(57)【要約】【課題】  回転電機、特に風力発電用回転電機において冷却性能を向上し体格を縮小すること。【解決手段】  回転電機及び風力発電システムを、固定子鉄心に分布巻を施した固定子と永久磁石回転子を持つ永久磁石式回転電機において、前記永久磁石回転子が軸方向に通風路を配置したものとする。また、軸方向に冷却風を送るファンを回転軸に設置したものとする。さらに、永久磁石回転子を回転子コアがスパイダを用いてシャフトに接続したものとする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定子鉄心に分布巻を施した固定子と永久磁石回転子を持つ永久磁石式回転電機において、前記永久磁石回転子が軸方向に通風路を配置したことを特徴とする永久磁石式回転電機。
【請求項２】
固定子鉄心に分布巻を施した固定子と永久磁石回転子を持つ永久磁石式回転電機において、前記永久磁石回転子が軸方向に通風路を配置し、前記永久磁石回転子は回転子コアがスパイダを用いてシャフトに接続したことを特徴とする永久磁石式回転電機。
【請求項３】
請求項１において永久磁石式回転電機において、前記永久磁石回転子は回転子コアに通風孔を備えていることを特徴とする永久磁石式回転電機。
【請求項４】
請求項１において、軸方向に冷却風を送るファンを回転軸に設置したことを特徴とする永久磁石式回転電機。
【請求項５】
請求項１において、前記永久磁石回転子は、アーク形状の磁石を周方向に配置したことを特徴とする永久磁石式回転電機。
【請求項６】
請求項１において、前記永久磁石回転子は、平板磁石をＶ字状に同極対面配置したことを特徴とする永久磁石式回転電機。
【請求項７】
請求項１において、前記永久磁石回転子は、平板磁石を放射状に同極対面配置したことを特徴とする永久磁石式回転電機。
【請求項８】
請求項１において、永久磁石を分割したことを特徴とする永久磁石式回転電機。
【請求項９】
請求項１において、回転子鉄心はスパイダに設けられたダブテール構造の突起によりシャフトと接続されていることを特徴とする永久磁石式回転電機。
【請求項１０】
固定子鉄心に分布巻を施した固定子と永久磁石回転子を有し、前記永久磁石回転子が軸方向に通風路を配置した永久磁石式回転電機を備えることを特徴とする風力発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、永久磁石式回転電機及び風力発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
風力発電導入量が近年飛躍的に増加しており、ますます大容量化の要求が高まっている。大容量化を行う際には例え効率が高くとも、その損失は絶対値としては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するために回転電機体格を大きくした場合には、重量増となってしまう。風力発電の特性上、回転電機は地上約１００ｍ程度のタワー上部に設置されることから、重量物を１００ｍの高所に吊り上げる作業が必要となり、建設コスト低減のためには重量はできるだけ軽くすることが望ましい。
【０００３】
そこで、体格を小さくし発熱密度を上げる必要があるが、高い発熱密度は高い冷却性能を要求し、結果としてコスト増につながる。
【０００４】
また、これまであった永久磁石式回転電機では容量が小さいため冷却を問題にすることは無かった。
【０００５】
改善策としては、小容量の回転電機を多段接続する方法があるが、軸方向への増加は免れない。
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−１８６７４０号公報
【特許文献２】特開平１０−３１８１２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
解決しようとする課題は、永久磁石式回転電機、特に風力発電用永久磁石式回転電機において冷却性能を向上し体格を縮小することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一つの特徴は、永久磁石式回転電機及び風力発電システムにおいて、固定子鉄心に分布巻を施した固定子と永久磁石回転子を持たせ、永久磁石回転子が軸方向に通風路を配置した点にある。
【０００９】
また、本発明の他の特徴は、永久磁石式回転電機及び風力発電システムにおいて、回転子部にダクトピースを設けてアキシャルフローとラジアルフローを組み合せたものとする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、永久磁石式回転電機及び風力発電システムの冷却効率を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下本発明の詳細を図面を用いながら説明する。各図において同一部分は同じ番号を付与している。
【実施例１】
【００１２】
図１は、本発明装置の第１実施例６極７２スロット永久磁石式回転電機の発電機端部断面図である。該当機は、数ＭＷ級の風力発電用発電機に適しており、１０００〜２０００rpm の回転数を許容する。固定子１は、固定子ティース１２にコイル１１を分布的に巻いた分布巻固定子となっている。コイル１１はＵＶＷの３相巻線が施されており７２スロットで６極が電気的に作られるように配置されている。またコイル１１は固定子ティース
１２の間の固定子スロット１３に上コイル８，下コイル９のように配置されコイルエンド１０で構成されている。第一実施例においてコイル１１は全節巻と呼ばれる方式で巻かれており、固定子スロット１３に反時計回りに便宜的につけられた＃１から＃７２スロットのうち＃１スロットの下コイル９からでたコイル１１は、スロット数７２を極数６で除算した１２を足した、＃１３スロットの上コイル８に入るようになっている。これが周方向に続き３相巻線を形成している。固定子１の中心には回転子２が回転可能に配置されている。回転子２では永久磁石３が回転子鉄心２０の永久磁石スロット１４に納められており、回転子２に対して放射状に配置されている。また、回転子鉄心２０はスパイダ５を用いてシャフト６に接続されている。このスパイダ５によって作られる冷却ダクト７を通った冷却風は、回転子２の端面に配置されたダクトピース４で作られるラジアルダクト部を通りステータ側に通り抜けることにより、コイル１１を永久磁石式回転電機中心部より効果的に冷却することができ、発電機の発熱密度を上げることにより発電機体格低減を行うことができる。またダクトピース４は永久磁石３が軸方向に動くことを抑えることができ組み立て性を向上することができる。次に、図２を用いて冷却風の流れを説明する。
【００１３】
図２は本発明装置の第１実施例６極７２スロット永久磁石式回転電機の軸方向１／２断面図である。冷却風の流れ２３をみると、エアクーラ２１で外気２４によって冷やされた空気はシャフト６に接続されたファン２２によって、冷却ダクト７を通り、ダクトピース４によって作られたダクトスペース２５に抜け、エアクーラ２１に循環する。ダクトスペース２５を設けることで発電機中心部が効果的に冷却でき発電機の体格低減に寄与することができる。
【００１４】
また、第一実施例において回転子２は図３，図４のようなアーク型磁石３１を用いた回転子３０や、平板磁石４１，４２を同じ極が向かい合うようにＶ字配置された回転子４０を用いてもよい。
【００１５】
また、第一実施例において冷却ダクト７はスパイダ５を用いずに図５，図６，図７に示す、通風孔５１，６１，７１を持つ回転子５０，６０，７０を用いてもよい。
【００１６】
また、永久磁石スロット１４に永久磁石を固定する方法を図８，図９に示す。第一実施例の永久磁石３を二分割した永久磁石８２を永久磁石スロット８１に取り付けたガイド
８３により固定するか、同じく第一実施例の永久磁石３を二分割した永久磁石９２を接着剤１０１により固定する。数ＭＷ級の大容量永久磁石式回転電機の場合、使用する磁石も大型化する。このとき大きな磁石を製作することが困難であるため、磁石分割方式を採用することで永久磁石回転電機の製作容易性を向上することができる。
【００１７】
図１０は前記永久磁石回転子の前記回転子鉄心２０とスパイダ５の接続図である。スパイダ５にダブテール構造の突起１０２を設けることで容易に回転子鉄心２０と接続することが可能となる。
【００１８】
図１１は永久磁石挿入法である。永久磁石回転子に外周側開口部を設け、非磁性楔103にて磁石を固定する。これにより磁石端部の漏洩磁束低減と磁石固定が同時に行うことができる。
【００１９】
図１２は、前記回転子鉄心２０とスパイダ５の接続図である。回転子鉄心２０にダブテール構造の突起２０１を設けることで、スパイダ５に接続された、磁石内周側の磁束短絡を防止するための非磁性金属部材２０２と容易に回転子鉄心２０と接続することが可能となる。
【００２０】
図１３は、非磁性楔１０３を用いたときの永久磁石固定法である。磁石分割方式を採用し永久磁石１３１，１３２を磁石挿入孔に並べる。さらに永久磁石１３１と１３２の間に固定用コッタ１３３を挿入することにより永久磁石１３１，１３２は磁石挿入孔内で固定することができる。
【００２１】
図１４は、前記永久磁石回転子に内周側開口部を設けた際の前記回転子鉄心２０とシャフト６の接続図である。内周側開口部に非磁性楔１４１を挿入し、永久磁石３を固定する。非磁性楔１４１はスパイダ１４２を介し、シャフト６に接続される。これにより磁石端部の漏洩磁束低減と磁石固定を同時に行うことができる。
【００２２】
図１５は、前記永久磁石回転子に内周側開口部を設けた際の前記回転子鉄心２０とシャフト６の接続図である。内周側開口部に非磁性楔１４１を挿入し、永久磁石３を固定する。回転子鉄心２０はスパイダ１５１を介し、シャフト６に接続される。これにより磁石端部の漏洩磁束低減と磁石固定を同時に行うことができ、なおかつ金属部材同士の接続が容易となる。
【実施例２】
【００２３】
図１６は、本発明の第二実施例である６極７２スロット永久磁石式回転電機の発電機端部断面図である。固定子１００は、固定子ティース１２にコイル１１を分布的に巻いた分布巻固定子となっている。コイル１１はＵＶＷの３相巻線が施されており７２スロットで６極が電気的に作られるように配置されている。またコイル１１０は固定子ティース１２の間の固定子スロット１３に上コイル８，下コイル９のように配置されコイルエンド１０で構成されている。第一実施例においてコイル１１は短節巻と呼ばれる方式で巻かれており、固定子スロット１３に反時計回りに便宜的につけられた＃１から＃７２スロットのうち＃１スロットの下コイル９からでたコイル１１はスロット数７２を極数６で除算した
１２よりも少ない１０を足し、＃１１スロットの上コイル８に入るようになっている。これが周方向に連続し３相巻線を形成している。第一実施例の固定子１の変わりに第二実施例固定子１００を用いてもこれまで述べてきた効果を得ることができる。
【実施例３】
【００２４】
図１７は、本発明の回転電機を風力発電システムに適用した例を示す。第一実施例及び第二実施例で示した回転電機１１１は、風車１１２と増速ギア１１３を介して接続され、風車ナセル１１４内に設置される。さらに回転電機１１１は電力系統１１６と電力変換器１１５を介して接続され、発電運転を行うことができる。なお本発明では風力を動力源としているが例えば、水車，エンジン，タービンなどでも十分適用が可能である。回転電機設置場所の制限が厳しい風力発電に使用した場合最も効果的である。また、風車１１２と回転電機１１１は直結することも可能である。
【００２５】
上記実施例の風力発電用回転電機は、大容量となった場合に小型で冷却が行える利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】回転電機の実施方法を示した説明図である。（実施例１）
【図２】回転電機の実施方法を示した説明図である。（実施例１）
【図３】回転電機の実施方法を示した説明図である。（実施例１）
【図４】回転電機の実施方法を示した説明図である。（実施例１）
【図５】回転電機の実施方法を示した説明図である。（実施例１）
【図６】回転電機の実施方法を示した説明図である。（実施例１）
【図７】回転電機の実施方法を示した説明図である。（実施例１）
【図８】回転電機の実施方法を示した説明図である。（実施例１）
【図９】回転電機の実施方法を示した説明図である。（実施例１）
【図１０】回転電機の実施方法を示した説明図である。（実施例１）
【図１１】回転電機の実施方法を示した説明図である。（実施例１）
【図１２】回転電機の実施方法を示した説明図である。（実施例１）
【図１３】回転電機の実施方法を示した説明図である。（実施例１）
【図１４】回転電機の実施方法を示した説明図である。（実施例１）
【図１５】回転電機の実施方法を示した説明図である。（実施例１）
【図１６】回転電機の実施方法を示した説明図である。（実施例２）
【図１７】回転電機の実施方法を示した説明図である。（実施例３）
【符号の説明】
【００２７】
１，１００…固定子、２，３０，５０，６０，７０…回転子、４…ダクトピース、５…スパイダ、６…シャフト、７…冷却ダクト、８…上コイル、９…下コイル、１０…コイルエンド、１１…コイル、１２…固定子ティース、１３…固定子スロット、１４…永久磁石スロット、２０…回転子鉄心、２１…エアクーラ、２２…ファン、２３…冷却風の流れ、２４…外気、２５…ダクトスペース、３１…アーク型磁石、４１，４２…平板磁石、５１，６１，７１…通風孔、８２，９２…永久磁石、８３…ガイド、１０１…接着剤、１０２…突起、１０３…非磁性楔、１１１…回転電機、１１２…風車、１１３…増速ギア、114…風車ナセル、１１５…電力変換器。
【図１】
2006109549.tif 000003
【図２】
2006109549.tif 000004
【図３】
2006109549.tif 000005
【図４】
2006109549.tif 000006
【図５】
2006109549.tif 000007
【図６】
2006109549.tif 000008
【図７】
2006109549.tif 000009
【図８】
2006109549.tif 000010
【図９】
2006109549.tif 000011
【図１０】
2006109549.tif 000012
【図１１】
2006109549.tif 000013
【図１２】
2006109549.tif 000014
【図１３】
2006109549.tif 000015
【図１４】
2006109549.tif 000016
【図１５】
2006109549.tif 000017
【図１６】
2006109549.tif 000018
【図１７】
2006109549.tif 000019