JPH0775311A - 電磁機器 - Google Patents

電磁機器

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JPH0775311A
JPH0775311A JP6120273A JP12027394A JPH0775311A JP H0775311 A JPH0775311 A JP H0775311A JP 6120273 A JP6120273 A JP 6120273A JP 12027394 A JP12027394 A JP 12027394A JP H0775311 A JPH0775311 A JP H0775311A
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ring
yoke
coil
slots
rings
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JP6120273A
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Edward Spooner
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Charles Williamson Alan
チャールズ ウィリアムソン アレン
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UK GOVERNMENT
UK Secretary of State for Trade and Industry
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Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 主として発電機として働く機器で、電動モー
タとしても使用できる電磁機器を提供する。 【構成】 風力タービン１８などの低速機器により駆動
される、直接駆動型直結式送電幹線発電機として適して
いる電磁機器が、多くの積層ヨーク３５の同軸固定子リ
ング２８を備えた、交番極性の多数の永久磁石の一つ以
上の回転子リング３０から構成しており、各ヨークはコ
イル３８を配置するスロットを形成している。ヨーク３
５とコイル３８は、回転子リング３０に関してビーム３
２により支持されたモジュールを形成している。回転子
リング３０は、モジュール構造であってもよい。これに
より、製造と組み立ては簡単になり、分数調和磁束成分
は抑制される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、主として発電機として
働くことを所定の目的とする電磁機器に関し、これは、
電動モーターとして同様に使用することが出来る。
【０００２】
【従来の技術】本発明の機器は送電幹線の周波数よりか
なり遅い周波数で回転する風エネルギー回転子などの装
置へ直接に接続された場合、主に送電幹線周波数の交流
発電機として意図されている。同様に、発電機が周波数
変換器を介して送電幹線へ給電する場合、数系統と共に
使用するためにほかの周波数で電流を発生するために使
用することも出来る。従来、このような回転機（４０rp
m で回転する）と従来タイプの発電機との間に変速機構
を置くことは、一般に必要であり、従って、発電機はこ
のような回転機よりかなり速く回転する。一つ以上のコ
イルが運動して電気を発生する磁界を形成するために永
久磁石を使用することも、知られている。例えば、ピー
・ツィーリンスカ(P. Zielinska)とケイ・ショウプ (K.
Schoep)は、ＵＭＩＳＴ １９９２年、電気機器の国際
会議の前刷りの記事において、３相永久磁石同期機を述
べている。すなわち、交互に極性を変化して配列された
１４個の永久磁石を有する積層回転子が、穴に沿って各
組の縦方向のスロットに配置されている６個のコイルを
有する中空状の固定子内で回転可能である。直径上で相
対するコイルは、同一位相で接続し、その三つの相は、
実際には接続していないと言われている。
【０００３】
【課題を解決しようとする手段】本発明により、共通の
軸に配列された一組以上のリングから構成している電磁
機器が提供されており、特定のまたは各組において、そ
こにそのように配列された、数個の永久磁石から成る第
一リングは、第二リングと対面している面上のリングの
回りには、極性が交互に変わる磁極があり、第二リング
は、数個の積層されたヨークから成っており、各ヨーク
は、第一リングと対面している面に少なくとも一組のス
ロットを形成し、線材の四角形のコイルは、数組の隣接
したスロット内に位置しており、リングの一つは、ほか
のリングに対し回転可能であり、スロットは、隣接する
極の相対運動の方向を横切って伸長している。各組の第
一と第二のリングは、好適に同心である。特定のまたは
各第二リングはモジュールであり、ヨークと第一リング
と関連の所望位置にある接続したコイルとから組み立て
ることが出来、リング間の磁力の点からみて、これらの
リングが同心であれば、これは一つの完全なリングをほ
かのリング内に滑り込ませることよりもはるかに容易で
ある。好適に、第一リングは回転子であり、第二リング
は固定子であり、従って、コイルと電気的に接触させる
ことは、簡単である。しかし、コイルとのスリップリン
グの接続が受け入れられるならば、ほかの構成（第二リ
ングが回転子として）を使用することが出来る。
【０００４】好適に、各ヨークはＥ字形の断面であり、
単一コイルを配置している。各ヨークは、好ましく、機
器の端部にある支持部材の間で軸に平行に伸長している
ビームにより支持されている。好適な機器は、共通軸の
端から端に配列された複数組のリングから構成してお
り、各支持ビームは、第二リングのそれぞれから一つの
ヨークを支持することが出来る。従って、支持ビームの
数は、単一リング内のヨークの数に等しい。特定のまた
は各第一リングも、モジュール構造であり、数個の永久
磁石と極片とから構成している。好適な実施態様は、先
細の極片を備えた、四角形のフェライト磁石を使用して
おり、この極片は、一つの縁に沿って磁石の側面を越え
て突出して、リングの表面に突出している極を形成して
いる。ほかの設計は、数個の磁石が取りつけられている
表面にあって、リングの回りで相互に離れて極性が交互
に変わる鋼鉄性円柱から成っている。回転子の回転速度
と第一リング回りの磁極の数とは、共に、発生する起電
力の周波数を設定する。例えば、回転子が４2.３rpm で
回転し、１４２個の極（交番極性の）があるならば、発
生する起電力は５０Ｈz である。従って、極数は、起電
力を所望の周波数で発生するために、所期の回転速度に
従って選択されなければならない。
【０００５】機器が発電機である場合、コイルからの出
力は整流することが出来、回転速度が可変であるなら
ば、整流された直流出力は、次に、一定周波数の交流を
与えるために変換することが出来るので、これは好適で
ある。各コイルは、整流器、例えば、ブリッジ整流器を
備えているか、または、数組のコイルが一つに直列に接
続し、各組の出力は整流される。あるいは、コイルが相
互に接続し、数個のコイルは各相で接続して、交番出
力、例えば、３相出力を発生する。リング内の極数は、
好適には２４個以上であり、風力回転機へ接続した機器
に関しては、１００極以上が好適である。異なるコイル
に発生する起電力は、普通、位相が異なるが、コイルは
３相出力を発生するように接続することが出来る。機器
の製作と組み立てのコストを最小にし、各スロットが適
切な電気絶縁物とコイルとを収容出来るようにするため
に、スロットの数は、出来るだけ小さく維持することが
望ましい。スロット数ｑ／極／位相は、一般に従来の機
器で２から８である。もしこのようなｑ値が子本発明の
機器、例えば、１４２極を有する機器に使用されるなら
ば、スロット数は、実現不可能な８５２個以上である。
非常に小さいｑ値、例えば、0.３から0.４（すなわち、
各リングにより小さいスロット数、例えば、１５６）を
使用すると、はるかに低い製造コストと十分な幅のスロ
ットが達成されるが、磁束の分数調波成分が発生する。
小さいｑ値により、捲線の個々のコイルは、物理的に分
離され、重なり合うことはない。これにより、後述する
ように、固定子を多数のモジュールへ分割することが出
来る。例えば、第一リングは１４２個の極を有し、第二
リングは、７８個のコイルが配置されている１５６個の
スロットを形成する。従って、本機器のｑ値、すなわ
ち、スロット数／極／位相は、0.３６６である。これ
は、これまでの発電機の場合よりもはるかに小さいｑ値
である。
【０００６】各第一リングの極数が大きくなると、結果
として、一つには、第二リング内の磁束路が局部化され
る。従って、ヨークは、磁束をあまり乱すことなく、非
磁性材により僅かに間隔を置いて離れている。従って、
ヨークはＥ字形状で、スロットが形成されている平坦な
表面を有する（従って、磁極と対面している第二リング
の表面は実際には多辺形である）。従って、このような
Ｅ字形状のヨークは、ある範囲の異なる直径の機器を製
作するために組み立てることが出来る。第一リングの隣
接する極片の間には、狭い空隙がある。これは、各第一
リングの組み立てを容易にし、磁束のすべての分数調波
成分に関しかなり余分なリアクタンスを磁気路へ誘導す
る。これが分数調波成分に関しさらにリアクタンスを誘
導するので、数組の第一リングと第二リングとは、軸に
沿って間隔をおいて離れていることが望ましい。第一リ
ングと第二リングがモジュールという特徴により、構成
要素の製作とその組み立てとは単純化される。機器の運
転中に、発電機にしても、または、モーターにしても、
熱がコイルに発生し（ジュール熱により）、少量の熱
が、ヨークの積層鉄に発生する（ヒステリシスによ
り）。従って、手段が第二リングを冷却するために必要
であることは、明らかである。好適な実施態様におい
て、ヨークを支持しているビームが、ヨークと良好な接
触状態にあり、このビームは中空であって、ビーム及び
ヨークとコイルを冷却するために、ファンが使用され
て、空気が各ビームを通って流れる。
【０００７】動作中に、機器は音響ノイズを発生する傾
向もある。これは、回転子と固定子との間の半径方向の
磁力の変動、回転中における回転子と固定子との極への
接線方向の力の変動、コイル内の非同期電流分布、及び
出力３相への負荷の不平衡によるものである。ヨークが
共通ビームにより支持されている複数の第二リングと共
に、共通の回転軸に複数の第一リングを有する機器にお
いて、ノイズ発生力の多くは、これらの力の交互に変わ
る成分が消去されるように、第一リングを相互に角度的
に変位することにより消去される。さらに、ビームには
ある残留弾性変形があり、従って、明らかに、これらは
撓みと捩じりのどちらにも強くなければならない。すべ
ての残留振動を減衰すること、例えば、中空ビームを吸
音材で充填するか、または、隣接ビーム間にゴムなどの
減衰材を挿入することにより減衰することも望ましい。
電気機器が送電幹線へ接続した発電機として使用される
場合、その平衡角の付近を追求しようとする同期機の傾
向を克服するために、減衰が必要である。固定子を支持
構造体に対して回転させ、その回転運動を機械的に制約
し、減衰することにより、このような減衰が行われるこ
とが望ましい。この減衰は、油充填ダッシュポット、リ
ーフスプリングの摩擦、または、高ヒステリシスゴム製
のゴム取り付け台により行うことが出来る。トルク反応
装置のスプリング強度は、固定子が数度の角度、好適に
は複数の隣接する極の角度分離に等価の角度、例えば、
２または３極、または、１０以上の極でさえも回転する
ことが出来るのに十分低くなければならない。
【０００８】発電機が送電幹線へ最初に接続したときに
過度の過渡的トルクと電流とを防止するために、発生す
る起電力は、当然、大きさ、位相、及び周波数で送電幹
線に出来る限り近くなければならない。それらが完全に
整合しなければ、過渡電流が流れ、回転子と固定子との
相対的角速度を同期速度に向かって変化しようとする過
渡的トルクを発生する。発電機が上述のように減衰され
るならば、固定子は、トルク反応装置の弾性追従に逆ら
って回転し、発電機は送電幹線と同期化するようにな
る。本発明は、実施例のみにより、付属図面に関してさ
らに説明されるであろう。
【０００９】
【実施例】図１に関し、塔１０の上部に、荷台１２を支
持している片揺れ軸受１１がある。荷台１２は、揺動ハ
ブ１９、ピッチ軸受２０、及び羽根２１を有する風力回
転機１８へ短い軸１６により接続されている発電機１４
を支持している。発電機１４は、固定子の内側に回転子
を有するほぼ円筒形状をなしている。固定子は円形のエ
ンドプレート３１（図２に示されている）を有し、発電
機１４は、ブラケット２４によりエンドプレート３１へ
接続した二組のゴムスプリング２２により支持され、各
組のスプリング２２は、シャフト１６の軸がある垂直面
の相対する側にある（二つのスプリングだけが図１に示
されている）。塔１０、軸受１１、荷台１２、及び風力
回転機組み立て体１８、１９、２０、２１は、既知のタ
イプであり、本発明の主題ではない。実施例により、風
力回転機１８は、直径が３5.６ｍで、風速１２ｍ／ｓの
場合、４2.５rpm で回転し、約４００ｋｗの出力を与え
ると見込まれている。図２に関し、発電機１４は固定子
２８と回転子３０とから構成している。固定子２８は、
二つの円筒状エンドプレート３１と、７８個の縦軸方向
に伸長している中空の四角形鋼鉄製ビーム３２とから成
っており、各ビーム３２は、各エンドプレート３１の周
囲へエンドキャップ３３により接続している。各ビーム
の断面は、７５mm×５０mm、壁の厚さが４mmである。５
個のヨーク３５（２個だけが完全に示されている）が、
ボルト３６により各ビーム３２へ固定されている。各ヨ
ークは、積層された鉄で、長さ１５０mmであり、二つの
縦軸方向の幅２０mmのスロットを形成するようにＥ字形
の断面をなしており、このスロットには、先細の樹脂含
浸のボビンに巻かれた、直径2.５mmの絶縁銅線の３６の
ターンの四角形のコイル３８が配置されている。図３に
関し、各ヨーク３５は鋼鉄製バックプレート４０へ溶接
されており、ボルト３６がバックプレート４０へ取り付
けられている。固定子２８の円周上に隣接するヨークの
間に、狭い空隙がある。このようにして、固定子２８
は、軸に沿って離れた５個のリングから成り、各リング
は、７８個のＥ字形ヨーク３５から成り、従って値各リ
ングの内面は、多辺形である。
【００１０】再び、図２に関し、回転子３０は５個のリ
ングから成り、各リングは１４２個の四角形のフェライ
ト磁石４０（２個だけが完全に示されている）から成
り、各磁石は、その半径方向の最外面の上方に突出して
いる両側に二つの先細の極片４２を有する。各磁石は、
長さが１５０mmである。非磁性固定ブラケット４４が、
各磁石４０の端部に取り付けられ、好適にまた非磁性で
あるリング４６にボルト止めされている。図４に関し、
リング４６はすべて、回転子スパイダ４８によりシャフ
ト１６へ接続しており、スパイダ４８は、先細ハブによ
りシャフト１６へ締めつけられている。図３に関し、磁
石４０は、極性を交互に変えて各リングの回りに配列さ
れており、従って、極片４２の突出している数組の端部
は、極性が交互に変わっている。回転子３０の周囲に
は、隣接している磁石の極片４２の間に空隙がある。回
転子３０は、直径が1.８ｍであり、極片４２の外端と固
定子２８の内面との間に、幅2.５mmの半径方向の空隙が
ある。動作中に、風力回転機１８は、発電機１４の回転
子３０を固定子２８内で回転する。交番極性の極片４２
は、コイル３８を通過するので、極片４２はコイル３８
に交番起電力を誘導する。隣接しているコイル３８の起
電力間の位相差は、次の式で表される。
【００１１】ｅ＝１８０°×１４２／７８＝３２7.７° リング内の全コイル３８の起電力の位相が、位相図で表
されるならば、それらは一様に分布されている。０°か
ら６０°の位相を有するコイルがすべて、直列に接続し
ている（セットＡ）；６０°から１２０°の位相を有す
るコイルがすべて、直列に接続している（セットＢ）；
１２０°から１８０°の位相を有するコイルがすべて、
直列に接続している（セットＣ）；１８０°から２４０
°の位相を有するコイルがすべて、直列に接続している
（セットＤ）；等。従って、セットＤは、反転して、セ
ットＡと直列に接続することが出来る。ほかの位相セッ
トについても、同様である。あるいは、この実施態様に
おいて、各セットは、同数（１３）のコイル３８から成
っているので、ＡとＤ（反転して）などのセットは、並
列に接続して、低い出力電圧を与えることが出来る。各
コイル（４2.３rpm の回転速度において）の誘導された
起電力は、約４５Ｖであり；各セットの１３個のコイル
にかかる電圧は、位相の広がりを考慮に入れて、約５６
０Ｖである。発電機１４は、ヨーク３５とコイル３８と
のこのような５個のリングを有しており、従って、異な
る出力電圧を与える多様に異なる配列で接続することが
出来る１０セットのコイルがある。
【００１２】発電機１４は、主送電網へ接続され、固定
子２８のゴム取付け部の弾性は十分に大きく、これによ
り、固定子２８は、最初に接続されたとき、過渡的トル
クに耐え、次に、送電幹線の周波数に同期するようにな
る。最初に電源と同期し、次に出力制御を受けるため
に、発電機１４により発生した誘導起電力を調節するこ
とが出来ることは、望ましいことである。これは、固定
子２８に対し軸方向に回転子３０を変位すること、従っ
て、磁気結合を修正することにより、達成される。これ
は、起電力とリアクタンスとに影響を与える。反応出力
を調整するほかの方法は、出力電圧を与えるために直列
に接続した各セット（Ａ、Ｂ、Ｃ、など）のコイル３８
の数を変更することである（従って、コイル３８のいく
つかは使用されない）。しかし、結果として非対称にな
り、大きな音響ノイズが発生する。風力回転機１８と発
電機の回転子３０とを停止したい場合には、定常運転ま
たは緊急停止のどちらの場合でも、制動には、発電機１
４により発生した起電力を使用する。出力位相の一つま
たはそれぞれは、抵抗体と並列のコンデンサーを介し
て、接地へ接続している。例えば、これは、約１０rpm
まで減速するために、１ｍＦのコンデンサーと並列な0.
４オームの抵抗体を使用している。低速度において、コ
ンデンサーは僅かしか効果を与えず、従って、最も効果
的な制動は、発電機を短絡することにより達成される。
【００１３】上述の電気機器は、多様な方法で修正する
ことが出来るが、本発明の範囲を逸脱することがないこ
とは、理解されるであろう。例えば、エンドキャップ３
３は、冷却空気の流れが各中空ビーム３２に沿って流れ
て、コイル３８とヨーク３５とから熱を除去するため
に、電動ファンが装着されている開口を形成している。
ヨーク３６と磁石モジュールとは、種々の長さをとるこ
とが出来、例えば、それらは、長さがどちらも３００mm
であり、各磁石モジュールは、長さ３００mmの極片の間
で端から端までサンドイッチされた二つのフェライト磁
石から構成している。これにより、モジュールの端部に
おける磁束漏れは、僅かに減少する。各ヨークは、異な
る数のスロットを形成することが出来る。例えば、各ヨ
ークは、二つのコイル３８を配置するために、縦方向に
四つのスロットを形成することが出来る（従って、各ヨ
ークは、発電機１４の二つの隣接するヨーク３５に置き
換わる）。その上、スロットが形成されているヨークの
面は曲線状であり、従って、リングの内面は円筒状にな
る。発電機１４は、風力回転機１８により種々の形式で
駆動され、例えば、発電機１４は、自身が風力回転機の
ハブを形成することもある。ハブが発電機と一体である
場合、磁石のリングは、ヨークのリングの内側または外
側にある。
【図面の簡単な説明】
【図１】直接駆動型発電機を組み入れた風力回転機の側
面図をしめす。
【図２】図１の発電機の縦断面図を示す。
【図３】図２の線III-III に沿った断面図を示す。
【図４】図２の線IV−IVに沿った断面図を示す。
【符号の説明】
１４ 発電機 １８ 風力回転機 ２８ 固定子リング ３０ 回転子リング ３２ ビーム ３５ ヨーク ３８ コイル ４０ 磁石
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 アレン チャールズ ウィリアムソン イギリス オーエックス11 ０アールエイ オックスフォードシャー ディドコット ハーウェル 329 ユナイテッド キン グドム アトミック エナヂイ オーソリ ティ パテンツ デパートメント内

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 共通軸に配列された一組以上のリング
    と；特定または各組において、第二リングに対面してい
    る表面のリングの回りに極性が交互に変化する磁極があ
    るように配列された数個の永久磁石（４０）を含んでい
    る第一リングと；第一リングと対面している表面にスロ
    ットを形成し、四角形コイル（３８）の線が数組の隣接
    したスロット内に位置している第二リングとを含んでお
    り、リングの一つがほかのリングに対し回転可能であ
    り、スロットが隣接した極の相対運動の方向を横切って
    伸長している電磁機器において：第二リングが数個の積
    層されたヨーク（３５）を含んでおり、各ヨーク（３
    ５）が少なくとも一組の前記スロットを形成しているこ
    とを特徴とする前記電磁機器。
  2. 【請求項２】 各組の機器において第一と第二のリング
    が同軸であることを特徴とする請求項１に記載の機器。
  3. 【請求項３】 各ヨーク（３５）がＥ字形断面形状であ
    りかつ単一コイル（３８）を配置していることを特徴と
    する請求項１または請求項２に記載の機器。
  4. 【請求項４】 すべての一つの第二リング内の隣接した
    ヨーク（３５）が、空隙または非磁性材により相互に間
    隔をおいて離れていることを特徴とする前記請求項の各
    項に記載の機器。
  5. 【請求項５】 各第一リングがモジュール構造であり、
    数個の永久磁石（４０）と極片（４２）とを含んでいる
    ことを特徴とする前記請求項の各項に記載の機器。
  6. 【請求項６】 すべての一つの第二リング内のスロット
    の数が対応する第一リング内の少なくとも磁極の数ほど
    であることを特徴とする前記請求項の各項に記載の機
    器。
  7. 【請求項７】 スロットの数と極の数とがどちらも少な
    くとも１００であることを特徴とする請求項６に記載の
    機器。
  8. 【請求項８】 コイル（３８）が３相交流出力を与える
    ように接続され、出力の各相と接続した各第二リングに
    数個のコイル（３８）があることを特徴とする前記請求
    項の各項に記載の機器。
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