【手続補正書】
【提出日】平成21年11月6日(2009.11.6)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定子と、該固定子と所定間隙をもって対向配置された回転子とを備え、回転子スロットに永久磁石が収納されている永久磁石式回転電機において、
前記永久磁石は、前記回転子鉄心に周方向に交互に極性を変えて配置され、一方、前記回転子鉄心には、隣接する異極間であって、かつ、軸方向に伸延し極間部から軸中心に伸びる溝から成る冷却用通風路が形成されていると共に、該冷却用通風路の径方向外周側は、径方向途中から前記回転子鉄心の外周側に向かうに従い順次幅が広くなっている略台形形状に形成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２】
請求項１に記載の永久磁石式回転電機において、
前記冷却用通風路の内径側の周方向幅は、前記回転子鉄心の１極分を構成する幅の内径側端部角度θが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に記載の永久磁石式回転電機において、
前記冷却用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、前記回転子鉄心の半径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に記載の永久磁石式回転電機において、前記回転子鉄心の永久磁石が配置されている位置より内径側に、軸方向に伸び冷却風が通る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又は４に記載の永久磁石式回転電機において、前記回転子鉄心の軸方向中心、又はエアクーラー排気側にずらして中間スペーサを設け、該中間スペーサにダクトピースを放射状に配置することでダクトスペースを形成し、該ダクトスペースを冷却風が流れる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に記載の永久磁石式回転電機において、前記冷却用通風路の溝を軸中心方向に延ばし、該溝に着磁用コイルが巻かれている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に記載の永久磁石式回転電機において、前記回転子には、１極につき少なくとも２つ以上の平板永久磁石が配置され、かつ、その平板永久磁石は、前記回転子鉄心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状に配置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８】
請求項１に記載の永久磁石式回転電機において、前記回転子には、１極につき少なくとも２つ以上の平板永久磁石が配置され、かつ、その平板永久磁石は、前記回転子鉄心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字状に配置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９】
請求項１に記載の永久磁石式回転電機において、前記回転子には、１極につき少なくとも２つ以上の平板永久磁石が配置され、かつ、その平板永久磁石は、前記回転子鉄心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平行に配置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】
請求項１に記載の永久磁石式回転電機において、前記回転子には、１極につき少なくとも２つ以上の平板永久磁石が配置され、かつ、その平板永久磁石は、前記回転子鉄心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ている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に記載の永久磁石式回転電機において、前記回転子は、前記回転子鉄心の外周径を前記固定子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成っている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に記載の永久磁石式回転電機において、前記回転子は、前記回転子鉄心の外周径を前記固定子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した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に記載の永久磁石式回転電機において、前記回転子は、前記回転子鉄心と永久磁石が軸方向にパケット分割されていることを特徴する永久磁石式回転電機。
【請求項１４】
風車と増速ギアを介して風車ナセル内に設置されている回転電機が接続され、該回転電機が電力変換器を介して電力系統に接続されている風力発電システムにおいて、前記回転電機は、固定子と所定間隙をもって対向配置された回転子の回転子スロット内に永久磁石が収納されている永久磁石式回転電機であって、前記永久磁石は、回転子鉄心に周方向に交互に極性を変えて配置され、一方、前記回転子鉄心には、隣接する異極間で、かつ、軸方向に伸延し極間部から軸中心に伸びる溝から成る冷却用通風路が形成されると共に、該冷却用通風路には、回転子シャフトに固定されているファンからの冷却風が導入されることを特徴とする風力発電システム。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【発明の名称】永久磁石式回転電機及び風力発電システム
【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係り、例えば風力発電に好適な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】
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。
【０００３】
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して損失を小さくしようとすると、どうしても回転電機の体格を大きくしなければならない。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、建設コストが大きくなってしまうので、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。
【０００４】
しかし、高い発熱密度は高い冷却性能が要求され、結果としてコスト増につながってしまう。また、発熱しずらい構造にすることも考えられるが、これでは電気特性が悪化してしまい、発電機としての仕様を満たすことが困難となる。
【０００５】
このため、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、冷却に適した回転電機の構造が必須となる。
【０００６】
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。
【０００７】
【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】
【０００８】
特許文献１に記載されている技術は、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ものであり、回転時においての空冷による冷却については記載されていない。
【０００９】
本発明は上述の点に鑑みなされたもので、その目的は、発熱した回転電機を冷却しやすい構造にし、かつ、体格の縮小化を図り低コストな永久磁石式回転電機及び風力発電システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の永久磁石式回転電機は、上記目的を達成するために、固定子と、該固定子と所定間隙をもって対向配置された回転子とを備え、回転子スロットに永久磁石が収納されている永久磁石式回転電機において、前記永久磁石は、前記回転子鉄心に周方向に交互に極性を変えて配置され、一方、前記回転子鉄心には、隣接する異極間であって、かつ、軸方向に伸延し極間部から軸中心に伸びる溝から成る冷却用通風路が形成されていると共に、該冷却用通風路の径方向外周側は、径方向途中から前記回転子鉄心の外周側に向かうに従い順次幅が広くなっている略台形形状に形成されていることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の風力発電システムは、上記目的を達成するために、風車と増速ギアを介して風車ナセル内に設置されている回転電機が接続され、該回転電機が電力変換器を介して電力系統に接続されている風力発電システムにおいて、前記回転電機は、固定子と所定間隙をもって対向配置された回転子の回転子スロット内に永久磁石が収納されている永久磁石式回転電機であって、前記永久磁石は、回転子鉄心に周方向に交互に極性を変えて配置され、一方、前記回転子鉄心には、隣接する異極間で、かつ、軸方向に伸延し極間部から軸中心に伸びる溝から成る冷却用通風路が形成されると共に、該冷却用通風路には、回転子シャフトに固定されているファンからの冷却風が導入されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、発熱した回転電機を冷却しやすい構造にし、かつ、体格の縮小化を図り低コストな永久磁石式回転電機及び風力発電システムを得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の永久磁石式回転電機の一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。
【実施例１】
【００１４】
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６極永久磁石式回転電機の永久磁石回転子を示す。
【００１５】
該図に示す如く、永久磁石回転子１は回転子鉄心２から概略なり、この回転子鉄心２の永久磁石スロット５に永久磁石３，４が納められており、前記永久磁石３，４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が設けられ、そこに冷却風を流すことにより回転電機の内部を効率的に冷却することができるようになっている。
【００１６】
前記冷却用通風路６は、図１に示すように、その通風路形状を、回転子鉄心２の外周側に向かうに従い順次幅広となっている略台形形状にすると共に、略台形形状の径方向中心側端部から軸中心に伸びる溝で形成されている。
【００１７】
このような本実施例の構造での冷却性能を調べたものを、図２及び図３に示す。
【００１８】
図２は、図１に記載の回転子鉄心２の１極分を構成する幅の内径側端部角度θ（横軸）と永久磁石回転子１及び固定子の温度上昇（縦軸）との関係を示した特性図である。
【００１９】
なお、図１では回転子鉄心２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。
【００２０】
図２よりθを５０°以上とすることで永久磁石３，４の温度上昇を１００ｋ以下にでき減磁温度以下となり、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を超えないことが判る。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。
【００２１】
このことから、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２の１極分を構成する幅の内径側端部角度をθとした場合、θは５０°以上５８°以下の範囲とすることが望ましいことが判る。
【００２２】
図３は、図１に記載の冷却用通風路６の径方向深さａと回転子鉄心２の半径ｒとの割合ａ／ｒ（横軸）、永久磁石回転子１の温度上昇（縦軸左側）及び回転子鉄心２の応力（縦軸右側）の関係を示した特性図である。
【００２３】
図１に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２の半径ｒとの割合ａ／ｒを３３％以上にすることで、永久磁石３，４を１００ｋ以下にでき減磁温度以下になり、ａ／ｒを５８％以下にすることで、回転子鉄心２の応力が下がることが判り、材料の降伏応力を超えずに使用できることが理解される。
【００２４】
このことから、冷却用通風路６の径方向深さａは、回転子鉄心２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ことが判る。
【００２５】
このように回転電機を冷却しやすい図１で示した冷却用通風路６を用いることにより、冷却性能が向上するので、回転電機の体格を大きくすることなく発熱密度を下げることができ、回転電機の体格を縮小化できるので低コスト化を図ることができる。
【００２６】
なお、本実施例では、６極の永久磁石回転子１を示しているが、その他の極数の永久磁石回転子１でも同様に実現できることは言うまでもない。
【実施例２】
【００２７】
図４は、本発明の永久磁石式回転電機の第２の実施例である６極永久磁石式回転電機の永久磁石回転子を示す。
【００２８】
該図に示す如く、第２の実施例は、第１の実施例と同様に、永久磁石回転子２０は回転子鉄心２１から概略なり、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３，４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、極間に第１の実施例と同様な構造の冷却用通風路６が設けられ、そこに冷却風を流すことにより回転電機の内部を効率的に冷却することができるようになっている。
【００２９】
そして、第２の実施例では、回転子鉄心２１の前記永久磁石３，４より内径側に、１極につき１つの軸方向に伸びる通風冷却用アキシャルダクト８を設けており、この通風冷却用アキシャルダクト８にも冷却風を通風させるようにしている。
【００３０】
尚、本実施例では、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。
【００３１】
次に、図５を用いて回転電機内を冷却する冷却風の流れを説明する。
【００３２】
図５は、本発明の永久磁石式回転電機の第２の実施例を軸方向に断面した上半分を示す図である。
【００３３】
該図に示す如く、冷却風１２の流れを見ると、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と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に循環する流れとなっている。
【００３４】
このように、冷却用通風路６と通風冷却用アキシャルダクト８を冷却風１２が通るので、冷却性能が向上し、回転電機の体格を大きくすることなく発熱密度を上げることができ、回転電機の体格を縮小化できるので低コスト化を図ることができるものである。
【００３５】
尚、ダクトスペース１１を設けることで回転電機の中心部を効果的に冷却できる効果もある。
【００３６】
図６は、本発明の第２の実施例の永久磁石回転子２０の中間スペーサ９部の径方向断面図である。
【００３７】
該図に示す如く、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。
【００３８】
これにより前記永久磁石式回転電機の中心部を、より効果的に冷却することができる。
【００３９】
上述した第１の実施例及び第２の実施例において、永久磁石回転子１は、図７に示すように、１極につき少なくても２つ以上の平板状の永久磁石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。
【００４０】
上述した第１の実施例及び第２の実施例において、永久磁石回転子１は、図８に示すように、１極につき少なくても２つ以上の平板状の永久磁石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。
【００４１】
上述した第１の実施例及び第２の実施例において、永久磁石回転子１は、図９に示すように、１極につき少なくても２つ以上のアーク型の永久磁石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。
【００４２】
上述した第１の実施例及び第２の実施例において、永久磁石回転子１は、図１０に示すように、アーク型の永久磁石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、図１１に示すように、平板状の永久磁石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。
【００４３】
図１２及び図１３は、第１及び第２の実施例における永久磁石の固定の仕方を示すものである。
【００４４】
第１の実施例及び第２の実施例における平板状の永久磁石３を、図１２に示すように、二分割した平板状の永久磁石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、図１３に示すように、第１の実施例の平板状の永久磁石３を二分割した平板状の永久磁石９０を接着材９１にて固定するものである。
【００４５】
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ので、大きな永久磁石を製作することが困難なため、図１２及び図１３に示すような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させることができる。
【実施例３】
【００４６】
図１４は、本発明の第３の実施例を示すものであり、永久磁石回転子の１極分の図である。
【００４７】
本実施例では、第１の実施例及び第２の実施例に示した回転子鉄心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したものである。
【００４８】
このように構成することにより、誘起電圧波形を正弦波にしやすくすることができる。
【００４９】
図１５に示す実施例は、第１の実施例及び第２の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したものである。
【００５０】
このように構成することにより、電機子反作用を低減することができる。
【実施例４】
【００５１】
図１６は、本発明の第４の実施例を示すものであり、第１の実施例及び第２の実施例で示した永久磁石式回転電機を軸方向に断面した上半分を示す図である。
【００５２】
該図に示す実施例は、回転子鉄心２４と永久磁石９４を軸方向にパケット分割したものである。
【００５３】
このように構成することにより、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】
【００５４】
図１７は、本発明の第４の実施例を示すものであり、第１の実施例から第２の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。
【００５５】
該図に示す実施例は、冷却用通風路１８の通風冷却の溝を軸中心方向に伸ばしたものである。
【００５６】
このように構成することにより、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】
【００５７】
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。
【００５８】
第１の実施例から第５の実施例で示した回転電機１００は、風車１０３と増速ギア１０２を介して接続され、風車ナセル１０１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１０３と回転電機１００は直結することも可能である。
【００５９】
尚、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。
【００６０】
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。
【００６１】
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】
【００６２】
【図１】本発明の第１の実施例の回転電機を示す断面図である。（実施例１）
【図２】本発明の第１の実施例における回転子鉄心の１極分を構成する幅の内径側端部角度θと永久磁石回転子及び固定子の温度上昇との関係を示す特性図である。（実施例１）
【図３】本発明の第１の実施例における冷却用通風路の径方向深さａと回転子鉄心の半径ｒとの割合ａ／ｒ、永久磁石回転子の温度上昇及び回転子鉄心の応力の関係を示す特性図である。（実施例１）
【図４】本発明の第２の実施例の回転電機を示す断面図である。（実施例２）
【図５】本発明の永久磁石式回転電機の第２の実施例を軸方向に断面した上半分を示す図である。（実施例２）
【図６】本発明の第２の実施例の永久磁石回転子２０の中間スペーサ９部の径方向断面図である。（実施例２）
【図７】本発明の第２の実施例の回転電機を示す断面図である。（実施例２）
【図８】本発明の第２の実施例の回転電機を示す断面図である。（実施例２）
【図９】本発明の第２の実施例の回転電機を示す断面図である。（実施例２）
【図１０】本発明の第２の実施例の回転電機を示す断面図である。（実施例２）
【図１１】本発明の第２の実施例の回転電機を示す断面図である。（実施例２）
【図１２】本発明の第１及び第２の実施例における永久磁石の固定の仕方を示す図である。（実施例２）
【図１３】本発明の第１及び第２の実施例における永久磁石の固定の仕方を示す図である。（実施例２）
【図１４】本発明の第３の実施例を示すものであり、永久磁石回転子の１極分の図である。（実施例３）
【図１５】本発明の第３の実施例を示すものであり、永久磁石回転子の１極分の図である。（実施例３）
【図１６】本発明の第４の実施例を示すものであり、第１の実施例及び第２の実施例で示した永久磁石式回転電機を軸方向に断面した上半分を示す図である。（実施例４）
【図１７】本発明の第４の実施例を示すものであり、第１の実施例から第２の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。（実施例５）
【図１８】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図である。（実施例６）
【符号の説明】
【００６３】
１，２０，３０，４０，５０，６０，７０  回転子
２，２１，２２，２３，２４，２５  回転子鉄心
３，４，４１，４２，４３、４４，８０，９０，９２，９３，９４，９５、９６  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
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
８２ ガイド
９１  接着剤
１００  回転電機
１０１  風車ナセル
１０２  増速ギア
１０３  風車
１０４  電力系統
１０５  電力変換器