JP2011223864A - 回転子及び永久磁石式回転機 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】ロータコア12内部に周方向に設けられた複数の挿入孔の各々に1以上の永久磁石13が埋め込まれた回転子11と、該回転子11の外周面に空隙を介して配置された、複数のスロットを有するステータコア16に巻線17を巻いた固定子15とを備える永久磁石回転機10に用いる回転子11であって、上記永久磁石13の上記固定子15側表面領域の保磁力が、該永久磁石13の全外形面から少なくとも5mmの深さの内部中央部分の保磁力よりも300kA/m以上大きいことを特徴とする永久磁石式回転機用回転子11を提供する。また、この回転子11と、該回転子11の外周面に空隙を介して配置された、複数のスロットを有するステータコア16に巻線17を巻いた固定子15とを備える永久磁石回転機10を提供する。
【選択図】図1
Description
さらに今後は大型の風力発電機にもNd系焼結磁石の適用が進むと考えられる。大型風力発電機のおいても高効率、発電量UP、電力品質向上、低故障率がますます望まれて来ており、そのためにもNd系焼結磁石を用いた回転機が今後急激に風力用途に拡大すると考えられる。
Nd系焼結磁石の保磁力と残留磁束密度はトレードオフの関係にあって、保磁力を増大させるほど残留磁束密度が低下してしまうため、必要以上に高い保磁力を有する磁石を発電機に使用すると発電量が低下するという問題があった。
また、特許文献2ではDyやTbを拡散処理した磁石を用いた表面磁石型回転機(いわゆる表面磁石型回転機(SPM(surface permanent magnet)回転機)が報告されており、D字形状磁石の厚みの薄い部分の保磁力を上げることが有効であり、そのような磁石をDyまたはTbを拡散処理することで得ることを報告している。
特許文献2では、SPM回転機にて、用いられるD字形状磁石の厚みの薄い部分において自己反磁界が大きくこの部分が減磁しやすいので、この薄い部分にDyやTbの拡散処理を行い、薄いために内部まで十分に保磁力が上昇するため、有効な方法であると述べている。一方、IPM回転機で用いられる矩形形状の磁石では磁石厚みは一定であり自己反磁界の大きさに大差なく、さらに大型発電機に用いられるような大型磁石では内部までDyやTbが拡散されず保磁力が上昇しないために、IPM回転機において拡散処理の手法が有効だとは考えられていなかった。
しかし、本発明者らは、IPM回転機においても拡散処理による表面領域のみの保磁力上昇が大型発電機において有用であることを知見した。拡散処理は表面から深さ5mm未満までの領域において保磁力を上昇させる効果があると考えられる。また、磁石表面から深くなるほど徐々に保磁力上昇幅が小さくなると考えられる。一方、大型風力発電機のIPM回転機では、表面から深さ3mm程度の領域における保磁力上昇効果が非常に有効であることを見出した。
先に述べたように大型風力発電機では回転数が比較的低いので、磁石に流れる渦電流が低く発熱の恐れは低いが、特に放熱状態が悪い回転機や、特に回転数を上げて用いる場合など渦電流による発熱が特に問題になる場合には、図7のように渦電流の流れる経路Pを分割することで渦電流の大きさを下げるために、磁石を分割する方法が有効である。さらにこの分割した磁石一つひとつに拡散処理を行うことも減磁を防ぐために有効である。この場合、拡散処理を施す面は、渦電流の流れやすい4つの面、つまり図7の磁化方向Mと平行な4面から拡散処理を施して、この4面の表面領域の保磁力を上げた磁石を用いることが有効である。
磁石表面から内部に向かってDy又はTbを塗布法やスパッタ法によって拡散させる方法は、WO2006/043348A1及び特開2008−61333号公報に記載されており、粒界拡散合金法による表面処理と呼ばれることもある。この方法は、好ましくは、Y及びScを含む希土類元素から選ばれる1種以上の元素の酸化物、フッ化物、及び酸フッ化物から選ばれる1種以上を含有する粉末を焼結磁石体の表面に存在させた状態で、該焼結磁石体及び該粉体を該焼結磁石体の焼結温度以下の温度で真空又は不活性ガス中において熱処理を施すものである。焼結磁石体としては、好ましくはR1−Fe−B系組成(R1は、Y及びScを含む希土類元素から選ばれる1種以上を表す。)を有する焼結磁石体である。なお、特開2008−61333号公報はDyやTbを拡散処理した磁石を用いたSPM回転機を開示しているが、このSPM回転機も風力発電機に使用できる。
<実施例1>
矩形形状のNd系焼結磁石で、寸法が100×100×20mmで厚さ20mmが磁化方向である磁石を複数個用意し拡散処理を行った。拡散処理は、粒状のフッ化ディスプロシウムをエタノールと混合し、これに磁化方向と垂直な1面以外をマスキングした状態で浸漬し、その後、Ar雰囲気中900℃で1時間加熱した。この磁石のひとつから一辺が1mmの立方体を、拡散処理した面中央から距離1mmまでの部分と磁石内部中心位置からそれぞれ切り出して、保磁力の測定を行った。その結果、拡散処理面の磁石の保磁力が1700kA/m、中央部の磁石の保磁力が1200kA/mであった。
この磁石を図1に示す12極18コイル、ロータ直径600mm、軸長1000mmの発電機に、保磁力の向上した面を固定子側に向けた状態で組み込んで、発電テストを行った。回転子および固定子はそれぞれ0.5mm厚の電磁鋼板の積層構造であり、コイルは集中巻きで三相Y結線で配線されている。
回転数1500rpmで定格運転を行ったところ、負荷出力約3MW、コイルのピーク電流は3000Aであった。次に負荷を短絡させて発電機のロータを回転数1500rpmで回転させて短絡テストを行ったところ、コイル電流は最大9300Aまで上昇した。短絡テスト終了後、磁石の減磁状況を調べるために回転数1500rpmでの起電力を測定したところ線間電圧620Vであり、短絡テスト前と全く同じ値であった。よって磁石は全く減磁していないことが確認できた。以上のように磁石の固定子側表面領域の保磁力を内部よりも500kA/m高めたことにより、減磁が生じない発電機を得ることができた。
実施例1と同じ材質で同じ寸法の磁石を複数個用意して、この磁石にマスキングを施さず実施例1と同じ拡散処理液に浸漬し、同様の熱処理を行った。この磁石のひとつから一辺が1mmの立方体を、6つの表面のそれぞれの拡散処理した面中央付近の表面から距離1mmまでの部分と磁石内部中央位置からそれぞれ切り出して、保磁力の測定を行った。その結果、表面から1mmの磁石の保磁力は6個とも同じ1700kA/m、中央部の磁石の保磁力が1200kA/mであった。
この磁石を実施例1の発電機に組み込んで同様の短絡試験を行い、試験前後での起電力を調べた。その結果、試験前後で起電力は同じ値、線間電圧620Vであった。このことから、固定子側以外の表面の保磁力が固定子側表面と同じ程度に、磁石内部の保磁力より向上している磁石を用いても、減磁は発生しないことが確かめられた。
実施例1と同じ材質で同じ寸法の磁石に対して、拡散処理を施さなかった磁石を複数個用意して、実施例1と同じ試験を行った。組み込み前に保磁力を測定した結果、保磁力は1200kA/mであった。短絡試験を行った結果、短絡試験前の起電力は620Vであったが、短絡試験後の起電力は520Vと約16%低下した。このことから固定子側表面の保磁力を向上させなかった磁石では減磁が生じることが分かった。
11,22 回転子
12,22 ロータコア
13,23 永久磁石
15,25 固定子
16,26 固定子コア
17,27 コイル
P 渦電流の経路
M 磁化方向
A 固定子側の表面領域
Claims (5)
- ロータコア内部に周方向に設けられた複数の挿入孔の各々に1以上の永久磁石が埋め込まれた回転子と、該回転子の外周面に空隙を介して配置された、複数のスロットを有するステータコアに巻線を巻いた固定子とを備える永久磁石回転機に用いる回転子であって、上記永久磁石の上記固定子側表面領域の保磁力が、該永久磁石の全外形面から少なくとも5mmの深さの内部中央部分の保磁力よりも300kA/m以上大きいことを特徴とする永久磁石式回転機用回転子。
- 上記永久磁石が、上記周方向の一辺の長さが10mm以上で回転軸に沿って延びる一辺の長さが10mm以上である矩形状を有する請求項1に記載の永久磁石式回転機用回転子。
- 上記の永久磁石が、Nd系希土類焼結磁石であることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の永久磁石式回転機用回転子。
- 上記のNd系希土類永久磁石の保磁力分布が、上記固定子側の磁石表面から内部に向かってDy又はTbを拡散させ得られたものである請求項3に記載の永久磁石式回転機用回転子。
- 請求項1〜4のいずれかに記載の回転子と、該回転子の外周面に空隙を介して配置された、複数のスロットを有するステータコアに巻線を巻いた固定子とを備える永久磁石回転機。
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