JP6469964B2 - 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。

風力発電用に大容量永久磁石式回転電機を適用する際には、２０年程度の長寿命を要求されるため、永久磁石の性能が２０年程度保つことが要求される。通常の永久磁石では、永久磁石表面にコーティングをすることで耐環境性を考慮しているが、埋め込み磁石構造の回転子の場合磁石挿入時にコーティングを傷つけることが問題となる。よって磁石挿入時に、コーティングを保護する部材が必要となる。

また大容量機の場合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、これまで殆どなく、特に磁石保護部材との関係を考慮した例はない。

特許文献１には、永久磁石の破損を防止し、かつモータ特性の優れた永久磁石埋込型モータの回転子を得る方法が開示されている。

特開２０１２−２５７３９０号公報

特許文献１に記載されている技術は、永久磁石および上記永久磁石を磁力線と交わる２面を露出させて取り囲む非磁性体からなるカバーがそれぞれ挿入された永久磁石埋込型モータの回転子を提示しているものであるが、特に冷却については考慮されていない。

本発明は、永久磁石の保護及び運転時の冷却性能向上に寄与する永久磁石式回転電機を提供することを目的とする。

本発明に係る永久磁石式回転電機は、上記課題を解決するために、永久磁石と、該永久磁石が設けられ、回転軸方向に積層される回転子鉄心と、軸方向に隣り合う前記回転子鉄心間に設けられるスペーサと、前記永久磁石と前記回転子鉄心の間に設けられ、かつ前記回転子鉄心間で前記スペーサ同士によって仕切られる空間を径方向に繋げたまま配置される永久磁石保護部材と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、永久磁石の保護及び運転時の冷却性能向上に寄与する永久磁石式回転電機を提供することが可能になる。

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。下記はあくまでも実施例であり、本発明の実施態様を下記具体的態様に限定することを意図する趣旨ではない。下記実施例に関らず、種々の変形などを行うことも可能である。

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。極数やスロット数はあくまでも例示である。

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。固定子鉄心１３は、回転子鉄心５と径方向に間隙を介して配置されると共に回転軸方向に積層される。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および永久磁石３を保護する永久磁石保護部材（以下、単に磁石保護部材）２０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。磁石保護部材２０は永久磁石３に固定されているが、永久磁石３と回転子鉄心５の間に設けられることで永久磁石３の保護を可能にする。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、径方向から傾いた永久磁石３を２個用いて１極を形成している。本実施例では、隣接する磁極間には回転子鉄心５の外形側端部に設けられて軸方向に連通する連通部となる極間通風路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。また径方向に風を通す通路を設けるためスペーサとして働くダクトピース１４が配置されている。ダクトピース１４は、永久磁石３同士の中間を径方向に伸延する部分と、その周方向両側にそれぞれ永久磁石３と平行に配置される部分とを有している。本実施例の配置はあくまで例であり、他の配置でも風が通る配置であれば問題ない。隣接するスパイダ７が形成する空間が回転軸方向に連通して連通部を形成する。冷媒はこの連通部を通って永久磁石３よりも内径側で軸方向に送り込まれる。

磁石保護部材２０は軸方向に隣り合う回転子鉄心５間でダクトピース１４によって仕切られる空間を径方向に繋げたまま配置される。よって、この空間が径方向内側から外側へ冷媒を送ることを妨げない。または磁石保護部材２０はこの空間を径方向に分断せずに配置される。分断してしまうと径方向内側から外側へ流そうとした冷媒を遮ってしまうことになるが、分断していないので、そうした冷媒の遮断は生じない。本実施例中では、軸方向に隣り合う回転子鉄心５間でダクトピース１４によって仕切られる空間は、回転子ダクト１５で覆われる空間に該当する。

本実施例では、磁石保護部材２０の形状は略直方体形状の永久磁石３をシャフト方向両側から挟んだコの字形状となっている。言い換えると磁石保護部材２０は永久磁石３と回転子鉄心５の間にシャフト６方向に設けられる部位（コの字、上下辺の連結部）と、該部位の軸方向両端から永久磁石３の外形に沿って屈曲する部位（コの字、上下辺の連結部）を有する。これは軸方向へ磁石挿入の際に、磁石保護部材２０だけに軸方向の力が加わる様になり、より永久磁石３へ与える衝撃を減らす役割を持つ。磁石保護部材２０は、永久磁石３の径方向内側と径方向外側の両端から永久磁石３を挟み込んで配置される。

図２に第一の実施例の永久磁石式回転電機の軸方向断面図と通風経路を示す。風のながれは矢印２６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、例えば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、スペーサとして働くダクトピース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２６は、回転子１をスパイダ７の間（内径側の連通部）、空隙１８、極間通風路１９のいずれかを通って軸方向内側へ送られる。スパイダ７の間の連通部は回転子ダクト１５と連通しており、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。クーラ２２では回転電機外部と熱交換が行われ、回転電機の冷却が行われる。なお、クーラ２２の冷媒は空気でも水でもその他の冷媒でも、回転電機の損失が除去できれば問題ない。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。

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（厳密に等間隔である必要はなく、実質的に等間隔であればよい。）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。回転子ダクト１５と固定子ダクト１７が軸方向に等間隔で対向する場合、特に径方向に流れの損失を減らすことができ、冷却性向上に更に寄与する。

図２の回転子ダクト１５をより詳細に説明するため、図３に第一の実施例の回転子鉄心部２極、２回転子パケット分の鳥瞰図を示す。また、図４に第一の実施例の永久磁石３と磁石保護部材２０の２個分を示す。図３に示すように回転子パケットが軸方向に積層されて行くに従い、ダクトピース１６によって回転子ダクト１５が形成される。図３の紙面左側が軸中心であり、軸中心部から外径方向に矢印３１のように風が流れる。この際、磁石保護部材２０が永久磁石全面を覆う形では、回転子ダクト１５がふさがれる形になり、矢印３２の様な風が流れず、通風抵抗が増加し結果として通風量が低下する。そこで、図４に示す本実施例のように永久磁石３の両側面に磁石保護部材２０を通風路４１が生じるように形成することで、図３の矢印３２のように風が流れ、必要な通風量を確保することができる。具体的には、本実施例では磁石保護部材２０は永久磁石３と回転子鉄心５の間にシャフト６方向に設けられる部位と、該部位の両端から永久磁石３の外形に沿って屈曲する部位を有する様にしている。

図５に第一の実施例の磁石保護部材２０と回転子パケット２４、通風路４１の関係を示す。図４のような永久磁石３と磁石保護部材２０を軸方向に連結することにより、回転子パケット２４間に、通風路４１が生じていることがわかる。

また、回転子鉄心５は、ケイ素鋼板などの薄板を積層して構成されているため、回転子鉄心５に空けた永久磁石挿入孔４は、軸方向に微少な段差を有している。このため永久磁石３を、永久磁石挿入孔４内へ軸方向に挿入した場合、微少な段差により永久磁石３のコーティングがはがれるなど傷つき、長期信頼性が低下する。そこで、磁石保護部材２０が永久磁石３と回転子鉄心５の間にあることにより、永久磁石挿入孔４と永久磁石３が直接接触することを防ぎ、傷を防止する。特に、磁石保護部材２０が永久磁石３の軸方向全体にわたって覆われていれば、傷が付く可能性のある露出部が存在しておらず、好ましい。

また、本実施例では磁石保護部材２０にアルミを採用しているが、他のプラスチックや樹脂、金属でもよい。金属部材を採用する場合は永久磁石３の磁束を短絡しないように、非磁性体を用いた方がよい。

また、本実施例では図示していないが、永久磁石３にコーティング、その他の保護材が使用されていても本実施例には何ら問題ない。

また、永久磁石３と磁石保護部材４１は接着剤などで固定されていることが望ましい。

磁石保護部材２０は軸方向に隣り合う回転子鉄心５間でダクトピース１４によって仕切られる空間について、径方向に繋げたまま配置するか、或いは径方向に分断せずに配置さすることにより、冷媒が径方向内側から外側に流れることができ、運転時の冷却性能を向上できる。冷却性能向上により、永久磁石式回転電機の発熱密度を上げることができ、永久磁石式回転電機の小型化を図ることも可能となる。また冷却性を高める一方で、磁石保護部材２０は永久磁石３と回転子鉄心５の間に設けられているので、組み立て時などに永久磁石が傷付くことがない。

図６を用いて第二の実施例の永久磁石と磁石保護部材の関係を示す。本実施例では、一の磁石保護部材６１が、回転軸方向に隣接する複数の永久磁石３と隣接する複数の永久磁石３が設けられる回転子鉄心５、との間にわたって設けられている。図６に示すように軸方向に２個の磁石が連結するように磁石保護部材６１を形成することで、磁石挿入時の挿入回数を減らすことができる。それ以外の点については実施例１と同様であり、ここでの重複説明は省略する。

上記各実施例では、回転軸方向に隣接する磁石保護部材同士は互いに接触する様にしている。これにより、回転軸方向に連続する磁石保護部材は軸方向の力を伝達することが可能になる。これは、組み立て時に永久磁石を挿入する上で、挿入が簡便に済むことと、挿入後、永久磁石が軸方向に動いてしまうことを防止することに特に寄与する。

尚、上記各実施例では、一具体例として磁石保護部材２０が永久磁石３と回転子鉄心５の間にシャフト６方向に設けられる部位と、該部位の両端から永久磁石３の外形に沿って屈曲する部位を有する場合について説明したが、例えば磁石保護部材が回転子鉄心間において回転軸方向の長さが異なる部位を有するもので良い。回転子鉄心間において回転軸方向の長さが異なる部位を磁石保護部材が有する様にすることで、回転軸方向に段差が生じ、径方向への風が流れることができる。

更に、磁石保護部材が回転子鉄心間において回転軸方向の長さが異なる部位を有する場合の具体的態様として、磁石保護部材が回転子鉄心間において少なくとも部分的に途切れているものとすることができる。少なくとも部分的に途切れていれば、回転軸方向に生じる空間が大きくなり、一層径方向への風が流れやすい。

また、磁石保護部材は回転子鉄心間においてスペーサとして働くダクトピースよりも回転軸方向の長さが短くなる様にしても良い。

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永久磁石と磁石保護部材を示す図である。（実施例１） 本発明の第一の実施例の回転子パケットと磁石保護部材の関係を示す軸方向断面図である。（実施例１） 本発明の第二の実施例の永久磁石と磁石保護部材を示す図である。（実施例２）

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 磁石保護部材
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
２６ 風の流れ
３１ 風の流れ
３２ 風の流れ
４１ 通風路
６１ 磁石保護部材

Claims (13)

1. 永久磁石と、
   該永久磁石が設けられ、シャフト方向に積層される回転子鉄心と、
   隣り合う前記回転子鉄心間に設けられるスペーサと、
   前記永久磁石と前記回転子鉄心の間に形成された空間において、前記永久磁石の径方向
   内側と径方向外側の両側から前記永久磁石を挟むように設けられるとともに、前記回転子
   鉄心のシャフト方向に延伸する第１の部位と、該第１の部位の前記シャフト方向両端から
   前記永久磁石外形に沿って屈曲する第２の部位とを有し、前記第２の部位は、前記第２の部位が屈曲する方向における前記永久磁石の側面が露出する部分が形成されるように前記永久磁石の側面全体を覆わない永久磁石保護部材と、
   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に記載の永久磁石式回転電機において、
   前記スペーサは、前記回転子鉄心間に複数設けられることにより前記スペーサ同士によって仕切られる前記回転子の径方向に連通する空間を形成し、
   前記永久磁石保護部材は、前記空間を径方向に繋げたまま配置され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、
   前記永久磁石保護部材は、前記回転子鉄心間で前記スペーサ同士で仕切られる空間を径方向に分断せずに配置され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１項に記載の永久磁石式回転電機であって、前記永久磁石
   保護部材は前記回転子鉄心間において前記回転軸方向の長さが異なる部位を有することを
   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１項に記載の永久磁石式回転電機であって、前記永久磁石
   保護部材は前記回転子鉄心間において前記スペーサよりも前記回転軸方向の長さが短いこ
   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１項に記載の永久磁石式回転電機であって、一の前記永久
   磁石保護部材が、回転軸方向に隣接する複数の前記永久磁石と該隣接する複数の前記永久
   磁石が設けられる回転子鉄心、との間にわたって設けられ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４のいずれか１項に記載の永久磁石式回転電機であって、前記永久磁石
   保護部材同士は、前記第２の部位を介して互いに当接してい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１項に記載の永久磁石式回転電機であって、隣接する磁極
   間には前記回転子鉄心外形側端部に設けられて前記回転軸方向に連通する連通部が備えら
   れ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１項に記載の永久磁石式回転電機であって、前記永久磁石
   と前記永久磁石保護部材は接着剤で接着されることを特徴とする永久磁石式回転電機。
10. 請求項１ないし９のいずれか１項に記載の永久磁石式回転電機であって、前記永久磁石
    の径方向内側に前記回転軸方向に連通する連通部を備え、該連通部は前記回転子鉄心間で
    前記スペーサ同士によって仕切られる空間と連通することを特徴とする永久磁石式回転電
    機。
11. 請求項１０に記載の永久磁石式回転電機であって、前記回転子鉄心を回転軸に支持する
    と共に互いに隣接するスパイダによって、前記連通部は形成されることを特徴とする永久
    磁石式回転電機。
12. 請求項１ないし１１のいずれか１項に記載の永久磁石式回転電機であって、前記回転子
    鉄心と径方向に間隙を介して配置されると共に回転軸方向に積層される固定子鉄心と、隣
    り合う前記固定子鉄心間に設けられる固定子側スペーサと、を更に備えることを特徴とす
    る永久磁石式回転電機。
13. 請求項１２に記載の永久磁石式回転電機であって、前記固定子鉄心間で前記固定子鉄心
    間に設けられる前記スペーサ同士によって形成される固定子ダクトと前記回転子鉄心間で
    前記回転子鉄心間に設けられて前記スペーサ同士によって形成される回転子ダクトは、軸
    方向に等間隔で対向することを特徴とする永久磁石式回転電機。