JP5955687B2 - 回転電機および風力発電システム - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、回転電機および風力発電システムに関する。

大容量発電機等の回転電機においては、発電機体格は発電機の回転数に反比例することが知られている。風力、潮力、波力などの自然エネルギーを動力源とした回転電機では、タービン翼などにより自然エネルギーを回転エネルギーに変換するが、回転速度は低速であり、タービン翼によって得られた回転エネルギーを直接発電機に伝達する場合には発電機体格が大型となる傾向にある。発電機の体格を小型にするためタービン翼と発電機の間に機械式増速機を配置して、発電機の回転数を増速する方式が一般的であるが、磁気ウォームギヤを用いて発電機を増速する回転電機も提案されている。

英国特許出願公開第２４６３１０２号明細書 特開平９−５６１４６号公報

磁気ウォームギヤを用いた回転電機は、２種類のロータ（大ロータ、小ロータ）が機械的に非接触であるため、磁気力の伝達効率が高く、保守性の面でも機械式増速機に比べ利点がある。

一方で、磁気ウォームギヤを用いた回転電機は、小ロータの内径に配置する発電機の容量に応じて必要となる大ロータ−小ロータ間の伝達磁気力が決まるが、所定の発電機容量に対して必要な伝達磁気力が得られない場合には、大ロータと小ロータが同期して回転せず脱調状態となり所定の発電容量を得られない。また、風力発電などでは過渡的な風速変動に対応するため、発電容量に応じて必要な大ロータ−小ロータ間の伝達磁気力より強く設計することが求められる。また、単位体積あたりの大ロータ−小ロータ間の伝達磁気力に応じて磁気ウォームギヤを用いた回転電機の体格が決まるため、小型化・軽量化にはこの伝達磁気力が出来る限り強くなるように設計することが求められる。大ロータ−小ロータ間の伝達磁気力を増加させる方法としてはエネルギー積の高い永久磁石を使用する方法や永久磁石量を増加させる方法が考えられるが、この種の方法はコストの高騰を招く。

発明が解決しようとする課題は、コストを抑えつつロータ間の伝達磁気力を増加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にある。

実施形態によれば、回転電機は、第１のロータと、前記第１のロータの外周側に離間してギャップが形成されるよう配置される少なくとも１つの第２のロータとを具備する回転電機であって、前記第２のロータは、外周面に永久磁石により形成される螺旋状の磁極を有し、前記第１のロータは、前記第２のロータの磁極間隔に応じて磁気的に結合するように外周面に永久磁石により形成される磁極を有し、前記第１のロータおよび前記第２のロータの各磁極は、前記第１のロータの周方向にＮ極，Ｓ極の同磁極が対向するよう磁化した永久磁石を挟み込むように磁性材を配置することにより、前記第１のロータの回転に追従して前記第２のロータが回転する状態とし、前記第１のロータまたは前記第２のロータの各磁性材は、前記第１のロータの径方向の長さが前記永久磁石の長さよりも短くされることにより形成された領域が空隙もしくは当該領域に非磁性材が配置されることにより、前記永久磁石からの前記周方向の磁束が、前記ギャップと反対側に漏れ出すことを低減させる。

各実施形態に共通する風力発電システムの概略構成の一例を示す斜視図。 図１の風力発電システムにおけるナセルの内部構成の一例を示す概念図。 図２中に示されるナセルの中に設置される回転電機の構造の一例を示す斜視図。 図３中の面Ａにて回転電機を切断した部分を小ロータの軸方向から見た場合の断面の概略形状を示す断面図。 小ロータの外周面に永久磁石により螺旋状の磁極がＮ極，Ｓ極交互に配置されるよう形成された構成を説明するための概念図。 第１の実施形態に係る回転電機における大ロータと小ロータとの磁気的結合部の一部の断面形状を示す断面図。 図６の大ロータおよび小ロータの各々における「永久磁石長β」に対する「空隙長もしくは非磁性材長δ」の比率「δ／β」に応じて変化するロータ間の伝達磁気力の特性を示すグラフ。 第２の実施形態に係る回転電機における大ロータと小ロータとの磁気的結合部の一部の断面形状を示す断面図。 第３の実施形態に係る回転電機における大ロータと小ロータとの磁気的結合部の一部の断面形状を示す断面図。

以下、図面を参照して、実施の形態について説明する。

（第１の実施形態）
最初に、図１乃至図７を参照して、第１の実施形態について説明する。なお、これらの図のうち、図１乃至図５は、後述する第２の実施形態および第３の実施形態にも適用される。

図１は、第１の実施形態に係る風力発電システムの概略構成の一例を示す斜視図である。また、図２は、図１の風力発電システムにおけるナセルの内部構成の一例を示す概念図である。

図１に示される風力発電システムは、主な要素として、ナセル１、風車翼２、およびタワー３を備えている。

ナセル１は、タワー３の頂部に取り付けられ、図２に示されるように、回転電機１００を収容するほか、回転電機１００に搭載された発電機から発生される電力に対して電圧調整や周波数調整を行う電力調整部１０１などを収容している。電力調整部１０１により調整された後の電力は、ケーブルＣを通じてタワー３の内側を通り、下方へ導かれる。

なお、電力調整部１０１は、ナセル１の内側に配置する代わりに、ナセル１の外側（例えば、地上）に配置してもよい。電力調整部１０１を例えば地上に配置する場合、上記発電機から発生される電力は、例えば、ケーブルＣを通じてタワー３の内側を通り、下方へ導かれ、地上近傍にてタワー３の外側へ導かれ、地上にある電力調整部１０１へと導かれる。

風車翼２は、ナセル１内の回転電機１００の回転軸１１に直結するよう取り付けられた翼軸（ブレード軸）２Ａと、この翼軸２Ａの周囲に取り付けられた複数の風車翼本体２Ｂとから成る。

タワー３は、地面に設置され、ナセル１を支持する。タワー３の内側には電力を伝達するケーブルＣが設けられている。ケーブルＣは、ナセル１側からタワー３の内側を通って下方に導かれ、地面近傍にてタワー３の外側へと導かれる。

このような構成において、風力により風車翼２が回転すると、その回転力が風車翼２の翼軸２Ａからナセル１内に設置された回転電機１００の回転軸１１へと伝わり、回転電機１００に搭載された発電機により発電が行なわれる。回転電機１００の発電機から発生した電力は、電力調整部１０１により調整された後、ケーブルＣを通じてナセル１からタワー３を通り、タワー３の外側へ送り出される。

図３は、図２中に示されるナセル１の中に設置される回転電機１００の構造の一例を示す斜視図である。

図３に示されるように、回転電機１００は、トロイド状のロータ１０（以下、「大ロータ１０」と称す）と、大ロータ１０の外周側に離間して配置される１つ又は複数の円筒状のロータ２０（以下、「小ロータ２０」と称す）と、小ロータ２０の内径側に配置される、例えばアウターロータ方式永久磁石発電機３０（以下、「発電機３０」と称す）とを有する。発電機３０は、永久磁石を備えた回転子およびコイルを備えた固定子により構成される。

なお、発電機３０は、アウターロータ方式に限らず、別の方式を採用しても構わない。また、発電機３０は、小ロータ２０の内径側に配置する代わりに、例えば小ロータ２０の側面に配置してもよく、また、その際に小ロータ２０の外周面よりも内側に位置するように配置してもよい。

大ロータ１０は、図３に示されるように、風車翼２の翼軸２Ａに直結する回転軸１１と支持部材（スポーク）１２とを備え、回転軸１１を中心に回転するように構成されている。大ロータ１０の外周面は、小ロータ２０の外周面とのギャップを均等に保ちつつ小ロータ２０の半周分を取り囲むよう、半円環状（Ｕ字形状）を成している。小ロータ２０は、大ロータ１０の回転軸１１の方向に対して垂直方向を向いた軸２１を中心に回転するように構成されている。図３中の面Ａにて回転電機１００を切断した部分を小ロータ２０の軸方向から見た場合の断面の概略形状を図４に示す。図４に示されるように、大ロータ１０と小ロータ２０との間には、半円環状のギャップＧがある。

大ロータ１０および小ロータ２０は、それぞれの外周面に永久磁石を備え、磁気ウォームギヤを構成している。具体的には、小ロータ２０の外周面には、図５に示されるように永久磁石５ａにより磁性材６ａにおいて螺旋状の磁極がＮ極，Ｓ極交互に配置されるよう形成されており、一方、大ロータ１０の外周面には、小ロータ２０の磁極間隔に応じて磁気的に結合するように、永久磁石５ｂにより磁性材６ｂにおいて磁極がＮ極，Ｓ極交互に配置されるよう形成されている。

少なくとも大ロータ１０と小ロータ２０とが磁気的に結合する領域においては、大ロータ１０の磁極間隔および磁極パターンの傾斜角度が、それぞれ、小ロータ２０の磁極間隔および磁極パターンの傾斜角度と略等しくなるように構成されていることが望ましい。

このような構成において、大ロータ１０が回転すると、大ロータ１０の磁極と小ロータ２０の磁極とが吸引または反発することにより、大ロータ１０の回転に追従して小ロータ２０が回転する。このとき、大ロータ１０の磁極数と小ロータ２０のギヤ条数とで決まるギヤ比で小ロータ２０の回転が増速され、小ロータ２０の回転数に応じた電力が発電機３０から発生する。

図６は、第１の実施形態に係る回転電機１００における大ロータ１０と小ロータ２０との磁気的結合部の一部の断面形状を示す断面図である。ここでは、図３中の面Ｂにて回転電機１００を切断した部分を大ロータ１０の軸方向から見た場合の断面形状の一部を拡大して示している。また、図６では、構造を理解しやすいものとするため、円弧状の大ロータ１０および小ロータ２０をそれぞれ水平方向に展開した形を示している。

図６に示されるように、小ロータ２０の周面には、非磁性材（ステンレス鋼など）４ａが形成され、この非磁性材４ａの上に、大ロータ１０の概回転方向（概周方向）に磁化した永久磁石５ａがＮ極，Ｓ極の同磁極が対向するよう交互に配置され、永久磁石５ａを挟み込むように磁性材（ワニス処置等により絶縁された抜き板鉄心など）６ａが設置されることにより磁極が形成されている。各磁性材６ａは、大ロータ１０の径方向の長さ（磁極長α）が、永久磁石５ａの長さ（永久磁石長β）よりも短くなるように形成されている。更に、各磁性材６ａの底側（磁極底部）には、空隙もしくは非磁性材（ステンレス鋼など）８ａが配置されている。空隙もしくは非磁性材８ａは、大ロータ１０の径方向の長さ（空隙長もしくは非磁性材長δ）が、永久磁石長βから磁極長αを差し引いた長さになっている。

一方、大ロータ１０の周面には、小ロータ２０の周面と同様に、非磁性材（ステンレス鋼など）４ｂが形成され、この非磁性材４ｂの上に、大ロータ１０の概回転方向（概周方向）に磁化した永久磁石５ｂがＮ極，Ｓ極の同磁極が対向するよう交互に配置され、永久磁石５ｂを挟み込むように磁性材（ワニス処置等により絶縁された抜き板鉄心など）６ｂが設置されることにより磁極が形成されている。各磁性材６ｂは、大ロータ１０の径方向の長さ（磁極長α）が、永久磁石５ｂの長さ（永久磁石長β）よりも短くなるように形成されている。更に、各磁性材６ｂの底側（磁極底部）には、空隙もしくは非磁性材（ステンレス鋼など）８ｂが配置されている。空隙もしくは非磁性材８ｂは、大ロータ１０の径方向の長さ（空隙長もしくは非磁性材長δ）が、永久磁石長βから磁極長αを差し引いた長さになっている。

磁石長α、永久磁石長β、および空隙長もしくは非磁性材長δの関係を数式で表すと、以下のようになる。

δ＝β−α …（１）
なお、図６に示す構成において、大ロータ２０と小ロータ１０のいずれか一方に対し、空隙もしくは非磁性材８ａまたは８ｂを設けず、磁性材６ａまたは６ｂの磁極長αが永久磁石５ａまたは５ｂの永久磁石長βと同じ長さとなるように構成してもよい。

図７は、図６の大ロータ１０および小ロータ２０の各々における「永久磁石長β」に対する「空隙長もしくは非磁性材長δ」の比率「δ／β」に応じて変化するロータ１０，２０間の伝達磁気力の特性を示すグラフである。

図７のグラフでは、横軸に、「永久磁石長β」に対する「空隙長もしくは非磁性材長δ」の比率「δ／β」を取り、縦軸に、「空隙長もしくは非磁性材長δ」が０のときに伝達磁気力が１となるように正規化した大ロータ１０の回転方向の伝達磁気力（ＰＵ）を取っている。

図７に示されるように、「空隙長もしくは非磁性材長δ」を、永久磁石長βの０．０倍よりも大きく、０．６倍よりも小さくなるように構成する（すなわち、０．０＜「δ／β」＜０．６の範囲内となるように構成する）。これにより、大ロータ１０の回転方向の伝達磁気力を１（ＰＵ）よりも大きくすることができ、特に「δ／β」＝０．３となるように構成したときに伝達磁気力を最大にすることができることがわかる。伝達磁気力の増加の顕著な効果を得るためには、０．２≦「空隙長もしくは非磁性材長δ／永久磁石長β」≦０．４の範囲内となるように構成することが望ましい。

もし、空隙もしくは非磁性材８ａ，８ｂを設けず、磁性材６ａ，６ｂの磁極長αを永久磁石長βと同じ長さにした場合には、大ロータ１０−小ロータ２０間の伝達磁気力に作用しない磁極底部での漏れ磁束が多く発生し、永久磁石の磁束を増加させることはできないが、本実施形態のように構成することにより、磁極底部での漏れ磁束を低減させることができ、大ロータ１０−小ロータ２０間の伝達磁気力に作用する有効磁束を増加させることができる。その結果、エネルギー積のより高い永久磁石を使用したり永久磁石量を増加させたりすることなく、ロータ間の伝達磁気力を増加させることができ、回転電機の小型化・軽量化を実現することができる。

（第２の実施形態）
次に、図１乃至図５を参照しつつ、図８を参照して、第２の実施形態について説明する。

なお、図１乃至図５に示した構成は、第２の実施形態にも適用される。

以下では、第１の実施形態と共通する部分の説明を省略し、異なる部分を中心に説明する。

図８は、第２の実施形態に係る回転電機１００における大ロータ１０と小ロータ２０との磁気的結合部の一部の断面形状を示す断面図である。

第２の実施形態（図８）が第１の実施形態（図６）と異なる所は、各磁性材６ａの底側（磁極底部）に、空隙もしくは非磁性材８ａを設ける代わりに、当該磁極底部に面する永久磁石５ａの極性と同一極となるように大ロータ１０の径方向に磁化した別の永久磁石９ａを設け、また、各磁性材６ｂの底側（磁極底部）に、空隙もしくは非磁性材８ｂを設ける代わりに、当該磁極底部に面する永久磁石５ｂの極性と同一極となるように大ロータ１０の径方向に磁化した別の永久磁石９ｂを設け、更に、第１の実施形態（図６）で使用した永久磁石５ａ，５ｂの磁石量と同一の磁石量で永久磁石５ａ，５ｂおよび永久磁石９ａ，９ｂが構成されるように、磁極長αおよび永久磁石長βを第１の実施形態（図６）の場合よりも短くしている点である。

なお、図８に示す構成において、大ロータ２０と小ロータ１０のいずれか一方に対し、永久磁石９ａまたは９ｂを設けず、磁性材６ａまたは６ｂの長さが永久磁石５ａまたは５ｂの長さと同じになるように構成してもよい。

本実施形態によれば、永久磁石５ａ、５ｂ、９ａ、９ｂが磁極を取り囲むように配置されるため、磁極における磁束密度を高めることができ、第１の実施形態（図６）で使用した永久磁石５ａ，５ｂの磁石量と同一の磁石量で、第１の実施形態（図６）の場合よりも強い伝達磁気力を得ることができ、回転電機の更なる小型化・軽量化を実現することができる。

また、本実施形態によれば、第１の実施形態（図６）に比べ、永久磁石長βを短くしているため、小ロータ２０の内径側の体積を増加させることができ、これにより発電機体格を大きくすることができ、発電効率を向上させることも可能となる。

（第３の実施形態）
次に、図１乃至図５を参照しつつ、図９を参照して、第３の実施形態について説明する。

なお、図１乃至図５に示した構成は、第３の実施形態にも適用される。

以下では、第１の実施形態と共通する部分の説明を省略し、異なる部分を中心に説明する。

図９は、第３の実施形態に係る回転電機１００における大ロータ１０と小ロータ２０との磁気的結合部の一部の断面形状を示す断面図である。

第３の実施形態（図９）が第１の実施形態（図６）と異なる所は、各磁性材６ａは、底側（磁極底部）に空隙もしくは非磁性材８ａを設けておらず、大ロータ１０の径方向の長さが永久磁石５ａの長さと同一であり、各磁性材６ｂも、底側（磁極底部）に非磁性材８ｂなどを設けておらず、大ロータ１０の径方向の長さが永久磁石５ｂの長さと同一であり、更に、永久磁石５ａ，５ｂは、それぞれ、少なくとも一部の角部を欠落させた角落し部５ｃ，５ｄを有する点である。角落し部５ｃ，５ｄは、空隙あるいは非磁性材もしくは磁性材により形成される。角落し部５ｃ，５ｄを磁性材で形成した場合は、空隙または非磁性材に比べ、磁極部の磁気抵抗が低くなるため、伝達磁気力が高くなる。

より具体的には、小ロータ２０における永久磁石５ａの角落し部５ｃは、当該永久磁石５ａの大ロータ１０側かつ大ロータ１０の回転方向とは逆方向の側に設けられ、一方、大ロータ１０における永久磁石５ｂの角落し部５ｄは、当該永久磁石５ｂの小ロータ２０側かつ大ロータ１０の回転方向の側に設けられる。

もし、角落し部５ｃ，５ｄを設けないと、大ロータ１０と小ロータ２０との磁極位置が大ロータ１０の周方向にずれた場合に、角落し部５ｃ，５ｄに相当する場所の付近で大ロータ１０−小ロータ２０間の伝達磁気力に作用する有効磁束を打ち消す方向に働く漏れ磁束が生じてしまうが、本実施形態のように構成することにより、磁極底部での漏れ磁束を低減させることができ、大ロータ１０−小ロータ２０間の伝達磁気力に作用する有効磁束を増加させることができる。その結果、エネルギー積のより高い永久磁石を使用したり永久磁石量を増加させたりすることなく、ロータ間の伝達磁気力を増加させることができ、回転電機の小型化・軽量化を実現することができる。

以上詳述したように、各実施形態によれば、コストを抑えつつロータ間の伝達磁気力を増加させることが可能となる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…ナセル、２…風車翼、２Ａ…翼軸（ブレード軸）、２Ｂ…風車翼本体、３…タワー、５ａ，５ｂ…永久磁石、５ｃ，５ｄ…角落し部（空隙もしくは非磁性材）、６ａ，６ｂ…磁性材、８ａ，８ｂ…空隙もしくは非磁性材、９ａ，９ｂ…永久磁石、１０…大ロータ、１１…回転軸、１２…支持部材（スポーク）、２０…小ロータ、２１…軸、３０…発電機、１００…回転電機、１０１…電力調整部、Ｃ…ケーブル、Ｇ…ギャップ。

Claims (8)

1. 第１のロータと、前記第１のロータの外周側に離間してギャップが形成されるよう配置される少なくとも１つの第２のロータとを具備する回転電機であって、
   前記第２のロータは、外周面に永久磁石により形成される螺旋状の磁極を有し、
   前記第１のロータは、前記第２のロータの磁極間隔に応じて磁気的に結合するように外周面に永久磁石により形成される磁極を有し、
   前記第１のロータおよび前記第２のロータの各磁極は、前記第１のロータの周方向にＮ極，Ｓ極の同磁極が対向するよう磁化した永久磁石を挟み込むように磁性材を配置することにより、前記第１のロータの回転に追従して前記第２のロータが回転する状態とし、
   前記第１のロータまたは前記第２のロータの各磁性材は、前記第１のロータの径方向の長さが前記永久磁石の長さよりも短くされることにより形成された領域が空隙もしくは当該領域に非磁性材が配置されることにより、前記永久磁石からの前記周方向の磁束が、前記ギャップと反対側に漏れ出すことを低減させることを特徴とする回転電機。
2. 前記第１のロータの径方向における空隙もしくは非磁性材の長さは、前記永久磁石の長さの０．０倍ｎよりも大きく０．６倍よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
3. 前記第１のロータまたは前記第２のロータの各磁性材の底側に、当該磁性材に面する永久磁石の極性と同一極となるように前記第１のロータの径方向に磁化した別の永久磁石が配置されていることを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
4. 第１のロータと、前記第１のロータの外周側に離間してギャップが形成されるよう配置される少なくとも１つの第２のロータとを具備する回転電機であって、
   前記第２のロータは、外周面に永久磁石により形成される螺旋状の磁極を有し、
   前記第１のロータは、前記第２のロータの磁極間隔に応じて磁気的に結合するように外周面に永久磁石により形成される磁極を有し、
   前記第１のロータおよび前記第２のロータの各磁極は、前記第１のロータの周方向にＮ極，Ｓ極の同磁極が対向するよう磁化した永久磁石を挟み込むように磁性材を配置することにより、前記第１のロータの回転に追従して前記第２のロータが回転する状態とし、
   前記第１のロータにおける永久磁石の角落し部は、当該永久磁石の前記第２のロータ側かつ前記第１のロータの回転方向の側のみに設けられており、
   前記第２のロータにおける永久磁石の角落し部は、当該永久磁石の前記第１のロータ側かつ前記第１のロータの回転方向とは逆方向の側のみに設けられていることを特徴とする回転電機。
5. 角落し部は、空隙または非磁性材もしくは磁性材により形成されていることを特徴とする請求項４に記載の回転電機。
6. 前記第１のロータには、風力により回転する軸が取り付けられていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の回転電機。
7. 前記第２のロータの外周面より内側に設けられ、前記第２のロータの回転に応じて電力を発生する発電機を更に具備することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の回転電機。
8. 請求項１乃至７のいずれかに記載の回転電機を用いて風力から電力を生成することを特徴とする風力発電システム。

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