(57)【要約】【課題】永久磁石の初期減磁および経時変化を一定量以下にすることができ、信頼性の高い永久磁石型回転電機及び風力発電用永久磁石型発電機を提供する。【解決手段】永久磁石の透磁率をμ、保磁力をＨ、残留磁束密度をＢ、磁石の厚みをｈとすると共に、前記永久磁石型回転電機における空隙長をｇとしたとき、【数１】2004173415.tif 000028なる条件式を満たす。【選択図】        図５
2004173415.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転子に永久磁石を有する永久磁石型回転電機において、
前記永久磁石の透磁率をμ、保磁力をＨ、残留磁束密度をＢ、磁石の厚みをｈとすると共に、前記永久磁石型回転電機における空隙長をｇとしたとき、
【数１】
2004173415.tif 000022
なる条件式を満たす
ことを特徴とする永久磁石型回転電機。
【請求項２】
回転子に永久磁石を有する永久磁石型回転電機において、
前記永久磁石の透磁率をμ、保磁力をＨ、残留磁束密度をＢ、磁石の厚みの最大値をｈｍａｘ、磁石の厚みの最小値をｈｍｉｎとすると共に、前記永久磁石型回転電機における空隙長をｇとしたとき、
【数２】
2004173415.tif 000023
なる条件式を満たす
ことを特徴とする永久磁石型回転電機。
【請求項３】
回転子に永久磁石を有する永久磁石型回転電機において、
前記永久磁石の透磁率をμ、保磁力をＨ、残留磁束密度をＢ、磁石の厚みの最大値をｈｍａｘ、磁石の厚みの最小値をｈｍｉｎとすると共に、前記永久磁石型回転電機における空隙長をｇとし、さらにスロットの幅Ｗｓとしたとき、
【数３】
2004173415.tif 000024
なる条件式を満たす
ことを特徴とする永久磁石型回転電機。
【請求項４】
回転子に永久磁石を有する永久磁石型回転電機において、
前記永久磁石の透磁率をμ、保磁力をＨ、残留磁束密度をＢ、磁石の厚みをｈとすると共に、前記永久磁石型回転電機における空隙長をｇ、各スロットに納められている巻線の巻数をＮ、巻線に流れる電流値をＩとしたとき、
【数４】
2004173415.tif 000025
なる条件式を満たす
ことを特徴とする永久磁石型回転電機。
【請求項５】
回転子に永久磁石を有する永久磁石型回転電機において、
前記永久磁石の透磁率をμ、保磁力をＨ、残留磁束密度をＢ、磁石の厚みの最大値をｈｍａｘ、磁石の厚みの最小値をｈｍｉｎとすると共に、前記永久磁石型回転電機における空隙長をｇ、各スロットに納められている巻線の巻数をＮ、巻線に流れる電流値をＩとしたとき、
【数５】
2004173415.tif 000026
なる条件式を満たす
ことを特徴とする永久磁石型回転電機。
【請求項６】
回転子に永久磁石を有する永久磁石型回転電機において、
前記永久磁石の透磁率をμ、保磁力をＨ、残留磁束密度をＢ、磁石の厚みの最大値をｈｍａｘ、磁石の厚みの最小値をｈｍｉｎとすると共に、前記永久磁石型回転電機における空隙長をｇ、スロットの幅をＷｓ、各スロットに納められている巻線の巻数をＮ、巻線に流れる電流値をＩとしたとき、
【数６】
2004173415.tif 000027
なる条件式を満たす
ことを特徴とする永久磁石型回転電機。
【請求項７】
請求項４ないし６のいずれか１項に記載の永久磁石型回転電機において、
巻線に流れる電流Ｉは、三相突発短絡時における電流の最大値である
ことを特徴とする永久磁石型回転電機。
【請求項８】
請求項１ないし７のいずれか１項に記載の永久磁石型回転電機において、
前記回転子の永久磁石の温度が１００℃のときに前記条件式を満たす
ことを特徴とする永久磁石型回転電機。
【請求項９】
請求項１ないし８のいずれか１項に記載の永久磁石型回転電機において、
前記条件式の右辺を０．０７５に代えて０．２０とした
ことを特徴とする永久磁石型回転電機。
【請求項１０】
請求項１ないし９のいずれか１項に記載の永久磁石型回転電機を風力発電用に適用した
ことを特徴とする風力発電用永久磁石型発電機。
【請求項１１】
請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の永久磁石型回転電機の定格出力が１ＭＷ以上である
ことを特徴とする風力発電用永久磁石型発電機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、永久磁石型回転電機及び風力発電用永久磁石型発電機に関し、特に、永久磁石による磁極を有する回転子と電機子巻線を有する固定子とを具備した永久磁石型回転電機及び風力発電用永久磁石型発電機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、永久磁石の熱減磁について研究がなされている（例えば、非特許文献１参照）。ここでは、熱減磁を評価するためのパラメータを提案し、このパラメータの大小が熱減磁に大きく影響するということが述べられている。しかしながら、例えば発電機やモータを始めとする回転電機に永久磁石を適用した場合に、磁石の寸法、鉄心の寸法をどのように設定すれば、熱減磁の発生を小さく抑えることができるか検討されていない。特に、長期間の運転を要求される風力発電機などでは、永久磁石の初期減磁と経時変化がどの程度なのか予め把握しておく必要があるが、従来の技術では、例えば１０年、２０年経過したときの減磁量を推定することができない。
【０００３】
【非特許文献１】
「長期安定性を考慮した永久磁石磁気回路の磁束条件」
（電学論Ａ、１１８巻２号、平成１０年、第１７６頁−第１８１頁）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
永久磁石型回転電機は、多くの場合、回転子に発生する鉄損や渦電流損の影響や、固定子で発生する銅損、鉄損の影響を受けて回転子の温度が上昇する。これにともない磁石の温度が上昇し、磁石が減磁してしまうことがあった。これは、初期減磁と言われ、ある温度条件で、一度ある逆方向の磁界を受けると発生する減磁である。
【０００５】
また、長時間、逆方向の磁界にさらされると時間の経過に伴って減磁量が増大するという現象も見られる。例えば２０年以上の長期間の運転を要求される発電機、特に風力発電機では、これら初期減磁および経時変化を小さくすることが求められる。大容量の発電機になればその傾向は大きい。
【０００６】
この発明は上述した点に鑑みてなされたもので、永久磁石の初期減磁および経時変化を一定量以下にすることができ、信頼性の高い永久磁石型回転電機及び風力発電用永久磁石型発電機を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明の係る永久磁石型回転電機及び風力発電用永久磁石型発電機は、永久磁石の透磁率をμ、保磁力をＨ、残留磁束密度をＢ、磁石の厚みをｈとすると共に、前記永久磁石型回転電機における空隙長をｇとしたとき、
【数７】
2004173415.tif 000003
なる条件式を満たすことを特徴とするものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は、永久磁石型回転電機の固定子の鉄心、電機子巻線、回転子の永久磁石、ヨークの一部を示したものである。永久磁石１は、空隙や固定子の巻線用スロット部があるが故に、逆方向の磁界を受ける。また、電機子巻線２に電流が流れると、この電流よって発生する磁界により逆磁界を受ける。
【０００９】
図１の閉磁路Ｃにアンペアの法則を適用する。固定子鉄心３と回転子ヨーク４の比透磁率は十分大きいと仮定すると、起磁力は空隙と磁石の内部のみで消費されるので次式（１）が成り立つ。
【００１０】
【数８】
2004173415.tif 000004
【００１１】
ここで、Ｈｇは空隙での磁界［Ａ／ｍ］、ｇは空隙長［ｍ］、Ｈｍは磁石内での磁界［Ａ／ｍ］、ｈは磁石の厚み［ｍ］である。また、Ｎは巻線用スロットに納められている巻線の各スロットにおける巻数でありＩｕ，ＩｖはそれぞれＵ相巻線、Ｖ相巻線に流れる電流である。
【００１２】
一方、閉磁路Ｃにおける空隙の磁束密度Ｂｇ［Ｔ］と磁石内部の磁束密度Ｂｍ［Ｔ］が同じであるとすれば、次式（２）が成り立つ。
【００１３】
【数９】
2004173415.tif 000005
【００１４】
ここで、μ０は真空の透磁率［Ｈ／ｍ］、μは磁石の透磁率［Ｈ／ｍ］である。また、磁石内部の磁束密度と磁界には図２のような特性を持っているので、次のような関係式（３）が成り立つ。
【００１５】
【数１０】
2004173415.tif 000006
【００１６】
ここで、Ｂは磁石の残留磁束密度［Ｔ］である。
【００１７】
一方、磁石の固有保磁力をＨ［Ａ／ｍ］とすれば、減磁評価用パラメータΔは次式（４）のように定義される。
【００１８】
【数１１】
2004173415.tif 000007
【００１９】
ただし、ここで、固有保磁力Ｈは絶対値であるとし、Ｈｍは符号を含む値である（通常は負の値をとる）として表現した。
【００２０】
式（１）、（２）、（３）より、Ｈｍについて解くと、式（５）を得る。
【００２１】
【数１２】
2004173415.tif 000008
【００２２】
ここで、μ０＝μとして、式（５）を簡略化すると、式（６）を得る。
【００２３】
【数１３】
2004173415.tif 000009
【００２４】
ここで、Ｕ相電流とＶ相電流は互いに電気角１２０度位相がずれているので、式（７）で表せる。
【００２５】
【数１４】
2004173415.tif 000010
【００２６】
ただし、Ｉは電流の振幅、ωは各周波数、ｔは時間である。式（７）は次式（８）と書けるので、電機子電流による起磁力の最大値はＮＩであるといえる。
【００２７】
【数１５】
2004173415.tif 000011
【００２８】
式（６）、（８）を式（４）に代入すると、近似的に式（９）と表すことができる。これで、減磁評価用パラメータと永久磁石型回転電機のパラメータとの関連付けができる。
【００２９】
【数１６】
2004173415.tif 000012
【００３０】
次に、減磁評価用パラメータΔと熱減磁の関係について述べる。永久磁石の減磁は初期減磁と経時変化に分けられる。図３に減磁評価用パラメータΔと初期減磁の曲線を示す。図３に示すように、減磁評価用パラメータΔが小さいほど初期減磁率が大きくなる。
【００３１】
また、一般に、経時変化は時間の対数に比例することが実験的に検証されている。この比例係数（時間の対数に対する経時変化の割合）と減磁評価用パラメータΔの関係を図４に示す。図４に示すように、減磁評価用パラメータΔが小さいほど経時変化率が大きくなる。ただし、減磁評価用パラメータΔが小さいところでは経時変化率は大きくはならない。
【００３２】
永久磁石型回転電機の磁気回路のモデルを作成し、実験を行い、得られた初期減磁の実験データと１０００時間までの経時変化のデータから、２０年後の減磁率を予測した図を図５に示す（同時に初期減磁と１０００時間後の経時変化を示す）。この図からΔ≧０．０７５とすれば、初期減磁はもちろん１０００時間後、２０年後の減磁率を１％以下に抑えることができることが分かる。さらにΔ≧０．２０とすれば、初期減磁率はほぼ零に近く、経時変化もごく僅かである。
【００３３】
まず、回転電機が無負荷の状態を考える。無負荷ではＩ＝０であるので、式（９）は、式（１０）となる。
【００３４】
【数１７】
2004173415.tif 000013
【００３５】
発電機が運転されず、無負荷の状態で永久磁石が減磁してはならない。例えば、２０年後の減磁率を１％以下に抑えるには、式（１０）の右辺の値が０．０７５以上でなければならない。したがって、永久磁石型回転電機が式（１１）を満たせばよいことになる。
【００３６】
【数１８】
2004173415.tif 000014
【００３７】
このように、永久磁石型回転電機のパラメータを設定することにより、例えば２０年後のような長時間経過した後でも、永久磁石がほとんど減磁しないという効果がある。
【００３８】
さらに、実際の運転状態においては電機子電流による磁界を考えなければならない。例えば、２０年後の減磁率を１％以下に抑えるには、式（９）の右辺の値が０．０７５以上でなければならない。したがって、永久磁石型回転電機が式（１２）を満たせばよいことになる。
【００３９】
【数１９】
2004173415.tif 000015
【００４０】
このように、永久磁石型回転電機のパラメータを設定することにより、例えば２０年後のような長時間運転を続けた場合でも、永久磁石がほとんど減磁しないという効果がある。
【００４１】
また、望ましくは、式（１１）、（１２）の右辺を０．２０とすれば初期減磁率はほぼ零に近く、経時変化もごく僅かに抑えることができるという効果がある。
【００４２】
さらに、稀に回転電機において何らかの原因で短絡が生じる場合がある。このときは運転状態よりも大きな電流が流れる。例えば、三相突発短絡時には回転電機によって異なるが、一般には定格電流の数倍の電流が流れる。磁気回路の設計が不適切であると、この大電流により永久磁石が減磁してしまうことがある。一旦、減磁してしまうと永久磁石を取り出して、再着磁する必要があるので、復旧するのにコストや時間が掛かる。したがって、短絡時の大電流でも減磁しない構成にするのがよい。このため、式（１２）の左辺のＩに三相突発短絡時の電流の最大値を代入しても式（１２）の関係が成り立つときには、何らかの原因で短絡が生じた場合においても、永久磁石の減磁をごく僅かに抑えることができるという効果がある。
【００４３】
実施の形態２．
これまでは、図１に示すように、磁石の厚みが回転電機の周方向で一定あるいはほぼ一定の場合について述べた。しかしながら、回転電機のコギングトルク低減やトルク脈動低減を目的として、磁石の厚みが周方向で一定とならない場合がある。図６にその例を示す。このような場合、磁石の厚みが小さくなっているところにおいて、磁石の受ける逆磁界が大きくなり、結果として減磁しやすくなる。ここでは、磁石の厚みが小さくなっている所においても減磁を僅かに抑える構成について述べる。
【００４４】
永久磁石１の厚みの最大値をｈｍａｘ［ｍ］、最小値をｈｍｉｎ［ｍ］とする。このとき、厚みが最も小さい部分を通る閉磁路Ｃを考えたとき、空隙長がｇ＋ｈｍａｘ−ｈｍｉｎとなり、さらに、磁石厚みがｈｍｉｎとなったときと等価である。したがって、式（９）に代入した式（１３）が減磁を評価するパラメータと回転電機のパラメータの関係式である。
【００４５】
【数２０】
2004173415.tif 000016
【００４６】
これまでと同様に、減磁評価用パラメータΔと永久磁石の減磁率の特性から、式（１４）を満たせば、無負荷の状態における減磁を僅かに抑えることができる。
【００４７】
【数２１】
2004173415.tif 000017
【００４８】
さらに、運転状態を考えたとき、式（１５）を満たすように、永久磁石型回転電機のパラメータを選定しておけば、例えば、２０年後のような長時間経過した後においても、減磁が僅かしか発生しないという効果がある。
【００４９】
【数２２】
2004173415.tif 000018
【００５０】
また、望ましくは、式（１４）、（１５）の右辺を０．２０とすれば初期減磁率はほぼ零に近く、経時変化もごく僅かに抑えることができるという効果がある。
【００５１】
また、電流Ｉを三相突発短絡時の電流の最大値にしても式（１５）を満たすように永久磁石型回転電機のパラメータを選定しておけば、短絡が生じ大電流が流れた場合においても減磁が僅かしか発生しないという効果がある。
【００５２】
さらに、本実施の形態２においては、磁石の厚みが最小となるところ、すなわち最も減磁が発生しやすいところに注目しているため、磁石の局所的な減磁がほんの僅かに抑えられるので、減磁に起因するコギングトルクやトルク脈動の増大を防ぐことができるという効果もある。
【００５３】
実施の形態３．
実施の形態２においては、磁石の厚みが周方向で異なる場合について考えたが、ここでは、さらに、図７に示すような状態の固定子鉄心３のスロット５の影響を考える。永久磁石１から出た磁束線が固定子鉄心３に入りこむまでの距離が最も長い場合に、永久磁石１が受ける逆磁界が最も大きくなると思われる。なお、スロット５の部分における磁路を円弧として仮定している。
【００５４】
このとき、磁路ａ−ｂの距離はｇ＋ｈｍａｘ−ｈｍｉｎとして表され、スロット幅Ｗｓ［ｍ］とすれば磁路ｂ−ｃの距離はπＷｓ／８［ｍ］となる。この和が空気あるいは非磁性体の磁路ａ−ｂ−ｃの長さに相当する。したがって、式（９）は、式（１６）に書き換えるとができる。
【００５５】
【数２３】
2004173415.tif 000019
【００５６】
これまでと同様に、減磁評価用パラメータΔと永久磁石の減磁率の特性から、式（１７）を満たせば、無負荷の状態における減磁を僅かに抑えることができる。
【００５７】
【数２４】
2004173415.tif 000020
【００５８】
さらに、運転状態を考えたとき、式（１８）を満たすように、永久磁石型回転電機のパラメータを選定しておけば、例えば、２０年後のような長時間経過した後においても、減磁が僅かしか発生しないという効果がある。
【００５９】
【数２５】
2004173415.tif 000021
【００６０】
また、望ましくは、式（１７）、（１８）の右辺を０．２０とすれば初期減磁率はほぼ零に近く、経時変化もごく僅かに抑えることができるという効果がある。
【００６１】
また、電流Ｉを三相突発短絡時の電流の最大値にしても式（１８）を満たすように永久磁石型回転電機のパラメータを選定しておけば、短絡が生じ大電流が流れた場合においても減磁が僅かしか発生しないという効果がある。
【００６２】
また、本実施の形態３の構成にすれば、磁石の厚みが最小となるところが固定子のスロット部分に位置したときを考えているため、磁石の局所的な減磁をほんの僅かに抑えられる。局所的な減磁が発生するとコギングトルクやトルク脈動の増大が生じることがあるが、この発明によりこれを防ぐことができるという効果もある。
【００６３】
実施の形態４．
永久磁石１の保磁力は、温度によって大きく変化する、例えば図８に示すような特性を示す。温度が高いほど保磁力は低下する。常温（例えば２０℃）において、これまで述べた条件を満たす構成としても、回転電機が運転状態にあり、回転子の渦電流損等による発熱で１００℃程度まで上昇することがある。したがって、これまで述べた条件は、永久磁石１が１００℃における、残留磁束密度Ｂと保磁力Ｈに対して成立することが望ましい。
【００６４】
このような構成とすることで、回転電機が運転状態にあり、回転子の渦電流損等による発熱で１００℃程度まで上昇したとしても、減磁量をほんの僅かに抑えることができるという効果がある。
【００６５】
実施の形態５．
風力発電用永久磁石型発電機は長時間の運用を求められる。特に出力が１ＭＷ以上のいわゆるメガワットクラスの大容量の風力発電用永久磁石型発電機は１０年や２０年といった長期間の運用に耐える必要がある。
【００６６】
従来の技術では、永久磁石型回転電機の永久磁石の減磁を経時変化も含めて定量的に判断するのが困難であったが、この発明によりそれが可能となる。
【００６７】
図９に風力発電システムの概念図を示す。タワー６の上にナセル７があり、ナセル７内部に永久磁石型発電機８が納められており、その先に風車が接続されている。ハブ９とブレード１０で構成される風車と発電機は増速ギヤを介して接続されている場合もあり、ギヤを介さず直接接続されている、いわゆるギヤレス型の場合もある。
【００６８】
前記システムに組みこまれる風力発電用永久磁石型回転電機の各パラメータをこれまで述べた条件である、式（１１）、（１２）、（１４）、（１５）、（１７）及び（１８）を満たす構成とすることにより、長時間経過した後の永久磁石の減磁量を１％程度以下に抑えることができ、長期間の運用に耐えることができるという効果がある。さらに、式（１１）、（１２）、（１４）、（１５）、（１７）及び（１８）の右辺を０．２０にした式を満たす構成とすることで、初期減磁はもちろん経時変化もほんの僅かに抑えることができるという効果がある。
【００６９】
また、磁石の厚みやスロット幅を考慮した条件式（１４）、（１５）、（１７）及び（１８）を満たすことで、局所的な減磁によって生じるコギングトルク増大を回避することができる。風力発電用永久磁石型回転電機においては、風速が小さい場合にも起動することが必要でありコギングトルクの低減が重要な問題となる。したがって、磁石形状などは十分コギングトルクを小さくなるように設計される。しかしながら、局所的な減磁が発生しこれが原因でコギングトルクが増大すると風車の起動特性を低下させることになる。この発明による構成とすれば、局所的な減磁をほんの僅かに抑えることができるので、コギングトルクが増大を回避することができ、高性能な風力発電用永久磁石型発電機を提供できるという効果がある。
【００７０】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、永久磁石の初期減磁および経時変化を一定量以下にすることができ、信頼性の高い永久磁石型回転電機及び風力発電用永久磁石型発電機を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１に係る永久磁石型回転電機の固定子と回転子の概略図である。
【図２】永久磁石の減磁曲線図である。
【図３】減磁評価用パラメータΔと初期減磁率の関係を示す図である。
【図４】減磁評価用パラメータΔと経時変化率の関係を示す図である。
【図５】減磁評価用パラメータΔと経時変化を考慮した減磁率の関係を示す図である。
【図６】この発明の実施の形態２に係るもので、磁石の厚みが周方向で変化する例を示す図である。
【図７】この発明の実施の形態３に係るもので、固定子鉄心のスロットを磁路に含めた場合の説明図である。
【図８】この発明の実施の形態４に係るもので、保磁力の温度依存性を示す図である。
【図９】この発明の実施の形態５に係るもので、風力発電への適用例を示す図である。
【符号の説明】
１  永久磁石、２  電機子巻線、３  固定子鉄心、４  回転子ヨーク、５  スロット、６  タワー、７  ナセル、８  永久磁石型発電機、９  ハブ、１０  ブレード、Ｃ  閉磁路。
【図１】
2004173415.tif 000029
【図２】
2004173415.tif 000030
【図３】
2004173415.tif 000031
【図４】
2004173415.tif 000032
【図５】
2004173415.tif 000033
【図６】
2004173415.tif 000034
【図７】
2004173415.tif 000035
【図８】
2004173415.tif 000036
【図９】
2004173415.tif 000037