JP5664101B2 - 回転電機、風力発電システムおよび回転電機に用いる回転子 - Google Patents

Description

この発明は、回転電機、風力発電システムおよび回転電機に関する。

従来、発電機（回転電機）を備える風力発電装置が知られている（たとえば、特許文献１参照）。一般に、上記特許文献１に記載されたような風力発電装置に用いられる従来の発電機は、回転子を備えている。

特開２００５−３２０８９１号公報

しかしながら、上記したような従来の発電機では、低速動作時に大きなトルクを発生させたい場合に、回転子のサイズを大きくする必要がある。この場合、回転子の重量が大きくなるという不都合がある。ここで、回転子全体の剛性を確保しながら発電機（回転電機）全体の軽量化を図ることが困難であ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、回転子全体の剛性を確保しながら回転電機全体の軽量化を図ることが可能な回転電機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、この発明の第１の局面における回転電機は、回転子と、回転子の外周部に対向するように配置される固定子とを備え、回転子は、回転軸部と、回転軸部を取り囲む筒状のヨーク部と、ヨーク部と回転軸部とを接続する接続部材と、ヨーク部の外周面に取り付けられる永久磁石と、を含み、接続部材は、回転軸部の延びる軸方向と交差する面内で半径方向に延びるように設けられるとともに、軸方向に所定の間隔を隔てて配置される複数の板状の第１接続部材と、板状の第１接続部材の外周側に設けられるとともに、ヨーク部の内周部に接するように配置される複数の第２接続部材とを有し、板状の第１接続部材には、第１接続部材を軸方向に貫通する複数の第１開口部が設けられており、軸方向から見て、複数の板状の第１接続部材の外周部は、ヨーク部の円状の内周部に周状に接するように円状に形成されているとともに、ヨーク部は、回転軸部の延びる軸方向に隙間を隔てて複数設けられ、永久磁石は、複数のヨーク部の外周面に、それぞれ、互いに軸方向に隙間を隔てるように複数設けられ、軸方向に隣接する複数のヨーク部の間の隙間と、軸方向に隣接する永久磁石の間の隙間とは、連通するように構成されている。

この発明の第１の局面による回転電機では、上記のように、回転子のヨーク部と回転軸部とを接続する接続部材を設ける。また、その接続部材を、回転軸部の延びる軸方向と交差する面内で半径方向に延びるように設けられるとともに、軸方向に所定の間隔を隔てて配置される複数の板状の第１接続部材と、板状の第１接続部材の外周側に設けられるとともに、ヨーク部の内周部に接するように配置される複数の第２接続部材とを有するように構成する。これにより、回転軸部と、回転子の最も外側に位置するヨーク部とを、複数の板状の第１接続部材と複数の第２接続部材とにより強固に接続することができるので、回転子全体の剛性（曲げ剛性およびねじり剛性）を確保することができる。また、回転軸部とヨーク部との間に位置する接続部材のうち、板状の第１接続部材を軸方向に所定の間隔を隔てて配置し、第２接続部材をヨーク部の内周部に接するように配置することにより、回転軸部とヨーク部との間に空間を設けることができる。これにより、回転子を軽量化することができるので、その回転子を含む回転電機全体の軽量化を図ることができる。また、板状の第１接続部材に、第１接続部材を軸方向に貫通する複数の第１開口部を設けることにより、第１接続部材を有する接続部材を軽量化することができるので、その接続部材を有する回転子を含む回転電機全体のさらなる軽量化を図ることができる。

この発明の第２の局面における風力発電システムは、回転子と、回転子の外周部に対向するように配置される固定子とを含む発電機と、発電機の回転子に接続されるブレードとを備え、回転子は、回転軸部と、回転軸部を取り囲む筒状のヨーク部と、ヨーク部と回転軸部とを接続する接続部材と、ヨーク部の外周面に取り付けられる永久磁石と、を有し、接続部材は、回転軸部の延びる軸方向と交差する面内で半径方向に延びるように設けられるとともに、軸方向に所定の間隔を隔てて配置される複数の板状の第１接続部材と、板状の第１接続部材の外周側に設けられるとともに、ヨーク部の内周部に接するように配置される複数の第２接続部材とを有し、板状の第１接続部材には、第１接続部材を軸方向に貫通する複数の第１開口部が設けられており、軸方向から見て、複数の板状の第１接続部材の外周部は、ヨーク部の円状の内周部に周状に接するように円状に形成されているとともに、ヨーク部は、回転軸部の延びる軸方向に隙間を隔てて複数設けられ、永久磁石は、複数のヨーク部の外周面に、それぞれ、互いに軸方向に隙間を隔てるように複数設けられ、軸方向に隣接する複数のヨーク部の間の隙間と、軸方向に隣接する永久磁石の間の隙間とは、連通するように構成されている。

この発明の第２の局面による風力発電システムでは、上記のように、発電機の回転子のヨーク部と回転軸部とを接続する接続部材を設ける。また、その接続部材を、回転軸部の延びる軸方向と交差する面内で半径方向に延びるように設けられるとともに、軸方向に所定の間隔を隔てて配置される複数の板状の第１接続部材と、板状の第１接続部材の外周側に設けられるとともに、ヨーク部の内周部に接するように配置される複数の第２接続部材とを有するように構成する。これにより、回転軸部と、回転子の最も外側に位置するヨーク部とを、複数の板状の第１接続部材と複数の第２接続部材とにより強固に接続することができるので、発電機の回転子全体の剛性（曲げ剛性およびねじり剛性）を確保することができる。また、回転軸部とヨーク部との間に位置する接続部材のうち、板状の第１接続部材を軸方向に所定の間隔を隔てて配置し、第２接続部材をヨーク部の内周部に接するように配置することにより、回転軸部とヨーク部との間に空間を設けることができる。これにより、回転子を軽量化することができるので、その回転子を含む発電機全体の軽量化を図ることができる。また、板状の第１接続部材に、第１接続部材を軸方向に貫通する複数の第１開口部を設けることより、第１接続部材を有する接続部材を軽量化することができるので、その接続部材を有する回転子を含む発電機全体のさらなる軽量化を図ることができる。ここで、一般に、風力発電システムに用いられる発電機の回転子として、低速動作時に大きなトルクを発生させる回転子が適している。一方、このように低速動作時に大きなトルクを発生させるには、回転子のサイズを大きくする必要があるため、その分、発電機全体の重量が大きくなる。この場合に、本発明では、発電機全体の軽量化を図ることができるので、風力発電システムに適した発電機を提供することができる。

この発明の第３の局面における回転電機に用いる回転子は、回転子と、回転子の外周部に対向するように配置される固定子とを含む回転電機に用いる回転子であって、回転軸部と、回転軸部を取り囲む筒状のヨーク部と、ヨーク部と回転軸部とを接続する接続部材と、ヨーク部の外周面に取り付けられる永久磁石と、を備え、接続部材は、回転軸部の延びる軸方向と交差する面内で半径方向に延びるように設けられるとともに、軸方向に所定の間隔を隔てて配置される複数の板状の第１接続部材と、板状の第１接続部材の外周側に設けられるとともに、ヨーク部の内周部に接するように配置される複数の第２接続部材とを含み、板状の第１接続部材には、第１接続部材を軸方向に貫通する複数の第１開口部が設けられており、軸方向から見て、複数の板状の第１接続部材の外周部は、ヨーク部の円状の内周部に周状に接するように円状に形成されているとともに、ヨーク部は、回転軸部の延びる軸方向に隙間を隔てて複数設けられ、永久磁石は、複数のヨーク部の外周面に、それぞれ、互いに軸方向に隙間を隔てるように複数設けられ、軸方向に隣接する複数のヨーク部の間の隙間と、軸方向に隣接する永久磁石の間の隙間とは、連通するように構成されている。

この発明の第３の局面による回転電機に用いる回転子では、上記のように、ヨーク部と回転軸部とを接続する接続部材を設ける。また、その接続部材を、回転軸部の延びる軸方向と交差する面内で半径方向に延びるように設けられるとともに、軸方向に所定の間隔を隔てて配置される複数の板状の第１接続部材と、板状の第１接続部材の外周側に設けられるとともに、ヨーク部の内周部に接するように配置される複数の第２接続部材とを有するように構成する。これにより、回転軸部と、回転子の最も外側に位置するヨーク部とを、複数の板状の第１接続部材と複数の第２接続部材とにより強固に接続することができるので、回転子全体の剛性（曲げ剛性およびねじり剛性）を確保することができる。また、回転軸部とヨーク部との間に位置する接続部材のうち、板状の第１接続部材を軸方向に所定の間隔を隔てて配置し、第２接続部材をヨーク部の内周部に接するように配置することにより、回転軸部とヨーク部との間に空間を設けることができる。これにより、回転子を軽量化することができるので、その回転子を用いる回転電機全体の軽量化を図ることができる。また、板状の第１接続部材に、第１接続部材を軸方向に貫通する複数の第１開口部を設けることにより、第１接続部材を有する接続部材を軽量化することができるので、その接続部材を備える回転子を用いる回転電機全体のさらなる軽量化を図ることができる。

本発明の一実施形態による風力発電システムの構成を説明するための模式図である。 本発明の一実施形態による発電機の構成を説明するための斜視図である。 本発明の一実施形態による発電機の本体部の軸方向に沿った断面図である。 本発明の一実施形態による発電機の本体部の内部における空気の流通経路を示した図である。 本発明の一実施形態による発電機のロータの構成を説明するための斜視図である。 本発明の一実施形態による発電機のロータの構成を説明するための断面斜視図である。 本発明の一実施形態による発電機のロータの正面図である。 本発明の一実施形態による発電機のロータにおける平行キーが挿入された平行キー挿入穴を示した図である。 図８の２００−２００線に沿った断面図である。 本発明の一実施形態による発電機のロータにおける一対の勾配キーが挿入された勾配キー挿入穴を示した図である。 図１０の３００−３００線に沿った断面図である。 本発明の一実施形態による発電機のロータの組み立て手順を説明するための分解断面図である。

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を参照して、本発明の一実施形態による発電機１を含む風力発電システム１００の構成について説明する。なお、発電機１は、本発明の「回転電機」の一例である。

図１に示すように、風力発電システム１００は、発電機１と、ナセル２と、ロータハブ３と、ブレード４と、タワー（支持柱）５とにより構成されている。発電機１は、ナセル２の内部に収容されている。また、ロータハブ３は、発電機１の後述するシャフト３１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５に取り付けられている。

次に、図２〜図１２を参照して、本発明の第１実施形態による発電機１の構成について説明する。

図２に示すように、発電機１は、箱状の本体部１０と、本体部１０の上部に設置された冷却ユニット２０とにより構成されている。図３に示すように、箱状の本体部１０の内部には、ロータ３０と、ロータ３０の外周部に対向するように配置されたステータ４０とが収容されている。また、冷却ユニット２０には、２個の外部送風機２１（図２参照）と、内部送風機（図示せず）が設けられている。この冷却ユニット２０は、外部送風機２１を用いて本体部１０の外部から空気を取り込むとともに、内部送風機を用いて本体部１０の内部の空気を循環させることにより、本体部１０の外部の空気と本体部１０の内部の空気との間で熱交換を行うように構成されている。これにより、冷却ユニット２０を用いて、本体部１０の内部の発熱源（ロータ３０の後述する永久磁石３４ａの近傍など）の冷却を行うことが可能である。なお、ロータ３０は、本発明の「回転子」の一例である。また、ステータ４０は、本発明の「固定子」の一例である。

図３〜図７に示すように、ロータ３０は、中空のシャフト３１と、シャフト３１を取り囲む円筒状のロータヨーク３２と、ロータヨーク３２とシャフト３１とを接続するロータボス３３とにより構成されている。シャフト３１は、図３に示すように、本体部１０に設けられた一対の軸孔１１にそれぞれ軸受１２を介して回転可能に支持されている。なお、シャフト３１は、本発明の「回転軸部」の一例である。また、ロータボス３３は、本発明の「接続部材」の一例である。

また、ロータヨーク３２は、シャフト３１の延びる軸方向（Ｘ方向）に小さな隙間を隔てて配置された複数のロータヨーク部３４により構成されている。個々のロータヨーク部３４は、シャフト３１を取り囲むように円環状に形成されている。これらの円環状のロータヨーク部３４が小さな隙間を隔てて軸方向に連結されることにより、ロータヨーク３２が全体としてシャフト３１を取り囲むように円筒状に形成されている。なお、図３および図４に示すように、個々のロータヨーク部３４の外周面には、複数の永久磁石３４ａが取り付けられている。これら個々のロータヨーク部３４および複数の永久磁石３４ａにより形成される軸方向の隙間は、本体部１０の内部の空気が循環する場合において、ロータ３０の内部の空気がロータ３０の外部に流出する際の流出経路（図４の矢印Ｃ１参照）として機能するように構成されている。

ここで、本実施形態では、図３〜図６に示すように、ロータボス３３は、ホイール部材３５と、梁部材３６（３６ａ）と、ハブ連結部材３７とにより構成されている。これらのホイール部材３５、梁部材３６（３６ａ）およびハブ連結部材３７は、互いに溶接されている。なお、ホイール部材３５は、本発明の「第１接続部材」の一例である。また、梁部材３６（３６ａ）は、本発明の「第２接続部材」の一例である。また、ハブ連結部材３７は、本発明の「第３接続部材」の一例である。

ホイール部材３５は、軸方向（Ｘ方向）と直交する面内で半径方向に延びる円板状に形成されている。本実施形態では、３個のホイール部材３５が軸方向に所定の間隔を隔てて配置されている。これら３個のホイール部材３５の内周側には、それぞれ、シャフト３１に取り付けられるシャフト挿入部３８ａを有する円環状のハブ部３８が一体的に設けられている。このハブ部３８の軸方向の厚みｔ１（図４参照）は、ホイール部材３５のハブ部３８以外の部分（ホイール部材３５の外周側と内周側との間の中間部分）の軸方向の厚みｔ２（図４参照）よりも大きくなるように構成されている。なお、ハブ部３８は、本発明の「軸接続部」の一例である。

また、図４〜図７に示すように、１個のホイール部材３５の外周側と内周側との間の中間部分には、ホイール部材３５を軸方向に貫通する第１開口部３５ａが６個設けられている。これら６個の第１開口部３５ａは、図７に示すように、ホイール部材３５の円周方向に沿って略等角度間隔（約６０度間隔）で配置されている。また、これら６個の第１開口部３５ａのそれぞれの半径方向の中央部における円周方向の幅Ｗ１は、隣接する第１開口部３５ａの間に位置するホイール部材３５の中間部分の円周方向の幅Ｗ２よりも大きくなるように構成されている。なお、第１開口部３５ａは、本体部１０の内部の空気が循環する場合において、ロータ３０の外部から流入した空気のロータ３０の内部における流通経路（図４の矢印Ｃ２参照）として機能するように構成されている。

梁部材３６（３６ａ）は、図５〜図７に示すように、ホイール部材３５の外周側に設けられるとともに、ロータヨーク３２の内周部に接するように配置されている。また、梁部材３６（３６ａ）は、３個のホイール部材３５の外周側の部分を橋渡すように軸方向（Ｘ方向）に延びる梁状に形成されている。本実施形態では、図７に示すように、１５個の梁部材３６および３個の梁部材３６ａ（合計１８個の梁部材３６（３６ａ））がホイール部材３５の円周方向に沿って略等角度間隔（約２０度間隔）で配置されている。なお、図３に示すように、梁部材３６（３６ａ）の軸方向の長さは、ロータヨーク３２の軸方向の長さよりも大きくなるように構成されている。

また、上記１８個の梁部材３６（３６ａ）のうちの３個の梁部材３６ａは、ロータボス３３とロータヨーク３２との接続に用いる後述のキー部材５０が取り付けられるキー接続部３９として機能するように構成されている。図７に示すように、これら３個のキー接続部３９の円周方向の幅Ｗ３は、他の１５個の梁部材３６の円周方向の幅Ｗ４よりも大きくなるように構成されている。なお、これら３個のキー接続部３９は、ホイール部材３５の円周方向に沿って略等角度間隔（約１２０度間隔）で配置されている。

また、上記キー接続部３９のロータヨーク３２の内周部に接する部分には、軸方向（Ｘ方向）に延びる第１溝部３９ａ（図８〜図１２参照）が形成されている。また、ロータヨーク３２の内周部には、上記３個のキー接続部３９のそれぞれの第１溝部３９ａに対応するように第２溝部３２ａ（図８〜図１２参照）が形成されている。本実施形態では、図７に示すように、キー接続部３９の第１溝部３９ａと、ロータヨーク３２の第２溝部３２ａとからなるキー挿入穴６０が３個形成されている。これら３個のキー挿入穴６０には、それぞれ、平行キー５１または一対の勾配キー５２により構成されるキー部材５０が挿入されている。なお、キー挿入穴６０は、本発明の「穴部」の一例である。また、平行キー５１は、本発明の「第１キー部材」の一例である。また、一対の勾配キー５２は、本発明の「第２キー部材」の一例である。

本実施形態では、上記３個のキー挿入穴６０のうちの１個は、第１溝部３９ａと第２溝部３２ａとの位置が略完全に合わさった状態で形成された平行キー挿入穴６１（図８および図９参照）である。この平行キー挿入穴６１は、穴幅Ｗ５（図９参照）を有している。また、この平行キー挿入穴６１の内部には、幅Ｗ５（図９参照）を有する角棒状の平行キー５１が嵌り込んでいる。

なお、上記３個のキー挿入穴６０のうちの平行キー挿入穴６１以外の２個は、第１溝部３９ａと第２溝部３２ａとの位置が少しずれた状態で形成された勾配キー挿入穴６２（図１０および図１１参照）である。この勾配キー挿入穴６２の穴幅Ｗ６（図１１参照）を有する部分の内部には、一対の勾配キー５２が幅Ｗ６（図１１参照）を有する角棒状に組み合わさった状態で嵌り込んでいる。

ハブ連結部材３７は、図３および図６に示すように、３個のホイール部材３５のそれぞれの内周側に設けられる３個のハブ部３８と周状に接続した状態で、３個のハブ部３８同士を連結するように構成されている。具体的には、ハブ連結部材３７は、環状に形成された３個のハブ部３８のうちの隣接するハブ部３８の軸方向（Ｘ方向）に対向する面同士を周状に接続するとともに、シャフト３１を取り囲むように円筒状に形成されている。この円筒状のハブ連結部材３７の半径方向の厚みｔ３（図４参照）は、ハブ部３８の半径方向の厚みｔ４（図４参照）よりも小さくなるように構成されている。

図３、図４、図６および図１２に示すように、ハブ連結部材３７には、ハブ連結部材３７を半径方向に貫通する第２開口部３７ａが設けられている。この第２開口部３７ａは、ホイール部材３５の第１開口部３５ａに対応する位置に設けられている。すなわち、第２開口部３７ａは、第１開口部３５ａと同様に６個設けられている。これにより、ロータ３０の内部において空気を効率よく循環させることができる。なお、第２開口部３７ａは、本体部１０の内部の空気が循環する場合において、ロータ３０の内部のシャフト３１側の空気（シャフト３１とハブ連結部材３７との間の空気）がロータヨーク３２側（ハブ連結部材３７とロータヨーク３２との間）に流出する際の流出経路（図４の矢印Ｃ３参照）として機能するように構成されている。

次に、図８〜図１２を参照して、本発明の一実施形態による発電機１のロータ３０の組み立て手順について説明する。

まず、図１２に示すように、３個のホイール部材３５と、１５個の梁部材３６および３個の梁部材３６ａ（キー接続部３９）と、２個のハブ連結部材３７とを溶接して構成したロータボス３３を準備する。次に、シャフト３１とロータボス３３とを接続する。具体的には、シャフト３１を、ロータボス３３の３個のホイール部材３５の内周側のそれぞれに一体的に設けられた３個のハブ部３８の内周面からなるシャフト挿入部３８ａに挿入する。

次に、ロータボス３３とロータヨーク３２とを接続する。具体的には、まず、ロータボス３３の３個のキー接続部３９のそれぞれに形成されている３個の第１溝部３９ａと、ロータヨーク３２の内周部に形成されている３個の第２溝部３２ａとの位置が合うようにロータボス３３を筒状のロータヨーク３２の内部に取り付ける。この場合において、それぞれ３個設けられている第１溝部３９ａおよび第２溝部３２ａのうち、１個の第１溝部３９ａおよび第２溝部３２ａの位置が略完全に合っていれば、残り２個の第１溝部３９ａおよび第２溝部３２ａの位置が少しずれていてもよい。

そして、上記のように位置を合わせた第１溝部３９ａおよび第２溝部３２ａからなるキー挿入穴６０に、平行キー５１または一対の勾配キー５２からなるキー部材５０を挿入する。具体的には、まず、図８および図９に示すように、第１溝部３９ａと第２溝部３２ａとの位置が略完全に合わさって形成された穴幅Ｗ５を有する平行キー挿入穴６１に対して、幅Ｗ５を有する角棒状の平行キー５１を挿入する。その後、図１０および図１１に示すように、位置が少しずれている第１溝部３９ａおよび第２溝部３２ａからなる勾配キー挿入穴６２の穴幅Ｗ６を有する部分に対して、幅Ｗ６を有する角棒状に組み合わせることが可能な一対の勾配キー５２を１個ずつ挿入する。このようにして、本発明の一実施形態による発電機１のロータ３０の組み立てが行われる。

本実施形態では、上記のように、ロータ３０のロータヨーク３２とシャフト３１とを接続するロータボス３３を設ける。また、そのロータボス３３を、シャフト３１の延びる軸方向（Ｘ方向）と直交する面内で半径方向に延びるように設けられるとともに、軸方向に所定の間隔を隔てて配置される３個の円板状のホイール部材３５と、円板状のホイール部材３５の外周側に設けられるとともに、ロータヨーク３２の内周部に接するように配置される１８個の梁部材３６（３６ａ）とを有するように構成する。これにより、シャフト３１と、ロータ３０の最も外側に位置するロータヨーク３２とを、３個の円板状のホイール部材３５と１８個の梁部材３６（３６ａ）とにより強固に接続することができるので、ロータ３０全体の剛性（曲げ剛性およびねじり剛性）を確保することができる。また、シャフト３１とロータヨーク３２との間に位置するロータボス３３のうち、円板状のホイール部材３５を軸方向に所定の間隔を隔てて配置し、梁部材３６（３６ａ）をロータヨーク３２の内周部に接するように配置することにより、シャフト３１とロータヨーク３２との間に空間を設けることができる。これにより、ロータ３０を軽量化することができるので、そのロータ３０を含む発電機１全体の軽量化を図ることができる。また、円板状のホイール部材３５に、ホイール部材３５を軸方向に貫通する６個の第１開口部３５ａを設けることにより、ホイール部材３５を有するロータボス３３を軽量化することができるので、そのロータボス３３を有するロータ３０を含む発電機１全体のさらなる軽量化を図ることができる。ここで、一般に、風力発電システムに用いられる発電機の回転子として、低速動作時に大きなトルクを発生させる回転子が適している。一方、このように低速動作時に大きなトルクを発生させるには、回転子のサイズを大きくする必要があるため、その分、発電機全体の重量が大きくなる。この場合に、本実施形態では、発電機１全体の軽量化を図ることができるので、風力発電システム１００に適した発電機１を提供することができる。

また、本実施形態では、上記のように、ホイール部材３５の内周側に、シャフト３１に取り付けられる環状のハブ部３８を設けるとともに、ハブ部３８の軸方向の厚みを、ホイール部材３５のハブ部３８以外の部分の軸方向の厚みよりも大きくする。このように構成すれば、ハブ部３８により、ロータ３０の回転時に発生する応力が集中しやすいホイール部材３５の内周側の部分を補強することができるので、ロータ３０全体の剛性（曲げ剛性およびねじり剛性）を高めることができる。

また、本実施形態では、上記のように、ロータボス３３に、３個のホイール部材３５のそれぞれの内周側に設けられる３個の環状のハブ部３８と周状に接続した状態で３個のハブ部３８同士を連結するハブ連結部材３７を設けるとともに、ハブ連結部材３７に、ハブ連結部材３７を半径方向に貫通する６個の第２開口部３７ａを設ける。このように構成すれば、ハブ連結部材３７によりハブ部３８を補強することができるので、ロータ３０全体の剛性（曲げ剛性およびねじり剛性）をより高めることができる。

また、本実施形態では、上記のように、１８個の梁部材３６（３６ａ）を、３個のホイール部材３５の外周側の部分を橋渡すように軸方向に延びる梁状に形成する。このように構成すれば、１８個の梁部材３６（３６ａ）により、３個のホイール部材３５同士を接続して補強することができるので、３個のホイール部材３５と１８個の梁部材３６（３６ａ）とにより格子形状を形成して、ロータ３０全体の剛性（曲げ剛性およびねじり剛性）をさらに高めることができる。

また、本実施形態では、上記のように、梁状に形成された１８個の梁部材３６（３６ａ）のうちの３個の梁部材３６ａを、ロータヨーク３２の内周部に接する部分に軸方向に延びる第１溝部３９ａを形成したキー接続部３９とするとともに、ロータヨーク３２の内周部に、キー接続部３９の第１溝部３９ａに対応するように第２溝部３２ａを形成する。また、キー接続部３９の第１溝部３９ａと、ロータヨーク３２の第２溝部３２ａとからなるキー挿入穴６０に、キー部材５０を挿入する。このように構成すれば、キー部材５０により、梁部材３６ａを含むロータボス３３がロータヨーク３２の内側で空回りしないようにロータボス３３とロータヨーク３２とを強固に接続することができる。

また、本実施形態では、上記のように、第１溝部３９ａを有するキー接続部３９を３個設けるとともに、ロータヨーク３２の第２溝部３２ａを３個設ける。また、キー部材５０を、３個の第１溝部３９ａと、３個の第２溝部３２ａとからなる３個のキー挿入穴６０（１個の平行キー挿入穴６１および２個の勾配キー挿入穴６２）のそれぞれに挿入するとともに、そのキー部材５０を、平行キー５１または一対の勾配キー５２により構成する。このように構成すれば、ロータボス３３とロータヨーク３２とを３箇所で接続することができるので、ロータボス３３とロータヨーク３２とをより強固に接続することができる。また、第１溝部３９ａと第２溝部３２ａとの位置がずれていることにより、その位置のずれた第１溝部３９ａおよび第２溝部３２ａからなるキー挿入穴６０（勾配キー挿入穴６２）に対して平行キー５１が挿入しにくい場合でも、一対の勾配キー５２を組み合わせることによって勾配キー挿入穴６２に挿入しやすいキー部材５０を形成することができる。これにより、容易にロータボス３３とロータヨーク３２とを接続することができる。また、このように第１溝部３９ａと第２溝部３２ａの位置がずれている場合でも、一対の勾配キー５２を組み合わせることによって容易にロータボス３３とロータヨーク３２とを接続することができるので、キー接続部３９およびロータヨーク３２に第１溝部３９ａおよび第２溝部３２ｂを設ける際に要求される加工位置精度を緩和することができる。

また、本実施形態では、上記のように、キー接続部３９を含む梁部材３６ａを、円周方向に沿って略等角度間隔で配置する。このように構成すれば、円周方向に沿って略等角度間隔で配置されたキー接続部３９を含む梁部材３６ａにより、シャフト３１に対するロータ３０の重量のバランスを取ることができるので、ロータ３０の回転動作に与える影響を小さくしながら、ロータボス３３とロータヨーク３２とを強固に接続することができる。

また、本実施形態では、上記のように、キー接続部３９を含む梁部材３６ａの円周方向の幅Ｗ３を、キー接続部３９を含まない梁部材３６の円周方向の幅Ｗ４よりも大きくする。このように構成すれば、キー接続部３９を含む梁部材３６ａの円周方向の幅Ｗ３の大きさと、キー接続部３９を含まない梁部材３６の円周方向の幅Ｗ４の大きさとを適切に調整することにより、第１溝部３９ａを設けることによって小さくなったキー接続部３９を含む梁部材３６の強度が、キー接続部３９を含まない梁部材３６の強度に比べて必要以上に小さくならないようにすることができる。

また、本実施形態では、上記のように、６個の第１開口部３５ａを、円板状のホイール部材３５のうちの内周側と外周側との間の中間部分に設けるとともに、円周方向に沿って略等角度間隔で配置する。このように構成すれば、円周方向に沿って略等角度間隔で配置された６個の第１開口部３５ａによって、シャフト３１に対するホイール部材３５の重量のバランスを取ることができるので、ロータ３０の回転動作に与える影響を小さくしながら、ホイール部材３５の軽量化を図ることができる。また、円周方向に沿って略等角度間隔で配置された６個の第１開口部３５ａによって、ロータ３０の内部の空気を均等に流通させることができるので、ロータ３０を均等に冷却することができる。

また、本実施形態では、上記のように、ホイール部材３５の中間部分に設けられた６個の第１開口部３５ａのそれぞれの円周方向の幅Ｗ１を、隣接する第１開口部３５ａの間に位置するホイール部材３５の中間部分の円周方向の幅Ｗ２よりも大きくする。このように構成すれば、第１開口部３５ａの幅Ｗ１の大きさと、隣接する第１開口部３５ａの間に位置するホイール部材３５の中間部分の円周方向の幅Ｗ２の大きさとを適切に調整することにより、ホイール部材３５の中間部分の強度を確保しながら第１開口部３５ａを大きくすることができるので、ホイール部材３５の適切な軽量化を図ることができる。また、このように第１開口部３５ａを大きくすることによって、第１開口部３５ａを介して流通するロータ３０の内部の空気の量を増加させることができるので、第１開口部３５ａによるロータ３０の冷却効果を向上させることができる。

また、本実施形態では、上記のように、ホイール部材３５の内周側に、シャフト３１に取り付けられる環状のハブ部３８を設けるとともに、ロータボス３３に、３個のホイール部材３５のそれぞれの内周側に設けられる３個の環状のハブ部３８と周状に接続した状態で３個のハブ部３８同士を連結するハブ連結部材３７を設ける。また、ホイール部材３５、梁部材３６（３６ａ）およびハブ連結部材３７を、互いに溶接する。このように構成すれば、ホイール部材３５、梁部材３６（３６ａ）およびハブ連結部材３７からなるロータボス３３を溶接により一体の部品にすることができるので、シャフト３１、ロータボス３３およびロータヨーク３２からなるロータ３０の組み立てを容易に行うことができる。

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、本発明を風力発電システムの発電機に適用した例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明は、風力発電システム以外の発電システムに用いられる発電機およびモータなどの回転電機全般に適用可能である。

また、上記実施形態では、ホイール部材を、シャフトの軸方向に直交する面内で半径方向に延びる円板状に形成する例を示したが、本発明はこれに限らない。本発明では、ホイール部材を、シャフトの軸方向に交差する面内で形成すれば、シャフトの軸方向に直交する面内で形成しなくてもよい。また、本発明では、ホイール部材を、円板以外の板状に形成してもよい。

また、上記実施形態では、ホイール部材の内周側に、軸方向の厚みがホイール部材の外周側の部分および中間部分よりも大きいハブ部を設ける例を示したが、本発明はこれに限らない。本発明では、ホイール部材にハブ部を設けなくてもよい。

また、上記実施形態では、ロータボスにハブ連結部材を設ける例を示したが、本発明はこれに限らない。本発明では、ロータボスにハブ連結部材を設けなくてもよい。

また、上記実施形態では、ホイール部材を３個設けるとともに、梁部材を１８個設ける例を示したが、本発明はこれに限らない。本発明では、ホイール部材が複数であれば、ホイール部材を２個設けてもよいし、４個以上設けてもよい。また、本発明では、梁部材を２個以上１７個以下設けてもよいし、１９個以上設けてもよい。

また、上記実施形態では、第１開口部を、ホイール部材の内周側と外周側との間の中間部分に設ける例を示したが、本発明はこれに限らない。本発明では、第１開口部を、ホイール部材の内周側または外周側に設けてもよい。

また、上記実施形態では、６個の第１開口部を、ホイール部材の円周方向に沿って略等角度間隔で配置する例を示したが、本発明はこれに限らない。本発明では、６個の第１開口部を略等角度間隔以外の間隔で配置してもよい。また、本発明では、第１開口部を２個以上５個以下設けてもよいし、７個以上設けてもよい。

また、上記実施形態では、キー部材を用いてロータボスとロータヨークとを接続する例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、ロータボスとロータヨークとが接する部分に熱を加えることによって、ロータボスとロータヨークとを接続（焼き嵌め）してもよい。

また、上記実施形態では、３個の穴部のうち、１個の穴部に平行キーを挿入し、残り２個の穴部に一対の勾配キーを挿入する例を示したが、本発明はこれに限らない。本発明では、３個の穴部全てに平行キーまたは一対の勾配キーを挿入してもよい。

１ 発電機（回転電機）
４ ブレード
３０ ロータ（回転子）
３１ シャフト（回転軸部）
３２ ロータヨーク（ヨーク部）
３２ａ 第２溝部
３３ ロータボス（接続部材）
３５ ホイール部材（第１接続部材）
３５ａ 第１開口部
３６、３６ａ 梁部材（第２接続部材）
３７ ハブ連結部材（第２接続部材）
３７ａ 第２開口部
３８ ハブ部（軸接続部）
３９ キー接続部
３９ａ 第１溝部
４０ ステータ（固定子）
５０ キー部材
５１ 平行キー（第１キー部材）
５２ 勾配キー（第２キー部材）
６０ キー挿入穴（穴部）
１００ 風力発電システム

Claims (13)

1. 回転子と、
   前記回転子の外周部に対向するように配置される固定子とを備え、
   前記回転子は、回転軸部と、前記回転軸部を取り囲む筒状のヨーク部と、前記ヨーク部と前記回転軸部とを接続する接続部材と、前記ヨーク部の外周面に取り付けられる永久磁石と、を含み、
   前記接続部材は、前記回転軸部の延びる軸方向と交差する面内で半径方向に延びるように設けられるとともに、前記軸方向に所定の間隔を隔てて配置される複数の板状の第１接続部材と、前記板状の第１接続部材の外周側に設けられるとともに、前記ヨーク部の内周部に接するように配置される複数の第２接続部材とを有し、
   前記板状の第１接続部材には、前記第１接続部材を軸方向に貫通する複数の第１開口部が設けられており、
   軸方向から見て、前記複数の板状の第１接続部材の外周部は、前記ヨーク部の円状の内周部に周状に接するように円状に形成されているとともに、前記ヨーク部は、前記回転軸部の延びる軸方向に隙間を隔てて複数設けられ、前記永久磁石は、前記複数のヨーク部の外周面に、それぞれ、互いに軸方向に隙間を隔てるように複数設けられ、軸方向に隣接する前記複数のヨーク部の間の隙間と、軸方向に隣接する前記永久磁石の間の隙間とは、連通するように構成されている、回転電機。
2. 前記第１接続部材の内周側には、前記回転軸部に取り付けられる環状の軸接続部が設けられており、
   前記軸接続部の軸方向の厚みは、前記第１接続部材の前記軸接続部以外の部分の軸方向の厚みよりも大きい、請求項１に記載の回転電機。
3. 前記接続部材は、前記複数の第１接続部材のそれぞれの内周側に設けられる複数の前記環状の軸接続部と周状に接続した状態で前記複数の軸接続部同士を連結する第３接続部材をさらに有し、
   前記第３接続部材には、前記第３接続部材を半径方向に貫通する複数の第２開口部が設けられている、請求項２に記載の回転電機。
4. 前記複数の第２接続部材は、前記複数の第１接続部材の外周側の部分を橋渡すように軸方向に延びる梁状に形成されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の回転電機。
5. 前記梁状に形成された前記複数の第２接続部材のうちの少なくとも一部は、前記ヨーク部の内周部に接する部分に軸方向に延びる第１溝部が形成されたキー接続部を含み、
   前記ヨーク部の内周部には、前記キー接続部の前記第１溝部に対応するように第２溝部が形成されており、
   前記キー接続部の前記第１溝部と、前記ヨーク部の前記第２溝部とからなる穴部には、キー部材が挿入されている、請求項４に記載の回転電機。
6. 前記第１溝部を有する前記キー接続部は、複数設けられており、
   前記ヨーク部の前記第２溝部は、複数設けられており、
   前記キー部材は、複数の前記第１溝部と、複数の前記第２溝部とからなる複数の前記穴部のそれぞれに挿入されているとともに、平行キーからなる第１キー部材と、一対の勾配キーからなる第２キー部材を含む、請求項５に記載の回転電機。
7. 前記キー接続部を含む前記第２接続部材は、円周方向に沿って略等角度間隔で配置されている、請求項５または６に記載の回転電機。
8. 前記キー接続部を含む前記第２接続部材の円周方向の幅は、前記キー接続部を含まない前記第２接続部材の円周方向の幅よりも大きい、請求項５〜７のいずれか１項に記載の回転電機。
9. 前記複数の第１開口部は、前記板状の第１接続部材のうちの内周側と外周側との間の中間部分に設けられるとともに、円周方向に沿って略等角度間隔で配置されている、請求項１〜８のいずれか１項に記載の回転電機。
10. 前記第１接続部材の中間部分に設けられた前記複数の第１開口部のそれぞれの円周方向の幅は、隣接する前記第１開口部の間に位置する前記第１接続部材の中間部分の円周方向の幅よりも大きい、請求項９に記載の回転電機。
11. 前記第１接続部材の内周側には、前記回転軸部に取り付けられる環状の軸接続部が設けられており、
    前記接続部材は、前記複数の第１接続部材のそれぞれの内周側に設けられる複数の前記環状の軸接続部と周状に接続した状態で前記複数の軸接続部同士を連結する第３接続部材をさらに有し、
    前記第１接続部材、前記第２接続部材および前記第３接続部材は、互いに溶接されている、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の回転電機。
12. 回転子と、前記回転子の外周部に対向するように配置される固定子とを含む発電機と、
    前記発電機の前記回転子に接続されるブレードとを備え、
    前記回転子は、回転軸部と、前記回転軸部を取り囲む筒状のヨーク部と、前記ヨーク部と前記回転軸部とを接続する接続部材と、前記ヨーク部の外周面に取り付けられる永久磁石と、を有し、
    前記接続部材は、前記回転軸部の延びる軸方向と交差する面内で半径方向に延びるように設けられるとともに、前記軸方向に所定の間隔を隔てて配置される複数の板状の第１接続部材と、前記板状の第１接続部材の外周側に設けられるとともに、前記ヨーク部の内周部に接するように配置される複数の第２接続部材とを有し、
    前記板状の第１接続部材には、前記第１接続部材を軸方向に貫通する複数の第１開口部が設けられており、
    軸方向から見て、前記複数の板状の第１接続部材の外周部は、前記ヨーク部の円状の内周部に周状に接するように円状に形成されているとともに、前記ヨーク部は、前記回転軸部の延びる軸方向に隙間を隔てて複数設けられ、前記永久磁石は、前記複数のヨーク部の外周面に、それぞれ、互いに軸方向に隙間を隔てるように複数設けられ、軸方向に隣接する前記複数のヨーク部の間の隙間と、軸方向に隣接する前記永久磁石の間の隙間とは、連通するように構成されている、風力発電システム。
13. 回転子と、前記回転子の外周部に対向するように配置される固定子とを含む回転電機に用いる回転子であって、
    回転軸部と、
    前記回転軸部を取り囲む筒状のヨーク部と、
    前記ヨーク部と前記回転軸部とを接続する接続部材と、前記ヨーク部の外周面に取り付けられる永久磁石と、を備え、
    前記接続部材は、前記回転軸部の延びる軸方向と交差する面内で半径方向に延びるように設けられるとともに、前記軸方向に所定の間隔を隔てて配置される複数の板状の第１接続部材と、前記板状の第１接続部材の外周側に設けられるとともに、前記ヨーク部の内周部に接するように配置される複数の第２接続部材とを含み、
    前記板状の第１接続部材には、前記第１接続部材を軸方向に貫通する複数の第１開口部が設けられており、
    軸方向から見て、前記複数の板状の第１接続部材の外周部は、前記ヨーク部の円状の内周部に周状に接するように円状に形成されているとともに、前記ヨーク部は、前記回転軸部の延びる軸方向に隙間を隔てて複数設けられ、前記永久磁石は、前記複数のヨーク部の外周面に、それぞれ、互いに軸方向に隙間を隔てるように複数設けられ、軸方向に隣接する前記複数のヨーク部の間の隙間と、軸方向に隣接する前記永久磁石の間の隙間とは、連通するように構成されている、回転電機に用いる回転子。

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