(57)【要約】  ２つの磁性環と、コイル環と、コイル環の軸方向における屈曲に抗するようにコイル環の中央開口部に、又はコイル環の中央開口部に向かって設けられた手段と、を備える軸方向磁束回転発電機。磁性環及びコイル環は、共通軸を有する。２つの磁性環によって、２つの磁性環の間のギャップを横切って延びる、共通軸周りの複数の磁場が画定される。コイル環は、ギャップ内の共通軸周りに一連のコイルを有する。この構成によれば、磁性環がコイル環に対して回転させられると、磁場からの一連の磁束がコイルの巻線を横切り、コイル内に電流を誘導する。
2020501490.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つの磁性環と、
外周が機械的に補強されているコイル環と、
前記コイル環の軸方向における屈曲に抗するように前記コイル環の中央開口部に設けられた手段と、を備え、
前記磁性環及び前記コイル環は、共通軸を有し、
前記２つの磁性環によって、前記２つの磁性環の間のギャップを横切って延びる、前記共通軸の周りの複数の磁場が画定され、前記コイル環は、前記ギャップ内の前記共通軸の周りに一連のコイルを有し、前記磁性環が前記コイル環に対して回転させられると、前記磁場からの一連の磁束が前記コイルの巻線を横切り、前記コイル内に電流を誘導する、軸方向磁束回転発電機。
【請求項２】
軸方向の屈曲に抗する前記手段は、１つ以上の硬化部材で形成され、
前記硬化部材は、前記硬化部材の片側または両側において、前記コイル環の中央部に固定され、好ましくは、軸方向に屈曲するという前記コイル環の傾向を低下させるように設計された材料で形成され、
前記硬化部材は、好ましくはそれ自体が環状である、請求項１に記載の軸方向磁束回転発電機。
【請求項３】
軸方向の屈曲に抗する前記手段は、ベアリングを備える、請求項１又は２に記載の軸方向磁束発電機。
【請求項４】
前記ベアリングが接触型のベアリングである、請求項３に記載の軸方向磁束発電機。
【請求項５】
前記コイル環の軸方向の屈曲に抗するための前記手段は、前記コイル環に配置される、プラスチック製のベアリング表面を備え、前記ベアリング表面は、前記コイル環に配置された前記プラスチック製のベアリング表面の両側において、前記磁性環に取り付けられたベアリング表面と、滑り接触で、または滑り接触に近い状態で作用する、請求項１〜４のいずれか１つに記載の軸方向磁束回転発電機。
【請求項６】
静止状態において、前記コイル環に配置された前記ベアリング表面と、前記磁性環に配置された前記ベアリング表面と、の間にギャップが存する、請求項５に記載の軸方向磁束回転発電機。
【請求項７】
前記手段はさらに、環状ボールレース又はこれと同等のものを備える、請求項１〜６のいずれか１つに記載の軸方向磁束回転発電機。
【請求項８】
前記環状ボールレースの内側部分は、前記磁性環の間に延びるカラーに固定され、前記環状ボールレースの外側部分は、前記コイル環の内側周面に固定される、請求項７に記載の軸方向磁束回転発電機。
【請求項９】
前記磁性環の間に延びる環状カラーをさらに備える、請求項１〜７のいずれか１つに記載の軸方向磁束回転発電機。
【請求項１０】
軸方向の屈曲に抗する前記手段の一部は、前記カラーに取り付けられる、請求項９に記載の軸方向磁束発電機。
【請求項１１】
軸方向の屈曲に抗する前記手段の少なくとも一部は、前記環状カラーの、１つ以上の円周溝内に収容される、請求項９又は１０に記載の軸方向磁束回転発電機。
【請求項１２】
前記コイル環の少なくとも一部は、前記１つ以上の円周溝の中に向かって延びる、請求項１１に記載の軸方向磁束発電機。
【請求項１３】
前記環状カラーは前記共通軸から離隔している、請求項９〜１２のいずれか１つに記載の軸方向磁束発電機。
【請求項１４】
軸方向の屈曲に抗する前記手段に対して潤滑剤が提供されるように、前記磁性環の間に延びるカラーを貫通して設けられたチャネルをさらに備える、請求項１〜１３のいずれか１つに記載の軸方向磁束回転発電機。
【請求項１５】
前記コイル環が、前記コイル環の軸方向厚さの少なくとも３０倍以上である直径を有する、請求項１〜１４のいずれか１つに記載の軸方向磁束回転発電機。
【請求項１６】
軸方向の屈曲に抗する前記手段は、前記コイル環のすべてのコイルの径方向内側に存する、請求項１〜１５のいずれか１つに記載の軸方向磁束発電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、軸方向磁束発電機（axial flux generator）におけるステータ及びロータの構成の改良、特に、自身の特許出願（ＧＢ２５２０５１６、ＧＢ２５３２４７８及びＧＢ２５３８５１６）に開示されているタイプの発電機におけるステータ及びロータの構成の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
このような形態の発電機では、間隔を空けた一連の直列環状ロータ（in-line annual rotors）が、環状ステータを担持した一連の直列コイルを挟む。環状ロータの両側には、永久磁石が配置されている。環状のカラーが、ロータの内側部分に固定されて、ロータの内側部分の中間に位置している。この環状のカラーが、ロータの分離を維持するとともに、ロータ磁石の表面とステータとの間の必要最小限のエアギャップも維持する。ステータ環は、カラーがそこを通過して配置されるのに十分な内径を有する。ドローボルトは、ロータと、ロータを分離するカラーと、の双方を貫通する。一連のロータは、このドローボルトによって一緒に締結され、外部手段（例えば、風力タービンのロータ）によって回転可能に駆動されてステータに対して回転する。あるロータ上の永久磁石からエアギャップを横切って対向するロータ上の磁石へと通過する磁束が、それらの間に挟まれたステータコイルの巻線を横切ることで、電磁力が発生する。
【０００３】
特定の用途、特に低速回転ダイレクトドライブ用途における発電機などの使用においては、ロータ及びステータが相当の直径を有することが望ましい。これは、導体内における発電が、（フレミングの法則に従って）磁束が導体を横切る速度に比例するためである。したがって、直径が大きくなるにつれて、ロータによって提供される磁束がステータ内に取り付けられたコイルの巻線を横切る速度が大きくなる。広径配置を利用することによって、（ダイレクトドライブ配置において）回転速度を上げるための従来のギアボックスを用いないことを補償することが可能となる。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は、２つの磁性環と、外周が機械的に補強されているコイル環と、コイル環の軸方向における屈曲に抗するようにコイル環の中央開口部に設けられた手段と、を備える軸方向磁束回転発電機（axial flux rotary generator）を提供する。磁性環及びコイル環は、共通軸を有する。２つの磁性環によって、２つの磁性環の間のギャップを横切って延びる、共通軸周りの複数の磁場が画定される。コイル環は、ギャップ内の共通軸周りに一連のコイルを有する。この構成によれば、磁性環がコイル環に対して回転させられると、磁場からの一連の磁束がコイルの巻線を横切り、コイル内に電流を誘導する。
【０００５】
したがって、本発明によれば、使用時にステータの軸方向における屈曲が発電機の長さに沿ってそれらの指定登録（designated registrations）から離隔して発生し得る程度を、抑制する手段、または実質的に抑制する手段が設けられる。この手段は、本明細書に記載されたタイプの発電機のステータ（コイル環）における中央開口部に、またはその中央開口部に向かって設けられる。特にこれは、ステータ（コイル環）の直径がその軸方向厚さ（軸方向の屈曲に抗する手段を除く）の少なくとも３０倍以上である発電機に適用される。ステータの直径がその軸方向厚さの少なくとも５０倍以上である発電機においては、本発明における、軸方向の屈曲に抗する手段がなければ、軸方向の屈曲が発生するリスクがさらに高まる。これは、損傷をもたらす可能性がある、軸方向におけるステータの屈曲の可能性の問題に対処する。
【０００６】
本発明の第１の態様によれば、前述の手段は、硬化部材の片側または両側において、ステータの中央部に固定され、軸方向に屈曲するというステータの傾向を低下させるように設計された材料で形成された、１つ以上の硬化部材で形成されていてもよい。この硬化部材は、好ましくはそれ自体が環状である。この第１の態様の特徴において、前記硬化手段を収容するために、環状凹部を、ロータプレートに、またはそれらを分離するカラー内に設けてよい。
【０００７】
一つの実施形態では、軸方向の屈曲に抗する手段は、ベアリングを備える。これは、特に好ましい実施形態、つまりベアリングが接触型のベアリングである場合においては、このような部材が硬化部材より軸方向の屈曲に対して強力に抗することができるため、有利である。
【０００８】
本発明の第２の態様によれば、ステータの軸方向の屈曲を制限するための前述の手段は、ステータに配置される、プラスチック製のベアリング表面を備える。このベアリング表面は、その両側において（on either side of it）、ロータに取り付けられた同様のベアリング表面と、滑り接触で、または滑り接触に近い状態で作用する。これらのベアリング表面が存在することにより、ステータプレートの軸方向における大幅な屈曲が物理的に不可能となる。ベアリング表面をロータに取り付ける代わりに、これを、ロータを分離するカラーに取り付けてもよい。
【０００９】
特に、ロータ及びステータが大型の場合においては、プラスチック製のベアリングプレートを使用するより、より耐久性及び耐摩耗性が高い整列手段を実装することが好ましい場合がある。この場合においては、形式的なケージベアリング配置が用いられる。この配置では、環状ベアリングの内輪が、ロータプレートを分離するカラーの表面に取り付けられ、またはそこに設けられた溝内に取り付けられ、外側のケージが、ステータプレートの内側領域に取り付けられ、もしくはその内径を画定する内側円筒表面の中に接触して取り付けられる。
【００１０】
発電を最適化するためには、起電力発生コイルが占めるステータプレートの面積ができるだけ大きくなることが重要である。このため、前述の配置のいずれも、この発電領域のいかなる部分も独占しないことが望ましい。１つの実施形態では、軸方向磁束回転発電機はさらに、磁性環の間に延びるカラーを備える。磁性環は、磁石が取り付けられているプレートの形態であってよい。環状のカラーは、共通軸から離隔していることが好ましい。本実施形態の一態様によれば、ステータプレートの軸方向の屈曲を制限または抑制する本発明の手段は、ロータプレートを分離する環状カラーの、１つ以上の円周溝内に収容される。したがって、ステータプレートの大部分は、コイルを収容するために自由な状態が維持されている。
【００１１】
一つの実施形態では、軸方向の屈曲に抗する手段の一部は、カラーに取り付けられる。これにより、機械的利点を最大限に享受できる。これは、このような方法において、コイル環が、コイル環の最端部に取り付けられた、屈曲のための手段を有するためである。１つの実施形態において、少なくとも一部のコイル環は、１つ以上の円周溝内に向かって延びており、これによってアセンブリの強度がさらに向上する一方、発電部材によって占有されうる面積が最大となる。
【００１２】
発電機のステータが軸方向に屈曲することにより、ステータ表面及びロータの両側の表面に間接的損害が生じる。前述の配置のいずれも、使用時における発電機のステータの軸方向の屈曲を制限または克服するための、様々な程度の有効性を有する解決策を提供する。
【００１３】
本発明のさらなる態様によれば、予定されたメンテナンス間隔でベアリング表面／手段における潤滑を可能とするために、チャネルが提供される。
【００１４】
一つの実施形態では、軸方向の屈曲に抗するための手段は、コイル環のすべてのコイルの径方向内側に存する。したがって、コイル環の外側領域は、発電用コイルに占有されている。一方、コイル環の内周部は、軸方向の屈曲に抗するための手段を収容可能である。したがって、軸方向の屈曲に抗するための手段は、最も優れた機械的利点を利用可能な位置であって、発電が最も効率的でない位置に存する。
【００１５】
次に、添付の図面を参照しながら本発明を説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１ａ】図１ａは、本発明を適用することができる種類の発電機の分解図を示す。
【図１ｂ】図１ｂは、原寸に比例したステータ及びロータを示す。
【図２】図２は、軸方向におけるステータの屈曲を制限するための、配置の第１形態を示す。
【図３】図３は、軸方向における屈曲を制限するための、配置の第２形態を示す。
【図４】図４は、軸方向における屈曲を制限するための、配置の第３形態を示す。
【図５ａ】図５ａは、コイルが配置されたコイル環を示す。
【図５ｂ】図５ｂは、使用中において図２〜４の手段を潤滑するための手段を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図１ａを参照して、軸方向磁束発電機の環状磁石ベアリングロータが、１０、１１及び１２に示されている。磁性環を形成するようにロータの周面の周りに取り付けられた磁石６、７、８及び９は、エアギャップを挟んで互いに対向している。環状カラー１３及び１４は、ロータ１０〜１２の内側部分において、ロータ１０〜１２の間に延在してそれらを分離させ、ロータ１０〜１２の間の正確な間隔を維持する。環状カラーは、共通軸から離隔している。ロータ１０〜１２及びカラー１３、１４は、ドローボルト１５及び１６によって一緒に締結される。コイル環を形成するコイル担持ステータ１７及び１８は、３つのロータ１０〜１２の間に挟まれている。
【００１８】
磁性環及びコイル環は、共通軸を有する。２つの磁性環によって、２つの磁性環の間のギャップを横切って延びる、共通軸周りの複数の磁場が画定される。コイル環は、ギャップ内の共通軸周りに一連のコイルを有する。この構成によれば、磁性環がコイル環に対して回転させられると、磁場からの一連の磁束がコイルの巻線を横切り、コイル内に電流を誘導する。
【００１９】
特定の用途のために、５、６または７メートルの直径を有する、非常に大きな直径の発電機が利用されうる。これらは、例えば風力タービンのロータによるダイレクトドライブ時のような、ロータの回転速度が特に遅い場合に必要とされる。例えば、１６または１４ｒｐｍほど低速であって良い。ロータそのものの直径を通して得られるロータの周速、すなわち、磁石からの一連の磁束が磁石の間に挟まれたコイルを横切る増加速度は、回転速度を小径の回転発電機に関連する通常の範囲のｒｐｍ（例えば１５００ｒｐｍ）に増速するためのギアボックスを用いないことを補償する。
【００２０】
そのような大径の配置の一例を、原寸に比例して図１ｂに示す。大径の環状ステータは、事実上、中央開口部を有する単純な薄いプレートである。２つのロータ１９、２０によって、ステータ２１が挟まれている。現在の設計においては、ステータをその中心部２２に向かって軸方向にサポートするように形成されていない。２３に示すように、ステータの外周において機械的な補強を利用することができる。これにより、ステータをロータプレートの間に正確に整列させた状態を保つことができるが、その有効性は中央領域に向かって低下する。ステータ領域の大部分は接触不可であるが、これは、ステータ領域の大部分が、実質的に等しい直径を有するロータの両側に近接して挟まれているためである。
【００２１】
典型的には、ステータは、７メートルの直径を有するが、軸方向の厚みはわずか５０ｍｍである。これにより、ステータは事実上、その中心に向かって軸方向において薄弱であり、軸方向摂動に対して脆い。発電中に発生する力の物理的性質は、コイルが受けるトルクが平面方向に完全に存在し（lie entirely in a planar sense）、すなわちステータの平面内に存在することを決定づける。そこで、開発者らは、軸方向に非常に薄いコイル環を仮定したが、これは、磁性環の間の小さなギャップを有する点において好ましい。そのため、発電効率を十分に上げることができるとともに、コストを十分に低くすることができる。しかしながら、本発明者は驚くべきことに、矢印で示すように、ステータの軸方向の屈曲ももたらす寄生力が発生し得ることを、実験的に発見した。現実の世界では、発電機の動作中に軸方向に発生する振動によって、磁石が両側に取り付けられたロータに対してステータ表面が擦られるという、現実的なリスクが存在する。この振動は、ステータコイル内で起電力が発生する際に、ステータコイルが受ける非対称性の周期的な力によって生じうる。重度の、あるいは壊滅的な損傷が生じうる。
【００２２】
これに対処する第１の手段を、図２を参照して示す。これは、図１の発電機の上半分の中央領域を拡大詳細図で示す。この場合、コイル環のステータ２４は、環状の硬化部材２５及び２６の形態の、軸方向の屈曲に抗する手段を備える。環状の硬化部材２５及び２６は、軸方向に屈曲する傾向が制限されるように設計された材料及び寸法によって構成されている。環状の硬化部材は、径方向の内側部分において、コイル環の軸方向厚みを効果的に増大させる。環状の硬化部材は、コイルが埋め込まれたステータを形成するプレートと一体であってよく、一体でなくてもよい。磁性環のロータ２９及び３０の周りに取り付けられた磁石２７及び２８の径方向長さは、環状の硬化部材２５、２６を収容するための凹部３０ａが設けられるように制限されている。軸方向の屈曲に抗する手段は、すべてのコイルの径方向内側に存在する。これにより、より多くの領域を発電部品に与え、最良の機械的利点が達成される。
【００２３】
第２の手段を、図３を参照して示す。この場合において、図２の環状の硬化部材ではなく、軸方向の屈曲に抗する手段は、ベアリング、例えば接触型のベアリングである。図２の例において、ステータプレートの内側部分は、ベアリング専用のプラスチック表面３１及び３２を備える。ロータも同様に、３３及び３４に示すものを備える。ステータが軸方向に動く傾向がある場合には、ベアリングプレートによってこれが抑制される。過度な摩耗を避けるために、プレートが恒久的に接触している必要はなく、したがって、示す通り、それらの間には小さなエアギャップが存在する。
【００２４】
第３の手段を、図４を参照して示す。特に重作業用途、例えば１ＭＷ以上の速度で発電する発電機であって、軸方向の寄生力がより大きく／より多く顕在化し得る場合には、ステータの軸方向における振動や動きのあらゆる傾向全体を克服するために、重作業に対するさらなる解決策を利用することが望ましい。
【００２５】
この場合には、３５に示すように、正式な環状ボールレース又はこれと同等のものを用いてよい。軸方向の屈曲に抗する手段の一部、例えばボールレースの内側部分は、中央カラー３６に固定されており、外側部分は、ステータ３８の内側周面３７に固定されている。この場合において、このようなベアリングが現在製造されて組み立てられている精度を考慮すると、軸方向に実質的に動かさないことは可能である。
【００２６】
できるだけ多くのステータ領域を有する構造のこの形態の発電機では、コイルを利用してコイルを埋め込むことが重要である。その例を図５ａに示す。巻数が多くなるほど、アウトプットが大きくなる。
【００２７】
前述の配置のいずれもがこの発電領域に衝突しないことを確実とする手段を、図５ｂに示す。図２〜図４に示す表面配置ではなく、図５ｂの３９に示すように、中央カラーに溝を設けてもよい。ステータ４０は、この溝に「食い込み」または突出することができ、前述の開示された動きを制限する手段は、この領域に限定される。図５ｂに示す場合においては、ベアリングプラスチックは、溝内に４１、４２で示されており、ステータ上に４３及び４４で示されている。図４と比較してわかるように、これによって、磁石２７及び２８の双方の径方向長さを長くすることができ、ステータコイル４５の径方向長さも、同様に長くすることができる。これにより、発生した起電力の増加が促進される。
【００２８】
本発明の手段を備えた発電機の日常的なメンテナンスの一部として、定期的に潤滑を提供することが望ましい。潤滑溝又はチャネル４６は、この目的のためにカラーを貫通して設けられており、溝３９内に到達する。これにより、適切な潤滑剤を、環状カラー１３、１４の内部から作用面に到達させることができる。
【００２９】
当業者においては、数多くの変形例が明らかであろう。
【図１ａ】
2020501490.tif 000003
【図１ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５ａ】
2020501490.tif 000008
【図５ｂ】
2020501490.tif 000009
【国際調査報告】
2020501490.tif 000010
2020501490.tif 000011
2020501490.tif 000012