(57)【要約】【課題】機械的に簡単に実現することができ、かつ回転子アセンブリに作用する軸方向の力の発生を減じる。【解決手段】電気機械変換器のための回転子アセンブリであって、該回転子アセンブリ（１５０，２５０）は、機械的支持構造体（２５２）と、磁石配列（２６０，４６０，５６０，６６０ａ−ｃ，７６０ａ−ｂ，８６０ａ−ｂ）と、を備え、該磁石配列は、第１の磁性構成部材（２７０，４７０ａ，５７０ａ）と、第２の磁性構成部材（２７０，４７０ｂ，５７０ｂ）と、を備え、第１の磁性構成部材と、第２の磁性構成部材とは、機械的支持構造体に取り付けられており、回転子アセンブリの軸方向（Ｚ）に沿って配置されており、軸方向に関して、第１の磁性構成部材の第１の横断面が、第１の形状を有しており、第２の磁性構成部材の第２の横断面が、第１の形状とは異なる第２の形状を有している。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気機械変換器のための回転子アセンブリであって、該回転子アセンブリ（１５０，２５０）は、
機械的支持構造体（２５２）と、
磁石配列（２６０，４６０，５６０，６６０ａ−ｃ，７６０ａ−ｂ，８６０ａ−ｂ）と、を備え、該磁石配列（２６０，４６０，５６０，６６０ａ−ｃ，７６０ａ−ｂ，８６０ａ−ｂ）は、
（ｉ）第１の磁性構成部材（２７０，４７０ａ，５７０ａ）と、
（ｉｉ）第２の磁性構成部材（２７０，４７０ｂ，５７０ｂ）と、を備え、
前記第１の磁性構成部材（２７０，４７０ａ，５７０ａ）と、前記第２の磁性構成部材（２７０，４７０ｂ，５７０ｂ）とは、前記機械的支持構造体（２５２）に取り付けられており、前記回転子アセンブリ（１５０，２５０）の軸方向（Ｚ）に沿って配置されており、
前記軸方向（Ｚ）に関して、
（ａ）前記第１の磁性構成部材（２７０，４７０ａ，５７０ａ）の第１の横断面が、第１の形状を有しており、
（ｂ）前記第２の磁性構成部材（２７０，４７０ｂ，５７０ｂ）の第２の横断面が、前記第１の形状とは異なる第２の形状を有していることを特徴とする、回転子アセンブリ。
【請求項２】
前記第１の形状は、幾何学的に不整な第１の形状であり、かつ／または
前記第２の形状は、幾何学的に不整な第２の形状である、請求項１記載の回転子アセンブリ。
【請求項３】
前記磁石配列は、所定の輪郭を有する組付け構造体（３７２）を有しており、
前記機械的支持構造体（２５２）は、前記輪郭に対して相補的な輪郭を有する相補的な組付け構造体（３５４ａ）を有しており、
前記相補的な輪郭は、前記輪郭に係合する、請求項１または２記載の回転子アセンブリ。
【請求項４】
前記輪郭および／または前記相補的な輪郭は、鳩尾状に形成されている、請求項３記載の回転子アセンブリ。
【請求項５】
前記磁石配列（７６０ａ−ｂ，８６０ａ−ｂ）は、一体的な
形式で実現されている、請求項１から４までのいずれか１項記載の回転子アセンブリ。
【請求項６】
前記第１の磁性構成部材（２７０，４７０ａ，５７０ａ）および前記第２の磁性構成部材（２７０，４７０ｂ，５７０ｂ）は、別個の磁石片である、請求項１から４までのいずれか１項記載の回転子アセンブリ。
【請求項７】
前記第１の磁性構成部材（２７０，４７０ａ，５７０ａ）および／または前記第２の磁性構成部材（２７０，４７０ｂ，５７０ｂ）は、前記軸方向（Ｚ）で一定の横断面形状を有している、請求項１から６までのいずれか１項記載の回転子アセンブリ。
【請求項８】
前記第１の磁性構成部材（９７０ａ−ｄ）および／または前記第２の磁性構成部材（９７０ａ−ｄ）は、前記軸方向（Ｚ）で変化する横断面形状を有している、請求項１から６までのいずれか１項記載の回転子アセンブリ。
【請求項９】
前記磁石配列（４６０）は、少なくとも１つの別の磁性構成部材（４７０ｂ）を有しており、該少なくとも１つの別の磁性構成部材（４７０ｂ）は、
（ａ）前記機械的支持構造体（２５２）に取り付けられており、
（ｂ）前記第１の磁性構成部材（４７０ａ）および前記第２の磁性構成部材（４７０ｃ）に関して前記軸方向（Ｚ）に沿って配置されており、かつ
（ｃ）前記第１の磁性構成部材（４７０ａ）と前記第２の磁性構成部材（４７０ｃ）との間に配置されており、前記軸方向（Ｚ）に関して、前記少なくとも１つの別の磁性構成部材（４７０ｂ）の第３の横断面は、第３の形状を有しており、該第３の形状は、少なくとも前記第２の形状とは異なっている、請求項１から８までの１項記載の回転子アセンブリ。
【請求項１０】
前記第２の磁性構成部材に関して、前記磁石配列は、前記軸方向に沿って対称性を有している、請求項９記載の回転子アセンブリ。
【請求項１１】
固定子アセンブリ（１４０）と、請求項１から１０までのいずれか１項記載の回転子アセンブリ（１５０）を備えることを特徴とする、電気機械変換器（１３０）。
【請求項１２】
電力を生成するための風力タービン（１００）であって、該風力タービン（１００）は、
タワー（１２０）と、
該タワー（１２０）の上端部に配置されたナセル（１２２）と、
該ナセル（１２２）の前端部に配置され、少なくとも１つのブレード（１１４）を備えるロータ（１１０）と、
請求項１１記載の電気機械変換器（１３０）と
を備え、
前記電気機械変換器（１３０）は、前記ロータ（１１０）に機械的に連結されていることを特徴とする、風力タービン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、永久磁石を有する回転子を備えた電気機械変換器の技術分野に関し、特に本発明は、同期機のような電気機械変換器用の回転子アセンブリに関する。さらに本発明は、そのような回転子アセンブリを備えた電気機械変換器と風力タービンとに関する。
【背景技術】
【０００２】
電気機械変換器は、電気エネルギを機械エネルギに変換するか、機械エネルギを電気エネルギに変換する機械である。電動モータは、磁束鎖交を用いて電気エネルギを機械エネルギに変換する、幅広く使用されている電気機械変換器である。発電機は、やはり磁束鎖交を用いて機械エネルギを電気エネルギに変換する電気機械変換器である。
【０００３】
電気機械変換器は、固定子と回転子とを有している。固定子は、電気機械変換器の不動の部分を成すアセンブリである。回転子は、電気機械変換器の可動の部分を成すアセンブリである。
【０００４】
磁束鎖交を実現するためには、特に電気機械変換器の回転子のために永久磁石が使用され得る。近年、特に希土類磁石材料の採用以後、永久磁石（ＰＭ）電気機械変換器が一般的となった。なぜならば、永久磁石（ＰＭ）電気機械変換器は、従来の直流（ＤＣ）電気機械変換器において一般的に使用されているような整流器およびブラシの必要性を除外するからである。外部からの電気的な回転子の励磁がないことは、回転子における損失をなくし、永久磁石電気機械変換器をより効率的にする。さらに、ＰＭ電気機械変換器のブラシレスの設計は、導体コイルが専ら不動の固定子内に配置されることを可能にする。これに関して、整流器とブラシを備えた、永久磁石を用いない電気機械変換器では、保守費用が著しく高くなりやすいことに注意されたい。
【０００５】
ＰＭ電気機械変換器は、その耐久性、可制御性、および、電気スパークがないことでも知られている。その利点により、ＰＭ電気機械変換器は、たとえば電気的な乗り物（電気機械変換器はモータである）またはたとえば風力タービンの発電システム（電気機械変換器は発電機である）のような多くの用途において幅広く利用されている。
【０００６】
ＰＭ電気機械変換器の１つの技術的な問題は、コギングトルクである。コギングトルクは、ＰＭ電気機械変換器の運転中に、永久磁石を組み付けられた回転子と固定子との間で、回転子磁石の「鋭利なエッジ」と、固定子コイルとが向き合うことにより発生する。コギングトルクは、電気機械変換器における出力リップル（トルクリップルとも呼ばれる）、振動および騒音の一因となるという望ましくない効果を有している。
【０００７】
回転子磁石のスキューは、永久磁石機械におけるコギングトルクを減じるか、ほぼなくすことができることが知られている。たとえば米国特許登録６８６７５２４号明細書は、永久磁石モータを開示している。永久磁石モータは、少なくとも３つのセグメントを備えた回転子を有している。３つのセグメントはそれぞれ、連続的に隣接して、回転子の軸線に沿って整列されている。各セグメントは、少なくとも１つの永久磁石対を有しており、該永久磁石対は、ほぼ同一の間隔で回転子の周方向に配置されている。第１および第２のセグメントは、互いに対して相対的に第１の角度変位量だけ傾斜されており、第１のセグメントおよび第３のセグメントは、互いに対して相対的に第２の角度変位量だけ傾斜されている。第１および第２の角度変位量は、各セグメントにより生成されるトルクリップルの合計が、モータの運転中にほぼゼロと等しくなるように選択されている。
【０００８】
しかし、電気機械変換器のための回転子アセンブリの機械的な支持構造において永久磁石のスキューされた、つまり傾斜された配列を実現する場合、正しい機械的な組付けおよび永久磁石の整列は、困難であり時間を消耗する。
【０００９】
スキューされた、つまり傾斜された永久磁石のさらなる欠点は、大抵のスキューパターンが、不所望の軸方向の力を回転子アセンブリにもたらすという事実である。このような軸方向の力は、音響的な騒音、振動挙動および軸受けの寿命にとって有害である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】米国特許登録６８６７５２４号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
機械的に簡単に実現することができ、かつ永久磁石電気機械の運転中に回転子アセンブリに作用する軸方向の力の発生を減じることができる永久磁石電気機械用の回転子アセンブリを提供する需要がある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
この課題を解決した本発明に係る電気機械変換器のための回転子アセンブリでは、該回転子アセンブリは、機械的支持構造体と、磁石配列と、を備え、磁石配列は、（ｉ）第１の磁性構成部材と、（ｉｉ）第２の磁性構成部材と、を備え、第１の磁性構成部材と、第２の磁性構成部材とは、機械的支持構造体に取り付けられており、回転子アセンブリの軸方向に沿って配置されており、軸方向に関して、（ａ）第１の磁性構成部材の第１の横断面が、第１の形状を有しており、（ｂ）第２の磁性構成部材の第２の横断面が、第１の形状とは異なる第２の形状を有しているようにした。
【００１３】
本発明の有利な態様では、第１の形状は、幾何学的に不整な第１の形状であり、かつ／または第２の形状は、幾何学的に不整な第２の形状である。
【００１４】
本発明の有利な態様では、磁石配列は、所定の輪郭を有する組付け構造体を有しており、機械的支持構造体は、前記輪郭に対して相補的な輪郭を有する相補的な組付け構造体を有しており、相補的な輪郭は、前記輪郭に係合する。
【００１５】
本発明の有利な態様では、輪郭および／または相補的な輪郭は、鳩尾状に形成されている。
【００１６】
本発明の有利な態様では、磁石配列は、モノリシックな形式で実現されている。
【００１７】
本発明の有利な態様では、第１の磁性構成部材および第２の磁性構成部材は、別個の磁石片である。
【００１８】
本発明の有利な態様では、第１の磁性構成部材および／または第２の磁性構成部材は、軸方向で一定の横断面形状を有している。
【００１９】
本発明の有利な態様では、第１の磁性構成部材および／または第２の磁性構成部材は、軸方向に沿って変化する横断面形状を有している。
【００２０】
本発明の有利な態様では、磁石配列は、少なくとも１つの別の磁性構成部材を有しており、該少なくとも１つの別の磁性構成部材は、（ａ）機械的支持構造体に取り付けられており、（ｂ）第１の磁性構成部材および第２の磁性構成部材に関して軸方向に沿って配置されており、かつ（ｃ）第１の磁性構成部材と第２の磁性構成部材との間に配置されており、軸方向に関して、少なくとも１つの別の磁性構成部材の第３の横断面は、第３の形状を有しており、該第３の形状は、少なくとも第２の形状とは異なっている。
【００２１】
本発明の有利な態様では、第２の磁性構成部材に関して、磁石配列は、軸方向に沿って対称性を有している。
【００２２】
上記課題を解決した本発明に係る電気機械変換器は、固定子アセンブリと、上述の回転子アセンブリを備えている。
上記課題を解決した本発明に係る、電力を生成するための風力タービンは、タワーと、タワーの上端部に配置されたナセルと、ナセルの前端部に配置され、少なくとも１つのブレードを備えるロータと、上述の電気機械変換器とを備え、電気機械変換器は、ロータに機械的に連結されている。
【発明の効果】
【００２３】
上記課題は、独立請求項に記載の対象により解決される。本発明の有利な実施の形態は従属請求項に記載されている。
【００２４】
本発明に第１の態様によれば、電気機械変換器のための回転子アセンブリが提供される。提供された回転子アセンブリは、（ａ）機械的支持構造体と、（ｂ）磁石配列とを備え、該磁石配列は、（ｂ１）第１の磁性構成部材と、（ｂ２）第２の磁性構成部材とを有し、第１の磁性構成部材と第２の磁性構成部材とは機械的支持構造体に取り付けられており、回転子アセンブリの軸方向に沿って配置されている。軸方向に関して、（ｉ）第１の磁性構成部材の第１の横断面は第１の形状を有しており、（ｉｉ）第２の磁性構成部材の第２の横断面は第２の形状を有しており、該第２の形状は第１の形状とは異なっている。
【００２５】
説明された回転子アセンブリは、軸方向に沿って磁石配列を成形することにより、説明された回転子アセンブリが組み付けられている電気（同期）機械のコギングトルクおよびトルクリップルを簡単かつ効果的に減じることができるというアイディアに基づいている。これに関して、「軸方向に沿って磁石配列を成形する」とは、磁石配列の横断面形状および／または横断面サイズが軸方向に沿って変化することを意味している。横断面サイズの変化は、好適には、支持構造体の１つの（長手方向）スロット内に挿入された第１の磁石配列だけでなく、支持構造体の１つの特定の（長手方向）スリット内に挿入された少なくとも２つの、好適には全ての磁石配列により実現される。したがって、各スロットは、好適には軸方向に対して平行に方向付けられている。このことは、磁性構成部材のスキューが設けられていないことを意味している。
【００２６】
しかし、支持構造体の製造のためのさらなる努力にも拘わらず、（軸方向に沿った磁石配列の成形に加えて）たとえば磁石配列のためのよく知られたスキュー構造を実現するために、スロットの軸方向に関して僅かに傾斜された配向が可能である。このような付加的なスキューは、コギングトルクおよびトルクリップルの減少にさらに寄与する。
【００２７】
本明細書では、「軸方向」は、回転子アセンブリの回転軸線が、電気機械における運転中に周りを回転する方向に関する。
【００２８】
「軸方向に関して」とは、特に、第１の横断面の（第１の横断面積の）第１の法線ベクトルと、第２の横断面の（第２の横断面積の）第２の法線ベクトルとが、軸方向に対して平行に整列されていることを意味している。言い換えると、２つの横断面のうちのそれぞれ１つの横断面を生じさせる切断面が、軸方向に対して垂直方向に向けられている。
【００２９】
磁石配列または磁性構成部材は、有利には支持構造体に、長手方向スロット内への係合により取り付けられている。したがって、既に上述したように、長手方向スロットは、好適には軸方向に対して平行に整列され得るか、軸方向に対して択一的には僅かに傾斜されていてもよい。係合は、適切なアンダカットにより実現され得る。このアンダカットに、各磁石配列が係合することができる。したがって、係合は、直接に磁石配列もしくは磁性構成部材の磁性の材料と、アンダカットとの間で実現される。しかし、好適には、係合は、磁石配列もしくは磁性構成部材の少なくとも１つの適切な支持プレートにより間接的に実現され得る。
【００３０】
本発明の態様によれば、第１の形状が、幾何学的に不整な第１の形状であり、かつ／または第２の形状が、幾何学的に不整な第２の形状である。
【００３１】
これに関して、「幾何学的に不整な（irregular）形状」とは、特に、各形状が、対称軸線を有していないことを意味している。このような対称軸線に関して、「幾何学的に正の(regular)形状」は軸対称性を示す。
【００３２】
第１の横断面および／または第２の横断面が四角形である場合、「幾何学的に不整な形状」は、四角形の少なくとも２つの内角が互いに対して異なっており、かつ四角形の第３または第４の角度に関しても異なっていることを意味している。さらに四角形の「幾何学的に不整な形状」とは、４辺全てが異なる長さを有していることを意味している。
【００３３】
第１の横断面および／または第２の横断面が三角形である場合、「幾何学的に不整な形状」は、三角形の全ての角が互いに異なっていることを意味している。
【００３４】
説明すると、第１の形状および／または第２の形状が幾何学的に不整な形状である場合、磁石配列は、軸方向に沿って成形されるだけではなく、周方向に沿っても成形されている。このことは、コギングトルクおよび／またはトルクリップルのさらなる減少をもたらす。
【００３５】
これに関して、第１の横断面および／または第２の横断面が、四角形または三角形とは別の形状を有していることが指摘される。つまりＮ個の角を有する形状が可能であり、この場合Ｎは、４よりも大きな整数である。
【００３６】
さらに、第１の横断面および／または第２の横断面は、専ら直線によって画定されているのではなく、少なくとも１つの曲線により画定されている形状を有していてもよい。このことは、第１の磁性構成部材および／または第２の磁性構成部材が、曲線的な表面を有していてもよいことを意味している。好適には、この曲線的な表面は、機械的支持構造体とは反対に向けられた、磁石配列の一方の面に設けられている外側の曲線的な表面である。
【００３７】
本発明の別の態様によれば、磁石配列は、所定の輪郭を有する組付け構造体を有していて、機械的支持構造体は、該輪郭に関して相補的な輪郭を有する相補的な組み付け構造体を有している。相補的な輪郭は、前記輪郭に係合する。このことは、磁石配列と機械的支持構造体とが、確実な形式で、たとえばドライバまたはスパナのような特別な道具を用いることなしに互いに対して機械的に接続され得るという利点を提供することができる。さらに、形成された機械的な接続は、取外し可能である。このことは、１つまたは複数の磁性構成部材が別の磁性構成部材に交換されなければならない場合に極めて重視され得る。
【００３８】
回転子アセンブリの製造時に、磁性構成部材は、スライド式に、機械的支持構造体の溝内に挿入されるか、または突起に載置され得る。この場合、溝または突起は、好適には回転子アセンブリの軸方向に延びている。
【００３９】
本発明の別の態様によれば、前記輪郭および／または相補的な輪郭は、鳩尾形（蟻継ぎ）に形成されている。このことは、磁性構成部材が、支持構造体に正確に整合され得るという利点を提供する。さらに鳩尾形状または別の類似の幾何学形状は、回転子アセンブリの機械的支持構造体と磁性構成部材との機械的に確実な固定を保証することができる。
【００４０】
本発明の別の態様によれば、磁石配列は、モノリシックな形式で実現されている。
【００４１】
言い換えると、第１の磁性構成部材と第２の磁性構成部材とは、１つの共通の磁性のブロックとして形成されている。このことは、少なくとも２つの磁性構成部材を個別にまたは別個に扱う必要がないので、機械的支持構造体のと、第１の磁性構成部材および第２の磁性構成部材との組付けが容易にされるという利点を提供する。
【００４２】
本発明の別の態様によれば、第１の磁性構成部材および第２の磁性構成部材は、別個の磁石片または磁石エレメントである。このことは、磁石配列が、シンプルかつ簡単な形式で実現されかつ製造され得るという利点を提供することができる。したがって、第１の磁性構成部材および／または第２の磁性構成部材は、モノリシックな形式で形成されていてよい。これに関して、モノリシックに実現することが、単に、各磁性構成部材の磁性の材料にのみ適用され、当然ながら各磁性構成部材は、別のエレメント、たとえばベースプレートを有していてよい。このベースプレートに磁性の材料が（たとえば接着剤で）取り付けられる。
【００４３】
本発明の別の態様によれば、第１の磁性構成部材および／または第２の磁性構成部材は、軸方向で一定の横断面形状を有している。このことは、各磁性構成部材の製造が容易にされるという利点を提供することができる。
【００４４】
本発明の別の態様によれば、第１の磁性構成部材および／または第２の磁性構成部材は、軸方向に沿って変化する横断面形状を有している。このことは、軸方向に沿った磁石配列の磁性の材料の鋭利なエッジが回避され得るという利点を提供することができる。結果として、コギングトルクおよび／またはトルクリップルがさらに減じられる。
【００４５】
本発明の別の態様では、磁石配列は、さらに、少なくとも１つの別の磁性構成部材を有している。この場合、別の磁性構成部材は、（ａ）機械的支持構造体に取り付けられており、（ｂ）第１の磁性構成部材および第２の磁性構成部材に関して軸方向に沿って配置されており、（ｃ）第１の磁性構成部材および第２の磁性構成部材の間に配置されている。軸方向に関して、少なくとも１つの別の磁性構成部材の第３の横断面は、第３の形状を有しており、該第３の形状は、少なくとも第２の形状とは異なっている。このことは、軸方向に関する磁石配列の成形が、より可変な形式で実現されるということを意味している。結果として、コギングトルクおよび／またはトルクリップルはさらに減じられ得る。
【００４６】
本発明の別の態様によれば、第２の磁性構成部材に関して、磁石配列は、軸方向に沿った対称性を有している。
【００４７】
言い換えると、第１の磁性構成部材および別の磁性構成部材は、同一の形状を有していてよい。結果として、磁石配列または回転子アセンブリ全体を構成するために、互いに異なる磁性構成部材の個数を最小限に維持することができる。このことは、回転子アセンブリの製造を、特に製品の必要なストックのようなロジスティックな観点に関して、容易にする。
【００４８】
本発明の別の態様によれば、電気機械変換器が提供される。提供された電気機械変換器は、（ａ）固定子アセンブリと、（ｂ）上述の回転子アセンブリとを有している。
【００４９】
提供された電気機械変換器は、上述の回転子アセンブリに関する構想に基づいている。回転子アセンブリは、少なくとも１つの磁石配列を有しており、該磁石配列は、軸方向に沿った、かつ択一的には周方向に沿って成形された構成を有しており、コギングトルクおよび／またはトルクリップルにより形成される出力リップルは著しく減じられる。
【００５０】
説明された電気機械変換器は、同期機であってよく、特に同期電気発電機であってよい。
【００５１】
本発明の別の態様によれば、電力を形成する風力タービンが提供される。提供された風力タービンは、（ａ）タワーと、（ｂ）該タワーの上端部に配置されたナセルと、（ｃ）該ナセルの前端部に配置され、かつ少なくとも１つのブレードを有するロータと、（ｄ）上述の電気機械変換器とを有している。電気機械変換器は、機械的にロータに連結されている。
【００５２】
本発明の態様は、種々異なる主題に関して説明される。特に幾つかの態様は、回転子アセンブリに関する装置クレームを参照に説明されるのに対して、別の態様は、電気機械変換器および風力タービンに向けられた装置クレームに関して説明される。しかし、当業者であれば、上述および以下の説明から組み合わせることができる。別の記載がない限り、１つの種類の対象に所属する特徴の組合せに対して付加的に、互いに異なる対象に関する特徴のあらゆる組合せも、本明細書に開示されているものとみなされる。
【００５３】
上述の態様および本発明の別の態様は、以下に説明する例示的な実施の形態から明らかとなり、例示的な実施の形態を参照しながら説明される。本発明を、例示的な実施の形態を参照にして詳しく説明するが、本発明にこれに限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の実施の形態による風力タービンを示す図である。
【図２】回転子アセンブリの機械的支持構造体が周方向に沿って展開されている状態で回転子アセンブリを示す図である。
【図３】ａ〜ｃは、機械的支持構造体のスロット内への磁性構成部材の係合取付け部分を示す図である。
【図４】互いに異なって成形された３つの磁性構成部材を有する磁石配列を示す図である。
【図５】ａは、互いに異なって成形された２つの磁性構成部材を有する磁石配列を示す図であり、ｂ〜ｃは、ａに示した磁石配列のためのコギングトルクおよびトルクリップルの打消しを示す図である。
【図６】ａ〜ｃは、それぞれ５つの磁性構成部材、４つの磁性構成部材、３つの磁性構成部材で軸方向の対称性を示す磁石配列を示す図である。
【図７】ａ〜ｂは、２つの磁性構成部材もしくは４つの磁性構成部材を有する磁石配列を示す図であり、それぞれ２つの磁性構成部材が１つの磁石片により一体的に形成されている。
【図８】ａ〜ｂは、３つの磁性構成部材もしくは６つの磁性構成部材を有する磁石配列を示す図であり、それぞれ３つの磁性構成部材が１つの磁石片により一体的に形成されている。
【図９】段階的に変化する横断面を有する磁性構成部材のための互いに異なる４つの幾何学形状を示す図である。
【図１０】磁性構成部材のための２つの横断面を示す図であり、該横断面の形状は、各磁性構成部材の滑らかに曲げられた表面をもたらす、曲線的なエッジを有している。
【発明を実施するための形態】
【００５５】
図面に示した図は概略的である。異なる図面において、類似または同一のエレメントまたは特徴には、同一の参照符号が付与されているか、または対応する参照符号とは上１桁の数字だけが異なる参照符号が付与されている。不必要な繰り返しを避けるために、説明済みの実施の形態に関連して既に説明されたエレメントおよび特徴は、明細書における後述の箇所では繰り返し説明しない。
【００５６】
図１は、本発明の実施の形態による風力タービン（風車）１００を示している。風力タービン１００はタワー１２０を有している。タワー１２０は基礎（図示せず）に組み付けられている。タワー１２０の上部に、ナセル１２２が配置されている。タワー１２０とナセル１２２との間には、ヨー角調節装置１２１が設けられている。ヨー角調節装置１２１は、タワー１２０の長手方向の延在方向に整列された垂直方向軸線（図示せず）を中心としたナセル１２２の回転を可能にする。ヨー角調節装置１２１を適切な形式で制御することにより、風力タービン１００の通常運転中に、ナセル１２２が常に現在の風向きに適切に合わせられていることが確実にされ得る。しかし、ヨー角調節装置１２１は、ナセル１２２が意図的に実際の風向きに完全に合わせられていない位置へと、ヨー角を調節することもできる。このような状態は、風力タービンを駆動する風が強く、風力タービン１００の構成部材が損傷する恐れがある場合に生じ得る。
【００５７】
さらに風力タービン１００は３本のブレード（羽根）１１４を有するロータ（回転翼）１１０を有している。図１の視点からは２つのブレード１１４しか見えない。ロータ１１０は、回転軸線１１０ａを中心として回転可能である。ハブ１１２に組み付けられたブレード１１４は、回転軸線１１０ａに関して半径方向に延びている。当然ながら、異なる数のブレードを有しているロータも、風力タービンのために使用され得る。
【００５８】
ブレード１１４の長手方向の延在方向にほぼ平行に整列された軸線（図示せず）を中心として各ブレード１１４を回転させることによって各ブレード１１４のブレードピッチ角を調節するために、ハブ１１２とブレード１１４との間にはブレード調節装置１１６がそれぞれ設けられている。ブレード調節装置１１６を制御することにより、各ブレード１１４のブレードピッチ角は、少なくとも風があまり強くない場合に、利用可能な風力から最大限の風力を取り出すことができるように、調節され得る。しかし、ブレードピッチ角は、減じられた風力しか捕らえることができないような位置に意図的に調節されてもよい。これは、風力タービン１００を駆動する風が、風力タービン１００の特にロータ１１０における損傷のリスクがあるほど、強い場合である。
【００５９】
図１からは判るように、ナセル１２２内には、付加的なギアボックス１２４が設けられていることが判る。ギアボックス１２４は、ロータ１１０の回転数を、シャフト１２５のより高い回転数へと変換するために使用され得る。シャフト１２５は、公知の形式で電気機械変換器１３０に連結されている。電気機械変換器は、発電機１３０である。
【００６０】
さらに、たとえば（ａ）緊急時に、（ｂ）風力タービン１００を損傷し得るほど強すぎる風況の場合に、かつ／または（ｃ）風力タービン１００の少なくとも１つの構成要素の消費される疲労寿命および／または疲労寿命消費率を意図的に減じる場合に、風力タービン１１０の運転を停止させるか、ロータ１１０の回転速度を減じるためにブレーキ１２６が設けられている。
【００６１】
さらに風力タービン１００は、風力タービン１００を高効率で運転するための制御システム１２８を有している。たとえばヨー角調節装置１２１の制御とは別に、描かれた制御システム１２８は、最適化された形式でロータブレード１１４のブレードピッチ角の調節のためにも使用される。
【００６２】
電気工学の基本原理にしたがって、発電機１３０は、固定子アセンブリ１４０と、回転子アセンブリ１５０とを有している。固定子アセンブリ１４０は、時間と共に交番する磁束に応じて電流を生成するための複数のコイルを有している。回転子アセンブリ１５０は、発電機１３０の軸方向に沿って成形された複数の磁石配列を有している。この軸方向は、回転軸線１１０ａの配向に一致している。軸方向に沿った磁石配列の成形により、発電機１３０の運転中に生じるコギングトルクおよび／またはトルクリップルが減じられ得る。
【００６３】
図２ａは、回転子アセンブリ２５０を示している。回転子アセンブリ２５０の機械的な支持構造２５２が、回転子アセンブリ２５０の周方向αに沿って展開されている。回転子アセンブリ２５０は、複数のスロット２５４を有している。これらのスロット２５４は、回転子アセンブリ２５０の軸方向Ｚに沿って配向されている。このことは、スロット２５４がスキューを有していない、つまり斜めにされていないことを意味している。回転子アセンブリ２５０は、複数の磁石配列２６０を有している。ここで説明される実施の形態によれば、各磁石配列２６０は、３つの磁性構成部材２７０を有している。この磁性構成部材２７０は、各スロット２５４内に挿入方向２８０に沿って挿入され得る。図２から判るように、１つのスロットには、磁性構成部材２７０が、そのＮ極Ｎを上側にして挿入されており、隣接するスロットには、磁性構成部材２７０がＳ極Ｓを上側にして挿入されている。
【００６４】
図３ａ、図３ｂおよび図３ｃは、磁性構成部材２７０の、機械的支持構造体２５２のスロット２５４内への係合取付け部を示している。
【００６５】
図３ａから判るように、ここで説明する実施の形態によれば、磁性構成部材２７０は、ベースエレメントまたはベースプレート３７２を有している。ベースエレメントまたはベースプレート３７２には、たとえば適当な接着剤によって磁石片３７４が取り付けられている。磁石片３７４は、たとえば希土類ＰＭのような永久磁石（ＰＭ）である。本発明の実施の形態によれば、磁石片３７４は、不整四角形の形状を有する横断面形状を有している。
【００６６】
図３ｂから判るように、説明された実施の形態によれば、スロット２５４は、２つのアンダカット３５４ａを有している。アンダカット３５４ａは、機械的支持構造体２５２内に形成されている。
【００６７】
図３ｃから判るように、磁性構成部材２７０をスロット２５４内に挿入した場合、ベースプレート３７２の縁部は、２つのアンダカット３５４ａに係合する。
【００６８】
以下では、磁石配列のための幾つかの幾何学的な構造を説明する。この磁石配列は、回転子アセンブリの機械的支持構造体に取り付けられた場合、回転子アセンブリの運転中に減じられたコギングトルクおよび／または減じられたトルクリップルを達成する。
【００６９】
図４は、互いに異なって成形された３つの磁性構成部材、すなわち第１の磁性構成部材４７０ａ、第２の磁性構成部材４７０ｂ、第３の磁性構成部材４７０ｃを有する磁石配列４６０を斜視図で示している。斜視図に関連して、磁石配列４６０の軸方向Ｚ、対応する回転子アセンブリ（図示せず）の周方向αおよび半径方向ｒが示されている。
【００７０】
図４では、３つの磁性構成部材は１，２，３の符号を付けられている。３つの磁性構成部材４７０ａ，４７０ｂ，４７０ｃの互いに異なる幾何学形状により（各横断面は、この図面の右側に示されている）、３つの磁性構成部材４７０ａ，４７０ｂ，４７０ｃから成る磁石配列４６０は、軸方向Ｚで形状変化または成形を有している。このような形状変化は、磁性構成部材４７０ａ，４７０ｂ，４７０ｃの傾斜配置（スキュー）がない場合でさえ、コギングトルクおよび／またはトルクリップルの減少をもたらす。
【００７１】
図５ａは、本発明の別の実施の形態に関する磁石配列５６０を示している。磁石配列５６０は、互いに異なって成形された２つの磁性構成部材、すなわち第１の磁性構成部材５７０ａと、第２の磁性構成部材５７０ｂとを有している。この場合も同様に、２つの磁性構成部材５７０ａ，５７０ｂの互いに異なる幾何学形状により（各横断面は、この図面の右側に示されている）、２つの磁性構成部材５７０ａ，５７０ｂから成る磁石配列５６０は、軸方向Ｚで形状変化を有している。
【００７２】
図５ｂおよび図５ｃは、図５ａに示した磁石配列５６０のためのコギングトルクおよびトルクリップルの打消しを示している。図５ｂから判るように、回転子位置または回転子角度に関連して、第１の磁性構成部材５７０ａにより生じたコギングトルク（「１」で表示される）は、第２の磁性構成部材５７０ｂにより生じたコギングトルク（「２」で表示される）と逆位相である。したがって、これら２つのコギングトルク５７０ａは互いに打ち消し合う。２つのコギングトルクの重ね合わせである、結果としてのコギングトルクは、回転子位置への依存性を示さず、図５ｂにおいて直線として描かれている。図５ｃから判るように、同じことが総トルクにも当てはまる。
【００７３】
これに関して、図４および図５ａに示した磁石配列４６０，５６０は、軸方向に沿って対称的ではないことが言及される。このことは、回転子アセンブリの運転中に、回転子アセンブリに作用する軸方向の力を引き起こし得る。この軸方向の力を取り除くために、磁石配列は、該磁石配列が軸方向に沿った対称性を有しているように設計されているべきである。軸方向で対称な磁石配列の例は、以下で図６ａ，６ｂ，６ｃに関して説明される。
【００７４】
図６ａは、５つの磁性構成部材から成る、軸方向に対称的な磁石配列６６０ａを示している。図６ｂは、４つの磁性構成部材から成る、軸方向に対称的な磁石配列６６０ｂを示している。図６ｃは、３つの磁性構成部材から成る、軸方向に対称的な磁石配列６６０ｃを示している。
【００７５】
図７ａは、互いに異なって成形された２つの磁性構成部材を有する磁石配列７６０ａを示している。２つの磁性構成部材は、単独の磁石片において一体的に、またはモノリシックに形成されている。図７ｂは、４つの磁性構成部材を有する磁石配列７６０ｂを示している。４つの磁性構成部材のうちのそれぞれ２つの磁性構成部材が、単独の磁石片により一体的にまたはモノリシックに形成されている。図７ａおよび図７ｂから判るように、２つの磁石配列７６０ａおよび７６０ｂは両方、軸方向で対称性を有していない。上述したように、このことは、回転電気機械において運転された場合に、各回転子アセンブリに作用する軸方向の力をもたらし得る。
【００７６】
図８ａは、３つの磁性構成部材を有する磁石配列８６０ａを示している。３つの磁性構成部材は、単独の磁石片において一体的にまたはモノリシックに形成されている。図８ｂは、６つの磁性構成部材を有する磁石配列８６０ｂを示している。６つの磁性構成部材のうちのそれぞれ３つの磁性構成部材が、単独の磁石片により一体的にまたはモノリシックに形成されている。図８ａおよび図８ｂから判るように、２つの磁石配列８６０ａおよび８６０ｂの両方は、軸方向で対称性を示している。この軸方向の対称性の結果として、回転電気機械で運転されている場合に、各回転子アセンブリに作用する軸方向の力は生じない。
【００７７】
上述の実施の形態によれば、各磁性構成部材は、軸方向Ｚに沿って一定の横断面を有している。その結果、互いに異なる横断面を備える少なくとも２つの磁性構成部材を有する各磁石配列は、異なる横断面の幾つかの区分を有している。これは、各磁石配列が別個の磁性構成部材を有している実施の形態および互いに異なる磁性構成部材が一体的に形成されている実施の形態の両方に適用される。しかし、本発明およびその有利な効果（すなわちコギングトルクおよび／またはトルクリップルの低減）は、軸方向Ｚに沿って段階的に変化する横断面を有する磁性構成部材によっても達成され得る。
【００７８】
図９は、互いに異なる４つの磁性構成部材、すなわち、磁性構成部材９７０ａ、磁性構成部材９７０ｂ、磁性構成部材９７０ｃおよび磁性構成部材９７０ｄを示している。これら全ての磁性構成部材は、軸方向に沿って段階的に変化する横断面を有している。
【００７９】
上述の実施の形態によれば、磁性構成部材の横断面は、常に直線により形成されている。しかし、横断面は、多数の別の形状を有していてよい。
【００８０】
図１０は、例として、２つの磁性構成部材１０７０ａ，１０７０ｂを示している。磁性構成部材１０７０ａ，１０７０ｂは両方とも、上面において曲線的なエッジを備える横断面を有している。この曲線的なエッジは、それぞれ磁性構成部材１０７０ａ，１０７０ｂの滑らかに曲げられた表面をもたらす。
【００８１】
本明細書において記載された磁石配列のための新規の設計は、とりわけ、以下の利点を提供する。
（ａ）回転電気機械のコギングトルクおよびトルクリップルが、磁性構成部材の位置の傾斜配置（スキュー）なしに減じられ得る。したがって、新規の設計は容易に実施可能である。
（ｂ）回転子アセンブリに作用する軸方向の力を、種々異なる形状の磁性構成部材を軸方向に沿って対称的に配置することによって排除することができる。したがって、複数の磁性構成部材が、回転子アセンブリの同一の角度位置に配置され得る（すなわち、磁性構成部材の傾斜配置（スキュー）の必要性はない）。したがって、新規の設計から利点を享受する回転子アセンブリは、かなり容易に製造することができる。特に磁性構成部材を位置固定するために使用されるスロットは真っ直ぐであってよく、もしくは軸方向に対して平行に向けられていてよい。
（ｃ）コギングトルクおよび／またはトルクリップを減じるための傾斜配置（スキュー）技術を採用する必要性がない。傾斜配置技術は、いわゆる逆電磁力（逆起電力back EME）を減じ、磁性構成部材の傾斜された配列を有する電気機械変換器のための効率は、傾斜配置のために減じられている。反対に、新規に本明細書において提案された設計は、効率に小さな影響しかあたえない。なぜならば、全ての軸方向の磁性構成部材は、同一の周方向位置に位置しているからである。
【００８２】
用語「有する」は、別のエレメントまたはステップを除外するものではなく、冠詞「１つの」は、複数を除外するものではない。異なる態様に関連して説明されたエレメントは、組み合わせることができる。特許請求の範囲における参照符号は、特許請求の範囲を制限するもの解釈すべきではないことに留意されたい。
【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６−１】
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【図６−２】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【外国語明細書】
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