JP5918760B2 - 回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、固定子に界磁巻線を有する回転電機に関する。

発電機は、通常、回転子の回転数（回転速度）が上がると、出力が大きくなる。例えば大容量の風力発電は、プロペラの回転エネルギが入力される。プロペラの回転速度は、著しく低いものが多い。このようなプロペラを発電機に直結して発電する場合には、巨大な発電機が必要になる。発電機を小型化するために、プロペラの回転速度を、歯車を有する機械式の増速装置によって増速するものがある。

近年、風力発電の大容量化が進んでおり、上述の機械式の増速装置では、要求される発電容量に対応できなくなる可能性がある。

この問題を解決する方法として、例えば特許文献１に開示されているように、磁気歯車により増速効果を得るものが知られている。この磁気歯車は、比較的、発電機に類似した技術なので、磁気歯車および発電機を一体化できる。磁気歯車を有する回転電機は、磁気歯車で回転磁界を増速してこの回転磁界により、三相電機子巻線で発電する。

特表２００９−５３５０１２号公報

ところが、特許文献１に開示されているような磁気歯車を用いた発電機は、回転子の講造が複雑である。回転子の構造が複雑化すると、製造コスト等が増大する。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、より簡素な構成の回転電機で、磁気歯車による増速効果を得られるようにすることである。

上記の目的を達成するために、本発明に係る回転電機は、回転可能に軸支されて、外周に互いに周方向に配列された凸状の複数の突極部が形成された回転子と、前記回転子の外周に前記回転子と間隔を空けて配設されて、内周に互いに周方向に配列された凸状の複数のティースが形成された固定子鉄心と、前記複数のティース毎に巻回された複数極の界磁巻線と、前記界磁巻線と絶縁されて、前記複数のティース毎に巻回された複数極の電機子巻線と、を有し、前記ティースの個数と前記界磁巻線の極数とが同一で、前記界磁巻線の極数と前記電機子巻線の極数が所定の比率で、前記回転子に設ける突極部の数が、（ｐ_ｆ＋ｐ_ａ）／２（ただし、ｐ_ｆ：前記界磁巻線の極数、ｐ_ａ：前記電機子巻線の極数）を満たし、ｐ_ｆのｐ_ａに対する比が１．５である、ように構成されていること、を特徴とする。
また、本発明に係る回転電機は、回転可能に軸支されて、外周に互いに周方向に配列された凸状の複数の突極部が形成された回転子と、前記回転子の外周に前記回転子と間隔を空けて配設されて、内周に互いに周方向に配列された凸状の複数のティースが形成された固定子鉄心と、前記複数のティース毎に巻回された複数極の界磁巻線と、前記界磁巻線と絶縁されて、前記複数のティース毎に巻回された複数極の電機子巻線と、を有し、前記ティースの個数と前記界磁巻線の極数とが同一で、前記界磁巻線の極数と前記電機子巻線の極数が所定の比率で、前記回転子に設ける突極部の数が、（ｐ _ｆ ＋ｐ _ａ ）／２（ただし、ｐ _ｆ ：前記界磁巻線の極数、ｐ _ａ ：前記電機子巻線の極数）を満たし、ｐ _ｆ のｐ _ａ に対する比が１．２である、ように構成されていること、を特徴とする。
また、本発明に係る回転電機は、回転可能に軸支されて、外周に互いに周方向に配列された凸状の複数の突極部が形成された回転子と、前記回転子の外周に前記回転子と間隔を空けて配設されて、内周に互いに周方向に配列された凸状の複数のティースが形成された固定子鉄心と、前記複数のティース毎に巻回された複数極の界磁巻線と、前記界磁巻線と絶縁されて、前記複数のティース毎に巻回された複数極の電機子巻線と、を有し、前記ティースの個数と前記界磁巻線の極数とが同一で、前記界磁巻線の極数と前記電機子巻線の極数が所定の比率で、前記回転子に設ける突極部の数が、（ｐ _ｆ ＋ｐ _ａ ）／２（ただし、ｐ _ｆ ：前記界磁巻線の極数、ｐ _ａ ：前記電機子巻線の極数）を満たし、ｐ _ｆ のｐ _ａ に対する比が１．１２５である、ように構成されていること、を特徴とする。

本発明によれば、より簡素な構成の回転電機で、磁気歯車による増速効果を得ることが可能である。

本発明に係る第１の実施形態の回転電機の四分の一の部分横断面を模式的に示した部分横断面図である。 図１のII部の周方向の範囲の固定子および回転子の一部を軸方向からみて周方向を直線的に展開して示す模式的横断面である。 本発明に係る第２の実施形態に係る回転電機の固定子および回転子の一部を軸方向からみて周方向を直線的に展開して示す模式的横断面である。 本発明に係る第３の実施形態に係る回転電機の固定子および回転子の一部を軸方向からみて周方向を直線的に展開して示す模式的横断面である。 図１、図３および図４それぞれの実施形態のｐ_ｆ、ｐ_ａ、ｐ_ｒの組み合わせ例を示した表である。

以下、本発明に係る回転電機の実施形態について、図面を参照して説明する。

［第１の実施形態］
第１の実施形態について、図１および図２を用いて説明する。図１は、本実施形態明の回転電機の四分の一の部分横断面を模式的に示した部分横断面図である。図２は、図１のII部の範囲固定子４０および回転子１０の一部を軸方向からみて周方向を直線的に展開して示す模式的横断面である。

先ず、本実施形態の回転電機の構成について説明する。この回転電機は、三相同期の発電機で、回転子１０および固定子４０を有する。これらの回転子１０および固定子４０は、ハウジング（図示しない。）の内部に配置される。

回転子１０は、巻線を設けない突極形回転子であって、主軸２０および回転子鉄心３０を有している。主軸２０は、回転軸と同軸的に延びていて、ハウジングに設けられた軸受（図示しない。）によって、回転可能に軸支されている。

回転子鉄心３０は、複数枚の珪素鋼板が回転軸方向に積層されてなり、主軸２０の外周に固定されていて、回転軸と同軸的に延びている。回転子鉄心３０の外周には、互いに周方向に等間隔に配列された凸状（例えば、横断面が略長方形状）の４０個の突極部３２が形成されている。すなわち、隣接する突極部３２間には、凹溝３４が形成されている。

この例では、回転子鉄心３０は、回転軸方向の長さが５０ｍｍ、外側半径（回転軸中心から突極部３２の先端面までの距離）が２５５ｍｍに形成されている。

固定子４０は、固定子鉄心５０、複数極の界磁巻線６０、および、複数極の三相電機子巻線７０を有する。

固定子鉄心５０は、複数枚の珪素鋼板が回転軸方向に積層されてなり、回転子１０の外周に回転子１０と空隙（エアギャップ）をあけて配設されている。固定子鉄心５０の内周には、互いに周方向に等間隔に配列された凸状（例えば、横断面が略長方形状）の４８個のティース５２が形成されている。すなわち、隣接するティース５２間には、スロット５４が形成されている。

この例では、固定子鉄心５０は、回転軸方向の長さが５０ｍｍ、外径が３１５ｍｍ、径方向の厚み（ティース５２の先端面から固定子鉄心５０の外周面までの距離）が５９．５ｍｍに形成されている。また、固定子鉄心５０は、エアギャップの距離（突極部３２の先端面からティース５２の先端面までの距離）が０．５ｍｍとなるように配設されている。

界磁巻線６０は、銅線等の導線が、絶縁物を介して、４８個のティース５２毎に径方向に垂直に巻回（いわゆる「集中巻き」）されてなる。隣接したティース５２に巻回された界磁巻線６０は、互いに逆向きに巻回されていて、互いに直列に接続されている。界磁巻線６０には、直流電源（図示しない。）より、界磁電流が供給される。そのため、本実施形態においては、界磁巻線６０の極数ｐ_ｆは、ティース５２の数と同一の４８極となっている。なお、界磁巻線６０の巻き数は、９２１６巻きである。

三相の電機子巻線７０は、銅線等の導線が、絶縁物を介して、４８個のティース５２毎に径方向に垂直に巻回（いわゆる「集中巻き」）されてなる。三相の電機子巻線７０は、界磁巻線６０より径方向の内方の位置で、界磁巻線６０と絶縁されるように巻回されていて、隣接したティース５２に巻回された三相の電機子巻線７０は、互いに同一の向きに巻回されている。

三相の電機子巻線７０は、互いにＹ結線された三相（Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相）の巻線により構成されていて、周方向に形成された４８個のティース５２には、Ｕ相の巻線、Ｖ相の巻線、Ｗ相の巻線が周方向に順に巻回されている。このため、三相の電機子巻線７０の極数ｐ_ａは、「４８÷３×２」極、すなわち３２極となっている。なお、電機子巻線７０の巻き数は、各相につき５２８巻きである。

続いて、本実施形態の作用、すなわち、発電機の動作について説明する。まず、この発電機の動作原理について説明する。

界磁巻線６０を界磁電流Ｉ_ｆにより直流励起すると、固定子４０にｐ_ｆ極（４８極）の静止磁界が形成される。この静止磁界は、図２の破線Ｌ_１で示される。ここで、回転子１０を発電機の外部に設けられた原動機（図示せず）によって回転速度Ｎ［ｍｉｎ^−１］（図２の矢印Ｘ_１）で駆動する。

このとき、静止磁界は、突極部３２および凹部３４の和（突極部がＮ極、凹部がＳ極と等価に考えられる。）で示される２×ｐ_ｒ極（８０極）の回転子１０によって磁束変調されて、式（１）で示されるｐ_ａ極の回転磁界が発生する。この回転磁界は、図２の実線Ｌ_２で示される。

ｐ_ａ＝（２×ｐ_ｒ）−ｐ_ｆ ・・・式（１）
この例では、ｐ_ｒ＝４０で、ｐ_ｆ＝４８であるため、ｐ_ａ極は、「２×４０−４８」すなわち３２極の回転磁界が発生する。

通常、機械的に回転速度を増速させる増速機を用いない場合、回転磁界は、所定の回転速度に対して界磁電流Ｉ_ｆ等により一義的に決まる。これに対して、本実施形態は、界磁電流Ｉ_ｆで決まる回転磁界の大きさよりも、大きくなる。

この例では、３２極の回転磁界は、磁気歯車の効果によって回転子１０の回転速度Ｎ［ｍｉｎ^−１］に対して、２．５（＝８０極／３２極）倍の速度で回転していることと同等になる。

回転磁界を形成する回転速度は、実際に発電機に入力される回転速度Ｎとしたときに、（２×ｐ_ｒ／ｐ_ｆ）×Ｎで示される。さらに、式（１）等を用いて変形すると、（１＋Ｐ_ｆ／Ｐ_ａ）×Ｎになる（図２の矢印Ｘ_２）。

すなわち、発電機に入力される回転速度に対して、（１＋Ｐ_ｆ／Ｐ_ａ）倍の回転速度が入力されたものと、同様の効果が得られる。この例では、ｐ_ａおよびｐ_ｆの比が、ｐ_ｆ／ｐ_ａ＝１．５の関係を満たすように、ｐ_ａ＝３２およびｐ_ｆ＝４８としているため、当該回転速度は、「１＋４８／３２」倍、すなわち、２．５倍の回転速度と同じ効果を得ることができる。

その結果、電機子巻線７０に式（２）に示した発電周波数ｆ［Ｈｚ］の三相交流電圧が誘導される。

ｆ＝（ｐ_ａ／１２０）×（（２×ｐ_ｒ）／ｐ_ａ））×Ｎ ・・・式（２）
なお、三相の電機子巻線７０に誘導される誘電圧Ｖは、界磁巻線６０に供給する界磁電流Ｉ_ｆを調整することにより、容易に制御される。

続いて、本実施形態に係る回転電機の効果について説明する。

本実施形態の回転子１０は８０極である。上述した磁気歯車の効果により、回転磁界は２．５倍の速さに増速される。発電機の出力は、一般に回転速度に比例する。これに対して、当該効果によって８０極の電動機より、体積当たりの出力を大きく設計できる。

また、本実施形態の発電機は、８０極の突極回転子を有しているが、回転子に界磁巻線を施す必要がなく、且つ回転子への給電を必要としない。さらに、当該発電機は、回転子１０の構成がより単純な突極回転子であるため、発電機の製造で、従来の製造技術を用いることができる。このため、本実施形態は、当該発電機の製造コストや組立工数の増加を抑制しつつ、磁気歯車の効果を得ることができる。

以上の説明からわかるように本実施形態によれば、回転電機の構成がより簡素なもので、磁気歯車の効果を得ることが可能になる。

［第２の実施形態］
第２の実施形態について、図３を用いて説明する。図３は、本実施形態に係る回転電機の固定子および回転子の一部を軸方向からみて周方向を直線的に展開して示す模式的横断面図である。なお、本実施形態は、第１の実施形態（図１および図２）の変形例であって、第１の実施形態と同一部分または類似部分には、同一符号を付して、重複説明を省略する。

本実施形態は、ｐ_ａおよびｐ_ｆの比が、ｐ_ｆ／ｐ_ａ＝１．２の関係を満たしている。この例では、ｐ_ａ＝２０およびｐ_ｆ＝２４としているため、当該回転速度は、「１＋２４／２０」倍、すなわち、２．２倍の回転速度と同じ効果を得ることができる。

これにより、第１の実施形態と同様に、回転電機の構成がより簡素なもので、磁気歯車の効果を得ることが可能になる。

［第３の実施形態］
第３の実施形態について、図４を用いて説明する。図４は、本実施形態に係る回転電機の固定子および回転子の一部を軸方向からみて周方向を直線的に展開して示す模式的横断面図である。なお、本実施形態は、第１の実施形態（図１および図２）の変形例であって、第１の実施形態と同一部分または類似部分には、同一符号を付して、重複説明を省略する。

本実施形態は、ｐ_ａおよびｐ_ｆの比が、ｐ_ｆ／ｐ_ａ＝１．１２５の関係を満たしている。この例では、ｐ_ａ＝３２およびｐ_ｆ＝３６としているため、当該回転速度は、「１＋３６／３２」倍、すなわち、２．１２５倍の回転速度と同じ効果を得ることができる。

これにより、第１の実施形態と同様に、回転電機の構成がより簡素なもので、磁気歯車の効果を得ることが可能になる。

［その他の実施形態］
本実施形態の説明は、本発明を説明するための例示であって、特許請求の範囲に記載の発明を限定するものではない。また、本発明の各部構成は上記実施形態に限らず、特許請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能である。

第１〜第３の実施形態では、ｐ_ｆ／ｐ_ａが、それぞれ１．５、１．２、１．１２５になるような例を一つずつ示しているが、これらに限らない。

図５は、第１〜第３の実施形態それぞれのｐ_ｆ、ｐ_ａ、ｐ_ｒの組み合わせ例を示した表である。図５に示すように、ｐ_ｆ／ｐ_ａが、１．５、１．２、１．１２５を満たすようなｐ_ｆ＋ｐ_ａ＝（２×ｐ_ｒ）を満たす組み合わせは多数存在し、これらのどの組み合わせを採用しても構わない。そうすれば、ゆっくり回る回転子の突極から、高速に回る回転磁界が作られるので、比較的体格の小さな回転機で大きな出力を得ることができる。

また、第１〜第３の実施形態では、電機子巻線７０の結線には、Ｙ結線が採用されているが、Δ結線が採用してもよい。

また、第１〜第３の実施形態では、電機子巻線７０が界磁巻線６０より径方向の内方の位置で巻回されているが、電機子巻線７０が界磁巻線６０より径方向の外方の位置で巻回してもよい。

また、本発明は、調相機等にも適用してもよい。

１０…回転子、２０…主軸、３０…回転子鉄心、３２…突極部、３４…凹溝、４０…固定子、５０…固定子鉄心、５２…ティース、５４…スロット、６０…界磁巻線、７０…電機子巻線

Claims (3)

1. 回転可能に軸支されて、外周に互いに周方向に配列された凸状の複数の突極部が形成された回転子と、
   前記回転子の外周に前記回転子と間隔を空けて配設されて、内周に互いに周方向に配列された凸状の複数のティースが形成された固定子鉄心と、
   前記複数のティース毎に巻回された複数極の界磁巻線と、
   前記界磁巻線と絶縁されて、前記複数のティース毎に巻回された複数極の電機子巻線と、
   を有し、
   前記ティースの個数と前記界磁巻線の極数とが同一で、
   前記界磁巻線の極数と前記電機子巻線の極数が所定の比率で、前記回転子に設ける突極部の数が、（ｐ_ｆ＋ｐ_ａ）／２（ただし、ｐ_ｆ：前記界磁巻線の極数、ｐ_ａ：前記電機子巻線の極数）を満たし、ｐ_ｆのｐ_ａに対する比が１．５である、
   ように構成されていること、を特徴とする回転電機。
2. 回転可能に軸支されて、外周に互いに周方向に配列された凸状の複数の突極部が形成された回転子と、
   前記回転子の外周に前記回転子と間隔を空けて配設されて、内周に互いに周方向に配列された凸状の複数のティースが形成された固定子鉄心と、
   前記複数のティース毎に巻回された複数極の界磁巻線と、
   前記界磁巻線と絶縁されて、前記複数のティース毎に巻回された複数極の電機子巻線と、
   を有し、
   前記ティースの個数と前記界磁巻線の極数とが同一で、
   前記界磁巻線の極数と前記電機子巻線の極数が所定の比率で、前記回転子に設ける突極部の数が、（ｐ _ｆ ＋ｐ _ａ ）／２（ただし、ｐ _ｆ ：前記界磁巻線の極数、ｐ _ａ ：前記電機子巻線の極数）を満たし、ｐ _ｆ のｐ _ａ に対する比が１．２である、
   ように構成されていること、を特徴とする回転電機。
3. 回転可能に軸支されて、外周に互いに周方向に配列された凸状の複数の突極部が形成された回転子と、
   前記回転子の外周に前記回転子と間隔を空けて配設されて、内周に互いに周方向に配列された凸状の複数のティースが形成された固定子鉄心と、
   前記複数のティース毎に巻回された複数極の界磁巻線と、
   前記界磁巻線と絶縁されて、前記複数のティース毎に巻回された複数極の電機子巻線と、
   を有し、
   前記ティースの個数と前記界磁巻線の極数とが同一で、
   前記界磁巻線の極数と前記電機子巻線の極数が所定の比率で、前記回転子に設ける突極部の数が、（ｐ _ｆ ＋ｐ _ａ ）／２（ただし、ｐ _ｆ ：前記界磁巻線の極数、ｐ _ａ ：前記電機子巻線の極数）を満たし、ｐ _ｆ のｐ _ａ に対する比が１．１２５である、
   ように構成されていること、を特徴とする回転電機。

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