(57)【要約】      （修正有）【課題】少ない回転数で効率的に発電する多極発電機を、高効率にかつ、材料の無駄を無くし、さらに巻線のターン数を増やしても回転部分の構造を大型化させずに提供する。【解決手段】帯状の電磁鋼板を巻いた鉄心に巻線を施した多数のステータポール７が、等角度間隔にハウジング５の外周面側に固定されている。ステータポール７の外周囲には、帯状の電磁鋼板を巻いた円筒形状のヨーク８が当接している。ハウジング５内には、多数の永久磁石を持つロータ１６が内挿され、回転軸２により回転する。回転軸２は、ハウジングに固定された軸受により支持されている。帯状の方向性電磁鋼板を巻いた鉄心に巻線を施してステータポール７の鉄心が作製されるので、材利用の無駄が省ける。また、ステータポール７とヨーク８が別体で作製され、ステータポール７の固定はハウジング５の外周面側が受け持ため、構造上の強度を磁気ギャップに近い位置に持たせることができる。【選択図】図５
2013051818.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
帯状の電磁鋼板を巻いた鉄心に巻線を施した多数のステータポールと、
前記ステータポールを等角度間隔に外周面側に固定し、前記ステータポールの磁気回路の一端を内周面側に向けた非磁性のハウジングと、
帯状の電磁鋼板を巻いた円筒形状の内周面に、前記ステータポールの他端が当接したヨークと、
前記ハウジング内に内挿され、前記ハウジングの内周面に向けられた前記ステータポールの磁気回路の一端との間に磁気ギャップを形成する多数の永久磁石による磁極を有するロータと、
前記ロータを回転させる回転軸と、
前記回転軸を支持し、前記ハウジングに固定された軸受とを有することを特徴とした発電機。
【請求項２】
前記ステータポールの帯状の電磁鋼板は、方向性磁性鋼板であって、磁化容易軸をステータポールの磁気回路の方向と一致させたことを特徴とした請求項１の発電機。
【請求項３】
鉄心に巻線を施した多数のステータポールと、
前記ステータポールを等角度間隔に外周面側に固定し、前記ステータポールの磁気回路の一端を内周面側に向けた非磁性のハウジングとを有することを特徴とした発電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風車等の低速回転の出力軸に連結して発電を行う発電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
商用電力の周波数は50Hz（または６０Ｈｚ）であり、たとえば、火力・水力発電における2極ロータによるタービン発電では、３０００回転／分の高速回転が必要である（６０Ｈｚの場合、３６００回転／分）。ところが、風力を利用した風車では、高速回転は望めず、ギアで回転数を増速させるか、多極のロータの発電機を用いる。20極のロータならば３００回転／分の低速回転でも商用電力の周波数の電力を得ることができ、ギアレスの発電が可能になる。 
【０００３】
例えば、特許文献１には、多極発電機が開示されている。この発電機は、永久磁石を磁極とするロータと、放射線形状のステータとを有し、ロータを回転させることにより、ステータに巻き回された電機子巻線に交流電圧を発生させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−６００９２号公報
【特許文献２】特開２００５−３０４１２７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
発電機を含むモータの製造に関しては、放射状のテース（teeth）を持つステータを形成するために磁性材料を打ち抜いて形成することが行われている。特許文献１の発電機において、巻線のターン数を増やそうとすると、放射状のテースの長さを長くしなければならず、コアの打ち抜きにより形成すると、テース間の材料が大量に無駄にされる。
また、テースの長さが長く、多極構成でロータの直径が大きな場合、梃子の原理で長いテースの端部（ヨークとの接続部）には大きな曲げモーメントが発生するため、これに対応するには、テースとヨークとの接続部は強固に厚くなる。従って、このように大きくなったテースとロータを収容するには、大きなかつ強度を持つケーシングが必要となる。一方、テースを長くすれば巻線を多く巻けることができるが、逆にテース自体の機械的強度を持たせるために幅もさらに大きくしなければならず、幅が増えると巻き線の一巻き当たりの導体長さが増加し、銅損が増えることになる。
【０００６】
尚、特許文献２では、永久磁石を固定する円筒状のロータコアの形成に関し、打ち抜きに代えて、直方体状の強磁性体を巻き回すことによってロータコアを形成することを提案しているが、放射状のテースを持つステータについて開示したものではない。
【０００７】
そこで、本発明は、放射形状をしたコアをシート状の軟磁性体から形成することにより、打ち抜き時に発生する材料の無駄を無くし、さらに巻線のターン数を増やしても回転部分の構造を大型化させない発電機を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために本発明の発電機は、帯状の電磁鋼板を巻いた鉄心に巻線を施した多数のステータポールと、前記ステータポールを等角度間隔に外周面側に固定し、前記ステータポールの磁気回路の一端を内周面側に向けた非磁性のハウジングと、帯状の電磁鋼板を巻いた円筒形状の内周面に、前記ステータポールの他端が当接したヨークと、前記ハウジング内に内挿され、前記ハウジングの内周面に向けられた前記ステータポールの磁気回路の一端との間に磁気ギャップを形成する多数の永久磁石による磁極を有するロータと、前記ロータを回転させる回転軸と、前記回転軸を支持し、前記ハウジングに固定された軸受とを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、帯状の電磁鋼板を巻いた鉄心に巻線を施してステータポールの鉄心が作製されるので、材料の無駄が省けるという効果がある。また、ステータポールとヨークが別体で作製され、ステータポールの固定はハウジングの外周面側が受け持つ。そして、ハウジングが軸受に固定されるため、発電機としての構造上の強度を磁気ギャップに近い位置に持たせることができる。従って、ステータポールの長さを長くして、巻線を増やしたりしても磁気ギャップに近い位置で支えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図１は本実施例の発電機1を示している。発電機1は、インナーロータ型であり、回転軸２には永久磁石を磁極としたロータ（後述）が固定され、非磁性のステンレス製のハウジング５内で回転する。ハウジング５は前後の軸受３、４にボルト６により固定されており、軸受３、４により回転軸２を軸支する。尚、破線Ｏは、回転中心である。
【００１１】
ハウジング５からは、放射状に多数のステータポール７が固定されており、その外側を円筒形状のヨーク８が取り囲んでステータポール７と磁気回路を形成している。
【００１２】
図２は、ステータポール７の組立工程を示す図である。ステータコア１０（図２Ａ）の回りに帯状の薄い軟磁性体１１を多数回巻きつけてゆく（図２Ｂ）。電磁鋼板は薄いほど鉄損が少なく、軟磁性体１１として用いる電磁鋼板の厚さは薄い方が良い。尚、軟磁性体１１の表面には、絶縁皮膜が施されている。薄い軟磁性体１１を巻いてステータポール７を作製するので、打ち抜きの際に残る材料の無駄が省くことができる。
【００１３】
また、電磁鋼板には、無方向性電磁鋼板と方向性電磁鋼板といった種類のものがあり、一般に方向性電磁鋼板はトランスなどの用途向き、無方向性電磁鋼板は回転機などの用途向きとして用いられる。本実施例においては、無方向性電磁鋼板よりも鉄損が少なく、透磁率の高い方向性電磁鋼板を、軟磁性体１１として用いている。方向性電磁鋼板の磁化容易方向ａは、軟磁性体１１の長さ方向（コア１０に巻きつけていく方向）に垂直とする。また、ステータコア１０に用いる電磁鋼板として方向性磁性鋼板を用いる場合は、磁化容易方向ａを軟磁性体１１の長さ方向（ステータコア１０に巻きつけていく方向）に垂直とする。ステータポール７が形成する磁気回路の方向と一致させる為である。
【００１４】
ステータコア１０は、軟磁性体１１の幅よりも若干長く、軟磁性体１１を巻きつけたときに両側に端部１０ａが覗くようにする。一方、端部１０ａが収まる孔１２ａ、１３ａを有したフランジ１２、１３を、軟磁性体１１をまきつけたステータコア１０の両側から装着する（図２Ｃ）。フランジ１２、１３としては、無方向性電磁鋼板を用いる。このようにして形成した鉄心１４（図２Ｄ）のフランジ１２の間に、巻線１５を巻きつける（図２Ｅ）。このようにして、ステータポール７を作製する。フランジ１２、１３が、ステータポール７により形成される磁気回路の一端、他端となる。
【００１５】
尚、後述するようステータポール７は、フランジ１３の方をヨーク８に取り付けるため、フランジ１３の外側の表面は、ヨーク８の内周面と同じ曲率に成形してある。また、フランジ１２の外側の表面は、ハウジング５内のロータとの磁気ギャップを構成するため、磁気ギャップが均一になるような曲率で抉られている。
【００１６】
図３は、ハウジング５は円筒状であり、その内周面は発電機１の回転中心Ｏを中心とする円周面となっている。そして、その円周面には等角度間隔にフランジ１２が納まる貫通した孔５ｂが設けられている。また、両端には軸受３と接続するためのブリム５ｃが設けられ、ブリム５ｃにはボルト孔５ｄが穿孔されている。ステータポール７のフランジ１２を、孔５ｂに挿入し、ハウジング５の内周面５ａに対して、フランジ１２の外側の面１２ａが沿うように、かつ回転中心０からの半径線上に位置するようにハウジング５の外周面側に配置する。そして、内側のフランジ１２が挿入された孔５ｂの回りの縁５ｅを溶接して固定する。
【００１７】
図４は、ヨーク８の作製図である。ヨーク８は、帯状の無方向性電磁鋼板１７（軟磁性体）を多数回巻き取って円筒状に作製したものである。無方向性電磁鋼板１７は、表面を絶縁体で被覆されている。無方向性電磁鋼板１７を用いるのは、内周面に取り付けられるステータポール７からの磁力線を導入する為である。スタータポール７とは別体として、帯状の無方向性電磁鋼板１６を巻いてヨーク８を作製するので、打ち抜きの際に残る材料の無駄が省くことができる。
【００１８】
図５は、発電機１の一部断面分解図である。尚、図中、各構成の見易さのため、ステータポール７は1つだけハウジング５に固定されている状態を示し、他のステータポール７は取り外した状態を図示している。ロータ１６は円筒形状であり、外周上にはＮ、Ｓ極を交互に配置した磁極１６ａを有している。ロータ１６はハウジング５内に小さな隙間（１〜２ｍｍ）をもって、内挿されており、この隙間が磁気ギャップを構成する。
【００１９】
ハウジング５のボルト孔５ｄと軸受３のボルト孔２ａ同士がボルト６とナット４により固定される。従って、発電機１の構造上の強度は軸受３ハウジング５が司ることになる。一方、ステータポール７及びヨーク８は、自己を保持する強度を有すれば良い。ロータ１６と磁気ギャップを持つ程度に近接したハウジング５の外周側がステータポールの固定を受け持つ構造材であるため、構造材の直径はステータポール７の長さに対して支配的ではない。このことは、巻線１５のターン数を増加させる際に、ステータポール７の長さを長くしても、ヨーク８の直径が大きくなるだけで、構造材としての軸受３とハウジング５を大きく変更することはないことを意味する。
【００２０】
発電機１は、回転数の低い風力発電に用いる場合、回転数が低いのでこれにより発生する、交番磁界の周期も長い。従って、フランジ１２や１３で発生する渦電流は大きくならず、この箇所での鉄損は少ない。一方、磁気回路の大部分の長さを占めるステータポール７やヨーク８においては、電磁鋼板は絶縁された状態で重なっているので、鉄損は少ない。
【００２１】
また、ロータ１６が回転するとステータポール７は、ハウジング５の周方向への振動する力を受けるが、これをハウジング５が当該振動の発生する地点で支えることになる。
【００２２】
ヨーク８は、ステータポール７のフランジ１３の外面と接触している。ヨーク８及びステータポール７は、構造材ではないので、ステータポール７に対してヨーク８を回転軸２の方向にずれないように押さえておく機構があればよい。
【００２３】
発電機１の動作において、ロータ１６から発せられた磁力線は、磁気ギャップを介して、フランジ１２に至る。フランジ１２に至った磁力線は、軟磁性体１１の磁化容易方向に沿ってフランジ１３へ到達し、ここからヨーク８へ移る。そして、再び、他のステータポール７に至ってからロータ１６へ戻るのである。
【００２４】
上記実施例においては、製造上の都合からステータコア１０やフランジ１２、１３を用いたが、これらを用いなくとも良い。例えば、軟磁性体１１を芯なしで巻き取った後、巻線を施し、非磁性のハウジング５に等角度間隔に位置付けた後に、ステータポール７及びハウジング５に樹脂を厚く塗布して固めても良い。
【００２５】
また、非磁性のハウジング５には貫通した孔５ｂは無くても良い。この場合、磁気ギャップの間隔が広がるが、ハウジング５の強度は強化される。
【００２６】
本実施例では、ステータポール７を１２極のものを示したが、より多くの極数としてもよい。一方、永久磁石の極数は、コギングを少なくするように、正対をできるだけ少なくするようにする。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】発電機の斜視図である。
【図２】ステータポールの組立工程を示す図である。
【図３】ステータポールの取り付け工程を示す図である。
【図４】ヨークの作成図である。
【図５】発電機の一部断面分解図である。
【符号の説明】
【００２８】
１  発電機
２  回転軸
３  軸受
５  ハウジング
７  ステータポール
８  ヨーク
１０  ステータコア
１１  軟磁性体
１６  ロータ  
【図１】
2013051818.tif 000003
【図２】
2013051818.tif 000004
【図３】
2013051818.tif 000005
【図４】
2013051818.tif 000006
【図５】
2013051818.tif 000007