WO2017047249A1

WO2017047249A1 - 回転電機または風力発電システム

Info

Publication number: WO2017047249A1
Application number: PCT/JP2016/072257
Authority: WO
Inventors: 雅寛堀; 守木村; 松本　洋一
Original assignee: 株式会社日立製作所
Priority date: 2015-09-17
Filing date: 2016-07-29
Publication date: 2017-03-23
Also published as: JP6602619B2; EP3352336A1; EP3352336A4; JP2017060315A

Abstract

冷却性能向上と電気的特性向上を図ることができる回転電機または風力発電システムを提供する。　回転子６は、回転軸方向に配置される複数の回転子パケット１４と、回転子パケット１４に配置され、かつ一極毎に複数の永久磁石挿入孔４内に配置される複数の永久磁石５と、永久磁石挿入孔４に対して永久磁石５の内径側で繋がった第１の非磁性部４ｂと、回転軸方向に隣接する回転子パケット１４間に配置されるダクトピース１５ａ、１５ｂを備え、ダクトピースは、第１の非磁性部４ｂよりも内径側の位置から更に内径側へ伸びて配置され、及び／または、第１の非磁性部４ｂよりも外径側の位置から更に外径側へ伸びて配置されることを特徴とする。

Description

回転電機または風力発電システム

　本発明は回転電機または風力発電システムに関するものであり、特に回転電機内の冷却機構に関するものである。

　近年、地球温暖化防止のため風力発電或いは太陽光発電等のような自然エネルギーを利用した発電システムが注目を浴びている。この中で、風力を利用した風力発電システムでは、単機容量増加、ナセルの軽量化のため、大容量永久磁石式回転電機が用いられ始めている。

　大容量の永久磁石式発電機では、大きな損失が発生するため、安易に小型化すると損失密度の増加に伴う機内温度の上昇が問題となる。特に永久磁石は温度が高くなるほど磁束密度が低下し、規定値を超えると低下した磁束密度が戻らなくなる不可弱減磁が発生し、回転子の交換等メンテナンスが必要となる。そのため、発熱密度の高い永久磁石式回転電機を成立させるためには、冷却機能の強化が必要となる。この解決策として、回転電機にラジアルダクトを設ける方法がある。

　ここで、例えば特許文献１や特許文献２に記載されたものがある。特許文献１には、複数の鉄心ブロックを備えた回転子鉄心と、前記複数の鉄心ブロックの相互間に配置され、円板状のダクト板及び前記ダクト板上に放射状に配置された複数のダクトピースを備えたダクト部材と、前記鉄心ブロックに埋め込まれた複数の永久磁石と、前記ダクト板に形成され、前記永久磁石を挿通可能な複数の貫通孔と、を有することを特徴とする回転電機の回転子を有する永久磁石式回転電機が示されている。

　また、特許文献２には、固定子１と、磁石挿入孔４が設けられた複数枚の回転子鉄心５が、回転子鉄心５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２と、磁石挿入孔４に挿入された永久磁石３を備えた永久磁石式回転電機において、ダクトピースの少なくとも一つは回転子鉄心５の中心から外周側に延びる線上に配置され、磁石挿入孔４は、ダクトピースの両側に、回転子鉄心５の中心から外周側に延びるにしたがって、ダクトピースから離れるように形成され、磁石挿入孔４は回転子２の周方向においてダクトピースとずれて配置され、永久磁石３の内周側端からダクトピース側に向かって永久磁石３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永久磁石式回転電機が示されている。

特開2015-115973号公報特開2015-130774号公報

　径方向へ冷却風が抜ける経路を形成すべく、ダクトピースを設けることは有効であり、それにより冷却性向上に寄与する。一方、電気的特性としては、特許文献１では、そもそも永久磁石の内径側に非磁性部を設けておらず、内径側への漏れ磁束の低減を考慮しているものではない。また、特許文献２では、永久磁石の内径側に空隙部を設けてはいるものの、この空隙部間を径方向に貫いてダクトピースを設けており、ダクトピースが漏れ磁束の経路になってしまう可能性もある。そこで本発明では、冷却性能向上と電気的特性向上を図ることができる回転電機または風力発電システムを提供することを目的とする。

　上記課題を解決するために、回転軸と、前記回転軸の周りを回転する回転子と、前記回転子に対して所定のギャップを介して対向配置される固定子コアに設けられた複数のスロット内にコイルが施された固定子を備える回転電機であって、前記回転子は、前記回転軸方向に配置される複数の回転子パケットと、前記回転子パケットに配置され、かつ一極毎に複数の永久磁石挿入孔内に配置される複数の永久磁石と、前記永久磁石挿入孔に対して前記永久磁石の内径側で繋がった第１の非磁性部と、前記回転軸方向に隣接する前記回転子パケット間に配置されるダクトピースを備え、前記ダクトピースは、前記第１の非磁性部よりも内径側の位置から更に内径側へ伸びて配置され、及び／または、前記第１の非磁性部よりも外径側の位置から更に外径側へ伸びて配置されることを特徴とする。

　また、本発明に係る風力発電システムは、風を受けて回転するロータと、前記ロータを回転可能に支持するナセルと、前記ナセルを回転可能に支持するタワーと、前記ロータの回転力を用いて発電する発電機を備え、前記発電機は、上記回転電機であることを特徴とする。

　本発明によれば、冷却性能向上と電気的特性向上を図ることができる回転電機または風力発電システムを提供することが可能になる。

本発明の回転電機の実施例１に関するものであり、永久磁石式回転電機の径方向断面図である。本発明の実施例１に関し、回転電機の軸方向断面図である。本発明の実施例１に関し、回転電機の２パケット分の回転子コアである。本発明の実施例１に関し、回転電機の１パケット、２極分の回転子コアである。本発明の実施例１に関し、ダクトピース間距離に対する無負荷誘起電圧を示したグラフである。本発明の発電機システムを採用した風力発電システムを示す概略構成図である(実施例２)。

　以下、図示した実施例に基づいて本発明の永久磁石式の回転電機及び風力発電システムを説明する。なお、各実施例において、同一構成部品には同符号を用いて説明する。下記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、本発明の回転電機の実施例１を示す。本実施例では、無論これに限定されるものでないが、主に数百kWから数十MWクラスの大容量永久磁石式回転電機について説明している。図１に示すように、回転軸となるシャフト1と、シャフト1の回転に伴ってシャフトアーム２を介して回転軸の周りを回転し、かつ永久磁石５を備える回転子６と、回転子６に所定の間隙を介して回転子６の外径側に対向配置される固定子７とから主に構成されている。

　固定子７は、固定子コア８に設けられた複数の固定子ティース（スロット）９に固定子コイル１０を分布的に巻いた分布巻固定子となっており、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を例に説明している。無論、このスロット数や磁極数には限定されない。またコイル１０は固定子ティース９の間の固定子スロット１１に上コイル１０a、底コイル１０b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６は、シャフト１にシャフトアーム２を介して接続され、シャフト１の軸方向に積層された回転子コア３と、回転子コア３内部の外径側に設けた複数の磁石挿入孔４内に配置される複数の永久磁石５とを有しており、回転子はシャフト１の回転に伴って回転する。なお、シャフトアーム２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。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５を２個用いて１極を形成している。もちろん永久磁石の個数を２つには限定する必要はなく、２つ以上であってもよい。永久磁石挿入孔は、永久磁石が収めされる部分の他、各々外径側端部４ａと内径側端部４ｂを有している。外径側端部４ａは、永久磁石挿入孔４と永久磁石の外径側で繋がっている。また、内径側端部４ｂは、永久磁石挿入孔４と永久磁石の内径側で繋がっている。外径側短部４aと内径側端部４bの周囲、特に角では曲線部を持たせている。これは、磁石挿入孔が角部を持つと角部に応力が集中することで、回転子コアが破損する可能性があるためである。また、応力は回転子コアの肉厚が薄い部分に集中するため、本実施例では、外径側端部４aの最外周部の面は回転子外周と実質的に平行にしている。また、内径側端部４bは一極内で隣り合う磁石挿入孔の内径側端部と対向する面を実質的に平行にしている。これにより、一層応力の集中を防ぐことができる。なお、外径側端部の平行と内径側端部の平行は、両方実施しなくとも、片方だけでも効果が得られる。また、本実施例では外径側端部４aと内径側端部４bは空洞(空気)としているが、非磁性体であればよく、樹脂等を充填してもよい。

　図２に第一の実施例の永久磁石式回転電機の軸方法断面図と通風経路を示す。なお冷却風の流れは、矢印１２にて示している。回転子内の流路（回転子ラジアルダクト１３）を形成するため、回転子コア３は軸方向に複数個の回転子パケット１４に分割され、回転軸方向に隣接する回転子パケット１４間にダクトピース１５を配置している。ダクトピース１５は、回転軸方向に隣接する２つの回転子パケット１４の各々と接して配置されて、ラジアルダクト（径方向流路）を形成している。複数の回転子パケット１４間にダクト板を設け、更にその表面にダクトピースを形成する場合、ラジアルダクトのダクト幅が狭くなる、またはダクト幅を維持するために回転電機の全軸長が長くなる可能性があるが、本実施例ではダクトピース１５は、回転軸方向に隣接する２つの回転子コア３の各々と接して配置されており、回転電機の全軸長が長くなることを抑制しつつ、ダクト幅を維持し易い構造となっている。

　固定子も同様に、固定子コア８は軸方向に複数個の固定子パケット１６に分割され、固定子パケット１６間にダクトピース（図示を省略）を配置し、流路を形成している（固定子ラジアルダクト１７）。なお、流路の圧力損失低減のため、回転子ラジアルダクト１３と固定子ラジアルダクト１７は軸方向に同じ位置であることが好ましい。

　ダクトピース１５は鉄などの磁性体で作られている。ダクトピースを鉄とすることで、ステンレスなど非磁性体を使用する場合に比べ単価が安く、また加工が容易となるため、コスト低減が可能となる。

　永久磁石式回転電機のフレーム１８の上部に冷却風１２を冷やすための熱交換器１９が配置されている。熱交換器１９により、冷却風が吸収した永久磁石式回転電機の熱を外部に排出する。また、熱交換器１９内には冷却風循環用のファン２０が設けられている。このファンにより熱交換機から押し出された冷却風は、回転子内のアーム２間を通り回転子内に流入し、回転子ラジアルダクト１３を通り、固定子に流入する。そして、固定子ラジアルダクト１７を通り熱交換器に戻る。この冷却風１２により、永久磁石５や回転子コア３、固定子コア８、コイル１０の熱を吸収することで、永久磁石式回転電機を冷却することができる。

　図３に第１の実施例の２つ分の回転子パケット１４を示す。回転子パケット１４には軸方向端の表面にダクトピース１５が放射状に配置されている。このダクトピース１５により形成された回転子パケット間の空間が回転子ラジアルダクト１３となる。なお、ダクトピースは回転子コアの組立時にコアがばらばらにならないように回転子コア軸方向端部に大きな圧力を加えた状態で固定する。このときの圧力により回転子パケット１４の座屈やダクトピース１５の変形を防げるだけのダクトピース１５を配置する必要がある。言い換えると、各パケット間でのダクトピースの総面積がこの圧力に耐えられるようにすることが望まれる。

　図４に、第１の実施例の１つ分の回転子パケット２極分を示す。回転子パケット１４には複数のダクトピースが放射状に配置されているが、１極を形成する２つの磁石の間（磁極中心部）に配置されるダクトピースは、磁石挿入孔内径側端部４ｂより内径側の位置から更に内径側に伸びて配置される内径側ダクトピース１５aと永久磁石孔内側向端部４ｂより外径側の位置から更に外径側に伸びて配置される外径側ダクトピース１５bに分けて配置されている。また、１極内で隣り合った永久磁石孔内側向端部４ｂ同士の対向位置を基準とすると、内径側ダクトピース１５aは、この対向位置よりも内径側の位置から更に内径側へ伸びて配置され、外径側ダクトピース１５bは、この対向位置よりも外径側の位置から更に外径側へ伸びて配置される。

　１極を形成する２つの磁石挿入孔の内径側端部間は、磁石磁束が回転子コア１４内で短絡する漏れ磁束の経路となり得る。よって、この部分に磁性体のダクトピースを配置するとダクトピースが漏れ磁束の経路を増やすことになり、漏れ磁束が増加し、発電機の出力が低下することに繋がる。本来は、２つの磁石挿入孔の内径側端部間をある程度狭くすることで、磁気飽和を生じさせやすくし、それによって漏れ磁束をなるべく減らすことが出来る。しかし、係る２つの磁石挿入孔の内径側端部間を貫いて磁性体のダクトピースが配置されてしまうと、磁性体のダクトピース自体が漏れ磁束の経路となってしまう。尚、２つの磁石挿入孔の内径側端部間をそもそも無くして１つの大きな磁石挿入孔を形成し、漏れ磁束の経路に一切ならない様にすることも考えられる。但し、強度特性を考慮すると、２つの磁石挿入孔の内径側端部を設け、両者の間にも（鉄心）部材が位置する方が好ましい。

　よって、この構造は、永久磁石式回転電機のダクトピースによる出力低下を防ぐことができる。つまりは、元々のダクトピースによる冷却性能の向上に加え、電気特性の向上も期待できる。よって、例えば永久磁石式回転電機のさらなる小型軽量化も可能となる。

　ここで、磁石挿入孔の内径側端部より外径にある複数個の外径側ダクトピース１５ｂはすべて同じ長さや同じ形状にしてもよい。これにより、同じ長さや形状のダクトピースが増えるため、量産効果によるコスト低減や、組立時の付け間違いなどを防ぐことができる。同様に、磁石挿入孔の内径側端部より内径にある複数個の内径側ダクトピース１５ａを複数とし、すべてを同じ長さや形状としても同様の効果が得られる。

　また、磁極中心部の内径側ダクトピース１５aや外径側ダクトピース１５bで強度が足りなかった場合、極間部にダクトピース１５cを配置してもよい。

　図５に、永久磁石挿入孔内径側端部の内径側のダクトピース１５aと永久磁石挿入孔外径側端部のダクトピース１５ｂ間の距離（ダクトピース間距離）に対する無負荷誘起電圧を示す。図５に示す様に、この距離は内径側ダクトピース１５aの外径端と外径側ダクトピース１５ｂの内径端の間の距離としている。また、ダクトピース間距離は、磁石挿入孔の内径側端部の径方向距離（対向面を基準にすると、隣り合った内径側端部同士の対向する面の径方向長）で規格化している。また、無負荷誘起電圧は、永久磁石磁束が固定子コイルに鎖交することにより発生する誘導起電力であり、回転子の磁石磁束がどれだけ固定子に行っているかの指標となる。図５から、ダクトピース間距離が大きくなるほど、無負荷誘起電圧が増加していき、約1.3p.u.（倍）以上では一定となっていることがわかる。よって、ダクトピース間距離は1.3p.u（倍）以上とすることが望ましい。尚、本実施例では、ダクトピースは、磁石挿入孔内径側端部４ｂより内径側にあるダクトピース１５aと永久磁石孔内側向端部４ｂより外径側にあるダクトピース１５bに分けて配置される場合を例に説明したが、いずれか一方のみに配置することも可能である。

　図６に，本発明を風力発電システムに適用した例を示す。ロータ２２が風を受けることで回転し、ロータ２２を回転可能に支持するナセル２３内に格納された増速機２４を介して、発電機２５に回転（機械）エネルギーが伝わる。発電機２５により、ロータ２２の回転による機械エネルギーは電気エネルギーに変換され、ナセル２３を回転可能に支持するタワー２６内に格納された電力変換器２７によって系統２８に合わせた周波数及び電圧に調整され、系統２８に電気エネルギーが送られる。

　発電機２５に実施例１に記載の永久磁石式回転電機を適用することで、小型軽量化が可能となる。これにより、ナセル２３内のスペース増加、更には、タワー上部のナセルの軽量化によりタワー２６の簡素化が可能となり、風力発電システム全体のコスト低減に繋がる。

　１…シャフト、２…シャフトアーム、３…回転子コア、４…永久磁石挿入孔、４a…永久磁石挿入孔外径側端部、４b…永久磁石挿入孔内径側端部、５…永久磁石、６…回転子、７…固定子、８…固定子コア、９…固定子ティース、１０…コイル、１０a…上コイル、１０b…底コイル、１１…固定子スロット、１２…冷却風、１３…回転子ラジアルダクト、１４…回転子パケット、１５、１５a、１５b、１５c…ダクトピース、１６…固定子パケット、１７…固定子ラジアルダクト、１８…発電機フレーム、１９…熱交換器、２０…冷却風循環用ファン、２２…ロータ、２３…ナセル、２４…増速器、２５…永久磁石式発電機、２６…タワー、２７…電力変換器、２８…系統

Claims

　回転軸と、
　前記回転軸の周りを回転する回転子と、
　前記回転子に対して所定のギャップを介して対向配置される固定子コアに設けられた複数のスロット内にコイルが施された固定子を備える回転電機であって、
　前記回転子は、
　前記回転軸方向に配置される複数の回転子パケットと、
　前記回転子パケットに配置され、かつ一極毎に複数の永久磁石挿入孔内に配置される複数の永久磁石と、
　前記永久磁石挿入孔に対して前記永久磁石の内径側で繋がった第１の非磁性部と、
　前記回転軸方向に隣接する前記回転子パケット間に配置されるダクトピースを備え、
　前記ダクトピースは、前記第１の非磁性部よりも内径側の位置から更に内径側へ伸びて配置され、及び／または、前記第１の非磁性部よりも外径側の位置から更に外径側へ伸びて配置されることを特徴とする回転電機
　請求項１に記載の回転電機であって、
　前記ダクトピースは、一極内で隣り合った前記第１の非磁性部の対向位置よりも内径側の位置から更に内径側へ伸びて配置され、及び／または、前記対向位置よりも外径側の位置から更に外径側へ伸びて配置されることを特徴とする回転電機
　請求項１または２に記載の回転電機であって、
　前記ダクトピースは磁性体で形成されることを特徴とする回転電機
　請求項１ないし３のいずれか１項に記載の回転電機であって、
　一極内で隣り合った前記第１の非磁性部の対向する面は略平行に形成されることを特徴とする回転電機
　請求項１ないし４のいずれか１項に記載の回転電機であって、
　前記永久磁石挿入孔と前記永久磁石の外径側で繋がった第２の非磁性部を備え、
　前記第２の非磁性部の最外周部の面が前記回転子外周と略平行に形成されることを特徴とする回転電機
　請求項１ないし５のいずれか１項に記載の回転電機であって、
　前記回転子パケット内の極間部に配置されるダクトピースを備えることを特徴とする回転電機
　請求項１ないし６のいずれか１項に記載の回転電機であって、
　前記ダクトピースは、前記第１の非磁性部よりも外径側の位置から更に外径側へ伸びて配置される外径側ダクトピースを複数有し、
　前記外径側ダクトピースは互いの長さが略等しいことを特徴とする回転電機
　請求項１ないし７のいずれか１項に記載の回転電機であって、
　前記ダクトピースは、前記第１の非磁性部よりも内径側の位置から更に内径側へ伸びて配置される内径側ダクトピースを複数有し、
　前記内径側ダクトピースは互いの長さが略等しいことを特徴とする回転電機
　請求項１ないし８のいずれか１項に記載の回転電機であって、
　前記ダクトピースは、前記第１の非磁性部よりも内径側の位置から更に内径側へ伸びて配置される第１のダクトピースと、前記第１の非磁性部よりも外径側の位置から更に外径側へ伸びて配置される第２のダクトピースを備え、
　前記第１のダクトピースと、前記第２のダクトピースの径方向距離が、一極内で隣り合った前記第１の非磁性部の対向する面の径方向長さに対し、1.3倍以上であることを特徴とする回転電機
　請求項１ないし９のいずれか１項に記載の回転電機であって、
　前記ダクトピースは、前記回転軸方向に隣接する２つの前記回転子パケットの各々と接して配置されることを特徴とする回転電機
　風を受けて回転するロータと、
　前記ロータを回転可能に支持するナセルと、
　前記ナセルを回転可能に支持するタワーと、
　前記ロータの回転力を用いて発電する発電機を備え、
　前記発電機は、請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の回転電機であることを特徴とする風力発電システム