＜ｑ≦３／２を満たす分数になるように構成されている、請求項１または２に記載の発電機。
4. 前記永久磁石は、前記ロータコアの外周部に複数設けられ、
   前記永久磁石の前記ステータコア側の幅は、隣接する永久磁石の間に隙間が生じない場合の永久磁石の幅の４／５以上６／７以下の大きさになるように構成されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の発電機。
5. 前記永久磁石は、前記永久磁石の前記ステータコアに対向する面が略平坦になるように形成されている、請求項１〜４のいずれか１項に記載の発電機。
6. 前記ステータコアは、分割された複数のコアを含み、前記複数のスロットの数は、前記分割された複数のコアの数の整数倍になるように構成されている、請求項１〜５のいずれか１項に記載の発電機。
7. 前記ステータコアは、分割された複数のコアを含み、
   前記分割された複数のコアの数を分子ｑ１とし、前記永久磁石の対極数を分母ｐ１とする分数ｑ１／ｐ１を約分して得られる分数ｑ２／ｐ２の分子ｑ２が偶数となる、請求項１〜６のいずれか１項に記載の発電機。
8. 永久磁石が設けられるロータコアと、前記ロータコアと半径方向に対向するように配置され、複数のスロットが設けられるステータコアと、分布巻線方式にて前記ステータコアのスロットに巻回される巻線とを含み、前記スロットの数を前記永久磁石の極数と電圧の相数とで除算した値である毎極毎相スロット数ｑが、１＜ｑ≦３／２を満たす分数になるように構成されているとともに、前記巻線が２個のスロットを間に挟むように巻回されている発電機と、
   前記発電機の回転軸に接続されるブレードとを備える、風力発電システム。

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