JP5894414B2 - Generator - Google Patents
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Description
本発明は、風車等の低速回転の出力軸に連結して発電を行う発電機に関する。 The present invention relates to a generator that generates power by being coupled to a low-speed output shaft such as a windmill.
商用電力の周波数は50Hz(または60Hz)であり、たとえば、火力・水力発電における2極ロータによるタービン発電では、3000回転/分の高速回転が必要である(60Hzの場合、3600回転/分)。ところが、風力を利用した風車では、高速回転は望めず、ギアで回転数を増速させるか、多極のロータの発電機を用いる。20極のロータならば300回転/分の低速回転でも商用電力の周波数の電力を得ることができ、ギアレスの発電が可能になる。 The frequency of commercial power is 50 Hz (or 60 Hz). For example, in turbine power generation using a two-pole rotor in thermal power / hydroelectric power generation, high-speed rotation of 3000 rotations / minute is necessary (3600 rotations / minute in the case of 60 Hz). However, in a wind turbine using wind power, high-speed rotation cannot be expected, and the number of rotations is increased by a gear or a multipolar rotor generator is used. If the rotor has 20 poles, it is possible to obtain electric power having the frequency of commercial power even at a low speed of 300 revolutions / minute, and gearless power generation becomes possible.
例えば、特許文献1には、多極発電機が開示されている。この発電機は、永久磁石を磁極とするロータと、放射線形状のステータとを有し、ロータを回転させることにより、固定子の放射状のティース(teeth)に巻き回された電機子巻線に交流電圧を発生させている。
特許文献1のような半径方向に磁気ギャップを持つラジアルギャップ型の発電機の他に、軸方向に磁気ギャップを持つアキシャルギャップ型の発電機として、特許文献2に示すような発電機が知られている。
For example, Patent Document 1 discloses a multipolar generator. This generator has a rotor having a permanent magnet as a magnetic pole and a radiation-shaped stator, and by rotating the rotor, an AC is applied to the armature winding wound around the radial teeth of the stator. A voltage is generated.
In addition to a radial gap generator having a magnetic gap in the radial direction as in Patent Document 1, a generator as shown in Patent Document 2 is known as an axial gap generator having a magnetic gap in the axial direction. ing.
この発電機は、薄い箔状のアモルファス帯を巻き取って鉄心(ティース)を作り、磁石が回転軸に対して平行に複数個固定されており、これに対向するよう鉄心を円周上に配置し、磁石と反対側に位置する鉄心の端部がヨーク(継鉄)に固定されている。鉄心と鉄心の間は、樹脂の射出成形により埋められている。 This generator winds up a thin foil-like amorphous band to make an iron core (teeth), and a plurality of magnets are fixed parallel to the rotation axis, and the iron core is arranged on the circumference so as to face this And the edge part of the iron core located in the opposite side to a magnet is being fixed to the yoke (yoke). The space between the iron core and the iron core is filled by resin injection molding.
低い回転でも所定の周波数を得ようとすると極数を増やさなけばならないが、発電機の径を大きくしないと多数の極数を収容するのが難しい。一方、所定の磁束に対して電圧を増やすには巻線のターン数を増やせばよいが、固定子の長さを長くしなければならない。アキシャルギャップ型の発電機において、ティースは磁石の反対側でヨークに固定されている。ティースが長くなると、磁石の回転により力を受ける箇所から離れるため、梃子の原理によりこの力は増大し、これを支えるためにヨークはそもそもの軸方向の強度に加えさらに強い構造体にしなければならない。強度に関しては、ティースの間を樹脂モールドで埋めてしまうことにより解決できるが、逆に発生する熱が逃げにくくなる。 In order to obtain a predetermined frequency even at low rotation, the number of poles must be increased, but it is difficult to accommodate a large number of poles unless the diameter of the generator is increased. On the other hand, in order to increase the voltage with respect to a predetermined magnetic flux, the number of turns of the winding may be increased, but the length of the stator must be increased. In the axial gap type generator, the teeth are fixed to the yoke on the opposite side of the magnet. As the teeth become longer, the force is increased due to the rotation of the magnet, so this force is increased by the principle of the lever. To support this, the yoke must have a stronger structure in addition to the axial strength in the first place. . The strength can be solved by filling the space between the teeth with a resin mold, but conversely, the generated heat is difficult to escape.
本出願人は、ラジアルギャップの発電機を、構造体をさほど強化せずに多極化を図る手法として、特願2011−188376号を提案している。発電機においては、ティースの巻線数を増やすために、ティースを長くすると発電機の直径が大きくなる上、ステータポール外周部においては、間隔が広く開いて容積が増えてしまう。 The present applicant has proposed Japanese Patent Application No. 2011-188376 as a technique for multi-polarizing a radial gap generator without strengthening the structure so much. In the generator, when the teeth are lengthened in order to increase the number of windings of the teeth, the diameter of the generator is increased, and the stator pole outer peripheral portion is widened to increase the volume.
そこで、本発明は、少ない回転数で効率的に発電する多極発電機を、高効率に巻線のターン数を増やしても大型化させずに提供することを目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a multipolar generator that efficiently generates power with a small number of rotations without increasing the size even if the number of turns of the winding is increased with high efficiency.
上記課題を解決するために本発明の発電機は、回転軸中心に複数の永久磁石の磁極をN極S極交互に、当該回転軸方向に向けて配置されたロータと、軟磁性体鉄心に巻線を施した多数のステータポールと、前記回転軸中心に対して、前記ステータポールの磁気回路の一端を前記ロータの磁極に向けて前記ステータポールを固定して、磁極との間に磁気ギャップを形成した非磁性の保持板と、前記複数のステータポールの他端が当接して、前記複数のステータポール相互を磁気に結合するヨークと、ベアリング軸受けを介して前記回転軸を内装し、前記保持板とヨークとを外装して連結する中空管とを有することを特徴とする。 In order to solve the above-described problems, a generator according to the present invention includes a rotor in which magnetic poles of a plurality of permanent magnets are alternately arranged in the direction of the rotation axis in the center of the rotation axis, and a soft magnetic core. A plurality of stator poles provided with windings, and the stator pole is fixed with the one end of the magnetic circuit of the stator pole facing the magnetic pole of the rotor with respect to the rotation axis center, and a magnetic gap between the magnetic poles A non-magnetic holding plate formed with the other end of the plurality of stator poles, a yoke that magnetically couples the plurality of stator poles together, and the rotating shaft through a bearing bearing, It has a hollow tube that externally connects the holding plate and the yoke.
本発明によれば、ステータポールとヨークが別体で作製され、ステータポールの固定は保持板と中空管が受け持つので、発電機としての構造上の強度を磁気ギャップに近い位置に持たせることができる。従って、磁気の移動により発生するモーメントに対し、この力に対する支点と作用点が近いため構造が簡易になる。又、ステータポールの両端が支持されるため、ステータポールの長さを長くすることも可能となる。 According to the present invention, the stator pole and the yoke are manufactured separately, and the stator pole is fixed by the holding plate and the hollow tube, so that the structural strength as a generator is provided at a position close to the magnetic gap. Can do. Therefore, since the fulcrum and the action point for this force are close to the moment generated by the magnetic movement, the structure is simplified. Further, since both ends of the stator pole are supported, the length of the stator pole can be increased.
図1は本実施例の発電機1を示している。発電機1は、アキシャルギャップ型の発電機であり、回転軸2には永久磁石を磁極としたロータ10が固定され、ロータ10を挟んで設けられた固定子20、30の間で回転する。回転軸2は、ベアリング43を介して回転可能に中空管41内に内装されている。回転軸2は中空であり、風車等の軸を直接挿入することができる。 FIG. 1 shows a generator 1 of this embodiment. The generator 1 is an axial gap generator, and a rotor 10 having a permanent magnet as a magnetic pole is fixed to the rotary shaft 2 and rotates between stators 20 and 30 provided with the rotor 10 interposed therebetween. The rotary shaft 2 is housed inside the hollow tube 41 so as to be rotatable via a bearing 43. The rotating shaft 2 is hollow, and a shaft such as a windmill can be directly inserted.
各固定子20、30は、回転軸2を中心に等角度間隔で配置された複数のステータポール50と、ステータポール50のロータ10側でステータポール50の一端50aを支持する非磁性の保持板21、31と、ステータポール50の他端50bにおいてステータポール50を支持するヨーク22、32とからなる。ヨーク22、32は、各ステータポール50の磁束を他のステータポール50へ短絡する。ヨーク22、32のステータポール50側には、後述する位置決め枠が設けられている。中空管41を支える支持体60、中空管42(図3参照)を支える支持体70、及び固定子20、30は基台80上に固定されており、各固定子20、30はさらに、連結継手90により連結されている。 Each of the stators 20 and 30 includes a plurality of stator poles 50 arranged at equiangular intervals around the rotating shaft 2, and a nonmagnetic holding plate that supports one end 50 a of the stator pole 50 on the rotor 10 side of the stator pole 50. 21 and 31, and yokes 22 and 32 that support the stator pole 50 at the other end 50 b of the stator pole 50. The yokes 22 and 32 short-circuit the magnetic flux of each stator pole 50 to the other stator poles 50. A positioning frame, which will be described later, is provided on the stator pole 50 side of the yokes 22 and 32. The support body 60 that supports the hollow tube 41, the support body 70 that supports the hollow tube 42 (see FIG. 3), and the stators 20 and 30 are fixed on a base 80. Are connected by a connecting joint 90.
以下、発電機1を組み立てていく過程を示して、構造を詳細に説明する。
図2は、ステータポール50の組立工程を示す図である。ステータコア51の回りに帯状の薄い軟磁性体52を多数回巻きつけてゆく。電磁鋼板は薄いほど鉄損が少なく、軟磁性体52として用いる電磁鋼板の厚さは薄い方が良い。尚、軟磁性体52の表面には、絶縁皮膜が施されている。薄い軟磁性体52を巻いてステータポール50を作製するので、打ち抜きの際に残る材料の無駄が省くことができる。
Hereinafter, the process of assembling the generator 1 will be shown and the structure will be described in detail.
FIG. 2 is a diagram illustrating an assembly process of the stator pole 50. A strip-shaped thin soft magnetic material 52 is wound around the stator core 51 many times. The thinner the electromagnetic steel sheet, the lower the iron loss, and the thinner the electromagnetic steel sheet used as the soft magnetic body 52, the better. An insulating film is applied to the surface of the soft magnetic body 52. Since the stator pole 50 is manufactured by winding the thin soft magnetic body 52, it is possible to eliminate the waste of the material remaining at the time of punching.
また、電磁鋼板には、無方向性電磁鋼板と方向性電磁鋼板があり、一般に方向性電磁鋼板は周波数特性及び鉄損に優れるので高効率、高性能の機器などの用途向き、無方向性電磁鋼板は回転機などの用途向きとして用いられる。本実施例においては、無方向性電磁鋼板よりも鉄損が少なく、透磁率の高い方向性電磁鋼板を、軟磁性体52として用いている。方向性電磁鋼板の磁化容易方向aは、軟磁性体52の長さ方向(ステータコア51に巻きつけていく方向)に垂直とする。ステータポール50が形成する磁気回路の方向と一致させる為である。 In addition, there are two types of magnetic steel sheets: non-oriented magnetic steel sheets and directional magnetic steel sheets. Generally oriented magnetic steel sheets are excellent in frequency characteristics and iron loss, so they are suitable for applications such as high-efficiency and high-performance equipment. Steel plates are used for applications such as rotating machines. In this embodiment, a directional electrical steel sheet having a lower magnetic loss than a non-oriented electrical steel sheet and having a high magnetic permeability is used as the soft magnetic body 52. The easy magnetization direction a of the grain-oriented electrical steel sheet is perpendicular to the length direction of the soft magnetic body 52 (the direction of winding around the stator core 51). This is because the direction of the magnetic circuit formed by the stator pole 50 is matched.
ステータコア51は、軟磁性体52の幅よりも若干長く、軟磁性体52を巻きつけたときに両側に端部51aが覗くようにする。一方、端部51aが収まる孔53aを有したフランジ53を、軟磁性体52をまきつけたステータコア51の両側から装着する。フランジ53としては、軟磁性鋼板を用いる。このようにして形成した鉄心のフランジ53間に、巻線54を巻きつける。このようにして、ステータポール50を作製する。フランジ53が、ステータポール50により形成される磁気回路の一端50a、他端50bとなる。 The stator core 51 is slightly longer than the width of the soft magnetic body 52 so that when the soft magnetic body 52 is wound, the end portions 51a can be seen on both sides. On the other hand, the flange 53 having the hole 53a in which the end portion 51a is fitted is mounted from both sides of the stator core 51 around which the soft magnetic body 52 is wound. As the flange 53, a soft magnetic steel plate is used. The winding 54 is wound between the flanges 53 of the iron core formed in this way. In this way, the stator pole 50 is manufactured. The flange 53 serves as one end 50 a and the other end 50 b of the magnetic circuit formed by the stator pole 50.
図3は、固定子20、30の組立てを示す図であり、図3Aは固定子20、図3Bは固定子30を示している。固定子20、30は、構成が殆ど同じであるが、固定子20は中空管41が支持体60まで延長されるために、やや固定子30側の中空管42よりも長いことが相違するのみである。保持板21、31は非磁性体のステンレス鋼板であり、中空管41、42が挿入固着される中央孔21a、31aと、そのまわりに等角度間隔にステータポール50のフランジ53が挿入固着される孔21b、31bが設けられている。孔21b、31bに挿入された一端50a側のフランジ53は、保持板21、31に溶接により固定されるとともに、磁極11a(図5)との間で磁気ギャップを形成する。一方、ヨーク22、32には、ステータポール50側に位置決め枠23、33が設けられている。この位置決め枠23,33にもヨーク22、32に連通する中央孔23a、33aを有し、中空管41、42が挿入される。中央孔23a、33aのまわりには、等角度間隔にステータポール50の他端50b側のフランジ53が挿入される孔23b、33bが設けられている。尚、作図の都合上、位置決め枠23の中央孔23a及び孔23bについては図面上現れていないが、位置決め枠33のものと同じものである。位置決め枠23、33は、非磁性でも磁性でも良くまた、金属でなくても良い。このように、永久磁石11との吸着力、反発力、回転力は、その作用点の直近(保持板21、31)の位置で支える。位置決め枠23、33は、ステータポール50の他端50b側のフランジ53を挿入し、ヨーク22、32と当接させて磁気結合させる。ステータポール50の他端50bと位置決め枠23、33との接続構造は、アキシャル方向(回転軸2の方向)の荷重を受け止めれば、自重および振動に耐えれるものであれば良い。 FIG. 3 is a view showing the assembly of the stators 20 and 30, FIG. 3A shows the stator 20, and FIG. 3B shows the stator 30. The stators 20 and 30 have almost the same configuration, but the stator 20 is slightly longer than the hollow tube 42 on the stator 30 side because the hollow tube 41 is extended to the support 60. Just do it. The holding plates 21 and 31 are non-magnetic stainless steel plates, and the central holes 21a and 31a into which the hollow tubes 41 and 42 are inserted and fixed, and the flanges 53 of the stator pole 50 are inserted and fixed at equal angular intervals therearound. Holes 21b and 31b are provided. The flange 53 on the one end 50a side inserted into the holes 21b and 31b is fixed to the holding plates 21 and 31 by welding, and forms a magnetic gap with the magnetic pole 11a (FIG. 5). On the other hand, the yokes 22 and 32 are provided with positioning frames 23 and 33 on the stator pole 50 side. The positioning frames 23 and 33 also have central holes 23a and 33a communicating with the yokes 22 and 32, and the hollow tubes 41 and 42 are inserted therein. Around the central holes 23a and 33a, holes 23b and 33b into which the flanges 53 on the other end 50b side of the stator pole 50 are inserted are provided at equal angular intervals. For convenience of drawing, the central hole 23a and the hole 23b of the positioning frame 23 are not shown in the drawing, but are the same as those of the positioning frame 33. The positioning frames 23 and 33 may be nonmagnetic or magnetic, and may not be metal. Thus, the attractive force, the repulsive force, and the rotational force with the permanent magnet 11 are supported at the position closest to the point of action (the holding plates 21 and 31). The positioning frames 23 and 33 are inserted into the flange 53 on the other end 50b side of the stator pole 50 and brought into contact with the yokes 22 and 32 for magnetic coupling. The connection structure between the other end 50b of the stator pole 50 and the positioning frames 23 and 33 may be any structure that can withstand its own weight and vibration as long as it receives a load in the axial direction (the direction of the rotating shaft 2).
ヨーク22、32は、円盤状の無方向性電磁鋼板(軟磁性材)を電気絶縁して複数積層したものである。無方向性電磁鋼板を用いるのは、ステータポール50と磁気的に結合してステータポール50からの磁束を導入する為である。ヨーク22、32は、帯状の無方向性電磁鋼板を多数回巻き取って円筒状に作製したものでも良い。
図4は、ロータ10の構成を示している。ロータ10は、2枚の非磁性材(アルミニウム)の円盤12、13を合わせたものであり(図4A)、永久磁石11として、円柱状のネオジム磁石14を用い、磁束密度を上げるために、その両側の磁極に継鉄15(軟磁性体)を磁気結合させる。継鉄15は、一方端面が他方端面よりも面積の大きく、一方端面から他方端面に向かって断面積を順次減少する円錐台を含んでいる。面積の大きい継鉄15の一方端面が永久磁石に磁気的に結合している(図4C)。円盤12、13には、永久磁石11を収容する孔11bが設けられており、継鉄15は小さい面積の他方端面を孔11bから円盤12、13の表面に露出する。露出した継鉄15の径は、ネオジム磁石14側の径よりも小さいため、これによりネオジム磁石14の磁極面の面積を縮小して磁束密度を増加する。
The yokes 22 and 32 are formed by stacking a plurality of disc-shaped non-oriented electrical steel sheets (soft magnetic materials) by electrical insulation. The non-oriented electrical steel sheet is used because the magnetic flux from the stator pole 50 is introduced by being magnetically coupled to the stator pole 50. The yokes 22 and 32 may be formed in a cylindrical shape by winding a strip of non-oriented electrical steel sheets many times.
FIG. 4 shows the configuration of the rotor 10. The rotor 10 is a combination of two nonmagnetic materials (aluminum) disks 12 and 13 (FIG. 4A). As the permanent magnet 11, a cylindrical neodymium magnet 14 is used to increase the magnetic flux density. A yoke 15 (soft magnetic material) is magnetically coupled to the magnetic poles on both sides. The yoke 15 includes a truncated cone in which one end surface has a larger area than the other end surface, and the cross-sectional area sequentially decreases from the one end surface toward the other end surface. One end face of the yoke 15 having a large area is magnetically coupled to the permanent magnet (FIG. 4C). The discs 12 and 13 are provided with holes 11 b for accommodating the permanent magnets 11, and the yoke 15 exposes the other end face of a small area from the holes 11 b to the surfaces of the discs 12 and 13. Since the diameter of the exposed yoke 15 is smaller than the diameter on the neodymium magnet 14 side, this reduces the area of the magnetic pole surface of the neodymium magnet 14 and increases the magnetic flux density.
図5は、固定子20が取り付けられた発電機1に対し、ロータ10を回転軸2に固定し、かつ固定子30を連結継手90により固定子20と連結する状態を示している。ロータ10は円盤であり、等角度間隔にN極とS極が交互に円盤面上に現れるように複数の永久磁石11の継鉄15による磁極11aが形成されている。本実施例においては、ステータポール18個に対して、磁極数は24個である。 FIG. 5 shows a state in which the rotor 10 is fixed to the rotating shaft 2 and the stator 30 is connected to the stator 20 by the connecting joint 90 with respect to the generator 1 to which the stator 20 is attached. The rotor 10 is a disk, and magnetic poles 11a are formed by yokes 15 of a plurality of permanent magnets 11 so that N poles and S poles appear alternately on the disk surface at equal angular intervals. In this embodiment, the number of magnetic poles is 24 for 18 stator poles.
図6は、発電機1の断面図である。ステータポール50の一端50a同士が向かい合い、その間にロータ10の永久磁石11が配置されて、その表裏の磁極11aとステータポール50の一端50aとの間で夫々磁気ギャップが形成されている。回転軸2は、中空管41、42の中に配置されたベアリング43、45を介して内装されており、中空管41、42は、ヨーク22、32と保持板21、31の中央孔に挿入されそれぞれ両者を連結している。回転軸2は、回転力をロータ10へ伝えられる。保持板21の直近に配置されたベアリング45は、回転によるロータ10に発生する振動を抑止する。回転軸2は中空であり、この中に風車の回転軸を挿入する。 FIG. 6 is a cross-sectional view of the generator 1. One end 50a of the stator pole 50 faces each other, and the permanent magnet 11 of the rotor 10 is disposed therebetween, and a magnetic gap is formed between the front and back magnetic poles 11a and one end 50a of the stator pole 50, respectively. The rotary shaft 2 is housed through bearings 43 and 45 disposed in the hollow tubes 41 and 42, and the hollow tubes 41 and 42 are formed in the central holes of the yokes 22 and 32 and the holding plates 21 and 31. The two are inserted into each of them. The rotating shaft 2 transmits a rotational force to the rotor 10. The bearing 45 disposed in the immediate vicinity of the holding plate 21 suppresses vibration generated in the rotor 10 due to rotation. The rotating shaft 2 is hollow, and the rotating shaft of the windmill is inserted therein.
図7は、固定子20を流れる磁極11aによる磁束を示している。同図において、ロータ10を挟んで、永久磁石11が、回転軸2の方向に対して平行に配置され、ロータ10の表裏面に双方の磁極11aが配置される。かつ、ロータ10の表面側に配置されるステータポール50(固定子20側)は、裏側に配置されるステータポール50(固定子30側)と一直線上に配置されている。本実施例においては、1つのステータポール50の磁束を他のステータポール50へ結合させる通路としてヨーク22、32を用いている。すなわち、磁極11aとステータポール50は相対的に回転状態にあるとは言え、磁極11aから発せられステータポール50を経てヨーク22に至った磁束の総和は各ヨークにおいてほぼゼロとなり、その結果、ヨーク22から漏れ出す磁束は殆ど無い状態となる。裏返せば、磁極11aから発した磁束は、アキシャルギャップや一部の電気絶縁のためのギャップを除き、その全行程をステータポール50、ヨーク22による軟磁性体を通過する磁気回路を流れることになる。 FIG. 7 shows the magnetic flux due to the magnetic pole 11 a flowing through the stator 20. In the figure, a permanent magnet 11 is arranged in parallel to the direction of the rotating shaft 2 with the rotor 10 interposed therebetween, and both magnetic poles 11 a are arranged on the front and back surfaces of the rotor 10. And the stator pole 50 (stator 20 side) arrange | positioned at the surface side of the rotor 10 is arrange | positioned in a straight line with the stator pole 50 (stator 30 side) arrange | positioned at a back side. In this embodiment, the yokes 22 and 32 are used as passages for coupling the magnetic flux of one stator pole 50 to another stator pole 50. That is, although the magnetic pole 11a and the stator pole 50 are in a relatively rotating state, the total magnetic flux emitted from the magnetic pole 11a and reaching the yoke 22 through the stator pole 50 becomes substantially zero in each yoke. There will be almost no magnetic flux leaking out of 22. In other words, the magnetic flux generated from the magnetic pole 11a flows through the magnetic circuit passing through the soft magnetic body by the stator pole 50 and the yoke 22 through the entire process except the axial gap and a part of the gap for electrical insulation. .
固定子30側でも裏側の磁極11aとの間で同様な磁気回路が形成されている。このため、永久磁石11の表裏双方の磁極を用いた発電ができる。もし、発電機1の長さを短くしなければならないのならば、固定子30側を削除して、その代わりにロータ10の裏側の磁極11aを短絡する軟磁性体を設ければ良い。このように本実施例においては、磁束を発生した磁極にその磁束を返すための帰還ループを構成する軟磁性体を有していないため、発電機1の直径が小さくなる。また、電圧を増やすためにコイルの巻き数を増やすには、単にステータポール50の長さを長くすればよいだけであり、ステータポール50を長くし分だけ、発電機の長さが伸びるだけである。また、ステータポール50(固定子20側)と、裏側に配置されるステータポール50(固定子30側)とは、一直線上であるため、同相の電圧が発生し、これらの巻線を直列に結線することにより、1つのステータとして大きな電圧が得られる。 A similar magnetic circuit is formed on the stator 30 side with the magnetic pole 11a on the back side. For this reason, power generation using both the front and back magnetic poles of the permanent magnet 11 can be performed. If the length of the generator 1 must be shortened, the stator 30 side may be deleted, and a soft magnetic material that short-circuits the magnetic pole 11a on the back side of the rotor 10 may be provided instead. As described above, in this embodiment, since the magnetic pole that generated the magnetic flux does not have a soft magnetic material that forms a feedback loop for returning the magnetic flux, the diameter of the generator 1 is reduced. Further, in order to increase the number of turns of the coil in order to increase the voltage, it is only necessary to increase the length of the stator pole 50, and the length of the generator is increased only by increasing the length of the stator pole 50. is there. Further, since the stator pole 50 (stator 20 side) and the stator pole 50 (stator 30 side) arranged on the back side are in a straight line, in-phase voltage is generated, and these windings are connected in series. By connecting, a large voltage can be obtained as one stator.
発電機1は、回転数の低い風力発電に用いる場合、回転数が低いのでこれにより発生する、交番磁界の周期も長い。従って、フランジ及び保持板21、31で発生する渦電流は大きくならず、この箇所での鉄損は少ない。さらに、材質がステンレス等の非磁性材料は、電気抵抗値が銅の約100倍程度と大きいため、渦電流の影響は少ない。保持板21、31については、強化樹脂等の非磁性材料の板を利用することも可能である。
一方、磁気回路の大部分の長さを占めるステータポール50やヨーク22、32においては、電磁鋼板は絶縁された状態で重なっているので、鉄損は少ない。
When the generator 1 is used for wind power generation with a low rotational speed, the rotational speed is low and the period of the alternating magnetic field generated thereby is also long. Therefore, the eddy current generated in the flange and the holding plates 21 and 31 does not increase, and the iron loss at this point is small. Furthermore, non-magnetic materials such as stainless steel are less affected by eddy currents because their electrical resistance is about 100 times that of copper. As the holding plates 21 and 31, a plate made of a nonmagnetic material such as a reinforced resin can be used.
On the other hand, in the stator pole 50 and the yokes 22 and 32 that occupy most of the length of the magnetic circuit, the electromagnetic steel sheets overlap with each other in an insulated state, so that the iron loss is small.
また、ロータ10が回転するとステータポール50は、周方向への振動する力を受けるが、これを保持板21、31が当該振動の発生する地点で支えることになる。 Further, when the rotor 10 rotates, the stator pole 50 receives a force that vibrates in the circumferential direction, and this is supported by the holding plates 21 and 31 where the vibration occurs.
ヨーク22、32は、ステータポール50の他端50b側のフランジ53の外面と接触している。ヨーク22、32及びステータポール50は、構造材ではないので、位置決め枠23、33はステータポール50に対してヨーク22、32をずれないように押さえておく機構があればよい。 The yokes 22 and 32 are in contact with the outer surface of the flange 53 on the other end 50 b side of the stator pole 50. Since the yokes 22 and 32 and the stator pole 50 are not structural materials, the positioning frames 23 and 33 may have a mechanism for holding the yokes 22 and 32 against the stator pole 50 so as not to be displaced.
発電機1の動作において、磁極11aから発せられた磁束は、磁気ギャップを介して、フランジ53に至る。一端50a側のフランジ53に至った磁力線は、軟磁性体の磁化容易方向に沿って他端50b側のフランジ53へ到達し、ここからヨーク22或いは32へ移る。そして、再び、他のステータポール50に至ってから他の磁極11aへ戻るのである。 In the operation of the generator 1, the magnetic flux generated from the magnetic pole 11 a reaches the flange 53 through the magnetic gap. The lines of magnetic force reaching the flange 53 on the one end 50a side reach the flange 53 on the other end 50b side along the direction of easy magnetization of the soft magnetic material, and move from here to the yoke 22 or 32. Then, after reaching the other stator pole 50 again, it returns to the other magnetic pole 11a.
上記実施例においては、製造上の都合からステータコア51を用いたが、これを用いなくとも良い。例えば、軟磁性体をステータコア51なしで巻き取ってステータポールを作製してもよい。また、特許文献2のように、予め作っておいた巻線にステータポールを挿入して、フランジ53を付けても良い。 In the above embodiment, the stator core 51 is used for manufacturing convenience, but this need not be used. For example, a stator pole may be produced by winding a soft magnetic material without the stator core 51. Further, as in Patent Document 2, a flange 53 may be attached by inserting a stator pole into a winding made in advance.
また、非磁性の保持板21、31には貫通した孔21b、31bは無くても良い。この場合、磁気ギャップの間隔が広がるが、保持板21,31の強度は強化される。また、保持板21,31に対して溶接での固定を行ったが、フランジを保持板へボルトにより固定しても良い。 The nonmagnetic holding plates 21 and 31 may not have the through holes 21b and 31b. In this case, although the gap of the magnetic gap is widened, the strength of the holding plates 21 and 31 is enhanced. Further, although the holding plates 21 and 31 are fixed by welding, the flange may be fixed to the holding plate by bolts.
本実施例では、ステータポール50を18極のものを示したが、より多くの極数としてもよい。一方、永久磁石11の極数は、コギングを少なくするように、正対をできるだけ少なくするようにする。また、中空管42は、回転軸2を内挿されないのならば、中空でなくても良い。 In the present embodiment, the stator pole 50 having 18 poles is shown, but a larger number of poles may be used. On the other hand, the number of poles of the permanent magnet 11 is set so that the number of facings is as small as possible so as to reduce cogging. The hollow tube 42 may not be hollow as long as the rotary shaft 2 is not inserted.
固定子20、30のステータポール50は一線上に配置されており、同期した電圧が流れるので、これを直列に結線すれば2倍の電圧を得ることができる。 Since the stator poles 50 of the stators 20 and 30 are arranged on one line and a synchronized voltage flows, a double voltage can be obtained by connecting them in series.
本実施例による発電機1は、磁極11aを配したロータ10に対して、固定子20、30が円周方向に放射状に配することは無く、回転軸方向に平行に配されるため、横断面が少なく、風車などの回転軸に対して直結乃至夫々の軸平行に配置した場合に、風圧を受けることが少ない。 In the generator 1 according to this embodiment, the stators 20 and 30 are not radially arranged in the circumferential direction with respect to the rotor 10 provided with the magnetic pole 11a, and are arranged in parallel to the rotation axis direction. When there are few surfaces and it is directly connected to or parallel to the axis of rotation of a windmill or the like, it is less likely to receive wind pressure.
1 発電機
2 回転軸
10 ロータ
11 永久磁石
20、30 固定子
21、31 保持板
22、32 ヨーク
41、42 中空管
50 ステータポール
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Generator 2 Rotating shaft 10 Rotor 11 Permanent magnet 20, 30 Stator 21, 31 Holding plate 22, 32 Yoke 41, 42 Hollow tube 50 Stator pole
Claims (7)
軟磁性体鉄心に巻線を施した多数のステータポールと、
前記回転軸中心に対して、前記ステータポールの磁気回路の一端を前記ロータの磁極に向けて前記ステータポールを固定して、磁極との間に磁気ギャップを形成した非磁性の保持板と、
前記複数のステータポールの他端が当接して、前記複数のステータポール相互を磁気に結合するヨークと、
ベアリング軸受けを介して前記回転軸を内装し、前記保持板とヨークとを外装して連結する中空管とを有することを特徴とした発電機。
A rotor in which the magnetic poles of a plurality of permanent magnets are alternately arranged in the rotation axis direction in the direction of the rotation axis;
A number of stator poles wound on a soft magnetic iron core;
A non-magnetic holding plate in which one end of a magnetic circuit of the stator pole is directed toward the magnetic pole of the rotor with respect to the rotation axis center, and a magnetic gap is formed between the magnetic pole and the magnetic pole.
A yoke that abuts the other ends of the plurality of stator poles and magnetically couples the plurality of stator poles;
A generator comprising: a rotary tube that includes a rotary shaft that includes a bearing shaft and that connects and holds the holding plate and a yoke.
2. The generator according to claim 1, wherein the plurality of stator poles are stator poles each having a winding wound on an iron core wound with a strip-shaped electromagnetic steel sheet.
The generator according to claim 1, wherein the strip-shaped electromagnetic steel plate of the stator pole is a directional magnetic steel plate, and an easy magnetization axis is made to coincide with a direction of a magnetic circuit of the stator pole.
前記ステータポールを固定した前記非磁性の保持板は、前記ロータの表裏面側に対して、夫々設けられ、
前記ヨークは、前記ロータの表裏面側に夫々設けられた前記非磁性の保持板の前記複数のステータポールの他端に対して夫々配置され、夫々が前記複数のステータポールに当接して前記複数のステータポール相互を磁気に結合することを特徴とした請求項1の発電機。
The magnetic poles of each permanent magnet of the rotor are arranged on the front and back of the rotor,
The non-magnetic holding plate to which the stator pole is fixed is provided for each of the front and back surfaces of the rotor,
The yokes are respectively arranged with respect to the other ends of the plurality of stator poles of the non-magnetic holding plates provided on the front and back surfaces of the rotor, and each of the yokes abuts the plurality of stator poles. 2. The generator according to claim 1, wherein the stator poles are coupled to each other magnetically.
5. The stator pole on the front side of the rotor and the stator pole on the back side of the rotor are arranged in a straight line, and the windings of the stator pole arranged on the straight line are connected in series. Generator.
2. The generator according to claim 1, wherein the rotating shaft is hollow.
A soft magnetic yoke having a shape between one end face and the other end face parallel to the one end face and having a cross-sectional area parallel to these end faces that gradually decreases from one end face to the other end face. 2. The generator according to claim 1, wherein the one end face is magnetically coupled to the permanent magnet, and the other end face is the magnetic pole disposed on the rotor.
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