JPH11511948A - 二重突極磁石発電機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 二重突極磁石発電機は、一対の横向きに配設されたステータ（１００、１０４）間に挿入された環状ロータ（１０２）を含む。ロータ１０２は、鋼からなる電磁突極（１０８）と交互に配置された複数の永久磁石（１０６）を含む。各ステータ（１００、１０４）は、等間隔に配置され長手方向に配向された複数の極（１１０、１１２）を有し、直列接続された複数の銅線（１２６、１２８）を支持する。２本の複数の銅線は、位相Ａ巻線と位相Ｂ巻線とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】 二重突極磁石発電機 発明の背景 発明の分野 本発明は、低速発電機に関し、詳細には直動風力タービン用発電機に関する。関連技術の説明 近年、風力タービンは、環境的に安全であり比較的廉価な代替エネルギーとし て注目を集めている。このように関心が高まっているため、信頼でき効率的な風 カタービンを開発するためのかなりの努力がなされている。 一般に、風力タービンは、複数のブレードを有するロータを含む。ロータは、 トラスまたはモノチューブ・タワー上に位置決めされたハウジング内に水平に取 り付けられる。タービンのブレードは、風力を回転力に変換し、この回転力によ って、ギヤボックスを通じてロータに回転可能に結合された１つまたは複数の発 電機が駆動される。ギヤボックスは、発電機用のタービン・ロータの基本的に低 い回転速度を増し、機械エネルギーを、ユーティリティ・グリッドに送られる電 気エネルギーに効率的に変換するために必要である。 多くの従来型の風力タービンは、交流電力に関する米国標準である毎秒６０サ イクル（６０Ｈｚ）で電気を生成するために一定の速度で回転する。風速が連続 的に変化するので、このような風力タービンは、一定のロータ速度を維持するシ ステムを有さなければならない。そのような１つのシステムでは、風速が増した ときにブレードのピッチを増加させ風速が低下したときにブレードのピッチを減 少させることによってロータ速度が一定に維持される。 ある種のタービンは、電力変換器を使用して出力を調整することによって可変 速度で動作する。タービン・ロータの速度が変動すると、発電機から流れる交流 電流の周波数も変動する。発電機とユーティリティ・グリッドとの間に位置決め された電力変換器は、可変周波数交流電流を直流電流に変換し、毎秒６０サイク ルの定周波数を有する交流電流に変換し直す。 風力タービンは、頑丈で信頼できるものでなければならない。タービンのギヤ ボックスが高価で重量が大きくメンテナンスの影響を受けるので、発電機をター ビン・ロータに直結することによってギヤボックスをなくすことが望ましい。直 動風力タービンに関連する利点は、信頼性が高まり、コストが低下し、重量が減 少し、動作が静かになり、効率が高まり、トルク限界がなくなることである。 しかし、従来型の発電機は３０ｒｐｍないし５０ｒｐｍの低ロータ速度で効率 的に動作することができないので、タービン・ロータを発電機に直結することに は問題がある。低ロータ速度で発電機として使用できる１つの機械は、Ｗｅｈ， Ｈ．、Ｍａｙ，Ｈ．、Ｓｈａｌａｂｙ，Ｍ．著「Ｈｉｇｈｌｙ Ｅｆｆｅｃｔｉ ｖｅ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ ｆｏｒ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍ ａｇｎｅｔ Ｅｘｃｉｔｅｄ Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｍａｃｈｉｎｅｓ」Ｐ ｒｏｃ．ＩＣＥＭ１９９０、第３巻、１０４０ページないし１０４５ページに開 示されている。 第１図に示したこの横磁束（ＴＦ）機は、環状ロータ２（示された部分のみ） と、固定外側電機子巻線４と、固定内側電機子巻線６と、複数の外側ステータ・ コア・フラックス・ガイド８と、複数の内側ステータ・コア・フラックス・ガイ ド１０とを備える。環状ロータ２は、永久磁石の第１のアレイ１２と永久磁石の 第２のアレイ１４とを含む。リング１６は、繊維強化樹脂などの非磁気材料から なり、２つの永久磁石アレイ間に挟まれる。環状ロータ２は、永久磁石１２が鉄 素子１８と交互に配置され、永久磁石１４が鉄素子２０と交互に配置されるよう に構成される。 ＴＦ機は、低ロータ速度で動作できるが、いくつかの著しい欠陥を有する。具 体的には、ＴＦ機はかなりのスロット磁束漏れを受けやすく、そのため性能が悪 影響を受ける。この問題の性質を理解するには、次式の関係を考えると有用であ る。 Ｐ≡Γω 上式で、Ｐ＝機械の電力定格 Γ＝トルク ω＝ロータの角速度 上記の関係から、低角速度（ω）で高電力定格（Ｐ）を達成するには、機械に よって生成されるトルク（Γ）を最大にすべきであることは明らかである。一般 に当技術分野では、高トルクを得るには機械のフラックス容量を最大にして電機 子巻線４および６中の電流を増大させる必要があることが知られている。熱生成 によって生じる不適切なエネルギー損失なしに巻線４および６中の追加電流をサ ポートするには、電機子巻線４および６の断面積を増加させなければならない。 さらに、一般に当技術分野では、機械によって生成されるトルクが機械の直径 の二乗（または三乗、あるいは１より大きなその他の累乗）に機械の長さを乗じ た値に比例することが知られている。言い換えれば、次式が成立する。 Γ＝κｄ²Ｌ Γ＝トルク ｋ＝定数 Ｌ＝機械の能動材料長 ｄ＝機械の能動材料直径 上記の関係は、小型のパッケージで高トルクを達成するとき、最適な解決策は 機械の長さではなく直径を増加させることであることを示している。第１図に示 した従来技術のシステムでは、ＴＦ機の直径を増加させ長さを一定にしておく場 合、それぞれ、電機子巻線４および６を含む、ステータ・コア・フラックス・ガ イド８および１０のスロット深さＤのみを増加させ、電機子巻線４および６の断 面積を最大にすることができ（深さＤが機械の直径の関数であるため）、それに 対してステータ・コア・フラックス・ガイド８および１０のスロット幅Ｗ（機械 の長さの関数）は同じままでなければならない。 第２図は、スロット深さＤが増加すると、スロット・エア・ギャップの断面積 Ａ_aと、たとえば外側ステータ・コア・フラックス・ガイド８の鋼内のフラック ス経路Ｌ_sの長さも増加し、それに対して外側ステータ・コア・フラックス・ガ イド８の断面積Ａ_sと、スロット・エア・ギャップ内のフラックス経路Ｌ_aの長さ は一定のままである。磁気抵抗（磁気回路から磁束に与えられる抵抗）はＬ／ μＡに等しいので、 （上式で、 μ＝媒体の透過性 Ｌ＝磁束経路長 Ａ＝媒体の断面積） 第２図から、スロット深さＤが増大すると、外側ステータ・コア・フラックス ・ガイド８の鋼内のリラクタンスが増加し、それに対してスロット・エア・ギャ ップ内のリラクタンスが減少することは明らかである。したがって、スロット深 さＤを増大させると磁束漏れが増大し、そのため磁束漏れは、外側ステータ・コ ア・フラックス・ガイド８内の経路Ｌ_sをたどるのではなく経路Ｌ_aに沿ってスロ ット・エア・ギャップを通過する。経路Ｌ_sをたどるのではなく経路Ｌ_aに沿って スロット・エア・ギャップから漏れた磁束は、スロット・エア・ギャップ内に配 置された巻線（たとえば、第１図の巻線４）のすべてのコイルをリンクするわけ ではなく、したがって機械の定格トルクの生成に参加せず、そのため機械の電力 定格が減少する。 ＴＦ機の他の欠点は、２つのステータ（すなわち、外側ステータ・コア・フラ ックス・ガイド８および内側ステータ・コア・フラックス・ガイド１０）が非対 称的に配置されるので、外側電機子巻線４と内側電機子巻線６（第１図）が見る 磁気抵抗はそれぞれ異なり、そのため２つの位相間に電磁不均衡が生じる。ＴＦ 機の電磁不均衡の原因は第３図に関して識別することができる。エア・ギャップ ２３と交互に配置された外側ステータ・コア・フラックス・ガイド８で画定され る外側体積２２は、エア・ギャップ２５と交互に配置された内側ステータ・コア ・フラックス・ガイド１０で画定される内側体積２４よりも大きい。両方の体積 ２２および２４が鋼からなる同じ数の同じステータ・コア・フラックス・ガイド を含むが、外側体積２２が内側体積２４よりも物理的に大きいので、外側体積２ ２内の鋼と空気の比は、内側体積２４内の同じ比よりも小さい。したがって、外 側体積２２は内側体積２４よりも磁束に対する磁束抵抗が大きく、そのため外側 電機子巻線４と内側電機子巻線６（第３図には図示せず）の２つの位相間に磁気 不均衡が生じる。ＴＦ機の２つの位相間の磁気不均衡のために、熱損失に寄与す る循環電流と、ロータ軸受を故障させる軸受電流と、ロータの不均等な負荷が生 じ、そのため機械の機械的・電気的設計の難しさが増す。 さらに、環状ロータ２と外側ステータ・コア・フラックス・ガイド８および内 側ステータ・コア・フラックス・ガイド１０との間に、第４図に示したように小 さなエア・ギャップ２６および２８を維持することは、これらの構成要素の寸法 が大きくなるにつれて困難になるので、（機械の極の数、したがって寸法を増加 させると低ロータ速度での機械の性能が向上するので望ましい）大型のＴＦ機を 製造することは厄介な作業であることが判明している（一般に当技術分野では、 最大の電力および効率を得るには、電気機械の可動構成要素と固定構成要素との 間のエア・ギャップを最小限に抑えなければならないことが知られている）。ま た、ＴＦ機は、固定外側ステータ・コア・フラックス・ガイド８および環状ロー タ２の同心配向が、ロータ速度が増加すると、環状ロータ２の半径方向膨張によ り、環状ロータ２が外側ステータ・コア・フラックス・ガイド８に当たるまでエ ア・ギャップ２６が徐々に減少し、それによってＴＦ機の破滅的な故障が生じる ような配向なので、高速動作に適していない。 さらに、外側ステータ・コア・フラックス・ガイド８および内側ステータ・コ ア・フラックス・ガイド１０と電機子巻線４および６とを備える複雑な固定アセ ンブリを製造するのが困難なので、ＴＦ機は比較的高価てある。ＴＦ機は巻線に 大量の銅を使用し、そのため製造費がさらに増加する。厚さＴ（第４図）を有す る電機子巻線４および６のセグメントしかトルク生成に使用されないので（巻線 のこれらのセグメントしか磁束にリンクされていないため）、巻線中の銅は非効 率的に使用される。厚さＧ（Ｇ＞Ｔ）を有する残りのセグメントの機能は、単に 電気回路を完成することである。 ＴＦ機は、内側部分にアクセスできないため、機械の動作中に内側ステータ・ コア・フラックス・ガイド１０で生成された熱を除去するのが困難であり、その ため効率が低下し電力出力が低減するという欠陥も有する。 発明の要約 したがって、前述の欠点を解消し、たとえばスロット磁束漏れを最小限に抑え 、 電磁的に均衡した巻線位相を有し、製造が簡単で廉価であり、低速動作と高速動 作の両方が可能であり、熱除去が容易であり、小型で効率的な二重突極磁石発電 機を提供することが望ましい。 磁石発電機が、低角速度で高電力密度を達成し、多数の極を収容することがで き、低インダクタンス巻線を有する従来型の巻線設計を使用し、簡単な支持構造 を有することが望ましい。 本発明の他の利点は、下記の説明および添付の図面を検討した後に明らかにな ろう。 一実施態様では、本発明の二重突極磁石発電機は、一対の同軸にかつ横向きに 配置されたステータとの間に取り付けられたロータを備える。ロータは、鋼から なる電磁突極と交互に配置された複数の永久磁石で構成される。各ステータは、 長手方向に配向された複数の突極を有する。ステータ極は、複数の銅コイルを支 持し、そのため各ステータ極の周りに単一のコイルが巻かれる。複数のコイルは それぞれ、直列にリンクされ、したがって二相巻線を形成する。 図面の簡単な説明 本発明を添付の図面中の図において、制限ではなく一例として示す。 第１図は、従来技術の横磁束（ＴＦ）機の斜視図である。 第２図は、第１図の従来技術のＴＦ機のステータ・コア・フラックス・ガイド の斜視図である。 第３図は、第１図の従来技術のＴＦ機の側面図である。 第４図は、第３図の従来技術のＴＦ機の詳細図である。 第５図は、本発明によって構成された二重突極軸方向磁束永久磁石（ＤＳＡＦ ＰＭ）機の主要な構成要素の分解斜視図である。 第６図は、第５図に示したＤＳＡＦＰＭ機のロータの概略側面図である。 第７図は、第５図に示したステータの製造技法を示す斜視図である。 第８図は、本発明によって構成されたＤＳＡＦＰＭ機の斜視・部分断面図であ る。 第９図は、第８図のＤＳＡＦＰＭ機のコイルの斜視図である。 第１０図は、それぞれの異なる長さのコイル端を有する第８図のコイルの斜視 図である。 第１１図は、ＤＳＡＦＰＭ機が風力タービン・ロータに結合された、第８図の ＤＳＡＦＰＭ機をユーティリティ・グリッドに接続するのに適した変換器トポロ ジーを表す概略図である。 第１２図は、第１１図の変換器トポロジーの詳細な概略図である。 第１３図は、第８図のＤＳＡＦＰＭ機の電気回路等価物である。 第１４図は、通常の速度での第８図のＤＳＡＦＰＭ機のトルク生成を示すプロ ットである。 第１５図は、高速での第８図のＤＳＡＦＰＭ機のトルク生成を示すプロットで ある。 第１６図は、第８図のＤＳＡＦＰＭ機の断面図である。 第１７図は、第８図のＤＳＡＦＰＭ機の磁束分布の変形例を示す図である。 第１８図は、第８図のＤＳＡＦＰＭ機の磁束分布の変形例を示す図である。 第１９図は、第８図のＤＳＡＦＰＭ機の磁束分布の変形例を示す図である。 第２０図は、第８図のＤＳＡＦＰＭ機の磁束分布の変形例を示す図である。 第２１図は、第８図のＤＳＡＦＰＭ機の磁束分布の変形例を示す図である。 第２２図は、第８図のＤＳＡＦＰＭ機の磁束分布の変形例を示す図である。 第２３図は、第８図のＤＳＡＦＰＭ機の磁束分布の変形例を示す図である。 第２４図は、第８図のＤＳＡＦＰＭ機の磁束分布の変形例を示す図である。 第２５図は、第１７図ないし第２４図のＤＳＡＦＰＭ機の磁束分布の変形例に 対応する磁束リンクのプロットである。 第２６図は、第１７図ないし第２４図のＤＳＡＦＰＭ機の磁束分布の変形例に 対応する磁束リンクのプロットである。 第２７図は、各ステータが位相Ａ巻線のコイルと位相Ｂ巻線のコイルとを含む 、二重突極軸方向磁束磁石発電機を表す概略図である。 第２８図は、二重ロータ構成を有する二重突極軸方向磁束磁石発電機の断面図 である。 第２９図は、第２８図の機械のいくつかの異なるロータ配向を示す概略図であ る。 第３０図は、第２８図の機械のいくつかの異なるロータ配向を示す概略図であ る。 第３１図は、本発明による二重突極軸方向磁束磁石発電機の断面図である。 図示の都合上、これらの図は必ずしも一定の割合で描かれてはいない。すべて の図において、同じ構成要素が同じ参照符号で指定される。 発明の詳細な説明 本発明をより完全に理解していただくために、下記の説明全体にわたって特定 の詳細について述べる。しかし、本発明はこのような詳細なしに実施することが できる。他の例では、本発明を不必要に曖昧にするのを回避するために周知の要 素は図示せず、また説明していない。したがって、明細書および図面は、制限的 なものではなく例示的なものとみなすべきである。 第５図は、本発明による二重突極軸方向磁束磁石発電機の主要な構成要素を示 す。この機械は、それぞれ、環状形状を有する、第１のステータ１００と、ロー タ１０２と、第２のステータ１０４とを備える。ステータ１００および１０４は 、ロータ１０２の外径と同じ外径ｄを有する。 ロータ１０２は、希土永久磁石やフェライト永久磁石など複数の長手方向配向 永久磁石１０６を含む。永久磁石１０６は、ロータ１０２の周りに等間隔に配置 され、磁気的に透過性の材料、たとえば積層鋼からなり、永久磁石１０６と同数 の複数のロータ電磁突極１０８と交互に配置される。各永久磁石１０６は、半径 方向寸法ｔおよび角寸法θｍを画定する。永久磁石１０６は、磁束線１０７の方 向を示す第６図に示したようにロータ極１０８がロータの両側で同様に極化され るように横方向に極化される。 ステータ１００（第５図）は、長手方向に配向された複数のステータ突極１１ ０とバック・アイアン１１１とを有する。ステータ１０４は、長手方向に配向さ れた複数のステータ突極１１２およびバック・アイアン１１３を有する。ステー タ極１１０および１１２は、それぞれのステータ１００および１０４の周りに等 間隔に配置される。各ステータは、いくつかのロータ極１０８に等しいいくつか のステータ極を有する。各ステータ極は、半径方向寸法ｔおよび角寸法θｓを画 定する。 ステータ１００および１０４はそれぞれ、複数の離散積層鋼層を備え、第７図 に示したような鋼積層のリボンを圧延し打ち抜くことによって廉価に製造するこ とができる。 第８図は、本発明による二重突極軸方向磁束磁石発電機の斜視断面図である。 機械のロータ１０２はメイン・シャフト１１４に剛性に取り付けられ、メイン・ シャフト１１４は風力タービン・ロータ（図示せず）に直結することができる。 メイン・シャフト１１４は、端面１１８および１２０を有する円筒形ハウジング １１６内で支持されている。シャフト１１４は、それぞれ、端面１１８および１ ２０の中央に取り付けられた軸受１２２および１２４内で回転する。 ステータ１００のバック・アイアン１１１は端面１１８の内面に剛性に取り付 けられ、それに対してステータ１０４のバック・アイアン１１３は端面１２０の 内面に剛性に取り付けられる。ステータ１００および１０４をそのように配置す ることによって、渦電流およびコイル電流によってステータ内で生成された熱を 、伝導によってハウジング１１６へ、次いで対流によって周囲の大気へ効率的に 散逸させることができる。 ステータ１００および１０４は、ステータ極１１２が完全に永久磁石１０６と 整列したときに、ステータ極１１０が完全にロータ極１０８と整列し、逆もまた 同様であるように配向される。ステータ極１１０は銅コイル１２６を支持し、ス テータ極１１２は銅コイル１２８を支持し、そのため各ステータ極の周縁の周り に１つのコイルが配置される。コイル１２６および１２８は従来型の形状および 設計のものであり、したがって廉価にかつ容易に製造され、ステータ極１１０お よび１１２で画定されたスロットに設置される。 第９図に示したように、コイル１２８は、コイル端部Ｅと導体部Ｃとを備える 。（トルク生成には関与しない）コイル端Ｅの長さは、導体部Ｃの長さよりも小 さい。コイル１２６および１２８のそのような構成によってコイル内のインダク タンスが低減される（インダクタンスとは電気回路の特性であり、インダクタン スにより、電気回路内の可変電流によって可変磁界が生成され、それによって同 じ 回路または近傍の回路内で電圧が誘導される）。これは、電流が、機械端子に印 加されるパルス幅変調電圧によって制御される、変換器供給機に有利である。こ の利点が得られるのは、低インダクタンス巻線により、電流が、顕著な位相遅れ なしに、印加または生成された電圧に密に従うので、高速動的電流制御が可能に なるからである。さらに、コイル端部Ｅが小さいので、巻線中の銅が効率的に使 用され、機械のコストがさらに低減される。コイル１２６および１２８は、コイ ル端Ｅ₁およびＥ₂がそれぞれの異なる長さを有する、第１０図に示した構成を有 することもできる。 第１１図に示したように、コイル１２６は直列接続され、位相Ａ巻線１３３を 構成する。コイル１２８も直列接続され、位相Ｂ巻線１３５を構成する。位相Ａ 巻線１３３および位相Ｂ巻線１３５は電流電子変換器１２９に結合される。電流 電子変換器１２９は、Ｗｉｌｌｉａｍ Ｌ．Ｅｒｄｍａｎの米国特許第５２２５ ７１２号に記載されたような三相ＤＣ・ＡＣインバータ１３４と、各位相巻線内 の両方の方向で電流の大きさを制御するバイポーラ二相インバータ１３６とを備 える。電流は、風力タービン・ロータ２３５が、風力タービン・ロータ２３５自 体に剛性に接続されたシャフト１１４を回転させたときに生成される。インバー タ１３４はユーティリティ・グリッド１３７に電気的に結合され、インバータ１ ３６は位相Ａ巻線１３３および位相Ｂ巻線１３５に電気的に結合される。インバ ータ１３４とインバータ１３６はＤＣリンク１３８によって相互接続される。変 換器１２９は、パルス幅変調電圧波形を通じて位相電流を調整する。さらに、変 換器１２９は、機械をモータと発電機のどちらかとして動作させることができ、 かつユーティリティ・グリッドとの定電圧定周波数接続を維持しながら機械の可 変電圧可変周波数動作を可能にする。 第１２図は、絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ（ＩＧＢＴ）など複数の スイッチ１３７と、複数のフリーホイーリング・ダイオード１３９と、電圧源１ ４０、たとえばバッテリとを含むインバータ１３６の概略図である。 ＦＥＭ（有限要素モデル化）に基づいて開発された二重突極軸方向磁束磁石発 電機の線形モデルを使用して、機械の性能を研究しその可能な制御方式を調査す ることができる。この線形モデルに関する仮定は、（１）インダクタンスの変動 対ロータ角度が線形であり、（２）インダクタンスが電流レベルとは独立したも のであるということである。第１３図に示した二重突極軸方向磁束磁石発電機の 線形モデルと等価の電気回路は、下記のように導かれる。 上式で、 ｕ_a＝位相Ａの端子電圧 Ｕ_b＝位相Ｂの端子電圧 ｉ_a＝位相Ａの位相電流 ｉ_b＝位相Ｂの位相電流 ｒ_a＝位相Ａの抵抗 ｒ_b＝位相Ｂの抵抗 λ_a＝位相Ａの電機子反作用磁束リンク λ_b＝位相Ｂの電機子反作用磁束リンク さらに、次式が成立する。 上式で、 Ψ_ma＝位相Ａによってリンクされる永久磁石磁束 Ψ_mb＝位相Ｂによってリンクされる永久磁石磁束 さらに、次式が成立する。 λ_a＝Ｌ_aa×ｉ_a＋Ｍ_ba×ｉ_b λ_b＝Ｍ_ab×ｉ_a＋Ｌ_bb×ｉ_b 上式で、 Ｍ_ab＝位相Ａと位相Ｂとの間の相互インダクタンス（位相Ｂによってリンクさ れた磁束を位相Ａの励弧電流で除した値） Ｍ_ba＝位相Ａと位相Ｂとの間の相互インダクタンス（位相Ａによってリンクさ れた磁束を位相Ｂの励弧電流で除した値） 上記のことから、次式が成立する。 上式で、 ｑ_r＝機械的ロータ回転度 ｗ_r＝ロータ角速度 この１組の数式は、第１３図に概略的に表されており、第１３図には下記の定義 が適用される。 ｅ_ma＝永久磁石磁束変動によって生成される位相Ａの誘導電圧 ｅ_mb＝永久磁石磁束変動によって生成される位相Ｂの誘導電圧 ｅ_ra＝位相Ａの自己インダクタンスの変動によって生成される位相Ａのリラク タンス電圧 ｅ_rb＝位相Ｂの自己インダクタンスの変動によって生成される位相Ｂのリラク タンス電圧 ｅ_rma＝位相Ａと位相Ｂとの間の相互インダクタンスの変動によって生成され る位相Ａのリラクタンス電圧 ｅ_rmb＝位相Ａと位相Ｂとの間の相互インダクタンスの変動によって生成され る位相Ｂのリラクタンス電圧 Ｌ_aa＝位相Ａの自己インダクタンス Ｌ_bb＝位相Ｂの自己インダクタンス Ｍ_ab＝位相Ａと位相Ｂとの間の相互インダクタンス トルクは次式によって与えられる。 ｅ_ma×ｉ_a＋ｅ_mb×ｉ_b＝ω_r（Ｔ_ma＋Ｔ_mb） 上式で、 Ｔ_ma＝ｉ_a×ｄΨ_ma／ｄθ_r＝位相Ａによって生成される機械的トルク Ｔ_mb＝ｉ_b×ｄΨ_mb／ｄθ_r＝位相Ｂによって生成される機械的トルク 通常の動作条件の下では、位相Ａおよび位相Ｂの自己リラクタンス・トルクは 、第１４図に示したように互いに打ち消し合う。相互リラクタンス・トルクは零 平均値を有する。二重突極軸方向磁束磁石発電機の二重エアギャップ構造の結果 として相互インダクタンスの変動が比較的小さいので、ピーク・リラクタンス・ トルクは小さい。その結果、トルク生成は非常に平滑である。 機械の動作速度が定格値よりも高いときは、自己リラクタンス・トルクを使用 し、第１５図に図示した制御方式を使用することによって、不規則な電流波形の ための電流損失を補償することができる。したがって、二重突極軸方向磁束磁石 発電機は既知の磁石発電機よりも高速で動作することができる。高速でも、相互 リラクタンスは依然として零平均トルクに寄与する。 二重突極軸方向磁束磁石発電機の非線形モデルは、λ_aおよびλ_bが下記のよう に定義される場合に得ることができる。 λ_a＝ｆ（θ_r，ｉ_a，ｉ_b） λ_b＝ｆ（θ_r，ｉ_a，ｉ_b） ステータ１００とステータ１０４が同じ形状のものなので、位相Ａ巻線と位相 Ｂ巻線に現れるリラクタンスは等しく、２つの位相間に電磁均衡が確立される。 ２つの位相の電磁均衡は、循環電流、軸受電流、ロータ上の不均等な負荷が理論 的になくなり、したがって機械の効率および信頼性が向上するという点で有益で ある。 第１６図に示したように、ロータ１０２とステータ１００の極１１０との間に エアギャップ１３０（外形が点線で示されている）が存在する。同様に、ロータ １０２とステータ極１１２との間に、エアギャップ１３０と同じ幅を有するエア ギャップ１３２が存在する。電気機械のロータとステータとの間のエアギャップ を最小限に抑えると、電流および効率が増大することが広く知られている。ステ ータ１００、ロータ１０２、ステータ１０４の軸方向構成によって、ロータ１０ ２ならびにステータ１００および１０４の寸法にかかわらず、小さなエアギャッ プ１３０および１３２が可能になり、したがって物理的に大型の機械の製造コス トが低減される。そのような機械は多数の極を収容することができ、低ロータ速 度で高出力を有することができる。また、前述の軸方向構成のために、ロータ１ ０２の半径方向膨張によって高ロータ速度でエアギャップ１３０および１３２が 減少することがなくなり、そのことと、ロータ１０２の平滑な形状によってウィ ンデイジ（空気摩擦のための損失）が低減されることと相まって、高速動作機能 の追加利点が与えられる。 さらに、高いトルクを生成するために、スロット深さＤ_sではなくコイル１２ ６および１２８の幅Ｗ_cが増加するので、二重突極軸方向磁束磁石発電機スロッ ト磁束漏れが最小限に抑えられる。本明細書の下記の節で詳しく論じるように、 スロット深さＤ_sを最小限に抑えることによってスロット磁束漏れが減少する。 本発明の前述の実施形態の動作を第１７図ないし第２４図に関して示す。ロー タ極１０８がステータ極１１０に完全に整列すると、永久磁石１０６は完全にス テータ極１１２（第１７図）に整列する。（ロータ回転の０°に対応する）ロー タ１０２の配向では、永久磁石１０６によって生成されるすべての磁束リンク１ ２７がステータ１００の位相Ａ巻線（第１７図には図示せず）にリンクされる。 その例では、ステータ１０４の位相Ｂ巻線（第１７図には図示せず）にリンクさ れる磁束はない。 ロータ１０２を２２．５°だけ回転すると（第１８図）、極１１０および１１ ２が部分的にロータ１０２の極１０８に整列し、その結果、永久磁石１０６によ って生成された磁束リンク１２７はステータ１００とステータ１０４との間に均 等に分散される。この例では、位相Ａ巻線（第１８図には図示せず）にリンクさ れる磁束は、位相Ｂ巻線（第１８図には図示せず）にリンクされる磁束に等しい 。 ４５°のとき（第１９図）、ロータ１０２は、ステータ極１１０が永久磁石１ ０６に整列しステータ極１１２がロータ極１０８に整列するように位置決めされ る。ロータ１０２のこの配向では、永久磁石１０６によって生成されるすべての 磁束リンク１２７がステータ１０４の位相Ｂ巻線（第１９図には図示せず）にリ ンクされる。 ロータ１０２の回転が６７．５°、９０°、１１２．５°、１３５°、１５７ ．５°であるときの磁束分布をそれぞれ、第２０図、第２１図、第２２図、第２ ３図、第２４図に示す。０°ないし１８０°の機械的回転に対応する位相Ａ巻線 および位相Ｂ巻線の磁束リンク１２７のプロットをそれぞれ、第２５図および第 ２６図に表す。二重突極軸方向磁束磁石発電機の位相Ａ電流と位相Ｂ電流との間 の移相は９０°である。 したがって、前述の欠点を解消し、たとえばスロット磁束漏れを最小限に抑え 、電磁的に均衡した位相を有し、製造が簡単で廉価であり、低速動作と高速動作 の両方が可能であり、熱除去が容易であり、小型で効率的な磁石発電機が提供さ れる。 二重突極軸方向磁束磁石発電機はまた、低角速度で高電力密度を達成し、多数 の極を収容することができ、低誘導巻線を有する従来型の巻線設計を使用し、簡 単な支持構造を有することができるので有利である。 この装置の他の多数の修正が可能であり、そのうちのいくつかを本明細書で説 明する。たとえば、二重突極軸方向磁束磁石発電機は２よりも多くの偶数のステ ータ極を有することができる。さらに、（たとえば、ステータ１００の）ステー タ極とロータ極の比は１対１である必要はない。機械の寸法に応じ、下記の公式 に従ってこの比を変更することができる。 Ｒ＝Ｓ＋２ Ｓ＝ステータ極の数 Ｒ＝ロータ極の数 また、他の適当なステータ／ロータ極構成が可能である。たとえば、２つのステ ータ極と、４よりも大きな任意の他の偶数のロータ極との組合せ、たとえば、２ ／６、２／８、、、、２／１００などを有することが可能である。他の組合せ、 たとえば、４／８、４／１０、４／１２や、６／１０、６／１２、６／１４など を与えることもできる。 さらに、位相Ａ巻線のコイルと位相Ｂ巻線のコイルは、各ステータが位相Ａコ イルと位相Ｂコイルを含むように配置することができる。第２７図は、６極ロー タ１５０と、第１のツーピース・ステータ１５２と、第２のツーピース・ステー タ１５６とを有する二重突極軸方向磁束磁石発電機を概略的に示す。ロータ１５ ０は、永久磁石１５５と、電磁突極１５７とを含む。ステータ１５２は、極１５ １を有する位相Ａピース１６０と、極１５３を有する位相Ｂピース１６２とを備 える。ステータ１５６は、極１５４を有する位相Ｂピース１６４と、極１５８を 有する位相Ａピース１６８とを備える。位相Ａピース１６０および１６８の極は 、直列にリンクされ位相Ａ巻線を備えるコイル１７０を支持する。位相Ｂピース １６２および１６４の極は、直列にリンクされ位相Ｂ巻線を備えるコイル１７２ を支持する。第２７図で、ステータ１５２および１５６に対するロータ１５０の 配向は、永久磁石１５５によって生成されるすべての磁束リンク１２７が位相Ａ 巻線のコイル１７０にリンクされるような配向である。この実施形態のトポロジ ーの他の実施態様では、ロータ極Ｒの数が１０の整数倍数であり、それに対して ステータ極Ｓの数が公式Ｓ＝Ｒ（４／５）に従って算出される。 第２８図は、二重ロータ構成を有する二重突極軸方向磁束磁石発電機の実施形 態を示す。この機械は、それぞれ、環状形状を有する、第１のステータ２００と 、第１のロータ２０２と、第２のステータ２０４と、第２のロータ２０６と、第 ３のステータ２０８とを備える。ステータ２００、２０４、２０８はそれぞれ、 バック・アイアン２１０、２１２、２１４を含む。ステータ２００は、長手方向 に配向された複数のステータ突極２１６を有し、ステータ２０８は、長手方向に 配向された複数のステータ突極２１８を有する。極２１６および２１８は、それ ぞれのステータ２００および２０８の周りに等間隔に配置される。ステータ２０ ４は、並置され長手方向に配置された２つの複数の突極２２０（ａ）および２２ ０（ｂ）を有し、極２２０（ａ）および２２０（ｂ）はステータ２０４の周りに 等間隔に配置される。 複数の銅線２２２、２２４（ａ）および（ｂ）、２２６は、コイル２２２およ び２２６が位相Ａ巻線を備え、コイル２２４（ａ）および（ｂ）が位相Ｂ巻線を 備えるようにリンクされる。個別のコイル２２２および２２６はステータ極２１ ６および２１８の周りに配置される。個別のコイル２２４（ａ）および（ｂ）は ステータ極２２０（ａ）および（ｂ）の周りに配置される。 第２９図は、ロータ２０２および２０６が、それぞれ、たとえば積層鋼からな る、複数のロータ電磁突極２０７および２０９とそれぞれ、交互に配置された、 長手方向に配向された複数の永久磁石２０３および２０５で構成されることを示 す。ギャップＧ₁、Ｇ₂、Ｇ₃、Ｇ₄は、ステータ２００とロータ２０２、ロータ２ ０２とステータ２０４、ステータ２０４とロータ２０６、ロータ２０６とステー タ２０８を分離する。 第２８図に示したように、ロータ２０２および２０６は、たとえば、ネジ型フ ァスナ２３０および２３１によって、ロータ・サポート２２８に剛性に取り付け られる。ロータ・サポート２２８は、たとえば、溶接（図示せず）によって、メ イン・シャフト２３２に対して固定される。シャフト２３２は、端面２３６およ び２３８を有するハウジング２３４内で回転可能に支持され、たとえば、風力タ ービン・ロータ２３５に直結することができる。ステータ２００および２０８は 、それぞれたとえば、ネジ型ファスナ２４２および２４４を用いて、端面２３６ および２３８に剛性に取り付けられる。ステータ２０４は、たとえば、ネジ型フ ァスナ２４６を用いて、円筒形本体２４０に剛性に取り付けられる。 ステータ極の数がロータ極の数に等しい場合（第２９図）、ステータ２００、 ２０４、２０８は、極２０７および２０９がステータ２０４の極２２０に完全に 整列したときに、永久磁石２０３が完全に極２１６に整列し、永久磁石２０５が 完全に極２１８に整列するように配向される。ロータ２０２および２０６のこの 配向では、永久磁石２０３および２０５によって生成される磁束リンク１２７が 位相Ｂ巻線のコイル２２４（ａ）および（ｂ）（第２８図には図示せず）にリン クされる。同様に、永久磁石２０３および２０５がそれぞれ、完全に極２２０に 整列すると（第３０図）、極２０７および２０９はそれぞれ、完全に極２１６お よび２１８に整列する。ロータ２０２および２０６のこの配向では、永久磁石２ ０３および２０５によって生成される磁束リンク１２７が位相Ａ巻線のコイル２ ２２および２２６（第３０図には図示せず）にリンクされる。 二重突極軸方向磁束磁石発電機は、単一ロータ構成や二重ロータ構成に限らな い。３つ以上のロータと、それぞれの異なるロータ極・ステータ極比とを有する 変形例も可能である。 さらに、第３１図に示した二重突極磁石発電機の半径方向磁束バージョンを実 施することもできる。そのような機械は、外側ステータ３００に対して同心状に 配向された外側ステータ３００と内側ステータ３０２とを備える。ステータ３０ ０は、内側を向き半径方向に配向され等間隔に配置された複数の突極３０４を含 む。複数の導線３０６は、極３０４の周りに巻かれ、かつ直列接続され、Ａ位相 巻線を備える。ステータ３０２は、外側を向き半径方向に配向され等間隔に配置 された複数の突極３０８を含む。複数の導線３１０は、極３０８の周りに巻かれ 、かつ直列接続され、Ｂ位相巻線を備える。ステータ３００および３０２はそれ ぞれ、バック・アイアン３１２および３１４を有する。 同心ロータ３１６は、外側ステータ３００と内側ステータ３０２との間に配置 される。ロータ３１６は、たとえば、積層鋼からなる、等しい数のロータ電磁突 極３２０と交互に配置された、複数の永久磁石３１８を備える。永久磁石は、ロ ータ３１６の周りに極３０４および３０８と等しい数だけ等間隔に配置される。 ロータ３１６は、風力タービン・ロータ（図示せず）に直結することができる。 本発明のこの実施形態の動作の原則は、前述の二重突極軸方向磁束磁石発電機の 原則と同じである。 本発明の軸方向磁束の場合と同様に、ロータ極の数とステータ極の数との関係 は変更することができる。さらに、一方のステータのコイルがＡ位相巻線を備え 他方のステータのコイルがＢ位相巻線を備えるように、この機械のコイルどうし は接続する必要がない。 二重突極磁石発電機の上記の構成は一例としてのみ与えたものである。したが って、本発明の範囲は、与えた例ではなく、添付の請求の範囲およびその等価物 によって決定すべきである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 ＦＩ Ｈ０２Ｋ 21/22 Ｈ０２Ｋ 21/22 Ａ 21/24 21/24 Ｇ (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ， ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，Ｓ Ｚ，ＵＧ)，ＵＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＴ，ＡＵ ，ＡＺ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ， ＣＺ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＥ，Ｅ Ｓ，ＦＩ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＨＵ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ， ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，Ｎ Ｏ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ， ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ (72)発明者 リ，ユー アメリカ合衆国・53705・ウィスコンシン 州・マディソン・イーグル ハイツ・ 946・アパートメント ディ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．二重突極磁石発電機であって、 互いに対して同軸に固定された少なくとも２つのステータと、 前記少なくとも２つのステータ間に挿入された少なくとも１つのロータと、 前記少なくとも２つのステータによって支持される二相巻線と を備えることを特徴とする二重突極磁石発電機。 ２．前記少なくとも２つのステータがそれぞれ、複数のステータ突極を含み、 対称軸を有することを特徴とする請求の範囲第１項に記載の二重突極磁石発電機 。 ３．前記ステータ突極が、前記対称軸に対して長手方向に形成されることを特 徴とする請求の範囲第２項に記載の二重突極磁石発電機。 ４．前記ステータ突極が、前記対称軸に対して半径方向に形成されることを特 徴とする請求の範囲第２項に記載の二重突極磁石発電機。 ５．前記少なくとも１つのロータが複数の永久磁石を含むことを特徴とする請 求の範囲第１項に記載の二重突極磁石発電機。 ６．前記永久磁石が、磁気的に透過性の材料からなるロータ電磁突極と交互に 配置されることを特徴とする請求の範囲第５項に記載の二重突極磁石発電機。 ７．前記ロータ電磁突極がそれぞれ、第１の側と第２の側とを有し、前記永久 磁石が、前記第１の側が前記第２の側と同じ磁極化を有するように極化されるこ とを特徴とする請求の範囲第６項に記載の二重突極磁石発電機。 ８．前記二相巻線が、第１の複数のコイルと第２の複数のコイルとを備えるこ とを特徴とする請求の範囲第１項に記載の二重突極磁石発電機。 ９．二重突極軸方向磁束磁石発電機であって、 互いに対して同軸にかつ横向きに配置された少なくとも２つのステータと、 前記少なくとも２つのステータ間に挿入された少なくとも１つのロータと、 第１の位相と第２の位相とを有し、前記少なくとも２つのステータによって支 持される巻線と を備えることを特徴とする二重突極軸方向磁束磁石発電機。 １０．前記少なくとも２つのステータがそれぞれ、複数のステータ突極と対称 軸とを有することを特徴とする請求の範囲第９項に記載の二重突極軸方向磁束磁 石発電機。 １１．前記ステータ突極が、前記少なくとも２つのステータの周りに等間隔に 配置され、前記対称軸に対して長手方向に形成されることを特徴とする請求の範 囲第１０項に記載の二重突極軸方向磁束磁石発電機。 １２．前記少なくとも１つのロータが、前記少なくとも１つのロータの周りに 等間隔に配置され、磁気的に透過性の材料からなる複数のロータ電磁突極が間に 挿入された複数の永久磁石を含み、前記各ロータ電磁突極が、第１の側と第２の 側とを有し、前記永久磁石が、前記第１の側が前記第２の側と同じ磁極化を有す るように極化されることを特徴とする請求の範囲第９項に記載の二重突極軸方向 磁束磁石発電機。 １３．前記第１の位相が、直列にリンクされた第１の複数のコイルを備え、前 記第２の位相が、直列にリンクされた第２の複数のコイルを備えることを特徴と する請求の範囲第９項に記載の二重突極軸方向磁束磁石発電機。 １４．前記第１の複数のコイルが前記少なくとも２つのステータの一方によっ て支持され、前記第２の複数のコイルが前記少なくとも２つのステータの他方に よって支持されることを特徴とする請求の範囲第１３項に記載の二重突極軸方向 磁束磁石発電機。 １５．二重突極軸方向磁束磁石発電機であって、 互いに対して同軸にかつ横向きに配設され、それぞれ、対称軸と、前記少なく とも２つのステータのそれぞれの周りに一様な間隔に配置され、かつ前記対称軸 に対して長手方向に形成されたＳ個のステータ突極とを有する（Ｓは２以上の偶 数整数）少なくとも２つのステータと、 前記少なくとも２つのステータ間に挿入され、前記少なくとも１つのロータの 周りに一様な間隔に配置されかつ磁気的に透過性の材料からなるＲ個のロータ電 磁突極と交互に配置されたＰ個の永久磁石を含む少なくとも１つのロータと（Ｐ は２以上の偶数整数、ＲはＰに等しい整数）、 直列にリンクされた第１の複数のコイルを備える第１の位相と、直列にリンク された第２の複数のコイルを備える第２の位相とを有し、前記少なくとも２つの ステータによって支持される巻線と を備えることを特徴とする二重突極軸方向磁束磁石発電機。 １６．Ｒ＝Ｓであることを特徴とする請求の範囲第１５項に記載の二重突極軸 方向磁束磁石発電機。 １７．Ｒ＝Ｓ＋２であることを特徴とする請求の範囲第１５項に記載の二重突 極軸方向磁束磁石発電機。 １８．Ｒ＝Ｓ＋Ｘであり、Ｘが４以上の偶数整数であることを特徴とする請求 の範囲第１５項に記載の二重突極軸方向磁束磁石発電機。 １９．前記第１の複数のコイルが、前記少なくとも２つのステータのうちの一 方のステータ突極の周りに巻かれ、前記第２の複数のコイルが、前記少なくとも ２つのステータのうちの他方のステータ突極の周りに巻かれることを特徴とする 請求の範囲第１５項に記載の二重突極軸方向磁束磁石発電機。 ２０．前記第１の複数のコイルが、前記少なくとも２つのステータの両方のス テータ突極の周りに巻かれ、前記第２の複数のコイルも、前記少なくとも２つの ステータの両方のステータ突極の周りに巻かれることを特徴とする請求の範囲第 １５項に記載の二重突極軸方向磁束磁石発電機。 ２１．Ｒが１０の倍数であり、Ｓ＝Ｒ（４／５）であることを特徴とする請求 の範囲第２０項に記載の二重突極軸方向磁束磁石発電機。 ２２．前記コイルが銅を含み、前記磁気的に透過性の材料が鋼を含み、前記少 なくとも２つのステータが鋼積層を備えることを特徴とする請求の範囲第１５項 に記載の二重突極軸方向磁束磁石発電機。 ２３．二重突極軸方向磁束磁石発電機であって、 互いに対して同軸にかつ横向きに配設された少なくとも３つのステータと、 前記少なくとも３つのステータ間に挿入された少なくとも２つのロータと、 第１の位相と第２の位相とを有し、前記少なくとも３つのステータによって支 持される巻線と を備えることを特徴とする二重突極軸方向磁束磁石発電機。 ２４．前記少なくとも３つのステータが、第１の横ステータ、第２の横ステー タ、中央ステータを画定し、それぞれ、Ｓ個のステータ突極を有し（Ｓは２以上 の偶数整数）、前記第１の位相が第１の複数のコイルを備え、前記第２の位相が 第２の複数のコイルを備え、前記第１の複数のコイルが、前記中央ステータのス テータ突極の周りに巻かれ、前記第２の複数のコイルが、前記第１の横ステータ および前記第２の横ステータのステータ突極の周りに巻かれることを特徴とする 請求の範囲第２３項に記載の二重突極軸方向磁束磁石発電機。 ２５．前記少なくとも２つのロータがそれぞれ、Ｐ個の永久磁石を有し（Ｐは ２以上の偶数整数）、前記永久磁石が、磁気的に透過性の材料からなるＲ個のロ ータ電磁突極と交互に配置される（ＲはＰに等しい整数）ことを特徴とする請求 の範囲第２４項に記載の二重突極軸方向磁束磁石発電機。 ２６．Ｒ＝Ｓであることを特徴とする請求の範囲第２５項に記載の二重突極軸 方向磁束磁石発電機。 ２７．Ｒ＝Ｓ＋２であることを特徴とする請求の範囲第２５項に記載の二重突 極軸方向磁束磁石発電機。 ２８．Ｒ＝Ｓ＋Ｘであり、Ｘが４以上の偶数整数であることを特徴とする請求 の範囲第２５項に記載の二重突極軸方向磁束磁石発電機。 ２９．直接駆動風力タービンのための二重突極磁石発電機であって、 互いに対して同軸に配設された少なくとも２つのステータと、 前記少なくとも２つのステータ間に挿入され風力タービン・ロータに剛性に接 続された少なくとも１つのロータと、 前記少なくとも２つのステータによって支持され、かつ電子変換器によってユ ーティリティ・グリッドに電気的に結合された二相巻線と を備えることを特徴とする二重突極磁石発電機。 ３０．前記電子変換器が、前記ユーティリティ・グリッドに電気的に結合され た三相インバータと、前記二相巻線に電気的に結合された二相インバータとを備 え、前記三相インバータがＤＣリンクによって前記二相インバータと相互接続さ れることを特徴とする請求の範囲第２９項に記載の二重突極磁石発電機。