JP4299734B2 - 回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、回転電機、特に風力発電用の回転電機に関するものである。

近年、風力発電による発電システムの導入量が飛躍的に増加しており、これに伴って発電システムの大容量化、すなわち発電機（回転電機）による発電量の増大化の要求が高まっている。そして、このような大容量化を行うためには、風の力で回転する羽根を大きくして発電機の軸に加わる回転トルクを大きくすることで、この大きくなった回転トルクを発電機で大きな電気エネルギに効率良く変換する必要があった。

ところで、前記した大きな回転トルクから大きな電気エネルギへの変換を一つの発電機で行おうとすると、例えばその効率を９９％と高く設定し、その損失を１％程度に抑えたとしても、入力される回転トルク自体が大きくなっていることにより、その損失（発熱量）の絶対値は従来の小容量の発電機よりも大きくなってしまうといった問題があった。そのため、発電機の体格を小さくすると、その発熱密度が高くなるため、別途冷却装置を設ける必要があり、また、発熱密度を従来の小容量の発電機と同程度にするために、発電機の体格を大きくすると、その重量が増加するといった問題があった。特に、重量が増加した場合は、風力発電の特性上、発電機が地上約１００ｍ程度のタワー上部に設置されることから、重量物を１００ｍの高所に吊り上げる作業が必要となり、建設コストが増加していた。

前記のような問題の改善策として、従来、小容量の発電機をその軸方向に複数並べて接続させる技術が知られている（特許文献１，２参照）。この技術によれば、発電機の発熱密度を高くせずに、かつ、重量の増加を抑えることが可能となっている。

特開２００１−１８６７４０号公報 特開平１０−３１８１２０号公報

しかしながら、従来の技術では、複数の発電機を軸方向に接続させるので、軸方向において大型化するという問題があった。

そこで、本発明では、回転電機の体格を小さくすることで、その発熱密度が高くなった場合であっても、別途冷却装置を設けることなく冷却することができる回転電機を提供することを目的とする。

前記課題を解決する本発明は、環状のヨーク部から内側へ突出するように複数形成されるティース部にコイルを集中巻きした固定子鉄心を複数備えるとともに、前記複数の固定子鉄心内を通るように配置され、かつ、前記ティース部から発生する磁界によって前記固定子鉄心に対して回転する回転子を備えた回転電機であって、前記回転子に、前記コイルのコイルエンド部を冷却するためのファンを設けたことを特徴とする。この発明によれば、回転子と一緒に回転するファンによって、コイルのコイルエンド部が冷却される。

本発明によれば、回転子と一緒に回転するファンによってコイルのコイルエンド部が冷却されるので、回転電機の体格を小さくすることで、その発熱密度が高くなった場合であっても、別途冷却装置を設けることなく回転電機を冷却することができる。

〔第１の実施形態〕
次に、本発明の第１の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。参照する図面において、図１は第１の実施形態に係る回転電機を示す斜視図、図２は回転電機を側方から見た状態を示す側面図、図３は回転電機を正面から見た状態を示す正面図である。

図１および図２に示すように、回転電機１は、二つの固定子鉄心１０と、これらの固定子鉄心１０内を通るように配置される回転子２０とで主に構成されている。なお、本実施形態では、固定子鉄心１０の十二個のスロット（溝）に収容された後記するコイル１３に適宜電流を流すことによって８極の磁極が電気的に形成される、いわゆる８極１２スロット回転電機について説明するが、本発明はこれに限定されず、どのような回転電機であってもよい。

固定子鉄心１０は、円環状のヨーク部１１と、このヨーク部１１の内周面から内側へ突出するように形成される十二本（複数）のティース部１２とで主に構成されている。そして、各ティース部１２にはコイル１３が集中的に巻かれており、このように集中巻きされた各コイル１３に所定の電流（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の交流電流）を適宜流すことによって各ティース部１２から所定の磁界（８極の磁界；四つのＮ極と四つのＳ極）が発生するようになっている。

具体的には、最上方に位置するコイル１３から時計回りの方向へ順に第一コイル１３Ａ、第二コイル１３Ｂ、・・・、第十二コイル１３Ｍ（図３参照）と呼ぶこととすると、第一コイル１３Ａ、第四コイル１３Ｄ、第七コイル１３Ｇ、第十コイル１３Ｊに、Ｕ相の交流電流が供給され、第二コイル１３Ｂ、第五コイル１３Ｅ、第八コイル１３Ｈ、第十一コイル１３Ｌに、Ｖ相の交流電流が供給され、第三コイル１３Ｃ、第六コイル１３Ｆ、第九コイル１３Ｉ、第十二コイル１３Ｍに、Ｗ相の交流電流が供給されるようになっている。すなわち、最上方の第一コイル１３Ａから時計回りの方向へ順に、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相、Ｕ相、・・・の交流電流が供給されるようになっている。なお、以下の説明では、便宜上、各コイル１３Ａ〜１３Ｍに対応する各ティース部１２を、第一ティース部１２Ａ、第二ティース部１２Ｂ、・・・、第十二ティース部１２Ｍとも呼ぶこととする。

また、二つの固定子鉄心１０は、図３に示すように、それぞれ一方の固定子鉄心１０（以下、「第一固定子１０Ａ」ともいう）に対して他方の固定子鉄心１０（以下、「第二固定子１０Ｂ」ともいう）が所定の位相差（位相角α）だけずれるように配設されている。ここで、位相角αとは、第一固定子１０Ａと第二固定子１０Ｂとの中心や各ティース部１２を合わせた状態から例えば第二固定子１０Ｂを所定量だけ回動させたときの、各ティース部１２（図では第一ティース部１２Ａ）同士のなす角をいう。

すなわち、第一固定子１０Ａにおける第一ティース部１２Ａの中央部を通り、かつ、第一固定子１０Ａの中心を通る補助線３１と、第二固定子１０Ｂにおける第一ティース部１２Ａの中央部を通り、かつ、第二固定子１０Ｂの中心を通る補助線３２とのなす角を、位相角αという。なお、補助線３１，３２は、実際には交差していないが、図３に示すように、各固定子鉄心１０の軸方向に直交する平面へ各補助線３１，３２を投影させることにより、各補助線３１，３２を交差させて、位相角αを導出している。

そして、本実施形態における位相角αは、実際の角度である機械角で７．５°（度）、電気角で３０°となっている。なお、電気角とは、同名極間の空間を３６０°として表現するものをいい、具体的には、以下に示す式によって表現される。
電気角（°） ＝ 機械角（°） × 極数 ÷ ２
ここで、極数とは、磁極（Ｎ極およびＳ極）の数をいう。すなわち、この式に、前記した機械角（７．５°）と極数（８極）を代入することによって、電気角（３０°）が算出されることとなる。

なお、前記した電気角と、コギングトルク（固定子鉄心１０と回転子２０の間に発生する磁気吸引力に基づくトルクの回転角に対する変化、いわゆるトルクムラ）との関係は、図４に示すような関係となっている。参照する図面において、図４は、横軸に電気角、縦軸にコギングトルクを表わすグラフであり、電気角が０°のときのコギングトルクを１００％として規格化したものである。

図４に示すように、電気角とコギングトルクとの関係は、電気角が３０°に近づくにつれて、コギングトルクが軽減されるような関係となっている。そして、電気角が３０°になったときには、コギングトルクが０％となるため、コギングトルクを完全に無くすことができるようになっている。なお、電気角は、３０°に限らず、いくつであってもよく、例えば１０°〜３０°の範囲内で設定するのが望ましい。

図１および図２に示すように、回転子２０は、各ティース部１２から発生する磁界によって固定子鉄心１０に対して回転するものであり、その両端部が図示せぬベアリングによって回転自在に支持されている。そして、この回転子２０は、８極の磁極（四つのＮ極、四つのＳ極）をその外周面に有する円柱状の永久磁石である二つの磁石部２１と、これらの磁石部２１の間に設けられるラジアルファン２２とで主に構成されている。

二つの磁石部２１は、それぞれ同じ位相角で配設されている。そして、これらの磁石部２１は、図２に示すような側面視において（回転子２０の径方向から見て）、それぞれ第一固定子１０Ａおよび第二固定子１０Ｂと重なるように配設されている。すなわち、磁石部２１の周囲には、第一固定子１０Ａおよび第二固定子１０Ｂの各ティース部１２が取り囲むように配設されるようになっている。

ラジアルファン２２は、径方向外側に向けて風を送り出すファンであり、側面視において、第一固定子１０Ａおよび第二固定子１０Ｂのコイル１３のコイルエンド部１３ａに重なるように設けられている。ここで、コイルエンド部１３ａとは、コイル１３のうち固定子鉄心１０から外側に飛び出す部分をいい、通電により特に発熱する部分をいう。したがって、図２において点線で囲っていない反対側の部分も、コイルエンド部という。

次に、回転電機１の動作について説明する。
図１に示すように、各コイル１３にＵ相、Ｖ相、Ｗ相の交流電流を適宜流すか、あるいは、外力（例えば、風車による回転トルク）を回転子２０に加えることによって回転子２０を回転させると、この回転子２０の回転とともにラジアルファン２２も回転することとなる。そして、このようにラジアルファン２２が回転すると、このラジアルファン２２から径方向外側へ風が送り出され、図２に示すように、ラジアルファン２２の近傍にあるコイルエンド部１３ａが冷却されることとなる。

以上によれば、第１の実施形態において、次のような効果を得ることができる。
回転子２０と一緒に回転するラジアルファン２２によってコイルエンド部１３ａが効率良く冷却されるので、回転電機１の体格を小さくすることで、その発熱密度が高くなった場合であっても、別途冷却装置を設けることなく回転電機１を冷却することができる。

二つの固定子鉄心１０の位相角αを、電気角で３０°となるように設置したので、コギングトルクの影響を完全に無くすことができる。

〔第２の実施形態〕
以下に、本発明の第２の実施形態について説明する。この実施形態は第１の実施形態の回転電機１の一部を変更したものなので、第１の実施形態と同様の構成要素については同一符号を付し、その説明を省略する。参照する図面において、図５は、第２の実施形態に係る回転電機を示す側面図である。

図５に示すように、回転電機２は、三つの固定子鉄心４０，１０，４０と、これらの固定子鉄心４０，１０，４０内を通る回転子５０とで主に構成されている。ここで、真中に配設される固定子鉄心１０は、第１の実施形態と略同様の構造となっている。

二つの固定子鉄心４０は、それぞれ真中の固定子鉄心１０に対して、所定の位相差（前記した位相角α）だけ同方向にずらされて配設されている。また、二つの固定子鉄心４０は、その積層厚（固定子鉄心４０の中心軸方向における長さ）ｔが真中にある固定子鉄心１０の積層厚２ｔの半分となるように、形成されている。すなわち、外側にある二つの固定子鉄心４０の積層厚ｔを足した厚さが、真中の固定子鉄心１０の積層厚２ｔとなっている。

回転子５０は、第１の実施形態と略同様の構造となる三つの磁石部２１と、各磁石部２１の間に配設される二つのラジアルファン２２とで主に構成されている。そして、各ラジアルファン２２は、その両側に位置する二つの固定子鉄心４０，１０に巻回されたコイル１３のコイルエンド部１３ａを冷却することが可能となるように、側面視において各コイルエンド部１３ａと重なるように配設されている。

なお、回転子５０には、外側の二つの固定子鉄心４０が真中の固定子鉄心１０に対して所定の位相差でずらされていることに起因して、所定のスラスト力が軸方向に沿って加えられている。具体的に、このスラスト力は、外側の各固定子鉄心４０によって、真中の固定子鉄心１０側の方向へ加えられるとともに、真中の固定子鉄心１０によって、それぞれ外側の方向へ加えられている。また、このスラスト力は、各固定子鉄心４０，１０の積層厚と比例の関係にある。

そのため、図示左側の固定子鉄心４０からは、その積層厚ｔに比例したスラスト力が右方向へ働き、真中の固定子鉄心１０からは、その積層厚２ｔのうちの半分である積層厚ｔに比例したスラスト力が左方向に働くことで、これらのスラスト力は打ち消されるようになっている。また、同様に、真中の固定子鉄心１０からは、その積層厚２ｔのうちの残りの半分である積層厚ｔに比例したスラスト力が右方向に働き、図示右側の固定子鉄心４０からは、その積層厚ｔに比例したスラスト力が左方向に働くことで、これらのスラスト力は打ち消されるようになっている。

以上によれば、第２の実施形態において、次のような効果を得ることができる。
三つの固定子鉄心４０，１０，４０の間に二つのラジアルファン２２を設けたので、各固定子鉄心４０，１０のコイルエンド部１３ａを良好に冷却することができる。特に、内側に位置する固定子鉄心１０については、両側のコイルエンド部１３ａが二つのラジアルファン２２で冷却されることになるので、より効率良くコイル１３を冷却することができる。

真中にある固定子鉄心１０の積層厚を、外側にある二つの固定子鉄心４０の積層厚ｔを足した厚さ２ｔとしたので、各固定子鉄心４０から発生するスラスト力を打ち消すことができる。

〔第３の実施形態〕
以下に、本発明の第３の実施形態について説明する。この実施形態は第１の実施形態の回転電機１の一部を変更したものなので、第１の実施形態と同様の構成要素については同一符号を付し、その説明を省略する。参照する図面において、図６は、第３の実施形態に係る回転電機を示す側面図である。

図６に示すように、回転電機３は、四つの固定子鉄心１０と、これらの固定子鉄心１０内を通る回転子６０とで主に構成されている。

固定子鉄心１０は、第１の実施形態と略同様の構造となっている。そして、四つあるうちの外側の二つの固定子鉄心１０は、真中の二つの固定子鉄心１０に対して所定の位相差（前記した位相角α）だけ同方向にずらされて配設されている。ちなみに、真中の二つの固定子鉄心１０同士は同じ位相となっており、外側の二つの固定子鉄心１０同士も同じ位相となっている。

回転子６０は、第１の実施形態と略同様の構造となる四つの磁石部２１と、各磁石部２１の間に配設される三つのラジアルファン２２とで主に構成されている。そして、各ラジアルファン２２は、その両側に位置する二つの固定子鉄心１０に巻回されたコイル１３のコイルエンド部１３ａを冷却することが可能となるように、側面視において各コイルエンド部１３ａと重なるように配設されている。

なお、回転子６０には、前記と同様に所定のスラスト力が軸方向に加えられているが、外側に位置する二つの固定子鉄心１０から内方へ向かって加えられるスラスト力は、これらの固定子鉄心１０と同じ厚さである内側の二つの固定子鉄心１０から外方へ向かって加えられるスラスト力によって打ち消されるようになっている。

以上によれば、第３の実施形態において、次のような効果を得ることができる。
四つの固定子鉄心１０の間に三つのラジアルファン２２を設けたので、各固定子鉄心１０のコイルエンド部１３ａを良好に冷却することができる。特に、内側に位置する固定子鉄心１０については、両側のコイルエンド部１３ａが二つのラジアルファン２２で冷却されることになるので、より効率良くコイル１３を冷却することができる。

以上、本発明は、前記実施形態に限定されることなく、様々な形態で実施される。
本実施形態では、各固定子鉄心１０，４０の間にラジアルファン２２を設ける構造としたが、本発明はこれに限定されず、ラジアルファン２２はどこに設けてもよい。例えば、第１の実施形態における回転子２０の両端に、ラジアルファン２２を側面視においてコイルエンド部（点線で囲っていない方）と重なるように設けてもよい。これによれば、各固定子鉄心１０の両側に突出するコイルエンド部１３ａがともに冷却されるので、効率良くコイルを冷却することができる。

本実施形態では、回転子２０，５０，６０を永久磁石式の回転子としたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、回転子として、複数のティースと、各ティースに集中巻きされるコイルとを備えた巻線界磁回転子を採用してもよい。

なお、本実施形態に係る回転電機１〜３は、電動モータとして使用してもよいし、また、発電機として使用してもよい。以下に、第１の実施形態に係る回転電機１を風力発電システムにおいて発電機として利用した例を示す。

図７に示すように、風力発電システム７０は、風の力を受けて回転する風車７１と、この風車７１の回転を増速させて回転電機１へと伝達させる増速ギヤ７２と、第１の実施形態と同様の回転電機１と、増速ギヤ７２および回転電機１を収容するための風車ナセル７３と、回転電機１で発電した電力を所定の電力に変換する電力変換器７４と、この電力変換器７４に接続される電力系統７５とで主に構成されている。この構造によれば、風の力を受けて風車７１が回転すると、その回転トルクが増速ギヤ７２を介して回転電機１に伝達され、回転電機１によって発電が行われることとなる。そして、この発電の際において、図１に示すコイル１３が通電して発熱したとしても、風車７１の回転に伴って回転するラジアルファン２２によってコイルエンド部１３ａ（図２参照）が冷却されることとなる。

なお、風車７１と回転電機１の間に増速ギヤ７２を必ずしも設ける必要はなく、風車７１と回転電機１を直接接続してもよい。また、風車７１の代わりに、水力発電に用いられる水車、火力発電や原子力発電に用いられるタービン、または、自動車での発電に用いられるエンジンなどを設けてもよい。ただし、回転電機の設置場所の制限が厳しい風力発電において本発明に係る回転電機１を使用するのが最も効果的である。

第１の実施形態に係る回転電機を示す斜視図である。 回転電機を側方から見た状態を示す側面図である。 回転電機を正面から見た状態を示す正面図である。 横軸に電気角、縦軸にコギングトルクを表わすグラフである。 第２の実施形態に係る回転電機を示す側面図である。 第３の実施形態に係る回転電機を示す側面図である。 第１の実施形態に係る回転電機を発電機として利用した風力発電システムを示す図である。

符号の説明

１〜３ 回転電機
１０，４０ 固定子鉄心
１０Ａ 第一固定子
１０Ｂ 第二固定子
１１ ヨーク部
１２ ティース部
１３ コイル
１３ａ コイルエンド部
２０，５０，６０ 回転子
２１ 磁石部
２２ ラジアルファン
７０ 風力発電システム
７１ 風車
７２ 増速ギヤ
７３ 風車ナセル
７４ 電力変換器
７５ 電力系統

Claims (4)

1. 環状のヨーク部から内側へ突出するように複数形成されるティース部にコイルを集中巻きした固定子鉄心を複数備えるとともに、
   前記複数の固定子鉄心内を通るように配置され、かつ、前記ティース部から発生する磁界によって前記固定子鉄心に対して回転する永久磁石を用いた回転子を備えた回転電機であって、
   前記複数の固定子鉄心は、互いに軸方向に離間して配置され、
   前記コイルは、前記離間した領域にコイルエンド部が形成され、
   前記回転子に、径方向外側に風を送り出し、離間された中間部の前記コイルエンド部に対応するよう、該コイルエンド部を冷却するラジアルファンを設け、
   前記複数の固定子鉄心は、互いに所定の位相差だけずらして配設したことを特徴とする回転電機。
2. 請求項１に記載の回転電機であって、
   前記複数の固定子鉄心は、３個の固定子鉄心であり、
   真中に配設した前記固定子鉄心に対して、外側の二つの前記固定子鉄心を前記所定の位相差だけずらして配設し、
   前記真中に配設した固定子鉄心の積層厚を、外側に配設した二つの固定子鉄心の積層厚を足した厚さにしたことを特徴とする回転電機。
3. 請求項１または請求項２に記載の回転電機であって、
   前記所定の位相差は、電気角で３０度となることを特徴とする回転電機。
4. 請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の回転電機を備えたことを特徴とする風力発電システム。

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