(57)【要約】【課題】  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、発熱した発電機を冷却しやすい構造にし体格を縮小して低コスト化することである。【解決手段】  図１は、本発明装置の第１実施例となる６極永久磁石式回転電機の永久磁石回転子端部断面図である。永久磁石回転子１は回転子鉄心２からなり、永久磁石３，４が回転子鉄心２の永久磁石スロット５に納められており、前記永久磁石は１極につき２個ずつ配置されている。また、永久磁石回転子１は極間に冷却用通風路６を設け、そこに冷却風を流すことにより発電機内部を効率的に冷却することができる。冷却用通風路６の通風路内径側の周方向幅は回転子鉄心の１極分を構成する幅の内径側端部角度をθとしθは５０°以上，５８°以下の範囲とする。【選択図】図１
2008131813.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転子と固定子を有する永久磁石式回転電機において、前記永久磁石回転子の回転子鉄心に周方向に並ぶ永久磁石が交互に極性を変え周方向に沿って配置され、隣接する異極間に冷却用通風路を設け、その通風路形状を回転子鉄心の外周側を略台形形状にし、略台形形状の径方向中心側端部から軸中心に伸びる溝を設けたことを特徴とする永久磁石回転子を備えた永久磁石式回転電機。
【請求項２】
請求項１において通風路内径側の周方向幅は回転子鉄心の１極分を構成する幅の内径側端部角度をθとしθは５０°以上，５８°以下の範囲と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において通風路の回転子鉄心外周から軸中心に伸びる径方向深さａは回転子鉄心の半径ｒとの割合ａ／ｒが３３％以上，５８％以下の範囲とした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、前記永久磁石回転子の永久磁石が配置された位置より内径側に通風冷却用アキシャルダクトを設け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の軸方向中心に通風冷却用の中間スペーサを設け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５において、前記永久磁石回転子の通風冷却用の中間スペーサにダクトピースを設け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、冷却用通風路を設けたその空間に着磁用コイルを巻けるように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、前記回転子は１極につき少なくとも２つ以上の平板磁石を用いかつ、その配置を前記永久磁石回転子の外周側から見たときハの字状に配置し同極が径方向外周側に向い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、前記回転子は１極につき少なくとも２つ以上の平板磁石を用いかつ、その配置を前記永久磁石回転子の外周側から見たときＶ字状に配置し同極が径方向外周側に向いたことを特徴とする永久磁石式回転電機。
【請求項１０】
請求項１において、前記回転子は１極につき少なくとも２つ以上の平板磁石を用いかつ、その配置を前記永久磁石回転子の外周側から見たとき平行に配置し同極が径方向外周側に向いたことを特徴とする永久磁石式回転電機。
【請求項１１】
請求項１において、前記回転子は１極につき少なくとも２つ以上のアーク形状の磁石を用いかつ、その配置を前記永久磁石回転子の外周側から見たとき周方向に沿って配置し同極が径方向外周側に向いたことを特徴とする永久磁石式回転電機。
【請求項１２】
請求項１において、前記回転子は回転子鉄心の外周径を固定子内径に対し非同心にし、その外周径を１極分の周方向中心で左右対称にすることを特徴とした永久磁石式回転電機。
【請求項１３】
請求項１において、前記回転子は回転子鉄心の外周径を固定子内径に対し非同心にし、その外周径を１極分の周方向中心で回転方向側の径を反回転方向側の径より小さくすることを特徴とした永久磁石式回転電機。
【請求項１４】
請求項１において、前記回転子はコア鉄心の永久磁石挿入孔内部で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１５】
請求項１において、前記回転子は回転子鉄心と永久磁石を軸方向にパケット分割したことを特徴する永久磁石回転子。
【請求項１６】
請求項１に記載の永久磁石式回転電機を風力発電システムに使用したことを特徴とする風力発電システム。
【請求項１７】
回転子と固定子を有する永久磁石式回転電機において、前記回転子に永久磁石が配置された位置より内径側に通風冷却用アキシャルダクトとダクトピースを備えた中間スペーサを有することを特徴とする永久磁石式回転電機。
【請求項１８】
請求項１７において、前記中間スペーサは回転子の軸方向中心に備えられていることを特徴とする永久磁石式回転電機。
【請求項１９】
回転子の永久磁石の着磁方法において、前記回転子は極間に冷却用通風路を有し、前記冷却用通風路風路に備えられた着磁コイルにより前記回転子の永久磁石を着磁することを特徴とする永久磁石の着磁方法。
【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，風力発電システム，永久磁石の着磁方法に関する。
【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、単機容量増加による経済性向上を狙い、１ＭＷ以上の大容量永久磁石機の要求が高まっている。大容量永久磁石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い製造コスト，建設コストが大きくなってしまうので、体格を小さくし発熱密度を上げる必要がある。しかし、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。また、発熱しずらい構造にすると電気特性が悪化し発電機としての仕様を満たすことが困難となる。低コストで電気特性を損なわず高効率な冷却を得るには冷却に適した構造が必須となる。
【０００３】
特許文献１には、極間に空間を設けて、漏れ磁束等を少なくすることにより極間での発熱を抑えることが開示されている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−８１３７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１は、ただ極間に空間を設けて、極間での漏れ磁束防止することにより極間での発熱を防止しようとするのであるが、回転時においての空冷による冷却について述べられてはいなく、本発明では、回転時の空冷に着目して空冷に適した回転子構造を提供しようとするものである。
【０００６】
これより、本発明の解決しようとする課題は、永久磁石式回転電機において、発熱した発電機を冷却しやすい構造にし体格を縮小して低コスト化することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、風力発電用回転電機において、前記永久磁石回転子の回転子鉄心に周方向に並ぶ永久磁石が交互に極性を変え周方向に沿って配置され、隣接する異極間に冷却用通風路を設け、その通風路形状を回転子鉄心の外周側を略台形形状にし、略台形形状の径方向中心側端部から軸中心に伸びる溝を設けた点にある。
【発明の効果】
【０００８】
永久磁石式回転電機において、発熱した発電機を冷却しやすい構造にし体格を縮小して低コスト化することである。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
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】
【００１０】
図１は、本発明装置の第１実施例となる６極永久磁石式回転電機の永久磁石回転子端部断面図である。永久磁石回転子１は回転子鉄心２からなり、永久磁石３，４が回転子鉄心２の永久磁石スロット５に納められており、前記永久磁石は１極につき２個ずつ配置されている。また、永久磁石回転子１は極間に冷却用通風路６を設け、そこに冷却風を流すことにより発電機内部を効率的に冷却することができる。冷却用通風路６は図１に示すように、その通風路形状を回転子鉄心の外周側を略台形形状にし、略台形形状の径方向中心側端部から軸中心に伸びる溝を設けている。この構造での冷却性能を調べたものが、図２，図３であり、効率的に冷却することができることがわかる。
【００１１】
図２は図１記載の回転子鉄心の１極分を構成する幅の内径側端部角度θと永久磁石回転子と固定子の温度上昇との関係を示した図である。なお、図１では回転子鉄心の１極分の端部が径方向に二箇所あるが一箇所の場合はその端部角度がθとなる。図２よりθを50°以上とすることで永久磁石の温度上昇を１００ｋ以下にして減磁温度以下になるようにし、θを５８°以下にすることで固定子の巻線種、Ｈ種を用いた場合に温度上昇の最高温度１４０ｋを超えないようにすることができる。これは規格電線であるＨ種の巻き線の最高温度の上限温度が１４０ｋだからである。
【００１２】
これより、冷却用通風路６の通風路内径側の周方向幅は回転子鉄心の１極分を構成する幅の内径側端部角度をθとしθは５０°以上，５８°以下の範囲とすることが望ましい。
【００１３】
図３は図１記載の冷却用通風路の径方向深さａ寸法と永久磁石回転子の温度上昇と回転子鉄心の応力の関係を示した図である。図１記載の冷却用通風路６の径方向最適深さａは回転子鉄心の半径ｒとの割合ａ／ｒを３３％以上にすることで永久磁石を１００ｋ以下にして減磁温度以下になるようにし、５８％以下にすることで回転子鉄心の応力が材料の降伏応力を超えず使用することができる。
【００１４】
これより、冷却用通風路６の径方向深さａは回転子鉄心の半径ｒとの割合ａ／ｒが３３％以上，５８％以下の範囲とすることが望ましい。
【００１５】
このように図１で示した冷却用通風路６を用いることにより発電機の発熱密度を上げることができ発電機体格低減を行うことができる。また、回転子鉄心２はシャフト７に接続されている。なお、本図では六極を示しているが、その他の極数でも同様に実現できることは言うまでもない。
【実施例２】
【００１６】
図４は、本発明装置の第２実施例となる６極永久磁石式回転電機の永久磁石回転子端部断面図である。第１実施例と同様に永久磁石回転子２０は回転子鉄心２１からなり、永久磁石３，４が回転子鉄心２１の永久磁石スロット５に納められており、前記永久磁石は１極につき２個ずつ配置されている。また、永久磁石回転子２０は極間に冷却用通風路６を設け、そこに冷却風を流すことにより発電機内部を効率的に冷却することができる。また回転子鉄心２１の前記永久磁石より内径側に１極につき１つの通風冷却用アキシャルダクト８を設け、そこにも冷却風を通風させることができる。また、回転子鉄心２１はシャフト７に接続されている。尚、本図では１極辺り通風冷却用アキシャルダクト８を１箇所のみ設けているが、複数の通風冷却用アキシャルダクト８を同様に設けることも可能である。次に図５を用いて冷却風の流れを説明する。
【００１７】
図５は本発明装置の第２実施例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１２を見るとエアクーラー１３で外気１４によって冷やされた空気はシャフト７に接続されたファン１５によって冷却用通風路６，通風冷却用アキシャルダクト８を通り、中間スペーサ９に放射状に配置されたダクトピース１０によって作られたダクトスペース１１から固定子１７のダクトスペース１６に抜け、エアクーラー１３に循環する。ダクトスペース１１を設けることで発電機中心部を効果的に冷却できる。
【００１８】
図６は第２実施例の永久磁石回転子２０の中間スペーサ９部径方向断面図である。中間スペーサ９の両面に放射状にダクトピース１０が配置されている通風冷却用アキシャルダクト８を通った冷却風は、永久磁石回転子２０の軸方向中心部、またはエアクーラー排気側にずらして配置された中間スペーサ９に当たりダクトスペース１１を通り固定子側に通り抜けることができる。これにより前記永久磁石式回転電機中心部をより効果的に冷却することができる。
【００１９】
第１実施例及び第２実施例において永久磁石回転子１は図７のように１極につき少なくても２つ以上の平板永久磁石３，４を前記永久磁石回転子１の外周側から見たとき、同極が径方向外周側に向くように八の字配置された永久磁石回転子３０を用いてもよい。
【００２０】
第１実施例及び第２実施例において永久磁石回転子１は図８のように１極につき少なくても２つ以上の平板永久磁石３，４を前記永久磁石回転子１の外周側から見たとき、同極が径方向外周側に向くようにＶ字配置された永久磁石回転子４０を用いてもよい。
【００２１】
第１実施例及び第２実施例において永久磁石回転子１は図９のように１極につき少なくても２つ以上のアーク型永久磁石４１，４２を前記永久磁石回転子１の外周側から見たとき、同極が径方向外周側に向くように周方向に沿って配置された永久磁石回転子５０を用いてもよい。
【００２２】
第１実施例及び第２実施例において永久磁石回転子１は図１０，図１１のようにアーク型永久磁石４３を分割せず１極につき１つ、周方向に沿って配置した永久磁石回転子６０や平板永久磁石４４を分割せず１極につき１つ、平行配置した永久磁石回転子７０を用いてもよい。
【００２３】
図１２，図１３は永久磁石固定法である。第１実施例及び第２実施例の平板永久磁石３を二分割した平板永久磁石８０を永久磁石スロット８１に取付けたガイド８２で固定するか、同じく第一実施例の平板永久磁石３を二分割した平板永久磁石９０を接着材９１にて固定する。大容量永久磁石式回転電機の場合、使用する永久磁石も大型化する。大きな永久磁石を製作することが困難な為、磁石分割方式を採用することにより永久磁石回転子の組立容易性を向上することができる。
【実施例３】
【００２４】
図１４は永久磁石回転子の１極分の図である。第１実施例及び第２実施例の回転子鉄心２２の外周径を固定子１７の内径に対し非同心にし、その外周径を１極分の周方向中心で左右対称にすることにより誘起電圧波形を正弦波にしやすくすることができる。
【００２５】
図１５は永久磁石回転子の１極分の図である。第１実施例及び第２実施例の回転子鉄心２３の外周径を固定子１７の内径に対し非同心にし、その外周径を１極分の周方向中心で回転方向側の径を反回転方向側の径より小さくすることにより電機子反作用を低減することができる。
【実施例４】
【００２６】
図１６は本発明装置の第１実施例から第２実施例で示した永久磁石式回転電機の軸方向１／２断面図である。回転子鉄心２４と永久磁石９４を軸方向にパケット分割をすることにより永久磁石式回転電機の出力をパケット個数で調整することが可能となる。
【実施例５】
【００２７】
図１７は本発明装置の第１実施例から第２実施例で示した永久磁石式回転電機の１極分の図である。冷却用通風路１８の通風冷却の溝を軸中心方向に伸ばすことにより、永久磁石を着磁するための着磁用コイル１９を巻くことが可能となる。
【実施例６】
【００２８】
図１８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１実施例から第５実施例で示した回転電機１００は、風車１０１と増速ギア１０２を介して接続され、風車ナセル１０３内に設置される。さらに回転電機１００は電力系統１０４と電力変換器１０５を介して接続され、発電運転を行うことができる。また、風車１０１と回転電機
１００は直結することも可能である。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。
【００２９】
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。
【００３０】
以上のように、本発明は、永久磁石式回転電機の冷却効率向上，着磁性、及び永久磁石回転子の組立容易性を確保し部品点数を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【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２）
【図５】回転電機の実施方法を示した説明図である。（実施例２）
【図６】回転電機の実施方法を示した説明図である。（実施例２）
【図７】回転電機の実施方法を示した説明図である。（実施例２）
【図８】回転電機の実施方法を示した説明図である。（実施例２）
【図９】回転電機の実施方法を示した説明図である。（実施例２）
【図１０】回転電機の実施方法を示した説明図である。（実施例２）
【図１１】回転電機の実施方法を示した説明図である。（実施例２）
【図１２】回転電機の実施方法を示した説明図である。（実施例２）
【図１３】回転電機の実施方法を示した説明図である。（実施例２）
【図１４】回転電機の実施方法を示した説明図である。（実施例３）
【図１５】回転電機の実施方法を示した説明図である。（実施例３）
【図１６】回転電機の実施方法を示した説明図である。（実施例４）
【図１７】回転電機の実施方法を示した説明図である。（実施例５）
【図１８】回転電機の実施方法を示した説明図である。（実施例６）
【符号の説明】
【００３２】
１，２０，３０，４０，５０，６０，７０  回転子
２，２１，２２，２３，２４，２５  回転子鉄心
３，４，４４，８０，９０，９２，９３，９６  平板永久磁石
５，８１  永久磁石スロット
６，１８  冷却用通風路
７  シャフト
８  通風冷却用アキシャルダクト
９  中間スペーサ
１０  ダクトピース
１１，１６  ダクトスペース
１２  冷却風の流れ
１３  エアクーラー
１４  外気
１５  ファン
１７  固定子
１９  着磁用コイル
４１，４２，４３  アーク型永久磁石
９１  接着剤
９４，９５  永久磁石
１００  回転電機
１０１  風車
１０２  増速ギア
１０３  風車ナセル
１０４  電力系統
１０５  電力変換器
【図１】
2008131813.tif 000003
【図２】
2008131813.tif 000004
【図３】
2008131813.tif 000005
【図４】
2008131813.tif 000006
【図５】
2008131813.tif 000007
【図６】
2008131813.tif 000008
【図７】
2008131813.tif 000009
【図８】
2008131813.tif 000010
【図９】
2008131813.tif 000011
【図１０】
2008131813.tif 000012
【図１１】
2008131813.tif 000013
【図１２】
2008131813.tif 000014
【図１３】
2008131813.tif 000015
【図１４】
2008131813.tif 000016
【図１５】
2008131813.tif 000017
【図１６】
2008131813.tif 000018
【図１７】
2008131813.tif 000019
【図１８】
2008131813.tif 000020