(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
コイルが巻かれた固定子と、該固定子とギャップを有して対向配置され、回転可能に支持された回転子とを備え、
前記回転子は、外径側の一部が径方向に突出し、該突出部が周方向に間隔をもって形成されている内径側回転子鉄心と、該内径側回転子鉄心のそれぞれの突出部外径側に配置された永久磁石と、該永久磁石を、前記内径側回転子鉄心の外径側で、該内径側回転子鉄心とで挟むように配置され、その外径側が略円弧状に形成されているポールピースとから成り、
前記ポールピースの周方向幅Ｔｐを、前記回転子の隣り合う前記ポールピースの最外径極中心間の距離Ｔｒで除算した極幅率Ｐｗが、Ｐｗ≦０.６，０.６７≦Ｐｗ≦０.７１，０.７８≦Ｐｗのいずれかの関係を満足することを特徴とする回転電機。
【請求項２】
請求項１に記載の回転電機において、
前記固定子のスロット数をＮｓ、前記固定子のコイルの相数をＮ、前記固定子の極数をＰとすると、ＮｓをＰとＮの積で除算したときに割り切れない数としたことを特徴とする回転電機。
【請求項３】
請求項２に記載の回転電機において、
前記Ｎｓ／（Ｐ・Ｎ）が２.５または３.５となることを特徴とする回転電機。
【請求項４】
請求項１に記載の回転電機において、
前記コイルは分布巻きにより巻かれ、かつ、前記回転子の各々の極間には、非磁性部材が配置されていることを特徴とする回転電機。
【請求項５】
請求項１に記載の回転電機において、
前記ポールピースの略円弧状の部分の半径Ｒ２よりも、前記回転子の最外周部の半径Ｒ１が大きいことを特徴とする回転電機。
【請求項６】
請求項５に記載の回転電機において、
前記ポールピースの略円弧状の部分の半径Ｒ２に対する前記回転子の最外周部の半径Ｒ１の比率が０.９以下であることを特徴とする回転電機。
【請求項７】
風車と増速ギアを介して風車ナセル内に設置されている回転電機が接続され、該回転電機が電力変換器を介して電力系統に接続されている風力発電システムにおいて、
前記回転電機は、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の回転電機であることを特徴とする風力発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は回転電機及び風力発電システムに係り、特に、風力発電に用いられる永久磁石式回転電機に好適な回転電機及びそれを用いた風力発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
風力発電導入量が近年飛躍的に増加しており、単機容量増加による経済性向上を狙い、１ＭＷ以上の大容量永久磁石式回転電機の要求が高まっている。特開２００１−０６９７３５号公報には、固定子鉄心に電機子巻線を設けた固定子、回転子鉄心に永久磁石を設けた回転子とから概略構成され、固定子と回転子との間で生じる全トルクは、リラクタンストルクと、電機子巻線の電流と永久磁石の鎖交磁束の作用で発生するトルクとを合成して作られ、電機子巻線は、巻線ピッチを極ピッチの４０％〜８０％として固定子鉄心に巻き付けた回転電機が記載されている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−０６９７３５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
大容量回転電機に永久磁石を適用する際には、回転電機が大型化するため、単機でも接続する電力系統に与える影響が大きくなることから、影響を低減する方策の一つである誘導起電力波形の正弦化を図るため、分布巻を採用することになる。
【０００５】
しかしながら、極数と巻線数には無数の組合せがありその中には、誘導起電力波形が歪んでしまう組合せが存在する課題があった。コギングトルク低減策としては、極数とスロット数の組合せを選定するものがあるが、同様の方法を用いても誘導起電力波形が歪んでしまう課題があることがわかった。
【０００６】
本発明は上述の点に鑑みなされたもので、その目的とするところは、誘導起電力波形の歪み率を低減することのできる回転電機及び風力発電システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の回転電機は、上記目的を達成するために、コイルが巻かれた固定子と、該固定子とギャップを有して対向配置され、回転可能に支持された回転子とを備え、前記回転子は、外径側の一部が径方向に突出し、該突出部が周方向に間隔をもって形成されている内径側回転子鉄心と、該内径側回転子鉄心のそれぞれの突出部外径側に配置された永久磁石と、該永久磁石を、前記内径側回転子鉄心の外径側で、該内径側回転子鉄心とで挟むように配置され、その外径側が略円弧状に形成されているポールピースとから成り、前記ポールピースの周方向幅Ｔｐを、前記回転子の隣り合う前記ポールピースの最外径極中心間の距離Ｔｒで除算した極幅率Ｐｗが、Ｐｗ≦０.６，０.６７≦Ｐｗ≦０.７１，０.７８≦Ｐｗのいずれかの関係を満足することを特徴とする。
【０００９】
本発明のその他の特徴は、本明細書の発明を実施するための最良の形態の欄で説明する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の回転電機及び風力発電システムによれば、誘導起電力波形の歪み率を小さくできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下本発明の実施の形態を図面を用いながら説明する。各図において同一部分は同じ番号を付与している。
【００１２】
１ＭＷ以上の大容量永久磁石式回転電機は、その容量から実負荷試験を行うことが困難であり、今後は規格に基づき試験を行って商取引されると考えられる。その試験項目中に波形ひずみ率あるいは波形くるい率のような高調波電圧を規制する項目が入ってくることは必然であり、１ＭＷ以上の大容量永久磁石式回転電機は、風力発電に使用した場合最も効果的である。
【実施例１】
【００１３】
図１は、本発明の第１の実施例の６極５４スロット永久磁石式回転電機の回転電機端部断面図である。該当機は、数ＭＷ級の風力発電用発電機に適しており、１０００〜2000
rpm の回転数を許容する。固定子１は、固定子ティース１２にコイル１０を分布的に巻いた分布巻固定子となっている。コイル１０はＵＶＷの３相巻線が施されており５４スロットで６極が電気的に作られるように配置されている。またコイル１０は固定子ティース
１２の間の固定子スロット１３に上コイル８，下コイル９のように配置されている。第１実施例においてコイル１０は分布巻と呼ばれる方式で巻かれており、これが周方向に続き３相巻線を形成している。固定子１の中心には回転子２が回転可能に配置されている。回転子２では永久磁石３が回転子鉄心５とポールピース４で挟まれて配置されている。また、回転子鉄心５はシャフト６に接続されている。また、極間に永久磁石３が周方向に動かないようにするために極間保持材７を配置する。極間保持材７はアルミあるいは銅のような非磁性体を用いることが望ましい。
【実施例２】
【００１４】
図２は、本発明の第２の実施例の６極６３スロット永久磁石式回転電機の回転電機端部断面図である。実施例１と同様に、固定子２１に、コイル１０は分布巻と呼ばれる方式で巻かれており、これが周方向に続き３相巻線を形成している。固定子１の中心には、回転子２が回転可能に配置されている。回転子２では、永久磁石３が回転子鉄心５とポールピース４で挟まれて配置されている。また、回転子鉄心５は、シャフト６に接続されている。また、極間には、永久磁石３が周方向に動かないようにするために極間保持材７が配置されている。極間保持材７は、アルミあるいは銅のような非磁性体を用いることが望ましい。
【実施例３】
【００１５】
図３は本発明の第３の実施例の６極４５スロット永久磁石式回転電機の回転電機端部断面図である。実施例１と同様に、固定子３１に、コイル１０は分布巻と呼ばれる方式で巻かれており、これが周方向に続き３相巻線を形成している。固定子１の中心には回転子２が回転可能に配置されている。回転子２では永久磁石３が回転子鉄心５とポールピース４で挟まれて配置されている。また、回転子鉄心５はシャフト６に接続されている。また、極間に永久磁石３が周方向に動かないようにするために極間保持材７を配置する。極間保持材７はアルミあるいは銅のような非磁性体を用いることが望ましい。
【００１６】
図４に実施例１の誘導起電力波形の高調波分析結果を示す。同図に示すように基本波、つまり高調波次数１次を１００とした場合に、１７次，１９次の含有率が高いことがわかる。波形歪み率を低減するためには、基本波以外の次数の含有率を０に近づける必要がある。
【００１７】
図５に実施例２の誘導起電力波形の高調波分析結果を、図６に実施例３の誘導起電力波形の高調波分析結果を示す。実施例２，３のようにスロット数を選択することにより、高調波含有率を低減することができる。これは、一般化すると（１）式に示すスロット数
Ｎｓを極数Ｐと相数Ｎで除算した毎極毎相スロット数Ｎspp が割り切れないように選択することを意味する。
【００１８】
【数１】
0004434045.tif 000002
実施例２の場合、Ｎｓ＝６３，Ｎ＝３，Ｐ＝６なので、Ｎspp＝３.５となる。また、実施例３の場合、Ｎｓ＝４５，Ｎ＝３，Ｐ＝６なのでＮspp＝２.５となる。分析の結果、
Ｎspp を整数でない数に選択すると、波形歪み率を小さくすることができることが分かったが、特に今回の実施例２，３のようにＮspp を３.５，２.５となる場合が歪み率低減の効果が高い。また、誘導起電力波形歪み率は、実施例１の回転子２のポールピース４の幅を適切に選択することでも低減が可能である。図７に実施例１の補足説明図を示す。
【００１９】
回転中心Ｏから引かれた補助線７１，７２は、回転子２の最外径極中心７３を貫くように引かれており、この間の円弧をＴｒとする。ポールピース４の幅Ｔｐとの関係を（２）式のように極幅率Ｐｗとする。
【００２０】
【数２】
0004434045.tif 000003
図８は前記極幅率Ｐｗと誘導起電力歪み率の関係を示した図である。曲線８１は極幅率に応じて変化している。波形歪み率はＪＥＣ規格より１０％以下にすることが要求されているため、１０％以下となるおおよそ極幅率Ｐｗ≦０.６，０.６７≦Ｐｗ≦０.７１，
０.７８≦Ｐｗのいずれかの範囲でポールピース４の幅Ｔｐを選択することが望ましい。また、図８からＴｐを上記範囲とするとひずみ低減効果が顕著に発揮できることが分かる。また、図９に示すように、ポールピース４の幅Ｔｐを図８で示した幅となるようにダンパバー９１をポールピース４にもうけてもよい。
【００２１】
図１０は、実施例１におけるポールピース４の曲率の補足説明図である。該図に示す如く、回転子２は、半径Ｒ１の最外周部１０１を持っているが、ポールピース４の外周部の円弧Ｒ２をＲ１よりも小さく取ることで誘導起電力歪み率を低減することができる。
【００２２】
図１１は、ポールピース４の外周部の円弧Ｒ２と回転子２の半径Ｒ１との除算と波形歪み率との関係を示した図であり、曲線１１１はＲ２／Ｒ１が減少するに従い、波形歪み率が低減することを示している。前記規格のように波形歪み率は１０％以下とする必要があることから、Ｒ２／Ｒ１は約０.９以下とすることが望ましい。
【００２３】
図１２は、本発明の回転電機を風力発電システムに適用した例を示す。実施例１から実施例３で示した回転電機１２１は、風車１２４と増速ギア１２３を介して接続され、風車ナセル１２２内に設置される。さらに回転電機１２１は、電力系統１２６と電力変換器１２５を介して接続され、発電運転を行うことができる。また、風車１２４と回転電機１２１は、直結することも可能である。
なお、本実施例では風力を動力源としているが、例えば水車，エンジン，タービンなどにも十分適用可能である。また、本実施例は、電動機にも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の回転電機の実施例を示した説明図である。（実施例１）
【図２】本発明の回転電機の実施例を示した説明図である。（実施例２）
【図３】本発明の回転電機の実施例を示した説明図である。（実施例３）
【図４】本発明の実施例の効果を示した説明図である。（実施例１）
【図５】本発明の実施例の効果を示した説明図である。（実施例２）
【図６】本発明の実施例の効果を示した説明図である。（実施例３）
【図７】本発明の回転電機の実施例を示した補足説明図である。（実施例１）
【図８】本発明の実施例の効果を示した説明図である。（実施例１）
【図９】本発明の回転電機の実施例を示した説明図である。（実施例１）
【図１０】本発明の回転電機の実施例を示した補足説明図である。（実施例１）
【図１１】本発明の実施例の効果を示した説明図である。（実施例１）
【図１２】本発明の回転電機の実施例を示した説明図である。（実施例４）
【符号の説明】
【００２５】
１…固定子、２…回転子、３…永久磁石、４…ポールピース、５…回転子鉄心、６…シャフト、７…極間保持材、８…上コイル、９…下コイル、１０…コイル、１２…固定子ティース、１３…スロット。
【図１】
0004434045.tif 000004
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
0004434045.tif 000008
【図６】
0004434045.tif 000009
【図７】
0004434045.tif 000010
【図８】
0004434045.tif 000011
【図９】
0004434045.tif 000012
【図１０】
0004434045.tif 000013
【図１１】
0004434045.tif 000014
【図１２】
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