JP2014166083A - 永久磁石式回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却性能を向上させることが出来る永久磁石式回転電機を提供することを目的とする。
【解決手段】
上記の課題を解決するために、本発明に係る永久磁石式回転電機は、回転子鉄心に永久磁石が備えられるコア１，２１が積層されて形成されると共に回転軸４６を中心に回転する回転子１０と、回転子１０と所定のギャップを設けて対向配置されると共に固定子巻線を備える固定子１１と、永久磁石が形成する磁極間に回転子１０の外周側端部から形成されると共に、回転子１０の回転軸方向に連通している極間通風路３２と、回転子に対して内周側から外周側に繋がる径方向流路とを備え、該径方向流路は極間通風路３２に連通してい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関するものであり、特に回転子の冷却構造に関する。

近年、地球温暖化防止のため風力発電のような自然エネルギーを利用した発電システムが注目を浴びている。風力発電では大容量化が進められているが、５ＭＷを超える容量になると、回転速度１０ｒｐｍ程度の風車と回転速度１５００ｒｐｍ程度の発電機の間に入る増速ギアを製作することは増速ギアの容量、ギア比の点から困難であり、発電機の回転速度を４００ｒｐｍ程度にする必要がある。

永久磁石式回転電機の冷却性能に関して例えば特許文献１や特許文献２のような回転電機が検討されている。該特許文献１に記載された回転電機では、永久磁石を有する磁極間に極間通風路を設けることにより、効果的な冷却ができることが開示されている。

特許文献２には、ロータのシャフトの軸線方向に延在して冷却油が供給される軸方向油路と、該軸方向油路から分岐してロータ外周面の軸線方向に離隔した複数箇所にそれぞれ開口する複数の径方向油路を有するものが記載されている。

特開２００８−１３１８１３号公報 特開２０１３−１３１８２号公報

しかし、特許文献１に記載された技術によれば、外径側に形成された極間通風路には冷媒が流れるが、低速で回転する場合には、充分に冷媒が流れないなど冷却性能には改善の余地がある。

また特許文献２には、冷却油を軸方向油路や径方向油路に供給することが記載されているが、径方向油路における冷媒の流れを促進させて冷却効率を向上させる上では充分とは言えない。

そこで、本発明では冷却性能を向上させることが出来る永久磁石式回転電機を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る永久磁石式回転電機では、回転子鉄心に永久磁石が備えられるコアが積層されて形成されると共に回転軸を中心に回転する回転子と、該回転子と所定のギャップを設けて対向配置されると共に固定子巻線を備える固定子と、前記永久磁石が形成する磁極間に前記回転子の外周側端部から形成されると共に、前記回転子の回転軸方向に連通している極間通風路と、前記回転子に対して内周側から外周側に繋がる径方向流路とを備え、該径方向流路は極間通風路に連通していることを特徴とする。

本発明によれば、冷却性能を向上させた永久磁石式回転電機を提供することが可能になる。

実施例１に係る永久磁石式回転電機の軸方向断面図である。 永久磁石式回転電機の回転子コア２１の３６極分軸方向断面図である。 回転子コア１の２極分軸方向断面図である。 回転子コア２１の２極分軸方向断面図である。 回転子コア１と回転子コア２１を重ね合わせた図である。 回転子コア５１の２極分軸方向断面図である。 実施例２に係る永久磁石式回転電機の軸方向断面図である。 回転子コア７１，７２の２極分軸方向断面図である。 回転子コア７１と回転子コア７２を重ね合わせた図である。

以下、本発明を実施する上で好適な実施例について図面を用いながら説明する。各図において同一部分は同じ番号を付与している。尚、下記はあくまでも実施例に過ぎず、発明の実施態様を下記具体的態様に限定することを意図する趣旨ではない。

実施例１に係る永久磁石式回転電機について図１ないし図５を用いて説明する。図１は２極分の軸方向断面図を示したものであるが、該図に示す様に、本実施例に係る永久磁石式回転電機は、シャフト（回転軸）４６と、シャフト４６に支持されると共にシャフト４６を中心に回転する回転子１０と、回転子１０と径方向に所定のギャップを設けて対向配置される固定子１１と、これらを内部に収納するフレーム４８と、固定子１１の外周側に配置される熱交換器４１と、軸方向で熱交換器４１の両端に配置される冷却ファン４２とから概略構成される。

熱交換器４１と冷却ファン４２の間に導風板４３が設けられ、熱交換器４１及び冷却ファン４２より内周側で、熱交換器４１に入る前の高温冷媒と、熱交換器４１に入った後の低温冷媒が混ざらない様にしている。また、フレーム４８は、ベアリング４６を介してシャフト４６に固定され、フレーム４８は静止したままシャフト４６が回転するのを許容出来る様にしている。

回転子１０は、シャフト４６の軸方向に厚さ０．５ｍｍ程度のケイ素鋼板などを用いた回転子コア（Ａコア）１及び回転子コア（Ｂコア）２１が１０ｍｍから５０ｍｍなどのある程度の厚さをもって交互に積層することで形成される。図２に示す様に、回転子コア２１はシャフト４６にスパイダ９２を介して接続されている。この際、スパイダ本数を極数の公約数（図１０では１２本）とすることにより、スパイダ９２が回転子２１の内周側通風路２３が形成される位置とは、ずれた位置で接続される。よってスパイダ９２が内周側通風路２３をふさぐことがなくなり、冷却性能を保つことができる。尚、シャフト９１と回転子コア１との接続についても同様にスパイダにより行うが、内周側通風路が形成されていないので、上記の様に回転子をスパイダで支持する位置を調整する必要はない。

回転子１０のうち、回転子コアよりも内周側には、スパイダの隙間を通じて軸方向に連通するスパイダ間通風路３０が形成される。また、回転子１０の外周側では、回転子コア１の磁極間に形成される極間通風路３と回転子コア２１の磁極間に形成される極間通風路２２が重なり、軸方向に連通する極間通風路３２が形成される。更に、本実施例では、回転子コア１の極間通風路３と回転子コア２１の内周側極間通風路２３が軸方向に重ね合わさり、軸方向の通風路３１が形成される。永久磁石が埋め込まれる部分及び極間通風路以外は、繋鉄部４、２４で形成される。尚、繋鉄部４は回転子コア１における繋鉄部であり、繋鉄部２４は回転子コア２１における繋鉄部である。回転子コアに形成した極間通風路については、後述する。

固定子１１は、固定子コア４４を積層することで形成し、固定子巻線４９が巻回されている。固定子は、３相巻線を巻き回した固定子を想定しているが、単相巻線でも３相以上の多相巻線でも本構造は成立する。また固定子コア４４の間には通風ダクト４５が形成され、通風ダクト４５は、回転子１０と固定子１１の間のエアギャップと熱交換器４１とをつなげている。本構造を発電機として使用する際には、永久磁石を搭載する回転子１０が回転することで磁界が変化し、該磁界の変化を打消す方向に固定子巻線４９内を電流が流れ、当該電流を系統側へと送ることで発電運転する。

次に、図３を用いて回転子コア１の形状について説明する。図３では、３６極３相の永久磁石式回転電機の場合の例であり（尚、本発明の範囲が当該具体的な条件に限定されるものでないことは言うまでもない）、図示されていないが、回転子コアは３６極分周方向に配置され、回転可能なように外部駆動元とシャフトを介して接続されている。

回転子コア１は、１極ごとにＶ字形状に配置された永久磁石挿入孔２を具備しており、永久磁石挿入孔２に永久磁石が挿入される。極間には通風路として回転子外周側が開放された極間通風路３が具備されている。極間通風路３は永久磁石挿入孔２よりも内周側まで深く形成されている。また、内周側は繋鉄部４にて３６極分周方向に接続されている。尚、永久磁石配置はＶ字形状となっているが、それ以外の配置でも成立する。

次に、図４を用いて回転子コア２１の形状について説明する。回転子コア１と同様に１極ごとにＶ字形状に配置された永久磁石挿入孔２を具備しており、永久磁石挿入孔２に永久磁石が挿入される。極間には通風路として回転子外周側が開放された外周側極間通風路２２と、回転子内周側が開放された内周側極間通風路２３が具備されている。極間通風路２２は極間通風路３よりも浅く（外周側に近い位置まで）溝が形成されている。また、極間通風路２２と極間通風路２３の間の繋鉄部２４にて３６極分周方向に接続されている。尚、永久磁石配置はＶ字形状となっているがその他の配置でも成立する。

図５は、上述した回転子コア１と回転子コア２１を重ね合わせた際の２極分軸方向断面図である。該図に示す様に、回転子コア１の極間通風路３と回転子コア２１の内周側極間通風路２３が重ね合わさる様に形成され、極間通風路３の内周側と内周側極間通風路２３の外周側が一部の領域で重複しており、軸方向に連通する。本実施例では、回転子コア１と回転子コア２１の２種類を積層して回転子１０を形成することで、軸方向に連通する通風路３１が形成される。また、回転子１０の外周側では、回転子コア１の磁極間に形成される極間通風路３と回転子コア２１の磁極間に形成される極間通風路２２が重なり、軸方向に連通する極間通風路３２が形成される。

上記の様に構成した本実施例に係る永久磁石式回転電機について、図１を用いて運転時における冷媒の流れを説明する。尚、図１は図５のＡ−Ａ’断面における断面図である。

図１に記載した矢印は風の流れを示している。熱交換器４１に取り付けられた冷却ファン４２により発生した風は、導風板４３により回転子１０へ導かれる。このとき回転子１０の外周側に形成され、軸方向に連通する極間通風路３２には、軸方向端部から軸方向中央側に向かう軸方向の風の流れが発生する。

また、回転子１０の内周側には、スパイダ間通風路３０と通風路３１に軸方向端部から冷却風が入り、各々の通風路で軸方向中央側に向かって冷却風が流れる。スパイダ間通風路３０に軸方向端部から入った冷却風は、回転子コア２１の内周側極間通風路２３に入り、遠心力によって内周側極間通風路２３内を外周側に流れる。内周側極間通風路２３内における外周側で内周側極間通風路２３と極間通風路３が重なる領域に達すると、スパイダ間通風路３０に軸方向端部から入った冷却風の一部は、内周側極間通風路２３を経て通風路３１に入る。

通風路３１には、上述の様に、軸方向端部から入る冷却風と内周側極間通風路２３を経て入る冷却風が存在する。各冷却風は、遠心力によって通風路３１から回転子１０の外周側へと形成される回転子コア１の極間通風路３へと入り、外周側へと流れる。尚、内周側極間通風路２３を有する回転子コア２１は、通風路３１より外周側が繋鉄部２４となっているため、回転子コア２１内で通風路３１より外周側に抜けることはなく、通風路３１を介して回転子コア１の極間通風路３に入り、外周側に流れる。

極間通風路３２にも、やはり上述の様に、軸方向端部から入る冷却風と極間通風路３を経て入る冷却風が存在する。即ち、極間通風路３２には軸方向端部から入って軸方向に流れる冷却風に加えて、内周側からの風も流れる。

内周側から径方向に流れてくる冷却風の動きについてみると、回転子コア２１に形成された内周側極間通風路２３や回転子コア１に形成された極間通風路３（但し、極間通風路３のうち、極間通風路３２に重ならない領域）に比べて、極間通風路３と極間通風路２２から形成される極間通風路３２は広く形成されている。従って、内周側極間通風路２３や極間通風路３から形成される径方向流路を径方向外側に流れてくる冷却風は、より広い極間通風路３２に入ることで風圧が低下することになる。よって、圧力差が生じ、高圧側の径方向流路から低圧側の極間通風路３２に流れ込む冷却風の流れが促進される。また、冷却風は径方向流路から、より広い極間通風路３２に入ることで膨張し、温度が低下する。従ってこの点からも冷却性能が高まる。

極間通風路３２内で合流した冷却風は、固定子１１を構成する固定子コア４４の間に径方向に連通する様に形成される通風ダクト４５を通り、熱交換器４１へと戻る。そして、再度冷却ファン４２により内径側へと送られる。上記の様にして、冷却風のループが形成される。

極間通風路３だけでも、軸方向に極間通風路を通って風が流れるが、さらに本実施例の構造によれば、内周側から外周側に繋がる径方向流路を形成し、かつ回転軸方向に連通している極間通風路に当該径方向流路が連通する様にしている。これにより、流路が増えて通風抵抗が低減する。特に径方向流路から、より広い極間通風路に入る様にすることで通風抵抗差を（減らす方向に）生じさせ、冷却風の極間通風路への流れ込みを促進させている。故に、同じ大きさのファンを用いた場合、より多くの風が流れ冷却能力が向上する。また、より小型のファンを用いても充分な冷却性能を達成出来ることから、装置全体の小型化を実現することも可能である。

また、内周側から外周側へ流路が形成されることにより、回転子の回転に伴って生ずるファン効果が期待でき、さらに冷却能力が向上している。

また、１ＭＷ以上の大型風力発電機に適用する場合には、低速回転（１０００ｒｐｍ以下）で運転されるが、この場合、回転子の回転に伴うファン効果の寄与が小さくなる。かかる場合でも、本実施例に示す構造によれば径方向流路よりも極間通風路３２の流路を広くしており、通風抵抗差が減る方向に生じることから、冷却風の流れが促進される。よって、低速回転（１０００ｒｐｍ以下）や極数が増加した場合など、極間通風路に入る冷媒の量や極間通風路の占める割合が相対的に減少による条件下で運転する場合には、特に好適である。また、１ＭＷ以上の大型機として使用する場合には、回転子コアの径も１ｍ以上と大きくなり、繋鉄部を大きく形成することが出来る。従って、極間通風路を径方向にわたって多くの領域に形成できる様になる。即ち、回転子コア１における極間通風路３の様に、回転子コア径に対して半分以上の深さを有することや、回転子コア２１における内周側極間通風路２３及び極間通風路２２の様に外周側端部及び内周側端部の双方向から径方向内側に入り込む通風路を形成することも可能になる。

また本実施例では回転子コア１と回転子コア２１を交互に積層する場合を例にして説明したが、交互でなければならないと言うものではなく、種々の積層の仕方が可能であることは言うまでもない。例えば回転子コア２１を数枚連続して並べた後、次に回転子コア１を設けると言うことも可能である。この場合にも、回転子コア１の極間通風路３を通じて極間通風路３２に冷却風が流れる。但し、回転子コア１の数が減ると径方向流路における通風抵抗が高まるので、好ましくは交互に積層されている方が良い。

実施例２に係る永久磁石式回転電機について図６及び図７を用いて説明する。尚、実施例１と重複する点については、ここでの説明を省略する。

実施例１では回転子コア１と回転子コア２１の２種類のコアを用いる場合について説明したが、本実施例では更に回転子コア５１を用いる場合について説明する。

図６に示す様に、回転子コア５１は、１極ごとにＶ字形状に配置された永久磁石挿入孔２を具備しており、永久磁石挿入孔２に永久磁石が挿入される。極間には通風路として回転子外周側が開放された、極間通風路５２が具備されている。極間通風路５２は永久磁石挿入孔２と同程度または永久磁石挿入孔２よりも浅く形成されており、回転子コア１の極間通風路３よりは浅く、回転子コア２１の極間通風路２２とは同程度の深さとなっている。そして、本実施例における極間通風路５２は、実施例１における通風路３１とは連通していない。また、内周側は繋鉄部５４にて３６極分周方向に接続されている。尚、永久磁石配置はＶ字形状となっているがその他の配置でも成立する。

図７に、図６のＢ−Ｂ‘断面図を示す。図７に記載した矢印は風の流れを示している。実施例１においては軸方向全体にわたって連通する通風路３１を形成していたが、本実施例では回転子コア５１において、連通しておらず、軸方向全体にわたって連通する通風路は形成されない。

以下、運転時における冷媒の流れを説明する。尚、冷却ファン４２から回転子１０へ導かれるまでの流れと、極間通風路６２内で合流した冷却風が通風ダクト４５を通って熱交換器４１へと戻る流れについては、実施例１と同様であり、ここでの説明は省略する。

また、冷却ファン４２から回転子１０へ導かれた冷却風は、回転子１０の内周側で、軸方向端部からスパイダ間通風路６０に入り、軸方向中央側に向かって冷却風が流れる。スパイダ間通風路６０に軸方向端部から入った冷却風は、回転子コア２１の内周側極間通風路２３に入り、遠心力によって内周側極間通風路２３内で外周側に流れる。内周側極間通風路２３内の外周側で内周側極間通風路２３と極間通風路３が重なる領域に達すると、（当該領域は回転子コア１と回転子コア２１の間で軸方向に連通して通風路６１を形成しているので、）スパイダ間通風路６０に軸方向端部から入った冷却風の一部は、内周側極間通風路２３を経て通風路６１に入ることになる。但し、本実施例における通風路６１は回転子５１において連通しておらず、軸方向全体にわたっては連通していない。即ち、本実施例における径方向流路は各々分離され、または少数の単位で分離される。

通風路６１に内周側極間通風路２３を経て入った冷却風は、遠心力により、通風路６１から回転子コア１の極間通風路３へと入り、外周側へと流れる。尚、内周側極間通風路２３を有する回転子コア２１は、通風路６１より外周側は繋鉄部２４となっている。故に回転子コア２１内で通風路６１より外周側に抜けることはなく、通風路６１を介して回転子コア１の極間通風路３に入り、外周側へと流れる。

極間通風路６２には、軸方向端部から入る冷却風と極間通風路３を経て入る冷却風がある。即ち、極間通風路６２には軸方向端部から入って軸方向に流れる冷却風に加えて、内周側からの風も流れる。

内周側から径方向に流れてくる冷却風の動きについてみると、回転子コア２１に形成された内周側極間通風路２３や回転子コア１に形成された極間通風路３（但し、極間通風路３のうち、極間通風路６２に重ならない領域）に比べて、極間通風路３と極間通風路２２と極間通風路５２から形成される極間通風路６２は広く形成されている。従って、内周側極間通風路２３や極間通風路３から形成される径方向流路を径方向外側に流れてくる冷却風は、より広い極間通風路６２に入ることで風圧が低下することになる。よって、圧力差が生じ、高圧側の径方向流路から低圧側の極間通風路６２に流れ込む冷却風の流れが促進される。また、冷却風は径方向流路から、より広い極間通風路６２に入ることで膨張し、温度が低下する。従って冷却性能も高まる。

本実施例においては、実施例１に加え、更に回転子コア５１を具備することで内周側が円筒となった繋鉄部が多く、繋鉄部５４の内周側から外周側への厚みも大きいことから、回転子としての強度がさらに向上する。

また、回転子コア１，回転子コア２１と回転子コア５１の順番は内周側から外周側へ冷却風が通り抜ける径方向流路が形成される順番であれば問題なく、例えば軸方向に回転子コア５１、回転子コア１、回転子コア２１、回転子コア１、回転子コア５１等のように繰り返されても良い。

実施例３に係る永久磁石式回転電機について図８及び図９を用いて説明する。尚、実施例１と重複する点については、ここでの説明を省略する。

図８に示す様に、本実施例では回転子コア７１と回転子コア７２は、実施例１における回転子コア１と回転子コア２１のうちで、極間通風路３と内周側極間通風路２３の接続部分となる通風路７３、７４が、軸方向から見た断面積が大きくなるように形成されている点が実施例１と相違する。

即ち、該図に示す様に回転子コア７１は、極間に通風路として回転子外周側が開放された極間通風路７５を具備している。極間通風路７５は永久磁石挿入孔２よりも内周側まで深く形成されている。また、内周側は繋鉄部７７にて３６極分周方向に接続されている。そして、通風路７３以外の極間通風路７５と比較して、軸方向から見た断面積が大きくなるように形成された通風路７３を極間通風路７５の内周側に形成する。

回転子コア７２は、極間に通風路として回転子外周側が開放された外周側極間通風路７６と、回転子内周側が開放された内周側極間通風路７９が具備されている。極間通風路７６は極間通風路７５よりも浅く（外周側に近い位置まで）溝が形成されている。また、内周側極間通風路７９と外周側極間通風路７６の間の繋鉄部７８にて３６極分周方向に接続されている。そして、通風路７４以外の内周側極間通風路７９と比較して、軸方向から見た断面積が大きくなるように形成された通風路７４を内周側極間通風路７９の外周側に形成する。

図９には、回転子コア７１と回転子コア７２を重ね合わせた断面図を示している。該図に示す様に、回転子コア７１と回転子コア７２を重ねた際、通風路７３及び通風路７４が軸方向に重なり合っていることで連通し、軸方向通風路８２が形成される。

本実施例によれば、実施例１と比較して軸方向通風路８２を大きく形成しており、流路断面積が向上するため、より多くの風が流れ冷却能力が向上する。

尚、上記各実施例ではファンを２個用いた副流の場合を例にして説明しているが、ファンが２個或いは、軸方向両端に配置されることは必須の条件ではなく、例えばファンは１個でも複数でもよく、軸方向に一方向の通風とすることも可能である。

１ 回転子コア
２ 永久磁石挿入孔
３ 極間通風路
４ 繋鉄部
１０ 回転子
１１ 固定子
２１ 回転子コア
２２ 外周側極間通風路
２３ 内周側極間通風路
２４ 繋鉄部
３０ スパイダ間通風路
３１ 通風路
３２ 極間通風路
４１ 熱交換器
４２ ファン
４３ 導風板
４４ 固定子コア
４５ 通風ダクト
４６ シャフト
４７ ベアリング
４８ フレーム
５１ 回転子コア
５２ 極間通風路
５４ 繋鉄部
６０ スパイダ間通風路
６１ 通風路
６２ 極間通風路
７１ 回転子コア
７２ 回転子コア
７３ 通風路
７４ 通風路
７５ 極間通風路
７６ 極間通風路
７７ 繋鉄部
７８ 繋鉄部
７９ 内周側極間通風路
８１ 回転子コア
８２ 軸方向通風路
９１ シャフト
９２ スパイダ

Claims (7)

1. 回転子鉄心に永久磁石が備えられるコアが積層されて形成されると共に回転軸を中心に回転する回転子と、該回転子と所定のギャップを設けて対向配置されると共に固定子巻線を備える固定子と、前記永久磁石が形成する磁極間に前記回転子の外周側端部から形成されると共に、前記回転子の回転軸方向に連通している極間通風路と、前記回転子に対して内周側から外周側に繋がる径方向流路とを備え、
   該径方向流路は極間通風路に連通してい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、
   回転子の外周側端部から形成される第１の極間通風路を有する第１のコアと、前記第１のコアの第１の極間通風路と連通すると共に回転子の内周側端部から形成される内周側通風路及び回転子の外周側端部から形成される第２の極間通風路を有する第２のコアとが交互に積層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、
   前記第１の極間通風路と前記内周側通風路が連通する領域は、前記第１の極間通風路及び前記内周側通風路のうち、当該領域以外の部分よりも、軸方向に略垂直な断面積が広く形成されることを特徴とする永久磁石式回転電機。
4. 請求項１に記載の永久磁石式回転電機であって、
   回転子の外周側端部から形成される第１の極間通風路を有する第１のコアと、前記第１のコアの第１の極間通風路と連通すると共に回転子の内周側端部から形成される内周側通風路及び回転子の外周側端部から形成される第２の極間通風路を有する第２のコアと、回転子の外周側端部から形成されると共に、前記第１の極間通風路及び前記内周側通風路とは連通しない第３の極間通風路を有する第３のコアとを備え、前記第１のコアと前記第２のコアと前記第３のコアが互いに回転軸方向に並んで積層されており、
   前記第１の極間通風路及び前記内周側通風路が、前記径方向流路を形成することを特徴とする永久磁石式回転電機。
5. 請求項４に記載の永久磁石式回転電機であって、
   前記第１の極間通風路と前記内周側通風路が連通する領域は、前記第１の極間通風路、前記第２の極間通風路及び前記内周側通風路のうち、当該領域以外の部分よりも、軸方向に略垂直な断面積が広く形成されることを特徴とする永久磁石式回転電機。
6. 請求項２ないし５のいずれか一つに記載の永久磁石式回転電機であって、
   前記永久磁石式回転電機は、１０００ｒｐｍ以下で回転し、１ＭＷ以上の発電容量を有することを特徴とする永久磁石式回転電機。
7. 請求項２ないし６のいずれか一つに記載の永久磁石式回転電機であって、
   前記回転子はスパイダを介して前記回転軸に支持され、
   前記スパイダは前記回転子に対して前記内周側通風路が形成される位置とは、ずれた位置で接続されることを特徴とする永久磁石式回転電機。