JP5060546B2 - 永久磁石式発電機とそれを用いた風力発電機 - Google Patents
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Description
本発明の好ましい一つの実施形態では、上記ロータと上記ステータの各々が円盤状であり、各ロータに取り付けられた永久磁石が、4極以上の磁極数で円周方向に等間隔で配置され、該ステータコイルが、該ステータ内に3極以上で円周方向に等間隔で配置される。
本発明の好ましい他の形態では、上記ステータコイルが、単相の位相状態で直列に結合されているか、又は三相の位相状態で直列に結合されている。
本発明の好ましい別の形態では、上記少なくとも3段のロータのうち上記発電機シャフトの長さ方向の両端のロータが、磁性体からなる盤状のヨークに、上記ステータに対向する側に永久磁石を取り付けたものであり、該磁極から発生する磁束を該ヨーク中に還流させ、該両端のロータからの外部漏洩磁束を減少させる。
本発明の好ましい別の形態では、上記少なくとも3段のロータのうち上記発電機シャフトの長さ方向の両端のロータ以外のロータが、非磁性材に磁石を固着してなるものである。
本発明によれば、さらに、この永久磁石式発電機のシャフトにプロペラを設置して得られる風力発電機を提供できる。
発電は、ステータコイルにおいて発生するが、従来の単段のステータの場合と違い、本発明の複段ステータではステータ間のコイル接続を可変にできる。つまり高電圧を得たい場合には全てのステータを直列に接続すればよいし、低電圧大電流を得たい場合には一部又は全てのステータを並列に接続すればよい。よって、本発明によれば発電機仕様を容易に変更できる。
2 ケース
10、20、30、110a,110b,110c ロータ
40、50 ステータ
11、21 磁石
12 ヨーク
14a,14b 端部のロータ
15a,15b 両端部以外のロータ
19,109 磁力線
23 非磁性材
43、53 コイル枠
44、54 コイル
61 ナセル
62 発電機
102 ヨークのみのロータ
図2と図3の例では極数8(磁石8個)のロータを形成している。
単相交流の場合は磁石の極数とコイルの個数の比率は1:1であるが、三相交流の場合は4:3、2:3、8:9、10:9、10:12、12:15等が挙げられ、特には4:3や2:3が好ましい。
この段状の配列構造により、同じ量の磁石質量で同じ極数を配列した単段あるいは2段の磁石ロータ形式と比較して、電圧を高くするだけでなく、ギャップに得られる磁束量を大きくすることができる。
複数段のロータのなかで両端に置かれる2つの端部ロータ10と30は他のロータと異なり、図2の端部ロータ10の例に示すように、好ましくは、強磁性材のヨーク12上に永久磁石11が接着剤(例えば、エポキシ樹脂、アクリル系樹脂)により貼り付けられている。これにより、端部ロータとこれと対向するロータとの間の磁場は強められ、また同時にケース側への磁場漏洩が抑制される。その結果、ケース内に発生する渦電流が最小限に抑えられ、渦電流による回転に対する制動力を受けない。
ヨークは、磁性材であれば特に限定されないが、例えば、鉄、磁性SUSが挙げられる。
また別の態様としては、磁石の片側又は両側に非磁性材を固着させることもできる。
特開2003−348805号公報等に代表される従来技術の態様では、通常、本願願書に添付の図12に示すように1つの円形ヨーク12の上に複数の磁石11を貼り付けたロータ110が存在し、このロータを複数段積層し(110a,110b,110c)、ロータと隣のロータとの間には図示しないステータが入るすきまが設けられている。この場合、1つのロータと1つのステータの組み合わせで1つの発電機とみなしており、これを複数段重ねることで複数段の発電機を構成している。重ねる際には、積層後の末端においてステータがむき出しにならないように、つまりステータがヨークで挟み込まれるようにヨークのみのロータ102が最後に設けられる。図12にかかる態様では、ひとつのロータはヨークと磁石によって構成される。そのロータを多段にした場合の磁力線109の流れは、図12に示すように隣のヨークの中を通って還流しており、その結果、ステータが入るロータ間にはロータひとつ分の起磁力による磁力線が通ることになる。複数段の発電機それぞれにおいて同じことが言え、それぞれの発電機において同様の磁力線の流れとなり隙間部の磁場も同様となる。各ロータにヨークが存在するため、磁石から出た磁力線が隣のロータのヨークの磁場遮蔽効果によってそのヨークを貫通して隣のロータの隙間部まで到達することができず、その結果、隙間部の磁場が低下してしまう。
逆に言えばヨークは2枚しか存在しないため従来と比較して軸方向寸法が小さくでき、より軽量化が図られる。よって従来よりもコストを下げることが可能となる。
一方本発明の態様では、図10に示すように円形ヨークに複数の磁石を貼り付けたロータが発電機シャフトの長さ方向の端部2箇所に設けられ、その間に複数枚のロータが積層され、これらの端部以外のロータ15a,15bは非磁性材23に磁石21を固着されてなるものであり、ヨークは存在しない。すなわち本発明では端部のロータ14a,14b以外にヨーク12は存在せず、この場合の磁力線19は各ロータの磁石を貫通して端部ヨーク12で還流して形成される。よって各ロータ間のすきま部を各ロータの磁石からの起磁力が足し合わされた磁力線19が通ることになり、上述した従来技術と比較してすきま部の磁場強度が大幅に上昇する。いわば全てのロータの磁石がお互いに磁場を強め合って隙間部の磁場を強めているといえる。
つまり本発明では1組の発電機を複数段重ねた構成ではなく、2つの端部ロータ、その間に配置される複数のロータ、そして各ロータ間に配置されるステータ、これらすべてによって1つの高性能発電機が構成されているといえる。
以上のように本発明にかかる発電機では従来よりも磁場強度を大幅に上げることができ、発電電圧は磁場強度にほぼ比例するため、本発明では従来に比べて発電電圧を大幅に高めることができる。このようにして本発明にかかる発電機において各ロータ間のすきまには多極で非常に強い磁場が形成される。
従来では各ロータにヨークが存在するために、このロータを複数段重ねた場合には当然ながらヨークのトータル厚みは各ヨーク厚みの段数倍になるが、本発明ではヨークは端部ロータにのみに配置されるので段数がどれだけ増えてもヨークのトータル厚みは1つのヨーク厚みの2倍にしかならない。したがってヨークのトータル厚みが薄く抑えられ、段数が増えても発電機本体の軸方向サイズをコンパクトに維持できる結果、重量も減りコストを抑えることができるという利点がある。
ロータとステータとは、好ましく円盤状であり、その直径は、好ましくは50〜6000mmである。永久磁石を含めたロータの回転軸方向の厚さは、配置する永久磁石の質量によって異なるが、好ましくは2〜400mm、端部ロータについては、好ましくは3〜600mmである。ステータコイルを含めたステータの回転軸方向の厚さは、好ましくは1〜500mmである。
以上述べた本発明による多極の磁石ロータ及びステータを何段か重ねた構造の発電機であれば、回転数の上がらない風力発電であっても、発生電圧を高くすることができ、効率の高い発電を行うことができる。さらに水力発電にも本願の発電機は応用可能である。
本発明の実施例として図1に示す発電機を製作した。製作した発電機ではロータおよびステータの段数を変更できる構造とし、段数を変えた場合のそれぞれの発電電圧を測定した。シャフトはステンレス材で直径15mmとした。端部ロータは、直径100mmで厚さ2mmの鉄ヨークに8個のNdFeB系永久磁石(磁極は軸方向、厚さ4mm)を円形状で等間隔の磁極の向きが交互になるような配置になるよう接着剤(エポキシ樹脂)にて固着した。また、内部ロータは、直径100mmで厚さ4mmのステンレス材に磁石をはめ込むための穴8個を等間隔に開け、それぞれの穴に同じNdFeB系永久磁石(厚さ4mm)をはめ込み接着剤(エポキシ樹脂)を用いて固着した。それぞれのロータはすきまが8mm(端部ロータの厚さは、永久磁石の厚さとヨークの厚さの合計とする。)になるように間隔をあけてシャフトに取り付けられた。これらロータはキーによって滑り止めされておりシャフトと一体化して回転する。また、ステータは、直径120mmで樹脂製としコイルをはめ込むための穴を等間隔に設けて、別途製作した銅線コイル(巻数30ターン)をステータにあけた穴にはめ込み接着固定した。はめ込んだ各コイルはすべて直列に接続された。さらに複数のステータ間の接続もすべて直列とした。ケースは直径130mm長さ110mmでアルミ製とし、本ケースに各ステータをボルト固定した。シャフトはケースに取り付けられたベアリングを介して回転自在に支持されている。本発電機を別に用意したモータに直結して、本モータで発電機のシャフトを回転することによって発電電圧を発生させ測定した。
2段のロータと1段のステータの組み合わせで発電機を構成し、モータで発電機を回転数450rpmで回転させたときに得られた発電電圧の波形を図5に示す。図5から分かるようにほぼ正弦波の電圧波形が得られておりピーク値は約10Vであった。同じような測定を4段のロータと3段のステータの場合、および6段のロータと5段のステータの場合で行った結果のピーク電圧を横軸をステータ段数としてプロットしたものを図6に示す。この結果から分かるように発電電圧はステータ段数に比例して増加した。
図7に示すように、磁石の総重量が同じで、(A)2段のロータと1段のステータの3段の場合、(B)3段のロータと2段のステータの5段の場合を比較した(ステータは不表示)。ロータの磁石構成及びステータは実施例1と同一とした。ステータ仕様は共通とし、ロータ直径100mm、極数8、ロータ間すきま8mmも共通とした。また、5段の場合は磁石厚みを4mm、3段の場合は磁石厚みを6mmとした。この2つをいずれも回転数450rpmで回したときの発電電圧を測定した結果、5段の場合ではピーク電圧18Vであったが、3段の場合ではピーク電圧11Vであった。つまり同じ重量の磁石を使用しても5段にした方が3段の場合よりも大幅に発生電圧を高めることができた。
別の比較として、ロータ直径を大きくして極数も増やした2段のロータと1段のステータの3段タイプと実施例2の5段タイプを比較した。ロータの磁石構成及びステータは実施例1と同一であった。3段タイプはロータ直径130mm極数10とし、磁石総重量を5段タイプと同じにするために磁石厚みを4.8mmとした。この3段タイプを回転数450rpmで回した結果、発生した電圧のピーク値は17Vであった。つまりこの3段タイプは実施例2の5段タイプよりも直径が30%、面積では69%大きくなったにもかかわらず、同等かむしろより低いピーク電圧となった。
3段のロータと2段のステータの5段で、ロータ極数8(磁石数8、NdFeB系焼結磁石)、ステータのコイル数6の場合に三相交流の起電力が得られる例を示す。その他は、実施例1と同一の構成であった。ロータは実施例1と同じものを使用し、図8示すように各コイル54をコイル枠53にはめ込んだコイル数が6のステータ50(厚さ5mm)を使用した。回転軸を挟んで向かい合う2つのコイルは直列に結線され、また隣のステータにおいても同様な結線とし、2つのステータ間ではちょうど軸方向に向かい合うコイルが直列に結線されている。この発電機を450rpmで回転させたときに3組のコイルに発生した発電電圧を測定した結果を図9に示す。このようにステータ数を磁石極数の0.75倍もしくは0.75×整数倍すれば三相交流が得られる。
従来の構成である図12と本発明の構成である図10との比較を行った。いずれの例もステータは同一であり、実施例1と同一のステータを3箇所のすきまに配置した。ロータはいずれも8極で、鉄ヨークは直径100mm、厚み3mm、磁石厚みは6mmで共通とした。非磁性材の枠としては、材質をSUS、直径100mm、厚さを6mmとした。図10および図12における各ロータは、隙間が8mmになるように間隔をあけてシャフトに取り付けられた。図10における両端のロータ14a,14b、ならびに、図12におけるロータ110a,110b,110cの厚さは、永久磁石の厚さとヨークの厚さとの合計とした。また図10の態様における両端のロータ以外のロータ15a,15bの厚さは、永久磁石の厚さとした。
この2つの発電機の発電電圧を測定した結果、従来の構成では24Vであったが、本発明の構成では33Vであり、約1.4倍の高い発電電圧が得られた。本発明の構成の方がより高い電圧を発生できることが分かった。
Claims (7)
- 発電機シャフトと、
該発電機シャフトに結合し、永久磁石が取り付けられた複数の盤状構造物である、それぞれが該発電機シャフトの長さ方向に配置された少なくとも3段のロータと、
該発電機シャフトとは切り離して該ロータが形成する少なくとも2箇所のギャップに配置された、銅線を巻いたステータコイルを有する盤状構造物であるステータとを備え、
該ロータとステータが、該発電機シャフトの長さ方向に交互に合計で5段以上配置され、
該少なくとも3段のロータのうち該発電機シャフトの長さ方向の両端のロータが、磁性体からなる盤状のヨークに、該ステータに対向する側に永久磁石を取り付けたものであり、かつ、該少なくとも3段のロータのうち該発電機シャフトの長さ方向の両端のロータ以外のロータが、非磁性材に磁石を固着してなるものであり、
0rpmより大きく1000rpm以下の回転速度で発電機を回して発電させるための、永久磁石式発電機。 - 上記ロータと上記ステータの各々が円盤状であり、各ロータに取り付けられた永久磁石が、4極以上の磁極数で円周方向に等間隔で配置され、ステータコイルが、該ステータ内に3極以上で円周方向に等間隔で配置される請求項1に記載の永久磁石式発電機。
- 上記ステータコイルが、単相の位相状態で直列に結合されているか、又は三相の位相状態で直列に結合されている請求項1又は請求項2に記載の永久磁石式発電機。
- 磁極から発生する磁束を上記ヨーク中に還流させ、上記両端のロータからの外部漏洩磁束を減少させる請求項1〜3のいずれかに記載の永久磁石式発電機。
- 上記永久磁石が、希土類磁石である請求項1〜4のいずれかに記載の永久磁石式発電機。
- 上記永久磁石が、Nd系希土類異方性焼結磁石である請求項1〜5のいずれかに記載の永久磁石式発電機。
- 上記請求項1〜6のいずれかに記載の永久磁石式発電機のシャフトにプロペラを設置して得られる風力発電機。
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