JP2013519348A - 永久励磁式回転電機の固定子 - Google Patents

Abstract

【課題】 永久励磁式回転電機（１）において発生するコギングトルクおよび／又は振動トルクを低減する。
【解決手段】 本発明に係る永久励磁式回転電機（１）の固定子は、第１のコイルグループ（１０ａ）の中心に第１の中心歯幅ＭＢを有する第１の中心歯（８ａ）が配置されており、固定子（５）が第２のコイルグループ（１０ｂ）を有し、第１のコイルグループ（１０ａ）と第２のコイルグループ（１０ｂ）とが周方向に直接的に相前後して配置されており、第１のコイルグループ（１０ａ）と第２のコイルグループ（１０ｂ）との間に第１の境界歯幅ＲＢを有する第１の境界歯（９）が配置されており、第１の境界歯幅ＲＢが、ほぼＲＢ＝ａ・ＺＢであり、第１の中心歯幅ＭＢが、ほぼＭＢ＝（２−ａ）・ＺＢであり、係数ａが０よりも大きく１よりも小さいことを特徴としている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、永久励磁式回転電機の固定子に関する。

例えば永久励磁式発電機又は永久励磁式電動機のような、永久励磁式回転電機では、特に電機の静止状態でのコギングトルクが重要な設計変量である。コギングトルクの振幅は、できるだけ小さくなければならない。更に、負荷状態で発生する振動トルクもまた、できるだけ小さなものに保たれるべきである。

直接駆動される永久励磁式風力発電機では、静止状態で発生するコギングトルクならびに風力発電機運転中に発生する振動トルクを、できるだけ小さく保つようにするべきである。

振動トルクの低減のために、今日では、主として次の方法が用いられる。
・電機の回転子内に配置する永久磁石を、傾斜させること。
・電機の固定子内の電気導体を、傾斜させること。
・回転子の永久磁石を、極中心からずらすこと。

しかしながら、上記の公知の方法は、製造技術的に高コストである。

特に大形電機の場合、固定子には一般に、いわゆる二層巻線が装備されるが、稀に単層巻線が装備されることもある。この場合、等幅コイルの実現を可能にするために、通常、特に二層巻線の場合には、歯およびスロットの幅は通常、固定子周縁に一様なスロットピッチ幅を生じると共に全ての歯およびスロットが統一幅を有するように実現されている。３段又は亀甲形コイル（Ｆａｓｓｓｐｕｌｅｎ）を有する単層巻線の場合では、コイルグループのコイルの配置によって、それぞれコイルグループごとに、いわゆる２倍の磁極ピッチが実現されるので、そのコイルグループごとに、いわゆる磁極対が生じる。固定子周縁における、各コイルグループの後には、コイルが配置されていない領域が存在する。この配置特性は、コイルの幅が異なっていなければならないということなしに、固定子周縁におけるスロットピッチ幅を変化させるために利用することができる。これは、発生するコギングトルクおよび振動トルクを低減するため、そして磁界分布曲線の形（巻線係数）を改善するために、利用可能である。

本発明の課題は、永久励磁式回転電機において発生するコギングトルクおよび／又は振動トルクを低減することにある。

この課題は、固定子が固定子の軸線方向に延びた多数の歯およびスロットを有し、固定子の周縁に沿ってコイルグループが配置されており、それらのコイルグループがそれぞれ少なくとも３つのコイルを有し、それらの少なくとも３つのコイルが周方向に直接的に相前後して配置されたスロット内に配置されており、全てのスロットが統一されたスロット幅ＮＢを有し、１つのコイルグループの中心に配置されてもいないし固定子の周方向に直接的に相前後して配置された２つのコイルグループの間に配置されてもいない歯が、統一された歯幅ＺＢを有し、第１のコイルグループの中心に、第１の中心歯幅ＭＢを有する第１の中心歯が配置されており、固定子が、第２のコイルグループを有し、第１のコイルグループと第２のコイルグループとが、周方向に直接的に相前後して配置されており、第１のコイルグループと第２のコイルグループとの間に、第１の境界歯幅ＲＢを有する第１の境界歯が配置されており、第１の境界歯幅ＲＢが、ほぼＲＢ＝ａ・ＺＢであり、第１の中心歯幅ＭＢが、ほぼＭＢ＝（２−ａ）・ＺＢであり、係数ａが０よりも大きく１よりも小さい、という永久励磁式回転電機の固定子によって、解決される。

本発明の有利な構成は、従属請求項からもたらされる。

係数ａが０よりも大きくかつ最大で０．３５であるならば、有利であることが判明した。係数ａが０よりも大きくて最大で０．３５である場合に、コギングトルクおよび／又は振動トルクが特に顕著に低減される。

更に、上記以外の残りのコイルグループにおける境界歯幅および中心歯幅が、第１のコイルグループについての境界歯幅および中心歯幅と同じように相応に実施されており、係数ａが全てのコイルグループにおいて同一であるか又は係数ａが少なくとも２つのコイルグループにおいて異なっているならば、有利であることが判明した。係数ａが全てのコイルグループにおいて同一である場合には、極めて対称的な全体配置が実現され、コギングトルクおよび／又は振動トルクが特に顕著に低減される。係数ａが異なっている場合には、固定子が極めて簡単に製造できる。

永久励磁式回転電機は、例えば発電機又は電動機として構成することができる。この場合、発電機は、特に風力発電機として、そのうちでも特に直接駆動式の（風車が間挿ギヤ装置なしに直接的に風力発電機に接続されている）風力発電機として構成することができる。

本発明の一実施の形態を図面に示し、以下において更に詳細に説明する。

図１は、本発明による永久励磁式回転電機の概略図である。 図２は、本発明による回転電機の固定子の概略的な部分詳細図である。

図１には概略的な斜視図の形で本発明による永久励磁式回転電機１が示されている。電機１は、本実施の形態では、発電機、そのうちでも特に風力発電機として構成されている。ここで付記しておくに、図を見易くするべく、図１においては、電機１における本発明の理解ために重要な要素のみを示している。

電機１は、その電機１の回転軸線Ｒを中心に回転可能に配置されている回転子２を有する。回転子２は、電機１の回転軸線Ｒを中心に回転可能に配置されている全ての要素を含む。回転子２は、回転子継鉄３を有し、この回転子継鉄３には多数の永久磁石が配置されているが、図を見易くするために、図１では１つの永久磁石４のみに符号を付している。本実施の形態では、電機１の運転時に、回転子２が、電機１の中心部に配置されてその電機１の周辺部に対して静止配置された固定子５の周りを回転する。回転子２が固定子５の周りに配置されていることから、このような電機は、専門用語で外側回転子型とも呼ばれる。回転子１が電機１を運転するための磁界を発生する永久磁石を有することから、このような電機は、専門用語では、永久励磁式電機、もしくは永久磁石励磁式電機とも呼ばれる。電機１の運転時に回転軸線Ｒを中心に回転する回転子２を有することから、このような電機は、回転電機とも呼ばれる。

固定子５は、軸線方向Ｚに延びた多数の歯およびスロットを有するが、図を見易くするために、歯７ａ，８ａおよび９とスロット６ａにのみ、符号を付している。固定子は、本実施の形態では軸線方向Ｚに相前後して配置された鋼板からなる。個々の鋼鈑は一般に、例えばワニス膜のような絶縁膜を備えている。

セグメントとしての歯およびスロットは、鋼鈑の相応の形状形成によって生じる。歯の周りのスロット中には、固定子の電気コイルが挿入されているが、それらのコイルは、図を見易くするという理由、ならびに、本発明の理解にとって重要でないという理由から、図示されていない。

市販の永久励磁式回転電機の場合、固定子５の個々の歯の幅が全て等しい。本発明によれば、固定子の特定の歯の幅を固定子の残りの歯の幅に対して拡大および縮小することによって、電機１の運転時に発生するコギングトルクおよび振動トルクが減少させられる。

図１は、例を挙げると、特に歯、スロット、永久磁石の、幅、個数および寸法、固定子と回転子との間に配置された空隙の大きさなどが、現実とは一致していない概略図であることを、ここでもう一度指摘しておく。

図２には、概略的な断面図の形で固定子の部分図が示されている。分かり易くするために、固定子５の部分は、現実におけるように円弧状ではなくて、一平面上に広げられて概略的に示されている。

固定子５の周縁に沿ってコイルグループが配置されており、それらコイルグループは、それぞれ少なくとも３つのコイルを有する。図２には、３つのコイルＲ１，Ｔ１，Ｓ１からなる第１のコイルグループ１０ａと、３つのコイルＲ２，Ｔ２，Ｓ２からなる第２のコイルグループ１０ｂとが示されている。これらのコイルは、模式的にのみ示されている。第２のコイルグループ１０ｂは、固定子の周方向Ｕにおいて第１のコイルグループ１０ａの直後に配置されている。図を見易くするために、図２にはスロット６ａおよび６ｄのみに符号が付されており、固定子の全スロットが等しいスロット幅ＮＢ、即ち統一されたスロット幅ＮＢを有する。

本実施の形態では、既に述べたように、第１のコイルグループ１０ａがコイルＲ１，Ｔ１，Ｓ１を有し、第２のコイルグループ１０ｂがコイルＲ２，Ｔ２，Ｓ２を有する。コイルＲ１は、コイルＲ１のシンボルによって示されているように、スロット６ａおよび６ｄ内に挿入され、従って歯７ａ，７ｂおよび８ａを取り囲んでいる。これに相応して、その他のコイルが、コイルのシンボルによって示されているように、その各コイルに付属したスロット内に挿入されている。コイルＲ１およびＲ２を通して相電流Ｒが流れ、コイルＴ１およびＴ２を通して相電流Ｔが流れ、コイルＳ１およびＳ２を通して相電流Ｓが流れる。コイルグループは、固定子の周縁に沿って配置されている。既に述べたように、本実施の形態では、コイルグループがそれぞれ３つのコイルを有する。これは、必ずそうでなければならないというわけではなく、１つのコイルグループは３つよりも多いコイルを持っていてもよい。従って、例えばコイルグループがそれぞれ６つのコイルを持っていてもよく、この場合、最初の２つの直接に相前後して周方向Ｕに続くコイルを通して相電流Ｒが流れ、次の２つの直接に相前後して周方向Ｕに続くコイルを通して相電流Ｔが流れ、次の２つの直接に相前後して周方向Ｕに続くコイルを通して相電流Ｓが流れるので、全体としてやはり３相交流システムが生じる。

第１のコイルグループ１０ａには、歯７ａ，７ｂ，８ａ，７ｃ，７ｄおよび歯９が割り当てられている。第２のコイルグループ１０ｂには、歯７ｅ，７ｆ，８ｂ，７ｇ，７ｂおよび１１が割り当てられている。以下において、コイルグループの中心に配置されている歯を中心歯と呼び、直接に周方向Ｕにおいて相前後する２つのコイルグループの間に配置されている歯を境界歯と呼ぶ。第１の中心歯８ａは、第１のコイルグループ１０ａの中心に配置され、第２の中心歯８ｂは、第２のコイルグループ１０ｂの中心に配置されている。第１の境界歯９は、第１のコイルグループ１０ａと第２のコイルグループ１０ｂとの間に配置されている。固定子の周方向Ｕにおいて第１のコイルグループ１０ａの後に直接に連続して、第２のコイルグループ１０ｂが配置されている。

第２の境界歯１１は、第２のコイルグループ１０ｂと図２には示されていない第３のコイルグループとの間に配置されている。コイルグループの中心に配置されていない歯であってかつ固定子の周方向において直接に相前後して配置された２つのコイルグループの間に配置されてもいない歯が、全て等しい歯幅ＺＢ、即ち統一された歯幅ＺＢを有する。本実施の形態では、これに該当するのは、歯７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄ，７ｅ，７ｆ，７ｇおよび７ｈである。歯７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄ，７ｅ，７ｆ，７ｇおよび７ｈは、統一された歯幅ＺＢを有する。既に述べたように、全てのスロットが等しいスロット幅ＮＢ、即ち統一されたスロット幅ＮＢを有する。第１の中心歯８ａは、第１の中心歯幅ＭＢを有し、第１の境界歯９は、第１の境界歯幅ＲＢを有する。

本実施の形態では、全てのコイルグループにおけるそれぞれの中心歯は、等しい中心歯幅ＭＢ、即ち統一された中心歯幅ＭＢを有する。更に、全ての境界歯は、等しい境界歯幅ＲＢ、即ち統一された境界歯幅ＲＢを有する。

永久励磁式回転電機の市販の固定子は、全ての歯および全てのスロットが統一された幅を有する。即ち、１つの歯の幅とその歯に直接に後続するスロットの幅との和である所謂スロットピッチ幅ＮＴＢは、市販の固定子の場合、
ＮＴＢ＝Ｕ／Ｎ＝２・π・ｒ／Ｎ （１）
で与えられる。ここに、Ｎはスロットの個数、Ｕは固定子の周縁長、ｒは固定子の半径である。

本発明によれば、コギングトルクおよび／又は振動トルクの低減のために、周方向において直接に相前後して配置された２つのコイルグループの間に配置されている歯の幅が係数ａだけ縮小され、その係数ａに応じて、コイルグループの中心に配置されている歯の幅が境界歯に割り当てた係数だけ増大されることによって、スロットピッチ幅が変化させられる。従って、第１の境界歯９の境界歯幅ＲＢは歯幅ＺＢに対して縮小され、その縮小に応じて第１の中心歯８ａの中心歯幅ＭＢが増大される。それゆえ、第１の境界歯幅ＲＢについては、
ＲＢ＝ａ・ＺＢ （２）
が成り立ち、第１の中心歯幅ＭＢについては、
ＭＢ＝ＺＢ（２−ａ）・ＺＢ （３）
が成り立つ。ここに、係数ａは０よりも大きく、１よりも小さい。歯幅ＺＢは、角度α₁に亘る円弧の長さに相当し、スロット幅ＮＢは、角度α₂に亘る円弧の長さに相当し、第１の中心歯幅ＭＢは、角度α₃に亘る円弧の長さに相当し、第１の境界歯ＲＢは、角度α₄に亘る円弧の長さに相当する（図１参照）。

従って、次の式、即ち、
ＺＢ＝２・π・ｒ・α₁／３６０° （４）
ＮＢ＝２・π・ｒ・α₂／３６０° （５）
ＭＢ＝２・π・ｒ・α₃／３６０° （６）
ＲＢ＝２・π・ｒ・α₄／３６０° （７）
が成り立つ。ここに、ｒは固定子の半径である。固定子の半径ｒは、回転軸線Ｒから歯の回転子２の方を向いた面までの距離である（図１参照）。各角度は、回転軸線Ｒから出発して、それぞれ該当する歯の回転子２の方を向いた面の軸線方向Ｚに延びている両エッジによって広がる角度である（図１参照）。第１の中心歯８ａの回転子２の方を向いた面には、図１において符号１３が付され、第１の中心歯８ａの回転子２の方を向いた面１１の軸線方向Ｚに延びている両エッジには、図１において符号１２ａおよび１２ｂが付されている。

本発明に係る境界歯の幅の縮小と中心歯の幅の増大とが相まって、コイルの幅は変更されないこととなる。また、１つのコイルグループ内でのコイル間の間隔も同様である。これにより、更に、市販の固定子の場合と同様に対称な３相交流システムが実現される。

スロット幅ＮＢは、コイルがスロット内に納まるように選定される。

係数ａが０よりも大きくかつ最大で０．３５であるならば、発生するコギングトルクおよび／又は振動トルクが、特に顕著に低減される。

本実施の形態では、第１のコイルグループ１０ａについてと同様に、残りのコイルグループにおける境界歯幅と中心歯幅とが相応して実施されており、係数ａは、全てのコイルグループにおいて同一である。従って、第２の中心歯８ｂの中心歯幅は、第１の中心歯８ａの中心歯幅とちょうど同じ大きさであり、第２の境界歯１１の境界歯幅は、第１の境界歯９の境界歯幅とちょうど同じ大きさである。

しかし、これに対する代替として、係数ａの値を、コイルグループにおいて異ならせるようにしてもよい。中心歯８ａおよび８ｂの幅、ならびに境界歯９および１１の幅に対して、異なった値が生じるように、例えば、係数ａが、第１のコイルグループ１０ａにおいて０．１の値を取り、第２のコイルグループ１０ｂにおいて０．２の値を取るようにしてもよい。

１ 永久磁石励磁式回転電機
２ 回転子
３ 回転子継鉄
４ 永久磁石
５ 固定子
６ａ，６ｄ スロット
７ａ〜７ｈ 歯
８ａ，８ｂ 中心歯
９ 境界歯
１０ａ，１０ｂ コイルグループ
１１ 境界歯
１２ａ，１２ｂ エッジ
１３ 面
Ｒ 回転軸線
Ｕ 周方向
Ｚ 軸線方向
Ｒ１，Ｔ１，Ｓ１ コイル
Ｒ２，Ｔ２，Ｓ２ コイル
ＭＢ 中心歯幅
ＮＢ スロット幅
ＲＢ 境界歯幅
ＺＢ 統一歯幅

Claims (5)

1. 永久励磁式回転電機（１）の固定子（５）であって、当該固定子（５）の軸線方向（Ｚ）に延びた複数の歯（７ａ，８ａ，９）およびスロット（６ａ，６ｄ）を有し、当該固定子（５）の周縁に沿ってコイルグループ（１０ａ，１０ｂ）が配置されており、それらのコイルグループ（１０ａ，１０ｂ）が、それぞれ少なくとも３つのコイル（Ｒ１、Ｔ１、Ｓ１）を有し、それらのコイルが、周方向（Ｕ）に直接的に相前後して配置されたスロット内に配置されており、全てのスロットが、統一されたスロット幅ＮＢを有し、１つのコイルグループ（１０ａ，１０ｂ）の中心に配置されておらずかつ固定子（５）の周方向（Ｕ）に直接的に相前後して配置された２つのコイルグループ（１０ａ，１０ｂ）の間に配置されてもいない歯が、統一された歯幅ＺＢを有し、第１の中心歯幅ＭＢを有する第１の中心歯（８ａ）が、第１のコイルグループ（１０ａ）の中心に配置されており、当該固定子（５）が、第２のコイルグループ（１０ｂ）を有し、第１のコイルグループと第２のコイルグループとが、周方向に直接的に相前後して配置されており、第１のコイルグループと第２のコイルグループとの間に、第１の境界歯幅ＲＢを有する第１の境界歯（９）が配置されており、第１の境界歯幅ＲＢが、ほぼＲＢ＝ａ・ＺＢであり、第１の中心歯幅ＭＢが、ほぼＭＢ＝（２−ａ）・ＺＢであり、係数ａが０よりも大きく１よりも小さい
   ことを特徴とする永久励磁式回転電機の固定子。
2. 請求項１記載の固定子において、
   係数ａが、０よりも大きく、かつ最大で０．３５である
   ことを特徴とする固定子。
3. 請求項１又は２記載の固定子において、
   残りのコイルグループにおける、境界歯幅および中心歯幅が、第１のコイルグループ（１０ａ）における境界歯幅および中心歯幅と同等に実施されていて、係数ａが、全てのコイルグループにおいて同一であるか、もしくは少なくとも２つのコイルグループにおいて異なっている
   ことを特徴とする固定子。
4. 請求項１から３の１つに記載の固定子を有する永久励磁式回転電機であって、
   当該電機が、発電機又は電動機として構成されている
   ことを特徴とする永久励磁式回転電機。
5. 請求項４記載の永久励磁式回転電機において、
   発電機が、風力発電機として構成されている
   ことを特徴とする永久励磁式回転電機。

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