(57)【要約】【課題】コギングトルクの影響の少ない発電機、およびこの発電機を用い微風の風速条件のもとでも容易に起動する風力発電装置を実現する。【解決手段】発電機３をアウタロータ型ブラシレス方式として、コイルＬｕ（ｖ・ｗ）を集中巻きして巻線の無駄を無くし、２４極２７スロットとし、１５０〜２００ｍｍ径のロータ５にネオジマグネットからなるマグネット８を配設し、マグネット８の厚さに対してマグネットとティース９との間隔を０．５〜１．５倍にし、ティースのコイルが巻回された巻線部分の周方向幅がティースの先端部分の周方向幅に対して０．４〜０．６倍とする。また、風力発電装置は発電機３を備える。これにより、発電機３は、コギングトルクの影響の少なく、この発電機３を用いた風力発電装置は、微風の風速条件のもとでも容易に起動する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定子と、前記固定子を外囲する位置に配設された回転子とを有するアウタロータ型ブラシレス方式の発電機において、
前記発電機は、前記固定子の外径が１５０〜２００ｍｍであり、
前記固定子にコイルが集中巻きされ、
前記回転子の極数が２４であり、かつ前記固定子のスロット数が２７であり、
主磁気回路として前記回転子に周方向に配設された複数の円弧状マグネットがネオジマグネットであり、
前記固定子と前記回転子との間のエアギャップが前記ネオジマグネットの厚さの０．５〜１．５倍であり、
前記固定子に設けられたティースの巻線部分の周方向幅が当該ティースの先端部分の周方向幅の０．４〜０．６倍であることを特徴とする発電機。
【請求項２】
固定子と、前記固定子を外囲する位置に配設された回転子とを有するアウタロータ型ブラシレス方式の発電機において、
前記発電機は、前記固定子の外径が１００〜１５０ｍｍであり、
前記固定子にコイルが集中巻きされ、
前記回転子の極数が２０であり、かつ前記固定子のスロット数が２４であり、
主磁気回路として前記回転子に周方向に配設された複数の円弧状マグネットがネオジマグネットであり、
前記固定子と前記回転子との間のエアギャップが前記ネオジマグネットの厚さの０．５〜１．５倍であり、
前記固定子に設けられたティースの巻線部分の周方向幅が当該ティースの先端部分の周方向幅の０．４〜０．６倍であることを特徴とする発電機。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の発電機と、前記発電機の回転子に取り付けられた羽とを備える風力発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、発電機および発電機を備える風力発電装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
風力発電装置の発電機の回転子には永久磁石を用いることが多い。この永久磁石を用いるタイプの発電機においては、風車自身の回転支持構造に起因する機械的抵抗力を超える自己起動風速が必要であるとともに、これに加えて永久磁石からなる回転子と電機子巻線からなる固定子との間で発生する磁気抵抗により初期トルク、いわゆるコギングトルクが作用するため、このコギングトルクを超える初期起動風速も必要であり、これらの総合風速以上の風速を受けなければ起動することができない。このように、風力発電装置については、起動風速が高いことから、微風の風速条件のもとでは容易に起動することができず、風力発電の稼働率が低くなる傾向がある。
【０００３】
そこで従来では、稼動率を高める手段として種々の提案が行われており、例えば、固定子と回転子との間で発生するコギングトルクを打ち消す磁気トルクを発生させる装置を別途設けたものがある（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００４−２８５９９１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述のように固定子と回転子との間で発生するコギングトルクを打ち消す磁気トルクを発生させる装置を別途設けると、部品点数の増加となり、風力発電機のコストの向上の要因となる。
【０００５】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、別途の装置を設けることなく微風下の風車の起動性を高めるために、固定子と回転子の間に生じるコギングトルクの影響が少ない発電機、およびこの発電機を備えた風力発電機を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の課題を解決するにあたり、請求項１に記載の発明は、固定子と、前記固定子を外囲する位置に配設された回転子とを有するアウタロータ型ブラシレス方式の発電機と、前記回転子に取り付けられた２以上の羽とを備えた風車発電装置において、前記発電機は、前記固定子の外径が１５０〜２００ｍｍであり、前記固定子にコイルが集中巻きされ、前記回転子の極数が２４であり、かつ前記固定子のスロット数が２７であり、主磁気回路として前記回転子に周方向に配設された複数の円弧状マグネットがネオジマグネットであり、前記固定子と前記回転子との間のエアギャップが前記ネオジマグネットの厚さの０．５〜１．５倍であり、前記固定子に設けられたティースの巻線部分の周方向幅が当該ティースの先端部分の周方向幅の０．４〜０．６倍であるものとした。
【０００７】
請求項２に記載の発明は、固定子と、前記固定子を外囲する位置に配設された回転子とを有するアウタロータ型ブラシレス方式の発電機において、前記発電機は、前記固定子の外径が１００〜１５０ｍｍであり、前記固定子にコイルが集中巻きされ、前記回転子の極数が２０であり、かつ前記固定子のスロット数が２４であり、主磁気回路として前記回転子に周方向に配設された複数の円弧状マグネットがネオジマグネットであり、前記固定子と前記回転子との間のエアギャップが前記ネオジマグネットの厚さの０．５〜１．５倍であり、前記固定子に設けられたティースの巻線部分の周方向幅が当該ティースの先端部分の周方向幅の０．４〜０．６倍であるのとした。
【０００８】
さらに、請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の発電機と、前記発電機に取り付けられた羽とを備える風力発電装置とした。
【発明の効果】
【０００９】
このように、本発明の請求項１によれば、コギングトルクの影響が小さな極数とスロット数との組み合わせで８（極）：９（スロット）とすると良い。また、その組み合わせにおいて、１５０〜２００ｍｍの外径の固定子とした場合にコイル占積率や出力特性の効率の観点から２４極２７スロットが最も適する。
【００１０】
さらに、ネオジマグネットの場合には、固定子と回転子とのエアギャップがマグネットの厚さの０．５〜１．５倍とすると共に、ティースの巻線部分の周方向幅がティースの先端部分の周方向幅の０．４〜０．６倍とする場合に磁力を最も高効率に生かすことができる。また、そのような関係とすることにより、固定子（コア）中の磁束密度が１．６Ｔ以下になり、鉄損を低減することができる。
【００１１】
本発明の請求項２によれば、コギングトルクの影響が小さな極数とスロット数との組み合わせで１０（極）：１２（スロット）とすると良い。また、その組み合わせにおいて、１００〜１５０ｍｍの外径の固定子とした場合にコイル占積率や出力特性の効率の観点から２０極２４スロットが最も適する。
【００１２】
さらに、請求項１に記載の発明と同様に、ネオジマグネットの場合には、固定子と回転子とのエアギャップがマグネットの厚さの０．５〜１．５倍とすると共に、ティースの巻線部分の周方向幅がティースの先端部分の周方向幅の０．４〜０．６倍とする場合に磁力を最も高効率に生かすことができる。また、そのような関係とすることにより、固定子（コア）中の磁束密度が１．６Ｔ以下になり、鉄損を低減することができる。
【００１３】
請求項３によれば、上述の発電機を用いた風力発電装置とすることで、微風下の風車の起動性を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。図１は本発明の風力発電装置を示す概略全体図である。図に示されるように、風力発電装置１００は、大地に固定される棒状の支柱１、複数のフィンを有する羽２、および発電機３とを備える。発電機３のステータ６は、支柱１の取付部１ａに取り付けされ、羽２は、発電機３のロータ５に取り付けされる。羽２が風を受けると、羽２が取り付けされたロータ５が回転する構造となっている。
【００１５】
次に、図２を参照して第１の実施形態の発電機３の構造について説明する。上記したように、また図に示されるように、発電機３はアウタロータ型ブラシレス方式であり、その回転子であるロータ５の内周側に固定子であるステータ６が配設されている。ステータ６は、軸線方向に鋼板を積層された積層鋼板からなり、図示されないモータケースに突状に形成されたボス部に例えばボルト止めされる円環状のコア６ａと、コア６ａの外周面から半径方向外向きに突出しかつ周方向に等ピッチに配設された２７本のティース９とを有する。
【００１６】
スロット数と(固定子)外径の関係は占積率や巻線のし易さなどに影響するため、２７スロットとした場合に、固定子の外径として各ティース９の先端を結ぶ円の直径とすると、固定子の外径を１５０〜２００ｍｍとすると良い。なお、ティース９は、軸線方向から見てＴ字状の公知のティースと同様の形状であって良い。
【００１７】
各ティース９間により巻線用のスロット７が形成されており、本発電機３では２７スロットとなる。ロータ５の内周面であって各ティース９と対向する部分には、主磁気回路を構成するネオジマグネットからなる円弧状のマグネット８が周方向に２４極配設されている。このようにして、２４極２７スロットの発電機３が構成されている。個々で、主磁気回路とは磁気センサの磁気回路と区別されるものである。
【００１８】
図２および図３に示されるように、各ティース９のＴ字形状のポール部分９ａには三相の各コイルＬｕ・Ｌｖ・Ｌｗが巻回されている。それらの巻線は図２に示されるようになっている。各ティース９の互いに隣り合う３つずつに同相のコイルがそれぞれに集中巻きにて巻回されている。なお、連続する３つのティース９の両端に対して中央のものには逆向きにコイルが巻回されおり、コイルの一端が各相の接続端子Ｕ・Ｖ・Ｗに接続され、他端がコモン端子Ｃに接続されている。
【００１９】
また、図３に示されるように、マグネット８におけるロータ３の半径方向に対する厚さｔに対して、回転子と固定子とのエアギャップｓとなるマグネット８の磁極面８ａとティース９の対向面との間隔（ｓ）が図示例では０．５倍に設定されている。なお、厚さｔに対してエアギャップｓは０．５〜１．５倍であって良い。
【００２０】
また、ティース９のコイルＬｕ（ｖ・ｗ）が巻回されたポール部分（巻線部分）９ａの周方向幅ｂ１がティース９の先端部分９ｂの周方向幅（ティース幅）ｂ２に対して図示例では０．５倍に設定されている。なお、巻線部分幅ｂ１に対してティース幅ｂ２は０．４〜０．６倍であって良い。
【００２１】
次に、図４を参照して第２の実施形態の発電機３の構造について説明する。上記したように、また図に示されるように、発電機３はアウタロータ型ブラシレス方式であり、その回転子であるロータ５の内周側に固定子であるステータ６が配設されている。ステータ６は、軸線方向に鋼板を積層された積層鋼板からなり、図示されないモータケースに突状に形成されたボス部に例えばボルト止めされる円環状のコア６ａと、コア６ａの外周面から半径方向外向きに突出しかつ周方向に等ピッチに配設された２４本のティース９とを有する。
【００２２】
スロット数と(固定子)外径の関係は占積率や巻線のし易さなどに影響するため、２４スロットとした場合に、固定子の外径として各ティース９の先端を結ぶ円の直径とすると、固定子の外径を１００〜１５０ｍｍとすると良い。なお、ティース９は、軸線方向から見てＴ字状の公知のティースと同様の形状であって良い。
各ティース９間により巻線用のスロット７が形成されており、本電動モータ３では２４スロットとなる。ロータ５の内周面であって各ティース９と対向する部分には、主磁気回路を構成するネオジマグネットからなる円弧状のマグネット８が周方向に２０極配設されている。このようにして、２０極２４スロットの電動モータ３が構成されている。個々で、主磁気回路とは磁気センサの磁気回路と区別されるものである。
【００２３】
図４および図５に示されるように、各ティース９のＴ字形状のポール部分９ａには三相の各コイルＬｕ・Ｌｖ・Ｌｗが巻回されている。それらの巻線は図４に示されるようになっている。各ティース９の互いに隣り合う２つずつに同相のコイルがそれぞれに集中巻きにて巻回されている。なお、隣り合う２つのティース９には互いに相反する向きにコイルが巻回されおり、コイルの一端が各相の接続端子Ｕ・Ｖ・Ｗに接続され、他端がコモン端子Ｃに接続されている。
【００２４】
また、図５に示されるように、マグネット８におけるロータ３の半径方向に対する厚さｔに対して、回転子と固定子とのエアギャップｓとなるマグネット８の磁極面８ａとティース９の対向面との間隔（ｓ）が図示例では０．５倍に設定されている。なお、厚さｔに対してエアギャップｓは０．５〜１．５倍であって良い。
【００２５】
また、ティース９のコイルＬｕ（ｖ・ｗ）が巻回されたポール部分（巻線部分）９ａの周方向幅ｂ１がティース９の先端部分９ｂの周方向幅（ティース幅）ｂ２に対して図示例では０．５倍に設定されている。なお、巻線部分幅ｂ１に対してティース幅ｂ２は０．４〜０．６倍であって良い。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の風力発電装置を示す概略全体図である。
【図２】本発明の第１の実施形態の発電機のステータおよびロータを示す正面図である。
【図３】本発明の第１の実施形態のティースおよびマグネットの形状を示す図である。
【図４】本発明の第２の実施形態の発電機のステータおよびロータを示す正面図である。
【図５】本発明の第２の実施形態のティースおよびマグネットの形状を示す図である。
【符号の説明】
【００２７】
１  支柱
２  羽
３  発電機
４  減速機
５  ロータ
６  ステータ
６ａ  コア
７  スロット
８  マグネット
９  ティース
９ａ  ポール部分
９ｂ  先端部分
Ｌｕ・Ｌｖ・Ｌｗ  コイル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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