WO2013161019A1 - 回転電機および風力発電システム - Google Patents

回転電機および風力発電システム Download PDF

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winding
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rotating electrical
poles
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宮本　恭祐
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株式会社安川電機
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    • H02K21/12—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with stationary armatures and rotating magnets
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction

Definitions

  • the present invention relates to a rotating electrical machine and a wind power generation system, and more particularly to a rotating electrical machine having a winding wound around a slot of a stator.
  • a rotating electric machine having a winding wound around a slot of a stator is known.
  • Such a rotating electrical machine is disclosed in, for example, Japanese Patent No. 4725684.
  • the number of slots per phase per pole which is a value obtained by dividing the number of slots by the number of poles, which is the number of magnetic poles, and the number of phases of voltage, is 1 ⁇ q ⁇ 3/2
  • windings are distributed in slots in the stator (coils having a phase per pole and distributed in a plurality of slots).
  • the distortion of the waveform of the induced voltage can be reduced and the copper loss of the winding can be suppressed from increasing. That is, the characteristics of the rotating electrical machine can be improved by selecting winding conditions such as the number of slots per phase per pole q.
  • concentrated winding is known in which coils for each pole and each phase are wound around a slot.
  • the present invention has been made to solve the above-described problems, and one object of the present invention is to improve characteristics in a rotating electrical machine and a wind power generation system in which windings are concentratedly wound. It is to provide a possible rotating electrical machine and wind power generation system.
  • the rotating electrical machine includes windings wound around the stator slots by concentrated winding, and the number of slots Ns is divided by the number of poles P, which is the number of magnetic poles, and the number of phases of voltage m.
  • the number of slots per phase per pole q is a fraction that satisfies 1/4 ⁇ q ⁇ 1/2, and the number of poles divided by the denominator of the number of slots per pole per phase per q
  • the number of groups is configured to be 4 or more.
  • the number of winding groups by configuring the number of winding groups to be four or more, electromagnetic force acts on the rotor along four or more directions. Unlike the case where electromagnetic force acts along two opposite directions, the rotor can be prevented from being deformed into an elliptical shape. Further, since the force is more easily applied to the rotor than when the number of winding groups is 3, deformation of the rotor can be further suppressed. As a result, by setting the number of winding groups to 4 or more, vibration caused by the deformation of the rotor can be suppressed, so that the characteristics of the rotating electrical machine in which the windings are concentratedly wound can be improved. it can.
  • the wind power generation system includes windings wound by concentrated winding around slots of the stator, and is obtained by dividing the number of slots Ns by the number of poles P, which is the number of magnetic poles, and the number of phases m of voltage.
  • the number of slots per phase per pole q is a fraction satisfying 1/4 ⁇ q ⁇ 1/2, and the number of poles P is divided by the denominator of the number of slots per pole per phase q
  • a generator configured to have a number of 4 or more; and a blade connected to a rotating shaft of the generator.
  • the number of winding groups by configuring the number of winding groups to be four or more, electromagnetic force acts on the rotor along four or more directions. Unlike the case where electromagnetic forces act along two directions opposite to each other, the rotor can be prevented from being deformed into an elliptical shape. Further, since the force is more easily applied to the rotor than when the number of winding groups is 3, deformation of the rotor can be further suppressed. As a result, by setting the number of winding groups to 4 or more, vibration due to the deformation of the rotor is suppressed, so that the characteristics of the wind power generation system in which the windings are concentratedly wound can be improved. .
  • the characteristics can be improved when the windings are concentrated.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating an overall configuration of a wind power generation system according to an embodiment. It is a top view of the generator of the wind power generation system by one Embodiment. It is an enlarged top view of the generator of the wind power generation system by one Embodiment. It is a figure which shows the relationship between the position of the coil
  • the wind power generation system 100 includes a generator 1, a nacelle 2 for housing the generator 1, a rotor hub 3, blades 4, and a tower (support column) 5. .
  • the generator 1 is housed in the nacelle 2.
  • the rotor hub 3 is attached to the rotating shaft 6 of the generator 1.
  • a plurality of blades 4 are attached to the rotor hub 3.
  • the nacelle 2 is attached to the tower 5.
  • the generator 1 is an example of a “rotary electric machine”.
  • the generator 1 includes a stator 11 and a rotor 12.
  • the generator 1 is an outer rotor type
  • the stator 11 is provided with a plurality of slots 13.
  • the number of slots Ns is configured to be a value obtained by multiplying the number m of induced voltages by 4n (n is an integer).
  • the 96 slots 13 are provided in the stator 11 so as to open toward the outer peripheral side. In FIG. 3, the slots 13 with the slot numbers # 1 to # 24 are shown. Further, teeth 14 are provided between adjacent slots 13.
  • a winding 15 is wound around the slot 13.
  • the winding 15 is configured to be a concentrated winding in which the winding 15 is wound around the adjacent slot 13.
  • the winding 15 is concentratedly wound on the slot 13 of slot number # 1 and the slot 13 of # 2.
  • the rotor 12 is provided with a plurality of permanent magnets 16.
  • the generator 1 according to the present embodiment is a medium / low speed generator having a pole number P of 20 or more (for example, 10 to 20 revolutions per minute).
  • groups of four windings 15 are arranged on the stator 11 at equal angular intervals of about 90 degrees in the circumferential direction.
  • the U-phase winding 15 includes slot numbers # 1 to # 8 (group 1), # 25 to # 32 (group 2), # 49 to # 56 (group 3), and # 73 to It is wound around the slot 13 of # 80 (group 4).
  • the V-phase winding 15 is wound around the slots 13 of slot numbers # 17 to # 24, # 41 to # 48, # 65 to # 72, and # 89 to # 96.
  • the W-phase winding 15 is wound around the slots 13 of slot numbers # 9 to # 16, # 33 to # 40, # 57 to # 64, and # 81 to # 88.
  • the electrical phase of the U-phase winding 15 wound around the slot number # 1 and the U-phase winding 15 wound around the slot number # 2 are different from each other by 187.5 degrees.
  • the electrical phase of the U-phase winding 15 wound in the slot number # 2 and the U-phase winding 15 wound in the slot number # 3 are different from each other by 187.5 degrees.
  • the # 80 U-phase winding 15 faces the N-pole field.
  • the electrical phases of the windings 15 wound around the slot numbers # 1 and # 49 are the same.
  • wrap around slot numbers # 26 and # 74 (# 3 and # 51, # 28 and # 76, # 5 and # 53, # 30 and # 78, # 7 and # 55, # 32 and # 80)
  • the electrical phases of the windings 15 are the same. That is, the number of slot vectors facing the U-phase N-pole field is 8. That is, the number of slot vectors corresponds to the numerator 8 of the number of slots per phase per pole q (8/25).
  • the electrical phases of the windings 15 wound in the slot numbers # 2 and # 50 are the same.
  • wound around slot numbers # 25 and # 73 (# 27 and # 75, # 4 and # 52, # 29 and # 77, # 6 and # 54, # 31 and # 79, # 8 and # 56)
  • the electrical phases of the windings 15 are the same.
  • the slot numbers # 17, # 19, # 21, # 23, # 42, # 44, # 46, # 48, # 65, # 67, # 69, # 71, # Windings 15 of 90, # 92, # 94, and # 96 face the N pole field.
  • the windings 15 of 89, # 91, # 93, and # 95 face the S pole field.
  • slot numbers # 10, # 12, # 14, # 16, # 33, # 35, # 37, # 39, # 58, # 60, # 62, # 64, # Windings 15 of 81, # 83, # 85, and # 87 are opposed to the S pole field.
  • the V-phase and W-phase windings 15 are similarly arranged in the stator 11 with groups of four windings 15 at equal angular intervals of about 90 degrees in the circumferential direction.
  • FIG. 5 shows the results of a simulation performed on the relationship between the number of slots per phase per pole q and the distributed winding coefficient kd.
  • the horizontal axis represents the number of slots per phase q per pole (numerator of the number of slots q per pole per phase), and the vertical axis represents the fundamental wave of the voltage generated by the generator 1 and the third harmonic.
  • the distributed winding coefficient kd of the fifth harmonic As shown in FIG. 5, in the fundamental wave, the distribution winding coefficient kd gradually decreases as the number q of slots per phase per pole (numerator of the number of slots q per pole per phase) increases, and the slots per phase per pole. When the number q is larger than 3 (when 4 or more), it has been found that the distributed winding coefficient kd is substantially constant (about 0.95).
  • the distributed winding coefficient kd is abruptly decreased and then gradually decreased.
  • the distributed winding coefficient kd is substantially constant (about 0.65 for the 3rd harmonic, about 5th harmonic, It was found to be about 0.2). That is, when the number of slots per phase per pole q (the numerator of the number of slots per pole per phase q) is made larger than 3 (set to 4 or more), the harmonic component is reduced, so that the generator 1 generates power. It was confirmed that the voltage waveform approaches a sine wave. That is, it was confirmed that the efficiency of the generator 1 can be improved by increasing the number q of slots per phase per pole q (the numerator of the number of slots q per pole per phase) to be larger than 3 (4 or more).
  • cogging is a cause of speed ripple (speed pulsation), and the speed ripple has an inversely proportional relationship with the cogging cycle.
  • the ripple period is approximately twice (132 cycles / 72 cycles) as compared to the case of 3 numerators per slot per phase per q slots. It has been found that the speed ripple when the number of slots per phase per pole q is 4 is reduced to about half compared to the case where the number of slots per phase per pole q is 3.
  • the inventor of the present application has found that it is preferable to make the numerator of the number of slots q per pole per phase larger than 3 (4 or more). Based on this knowledge, in this embodiment, the numerator of the number q of slots per phase per pole is 8 (> 3).
  • the number of groups is 4. Therefore, when the generator 1 rotates, for example, when current flows through the U-phase winding, the arrow in FIG. As shown in FIG. 4, it was found that electromagnetic force works along four directions (electromagnetic force works at four action points in the rotor 12). As a result, it has been found that the electromagnetic force is easily applied to the rotor 12 evenly, and deformation of the rotor 12 of the generator 1 is suppressed. As a result, it has been found that vibration caused by the deformation of the rotor 12 is suppressed.
  • the number of groups is 6, 8, 10 and 12, as in the case of the number of groups of 4, the deformation of the rotor of the generator is suppressed, so that vibration caused by the deformation of the rotor is suppressed. It was confirmed that As a result, it was found that an abnormal force is suppressed from being applied to the bearing portion of the generator, so that it is possible to extend the life of the generator.
  • the number of groups is larger than 12, it is found that the numerator of the number q of slots per phase per pole becomes small (becomes 1 or 2), and the winding distribution effect becomes small. That is, it has been found that the waveform of the voltage output from the generator deviates greatly from the sine wave.
  • the present inventor has found that the number of groups is preferably set to 4, 6, 8, 10 and 12. Based on this knowledge, the number of groups is 4 in this embodiment.
  • a plurality of winding groups (for example, groups 1 to 4) are all connected in series (groups 1 to 4). 4 are connected in series), all are connected in parallel (groups 1 to 4 are connected in parallel), or groups connected in parallel are connected in series (groups 1 and 2 are connected in series, group 3 and 4 can be connected in series, and these can be connected in parallel).
  • the windings 15 by configuring the windings 15 so that the number of groups is 4 or more, electromagnetic force acts on the rotor 12 along four or more directions. Unlike the case where electromagnetic force works along two opposite directions, the rotor 12 can be prevented from being deformed into an elliptical shape. Further, since the force is more easily applied to the rotor 12 than when the number of groups of the windings 15 is 3, the deformation of the rotor 12 can be further suppressed. As a result, by setting the number of groups of the windings 15 to 4 or more, vibrations due to the deformation of the rotor 12 can be suppressed, so that the characteristics of the generator 1 in which the windings 15 are concentratedly wound can be reduced. Can be improved.
  • the number Ns of the slots 13 is configured to be a value obtained by multiplying the phase number m by 4n (n is an integer).
  • the number Ns of slots 13 is a multiple of 4, so that it is easy to divide evenly into four, and as a result, four groups of windings 15 can be arranged in slots 13 at equal angular intervals of approximately 90 degrees. it can.
  • Ns ⁇ P ⁇ 4n (n is an integer).
  • the number of poles P is also a multiple of 4, so that the four groups of windings 15 are respectively provided.
  • An equal number of poles can be associated.
  • the numerator of the number of slots per phase per pole q is configured to be larger than 3.
  • the winding 15 is configured to be a concentrated winding in which the winding 15 is wound around the adjacent slot 13. Accordingly, the number q of slots per phase per pole is a fraction that satisfies 1/4 ⁇ q ⁇ 1/2.
  • the generator 1 is applied to a medium / low speed generator having a pole number P of 20 or more. Thereby, the characteristic of the low-speed generator 1 in which the windings 15 are concentratedly wound can be improved.
  • the number of groups of the windings 15 is 4, and the groups of four windings 15 are arranged on the stator 11 at equal angular intervals of about 90 degrees in the circumferential direction.
  • electromagnetic force acts on the rotor 12 along each of the four directions at equal angular intervals of approximately 90 degrees in the circumferential direction, so that the rotor 12 can be prevented from being deformed into an elliptical shape.
  • the number q of slots per phase per pole is configured to be 8/25.
  • the number of numerators of the number of slots per phase per pole is 8, so that the harmonic component is reduced (see FIG. 5).
  • the efficiency of the generator 1 can be effectively increased.
  • the generator 1 is comprised by the outer rotor type
  • the outer rotor type generator 1 since the rotor 12 is easily deformed, in this case, groups of four windings 15 are arranged on the stator 11 at equal angular intervals of about 90 degrees in the circumferential direction. As a result, the rotor 12 can be effectively prevented from being deformed into an elliptical shape.
  • the number of winding groups is four.
  • the number of winding groups is six, eight, ten, or twelve. Also good. Even when the number of winding groups is 6, 8, 10 or 12, the winding groups are arranged on the stator at substantially equal angular intervals in the circumferential direction.
  • the number of slots per pole per phase q is 8/25.
  • the example which applies to the generator the structure which becomes the fraction which the number of slots per pole q is 1/4 ⁇ q ⁇ 1/2 and the number of winding groups is four was shown.
  • a configuration in which the number q of slots per phase per pole is a fraction satisfying 1/4 ⁇ q ⁇ 1/2 and the number of winding groups is four may be applied to the motor.
  • the example which applies the generator to which the number q of slots per pole is a fraction which satisfies 1/4 ⁇ q ⁇ 1/2 and the number of winding groups is 4 is applied to a wind power generation system.
  • the generator may be applied to a system other than the wind power generation system.
  • the number of voltage phases may be other than 3 (for example, a single phase).
  • a value Ns / P obtained by dividing the number of slots Ns by the number of poles P, which is the number of magnetic poles may satisfy 2/3 ⁇ Ns / P ⁇ 3/2.
  • the rotor hub is attached to the rotating shaft of the generator.
  • the present invention is not limited to this.
  • a gear 7 may be provided between the rotor hub 3 and the generator 1 as in the wind power generation system 101 according to the modification shown in FIG.

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Abstract

　この回転電機（１）は、ステータ（１１）のスロット（１３）に巻回された巻線（１５）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、極数Ｐを毎極毎相スロット数ｑの分母で除算した値である巻線のグループ数が、４以上になるように構成されている。

Description

回転電機および風力発電システム
　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、ステータのスロットに巻回された巻線を備えた回転電機に関する。
　従来、ステータのスロット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。これにより、誘導電圧の波形の歪を小さくし、かつ、巻線の銅損が大きくなるのを抑制することが可能となる。すなわち、毎極毎相スロット数ｑなどの巻線の条件を選択することにより、回転電機の特性を向上させることが可能となる。その一方、従来では、毎極毎相のコイルがスロットに集中して巻回される集中巻が知られている。
特許第４７２５６８４号公報
　しかしながら、上記特許第４７２５６８４号公報の回転電機は分布巻であるため、集中巻の回転電機に上記特許第４７２５６８４号公報に開示されている毎極毎相スロット数ｑ（１＜ｑ≦３／２）を適用することはできない。このため、集中巻の回転電機において、回転電機の特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、巻線が集中巻されている回転電機および風力発電システムにおいて、特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、本願発明者が鋭意検討した結果、集中巻の回転電機においては、回転電機の極数を毎極毎相スロット数ｑの分母で除算した値である巻線のグループ数が特性に大きく影響することを見い出し、巻線のグループ数を４以上にすることにより、回転電機の特性を向上させることを見い出いした。
　すなわち、第１の局面による回転電機は、ステータのスロットに集中巻により巻回された巻線を備え、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、極数Ｐを毎極毎相スロット数ｑの分母で除算した値である巻線のグループ数が、４以上にな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、巻線のグループ数が４以上になるように構成することにより、ロータには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、巻線のグループ数が３の場合よりもロータに均等に力が働きやすいので、よりロータの変形を抑制することができる。これらの結果、巻線のグループ数を４以上に設定することにより、ロータの変形に起因した振動を抑制することができるので、巻線が集中巻されている回転電機の特性を向上させることができる。
　第２の局面による風力発電システムは、ステータのスロットに集中巻により巻回された巻線を含み、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、極数Ｐを毎極毎相スロット数ｑの分母で除算した値である巻線のグループ数が、４以上にな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、巻線のグループ数が４以上になるように構成することにより、ロータには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、巻線のグループ数が３の場合よりもロータに均等に力が働きやすいので、よりロータの変形を抑制することができる。これらの結果、巻線のグループ数を４以上に設定することにより、ロータの変形に起因した振動が抑制されるので、巻線が集中巻されている風力発電システムの特性を向上させることができる。
　上記回転電機および風力発電システムによれば、巻線が集中巻されている場合において特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。 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。 毎極毎相スロット数ｑと分布巻係数ｋｄとの関係について説明するための図である。 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４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。
　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は整数）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。たとえば、スロット番号＃１のスロット１３と＃２のスロット１３とに巻線１５が集中巻されている。
　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以上の中低速の（たとえば、１分間に１０～２０回転する）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。また、発電機１は、極数Ｐを毎極毎相スロット数ｑの分母で除算した値である巻線のグループ数が、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。また、発電機１は、毎極毎相スロット数ｑの分子が、３よりも大きく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、グループ数は、４（＝１００／２５）である。
　図２に示すように、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に配置されている。具体的には、Ｕ相の巻線１５は、スロット番号＃１～＃８（グループ１）、＃２５～＃３２（グループ２）、＃４９～＃５６（グループ３）、および、＃７３～＃８０（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＃１７～＃２４、＃４１～＃４８、＃６５～＃７２、および、＃８９～＃９６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＃９～＃１６、＃３３～＃４０、＃５７～＃６４、および、＃８１～＃８８のスロット１３に巻回されている。
　次に、図４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＃１に巻回されるＵ相の巻線１５と、スロット番号＃２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＃２に巻回されるＵ相の巻線１５と、スロット番号＃３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＃１、＃３、＃５、＃７、＃２６、＃２８、＃３０、＃３２、＃４９、＃５１、＃５３、＃５５、＃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＃１および＃４９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（＃３および＃５１、＃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）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、＃２５、＃２７、＃２９、＃３１、＃５０、＃５２、＃５４、＃５６、＃７３、＃７５、＃７７、および、＃７９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＃２５および＃７３（＃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）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＃１および＃４９）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、Ｖ相の巻線１５のうち、スロット番号＃１７、＃１９、＃２１、＃２３、＃４２、＃４４、＃４６、＃４８、＃６５、＃６７、＃６９、＃７１、＃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、＃４１、＃４３、＃４５、＃４７、＃６６、＃６８、＃７０、＃７２、＃８９、＃９１、＃９３、および、＃９５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＃９、＃１１、＃１３、＃１５、＃３４、＃３６、＃３８、＃４０、＃５７、＃５９、＃６１、＃６３、＃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、＃３３、＃３５、＃３７、＃３９、＃５８、＃６０、＃６２、＃６４、＃８１、＃８３、＃８５、および、＃８７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、図５を参照して、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。図５には、毎極毎相スロット数ｑと分布巻係数ｋｄとの関係について行ったシミュレーションの結果が示されている。
　図５において、横軸は、毎極毎相スロット数ｑ（毎極毎相スロット数ｑの分子）を示し、縦軸は、発電機１によって発電される電圧の基本波、３次の高調波および５次の高調波の分布巻係数ｋｄを示している。図５に示すように、基本波では、毎極毎相スロット数ｑ（毎極毎相スロット数ｑの分子）が大きくなるにしたがって、徐々に分布巻係数ｋｄが小さくなり、毎極毎相スロット数ｑが３より大きい場合（４以上の場合）では、分布巻係数ｋｄは、略一定（約０．９５）になることが判明した。また、３次の高調波および５次の高調波では、毎極毎相スロット数ｑが１から２に変化した場合に急激に分布巻係数ｋｄが小さくなり、その後、徐々に小さくなる。そして、毎極毎相スロット数ｑが３より大きい場合（４以上の場合）では、分布巻係数ｋｄは、略一定（３次の高調波では、約０．６５、５次の高調波では、約０．２）になることが判明した。すなわち、毎極毎相スロット数ｑ（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）ことにより、高調波成分が小さくなるので、発電機１によって発電される電圧の波形が正弦波に近づくことが確認された。すなわち、毎極毎相スロット数ｑ（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）ことにより、発電機１の高効率化が図れることが確認された。
　また、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の分布巻係数Ｋｄは、０．９５５となるとともに、短節巻係数Ｋｐは、０．９９７９となることが判明した。その結果、巻線係数Ｋｗ（＝Ｋｄ×Ｋｐ）は、０．９５３０となることが確認された。
　本実施形態では、上記のように、巻線１５のグループ数が４以上になるように構成することにより、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、スロット１３の数Ｎｓを、相数ｍに４ｎ（ｎは整数）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、毎極毎相スロット数ｑの分子を、３よりも大きくなるように構成する。これにより、高調波成分が小さくなる（図５参照）ので、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。その結果、発電機１の高効率化を図ることができる。
　また、本実施形態では、上記のように、巻線１５を、隣接するスロット１３に巻線１５が巻回される集中巻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が、１／４＜ｑ＜１／２を満たす分数となる。
　また、本実施形態では、上記のように、発電機１を、極数Ｐが２０以上の中低速の発電機に適用する。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のグループ数を４とし、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、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８になるので、高調波成分が小さくなる（図５参照）。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、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６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
　１５　巻線
　１００、１０１　風力発電システム

Claims (20)

  1. 　ステータ（１１）のスロット（１３）に集中巻により巻回された巻線（１５）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、
    　前記極数Ｐを前記毎極毎相スロット数ｑの分母で除算した値である巻線のグループ数が、４以上になるように構成されている、回転電機。
  2. 　前記スロットの数Ｎｓが、相数ｍに４ｎ（ｎは整数）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。
  3. 　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または２に記載の回転電機。
  4. 　前記毎極毎相スロット数ｑの分子が、３よりも大きくなるように構成されている、請求項１～３のいずれか１項に記載の回転電機。
  5. 　前記巻線は、隣接するスロットに巻線が巻回される集中巻になるように構成されている、請求項１～４のいずれか１項に記載の回転電機。
  6. 　前記極数Ｐが２０以上の中低速の回転電機（１）に適用される、請求項１～５のいずれか１項に記載の回転電機。
  7. 　前記巻線のグループ数が４、６、８、１０または１２になるように構成されている、請求項１～６のいずれか１項に記載の回転電機。
  8. 　前記巻線のグループ数が４、６、８、１０または１２である巻線のグループは、周方向に略等角度間隔で前記ステータに配置されている、請求項７に記載の回転電機。
  9. 　前記巻線のグループ数が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１～９のいずれか１項に記載の回転電機。
  11. 　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１０に記載の回転電機。
  12. 　誘導される電圧の前記相数ｍは、３相であり、前記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、請求項１～１１のいずれか１項に記載の回転電機。
  13. 　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１～１２のいずれか１項に記載の回転電機。
  14. 　前記回転電機は、発電機（１）からなる、請求項１～１３のいずれか１項に記載の回転電機。
  15. 　ステータ（１１）のスロット（１３）に集中巻により巻回された巻線（１５）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、前記極数Ｐを前記毎極毎相スロット数ｑの分母で除算した値である巻線のグループ数が、４以上にな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（６）に接続されるブレード（４）とを備える、風力発電システム。
  16. 　前記スロットの数Ｎｓが、相数ｍに４ｎ（ｎは整数）を乗算した値になるように構成されている、請求項１５に記載の風力発電システム。
  17. 　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１５または１６に記載の風力発電システム。
  18. 　前記毎極毎相スロット数ｑの分子が、３よりも大きくなるように構成されている、請求項１５～１７のいずれか１項に記載の風力発電システム。
  19. 　前記巻線は、隣接するスロットに巻線が巻回される集中巻になるように構成されている、請求項１５～１８のいずれか１項に記載の風力発電システム。
  20. 　前記極数Ｐが２０以上の中低速の発電機に適用される、請求項１５～１９のいずれか１項に記載の風力発電システム。
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