JP2009153332A

JP2009153332A - 埋め込み磁石型回転電機用回転子と埋め込み磁石型回転電機、該回転電機を用いた車両・昇降機・流体機械・加工機

Info

Publication number: JP2009153332A
Application number: JP2007330741A
Authority: JP
Inventors: Yosuke Kawazoe; 洋介川副; Akihiko Maemura; 前村　　明彦; Isato Fukuma; 勇人福間; Takeshi Inoue; 岳司井上; Tatsuo Suzuki; 健生鈴木
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2007-12-21
Filing date: 2007-12-21
Publication date: 2009-07-09
Anticipated expiration: 2027-12-21
Also published as: JP5082825B2

Abstract

【課題】低負荷・高速回転時の効率を高くすることができる、埋め込み磁石型同期電動機を提供する。
【解決手段】半径方向に磁束を流すことができる第１の永久磁石３と、第１の永久磁石３が作る磁束と電気角で９０度直交する向きに磁束を流すことができる第２の永久磁石４を、回転子コア２に埋設する。
【選択図】図１

Description

本発明は、埋め込み磁石型回転電機の高効率化が可能な回転子を有する埋め込み磁石型回転電機用回転子と埋め込み磁石型回転電機、該回転電機を用いた車両・昇降機・流体機械・加工機に関する。

従来、例えば、埋め込み磁石型回転電機の高効率化が可能な回転子を有し、特にファンやポンプ駆動用の動力源として用いられる、埋め込み磁石型同期電動機は次のように構成されている。
図４において、１００が固定子、１０１が回転子である。
固定子１００は、電磁鋼板をスロットとティースおよび固定子ヨークを金型にて打ち抜いた後に所定の積厚となるまで積層すると同時に、カシメ等により固着して固定子コアを構成し、さらに固定子コアのスロットに電気装荷手段となる巻線を巻回して構成している。
また、回転子１０１は、電磁鋼板を固定子１００の内周面と所定のギャップを確保するように、固定子１００の内周面より若干小さめの径となる外周面を有し、永久磁石を挿入するための磁石挿入穴を金型にて打ち抜いた後に、所定の積厚となるまで積層すると同時に、カシメなどにより固着して回転子コア１０２を構成する。
回転子コア１０２の磁石挿入穴に磁気装荷手段となる永久磁石を挿入しており、永久磁石の配置は、回転子の各極毎に、永久磁石をＶ字状に組み合わせた第１の永久磁石１０３をＶ字の頂点を回転子軸芯側に向けて埋設するとともに、平板状の永久磁石からなる第２の永久磁石１０４を回転子コア１０２の外周部にその外周にほぼ沿うように埋設し、第１の永久磁石１０３を構成する一対の平板状の永久磁石１０３ａおよび１０３ｂが回転子の中心とＶ字の頂点とを結ぶ半径方向線に対し左右対称に埋設されると共に、第２の永久磁石１０４が半径方向線に対し垂直方向かつその中央位置が半径方向線上にあるように埋設され、構成されている（例えば、特許文献１参照）。
埋め込み磁石型同期電動機では、永久磁石の作る磁束の方向をｄ軸といい、このｄ軸と電気角で９０゜ずれた位置をｑ軸という。
固定子巻線に流れる電流による磁束が回転子１０１内部を通り抜ける磁路には、第１と第２の永久磁石１０３と１０４を貫通して通り抜けるｄ軸方向の磁路と、主として第１の永久磁石１０３と第２の永久磁石１０４との間を通ってｄ軸と電気角が直交する方向に回転子コア１０２を通り抜けるｑ軸方向の磁路とがある。
また、永久磁石の作る磁束は、永久磁石から発生し、回転子コア１０２を通りギャップを介して対向する固定子１００のティースからヨークへと流れ、電気角で１８０度の位置にある永久磁石へと流れる磁路を構成する。
固定子のｄ軸に位置する巻線に電流を流すと共に、ｑ軸に位置する巻線にｄ軸に位置する巻線に流す電流と逆向きの電流を流すことにより、リラクタンストルクを発生する（例えば、特許文献２参照）。
このように、従来の埋め込み磁石型同期電動機では、この磁石トルクとリラクタンストルクとの和が回転力となり、シャフトを通じて例えばファンやポンプを駆動している。
特許第３６０５４７５号（第７頁、図１）特開２００３―１３４７０６号（第４頁、図１）

従来の埋め込み磁石型同期電動機は、回転子の各極毎に埋設された永久磁石が作る磁束により鉄損が発生し、低負荷・高速回転時には、鉄損が全損失に占める割合が大きくなり効率が悪くなる、という問題があった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、ｑ軸を流れる磁束を、第２の永久磁石が作る磁束によりにより減少させ、鉄損を減らし、低負荷・高速回転時における効率を高くすることができる埋め込み磁石型回転電機用回転子と埋め込み磁石型回転電機、該回転電機を用いた車両・昇降機・流体機械・加工機
を提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
請求項１記載の埋め込み磁石型回転電機用回転子の発明は、回転子コアと、前記回転子コア内に埋設された永久磁石と、から成る埋め込み磁石型回転電機用回転子において、前記永久磁石を第１の永久磁石と第２の永久磁石とで構成し、前記第１の永久磁石は各極毎に回転子の中心側を頂点として磁化方向を径方向とするＶ字形に埋設され、前記第２の永久磁石は前記第１の永久磁石による磁束と電気角で９０度直交する向きに磁束が向くように埋設されたことを特徴とする。
請求項２記載の発明は、請求項１記載の埋め込み磁石型回転電機用回転子において、前記第１の永久磁石が回転子の中心とＶ字の頂点とを結ぶ半径方向線に対し線対称に埋設されると共に、前記第２の永久磁石が半径方向線上に沿って埋設されていることを特徴とする。
請求項３記載の発明は、請求項２記載の埋め込み磁石型回転電機用回転子において、前記第２の永久磁石は、前記第１の永久磁石よりも回転子の径方向の外側に埋設されていることを特徴とする。
請求項４記載の発明は、請求項１記載の埋め込み磁石型回転電機用回転子において、前記第２の永久磁石は、前記第１の永久磁石よりも保磁力が高いことを特徴とする。
請求項５記載の発明は、請求項４記載の埋め込み磁石型回転電機用回転子において、前記第１の永久磁石の磁化方向厚みをｔ１としたとき、前記第２の永久磁石の磁化方向厚みｔ２が、ｔ２ ≦ ０．８ × ｔ１、となることを特徴とする。
請求項６記載の発明は、請求項１〜５のいずれか１項記載の埋め込み磁石型回転電機用回転子において、前記第２の永久磁石が、回転子の中心と外周部を結ぶ直線で分割された複数個の磁石群で構成されていることを特徴とする。
請求項７記載の埋め込み磁石型回転電機の発明は、埋め込み磁石型回転電機用回転子と、前記埋め込み磁石型回転電機用回転子を内部空間内に軸受を介して支持し自己のスロット内にコイルを巻回した固定子と、から成る埋め込み磁石型回転電機において、前記埋め込み磁石型回転電機用回転子として請求項１〜６のいずれか１項記載の回転子を用いたことを特徴とする。
請求項８記載の発明は、請求項７記載の埋め込み磁石型回転電機において、前記埋め込み磁石型回転電機が低負荷・高速回転用のものであることを特徴とする。
請求項９記載の車両の発明は、請求項７記載の埋め込み磁石型回転電機を、車両を駆動するための駆動用モータもしくは発電機として用いたことを特徴とする。
請求項１０記載の昇降機の発明は、請求項７記載の埋め込み磁石型回転電機を、駆動用モータとして用いたことを特徴とする。
請求項１１記載の流体機械の発明は、請求項７記載の埋め込み磁石型回転電機を、駆動用モータとして用いたことを特徴とする。
請求項１２記載の加工機の発明は、請求項７記載の埋め込み磁石型回転電機を、駆動用モータとして用いたことを特徴とする。

請求項１記載の発明によると、低負荷・高速回転時にｑ軸方向に流れる磁束を第２の永久磁石が作る磁束により減少させるので、固定子ティース部の磁気飽和を緩和することとなり、したがって鉄損を低減でき、効率を改善することができる。
請求項２記載の発明によると、第１の永久磁石を回転子の中心とＶ字の頂点とを結ぶ半径方向線に対し線対称に埋設し、第２の永久磁石を半径方向線上に沿って埋設することで、低負荷・高速回転時にｑ軸方向に流れる磁束を第２の永久磁石が作る磁束により効率よく減少させるので、固定子ティース部の磁気飽和を緩和することとなり、したがって鉄損を低減でき、効率を改善することができる。
また、請求項３記載の発明によると、第１の永久磁石の量を大きくすることができるので、磁石トルクを高めることができる。
また、請求項４記載の発明によると、第２の永久磁石に保持力が高い磁石を用いることで、高負荷時に電機子巻線が作る磁束による第２の永久磁石に起こる永久減磁を小さくすることができる。
また、請求項５記載の発明によると、ｄ軸の磁路への影響を小さくすることができるため、第２の永久磁石による第１の永久磁石による磁石トルクの減少を小さくすることができ、電動機の出力トルクを高めることができる。
また、請求項６記載の発明によると、分割された永久磁石の間に磁路ができるためｄ軸の磁路への影響を小さくすることができるので、磁石トルクを高めることができる。
また、請求項７記載の発明によると、埋め込み磁石型回転電機用回転子として請求項１〜６のいずれか１項記載の回転子を用いるので、上記の回転子の効果を備えた埋め込み磁石型回転電機が得られる。
また、請求項８記載の発明によると、低負荷・高速回転用に用いることで、特に大きな効果が得られるようになる。
また、請求項９〜１２記載の発明によると、請求項７記載の埋め込み磁石型回転電機を、低損失で、高速回転可能な駆動用モータもしくは発電機として用いることにより、車両・昇降機・流体機械・加工機におけるエネルギー消費量や効率の改善を実現することができる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図１は、本発明の実施例１に係る埋め込み磁石型同期電動機の正断面図である。
図１において、１は回転子であり、２は電磁鋼板を積層して構成された回転子コアである。３は回転子コア２内に各極毎に埋設されたＶ字状の第１の永久磁石、４は回転子コア２内に各極毎に埋設された第２の永久磁石である。また、１１は固定子であり、１２は電磁鋼板を積層して構成された固定子コア、１３はティース、１４はヨークである。
第１の永久磁石３は、そのＶ字の頂点Ｐを回転子コア２の軸芯側に向けて埋設されている。そして、第１の永久磁石３が回転子１の中心ＣとＶ字の頂点Ｐとを結ぶ半径方向線Ｒに対し線対称に埋設されると共に、第２の永久磁石４が半径方向線Ｒ上に埋設されている。

実施例１の回転子（図１）が従来技術の回転子（図４）と異なる部分は、第１の永久磁石による磁束と電気角で９０度直交する向きに磁束を流すことができる第２の永久磁石４を備えた部分である。すなわち、第１の永久磁石３が作る磁束は、第１の永久磁石３から発生してｄ軸方向に流れ（図１のイ）、回転子コア２を通りギャップＧを介して対向する固定子１１のティース１３から（ロ）、ヨーク１２へと流れ（ハ→ニ）、電気角で１８０度の位置にある永久磁石へと流れる（ホ）磁路１５を形成する。
また、第２の永久磁石４が作る磁束は、第２の永久磁石４から発生して第１の永久磁石が作る磁束と電気角で９０度ずれた方向（すなわちｑ軸方向）に流れ（図１のａ）、回転子コア２を通りギャップを介して対向する固定子内を流れ（ｂ→ｃ→ｄ）、磁路１６を形成する。なお、（イ）〜（ホ）の磁路の内、（ａ）〜（ｄ）の磁路内の永久磁石と隣り合う永久磁石の一部にも、その磁石が作る磁束の流れを示している。
実施例１（図１）で第２の永久磁石４そのＮ−Ｓが半径方向に向くようにしたことにより、特に、低負荷・高速回転時にはｑ軸方向の磁束を第２の永久磁石が作る磁束により打ち消すことで、磁路１６を流れる磁束を減少させ、鉄損を減らし効率を高めることができる。

回転時には、第１の永久磁石３による磁束が磁路１５を流れることで鉄損が発生する。高負荷・低速回転時には鉄損が全損失に占める割合は小さいが、低負荷・高速回転時には鉄損が全損失に占める割合が非常に大きくなり、効率を押し下げる大きな要因となったので、実施例１によって、低負荷・高速回転時に電機子コイルに流れる電流が作るｑ軸方向の磁束を、第２の永久磁石が作る磁束により、打ち消すことで、磁路１６を流れる磁束を減少させ、鉄損を減らし効率を高めることができる。

また、図２は第１の永久磁石の磁化方向厚みに対する第２の永久磁石の磁化方向厚みが電動機の出力トルクに与える影響を示した図である。
横軸は、第１の永久磁石の磁化方向厚みｔ１と第２の永久磁石の磁化方向厚みｔ２の比（ｔ２／ｔ１）を示し、縦軸はｔ２／ｔ１が０．８のときの電動機の出力トルクを１．０としたときの、出力トルクを示している。
ｔ２／ｔ１が０．８よりも大きくなると、出力トルクが減少してしまうため、本発明では、ｔ２／ｔ１を０．８とした。

図３は実施例２に係る埋め込み磁石型同期電動機の正断面図である。
図３において、５は第２の永久磁石である。なお、実施例１（図１）と同一の構成要素については同一参照符号を付けて説明を省略する。
実施例２では、第２の永久磁石５が、回転子１の半径方向線で分割された複数個の永久磁石５１、５２・・・５ｎから構成される磁石群である。
実施例１の永久磁石２（図１）を回転子１の半径方向線で分割することで、分割された永久磁石５１と永久磁石５２との間に磁路ができ、また分割された永久磁石５２と永久磁石５３との間に磁路ができる（以下、同様）。
実施例１の永久磁石２の外周に沿って迂回していた実施例１の磁路と比べて、実施例２では分割された永久磁石と隣の永久磁石との間に磁路が多数できるので、永久磁石１が作るｄ軸磁束に与える影響を小さくできるため、電動機の最大出力トルクを高めることができる。

本発明の埋め込み磁石型回転電機は、第２の永久磁石により、固定子ティース部の磁束飽和を緩和することで、高速回転時に鉄損を減少することができるので、風水力用のコンプレッサやブロワ、ポンプ等の流体機械のほかに、高速回転を必要とする工作機主軸を主とする加工機、もしくはハイブリッド自動車や燃料電池自動車、電気自動車などの駆動用モータや発電機、鉄道車両用の駆動用モータや発電機、無停電電源用発電機車に用いる発電機、さらには、エレベータ、立体駐車場等の昇降機などの、一般産業用機械の駆動用モータの用途にも適用できる。

本発明の実施例１に係る埋め込み磁石型同期電動機の正断面図である。実施例１に係る第１の永久磁石の磁化方向厚みに対する第２の永久磁石の磁化方向厚みが電動機の出力トルクに与える影響を示した線図である。実施例２に係る埋め込み磁石型同期電動機の正断面図である。従来の埋め込み磁石型同期電動機の正断面図である。

符号の説明

１回転子
２回転子コア
３第１の永久磁石
４実施例１に係る第２の永久磁石
５実施例２に係る第２の永久磁石
１１固定子
１２固定子コア
１３ティース
１４ヨーク
１５第１の永久磁石１が作る磁束により形成される磁路
１６第２の永久磁石２が作る磁束により形成される磁路
１００固定子
１０１回転子
１０２回転子コア
１０３第１の永久磁石
１０４第２の永久磁石

Claims

回転子コアと、前記回転子コア内に埋設された永久磁石と、から成る埋め込み磁石型回転電機用回転子において、
前記永久磁石を第１の永久磁石と第２の永久磁石とで構成し、前記第１の永久磁石は各極毎に回転子の中心側を頂点として磁化方向を径方向とするＶ字形に埋設され、前記第２の永久磁石は前記第１の永久磁石による磁束と電気角で９０度直交する向きに磁束が向くように埋設されたことを特徴とする埋め込み磁石型回転電機用回転子。
前記第１の永久磁石が回転子の中心とＶ字の頂点とを結ぶ半径方向線に対し線対称に埋設されると共に、前記第２の永久磁石が半径方向線上に沿って埋設されていることを特徴とする請求項１記載の埋め込み磁石型回転電機用回転子。
前記第２の永久磁石は、前記第１の永久磁石よりも回転子の径方向の外側に埋設されていることを特徴とする請求項２記載の埋め込み磁石型回転電機用回転子。
前記第２の永久磁石は、前記第１の永久磁石よりも保磁力が高いことを特徴とする請求項１記載の埋め込み磁石型回転電機用回転子。
前記第１の永久磁石の磁化方向厚みをｔ１としたとき、
前記第２の永久磁石の磁化方向厚みｔ２は
ｔ２ ≦ ０．８ × ｔ１
となることを特徴とする請求項４記載の埋め込み磁石型回転電機用回転子。
前記第２の永久磁石は、回転子の中心と外周部を結ぶ直線で分割された複数個の磁石群で構成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項記載の埋め込み磁石型回転電機用回転子。
埋め込み磁石型回転電機用回転子と、前記埋め込み磁石型回転電機用回転子を内部空間内に軸受を介して支持し自己のスロット内にコイルを巻回した固定子と、から成る埋め込み磁石型回転電機において、
前記埋め込み磁石型回転電機用回転子として請求項１〜６のいずれか１項記載の回転子を用いたことを特徴とする埋め込み磁石型回転電機。
前記埋め込み磁石型回転電機は低負荷・高速回転用のものであることを特徴とする請求項７記載の埋め込み磁石型回転電機。
請求項７記載の埋め込み磁石型回転電機を、車両を駆動するための駆動用モータもしくは発電機として用いたことを特徴とする車両。
請求項７記載の埋め込み磁石型回転電機を、駆動用モータとして用いたことを特徴とする昇降機。
請求項７記載の埋め込み磁石型回転電機を、駆動用モータとして用いたことを特徴とする流体機械。
請求項７記載の埋め込み磁石型回転電機を、駆動用モータとして用いたことを特徴とする加工機。