JP6520581B2

JP6520581B2 - 回転電機

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Publication number: JP6520581B2
Application number: JP2015173973A
Authority: JP
Inventors: 政男籔本
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2015-09-03
Filing date: 2015-09-03
Publication date: 2019-05-29
Anticipated expiration: 2035-09-03
Also published as: JP2017051026A

Description

本発明は、回転電機に関し、特に、スイッチドリラクタンスジェネレータ（発電機）に関するものである。

発電機は、ロータとステータとを有し、一般に、以下のように構成される（特許文献１、２を参照）。
ステータは、周方向に延在するヨークと、当該ヨークの内周側端部から回転軸方向に延在し、周方向に間隔を有して配置される複数のティースとを有する。複数のティースには、それぞれ、コイルが巻き回される。ロータは、ステータの内側に回動可能に配置される。ロータは、電磁鋼板を積層して構成したロータコア（鉄心）を有する。

例えば、風力発電機のハブに取り付けられる発電機として、誘導発電機または永久磁石同期発電機が用いられている。誘導発電機では、ロータに二次導体が配置される（特許文献１を参照）、また、永久磁石同期発電機では、ロータの外周側の領域に周方向に沿って永久磁石が配置される（特許文献２を参照）。何れの発電機でも、外力によるロータの回転に伴い、ロータとステータとの間の磁束量が変化することにより、ステータのティースに巻き回されたコイルに鎖交する磁束量が変化し、この変化に応じて、当該コイルに誘導起電力が発生する。

特開２００６−２７１１８７号公報特開２００７−２５９５２５号公報

しかしながら、例えば、風力発電機のハブに取り付けられる発電機として誘導発電機を用いた場合、増速機が必要になる。このため、風力発電機のメンテナンスの負担が増大する。また、永久磁石同期発電機では一般に、永久磁石にレアアースが用いられるので、発電機のコストが増大する。また、何れの発電機であっても、ロータコア（鉄心）の体積が大きいため、鉄損による損失が大きい。このため、例えば、発電機を冷却するための構造として特殊な構造や大掛かりな構造を採用する必要がある。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、軽量且つ高効率の発電機を提供することを目的とする。

本発明の回転電機は、スイッチドリラクタンスジェネレータである回転電機であって、ロータと、ステータと、直流励磁コイルと、を有し、前記ロータは、前記回転電機の周方向において間隔を有して配置された複数の磁性体板ブロックであって、それぞれが、前記周方向において複数段に積層された磁性体板を有する複数の磁性体板ブロックを有し、前記ステータは、前記回転電機の周方向において間隔を有し、且つ、相互に連結されない状態で配置された複数の鉄心であって、それぞれが、前記周方向において複数段に積層された磁性体板を有する複数の鉄心を有し、前記複数の鉄心のそれぞれは、第１の磁極面および第２の磁極面を有し、前記ロータの回転に伴って、前記第１の磁極面、前記第２の磁極面は、それぞれ、前記磁性体板ブロックの第１の面、第２の面と、前記ロータの回転軸に平行な方向において間隔を有して対向し、前記磁性体板ブロックの前記第１の面および前記第２の面は、前記磁性体板ブロックの面のうち、前記ロータの回転軸に平行な方向において相互に対向する面であり、前記複数の鉄心の内側の領域であって、前記ロータよりも外周側の領域には空間が形成されており、前記直流励磁コイルは、前記ロータの回転軸と同軸となるように、前記空間に配置されていることを特徴とする。

本発明によれば、軽量且つ高効率の発電機を提供することができる。

スイッチドリラクタンスジェネレータの構成の一例を示す図である。スイッチドリラクタンスジェネレータを回転軸に平行な方向で切った断面の一例を示す図である。スイッチドリラクタンスジェネレータのロータの部分の構成の一例を示す図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の一実施形態を説明する。尚、以下の各図では、説明および表記の都合上、説明に必要な部分のみを、必要に応じて簡略化して示す。また、各図に示すＸ、Ｙ、Ｚ座標は、各図における方向の関係を示すものであり、Ｘ、Ｙ、Ｚ座標の原点は、各図において共通であり、各図に示す位置に限定されない。

図１は、スイッチドリラクタンスジェネレータ（発電機）の構成の一例を示す図である。図１は、スイッチドリラクタンスジェネレータを、その回転軸に沿って見た図である。
図２は、図１に示すスイッチドリラクタンスジェネレータを図１に示すＩ−Ｉの部分で切った場合の断面を示す図（Ｉ−Ｉ断面図）である。

図１および図２において、スイッチドリラクタンスジェネレータは、ロータ（回転子）１００と、ステータ（固定子）２００と、直流励磁コイル３００と、回転軸４００とを有する。
図３は、図１に示すスイッチドリラクタンスジェネレータから、ステータ２００と直流励磁コイル３００を取り除いた様子（スイッチドリラクタンスジェネレータのロータ１００および回転軸４００の部分）を示す図である。図２および図３を参照しながら、ロータ１００の構成の一例を説明する。

ロータ１００は、回転軸取付部材１１０と、磁性体板ブロック１２０ａ〜１２０ｘと、磁性体板ブロック間補強部材１３０ａ〜１３０ｘと、磁性体板ブロック外周補強部材１４０と、を有する。尚、本実施形態のロータ１００は、マグネットを備えない。ただし、ロータは、マグネット（永久磁石）を備えていてもよい。尚、ロータがマグネットを備えるスイッチドリラクタンスジェネレータは、公知の技術である。

回転軸取付部材１１０は、非磁性の材料からなる構造材であり、回転軸４００に連結（固定）される。
図２および図３に示すように、回転軸取付部材１１０は、内周部１１１と中間部１１２と外周部１１３とを有する。内周部１１１と中間部１１２と外周部１１３は、一体となっている。

内周部１１１は、回転軸４００の外周面に接する部分である。回転軸取付部材１１０の中心部には、この内周部１１１の内周面を縁とする貫通孔が形成される。この貫通孔は、回転軸４００に対応する大きさを有する。内周部１１１の、回転軸４００に平行な方向（Ｚ軸方向）の長さは、中間部１１２および外周部１１３よりも長い。また、内周部１１１の、スイッチドリラクタンスジェネレータの径方向（Ｙ軸方向等）の長さは、中間部１１２および外周部１１３よりも短い。尚、以下の説明では、スイッチドリラクタンスジェネレータの径方向を必要に応じて径方向と略称する。

外周部１１３は、後述する磁性体板ブロック１２０ａ〜１２０ｘおよび磁性体板ブロック間補強部材１３０ａ〜１３０ｘの内周面に接する部分である（特に、図３を参照）。外周部１１３の回転軸４００に平行な方向（Ｚ軸方向）の長さは、内周部１１１よりも短く、中間部１１２よりも長く、磁性体板ブロック１２０ａ〜１２０ｘと略同じである。また、外周部１１３の径方向（Ｙ軸方向等）の長さは、内周部１１１よりも長く、中間部１１２よりも短い。

中間部１１２は、その内周端が内周部１１１の外周側の端部と連接し、且つ、その外周端が外周部１１３の内周側の端部と連接する部分である。中間部１１２の回転軸４００に平行な方向（Ｚ軸方向）の長さは、内周部１１１および外周部１１３よりも短い。また、中間部１１２の径方向（Ｙ軸方向等）の長さは、内周部１１１および外周部１１３よりも長い。

図３に示すように、中間部１１２における外周側の領域には、スイッチドリラクタンスジェネレータの周方向に沿って相互に間隔を有した状態で複数の貫通孔１１２ａ〜１１２ｌが形成される。複数の貫通孔１１２ａ〜１１２ｌは、主として、スイッチドリラクタンスジェネレータ（ロータ１００）を軽量化するためのものである。尚、以下の説明では、スイッチドリラクタンスジェネレータの周方向を必要に応じて周方向と略称する。

以上の内周部１１１、中間部１１２、および外周部１１３が一体となって形成される回転軸取付部材１１０は、剛性を確保する観点から、例えば、アルミニウム合金、エンジニアリングプラスチック等を用いて形成されるようにするのが好ましい。ただし、前述したように、非磁性の材料を用いていれば、必ずしもこれらの材料を用いる必要はない。また、例えば、回転軸取付部材１１０の形状をスポーク状にして、スイッチドリラクタンスジェネレータ（ロータ）の軽量化を図るようにしてもよい。

磁性体板ブロック１２０ａ〜１２０ｘは、それぞれ同じものである。磁性体板ブロック１２０ａ〜１２０ｘは、それぞれ、同じ形状および大きさの複数の磁性体板を相互に電気的に絶縁された状態で積層して固定することにより形成される。これにより、複数の磁性体板の層間が絶縁される。本実施形態では、磁性体板として方向性電磁鋼板を用いる場合を例に挙げて説明する。

方向性電磁鋼板として、例えば、グラス被膜を有する方向性電磁鋼板や接着被膜を有する方向性電磁鋼板を用いることができる。鉄損を抑制する観点から、方向性電磁鋼板の厚みは薄い方が好ましいが、厚みが厚い方向性電磁鋼板（所謂厚手材）を用いてもよい。
磁性体板ブロック１２０ａ〜１２０ｘの大きさに合わせて方向性電磁鋼板を（同一の）矩形状に切り出す際に、方向性電磁鋼板における磁化容易軸が、当該矩形の特定の辺に平行な方向となるようにする。尚、方向性電磁鋼板を切り出す形状は、矩形状に限定されず、例えば、正方形であってもよい。

そして、このようにして切り出した複数の矩形状の方向性電磁鋼板を、方向性電磁鋼板における磁化容易軸が同じ方向となるように積層する。このとき、複数の方向性電磁鋼板のうち、相互に隣接する２つの方向性電磁鋼板が絶縁されるようにする。また、複数の方向性電磁鋼板を、例えば、接着剤または前述した接着被膜を用いることにより固定する。

以上のようにして構成される磁性体板ブロック１２０ａ〜１２０ｘは、方向性電磁鋼板における磁化容易軸の方向が回転軸４００に平行な方向（Ｚ軸方向）になるようにして、周方向において間隔を有した状態で配置される。図３では、磁性体板ブロック１２０ａ〜１２０ｘが周方向において等間隔で配置される場合を例に挙げて示す。このとき、磁性体板ブロック１２０ａ〜１２０ｘの回転軸４００に平行な方向（Ｚ軸方向）の位置が同じになるようにする。また、磁性体板ブロック１２０ａ〜１２０ｘの内周面は、回転軸取付部材１１０（外周部１１３）の外周面に固定される。

本実施形態では、このようにして配置される磁性体板ブロック１２０ａ〜１２０ｘにより、ロータ１００の外周縁に近い部分に、周方向において間隔を有した状態で、回転軸４００に平行な方向（Ｚ軸方向）の磁気的な突極を持たせることができる。
また、図１〜図３に示すように、本実施形態では、磁性体板ブロック１２０ａ〜１２０ｘに対しヨーク（バックヨーク）を設けない。したがって、磁性体板（方向性電磁鋼板）の使用量を低減でき、スイッチドリラクタンスジェネレータ（ロータ１００）の軽量化と慣性力の抑制とを実現することができる。

磁性体板ブロック間補強部材１３０ａ〜１３０ｘは、周方向において相互に間隔を有して隣接する２つの磁性体板ブロックの間に配置される。このとき、磁性体板ブロック間補強部材１３０ａ〜１３０ｘの周方向の端面と、当該磁性体板ブロック間補強部材を間に挟む磁性体板ブロックの周方向の端面とが固着されるようする。これにより、磁性体板ブロック１２０ａ〜１２０ｘが周方向の応力を受けて変形および移動するのを抑制することができる。また、磁性体板ブロック間補強部材１３０ａ〜１３０ｘの内周面は、回転軸取付部材１１０（外周部１１３）の外周面に固定される。

磁性体板ブロック間補強部材１３０ａ〜１３０ｘは、非磁性かつ非電導性の材料で形成される。磁性体板ブロック間補強部材１３０ａ〜１３０ｘは、剛性を確保する観点から、例えば、エンジニアリングプラスチック等を用いて形成されるようにするのが好ましい。ただし、非磁性かつ非電導性の材料を用いていれば、必ずしもこれらの材料を用いる必要はない。磁性体板ブロック間補強部材１３０ａ〜１３０ｘを非電導性の材料とすることにより、渦電流、特に、磁性体板ブロック１２０ａ〜１２０ｘを取り囲むような電流の経路が形成されることを抑制することができる。

磁性体板ブロック外周補強部材１４０は、薄肉のリング状の部材である。磁性体板ブロック外周補強部材１４０の内径は、回転軸４００から磁性体板ブロック１２０ａ〜１２０ｘおよび磁性体板ブロック間補強部材１３０ａ〜１３０ｘの外周面までの径方向の長さと同じ、または、当該長さよりも少し長い長さを有する。磁性体板ブロック外周補強部材１４０の回転軸４００に平行な方向（Ｚ軸方向）の長さは、磁性体板ブロック１２０ａ〜１２０ｘと略同じである。

磁性体板ブロック外周補強部材１４０は、磁性体板ブロック１２０ａ〜１２０ｘおよび磁性体板ブロック間補強部材１３０ａ〜１３０ｘの外周面に対して取り付けられる。このとき、磁性体板ブロック外周補強部材１４０の内周面と、磁性体板ブロック１２０ａ〜１２０ｘおよび磁性体板ブロック間補強部材１３０ａ〜１３０ｘの外周面とが固着されるようにする。これにより、磁性体板ブロック１２０ａ〜１２０ｘおよび磁性体板ブロック間補強部材１３０ａ〜１３０ｘが、スイッチドリラクタンスジェネレータ（ロータ１００）の回転によって生じる遠心力で飛散することを抑制することができる。

また、磁性体板ブロック間補強部材１３０ａ〜１３０ｘを、磁性体板ブロック外周補強部材１４０の内周面と、回転軸取付部材１１０の外周部１１３との間で、磁性体板ブロック１２０ａ〜１２０ｘの間を埋めるように、モールドしても良い。

磁性体板ブロック外周補強部材１４０は、非磁性かつ高電気抵抗の高強度の材料で形成される。磁性体板ブロック外周補強部材１４０は、剛性を確保する観点から、例えば、ステンレス、カーボンファイバー、またはＦＲＰ（Fiber Reinforced Plastics）を用いて形成されるようにするのか好ましい。ただし、非磁性かつ高電気抵抗の高強度の材料を用いていれば、必ずしもこれらの材料を用いる必要はない。

次に、図１および図２を参照しながら、ステータ２００の構成の一例を説明する。
ステータ２００は、鉄心（ステータコア）２１０ｕ１〜２１０ｕ１２、２１０ｗ１〜２１０ｗ１２、２１０ｖ１〜２１０ｖ１２と、コイル２２０ｕ１〜２２０ｕ１２、２２０ｗ１〜２２０ｗ１２、２２０ｖ１〜２２０ｖ１２とを有する。ここで、ｕ、ｖ、ｗは、それぞれ、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相に対応することを示す。すなわち、コイル２２０ｕ１〜２２０ｕ１２には、Ｕ相電流が流れ、コイル２２０ｗ１〜２２０ｗ１２には、Ｗ相電流が流れ、コイル２２０ｖ１〜２２０ｖ１２には、Ｖ相電流が流れる。尚、各相のコイルは、直列または並列で接続される。
このように本実施形態では、スイッチドリラクタンスジェネレータの相数が３相である場合を例に挙げて示すが、スイッチドリラクタンスジェネレータの相数は３相に限定されない。

鉄心２１０ｕ１〜ｕ１２、２１０ｗ１〜ｗ１２、２１０ｖ１〜２１０ｖ１２は、それぞれ同じものである。
鉄心２１０ｕ１〜ｕ１２、２１０ｗ１〜ｗ１２、２１０ｖ１〜２１０ｖ１２は、それぞれ、同じ形状および大きさの複数の磁性体板を積層して固定することにより形成される。本実施形態では、磁性体板として、同じ形状および大きさの方向性電磁鋼板を用いる。鉄心２１０ｕ１〜ｕ１２、２１０ｗ１〜ｗ１２、２１０ｖ１〜２１０ｖ１２における磁路の方向と、方向性電磁鋼板の磁化容易軸の方向とが同じ方向になる長さが可及的に長くなるように、複数の方向性電磁鋼板を、同じ形状および大きさで切り出す。そして、切り出した複数の方向性電磁鋼板を、磁化容易軸の方向が同じ方向になるように積層し、固定する。このとき、磁性体板ブロック１２０ａ〜１２０ｘを形成する場合と同様に、複数の方向性電磁鋼板を相互に電気的に絶縁された状態で積層して固定してもよい。

鉄心２１０ｕ１〜ｕ１２、２１０ｗ１〜ｗ１２、２１０ｖ１〜２１０ｖ１２は、周方向において間隔を有し、且つ、相互に磁気的に連結されない状態で配置される。このとき、方向性電磁鋼板の積層方向が周方向となるようにする。図１では、鉄心２１０ｕ１〜ｕ１２、２１０ｗ１〜ｗ１２、２１０ｖ１〜２１０ｖ１２が周方向において等間隔で配置される場合を例に挙げて示す。

鉄心２１０ｕ１〜ｕ１２、２１０ｗ１〜ｗ１２、２１０ｖ１〜２１０ｖ１２は、それぞれ、第１の磁極面および第２の磁極面を有する。第１の磁極面および第２の磁極面は、ステータ２００における突極を構成する。図２では、鉄心２１０ｕ１における第１の磁極面２１１ｕ１および第２の磁極面２１２ｕ１と、鉄心２１０ｕ７における第１の磁極面２１１ｕ７および第２の磁極面２１２ｕ７を示す。
前記第１の磁極面、前記第２の磁極面は、それぞれ、ロータ１００の回転に伴って、回転軸４００に平行な方向（Ｚ軸方向）において、磁性体板ブロック１２０ａ〜１２０ｘの第１の面、第２の面と間隔を有した状態で対向する位置に配置される。磁性体板ブロック１２０ａ〜１２０ｘの第１の面および第２の面は、磁性体板ブロック１２０ａ〜１２０ｘの面のうち、回転軸４００に平行な方向（Ｚ軸方向）において相互に対向する面である。

このようにして前記第１の磁極面、前記第２の磁極面が、それぞれ、磁性体板ブロック１２０ａ〜１２０ｘの前記第１の面、前記第２の面と間隔を有した状態で対向した際に、前記第１の磁極面、前記第２の磁極面の中心が、それぞれ、前記第１の面、前記第２の面の径方向の中心の位置と対向するようにする。
さらに、前記第１の磁極面と前記第１の面との間隔と、前記第２の磁極面と前記第２の面との間隔とが同じになるようにする。また、前記第１の磁極面、前記第２の磁極面、前記第１の面、および前記第２の面の方向が回転軸４００に垂直な方向（平行）になるようにする。

図２では、回転軸４００に平行な方向（Ｚ軸方向）において、鉄心２１０ｕ１における第１の磁極面２１１ｕ１が、磁性体板ブロック１２０ａの第１の面１２１ａと間隔を有して対向している状態を示す。また、回転軸４００に平行な方向（Ｚ軸方向）において、鉄心２１０ｕ１における第２の磁極面２１２ｕ１が、磁性体板ブロック１２０ａの第２の面１２２ａと間隔を有して対向している状態を示す。

同様に、回転軸４００に平行な方向（Ｚ軸方向）において、鉄心２１０ｕ７における第１の磁極面２１１ｕ７が、磁性体板ブロック１２０ｇの第１の面１２１ｇと間隔を有して対向している状態を示す。また、回転軸４００に平行な方向（Ｚ軸方向）において、鉄心２１０ｕ７における第２の磁極面２１２ｕ７が、磁性体板ブロック１２０ｇの第２の面１２２ｇと間隔を有して対向している状態を示す。

鉄心２１０ｕ１〜ｕ１２、２１０ｗ１〜ｗ１２、２１０ｖ１〜２１０ｖ１２は、それぞれ、第１〜第５の部分を有する。
前記第１の部分は、前記第１の磁極面から、前記第１の面が配置されていない側に延設される部分である。
前記第２の部分は、前記第２の磁極面から、前記第２の面が配置されていない側に延設される部分である。

前記第３の部分は、前記第１の部分の両端部のうち、前記第１の磁極面でない方の端部から、ロータ１００（磁性体板ブロック外周補強部材１４０）の外周側の端面よりも外側まで延設される部分である。
前記第４の部分は、前記第２の部分の両端部のうち、前記第２の磁極面でない方の端部から、ロータ１００（磁性体板ブロック外周補強部材１４０）の外周側の端面よりも外側まで延設される部分である。
前記第５の部分は、前記第３の部分の両端部のうち、前記第１の部分と連通する端部でない方の端部と、前記第４の部分の両端部のうち、前記第２の部分と連通する端部でない方の端部とを相互に繋ぐ部分である。

具体的に、図１および図２に示す例では、鉄心２１０ｕ１は、第１の部分２１３ｕ１、第２の部分２１４ｕ１、第３の部分２１５ｕ１、第４の部分２１６ｕ１、および第５の部分２１７ｕ１を有する。
第１の部分２１３ｕ１は、第１の磁極面２１１ｕ１から、第１の磁極面２１１ｕ１に垂直な方向（回転軸４００に平行な方向）に沿って、第１の面１２１ａが配置されていない側に延設される部分である。
第２の部分２１４ｕ１は、第２の磁極面２１２ｕ１から、第２の磁極面２１２ｕに垂直な方向（回転軸４００に平行な方向）に沿って、第２の面１２２ａが配置されていない側に延設される部分である。

第３の部分２１５ｕ１は、第１の部分２１３ｕ１の両端部のうち、第１の磁極面２１１ｕ１でない方の端部から、径方向（Ｙ軸方向）に沿って、ロータ１００（磁性体板ブロック外周補強部材１４０）の外周側の端面よりも外側まで延設される部分である。
第４の部分２１６ｕ１は、第２の部分２１４ｕ１の両端部のうち、第２の磁極面２１２ｕでない方の端部から、径方向（Ｙ軸方向）に沿って、ロータ１００（磁性体板ブロック外周補強部材１４０）の外周側の端面よりも外側まで延設される部分である。

第５の部分２１７ｕ１は、第３の部分２１５ｕ１の両端部のうち、第１の部分２１３ｕ１と連通する端部でない方の端部と、第４の部分２１６ｕ１の両端部のうち、第２の部分２１４ｕ１と連通する端部でない方の端部とを相互に繋ぐ部分であり、回転軸４００に平行な方向（Ｚ軸方向）に延設される部分である。

同様に、鉄心２１０ｕ７も、第１の部分２１３ｕ７、第２の部分２１４ｕ７、第３の部分２１５ｕ７、第４の部分２１６ｕ７、および第５の部分２１７ｕ７を有する。
図１および図２に示す例では、鉄心２１０ｕ１〜ｕ１２、２１０ｗ１〜ｗ１２、２１０ｖ１〜２１０ｖ１２の磁路に垂直な断面は、場所に依らず同じ大きさの矩形状である。
尚、磁性体板ブロック１２０ａ〜１２０ｘおよび鉄心２１０ｕ１〜ｕ１２、２１０ｗ１〜ｗ１２、２１０ｖ１〜２１０ｖ１２電磁鋼板として、熱処理が施された電磁鋼板を用いるのが好ましい。電磁鋼板における歪みを除去することができるからである。

コイル２２０ｕ１〜２２０ｕ１２、２２０ｗ１〜２２０ｗ１２、２２０ｖ１〜２２０ｖ１２は、それぞれ、同じものである。
図１および図２に示すように、コイル２２０ｕ１〜２２０ｕ１２、２２０ｗ１〜２２０ｗ１２、２２０ｖ１〜２２０ｖ１２は、それぞれ、鉄心２１０ｕ１〜ｕ１２、２１０ｗ１〜ｗ１２、２１０ｖ１〜２１０ｖ１２に巻き回される。このとき、コイル２２０ｕ１〜２２０ｕ１２、２２０ｗ１〜２２０ｗ１２、２２０ｖ１〜２２０ｖ１２と、鉄心２１０ｕ１〜ｕ１２、２１０ｗ１〜ｗ１２、２１０ｖ１〜２１０ｖ１２とが絶縁されるようにする。
図２では、鉄心２１０ｕ１の第５の部分２１７ｕ１にコイル２２０ｕ１が巻き回されている状態と、鉄心２１０ｕ７の第５の部分２１７ｕ７にコイル２２０ｕ７が巻き回されている状態とを示す。

コイル２２０ｕ１〜２２０ｕ１２、２２０ｗ１〜２２０ｗ１２、２２０ｖ１〜２２０ｖ１２が巻き回された鉄心２１０ｕ１〜２１０ｕ１２、２１０ｗ１〜２１０ｗ１２、２１０ｖ１〜２１０ｖ１２は、ロータ１００の外周側から取り付けられ、固定される。

図１および図２に示すように、直流励磁コイル３００は、回転軸４００と同軸になるように（直流励磁コイル３００の軸と回転軸４００の軸とが一致するように）、ステータ２００の鉄心２１０ｕ１〜２１０ｕ１２、２１０ｗ１〜２１０ｗ１２、２１０ｖ１〜２１０ｖ１２の内側の空間であって、ロータ１００よりも外周側の空間内に配置され、当該空間内で周回するコイルである。

以上の構成を有するスイッチドリラクタンスジェネレータを駆動する際には、直流励磁コイル３００に直流励磁電流を流すことにより、ステータ２００の鉄心２１０ｕ１〜２１０ｕ１２、２１０ｗ１〜２１０ｗ１２、２１０ｖ１〜２１０ｖ１２を直流励磁する。外力によってロータ１００が回動することにより、鉄心２１０ｕ１〜２１０ｕ１２、２１０ｗ１〜２１０ｗ１２、２１０ｖ１〜２１０ｖ１２の第１の磁極面および第２の磁極面と、磁性体板ブロック１２０ａ〜１２０ｘの第１の面、第２の面との会合と乖離とが行われる。これにより、鉄心２１０ｕ１〜２１０ｕ１２、２１０ｗ１〜２１０ｗ１２、２１０ｖ１〜２１０ｖ１２に鎖交する磁束量が変化して、鉄心２１０ｕ１〜２１０ｕ１２、２１０ｗ１〜２１０ｗ１２、２１０ｖ１〜２１０ｖ１２に巻き回されたコイル２２０ｕ１〜２２０ｕ１２、２２０ｗ１〜２２０ｗ１２、２２０ｖ１〜２２０ｖ１２に誘導起電力が発生し、発電する。

方向性電磁鋼板は無方向性電磁鋼板に比べ、低磁場での透磁率が１桁大きいため、矩形波の磁束で発電機を駆動するのに適する。また、方向性電磁鋼板は無方向性電磁鋼板に比べ、飽和磁束密度が高い。正弦波および矩形波の波形の基本波成分の違いを考慮すると、ロータ１００の磁性体板ブロック１２０ａ〜１２０ｘに方向性電磁鋼板を用いれば、無方向性電磁鋼板を用いた場合に比べ、スイッチドリラクタンスジェネレータの発電時のトルクを大きくすることができる。

しかしながら、従来のスイッチドリラクタンスジェネレータのロータに方向性電磁鋼板を使用すると、方向性電磁鋼板に回転磁界が発生するため、このような方向性電磁鋼板の優れた特性を十分に活かすことができなかった。これに対し、本実施形態では、方向性電磁鋼板に発生する回転磁界を抑制することができる。したがって、ロータ１００に方向性電磁鋼板を使用し、鉄心２１０ｕ１〜２１０ｕ１２、２１０ｗ１〜２１０ｗ１２、２１０ｖ１〜２１０ｖ１２に励磁される磁束の波形が略矩形波になるようにすることで、スイッチドリラクタンスジェネレータの発電時のトルクを大きくすることができる。
ただし、必ずしもこのようにする必要はなく、鉄心２１０ｕ１〜２１０ｕ１２、２１０ｗ１〜２１０ｗ１２、２１０ｖ１〜２１０ｖ１２に励磁される磁束の波形は、例えば正弦波であってもよい。

ここで、鉄心２１０ｕ１〜２１０ｕ１２、２１０ｗ１〜２１０ｗ１２、２１０ｖ１〜２１０ｖ１２の周方向における間隔が、磁性体板ブロック１２０ａ〜１２０ｘの周方向における間隔の３分の２になるようにするのが好ましい。磁性体板ブロック１２０ａ〜１２０ｘの第１の面、第２の面と間隔を有して対向（会合）する鉄心２１０ｕ１〜２１０ｕ１２、２１０ｗ１〜２１０ｗ１２、２１０ｖ１〜２１０ｖ１２と、磁性体板ブロック１２０ａ〜１２０ｘの第１の面、第２の面と間隔を有して対向していない（乖離している）鉄心２１０ｕ１〜２１０ｕ１２、２１０ｗ１〜２１０ｗ１２、２１０ｖ１〜２１０ｖ１２とが周方向で周期的に分布するようになるからである。

以上のように本実施形態では、周方向において等間隔で配置された磁性体板ブロック１２０ａ〜１２０ｘをロータ１００の突極とする。磁性体板ブロック１２０ａ〜１２０ｘの第１の面（１２１ａ、１２１ｇ）、第２の面（１２２ａ、１２２ｇ）に対し回転軸４００に平行な方向において間隔を有して配置される第１の磁極面（２１１ｕ１、２１１ｕ７）、第２の磁極面（２１２ｕ１、２１２ｕ７）を有する鉄心２１０ｕ１〜ｕ１２、２１０ｗ１〜ｗ１２、２１０ｖ１〜２１０ｖ１２をステータ２００の鉄心とする。

したがって、ロータ１００とステータ２００との間の磁気吸引力を前記第１の磁極面と前記第２の磁極面とに平行な一方向とすることにより、ロータ１００の変形を抑制することが容易になる。よって、スイッチドリラクタンスジェネレータにおける振動および騒音を抑制することができる。また、前記第１の磁極面と前記第２の磁極面との間に挟まれたロータ１００の磁性体板ブロック１２０ａ〜１２０ｘには、周方向に大きなトルクが働くが、径方向（Ｙ軸方向等）および回転軸４００に平行な方向（Ｚ軸方向）には大きな磁気吸引力は働かない。したがって、薄い円盤状のロータ１００の振動を抑制することができる。これにより、低振動の発電機を提供することができる。

さらに、円筒形の発電機に比べ、発電機に使用する鉄心の体積を減らせることができる。よって、軽量、高効率、および低コストの発電機を実現することができる。これにより、例えば、風力発電機のハブに直接取り付けられる、軽量且つ高効率の発電機を提供することができる。

また、本実施形態では、１つの鉄心（ステータコア）でロータを上下から挟むようにしてアキシャルギャップ型のスイッチドリラクタンスジェネレータを構成する。したがって、前記第１の磁極面と前記第２の磁極面との間隔を高精度に調整することを容易に行うことができる。よって、例えば、ロータを上下から挟む２つの分離したステータコアを持つアキシャルギャップ型のジェネレータに比べ、ロータ１００とステータ２００とのギャップの精度の管理を容易に行うことができる。

（変形例）
＜変形例１＞
本実施形態では、磁性体板ブロック１２０ａ〜１２０ｘを構成する磁性体板として、方向性電磁鋼板を用いた場合を例に挙げて説明した。このようにすれば、前述したように鉄損をより一層低減させることができると共に、スイッチドリラクタンスジェネレータの発電時のトルクを大きくすることができるので好ましい。しかしながら、磁性体板ブロック１２０ａ〜１２０ｘを構成する磁性体板は、方向性電磁鋼板に限定されない。例えば、磁性体板ブロック１２０ａ〜１２０ｘを構成する磁性体板を、方向性電磁鋼板以外の軟質磁性体板（例えば無方向性電磁鋼板）としてもよい。

＜変形例２＞
本実施形態では、周方向において相互に間隔を有して隣接する２つの磁性体板ブロックの間の領域の全てを埋めるように磁性体板ブロック間補強部材１３０ａ〜１３０ｘを配置する場合を例に挙げて説明した。しかしながら、磁性体板ブロック１２０ａ〜１２０ｘが周方向の応力を受けて変形および移動が生じない、または、当該変形および移動が実用上問題のない範囲であるようにしていれば、周方向において相互に間隔を有して隣接する２つの磁性体板ブロックの間の領域の一部または全部を空隙にしてもよい。周方向において相互に間隔を有して隣接する２つの磁性体板ブロックの間の領域の全部を空隙にする場合には、当該領域には何も設けないことになり、磁性体板ブロック間補強部材１３０ａ〜１３０ｘは不要になる。

＜変形例３＞
本実施形態では、鉄心２１０ｕ１〜２１０ｕ１２、２１０ｗ１〜２１０ｗ１２、２１０ｖ１〜２１０ｖ１２を構成する磁性体板として、方向性電磁鋼板を用いた場合を例に挙げて説明した。しかしながら、鉄心２１０ｕ１〜２１０ｕ１２、２１０ｗ１〜２１０ｗ１２、２１０ｖ１〜２１０ｖ１２を構成する磁性体板は、方向性電磁鋼板に限定されない。例えば、鉄心２１０ｕ１〜２１０ｕ１２、２１０ｗ１〜２１０ｗ１２、２１０ｖ１〜２１０ｖ１２を構成する磁性体板を、方向性電磁鋼板以外の軟質磁性体板（例えば無方向性電磁鋼板）としてもよい。また、略"Ｃ"の字形に加工した同形状の軟質磁性体板（例えば無方向性電磁鋼板）を周方向に相互に電気的に絶縁された状態で積層して固定してもよい。

＜変形例４＞
本実施形態では、ステータ２００の複数の鉄心２１０ｕ１〜２１０ｕ１２、２１０ｗ１〜２１０ｗ１２、２１０ｖ１〜２１０ｖ１２を、周方向の全体に亘って等間隔で配置する場合を例に挙げて説明した。しかしながら、ステータ２００の複数の鉄心を、周方向の一部にのみに配置してもよい。このようにすれば、スイッチドリラクタンスジェネレータを配置した際に、ステータ２００と他の構造部材とが干渉（接触）する場合であっても、当該干渉する領域に鉄心を配置しないようにすることで、ステータと他の構造部材とが干渉することを回避することができる。例えば、本実施形態のスイッチドリラクタンスジェネレータを風力発電機のハブに取り付ける際に、スイッチドリラクタンスジェネレータが、ブレードや発電機を支持する構造と干渉することを防ぐために、ステータ２００の複数の鉄心を、周方向の一部にのみに配置することができる。

＜変形例５＞
本実施形態では、鉄心２１０ｕ１〜２１０ｕ１２、２１０ｗ１〜２１０ｗ１２、２１０ｖ１〜２１０ｖ１２を、電磁鋼板を積層させることにより構成する場合を例に挙げて説明した。しかしながら、必ずしもこのようにする必要はない。巻鉄心を図１および図２に示す形状にカットすることにより、鉄心２１０ｕ１〜２１０ｕ１２、２１０ｗ１〜２１０ｗ１２、２１０ｖ１〜２１０ｖ１２を構成してもよい。巻鉄心は１枚の電磁鋼板から製造されるものである。したがって、巻鉄心を用いた場合には、１枚の電磁鋼板を用いて、電磁鋼板が複数段に積層される構成になる。磁性体板ブロック１２０ａ〜１２０ｘについても、巻鉄心を用いて構成してもよい。

＜変形例６＞
本実施形態では、鉄心２１０ｕ１〜２１０ｕ１２、２１０ｗ１〜２１０ｗ１２、２１０ｖ１〜２１０ｖ１２の磁路に垂直な断面が、場所に依らず同じ大きさの矩形状である場合を例に挙げて説明した。しかしながら、必ずしもこのようにする必要はなく、鉄心２１０ｕ１〜２１０ｕ１２、２１０ｗ１〜２１０ｗ１２、２１０ｖ１〜２１０ｖ１２の磁路に垂直な断面の形状および大きさの少なくとも何れか一方が、場所によって異なるようにしてもよい。また、鉄心２１０ｕ１〜２１０ｕ１２、２１０ｗ１〜２１０ｗ１２、２１０ｖ１〜２１０ｖ１２の磁路に垂直な断面は、矩形状に限定されず、例えば、正方形または台形であってもよい。

＜変形例７＞
また、鉄心の前記第１の部分、前記第２の部分、前記第３の部分、前記第４の部分、および前記第５の部分は、前述した形状であれば、必ずしも図１および図２に示す形状に限定されない。例えば、前記第３の部分（の全体）を、ロータ１００が配置されていない側（Ｚ軸の正の方向側）に湾曲または屈曲させてもよい。また、前記第４の部分（の全体）を、ロータ１００が配置されていない側（Ｚ軸の負の方向側）に湾曲または屈曲させてもよい。また、前記第５の部分（の全体）を、外側（Ｙ軸の正または負の方向側）に湾曲または屈曲させてもよい。

尚、以上説明した本発明の実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。

１００：ロータ、１１０：回転軸取付部材、１２０ａ〜１２０ｘ磁性体板ブロック、１３０ａ〜１３０ｘ：磁性体板ブロック間補強部材、１４０：磁性体板ブロック外周補強部材、２００：ステータ、２１０ｕ１〜２１０ｕ１２、２１０ｗ１〜２１０ｗ１２、２１０ｖ１〜２１０ｖ１２：鉄心、２２０ｕ１〜２２０ｕ１２、２２０ｗ１〜２２０ｗ１２、２２０ｖ１〜２２０ｖ１２：コイル、２１１ｕ１、２１１ｕ７：第１の磁極面、２１２ｕ１、２１２ｕ７：第２の磁極面、１２１ａ、１２１ｇ：第１の面、１２２ａ、１２２ｇ：第２の面、３００：直流励磁コイル、４００：回転軸

Claims

スイッチドリラクタンスジェネレータである回転電機であって、
ロータと、
ステータと、
直流励磁コイルと、を有し、
前記ロータは、前記回転電機の周方向において間隔を有して配置された複数の磁性体板ブロックであって、それぞれが、前記周方向において複数段に積層された磁性体板を有する複数の磁性体板ブロックを有し、
前記ステータは、前記回転電機の周方向において間隔を有し、且つ、相互に連結されない状態で配置された複数の鉄心であって、それぞれが、前記周方向において複数段に積層された磁性体板を有する複数の鉄心を有し、
前記複数の鉄心のそれぞれは、第１の磁極面および第２の磁極面を有し、
前記ロータの回転に伴って、前記第１の磁極面、前記第２の磁極面は、それぞれ、前記磁性体板ブロックの第１の面、第２の面と、前記ロータの回転軸に平行な方向において間隔を有して対向し、
前記磁性体板ブロックの前記第１の面および前記第２の面は、前記磁性体板ブロックの面のうち、前記ロータの回転軸に平行な方向において相互に対向する面であり、
前記複数の鉄心の内側の領域であって、前記ロータよりも外周側の領域には空間が形成されており、
前記直流励磁コイルは、前記ロータの回転軸と同軸となるように、前記空間に配置されていることを特徴とする回転電機。
前記磁性体板は、方向性電磁鋼板であり、
前記方向性電磁鋼板における磁化容易軸の方向は、前記回転軸に平行な方向であることを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
前記複数の鉄心の前記周方向における間隔は、前記複数の磁性体板ブロックの前記周方向における間隔の３分の２であることを特徴とする請求項１または２に記載の回転電機。