专利名称：旋转电机及风力发电系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及旋转电机及风力发电系统。
背景技术：
风力发电的输入量近年来飞跃增加，以通过增加单机容量来提高经济性为目的，对1MW以上的大容量永磁电机的需求不断增长。在特开2001-069735号公报中，记载了一种旋转电机，其具有铁芯上设置有电枢绕组的定子、和铁芯上设置有永久磁铁的转子而构成，定子和转子之间产生的全转矩，通过合成磁阻转矩、以及由电枢绕组的电流和永久磁铁的交链磁通的作用所产生的转矩形成，并且电枢绕组以磁极节距的40％～80％作为绕组节距来在定子铁芯上卷绕。
特开2001-069735号公报作为大容量旋转电机，在使用永磁电机时，为了实现旋转电机的大型化，重视感应电动势波形，并采用分布卷绕。
但是存在的问题是在极数和绕组数的无数组合中，有的组合的感应电动势波形失真。作为降低齿槽转矩的对策，有选定极数和槽数的组合的方法，但是存在的问题是即使采用同样的方法，感应电动势波形还是会失真。
发明内容
本发明的目的是降低旋转电机及风力发电系统中感应电动势波形的失真率。
本发明的一个特征是，旋转电机具有卷绕线圈的定子和被可旋转地支持的转子，转子和定子之间有间隙，转子具有永久磁铁，用所述转子相邻的最外径磁极中心间的距离Tr除极靴的宽度Tp得到的极宽率Pw，满足Pw≤0.6、0.67≤Pw≤0.71、0.78≤Pw中的任意一种关系。
另外，本发明的另一特征是，具有卷绕线圈的定子和被可旋转地支持的转子，转子和定子之间有间隙，转子具有永久磁铁以及位于永久磁铁的外圆周侧上的由磁性体组成的极靴，极靴的外圆周侧具有近似圆弧形状的部分，转子的最外圆周部的半径R1比极靴的近似圆弧形状的部分的半径R2大。
本发明的其他的特征，通过本说明书的具体实施方式
部分进行说明。
根据本发明的旋转电机及风力发电系统，可以使感应电动势波形的失真率减小。
图1是表示本发明的旋转电机的实施例的说明图。(第一实施例)图2是表示本发明的旋转电机的实施例的说明图。(第二实施例)图3是表示本发明的旋转电机的实施例的说明图。(第三实施例)图4是表示本发明的实施例的效果的说明图。(第一实施例)图5是表示本发明的实施例的效果的说明图。(第二实施例)图6是表示本发明的实施例的效果的说明图。(第三实施例)图7是表示本发明的旋转电机的实施例的补充说明图。(第一实施例)图8是表示本发明的实施例的效果的说明图。(第一实施例)图9是表示本发明的旋转电机的实施例的说明图。(第一实施例)图10是表示本发明的旋转电机的实施例的补充说明图。(第一实施例)图11是表示本发明的实施例的效果的说明图。(第一实施例)图12是表示本发明的旋转电机的实施例的说明图。(第四实施例)图中1-定子，2-转子，3-永久磁铁，4-极靴，5-转子铁芯，6-轴，7-极间保持构件，8-上线圈，9-下线圈，10-线圈，12-定子齿，13-槽。
具体实施例方式
下面，使用
本发明的实施方式。对各图中相同的部分，赋以相同的编号。
1MW以上的大容量永磁旋转电机，根据其容量进行实际负荷试验十分困难，一般考虑今后根据规格进行试验来商业交易。在其试验项目中，必然会加入对波形失真率或者波形失常率之类的高次谐波电压进行规约的项目，1MW以上的大容量永磁旋转电机，最适合用于风力发电。
图1是本发明的第一实施例的6极54槽永磁旋转电机的旋转电机端部截面图。该电机，适合作为数MW级的风力发电用发电机，允许1000～2000rpm的转速。定子1，为在定子齿12上分布式卷绕线圈10的分布式卷绕定子。线圈10被配置为构成UVW三相绕组并用54个槽电气形成6个极。另外，线圈10被配置为在定子齿12之间的定子槽13内形成上线圈8、下线圈9。在第一实施例中，线圈10被以称作分布式卷绕的方式卷绕，它在圆周方向上形成连续3相绕组。在定子1的中心，转动自如地配置转子2。转子2中，永久磁铁3被转子铁芯5和极靴4夹持配置。另外，转子铁芯5与轴6连接。另外，在磁极间配置使永久磁铁3在圆周方向上无法移动的极间保持构件7。极间保持构件7，优选使用铝或铜之类的非磁性体。
图2是本发明的第二实施例的6极63槽永磁旋转电机的旋转电机端部截面图。和第一实施例同样，在定子21上以称作分布式卷绕的方式卷绕线圈10，它在圆周方向上形成连续3相绕组。在定子1的中心，转动自如地配置转子2。在转子2中，永久磁铁3被转子铁芯5和极靴4夹持配置。另外，转子铁芯5与轴6连接。另外，在磁极间配置使永久磁铁3在圆周方向上无法移动的极间保持构件7。极间保持构件7，优选使用铝或铜之类的非磁性体。
图3是本发明的第三实施例的6极45槽永磁旋转电机的旋转电机端部截面图。和第一实施例同样，在定子31上以称作分布式卷绕的方式卷绕线圈10，它在圆周方向上形成连续3相绕组。在定子1的中心，转动自如地配置转子2。在转子2中，永久磁铁3被转子铁芯5和极靴4夹持配置。另外，转子铁芯5与轴6连接。另外，在磁极间配置使永久磁铁3在圆周方向上无法移动的极间保持构件7。极间保持构件7，优选使用铝或铜之类的非磁性体。
图4表示第一实施例的感应电动势波形的高次谐波分析结果。从该图可知，在令基波即次数为一次的高次谐波为100的情况下，17次、19次的含有率较高。为了减低波形失真率，需要使基波以外的次数的含有率接近0。
图5表示第二实施例的感应电动势波形的高次谐波分析结果，图6表示第三实施例的感应电动势波形的高次谐波分析结果。如第二、第三实施例所示，通过选择槽数可以降低高次谐波含有率。若进行一般化，意味选择的是(1)式表示的用极数P和相数N除槽数Ns得到的每极每相槽数Nspp，不能被整除。
Nspp=NsP·N---(1)]]>在第二实施例的情况下，因为Ns＝63、N＝3、P＝6，所以Nspp＝3.5。另外，在第三实施例的情况下，因为Ns＝45、N＝3、P＝6，所以Nspp＝2.5。从分析的结果可知，若将Nspp选择为非整数的数，则可使波形失真率变小，而特别像此次的第二、第三实施例那样将Nspp设为3.5、2.5时，降低失真率的效果更高。另外，通过适当选择第一实施例的转子2的极靴4的宽度，也可以减低感应电动势的波形失真率。图7表示第一实施例的补充说明图。
从旋转中心O引出的辅助线71、72，引出为贯穿转子2的最外径磁极中心73，设其间的圆弧为Tr。设其与极靴4的宽度Tp的关系如(2)式所示，为极宽率Pw。
Pw＝Tp/Tr ……(2)图8是表示上述极宽率Pw和感应电动势失真率的关系的图。曲线81根据极宽率变化。因为波形失真率根据JEC规格要求小于等于10％，所以优选在波形失真率小于等于10％的范围内，即基本上极宽率Pw≤0.6、0.67≤Pw≤0.71、0.78≤Pw的某个范围内选择极靴4的宽度Tp。另外，从图8可知，若令Tp处于上述范围，可以显著发挥降低失真的效果。另外，如图9所示，可以在极靴4上设置阻尼杆91，使极靴4的宽度Tp成为图8所示的宽度。
图10是第一实施例中的极靴4的曲率的补充说明图。转子2具有半径R1的最外圆周部91，而通过将极靴4的外圆周部的圆弧R2取得比R1小，可以减低感应电动势的失真率。
图11是表示极靴4的外圆周部的圆弧R2和转子2的半径R1相除的结果与波形失真率的关系的图。曲线111，表示随R2/R1减少，波形失真率降低。因为如上述规格所述，要求波形失真率要小于等于10％，所以优选令R2/R1小于等于约0.9。
图12表示在风力发电系统中使用本发明的旋转电机的例子。第一实施例到第三实施例所示的旋转电机121，通过加速齿轮123与风车124连接，设置在风车舱122内。再有，旋转电机121通过电力变换器125，与电力系统126连接，可以进行发电运行。另外，风车122和旋转电机121也可以直接连接。此外，虽然在本实施例中，以风力作为动力源，但是，例如水车、内燃机、涡轮机等也完全适用。另外，本实施例也可以应用于电动机。
权利要求
1.一种旋转电机，其特征在于，具有卷绕线圈的定子和被可旋转地支持的转子，所述转子和所述定子之间有间隙，所述转子具有永久磁铁，用所述转子相邻的最外径磁极中心间的距离Tr除极靴的宽度Tp得到的极宽率Pw，满足Pw≤0.6、0.67≤Pw≤0.71、0.78≤Pw中的任意一种关系。
2.根据权利要求1所述的旋转电机，其特征在于，若设所述定子的槽数为Ns，设所述定子的线圈的相数为N，设所述定子的极数为P，则取Ns为不能被P和N整除的数。
3.根据权利要求2所述的旋转电机，其特征在于，Ns/(P·N)为2.5或3.5。
4.根据权利要求1所述的旋转电机，其特征在于，所述线圈通过分布式卷绕方法卷绕，所述转子的每一极，通过极靴和转子铁芯夹持所述永久磁铁，并在磁极间配置非磁性构件。
5.一种旋转电机，其特征在于，具有卷绕线圈的定子和被可旋转地支持的转子，所述转子和所述定子之间有间隙，所述转子具有永久磁铁以及位于永久磁铁的外圆周侧上的由磁性体组成的极靴，所述极靴的外圆周侧具有近似圆弧形状的部分，所述转子的最外圆周部的半径R1比所述极靴的近似圆弧形状的部分的半径R2大。
6.根据权利要求5所述的旋转电机，其特征在于，所述极靴的近似圆弧形状的部分的半径R2与所述转子的最外圆周部的半径R1之比，小于等于0.9。
7.根据权利要求5所述的旋转电机，其特征在于，若设所述定子的槽数为Ns，设所述定子的线圈的相数为N，设所述定子的极数为P，则取Ns为不能被P和N整除的数。
8.根据权利要求5所述的旋转电机，其特征在于，若设所述定子的槽数为Ns，设所述定子的线圈的相数为N，设所述定子的极数为P，则取Ns为不能被P和N整除的数。
9.根据权利要求5所述的旋转电机，其特征在于，Ns/(P·N)为2.5或3.5。。
10.一种风力发电系统，其特征在于具有永磁旋转电机和风车，所述永磁旋转电机，具有卷绕绕组的定子和被可旋转地支持的转子，所述转子和所述定子之间有间隙，所述转子具有永久磁铁，用所述转子相邻的最外径磁极中心间的距离Tr除极靴的宽度Tp得到的极宽率Pw，满足Pw≤0.6、0.67≤Pw≤0.71、0.78≤Pw中的任意一种关系，所述风车，产生使所述转子旋转的动力。
全文摘要
本发明提供一种风力发电用旋转电机，其使用分布式卷绕的绕组，由定子槽结构和具有永久磁铁的转子磁极结构组成，将每极每相槽数选定为作为极数P不能用3P整除的数，并优选在用永磁转子相邻的最外径磁极中心间的距离(Tr)除极靴宽度(Tp)得到的极宽率Pw满足Pw≤0.6、0.67≤Pw≤0.71、0.78≤Pw中之一的范围内，选择极靴(4)的宽度(Tp)。从而，减低永磁旋转电机特别是风力发电用永磁旋转电机中感应电动势波形的失真。
文档编号H02K21/04GK1835350SQ20051011918
公开日2006年9月20日 申请日期2005年12月19日 优先权日2005年3月14日
发明者木村守, 井出一正, 西滨和雄, 藤垣哲朗, 水谷修二 申请人:株式会社日立制作所