JP6169496B2 - 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、例えば風力発電に好適な永久磁石式回転電機に関する。

近年、風力発電導入量が飛躍的に増加しており、単機容量増加による経済性向上および発電機の高効率化、小型軽量化を狙い、１ＭＷ以上の大容量永久磁石式回転電機の要求が高まっている。

大容量永久磁石式回転電機を適用する際には、例え効率が高くとも、その損失は絶対値として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して損失を小さくしようとすると、どうしても永久磁石式回転電機の体格を大きくしなければならない。永久磁石式回転電機の体格を大きくした場合には、重量増となってしまい製造コスト、ひいては風車の建設コストが大きくなってしまうので、永久磁石式回転電機の体格を小さくし発熱密度を上げる必要がある。

高い発熱密度の回転電機を成立させるためには、冷却構造の強化が必要である。通常の永久磁石を使用しない回転電機では、ダクトを設けることが解決策のひとつとして考えられるが、大容量の永久磁石式回転電機でダクトを設けた例は、これまで殆どない。

このため、永久磁石式回転電機の回転子にダクトを設けた際、特に、数十極以上の多極機では、一極あたりの回転子円周寸法が小さくなるため、永久磁石挿入時に永久磁石とダクトが干渉し、回転電機の組み立てが不可能な課題がある。

特許文献１には、通風ダクトを有する永久磁石式回転電機において、磁石挿入孔の形状を円弧形状に広げることで漏れ磁束を低減するが開示されている。

特開２０１２−３９７７５号公報

特許文献１に記載されている技術は、磁石挿入孔を円形に広げて、極間での漏れ磁束防止することにより電気特性と応力のバランスを取っているものであり、ダクト配置時の永久磁石とダクトピースの関係については記載されていない。

本発明は永久磁石式回転電機において、組み立て性を向上した永久磁石式回転電機を提供することを目的とする。

本発明の永久磁石式回転電機は、上記目的を達成するために、固定子鉄心に形成された複数のスロット内に電機子巻線が施された固定子と、磁石挿入孔が設けられた複数枚の回転子鉄心が、該回転子鉄心の間にダクトピースを介することで間隙をもって層状に積み上げられた回転子と、前記磁石挿入項に挿入された永久磁石を備えた永久磁石式回転電機において、前記ダクトピースの少なくとも一つは回転子鉄心の中心から外周側に延びる線上に配置され、前記磁石挿入孔は、前記ダクトピースの両側に、前記回転子鉄心の中心から外周側に延びるにしたがって、前記ダクトピースから離れるように形成され、前記磁石挿入孔は前記回転子の周方向において前記ダクトピースとずれて配置され、前記永久磁石の内周側端からダクトピース側に向かって前記永久磁石の周方向厚さより広い周方向長を有する内周側空隙部を備えることを特徴とする。

本発明によれば、組み立て性を向上した永久磁石式回転電機を提供することが可能になる。

本発明の第一の実施例の永久磁石式回転電機を示す２極分の断面図である。（実施例１） 本発明の第一の実施例の永久磁石式回転電機を示す軸方向断面図である。（実施例１） 本発明の第一の実施例の回転子を示す鳥瞰図である。（実施例１） 本発明の第一の実施例の回転子を示す１極分断面図である。（実施例１） 本発明の第一の実施例の回転子を示す１極分断面図である。（実施例１） 本発明の第一の実施例の形状効果を示す図である。（実施例１） 本発明の第二の実施例の永久磁石式回転電機を示す２極分の断面図である。（実施例２）

以下、本発明の永久磁石式回転電機の実施例を、図面を用いて説明する。なお各図において同一部分は同じ番号を付与している。以下はあくまでも実施例であって本発明の実施態様が下記具体的態様に限定されることを意図する趣旨ではない。

図１に、本発明の永久磁石式回転電機の第１の実施例である３６極１６２スロットの永久磁石式回転電機の２極分を示す。

本実施例では、主に数百ｋＷから数十ＭＷの容量の永久磁石式回転電機について説明している。図１に示す様に、本実施例に係る永久磁石式回転電機は、回転軸となるシャフト６と、シャフト６の回転に伴ってスパイダ７を介して回転し、かつ永久磁石３を備える回転子２と、回転子２と間隙１８を設けて回転子２の外径側に回転子２と対向配置される固定子１とから主として構成される。

固定子１は、固定子鉄心１３に設けられた、固定子ティース１１にコイル１０を分布的に巻いた分布巻固定子となっており、該分布巻を周方向に連続させている。コイル１０はUVWの３相巻線を有しており、本実施例に示す構造では、一例としてスロット数が１６２で電気的に３６の磁極が作られる場合について説明している。またコイル１０は固定子ティース１１の間の固定子スロット１２に上コイル８、下コイル９と上下２つのコイルが配置されている。尚、本実施例では分布巻固定子を例にして説明しているが、無論当該巻き方に限定されるものでなく、他の巻き方も可能である。他の例としては、例えば固定子ティースにコイルを集中的に巻いた集中巻がある。

回転子２は、シャフト６にスパイダ７を介して接続され、シャフト６の軸方向に積層された回転子鉄心５と、回転子鉄心５内部の外径側に設けた磁石挿入孔４内に配置される永久磁石３とを有しており、回転子はシャフト６の回転に伴って回転する。なお、スパイダ７の本数はトルクを伝達できる本数であれば何本でも良い。本実施例では、すべてを図示していないが８本を選択している。また、本実施例では、Ｖ字型に同極の磁石を配置した構造になっており、永久磁石３を２個用いて１極を形成している。本実施例では、極間通風路１９を設けてより通風がしやすいようになっているが、永久磁石式回転電機の温度に余裕があれば、極間通風路１９は設けなくても良い。

図２に第一の実施例の永久磁石式回転電気の軸方向断面図と通風経路を示す。風のながれは矢印２０の様に流れている。通風のために回転子２は、0.5mm厚などのケイ素鋼板を用いた回転子鉄心５をある程度の厚さで積層し回転子パケット２４を構成したのち、回転子パケット２４間に、アルミや鉄などの金属にて作成されたダクトピース１４を挟むことにより回転子ダクト１５を構成し、通風路としている。固定子１も同様に0.5mm厚などのケイ素鋼板を用いた固定子鉄心１３をある程度の厚さに積層し固定子パケット２５を構成したのち、固定子パケット２５間にアルミや鉄などの金属にて作成されたダクトピース１６を挟むことにより固定子ダクト１７を構成している。

本実施例では、永久磁石式回転電機のフレーム２１の上部に永久磁石回転電機の外部と熱交換をするクーラ２２が取り付けられ、前記クーラ２２の両脇にファン２３が取り付けられる。本実施例では、ファン２３は、外部動力を必要とするタイプであるが、シャフト６に取り付けられたファンを用いても良い。

ファン２３により起こった風のながれ２０は、回転子１をスパイダ７の間、空隙１８、極間通風路１９を通る。この際、スパイダ７の間を通った軸方向の風の流れは、回転子ダクト１５を通り円周方向へ導かれる。回転子ダクト１５を通った風は、空隙１８を介して固定子ダクト１７へ流れ、クーラ２２へ戻る。このようにして永久磁石式回転電機内の風の流れが形成される。回転子ダクト１５では永久磁石３の発熱や、回転子鉄心５の発熱を除去している。固定子ダクト１７では、固定子鉄心１３、コイル１０の発熱を除去している。これらのダクトの効果により、永久磁石式回転電機の発熱密度を上げることができるため、永久磁石式回転電機の小型化が可能となる。

本実施例では、回転子ダクト１５と固定子ダクト１７は軸方向に等間隔で対向し、回転子軸方向端部は回転子鉄心で終わっているが、本構造に限られることなく、ダクトが食い違っていたり、ダクトの幅が異なっていたり、ダクトの数が異なっていたり、回転子軸方向端部が回転子鉄心以外で終わっていても良い。

図３に第一の実施例の回転子鉄心部２極分の鳥瞰図を示す。本実施例では、ダクトピース１６は、回転子鉄心５の外周から内周へ貫くように長く配置されるものと、極内部に短く配置されるダクトピース３１がある。これらの配置は回転子鉄心５積層した、回転子パケット２４を軸方向に回転子として構成する際に、回転子がばらばらにならないように軸方向に数tonから数十tonの圧力を加えた際にダクトピースが座屈しないように配置される。ダクトピース１６は前述したようにアルミや鉄などの金属で作成されているため、圧力によりダクトピース１６の大きさが決定される。永久磁石式回転電機の容量が大きくなる、出力は一定でも回転速度が遅くなるなどの回転電機の体格が大きくなると、軸方向に加える圧力も増え、ダクトピース１６が座屈しないよう、その圧力を分散するためにダクトピース１６の大きさも大きくなる。また、回転子１の組立において、永久磁石を軸方向に挿入していく必要がある。この際、ダクトピース１６と永久磁石３が干渉するため、本実施例では永久磁石挿入孔の形状を次のようにした。

図４に第一の実施例の回転子鉄心部１極分の軸方向断面を示す。なお、同一平面にないが、説明しやすいようダクトピース１６を点線で記載している。

同図に示すように磁石挿入孔４は、ダクトピース１６の回転子鉄心５の中心から外周側に延びる線上に配置され（ダクトピース１６の回転子鉄心５の中心から外周側に延びる線上に配置とは、実質的に当該線上に配置されることを指す。また、回転子鉄心５の中心とは厳密な中心点であることまで要求するものではない）、前記磁石挿入孔４は、前記ダクトピース１６の両側に、回転子鉄心５の中心から外周側に延びるにしたがい前記ダクトピース１６から離れるように形成され、前記磁石挿入孔４は、挿入された永久磁石３の内周側端位置からダクトピース１６側に向かって、永久磁石３の厚さより広がる内周側空隙部４２を有している。このように磁石挿入孔４の形状を形成することにより、永久磁石を軸方向に挿入する際ダクトピース１６と永久磁石が干渉することなく挿入することができる。磁石挿入孔４は回転子の回転軸方向においてダクトピースとずれて配置されており、重ならない様になっている。内周側空隙部４２は単に空隙であるため、回転軸方向においてダクトピースと重なっていても、永久磁石の挿入に際してダクトピースと重なることはない。よって、回転子組み立てに際して永久磁石とダクトピースが干渉しなくて済む。また、ダクトピースを設けることで冷媒の流れをスムーズにすることができ、冷却性能が上がるが、更にダクトピースに重ならない様に（磁石挿入孔４は回転子の周方向においてダクトピースとずれて）配置することで、一層冷却の流れがスムーズになる。磁石挿入孔４の内周端および外周端は、永久磁石３の磁束の短絡防止に空隙部を設けることが望ましい。本実施例では、内周側空隙部４２、外周側空隙部４３を設けており、永久磁石３の端部に接する回転子鉄心５を減らすことで、永久磁石３の磁束短絡部の磁気抵抗を大きくなり、電気特性が向上する。また、永久磁石３を外周側に配置することにより、固定子側へ磁束を通りやすくすることで電気特性を向上させることができる。よって、回転子鉄心の回転軸に垂直な断面（実質的に垂直な断面であればよく、厳密に垂直でなければならないわけでない）における内周側空隙部４２の面積より、外周側空隙部４３の面積は小さい方が望ましい。本実施例では、外周側空隙部４３の外周側における淵は、該淵が対向する回転子の外周と平行（実質的に平行であれば足り、数学的に厳密に平行であることまでは要求しない）としており、（言い換えると、外周側空隙部４３の回転子外周側形状を、回転子外径と平行とすることにより、）応力緩和と永久磁石３が回転子外周側に近づくことによる電気特性向上が図れ、より小型な永久磁石式回転電機になっている。

また、磁石挿入孔４の内周側端位置からダクトピース側に向かって拡大する際に、向かい合う磁石挿入孔４の間に継鉄部４１ができる。継鉄部４１から外周側の部材にかかる遠心力は継鉄部４１で支えることになるため、磁石挿入孔４には応力緩和のため丸みを有する（別の言い方をすると、Ｒ部をつける）こと、すなわち継鉄部の周方向に漏斗状の形状となることが望ましい。丸みの有し方や漏斗形状の作成の仕方としては、内周側から外周側に漏斗の管に相当する部位（締結部４１において締結部の外周側と内周側をつなぐ部位）が伸びる場合と、外周側から内周側に漏斗の管に相当する部位が伸びる場合とが考えられるが、ここでは特に外周側から内周側に漏斗の管に相当する部位が伸びる場合が好ましいことを述べたものである。

また、磁石挿入孔４には、軸方向に磁石を挿入しやすくするため、一点鎖線で表した磁石スロット部４４を形成している。この磁石スロット部４４は、永久磁石３の幅（ここでは、周方向における幅を意味する）と同程度の幅を有する（実質的に同程度であればよく、例えば公差程度の間隔があっても良い）になるように配置されており、深いほど永久磁石を挿入しやすくなるが、磁石内周側および外周側端部に、磁石磁束の短絡が発生するためできる限り薄い方が望ましい。

図５に、第一の実施例の継鉄部４１の幅をＴＷ、内周側空隙部４２の周方向高さをＰＷとした説明図を示す。図６に、ＴＷとＰＷは磁石厚さを１として規格化し、永久磁石式回転電機が定格出力を出力する際に必要な無負荷誘導起電力の電圧を１として規格化したグラフを示す。同図に示すように、ＴＷ＜０．８かつＰＷ＞１．３の場合とＴＷ＜０．６かつＰＷ＞０．６において、必要電圧を上回り永久磁石式回転電機として成り立つことがわかる。

実施例２について図７を用いて説明する。尚、実施例１と重複する個所についてはここでの説明を省略する。本実施例では特に極間通風路１９を回転子外周部で回転軸方向に接続した場合を示している。

図７に、第二の実施例の回転子鉄心部２極分の断面図を示す。極間通風路１９は回転子外周部で接続されていてもよい。外周部で接続することにより回転子鉄心５１の強度が高まるため、より高速回転で使用することができ、回転子組立時にコアの欠損や、作業員が極間通風路１９部分で怪我をすることもない。

１ 固定子
２ 回転子
３ 永久磁石
４ 磁石挿入孔
５ 回転子鉄心
６ シャフト
７ スパイダ
８ 上コイル
９ 下コイル
１０ コイル
１１ 固定子ティース
１２ 固定子スロット
１３ 固定子鉄心
１４ ダクトピース
１５ 回転子ダクト
１６ ダクトピース
１７ 固定子ダクト
１８ 空隙
１９ 極間通風路
２０ 風のながれ
２１ フレーム
２２ クーラ
２３ ファン
２４ 回転子パケット
２５ 固定子パケット
３１ ダクトピース
４１ 継鉄部
４２ 内周側空隙部
４３ 外周側空隙部
４４ 磁石スロット部
５１ 回転子鉄心

Claims (10)

1. 固定子鉄心に形成された複数のスロット内に電機子巻線が施された固定子と、
   磁石挿入孔が設けられた複数枚の回転子鉄心が、該回転子鉄心の間に第１のダクトピースおよび第２のダクトピースを介することで間隙をもって層状に積み上げられた回転子と、
   前記磁石挿入孔に挿入された永久磁石を備えた永久磁石式回転電機において、
   前記第１のダクトピースは、回転子鉄心の中心から外周側に延びる線上に配置され、前記磁石挿入孔は、前記第１のダクトピースの両側に、前記回転子鉄心の中心から外周側に延びるにしたがって、前記第１のダクトピースから離れるように形成されており、
   前記第２のダクトピースは、前記第１のダクトピースと前記磁石挿入孔の間の極内部に配置されており、
   前記磁石挿入孔は前記回転子の周方向において前記第１のダクトピースとずれて配置され、
   前記永久磁石の内周側端から前記第１のダクトピース側に向かって前記永久磁石の周方向厚さより広い周方向長を有する内周側空隙部を備えることを特徴とする永久磁石式回転電機。
2. 請求項１において、前記永久磁石の外周側端から形成される外周側空隙部を備えることを特徴とする永久磁石式回転電機。
3. 請求項２において、前記外周側空隙部の外周側における淵は、該淵が対向する前記回転子の外周と平行であることを特徴とする永久磁石式回転電機。
4. 請求項１ないし３のいずれかにおいて、前記回転子鉄心の回転軸に垂直な断面における前記外周側空隙部の面積は、前記内周側空隙部の当該断面における面積より小さいことを特徴とする永久磁石式回転電機。
5. 請求項１ないし４のいずれかにおいて、前記磁石挿入孔は前記永久磁石の幅と同程度の幅を有する磁石スロットを備えることを特徴とする永久磁石式回転電機。
6. 請求項１ないし５のいずれかにおいて、前記磁石挿入孔は、前記永久磁石の幅に合わせた磁石スロットを備え、前記永久磁石の軸方向挿入時のガイドとなることを特徴とする永久磁石式回転電機。
7. 請求項１ないし６のいずれかにおいて、一つの磁極内における前記内周側空隙部に挟まれた継鉄部の周方向外側は、丸みを有する形状を備えることを特徴とする永久磁石式回転電機。
8. 請求項１ないし７のいずれかにおいて、継鉄部の幅をＴＷ、前記内周側空隙部の周方向高さをＰＷとし、前記永久磁石の厚さが１になる様に該ＴＷと該ＰＷを規格化した場合、ＴＷ＜０．８かつＰＷ＞１．３およびＴＷ＜０．６かつＰＷ＞０．６の関係が成立することを特徴とする永久磁石式回転電機。
9. 請求項１ないし８のいずれかにおいて、前記回転子の磁極間部に極間通風路を設けたことを特徴とする永久磁石式回転電機。
10. 請求項９において、前記極間通風路の回転子外周部を前記回転子鉄心の回転軸方向に接続したことを特徴とする永久磁石式回転電機。