JPWO2014030246A1 - 回転電機および風力発電システム - Google Patents

Abstract

この回転電機（１）は、ステータ（１１）のティース（１４）に集中巻により巻回された巻線（１５）を備え、スロット（１３）の数Ｎｓを磁極の数である極数Ｐと電圧の相数ｍとで除算した値である毎極毎相スロット数ｑが、１／４＜ｑ＜１／２を満たす分数になるとともに、１つのスロットに１つの巻線の巻回部分が配置されるように構成されている。

Description

この発明は、回転電機および風力発電システムに関し、特に、ステータに巻回された巻線を備えた回転電機および風力発電システムに関する。

従来、ステータに巻回された巻線を備えた回転電機が知られている。このような回転電機は、たとえば、特許第４７２５６８４号公報に開示されている。

上記特許第４７２５６８４号公報に開示されている発電機（回転電機）では、スロットの数を磁極の数である極数と電圧の相数とで除算した値である毎極毎相スロット数ｑが、１＜ｑ≦３／２を満たすようにステータのスロットに巻線が分布巻（毎極毎相のコイルが複数のスロットに分布して巻回）されている。そして、１つのスロットに、同相または異相の２つの巻線（巻線の巻回部分）が配置されるように構成されている。

特許第４７２５６８４号公報

しかしながら、上記特許第４７２５６８４号公報の回転電機のように、１つのスロットに２つの巻線（巻線の巻回部分）が配置されている回転電機では、スロットの内部において２つの巻線の間を絶縁する必要がある一方、スロットの内部に配置される２つの巻線間の間隔が比較的小さい場合（巻線に印加される電圧が比較的高い場合）には、２つの巻線を十分に絶縁することが困難な場合がある。この場合、従来では、２つの巻線間毎に絶縁部材を配置する必要があるため、絶縁部材を多数配置する必要があり、その分、部品点数および組立工程が増加する。このため、従来では、絶縁部材を配置することなく巻線間の絶縁性を向上させることが望まれている。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の１つの目的は、絶縁部材を配置することなく巻線間の絶縁性を向上させることが可能な回転電機および風力発電システムを提供することである。

上記目的を達成するために、第１の局面による回転電機は、スロットと、スロット間に設けられるティースとを有するステータと、ステータのティースに集中巻により巻回された巻線とを備え、スロットの数Ｎｓを磁極の数である極数Ｐと電圧の相数ｍとで除算した値である毎極毎相スロット数ｑが、１／４＜ｑ＜１／２を満たす分数になるとともに、１つのスロットに１つの巻線の巻回部分が配置されるように構成されている。

第１の局面による回転電機では、上記のように、１つのスロットに１つの巻線の巻回部分を配置するように構成することによって、隣接する２つの巻線の間にはティースが配置されるので、巻線間の間隔を大きくすることができる。これにより、絶縁部材を配置することなく巻線間の絶縁性を向上させることができる。その結果、絶縁部材を配置する必要がない分、部品点数および組立工程の増加も抑制することができる。また、１つのスロットに１つの巻線の巻回部分を配置するように構成することによって、１つのスロットに２つの巻線（巻線の巻回部分）を配置する場合と比べて、巻線の数を半分に減らすことができるので、回転電機の部品点数を減らすことができる。これにより、回転電機の製造工程を簡略化することができる。

第２の局面による風力発電システムは、スロットと、スロット間に設けられるティースとを有するステータと、ステータのティースに集中巻により巻回された巻線とを含み、スロットの数Ｎｓを磁極の数である極数Ｐと電圧の相数ｍとで除算した値である毎極毎相スロット数ｑが、１／４＜ｑ＜１／２を満たす分数になるとともに、１つのスロットに１つの巻線の巻回部分が配置されるように構成されている発電機と、発電機の回転軸に接続されるブレードとを備える。

第２の局面による風力発電システムでは、上記のように、１つのスロットに１つの巻線の巻回部分を配置するように構成することによって、隣接する２つの巻線の間にはティースが配置されるので、巻線間の間隔を大きくすることができる。これにより、絶縁部材を配置することなく巻線間の絶縁性を向上させることが可能な風力発電システムを提供することができる。その結果、絶縁部材を配置する必要がない分、部品点数および組立工程の増加も抑制することが可能な風力発電システムを提供することができる。また、１つのスロットに１つの巻線の巻回部分を配置するように構成することによって、１つのスロットに２つの巻線（巻線の巻回部分）を配置する場合と比べて、巻線の数を半分に減らすことができるので、発電機の部品点数を減らすことができる。これにより、発電機（風力発電システム）の製造工程を簡略化することができる。

上記回転電機および風力発電システムによれば、絶縁部材を配置することなく巻線間の絶縁性を向上させることができる。

一実施形態による風力発電システムの全体構成を示す図である。 一実施形態による風力発電システムの発電機の平面図である。 一実施形態による風力発電システムの発電機の拡大平面図である。 比較例による風力発電システムの発電機の巻線の配置を説明するための図である。 一実施形態による風力発電システムの発電機の巻線の配置を説明するための図である。 一実施形態による風力発電システムの各相の巻線の位置と電気的位相との関係を示す図である。 変形例による風力発電システムの全体構成を示す図である。

以下、実施形態を図面に基づいて説明する。

まず、図１〜図６を参照して、本実施形態による風力発電システム１００の構成について説明する。なお、以下において、毎極毎相スロット数ｑの分子（分母）とは、毎極毎相スロット数ｑを既約した分数の分子（分母）を意味する。

図１に示すように、風力発電システム１００は、発電機１と、発電機１を収納するためのナセル２と、ロータハブ３と、ブレード４と、タワー（支持柱）５とによって構成されている。発電機１は、ナセル２に収納されている。また、ロータハブ３は、発電機１の回転軸６に取り付けられている。また、ロータハブ３には、複数のブレード４が取り付けられている。また、ナセル２は、タワー５に取り付けられている。なお、発電機１は、「回転電機」の一例である。

図２に示すように、発電機１は、ステータ１１とロータ１２とを備えている。ここで、本実施形態では、発電機１は、ステータ１１の外周を取り囲むようにロータ１２が配置されるアウターロータ形式である。

また、図２および図３に示すように、ステータ１１には、複数のスロット１３が設けられている。本実施形態では、スロットの数Ｎｓは、誘導される電圧の相数ｍに４ｎ（ｎは１以上の自然数）を乗算した値になるように構成されている。具体的には、発電機１に誘導される電圧の相数ｍは、３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）であり、スロットの数Ｎｓは、９６（＝３×４×８）である。９６個のスロット１３は、外周側に向かって開口するようにステータ１１に設けられている。なお、図３では、スロット番号＃１〜＃２４のスロット１３が示されている。また、隣接するスロット１３の間には、ティース１４が設けられている。

また、スロット１３には、巻線１５が巻回されている。本実施形態では、巻線１５は、隣接するスロット１３の間のティース１４に巻線１５が巻回される集中巻になるように構成されている。

また、ロータ１２には、複数の永久磁石１６が設けられている。本実施形態では、スロットの数Ｎｓ（＝９６）と磁極の数である極数Ｐとの差（Ｎｓ−Ｐ）が、Ｎｓ−Ｐ＝±４ｎ（ｎは整数）を満たすように構成されている。具体的には、永久磁石１６は、１００個設けられている。すなわち、極数Ｐは、１００であり、スロットの数Ｎｓと極数Ｐとの差（Ｎｓ−Ｐ）は、−４（＝９６−１００）である。このように、本実施形態の発電機１は、極数Ｐが２０以上の中低速（たとえば、１分間当たりの回転数が１０以上４００以下）の発電機である。

ここで、本実施形態では、発電機１は、スロットの数Ｎｓを磁極の数である極数Ｐと電圧の相数ｍとで除算した値である毎極毎相スロット数ｑが、１／４＜ｑ＜１／２を満たす分数になるように構成されている。具体的には、発電機１は、毎極毎相スロット数ｑが、８／２５（＝Ｎｓ／（ｍ×Ｐ）＝９６／（３×１００））になるように構成されている。また、発電機１は、極数Ｐを毎極毎相スロット数ｑを既約した分数の分母で除算した値が、４以上（たとえば、４、６、８、１０または１２）になるように構成されている。具体的には、発電機１は、極数Ｐ（＝１００）を毎極毎相スロット数ｑを既約した分数の分母（＝２５）で除算した値は、４（＝１００／２５）である。

また、本実施形態では、図２に示すように、同相（Ｕ相、Ｖ相またはＷ相）の巻線１５を複数ずつ含む巻線１５のグループが、極数Ｐを、毎極毎相スロット数ｑを既約した分数の分母で除算した値と等しい数分（本実施形態では４つ）構成され、巻線１５のグループの各々は、互いに離間した状態でステータ１１に配置されている。具体的には、同相（Ｕ相、Ｖ相またはＷ相）の巻線１５を８個ずつ含む巻線１５のグループが、４つ（グループ１、２、３および４）構成され、４つの巻線１５のグループが、互いに離間した状態でステータ１１に配置されている。

図２に示すように、本実施形態では、４つの巻線１５のグループは、周方向に略９０度の等角度間隔でステータ１１に配置されている。また、Ｕ相の巻線１５のグループと、Ｗ相の巻線１５のグループと、Ｖ相の巻線１５のグループとがこの順で隣接した状態でステータ１１に配置されている。なお、Ｕ相は、「第１の相」の一例であるとともに、Ｗ相は、「第２の相」の一例である。また、Ｖ相は、「第３の相」の一例である。具体的には、Ｕ相の巻線１５は、スロット番号＃２〜＃９（グループ１）、＃２６〜＃３３（グループ２）、＃５０〜＃５７（グループ３）、および、＃７４〜＃８１（グループ４）のスロット１３に巻回されている。また、Ｖ相の巻線１５は、スロット番号＃１８〜＃２５、＃４２〜＃４９、＃６６〜＃７３、および、＃９０〜＃１のスロット１３に巻回されている。また、Ｗ相の巻線１５は、スロット番号＃１０〜＃１７、＃３４〜＃４１、＃５８〜＃６５、および、＃８２〜＃８９のスロット１３に巻回されている。

次に、図４および図５を参照して、本実施形態による各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の巻線１５（図５参照）の配置について、比較例（図４参照）によるステータ２００の巻線２０１の配置と比較しながら具体的に説明する。

図４に示すように、比較例によるステータ２００では、１つのスロット２０２に２つの巻線２０１が配置されるように構成されている。これにより、巻線２０１は、全てのティース２０３に巻回される。たとえば、スロット番号＃１および＃２のスロット２０２の間のティース２０３ａに巻線２０１が巻回されるとともに、スロット番号＃２および＃３のスロット２０２の間のティース２０３ｂにも巻線２０１が巻回されている。これにより、スロット番号＃２のスロット２０２には、２つの巻線２０１が配置される。このように、比較例によるステータ２００では、１つのスロット２０２に２つの巻線２０１が配置されているため、２つの巻線２０１間に絶縁部材（図示せず）を配置して、２つの巻線２０１間を絶縁する必要がある。また、絶縁部材は、全てのスロット２０２に配置する必要がある。

これに対して、本実施形態では、図５に示すように、巻線１５は、隣接するティース１４のうちの一方に巻回されるとともに、他方には巻回されないことにより、１つのスロット１３に１つの巻線１５（巻線１５の巻回部分）が配置されるように構成されている。なお、巻線１５の巻回部分とは、スロット１３の内部に配置される巻線１５の直線状の部分を意味する。具体的には、隣接する２つのスロット１３の一方に巻線１５の半分の巻線が配置されるとともに、他方に残りの半分の巻線が配置される。これにより、ステータ１１には、巻線１５が巻回されるティース１４（１４ａ）と巻回されないティース１４（１４ｂ）とが交互に配置されるように構成されている。具体的には、スロット番号＃２および＃３（＃４および＃５、＃６および＃７、＃８および＃９・・・）のスロット１３の間のティース１４ａに巻線１５が巻回されている。一方、スロット番号＃１および＃２（＃３および＃４、＃５および＃６、＃７および＃８・・・）のスロット１３の間のティース１４ｂには、巻線１５は巻回されない。その結果、１つのスロット１３（たとえばスロット番号＃２）には、１つのＵ相の巻線１５（Ｕ相の巻線１５の巻回部分（半分））のみが配置される。また、Ｕ相とＷ相との境界であるスロット番号＃９のスロット１３には、Ｕ相の巻線１５のみ（Ｕ相の巻線１５の巻回部分（半分））が配置されるとともに、スロット番号＃１０のスロット１３には、Ｗ相の巻線１５のみ（Ｗ相の巻線１５の巻回部分（半分））が配置され、両巻線間にはティース１４（１４ｂ）が配置される。これにより、上記比較例によるステータ２００とは異なり、スロット１３内において、巻線１５間を絶縁する絶縁部材を設ける必要がない。なお、本実施形態の巻線１５の数は、１つのスロット１３に１つの巻線１５が配置されているので、１つのスロット２０２に２つの巻線２０１が配置されている比較例の巻線２０１の数の半分である。これにより、たとえば、１つの巻線に対して１つの冷却管を配置して、巻線（ステータ）を冷却する場合、本実施形態では、比較例に比べて冷却管の本数を半分にすることができるので、発電機１の構成を簡略化することが可能となる。

また、本実施形態の１つの巻線１５の巻数は、１つのスロット１３に１つの巻線１５（巻線１５の巻回部分（半分））が配置されており、１つのスロット２０２に２つの巻線２０１が配置されている比較例の１つの巻線２０１の巻数（ｗ）の２倍（２ｗ、図６参照）である。また、図示はしていないが、上記比較例によるステータ２００および本実施形態のステータ１１では、巻線１５とステータコア１１ａ（図５参照）との間を絶縁（対地間絶縁）する絶縁部材が、スロット内に配置されている。

次に、図６を参照して、各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の巻線１５の位置（スロット番号）と電気的位相との関係について説明する。

まず、本実施形態の発電機１の電気的スロットピッチ角は、１８７．５度（＝（π×Ｐ）／Ｎｓ）＝（１８０×１００）／９６）である。なお、機械的スロットピッチ角は、３．７５度（＝２π／Ｎｓ＝３６０／９６）であるとともに、極ピッチは、３．６度（＝３６０／１００）である。そして、スロット番号＃３に巻回されるＵ相の巻線１５と、スロット番号＃４に巻回されるＵ相の巻線１５との電気的位相は、１８７．５度異なっている。同様に、スロット番号＃５に巻回されるＵ相の巻線１５と、スロット番号＃６に巻回されるＵ相の巻線１５との電気的位相は、１８７．５度異なっている。その結果、スロット番号＃３、＃５、＃７、＃９、＃２６、＃２８、＃３０、＃３２、＃５１、＃５３、＃５５、＃５７、＃７４、＃７６、＃７８、および、＃８０のＵ相の巻線１５は、Ｎ極界磁に対向する。なお、スロット番号＃３および＃５１に巻回される巻線１５の電気的位相は同じである。同様に、スロット番号＃２６および＃７４（＃２８および＃７６、＃５および＃５３、＃３０および＃７８、＃７および＃５５、＃３２および＃８０、＃９および＃５７）に巻回される巻線１５の電気的位相は同じである。すなわち、Ｕ相のＮ極界磁に対向するスロットベクトルの本数は、８（図６の太い矢印参照）となる。つまり、スロットベクトルの本数は、毎極毎相スロット数ｑ（８／２５）の分子８に対応している。

また、スロット番号＃２、＃４、＃６、＃８、＃２７、＃２９、＃３１、＃３３、＃５０、＃５２、＃５４、＃５６、＃７５、＃７７、＃７９、＃８１のＵ相の巻線１５は、Ｓ極界磁に対向する。なお、スロット番号＃２および＃５０に巻回される巻線１５の電気的位相は、同じである。同様に、スロット番号＃２７および＃７５（＃４および＃５２、＃２９および＃７７、＃６および＃５４、＃３１および＃７９、＃８および＃５６、＃３３および＃８１）に巻回される巻線１５の電気的位相は同じである。

Ｕ相の巻線１５は、上記のようにＮ極界磁に対向する巻線１５と、Ｓ極界磁に対向する巻線１５との２つのグループを含んでいる。そして、１つのスロットベクトルに２つのスロット（たとえばスロット番号＃３および＃５１）が割り当てられており、図２に示すように、４つ（＝２グループ×２）の巻線１５のグループは、周方向に略９０度の等角度間隔でステータ１１に配置される。

また、図６に示すように、Ｕ相の巻線の起磁力の中心軸（Ｕ相の巻線に電流が流れることにより発生する磁束の中心軸）は、スロット番号＃５のスロット１３の電気角とスロット番号＃３０のスロット１３の電気角との間に位置する。なお、スロットピッチ角（電気角）をλｓとした場合に、起磁力の中心軸からの各スロット１３までの電気角は、（λｓ／２）＋ｎ×λｓ（ｎは、起磁力の中心軸からのスロットピッチ角の位相倍数）で表される。

また、Ｖ相の巻線１５のうち、スロット番号＃１９、＃２１、＃２３、＃２５、＃４２、＃４４、＃４６、＃４８、＃６７、＃６９、＃７１、＃７３、＃９０、＃９２、＃９４、および、＃９６の巻線１５は、Ｎ極界磁に対向する。また、Ｖ相の巻線１５のうち、スロット番号＃１８、＃２０、＃２２、＃２４、＃４３、＃４５、＃４７、＃１、＃６６、＃６８、＃７０、＃７２、＃９１、＃９３、＃９５、＃４９の巻線１５は、Ｓ極界磁に対向する。

また、Ｗ相の巻線１５のうち、スロット番号＃１１、＃１３、＃１５、＃１７、＃３４、＃３６、＃３８、＃４０、＃５９、＃６１、＃６３、＃６５、＃８２、＃８４、＃８６、および、＃８８の巻線１５は、Ｎ極界磁に対向する。また、Ｗ相の巻線１５のうち、スロット番号＃１０、＃１２、＃１４、＃１６、＃３５、＃３７、＃３９、＃４１、＃５８、＃６０、＃６２、＃６４、＃８３、＃８５、＃８７、＃８９の巻線１５は、Ｓ極界磁に対向する。また、図２に示すように、Ｖ相およびＷ相の巻線１５も同様に、４つの巻線１５のグループは、周方向に略９０度の等角度間隔でステータ１１に配置される。

次に、本願発明者が特に鋭意検討した結果見い出した毎極毎相スロット数ｑの分子の範囲について詳細に説明する。

毎極毎相スロット数ｑの分子が３の場合（たとえば、スロットの数Ｎｓが５４であり、極数Ｐが４８であり、毎極毎相スロット数ｑが３／８＝５４／（３×４８））、コギングの周期は、極数Ｐをスロットの数Ｎｓで除算した値の既約分数（＝４８／５４＝８／９）の分子と分母との積（＝８×９）により算出される。すなわち、毎極毎相スロット数ｑが３の場合では、コギングの周期は、７２周期であることが判明した。一方、毎極毎相スロット数ｑの分子が４の場合（たとえば、スロットの数Ｎｓが４８であり、極数Ｐが４４であり、毎極毎相スロット数ｑが４／１１＝４８／（３×４４））、極数Ｐをスロットの数Ｎｓで除算した値の既約分数は、１１／１２（＝４４／４８）であり、コギングの周期は、１３２周期（＝１１×１２）であることが判明した。なお、コギングは、速度リップル（速度の脈動）の発生要因であり、速度リップルは、コギングの周期と反比例の関係にある。すなわち、毎極毎相スロット数ｑの分子が４の場合、毎極毎相スロット数ｑの分子が３の場合と比べて、リップルの周期が約２倍（１３２周期／７２周期）となるので、毎極毎相スロット数ｑが４の場合の速度リップルは、毎極毎相スロット数ｑが３の場合と比べて、約半分に軽減されることが判明した。

上記した検討の結果、本願発明者は、毎極毎相スロット数ｑの分子を３よりも大きくする（４以上にする）のが好ましいことを見い出した。この知見に基づき、本実施形態では、毎極毎相スロット数ｑの分子を、８（＞３）としている。

次に、本願発明者が鋭意検討した結果見い出したグループ数の範囲について説明する。

たとえば、グループ数が２である集中巻の発電機では、巻線に電流が流れた場合に互いに反対方向の２方向に沿って電磁力が働く（ロータにおいて２つの作用点に電磁力が働く）ことが判明した。このため、発電機のロータが楕円形に変形するので、ロータが回転に伴って発電機が振動することが判明した。なお、グループ数が１の場合でも、ロータに１つの方向に沿って電磁力が働くためロータが変形し、ロータの回転に伴って発電機が振動することが判明した。

また、グループ数が３の場合には、巻線に電流が流れた場合に３方向の各方向に沿って電磁力が働く（ロータにおいて３つの作用点に電磁力が働く）ことが判明した。そして、３方向に働く電磁力の大きさに差異が生じた場合には、ロータに力が均等に働かなくなり、ロータに変形が生じる。このため、グループ数が３の場合では、ロータの回転に伴って発電機が振動することが判明した。

一方、図２に示すように、本実施形態による発電機１では、グループ数が４であるので、発電機１の回転時には、たとえばＵ相の巻線に電流が流れた場合に図２の矢印に示すように４方向に沿って電磁力が働く（ロータ１２において４つの作用点に電磁力が働く）ことが判明した。これにより、ロータ１２に均等に電磁力が働きやすくなり、発電機１のロータ１２が変形するのが抑制されることが判明した。その結果、ロータ１２の変形に起因した振動が抑制されることが判明した。また、グループ数が６、８、１０および１２の場合にも、上記グループ数４の場合と同様に、発電機のロータが変形するのが抑制されるので、ロータの変形に起因した振動が抑制されることが確認された。その結果、発電機の軸受部に異常な力がかかるのが抑制されるので、発電機の寿命を長くすることが可能であることが判明した。

また、グループ数が１２よりも大きくなった場合には、毎極毎相スロット数ｑの分子が小さくなり（１または２になる）、巻線の分布効果が小さくなることが判明した。すなわち、発電機から出力される電圧の波形が正弦波から大きくずれてしまうことが判明した。上記した検討の結果、本願発明者は、グループ数を、４、６、８、１０および１２にするのが好ましいことを見い出した。この知見に基づき、本実施形態では、グループ数を４としている。

また、上記のように、グループ数を、４、６、８、１０および１２にすることにより、複数の巻線のグループ（たとえば、グループ１〜４）を、全て直列に接続する（グループ１〜４を直列に接続する）、全て並列に接続する（グループ１〜４を並列に接続する）、または、並列に接続したグループ同士を直列に接続する（グループ１および２を直列に接続し、グループ３および４を直列に接続して、これらを並列に接続する）など、巻線の設計の自由度を高めることが可能となる。

次に、本実施形態による発電機１の巻線係数について説明する。本実施形態による発電機１の基本波（Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌ）の巻線係数は、０．９５６になることが判明した。一方、図４に示す比較例による１つのスロット２０２に２つの巻線２０１を配置する構造では、巻線係数は、０．９５４になることが判明した。その結果、本実施形態による発電機１の巻線係数の方が、比較例に比べて、大きくなることが確認された。なお、巻線係数とは、最も出力が得られる巻線の配置または構成時の出力の値を１とした場合に対する出力の値（出力比）であり、１に近いほど良好である。

本実施形態では、上記のように、１つのスロット１３に１つの巻線１５の巻回部分（半分）を配置するように構成することによって、隣接する２つの巻線１５の間にはティース１４が配置されるので、巻線１５間の間隔を大きくすることができる。これにより、絶縁部材を配置することなく巻線１５間の絶縁性を向上させることができる。その結果、絶縁部材を配置する必要がない分、部品点数および組立工程の増加も抑制することができる。また、１つのスロット１３に１つの巻線１５の巻回部分（半分）を配置するように構成することによって、１つのスロット１３に２つの巻線１５を配置する場合と比べて、巻線１５の数を半分に減らすことができるので、発電機１の部品点数を減らすことができる。これにより、発電機１の製造工程を簡略化することができる。

また、本実施形態では、上記のように、巻線１５を、隣接するティース１４のうちの一方に巻回するとともに、他方には巻回しないことにより、１つのスロット１３に１つの巻線１５の巻回部分（半分）を配置するように構成する。これにより、容易に、１つのスロット１３に１つの巻線１５を配置するように構成することができる。

また、本実施形態では、上記のように、ステータ１１に、巻線１５が巻回されるティース１４（１４ａ）と巻回されないティース１４（１４ｂ）とを交互に配置するように構成する。これにより、ステータ１１全体において１つのスロット１３に１つの巻線１５を配置するように構成することができるので、ステータ１１全体において絶縁部材を配置することなく巻線１５間の絶縁性を向上させることができる。

また、本実施形態では、上記のように、毎極毎相スロット数ｑを既約した分数の分子を、３よりも大きい偶数になるように構成する。これにより、毎極毎相スロット数ｑを既約した分数の分子が奇数になる場合と異なり、巻線１５が巻回されるティース１４（１４ａ）と巻回されないティース１４（１４ｂ）とをステータ１１全体において交互に配置する（１つのスロット１３に２つの巻線１５が配置されないようにする）ことができる。

また、本実施形態では、上記のように、スロット１３の数Ｎｓを、相数ｍに４ｎ（ｎは１以上の自然数）を乗算した値になるように構成する。これにより、スロット１３の数Ｎｓが４の倍数になるので、均等に４分割しやすくなり、その結果、４つのグループの巻線１５をスロット１３に略９０度の等角度間隔で配置することができる。

また、本実施形態では、上記のように、スロット１３の数Ｎｓと極数Ｐとの差（Ｎｓ−Ｐ）を、Ｎｓ−Ｐ＝±４ｎ（ｎは整数）を満たすように構成する。これにより、スロット１３の数Ｎｓが相数ｍに４ｎを乗算した値（すなわち４の倍数）である場合には、極数Ｐも４の倍数となるので、４つのグループの巻線１５にそれぞれ等しい数の極を対応させることができる。

また、本実施形態では、上記のように、極数Ｐが２０以上であり、１分間当たりの回転数が１０以上４００以下である中低速の発電機１に適用する。これにより、巻線１５が集中巻されている中低速の発電機１において、部品点数および組立工程の増加を抑制することができる。

また、本実施形態では、上記のように、極数Ｐを、毎極毎相スロット数ｑを既約した分数の分母で除算した値が４以上であり、同相の巻線１５を複数ずつ含む巻線１５のグループを、極数Ｐを、毎極毎相スロット数ｑを既約した分数の分母で除算した値と等しい数分構成して、巻線１５のグループの各々を、互いに離間した状態でステータ１１に配置する。これにより、ロータ１２には４方向以上の方向に沿って電磁力が働くので、ロータ１２に互いに反対方向の２方向に沿って電磁力が働く場合と異なり、ロータ１２が楕円形状に変形するのを抑制することができる。また、巻線１５のグループ数が３の場合よりもロータ１２に均等に力が働きやすいので、よりロータ１２の変形を抑制することができる。これらの結果、巻線１５のグループ数を４以上に設定することにより、ロータ１２の変形に起因した振動を抑制することができるので、巻線１５が集中巻されている発電機１の特性を向上させることができる。

また、本実施形態では、上記のように、巻線１５のグループの数を４として、４つの巻線１５のグループを、周方向に略９０度の等角度間隔で離間した状態でステータ１１に配置する。これにより、ロータ１２には周方向に略９０度の等角度間隔で４方向の各方向に沿って電磁力が働くので、ロータ１２が楕円形状に変形するのを抑制することができる。

また、本実施形態では、上記のように、誘導される電圧の相数ｍを、Ｕ相、Ｗ相およびＶ相を含む３相として、Ｕ相の巻線１５のグループと、Ｗ相の巻線１５のグループと、Ｖ相の巻線１５のグループとをこの順で隣接した状態でステータ１１に配置する。これにより、Ｕ相、Ｗ相およびＶ相の巻線１５のグループを、それぞれ、ロータ１２の周方向に略９０度の等角度間隔で配置することができる。

また、本実施形態では、上記のように、毎極毎相スロット数ｑが、８／２５になるように構成する。これにより、毎極毎相スロット数ｑの分子が比較的小さい場合（たとえば、１または２）に比べて、高調波成分を小さくすることができる。その結果、発電機１によって発電される電圧の波形を正弦波に近づけることができるので、発電機１の高効率化を効果的に図ることができる。

また、本実施形態では、上記のように、誘導される電圧の相数ｍを、３相とし、スロット１３の数Ｎｓを、９６とし、極数Ｐを、１００とする。これにより、毎極毎相スロット数ｑを、８／２５＝（９６／（３×１００））にすることができる。

また、本実施形態では、上記のように、ステータ１１の外周を取り囲むようにロータ１２が配置されるアウターロータ形式により発電機１を構成する。ここで、アウターロータ形式の発電機１においては、ロータ１２が変形しやすいので、この場合に、４つの巻線１５のグループを、周方向に略９０度の等角度間隔でステータ１１に配置することによって、ロータ１２が楕円形状に変形するのを効果的に抑制することができる。

なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。

たとえば、上記実施形態では、全てのスロットにおいて、１つのスロットに１つの巻線の巻回部分（半分）が配置されるように構成されている例を示したが、たとえば、全てのスロットのうちの１部のスロットにおいて、１つのスロットに２つの巻線の巻回部分が配置されていてもよい。

また、上記実施形態では、巻線のグループ数が４になるように構成されている例を示したが、たとえば、巻線のグループ数を６、８、１０または１２になるように構成してもよい。なお、巻線のグループ数が６、８、１０または１２の場合でも、巻線のグループは、周方向に略等角度間隔でステータに配置される。

また、上記実施形態では、毎極毎相スロット数ｑは、８／２５になるように構成されている例を示したが、たとえば、スロットの数Ｎｓを９６とし、極数Ｐを９２にすることにより、毎極毎相スロット数ｑが、８／２３（＝９６／（３×９２））になるように構成してもよい。なお、グループ数は、４（＝９２／２３）である。また、スロットの数Ｎｓを８４とし、極数Ｐを１００にすることにより、毎極毎相スロット数ｑが、７／２５（＝８４／（３×１００））になるように構成してもよい。なお、グループ数は、４（＝１００／２５）である。

また、上記実施形態では、ステータの外周を取り囲むようにロータが配置されるアウターロータ形式の発電機を用いる例を示したが、たとえば、ステータの内側にロータが配置されるインナーロータ形式の発電機を用いてもよい。

また、上記実施形態では、毎極毎相スロット数ｑが１／４＜ｑ＜１／２を満たす分数になるとともに巻線のグループ数が４になる構成を発電機に適用する例を示したが、たとえば、毎極毎相スロット数ｑが１／４＜ｑ＜１／２を満たす分数になるとともに巻線のグループ数が４になる構成をモータに適用してもよい。

また、上記実施形態では、毎極毎相スロット数ｑが１／４＜ｑ＜１／２を満たす分数になるとともに巻線のグループ数が４になる発電機を風力発電システムに適用する例を示したが、たとえば、風力発電システム以外のシステムに、この発電機を適用してもよい。

また、上記実施形態では、電圧の相数が３である例を示したが、たとえば、電圧の相数が３以外（たとえば単相）であってもよい。この場合、スロットの数Ｎｓを磁極の数である極数Ｐで除算した値Ｎｓ／Ｐが、２／３＜Ｎｓ／Ｐ＜３／２を満たすように構成するとよい。これにより、スロットの数Ｎｓと極数Ｐとの差が比較的小さくなるので、巻線係数が小さくなるのを抑制することができる。

また、上記実施形態では、ロータハブが発電機の回転軸に取り付けられている例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、図７に示す変形例による風力発電システム１０１のように、ロータハブ３と発電機１との間にギア７を設けてもよい。

１ 発電機（回転電機）
４ ブレード
６ 回転軸
１１ ステータ
１２ ロータ
１３ スロット
１４ ティース
１５ 巻線
１００、１０１ 風力発電システム

上記目的を達成するために、第１の局面による回転電機は、スロットと、スロット間に設けられるティースとを有するステータと、ステータのティースに集中巻により巻回された巻線とを備え、スロットの数Ｎｓを磁極の数である極数Ｐと電圧の相数ｍとで除算した値である毎極毎相スロット数ｑが、１／４＜ｑ＜１／２を満たす分数になるとともに、１つのスロットに１つの巻線の巻回部分が配置されるように構成されており、極数Ｐを、毎極毎相スロット数ｑを既約した分数の分母で除算した値が４以上であり、同相の巻線を複数ずつ含む巻線のグループが、極数Ｐを、毎極毎相スロット数ｑを既約した分数の分母で除算した値と等しい数分構成され、巻線のグループの数分の巻線のグループの各々は、周方向に略等角度間隔で離間した状態でステータに配置されている。

第２の局面による風力発電システムは、スロットと、スロット間に設けられるティースとを有するステータと、ステータのティースに集中巻により巻回された巻線とを含み、スロットの数Ｎｓを磁極の数である極数Ｐと電圧の相数ｍとで除算した値である毎極毎相スロット数ｑが、１／４＜ｑ＜１／２を満たす分数になるとともに、１つのスロットに１つの巻線の巻回部分が配置されるように構成されており、極数Ｐを、毎極毎相スロット数ｑを既約した分数の分母で除算した値が４以上であり、同相の巻線を複数ずつ含む巻線のグループが、極数Ｐを、毎極毎相スロット数ｑを既約した分数の分母で除算した値と等しい数分構成され、巻線のグループの数分の巻線のグループの各々は、周方向に略等角度間隔で離間した状態でステータに配置されている発電機と、発電機の回転軸に接続されるブレードとを備える。

Claims (20)

1. スロット（１３）と、前記スロット間に設けられるティース（１４）とを有するステータ（１１）と、
   前記ステータの前記ティースに集中巻により巻回された巻線（１５）とを備え、
   前記スロットの数Ｎｓを磁極の数である極数Ｐと電圧の相数ｍとで除算した値である毎極毎相スロット数ｑが、１／４＜ｑ＜１／２を満たす分数になるとともに、
   １つの前記スロットに１つの前記巻線の巻回部分が配置されるように構成されている、回転電機（１）。
2. 前記巻線は、隣接する前記ティースのうちの一方に巻回されるとともに、他方には巻回されないことにより、１つの前記スロットに１つの前記巻線の巻回部分が配置されるように構成されている、請求項１に記載の回転電機。
3. 前記ステータには、前記巻線が巻回される前記ティースと巻回されない前記ティースとが交互に配置されるように構成されている、請求項２に記載の回転電機。
4. 前記毎極毎相スロット数ｑを既約した分数の分子が、３よりも大きい偶数になるように構成されている、請求項１に記載の回転電機。
5. 前記スロットの数Ｎｓが、相数ｍに４ｎ（ｎは１以上の自然数）を乗算した値になるように構成されている、請求項１に記載の回転電機。
6. 前記スロットの数Ｎｓと前記極数Ｐとの差（Ｎｓ−Ｐ）が、Ｎｓ−Ｐ＝±４ｎ（ｎは整数）を満たすように構成されている、請求項１に記載の回転電機。
7. 前記極数Ｐが２０以上であり、１分間当たりの回転数が１０以上４００以下である中低速の回転電機に適用される、請求項１に記載の回転電機。
8. 前記極数Ｐを、前記毎極毎相スロット数ｑを既約した分数の分母で除算した値が４以上であり、同相の巻線を複数ずつ含む巻線のグループが、前記極数Ｐを、前記毎極毎相スロット数ｑを既約した分数の分母で除算した値と等しい数分構成され、前記巻線のグループの各々は、互いに離間した状態で前記ステータに配置されている、請求項１に記載の回転電機。
9. 前記巻線のグループの数が４、６、８、１０または１２になるように構成されており、
   前記巻線のグループの数分の前記巻線のグループの各々は、周方向に略等角度間隔で離間した状態で前記ステータに配置されている、請求項８に記載の回転電機。
10. 前記巻線のグループの数が４であり、前記４つの巻線のグループは、周方向に略９０度の等角度間隔で離間した状態で前記ステータに配置されている、請求項９に記載の回転電機。
11. 誘導される電圧の前記相数ｍは、第１の相、第２の相および第３の相を含む３相であり、
    前記第１の相の巻線のグループと、前記第２の相の巻線のグループと、前記第３の相の巻線のグループとがこの順で隣接した状態で前記ステータに配置されている、請求項８に記載の回転電機。
12. 前記毎極毎相スロット数ｑは、８／２５になるように構成されている、請求項１に記載の回転電機。
13. 誘導される電圧の前記相数ｍは、３相であり、前記スロットの数Ｎｓは、９６であり、前記極数Ｐは、１００である、請求項１２に記載の回転電機。
14. 前記ステータの外周を取り囲むようにロータ（１２）が配置されるアウターロータ形式である、請求項１に記載の回転電機。
15. 前記回転電機は、発電機（１）からなる、請求項１に記載の回転電機。
16. スロット（１３）と、前記スロット間に設けられるティース（１４）とを有するステータ（１１）と、前記ステータの前記ティースに集中巻により巻回された巻線（１５）とを含み、前記スロットの数Ｎｓを磁極の数である極数Ｐと電圧の相数ｍとで除算した値である毎極毎相スロット数ｑが、１／４＜ｑ＜１／２を満たす分数になるとともに、１つの前記スロットに１つの前記巻線の巻回部分が配置されるように構成されている発電機（１）と、
    前記発電機の回転軸に接続されるブレード（４）とを備える、風力発電システム（１００、１０１）。
17. 前記巻線は、隣接する前記ティースのうちの一方に巻回されるとともに、他方には巻回されないことにより、１つの前記スロットに１つの前記巻線の巻回部分が配置されるように構成されている、請求項１６に記載の風力発電システム。
18. 前記ステータには、前記巻線が巻回される前記ティースと巻回されない前記ティースとが交互に配置されるように構成されている、請求項１７に記載の風力発電システム。
19. 前記毎極毎相スロット数ｑを既約した分数の分子が、３よりも大きい偶数になるように構成されている、請求項１６に記載の風力発電システム。
20. 前記スロットの数Ｎｓが、相数ｍに４ｎ（ｎは１以上の自然数）を乗算した値になるように構成されている、請求項１６に記載の風力発電システム。

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