JP6855978B2 - 永久磁石同期発電装置及び発電設備 - Google Patents

Description

本発明は、永久磁石同期発電装置及び発電設備に関する。

下記特許文献１には、永久磁石型発電機と、該永久磁石型発電機の回転軸に出力軸が直結するガスタービンと、上記ガスタービンを起動させる起動装置と、永久磁石型発電機の出力を系統電力の仕様に変換する電力変換器とを具備する非常用ガスタービン発電装置が開示されている。

特開２００９−２８１２４９号公報

ところで、上記永久磁石同期発電機は永久磁石の磁束に基づく電磁誘導によって発電するので、永久磁石同期発電機のロータが停止しないと出力がゼロにならない。したがって、何らかの理由で永久磁石同期発電機を緊急停止させようとした場合に、慣性質量等の関係でロータを短時間で停止させることが困難なので、出力を短時間で低下させることができない。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、永久磁石同期発電機を停止させる際に簡便な手法で出力を低下させることを目的とするものである。

上記目的を達成するために、本発明では、永久磁石同期発電装置に係る第１の解決手段として、回転子及び固定子のいずれか一方に永久磁石を備え、該永久磁石の磁束に基づく電磁誘導によって発電する発電機本体と、該発電機本体を停止させる際に前記永久磁石を加熱する磁石加熱装置とを備える、という手段を採用する。

本発明では、永久磁石同期発電装置に係る第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、前記発電機本体は、所定の冷却液を流通させて永久磁石を冷却する冷却流路を備え、前記磁石加熱装置は、前記発電機本体を停止させる際に前記冷却流路に前記冷却液に代えて加熱液を流通させて前記永久磁石を加熱する、という手段を採用する。

本発明では、永久磁石同期発電装置に係る第３の解決手段として、上記第２の解決手段において、前記回転子に前記永久磁石が設けられている場合、前記冷却流路は、回転軸の一端から流入して他端から流出すると共に前記一端と他端との間では複数に分岐して設けられる、という手段を採用する。

本発明では、永久磁石同期発電装置に係る第４の解決手段として、上記第２の解決手段において、前記回転子に前記永久磁石が設けられている場合、前記冷却流路は、回転軸の一端から流入して他端から流出すると共に前記一端と他端との間では中心軸周りに螺旋状に設けられる、という手段を採用する。

本発明では、発電設備に係る第１の解決手段として、上記第１〜第４のいずれかの解決手段に係る永久磁石同期発電装置と、該永久磁石同期発電装置を駆動するエンジンとを備え、前記エンジンの燃焼ガスを前記磁石加熱装置の熱源として用いる、という手段を採用する。

本発明では、発電設備に係る第２の解決手段として、上記第１〜第４のいずれかの解決手段に係る永久磁石同期発電装置と、蒸気を発生するボイラと、前記蒸気を作動流体として前記永久磁石同期発電装置を駆動するタービンとを備え、前記蒸気を前記磁石加熱装置の熱源として用いる、という手段を採用する。

本発明によれば、発電機本体を停止させる際に回転子あるいは固定子に設けられた永久磁石を加熱するので、永久磁石を減磁あるいは消磁することが可能であり、よって永久磁石同期発電機を停止させる際に簡便な手法で出力を低下させることができる。

本発明の第１実施形態に係る永久磁石同期発電設備のシステム構成を示すブロック図である。 本発明の第１実施形態における回転子を示す概略斜視図である。 本発明の第１実施形態における回転子の変形例を示す概略斜視図である。 本発明の第２実施形態に係る永久磁石同期発電施設のシステム構成を示すブロック図である。 本発明の第１及び第２実施形態における回転子の変形例を示す概略図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
〔第１実施形態〕
最初に本発明の第１実施形態について説明する。本第１実施形態に係る発電設備は、図１に示すように、永久磁石同期発電装置Ｇ及びエンジンＥを備えている。また、上記永久磁石同期発電装置Ｇは、発電機本体１、冷却器２、加熱器３及び２つの切替器４、５を備える。

発電機本体１は、図示するように回転子１Ａと固定子１Ｂとを備え、また回転子１Ａに永久磁石が備えられた永久磁石同期発電機である。この発電機本体１は、エンジンＥによって駆動されることにより、交流電力を発電する。この交流電力は、不図示の電力変換器によって、商用のＵ相、Ｖ相及びＷ相から成る３相交流電力に変換されて、電力系統に出力される。

上記回転子１Ａは、図２に示すように、回転軸１ａ、回転子コア１ｂ、一対の永久磁石１ｃ、１ｃ及び回転子ケーシング１ｄを備える。また、この回転子１Ａは、流入流路１ｅ、８つの分岐流路１ｆ１〜１ｆ８、８つの外周流路１ｇ１〜１ｇ８、８つの集合流路１ｈ１〜１ｈ８及び流出流路１ｉを備える。

回転軸１ａは、所定長さの円柱状部材であり、両端近傍部位が図示しない軸受けを介して回転自在に支持されている。この回転軸１ａは、エンジンＥの出力軸と接続されており、エンジンＥによって回転駆動される。回転子コア１ｂは、上記回転軸１ａの途中部位に同軸に設けられた円筒状部材であり、例えば積層鋼板によって形成されている。

一対の永久磁石１ｃ、１ｃは、セグメント形状（Ｃ形状、瓦形状）に形成されており、上記回転子コア１ｂの周面に背中合わせ状態に埋め込まれている。これら一対の永久磁石１ｃ、１ｃのうち、一方は表面がＳ極となるように回転子コア１ｂの周面に埋め込まれ、他方は表面がＮ極となるように回転子コア１ｂの周面に埋め込まれている。

回転子ケーシング１ｄは、回転子コア１ｂの周面を覆うように設けられた円筒状部材であり、回転子コア１ｂ及び一対の永久磁石１ｃ、１ｃの回転軸１ａに対する固着力を補強するための補強部材である。

このような回転子１Ａは、回転軸１ａ、回転子コア１ｂ、一対の永久磁石１ｃ、１ｃ及び回転子ケーシング１ｄが一体に設けられた回転体である。また、このような回転子１Ａは、中空円筒状に構成された固定子１Ｂ内に挿入された状態で回転することにより、一対の永久磁石１ｃ、１ｃと固定子１Ｂに設けられた巻線（固定子巻線）との間の相互作用つまり電磁誘導によって固定子巻線に起電力を発生させる。

流入流路１ｅは、回転軸１ａの一端から途中部位まで延在する管状流路である。すなわち、この流入流路１ｅは、回転軸１ａの一端から所定長さに亘って形成された長孔である。８つの分岐流路１ｆ１〜１ｆ８は、回転子コア１ｂの内部かつ一端面の近傍部位に放射状に設けられた流路である。これら８つの分岐流路１ｆ１〜１ｆ８は、一端が流入流路１ｅに連通し、他端が一対の永久磁石１ｃ、１ｃの背面近傍まで延在している。

８つの外周流路１ｇ１〜１ｇ８は、回転子コア１ｂの内部かつ一対の永久磁石１ｃ、１ｃの背面近傍に延在する流路である。これら８つの外周流路１ｇ１〜１ｇ８は、一対の永久磁石１ｃ、１ｃの背面近傍を回転子コア１ｂの軸線方向つまり回転軸１ａの軸線方向に沿って回転子コア１ｂの一端面の近傍部位から他端面の近傍部位まで延在している。また、これら８つの外周流路１ｇ１〜１ｇ８は、一端が符号の添え字が共通する分岐流路１ｆ１〜１ｆ８に各々連通している。

８つの集合流路１ｈ１〜１ｈ８は、回転子コア１ｂの内部かつ他端面の近傍部位に放射状に設けられた流路である。これら８つの集合流路１ｈ１〜１ｈ８は、一端が符号の添え字が共通する８つの外周流路１ｇ１〜１ｇ８に各々連通し、他端が流出流路１ｉに連通している。流出流路１ｉは、回転軸１ａの他端から途中部位まで延在する管状流路である。すなわち、この流出流路１ｉは、回転軸１ａの他端から所定長さに亘って形成された長孔である。

このような流入流路１ｅ、８つの分岐流路１ｆ１〜１ｆ８、８つの外周流路１ｇ１〜１ｇ８、８つの集合流路１ｈ１〜１ｈ８及び流出流路１ｉは、互いに連通した連通流路を全体として形成している。また、この連通流路は、後述するように回転子コア１ｂ及び一対の永久磁石１ｃ、１ｃを冷却する冷却液である冷却油が流通する油流路（冷却流路）、あるいは一対の永久磁石１ｃ、１ｃを加熱する加熱液である加熱油が流通する油流路（加熱流路）である。

固定子１Ｂは、発電機本体１のケーシングに固定配置され、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相に対応する少なくとも３つの固定子巻線（図示略）を備える。この固定子１Ｂ（固定子巻線）は、回転子１Ａ（一対の永久磁石１ｃ、１ｃ）との電磁誘導に基づいて三相交流電力を出力する。

冷却器２は、外部から供給される冷媒と油とを熱交換することにより上記冷却油を生成する熱交換器である。この冷却器２は、切替器４から供給される油を冷却油にして切替器５に出力する。一方、加熱器３は、エンジンＥから供給される排ガス（燃焼ガス）と油とを熱交換することにより、つまり上記排ガスを熱源として上記加熱油を生成する熱交換器である。この加熱器３は、切替器４から供給される油を加熱油にして切替器５に出力する。

切替器４は、上記流出流路１ｉから回収した油を冷却器２または加熱器３に択一的に供給する切替バルブである。すなわち、切替器４の流入ポートは配管によって発電機本体１に接続されている。切替器５は、冷却器２から供給された冷却油あるいは加熱器３から供給された加熱油のいずれか一方を流入流路１ｅに供給する切替バルブである。すなわち、切替器５の出口ポートは配管によって発電機本体１に接続されている。

ここで、上述した加熱器３、切替器４、５及び連通流路は、本第１実施形態における磁石加熱装置を構成している。すなわち、加熱器３、切替器４、５、流入流路１ｅ、８つの分岐流路１ｆ１〜１ｆ８、８つの外周流路１ｇ１〜１ｇ８、８つの集合流路１ｈ１〜１ｈ８及び流出流路１ｉは、発電機本体１を停止させる際に加熱油を用いて一対の永久磁石１ｃ、１ｃを加熱する。

エンジンＥは、例えばガスタービンであり、発電機本体１を回転駆動する動力源である。すなわち、エンジンＥの出力軸は、発電機本体１における回転軸１ａに連結されている。また、このエンジンＥは、加熱器３とも接続されており、エンジンＥの排ガスを加熱器３に供給する。

続いて、本第１実施形態に係る永久磁石同期発電装置Ｇ及び発電設備の動作について詳しく説明する。

この発電設備では、エンジンＥで発電機本体１を駆動することによって発電機本体１を通常運転させる。すなわち、一対の永久磁石１ｃ、１ｃが一体に設けられた回転子１Ａが固定子巻線を備えた固定子１Ｂ内で回転運動することにより、固定子１Ｂ（固定子巻線）は電磁誘導に基づく三相交流電力を出力する。

このような通常運転では、切替器５から発電機本体１に冷却油が供給され、回転子コア１ｂ及び一対の永久磁石１ｃ、１ｃが冷却される。すなわち、固定子１Ｂの固定子巻線と一対の永久磁石１ｃ、１ｃとの電磁誘導によって回転子コア１ｂ及び一対の永久磁石１ｃ、１ｃは発熱するが、冷却油は、発電機本体１に形成された連通流路を流れることにより、回転子コア１ｂ及び一対の永久磁石１ｃ、１ｃを冷却する。

ここで、上記連通流路は、上述したように回転子コア１ｂ及び一対の永久磁石１ｃ、１ｃの複数個所に冷却油を分配するように形成されているので、回転子コア１ｂ及び一対の永久磁石１ｃ、１ｃの熱は効果的に冷却油に移動する。したがって、回転子コア１ｂ及び一対の永久磁石１ｃ、１ｃは、連通流路を流れる冷却油によって効果的に冷却される。

一方、このような通常運転状態にある発電機本体１を緊急停止させる場合、エンジンＥを停止させるが、エンジンＥ内のタービン及び発電機本体１の回転子１Ａは一定の慣性質量を当然に持っているので、発電機本体１の運動つまり回転子１Ａの回転運動を速やかに停止させることはできない。したがって、発電機本体１を緊急停止させようとした場合に、回転子１Ａの運動を停止させることによって発電機本体１の出力つまり三相交流電力を速やかに低下させることは困難である。

これに対して、本第１実施形態に係る永久磁石同期発電装置Ｇでは、発電機本体１を緊急停止させる場合、冷却油に代えて加熱油を発電機本体１に供給する。すなわち、発電機本体１を緊急停止させる場合に、切替器４，５が作動して、加熱器３から出力された加熱油が切替器５を介して回転子１Ａの連通流路に供給される。

この結果、加熱油によって一対の永久磁石１ｃ、１ｃが急速加熱され、一対の永久磁石１ｃ、１ｃの磁束が急激に弱まる。周知のように、永久磁石は一般的に自身の温度がキュリー温度に近づく程に磁束が低下し、キュリー温度に到達すると磁束を失う。したがって、一対の永久磁石１ｃ、１ｃは、加熱油によって急速加熱されることによって減磁あるいは消磁することになる。

このような第１実施形態に係る永久磁石同期発電装置Ｇ及び発電設備によれば、加熱油によって一対の永久磁石１ｃ、１ｃを減磁あるいは消磁することによって発電機本体１の出力つまり三相交流電力を低下させることができる。すなわち、本第１実施形態によれば、一対の永久磁石１ｃ、１ｃを加熱するという簡便な手法で発電機本体１の出力を低下させることができる。

また、本第１実施形態において、発電機本体１に設けられた連通流路は、通常状態において一対の永久磁石１ｃ、１ｃを冷却する冷却流路として機能し、緊急停止させる際には一対の永久磁石１ｃ、１ｃを加熱する加熱流路として機能する。すなわち、本第１実施形態では、冷却流路及び加熱流路を個別に設けるのではく、連通流路を冷却流路と加熱流路とに使い分ける。

このような本第１実施形態によれば、一対の永久磁石１ｃ、１ｃを加熱するに際して、流路面積（流路体積）の増加を抑制することができるので、発電機本体１の本来の性能を犠牲にすることなく発電機本体１の出力を低下させることができる。

ここで、上述した連通流路（油流路）については、図３に示すものを採用してもよい。すなわち、連通流路（油流路）を形成する流入流路１ｅ、８つの分岐流路１ｆ１〜１ｆ８、８つの外周流路１ｇ１〜１ｇ８、８つの集合流路１ｈ１〜１ｈ８及び流出流路１ｉのうち、分岐流路１ｆ１〜１ｆ８、８つの外周流路１ｇ１〜１ｇ８及び８つの集合流路１ｈ１〜１ｈ８を螺旋流路１ｊに置き換えてもよい。

この螺旋流路１ｊは、図示するように一端が流入流路１ｅに連通すると共に他端が流出流路１ｉに連通し、また一端と他端との間の途中部位が一対の永久磁石１ｃ、１ｃの背面近傍部位を通過するように、また回転軸１ａ（回転子コア１ｂ）の中心軸周りに螺旋状に巻回するように設けられた流路である。

このような螺旋流路１ｊを備える回転子１Ｃによれば、一対の永久磁石１ｃ、１ｃの背面において、回転軸１ａ（回転子コア１ｂ）の軸心に沿った複数箇所が加熱油によって広範囲に加熱されるので、一対の永久磁石１ｃ、１ｃの磁束を効果的に低下させることが可能である。

〔第２実施形態〕
次に、本発明の第２実施形態について図４を参照して説明する。なお、以下の説明では第１実施形態と同一または同等の構成要素については、同一の符号を付し、その説明を簡略若しくは省略する。

本第２実施形態に係る永久磁石同期発電設備は、図４に示すように、永久磁石同期発電装置Ｇ、ボイラＢ及びタービンＴを備えている。タービンＴは、発電機本体１を回転駆動する動力源である。すなわち、タービンＴの出力軸は、発電機本体１における回転軸１ａに連結されている。このタービンＴは、ボイラＢから供給される蒸気（水蒸気）を作動流体として回転動力を発生させる。

ボイラＢは、重油や液化天然ガス、石炭などの燃料を燃やして高温・高圧の蒸気を生成する蒸気発生装置である。ボイラＢは、蒸気配管によってタービンＴと接続されており、タービンＴに蒸気を供給する。また、このボイラＢは、加熱器３とも接続されており、蒸気を加熱器３へ供給する。

また、本第２実施形態における加熱器３は、ボイラＢから供給される蒸気と油とを熱交換することにより加熱油を生成する熱交換器である。すなわち、この加熱器３は、ボイラＢの蒸気を熱源として加熱油を生成する。

続いて、本第２実施形態に係る永久磁石同期発電装置Ｇ及び発電設備の動作について、詳しく説明する。

本第２実施形態に係る発電設備では、タービンＴは、ボイラＢの蒸気を用いて回転動力を発生する。そして、発電機本体１は、タービンＴによって駆動されることによって三相交流電力を出力する。このような通常運転において、切替器５から発電機本体１に供給される冷却油によって回転子コア１ｂ及び一対の永久磁石１ｃ、１ｃが冷却される。

一方、このような通常運転状態にある発電機本体１を緊急停止させる場合には、ボイラＢからタービンＴへの蒸気の供給が停止するが、タービンＴ及び発電機本体１の回転子１Ａは一定の慣性質量を持っているので、回転子１Ａの回転運動を速やかに停止させることができない。したがって、発電機本体１の出力を速やかに低下させることは困難である。

これに対して、本第２実施形態に係る永久磁石同期発電装置Ｇでは、発電機本体１を緊急停止させる際に、ボイラＢの蒸気を熱源として加熱器３で生成された加熱油が発電機本体１の連通流路に供給され、この結果として一対の永久磁石１ｃ、１ｃの磁力が低下して発電機本体１の出力が低下する。

したがって、このような第２実施形態に係る永久磁石同期発電装置Ｇ及び発電設備によれば、一対の永久磁石１ｃ、１ｃを加熱するという簡便な手法で、発電機本体１の出力を低下させることができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例が考えられる。
（１）第１及び第２実施形態では、一対の永久磁石１ｃ、１ｃの加熱方法として加熱油を用いたが、本発明はこれに限定されない。加熱油を用いる以外の方法を用いて一対の永久磁石１ｃ、１ｃを加熱してもよい。

（２）第１及び第２実施形態では、回転子１Ａ、１Ｃが一対の永久磁石１ｃ、１ｃを備えるタイプの永久磁石同期発電機について説明したが、本発明はこれに限定されない。本発明は、固定子１Ｂに一対の永久磁石１ｃ、１ｃを備えるタイプの永久磁石同期発電機にも適用可能である。

（３）第１及び第２実施形態における発電機本体１では、図２あるいは図３に示す連通流路（油流路）を採用したが、本発明はこれに限定されない。例えば、図５に示すような複数の補助流路１ｋを追加配置してもよい。これら補助流路１ｋは、流入流路１ｅと流出流路１ｉとの間に設けられ、また一対の永久磁石１ｃ、１ｃの背面かつ回転子ケーシング１ｄの内周面に延在する流路である。

すなわち、これらの補助流路１ｋは、一対の永久磁石１ｃ、１ｃの背面を回転子コア１ｂの軸線方向つまり回転軸１ａの軸線方向に沿って回転子コア１ｂの一端面の近傍部位から他端面の近傍部位まで延在している。このような複数の補助流路１ｋを追加することにより、一対の永久磁石１ｃ、１ｃをより短時間で加熱し、発電機本体１の出力をより短時間で低下させることができる。

（４）第１及び第２実施形態における発電機本体１では、ＳＰＭ（Surface Permanent Magnet：表面磁石貼付）タイプの永久磁石同期発電機について説明したが、本発明はこれに限定されない。本発明は、永久磁石をコア内に埋め込むＩＰＭ（Interior Permanent Magnet：埋込磁石内蔵）タイプの永久磁石同期発電機にも適用可能である。

（５）第１及び第２実施形態では、一対の永久磁石１ｃ、１ｃを備える回転子１Ａ、１Ｃつまり極数が２極の回転子１Ａ、１Ｃについて説明したが、本発明はこれに限定されない。本発明は、２極以外の極数の永久磁石同期発電機にも適用可能である。

１ 発電機本体
１Ａ、１Ｃ 回転子
１Ｂ 固定子
１ａ 回転軸
１ｂ 回転子コア
１ｃ 永久磁石
１ｄ 回転子ケーシング
１ｅ 流入流路
１ｆ１〜１ｆ８ 分岐流路
１ｇ１〜１ｇ８ 外周流路
１ｈ１〜１ｈ８ 集合流路
１ｉ 流出流路
１ｊ 螺旋流路
１ｋ 補助流路
２ 冷却器
３ 加熱器
４、５ 切替器
Ｂ ボイラ
Ｅ エンジン
Ｇ 永久磁石同期発電装置
Ｔ タービン

Claims (6)

1. 回転子及び固定子のいずれか一方に永久磁石を備え、該永久磁石の磁束に基づく電磁誘導によって発電する発電機本体と、
   該発電機本体を停止させる際に前記永久磁石を加熱する磁石加熱装置と
   を備えることを特徴とする永久磁石同期発電装置。
2. 前記発電機本体は、所定の冷却液を流通させて永久磁石を冷却する冷却流路を備え、
   前記磁石加熱装置は、前記発電機本体を停止させる際に前記冷却流路に前記冷却液に代えて加熱液を流通させて前記永久磁石を加熱することを特徴とする請求項１記載の永久磁石同期発電装置。
3. 前記回転子に前記永久磁石が設けられている場合、
   前記冷却流路は、回転軸の一端から流入して他端から流出すると共に前記一端と他端との間では複数に分岐して設けられることを特徴とする請求項２記載の永久磁石同期発電装置。
4. 前記回転子に前記永久磁石が設けられている場合、
   前記冷却流路は、回転軸の一端から流入して他端から流出すると共に前記一端と他端との間では中心軸周りに螺旋状に設けられることを特徴とする請求項２記載の永久磁石同期発電装置。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の永久磁石同期発電装置と、
   該永久磁石同期発電装置を駆動するエンジンとを備え、
   前記エンジンの燃焼ガスを前記磁石加熱装置の熱源として用いることを特徴とする発電設備。
6. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の永久磁石同期発電装置と、
   蒸気を発生するボイラと、
   前記蒸気を作動流体として前記永久磁石同期発電装置を駆動するタービンとを備え、
   前記蒸気を前記磁石加熱装置の熱源として用いることを特徴とする発電設備。
   

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