JP5250692B2 - 永久磁石式回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、永久磁石式回転電機に係り、特に、回転方向が常時一方向に限定される発電機や電動機に好適な永久磁石式回転電機に関する。

近年、回転電機の各分野に永久磁石式回転電機の採用が飛躍的に増加している。そして、永久磁石式回転電機の単機容量増加による経済性の向上のために、小型で大容量の永久磁石式回転電機の需要が高まっている。しかしながら、永久磁石式発電機を小型で大容量化しようとすると、発熱量が増加するので、特許文献１の図１に示すように、各磁極間に冷却用通風路を形成した永久磁石式回転電機が提案されている。

各磁極間に冷却用通風路を形成することで、発熱量は抑制でき、その分、永久磁石式回転電機を小型化することができる。しかしながら、各磁極間に冷却用通風路を形成することで、各磁極への磁束の集中が顕著になり、これがトルク脈動を増加させ、振動や騒音の増加させることになる。

この磁極への磁束の集中を低減させるためには、特許文献１の図１４及び図１５に示すように、磁極の外周面と固定子との空隙を、磁極の中心部に比べて周方向両端部側で大きくすることで、磁束の集中を緩和し、トルク脈動減少させている。

特開２００８−１３１８１３号公報

上記特許文献１による永久磁石式回転電機においては、トルク脈動減少させることは可能である。

一方、常に一方向にのみ回転する永久磁石式回転電機においては、両方向回転する回転電機に比べて磁極への磁束の集中が、回転方向の一方側に限定される。

しかしながら、常に一方向にのみ回転する永久磁石式回転電機において、永久磁石を有する（永久磁石が埋設されている）側の磁極周面の回転方向の一方側に集中する磁束を低減させる技術は存在しない。その理由は、永久磁石式回転電機においては、磁極の周面近傍に永久磁石を埋設しているために、磁極周面の形状を変化さて固定子との空隙を広くしようとすると、永久磁石の埋設位置周りの回転子鉄心が薄くなり、運転時の遠心力や電磁力に対して永久磁石を保持する機械的強度の確保が難しくなる可能性があるからである。

本発明の目的は、トルク脈動の原因となる磁極周面の回転方向の一方側に集中する磁束を低減させることができると共に、機械的強度の確保が行える永久磁石式回転電機を提供することである。

上述の目的を達成するために、本発明では、各磁極の外周を同じ曲率を有する円弧で形成すると共に、各磁極の磁極中心軸を回転子の回転中心に対して変位させて固定子と各磁極外周との空隙を回転方向の一方側を他方側に比べて広くしたのである。

このように、各磁極の外周を同じ曲率を有する円弧とし、各磁極の磁極中心軸を回転子の回転中心に対して変位させて形成することで、永久磁石の埋設位置周りの回転子鉄心を薄くする必要がなくなるので、運転時の遠心力や電磁力に対して永久磁石を保持する機械的強度を確保できると共に、固定子と各磁極外周との空隙を回転方向の一方側を他方側に比べて広くしたので、磁束の集中を緩和することができる。

以上説明したように本発明によれば、トルク脈動の原因となる磁極周面の回転方向の一方側に集中する磁束を低減させることができると共に、機械的強度の確保が行える永久磁石式回転電機を得ることができる。

本発明による永久磁石式回転電機の第１の実施の形態を示す永久磁石式発電機の概略縦断面図。 図１のＡ−Ａ線に沿う回転子の縦断拡大図。 図２に示す回転子の磁極の拡大図。 第１の実施の形態による永久磁石式発電機のトルク波形図。 第１の実施の形態の変形例を示す回転子の一部正面図。 第１の実施の形態の変形例による永久磁石式発電機のトルク波形図。 本発明による永久磁石式回転電機の第２の実施の形態を示す図２相当図。 図７に示す回転子の磁極の拡大図。 本発明による永久磁石式回転電機の第３の実施の形態を示す図２相当図。 第３の実施の形態の第１の変形例を示す回転子の正面図。 第３の実施の形態の第２の変形例を示す回転子の正面図。 本発明による永久磁石式回転電機の第４の実施の形態を示す図２相当 本発明による永久磁石式回転電機の第５の実施の形態を示す図２相当 本発明による永久磁石式回転電機の第６の実施の形態を示す図１相当図。 本発明による永久磁石発電機を適用した風力発電システムを示す概略図。

発明を実施するための形態

以下本発明による永久磁石式回転電機の第１の実施の形態を、図１〜図３に示す永久磁石式発電機に基づいて説明する。

永久磁石式発電機１は、原動機に連結され回転自在に軸支された回転軸２と、この回転軸２に固定された回転子３と、その外周に空隙を介して配置された固定子４とを備えている。

前記回転子３は、電磁鋼板を軸方向に積層して構成された回転子鉄心５と、この回転子鉄心５の外周側に埋設した永久磁石６と、この回転子鉄心５に軸方向に延在し周方向に間隔をあけて偶数形成した冷却用通風溝７とを備えている。前記永久磁石６は、周方向に隣接する前記冷却用通風溝７間の回転子鉄心５の外周側に埋設されて偶数の磁極８を構成している。

一方、固定子４は、前記回転子鉄心５と空隙を介して設置され電磁鋼板を軸方向に積層して構成された固定子鉄心９と、この固定子鉄心９の内径側に形成した軸方向の巻線溝（図示せず）に装着された固定子巻線１０とを有している。

そして、前記磁極８は、図３に破線で示すように、回転子３の回転中心１１を中心とする曲率（半径）で、固定子４との空隙が等しい外周８ｓを有する磁極８Ａの磁極中心軸１２Ａを、回転子鉄心５の内径側を中心として回転方向Ｒとは逆方向ＲＡに傾斜変位させた位置に、云い代えれば、磁極中心軸１２Ａを回転子３の回転中心１１に対して変位させた位置に磁極中心軸１２を移動させた磁極８を形成している。

このように磁極８を形成することで、その外周８Ｓは、固定子４との空隙が、回転方向Ｒとは反対側は広くなり、回転方向Ｒ側に行くにしたがい漸減するようになる。

したがって、各磁極８の回転方向Ｒとは反対側に集中する磁束の集中を広くなった空隙によって緩和することができ、その結果、磁束集中によるトルクの脈動を減少させることができる。

因みに、図３の破線で示す磁極８Ａの形状（従来例）と、図３の実践で示す変位させて形成した本実施の形態により磁極８の形状とのトルク脈動を計測したところ、図４のトルク波形に示すように、本実施の形態によるトルク脈動は従来例に比べて約３割減少していることが確認された。

さらに、磁極中心軸１２を変位させた磁極８の構成としても、回転子３の永久磁石６の埋設位置周辺の回転子鉄心５の厚さには変化がなく、したがって、永久磁石６を保持する回転子鉄心５の強度低下はなく、安定して永久磁石６を保持することができる。

このほか、隣接する磁極８の間には、冷却用通風溝７が形成されているので、運転時に、この冷却用通風溝７に冷却媒体（機内を循環する空気や、機外から導入する外気等）を流通させることで、永久磁石式発電機１の発熱量を抑制でき、その分、永久磁石式発電機１を小型化することができる。

ところで、本実施の形態においては、磁極中心軸１２を傾斜して変位させて、磁極８の外周８Ｓと固定子４との空隙を変化させたものであるが、図５に示す変形例のように、磁極８の外周８Ｓの半径中心１３を回転子３の磁極中心軸１２からずらして前記空隙を変化させるようにしてもよい。

このように回転子３の磁極８の外周８Ｓの半径中心１３をずらすことで、反回転方向側の固定子４との空隙をさらに拡大することができ、磁束の集中を効率的に低減することができる。その結果、図６に示すように、従来例に比べてトルク脈動を約６割減少させることができた。

次に、本発明による第２の実施の形態を図７及び図８に基づいて説明する。尚、図１〜図３及び図５と同一符号は同一構成部材を示すので、再度の詳細な説明は省略する。

本実施の形態において、図１に示す第１の実施の形態と異なる構成は、磁極８の磁極中心軸１２Ｂの変位の方法である。即ち、本実施の形態においては、図８に破線で示すように、回転中心１１を半径中心とする外周８ｓを有する磁極８Ａにおいて、その回転中心１１を通る磁極中心軸１２を回転方向Ｒ側に平行移動させて変位させ、磁極中心軸１２Ｂとなる位置に同じ形状の磁極８を形成したのである。

このように構成することで、第１の実施の形態と同等の効果を奏することができる。

さらに、本実施の形態においても、第１の実施の形態の変形例（図５）に示すように、磁極８の外周８Ｓの半径中心１３をずらすことで、更なるトルク脈動の低減を行うことができる。

ところで、上記第１及び第２の実施の形態においては、回転子３の磁極８の数を８極としているが、他の極数でもよく、また、固定子４の巻線溝数や巻線方式（集中巻や分布巻）が変わった場合でも、上記実施の形態による回転子３を適用することで、同様な効果を奏することができる。

図９は、本発明による第３の実施の形態を示すもので、永久磁石６の回転子鉄心５への埋設位置が異なるほかは、第１及び第２の実施の形態と同じ構成である。

即ち、第１及び第２の実施の形態において、永久磁石６は、断面矩形型の平板の永久磁石６を２つ用い、一つの磁極８に対してＶ字状に埋設したものである。しかしながら、本実施の形態においては、２つの平板の永久磁石６を板面が同一になるように平行に埋設したものである。

本実施の形態においても、上述の実施の形態と同等の効果を奏することができる。

さらに、図１０は、第３の実施の形態における第１の変形例で、２つの平板の永久磁石６を用い、一つの磁極８に対して「ハ」の字状に埋設したものである。

図１１は、第３の実施の形態における第２の変形例を示すもので、断面が円弧状に形成された２つの永久磁石６Ａを用い、一つの磁極８に対して円弧が外周８Ｓに沿うように埋設したものである。

以上の第３の実施の形態及びそれに基づく２つの変形例に示すように、磁極８の外周８Ｓの形成状態によって、永久磁石６，６Ａの埋設法を選択することで、永久磁石６，６Ａの近傍の回転子鉄心５の厚さを確保することができ、機械的強度の確保を行うことができる。
図１２は、本発明による第４の実施の形態を示すもので、回転子鉄心５に埋設される永久磁石６を、その幅方向に複数に分割した永久磁石片６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄで構成したのである。

このように、永久磁石６を永久磁石片６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄで構成することで、渦電流損による永久磁石６の発熱を低く抑えることができ、永久磁石式発電機の小型化や大容量化に寄与することができる。

尚、永久磁石６の小分割化は、本実施の形態に限らず、他の実施の形態及び変形例で示す永久磁石６，６Ａに適用できるのは云うまでもない。

以上の各説明は、磁極８を形成するように、夫々冷却用通風溝７を設けて回転子３の冷却を行っているが、更なる回転子３の冷却が要求される場合がある。そのようなときには、図１３に示す本発明による第５の実施の形態のように、各磁極８ごとに、永久磁石６の埋設位置よりも内径側に軸方向に貫通する穴１４を設けて軸方向冷却通路とし、ここに冷却媒体を流通させることで、冷却能力を向上させることができる。

次に、本発明による第６の実施の形態を図１４に基づいて説明する。第１の実施の形態と同一符号は同一構成部材を示すので、再度の詳細な説明は省略する。

第１の実施の形態と異なる構成は、回転子鉄心５の内径側に、図１３で示す穴１４を設けて軸方向冷却通路を形成した点と、回転子鉄心５の軸方向複数箇所に電磁鋼板を積層する際に径方向の通風ダクト１５を形成した点と、固定子鉄心９にも同様な通風ダクト１６を形成した点と、回転子３の軸方向両側に位置する回転軸２に軸流ファン１７Ａ，１７Ｂを設けた点である。

このように構成することで、軸流ファン１７Ａ，１７Ｂによって冷却媒体が、回転子鉄心５の冷却用通風溝（図示せず）７や穴１４に押し込まれ、そこから通風ダクト１５を通って半径方向に流れ、そこから固定子４の通風ダクト１６を通って軸流ファン１７Ａ，１７Ｂに戻るので、回転子３や固定子４の冷却効率を高めることができ、永久磁石式発電機１の小型化や大容量化にさらに寄与することができる
ところで、図示は省略しているが、軸流ファン１７Ａ，１７Ｂによって循環される冷却媒体の流路の途中、例えば固定子４の外周側に熱交換器を設置すれば、更なる冷却効率の向上に寄与することができる。

さらに、図１５は、各実施の形態による永久磁石式発電機１を、風力発電システムに適用した例を示す。

永久磁石式発電機１は、原動機である風車１８に減速手段１９を介して回転的に接続されている。永久磁石式発電機１と減速手段１９とは風車ナセル２０内に設置されている。そして、永久磁石式発電機１は、負荷２１に対し、電力変換機２２を介して電気的に接続され、発電運転を行う。

尚、永久磁石式発電機１は、風車１８に減速手段１９を介して回転的に接続されたものであるが、風車１８に対して直結してもよい。

このように、風力発電システムに、本発明による小型で大容量の永久磁石式発電機１を適用することで、風車ナセル２０全体を小型化することができる。

ところで、以上の説明は、磁極の外周の回転方向の先端側となる位置の固定子との空隙を、磁極の外周の反回転方向側となる位置の固定子との空隙に対して、磁極の外周の円弧に沿って漸減させたものであるので、磁極の下が側への磁束の集中が、緩やかに分散されて低減できるのである。しかしながら、磁極の外周を直線的に傾斜させて固定子との空隙を変化させた場合、逆に、固定子との空隙が最も接近する部分に磁束が集中し易くなり、磁束の集中の低減効果が発揮できなくなる。したがって、固定子との空隙は、磁極の外周の円弧に沿って漸減させる必要がある。

さらに、磁極外周の円弧を形成するに際し、単一の半径中心による円弧を形成した例を示したが、永久磁石式発電機の用途や特性によっては、磁極の外周を複数の半径中心を有する円弧によって形成してもよい。

このほか、永久磁石は組立性等を考慮して、軸方向に複数に分割されたものを用いてもよい。

上記各実施の形態は、風力発電システムに適用できる永久磁石式発電機について説明したが、原動機として水車、エンジン、タービン等に連結して用いることも可能である。

さらに、本発明による永久磁石式回転電機は永久磁石式電動機にも適用することができる。尚、永久磁石式回転電機を永久磁石式電動機とした場合には、磁極の外周の回転方向の先端側となる位置の固定子との空隙を、磁極の外周の反回転方向側となる位置の固定子との空隙よりも広くなるようにすることが重要である。

Claims (11)

1. 固定子と、この固定子と空隙を介して回転自在に軸支された回転子とを備え、この回転子の回転子鉄心に軸方向に延在する冷却用通風溝を周方向に間隔をあけて偶数形成し、周方向に隣接する冷却用通風溝間の回転子鉄心に永久磁石を埋設して偶数の磁極を構成した永久磁石式回転電機において、前記偶数の各磁極の外周を同じ曲率を有する円弧に形成すると共に、各磁極の磁極中心軸を回転子の回転中心に対して変位させて前記固定子と各磁極外周との空隙を回転方向の一方側を他方側に比べて広くしたことを特徴とする永久磁石式回転電機。
2. 前記各磁極の外周に形成された円弧は、夫々同一半径の円弧に形成されていることを特徴とする請求項１記載の永久磁石式回転電機。
3. 前記各磁極の外周に形成された円弧は、夫々同一半径の円弧に形成されており、各磁極は磁極中心軸を回転方向の一方側に傾斜させて形成されていることを特徴とする請求項１記載の永久磁石式回転電機。
4. 前記各磁極の外周に形成された円弧は、夫々同一半径の円弧に形成されており、各磁極は磁極中心軸を回転子の回転中心を通る中心直線に対して回転方向の一方側に平行移動させて形成されていることを特徴とする請求項１記載の永久磁石式発電機。
5. 前記回転子鉄心の永久磁石の埋設位置よりも内径側に、前記冷却用通風溝と平行に軸方向冷却通路が形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の永久磁石式回転電機。
6. 前記回転子鉄心の軸方向の複数箇所に、径方向の通風ダクトが形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の永久磁石式回転電機。
7. 前記回転子鉄心の永久磁石の埋設位置よりも内径側に、前記冷却用通風溝と平行に軸方向冷却通路が形成されていると共に、前記回転子鉄心の軸方向の複数箇所に、前記軸方向通風路に連通する径方向の通風ダクトが形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の永久磁石式回転電機。
8. 前記回転子は、各磁極ごとに、２つの断面矩形状の平板永久磁石が周方向に間隔をおいて並設されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の永久磁石式回転電機。
9. 前記回転子は、各磁極ごとに、２つの断面円弧状に形成した永久磁石が周方向に間隔をおいて並設されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の永久磁石式回転電機。
10. 前記平板永久磁石は、軸方向に分割されていることを特徴とする請求項８又は９記載の永久磁石式回転電機。
11. 請求項１〜１０のいずれかに記載の永久磁石式回転電機を、発電機として用いたことを特徴とする風力発電システム。

Images