JP2002354724A

JP2002354724A - 永久磁石型発電機

Info

Publication number: JP2002354724A
Application number: JP2001155510A
Authority: JP
Inventors: Akihiro Hoshino; 昭広星野; Takao Sakurai; 貴夫桜井; Masao Fujiwara; 正雄藤原; Hirotaka Higashimori; 弘高東森; Katsuhiko Takita; 勝彦田北
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2001-05-24
Filing date: 2001-05-24
Publication date: 2002-12-06

Abstract

(57)【要約】【課題】永久磁石を締付け補強する保持リングの発熱
を低くして、キュリー点の低い永久磁石が使用できるよ
うにし、且つ、永久磁石の締付強度を強くする。【解決手段】回転子１である永久磁石２の外周には薄
い非磁性体の金属リング３が強固に巻かれ、その外周に
はカーボン繊維などの高張力材料を樹脂で固めた繊維リ
ング４が巻かれている。この繊維リング４は、磁束を通
すが電流を流さない非磁性の絶縁体である。永久磁石２
の近傍の磁束分布は均一であり、固定子５に近付くと固
定磁極６に磁束が集中するので磁束分布が不均一とな
る。したがって、磁束分布の均一な金属リングは渦電流
損が少なく発熱も少ない。一方、磁束分布の不均一な繊
維リング４は絶縁体であるので渦電流は流れないため発
熱しない。よって、永久磁石２は殆ど発熱しないので、
常温で強磁性特性を有する安価なネオジウム化合物の磁
石を用いることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、回転子に永久磁石
を用いた永久磁石型発電機に関し、特に、永久磁石を補
強するための回転子の構造に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】回転子に永久磁石を用いた永久磁石型発
電機は、励磁回路が不用であり励磁電流分の損失がない
ため、高効率な電力が得られるので好んで用いられてい
る。この種の発電機としては、例えば、65,000〜95,000
rpmの超高速なマイクロガスタービン発電機などが知ら
れている。このような超高速発電機は、遠心力で回転子
側の永久磁石が飛散しないように、永久磁石の外周を保
持リングで締め付けて補強している。

【０００３】図３は、一般的な超高速用の永久磁石型発
電機の断面構造図である。回転子１１側の永久磁石１２
の外周には、例えば、インコネル718などの、強度の高
い非磁性体の金属リング１３が、永久磁石１２を締め付
けるように巻かれている。尚、磁性体の金属リングで
は、永久磁石１２からの磁束が金属リング１３内で磁気
短絡を起こしてしまうので、通常、非磁性体の金属リン
グ１３が用いられている。このような非磁性体の金属リ
ング１３は、永久磁石１２が超高速で回転しても飛散し
ないように、かなり厚い金属環を用いて永久磁石１２を
締め付けて補強している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、図３におい
て、永久磁石１２から流れる磁束は、固定子１５側の固
定磁極１６の部分が密となり、コイル１８が巻かれてい
るスロット１７の部分は疎となっている。したがって、
永久磁石１２の回転に伴って金属リング１３の円周方向
に磁束の変化を生じ、金属リング１３に渦電流が流れて
ジュール損失を発生する。このようなジュール損失は金
属リング１３及び永久磁石１２を発熱させる原因とな
る。

【０００５】このような渦電流によるジュール損失は、
一般的に、次の式（１）で示される。Ｗ＝ｋｆ²Ｂm²ｔ²/ρ … （１）但し、Ｗ：ジュール損失、ｆ：磁束変化の周波数（つま
り、発電機の周波数）、ｋ:定数、Ｂm：最大磁束密度、
ｔ：金属リングの板厚、ρ：金属リングの電気抵抗

【０００６】すなわち、式（１）から分かるように、ジ
ュール損失Ｗは金属リング１３の板厚ｔの二乗に比例し
て発生し、金属リング１３や永久磁石１２を発熱させて
しまう。したがって、金属リング１３に厚い金属環を用
いているとかなりの発熱を生じる。しかも、超高速発電
機に使用されるために磁束変化の周波数ｆも高くなり、
周波数ｆの二乗に比例してジュール損失Ｗが発生するの
で、結果的に、金属リング１３や永久磁石１２はかなり
の高温となってしまう。このため、永久磁石１２は、耐
熱性の高いサマリウムコバルトなどの希土類磁石が用い
られている。このようなサマリウムコバルト磁石はキュ
リー点が800℃程度であり、かなり高温まで安定した磁
束を発生することができる。しかし、サマリウムコバル
ト磁石は高価であるので発電機全体の価格を高くしてし
まうなどの問題がある。

【０００７】本発明はこのような事情に鑑みてなされた
ものであり、その目的は、永久磁石を締付け補強するた
めの保持リングの発熱を低くして、キュリー点の低い永
久磁石が使用できるようにし、且つ、永久磁石の締付強
度を強くすることができるような保持リングを備えた永
久磁石型発電機を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、本発明の永久磁石型発電機は、永久磁石を配置し
た回転子と、永久磁石と対向して配置された固定子とを
備え、永久磁石の外周に、回転トルクによる永久磁石の
飛散を防止するための保持リングを固着した永久磁石型
発電機において、保持リングの半径方向の肉厚の少なく
とも一部は、非磁性体の絶縁材料で形成されていること
を特徴とする。

【０００９】すなわち、本発明の永久磁石型発電機によ
れば、永久磁石の飛散を防止するための保持リングの一
部を、特に磁束密度が不均一になる固定子の磁極に近い
部分を絶縁材料で形成すれば、磁束密度の不均一に起因
して回転に伴う磁束変化が生じても、保持リングに渦電
流が流れる虞はない。したがって、ジュール熱による発
熱もなくなるので永久磁石の温度上昇も抑えれれる。勿
論、保持リングは強固に永久磁石を締付け保持する必要
があるので、絶縁材料のリングの内径に強固な材料のリ
ングを介在させるとか、保持リング全体を絶縁材料のリ
ングにした場合は、強固な絶縁材料を選ぶ必要がある。

【００１０】また、本発明の永久磁石型発電機は、前記
発明において、保持リングは、永久磁石の外周に直に固
着された、非磁性体の金属材料からなる金属リングと、
この金属リングの外周に固着された、非磁性体の絶縁材
料からなる絶縁リングとによって構成されていることを
特徴とする。この場合、好ましい実施形態としては、金
属リングはインコネルとし、絶縁リングはカーボン繊維
を樹脂で固めた繊維リングが望ましい。

【００１１】すなわち、本発明の永久磁石型発電機によ
れば、磁束分布の均一な永久磁石の直の外周部に、強度
の高い非磁性体の金属リング、例えばインコネル７１８
を用いても、渦電流損による発熱を生じることはない。
また、金属リングの外周に絶縁リング、例えばＦＲＰ
（Fiber Reinforced Plastics）などの強度のある繊維
リングを固着しても、磁束の変化によって渦電流が流れ
ることはない。したがって、永久磁石が発熱することは
ない。

【００１２】また、本発明の永久磁石型発電機は、前記
発明において、金属リングの半径方向の肉厚は、繊維リ
ングの半径方向の肉厚より薄いことを特徴とする。つま
り、金属リングの肉厚は、通過する磁束の分布がほぼ均
一である程度に薄く形成することが望ましい。すなわ
ち、永久磁石から放射される磁束は、永久磁石の極近傍
において均一に分布しているが、対向する固定子側の磁
極に近付くにつれて、磁極の歯の部分に磁束が集中し
て、コイルが巻回されているスロットの部分には磁束は
流れないので、磁束分布が不均一となる。したがって、
磁束分布が均一な永久磁石近傍の極薄い部分のみを金属
リングとして、それより外周の部分は繊維リングとすれ
ば、保持リング全体の強度は保持されるとともに、渦電
流損による発熱も少ない。

【００１３】また、本発明の永久磁石型発電機は、前記
の各発明において、永久磁石は常温時に強磁性特性を有
する磁性材料であることを特徴とする。好適な実施形態
としては、強磁性特性を有する磁性材料は、ネオジウム
化合物の常磁性体であり、一例として、ネオジウム鉄ボ
ロンの磁石が好ましい。

【００１４】すなわち、本発明の永久磁石型発電機によ
れば、永久磁石の外周に薄い非磁性体の金属リングを巻
き、その外周に繊維リングなどの絶縁リングを巻くの
で、渦電流損による発熱は殆ど発生しない。したがっ
て、永久磁石の発熱も殆どないので、常温においてサマ
リウムコバルトなどの希土類磁石と同程度の強磁性特性
を有する、安価なネオジウム鉄ボロンの磁石を用いるこ
とができる。これによって、超高速発電機の回転子に用
いられる永久磁石が遠心力で飛散する虞がなくなると共
に、安価な永久磁石を用いることができるので、発電機
全体のコスト低減を図ることができる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、図面を用いて、本発明にお
ける永久磁石型発電機の実施の形態について説明する。
図1は、本発明における超高速型の永久磁石型発電機の
断面構造図である。以下の説明では、固定子側は従来の
構造と変わらないし、直接的には本発明と関係ないので
その詳細な説明は省略する。つまり、本発明における回
転子部分の特徴は、永久磁石を締付け保持する保持リン
グを、非磁性体の金属材料からなる金属リングと絶縁材
料からなる絶縁リングの二重構造としたことである。

【００１６】図1において、回転子１を構成する永久磁
石２の外周には、薄い非磁性体の金属リング３が、永久
磁石２を締付けるように強固に巻かれている。この金属
リング３は、例えばインコネル718などの非磁性金属で
ある。さらに、その外周にはカーボン繊維からなるＦＲ
Ｐなどの高張力材料を樹脂で固めた繊維リング４が巻か
れている。このような繊維リング４による巻き方をフィ
ラメントワインディングと言う。また、ＦＲＰは、カー
ボン繊維をプラスチックで固めたもの以外に、ガラス繊
維やホウ素繊維などをプラスチックで固めた、いわゆる
繊維強化プラスチックの絶縁体であり、軽くて成形性が
よく耐蝕性や耐久性にも優れている。したがって、繊維
リング４は、磁束を通すことはできるが電流を流さな
い、いわゆる非磁性であって低伝導率な特性を有する強
度の高い絶縁体である。

【００１７】また、永久磁石２は、ネオジウム鉄ボロン
を使用した磁石である。このようなネオジウム化合物は
常磁性体であり、常温においてはサマリウムコバルトな
どの希土類磁石と同等の強磁性特性を有している。但
し、ネオジウム鉄ボロン磁石は、サマリウムコバルト磁
石のようにキュリー点が高くはなく、通常、400℃程度
のキュリー点であって、専ら常温において使用される。
したがって、常温における磁気特性はサマリウムコバル
ト磁石などと同等であり、且つ価格が安いので、常温使
用の永久磁石として好んで用いられている。

【００１８】このように構成された永久磁石２と金属リ
ング３と繊維リング４からなる回転子１の外周には、固
定子５が構成されており、この固定子５の部分は、図２
の場合と同様に、固定子５の円周上に均等な間隔で固定
磁極６が配列されている。また、各固定磁極６の間のス
ロット７の部分にはコイル８が巻回されている。そし
て、回転する永久磁石２からの磁束を固定磁極６が切る
ことによってコイル８に電圧が発電される。

【００１９】図２は、永久磁石と固定子との間の空隙に
おける磁束分布の概念図である。つまり、図２は、図１
における永久磁石１と固定子５との間の磁束分布を示し
たものであり、金属リング３や繊維リング４は省略して
ある。図２に示すように、永久磁石２から固定子５へ流
れる磁束９は、配列された各固定磁極６の部分に集中し
て密となり、コイル８が巻回されているスロット７の部
分には殆ど磁束が流れないので疎となっている。したが
って、永久磁石２から固定子５側へ流れる磁束の分布は
円周上において不均一になる。しかし、図２に示すよう
に、固定磁極６に近い空隙部分である破線ａの位置で
は、磁束密度は密と疎の部分があり磁束分布が不均一と
なっているが、永久磁石２に近い空隙部分である破線ｂ
の位置では磁束の分布は殆ど均一である。

【００２０】すなわち、図１に戻って説明すると、磁束
の発生源である永久磁石２の極近傍にある金属リング３
の部分では殆ど均一な磁束分布であるが、固定子５に近
付くにしたがって固定磁極６の部分に磁束が集中して流
れるので磁束分布は不均一となる。つまり、繊維リング
４の部分において磁束密度の粗密が著しくなり、円周方
向における磁束分布が不均一となっている。

【００２１】このように、金属リング３の部分は磁束分
布が均一であるので、金属リング３の部分では、回転子
１の回転に伴う磁束変化が殆ど生じないために渦電流損
は殆ど発生しない。しかも、前述の式（１）から明らか
なように、図１に示すような保持リングの構成では金属
リング３の板厚ｔが薄いので、図２に示すような金属リ
ング１３の厚さに比べて二乗的効果で渦電流損が減少す
る。つまり、金属リング３は、磁束変化が少ない上に板
厚が薄いので、これらの相乗効果によって渦電流損は一
層低減し、結果的に金属リング３の温度上昇はかなり少
なくなる。

【００２２】一方、繊維リング４の部分は、固定磁極６
やスロット７に近いので磁束分布はかなり不均一であ
る。したがって、繊維リング４の部分では、回転子１の
回転に伴う磁束変化は著しく大きい。しかし、繊維リン
グ４は非磁性体であると共に絶縁体であるので、磁束変
化が生じても渦電流は流れない。すなわち、繊維リング
４の部分では渦電流損は発生しなのでジュール熱も生じ
ない。

【００２３】したがって、保持リングを構成する金属リ
ング３や繊維リング４が渦電流損によって温度上昇する
ことは殆どなくなり、よって、永久磁石２も発熱する虞
はない。つまり、永久磁石２の温度上昇は小さいので、
キュリー点の低いところで強磁力特性を有するネオジウ
ム鉄ボロン磁石を使用しても、充分に所望の磁束を流す
ことができる。このようにして、安価なネオジウム鉄ボ
ロン磁石を用いて所望の発電効果が得られると共に、高
速回転においても永久磁石が飛散しないように締付保持
を行うことができる。

【００２４】以上述べた実施の形態は本発明を説明する
ための一例であり、本発明は、上記の実施の形態に限定
されるものではなく、発明の要旨の範囲で種々の変形が
可能である。例えば、上記の実施の形態では、永久磁石
を締付け保持する保持リングを非磁性体の金属リングと
繊維リングの二重構造としたが、高い強度を必要とする
場合には、内側に非磁性体の金属リングを用いることが
望ましい。さらに、金属リングはインコネル718に限る
ことはなく、強度の高い非磁性金属であれば他の適当な
材料であっても構わない。また繊維リングについてもＦ
ＲＰに限ることはなく、強固な締付力があり、高速回転
によって破損しないような高張力材料であれば他の適当
な材料であっても構わない。

【００２５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の永久磁石
型発電機によれば、回転子である永久磁石の外周に、直
に、インコネルなどの非磁性体の金属リングを固着し、
さらに、その外周に絶縁材料の繊維リングを固着してい
る。このような構成の保持リングによって、回転子であ
る永久磁石が高速回転しても、遠心力で永久磁石が飛散
する虞はなくなる。さらに、金属リングの部分は磁束の
変化が殆どないため渦電流損による発熱は殆どなく、磁
束の変化の多い繊維リングの部分は絶縁体であるので渦
電流は流れないため発熱も生じない。したがって、保持
リング全体の発熱が少ないので、永久磁石の温度上昇も
極めて小さい。これによって、常温において希土類磁石
と同程度の強磁性特性を有する安価なネオジウム化合物
の磁石（例えば、ネオジウム鉄ボロン磁石）を用いるこ
とができる。したがって、超高速発電機の回転子に用い
られる永久磁石が遠心力で飛散する虞がなくなると共
に、安価な永久磁石を用いることができるので、発電機
全体のコスト低減を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明における超高速型の永久磁石型発電機
の断面構造図である。

【図２】永久磁石と固定子との間の空隙における磁束
分布の概念図である。

【図３】一般的な超高速用の永久磁石型発電機の断面
構造図である。

【符号の説明】

１、１１回転子２、１２永久磁石３、１３金属リング４繊維リング５、１５固定子６、１６固定磁極７、１７スロット８、１８コイル９磁束

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者藤原正雄神奈川県相模原市田名3000番地三菱重工業株式会社汎用機・特車事業本部内 (72)発明者東森弘高長崎県長崎市深堀町五丁目717番１号三菱重工業株式会社長崎研究所内 (72)発明者田北勝彦長崎県長崎市深堀町五丁目717番１号三菱重工業株式会社長崎研究所内Ｆターム(参考） 5H621 GA01 GA04 GB03 JK03 JK17 5H622 CA01 CA05 DD02 PP03 PP17 PP18

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】永久磁石を配置した回転子と、前記永久
磁石と対向して配置された固定子とを備え、前記永久磁
石の外周に、回転トルクによる該永久磁石の飛散を防止
するための保持リングを固着した永久磁石型発電機にお
いて、前記保持リングの半径方向の肉厚の少なくとも一部は、
非磁性体の絶縁材料で形成されていることを特徴とする
永久磁石型発電機。
【請求項２】前記保持リングは、前記永久磁石の外周に直に固着された、非磁性体の金属
材料からなる金属リングと、前記金属リングの外周に固着された、非磁性体の絶縁材
料からなる絶縁リングとによって構成されていることを
特徴とする請求項１に記載の永久磁石型発電機。
【請求項３】前記金属リングはインコネルで構成さ
れ、前記絶縁リングは、カーボン繊維を樹脂で固めた繊維リ
ングで構成されていることを特徴とする請求項２に記載
の永久磁石型発電機。
【請求項４】前記金属リングの半径方向の肉厚は、前
記繊維リングの半径方向の肉厚より薄いことを特徴とす
る請求項３に記載の永久磁石型発電機。
【請求項５】前記金属リングの半径方向の肉厚は、通
過する磁束の分布がほぼ均一である程度に薄く形成され
ていることを特徴とする請求項４に記載の永久磁石型発
電機。
【請求項６】前記永久磁石は常温時に強磁性特性を有
する磁性材料であることを特徴とする請求項１〜請求項
５の何れかに記載の永久磁石型発電機。
【請求項７】前記磁性材料はネオジウム化合物の常磁
性体であることを特徴とする請求項６に記載の永久磁石
型発電機。
【請求項８】前記ネオジウム化合物の常磁性体は、ネ
オジウム鉄ボロンの磁石であることを特徴とする請求項
７に記載の永久磁石型発電機。