JP6335278B2 - 同期発電機の磁極積層体 - Google Patents

Description

本発明は、同期発電機の磁極積層体および同期発電機に関する。

DE 197 29 034 A1は、風力発電装置用の同期発電機を開示する。同期発電機は、発電機ステータおよび可動な発電機アーマチュアまたは発電機ロータを有する。複数の磁極積層体は、発電機アーマチュア上に設けられる。磁極積層体は、互いに対して角度をもって配置された縁部を備える磁極ヘッドを有する。磁極ヘッドは、平面視で矢印状の構成である。

DE 199 23 925 A1は、発電機ステータおよび可動な発電機アーマチュアまたは発電機ロータを有する。磁極積層体の複数の磁極は発電機ロータ上に設けられ、磁極ヘッドは矢印状の構成である。

DE 11 2007 000 219 T5は、同期モータのロータの磁極積層体を開示する。磁極積層体は、平面視で矢印状または斜めの構成を有する。換言すると、前縁部はその走行方向にまたは磁極積層体の走行方向に斜めに配置されている。前縁部の磁極軸部からの間隔は、それゆえ一定ではない。

GB 2 389 241は、同期モータのロータの磁極積層体を開示し、複数の磁極は同期モータの発電機アーマチュア上に設けられている。磁極積層体の磁極ヘッド部分は平面視で矢印状の構成である。

先に発行された独国出願について、独国特許商標庁は、次の文献を調査した：DE 199 23 925 A1、US 4,616,151、 DE 10 2009 019 555 A1、およびDE 32 45 033 C2。

DE 197 29 034 A1 DE 199 23 925 A1 DE 11 2007 000 219 T5 GB 2 389 241 DE 199 23 925 A1 US 4,616,151 DE 10 2009 019 555 A1 DE 32 45 033 C2

本発明の目的は、同期発電機におけるノイズの放射を削減可能な同期発電機を提供することである。

この課題は、下記の特徴を有する同期発電機の磁極積層体によって達成される。
（第１の視点）
互いにオフセットされる複数の磁極積層体積層片と、
磁極軸部と、
少なくとも３つの磁極ヘッド部分を備える磁極ヘッドと、を有し、
前記少なくとも３つの磁極ヘッド部分のそれぞれの前縁部が、前記磁極軸部の上端面に対して角度をもって配置される、ことを特徴とする同期発電機のロータ磁極積層体。
（第２の視点）
第１の視点に記載の同期発電機のロータ磁極積層体を複数有する同期発電機。
（第３の視点）
第１の視点に記載の同期発電機のロータ磁極積層体を複数備える同期発電機を有する風力発電装置。
なお、特許請求の範囲に付記した図面参照符号は専ら理解を助けるためのものであり、図示の態様に限定することを意図するものではない。

本発明において、以下の形態が可能である。
（形態１）第１の視点のとおり。
（形態２）本発明の一視点において、前記磁極ヘッドは４つの磁極ヘッド部分を備えることが好ましい。
（形態３）本発明の一視点において、前記４つの磁極ヘッド部分の前縁部は同じ長さであることが好ましい。
（形態４）本発明の一視点において、前記４つの磁極ヘッド部分のうち第１および第４磁極ヘッド部分の前縁部の長さは同一であり、かつ前記４つの磁極ヘッド部分のうち第２および第３磁極ヘッド部分の前縁部の長さは同一であり、前記第１および第４磁極ヘッド部分の前縁部の長さと、前記第２および第３磁極ヘッド部分の前縁部の長さとは同一ではない、ことが好ましい。
（形態５）本発明の一視点において、前記磁極ヘッド部分は、特に前記磁極軸部と平行である、溝を有することが好ましい。
（形態６）第２の視点のとおり。
（形態７）第３の視点のとおり。
したがって、互いにオフセットされた複数の磁極積層体積層片、磁極軸部、および少なくとも３つの磁極ヘッド部分を備える磁極ヘッドを有する同期発電機のロータ磁極積層体が提供される。少なくとも３つの磁極ヘッド部分のそれぞれの前縁部は、磁極軸部に対して角度をもって配置される。

本発明の一視点によれば、磁極ヘッドは４つの磁極ヘッド部分を備える。

本発明の他の視点によれば、４つの磁極ヘッド部分の前縁部の長さは等しい。

本発明の他の視点によれば、４つの磁極ヘッド部分のうち第１および第４磁極ヘッド部分の前縁部の長さは同一であり、かつ４つの磁極ヘッド部分のうち第２および第３磁極ヘッド部分の前縁部の長さは同一である。第１および第４磁極ヘッド部分の前縁部の長さと、第２および第３磁極ヘッド部分の前縁部の長さとは同一ではない。

本発明は同様に、複数の同期発電機のロータ磁極積層体を有する同期発電機に関する。

さらに、本発明は、本発明による複数の同期発電機のロータ磁極積層体を備える同期発電機を有する風力発電装置に関する。

本発明の他の視点によれば、磁極ヘッドは、磁極軸部と平行である溝を有する。

本発明は、同期発電機ロータ用の磁極ヘッドを備える磁極積層体を提供する概念に関し、磁極ヘッド部分は、もはやＶ字状または矢印状で提供されず、むしろ、例えば、二重Ｖ字状または長さが異なる（脚）部分を備える二重Ｖ字状のように提供される。

さらなる別の視点（複数）は、従属項の主題である。

本発明の有利で例示的な実施例を、図面を参照しながら下記でさらに詳細に説明する。

本発明による風力発電装置の模式図である。 同期発電機の断面図を模式的に示す。 （Ａ）〜（Ｅ）はそれぞれ、本発明による同期発電機の磁極積層体の平面図において、ロータの径方向外側を部分的に模式的に示す。

図１は、本発明による風力発電装置の模式図である。風力発電装置100は、タワー102を有する。ナセル104には、三枚のロータレードを備えたロータ106とスピナ110が設けられている。運転時、ロータ106は、風力によって回転運動するよう設定され、これによって電気発電機200は、ナセル104の内部で駆動される。電気発電機200は、静止された発電機ステータと回転する発電機ロータを有する。ロータ106は、直接または間接的（ギヤ機構を介して）に発電機ロータに接続される。

ロータブレード108のアタックまたはピッチ角度は、各ロータブレード108のロータブレード根元にあるピッチモータによって可変にすることができる。

図２は、同期発電機の断面図を模式的に示す。図２は、発電機200の詳細を示す。発電機は、発電機ステータ300と発電機アーマチュアないし発電機ロータ（回転子）400を有する。ステータ巻線500を受ける複数の溝310が、発電機ステータ300に設けられている。発電機アーマチュアないし発電機ロータ400は、複数の磁極片405を有する。磁極片405は、シャフト部410および磁極ヘッド420を有する。磁極片405は、例えば片（Blech）状の通常複数の磁極積層体部分（磁極パック積層体積層片Polpakatbleche）から構成される。

図３（Ａ）〜（Ｅ）はそれぞれ、本発明による同期発電機、特に同期発電機のロータの磁極積層体（Polpaket）の平面図において、ロータの径方向外側を部分的に模式的に示す。図３（Ａ）は、シャフト部（磁極軸部）410および磁極ヘッド420を備えた磁極積層体または磁極片の模式的な平面図を示す。磁極ヘッド420は、互いに対して斜めに配置された２つの前縁部421を有する。前縁部421は、シャフト部410に対して第１角度を有する。さらに、磁極ヘッドは、溝422を任意に備える。溝422は直線であり、任意にシャフト部410に対して平行に配置されてもよい。

図３（Ａ）は一実施形態を示し、磁極ヘッドが矢印状（逆Ｖ字状ないし切妻尾根状）の形状を有し、加えて溝を有している。このようにして、発電機のスポット周波数（Rastfrequenz）を増大させることができる。

同期発電機のロータの磁極積層体は、複数の磁極積層体部分（セグメント）から構成され、磁極ヘッド420の複数の積層体の深さは等しく、その結果、後縁部（複数）421aは同様に斜めに移行している。磁極ヘッド420のセグメントは、隣接するセグメントに対してオフセットして配置されている一方、シャフト部（磁極軸部）のセグメントは互いにオフセットして配置されていない。

任意に、溝422はシャフト部410に対して実質的に平行に設けることができる。

図３（Ｂ）は、二重矢印状ないし二重逆Ｖ字状の形状を有する磁極ヘッドを示す。二重矢印状の形状によって、溝通路中の磁路（ないし磁力線経路、Magnetkraftanleitung）を変化させることが可能となる。任意に、さらに溝422を設けてもよく、それによって溝通路中の磁路を変化させること、およびスポット周波数（Rastfrequenz、コギング周波数に関する）を増加させることができる。

図３（Ｂ）は、シャフト部410と４つの磁極積層体部分423a〜423bを備えた磁極積層体を示し、第１および第３磁極積層体部分423aと第２および第４磁極積層体部分423bとは、実質的に等価な構成を有し、シャフト部に対して等しい角度を有している。図３（Ａ）の実施形態のように、各場合の磁極積層体部分は同じ（凹凸）深さを有し、それによって磁極積層体部分の４つの前縁部の構成は、４つの後縁部の構成に対応（整合）する。図３（Ｂ）は、したがって磁極ヘッド420の二重（逆）Ｖ字状または二重矢印状の形状を示す。

図３（Ｃ）は、第１〜第４磁極積層体部分424a〜424dを有する磁極積層体を示す。図３（Ｂ）によれば第１および第２磁極積層体部分423a,423bは同じ長さを有するのに対して、図３（Ｃ）では第１および第２磁極積層体部分424a,424bが異なる長さを有する。さらに、第３磁極積層体部424cの長さは、第２磁極積層体部分424bの長さに対応する（等しい）。第４磁極積層体部分424dの長さは、第１磁極積層体部分424aの長さに対応する。

図３（Ｃ）は、異なる脚部長さの二重（逆）Ｖ字形状を示す。このように、溝通路方向中で磁路（磁力線経路）を変化させること、およびスポット周波数（Rastfrequenz）を変化させることが可能となる。

任意に、溝422は、シャフト部410と平行に設けることができる。

図３（Ｄ）は、４つの磁極積層体部分425a〜425dを有する磁極積層体を示す。図３（Ｄ）による磁極積層体の構成は、図３（Ｃ）の磁極積層体の構成に対して鏡面対称である。

図３（Ｄ）は、図３（Ｃ）の磁極積層体が180度回転した様子を示す。任意に、磁極ヘッドは溝を備えることができる。図３（Ｄ）から図３（Ｃ）の磁極ヘッド構成によれば、溝通路中の磁力線およびスポット周波数を変化させて形成することができる。

図３（Ｅ）は、ステップ状の磁極ヘッドを示す。このように、ステップ数の関数に依存してスポット周波数の制御をすることができる。したがって、図３（Ｅ）は、３つのセグメント426a,426b,426cから構成される磁極積層体を示している。第１および第３部分426a,426cは、互いに対応する。ステップは、各例で第１および第２部分の間と第２部分と第３部分の間に設けられる。

本発明による磁極積層体を用いることによって、同期発電機も、特に同期発電機のロータは、大きな軸方向幅を有するように構成することができる。単に１つのチップよりも２つのチップを備えた磁極積層体の存在によって、磁極積層体の前縁部（凸部山）は、単に１つのチップの場合よりも勾配（Steigungかくてピッチ、424b,425bの勾配と421の勾配を対照）を増大させることができる。例えば磁極ヘッドの溝422の存在によって、ポジティブな効果が改善される。本発明によれば、同期発電機のコギングトルクが結果として改善することができる。図３（Ａ）、３（Ｂ）、３（Ｃ）および３（Ｄ）の実施形態によれば、力の誘導路（磁力ガイドないし磁路Kraftanleitung）が２点に分散（ないし分配）される。

本発明による同期モータは、風力発電装置用の同期発電機である。同期発電機は、低速回転するリング状発電機である。同期発電機の最大出力は、少なくとも１ＭＷである。同期発電機の直径は、少なくとも４ｍである。同期発電機は、好ましくは他励同期発電機として構成される。同期発電機は、内部ロータ構造である（すなわち発電機のロータは、内側にあり、少なくとも部分的にステータによって囲まれている）。

100 風力発電装置
102 タワー
104 ナセル
106 ロータ
108 ロータブレード
110 スピナ
200 発電機
300 発電機ステータ
310 溝
400 発電機ロータ
405 磁極片
410 シャフト部、磁極軸部
420 磁極ヘッド
421 前縁部
422 溝
421a 後縁部
423a 第１および第３磁極積層体部分（ヘッド部分、ヘッド部の前縁部）
423b 第２および第４磁極積層体部分（ヘッド部分、ヘッド部の前縁部）
424a〜424d 第１〜第４磁極積層体部分（ヘッド部分、ヘッド部の前縁部）
425a〜425d ４つの磁極積層体部分（ヘッド部分、ヘッド部の前縁部）
426a, 426b,426c 第１〜第３部分（ヘッド部分、ヘッド部の前縁部）
500 ステータ巻線

Claims (8)

1. 互いにオフセットされる複数の磁極積層体積層片と、
   磁極軸部と、
   少なくとも３つの磁極ヘッド部分を備える磁極ヘッドと、を有し、
   前記少なくとも３つの磁極ヘッド部分のそれぞれの前縁部が、前記磁極軸部の上端面に対して角度をもって配置される、
   ことを特徴とする同期発電機のロータ磁極積層体。
2. 前記磁極ヘッドは４つの磁極ヘッド部分を備えることを特徴とする請求項１記載の同期発電機のロータ磁極積層体。
3. 前記４つの磁極ヘッド部分の前縁部は同じ長さであることを特徴とする請求項２記載の同期発電機のロータ磁極積層体。
4. 前記４つの磁極ヘッド部分のうち第１および第４磁極ヘッド部分の前縁部の長さは同一であり、かつ
   前記４つの磁極ヘッド部分のうち第２および第３磁極ヘッド部分の前縁部の長さは同一であり、
   前記第１および第４磁極ヘッド部分の前縁部の長さと、前記第２および第３磁極ヘッド部分の前縁部の長さとは同一ではない、
   ことを特徴とする請求項２記載の同期発電機のロータ磁極積層体。
5. 前記磁極ヘッド部分は、溝を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の同期発電機のロータ磁極積層体。
6. 前記溝は、前記磁極軸部と平行である、ことを特徴とする請求項５記載の同期発電機のロータ磁極積層体。
7. 請求項１〜６のいずれか一に記載の同期発電機のロータ磁極積層体を複数有する同期発電機。
8. 請求項１〜６のいずれか一に記載の同期発電機のロータ磁極積層体を複数備える同期発電機を有する風力発電装置。

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