JP4572647B2 - 永久磁石式回転電機及び風力発電システム - Google Patents

永久磁石式回転電機及び風力発電システム Download PDF

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Description

本発明は、永久磁石式回転電機及び風力発電システムに関する。
風力発電導入量が近年飛躍的に増加しており、ますます大容量化の要求が高まっている。大容量化を行う際には例え効率が高くとも、その損失は絶対値としては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するために回転電機体格を大きくした場合には、重量増となってしまう。風力発電の特性上、回転電機は地上約１００ｍ程度のタワー上部に設置されることから、重量物を１００ｍの高所に吊り上げる作業が必要となり、建設コスト低減のためには重量はできるだけ軽くすることが望ましい。
そこで、体格を小さくし発熱密度を上げる必要があるが、高い発熱密度は高い冷却性能を要求し、結果としてコスト増につながる。
また、これまであった永久磁石式回転電機では容量が小さいため冷却を問題にすることは無かった。
改善策としては、小容量の回転電機を多段接続する方法があるが、軸方向への増加は免れない。
特開２００１−１８６７４０号公報 特開平１０−３１８１２０号公報
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冷却性能を向上し体格を縮小することである。
本発明の永久磁石式回転電機は、上記課題を解決するために、固定子鉄心に分布巻が施されている固定子と、該固定子の中心に回転可能に設置され、かつ、回転子鉄心に永久磁石が設置されている回転子と、前記固定子及び回転子を冷却した冷却風を外気で冷やすエアクーラとを備え、前記固定子及び回転子の軸方向間には、径方向に延びる複数のダクトスペースが形成されている永久磁石式回転電機において、前記回転子のダクトスペースは、前記回転子鉄心の軸方向間に介在されたダクトピースにより形成され、このダクトスペースを形成するダクトピースにより前記永久磁石を軸方向に固定すると共に、前記回転子には、前記回転子のダクトスペースと連通する軸方向通風路が形成され、前記エアクーラで冷やされた冷却風が前記軸方向通風路に導かれ、かつ、該軸方向通風路に導かれた冷却風は、前記回転子及び固定子のダクトスペースを通り、前記エアクーラに循環することを特徴とする。
また、本発明の風力発電システムは、上記課題を解決するために、風車と接続され、風車ナセル内に設置された永久磁石式回転電機を備え、前記永久磁石式回転電機は、電力変換器を介して電力系統に接続されて発電運転を行う風力発電システムにおいて、前記永久磁石式回転電機は、上記構成の永久磁石式回転電機であることを特徴とする。
本発明によれば、永久磁石式回転電機及び風力発電システムの冷却効率を向上させることができる。
以下本発明の詳細を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。
図１は、本発明における永久磁石式回転電機の第１実施例である６極７２スロット永久磁石式発電機の端部断面図である。該当機は、数ＭＷ級の風力発電用発電機に適しており、１０００〜２０００rpmの回転数を許容する。固定子１は、固定子ティース１２にコイル１１を分布的に巻いた分布巻固定子となっている。コイル１１はＵＶＷの３相巻線が施されており７２スロットで６極が電気的に作られるように配置されている。またコイル１１は固定子ティース１２の間の固定子スロット１３に上コイル８，下コイル９のように配置されコイルエンド１０で構成されている。第一実施例においてコイル１１は全節巻と呼ばれる方式で巻かれており、固定子スロット１３に反時計回りに便宜的につけられた＃１から＃７２スロットのうち＃１スロットの下コイル９からでたコイル１１は、スロット数７２を極数６で除算した１２を足した、＃１３スロットの上コイル８に入るようになっている。これが周方向に続き３相巻線を形成している。固定子１の中心には回転子２が回転可能に配置されている。回転子２では永久磁石３が回転子鉄心２０の永久磁石スロット１４に納められており、回転子２に対して放射状に配置されている。また、回転子鉄心２０はスパイダ５を用いてシャフト６に接続されている。このスパイダ５によって作られる冷却ダクト７を通った冷却風は、回転子２の端面に配置されたダクトピース４で作られるラジアルダクト部を通りステータ側に通り抜けることにより、コイル１１を永久磁石式回転電機中心部より効果的に冷却することができ、発電機の発熱密度を上げることにより発電機体格低減を行うことができる。またダクトピース４は永久磁石３が軸方向に動くことを抑えることができ組み立て性を向上することができる。次に、図２を用いて冷却風の流れを説明する。
図２は本発明装置の第１実施例６極７２スロット永久磁石式回転電機の軸方向１／２断面図である。冷却風の流れ２３をみると、エアクーラ２１で外気２４によって冷やされた空気はシャフト６に接続されたファン２２によって、冷却ダクト７を通り、ダクトピース４によって作られたダクトスペース２５に抜け、エアクーラ２１に循環する。ダクトスペース２５を設けることで発電機中心部が効果的に冷却でき発電機の体格低減に寄与することができる。
また、第一実施例において、回転子２は、図３のようなアーク型磁石３１を用いた回転子３０や、図４のような平板磁石４１，４２を同じ極が向かい合うようにＶ字配置された回転子４０を用いてもよい。
また、第一実施例において冷却ダクト７はスパイダ５を用いずに図５，図６，図７に示す、通風孔５１，６１，７１を持つ回転子５０，６０，７０を用いてもよい。
次に、永久磁石スロット１４に永久磁石を固定する方法を図８，図９を用いて説明する。図８に示す例は、第一実施例の永久磁石３を二分割した永久磁石８２を永久磁石スロット８１に取り付けたガイド８３により固定するものであり、図９に示す例は、第一実施例の永久磁石３を二分割した永久磁石９２を永久磁石スロット９１に取り付け接着剤１０１により固定するものである。数ＭＷ級の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。このとき、大きな永久磁石を製作することが困難であるため、磁石分割方式を採用することで、永久磁石式回転電機の製作容易性を向上することができる。
図１０は、永久磁石回転子の回転子鉄心２０とスパイダ５の接続例を示すものである。該図に示す如く、スパイダ５にダブテール構造の突起１０２を設けることで、容易に回転子鉄心２０と接続することが可能となる。
図１１は、永久磁石３の挿入法を示すもので、永久磁石回転子に外周側開口部を設け、非磁性楔１０３にて永久磁石３を固定するものである。これにより、磁石端部の漏洩磁束低減と磁石固定を同時に行うことができる。
図１２は、回転子鉄心２０とスパイダ５の接続例を示すもので、回転子鉄心２０にダブテール構造の突起２０１を設け、スパイダ５に接続された磁石内周側の磁束短絡を防止するための非磁性金属部材２０２を、回転子鉄心２０のダブテール構造の突起２０１に固定することで、容易に回転子鉄心２０と接続することが可能となる。
図１３は、非磁性楔１０３を用いたときの永久磁石の固定法を示すものである。本例は、磁石分割方式を採用し、永久磁石１３１，１３２を磁石挿入孔に並べ、さらに永久磁石１３１と１３２の間に固定用コッタ１３３を挿入することにより、永久磁石１３１，１３２は、磁石挿入孔内で非磁性楔１０３により固定することができる。
図１４は、永久磁石回転子に内周側開口部を設けた際の回転子鉄心２０とシャフト６の接続例を示すもので、内周側開口部に非磁性楔１４１を挿入し、この非磁性楔１４１で永久磁石３を固定するものである。非磁性楔１４１は、スパイダ１４２を介しシャフト６に接続され、これにより、磁石端部の漏洩磁束低減と磁石固定を同時に行うことができる。
図１５は、永久磁石回転子に内周側開口部を設けた際の回転子鉄心２０とシャフト６の接続例を示すもので、内周側開口部に非磁性楔１４１を挿入し、永久磁石３を固定するものである。回転子鉄心２０は、スパイダ１５１を介しシャフト６に接続され、これにより磁石端部の漏洩磁束低減と磁石固定を同時に行うことができ、なおかつ金属部材同士の接続が容易となる。
図１６は、本発明の第二実施例である６極７２スロット永久磁石式回転電機の発電機端部断面図である。固定子１００は、固定子ティース１２にコイル１１を分布的に巻いた分布巻固定子となっている。コイル１１はＵＶＷの３相巻線が施されており７２スロットで６極が電気的に作られるように配置されている。またコイル１１０は固定子ティース１２の間の固定子スロット１３に上コイル８，下コイル９のように配置されコイルエンド１０で構成されている。第一実施例においてコイル１１は短節巻と呼ばれる方式で巻かれており、固定子スロット１３に反時計回りに便宜的につけられた＃１から＃７２スロットのうち＃１スロットの下コイル９からでたコイル１１はスロット数７２を極数６で除算した
１２よりも少ない１０を足し、＃１１スロットの上コイル８に入るようになっている。これが周方向に連続し３相巻線を形成している。第一実施例の固定子１の変わりに第二実施例固定子１００を用いてもこれまで述べてきた効果を得ることができる。
図１７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。第一実施例及び第二実施例で示した回転電機１１１は、風車１１４と増速ギア１１３を介して接続され、風車ナセル１１２内に設置される。更に、回転電機１１１は、電力系統１１６と電力変換器１１５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１１４と回転電機１１１は、直結することも可能である。
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。
回転電機の実施方法を示した説明図である。（実施例１） 回転電機の実施方法を示した説明図である。（実施例１） 回転電機の実施方法を示した説明図である。（実施例１） 回転電機の実施方法を示した説明図である。（実施例１） 回転電機の実施方法を示した説明図である。（実施例１） 回転電機の実施方法を示した説明図である。（実施例１） 回転電機の実施方法を示した説明図である。（実施例１） 回転電機の実施方法を示した説明図である。（実施例１） 回転電機の実施方法を示した説明図である。（実施例１） 回転電機の実施方法を示した説明図である。（実施例１） 回転電機の実施方法を示した説明図である。（実施例１） 回転電機の実施方法を示した説明図である。（実施例１） 回転電機の実施方法を示した説明図である。（実施例１） 回転電機の実施方法を示した説明図である。（実施例１） 回転電機の実施方法を示した説明図である。（実施例１） 回転電機の実施方法を示した説明図である。（実施例２） 回転電機の実施方法を示した説明図である。（実施例３）
符号の説明
１，１００…固定子、２，３０，５０，６０，７０…回転子、４…ダクトピース、５…スパイダ、６…シャフト、７…冷却ダクト、８…上コイル、９…下コイル、１０…コイルエンド、１１…コイル、１２…固定子ティース、１３…固定子スロット、１４…永久磁石スロット、２０…回転子鉄心、２１…エアクーラ、２２…ファン、２３…冷却風の流れ、２４…外気、２５…ダクトスペース、３１…アーク型磁石、４１，４２…平板磁石、５１，６１，７１…通風孔、８２，９２…永久磁石、８３…ガイド、１０１…接着剤、１０２…突起、１０３…非磁性楔、１１１…回転電機、１１４…風車、１１３…増速ギア、１１２…風車ナセル、１１５…電力変換器。

Claims (9)

  1. 固定子鉄心に分布巻が施されている固定子と、該固定子の中心に回転可能に設置され、かつ、回転子鉄心に永久磁石が設置されている回転子と、前記固定子及び回転子を冷却した冷却風を外気で冷やすエアクーラとを備え、前記固定子及び回転子の軸方向間には、径方向に延びる複数のダクトスペースが形成されている永久磁石式回転電機において、
    前記回転子のダクトスペースは、前記回転子鉄心の軸方向間に介在されたダクトピースにより形成され、このダクトスペースを形成するダクトピースにより前記永久磁石を軸方向に固定すると共に、前記回転子には、前記回転子のダクトスペースと連通する軸方向通風路が形成され、前記エアクーラで冷やされた冷却風が前記軸方向通風路に導かれ、かつ、該軸方向通風路に導かれた冷却風は、前記回転子及び固定子のダクトスペースを通り、前記エアクーラに循環す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において、
    前記軸方向通風路は、シャフトから径方向に放射状に複数延びて前記回転子鉄心を固定するスパイダの周方向間で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１に記載の永久磁石式回転電機において、
    前記軸方向通風路は、前記回転子鉄心の軸方向に形成された複数の通風孔で形成されてい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において、
    前記軸方向通風路に冷却風を導くファンが、前記回転子鉄心の軸方向端部のシャフトに設置されていることを特徴とする永久磁石式回転電機。
  5. 請求項１に記載の永久磁石式回転電機において、
    前記永久磁石は、前記回転子鉄心の周方向に設置されたアーク型磁石であることを特徴とする永久磁石式回転電機。
  6. 請求項１に記載の永久磁石式回転電機において、
    前記永久磁石は、同じ極が向かい合うようにＶ字型に前記回転子鉄心に設置された平板磁石であることを特徴とする永久磁石式回転電機。
  7. 請求項１に記載の永久磁石式回転電機において、
    一つの前記永久磁石が分割されていることを特徴とする永久磁石式回転電機。
  8. 請求項２に記載の永久磁石式回転電機において、
    前記回転子鉄心は、前記スパイダに形成されたダブテール構造の突起により前記シャフトに固定されていることを特徴とする永久磁石式回転電機。
  9. 風車と接続され、風車ナセル内に設置された永久磁石式回転電機を備え、前記永久磁石式回転電機は、電力変換器を介して電力系統に接続されて発電運転を行う風力発電システムにおいて、
    前記永久磁石式回転電機は、請求項１乃至８の何れかに記載の永久磁石式回転電機であることを特徴とする風力発電システム。
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