(57)【要約】【課題】フレームの振動を抑制して発電機の低騒音化を図る。【解決手段】内周面に周方向に沿ってＮｃ個のコイル３が配設され、周方向に沿って等間隔に離間するＮｓ個の支持箇所を同数のステー７で個々に支持された環状のフレーム１からなるステータと、フレーム１の内側に配置され、外周面には周方向に沿ってＮｍ個の永久磁石４が配設されたホイール２からなるロータとを備える発電機において、フレーム１が永久磁石４からコイル３に作用する磁力の変化によって振動するときの節の数をＮｄ個として、ηＮｍ±Ｎｄ＝λＮｃ…（Ａ）かつ、Ｎｓ≠Ｎｄ／ξ…（Ｂ）（ただし、η，λ，ξはいずれも正の整数）の関係を成立させる。【選択図】　図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内周面に周方向に沿って複数のコイルが配設された環状のフレームからなるステータと、
前記フレームの内側に配置され、外周面には周方向に沿って複数の永久磁石が配設されたホイールからなるロータとを備える発電機であって、
前記フレームに、該フレームの半径方向への変形を阻止する補強部材が設けられていることを特徴とする発電機。
【請求項２】
内周面に周方向に沿ってＮｃ個のコイルが配設され、前記周方向に沿って等間隔に離間するＮｓ個の支持箇所を同数のステーで個々に支持された環状のフレームからなるステータと、
前記フレームの内側に配置され、外周面には周方向に沿ってＮｍ個の永久磁石が配設されたホイールからなるロータとを備える発電機であって、
前記フレームが前記永久磁石から前記コイルに作用する磁力の変化によって振動するときの節の数をＮｄ個とするとき、
ηＮｍ±Ｎｄ＝λＮｃ…（Ａ）かつ、Ｎｓ≠Ｎｄ／ξ…（Ｂ）（ただし、η，λ，ξはいずれも正の整数）の関係が成立することを特徴とする発電機。
【請求項３】
内周面に周方向に沿って複数のコイルが配設され、前記周方向に沿って等間隔に離間するＮｓ個の支持箇所を同数のステーで個々に支持された環状のフレームからなるステータと、
前記フレームの内側に配置され、外周面には周方向に沿って複数の永久磁石が配設されたホイールからなるロータとを備える発電機の製造方法であって、
前記コイルの数をＮｃ個、前記永久磁石の数をＮｍ個、前記フレームが前記永久磁石から前記コイルに作用する磁力の変化によって振動するときの節の数をＮｄ個として、
ηＮｍ±Ｎｄ＝λＮｃ…（Ａ）かつ、Ｎｓ＝Ｎｄ／ξ…（Ｃ）（ただし、η，λ，ξはいずれも正の整数）の関係が成立したら、
上記（Ａ）式かつ、Ｎｓ≠Ｎｄ／ξ…（Ｂ）の関係が成立するように、前記Ｎｓの値を調整することを特徴とする発電機の製造方法。
【請求項４】
内周面に周方向に沿って複数のコイルが配設され、前記周方向に沿って等間隔に離間するＮｓ個の支持箇所を同数のステーで個々に支持された環状のフレームからなるステータと、
前記フレームの内側に配置され、外周面には周方向に沿って複数の永久磁石が配設されたホイールからなるロータとを備える発電機の製造方法であって、
前記コイルの数をＮｃ個、前記永久磁石の数をＮｍ個、前記フレームが前記永久磁石から前記コイルに作用する磁力の変化によって振動するときの節の数をＮｄ個として、
ηＮｍ±Ｎｄ＝λＮｃ…（Ａ）かつ、Ｎｓ＝Ｎｄ／ξ…（Ｃ）（ただし、η，λ，ξはいずれも正の整数）の関係が成立したら、
上記（Ａ）式かつ、Ｎｓ≠Ｎｄ／ξ…（Ｂ）の関係が成立するように、前記ＮｍまたはＮｃの少なくともいずれか一方の値を調整することを特徴とする発電機の製造方法。
【請求項５】
内周面に周方向に沿って複数のコイルが配設され、前記周方向に沿って離間する複数の支持箇所を同数のステーで個々に支持された環状のフレームからなるステータと、
前記フレームの内側に配置され、外周面には周方向に沿って複数の永久磁石が配設されたホイールからなるロータとを備える発電機であって、
前記フレームが前記永久磁石から前記コイルに作用する磁力の変化によって振動するときに該フレームに現れる節の周方向に沿う間隔をＬｎ、前記支持箇所の隣り合うものどうしの周方向に沿う間隔をＬｓとするとき、
（γ−１）×Ｌｎ＜Ｌｓ＜γ×Ｌｎ…（Ｄ）（ただし、γは正の整数）を満たすことを特徴とする発電機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は発電機に関し、特に発電機の運転時における低騒音化を実現する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、風車の回転を増速用の歯車を介することなく発電機に伝える風力発電装置において、その発電機は、内周面に複数のコイルが配設されたフレームからなるステータと、フレームの内側に配置されて外周面に複数の永久磁石が配設され、風車とともに回転するホイールからなるロータとを備えている（例えば、下記の特許文献１）。
上記のような風力発電装置においては、発電機に、環状のステータを周方向に等間隔に離間する複数の点で支持した構造を採用したとき、ステータがロータとの干渉によって振動し、騒音を発生させるという事象が確認されている。図６は、ステータおよびロータの周方向の１／１２（中心角；３０ｄｅｇ）のパートを展開した図である（本来円弧であるものを直線状にした）。図において符号１０１はフレーム、１０２はホイール、１０３はコイル、１０４は永久磁石である。コイル１０３は、このパートに９個備わり（図には１０個描かれているが、両端のコイルの一方は隣りのパートに含まれる）、永久磁石はこのパートに８個備わっている。
【０００３】
図中に示した実線は、ある時点での、各永久磁石１０４の磁力分布を示す。この時点で各コイル１０３に作用する磁力の大きさと向きは、コイル１０３の総数と永久磁石１０４の総数とに違いがあるため、各コイル１０３ごとに異なってしまう。永久磁石１０４の磁力分布を示す実線上にプロットした点および各コイル１０３にそれぞれ付した矢印は、各コイル１０３に作用する磁力を示している（矢印の向きは磁力の向きを表し、矢印の長さは磁力の大きさを示す）。各コイル１０３に作用する磁力は、フレーム１０１の周方向に沿って正弦曲線的に大きさと向きを変化させる。コイル１０３に作用する磁力が斥力であると、その部分のフレーム１０１は半径方向の内側に湾曲するように加力され、コイル１０３に作用する磁力が引力であると、その部分のフレーム１０１は半径方向に外側に湾曲するように加力されることになる。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−１１９８７２号公報（第３頁、図１）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このような力は、ホイール１０２の回転に伴い作用方向を入れ替えるように変化するので、フレーム１０１の固有振動数に適合すると、フレーム１０１はあたかも正弦曲線を円形に変形させて無端とした形状に変形し、さらに凹凸を入れ替えるように振動することになる。ステータの振動とは、このようなフレームの振動と言い換えられる。
【０００６】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、上記のようなフレームの振動を抑制して発電機の低騒音化を図ることを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するための手段として、次のような構成の発電機およびその製造方法を採用する。
すなわち本発明に係る請求項１記載の発電機は、内周面に周方向に沿って複数のコイルが配設された環状のフレームからなるステータと、
前記フレームの内側に配置され、外周面には周方向に沿って複数の永久磁石が配設されたホイールからなるロータとを備える発電機であって、
前記フレームに、該フレームの半径方向への変形を阻止する補強部材が設けられていることを特徴とする。
【０００８】
本発明においては、補強部材がフレームの半径方向への変形を阻止するので、フレームに振動を起こさせるような力（永久磁石が発生させる斥力、引力）が作用してもフレームが変形せず、したがって振動が起こらない。
【０００９】
請求項２記載の発電機は、内周面に周方向に沿ってＮｃ個のコイルが配設され、前記周方向に沿って等間隔に離間するＮｓ個の支持箇所を同数のステーで個々に支持された環状のフレームからなるステータと、
前記フレームの内側に配置され、外周面には周方向に沿ってＮｍ個の永久磁石が配設されたホイールからなるロータとを備える発電機であって、
前記フレームが前記永久磁石から前記コイルに作用する磁力の変化によって振動するときの節の数をＮｄ個とするとき、
ηＮｍ±Ｎｄ＝λＮｃ…（Ａ）かつ、Ｎｓ≠Ｎｄ／ξ…（Ｂ）
（ただし、η，λ，ξはいずれも正の整数）の関係が成立することを特徴とする。
【００１０】
請求項３記載の発電機の製造方法は、内周面に周方向に沿って複数のコイルが配設され、前記周方向に沿って等間隔に離間するＮｓ個の支持箇所を同数のステーで個々に支持された環状のフレームからなるステータと、
前記フレームの内側に配置され、外周面には周方向に沿って複数の永久磁石が配設されたホイールからなるロータとを備える発電機の製造方法であって、
前記コイルの数をＮｃ個、前記永久磁石の数をＮｍ個、前記フレームが前記永久磁石から前記コイルに作用する磁力の変化によって振動するときの節の数をＮｄ個として、
ηＮｍ±Ｎｄ＝λＮｃ…（Ａ）かつ、Ｎｓ＝Ｎｄ／ξ…（Ｃ）（ただし、η，λ，ξはいずれも正の整数）の関係が成立したら、
上記（Ａ）式かつ、Ｎｓ≠Ｎｄ／ξ…（Ｂ）の関係が成立するように、前記Ｎｓの値を調整することを特徴とする。
【００１１】
請求項４記載の発電機は、内周面に周方向に沿って複数のコイルが配設され、前記周方向に沿って等間隔に離間するＮｓ個の支持箇所を同数のステーで個々に支持された環状のフレームからなるステータと、
前記フレームの内側に配置され、外周面には周方向に沿って複数の永久磁石が配設されたホイールからなるロータとを備える発電機の製造方法であって、
前記コイルの数をＮｃ個、前記永久磁石の数をＮｍ個、前記フレームが前記永久磁石から前記コイルに作用する磁力の変化によって振動するときの節の数をＮｄ個として、
ηＮｍ±Ｎｄ＝λＮｃ…（Ａ）かつ、Ｎｓ＝Ｎｄ／ξ…（Ｃ）（ただし、η，λ，ξはいずれも正の整数）の関係が成立したら、
上記（Ａ）式かつ、Ｎｓ≠Ｎｄ／ξ…（Ｂ）の関係が成立するように、前記ＮｍまたはＮｃの少なくともいずれか一方の値を調整することを特徴とする。
【００１２】
本発明においては、あるステーによるフレームの支持箇所に振動の節が存在すると仮定すると、その他のステーによるフレームの支持箇所は必ず節からずれることになり、他のステーがフレームの半径方向への変形を阻止することになるので、振動が起こらない。
【００１３】
請求項５記載の発電機は、内周面に周方向に沿って複数のコイルが配設され、前記周方向に沿って離間する複数の支持箇所を同数のステーで個々に支持された環状のフレームからなるステータと、
前記フレームの内側に配置され、外周面には周方向に沿って複数の永久磁石が配設されたホイールからなるロータとを備える発電機であって、
前記フレームが前記永久磁石から前記コイルに作用する磁力の変化によって振動するときに該フレームに現れる節の周方向に沿う間隔をＬｎ、前記支持箇所の隣り合うものどうしの周方向に沿う間隔をＬｓとするとき、（γ−１）×Ｌｎ＜Ｌｓ＜γ×Ｌｎ…（Ｄ）（ただし、γは正の整数）を満たすことを特徴とする。
【００１４】
本発明においては、あるステーによるフレームの支持箇所に振動の節が存在すると仮定すると、あるステーに隣り合う他のステーによるフレームの支持箇所は必ず節からずれることになり、他のステーがフレームの半径方向への変形を阻止することになるので、振動が起こらない。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明に係る第１の実施形態を図１ないし図３に示して説明する。
本実施形態の発電機は、風車の回転を増速用の歯車を介することなく伝達されて風力エネルギーを電力エネルギーに変換するギアレス型の風力発電装置に具備されるものである。
この発電機は、図１および図２に示すように、環状のフレーム１の内周面に複数のコイル３が配設されたステータと、フレーム１の内側に配置された円盤状のホイール２の外周面に複数の永久磁石４が配設され、風車５とともに回転するロータとを備えている。
【００１６】
フレーム１は、風車５の中心に配置される固定の主軸６から放射状に延ばされた複数のステー７により、主軸６に対して同心円状に固定されている。ステー７は、フレーム１の周方向に等間隔に離間した複数箇所を支持している。ホイール２は、主軸６との間に網けられた軸受機構８により、主軸６を中心として回転自在に支持されている。風車５はホイール２から主軸６を包むように突き出したスリーブ２ａに連結されており、軸受機構８はホイール２のみならず風車５をも支持している。このように、軸受機構８には風車５を回す巨大な風の力が作用するので、非常に強固な構造となっている。
【００１７】
フレーム１の内周面には、内側に突出する無端の突条に形成されたリブ（補強部材）９が設けられている。フレーム１の断面は、主軸６の長さ方向に長い矩形断面となっているが（図１参照）、リブ９は、その風車５側の端面に、フレーム１と一体に形成されている。フレーム１とリブ９とを合わせた断面はＬ字形となっている。
【００１８】
コイル３は、図３に示すように、フレーム１の内周面に周方向に沿って等間隔に配設されている。個々のコイル３は、フレーム１に設けられたクランプ部１ａに、取り付けボルト１０によって締結されている。永久磁石４は、同じく図３に示すように、ホイール２の外周面に周方向に沿って等間隔に配設されている。
【００１９】
上記のように構成された発電機においては、突条９がフレーム１の半径方向への変形を阻止する。詳述すると、フレーム１のある部分が永久磁石４の引力によって内側に変形しようとした場合、突条９には内周側に引張力が作用し、外周側には圧縮力が作用するが、これに対して突条９が耐力を発揮してフレーム１の変形を阻止する。また、フレーム１のある部分が永久磁石４の斥力によって外側に変形しようとした場合、突条９には内周側に圧縮力が作用し、外周側には引張力が作用するが、これに対しても突条９が耐力を発揮してフレーム１の変形を阻止する。したがって、フレーム１に上記のような振動を起こさせるような力（永久磁石４が発生させる斥力、引力）が作用してもフレーム１が変形せず、騒音の原因となる振動が起こらない。これにより、風力発電装置における運転時の低騒音化を図ることができる。
【００２０】
なお、本実施形態においては、補強部材としての突条９をフレーム１の内周面全周に無端に形成したが、フレーム１の全周に補強部材を設けずとも、一部を補強するだけでフレーム１の振動を抑制する効果が生まれるので、補強部材を全周に設けなくてもよい。また、補強部材はフレーム１の外周面に設けてもよいし、充分な効果が得られるなら主軸６の長さ方向の前後に設けてもよい。さらに、補強部材はフレームと一体ではなく別部品であってもよい。
【００２１】
次に、本発明に係る第２の実施形態を図４に示して説明する。なお、上記実施形態において既に説明した構成要素には同一符号を付して説明は省略する。
図４には、上記第１の実施形態と同構造で特にコイル３を１０８個、永久磁石４を９６個備える発電機について、フレーム１を支持するステーを考慮しないで発電を行った場合に、フレーム１に生じる振動を模式的に示している。
【００２２】
図４のような振動によってフレーム１に現れる節の数は、コイル３の数をＮｃ個、永久磁石４の数をＮｍ個、フレーム１に現れる節の数をＮｄ個とするとき、
ηＮｍ±Ｎｄ＝λＮｃ…（Ａ）（ただし、η，λはいずれも正の整数）
で表される（図４ではη，λはともに１で節の数（Ｎｄ）は１２個となるが、節の数は振動のモードに応じて１２の倍数のあらゆる値にもなり得る）。
【００２３】
図４のような振動を生じるフレーム１を、例えばフレーム１の周方向に等間隔に離間した６つの支持箇所（図４でいえば節（１），（３），（５），（７），（９），（１１））をステー７（図示略）で支持したとすると、フレーム１は、振れを規制する部分をもたないので、自由に振動して騒音を発生することになる。
【００２４】
そこで、上記のような構造の発電機を製造する際、周方向に等間隔に離間する複数のフレーム１による支持箇所の数Ｎｓが、上記（Ａ）式を満たすＮｄの値またはその約数に一致したら（Ｎｓ＝Ｎｄ／ξ…（Ｃ）（ただし、ξは正の整数））、上記（Ａ）式かつ、
Ｎｓ≠Ｎｄ／ξ…（Ｂ）（ただし、ξは正の整数）
が成立するように、フレーム１による支持箇所の数を調整する。そして、発電機には、上記（Ａ）式および（Ｂ）式を同時に満たすように調整されたＮｓ個の支持箇所を、同数のステー７で支持する構造を採用する（図４ではＮｄ；１２なので、その約数である６を避けて支持箇所を７個設定し、個々の支持箇所Ｐ１〜Ｐ７をステー７で個々に支持している）。
【００２５】
フレーム１の支持箇所Ｐ１〜Ｐ７を上記のように設定し、それらを同数設けたステー７で個々に支持すると、あるステー７によるフレーム１の支持箇所（図４でいえばＰ７）に振動の節が存在すると仮定しても、その他のステー７によるフレーム１の支持箇所（図４でいえばＰ１〜Ｐ６）は必ず節からずれることになり、他のステー７がフレーム１の半径方向への変形（振れ）を阻止する役割を果たすので、騒音の原因となる振動が起こらない。これにより、風力発電装置における運転時の低騒音化を図ることができる。
【００２６】
ところで、本実施形態においては、コイル３が１０８個、永久磁石４が９６個の発電機について節の数が１２個となった場合にフレーム１の支持箇所を７つ設定したが、フレーム１の支持箇所の数は、節の数（Ｎｄ）またはその約数を避けていればいくつに設定しても構わない。なお、発電機に関しては要求される発電能力や仕様に応じてコイルや永久磁石の個数は当然のごとく変化し、それによってフレームに現れる節の数も変化するので、それぞれについて上記（Ａ）式に基づいて節の数を特定し、その数を考慮して上記のごとく適切な数の支持箇所を設定することが望ましい。
【００２７】
ところで、本実施形態においては、複数のフレーム１による支持箇所の数Ｎｓを調整したが、上記（Ａ）式および（Ｃ）式が同時に成立することが認められたら、上記（Ａ）式および（Ｂ）式が同時に成立するようにコイル３の数Ｎｃまたは永久磁石４の数Ｎｍの少なくともいずれか一方を調整しても、上記と同等の効果が得られる。
【００２８】
次に、本発明に係る第４の実施形態を図５に示して説明する。なお、上記実施形態において既に説明した構成要素には同一符号を付して説明は省略する。
本実施形態においては、フレーム１が永久磁石４からコイル３に作用する磁力の変化によって振動するときにフレーム１に現れる節Ｄの周方向に沿う間隔がＬｎであるとき、隣り合う支持箇所Ｐａ，Ｐｂは、両者の周方向に沿う間隔をＬｓとすると、（γ−１）×Ｌｎ＜Ｌｓ＜γ×Ｌｎ…（Ｄ）（ただし、γは正の整数）を満たすように配置されている。
【００２９】
例えば、図５（ａ）では、隣り合う支持箇所Ｐａ，Ｐｂが、０＜Ｌｓ＜Ｌｎ（上記（Ｄ）式においてγ＝１とした式）を満たすように配置されている。また、図５（ｂ）では、隣り合う支持箇所Ｐａ，Ｐｂが、両者の周方向に沿う間隔をＬｓとするとき、２Ｌｎ＜Ｌｓ＜３Ｌｎ（上記（Ｄ）式においてγ＝３とした式）を満たすように配置されている。
【００３０】
いずれの場合も次のようなことがいえる。すなわち、ステー７ａによるフレームの支持箇所Ｐａに振動の節が存在すると仮定すると、ステー７ａに隣り合うステー７ｂによるフレーム１の支持箇所Ｐｂは必ず節からずれることになり、ステー７ｂがフレーム１の半径方向への変形を阻止することになるので、騒音の原因となる振動が起こらない（Ｌｓ＝γ×Ｌｎを満たすとすれば、支持箇所と節とが一致するために振動が起きてしまう）。これにより、風力発電装置における運転時の低騒音化を図ることができる。
【００３１】
なお、本実施形態においては上記（Ｄ）式にγ＝１を代入した条件を満たす例、および上記（Ｄ）式にγ＝３を代入した条件を満たす例を挙げて説明をしたが、本発明はγが正の整数であればいかなる値であっても成立する。また、本発明は、少なくとも隣り合う支持箇所およびそれらを個々に支持する２つのステーについて上記の関係が成立していればよく、必ずしも各ステーが周方向に等間隔に配置されていなくてもよい。
【００３２】
また、上記の各実施形態においては風力発電装置に具備される発電機を例に挙げて説明したが、本発明の発電機は風力発電装置に限らず、あらゆる形態の発電システムに適用可能である。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、フレームに振動を起こさせるような力（永久磁石が発生させる斥力、引力）が作用してもフレームが変形せず、騒音の原因となる振動が起こらない。これにより、発電時の低騒音化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る第１の実施形態を説明する図であって、発電機を構成するステータおよびロータを示す平面図である。
【図２】図１におけるＩＩ−ＩＩ線矢視断面図である。
【図３】フレームに固定されたコイル、およびホイールに固定された永久磁石を示す要部拡大図である。
【図４】本発明に係る第２の実施形態を説明する図であって、フレームに現れる振動と該フレームを支持するステーとの関係を示す概念図である。
【図５】本発明に係る第３の実施形態を説明する図であって、フレームに現れる振動と該フレームを支持するステーとの関係を示す概念図である。
【図６】ステータおよびロータの周方向の１／１２のパートを展開した図である。
【符号の説明】
１　　　フレーム
２　　　ホイール
３　　　コイル
４　　　永久磁石
７　　　ステー
９　　　リブ（補強部材）
【図１】
2004147455.tif 000003
【図２】
2004147455.tif 000004
【図３】
2004147455.tif 000005
【図４】
2004147455.tif 000006
【図５】
2004147455.tif 000007
【図６】
2004147455.tif 000008