JP2013527742A

JP2013527742A - 発電システムのための永久磁石多極オルタネーター

Info

Publication number: JP2013527742A
Application number: JP2013511691A
Authority: JP
Inventors: イモリ，ダンテ
Original assignee: アイ・ディー・エムエス．アール．エル．
Priority date: 2010-05-27
Filing date: 2011-05-26
Publication date: 2013-06-27
Also published as: IT1400343B1; WO2011147935A1; EP2577853A1; US20130015826A1; ITVE20100026A1; EP2577853B1

Abstract

発電システムのための永久磁石多極オルタネーターであって、前記永久磁石多極オルタネーターは、可変の回転速度の力学的エネルギー源に機械的に接続可能で、かつ、永久磁石（２０）が設けられた、外部ローター（１８）、半径方向に突出する延長部分（１５）を終端とする、相互に等距離の歯（１４）によって定義される、スロット（１６）に収容される巻線が設けられた、内部固定子（１２）、前記オルタネーターによって発生した交流電流を、実質的に直流電流に変換するための電子回路、および、負荷に基づいて前記力学的エネルギー源の回転速度を制御するための回路（１０）を含み、前記電子変換回路はブリッジ整流回路（６）からなり、ローター（１８）の永久磁石（２０）は、オルタネーターの軸に垂直な断面でほぼ等脚台形形状であり、大きな基部は、オルタネーターの軸に対して同軸上で湾曲して、ローター（１８）の内部表面に接着しており、小さな基部は、内部固定子（１２）の歯（１４）の延長部分（１５）に面し、磁石（２０）と歯（１４）の延長部分（１５）との間で、半径方向に測定された距離（Ｔ）は、０．８乃至１．８ｍｍの間であり、各々の磁石の大きな基部（Ａ）の長さと、小さな基部（Ｂ）の長さとの間の比率は、１．２乃至６であり、及び円周方向で測定された固定子歯（１４）の各延長部分（１５）の長さ（Ｃ）と磁石間の距離（Ｄ）の間の比率は、０．５乃至２の間である。
【選択図】図２

Description

本発明は、発電ユニット、風力発電機などの発電システムのための永久磁石多極オルタネーターに関する。

発電ユニットは、例えば、充電器に使用される直流電流を発生させることが知られている。ユニットは、可変または非可変の回転速度の内燃機関、励磁巻線が設けられた、前記内燃機関によって駆動される、オルタネーター、前記オルタネーターによって発生する交流電流のための整流回路、整流回路にかけられる負荷に基づいてオルタネーターの励起を調節するためのシステム、および、負荷に基づいて内燃機関の回転速度を調節するための潜在的なシステムを含む。

理論的な観点からは、これらの既存の発電ユニットは申し分ないことが分かっており、広く使用されているが、実用面からは、該ユニットは、とりわけ、相当な重量かつ大型のオルタネーターからなる一連の欠点と、励起を制御するための電子回路を提供する必要性を示している。

発電ユニットは、可変の回転速度の内燃機関、励磁巻線を含まないが、永久磁石、好ましくは、セラミック材料またはレアアースを用いるオルタネーター、前記オルタネーターによって発生する交流電流を直流電流に変換するための電子回路、電子変換回路にかけられる負荷に基づいて内燃機関の回転速度を制御するための潜在的なシステムを含むことも知られている。

これらの既存の発電ユニットは、先に記載されたタイプで遭遇する欠点を事実上取り除いているが、構造上の複雑性、信頼性、および、その結果としての、とくに、電磁波による障害の源であるコストの高い電子変換回路に関連したさらに重要な欠点を導入している。

本発明の目的は、発電ユニット、風力発電機などの発電システムを形成するために、力学的エネルギー源につながれる永久磁石多極オルタネーターを提案することによって、これらの欠点を取り除くことであり、該オルタネーターは、単純な構造、小型の外形寸法、低コスト、および、信頼できる操作性を有するとともに、電磁波による障害が非常に少なく、制限された発生電圧の波高率のおかげで最小回転速度と最大回転速度のあいだの内燃機関の１分当たりの回転数を急速に変化させることが可能な、単純かつ低コストの、電子変換回路を用いる。

次の記載からより明らかになるこれらの目的は、請求項１に記載の永久磁石多極オルタネーターによって、本発明により達成される。

本発明の好ましい実施形態は、添付の図面を参照して以後さらに明らかにされる。

本発明の実施形態による、発電ユニットのブロック図を示す。発電ユニットのオルタネーター部分を示す、回転軸に垂直な部分である。オルタネーターのローターに適用される磁石の１つを通しての、拡大した軸方向断面図を示す。

図から見ることができるように、本発明による永久磁石の多極オルタネーターは、発電ユニットに関係し、オルタネーター（４）を回転させる内燃機関（２）を含み、該内燃機関は、制御されていないブリッジ整流回路（６）を供給する交流電圧を生成する。ブリッジ（６）を出る整流された電圧Ｖ_Ｂが、可変的である負荷（８）、及び内燃機関（２）の回転速度を制御する回路（１０）にかかる（ｆｅｅｄｓ）。この制御回路も、電圧Ｖ_Ｂによって独立して電力を供給され得る。

オルタネーター（４）は、多極の多相型であり、複数の歯（１４）を有する内部固定子（１２）を含み、該内部固定子は、周囲に突き出る延長部分（１５）を終端とする。歯は、起電力が誘発される巻線を収容するように意図された同様の多くのスロット（１６）によって分離される。オルタネーターはまた、その内面に対して、固定子（１２）の歯（１４）の延長部分（１５）に面する、外部ローター（１８）を含み、好都合にレアアースで作られる、複数の永久磁石（２０）が適用される。

磁石（２０）は、オルタネーター軸に垂直な断面で略丸い角の台形状の磁石であり、それらの２つの基部の大きな基部は、オルタネーターの軸に対して同心的に湾曲し、小さな基部は、オルタネーター軸に対して同心的に湾曲することで凹面であるか、凸面であるか、又は平らである且つオルタネーターの半径に対して垂直である。

ローター（１８）の内部表面に接着する、大きな基部（Ａ）の長さと、固定子歯（１４）の延長部分（１５）に面する、小さな基部（Ｂ）の長さの間の比率は、１．２と６の間、好ましくは１．３と１．８の間である。

さらに、半径方向で測定された、各磁石（２０）と歯（１４）の延長部分（１５）の間の最小距離（Ｔ）は、０．５と１．８ｍｍの間、好ましくは０．８と１．４ｍｍの間であり、円周方向で測定された、歯（１４）の各延長部分（１５）の長さ（Ｃ）と、磁石（２０）間の距離（Ｄ）の間の比率は、０．５と２の間、好ましくは０．７と１．３の間である。

磁石の特定形状、ローター内のそれらの配置、及びそれらの寸法の比率のおかげで、一定の厚さの磁石が歪んだ調波の存在を明らかにすべき場合の、各固定子巻線で発生した電圧の波形は、その代わりに、実質的に正弦波の、又はむしろ実質的に台形のパターンを示し、それによって、従来の制御された又は制御さていないブリッジ整流器（６）による整流後に、アイドル運転から定格負荷運転まで移る際のその終端にわたる最小の電圧降下という結果をもたらすことが実験的に発見された。

交流を直流に変換するための電子回路を、制御されていないブリッジ整流器（６）と交換することによって、従来の電子変換回路の主な障害の１つを表わす、これらの電磁妨害は事実上除去される。

その上、制御された又は制御されていないブリッジ整流器のいずれかを設けられた電子回路がオルタネーターに接続されると、新しい解決策によって、それによって発生した電圧の波形は、低い波高率及び全負荷とアイドリングとの間の同様の低い電圧降下のおかげで、内燃機関の１分当たりの回転数が適用にもっと適した範囲内で変更されることを可能にする。例えば、制御されたブリッジ整流器のない充電器に関して、アイドリングから全負荷まで移る際の内燃機関によって受ける１分当たりの回転数の変更は、それほど大きくなくなり、最終出力電圧調整をより安定させるように、より急速なエンジン返答時間を含む。

対照的に、インバータシステムに関して、起こり得る最終的な適用は、従来のオルタネーターより大きな１分当たりの回転数の範囲に対するものとなり得る。全負荷の内燃機関に関する最大の１分当たりの回転数の変動は、入力ブリッジ整流器の構成要素である電力コンポーネントによって耐え得る最大電圧に依存する。適用される負荷をかけられないオルタネーターの出力電圧が直線的に増加するため、オルタネーターの大きさは、１分当たりの回転数の速度を超える内燃機関で送達されたその負荷がかけられない電圧が、前記電力コンポーネントによって耐えられ得るように、計算される。これらの適用に関して、内燃機関の最小の作動する１分当たりの回転数は、電子回路にエネルギーを与えることができる閾電圧のその値に依存する。本発明のオルタネーターによって、アイドリング運転と全負荷運転の間の電圧降下が低いままであり、したがって波高率も低いままであるという事実のために、内燃機関はより広い１分当たりの回転数の範囲内で作動することができ、それによって電子回路は通電状態にとどまることができる。これは、発電ユニットから必要とされる出力電力がほぼ０であるときに、内燃機関が従来のオルタネーターより低い１分当たりの回転数の値で使用されることを可能とし、したがって、これらの条件下で燃料消費量及び騒音放射量の両方が減少する。

本発明により入手可能な別の重要な利点は、固定子巻線が、アイドル運転から定格負荷運転まで移る際にその終端にわたる最小電圧降下を依然として維持する間に、星形結線され得るということである。これによって、従来のエンジンスタータ装置に固定子巻線を接続することが常に可能となる且つ容易になる。

Claims

発電システムのための永久磁石多極オルタネーターであって、
前記永久磁石多極オルタネーターは、
可変の回転速度の力学的エネルギー源に機械的に接続可能で、かつ、永久磁石（２０）が設けられた、外部ローター（１８）、
半径方向に突出する延長部分（１５）を終端とする、相互に等距離の歯（１４）によって定義される、スロット（１６）に収容される巻線が設けられた、内部固定子（１２）、
前記オルタネーターによって発生した交流電流を、実質的に直流電流に変換するための電子回路、および、
負荷に基づいて前記力学的エネルギー源の回転速度を制御するための回路（１０）を含み、
前記電子変換回路はブリッジ整流回路（６）からなり、
ローター（１８）の永久磁石（２０）は、オルタネーターの軸に垂直な断面でほぼ等脚台形形状であり、大きな基部は、オルタネーターの軸に対して同軸上で湾曲して、ローター（１８）の内部表面に接着しており、小さな基部は、内部固定子（１２）の歯（１４）の延長部分（１５）に面し、
磁石（２０）と歯（１４）の延長部分（１５）との間で、半径方向に測定された距離（Ｔ）は、０．８乃至１．８ｍｍの間であり、
各々の磁石の大きな基部（Ａ）の長さと、小さな基部（Ｂ）の長さとの間の比率は、１．２乃至６であり、
円周方向に測定される、固定子の歯（１４）の各々の延長部分（１５）の長さ（Ｃ）と、磁石間の距離（Ｄ）との長さは、０．５乃至２である、多極オルタネーター。
前記変換電子回路は、制御されていないブリッジ整流器からなる、請求項１に記載の多極オルタネーター。
各々の永久磁石（２０）の小さな基部は、凹面であり、オルタネーターの軸にほぼ一致する軸を有する、請求項１または２の１以上に記載の多極オルタネーター。
各々の永久磁石（２０）の小さな基部は、オルタネーターの半径に対して垂直である、請求項１乃至３の１以上に記載の多極オルタネーター。
各々の磁石（２０）の小さな基部は、凸面である、請求項１乃至４の１以上に記載の多極オルタネーター。
永久磁石（２０）はレアアースからなる、請求項１に記載の多極オルタネーター。
内燃機関の回転速度を制御するための回路（１０）は、整流回路（６）の出口で電圧（Ｖ_Ｂ）によって駆動される、請求項１乃至６の１以上に記載の多極オルタネーター。
各々の磁石（２０）の大きな基部（Ａ）の長さと、小さな基部の長さの比率は、１．３乃至１．８である、請求項１乃至７の１以上に記載の多極オルタネーター。
各々の磁石（２０）と固定子の歯（１４）の延長部分（１５）との間の最小距離は、０．８乃至１．４ｍｍである、請求項１乃至８の１以上に記載の多極オルタネーター。