JP2015012620A - 永久磁石式回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】永久磁石を装着してロータヨークの周面上に配置した磁極組立体の磁極座を利用して永久磁石の発生熱を効果的に風冷冷却できるように改良した永久磁石式回転電機の磁極構造を提供する。【解決手段】ステータヨーク１の内周側に空隙を隔てて対向するロータヨーク３に対し、該ロータヨーク３の周面上に各磁極に対応する永久磁石の磁極４を並置配列した表面磁石型の永久磁石式回転電機であって、前記磁極４は永久磁石５を磁性ブロック材になる磁極座６に搭載して着磁し、該磁極座６を介して各極の磁極組立体をロータヨーク３の周面に装着したものにおいて、前記磁極座６にはそのブロック材を軸方向に貫通する通風孔６ａを穿設し、回転電機の運転時に機内側に送風される冷却風の一部を回転子の端面側から磁極座６の通風孔６ａに流して永久磁石５から磁極座６に伝熱して来る永久磁石５の渦電流による発熱を除熱する。【選択図】図１

Description

本発明は、風力発電機などに適用する永久磁石式回転電機に関し、詳しくはそのロータヨークの周面上に配置した永久磁石の磁極構造に係わる。

永久磁石式回転電機の適用例として、風力発電用永久磁石同期発電機の風冷方式，および永久磁石の磁極構造が非特許文献１に紹介されている。この風力発電用発電機（ダイレクト駆動方式）には永久磁石をロータの周面に配置した表面磁石型（ＳＰＭ（Surface Permanent Magnet ）型）が採用されることが多い。

次に、風冷方式を採用した表面磁石型回転電機の概要構成を図４に示す。図４において、１は固定子のステータヨーク、２はステータヨーク１のティースに巻装した電機子コイル、３はステータヨーク１の内周側に空隙を隔てて対向配置した回転子のロータヨーク、４はロータヨーク３の周面上に並置配置した界磁磁極（永久磁石）、５はロータ軸、６はロータヨーク１をロータ軸５に支持するロータフレーム、７は前記固定子，回転子を収容したケーシング、７ａはケーシング７の周面上に配列した冷却フィン、８は軸受、９は機内風冷用の送風ファン、１０は機外側のアウターファン（風力発電装置では風車を利用）であり、回転電機の運転に伴い固定子，回転子に生じた発生熱（銅損，鉄損）を除熱するように、機内側には送風ファン９を通じてケーシング７の内方に冷却風Ａを通風し、ケーシング１の外周側にはアウターファン１０を通じて冷却フィン７ａに冷却風Ｂを送風するようにしている。

なお、図示例の風冷方式は、機内側，機外側にそれぞれ周囲の外気冷却風Ａ，Ｂを送風するようにした風冷方式を例示しているが、そのほかに機内送風用の送風ファンをロータ軸５の軸上に設けてケーシング７の内方に配置したもの、あるいは図示の送風ファン９とケーシング７の冷却風排出口との間に冷却器（熱交換器）を介装してダクト配管した閉ループ循環風冷方式のものなども知られている。

一方、前記の表面磁石型回転電機で、そのロータヨーク３の周面に配置した永久磁石については、一般にネオジム磁石などのエネルギー積が高い希土類系の永久磁石を用いていることは周知の通りである。

ところで、この希土類系の永久磁石は保磁力が非常に高く、また機械的には脆弱であるため着磁後に磁石を回転子のロータヨークに装着しようとすると、大きな吸引力によって磁石の取扱い，組立作業性が著しく悪化する。そこで、この磁極組立作業性の改善策として、各極ごとに永久磁石を無着磁状態で磁性ブロック材（鉄製）になる磁極座の上に搭載して接着剤などにより接合して一極分の磁極を構成し、この磁極単位で永久磁石の着磁を行った後に、前記磁極座を介して各極の磁極をロータヨークの周面に装着するようにした組立構造の永久磁石式回転電機が知られており（非特許文献１，特許文献１参照）、特に中形，大形の回転電機には従来からこのような磁極座付きの磁極構造が多く採用されている。

図５は上記の磁極構造を採用した表面磁石型回転電機における固定子，回転子を軸方向から見た略示構造図であり、図中における各極の磁極４は、磁性ブロック材（鉄製）になる磁極座６に無着磁状態の永久磁石５を搭載して接着剤などで接合した後に着磁を施した上で、この磁極４の磁極座６をロータヨーク３の周面に位置決めして装着している。

真下 明秀、他２名，「風力発電用永久磁石同期発電機」，富士電機技報，平成２５年３月３０日発行，Vol.８６，No.２，p.１２９−１３３

特開２００１−１１９８７８号公報

ところで、ネオジム磁石などの希土類系永久磁石には温度上昇に伴う不可逆熱減磁の問題があり、特に図５で示すように永久磁石５と磁極座６からなる磁極４をロータヨーク３の周面上に配列してステータヨーク１の内周側に対向配置した表面磁石型（ＳＰＭ型）では、運転時にステータのコイルスロットが作る脈動磁束（スロットリプル）が永久磁石５の表面に鎖交して渦電流が発生し、この渦電流による発熱（ジュール発熱）の影響により永久磁石５が昇温し、この高温状態で短絡等により大きな逆方向磁場が磁石にかかった場合に不可逆熱減磁を引き起こすおそれがある。また、不可逆熱減磁に至らなくても、永久磁石の温度特性から磁石の温度が高くなると磁束密度が低下し、回転電機の効率は低下することになる。

そのために、永久磁石式回転電機では、前記の渦電流による昇温を考慮してあらかじめ熱減磁に強い高保磁力の永久磁石を採用するか、機内に送風する冷却風量を増量するなどして永久磁石の昇温による熱減磁を防ぐことが必要となるが、高保磁力の磁石はエネルギー積が低くて磁束密度も低いため、回転機器の効率が低下する。一方、保磁力は低いがエネルギー積が高い磁石を冷却して低温域で使用する場合は、磁石の不可逆熱減磁を避けつつ効率の高い機器とすることが可能になる。

かかる点、図５に示した従来の磁極構造では、永久磁石５に対して機内に通風する冷却風（図４における冷却風Ａ）は、永久磁石５の表面とステータヨーク１との間の空隙空間、およびロータヨーク３の周面上に並ぶ各磁極４の極間空間１１を通風するだけで、永久磁石５から磁極座６を経てロータヨーク３に伝熱する放熱経路に対する冷却風Ａの冷却効果が充分に発揮されず、このために永久磁石５の温度が高温になりやすい。

本発明は上記の点に鑑みなされたものであり、その目的は永久磁石を装着してロータヨークの周面上に配置した磁極組立体の磁極座を巧みに利用して永久磁石の発生熱を効果的に風冷冷却できるように改良して磁石の熱減磁防止、および機器の効率向上が図れるようにした永久磁石式回転電機の磁極構造を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明によれば、ステータヨークの内周側に空隙を隔てて対向するロータヨークに対し、該ロータヨークの周面上に各磁極に対応する永久磁石の磁極を並置配列した表面磁石型の永久磁石式回転電機であって、前記磁極は永久磁石を磁性ブロック材になる磁極座に搭載し、該磁極座を介して各極の磁極組立体をロータヨークの周面に並置配列したものにおいて、
前記磁極座にはそのブロック材を軸方向に貫通する通風孔を穿設する（請求項１）。

前記構成において、磁極の磁極座は永久磁石と同等ないしそれ以上の幅を有し、かつ永久磁石の幅と磁極座に穿設した通風孔の開口幅との比率を１：０．５以下に設定する（請求項２）。

当該回転電機が軸方向に沿って機内に冷却風を流す送風手段を備えた風冷冷却方式である（請求項３）。

上記の構成により、回転電機の運転時には機内に送風される冷却風が各磁極に沿ってその周域に流れるとともに、冷却風の一部は各磁極の磁極座に穿設した通風孔に通風して永久磁石から磁極座に伝熱してくる発生熱（磁石の渦電流によるジュール発熱）を効率よく冷却，除熱して永久磁石に生じる熱減磁を効果的に抑えることができる。

また、これにより永久磁石を低い温度で使用することができるため、磁石を磁束密度が高い状態で利用でき、これにより回転電機の効率向上化が図れる。
さらに、永久磁石の幅と該磁石を搭載したブロック材の磁極座に穿設した前記通風孔の開口幅との比率を１：０．５以下に設定したことにより、永久磁石から磁極座を経由する磁路の磁気的飽和を抑えて、この磁気飽和の影響による永久磁石の動作点磁束密度の低下を防ぐことができる。

本発明の実施例による表面磁石型回転電機のロータ磁極構造を表す固定子，回転子を軸方向から見た模式図である。 図１における磁極の永久磁石幅と磁極座に穿設した通風孔の開口幅との比率関係を表す図である。 図１におけるロータヨークへの磁極の装着手段を表す図であって、（ａ），（ｂ）はそれぞれダブテール，ボルト締結による磁極の取付け構造図である。 風冷冷却方式を採用した表面磁石型回転電機の略示構成図である。 図１に対応する従来の磁極構造を表す模式図である。

以下、本発明の実施の形態を図１〜図３に示す実施例に基づいて説明する。なお、実施例の図中で図５に対応する部材には同じ符号を付してその説明は省略する。
すなわち、図示実施例の磁極４は基本的に図５に示した従来構造の磁極と同様に永久磁石５を磁性ブロック材（鉄製）になる磁極座６の上に搭載して着磁した構造であるが、本発明により前記磁極座６にはその磁性ブロック材を軸方向（回転電機の軸方向）に貫通する通風孔（丸孔）６ａが左右に並んで穿設されており、その通風孔６ａの両端は回転電機の機内空間に向け開放している。また、この回転電機は図４と同様な風冷冷却方式を採用し、機内側には回転軸方向に沿って冷却風を送風するようにしている。

上記の構成により、回転電機の運転時には機内に送風される冷却風（図４における冷却風Ａ）がステータヨーク１とロータヨーク３との間の空隙空間、およびロータヨーク３の周面上に配列した各磁極４の極間空間に流れて固定子，回転子を冷却するとともに、冷却風の一部は回転子の端面側から磁極４の磁極座６に穿設した前記通風孔６ａに流れて永久磁石５から磁極座６に伝熱して来る磁石の発熱を除熱する。

これにより、ステータのコイルスロットが作る脈動磁束（スロットリプル）の影響を受けて永久磁石５に発生する渦電流の発熱により永久磁石が不可逆熱減磁するのを効果的に防ぐことかできる。

また、永久磁石５を搭載した磁極座６は、永久磁石５の横幅ａと同幅，ないし若干広い幅を有し、ここで永久磁石５の幅ａと前記通風孔６ａの開口幅（２×ｂ）との比率が１：０．５以下（（２×ｂ）＜ａ×０．５）に設定されている。なお、図示例では通風孔６ａを丸孔として左右２箇所に分けているが、この通風孔６ａの孔形状，孔数はこれに限定されるものではない。

すなわち、永久磁石式回転電機に搭載する永久磁石５は、通常磁束密度１Ｔ（tesla）程度の動作点で設計しており、ここで磁極座６に穿孔した通風孔６ａの開口幅と永久磁石５の幅との比率を前記のように規定しておくことにより、この通風孔６ａの影響で永久磁石５から磁極座６を経由する磁路の磁気飽和を抑えて永久磁石の動作点磁束密度を設計値の許容範囲に収められることが磁気解析の結果からも確認されている。

次に、先記した磁極４（永久磁石５は着磁済）の組立体をロータヨーク３の周面上に装着する固定手段についての例を図３（ａ），（ｂ）に示す。すなわち、図３（ａ）では磁極座６の基部にダブテール状の係合突起６ｂを形成するとともに、これに対向してロータヨーク３には係合突起６ｂに対応するダブテール状の係合溝３ａを形成しておき、回転子の組立時に前記ダブテール状の係合突起６ｂを係合溝３ａに嵌着して磁極４を所定位置に固定する。また、図３（ｂ）の組立構造では、磁極４の磁極座６をロータヨーク３の外周面に突合せ、この状態でロータヨーク３の内周側から螺入した締結ボルト１２で所定位置に固定するようにしている。

１ ステータヨーク
２ 電機子コイル
３ ロータヨーク
４ 磁極
５ 永久磁石
６ 磁極座
６ａ 通風孔

Claims (3)

1. ステータヨークの内周側に空隙を隔てて対向するロータヨークに対し、該ロータヨークの周面上に各磁極に対応する永久磁石の磁極を並置配列した表面磁石型の永久磁石式回転電機であって、前記磁極は永久磁石を磁性ブロック材になる磁極座に搭載し、該磁極座を介して各極の磁極組立体をロータヨークの周面に並置配列したものにおいて、
   前記磁極座にはそのブロック材を軸方向に貫通する通風孔を穿設した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において、磁極の磁極座が永久磁石の幅と同等ないしそれ以上の幅を有し、かつ永久磁石の幅と磁極座に穿設した通風孔の開口幅との比率を１：０．５以下に設定したことを特徴とする永久磁石式回転電機。
3. 請求項１または２に記載の永久磁石式回転電機において、当該回転電機が軸方向に沿って機内に冷却風を流す送風手段を備えた風冷冷却方式であることを特徴とする永久磁石式回転電機。