JP6108655B2 - 発電機用磁石 - Google Patents

Description

本発明は、概して、発電機用磁石に関する。特に、本発明は、発電機用の磁石、ロータ、ステータおよび当該磁石を備える発電機に関する。

発電機やモータなどの永久磁石機械が回転する際の磁力の変化により、トルク脈動が発生する。このトルク脈動は、負荷状態でも無負荷状態でも発生するものであり、以下ではコギングトルクおよびトルクリップルという。これらのトルク脈動は、回転する機械および接続部分に有害な可能性のある振動を生じさせる場合がある。さらに、トルク脈動は、環境を乱しうる低周波騒音を発生するおそれがある。この問題は、直接駆動型発電機において一層顕著となる場合がある。

トルクの低減は、磁石の２次元形状の最適化、ステータ／ロータの歯先の整形、磁石の移動、磁石の一般的なスキューや高調波注入による減衰などの種々の方法によって行うことができる。それぞれの方法には、たとえば、磁石の移動においては漏れ磁束が増大して出力トルクが低下するといった欠点がある。従来の磁石の２次元整形は従来のスキューと比較して製造コストを増大させ、磁石形状の最適化のためには数値ＦＥＭのような精確なモデリングツールが必要である。

磁石のスキューは一般的に簡便で費用がかからない。しかし、従来のスキューには、磁束の分散とこれによる磁束の基本成分の減少およびこれによる発電機の平均出力トルクの低下などのいくつかの欠点がある。さらに、磁石形状を簡単なものとし、ロータの曲線的な表面に合うものとするため、スキューは通常限られた少数のステップで行われる。結果として、２つのブロックが互いに離れている領域により多くの漏れ磁束が生じる（図１に漏れ磁束ベクトルとして示されている）。したがって、同じ平均トルクを得るためにはより大きい磁石が必要となる（すなわち、磁石が効率的に用いられていない）。

また、多ステップのスキューはより漏れ磁束の増大につながる場合があるため、スキューは通常少数のステップで行われ、デザインによっては、トルクリップルおよびコギングトルクの最少化が十分効率的とならない場合がある。

したがって、本発明は、永久磁石機械におけるトルク脈動を低減することを課題とする。

上記課題は、請求項１、１２、１３および１４に記載の特徴のそれぞれにより解決される。従属請求項は、本発明のさらに詳細なものおよび利点を提供する。

１つの態様では、本発明は、長さ、幅を有する主面に、スキュー磁石モジュールが設けられたベース磁石を備える磁石に関する。発電機におけるコギングトルクおよびトルクリップル、ひいては振動および機械疲労は、この新規なスキュー技術によって最少化される。提案される磁石は、既存の代替物、たとえばコギングトルクおよびトルクリップルの最少化における従来のスキューよりも効率的である一方で、これらにおける平均トルクの低下、およびこれによる出力低下など欠点を有しない。全ての磁極をスキューする従来のスキューと異なり、たとえばベース磁石の表面上に別の磁石を加え、このスキュー磁石モジュールのみをスキューすることによって、非対称の磁石形状を導入することが提案される。

分析計算およびＦＥ計算によって、この新規な磁石がトルクリップルおよびコギングトルクを非常に効率的に最少化することが示された。さらに、この磁石は従来のスキューの欠点を有しない。この新規な技術においては、単にベース磁石が動かされないことから、スキューによる余分な漏れ磁束がなく、スキューモジュールの磁束は主たるベース磁石と同じ磁化パターンに従う。提案の磁石の他の利点は、スキュー磁石モジュールによって連続的なスキューの形成がより容易となることであり、または、余分な漏れ磁束が無いために、ステップ数に制限無くスキューを行ってトルクリップルをより効率的に最少化することができることである。

この提案の磁石は、実現が非常に簡便であり、したがって、性能の改善された、より安価な製品たとえば直接駆動型発電機あるいはそのロータまたはステータが得られる。

最後に、この提案のスキューは、発電機のエアギャップにおける磁束高調波を低減させるため、発電機における損失を最少化し、効率を改善する効果的な技術である。

ベース磁石はたとえば長方形である。

ベース磁石およびスキュー磁石モジュールはたとえば一体的に形成されている。ベース磁石およびスキュー磁石モジュールは、複数のピースから構成されて軸方向に組み立てられてもよく、または、ベース磁石をスキュー磁石モジュールから分離されたものとし、適切なカバーや接着剤を用いて組み合わせてもよい。

スキュー磁石モジュールは、たとえば、磁石の長さに沿った複数の磁石片を備え、該磁石片はたとえば幅方向にオフセットを有する。この構成は、永久磁石機械の標準的構成に適合化して、広く用いることができる。

ベース磁石の幅は、たとえば発電機の歯ピッチの２倍に実質的に等しく、上記磁石片の幅は、たとえば発電機の歯ピッチに実質的に等しい。スキュー磁石モジュールの存在により、ベース磁石の連続した幅は歯ピッチの約２倍となる。この部分は、１つの歯ピッチの分、スキューされてもよい。スキューされていない部分が無くなり、スキューの効率は大きく向上する。

ベース磁石の幅はたとえば発電機の歯ピッチの２倍と２／３に実質的に等しく、たとえば、２つのスキュー磁石モジュールが主面に設けられており、一方のスキュー磁石モジュールの磁石片の幅はたとえば発電機の歯ピッチに実質的に等しく、他方のスキュー磁石モジュールの磁石片の幅はたとえば発電機の歯ピッチの１／３倍に実質的に等しい。この方法によれば、永久磁石機械へのより精細な適合化が可能となる一方で、上述の利点は保持される。

スキュー磁石モジュールは主面に凹部を有し、当該凹部はたとえば主面の長に対して所定の角度で設けられている。先述のものと同じ利点を満たす別の方法は、ベース磁石にスキュー状の凹部または穴の跡が形成するものである。製造コストはより低いものとなる。この技術は、長方形のベース磁石における特定のスキュー状の路のマシニングまたはトリミングといった簡単な形で実現可能である。

スキュー磁石モジュールは、たとえば発電機の歯に面する。この構成は、エアギャップにおける磁束高調波の低減を向上させ、発電機における損失を最少化し、効率を改善する効果的な技術である。

スキュー磁石モジュールの厚さは、たとえばベース磁石の厚さの半分以下である。わずかな量の磁束しか分配されない（すなわち、スキュー部分が主ベース磁石よりもはるかに薄いために、基本磁束がスキューが無い場合とほぼ等しい）ことから、磁束の基本成分の減少はほぼ無視することができ、平均トルクの低減も無視できる。

スキュー磁石モジュールはたとえばベース磁石の全長にわたって延在し、スキュー磁石モジュールはたとえば複数の磁石片を有し、当該磁石片はたとえばそれぞれ同じ長さを有する。これは、スキュー可能な空間を利用するものであり、スキューの効率をより高めるものである。

第２の態様において、本発明は、上述の磁石を備える発電機のロータに関する。上述の利点および修正がこれに適用される。このロータはステータ中に巻線を有する永久磁石機械に適している。

第３の態様において、本発明は、上述の磁石を備える発電機のステータに関する。上述の利点および修正がこれにも適用される。このロータはロータ中に巻線を有する永久磁石機械に適している。

他の態様において、本発明は、上述の磁石を備える、ステータおよびロータを有する発電機に関する。上述の利点および修正がこれに適用される。

発電機は、たとえば風力タービン用の外側ロータ構造を有する。提案の磁石は風力用途におけるような大きな直接駆動型発電機に非常に適している。これは騒音低減に役立ち、信頼性を向上させ、効率を向上させ、または、同じ効率の発電機の重量を低減させる。

添付図面は実施形態のさらなる理解を提供するものである。他の実施形態および多くの意図される利点は容易に理解され、以下の詳細な説明に関連してより良く理解されるであろう。図面の要素は、必ずしも互いに縮尺を定めるものではない。類似の参照番号は類似の部分を指す。

既知の永久磁石機械の磁石および歯の概略図である。 本発明に係る永久磁石装置の磁石および歯の概略断面図である。 本発明に係る磁石と関連する磁束の概略下面図である。 本発明に係る別の磁石の概略下面図である。 本発明に係る別の磁石の概略下面図である。 エアギャップ中の磁束密度の図を示す。 図６の磁束密度の基本成分の図を示す。

以下の詳細な説明において、参照符号は図面に付されてその一部を形成し、本発明を実施可能な特定の実施形態の例示により示されている。ここで、方向を示す用語、たとえば「上」、「下」などは、記載された図面の方向に関連して用いられている。実施形態における構成要素は、種々の異なる方向に配置可能であり、方向を示す用語は例示を目的として用いられ、限定的なものではない。他の実施形態も用いることができ、構造的または論理的な変更も本発明の範囲から逸脱することなくなし得ることに留意されたい。したがって、以下の詳細な説明は、限定的な意味で把握されるべきではなく、本発明の範囲は添付の特許請求の範囲によって定められる。

図１は、既知の永久磁石機械たとえば発電機１の一部を示す。既知の発電機１を用いて、発電機１の基本的な構造および機能について、図２〜４に示される提案の磁石および永久磁石機械に先だって説明する。

発電機１は、歯３を有するステータを備える。歯３は、歯ピッチτ_{ｔｏｏｔｈ}と呼ばれる間隔で互いに配置されている。２つの歯３の間に、巻線を収めるための溝４が設けられている。図示の歯ピッチτ_{ｔｏｏｔｈ}は、溝４の中央から隣接する溝４の中央までであり、これは振動領域を示す。

磁石５は発電機１のロータ（図示せず）に取り付けられ、歯３の上に配置される。「上」とは半径方向ｒを意味する。磁石５と歯３との間には発電機１のエアギャップ６が存在する。

他の設計において、歯はロータの一部であり、磁石はステータに配置されていてもよい。

従来の磁石５は、２つのステップでスキューされて、磁石５の３つのモジュールまたは部分が設けられる。このモジュールは、歯ピッチτ_{ｔｏｏｔｈ}の半分のマージンでスキューされる。スキューは、たとえば、１つの歯ピッチ分の空間的な幅で行われる。

ハッチングはスキュー磁石のスキューされていない部分を示す。スキューピッチ、すなわち、歯ピッチτ_{ｔｏｏｔｈ}は、多くの場合、磁石の幅の約半分より小さい。歯の透視図を見て、この領域はスキューされておらず、これは従来のスキューの効率が通常１００％ではない理由の１つである。

さらに、モジュールから発せられる漏れ磁束が、隣接モジュールにより覆われていない前面部分に示されている（ｚ方向）。漏れ磁束は、発電機１の平均トルクを低下させるので、望ましくない。

図２は、本発明に係るモータまたは発電機１などの永久磁石機械を示す。図示の構造は、磁石を除いて図１と同じある。上述の説明（磁石に関するものを除く）が、図２について当てはまる。

磁石１０は、歯ピッチτ_{ｔｏｏｔｈ}の２倍の幅Ｗ_ＰＭを有するベース磁石１１を有する。幅Ｗ_ＰＭは歯ピッチτ_{ｔｏｏｔｈ}の正確に２倍であってよく、あるいは、それに近いもの、たとえば、±１０％であってよい。幅Ｗ_ＰＭは円周方向θに延びる。ベース磁石１１はｚ方向に長さＬを有する。主面１２は幅Ｗ_ＰＭおよび長さＬを有する。実際には、ベース磁石１１は２つの主面を有し、一方の面はステータ２およびその歯３に面し、他方の面は反対である。以下では、「主面」とは、前者の面を意味する。

主面１２には、スキュー磁石モジュール１３が設けられている。スキュー磁石モジュール１３は、例えば同一の３つの磁石片１４を有している。各磁石片１４は歯ピッチτ_{ｔｏｏｔｈ}と同じ幅Ｗ_ＰＭＭを有する。幅Ｗ_ＰＭＭは、歯ピッチτ_{ｔｏｏｔｈ}と全く同じであってよく、あるいは、それに近い、たとえば±１０％のものであってよい。各磁石片１４の長さは、Ｌ／ｍ（ｍは磁石片１４の数）に等しい。この例では、磁石片１４の長さはベース磁石１１の長さＬの１／３である。３つの磁石片１４は、ベース磁石１１の長さＬの方向に配置されている。

磁石片１４は、ベース磁石１１の幅Ｗ_ＰＭの方向または磁石片１４の幅Ｗ_ＰＭＭの方向（本例では同一方向）にオフセットまたはスキューを有する。このオフセットは、歯ピッチτ_{ｔｏｏｔｈ}の１／３であり、先頭および最後の磁石片１４のオフセットは歯ピッチτ_{ｔｏｏｔｈ}に等しい。

ハッチングは、ベース磁石１１のスキューされていない部分を示す。スキューされていない部分の幅は、歯ピッチτ_{ｔｏｏｔｈ}の１／３だけである。

図３は、底面側から見た磁石１０を示す。ベース磁石１１は半径方向ｒに高さｈ_ＰＭを有し、磁石片１４は高さｈ_ＰＭＭを有する。磁石片１４の高さｈ_ＰＭＭはベース磁石１１の高さｈ_ＰＭよりも小さい。磁石片１４の高さｈ_ＰＭＭは、ベース磁石１１の半分、１／３倍あるいはそれよりも小さいものであってよい。

さらに、図３には、半径方向の矢印によって示される磁界が示されている。ベース磁石１１は動かされていないので、スキューによる余分な漏れ磁束は存在しない。したがって、スキュー磁石モジュール１３の磁束は、主ベース磁石１１と同じ磁化パターンに従うこととなる。

図４は、図３に示され、図３に関連して説明されているベース磁石１１を有する別の磁石１０を示す。これでは、２つのスキュー磁石モジュールが主磁石１１の主面に取り付けられている。第１のスキュー磁石モジュール１５は、スキューされた３つの磁石片１６を有する。磁石片１６は、歯ピッチτ_{ｔｏｏｔｈ}１つ分の幅を有し、磁石片１６の幅の分、オフセットされている。第２のスキュー磁石モジュール１７は、スキューされた３つの磁石片１８を有する。磁石片１８は、歯ピッチτ_{ｔｏｏｔｈ}の１／３倍の幅Ｗ_ＰＭＭ２を有し、磁石片１８の１／３の幅の分、オフセットされている。

２つのスキュー磁石モジュール１５、１７は、主面１２において、幅方向でベース磁石１１の全ての部分が少なくとも１つの磁石片１６または１８によって覆われているように配置されている。この配置によって、ベース磁石１１にはスキューされていない部分は存在しない。

磁石１０の製造は、長方形を作成し、たとえば接着剤により組み合わせるのみであるため、簡単である。

図５は、図２〜４と関連して説明したものと同様のベース磁石１１を有する別の磁石１０を示す。これでは、スキュー磁石モジュール１９は、凹部または穴２０によって実現されている。凹部２０は主面１２に対角線状に設けられている。主面１２の長さＬと凹部２０との角度は、図２の磁石片１４が設けられているものと同じであってよい。主面１２またはベース磁石１１の１つの側から他の側へ対角線状に延在するように凹部２０を設けても良い。

幅Ｗ_ＰＭＭまたは高さなどの凹部の寸法に関して、図２〜４についてのものと同じ寸法規則が適用される。

図６は、エアギャップ６における磁束密度を示す。従来のスキューに関する曲線は、トルクの低減につながる、大きな密度の上昇を示す。本発明に係るスキューは、各曲線によって示されるものと比べてわずかな差だけ磁束密度を低減させる。

図７は、磁束密度の基本成分を示す。状況は図６と同じであり、本発明に係るスキューはわずかに基本成分を減少させる。

わずかな量の磁束密度のみが分配されていることから、磁束密度の基本成分の低減はほとんど無視でき、平均トルクの低下も無視できる。

本発明のスキューによれば、トルクリップルをより効率的に最少化するいかなる数のステップにおいてもスキューを行うことができる。

１ 発電機、 ２ ステータ、 ３ 歯、 ４ 溝、 １０ 磁石、 １１ ベース磁石、 １２ 主面、 １３、１５、１７ スキュー磁石モジュール、 １４、１６、１８ 磁石片

Claims (11)

1. 長さＬ、幅Ｗ_ＰＭの主面（１２）を備えたベース磁石（１１）と、前記主面（１２）に設けられたスキュー磁石モジュール（１９）とを備えており、
   前記スキュー磁石モジュール（１９）は前記主面（１２）に凹部（２０）を有し、当該凹部（２０）は前記主面（１２）の長さＬに対して所定の角度で設けられており、
   前記ベース磁石（１１）の幅Ｗ _ＰＭ は前記発電機（１）の歯ピッチ（τ _{ｔｏｏｔｈ} ）の２倍に実質的に等しく、前記凹部（２０）の幅Ｗ _ＰＭＭ は前記発電機（１）の歯ピッチ（τ _{ｔｏｏｔｈ} ）に実質的に等しい、
   ことを特徴とする発電機（１）のための磁石。
2. 前記ベース磁石（１１）は長方形である、請求項１記載の磁石。
3. 前記ベース磁石（１１）および前記スキュー磁石モジュール（１３、１５、１７）は一体的に形成されている、請求項１または２記載の磁石。
4. 前記スキュー磁石モジュール（１９）は、前記発電機（１）の歯（３）に面する、請求項１〜３のいずれか１項記載の磁石。
5. 前記スキュー磁石モジュール（１９）の厚さ（ｈ_ＰＭＭ）は、前記ベース磁石（１１）の厚さの半分以下である、請求項１〜４のいずれか１項記載の磁石。
6. 請求項１〜５のいずれか１項記載の磁石（１０）を備える、発電機（１）のロータ。
7. 請求項１〜５のいずれか１項記載の磁石（１０）を備える、発電機（１）のステータ。
8. 請求項１〜５のいずれか１項記載の磁石（１０）を備える、ステータ（２）およびロータを有する発電機。
9. 前記発電機（１）は、風力タービン用の外側ロータ構造を有する、請求項８記載の発電機。
10. 長さＬ、幅Ｗ_ＰＭの主面（１２）を備えたベース磁石（１１）と、前記主面（１２）に設けられたスキュー磁石モジュール（１９）とを備えており、
    前記スキュー磁石モジュール（１３）は、前記磁石（１０）の長さＬに沿った複数の磁石片（１４）を備え、該磁石片（１４）は幅方向にオフセットを有し、
    前記ベース磁石（１１）の幅Ｗ_ＰＭは、前記発電機（１）の歯ピッチ（τ_{ｔｏｏｔｈ}）の２倍に実質的に等しく、前記磁石片（１４）の幅Ｗ_ＰＭは、前記発電機（１）の歯ピッチ（τ_{ｔｏｏｔｈ}）に実質的に等しい、
    ことを特徴とする発電機（１）のための磁石。
11. 長さＬ、幅Ｗ_ＰＭの主面（１２）を備えたベース磁石（１１）と、前記主面（１２）に設けられたスキュー磁石モジュール（１９）とを備えており、
    前記スキュー磁石モジュール（１５、１７）は、前記磁石（１０）の長さＬに沿った複数の磁石片（１６、１８）を備え、該磁石片（１６、１８）は幅方向にオフセットを有し、
    前記ベース磁石（１１）の幅Ｗ_ＰＭは前記発電機（１）の歯ピッチ（τ_{ｔｏｏｔｈ}）の２倍と２／３に実質的に等しく、
    ２つのスキュー磁石モジュール（１５、１７）が前記主面（１２）に設けられており、
    一方の前記スキュー磁石モジュール（１５）の磁石片（１６）の幅は前記発電機（１）の歯ピッチ（τ_{ｔｏｏｔｈ}）に実質的に等しく、
    他方の前記スキュー磁石モジュール（１７）の磁石片（１８）の幅Ｗ_ＰＭＭ２は前記発電機（１）の歯ピッチ（τ_{ｔｏｏｔｈ}）の１／３倍に実質的に等しい、
    ことを特徴とする発電機（１）のための磁石。

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