(57)【要約】  同期発電機は、外周面から突出する複数の突出磁極部（１２）が周方向に互いに間隔をあけて配列されて磁性体からなる回転子（１０）と、回転子（１０）を外側から覆う固定子（２０）と、を有する。固定子（２０）は、内周面から内側に向かって突出して各突出磁極部（１２）それぞれと対向可能な複数の固定突出部（２４）が周方向に互いに間隔をあけて配列され静磁場が形成された固定子鉄心（２２）と、各固定突出部（２４）それぞれに半径方向周りにコイルが巻き回されて形成される電機子巻線（２６）と、を具備する。各突出磁極部（１２）それぞれの外側端面（１４）の周方向中央部が、周方向両端よりも半径方向外側に突出する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外周面から半径方向外側に向かって突出するように形成された複数の突出磁極部が周方向に互いに間隔をあけて配列されて磁性体からなる内側リング部材を有し、この内側リング状部材が軸周りを回転するように構成された回転子と、
前記回転子を半径方向外側から覆い内周面から半径方向内側に向かって突出して前記各突出磁極部それぞれと対向可能な複数の固定突出部が周方向に互いに間隔をあけて配列された外側リング状部材を備えて静磁場が形成された固定子鉄心と、前記各固定突出部それぞれに半径方向周りにコイルが巻き回されて形成される電機子巻線と、を具備する固定子と、
前記固定子を半径方向外側から覆い、前記固定子を固定するように形成されたハウジングと、
を有する同期発電機において、
前記各突出磁極部それぞれの半径方向外側に面する端面部の周方向中央部が、周方向両端よりも半径方向外側に突出するように形成されていること、
を特徴とする同期発電機。
【請求項２】
前記各突出磁極部それぞれの端面部は、周方向両端よりも周方向中央部が突出するように形成された部分円筒面で、この部分円筒面の曲率中心が前記回転子の回転中心よりも半径方外側にあるように構成されていること、
を特徴とする請求項１に記載の同期発電機。
【請求項３】
前記各突出磁極部それぞれの端面部は周方向両端が面取りされていること、を特徴とする請求項１に記載の同期発電機。
【請求項４】
前記回転子は、軸方向に積層された複数の前記内側リング状部材を有し、
前記固定子は、前記各内側リング状部材それぞれと一対となり前記各突出磁極部それぞれと対向可能な複数の外側リング状部材を有すること、
を特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の同期発電機。
【請求項５】
周方向に隣接する複数の前記固定突出部によって１つの固定突出部群が形成されて、
前記外側リング部材の内周面に、３つの前記固定突出部群が周方向に互いに間隔をあけて配列されて、周方向に隣接する前記固定突出部群同士の間隔は、前記各固定突出部群内の隣接する前記固定突出部同士の周方向間隔よりも大きくなるように形成されて、
３つの前記各固定突出部群それぞれが１相の起電力を発生させて、３群で３相起電力を発生させるように構成されていること、
を特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項の記載の同期発電機。
【請求項６】
半径方向に互いに対向する一対の前記内側リング部材および外側リング部材によって形成されるリング部材対が、軸方向に３つ積層されて１組のリング部材群を構成し、
各リング部材対が１相の起電力を発生させて、１組のリング部材群で３相起電力を発生させるように構成されていること、
を特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の同期発電機。
【請求項７】
前記固定突出部の半径方向内側に面する端面部の周方向中央部が、周方向端部両側よりも半径方向内側に突出するように形成されていること、
を特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の同期発電機。
【請求項８】
外周面から半径方向外側に向かって突出するように形成された複数の突出磁極部が周方向に互いに間隔をあけて配列されて磁性体からなる内側リング部材を有し、この内側リング状部材が軸周りを回転するように構成された回転子と、
前記回転子を半径方向外側から覆い内周面から半径方向内側に向かって突出して前記各突出磁極部それぞれと対向可能な複数の固定突出部が周方向に互いに間隔をあけて配列された外側リング状部材を備えて静磁場が形成された固定子鉄心と、前記各固定突出部それぞれに半径方向周りにコイルが巻き回されて形成される電機子巻線と、を具備する固定子と、
前記固定子を半径方向外側から覆い、前記固定子を固定するように形成されたハウジングと、
を有する同期発電機において、
前記各固定突出部それぞれの半径方向内側に面する端面部の周方向中央部が、周方向両端よりも半径方向内側に突出するように形成されていること、
を特徴とする同期発電機。
【請求項９】
前記各固定突出部それぞれには、前記電機子巻線の半径方向内側に界磁巻線が形成されていること、を特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか一項に記載の同期発電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固定子に界磁巻線を有する同期発電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の大型風車用の発電機には、永久磁石式の同期発電機が用いられているものが多い。永久磁石式の同期発電機は、一般に回転子に永久磁石が設けられて、固定子に電機子巻線を有している。この永久磁石で静磁場が形成されている。【０００３】
このような永久磁石式の同期発電機は、高価なネオジム系の永久磁石を多く用いているために、高コストなものが多い。このような高コストな永久磁石式の同期発電機に代えて、固定子に静磁場を励磁させる同期発電機を用いるものがある。このような同期発電機は、例えば特許文献１に開示されているようなものが知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−４８５８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
静磁場を励磁する同期発電機の固定子は、リング状部材の内周面に半径方向内側に突出する突出部が形成されたものがある。この突出部には、静磁場を励磁されるための界磁巻線や、起電力等を発生させる電機子巻線が設けられている。一方、回転子側は、磁性体からなるリングの外周面に半径方向に突出する磁極を有するものが多い。【０００６】
回転子が回転するときに固定子の突出部および回転子の磁極が互いに交差するときに、コギングトルクが発生することがある。このコギングトルクの値が大きくなると、騒音等の振動を発生させる。この振動は、発電効率等を低下させる要因となる。【０００７】
本発明は上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的は、静磁場を励磁する同期発電機が発電するときに発生するコギングトルクを低減させることである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するための本発明に係る同期発電機は、外周面から半径方向外側に向かって突出するように形成された複数の突出磁極部が周方向に互いに間隔をあけて配列されて磁性体からなる内側リング部材を有し、この内側リング状部材が軸周りを回転するように構成された回転子と、前記回転子を半径方向外側から覆い内周面から半径方向内側に向かって突出して前記各突出磁極部それぞれと対向可能な複数の固定突出部が周方向に互いに間隔をあけて配列された外側リング状部材を備えて静磁場が形成された固定子鉄心と、前記各固定突出部それぞれに半径方向周りにコイルが巻き回されて形成される電機子巻線と、を具備する固定子と、前記固定子を半径方向外側から覆い、前記固定子を固定するように形成されたハウジングと、を有する同期発電機において、前記各突出磁極部それぞれの半径方向外側に面する端面部の周方向中央部が、周方向両端よりも半径方向外側に突出するように形成されていること、を特徴とする。【０００９】
また、本発明に係る同期発電機は、外周面から半径方向外側に向かって突出するように形成された複数の突出磁極部が周方向に互いに間隔をあけて配列されて磁性体からなる内側リング部材を有し、この内側リング状部材が軸周りを回転するように構成された回転子と、前記回転子を半径方向外側から覆い内周面から半径方向内側に向かって突出して前記各突出磁極部それぞれと対向可能な複数の固定突出部が周方向に互いに間隔をあけて配列された外側リング状部材を備えて静磁場が形成された固定子鉄心と、前記各固定突出部それぞれに半径方向周りにコイルが巻き回されて形成される電機子巻線と、を具備する固定子と、前記固定子を半径方向外側から覆い、前記固定子を固定するように形成されたハウジングと、を有する同期発電機において、前記各固定突出部それぞれの半径方向内側に面する端面部の周方向中央部が、周方向両端よりも半径方向内側に突出するように形成されていること、を特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、静磁場を励磁する同期発電機が発電するときに発生するコギングトルクを低減させることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る同期発電機の固定子および回転子の一部を軸方向からみて周方向を直線的に展開して示す模式的正面図である。
【図２】図１の同期発電機の固定子および回転子等を回転軸方向に展開した状態を示す概略斜視図であって、（ａ）は回転子、（ｂ）は固定子、（ｃ）はハウジング、（ｄ）は同期発電機が組み上がった状態を示している。
【図３】図２の固定子に形成された固定子鉄心に形成された電機子巻線および界磁巻線等の一組を取り出して示す概略斜視図である。
【図４】図２の回転子の一部を示す概略斜視図である。
【図５】図２の同期発電機で、３相起電力を発生させる例を示す正面図である。
【図６】従来の回転子の一部を示す概略斜視図である。
【図７】図５の回転子を用いたときに、回転子が回転しているときの時間と電機子電圧の関係を示すグラフである。
【図８】図６の回転子を用いたときに、回転子が回転しているときの時間と電機子電圧の関係を示すグラフである。
【図９】本発明の第２の実施形態に係る同期発電機の固定子および回転子の一部を軸方向からみて周方向を直線的に展開して示す模式的正面図である。
【図１０】本発明の第３の実施形態に係る同期発電機の固定子および回転子の一部を軸方向からみて周方向を直線的に展開して示す模式的正面図である。
【図１１】本発明の第４の実施形態に係る同期発電機を示す概略斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明に係る同期発電機の実施形態について、図面を参照して説明する。
【００１３】
［第１の実施形態］
本発明に係る第１の実施形態について、図１〜図８を用いて説明する。図１は、本実施形態に係る同期発電機の固定子２０および回転子１０の一部を軸方向からみて周方向を直線的に展開して示す模式的正面図である。図２は、図１の同期発電機の固定子２０および回転子１０等を回転軸方向に展開した状態を示す概略斜視図である。図３は、図１の同期発電機の固定子２０および回転子１０等を回転軸方向に展開した状態を示す概略斜視図であって、（ａ）は回転子１０、（ｂ）は固定子２０、（ｃ）はハウジング３０、（ｄ）は同期発電機が組み上がった状態を示している。図４は、図２の回転子１０の一部を示す概略斜視図である。図５は、図２の同期発電機で、３相起電力を発生させる例を示す正面図である。
【００１４】
図６は、従来の回転子１０の一部を示す概略斜視図である。図７は、図５の回転子１０を用いたときに、回転子１０が回転しているときの時間と電機子電圧の関係を示すグラフである。図８は、図６の回転子１０を用いたときに、回転子１０が回転しているときの時間と電機子電圧の関係を示すグラフである。
【００１５】
先ず、本実施形態の同期発電機の構成について説明する。
【００１６】
本実施形態の同期発電機は、図２に示すように、水平な軸７０周りを回転可能なリング状の回転子鉄心１６を有する回転子１０と、この回転子１０を半径方向外側から覆う固定子２０と、この固定子２０を半径方向外側から覆い固定子２０を固定するためのハウジング３０と、を有する。
【００１７】
回転子鉄心１６は、例えばケイ素鋼板等の磁性体からなり、水平な軸周りを回転可能に構成されたリング状の部材である。この回転子鉄心１６の外周面には、半径方向外側に向かって突出するように複数の突出磁極部１２が形成されている。これらの突出磁極部１２は、周方向に互いに間隔をあけて配列されている。突出磁極部１２同士の各間隔は、等間隔になるように構成されている。突出磁極部１２については、後で説明する。
【００１８】
また、回転子１０の内側には、水平な軸周りを回転する回転軸（図示せず）が配置されている。回転子１０は、この回転軸に固定されて、当該回転軸と共に回転する。
【００１９】
固定子２０は、固定子鉄心２２と、この固定子鉄心２２に配置された電機子巻線２６と、この電機子巻線２６の付近に配置された界磁巻線２５と、を有する。
【００２０】
この固定子鉄心２２は、ケイ素鋼板等の磁性体からなるリング状の部材で、回転子１０を半径方向外側から覆うように構成されている。この固定子鉄心２２の内周面には、半径方向内側に向かって突出する複数の固定突出部２４が形成されている。これらの固定突出部２４は、周方向に互いに間隔をあけて配列されて、回転子１０の各突出磁極部１２それぞれと対向可能である。ここで、隣接する固定突出部２４それぞれと軸７０とにより形成される中心角は、隣接する突出磁極部１２それぞれと軸７０とにより形成される中心角と等しくなるように構成されている。
【００２１】
この固定子鉄心２２は、固定突出部２４毎に分割可能に構成されている。すなわち、当該固定子鉄心２２は、図３に示す固定突出部２４を含む部材が周方向に複数配列されて、１つのリングを構成している。
【００２２】
これらの各固定突出部２４それぞれには、突出方向（半径方向）周りにコイルが巻き回されて形成された界磁巻線２５が設けられている。この界磁巻線２５に直流電流を流すことによって、固定子２０に静磁場が形成される。本実施形態では、磁束の方向が図１に示す矢印Ａになるような静磁場が形成されている。
【００２３】
また、この固定突出部２４には、界磁巻線２５よりも半径方向内側に電機子巻線２６が設けられている。この電機子巻線２６は、界磁巻線２５と同様に、半径方向周りにコイルが巻き回されて形成されている。この電機子巻線２６によって起電力等を発生するように構成される。
【００２４】
これらの各固定突出部２４の半径方向内側に面する内側先端面２９は、各突出磁極部１２の半径方向外側に面する外側先端面１４と半径方向に互いに所定の間隔を保つように配置されている。
【００２５】
また、詳細な図示は省略しているが、固定子２０は上述したようにハウジング３０によって固定されている。
【００２６】
回転子１０の各突出磁極部１２それぞれの外側先端面１４は、周方向中央部が周方向両端よりも半径方向外側に突出するように形成されている。本実施形態の外側先端面１４は、図１および図４に示すように、周方向両端よりも周方向中央が半径方向に突出する部分円筒面が形成されている。この部分円筒面の曲率の中心は、回転子１０の回転中心、すなわち軸７０よりも半径方向外側にあるように構成されている。
【００２７】
続いて、上記のように構成された回転子１０および固定子２０等で、３相の起電力を発生させる構成について説明する。
【００２８】
図５に示すように、周方向に隣接配列された１０個の固定突出部２４が１つの固定突出部２４群を構成している。この例では、３つの固定突出部２４群、すなわち、第１固定突出部群４１、第２固定突出部群４２、および第３固定突出部群４３、を有している。
【００２９】
第１〜第３固定突出部群４１、４２、４３は、互いに周方向間隔をあけて配列されている。この周方向間隔が、互いに隣接する固定突出部２４同士の間隔よりも大きくなるように、第１〜第３固定突出部群４１、４２、４３を配置している。第１〜第３固定突出部群４１、４２、４３それぞれが１相の起電力を発生させて、第１〜第３固定突出部群４１、４２、４３で３相起電力を発生する。
【００３０】
次に、本実施形態の作用について説明する。
【００３１】
回転子１０が回転すると、すなわち図１に示す矢印Ｒの方向に回転子１０が移動すると、各突出磁極部１２それぞれの各外側先端面１４が、各固定突出部２４それぞれの各内側先端面２９に、互いに交差しながら移動する。
【００３２】
ここで１つの突出磁極部１２の外側先端面１４が、各固定突出部２４それぞれと半径方向に交差するように移動する例について説明する。この場合、図１の矢印Ｒの方向に突出磁極部１２が移動して、矢印Ｒの方向に各固定突出部２４と交差する。
【００３３】
先ず、回転方向（図１の矢印Ｒが示す方向）側の外側先端面１４の端部近傍が、内側先端面２９の一方の端部と半径方向に重なる。このとき、当該外側先端面１４の周方向中央部は、内側先端面２９と半径方向に重なっていない。
【００３４】
この状態から、外側先端面１４が回転方向に移動すると、外側先端面１４の周方向中央部が当該内側先端面２９に半径方向にほぼ重なる状態になる。このときは、外側先端面１４および内側先端面２９が互いに対向している。さらに、回転子１０が回転して外側先端面１４が回転方向に移動すると、当該周方向中央部は、外側先端面１４の回転方向と反対側の端部近傍が、内側先端面２９に重なる。
【００３５】
この後に、外側先端面１４は、内側先端面２９に対して周方向位置が互いに異なる位置に移動する。すなわち、当該突出磁極部１２は、隣接する固定突出部２４の間にある状態になる。この後に、次に半径方向に重なる固定突出部２４に近づくように移動する。
【００３６】
電機子電圧は、外側先端面１４および内側先端面２９同士の距離に応じて変化する。本実施形態の部分円筒面の突出磁極部１２の場合には、電機子電圧は、図７に示すように変化する。この電機子電圧が最大になるときは、突出磁極部１２の外側先端面１４が固定突出部２４の内側先端面２９と半径方向に重なっているときに対応し、最小になるときは、突出磁極部１２が隣接する固定突出部２４同士の間にあるときに対応する。
【００３７】
ここで、回転子１０の突出磁極部１２の外側先端面１４が平坦な場合を、本実施形態の比較例として説明する。
【００３８】
図６に示すように、外側先端面１４が平坦な面の場合には、電機子電圧は図８に示すように変化する。この場合、外側先端面１４の周方向端部が、内側先端面２９に重なり始めるときに、外側先端面１４および内側先端面２９同士の距離が急激に小さくなる。このため、電機子電圧の波形は、ゼロ付近の傾斜が急である。
【００３９】
これに対して、本実施形態は、図５に示すように外側先端面１４の周方向中央部よりも周方向端部が半径方向内側にあるために、外側先端面１４および内側先端面２９が互いに重なり始めるときに、互いの距離が比較例に比べて急激に小さくなることが抑制される。
【００４０】
このため、図７に示す波形は、図８に示す波形に比べて、電機子電圧がゼロ付近の傾斜が緩やかになり、図８の例よりも図７（本実施形態）の方が、より正弦波に近い波形となる。
【００４１】
このように電機子電圧の急激な変化を抑制することによって、同期発電機のコギングトルクを抑制することが可能になる。
【００４２】
以上の説明からわかるように本実施形態によれば、回転子１０の突出磁極部１２の外側先端面１４を部分円筒面にすることによって、電機子電圧の波形が正弦波に近くなる。これにより、同期発電機のコギングトルクを抑制することが可能になる。
【００４３】
［第２の実施形態］
本発明に係る同期発電機の第２の実施形態について、図９を用いて説明する。図９は、本実施形態に係る同期発電機の固定子２０および回転子１０の本実施形態に係る同期発電機の固定子２０および回転子１０の一部を軸方向からみて周方向を直線的に展開して示す模式的正面図である。なお、本実施形態は、第１の実施形態の変形例であって、第１の実施形態と同一部分または類似部分には、同一符号を付して、重複説明は省略する。
【００４４】
本実施形態では、固定子２０に形成された固定突出部２４の内側先端面２９に、第１の実施形態と同様に、部分凸円筒面が形成されている。外側先端面１４は、ほぼ平坦な面が形成されている。
【００４５】
本実施形態によれば、第１の実施形態と同様に、コギングトルクを低減することができる。
【００４６】
［第３の実施形態］
本発明に係る同期発電機の第３の実施形態について、図１０を用いて説明する。図１０は、本実施形態に係る同期発電機の固定子２０および回転子１０の本実施形態に係る同期発電機の固定子２０および回転子１０の一部を軸方向からみて周方向を直線的に展開して示す模式的正面図である。なお、本実施形態は、第１の実施形態の変形例であって、第１の実施形態と同一部分または類似部分には、同一符号を付して、重複説明は省略する。
【００４７】
本実施形態は、第１の実施形態の特徴と、第２の実施形態の特徴とを、互いに組み合わせたものである。すなわち、外側先端面１４および内側先端面２９それぞれに、部分凸円筒面が形成されている。
【００４８】
これにより、第１および第２の実施形態と同様に、コギングトルクを低減させることが可能になる。
【００４９】
［第４の実施形態］
本発明に係る同期発電機の第４の実施形態について、図１１を用いて説明する。図１１は、本実施形態に係る同期発電機の固定子２０および回転子１０の本実施形態に係る同期発電機の固定子２０および回転子１０の一部を軸方向からみて周方向を直線的に展開して示す模式的正面図である。なお、本実施形態は、第１の実施形態の変形例であって、第１の実施形態と同一部分または類似部分には、同一符号を付して、重複説明は省略する。
【００５０】
本実施形態では、第１の実施形態で説明した図２に示す固定子２０および回転子１０の組合せを、軸方向に３層配列して、第１発電機層５１、第２発電機層５２および第３発電機層５３を有する同期発電機を構成している。各層それぞれが１相に相当する起電力を発生させて、第１〜第３発電機層５１、５２、５３で３相起電力を発生させるように構成されている。
【００５１】
これにより、第１の実施形態の効果に加え、より大きい起電力を得やすくなる。
【００５２】
［その他の実施形態］
上記実施形態の説明は、本発明を説明するための例示であって、特許請求の範囲に記載の発明を限定するものではない。また、本発明の各部構成は上記実施形態に限らず、特許請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能である。
【００５３】
例えば、第４の実施形態の特徴と、第２の実施形態の特徴または第３の実施形態の特徴とを組み合わせてもよい。
【００５４】
また、固定子２０に界磁巻線２５を設けることによって静磁場を形成しているが、これに限らない。例えば比較的小型のものであれば、永久磁石を配置することも可能である。
【００５５】
また、上記の実施形態では、外側先端面１４および内側先端面２９は、部分円筒面であるがこれに限らない。例えば、周方向両端を面取りしてもよい。
【符号の説明】
【００５６】
１０…回転子、１２…突出磁極部、１４…外側先端面、１６…回転子鉄心、２０…固定子、２２…固定子鉄心、２４…固定突出部、２５…界磁巻線、２６…電機子巻線、２９…内側先端面、３０…ハウジング、４１…第１固定突出部群、４２…第２固定突出部群、４３…第３固定突出部群、５１…第１発電機層、５２…第２発電機層、５３…第３発電機層
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2011036723.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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【国際調査報告】
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2011036723.tif 000015
2011036723.tif 000016
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