JP2016165196A - 回転電機の回転子およびそれを備えた回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】回転子鉄心内径を必要以上に増加させることなくマグネットトルクを増加させることができ、発電機の軽量化や小型化を図ることができるようにすること。【解決手段】実施形態の回転電機の回転子１２は、回転子鉄心表面に回転子径方向に磁化した永久磁石１０ａ，１０ｂを配置するとともに、回転子鉄心内部において永久磁石１０ａ，１０ｂに対向する位置に永久磁石１０ａ，１０ｂと同一極性方向に磁化した概略凹字形状を成す複数個の永久磁石１４ａ，１４ｂ，１４ｃを配置したものである。【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、回転電機の回転子およびそれを備えた回転電機に関する。

大容量発電機等の回転電機においては、発電機体格は発電機の回転数に反比例することが知られている。風力などの自然エネルギーを動力源とした回転電機では、タービン翼などにより自然エネルギーを回転エネルギーに変換するが、タービン翼によって得られた回転エネルギーを直接発電機に伝達する場合など回転速度は低速となり発電機体格が大型になる傾向にある。風力などの発電機重量および体格はナセルやタワーの製造・建設費用に影響を与えることから軽量・小型化が求められている。

従来、風力発電システムとしては図９に示すような構成のものがあり、主な要素として、ナセル１、風車翼２、およびタワー３を備えている。

ナセル１は、タワー３の頂部に取り付けられ、図１０に示されるように、回転電機４を収容するほか、回転電機４に搭載された発電機から発生される電力に対して電圧調整や周波数調整を行う電力調整部６などを収容している。電力調整部６により調整された後の電力は、ケーブルＣを通じてタワー３の内側を通り負荷系統に供給される。

風車翼２は、ナセル１内の回転電機４の回転軸７に直結または図示しない増速機を介して取り付けられた翼軸（ブレード軸）２Ａと、この翼軸２Ａの周囲に取り付けられた複数の風車翼本体２Ｂとから成る。

タワー３は、地面に設置され、ナセル１を支持する。タワー３の内側には電力を伝達するケーブルＣが設けられている。ケーブルＣは、ナセル１側からタワー３の内側を通って下方に導かれ、地面近傍にてタワー３の外側へと導かれる。

このような構成において、風力により風車翼２が回転すると、その回転力が風車翼２の翼軸２Ａからナセル１内に設置された回転電機４の回転軸７へと伝わり、回転電機４に搭載された発電機により発電が行なわれる。回転電機４の発電機から発生した電力は、電力調整部６により調整された後、ケーブルＣを通じてナセル１からタワー３を通り、タワー３の外側へ送り出される。
図１０では電力調整部６をナセル内に配置される場合が例示されているが、ナセル１またはタワー３の構造上、電力調整部６を地上に配置する場合がある。

図１１は、回転電機を構成する発電機の電機子１１および回転子１２を回転軸７に対して垂直に切断した見た場合の一部断面形状を示す断面図である。ここでは、円環形状の部分を直線状に展開して示している。

図１１に示されるように、電機子１１は、電機子鉄心２０に設けた複数のスロットに電機子巻線９を収納してなる。電機子１１の内周側には、ギャップＧを介して回転子１２が配置されている。回転子１２は、回転子鉄心１３の回転子鉄心外径表面に回転子外径方向に磁化された永久磁石１０を備え、回転子鉄心１３と永久磁石１０とにより磁極を構成している。

図１１のように回転子鉄心表面に永久磁石を配置した表面磁石型の回転機は、永久磁石の電機子鎖交磁束の変化によって発生するマグネットトルクを利用した回転電機であり、サーボモータなどで広く採用されている。

特開２０１０−２７９１５７号公報

風力発電機では、上記発電機の軽量・小型化に加え、運転時における騒音低減が求められている。表面磁石型の発電機は、永久磁石の透磁率が空気と同程度のため、回転子鉄心外径と固定子鉄心内径が電気的なギャップとなり騒音の原因となるトルク脈動を低減する効果があることから、風力発電において採用される場合がある。

表面磁石型の発電機においては、発電機の軽量・小型化を図る施策として、回転子表面に配置した永久磁石の幅（回転子周方向）または厚さ（回転子径方向）の増加、より磁束密度の高い永久磁石材料の採用などが考えられる。

しかしながら、大容量の低速風力発電機では、定格電源周波数を確保するため極数が多く、永久磁石の幅を増加させる場合には回転子外径を大きくする必要があり、結果として発電機全体の体格が大きくなり、輸送制限が問題となる。

永久磁石の厚さを増加させることで小型化は図れるが、一定の厚さ以上では永久磁石の作る磁束量は変わらなくなり、永久磁石の幅を増加させる場合よりも効果が小さい。

また、より磁束密度の高い永久磁石材料を採用する場合、一般的に外部磁界または高温条件に対する永久磁石の保磁力が低くなることから、減磁が発生するリスクが高くなる可能性がある。

一方で、マグネットトルクを増加させることで軽量・小型化を図ることが考えられる。

図１２は、マグネットトルクを増加させるための回転電機の回転子の構成の一例を示す図である。図１２の構成では、マグネットトルクを増加させるために、回転子鉄心１３にＶ字型の永久磁石１４ｂを配置しており、車載用モータなどの回転子径の小さい回転機においては有効であると考えられる。

しかしながら、大容量の低速風力発電機においては回転子径が数ｍ以上となり、回転子鉄心１３の内外径の弧長比率が小さくなるため、永久磁石配置をＶ字型とすると、回転子鉄心内径を必要以上に小さくする必要があり、発電機重量の増加を招くという問題がある。

本発明が解決しようとする課題は、回転子鉄心内径を必要以上に増加させることなくマグネットトルクを増加させることができ、発電機の軽量化や小型化を図ることができる回転電機の回転子およびそれを備えた回転電機を提供することにある。

実施形態によれば、回転子鉄心表面に回転子径方向に磁化した永久磁石を配置するとともに、回転子鉄心内部において前記永久磁石に対向する位置に前記永久磁石と同一極性方向に磁化した概略凹字形状を成す複数個の永久磁石を配置したことを特徴とする回転電機の回転子が提供される。

本発明によれば、回転子鉄心内径を必要以上に増加させることなくマグネットトルクを増加させることができ、発電機の軽量化や小型化を図ることができる。

第１の実施形態に係る回転電機の回転子の主要部の概略構成を示す斜視図。 同実施形態に係る回転電機の電機子および回転子の一部断面形状を示す断面図。 図２に示す永久磁石１０ａ，１０ｂの配置で生じるトルク波形を示す概念図。 第２の実施形態に係る回転電機の電機子および回転子の一部断面形状を示す断面図。 第３の実施形態に係る回転電機の電機子および回転子の一部断面形状を示す断面図。 第４の実施形態に係る回転電機の電機子および回転子の一部断面形状を示す断面図。 第５の実施形態に係る回転電機の電機子および回転子の一部断面形状を示す断面図。 第６の実施形態に係る回転電機の電機子および回転子の一部断面形状を示す断面図。 風力発電システムの概略構成の一例を示す斜視図。 図９の風力発電システムにおけるナセルの内部構成の一例を示す概念図。 従来の回転電機の電機子および回転子の一部断面形状を示す断面図。 従来の回転電機の回転子の断面形状を示す断面図。

以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
最初に、第１の実施形態について説明する。

なお、本実施形態に係る風力発電システムの概略構成やナセルの内部構成、図９および図１０を用いて説明したものと同様となるため、ここではその説明を省略する。以下、本実施形態に係る回転電機に関して、従来と異なる部分を中心に説明する。

図１は、第１の実施形態に係る回転電機の回転子１２の主要部の概略構成を示す斜視図である。一方、図２は、同実施形態に係る回転電機の電機子１１および回転子１２を回転軸に対して垂直に切断した見た場合の一部断面形状を示す断面図である。ここでは、円環形状の部分を直線状に展開して示している。

回転子１２は、図１に示されるように、回転軸７の周りに周方向に配置したスポーク８と、圧延鋼材または電磁鋼板などの磁性材からなる回転子鉄心１３と、永久磁石１０ａ，１０ｂ，１４ａ，１４ｂ，１４ｃと、スロット１５ａ，１５ｂ，１５ｃとを有する。

ここで、回転子鉄心１３は、回転軸から伸びるスポーク８の外周方向に配置され、回転子鉄心表面にエポキシ樹脂系などの接着剤で永久磁石１０ａ，１０ｂを固定し、回転子鉄心１３に設けた概略凹形状のスロット１５ａ，１５ｂ，１５ｃにそれぞれ永久磁石１４ａ，１４ｂ，１４ｃを挿入して回転子磁極を構成している。

概略凹形状のスロット１５ａ，１５ｂ，１５ｃに挿入された永久磁石１４ａ，１４ｂ，１４ｃおよび永久磁石１０ａ，１０ｂは、１グループとして１つの磁極を形成しており、こうしたグループが、複数（例えば約１６０個）、回転子周方向に隣り合うように配置され、複数の磁極を形成している。

また、図２に示されるように、電機子１１は、電機子鉄心２０に設けた複数のスロットに電機子巻線９を収納してなる。回転子１２は、電機子１１の内周側にギャップＧを介して設けられる。この回転子１２は、回転子鉄心１３の回転子鉄心表面に回転子径方向に磁化した永久磁石１０ａ，１０ｂを配置するとともに、回転子鉄心内部において永久磁石１０ａ，１０ｂに対向する位置に永久磁石１０ａ，１０ｂと同一極性方向に磁化した概略凹字形状を成す複数個の永久磁石１４ａ，１４ｂ，１４ｃを配置したものとなっている。回転子鉄心表面に配置した永久磁石１０ａ，１０ｂと、概略凹字形状を成す永久磁石１４ａ，１４ｂ，１４ｃとは、回転子周方向の幅が略同じである。

このように本実施形態では、回転子表面に永久磁石を配置するだけでなく、回転子鉄心に設けた複数のスロットからなる概略凹形状のスロットにそれぞれ永久磁石を配置するようにしているので、より多くの永久磁石を配置することが可能となり、回転子鉄心内径を必要以上に増加させることなく軸断面あたりのマグネットトルクを増加させることができ、発電機の軽量化や小型化や小型化を図ることができる。

また、本実施形態においては、図１および図２からわかるように、回転子鉄心表面に配置される永久磁石は、２つの永久磁石１０ａ，１０ｂの位置を互いに回転子周方向にずらしてスキューを施した形態となっている。この場合、図１および図２のように２つの永久磁石に限るのでなく、３つ以上の永久磁石により複数段にずらして配置するようにしてもよい。

一般に、永久磁石をスキューすると、電機子電流位相または電機子スロット形状起因などによる騒音の原因となるトルク脈動を低減することが可能となるが、すべての永久磁石をスキューするとトルクが低下するため、発電機体格を大きくしなければならなくなる。そこで、本実施形態では、トルク脈動低減に効果のある鉄心表面に配置した永久磁石１０ａ，１０ｂの少なくとも一方のみをスキューさせる。

図３は、図２に示す永久磁石１０ａ，１０ｂの配置で生じるトルク波形を示す概念図である。

図３の概念図のグラフにおいて、横軸は永久磁石１極分を０〜１８０［ｄｅｇ］とする電気角を示し、縦軸は永久磁石１０ａ，１０ｂの磁石配置で生じる各トルクを示している。

図３の波形からわかるように、永久磁石１０ａのトルク波形と、永久磁石１０ｂの磁石配置で生じるトルク波形とは、互いに位相が例えば概略１５［ｄｅｇ］ずれている。このため、双方の波形が足し合わされることにより、トルク脈動が小さくなる（但し、実際には、双方のトルク波形は位相が正確に１５［ｄｅｇ］ずれた形とはならず、磁石位置によって波形が異なる。そのため、双方の波形が足し合わされることで脈動が完全に無くなるわけではない）。

このように、本実施形態では、トルク脈動低減に効果のある鉄心表面に配置した永久磁石のみをスキューさせることにより、トルク脈動を低減しつつ発電機体格増加を抑制することが可能となる。

また、もし回転子鉄心に配置される永久磁石１４ａ，１４ｂ，１４ｃもスキューするとなると、スキュー段数に応じて、回転子鉄心１３の鋼板を途中まで積層した後、永久磁石１４ｂを挿入し、その後、回転子周方向にずらした回転子鉄心１３の鋼板を積層するということを複数回繰り返すことになるため、製造工数が増加してしまうが、本実施形態では、そのようにはせず、スキューを容易に行うことが可能な回転子鉄心表面の永久磁石１０ａ，１０ｂの少なくとも一方のみをスキューし、回転子鉄心１３に設けたスロット１５ａ，１５ｂ，１５ｃを同一軸に配置しているため、回転子鉄心１３の鋼板を全長積層した後に永久磁石１４ａ，１４ｂ，１４ｃを挿入することが可能となり、製造工数を削減することが可能となる。

更に、本実施形態では、永久磁石１４の保守交換作業において、回転子鉄心１３を分解することなく容易に永久磁石１４を取り外すことが可能となるので、保守性の面でも有益である。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について説明する。以下では、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。

図４は、第２の実施形態に係る回転電機の電機子１１および回転子１２を回転軸に対して垂直に切断した見た場合の一部断面形状を示す断面図である。ここでは、円環形状の部分を直線状に展開して示している。

この第２の実施形態が前述の第１の実施形態と異なるところは、２つの永久磁石１０ａ，１０ｂを、スキューの無い１つの永久磁石１０にした点である。

すなわち、本実施形態では、回転子１２は、回転子鉄心１３の回転子鉄心表面に回転子径方向に磁化した永久磁石１０を配置するとともに、回転子鉄心内部において永久磁石１０に対向する位置に永久磁石１０と同一極性方向に磁化した概略凹字形状を成す複数個の永久磁石１４ａ，１４ｂ，１４ｃを配置したものとなっている。回転子鉄心表面に配置した永久磁石１０と、概略凹字形状を成す永久磁石１４ａ，１４ｂ，１４ｃとは、回転子周方向の幅が略同じである。

第２の実施形態は、第１の実施形態のように回転子表面に配置する永久磁石についてスキューを施していないため、製造工数を削減することが可能となる。また、第１の実施形態の場合と同様、回転子鉄心に設けた複数のスロットからなる概略凹形状のスロットにそれぞれ永久磁石を配置するようにしているので、より多くの永久磁石を配置することができ、回転子鉄心内径を必要以上に増加させることなく軸断面あたりのマグネットトルクを増加させることができ、発電機の軽量化や小型化や小型化を図ることができる。

（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態について説明する。以下では、第２の実施形態と異なる部分を中心に説明する。

図５は、第３の実施形態に係る回転電機の電機子１１および回転子１２を回転軸に対して垂直に切断した見た場合の一部断面形状を示す断面図である。ここでは、円環形状の部分を直線状に展開して示している。

この第３の実施形態が前述の第２の実施形態と異なるところは、回転子鉄心１３の外周面にテーパ状の角部を有するスロット１６を設け、このスロット１６に、テーパ形状の角部を有する台形の永久磁石１０Ａを挿入して回転子磁極を構成している点である。

一般に、風力発電機の運転時や短絡事故時に電磁振動や電磁力の影響を受けると、回転子鉄心表面に配置した永久磁石が回転子鉄心から脱落する可能性があるが、本実施形態によれば、機械的に永久磁石１０Ａを回転子鉄心１３に固定することができるので、長期に渡って信頼性を確保することができる。

また、本実施形態によれば、永久磁石形状を台形としていることから、回転子鉄心表面に配置した永久磁石１０Ａの作るギャップＧの磁束密度分布が永久磁石端部で滑らかに変化し、騒音の原因となるコギングトルクやトルク脈動を低減することができる。

なお、本実施形態において永久磁石形状は台形としているが、永久磁石形状を蒲鉾型または回転子外径側の永久磁石角部を角落しした形状とした場合も、同様の効果が得られる。

（第４の実施形態）
次に、第４の実施形態について説明する。以下では、第２の実施形態と異なる部分を中心に説明する。

図６は、第４の実施形態に係る回転電機の電機子１１および回転子１２を回転軸に対して垂直に切断した見た場合の一部断面形状を示す断面図である。ここでは、円環形状の部分を直線状に展開して示している。

この第４の実施形態が前述の第２の実施形態と異なるところは、回転子鉄心１３に設けていたスロット１５ｂおよび永久磁石１４ｂ、ならびにスロット１５ｃおよび永久磁石１４ｃを、それぞれ隣の磁極のもの一体化し、スロット１５ｄおよび永久磁石１４ｄとして形成している点である。この場合、回転子周方向に複数配置されるスロット１５ｄおよび永久磁石１４ｄは、それぞれ、回転子径方向に概略平行となるように配置される。

本実施形態によれば、回転子鉄心に設けるスロット数を低減することができ、永久磁石を挿入する作業工数を低減することが可能となる。

また、回転子鉄心内の内径側に配置した永久磁石１４ｄの幅を第２の実施形態より広げることで、マグネットトルクを増加させることができ、発電機をより小型化することが可能となる。

（第５の実施形態）
次に、第５の実施形態について説明する。以下では、第２の実施形態と異なる部分を中心に説明する。

図７は、第５の実施形態に係る回転電機の電機子１１および回転子１２を回転軸に対して垂直に切断した見た場合の一部断面形状を示す断面図である。ここでは、円環形状の部分を直線状に展開して示している。

この第５の実施形態が前述の第２の実施形態と異なるところは、回転子鉄心に設けたスロット１５ａ，１５ｂ，１５ｃに挿入する永久磁石１４ａ，１４ｂ，１４ｃを、回転子鉄心表面に配置する永久磁石よりも保磁力が低い永久磁石１４ｅ，１４ｆ，１４ｇとしている点である。

本実施形態によれば、回転子鉄心表面に配置する永久磁石１０についてのみ、保磁力を一定以上高く保つようにすることで、電機子電流磁束による永久磁石の減磁を抑制しつつ、レアアース使用量を低減し、低コスト化を図ることが可能となる。

また、永久磁石は同一形状で比較すると、保磁力の低い永久磁石のほうが磁束密度は高くなるため、回転子鉄心スロットに同一寸法の永久磁石を挿入した場合、１極あたりの磁束量が増え、マグネットトルクが増加するので、発電機のさらなる軽量・小型化を図ることが可能となる。

（第６の実施形態）
次に、第６の実施形態について説明する。以下では、第３の実施形態と異なる部分を中心に説明する。この第６の実施形態は、前述の第３の実施形態（図５）の変形例である。

図８は、第６の実施形態に係る回転電機の電機子１１および回転子１２を回転軸に対して垂直に切断した見た場合の一部断面形状を示す断面図である。ここでは、円環形状の部分を直線状に展開して示している。

この第５の実施形態が前述の第３の実施形態（図５）と異なるところは、回転子鉄心１３の外周面に設けたテーパ状のスロット１５ｂに挿入する台形の永久磁石１０Ａを、回転子外径側の永久磁石角部を角落しした永久磁石１０Ｂとしている点である。

本実施形態によれば、第３の実施形態の効果に加え、発電機騒音の原因となるトルク脈動をさらに低減できる効果が得られる。また、永久磁石形状を蒲鉾型とした形状でも同様の効果が得られる。

以上詳述したように、各実施形態によれば、回転子鉄心内径を必要以上に増加させることなくマグネットトルクを増加させることができ、発電機の軽量化や小型化を図ることができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…ナセル、２…風車翼、２Ａ…翼軸（ブレード軸）、２Ｂ…風車翼本体、３…タワー、４…回転電機、５…発電機、６…電力調整部、７…回転軸、８…スポーク（支持部材）、９…電機子巻線、１０…永久磁石、１１…電機子、１２…回転子、１３…回転子鉄心、１４…永久磁石、１５…スロット、１６…スロット、２０…電機子鉄心、Ｃ…ケーブル、Ｇ…ギャップ。

Claims (11)

1. 回転子鉄心表面に回転子径方向に磁化した永久磁石を配置するとともに、回転子鉄心内部において前記永久磁石に対向する位置に前記永久磁石と同一極性方向に磁化した概略凹字形状を成す複数個の永久磁石を配置したことを特徴とする回転電機の回転子。
2. 前記回転子鉄心表面に配置した永久磁石と、前記概略凹字形状を成す複数個の永久磁石とは、回転子周方向の幅が略同じであることを特徴とする請求項１に記載の回転電機の回転子。
3. 前記概略凹字形状を成す複数個の永久磁石は、３個の永久磁石で構成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の回転電機の回転子。
4. 前記回転子鉄心表面に配置した永久磁石は、互いに位置が回転子周方向にずれた複数の部分からなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の回転電機の回転子。
5. 前記回転子鉄心表面に配置した永久磁石は、その一部が回転子鉄心表面下に埋め込まれていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の回転電機の回転子。
6. 前記回転子鉄心表面に配置した永久磁石は、回転子鉄心表面下に埋め込まれた部分がテーパ状の角部を有することを特徴とする請求項５に記載の回転電機の回転子。
7. 前記回転子鉄心表面に配置した永久磁石は、台形の形状を成していることを特徴とする請求項６に記載の回転電機の回転子。
8. 前記概略凹字形状を成す複数個の永久磁石は、その隣に配置される概略凹字形状を成す複数個の永久磁石との間で、隣接する永久磁石どうしが一体化していることを特徴とする請求項１乃至７のいずか１項に記載の回転電機の回転子。
9. 前記概略凹字形状を成す複数個の永久磁石は、前記回転子鉄心表面に配置した永久磁石よりも保磁力が低いことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の回転電機の回転子。
10. 前記回転子鉄心表面に配置した永久磁石は、電機子側に角落とし部を有するか若しくは蒲鉾型の形状を成していることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の回転電機の回転子。
11. 請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の回転子と、この回転子の周りにギャップを介して配置される電機子とを備えたことを特徴とする回転電機。