JP5722830B2 - 回転電気機器 - Google Patents

Description

本発明は、回転電気機器に関し、特に風車等の低速回転の出力軸に連結して発電に有効な回転電気機器に関する。

商用電力の周波数は５０Ｈｚ（または６０Ｈｚ）であり、たとえば、火力・水力発電における２極ロータによるタービン発電では、３０００回転／分の高速回転が必要である（６０Ｈｚの場合、３６００回転／分）。ところが、風力を利用した風車では、高速回転は望めず、ギアで回転数を増速させるか、多極のロータの発電機を用いる。２０極のロータならば３００回転／分の低速回転でも商用電力の周波数の電力を得ることができ、ギアレスの発電が可能になる。

例えば、特許文献１には、多極発電機が開示されている。この発電機は、永久磁石を磁極とするロータと、放射線形状のステータとを有し、ロータを回転させることにより、ステータに巻き回された電機子巻線に交流電圧を発生させている。

特開２０００−６００９２号公報 特開２００５−３０４１２７号公報

発電機を含むモータの製造に関しては、放射状のテース（ｔｅｅｔｈ）を持つステータを形成するために磁性材料を打ち抜いて形成することが行われている。特許文献１の発電機において、巻線のターン数を増やそうとすると、放射状のテースの長さを長くしなければならず、コアの打ち抜きにより形成すると、テース間の材料が大量に無駄にされる。

また、テースの長さが長く、多極構成でロータの直径が大きな場合、梃子の原理で長いテースの端部（ヨークとの接続部）には大きな曲げモーメントが発生するため、これに対応するには、テースとヨークとの接続部は強固に厚くなる。従って、このように大きくなったテースとロータを収容するには、大きなかつ強度を持つケーシングが必要となる。一方、テースを長くすれば巻線を多く巻くことができるが、逆にテース自体の機械的強度を持たせるために幅もさらに大きくしなければならず、幅が増えると巻き線の一巻き当たりの導体長さが増加し、銅損が増えることになる。

尚、特許文献２では、永久磁石を固定する円筒状のロータコアの形成に関し、打ち抜きに代えて、直方体状の強磁性体を巻き回すことによってロータコアを形成することを提案しているが、放射状のテースを持つステータについて開示したものではない。

一方、本出願人は、特願２０１１−２３６６０１号により帯状の方向性電磁鋼板を巻いた鉄心に巻線を施してステータポールの鉄心を構成した発電機を提案した。方向性電磁鋼板は、無方向性電磁鋼板よりも鉄損が少なく、透磁率が高い。しかしながら、磁化容易軸の軸方向が一方向であるため、ステータポールとその外周を囲むヨークとの間で、磁気抵抗が増加する。

従って、本発明は、方向性電磁鋼板を利用して、方向性電磁鋼板の持つ磁化容易軸の軸方向を妨げることを低減してステータポールとヨークを構成して、ヨークの磁束密度を向上させた回転電気機器を提供することにある。

上記課題を解決するために本発明の回転電気機器は、磁化容易軸を有する帯状の電磁鋼板が磁化容易軸の軸方向を揃えて積層され、両側の端部分の延長線が鋭角をなして交わるような曲げ形状であって、かつ磁化容易軸の軸方向が当該曲げの方向に向いている複数の積層電磁鋼板片と、各積層電磁鋼板片の両側の端部分がはめ込まれ、磁化容易軸の端が現れる前記端部分の面が中心を向くように前記複数の積層電磁鋼板片を円形状に配置して固定する筒状のハウジングと、前記円形状に配置された積層電磁鋼板片の隣り合う前記端部分を１つのテースとして、それぞれの当該テースに施された複数の巻線と、前記ハウジング内に内挿され、前記ハウジングにはめ込まれた各積層電磁鋼板片の端部分との間に磁気ギャップを形成する多数の永久磁石による磁極を有する回転子とを有し、前記ハウジングは、予定されたテースの数だけの開口が等角度間隔に設けられた筒部とその両側のフランジ部とを有し、片側のフランジ部は前記筒部から分離可能であり、前記ステータの円を描くように並べられたテースに対して前記巻線を施した後、前記テースは前記ハウジングの片側にある分離可能なフランジ部を外して前記開口が開いた状態で前記開口にはめ込まれ、前記ハウジングに溶接若しくは接着されていることを特徴とする。

本発明によれば、固定子を構成するテースとヨークは連続した方向性電磁鋼板で構成されるため、磁束が妨げられることなく、ロータの永久磁石へと戻る回路を構成することができる。また、重量物である固定子は、ハウジングが支持する。ハウジングは回転子に近い位置で固定子を支えるため、ハウジングの筒部の径は、ヨークを外側がら支えた場合よりも少ない体積で支えられる。テースは、回転子の永久磁石の接近、離脱により振動を受けるが、この振動をハウジングが回転子に近い位置で支持することができる。

回転電気機器の分解図である。 積層電磁鋼板片の組立工程を示す図である。 積層電磁鋼板片の取り付け工程を示す図である。 回転子の他の実施例の説明図である。 固定子の他の実施例の説明図である。 固定子の他の実施例の説明図である。

図１は試作例の回転電気機器１を分解した状態を示している。回転電気機器１は、電動機や発電機として利用することができる。回転電気機器１は、固定子７に夫々多数のテース１０を備えた多極構成のインナーロータ型発電機である。回転子９は、回転軸２に固定され、回転中心に対して等角度間隔に配置された磁極として永久磁石１２が設けられている。

固定子７はオーステナイト鋼等の非磁性材製の筒状のハウジング５に固定されている。固定子７のテース１０は、ハウジング５を貫通しており、回転子９の磁極と対向している。図においては、ハウジング５に内挿された回転子９が、固定子７のテース１０と対向する位置から、手前側に引き出された状態を示している。また、ハウジング５は、前後のプレート３、４にボルト６により固定されるものであるが、図においてボルト６が外されて、プレート３がハウジング５から分離した状態を示している。軸受３１はプレート３に設けられており、回転軸２を軸支する。尚、破線Ｏは、回転中心である。

多数の積層電磁鋼板片８により固定子７が構成されている。多数の積層電磁鋼板片８は回転子９を取り囲んでハウジング５に固定されており、積層電磁鋼板片８の端部分がテース１０としてハウジング５を貫通している。一方、積層電磁鋼板片８の中央部分は、テース１０間のヨーク１１を夫々構成している。積層電磁鋼板片８は同形状であるため、テース１０は回転中心に対して等角度間隔である。

図２は、積層電磁鋼板片８の組立工程を示す図である。各積層電磁鋼板片８は、テース１０の一部として機能する端部分８ａと、ヨーク１１として機能する中央部分８ｂとを有している。帯状の方向性磁性鋼板を互いに電気的に絶縁して積層し、積層された方向性磁性鋼板の面８１であって中央部分８ｂに対応する範囲に対して、間隔を開けて線状に多数箇所溶接（ｗ１）を行う（図２Ａ参照）。方向性電磁鋼板の磁化容易軸の軸方向は、方向（ｘ）に揃えられている。そして、一点鎖線の位置Ｐ、ＱでＵ字状に曲げて、両側に端部分８ａ、中央に中央部分８ｂを形成する（図２Ｂ）。方向性電磁鋼板の磁化容易軸の軸方向に沿って曲げるのである。この結果、方向性電磁鋼板の磁化容易軸の軸方向が当該曲げの方向に向うことになり、磁化容易軸の端が、端部分８ａの面８２に現れる。端部分８ａに対応する範囲の面８１に対して、間隔を開けて線状に多数箇所溶接（ｗ２）を行う（図２Ｂ参照）。なお、方向性磁性鋼板を曲げた際に面８２が平坦になるように、外側のものの長さが長くなっている。

なお、前記した最初の溶接（ｗ１）は、方向性磁性鋼板を曲げる際に、積層された方向性磁性鋼板同士で、位置のズレが生じないようにするためである。このような曲げ形状の積層電磁鋼板片８を、回転電気機器1として予定されたテース１０の数だけ用意する。
ここにおいて、各積層電磁鋼板片８の両方の端部分８ａを両外側の面を延長したときに、その延長線（図中、一点鎖線Ｔ）が互いに交わる角度θが鋭角であり、予定されるテース１０の数で１周３６０度を除算して得られる角度となっている。

図３は、ハウジング５と積層電磁鋼板片８との接続構造を示している。ハウジング５は、糸巻き状であり、筒部５１の両側にフランジ部５２を有している。筒部５１には、予定されたテースの数だけの開口５３が等角度間隔に設けられている。隣り合う積層電磁鋼板片８の一方の端部分８ａと他方の端部分８ａが一つの開口５３に挿入され、端部分８ａ同士の外側面を密着させ、面８２を揃えた状態で、筒部５１に固定する。この固定には、溶接を用いた（ｗ２）。端部分８ａ同士の外側面が合わさった状態で１つのテース１０が形成され、巻線１３は２つの端部分８ａで構成されたテース１０を１つの鉄心として施される。方向性磁性鋼板８の短辺が現れる面８２は、テース１０の磁極面として、回転子９の永久磁石１２との間で磁気ギャップを構成する。

この構造において、固定子７により形成される磁気回路を説明すると、永久磁石１２からの磁束は、１つのテース１０の磁極面から当該テース１０を構成する２つの積層電磁鋼板片８に浸入し、それぞれの磁化容易軸の軸方向に沿って中央部分８ｂに至る箇所で両側に方向転換し、２つの積層電磁鋼板片８の中央部分８ｂを夫々通過し、両隣のテース１０に至る経路を通ることになる。

本試作例によれば、固定子７を構成するテース１０とヨーク１１は連続した方向性電磁鋼板で構成されるため、磁束が妨げられることなく、回転子９の永久磁石１４へと戻る磁気回路を構成することができる。

重量物である固定子７は、ハウジング５が支持する。ハウジング５は回転子９に近い位置で固定子を支えるため、ハウジング５の筒部の径は、ヨーク１１を外側がら支えた場合よりも少ない体積で支えられる。本実施例のハウジング５は、フランジ部５２を介して軸受３１を有するプレート３、４に固定され、発電機の躯体となっている。テース１０は、回転子９の永久磁石１２の接近、離脱により振動を受けるが、この振動をハウジング５が回転子９に近い位置で支持することができる。

図４は、回転子９の他の構成例を示している。回転子９は無方向性電磁鋼で作られており、かつ回転軸に対して等角度間隔に回転子９の外周に配置された多数のテース１８を磁極として有している。テース１８には、１つ置きに永久磁石１４が埋め込まれている。永久磁石１４は、一方の磁極を回転子９の中心に向けて、他方の磁極を反対側に向けており、かつ永久磁石１４の他方磁極には、磁極の面積を回転子９の半径方向に向けて縮小した凸面１５を有する凸状の電磁鋼ピース１６が設けられており、永久磁石１４の磁束を凸面１５の狭い範囲に集中させて磁束密度を増加する。電磁鋼ピース１６は、無方向性の電磁鋼製である。

リング１７は、非磁性のオーステナイト鋼であって、電磁鋼ピース１６と永久磁石１４が回転子９から脱落するのを防止する。リング１７の代わりに接着剤を使用して、電磁鋼ピース１６と永久磁石１４を回転子９に固定しても良い。一方、永久磁石１４を有さない回転子９のテース１８は、電磁鋼ピース１６と同じように凸面１５を有する形状となっている。永久磁石１４からの磁力線は、図４Ｂの破線Ｍで示すように、永久磁石１４からの磁力線は、電磁鋼ピース１６、図示しない固定子７、永久磁石が埋設されていないテース１８、回転子９を経由して永久磁石１４に戻る磁気回路を構成する。

本試作例のように、テース１８の磁束密度を増加させることにより、固定子７の積層電磁鋼板片８の断面積を小さくすることができ、方向性電磁鋼板による重量を低減できるという効果がある。また、積層電磁鋼板片８の巻線の１ターン当りの長さを短くすることができるため、銅損を小さくすることができる。また、回転子９側の永久磁石１４を減らすことにより、永久磁石１４によるコストが低減できる。

図５は、本発明の実施例のハウジング５を示す図である。本実施例においては、ハウジング５の片側のフランジ部５２が筒部５１と分離できる構造になっている。フランジ部５２は筒部５１に対して、ボルト５４により固定される。

図６は、図５のハウジング５を用いて、固定子７を組み立てる様子を示している。ボビン２０は、積層電磁鋼板片８の２つ分の端部分８ａが収まる空洞２１を有した筒状の部材である。ボビン２０の周囲に巻線を施して、鉄心の無い状態の電磁石にする。

多数の積層電磁鋼板片８を、端部分８ａの外側面を付き合わせながら、円を描くよう並べてゆき、重ねた状態の２つの端部分８ａに巻線１３を施したボビン２０の空洞２１の中に貫通させる。これで、リング状の固定子７が完成する。次に、完成したリング状の固定子７のテース１０を、片側のフランジ部５２を外した状態の筒部５１の開口５３にはめ込む。固定子７のテース１０に適合するように開口５３の大きさと位置を決めておけば、積層電磁鋼板片８を筒部５１の開口５３にはめ込んだ状態で、積層電磁鋼板片８は安定的にハウジング５に支持される。溶接もしくは接着により、テース１０とハウジング５を固着し、フランジ５２をハウジング５に取り付ける。

固定子７のテース１０と回転子９の磁極の数を多くすれば、回転電気機器1を発電機して利用した場合、１回転あたりの電圧周波数を増加できる。

本実施例においては、方向性電磁鋼板を一点鎖線の位置Ｐ、ＱでＵ字状に曲げた（図２Ａ）。これは、積層電磁鋼板片８を円形状に並べた際に、中央部分８ｂを繋げた線ができるだけ円形になるようにしたからである。しかしながら、位置Ｐ、Ｑでの方向性電磁鋼板が急峻にならないように、中央部分８ｂ全体にかけて孤を描くように緩やかに曲げても良い。

上記実施例の回転電気機器１は、回転子９に永久磁石を用いて磁極を設けているが、回転子をかご型回転子とすることができる。かご型回転子は、誘導電導機、誘導発電機において周知のものであり、例えば、回転シャフトの軸周りに環状に平行に配置した複数の導体バーと、複数の導体バー部を挟んで両側に配置され、これらの複数導体バーの端部同士をそれぞれ接続する環状のエンドリングとを含む構造となっている。

１ 回転電気機器
２ 回転軸
５ ハウジング
７ 固定子
８ 積層電磁鋼板片
９ 回転子
１０ テース
１１ ヨーク
１３ 巻線
３１ 軸受

Claims (2)

1. 磁化容易軸を有する帯状の電磁鋼板が磁化容易軸の軸方向を揃えて積層され、両側の端部分の延長線が鋭角をなして交わるような曲げ形状であって、かつ磁化容易軸の軸方向が当該曲げの方向に向いている複数の積層電磁鋼板片と、
   各積層電磁鋼板片の両側の端部分がはめ込まれ、磁化容易軸の端が現れる前記端部分の面が中心を向くように前記複数の積層電磁鋼板片を円形状に配置して固定する筒状のハウジングと、
   前記円形状に配置された積層電磁鋼板片の隣り合う前記端部分を１つのテースとして、それぞれの当該テースに施された複数の巻線と、
   前記ハウジング内に内挿され、前記ハウジングにはめ込まれた各積層電磁鋼板片の端部分との間に磁気ギャップを形成する多数の永久磁石による磁極を有する回転子とを有し、
   前記ハウジングは、予定されたテースの数だけの開口が等角度間隔に設けられた筒部とその両側のフランジ部とを有し、片側のフランジ部は前記筒部から分離可能であり、
   円を描くように前記積層電磁鋼板片を並べ、隣り合う前記端部分を１つのテースとして前記巻線を施した後、前記テースは前記ハウジングの片側にある分離可能なフランジ部を外して前記開口が開いた状態で前記開口にはめ込まれ、前記ハウジングに溶接若しくは接着されていることを特徴とした回転電気機器。
   
2. 前記ハウジングは、オーステナイト綱による非磁性材製であることを特徴とした請求項１の回転電気機器。