JP2012095534A - 永久磁石式回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】解決しようとする課題は、永久磁石式回転電機、特に風力発電用永久磁石式回転電機において、発熱した発電機を冷却しやすい構造にし体格を縮小して低コスト化することである。
【解決手段】固定子と、該固定子と所定間隙をもって対向配置された回転子１とを備え、永久磁石スロット５に永久磁石３，４が収納されている永久磁石式回転電機において、永久磁石３，４は、回転子鉄心２に周方向に交互に極性を変えて配置され、回転子鉄心２には、軸方向に伸延し軸中心に向かって伸びる溝から成る冷却用通風路６が形成されていると共に、冷却用通風路６における前記溝は回転子鉄心２の径方向外周側端部から径方向内周側に向かって設けられ、更に回転子鉄心２の回転軸となるシャフト７にはファンが接続され、前記ファンから送られた冷却風が冷却用通風路６に導入されることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、永久磁石式回転電機に係り、例えば風力発電に好適な永久磁石式回転電機に関する。

近年、風力発電導入量が飛躍的に増加しており、単機容量増加による経済性向上を狙い、１ＭＷ以上の大容量永久磁石機の要求が高まっている。

大容量永久磁石機を適用する際には、例え効率が高くとも、その損失は絶対値として大きなものとなってしまう。そのため、発熱密度を小容量機と同程度にして損失を小さくしようとすると、どうしても回転電機の体格を大きくしなければならない。回転電機の体格を大きくした場合には、重量増となってしまい製造コスト、建設コストが大きくなってしまうので、回転電機の体格を小さくし発熱密度を上げる必要がある。

しかし、高い発熱密度は高い冷却性能が要求され、結果としてコスト増につながってしまう。また、発熱しずらい構造にすることも考えられるが、これでは電気特性が悪化してしまい、発電機としての仕様を満たすことが困難となる。

このため、低コストで電気特性を損なわず高効率な冷却を得るには、冷却に適した回転電機の構造が必須となる。

特許文献１には、極間に空間を設けて、漏れ磁束等を少なくすることにより極間での発熱を抑えることが開示されている。

特開２００６−８１３７７号公報

特許文献１に記載されている技術は、ただ極間に空間を設けて、極間での漏れ磁束防止することにより極間での発熱を防止しようとするものであり、回転時においての空冷による冷却については記載されていない。

本発明は上述の点に鑑みなされたもので、その目的は、発熱した回転電機を冷却しやすい構造にし、かつ、体格の縮小化を図り低コストな永久磁石式回転電機を提供することにある。

本発明の永久磁石式回転電機は、上記目的を達成するために、固定子と、該固定子と所定間隙をもって対向配置された回転子とを備え、回転子スロットに永久磁石が収納されている永久磁石式回転電機において、前記永久磁石は、前記回転子鉄心に周方向に交互に極性を変えて配置され、前記回転子鉄心には、軸方向に伸延し軸中心に向かって伸びる溝から成る冷却用通風路が形成されていると共に、該冷却用通風路における前記溝は前記回転子鉄心の径方向外周側端部から径方向内周側に向かって設けられ、更に前記回転子鉄心の回転軸となるシャフトにはファンが接続され、前記ファンから送られた冷却風が前記冷却用通風路に導入されることを特徴とする。

本発明によれば、発熱した回転電機を冷却しやすい構造にし、かつ、体格の縮小化を図り低コストな永久磁石式回転電機を得ることができる。

本発明の第１の実施例の回転電機を示す断面図である。（実施例１） 本発明の第１の実施例における回転子鉄心の１極分を構成する幅の内径側端部角度θと永久磁石回転子及び固定子の温度上昇との関係を示す特性図である。（実施例１） 本発明の第１の実施例における冷却用通風路の径方向深さａと回転子鉄心の半径ｒとの割合ａ／ｒ、永久磁石回転子の温度上昇及び回転子鉄心の応力の関係を示す特性図である。（実施例１） 本発明の第２の実施例の回転電機を示す断面図である。（実施例２） 本発明の永久磁石式回転電機の第２の実施例を軸方向に断面した上半分を示す図である。（実施例２） 本発明の第２の実施例の永久磁石回転子２０の中間スペーサ９部の径方向断面図である。（実施例２） 本発明の第２の実施例の回転電機を示す断面図である。（実施例２） 本発明の第２の実施例の回転電機を示す断面図である。（実施例２） 本発明の第２の実施例の回転電機を示す断面図である。（実施例２） 本発明の第２の実施例の回転電機を示す断面図である。（実施例２） 本発明の第２の実施例の回転電機を示す断面図である。（実施例２） 本発明の第１及び第２の実施例における永久磁石の固定の仕方を示す図である。（実施例２） 本発明の第１及び第２の実施例における永久磁石の固定の仕方を示す図である。（実施例２） 本発明の第３の実施例を示すものであり、永久磁石回転子の１極分の図である。（実施例３） 本発明の第３の実施例を示すものであり、永久磁石回転子の１極分の図である。（実施例３） 本発明の第４の実施例を示すものであり、第１の実施例及び第２の実施例で示した永久磁石式回転電機を軸方向に断面した上半分を示す図である。（実施例４） 本発明の第４の実施例を示すものであり、第１の実施例から第２の実施例で示した永久磁石式回転電機の１極分の図である。（実施例５） 本発明の回転電機を風力発電システムに適用した例を示す図である。（実施例６）

以下、本発明の永久磁石式回転電機の一実施例を図面を用いて説明する。なお各図において同一部分は同じ番号を付与している。

図１に、本発明の永久磁石式回転電機の第１の実施例である６極永久磁石式回転電機の永久磁石回転子を示す。

該図に示す如く、永久磁石回転子１は回転子鉄心２から概略なり、この回転子鉄心２の永久磁石スロット５に永久磁石３，４が納められており、前記永久磁石３，４は、１極につき２個ずつ配置されている。また、永久磁石回転子１は、極間に冷却用通風路６が設けられ、そこに冷却風を流すことにより回転電機の内部を効率的に冷却することができるようになっている。

前記冷却用通風路６は、図１に示すように、その通風路形状を、回転子鉄心２の外周側に向かうに従い順次幅広となっている略台形形状にすると共に、略台形形状の径方向中心側端部から軸中心に伸びる溝で形成されている。

このような本実施例の構造での冷却性能を調べたものを、図２及び図３に示す。

図２は、図１に記載の回転子鉄心２の１極分を構成する幅の内径側端部角度θ（横軸）と永久磁石回転子１及び固定子の温度上昇（縦軸）との関係を示した特性図である。

なお、図１では回転子鉄心２の１極分の端部が径方向に二箇所あるが、一箇所の場合はその端部角度がθとなる。

図２よりθを５０°以上とすることで永久磁石３，４の温度上昇を１００ｋ以下にでき減磁温度以下となり、θを５８°以下にすることで固定子の巻線種、Ｈ種を用いた場合に温度上昇の最高温度１４０ｋを超えないことが判る。これは規格電線であるＨ種の巻き線の最高温度の上限温度が１４０ｋだからである。

このことから、冷却用通風路６の通風路内径側の周方向幅は、回転子鉄心２の１極分を構成する幅の内径側端部角度をθとした場合、θは５０°以上５８°以下の範囲とすることが望ましいことが判る。

図３は、図１に記載の冷却用通風路６の径方向深さａと回転子鉄心２の半径ｒとの割合ａ／ｒ（横軸）、永久磁石回転子１の温度上昇（縦軸左側）及び回転子鉄心２の応力（縦軸右側）の関係を示した特性図である。

図１に記載の冷却用通風路６の径方向最適深さａは、回転子鉄心２の半径ｒとの割合ａ／ｒを３３％以上にすることで、永久磁石３，４を１００ｋ以下にでき減磁温度以下になり、ａ／ｒを５８％以下にすることで、回転子鉄心２の応力が下がることが判り、材料の降伏応力を超えずに使用できることが理解される。

このことから、冷却用通風路６の径方向深さａは、回転子鉄心２の半径ｒとの割合ａ／ｒが３３％以上５８％以下の範囲とすることが望ましいことが判る。

このように回転電機を冷却しやすい図１で示した冷却用通風路６を用いることにより、冷却性能が向上するので、回転電機の体格を大きくすることなく発熱密度を下げることができ、回転電機の体格を縮小化できるので低コスト化を図ることができる。

なお、本実施例では、６極の永久磁石回転子１を示しているが、その他の極数の永久磁石回転子１でも同様に実現できることは言うまでもない。

図４は、本発明の永久磁石式回転電機の第２の実施例である６極永久磁石式回転電機の永久磁石回転子を示す。

該図に示す如く、第２の実施例は、第１の実施例と同様に、永久磁石回転子２０は回転子鉄心２１から概略なり、永久磁石３，４が回転子鉄心２１の永久磁石スロット５に納められており、前記永久磁石３，４は１極につき２個ずつ配置されている。また、永久磁石回転子２０は、極間に第１の実施例と同様な構造の冷却用通風路６が設けられ、そこに冷却風を流すことにより回転電機の内部を効率的に冷却することができるようになっている。

そして、第２の実施例では、回転子鉄心２１の前記永久磁石３，４より内径側に、１極につき１つの軸方向に伸びる通風冷却用アキシャルダクト８を設けており、この通風冷却用アキシャルダクト８にも冷却風を通風させるようにしている。

尚、本実施例では、１極辺り通風冷却用アキシャルダクト８を１箇所のみ設けているが、複数の通風冷却用アキシャルダクト８を同様に設けることも可能である。

次に、図５を用いて回転電機内を冷却する冷却風の流れを説明する。

図５は、本発明の永久磁石式回転電機の第２の実施例を軸方向に断面した上半分を示す図である。

該図に示す如く、冷却風１２の流れを見ると、エアクーラー１３で外気１４によって冷やされた空気は、シャフト７に接続されたファン１５によって冷却用通風路６と通風冷却用アキシャルダクト８を通り、中間スペーサ９に放射状に配置されたダクトピース１０によって作られたダクトスペース１１から固定子１７のダクトスペース１６に抜け、エアクーラー１３に循環する流れとなっている。

このように、冷却用通風路６と通風冷却用アキシャルダクト８を冷却風１２が通るので、冷却性能が向上し、回転電機の体格を大きくすることなく発熱密度を上げることができ、回転電機の体格を縮小化できるので低コスト化を図ることができるものである。

尚、ダクトスペース１１を設けることで回転電機の中心部を効果的に冷却できる効果もある。

図６は、本発明の第２の実施例の永久磁石回転子２０の中間スペーサ９部の径方向断面図である。

該図に示す如く、中間スペーサ９の両面に放射状にダクトピース１０が配置されている通風冷却用アキシャルダクト８を通った冷却風は、永久磁石回転子２０の軸方向中心部、またはエアクーラー排気側にずらして配置された中間スペーサ９に当たり、ダクトスペース１１を通り固定子側に通り抜けることができる。

これにより前記永久磁石式回転電機の中心部を、より効果的に冷却することができる。

上述した第１の実施例及び第２の実施例において、永久磁石回転子１は、図７に示すように、１極につき少なくても２つ以上の平板状の永久磁石３，４を、前記永久磁石回転子１の外周側から見たとき、同極が径方向外周側に向くように八の字配置された永久磁石回転子３０を用いてもよい。

上述した第１の実施例及び第２の実施例において、永久磁石回転子１は、図８に示すように、１極につき少なくても２つ以上の平板状の永久磁石３，４を、前記永久磁石回転子１の外周側から見たとき、同極が径方向外周側に向くようにＶ字配置された永久磁石回転子４０を用いてもよい。

上述した第１の実施例及び第２の実施例において、永久磁石回転子１は、図９に示すように、１極につき少なくても２つ以上のアーク型の永久磁石４１，４２を、前記永久磁石回転子１の外周側から見たとき、同極が径方向外周側に向くように周方向に沿って配置された永久磁石回転子５０を用いてもよい。

上述した第１の実施例及び第２の実施例において、永久磁石回転子１は、図１０に示すように、アーク型の永久磁石４３を分割せず１極につき１つ、周方向に沿って配置した永久磁石回転子６０や、図１１に示すように、平板状の永久磁石４４を分割せず１極につき１つ、平行配置した永久磁石回転子７０を用いてもよい。

図１２及び図１３は、第１及び第２の実施例における永久磁石の固定の仕方を示すものである。

第１の実施例及び第２の実施例における平板状の永久磁石３を、図１２に示すように、二分割した平板状の永久磁石８０を永久磁石スロット８１に取付けたガイド８２で固定するか、図１３に示すように、第１の実施例の平板状の永久磁石３を二分割した平板状の永久磁石９０を接着材９１にて固定するものである。

大容量永久磁石式回転電機の場合、使用する永久磁石も大型化するので、大きな永久磁石を製作することが困難なため、図１２及び図１３に示すような磁石分割方式を採用することにより、永久磁石回転子の組立容易性を向上させることができる。

図１４は、本発明の第３の実施例を示すものであり、永久磁石回転子の１極分の図である。

本実施例では、第１の実施例及び第２の実施例に示した回転子鉄心２２の外周径を、固定子１７の内径に対し非同心にし、その外周径を１極分の周方向中心で左右対称にしたものである。

このように構成することにより、誘起電圧波形を正弦波にしやすくすることができる。

図１５に示す実施例は、第１の実施例及び第２の実施例の回転子鉄心２３の外周径を固定子１７の内径に対し非同心にし、その外周径を１極分の周方向中心で回転方向側の径を反回転方向側の径より小さくしたものである。

このように構成することにより、電機子反作用を低減することができる。

図１６は、本発明の第４の実施例を示すものであり、第１の実施例及び第２の実施例で示した永久磁石式回転電機を軸方向に断面した上半分を示す図である。

該図に示す実施例は、回転子鉄心２４と永久磁石９４を軸方向にパケット分割したものである。

このように構成することにより、永久磁石式回転電機の出力をパケット個数で調整することが可能となる。

図１７は、本発明の第４の実施例を示すものであり、第１の実施例から第２の実施例で示した永久磁石式回転電機の１極分の図である。

該図に示す実施例は、冷却用通風路１８の通風冷却の溝を軸中心方向に伸ばしたものである。

このように構成することにより、永久磁石を着磁するための着磁用コイル１９を巻くことが可能となる。

図１８は、本発明の回転電機を風力発電システムに適用した例を示す。

第１の実施例から第５の実施例で示した回転電機１００は、風車１０３と増速ギア１０２を介して接続され、風車ナセル１０１内に設置される。さらに回転電機１００は電力系統１０４と電力変換器１０５を介して接続され、発電運転を行うことができる。また、風車１０３と回転電機１００は直結することも可能である。

尚、本発明では風力を動力源としているが例えば、水車，エンジン，タービンなどでも十分適用が可能である。

上記実施例の風力発電用回転電機は、大容量となった場合に小型で冷却が行える利点がある。

以上のように、本発明は、永久磁石式回転電機の冷却効率向上，着磁性、及び永久磁石回転子の組立容易性を確保し部品点数を低減することができる。

１，２０，３０，４０，５０，６０，７０ 回転子
２，２１，２２，２３，２４，２５ 回転子鉄心
３，４，４１，４２，４３、４４，８０，９０，９２，９３，９４，９５、９６ 永久磁石
５，８１ 永久磁石スロット
６，１８ 冷却用通風路
７ シャフト
８ 通風冷却用アキシャルダクト
９ 中間スペーサ
１０ ダクトピース
１１，１６ ダクトスペース
１２ 冷却風
１３ エアクーラー
１４ 外気
１５ ファン
１７ 固定子
１９ 着磁用コイル
８２ ガイド
９１ 接着剤
１００ 回転電機
１０１ 風車ナセル
１０２ 増速ギア
１０３ 風車
１０４ 電力系統
１０５ 電力変換器

Claims (3)

1. 固定子と、該固定子と所定間隙をもって対向配置された回転子とを備え、回転子スロットに永久磁石が収納されている永久磁石式回転電機において、
   前記永久磁石は、前記回転子鉄心に周方向に交互に極性を変えて配置され、前記回転子鉄心には、軸方向に伸延し軸中心に向かって伸びる溝から成る冷却用通風路が形成されていると共に、
   該冷却用通風路における前記溝は前記回転子鉄心の径方向外周側端部から径方向内周側に向かって設けられ、
   更に前記回転子鉄心の回転軸となるシャフトにはファンが接続され、
   前記ファンから送られた冷却風が前記冷却用通風路に導入されることを特徴とする永久磁石式回転電機。
2. 請求項１に記載の永久磁石式回転電機であって、
   前記冷却用通風路は隣接する異極間に配置されると共に、該冷却用通風路の壁面は径方向に向かって傾きが段階的に溝が広がる方向に拡大し、径方向内周側における通風路壁面の傾きは略平行になる様に形成されていることを特徴とする永久磁石式回転電機。
3. 請求項２に記載の永久磁石式回転電機であって、
   前記回転子鉄心における前記冷却用通風路より径方向内周側には、軸方向に伸延し軸中心に向かって伸びるアキシャルダクトが形成され、
   軸方向中心部には前記シャフトに固定される中間スペーサが備えてあり、
   該中間スペーサの軸方向両側には、該中間スペーサに隣接すると共に前記アキシャルダクトと前記間隙とを連通させるダクトスペースが配置され、
   前記中間スペーサにより前記アキシャルダクト内を流れる冷媒の流れが分割されることを特徴とする永久磁石式回転電機。