JP2005287296A - 永久磁石式回転電機及びそれを用いた電動車両 - Google Patents

Abstract

【課題】
永久磁石の熱減磁を防止し、小型軽量、かつ高トルクの永久磁石式回転電機を提供する。
【解決手段】
永久磁石６が周方向に配置内蔵された回転子鉄心４の軸方向の両端に装着されたサイドリング８１の外径を回転子の外径より小さくする。これにより、サイドリング８１に発生する渦電流を抑えて異常加熱を防ぎ、永久磁石の熱減磁を防止することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、高温下で使用される小型軽量、高トルクの永久磁石式回転電機及びそれを用いた電動車両に関するものである。

電気車両、特に電気自動車において使用される駆動用電動機は電気自動車として積載されるバッテリの量が限定され、かつそのバッテリの量で一充電距離を十分に確保することが必要なために小型軽量、高効率であることが望まれる。

電動機を小型軽量にするためには高速回転に適していることが要望される。また、高効率電動機としては直流電動機や誘導電動機よりも永久磁石電動機が推奨できる。特に、永久磁石を回転子の外周に配置する表面磁石電動機に比較して永久磁石よりも高い透磁率を有する鋼板、例えば、硅素鋼板の中に永久磁石保持部を有するいわゆる内部磁石電動機が適している。これは、内部磁石電動機が弱め界磁制御によって高速まで運転できる点や、弱め界磁制御によって高効率運転できるためである。

また、本形状の回転子は、表面磁石電動機に比較し回転強度が珪素鋼板の強度によって決定されるため高速回転における信頼性が高い。この方式の従来例としては特許文献１が開示されている。
特開平３−１３８０５０号公報

以上開示例によれば、永久磁石よりも高い透磁率を有する磁性材からなる回転子鉄心の中に永久磁石を配置し、かつ周方向に永久磁石と回転子鉄心で構成される補助磁極とを並置した構成を示している。弧のように永久磁石を永久磁石よりも高い透磁率を有する磁性材からなる回転子鉄心の中に配置する、すなわち内部磁石構成とすることによって、弱め界磁が可能となり、高効率でかつ高速領域までの運転が可能となる。

しかしながら、上記開示例の構成の場合、磁石の軸方向の固定方法、特に軸方向の固定方法について配慮がされていない。開示例では孔の中に磁石を接着すると記載されてあるが、高温下で運転される回転電機の場合、接着のみでは接着強度低下により軸方向へ磁石が飛び出してしまう可能性がある。

そこで回転子両端に磁石抜け止めの当て板（以後、サイドリングと称す）等を構成する方法が取られている。サイドリングは磁束の短絡を防ぐため非磁性の材料が用いられる。ところが、サイドリングが金属材料の場合、導電性があるため、固定子巻線からの磁束変化によりサイドリングに渦電流が発生し異常加熱される。この熱により磁石が高温減磁してしまう可能性がある。

本発明の目的は、永久磁石の熱減磁を防止し、小型軽量、かつ高トルクの永久磁石式回転電機及びそれを用いた電動車両を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明における永久磁石式回転電機の特徴とするところは、回転子鉄心の軸方向の両端に装着された当て板の外径を前記回転子の外径より小さくして、固定子巻線からの磁束による当て板の渦電流の発生を抑えることにある。

具体的には本発明は次に掲げる永久磁石式回転電機を提供する。

本発明は、固定子巻線を巻回した固定子鉄心を有する固定子と、前記固定子鉄心内周面に回転ギャップを有して対向し永久磁石が周方向に配置内蔵された回転子鉄心及び該回転子鉄心の軸方向の両端に装着された当て板を有する回転子とを有し、前記当て板の外径を前記回転子の外径より小さくして、前記固定子巻線からの磁束による前記当て板の渦電流の発生を抑えることを特徴とする永久磁石式回転電機を提供する。

好ましくは、前記回転子の外径と前記当て板の外径との差が、前記固定子鉄心の内径と前記回転子の外径の差の１／２以上である。

また、本発明は、固定子巻線を巻回した固定子鉄心を有する固定子と、前記固定子鉄心内周面に回転ギャップを有して対向し永久磁石が周方向に配置内蔵された回転子鉄心及び該回転子鉄心の軸方向の両端に装着された当て板を有する回転子とを有し、前記当て板を電気抵抗率が10μΩcm以上の金属材料で形成して、前記固定子巻線からの磁束による前記当て板の渦電流の発生を抑えることを特徴とする永久磁石式回転電機を提供する。

また、本発明は、固定子巻線を巻回した固定子鉄心を有する固定子と、前記固定子鉄心内周面に回転ギャップを有して対向し永久磁石が周方向に配置内蔵された回転子鉄心及び該回転子鉄心の軸方向の両端に装着された当て板を有する回転子とを有し、前記当て板の外径を前記回転子の外径より小さくし、かつ前記当て板を電気抵抗率が10μΩcm以上の金属材料で形成して、前記固定子巻線からの磁束による前記当て板の渦電流の発生を抑えることを特徴とする永久磁石式回転電機を提供する。

また、本発明は、固定子巻線を巻回した固定子鉄心を有する固定子と、前記固定子鉄心内周面に回転ギャップを有して対向し永久磁石が周方向に配置内蔵された回転子鉄心及び該回転子鉄心の軸方向の両端に装着された非磁性部材を有する回転子とを有し、前記非磁性部材を非金属材料で形成して、前記固定子巻線からの磁束による前記当て板の渦電流の発生を抑えることを特徴とする永久磁石式回転電機を提供する。

また、本発明は、直流電圧を供給するバッテリーと、前記供給された直流電圧を交流電圧に変換するインバターと、前記変換された交流電圧により車両を駆動する駆動トルクを出力する永久磁石式回転電機とを有する電動車両において、前記永久磁石式回転電機は、固定子巻線を巻回した固定子鉄心を有する固定子と、前記固定子鉄心内周面に回転ギャップを有して対向し複数の永久磁石が周方向に配置内蔵された回転子鉄心及び該回転子鉄心の軸方向の両端に装着された当て板を有する回転子とを有し、前記当て板の外径を前記回転子の外径より小さくして、前記固定子巻線からの磁束による前記当て板の渦電流の発生を抑えることにより、所定の駆動トルクを出力し、前記駆動トルクで前記車両の車輪を駆動することを特徴とする電動車両を提供する。

本発明によれば、永久磁石の熱減磁が防止できるので、永久磁石式回転電機の小型軽量化、かつ高トルク化を図ることができる。

また、本発明の永久磁石式回転電機を電動車両に用いることにより、車両の軽量化にも役立ち、車両性能向上を図ることができる。

以下、本発明の一実施の形態例に係る永久磁石式回転電機及びそれを用いた電動車両を、図を用いて説明する。

図１は、本発明の一実施の形態例に係る永久磁石式回転電機（以下、回転電機と略す）の軸方向断面を示し、図２は、図１のＡ−Ａ断面を示す。図２の永久磁石６は扇形であるが、磁石形状はこの限りではない。

回転電機１の固定子２は、ハウジング１０と、該ハウジング１０の内周面に固定された固定子鉄心４と、該固定子鉄心４に巻回された多層の固定子巻線５とで構成されている。

回転子３は、回転子鉄心８と、該回転子鉄心８に設けられた永久磁石孔７に挿入された永久磁石６と、回転軸９と、回転子鉄心８の回転軸９方向の両端に設けられ回転子鉄心８と永久磁石６とを保持するサイドリング８１とで構成され、回転軸９は、エンドブラケット１１に設けられた軸受１２に回転自在に保持されている。エンドブラケット１１は、固定子２側のハウジング１０にねじ締め固定されている。

サイドリング８１は、永久磁石６が発生する磁束の短絡を防ぐために非磁性の材料が用いられる。サイドリング８１に非磁性の金属材料を用いた場合、導電性があるため、固定子巻線５により発生される磁束の変化の影響を受け、サイドリング８１に渦電流が発生しサイドリング８１が異常加熱してしまう。この熱が永久磁石６に伝わり永久磁石６を減磁させてしまう可能性がある。特に、希土類磁石の場合には高温になると減磁しやすい特性があるため、回転電機の性能低下を防ぐためには、サイドリング８１が加熱されるのを防止する必要がある。

そこで、固定子巻線５からの磁束変化の影響を少なくし渦電流の発生を抑えるために、サイドリング８１外径を回転子３外径より小さくする。

どの程度小さくするのが良いかを、図１のＢ部の拡大図である図３を用いて説明すると、回転子３外径Ｄ２とサイドリング８１外径Ｄ３との差は、固定子４の内径Ｄ１と回転子３外径Ｄ２の差の１／２以上にするのが良い。

以下、その理由を説明する。

サイドリング８１への渦電流の影響を、固定子４と回転子３との間に働く力Ｆとして考えると、固定子４内径と回転子３外径との隙間をδ₁とした場合、次式
（数１）が成り立つ。

Ｆ＝ｋ・１／δ₁ ² …（数１）
ｋ：形状、固定子に入力される電圧等により決まる定数
式（数１）は、回転子３外径とサイドリング８１外径との差δ₂にも成り立つので、Ｆとδ₂との関係をまとめると、次表（表１）になる。

（表１）から、δ₂がδ₁の１.５倍、つまり回転子３外径Ｄ２とサイドリング
８１外径Ｄ３との差が、固定子４の内径Ｄ１と回転子３外径Ｄ２の差の１／２以上であれば、固定子４の発生する磁束によるサイドリング８１の渦電流の影響を半分以下とすることができる。

渦電流が半分になると、電流と損失Ｗとの関係式（数２）から
Ｗ＝Ｉ²・Ｒ …（数２）
Ｒ：電気抵抗
損失Ｗは１／４となるので、サイドリング８１の温度上昇は１／４となる。

このように、渦電流の影響は距離の２乗に比例して少なくなるので、回転子３外径とサイドリング８１外径との差δ₂はできるだけ大きいほうが良い。

また、サイドリング８１の材質は非磁性であれば良いのであるが、銅，アルミニウム等の材料では電気抵抗率が低いので渦電流の電流値が大きくなってしまう。そこで、電気抵抗率が10μΩcm以上と高く、かつ非磁性金属であるステンレス等が良好である。

電気抵抗率が上がるということは、次式（数３）の電気抵抗Ｒが
Ｉ＝Ｅ／Ｒ …（数３）
Ｅ：サイドリングへ誘導される電圧
大きくなるので、アルミニウム（電気抵抗率2.8μΩcm）とステンレス（電気抵抗率10μΩcm）では、ステンレスがアルミニウムに対し電気抵抗率が３.６倍となり、電流が１／３.６となり、温度上昇に換算すると１／１３とすることができる。

さらに、上記２つの特徴を併せ持った、すなわちサイドリング８１の外径が回転子３外径より小さく、かつ電気抵抗率が10μΩcm以上のステンレス材であれば、さらに効果は増すことになる。

また、回転電機１の使用温度条件と回転強度が許すのであれば、サイドリング８１を樹脂等の非金属材料で構成しても良い。樹脂材料の場合、電気抵抗率が金属材料に比べ非常に大きいため、渦電流自体が流れないため、異常加熱は起こらない。樹脂材料を回転子３両端に構成する場合には、金属材料の時と同様に板状のものを取りつける方法と、回転子３両端を樹脂で包む樹脂モールド等の方法が実現可能である。

本発明は、内転形回転子を例に取り説明したが、外転形回転子等であっても磁石の脇をサイドリングで挟む構造の回転子について適応可能である。

また、本発明の回転電機は、電動車両の駆動モータとして用いた場合に有効である。

回転電機を駆動モータとして用いた電動車両の例として、電機自動車の構成を図４に示す。バッテリー２０から供給される直流電圧をインバータ３０で交流に変換し、コントロールユニット４０により、所定のトルク、回転数で回転電機１０が車両の車輪を駆動する。

本発明の回転電機は、従来の回転電機に較べて温度上昇を低く抑えることができので、小型化が可能になり、車両への搭載性もよく、車両の軽量化にも役立ち、車両性能向上を図ることができる。

本発明の一実施の形態例に係る永久磁石式回転電機の軸方向断面図である。 図１のＡ−Ａ断面図である。 図１のＢ部の拡大図である。 本発明の永久磁石式回転電機を用いた電気自動車の構成図である。

符号の説明

１…回転電機、２…固定子、３…回転子、４…固定子鉄心、５…固定子巻線、６…永久磁石、８…回転子鉄心、８１…サイドリング、９…回転軸、１０…ハウジング、１１…エンドブラケット、１２…軸受。

Claims (2)

1. 固定子巻線を巻回した固定子鉄心を有する固定子と、
   前記固定子鉄心内周面に回転ギャップを有して対向し、複数の永久磁石が周方向に配置内蔵された回転子鉄心及び該回転子鉄心の軸方向の両端に装着された板状の当て板を有する回転子とを有し、
   前記回転子鉄心はその内部に複数の永久磁石孔が周方向に設けられ、
   前記永久磁石が前記永久磁石孔に挿入されており、前記当て板は非磁性の金属材料から形成され、かつ当該当て板の外径が前記回転子の外径よりも小さくされ、前記回転子の外径と当該当て板の外径の差が、前記固定子鉄心の内径と前記回転子の外径の差の１／２以上で１．５倍以下にして形成され、前記回転子鉄心の軸方向の両端から前記回転子鉄心の軸方向の両端及び前記永久磁石の軸方向の両端を保持すること
   を特徴とする永久磁石式回転電機。
2. 直流電流を供給するバッテリーと、
   前記供給された直流電圧を交流電圧に変換するインバータと、
   前記変換された交流電圧により車両を駆動する駆動トルクを出力する永久磁石式回転電機とを有する電動車両において、
   前記永久磁石式回転電機は、
   固定子巻線を巻回した固定子鉄心を有する固定子と、
   前記固定子鉄心内周面に回転ギャップを有して対向し、複数の永久磁石が周方向に配置内蔵された回転子鉄心及び該回転子鉄心の軸方向の両端に装置された板状の当て板を有する回転子とを有し、前記回転子鉄心はその内部に複数の永久磁石孔が周方向に設けられ、
   前記永久磁石が前記永久磁石孔に挿入されており、
   前記当て板は非磁性の金属材料から形成され、かつ当該当て板の外径が前記回転子の外径よりも小さくされ、前記回転子の外径と当該当て板の外径の差が、前記固定子鉄心の内径と前記固定子の外径の差の１／２以上で１．５倍以下にして形成されて、前記回転子鉄心の軸方向の両端から前記回転子鉄心の軸方向の両端及び前記永久磁石の軸方向の両端を保持し、
   所定の駆動トルクを出力し、前記駆動トルクで前記車両の車輪を駆動することを特徴とする電動車両。
   

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