TWI429168B - Permanent magnet rotating machine - Google Patents

Description

永久磁石旋轉機

本發明是有關可利用於馬達或發電機的永久磁石旋轉機，有關轉子與定子對向於旋轉軸方向的軸向間隙型永久磁石旋轉機。

使用於馬達或發電機的旋轉機有幾個種類，特別是使用於發電機的旋轉機中，勵磁用有使用永久磁石的型式或使用線圈的型式。雖各有長短，但在重視發電效率時，是使用將永久磁石利用於勵磁的永久磁石旋轉機。那是因為以同體格來作比較時，要比利用線圈勵磁的旋轉機的發電機更能夠產生強磁場，在電樞線圈磁鏈的磁束量會變多，可提高感應電壓。

又，有關永久磁石旋轉機，就構造上的分類而言，有徑向間隙型及軸向間隙型。徑向間隙型是在圓筒狀的轉子的周方向配置持有徑方向的磁化方向的複數個磁石，在設於轉子的外周或內周側的圓筒狀的定子，以能夠對向於永久磁石的方式配置有線圈。一般就徑向間隙型而言，線圈是被卷於設在定子的齒狀鐵芯，以能夠效率佳地磁鏈來自磁極的磁束之方式製作。然而，藉由具有該鐵芯，會有因為磁極與鐵芯的磁氣吸引力所引起的齒槽力矩(Cogging Torque)發生，例如使用於發電機時初動力矩變大的問題。又，就一般的徑向間隙型而言，由於是形成只在圓筒的外周部配置磁極的形式，因此亦有圓筒的內部空間不會被有效地利用的問題。

另一方面，如圖13所示，軸向間隙型是形成在旋轉軸102安裝有圓盤狀的轉子103，定子105對向於旋轉軸方向而設置的構造。在轉子103安裝有複數個永久磁石104，以能夠對向於彼之方式在定子105側安裝複數個線圈106。如圖14所示，以轉子2片來夾著定子的方式構成之下，磁氣效率會變佳，即使在線圈內不設置鐵芯照樣可以確保輸出。以下將該線圈內無鐵芯者稱為無芯，此型式因為無鐵芯，所以沒有來自永久磁石的勵磁所產生的磁氣吸引力，可以比使用於發電機時還要小的初動力矩來使發電機開始旋轉，因此有利於使用在風力發電等。(例如參照專利文獻1)

圖13及圖14所示之無芯的軸向間隙型永久磁石旋轉機是形成磁極數為8極，線圈數為6個，可使用較小型的發電機的形狀。

在思索此型態的旋轉機的大型化(scale up)時，不是擴大外徑，就是在旋轉軸方向重疊段數。

在單純地擴大外徑時，是磁石的形狀變大。

一般使用的永久磁石是被稱為鐵氧體磁石(ferrite Magnets)者或被稱為稀土族磁石者，但大多是使用磁氣特性高的稀土族燒結磁石。由於稀土族燒結磁石是使用將稀土族磁石的金屬粉末予以沖壓成型而燒結的工程，因此難以製作某程度以上大小的磁石。而且，磁石是經過所謂著磁之施加來自外部的強磁場的工程而產生磁力，但有關著磁也會受到使外部磁場產生的電磁石的限制而難以將太大的磁石一次著磁。在將圖13所示般的扇形磁石104擴大時，如圖15及圖16所示，分割成著磁可能的磁石尺寸，製作磁石片104a，104b，予以在轉子上同極彼此間密合的狀態下組裝，但所被著磁的磁石為同極時因為磁力的反抗力難以組裝。

並且，在應用於風力發電時，旋轉機是被放置於屋外，在夏天與冬天承受大的溫度差，藉由黏結來結合永久磁石與轉子時，在Nd磁石是非磁化方向的熱膨脹率為-1.7×10^-6 [1/K]，在可使用於轉子的軟鐵是10×10^-6 [1/K]，因熱膨脹的不同，在黏結面產生應力而破壞了黏結。此現象是黏結面積越大，在其端部的應力會越大，因此可用黏結來固定的磁石大小自然受限於所被使用的環境及材質。

如此軸向間隙型的旋轉機的大型化會有難以製作組裝大的磁石之問題。

[專利文獻1]特開2002-320364號公報

本發明是在於提供一種可使用於風力發電設備等的發電設備之軸向間隙型旋轉機中容量擴大容易，空間的利用效率高之永久磁石旋轉機。

若根據本發明，則可提供一種永久磁石式發電機，其係具備：旋轉軸；至少3段的轉子，其係結合於該旋轉軸，安裝有永久磁石的盤狀構造物係配置於該旋轉軸的軸方向；及盤狀構造物的定子，其係與該旋轉軸切離，具有被配置於形成有該轉子的至少2處的間隙之卷繞銅線的定子線圈，又，安裝於該轉子的永久磁石係於旋轉軸方向持有磁化方向者，該永久磁石係於圓周方向以4極以上的磁極數等間隔地交替N極及S極的方式配置者在徑方向配置2周以上，定子線圈係於該定子內圓周方向以3個以上等間隔地配置者在徑方向配置2周以上，該轉子與定子係於該旋轉軸的長度方向交替配置合計5段以上。

本發明的較佳其他形態，是上述定子線圈會以單相的相位狀態直列結合，或以三相的相位狀態直列結合。

若根據本發明，則更可提供一種在該永久磁石旋轉機的旋轉軸設置螺旋槳而取得的風力發電機。

本發明是在於提供一種在軸向間隙型的永久磁石旋轉機中，永久磁石的組裝容易且比以往更容易大型化的永久磁石旋轉機。

為了發電機的容量擴大，而增大磁石時會有幾點的問題。就風力發電而言，發電機是被放置於屋外，在夏天與冬天承受大的溫度差，藉由黏結來結合永久磁石與轉子時，因磁石與轉子的熱膨脹不同，在黏結面產生應力，而破壞了黏結。此現象是黏結面積越大，在其端部的應力會越大，因此可用黏結來固定的磁石大小自然受限於所被使用的環境及材質。並且，基於著磁機的限制，在著磁的面中持有過大的面積者難以一次著磁。本發明中藉由取複周化的方法，可使用適於製造的尺寸的磁石來擴大規模。

本發明在擴大旋轉機的容量時，不是隨著轉子徑及定子徑的擴大來增大磁石或線圈，而是磁石或線圈的外尺寸大致相同，增加磁極及線圈的周之方法，由於磁石或線圈等的零件可共通化，因此可期待成本降低。

又，本發明者們至此是藉由多段構成軸方向轉子及定子來使發生電壓提升之方法為發明，但上述手法在本發明中亦可適用。

又，本發明是將磁極及定子線圈構成於異徑同心圓的各圓周上，該等可個別地控制。亦即，作為發電機使用時可當作依周而異的發電機處理。

此效果，按照風速増加，增加所使用的磁極及定子線圈群，謀求發電量的増大，且可抑制、控制旋轉數。藉由如此隨著風速的變化，控制使用於發電的磁極及定子線圈群，可控制成能夠沿著風車的旋轉數與發電機的輸出關係之最適運轉曲線，實現風力發電機的最適運轉。強風時可加一電性的制動器來將風車的旋轉數壓制於一定，進行風車的靜音化。

又，就風力發電而言，為了使從風車停止的狀態啟動，而有由發電機側賦予驅動力矩的情況，本發明的旋轉機亦可作為賦予該驅動力矩的馬達用。

將本發明的永久磁石旋轉機之一實施形態顯示於圖1及圖2。圖1是表示本發明的永久磁石旋轉機的全貌立體圖，圖 2是由驅動旋轉軸的軸方向來看永久磁石旋轉機的圖，側面圖及剖面圖。傳達旋轉力的旋轉軸2是經由軸承來旋轉自如地支持於發電機的盒(未圖示)。旋轉軸的一端可結合於螺旋槳等，作為發電機使用時旋轉力會被傳達於旋轉機。在旋轉軸2連結轉子3，5，與旋轉軸同步旋轉轉子。亦即，此旋轉機是具有：旋轉軸、及在直接連結的盤狀構造物複數周配置永久磁石(6a，6b，7a，7b)的轉子3，5、及在與該永久磁石的旋轉軌道對向的位置配列複數個線圈(8a，8b)的定子4，為該等轉子與定子交替積層的構造。就此例而言，轉子是構成3段，其間夾入有具備線圈的定子。

在1個的轉子，例如圖3、圖4所示，複數的永久磁石會以旋轉軸為中心在異徑同心圓的各圓周上等間隔排列，更予以構成複數周。就此例而言是形成2周。永久磁石的磁化方向是朝向軸方向，鄰接於圓周方向的磁石彼此間是極性形成相反配置。永久磁石的大小，最好是可以磁石單體著磁，且在使用溫度範圍內的熱膨脹率的不同之黏結面端部的應力為黏結強度以下的外尺寸。具體而言，雖磁石的大小並無特別加以限制，但基於現狀的著磁機所能著磁的大小限制，最好磁極面積形成90000mm² 以下。又，磁石是在轉子上取所定的間隔配置。這是為了在安裝時，確保磁石間的磁氣性的吸引反抗力不會在安裝上成問題的程度之距離，藉由此構成，即使旋轉機為大型化時照樣不會有安裝所必要的設備成為必要以上的大型化的情況。

轉子直徑雖為特別加以指定，但基於製造上或搬送等的限制，較理想是可在以12m程度為上限的範圍，設計磁石周圍的和。

若根據本發明，則配置於各轉子的永久磁石之製作的磁極數是越擴大轉子徑越可能增多極數，較理想是4極以上。

就圖3及圖4的例子而言是構成於2個異徑同心圓的圓周上，在外周側內周側皆形成極數8的轉子。安裝於各轉子的磁石是數量相同，在各轉子由軸方向來看位於相同位置的磁石具有同極性，形狀並非限於扇形、矩形、台形等。圖3是端部用的轉子，圖4是夾於定子間的部份的轉子(內部轉子)。

另外，極數亦可依周而有所不同。作為發電機使用時，一般若旋轉數相同，則一旦極數増加，在線圈磁鏈的磁束的時間變化會變大而電壓上升，但另一方面若過度增加極數而磁石變小的話，則磁鏈的磁束會變少，電壓下降。如此旋轉數與磁極數亦即各周的磁石大小有最適值，本發明可設計成能夠在各周形成最適的極數。

在數段的轉子之中被放置於兩端的2個端部轉子是與其他的轉子亦即內部轉子相異，具備：在旋轉軸的軸方向取間隔配置的2個端部旋轉盤、及配置於該2個端部旋轉盤的對向面的永久磁石，例如圖3所示，可採用在強磁性材的軛上藉由黏結劑(例如環氧樹脂、丙烯系樹脂等)來固定永久磁石者。藉此，在端部轉子與對向的內部轉子之間的磁場強，使由磁極發生的磁束還流於軛中，使來自端部轉子的外部洩漏磁束減少，藉此減輕因洩漏磁束發生於發電機盒的渦電流所造成的洩漏力矩，同時增大轉子間的間隙的磁束量，使發電性能高性能化。只要軛為磁性材即可，並無特別加以限定，例如可舉鐵、磁性SUS。

兩端部以外的轉子是藉由磁石支持構件來支持永久磁石，例如圖4所示可採用在非磁性材(鋁，SUS，樹脂等)的框中崁入磁石者。藉此可在該轉子的兩側間隙產生同樣的磁場，在框使用非磁性材之下，不會有減弱來自磁石的磁場之情況。

如此一來，在各轉子間的間隙形成多極且非常強的磁場。轉子間間隙越小越可取得強磁場，因此最好間隙是儘可能小。

在1個的定子，例如圖5所示，在相對於轉子的磁極之異徑同心圓的圓周上配置有線圈。配置於各圓周上的線圈數，對磁極數而言，單相時是以1：1來配置，三相交流時是以4：3，2：3，8：9，10：9，10：12，12：15來配置。定子線圈的數量在各圓周上較理想是為3個以上。就圖5的例子而言是所對應的線圈數分別為6個。

作為發電機使用時，一般若旋轉數相同，則一旦極數増加，線圈會變小而輸出電壓低減，若減少極數增大線圈，則會增加卷數而提高電壓，但過度增加卷數，線的電阻會變高，電流會減少。如此旋轉數及線圈數亦即各周的線圈大小有最適值，本發明可設計成能夠在各周形成最適的線圈數。

定子是如圖5所示具備複數的線圈，配置於形成有上述端部轉子3及內部轉子5的各空隙。定子是與旋轉軸的旋轉分離，例如固定於收納用的盒(外殼)。定子是藉由線圈支持構件來支持線圈，較理想是各線圈可取使線圈支持構件形成框狀來安放於此的形態。線圈支持構件是以不會產生渦電流的方式使用樹脂等的絕緣材料來製作。各定子較理想是全都以相同的線圈數來形成。各線圈的形狀是大概與磁石形狀相同。單相時，較理想是各線圈以相鄰彼此間卷成逆向串連。三相時，較理想是將串連圓周方向隔二個的線圈者組成三組，成為三相卷線。

又，藉由將定子積層2段以上，串連定子間的同位置的線圈，可提高發生電壓。又，因應所需來增加轉子段數及定子段數，可提高電壓。

在本發明的永久磁石旋轉機中，配列有上述永久磁石的盤狀轉子是至少配置3段以上，在形成該等轉子的至少2處以上的各間隙配置具有定子線圈的定子，合計至少5段以上交替地在旋轉軸方向取間隔來積層轉子與定子。段數的上限是依旋轉機所容許的外尺寸及轉子和定子的厚度而定。當被要求高輸出電壓時，最好為儘可能在所被容許的外尺寸內增加段數的形式。如此使配列複數磁石的轉子成複數段，且使磁石的極性一致之下，位於恰好與一個轉子的N極磁石相向的位置之別的轉子的磁石也會形成N極，發電機的磁氣電路的導磁性(permeance)變大，產生於轉子間的間隙的磁場變強，可由永久磁石取出大的磁束。

本發明的情況，是在既存的軸向間隙型旋轉機中，只要在內周側具有空間，便可再增加磁極及線圈的周，作為發電機使用時可不改變外尺寸來使發電機的容量提升。

各周的線圈群可為各別的發電機所控制，在取如此的構成之下，可取得與以往同樣在發電機外尺寸內設置複數的發電機相同的效果。

圖6及圖7是表示更使複周化，多段化的實施例。在此是轉子3，5合計形成4段，在各個之間夾入定子4，合計構成7段。而且，磁極(9a，9b，9c，10a，10b，10c)及線圈(11a，11b，11c)是分別構成於3個異徑同心圓的圓周上，從外周側極數是形成10，8，8的轉子，所對應的線圈數是分別為9，6，6個。在此是為了不增大磁石的大小來配置，而增加外周側的極數。

圖8及圖9是表示本發明的其他實施例。轉子合計3段，定子2段，合計構成5段。圖8及圖9是線圈數、磁極數在內周及外周相異的點、及線圈、磁石形狀相異的點與圖1及圖2所示的形態相異。在圖8及圖9是磁極及線圈分別使用相同者來構成於2個異徑同心圓的圓周上，從外周側極數是形成12，8的轉子，所對應的線圈數是分別為9，6個。

圖10及圖11是表示使用與圖8及圖9所示的實施例相同的磁石及線圈，使複周化，多段化，而擴大規模者。在此是轉子為5段，在各個之間夾入定子，全體構成9段。而且，磁極及線圈是分別構成於6個異徑同心圓的圓周上，從外周側極數是形成56，44，40，32，24，16的轉子，所對應的線圈數是分別為42，33，30，24，18，12個。如此本發明可使永久磁石旋轉機的規模擴大容易。

將本發明的永久磁石旋轉機作為發電機使用時，若從螺旋槳傳達旋轉力至旋轉軸，則所有的轉子會與旋轉軸同步旋轉，形成於各轉子間的間隙(間隙部)的磁場也會同步旋轉。其結果，在各定子被賦予同步的旋轉磁場而被感應的起電力也會在各定子間同步。只要將各定子的線圈數形成與各轉子的磁極數相同，便可取得單相交流的起電力，只要形成0.75倍，便可取得三相交流的起電力。而且，在各定子間由軸方向來看位於同位置的線圈是同步產生電壓，因此在將該等直列結線之下，結合後之線圈的起電力是形成與定子的段數成比例。如此一來，藉由因應所需增加定子段數，可容易取得高的發電電壓。

從發電機取得的交流起電力是經由整流器來被直流化積蓄於電池或被送電。

本發明是磁極及線圈分別構成於2個以上的異徑同心圓的圓周上。在個別控制各周之下使用於發電機時，可取得與以1個的軸來驅動複數的發電機同樣的效果。又，因應所需來複數配置磁極與線圈的周之下，可擴大發電機的容量。又，由於本發明的旋轉機所使用的線圈可為無芯，因此不會有因磁極數増加而造成鐵心損耗的増大。

在本發明的永久磁石旋轉機的旋轉軸設置螺旋槳而取得的風力發電機亦為本發明之一。如圖12所示作為風力發電機20使用時，最好是使用一般所被使用之強化塑膠所構成的螺旋槳21，形成可按照風向來360°旋轉的移動。並且，在微風時需要風車的起動力矩時，亦可暫時性將本發明的旋轉機作為馬達使用。

使用於本發明的永久磁石並無特別加以限定，但較理想是包含稀土族元素的高性能稀土族磁石。較理想是所謂由稀土族金屬間化合物所構成的稀土族燒結磁石或稀土族結合磁石，更理想是使用Nd系異方性燒結磁石。因為能量積高，發生磁場大，所以可使發電性能提升，磁石成本亦低廉。

若為使用上述本發明之持有多極且複數周的磁石轉子及定子的構造的旋轉機，則可使用製作容易的永久磁石的形狀，擴大規模。而且，本旋轉機亦可使用於風力發電機或水力發電機。

當然，本發明的永久磁石旋轉機是除了作為上述發電機的用途以外，可專門作為馬達使用。

1．．．永久磁石旋轉機

2．．．旋轉軸

3．．．端部轉子

4．．．定子

5．．．內部轉子

6a，6b，10a，10b，10c．．．端部轉子的永久磁石

7a，7b，11a，11b，11c．．．內部轉子的永久磁石

8a．．．外周線圈

8b．．．內周線圈

20．．．風力發電機

21．．．螺旋槳

101．．．以往的旋轉機

102．．．旋轉軸

103．．．轉子

104．．．永久磁石

104a，104b．．．磁石片

105．．．定子

106．．．線圈

圖1是表示本發明的永久磁石旋轉機的實施形態之一的立體圖。

圖2是由旋轉軸方向來看圖1的旋轉機的圖，側面圖，及剖面圖。

圖3是表示圖1的旋轉機的端部轉子形狀的立體圖。

圖4是表示圖1的旋轉機的內部轉子形狀的立體圖。

圖5是表示圖1的旋轉機的定子形狀的立體圖。

圖6是表示本發明的永久磁石旋轉機的其他實施形態的立體圖(相較於圖1擴大周圍及段數的例)。

圖7是由旋轉軸方向來看圖6的旋轉機的圖，側面圖，及剖面圖。

圖8是表示本發明的永久磁石旋轉機的其他實施形態的立體圖(內周與外周的磁極數、線圈數相異)。

圖9是由旋轉軸方向來看圖8的旋轉機的圖，側面圖，及剖面圖。

圖10是表示本發明的永久磁石旋轉機的其他實施形態的立體圖(相較於圖1或圖6擴大周為及段數的例)。

圖11是由旋轉軸方向來看圖10的旋轉機的圖，側面圖，及剖面圖。

圖12是裝入本發明的永久磁石旋轉機的風力發電機的模式剖面圖。

圖13是表示以往的旋轉機之一形態的立體圖。

圖14是由旋轉軸方向來看圖13的旋轉機的圖，側面圖，及剖面圖。

圖15是表示以往的旋轉機的其他形態的立體圖。

圖16是由旋轉軸方向來看圖15的旋轉機的圖，側面圖，及剖面圖。

1．．．永久磁石旋轉機

2．．．旋轉軸

3．．．端部轉子

4．．．定子

5．．．內部轉子

6a，6b．．．端部轉子的永久磁石

7a，7b．．．內部轉子的永久磁石

8a．．．外周線圈

8b．．．內周線圈

Claims (9)

1. 一種永久磁石旋轉機，係具備：旋轉軸；2段的端部轉子，其係具備：在上述旋轉軸的軸方向取間隔配置的2個端部旋轉盤、及配置於上述2個端部旋轉盤的對向面的永久磁石，可與上述旋轉軸一體轉動；至少1段的內部轉子，其係具備：在形成有上述2段的端部轉子的空隙取間隔配置的旋轉盤、及被上述旋轉盤所支持的永久磁石，可與上述旋轉軸一體轉動；及至少2段的定子，其係具備：被配置於形成有上述端部轉子及內部轉子的各空隙的固定盤、及被該固定盤所支持的定子線圈，從上述旋轉軸的旋轉分離，其特徵為：上述永久磁石，係於上述旋轉軸的軸方向持有磁化方向，在上述端部轉子及內部轉子的各旋轉盤中以旋轉軸為中心的2個以上的異徑同心圓的各圓周上具有4或4極以上的磁極數之方式等間隔配置，在相對於配置有上述各旋轉盤的永久磁石的異徑同心圓之上述固定盤的異徑同心圓的各圓周上，3或3個以上等間隔配置上述定子線圈，可按照風速，個別地控制。
2. 如申請專利範圍第1項之永久磁石旋轉機，其中，上述同一圓周上的定子線圈，係以單相的相位狀態直列結合，或以三相的相位狀態結合。
3. 如申請專利範圍第1或2項之永久磁石旋轉機，其中，在上述定子的各段中被配置於與上述旋轉軸平行的同一直線上的線圈彼此間係串連。
4. 如申請專利範圍第1或2項之永久磁石旋轉機，其中，上述永久磁石為稀土族磁石。
5. 如申請專利範圍第1或2項之永久磁石旋轉機，其中，上述永久磁石為Nd系稀土族異方性燒結磁石。
6. 如申請專利範圍第1或2項之永久磁石旋轉機，其中，上述端部轉子係於由強磁性材所構成的端部旋轉盤上貼上永久磁石來形成。
7. 如申請專利範圍第1或2項之永久磁石旋轉機，其中，上述內部轉子係於由非磁性材所構成的框之中嵌入磁石來形成。
8. 如申請專利範圍第1或2項之永久磁石旋轉機，其中，在上述端部轉子及上述內部轉子的各段中被配置於與上述旋轉軸平行的同一直線上之磁石彼此間係使極性一致而配列。
9. 一種風力發電機，其特徵為：在如申請專利範圍第1~8項中的任一項所記載之永久磁石旋轉機的旋轉軸設置螺旋槳。