JP2011528890A - 永久磁石励磁形同期機 - Google Patents

Abstract

複数の電磁極を備えるステータと複数の永久磁石極（１２）を備えるロータ（１０）とを含む永久磁石励磁形同期機において、本発明によれば、前記ロータ（１０）の少なくとも１つの永久磁石極（１２）は、複数の別個の永久磁石セグメント（１４）から形成されており、前記永久磁石セグメント（１４）は、製造時に特に高い磁界強度が付与されており、前記永久磁石セグメント（１４）は、前記少なくとも１つの永久磁石極（１２）にて周方向に互いに隣接して、ロータの回転時に前記ステータの電磁極に正弦波形の励起が発生するように配置されている。

Description

背景技術
本発明は、複数の電磁極を備えるステータと複数の永久磁石極を備えるロータとを含む永久磁石励磁形同期機に関する。とりわけ本発明は、風力発電所の同期発電機、ないし風力発電所における同期発電機の使用に関する。

同期機は、電気モータとして電流によって動作するか、または発電機として電流を生成する電気機械変換機である。三相または単相の同期発電機があり、これらはそれぞれ少なくとも１つのステータ巻線（大抵は外側）を有しており、このステータ巻線において回転磁界が発生される、ないしは電圧が誘導される。ロータ（大抵は内側）は磁界を発生するために、永久的に励磁された磁石を有する。このような同期機は永久磁石励磁形同期発電機であり、永久磁石励磁形同期発電機では、回転数は交流電圧周波数をロータの極対数によって割った値と同じとなる。すなわちロータの回転数は回転電磁界の回転数と同じである。ロータは回転磁界と同期して回転する。同期機を種々異なる回転数において動作できるようにするためには周波数変換器ないしインバータが必要である。

このような同期機の有効出力は、負荷された同期機のロータと無負荷の同期機のロータとの間のねじれ角として生じるロータ角度によって定められる。

上位概念に記載の同期機は、現在ではとりわけ交流発電機および三相の発電機として発電所にて使用されている。しかしながら別の形式の同期機は例えば自動車においても発電機として使用される。この場合従来ではロータには、磁界発生のために、低出力（ワットおよびキロワット領域）の発電機のための永久的に励磁された磁石として永久磁石が使用されていた（自己励磁）。これに対して高出力の発電機（メガワット領域）のロータには、電磁石が使用されていた（外部励磁）。

風力発電所には４極構造の非同期機が装備されていることが多い。これは高い回転数を有する。したがって回転数を適合するためにロータブレード軸と発電機との間にトランスミッションが必要であり、これによってこの構造ではトランスミッションとベアリングが損耗しやすくなる。これに対してトランスミッション無しの緩慢に回転する発電機はより大きな極数を必要とするので、必要な直径は大きくなり、重量は重くなる。しかしながらとりわけ重量は、風力発電所の場合には重要な設計要因である。

本発明の課題は、比較的小さな製造コストで高出力を提供し、動作安全に作動し、かつ効率の高い永久磁石励磁形同期機を提供することである。

この課題は、本発明の請求項１に記載の永久磁石励磁形同期機によって解決される。本発明の有利な実施形態は従属請求項に記載されている。

本発明の永久磁石励磁形同期機には、複数の電磁極を備えるステータと複数の永久磁石極を備えるロータとが設けられている。さらにロータの少なくとも１つの永久磁石極は、複数の別個の永久磁石セグメントから形成されており、前記永久磁石セグメントは、製造時に特に高い磁界強度が付与されており、前記永久磁石セグメントは、前記ロータの少なくとも１つの永久磁石極にて周方向に互いに隣接して、ロータの回転時にステータの電磁極に正弦波形の励起が発生するように配置されている。

本発明の解決方法により、渦電流損失が僅かで高出力かつ高効率である、簡単に製造可能な同期機が得られる。このことは本発明の同期機の製造コストおよび全体エネルギバランスに対して有利な効果を奏するだけではなく、例えば発生した交流電圧の変換というような後続の作業工程に対しても有利な効果を奏する。したがってとりわけ本発明の同期機と組み合わせると、後置されたインバータは電気的に比較的小さな余裕を有するものでよくなる。

本発明の永久磁石の磁束密度は有利には０．９テスラと１．７テスラの間であり、有利には１．１テスラと１．５テスラの間であり、特に有利には１．３テスラである。最大磁界強度は、２０００ｋＡ／ｍから２７００ｋＡ／ｍにまで達し、有利には２２００ｋＡ／ｍから２５００ｋＡ／ｍにまで達し、特に有利には２３５０ｋＡ／ｍにまで達する。永久磁石は、有利にはネオジム−鉄−ホウ素（Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ）から製造されている。

本発明の解決方法はさらに、永久磁石による励磁は電気励磁に比べて約３０％小さく、軽く、ひいては低コストの構造様式を可能にするという認識を利用するものである。このことは、風力発電所において上述した重量の側面に対する観点から特に有利に作用する。

本発明の有利な実施形態
本発明の永久磁石励磁形同期機の第１の有利な実施形態においては、少なくとも１つの永久磁石極の、互いに隣接して配置された複数の永久磁石セグメントが、正弦波形の励起を発生するために種々異なるサイズを有するように形成されている。永久磁石セグメントのサイズが種々異なることにより、１つの同一の磁化方法によって種々異なる磁界強度を有する磁石を提供することができる。引き続きこの磁石は、ロータの回転時にステータの電磁極にて正弦波形の励起を形成する磁界強度のために、（場合によっては段階付けられた）曲線が生じるように配置される。

このように形成された永久磁石セグメントは、特に有利にはプレート状に形成されており、とりわけ種々異なる高さを有している。このような永久磁石セグメントは簡単な直方体の基本形状を有するので、特に僅かな製造コストで製造することが可能である。

永久磁石セグメントの段階付けは有利には正弦曲線に沿って行われ、この正弦曲線は、互いに隣接して配置される永久磁石セグメントの断面形状に対して基本曲線を形成する。この基本曲線においては個々の段にて時間的な平均値形成が行われる。この際には、各永久磁石セグメントが断面において矩形面として正弦曲線の面区間の面積を覆うために、この永久磁石セグメントをどのくらい高く形成しなければならないかが平均化される。

本発明の永久磁石励磁形同期機の第２の有利な実施形態においては、少なくとも１つの永久磁石極の、互いに隣接して配置された永久磁石セグメントが、正弦波形の励起を発生するために、断面が正弦波形である外部輪郭を有するように形成されている。ここで外部輪郭とは、ラジアルに外側に向かって配向されている、断面の輪郭の一部のことである。このように形成された互いに隣接して配置された永久磁石セグメントは、磁極全体に対して是認できる製造コストにおいては区分的な磁極形状となり、この磁石形状は特に精確な正弦波形の電圧を誘起する。

特に有利には、永久磁石極全体は、外側において自身の輪郭が正弦波形に形成されている。この正弦波形は、非常に強力に磁化されて個々の構成部材として製造された永久磁石セグメントの本発明の配列により、コスト的に有利に形成することができる。このような永久磁石極はさらに、特に強力であると同時に特に精確な正弦波形の励起をもたらす。さらにこの励起は特に渦電流損失が少ない。

本発明の永久磁石励磁形同期機の第３の有利な実施形態においては、少なくとも１つの永久磁石極が、４〜６つの個々の永久磁石セグメントを備えるよう構成されている。基本的には１つの永久磁石極あたりの永久磁石セグメントの数が多ければ多いほど、段階付けられた永久磁石セグメントの配置において正弦波形をより良好に形成することができる。

比較的小さな製造コストで効率的に作動する永久磁石極を形成するために、本発明によれば、この永久磁石極が４〜６つの個々の永久磁石セグメントを有すると良いことが判明した。

本発明の永久磁石励磁形同期機の第４の有利な実施形態においては、少なくとも１つの永久磁石極の永久磁石セグメントは、ロータの周囲において、当該永久磁石極に対する極ピッチによって形成される円周距離の７０〜９５％の範囲のみを覆っている。このような永久磁石極によれば、個々の極ピッチ内において、永久磁石極同士間の移行領域として空いているスペースを提供する残りの空き領域が形成される。この移行領域は、個々の永久磁石極における永久磁石セグメントの配置間の公差補償として使用することができる。これによって本発明の互いに隣接して配置される個々の永久磁石セグメントを精確に位置付けするための製造コストが、全体として低減される。さらにこの空き領域は、永久磁石セグメントを位置固定的に取り付けるために使用される例えばネジまたはクランプのような別の部材のための場所も提供する。このような配置はさらに、本発明の同期機のステータにおいて良好な熱分布をもたらす。

本発明の永久磁石励磁形同期機の第５の有利な実施形態においては、少なくとも１つの永久磁石極の永久磁石セグメントが、取り付けプレートに位置固定的に取り付けられており、該取り付けプレート自体はロータに位置固定的に結合されている。このような取り付けプレートにより、別個のモジュールである個々の永久磁石極を精確に製造することが可能となる。このモジュールは、残りの部材の製造とは独立してプレアセンブリにおいて製造することができ、プレアセンブリとして品質コントロールすることができる。

本発明の永久磁石励磁形同期機の第６の有利な実施形態においては、取り付けプレートがロータに接着されている。このような接着は、特に簡単かつ低コストであると同時に製造確実な取り付け方法である。

ネジとして有利には非磁性材料、とりわけアルミニウムからなるネジが使用される。このような材料は、ステータにおける励起に対するいかなる影響も与えない。

本発明の永久磁石励磁形同期機の第７の有利な実施形態においては、少なくとも１つの永久磁石極の永久磁石セグメントが、外側で、ないしラジアルに外側で、被覆されている。このような被覆部は、腐食に対する保護を提供するだけではなく、同時に永久磁石セグメント材料の剥落に対する保護も提供する。

被覆部は有利には非磁性材料、とりわけプラスチックから形成される。このような材料は、ステータにおける励起に対して影響を与えないと同時に低価格でもある。被覆部は、有利には上述した取り付けプレートと共にネジ止めされる。このようにして特に簡単かつ低コストであると同時に位置精確な取り付けを、取り付けプレート（ひいては永久磁石セグメント）ならびに被覆部によって達成することができる。

本発明の永久磁石励磁形同期機の第８の有利な実施形態においては、少なくとも１つの永久磁石極の永久磁石セグメントが、ロータに、とりわけ取り付けプレートに接着されている。接着によって、永久磁石セグメントをロータに取り付けるこの製造ステップにおいて、持続的に位置固定的でありかつ位置精確な位置付けの、全ての前提条件が達成されている。

有利には、取り付けプレートならびに永久磁石セグメントを接着するために、特に高い保持力を補償する二成分型接着剤が使用される。

本発明の永久磁石励磁形同期機の第９の有利な実施形態においては、ステータおよびロータの周囲にて、互いに公約数を有しないような数の電磁極ないし永久磁石極が形成されている。このような構成により特に小さいコギングトルクを達成することができる。

有利には３９個の電磁極に、それぞれ６つの巻線回路ならびに４つの永久磁石極が設けられる。これらは２３４対２４の比率を形成し、この比率においては上述した小さいコギングトルクおよび特に小さいノイズ放射が生じる。さらに負荷時の電圧の降下はより小さくなり、本発明の同期機は動作領域全体において特に良好な力率を有することとなる。

以下本発明の実施形態を、添付した概略図に基づいてより詳細に説明する。

図１は、本発明の永久磁石励磁形同期機の第１実施形態のロータにおける、永久磁石極の断面図である。 図２は、図１の永久磁石極における永久磁石セグメントの段階的変化を説明するための第１の線図である。 図３は、図１の永久磁石極における永久磁石セグメントの段階的変化を説明するための第２の線図である。 図４は、本発明の永久磁石励磁形同期機の第２実施形態のロータにおける、永久磁石極の断面図である。

図１には、これ以上は詳細にされていない永久磁石励磁形同期機のロータ１０が部分的に図示されている。ロータ１０は外側では同期機のステータによって取り囲まれている。

ロータ１０には複数の永久磁石極１２が形成されており、図２ではこれらの永久磁石極１２のうちの２つを見ることができる。それぞれ反対に極性付けられたＮ極およびＳ極が互いに隣接して配置されている。

永久磁石極１２は、それぞれ複数の永久磁石セグメント１４から構成されている。これらの永久磁石セグメント１４は、その製造時に個々に２３５０ｋＡ／ｍの磁界強度が与えられており、その後共に１つの永久磁石極１２を形成するように互いに隣接して配置されたものである。永久磁石極１２は、ロータ１０の回転時にステータの電磁極にて正弦波形の励起電圧を生じさせる。対応するステータ巻線において誘導される電圧Ｕ_ｉは、回転数ｎ、定数ｋ、および磁束Ｆを用いて式Ｕ_ｉ＝ｋ＊Ｆ＊ｎによって算出される。

上述した正弦波形の励起を生じさせるために、互いに隣接して配置された複数の永久磁石セグメント１４が、全体として共に１つの正弦波形の形状を有する１つの永久磁石極を形成するように、段階付けられて形成される。すなわちこれらの永久磁石セグメント１４は、全体的に見て正弦波形に形成されている。製造コストを制限するために、ここでは個々の永久磁石極１２が６つの永久磁石セグメント１４を備えるよう構成されている。図２によればこれら６つの永久磁石セグメント１４は、ステータにおいて、時間ｔに亘って３つの段階付けられた電圧値Ｕ_１，Ｕ_２，Ｕ_３を生じさせる。さらに電圧は、２つの電圧半周期によって表された周期Ｔを有する。２つの電圧半周期内での各永久磁石セグメント１４の１つ１つの部分電圧の持続期間は、Ｔ／１４である。この１４という数は、６つの永久磁石セグメント×２と、２つの電圧ゼロ値との合計から生じる。これらの電圧ゼロ値は、永久磁石セグメント１４がそれぞれ、個々の永久磁石極１２のための極ピッチによって形成される円周距離の約８６％しか覆っていないことによって生じるものである。残りの１４％は、隣り合う永久磁石極１２同士間の公差補償として使用される２つの空き領域であって、以下詳細に説明するような、永久磁石セグメント１４をロータ１０に固定するために使用される２つの空き領域を形成している。極ピッチは、ロータ１０の直径および極対数から計算によって算出される。

図１の個々のプレート状の永久磁石セグメント１４のサイズないし高さは、目標とする正弦波形の電圧経過における時間的な平均値形成によって算出される。この平均値形成は、図３において個々の１つの永久磁石セグメント１４について具体的に図示されている。

ここでは誘起電圧の関数ｕ（ｔ）が、パルス持続時間ｔ＝ｔ_２−ｔ_１の矩形パルスによってシミュレートされる。電圧の平均値Ｕ_ｍに対して、平均値Ｕ_ｍとパルス持続時間ｔから形成される長方形の面積は、このパルス持続時間内での関数ｕ（ｔ）における積分面積と等しくなる。平均値を正しく図示するためには、図３の縦縞部分の面積は同じ大きさでなければならない。

上述した平均値形成は、それぞれの永久磁石セグメント１４において行われる。平均値Ｕｍを時間的に互いに並べることによって、近似的に所期の正弦波形の電圧が生じる。

図４には、永久磁石セグメント１４の１つの実施形態が図示されている。これらの永久磁石セグメント１４は、断面が正弦波形である外部輪郭によって、所期の正弦波形の励起電圧を精密化するように形成されている。

永久磁石セグメント１４は、２つの実施形態（図１および図４）において、特別な方法で位置固定的にロータ１０に取り付けられている。このためにロータ１０に属する軸１６には、該軸１６の周囲に亘って極ピッチの比率で分割されて平坦部１８が形成されている。永久磁石セグメント１４は所期の形状配置で互いに隣接して、所属の取り付けプレート２０の上に接着されている。取り付けプレート２０自体は、二成分型接着剤からなる接着層２２によって所属の平坦部１８に位置固定的に取り付けられている。

このようにして位置固定的に取り付けられた複数の永久磁石セグメント１４の上には、各個々の永久磁石極１２に沿ってプラスチック製の被覆部２４が被せられており、該被覆部２４は、上述した空き領域にアルミニウムネジ２６によって固定されている。

最後に述べておくが、本願の出願書類およびとりわけ従属請求項に記載している全ての特徴は、１つまたは複数の所定の請求項に対する正式な引用に制限されることなく、個々にまたは任意に組み合わせても独立した保護を受けるものである。

１０ ロータ
１２ 永久磁石極
１４ 永久磁石セグメント
１６ 軸
１８ 平坦部
２０ 取り付けプレート
２２ 接着層
２４ 被覆部
２６ ネジ

Claims (10)

1. 複数の電磁極を備えるステータと複数の永久磁石極（１２）を備えるロータ（１０）とを含む永久磁石励磁形同期機において、
   前記ロータ（１０）の少なくとも１つの永久磁石極（１２）は、複数の別個の永久磁石セグメント（１４）から形成されており、
   前記永久磁石セグメント（１４）は、製造時に特に高い磁界強度が付与されており、
   前記永久磁石セグメント（１４）は、前記少なくとも１つの永久磁石極（１２）にて周方向に互いに隣接して、ロータの回転時に前記ステータの電磁極に正弦波形の励起が発生するように配置されている、
   ことを特徴とする永久磁石励磁形同期機。
2. 前記少なくとも１つの永久磁石極（１２）の、互いに隣接して配置された複数の永久磁石セグメント（１４）は、正弦波形の励起を発生するために種々異なる大きさを有するように形成されている、
   ことを特徴とする請求項１記載の永久磁石励磁形同期機。
3. 前記少なくとも１つの永久磁石極（１２）の、互いに隣接して配置された複数の永久磁石セグメント（１４）は、正弦波形の励起を発生するために、断面が正弦波形である外部輪郭を有するように形成されている、
   ことを特徴とする請求項１または２記載の永久磁石励磁形同期機。
4. 前記少なくとも１つの永久磁石極（１２）は、４〜６つの個々の永久磁石セグメント（１４）を備えるよう構成されている、
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載の永久磁石励磁形同期機。
5. 前記少なくとも１つの永久磁石極（１２）の永久磁石セグメント（１４）は、前記ロータ（１０）の周囲において、当該永久磁石極（１２）に対する極ピッチによって形成される円周距離の７０〜９５％の範囲のみを覆っている、
   ことを特徴とする請求項１または２記載の永久磁石励磁形同期機。
6. 前記少なくとも１つの永久磁石極（１２）の永久磁石セグメント（１４）は、取り付けプレート（２０）に位置固定的に取り付けられており、
   該取り付けプレート（２０）自体は、前記ロータ（１０）に位置固定的に結合されている、
   ことを特徴とする請求項１から５のいずれか一項記載の永久磁石励磁形同期機。
7. 前記取り付けプレート（２０）は、前記ロータ（１０）に接着されている、
   ことを特徴とする請求項６記載の永久磁石励磁形同期機。
8. 前記少なくとも１つの永久磁石極（１２）の永久磁石セグメント（１４）は、外側で被覆されている、
   ことを特徴とする請求項１から７のいずれか一項記載の永久磁石励磁形同期機。
9. 前記少なくとも１つの永久磁石極（１２）の永久磁石セグメント（１４）は、前記ロータ（１０）に、とりわけ前記取り付けプレート（２０）に接着されている、
   ことを特徴とする請求項１から８のいずれか一項記載の永久磁石励磁形同期機。
10. 前記ステータおよび前記ロータ（１０）の周囲にて、互いに公約数を有しないような数の電磁極ないし永久磁石極（１２）が形成されている、
    ことを特徴とする請求項１から９のいずれか一項記載の永久磁石励磁形同期機。

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