JP2008245336A - 回転子及び永久磁石回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】永久磁石内部での渦電流の発生を抑制して永久磁石の特性劣化を防止し、高効率な永久磁石回転電機を実現する。
【解決手段】永久磁石回転電機１は、固定子巻線２１を有する固定子２０と、固定子と所定の空隙２３を持つ状態で回転可能に配置された回転子１０を備え、回転子は回転子鉄心１２を有し、回転子鉄心の外周側内部又は表面に永久磁石１３を備えていて、この永久磁石は軸方向に複数のセグメント１３−１，１３−２に分割されており、分割面１３Ａと永久磁石の周方向端面とは鋭角を成すように構成され、その鋭角の尖端部を狭領域部１４−１，１４−２としている。
【選択図】 図３

Description

本発明は、回転子及びそれを備えた永久磁石回転電機に関する。

図１８及び図１９は、従来の永久磁石回転電機１及びその内部の回転子１０を示している。この従来の永久磁石回転電機１は、内部に回転子１０、その外周にエアギャップ２３を介して、固定子巻線２１を巻き付けた固定子鉄心２２で成る円筒形状の固定子２０を配置した構成である。図１９に示した回転子１０は８極のものであり、回転軸１１の周囲に設けた回転子鉄心１２に８個の空洞を設けてそのそれぞれに永久磁石１３を挿入した構造である。そして、永久磁石１３は回転子１０の半径方向又は永久磁石１３の断面の長方形におけるエアギャップ２３面に対向する辺（図１９では長辺）に直角方向に磁化されている。

ところが、従来の永久磁石１３を有する回転子１０には、次のような問題点があった。固定子鉄心２２からの磁束と鎖交することにより、その表面に渦電流が発生する。この渦電流は、永久磁石回転電機１の効率を悪化させるとともに永久磁石１３の温度を上昇させ、この温度上昇が回転電機１の性能を悪化させる要因となる。

そこで、従来からこの渦電流を抑制するために、図２０に示すように、軸方向や周方向に永久磁石１３を複数個のセグメント１３ａ，１３ｂに分割する対策がとられている。例えば、特開２００５−９４８４５号公報（特許文献１）、特開２００２−３５９９５５号公報（特許文献２）、特開２００４−９６８６８号公報（特許文献３）。しかし、このような対策を施しても渦電流の抑制効果が十分でなく、回転電機の性能が劣化する不具合が発生することがあった。
特開２００５−９４８４５号公報 特開２００２−３５９９５５号公報 特開２００４−９６８６８号公報

本発明は、上記のような従来の技術的課題に鑑みてなされたものであり、永久磁石に発生する渦電流をより一層効率的に抑制し、永久磁石の温度上昇や特性劣化、回転電機の効率低下を防ぐことができる回転子及びそれを備えた永久磁石回転電機を提供することを目的とする。

本発明は、電機子巻線を持つ固定子と、前記固定子と所定の空隙を持つ状態で回転可能に配置された回転子と、前記回転子の表面又は内部に永久磁石を備えた永久磁石回転電機における回転子であって、前記永久磁石は当該回転子の軸方向に複数のセグメントに分割されており、前記分割面は当該永久磁石に発生する渦電流の流れを阻害する狭領域部を有している回転子を特徴とする。

本発明はまた、上記回転子を備えた永久磁石回転電機を特徴とする。

本発明によれば、個々の永久磁石を分割構造にして、かつ分割面に渦電流の流れを阻害する狭領域部を形成することで、この狭領域部分に渦電流が流れにくくし、渦電流の発生を抑制して永久磁石の温度上昇を防ぎ、また、温度上昇による永久磁石の特性劣化を防止し、この結果として、これを回転子として組み込んだ永久磁石回転電機の性能低下を防ぎ、また、渦電流損失の低減により高効率な回転電機を実現できる。

以下、本発明の実施の形態を図に基づいて詳説する。

（第１の実施の形態）図１〜図５を用いて本発明の第１の実施の形態の回転子１０及びそれを組み込んだ永久磁石回転電機１について説明する。第１の実施の形態の永久磁石回転電機１は埋込み磁石型回転電機（ＩＰＭ）である。この永久磁石回転電機１０の回転子１１は、回転子鉄心１２を有し、回転子鉄心１２の外周側内部に永久磁石１３が埋め込まれている。永久磁石回転電機１０の固定子２０は、回転子１１にエアギャップ２３を介してその外側に対向するように配置されており、固定子鉄心２２に固定子巻線２１を巻き付けた構成である。尚、この固定子２０の構造は特に制限されるものではなく、一般的な構造のものを広く採用することができる。

尚、回転子１０は、インナーロータ方式の場合には、固定子巻線２１が施された固定子２０の内部に配置されるが、アウターロータ方式の場合には、固定子２０の外周側に配置される。図１、図２に図示した永久磁石回転電機１は、回転子１０が固定子２０の内部に配置されるインナーロータ方式である。

図３に示すように、永久磁石１３は回転子１０の軸方向に対して斜め切りしたような分割面１３Ａによって軸方向に複数個のセグメント１３−１，１３−２に分割されており、永久磁石１３の分割面１３Ａと永久磁石１３の周方向端面１３Ｂとが成す鋭角の角度は８５度以下となるように構成される。尚、図３には磁石形状が平板形状である場合を図示したが、湾曲形状の磁石の場合も同様である。また、実際の永久磁石１３の角部は、面取り加工が施される場合がある。さらに、分割面１３Ａと軸方向とのなす角度を８５度以下にするのは特に限定させるものでなく、後に図４を用いて説明するように書くセグメント１３−１，１３−２に生起される渦電流が狭領域部１４−１，１４−２には流れないようにして渦電流による発熱が抑制できる角度であればよい。

次に、上記実施の形態の永久磁石回転電機１の回転子１０における永久磁石１３に流れる渦電流の挙動について説明する。図４（ａ）に従来の永久磁石の分割方法による永久磁石１３に流れる渦電流１５ａ，１５ｂの流れを示し、図４（ｂ）に本実施の形態の永久磁石の分割方法による永久磁石１３に流れる渦電流１５−１，１５−２の渦電流の流れを示す。

本実施の形態によれば、軸方向に斜め切断する分割面１３Ａにて永久磁石１３を軸方向に複数個のセグメント１３−１，１３−２に分割しているので、永久磁石１３の分割面１３Ａと永久磁石１３の周方向端面とが鋭角をなし、狭領域部１４−１，１４−２が形成されている。この狭領域部１４−１，１４−２には渦電流１５−１，１５−２は流れにくく、よって渦電流１５−１，１５−２の発生が抑制され、その分、従来の回転子よりも渦電流による損失が少なくなり、温度上昇も小さくなる。実際に実行したシミュレーションによれば、従来例の場合の渦電流損失を１００％とすると、本実施の形態の場合の渦電流損失は、分割面１３Ａの永久磁石１３の周方向端面となす角度が７０°で３％程度減少させることができ、５０°では１０％程度まで減少させることができるが確認できた。

以上のように、本実施の形態の永久磁石回転電機１及び回転子１０によれば、永久磁石１３の内部の渦電流の発生が抑制されることにより、永久磁石１３の温度上昇を防ぐことができ、永久磁石の特性劣化及び回転電機１の性能低下を防止することができる。また、渦電流損失の低減により、高効率な回転電機を得ることができる。

（第２の実施の形態）図５を参照して、本発明の第２の実施の形態の永久磁石回転電機及び回転子について説明する。本実施の形態の特徴は、回転子１０に配置する永久磁石１３の分割方法にあり、永久磁石１３の分割方法以外は、第１の実施の形態と同様である。

永久磁石１３は軸方向に対して斜めに切断する２つの分割面１３Ａ，１３Ｂにて３セグメント１３−１，１３−２，１３−３に分割されており、それぞれの分割面１３Ａ，１３Ｂは１枚の平面で構成される。永久磁石１３の分割面１３Ａ，１３Ｂと永久磁石１３の周方向端面とは鋭角を成すように構成され、その鋭角の尖端部を狭領域部１４−１，１４−２，１４−３，１４−４としている。

本実施の形態の回転子１０にあっても、永久磁石１３の各セグメント１３−１，１３−２，１３−３には渦電流を流れにくくする鋭角の狭領域部１４−１〜１４−４が形成されているので、渦電流の発生が抑制される。この結果、本実施の形態の分割構造の永久磁石１３を備えた回転子及び永久磁石回転電機では、永久磁石１３の温度上昇を防ぐことができ、永久磁石の特性劣化及び回転電機の性能低下を防止することができる。また、渦電流損失の低減により、高効率な回転電機を得ることができる。

尚、図６の変形例に示すように、永久磁石１３に対する分割面１３Ａ，１３Ｂを互いに逆傾斜となるように形成することも可能であり、それによっても渦電流の発生を抑制し、永久磁石１３の温度上昇を防き、永久磁石の特性劣化及び回転電機の性能低下を防止することができる。また、渦電流損失の低減により、高効率な回転電機を得ることができる。

（第３の実施の形態）図７を参照して、本発明の第３の実施の形態の永久磁石回転電機及び回転子について説明する。本実施の形態における回転電機１、回転子１０の構成は、永久磁石１３の分割方法以外は第１の実施の形態と同様である。

図７に示すように、本実施の形態における回転子１０内の永久磁石１３は、軸方向に複数のセグメント１３−１，１３−２に分割されており、それぞれの分割面１３Ａは山谷を繰り返す複数枚の平面で構成されている。永久磁石１３の分割面１３Ａと永久磁石１３の周方向端面とは鋭角を成すように構成され、その鋭角の尖端部を狭領域部１４−１，１４−２としている。

本実施の形態の回転子１０においても、永久磁石１３には狭領域部１４−１，１４−２が存在し、この結果、渦電流の発生が抑制される。したがって、永久磁石１３の温度上昇を防ぐことができ、永久磁石１３の特性劣化及び回転電機１の性能低下を防止することができる。また、渦電流損失の低減により、高効率な回転電機を得ることができる。

（第４の実施の形態）図８を参照して、本発明の第４の実施の形態の永久磁石回転電機及び回転子について説明する。本実施の形態の特徴も永久磁石１３の分割構造にあり、永久磁石１３の分割方法以外は第１の実施の形態と同様である。

図８に示すように、本実施の形態における回転子１０内の永久磁石１３は、軸方向に複数のセグメント１３−１，１３−２に分割されており、それぞれの分割面１３Ａは曲面で構成されている。永久磁石１３の分割面１３Ａと永久磁石１３の周方向端面とは鋭角を成すように構成され、その鋭角の尖端部を狭領域部１４−１，１４−２としている。

本実施の形態の回転子１０においても、永久磁石１３には狭領域部１４−１，１４−２が存在し、この結果、渦電流の発生が抑制される。したがって、永久磁石１３の温度上昇を防ぐことができ、永久磁石１３の特性劣化及び回転電機１の性能低下を防止することができる。また、渦電流損失の低減により、高効率な回転電機を得ることができる。

尚、永久磁石１３の曲面の分割面は複数枚とし、永久磁石を３つ以上のセグメントに分割しても同様の効果を得ることができる。

（第５の実施の形態）図９を参照して、本発明の第５の実施の形態の永久磁石回転電機及び回転子について説明する。本実施の形態の特徴も永久磁石１３の分割構造にあり、永久磁石１３の分割方法以外は第１の実施の形態と同様である。

図９に示すように、本実施の形態における回転子１０内の永久磁石１３は、軸方向に複数のセグメント１３−１，１３−２に分割されており、それぞれの分割面１３Ａは平面部１３Ａ１とその両側の曲面部１３Ａ２で構成されている。永久磁石１３の分割面１３Ａと永久磁石１３の周方向端面とは鋭角を成すように構成され、その鋭角の尖端部を狭領域部１４−１，１４−２としている。

本実施の形態の回転子１０においても、永久磁石１３には狭領域部１４−１，１４−２が存在し、この結果、渦電流の発生が抑制される。したがって、永久磁石１３の温度上昇を防ぐことができ、永久磁石１３の特性劣化及び回転電機１の性能低下を防止することができる。また、渦電流損失の低減により、高効率な回転電機を得ることができる。

尚、本実施の形態にあっても、永久磁石１３の曲面の分割面は複数枚とし、永久磁石を３つ以上のセグメントに分割しても同様の効果を得ることができる。

（第６の実施の形態）図１０を参照して、本発明の第６の実施の形態の永久磁石回転電機及び回転子について説明する。本実施の形態の特徴も永久磁石１３の分割構造にあり、永久磁石１３の分割方法以外は第１の実施の形態と同様である。

図１０に示すように、本実施の形態における回転子１０内の永久磁石１３は、周方向に対して斜めに交わる分割面１３Ａにて複数のセグメント１３−１，１３−２に分割され、永久磁石１３の分割面１３Ａと永久磁石１３の軸方向端面が鋭角を成すように構成され、その鋭角の尖端部を狭領域部１４−１，１４−２としている。

本実施の形態の回転子１０においても、永久磁石１３には狭領域部１４−１，１４−２が存在し、この結果、渦電流の発生が抑制される。したがって、永久磁石１３の温度上昇を防ぐことができ、永久磁石１３の特性劣化及び回転電機１の性能低下を防止することができる。また、渦電流損失の低減により、高効率な回転電機を得ることができる。

（第７の実施の形態）図１１（ａ）、図１１（ｂ）を参照して、本発明の第７の実施の形態の永久磁石回転電機１及び回転子１０について説明する。本実施の形態の特徴も永久磁石１３の分割構造にあり、永久磁石１３の分割方法以外は第１の実施の形態と同様である。

図１１（ａ）に示すように、本実施の形態における回転子１０内の永久磁石１３は、周方向に対して同じ向きで斜めに交わる複数枚の分割面１３Ａ，１３Ｂにて複数のセグメント１３−１，１３−２，１３−３に分割され、永久磁石１３の分割面１３Ａ，１３Ｂと永久磁石１３の軸方向端面が鋭角を成すように構成され、その鋭角の尖端部を狭領域部１４−１，１４−２，１４−３，１４−４としている。

本実施の形態の回転子１０においても、永久磁石１３には狭領域部１４−１〜１４−４が存在し、この結果、渦電流の発生が抑制される。したがって、永久磁石１３の温度上昇を防ぐことができ、永久磁石１３の特性劣化及び回転電機１の性能低下を防止することができる。また、渦電流損失の低減により、高効率な回転電機を得ることができる。

尚、図１１（ｂ）に示すように、分割面１３Ａ，１３Ｂを互いに逆傾斜する向きに形成することもできる。そしてこの分割方法によっても上記と同様の効果を得ることができる。

（第８の実施の形態）図１２を参照して、本発明の第８の実施の形態の永久磁石回転電機及び回転子について説明する。本実施の形態の特徴も永久磁石１３の分割構造にあり、永久磁石１３の分割方法以外は第１の実施の形態と同様である。

図１２に示すように、本実施の形態における回転子１０内の永久磁石１３は、周方向に複数のセグメント１３−１，１３−２に分割されており、それぞれの分割面１３Ａは山谷を繰り返す複数枚の平面で構成されている。永久磁石１３の分割面１３Ａと永久磁石１３の軸方向端面とは鋭角を成すように構成され、その鋭角の尖端部を狭領域部１４−１，１４−２としている。

本実施の形態の回転子１０においても、永久磁石１３には狭領域部１４−１，１４−２が存在し、この結果、渦電流の発生が抑制される。したがって、永久磁石１３の温度上昇を防ぐことができ、永久磁石１３の特性劣化及び回転電機１の性能低下を防止することができる。また、渦電流損失の低減により、高効率な回転電機を得ることができる。

（第９の実施の形態）図１３を参照して、本発明の第９の実施の形態の永久磁石回転電機及び回転子について説明する。本実施の形態の特徴も永久磁石１３の分割構造にあり、永久磁石１３の分割方法以外は第１の実施の形態と同様である。

図１３に示すように、本実施の形態における回転子１０内の永久磁石１３は、周方向に複数のセグメント１３−１，１３−２に分割されており、それぞれの分割面１３Ａは曲面で構成されている。永久磁石１３の分割面１３Ａと永久磁石１３の軸方向端面とは鋭角を成すように構成され、その鋭角の尖端部を狭領域部１４−１，１４−２としている。

本実施の形態の回転子１０においても、永久磁石１３には狭領域部１４−１，１４−２が存在し、この結果、渦電流の発生が抑制される。したがって、永久磁石１３の温度上昇を防ぐことができ、永久磁石１３の特性劣化及び回転電機１の性能低下を防止することができる。また、渦電流損失の低減により、高効率な回転電機を得ることができる。

尚、永久磁石１３の曲面の分割面は複数枚とし、永久磁石を３つ以上のセグメントに分割しても同様の効果を得ることができる。

（第１０の実施の形態）図１４を参照して、本発明の第１０の実施の形態の永久磁石回転電機及び回転子について説明する。本実施の形態の特徴も永久磁石１３の分割構造にあり、永久磁石１３の分割方法以外は第１の実施の形態と同様である。

図１４に示すように、本実施の形態における回転子１０内の永久磁石１３は、周方向に複数のセグメント１３−１，１３−２に分割されており、それぞれの分割面１３Ａは平面部１３Ａ１とその両側の曲面部１３Ａ２で構成されている。永久磁石１３の分割面１３Ａと永久磁石１３の軸方向端面とは鋭角を成すように構成され、その鋭角の尖端部を狭領域部１４−１，１４−２としている。

本実施の形態の回転子１０においても、永久磁石１３には狭領域部１４−１，１４−２が存在し、この結果、渦電流の発生が抑制される。したがって、永久磁石１３の温度上昇を防ぐことができ、永久磁石１３の特性劣化及び回転電機１の性能低下を防止することができる。また、渦電流損失の低減により、高効率な回転電機を得ることができる。

尚、本実施の形態にあっても、永久磁石１３の曲面の分割面は複数枚とし、永久磁石を３つ以上のセグメントに分割しても同様の効果を得ることができる。

（第１１の実施の形態）図１５を参照して、本発明の第１１の実施の形態の永久磁石回転電機及び回転子について説明する。本実施の形態の特徴も永久磁石１３の分割構造にあり、永久磁石１３の分割方法以外は第１の実施の形態と同様である。

図１５に示すように、本実施の形態における回転子１０内の永久磁石１３は、凹凸形状の分割面１３Ａにて軸方向に複数のセグメント１３−１，１３−２に分割されており、分割面１３Ａの凸部内に狭領域部１４を形成している。

本実施の形態の回転子１０においても、永久磁石１３には狭領域部１４が存在し、この結果、渦電流の発生が抑制される。したがって、永久磁石１３の温度上昇を防ぐことができ、永久磁石１３の特性劣化及び回転電機１の性能低下を防止することができる。また、渦電流損失の低減により、高効率な回転電機を得ることができる。

尚、本実施の形態にあっても、永久磁石１３の分割面は複数枚とし、永久磁石を３つ以上のセグメントに分割しても同様の効果を得ることができる。

（第１２の実施の形態）上記の各実施の形態では、埋込み磁石型永久磁石回転電機について説明したが、本発明は図１６、図１７に示す構造の表面磁石型永久磁石回転電機１及びその回転子１０についても同様に適用できる。つまり、図１７に示す回転子１０において、その表面磁石として用いられている永久磁石１３について、第１〜第５、第１１の実施の形態それぞれのように軸方向に分割し、また第６〜第１０の実施の形態それぞれのように周方向に分割し、分割部分に狭領域部を形成することにより、渦電流の発生を抑制でき、各実施の形態と同様の効果を得ることができる。尚、図１６、図１７において、図１、図２と共通する要素には共通の符号を付して示している。

本発明の第１の実施の形態の永久磁石回転電機の断面図。 本発明の第１の実施の形態の永久磁石回転電機における回転子の断面図。 本発明の第１の実施の形態の回転子に採用した永久磁石の斜視図。 本発明の第１の実施の形態の分割構造の永久磁石と従来構造の永久磁石とに発生する渦電流の分布を示す説明図。 本発明の第２の実施の形態の回転子に採用した永久磁石の斜視図。 本発明の第３の実施の形態の回転子に採用した永久磁石の斜視図。 本発明の第３の実施の形態の回転子に採用した永久磁石の変形例の斜視図。 本発明の第４の実施の形態の回転子に採用した永久磁石の斜視図。 本発明の第５の実施の形態の回転子に採用した永久磁石の斜視図 本発明の第６の実施の形態の回転子に採用した永久磁石の斜視図。 本発明の第７の実施の形態の回転子に採用した永久磁石の斜視図。 本発明の第８の実施の形態の回転子に採用した永久磁石の斜視図。 本発明の第９の実施の形態の回転子に採用した永久磁石の斜視図。 本発明の第１０の実施の形態の回転子に採用した永久磁石の斜視図。 本発明の第１１の実施の形態の回転子に採用した永久磁石の斜視図。 本発明の第１２の実施の形態の表面磁石型永久磁石回転電機の断面図。 本発明の第１２の実施の形態の表面磁石型永久磁石回転電機における回転子の断面図。 従来例の埋込み磁石型永久磁石回転電機の断面図。 従来例の埋込み磁石型永久磁石回転電機における回転子の断面図。 従来例の埋込み磁石型永久磁石回転電機に採用されている分割された永久磁石を示す斜視図。

符号の説明

１ 永久磁石回転電機
１０ 回転子
１２ 回転子鉄心
１３ 永久磁石
１３Ａ，１３Ｂ 分割面
１３−１，１３−２，１３−３，１３−４ セグメント
１４，１４−１，１４−２，１４−３，１４−４ 狭領域部

Claims (10)

1. 電機子巻線を持つ固定子と、前記固定子と所定の空隙を持つ状態で回転可能に配置された回転子と、前記回転子の表面又は内部に永久磁石を備えた永久磁石回転電機における回転子であって、
   前記永久磁石は当該回転子の軸方向に複数のセグメントに分割されており、前記分割面は当該永久磁石に発生する渦電流の流れを阻害する狭領域部を有していることを特徴とする回転子。
2. 前記永久磁石の分割面は、平面で構成されていることを特徴とする請求項１記載の回転子。
3. 前記永久磁石の分割面は、曲面で構成されていることを特徴とする請求項１記載の回転子。
4. 前記永久磁石の分割面は、平面と曲面で構成されていることを特徴とする請求項１記載の回転子。
5. 前記永久磁石の分割面は、凹凸面で構成されていることを特徴とする請求項１記載の回転子。
6. 電機子巻線を持つ固定子と、前記固定子と所定の空隙を持つ状態で回転可能に配置された回転子と、前記回転子の表面又は内部に永久磁石を備えた永久磁石回転電機における回転子であって、
   前記永久磁石は当該回転子の周方向に複数のセグメントに分割されており、前記分割面は当該永久磁石に発生する渦電流の流れを阻害する鋭角な尖端部を有していることを特徴とする回転子。
7. 前記永久磁石の分割面は、平面で構成されていることを特徴とする請求項６記載の回転子。
8. 前記永久磁石の分割面は、曲面で構成されていることを特徴とする請求項６記載の回転子。
9. 前記永久磁石の分割面は、平面と曲面で構成されていることを特徴とする請求項６記載の回転子。
10. 請求項１〜９のいずれか記載の回転子を備えたことを特徴とする永久磁石回転電機。

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