JP2014053979A - 回転電機及び風力発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】磁気ウォームギヤを用いた回転電機において、伝達磁気力のばらつきや、大ロータの回転速度が変化したときにおいても、安定した発電出力を得ることができる回転電機及び風力発電システムを提供する。
【解決手段】実施形態の回転電機は、外周面に永久磁石４４により形成される磁極を有する大ロータ４０と、大ロータ４０の外周面に離間して対向配置され、非磁性リング５４の外周面に、大ロータ４０の磁極間隔に応じて磁気的に結合するように、永久磁石５２により形成される螺旋状の磁極を有する、少なくとも１つの小ロータ５０と、非磁性リング５４の内径側に固定され、小ロータ５０の内径側に向けて磁束を発生する界磁ロータ７０と、界磁ロータ７０の内径側に離間して対向配置され、界磁ロータ７０の回転に合わせて回転する回転磁界が鎖交する複数の電機子巻線８２を備えた電機子ステータ８０とを備える。
【選択図】図７

Description

本発明の実施形態は、回転電機及び風力発電システムに関する。

大容量発電機などの回転電機において、発電機の体格は、発電機の回転数に反比例することが知られている。風力、潮力、波力などの自然エネルギを動力源とした回転電機では、翼などによって、自然エネルギを回転エネルギに変換する。

しかしながら、自然エネルギを利用した回転電機においては、翼の回転速度が低いため、翼によって得られた回転エネルギを直接発電機に伝達する場合には、発電機の体格が大型となる傾向にある。そこで、発電機の体格を小型にするため、一般的に、翼と発電機の間に機械式増速機を配置して、発電機の回転数を増速する方式がとられている。また、発電機の体格を小型にするため、磁気ウォームギヤを用いて発電機を増速する回転電機も検討されている。

特開平９−５６１４６号公報 英国特許出願公開第２４６３１０２号明細書

磁気ウォームギヤを用いた回転電機は、２種類のロータ（大ロータ、小ロータ）が機械的に非接触に備えられている。そのため、磁気力の伝達効率が高く、保守面においても、機械式増速機に比べて利点がある。

一方、大ロータから個々の小ロータに伝えられる伝達磁気力は、大ロータと小ロータの磁極の相対位置によって変わる。図１４は、磁気ウォームギヤを用いた一般的な回転電機における大ロータと小ロータの磁極の相対位置と伝達磁気力の関係を示す電磁界解析図である。図１４において、大ロータと小ロータの相異なる磁極が対向する場合を相対位置位相角０度とし、一方の磁極中心が他方の磁極間に対向するときで、正の向きに伝達磁気力が生じる場合を相対位置位相角９０度としている。

伝達磁気力の最大値は、ほぼ相対位置位相角が９０度で生じている。これよりも相対位置位相角が大きくなると、大ロータと小ロータとの伝達磁気力が弱まり、小ロータにおいて大ロータとの磁気的結合が得られなくなる。そのため、大ロータと小ロータとが同期して回転せず、脱調状態となる。小ロータが脱調状態となった場合には、所定の発電出力を得ることができなくなるため、小ロータの相対位置位相角を０度と９０度の範囲に維持する必要がある。

自然エネルギを動力源とする場合、常に一定の自然エネルギが得られるとは限らない。そのため、負荷変化などによって大ロータのトルクが急変した場合には、小ロータの回転が大ロータに追随できず、脱調状態となる可能性がある。

磁気ウォームギヤを用いた回転電機において、複数の小ロータを設けた場合、大ロータから小ロータに伝えられる伝達磁気力が、小ロータや発電機の製造精度によってばらつく。また、大ロータの周方向に亘って取り付けられる小ロータの取り付け位置によって、小ロータの内部の発電機の出力位相のずれも生じる。そのため、発電機からの出力を交流のまま単純に加算することは困難であると同時に、すべての小ロータの相対位置位相角を０度と９０度の範囲に維持することは容易ではない。

本発明が解決しようとする課題は、磁気ウォームギヤを用いた回転電機において、伝達磁気力のばらつきや、大ロータの回転速度が変化したときにおいても、安定した発電出力を得ることができる回転電機および風力発電システムを提供することである。

実施形態の回転電機は、外周面に永久磁石により形成される磁極を有する第１のロータと、 前記第１のロータの外周面に離間して対向配置され、非磁性リングの外周面に、前記第１のロータの磁極間隔に応じて磁気的に結合するように、永久磁石により形成される螺旋状の磁極を有する、少なくとも１つの第２のロータとを備える。さらに、回転電機は、前記非磁性リングの内径側に固定され、前記第２のロータの内径側に向けて磁束を発生する界磁ロータと、前記界磁ロータの内径側に離間して対向配置され、前記界磁ロータの回転に合わせて回転する回転磁界が鎖交する複数の電機子巻線を備えた電機子ステータとを備える。

第１の実施の形態の回転電機を備える風力発電システムを模式的に示した斜視図である。 図１に示した風力発電システムにおけるナセルの内部構成を示した模式図である。 第１の実施の形態の回転電機の構造を模式的に示した斜視図である。 第１の実施の形態の回転電機が示された図３の面Ａにおいて切断した断面を小ロータの軸方向から見たときの図である。 第１の実施の形態の回転電機において、小ロータの外周面に配置された永久磁石の配置構成を説明するための概念図である。 第１の実施の形態の回転電機において、小ロータの外周面に配置された永久磁石の他の配置構成を説明するための概念図である。 第１の実施の形態の回転電機が示された図３の面Ｂにおいて切断した断面を大ロータの軸方向から見たときの図である。 第２の実施の形態の回転電機の、図３の面Ｂにおいて切断した断面に相当する断面を大ロータの軸方向から見たときの図である。 第３の実施の形態の回転電機における小ロータの配置構成を説明するための、回転電機における大ロータの回転軸に垂直な断面を模式的に示す図である。 第４の実施の形態の回転電機の、図３の面Ｂにおいて切断した断面に相当する断面を大ロータの軸方向から見たときの図である。 第５の実施の形態の回転電機の、図３の面Ｂにおいて切断した断面に相当する断面を大ロータの軸方向から見たときの図である。 第６の実施の形態の回転電機における小ロータの配置構成を説明するための、回転電機における大ロータの回転軸に垂直な断面を模式的に示す図である。 第７の実施の形態の回転電機における小ロータの配置構成を説明するための、回転電機における大ロータの回転軸に垂直な断面を模式的に示す図である。 磁気ウォームギヤを用いた一般的な回転電機における大ロータと小ロータの磁極相対位置と伝達磁気力の関係を示す電磁界解析図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施の形態の回転電機３０を備える風力発電システム１０を模式的に示した斜視図である。図２は、図１に示した風力発電システム１０におけるナセル２０の内部構成を示した模式図である。なお、以下の実施の形態において、同一の構成部分には、同一の符号を付して重複する説明を省略または簡略する。

風力発電システム１０は、図１に示すように、ナセル２０、風車翼２１およびタワー２２を備えている。

ナセル２０は、タワー２２の頂部に取り付けられている。また、ナセル２０は、図２に示すように、回転電機３０、この回転電機３０に搭載された発電機から発生される電力に対して電圧調整や周波数調整を行う電力調整部３１などを収容している。なお、電力調整部３１は、地上に設けられる場合もある。

風車翼２１は、ナセル２０内の回転電機３０の回転軸３２に直結するよう取り付けられた翼軸（ブレード軸）２３の周囲に複数取り付けられている。

タワー２２は、地面に設置され、ナセル２０を支持する。タワー２２の内側には電力を伝達するケーブル３３が設けられている。ケーブル３３は、例えば、ナセル２０側からタワー２２の内側を通って下方に導かれ、地面近傍にてタワー２２の外側へと導かれている。

上記した風力発電システム１０において、風力により風車翼２１が回転すると、その回転力は、風車翼２１の翼軸２３からナセル２０内の回転電機３０の回転軸３２へ伝達される。そして、回転電機３０に搭載された発電機により発電が行なわれる。回転電機３０の発電機から発生した電力は、電力調整部３１により調整された後、ケーブル３３を通じてナセル２０からタワー２２を通り、タワー２２の外側へ導かれる。

ここで、電力調整部３１が地上に設置される場合には、回転電機３０の発電機から発生した電力は、ケーブル３３を通じてナセル２０からタワー２２を通り、タワー２２の外側へ送り出され、電力調整部３１により調整される。

次に、回転電機３０の構成について詳しく説明する。

図３は、第１の実施の形態の回転電機３０の構造を模式的に示した斜視図である。図４は、第１の実施の形態の回転電機３０が示された図３の面Ａにおいて切断した断面を小ロータ５０の軸方向から見たときの図である。なお、図４において、小ロータ５０および発電機６０は、断面で示していない。図５は、第１の実施の形態の回転電機３０において、小ロータ５０の外周面に配置された永久磁石の配置構成を説明するための概念図である。図６は、第１の実施の形態の回転電機３０において、小ロータ５０の外周面に配置された永久磁石の他の配置構成を説明するための概念図である。図７は、第１の実施の形態の回転電機３０が示された図３の面Ｂにおいて切断した断面を大ロータ４０の軸方向から見たときの図である。

図３に示すように、回転電機３０は、第１のロータとして機能する、トロイド状のロータ（以下、「大ロータ４０」と呼ぶ）と、大ロータ４０の外周面に離間して対向配置される、第２のロータとして機能する、円筒状のロータ（以下、「小ロータ５０」と呼ぶ）とを備える。小ロータ５０は、大ロータ４０の周方向に少なくとも１つ備えられ、図３では、小ロータ５０を複数備えた一例が示されている。

大ロータ４０は、図３に示すように、風車翼２１の翼軸２３に直結する回転軸４１と、大ロータ４０が回転軸４１の回転とともに回転するように大ロータ４０を支持する支持部材４２とを備えている。支持部材４２は、例えば、回転軸４１の外周面と大ロータ４０の内周面との間を塞ぐように形成された、円盤状の部材で構成される。なお、支持部材４２の構成は、これに限られるものではなく、重量や通風を考慮して、円盤状の部材に貫通口などの開口を設けてもよい。大ロータ４０の外周面は、小ロータ５０の外周面との間隙を均等に維持しつつ小ロータ５０の半周分を取り囲むよう、半円環状（Ｕ字形状）に構成されている。

小ロータ５０は、大ロータ４０の回転軸４１の方向に対して垂直方向を向いた軸５１を中心に回転するように構成されている。図４に示すように、大ロータ４０と小ロータ５０との間には、半円環状の間隙４３が存在する。

大ロータ４０および小ロータ５０は、図３に示すように、それぞれの外周面に永久磁石４４、５２を備え、磁気ウォームギヤを構成している。具体的には、小ロータ５０の外周面には、図５に示すように、永久磁石５２が、同極を磁性材５３を挟んで対向させて螺旋状に配置されている。これによって、螺旋状の磁極がＮ極、Ｓ極交互に構成される。

このように構成することで、高い伝達磁気力が得られ、安定した回転を行うことができる。また、磁性材５３を挟んで永久磁石５２を配置することで、磁性材５３を挟まない場合に比べて、大きな磁気力を得ることができる。換言すれば、得られる磁気力を一定とした場合、磁性材５３を挟んで永久磁石５２を配置した場合には、磁性材５３を挟まない場合に比べて、永久磁石５２を小型化することができ、製造コストを削減することができる。その他、発電機の小型化によりナセル２０の重量を軽くすることもでき、さらに、タワー２２の組立性、風に対するタワー２２の安定性などにも寄与することができる。

なお、小ロータ５０の磁極は、大ロータ４０の外周面が半円環状に構成されていることから、その端部で相対的に磁界の変化が生じるため、例えば、積層鋼板や圧粉鉄心などにより構成すると、渦電流損を低減することができる。

また、小ロータ５０において、永久磁石５２は、図７に示すように、非磁性材料からなるリング状の非磁性リング５４の外周面に配置されている。非磁性リング５４は、軸５１を中心として回転可能なように、軸５１側に軸受９０を有する半径方向に亘る支持部材５５によって、軸５１方向の両端部が支持されている。なお、図示していないが、例えば、軸５１の両端は、外部に設けられた支持部材によって支持されている。

一方、大ロータ４０の外周面には、小ロータ５０の磁極間隔に応じて磁気的に結合するように、永久磁石４４が、同極を磁性材４５を挟んで対向させて配置されている。これによって、磁極がＮ極、Ｓ極交互に構成される。外周面に永久磁石４４が配置された大ロータ４０の基材は、例えば、鋼材などで構成される。

少なくとも大ロータ４０と小ロータ５０とが磁気的に結合する領域においては、大ロータ４０の磁極間隔および磁極パターンの傾斜角度が、それぞれ、小ロータ５０の磁極間隔および磁極パターンの傾斜角度と等しいか、ほぼ等しくなるように構成されていることが好ましい。

ここで、小ロータ５０の外周面には、図６に示すように、永久磁石５２を、螺旋状の磁極がＮ極、Ｓ極交互に構成されるように配置してもよい。この場合、大ロータ４０の外周面には、小ロータ５０と同様に、Ｎ極、Ｓ極が交互に小ロータ５０の磁極とほぼ同程度の傾きで磁極が配置される。磁極間（Ｎ極とＳ極）のピッチは、大ロータ４０の中心からの半径位置によって異なる。そのため、大ロータ４０の中心からの半径が大きいほど磁石の周方向幅を広くするか、または、磁石の周方向幅を均一にして大ロータ４０の中心からの半径が大きいほど磁石間の隙間が大きくなるような構造となる。

図６に示すように、磁性材４５を挟まずに、螺旋状に永久磁石５２を配置した場合、非磁性リング５４を備えずに、永久磁石５２を、後述する界磁ロータ鉄心７１の外周面に配置することができる。小ロータ５０の外径を一定とした場合、非磁性リング５４を備えない分、発電機６０を半径方向に大きくすることができる。なお、この場合、界磁ロータ鉄心７１は、軸５１を中心として回転可能なように、軸５１側に軸受９０を有する半径方向に亘る支持部材５５によって、軸５１方向の両端部が支持される。

図７に示すように、小ロータ５０の内径側には、アウターロータ方式の発電機６０を備える。第１の実施の形態の回転電機３０の備える発電機６０は、永久磁石同期発電機によって構成され、界磁ロータ７０と電機子ステータ８０とを備える。

界磁ロータ７０は、非磁性リング５４の内径側に固定され、小ロータ５０の内径側（軸５１側）に向けて磁束を発生する。そのため、界磁ロータ７０は、小ロータ５０とともに回転する。

界磁ロータ７０は、非磁性リング５４の内周面に設けられたリング状の界磁ロータ鉄心７１と、この界磁ロータ鉄心７１の内周面に設けられた永久磁石７２を備えている。永久磁石７２は、界磁ロータ鉄心７１の内周面に、Ｎ極とＳ極が周方向に交互になるように所定の間隔をあけて配置されている。

ここで、永久磁石５２と界磁ロータ鉄心７１との間に非磁性リング５４を備えることで、永久磁石７２によって界磁ロータ鉄心７１に生じる磁束によって、小ロータ５０の外周の永久磁石５２や磁性材５３の特性が害されるのを防止できる。

界磁ロータ７０の内径側には、図７に示すように、界磁ロータ７０と離間して電機子ステータ８０が対向配置されている。電機子ステータ８０は、ステータ鉄心８１と、このステータ鉄心８１に配置され、界磁ロータ７０の回転に同期して回転する回転磁界が鎖交する複数の電機子巻線８２を備えている。電機子ステータ８０は、軸５１に固定されている。

上記した界磁ロータ７０および電機子ステータ８０は、界磁ロータ７０の周方向に交互にＮ極とＳ極となる界磁磁極を構成するように永久磁石が配置されたアウターロータ型の永久磁石型同期機である。

上記した大ロータ４０および小ロータ５０の構成において、大ロータ４０が回転すると、大ロータ４０の外周面の磁極と小ロータ５０の外周面の磁極とが吸引または反発することによって、大ロータ４０の回転に追従して小ロータ５０が回転する。小ロータ５０が回転すると、小ロータ５０に固定された界磁ロータ７０が回転する。そして、界磁ロータ７０の発生する回転磁束に同期した電力が、電機子巻線８２に誘起され、出力として取り出される。この際、大ロータ４０の磁極数と小ロータ５０のギヤ条数とで定まるギヤ比で小ロータ５０の回転が増速され、小ロータ５０の回転数に応じた電力が発電機６０において発生する。

図３に示すように、複数の小ロータ５０を備えた場合、各小ロータ５０内の発電機６０の電機子巻線８２からの出力は、変換器（図示しない）によって個別に直流に変換され、その直流出力は、加算回路（図示しない）によって加算される。そして、加算された直流出力は、交流変換器（図示しない）によって系統出力に相応した周波数の交流電力に変換される。

ここで、電機子巻線８２からの交流出力は、制御回路によって、小ロータ５０ごとに制御される。出力制御には、界磁ロータ７０の位置検出を行う必要があるが、これについては、位置センサを用いる方法、センサレス制御による方法など種々の方法が知られており、条件に応じて適宜選択される。

第１の実施の形態の回転電機３０によれば、小ロータ５０は、小ロータ５０の取り付け位置や製造精度による伝達磁気力のばらつき、大ロータ４０の回転速度の変化がある場合にも、安定して回転することができる。これによって、脱調状態となることなく、発電機６０から安定した発電出力を得ることができる。

（第２の実施の形態）
図８は、第２の実施の形態の回転電機３０の、図３の面Ｂにおいて切断した断面に相当する断面を大ロータ４０の軸方向から見たときの図である。

第２の実施の形態の回転電機３０は、界磁ロータ１００の構成が、第１の実施の形態の界磁ロータ７０の構成と異なるため、この異なる構成について主に説明する。

第２の実施の形態の回転電機３０における界磁ロータ１００は、永久磁石７２を用いる第１の実施の形態とは異なり、界磁巻線１０１によって励磁される。界磁ロータ１００は、図８に示すように、非磁性リング５４の内周面に設けられたリング状の界磁ロータ鉄心７１と、界磁ロータ鉄心７１の内周面側に設けられた界磁巻線１０１を備えている。

界磁巻線１０１は、例えば、界磁ロータ鉄心７１の内周面に形成された溝などに嵌め込まれ、抜け落ちないように、楔などによって固定されている。また、界磁巻線１０１は、界磁用電力を供給する配線１０４の一端と接続されている。配線１０４の他端は、外部の電力源（図示しない）に接続された配線（図示しない）から電力が供給されるスリップリング１０２に電気的に接触するブラシ１０３に接続されている。配線１０４、ブラシ１０３、スリップリング１０２、外部の電力源（図示しない）および外部の電力源とスリップリング１０２との間の配線（図示しない）は、界磁用電力を供給する電力供給部として機能する。

第２の実施の形態の回転電機３０における界磁ロータ１００および電機子ステータ８０は、界磁ロータ１００の周方向に交互にＮ極とＳ極となる界磁磁極を構成するように配置された界磁巻線１０１、および界磁巻線１０１に電機子ステータ８０側から界磁用電力を供給する電力供給部を備えたアウターロータ型の巻線界磁型同期機である。

なお、界磁巻線１０１の励磁方法としては、火力発電用のタービン発電機などで使用されている、スリップリングやブラシを用いずに非接触で給電するブラシレス励磁方式を採用してもよい。また、図３に示すように、複数の小ロータ５０を備えた場合、各小ロータ５０ごとに、界磁巻線１０１の励磁量を調整するための制御回路をそれぞれ備えることが好ましい。

上記した構成において、大ロータ４０が回転すると、大ロータ４０の外周面の磁極と小ロータ５０の外周面の磁極とが吸引または反発することによって、大ロータ４０の回転に追従して小ロータ５０が回転する。小ロータ５０が回転すると、小ロータ５０に固定された界磁ロータ１００が回転し、小ロータ５０の回転数に応じた電力が発電機６０において発生する。

第２の実施の形態の回転電機３０によれば、界磁ロータ１００の励磁量を負荷状態や個々の小ロータ５０の特性に応じて調整することができる。そのため、小ロータ５０の取り付け位置や製造精度による伝達磁気力のばらつき、大ロータ４０の回転速度の変化がある場合にも、小ロータ５０を安定して回転することができる。これによって、脱調状態となることなく、発電機６０から安定した発電出力を得ることができる。

（第３の実施の形態）
図９は、第３の実施の形態の回転電機３０における小ロータ５０の配置構成を説明するための、回転電機３０における大ロータ４０の回転軸４１に垂直な断面を模式的に示す図である。なお、図９において、小ロータ５０は、断面図で示していない。

第３の実施の形態の回転電機３０では、図９に示すように、第１の実施の形態における小ロータ５０（ここでは、小ロータ５０ａと呼ぶ）および、第２の実施の形態における小ロータ５０（ここでは、小ロータ５０ｂと呼ぶ）が、大ロータ４０の外周面と離間、かつ対向して、周方向に交互に配置されている。

第３の実施の形態の回転電機３０において、小ロータ５０ａ、５０ｂ内の発電機６０からの出力は、変換器（図示しない）によって個別に直流に変換され、その直流出力は、加算回路（図示しない）によって加算される。そして、加算された直流出力は、交流変換器（図示しない）によって系統出力に相応した周波数の交流電力に変換される。

第３の実施の形態の回転電機３０によれば、発電機６０からの出力の調整を小ロータ５０ｂによって行うことで、永久磁石を用いた小ロータ５０ａの発電機６０からの個別の出力制調整を行わなくても、安定した発電出力を得ることができる。また、すべての小ロータを界磁巻線１０１を用いた発電機６０を有する小ロータ５０ｂで構成する場合に比べて、界磁巻線１０１における電気抵抗損を小さくすることができる。そのため、より高い発電効率が得られ、発電出力を増大することができる。

小ロータ５０ａと小ロータ５０ｂとでは、重量や磁気力が異なるが、それぞれを、大ロータ４０の周方向に交互に配置することで、大ロータ４０の周方向の重量や磁気力バランスを良好に維持することができ、信頼性の高い回転電機を提供することができる。

（第４の実施の形態）
図１０は、第４の実施の形態の回転電機３０の、図３の面Ｂにおいて切断した断面に相当する断面を大ロータ４０の軸方向から見たときの図である。

第４の実施の形態の回転電機３０では、界磁ロータ７０を備える第１の実施の形態の回転電機３０とは異なり、誘導ロータ１１０を備えている。そのため、ここでは、この異なる構成について主に説明する。

第４の実施の形態の回転電機３０における誘導ロータ１１０は、図１０に示すように、誘導ロータ鉄心１１１と、回転子バー１１２と、エンドリング１１３とを備えている。

誘導ロータ鉄心１１１は、例えば、リング状に構成され、非磁性リング５４の内周面に設けられている。回転子バー１１２は、導体バーとして機能し、例えば、棒状に構成され、誘導ロータ鉄心１１１の内周面に設けられた軸５１の方向に沿う導体溝に配置されている。なお、回転子バー１１２は、導体溝から抜けないように、例えば楔などで固定されている。また、導体溝を貫通孔で構成し、回転子バー１１２をその貫通孔に挿入する構成としてもよい。

エンドリング１１３は、リング状の部材として機能し、回転子バー１１２の一端側および他端側をそれぞれ短絡させるように設けられている。すなわち、回転子バー１１２およびエンドリング１１３によって、かご型の回転子導体１１４を構成している。

上記した誘導ロータ１１０および電機子ステータ８０は、すなわち、アウターロータ型のかご型誘導機である。

第４の実施の形態の回転電機３０において、大ロータ４０が回転すると、大ロータ４０の外周面の磁極と小ロータ５０の外周面の磁極とが吸引または反発することによって、大ロータ４０の回転に追従して小ロータ５０が回転する。回転子導体１１４には、電機子巻線８２によって供給される無効電力によって二次電流が誘起される。そして、二次電流の生じる磁界と、電機子巻線８２の生じる磁界との相互作用によって、誘導ロータ１１０は、電機子巻線８２に生じる回転磁界に対してすべりをもって回転し、電機子巻線８２から電力が出力される。

複数の小ロータ５０を備えた場合、各小ロータ５０内の発電機６０の電機子巻線８２からの出力は、変換器（図示しない）によって個別に直流に変換され、その直流出力は、加算回路（図示しない）によって加算される。そして、加算された直流出力は、交流変換器（図示しない）によって系統出力に相応した周波数の交流電力に変換される。

第４の実施の形態の回転電機３０によれば、誘導ロータ１１０の回転と、電機子巻線８２の回転磁界との間にすべりがあるため、負荷や各小ロータ５０の特性に応じた差分を吸収することができる。そのため、各小ロータ５０内の発電機６０からの出力を調整せずに、出力を加算することができ、より簡素な構造で安定した発電出力を得ることができる。

（第５の実施の形態）
図１１は、第５の実施の形態の回転電機３０の、図３の面Ｂにおいて切断した断面に相当する断面を大ロータ４０の軸方向から見たときの図である。

第５の実施の形態の回転電機３０では、誘導ロータ１２０を備えている点が、界磁ロータ１００を備える第２の実施の形態の回転電機３０とは異なる。そのため、ここでは、この異なる構成について主に説明する。

誘導ロータ１２０は、図１１に示すように、非磁性リング５４の内周面に設けられたリング状の誘導ロータ鉄心１１１と、この誘導ロータ鉄心１１１の内周面側に設けられた回転子巻線１２１を備えている。

回転子巻線１２１は、例えば、誘導ロータ鉄心１１１の内周面に形成された溝などに嵌め込まれ、抜け落ちないように、楔などによって固定されている。また、回転子巻線１２１は、界磁用電力を供給する配線１２２の一端と接続されている。配線１２２の他端は、外部の電力源（図示しない）に接続された配線（図示しない）から電力が供給されるスリップリング１２３に電気的に接触するブラシ１２４に接続されている。配線１２２、ブラシ１２４、スリップリング１２３、外部の電力源（図示しない）および外部の電力源とスリップリング１２３との間の配線（図示しない）は、界磁用電力を供給する電力供給部として機能する。

第５の実施の形態の回転電機３０における誘導ロータ１２０および電機子ステータ８０は、回転子巻線１２１に電機子ステータ８０側から界磁用電力を供給する電力供給部を備えたアウターロータ型の巻線型誘導機である。

なお、回転子巻線１２１の励磁方法としては、大容量のタービン発電機などで使用されている、スリップリングやブラシを用いずに非接触で給電するブラシレス励磁方式を採用してもよい。また、図３に示すように、複数の小ロータ５０を備えた場合、各小ロータ５０ごとに、回転子巻線１２１の励磁量を調整するための制御回路をそれぞれ備えることが好ましい。

第５の実施の形態の回転電機３０において、大ロータ４０が回転すると、大ロータ４０の外周面の磁極と小ロータ５０の外周面の磁極とが吸引または反発することによって、大ロータ４０の回転に追従して小ロータ５０が回転する。回転子巻線１２１には、電機子巻線８２からの無効電力の供給によって励磁される。そして、誘導ロータ１２０とすべりをもった回転磁界が電機子巻線８２に鎖交して、電機子巻線８２から電力が出力される。

複数の小ロータ５０を備えた場合、各小ロータ５０内の発電機６０の電機子巻線８２からの出力は、変換器（図示しない）によって個別に直流に変換され、その直流出力は、加算回路（図示しない）によって加算される。そして、加算された直流出力は、交流変換器（図示しない）によって系統出力に相応した周波数の交流電力に変換される。

第５の実施の形態の回転電機３０によれば、誘導ロータ１２０の回転と、電機子巻線８２の回転磁界との間にすべりがあるため、負荷や各小ロータ５０の特性に応じた差分を吸収することができる。また、永久磁石発電機のような位置の検出が不要であり、より簡素な構造とすることができる。さらに、誘導ロータ１２０の回転子巻線１２１による出力の調整ができるため、安定した発電出力を得ることができる。

（第６の実施の形態）
図１２は、第６の実施の形態の回転電機３０における小ロータ５０の配置構成を説明するための、回転電機３０における大ロータ４０の回転軸４１に垂直な断面を模式的に示す図である。なお、図１２において、小ロータ５０は、断面図で示していない。

第６の実施の形態の回転電機３０では、図１２に示すように、第１の実施の形態における小ロータ５０（ここでは、小ロータ５０ａと呼ぶ）および、第４および第５の実施の形態における小ロータ５０（ここでは、小ロータ５０ｃと呼ぶ）が、大ロータ４０の外周面と離間、かつ対向して、周方向に交互に配置されている。なお、小ロータ５０ｃは、第４または第５の実施の形態における小ロータ５０であってもよいし、第４および第５の実施の形態における小ロータ５０を混在させてもよい。また、小ロータ５０ａは、第２のロータとして機能し、小ロータ５０ｃは、第３のロータとして機能する。

第６の実施の形態の回転電機３０において、小ロータ５０ａ、５０ｃ内の発電機６０からの出力は、変換器（図示しない）によって個別に直流に変換され、その直流出力は、加算回路（図示しない）によって加算される。そして、加算された直流出力は、交流変換器（図示しない）によって系統出力に相応した周波数の交流電力に変換される。

第６の実施の形態の回転電機３０によれば、誘導発電機を備えた小ロータ５０ｃでは、誘導ロータ１１０、１２０の回転と、電機子巻線８２の回転磁界との間にすべりがあるため、負荷や各小ロータ５０ｃの特性に応じた差分を吸収することができる。一方、同期発電機を備えた小ロータ５０ａでは、ロータ側での電気抵抗損が発生しないため、より高い発電効率が得られる。そのため、構造を簡素化しつつ、高効率で安定した発電出力を得ることができる。

（第７の実施の形態）
図１３は、第７の実施の形態の回転電機３０における小ロータ５０の配置構成を説明するための、回転電機３０における大ロータ４０の回転軸４１に垂直な断面を模式的に示す図である。なお、図１３において、小ロータ５０は、断面図で示していない。

第７の実施の形態の回転電機３０では、図１３に示すように、第１の実施の形態における小ロータ５０が、大ロータ４０の外周面と離間、かつ対向して、周方向に交互に配置されている。なお、ここでは、小ロータとして、第１の実施の形態における小ロータ５０を備えた一例を示しているが、小ロータは、第２、第４または第５の実施の形態における小ロータ５０であってもよいし、第２、第４および第５の実施の形態における小ロータ５０を混在させてもよい。

第７の実施の形態の回転電機３０では、図１３に示すように、複数の小ロータ５０を、例えば４つのロータ群に区分し、各ロータ群に１つの加算器１３０を備えている。なお、ロータ群の区分数は、特に限定されるものではなく、複数であればよい。１つのロータ群を構成する各小ロータ５０の発電機６０の電機子巻線８２からの出力は、加算器１３０で統合される。各加算器１３０で統合された出力は、それぞれ、交流変換器（図示しない）によって系統出力に相応した周波数の交流電力に変換され、例えば変圧器（図示しない）などを介して系統に接続される。

第７の実施の形態の回転電機３０によれば、各ロータ群における出力が独立して系統に送られるので、一部のロータ群の小ロータ５０の運転を停止しても、残りのロータ群から発電出力を得ることができる。そのため、例えば、事故時の交換作業や保守作業を、発電出力を得ながら実施することができる。また、系統側の要求負荷が小さい場合には、一部のロータ群における小ロータ５０のみを運転することによって、運転しないロータ群における小ロータ５０や発電機６０の部品の寿命を延伸することも可能となる。

ここで、上記したロータ群のうちの少なくとも１つのロータ群を構成する小ロータ５０を、発電機またはモータとして運転可能な同期機が備えられた小ロータ５０で構成してもよい。また、上記したロータ群のうちの少なくとも１つのロータ群を構成する小ロータ５０を、発電機またはモータとして運転可能な誘導機が備えられた小ロータ５０で構成してもよい。

この場合、１つの回転電機３０において、発電機モードと同時にモータモードでの運転が可能となる。そのため、風力発電システムにおいて、例えば、風速が低く、風車が回転できない場合、一部のロータ群における運転モードをモータモードとして、風車にトルクを与え、風車を回転させることができる。これによって、発電を開始する最小風速であるカットイン速度を低くすることができ、発電機の運転範囲を拡張することができる。この場合、例えば、モータモードにする小ロータを誘導機が備えられた小ロータ５０で構成することで、永久磁石同期機のような位置センサを用いることなく起動することができ、より簡素な構成となる。

以上説明した実施形態によれば、磁気ウォームギヤを用いた回転電機において、伝達磁気力のばらつきや、大ロータの回転速度が変化したときにおいても、安定した発電出力を得ることが可能となる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０…風力発電システム、２０…ナセル、２１…風車翼、２２…タワー、２３…翼軸、３０…回転電機、３１…電力調整部、３２…回転軸、３３…ケーブル、４０…大ロータ、４１…回転軸、４３…間隙、４４，５２，７２…永久磁石、４５，５３…磁性材、５０，５０ａ，５０ｂ，５０ｃ…小ロータ、５１…軸、５４…非磁性リング、５５…支持部材、６０…発電機、７０…界磁ロータ、７１…界磁ロータ鉄心、８０…電機子ステータ、８１…ステータ鉄心、８２…電機子巻線、９０…軸受、１００…界磁ロータ、１０１…界磁巻線、１０２，１２３…スリップリング、１０３，１２４…ブラシ、１０４，１２２…配線、１１０，１２０…誘導ロータ、１１１…誘導ロータ鉄心、１１２…回転子バー、１１３…エンドリング、１１４…回転子導体、１２１…回転子巻線、１３０…加算器。

Claims (15)

1. 外周面に永久磁石により形成される磁極を有する第１のロータと、
   前記第１のロータの外周面に離間して対向配置され、非磁性リングの外周面に、前記第１のロータの磁極間隔に応じて磁気的に結合するように、永久磁石により形成される螺旋状の磁極を有する、少なくとも１つの第２のロータと、
   前記非磁性リングの内径側に固定され、前記第２のロータの内径側に向けて磁束を発生する界磁ロータと、
   前記界磁ロータの内径側に離間して対向配置され、前記界磁ロータの回転に合わせて回転する回転磁界が鎖交する複数の電機子巻線を備えた電機子ステータと
   を具備することを特徴とする回転電機。
2. 前記界磁ロータおよび前記電機子ステータは、前記界磁ロータの周方向に交互にＮ極とＳ極となる界磁磁極を構成するように永久磁石が配置されたアウターロータ型の永久磁石型同期機であることを特徴とする請求項１記載の回転電機。
3. 前記界磁ロータおよび前記電機子ステータは、前記界磁ロータの周方向に交互にＮ極とＳ極となる界磁磁極を構成するように配置された界磁巻線、および前記界磁巻線に前記電機子ステータ側から界磁用電力を供給する電力供給部を備えたアウターロータ型の巻線界磁型同期機であることを特徴とする請求項１記載の回転電機。
4. 前記電力供給部によって前記界磁巻線に供給される界磁量が、各前記界磁ロータごとに調整されることを特徴とする請求項３記載の回転電機。
5. 少なくとも１つの前記第２のロータにおいて、前記界磁ロータおよび前記電機子ステータは、前記界磁ロータの周方向に交互にＮ極とＳ極となる界磁磁極を構成するように永久磁石が配置されたアウターロータ型の永久磁石型同期機であり、
   少なくとも１つの前記第２のロータにおいて、前記界磁ロータおよび前記電機子ステータは、前記界磁ロータの周方向に交互にＮ極とＳ極となる界磁磁極を構成するように配置された界磁巻線、および前記界磁巻線に前記電機子ステータ側から界磁用電力を供給する電力供給部を備えたアウターロータ型の巻線界磁型同期機であることを特徴とする請求項１記載の回転電機。
6. 外周面に永久磁石により形成される磁極を有する第１のロータと、
   前記第１のロータの外周面に離間して対向配置され、非磁性リングの外周面に、前記第１のロータの磁極間隔に応じて磁気的に結合するように、永久磁石により形成される螺旋状の磁極を有する、少なくとも１つの第２のロータと、
   前記非磁性リングの内径側に固定された誘導ロータと、
   前記誘導ロータの内径側に離間して対向配置され、前記誘導ロータの回転とすべりを有して回転する回転磁界が鎖交する電機子巻線を備えた電機子ステータと
   を具備することを特徴とする回転電機。
7. 前記誘導ロータは、内径側の導体溝に配置された、一端側および他端側がそれぞれリング状の部材によって短絡された導体バーを備え、
   前記誘導ロータおよび前記電機子ステータは、アウターロータ型のかご型誘導機であることを特徴とする請求項６記載の回転電機。
8. 前記誘導ロータは、内径側の導体溝に配置された回転子巻線を備え、
   前記誘導ロータおよび前記電機子ステータは、前記回転子巻線に前記電機子ステータ側から界磁用電力を供給する電力供給部を備えたアウターロータ型の巻線型誘導機であることを特徴とする請求項６記載の回転電機。
9. 外周面に永久磁石により形成される磁極を有する第１のロータと、
   前記第１のロータの外周面に離間して対向配置され、非磁性リングの外周面に、前記第１のロータの磁極間隔に応じて磁気的に結合するように、永久磁石により形成される螺旋状の磁極を有する、少なくとも１つの第２のロータと、
   前記第２のロータの非磁性リングの内径側に固定され、前記第２のロータの内径側に向けて磁束を発生する界磁ロータと、
   前記界磁ロータの内径側に離間して対向配置され、前記界磁ロータの回転に合わせて回転する回転磁界が鎖交する複数の電機子巻線を備えた電機子ステータと、
   前記第１のロータの外周面に離間して対向配置され、非磁性リングの外周面に、前記第１のロータの磁極間隔に応じて磁気的に結合するように、永久磁石により形成される螺旋状の磁極を有する、少なくとも１つの第３のロータと、
   前記第３のロータの非磁性リングの内径側に固定された誘導ロータと、
   前記誘導ロータの内径側に離間して対向配置され、前記誘導ロータの回転とすべりを有して回転する回転磁界が鎖交する電機子巻線を備えた電機子ステータと
   を具備することを特徴とする回転電機。
10. 前記第２のロータおよび前記第３のロータが、第１のロータの周方向に、所定の間隔をあけて交互に配置されていることを特徴とする請求項９記載の回転電機。
11. 複数の前記第２のロータを備える場合において、前記第２のロータを２つ以上のロータ群に区分し、各区分ごとに直流出力を加算して、系統に接続するする加算回路を備えたことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項記載の回転電機。
12. 複数の前記第２のロータおよび前記第３のロータを備える場合において、前記第２のロータおよび前記第３のロータをそれぞれ２つ以上のロータ群に区分し、各区分ごとに直流出力を加算して、系統に接続するする加算回路を備えたことを特徴とする請求項９または１０記載の回転電機。
13. 前記ロータ群のうち、少なくとも１つのロータ群を、発電機またはモータとして運転可能な同期機で構成したことを特徴とする請求項１１または１２記載の回転電機。
14. 前記ロータ群のうち、少なくとも１つのロータ群を、発電機またはモータとして運転可能な誘導機で構成したことを特徴とする請求項１１または１２記載の回転電機。
15. 請求項１乃至１４のいずれか１項記載の回転電機を備え、
    前記第１のロータが風力により回転する軸と連結され、風力から電力を生成することを特徴とする風力発電システム。

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