(57)【要約】【課題】  組立て容易、軽量化が可能な回転電機を提供することを目的とする。【解決手段】  回転軸と、この回転軸に取り付けられる回転子と、この回転子に対向して配設され、周方向に３つ以上に分割された固定子コアと、前記回転軸の前記回転子を挟む両側位置を回転自在に支持する一対の保持部材と、この一対の保持部材の間を連結するとともに、前記固定子コアの外周に嵌合状態で係合する３本以上の支柱と、を備えている。【選択図】図１
2005130625.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸と、この回転軸に取り付けられる回転子と、この回転子に対向して配設され、周方向に３つ以上に分割された固定子コアと、前記回転軸の前記回転子を挟む両側位置を回転自在に支持する一対の保持部材と、この一対の保持部材の間を連結するとともに、前記固定子コアの外周に嵌合状態で係合する３本以上の支柱と、を備えて成る回転電機。
【請求項２】
前記支柱は円柱又は角柱で形成され、前記固定子コアと係合する部分の径を細くして嵌合部を形成した請求項１に記載の回転電機。
【請求項３】
前記支柱は円柱又は角柱で形成され、前記固定子コアと係合する部分を直線状、円弧状、又は角状に切り欠いて嵌合部を形成した請求項１に記載の回転電機。
【請求項４】
前記支柱は、前記嵌合部で前記固定子コアを係合した状態では、前記一対の保持板との連結部分より外側に広がって位置する請求項１乃至３のいずれかに記載の回転電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転軸と、前記回転軸に取り付けられる回転子と、前記回転子に対向して配設された固定子と、を備えた発電機や電動機等の回転電機に関し、特に、軽量で組立てが容易な発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、発電機や電動機等の回転電機は、回転軸と、前記回転軸に伴って回転可能な回転子と、円筒形状であって、前記回転軸及び回転子を収容するハウジングと、前記ハウジングに取り付けられた円筒状の固定子コアと、を備えていた（例えば、特許文献１参照）。このような回転電機は、組立ての容易性、軽量化が要求されているものの、組立てが困難であるとともに、重量が大きいという問題がある。とくに、円筒状の固定子コアは重量が大きいため組立てに困難性を伴い、さらに、固定子コアにコイルを巻くという点においても困難である。また、その円筒状の固定子コアをハウジングに取り付ける必要があるためハウジングも筒型形状となり、軽量化を図ることは困難であった。
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−３１５２５３
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、組立て容易、軽量化が可能な回転電機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段及び効果】
【０００５】
本発明において、以下の特徴は単独で、若しくは、適宜組合わされて備えられている。前記課題を解決するための本発明に係る回転電機は、回転軸と、この回転軸に取り付けられる回転子と、この回転子に対向して配設され、周方向に３つ以上に分割された固定子コアと、前記回転軸の前記回転子を挟む両側位置を回転自在に支持する一対の保持板と、この一対の保持板の間を連結するとともに、前記固定子コアの外周に嵌合状態で係合する３本以上の支柱と、を備えてなることを特徴とする。この回転電機によれば、固定子コアを分割するので、各固定子コアの重量が小さくなり、組立てが容易となる。さらに、固定子コアに容易にコイルを巻くことができる。また、筒型形状のハウジングを必要としないため、軽量化を図ることができる。
【０００６】
ここで、「回転軸に取り付けられる回転子」とは、回転軸に直接回転子を取り付けて、常に回転軸と回転子とがともに回転するものに限られず、回転軸と回転子との間にクラッチが設ける等により、回転軸に回転自在に回転子を取り付けたものであっても良い。また、回転軸とは異なる第二の軸に回転子を取り付け、前記回転軸と前記第二の軸とを連結させたものであっても良い。なお、この場合においても、前記回転軸と前記第二の軸との間にクラッチを設けられたものを含むことはいうまでもない。
【０００７】
また、「固定子コアの外周に嵌合状態で係合する３本以上の支柱」とは、必ずしも、分割された１つの固定子コアの外周に嵌合状態で係合する支柱が１本以上である場合のみを意味するものではない。例えば、固定子コアにコイルを巻いたのち、隣接する分割された固定子コアの径方向の側面同士を接着して一体化させた場合や、分割された各固定子コアの径方向の側面に凹凸を形成し、隣接する固定子コアの凹部と凸部を係合させて一体化させた場合であれば、一体化された複数の分割コアの外周に嵌合状態で係合する支柱が１本の場合も考えられる。
【０００８】
また、前記支柱は円柱又は角柱で形成され、前記固定子コアと係合する部分の径を細くして嵌合部を形成したものであることが好ましい。発電機や電動機等の回転電機においては、固定子コアは回転子に対向して配置する必要があるため、組立てが困難であるという問題がある。しかしながら、固定子コアと係合する部分の径を細くして嵌合分を形成した支柱を用いることで、組立て時に、固定子コアの位置決めが容易となる。さらに、運転中においては、固定子コアが上下に移動することを防止することができる。
【０００９】
また、前記支柱は円柱又は角柱で形成され、前記固定子コアと係合する部分を直線状、円弧状、又は角状に切り欠いて嵌合部を形成したものであることが好ましい。固定子コアと係合する部分を直線状、円弧状、又は角状に切り欠いて嵌合部を形成した支柱を用いることで、支柱と固定子コアとの接触面接が大きくなるので、固定子コアを安定して支柱に固定することができる。
【００１０】
また、前記支柱は、前記嵌合部で前記固定子コアを係合した状態では、前記一対の保持板の各々の連結部より外側（回転軸の軸心を中心とした外径側）に広がって位置するものであることが好ましい。かかる場合、支柱と固定子コアとの嵌合部においては、支柱が固定子コアを内径側に押す力と、それに対抗して固定子コアから外径側に支柱を押す力が発生するので、より一層、固定子コアを安定して支柱に固定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明に係る回転電機について、風力発電装置用発電機を一実施の形態として具体的に説明する。図１（ａ）は、風力発電装置用発電機１の平面図で、図１（ｂ）は、同じく風力発電装置用発電機１の正断面図、図２は、図１（ｂ）に図示するＡ−Ａ方向からみた断面図である。図１において、風力発電装置用発電機１は、回転軸２と、この回転軸２に取り付けられる回転子３と、この回転子３に対向して配置される固定子４と、回転軸２の回転子３を挟む両側位置を支持する一対の保持板５ａ，５ｂと、この一対の保持板５ａ，５ｂを連結する支柱６と、その他の部品とから構成されている。
【００１２】
回転軸２は、図示しない羽根が風を受けたときに一定の方向に回転するものであり、一対の保持板５ａ，５ｂに固定された軸受７，８によって回転自在に支持されている。
【００１３】
回転子３は、その中空部に回転軸２を挿入可能な円筒部の外周から外周面に対してほぼ垂直に略Ｔ字状に延在した形状をしており、回転軸に対して回転自在に中空部で軸受９，１０によって支持されている。回転子３をこのような形状とすることで、停止状態から回転するときにおける慣性モーメントを減らすことができる。ただし、回転子３の形状はこれに限られるものではなく、回転軸２に伴って回転したときに固定子４と対向し、誘導電流を発生させることができればよい。
【００１４】
固定子４は、鉄心から成る固定子コア４ａの内径側にコイルが巻き付けられたものであり、図２に図示されるように、外周側が円形状の筒状（以下、「ドーナツ型」という）を成したものを周方向にほぼ均等に６分割されている。そして、図１及び図２に図示されるように、これら分割された各固定子コア４ａは、回転子３に対向する位置に配置されている。なお、固定子コア４を分割することによって、分割された各固定子コア４ａの重量が小さくなり、容易に組み立てることができる。さらに、分割された固定子コア４ａにコイルを巻くことは、分割されていない固定子コアにコイルを巻くよりも、はるかに組立てが容易となる。
【００１５】
一対の保持板５ａ，５ｂは、図１に図示されるように、それらの面が回転軸２の軸方向と略垂直であって、かつ回転子３を挟む両側位置に支持されている。回転子３を挟んだ一対の保持板５ａ，５ｂの各々は、それらの表裏面の一面側に、外周端面から内径側に向かう所定の幅で、外周方向に切り欠かれている。即ち、保持板５ａ，５ｂの表裏面の一面側には、それぞれ外周方向に段差部２５ａ，２５ｂを有している。また、回転軸２は、一対の保持板５ａ，５ｂに固定された軸受７，８で回転軸を支持しており、一対の保持板５ａ，５ｂに対して回転自在となっている。支柱６は、図１及び図２に図示されるように、一対の保持板５ａ，５ｂに連結して取り付けられ、分割された各固定子コア４ａの外周面における周方向のほぼ中央部に、固定子コア４ａと係合させて配置されている。したがって、１個の分割された各固定子コア４ａに対して１本の支柱６が配置されることになる。このように、固定子コア４を６分割にしてその外周面における周方向のほぼ中央部に支柱６と係合させることで、各固定子コア４ａの重量が小さくなり、容易に組み立てることができる。さらに、分割された固定子コア４にコイルを巻きやすくなる。また、回転子３に対向する位置に固定子コア４ａを配置しやすくなるので、組立てが大幅に容易化される。また、ハウジングを筒状の形状にする必要がなくなるので、発電装置用発電機１の大幅な軽量化を図ることができる。なお、固定子コア４ａは６分割に限られるものではなく、３つ以上に分割するものであれば、本発明における目的を達成することができる。また、支柱６は、１個の各固定子コア４ａに対して１本の支柱６を配置するものに限定されるものではなく、１個の各固定子コア４ａに対して２本以上の支柱６を配置しても良い。さらに、固定子コアにコイルを巻いたのち、隣接する分割された固定子コアの径方向の側面同士を接着して一体化させた場合や、分割された各固定子コアの径方向の側面に凹凸を形成し、隣接する固定子コアの凹部と凸部を係合させて一体化させた場合であれば、一体化された複数の分割コアの外周に嵌合状態で係合する支柱の数が、分割された固定子コア４ａの数よりも少なくても良い。なお、本実施形態においては、一対の保持板５ａ，５ｂに支柱６を連結しているが、支柱６を連結させるものは保持板５ａ，５ｂに限られるものではない。例えば骨組み構造などのように板状でない保持部材であっても良い。即ち、軸受７，８を固定して回転軸２を支持することができ、かつ支柱６を一対の保持部材で連結できるものであれば良い。
【００１６】
次に、支柱６の形状について、説明する。支柱６は、大径部６ａと、大径部６ａよりも若干径が小さい小径部６ｂとを有する段付きの円柱形状となっており、各固定子コア４ａと係合する部分を小径部６ｂとしている。したがって、支柱６の小径部６ｂに各固定子コア４ａが配置されるように組み立てることで、固定子４は、回転子３に対向するように配置されるので、組立てが容易となる。なお、支柱６の形状は、大径部６ａと、大径部６ａよりも若干径が小さい小径部６ｂとを有する段付き形状であるものに限られず、他の形状であっても本発明の目的を達成することができる。
【００１７】
ここで、本発明の目的を達成することができる支柱の他の形状の変形例について、図３を用いて説明する。
先ず第１の変形例について、図３（ａ）を用いて説明する。図３（ａ）に図示される支柱６は、各固定子コア４ａと係合しない部分６ａを円柱形状とし、各固定子コア４ａと係合する部分を直線状に切り欠いた直線状切欠部６ｃとなっている。このようにすることで、各固定子コア４ａと係合する面積が大きくなり、より確実に各固定子コア４ａを支柱６に固定することができる。また、支柱６と各固定子コア４ａとが係合する部分６ｃを小径とする必要がないので、小径にしたときと比べて若干の強度アップを図ることができる。
次に、第２の変形例について、図３（ｂ）を用いて説明する。図３（ｂ）に図示される支柱６は、各固定子コア４ａと係合しない部分６ａを第１の変形例と同様に円柱形状とし、各固定子コア４ａと係合する部分を各固定子コア４ａの外周面と嵌合するように円弧状に切り欠いた円弧状切欠部６ｄとなっている。このようにすることで、さらに、各固定子コア４ａと係合する面積が大きくなり、より確実に各固定子コア４ａを支柱６に固定することができる。また、変形例１と同様に、支柱６と各固定子コア４ａとが係合する部分６ｄを小径とする必要がないので、小径にしたときと比べて若干の強度アップを図ることができる。
次に、第３の変形例について、図３（ｃ）を用いて説明する。図３（ｃ）に図示される支柱６は、各固定子コア４ａと係合しない部分６ａを第１の変形例及び第２の変形例と同様に円柱形状とし、各固定子コア４ａと係合する部分を台形の形状をした角状に切り欠いた角状切欠部６ｅとなっている。このようにすることで、各固定子コア４ａを支柱６に固定することができる。
なお、ここまで、円柱形状の支柱６について説明したが、円柱形状に限られるものではなく、例えば四角柱などの多角形であってもよい。また、円柱である場合には、真円でなく楕円であってもよい。
【００１８】
また、各固定子コア４ａが配置されていない場合における軸心Ｏに対して対角線上にある２本の支柱６の小径部６ｂ、又は切欠部６ｃ，６ｄ，６ｅの、各固定子コア４ａが配置されていれば嵌合されていたであろう係合部同士を結ぶ長さＬは、６分割された固定子コア４ａをドーナツ型に組み合わせた場合における軸心Ｏを中心とした外径よりも若干小さな寸法となっている。したがって、支柱６は、支柱６の小径部６ｂ、又は切欠部６ｃ，６ｄ，６ｅで各固定子コア４ａを係合した状態で、一対の保持板５ａ，５ｂとの連結部１１より外側（軸心Ｏを中心とした外径側）に広がって位置することになる。よって、各固定子コア４ａを支柱６で固定したとき、各固定子コア４ａと支柱６とが互いに押し合う力が発生するので、各固定子コア４ａが６分割されたものであっても、各固定子コア４ａが位置ずれを起こすことがない。さらに、支柱６の小径部６ａ、又は切欠部６ｃ，６ｄ，６ｅにボルト穴１２を設け、ボルト１３で各固定子コア４ａを内径側に押し込むように固定することによって、各固定子コア４ａは、より強固に支柱１４に固定されることとなる。この場合、各々の保持板５ａ，５ｂと支柱６との連結部１１が支点となって各固定子コア４ａを内径側に押し込むこととなる。また、回転子３を挟んだ一対の保持板５ａ，５ｂの各々は、それらの表裏面の一面側に、段差部２５ａ，２５ｂを有しているので、ボルト１６で支柱１４を軸心Ｏ側に押し込むことによって、各固定子４ａと回転軸２の同心が確保される。なお、本実施形態において、各固定子４を６分割しているが、３つ以上に分割したものであれば、発電装置用発電機１全体の大幅な軽量化、及び組立ての容易化という本発明の目的を達成することができる。
【００１９】
また、本実施形態における発電装置用発電機１は、回転軸２に回転自在に回転子３が取り付けられており、回転軸２と回転子３との間にはスプリングクラッチ１４が設けられたシンプルな構造となっている。さらに、回転軸２の回転数を検出するための検出装置１５、及び回転軸２が所定の回転数を上回ったときに回転軸２の回転を抑制するためのブレーキ装置１６が設けられている。
【００２０】
ここで、スプリングクラッチ１４、検出装置１５、ブレーキ装置１６の構成について、簡単に説明する。
スプリングクラッチ１４は、スプリング装置１７とラッチ装置１８とから構成されている。さらにスプリング装置１７は、入力側スリーブ１９と、出力側スリーブ２０と、スプリング２１とから構成されている。入力側スリーブ１９は、その中空部に回転軸２がしまりばめで嵌合されているので、回転軸２と一体となって回転する。出力側スリーブ２０は、その内径側で軸受９によって回転軸２に回転自在に支持されるとともに、回転子３にボルト２２で固定されている。したがって、出力側スリーブ２０が回転したとき、回転子３は出力側スリーブ２０と一体となって回転する。また、スプリング２１はコイル形状のスプリング２１であり、その一端には、スプリング２１の外径方向に突き出た突起部がある。このスプリング２１は、突起部とは反対側の他端が出力側スリーブ２０に固定され、入力側スリーブ１９と出力側スリーブ２０の外周側に、回転軸２の回転方向で締め付けられるように配置されている。ラッチ装置１８は、ラッチ装置２１を構成する図示しないアクチュエータがスプリング２１の突起部と僅かな隙間をもって、回転軸２の回転方向でスプリング２１が締め付けられる方向とは反対の方向（以下、「スプリング２１の解除方向」という）に向かって対峙するように配置されている。そして、電気的制御によって、図示しないアクチュエータがスプリング２１の解除方向に突起部を押し上げる。その結果、入力側スリーブと出力側スリーブとが非接続状態となる。
また、検出装置１５は回転軸２の回転数を検出し、ブレーキ装置は回転軸２が所定の回転数以上となったときに回転軸２の回転を抑制させるものである。
なお、スプリングクラッチ１４、検出装置１５、ブレーキ装置１６は、本発明の目的を達成するために必須のものではない。
【００２１】
次に、本発明に係る発電装置用発電機１の組立て方法について説明する。先ず、回転軸２などの回転部分の組立てを先に行うので、回転部分の組立てについて説明する。回転軸２の所定位置に被検出部２４が設けられた入力側スリーブ１９をしまりばめで嵌合させる。そして、出力側スリーブ２０と回転子３をボルト２２で固定し、軸受９，１０を取り付けたのち、それらの中空部に回転軸２を通して回転軸２を固定する。また、スプリング２１の突起部の他端側を出力側スリーブ２０に固定し、回転軸２の回転方向で締め付けられるようにスプリング２１を取り付ける。
一方、回転部分の組立てとは別工程で固定部分の仮組立てを行う。固定部分の仮組立ては、先ず、下側の保持板５ｂに軸受８を取り付けたのち、支柱６を連結部１１で固定する。このとき、下側の保持板５ｂの段差部２５ｂを有している面側に支柱６が伸びるように固定する。そして、分割された固定子コア４ａの外周と支柱６の小径部６ｂ、又は切欠部６ｃ，６ｄ，６ｅとを嵌合状態で係合させて、各固定子４ａを４ドーナツ型に配置する。ここで、分割された固定子コア４ａの外周と支柱６の小径部６ｂ、又は切欠部６ｃ，６ｄ，６ｅとを嵌合状態で係合させることで、発電装置用発電機１の組立てを終えたときに、各固定子４ａと回転子３とが対向する位置に配置される。
回転部分の組立てと固定部分の仮組立てを終えたのち、仮組立てを終えた固定部分の下側の保持板５ｂに、軸受８を介して回転部分を取り付ける。そして、予め軸受７が取り付けられた上側の保持板５ａに、軸受７を介して回転部分を取り付ける。このとき、一対の保持板５ａ，５ｂは、それぞれが段差部２５ａ，２５ｂを有する面が向かい合うように取り付けられる。その後、上側の保持板５ａと支柱６とを連結部で固定する。このように組み立てることで、回転軸２及び回転子３等の回転部分は、一対の保持板５ａ，５ｂに対して、軸受７，８を介して回転自在に取り付けられる。なお、被検出部２４は、回転軸２が回転したときに、被検出部２４がセンサ２３を通過する位置に配置される。
このように発電装置用発電機１の組立てを行うことで、支柱６は、一対の保持板５ａ，５ｂの連結部１１より外側（軸心Ｏに対して外径側）に広がって取り付けられるので、支柱６と固定子コア４ａとが互いに押し合う力が発生し、固定子コア４ａは確実に固定される。その後、支柱６の外側から内径側にかけてボルト１３で押し込むことによって、さらに確実に固定子コア４ａを固定することができる。また、回転子３を挟んだ一対の保持板５ａ，５ｂの各々は、それらの表裏面の一面側に、段差部２５ａ，２５ｂを有しているので、ボルト１６で支柱１４を軸心Ｏ側に押し込むことによって、各固定子４ａと回転軸２の同心が確保される。
【００２２】
従来、固定子コア４は分割されておらず、ドーナツ型の形状であったため、固定子コア４と、一対の保持板５ａ，５ｂの間を連結した支柱６とを係合させることはできなかった。したがって、固定子コア４の外周を覆うようなハウジング部材とする必要があったので、発電装置用発電機１の重量が大きくなっていた。また、固定子４を回転子３と対向させて配置することも困難であったので、組立てが困難であった。そこで、本発明に係る構成とすることによって、発電装置用発電機１の重量を大幅に軽減化できたとともに、回転子３に対向させて固定子４を配置して組立てを行うことも容易となった。
【００２３】
尚、本発明は、上記の好ましい実施形態に記載されているが、本発明はそれだけに制限されない。本発明の精神と範囲から逸脱することのない様々な実施形態が他になされることができることは理解されよう。
【００２４】
例えば、本実施形態においては、風力発電装置用発電機について説明したが、これに限られるものではない。例えば、動力源は風力である必要はなく、水力であっても良い。また、回転軸は、垂直型であっても水平型であってもよい。さらに、発電装置用発電機に限られず、電動機であっても良い。回転電機には、発電装置用発電機や電動機を含む概念だからである。即ち、回転軸と、この回転軸に取り付けられる回転子と、回転子に対向して配設された固定子と、を備えた発電装置用発電機や電動機等の回転電機であれば、本発明を適用することは可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明に関わる風力発電装置用発電機の（ａ）平面図、及び（ｂ）正断面図である。
【図２】本発明に関わる風力発電装置用発電機の図１（ｂ）に図示するＡ−Ａ方向からみた断面図である。
【図３】本発明に関わる一対の保持板を連結する支柱の形状についての変形例である。
【符号の説明】
【００２６】
１    風力発電装置用発電機
２    回転軸
３    回転子
４    固定子
４ａ  固定子コア
５ａ  上側の保持板
５ｂ  下側の保持板
６    支柱
６ａ  支柱の大径部
６ｂ  支柱の小径部
６ｃ  直線状切欠部
６ｄ  円弧状切欠部
７〜１０  軸受
１１  連結部
１２  ボルト穴
１３  ボルト
１４  スプリングクラッチ
１５  検出装置
１６  ブレーキ装置
１７  スプリング装置
１８  ラッチ装置
１９  入力側スリーブ
２０  出力側スリーブ
２１  スプリング
２２  ボルト
２３  センサ
２４  被検出部
２５  保持板の段差
【図１】
2005130625.tif 000003
【図２】
2005130625.tif 000004
【図３】
2005130625.tif 000005