JP2010220440A - 永久磁石式回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】永久磁石が埋め込まれた回転子の耐減磁性能を向上させる。
【解決手段】永久磁石式回転電機は、４極の永久磁石１ａ〜１ｄが埋め込まれたロータコア２により形成されたロータ３を有する。各永久磁石は、ロータ２の回転軸方向で複数の永久磁石片に分割されている。各永久磁石片の間は電気的に絶縁されている。永久磁石片の回転軸方向長は永久磁石片毎に異なっており、ロータコア２を形成した時に抜熱性能が相対的に良い場所に回転軸方向長が相対的に長い永久磁石片、ロータコア２を形成した時に抜熱性能が相対的に悪い場所に回転軸方向長が相対的に短い永久磁石片が配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、永久磁石が埋め込まれた回転子を有する永久磁石式回転電機に関する。

従来より、鉄等の高透磁率材料からなる回転子に永久磁石を埋め込んだ永久磁石式回転電機が知られている。この永久磁石式回転電機では、駆動中に永久磁石内に発生する渦電流が回転電機の効率を低下させ、さらにはこの渦電流に起因する熱によって永久磁石が減磁することがある。このような背景から、回転子の回転軸方向で永久磁石を複数個に分割すると共に分割された永久磁石間を電気的に絶縁することにより、永久磁石内に発生する渦電流を低減する永久磁石式回転電機が提案されている。

特開２０００−３２４７３６号公報

従来の永久磁石式回転電機では、永久磁石は回転子の回転軸方向に均等に分割され、且つ、分割された永久磁石間は電気的に絶縁されている。このため従来の永久磁石式回転電機によれば、回転軸方向中心部の永久磁石片の抜熱性能が回転軸方向端部の永久磁石片の抜熱性能より悪くなるために、回転軸方向中心部における永久磁石片の温度が回転軸方向端部の永久磁石片の温度よりも相対的に高くなる。このようは背景から、従来の永久磁石式回転電機によれば、回転軸方向中心部の永久磁石片が不可逆的な減磁状態に至る可能性がある。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は耐減磁性能を向上させた永久磁石式回転電機を提供することにある。

本発明に係る永久磁石式回転電機では、永久磁石が回転子の回転軸方向に沿って複数の永久磁石片に分割され、永久磁石片の回転軸方向の長さが回転子の回転軸方向端部から回転軸方向中心部に向かうに従って短くなっている。

本発明に係る永久磁石式回転電機によれば、回転軸方向中心部における永久磁石片の温度を下げることができるので、耐減磁性能を向上させることができる。

本発明の実施形態となる永久磁石式回転電機における回転子の構成を示す模式図である。 図１に示す回転子の軸方向の抜熱性能を示す図である。 図１に示す回転子の変形例の構成を示す模式図である。 図３に示す回転子の軸方向の抜熱性能を示す図である。 図１に示す回転子の変形例の構成を示す模式図である。 従来の回転子の回転軸方向の抜熱性能，磁石発熱量，及び温度分布を示す図である。 図５に示す回転子の回転軸方向の抜熱性能，磁石発熱量，及び温度分布を示す図である。 回転軸方向長が長い永久磁石片の長さｄＬと回転軸方向長が短い永久磁石片の長さｄＳを示す図である。 回転軸方向体格を１〜４倍の範囲内で変更した時の長さの比ｌと永久磁石片の最高温度の関係を表す実験結果を示す。 回転子の回転軸方向における永久磁石の熱回路網を示す模式図である。 従来技術と本願発明の回転子における回転軸方向の磁石温度分布を示す図である。 本願発明を適用した２分割にスキューした回転子を示す模式図である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態となる永久磁石式回転電機の構成を説明する。

本発明の一実施形態となる永久磁石式回転電機は、図１に示すように、４極の永久磁石１ａ〜１ｄが埋め込まれたロータコア２により形成されたロータ（回転子）３を有する。各永久磁石は、ロータ２の回転軸方向で複数（図１に示す例では６個）の永久磁石片に分割されている。各永久磁石片の間は、永久磁石片の表面を塗料等の絶縁材料でコーティングしたり，永久磁石片間に接着剤等の絶縁層を形成したりすることにより、電気的に絶縁されている。本実施形態では、永久磁石片の回転軸方向長は永久磁石片毎に異なっており、図２（ａ），（ｂ）に示すように、ロータコア２を形成した時に抜熱性能が相対的に良い場所に回転軸方向長が相対的に長い永久磁石片、ロータコア２を形成した時に抜熱性能が相対的に悪い場所に回転軸方向長が相対的に短い永久磁石片が配置されている。

すなわち本実施形態では、永久磁石片の回転軸方向長は回転軸方向中心部から回転軸方向端部に向かって長くなっている。これは永久磁石片の回転軸方向長が短いほど、永久磁石片の内部に流れる渦電流が少なくなり、発熱量が小さくなるので、回転軸方向中心部の温度上昇を抑制できるためである。一方、回転軸方向長が長い永久磁石片を回転軸方向端部に配置したとしても、回転軸方向端部の抜熱性能は相対的に高いので、永久磁石片から発生する熱を効率よく外部に放熱し、回転軸方向端部の温度上昇を抑制できるためである。このような構成によれば、永久磁石の回転軸方向の温度分布が、永久磁石をロータの回転軸方向に均一に分割した場合と比較して均一になるので、回転軸方向中心部の永久磁石片の温度上昇を抑え、耐減磁性能を向上させることができる。

本実施形態では、永久磁石片の回転軸方向長が永久磁石片毎に異なっているとしたが、回転軸方向長が異なる数種類の永久磁石片を用意し、図３に示すように、抜熱性能が相対的に低い部分から高い部分に向けて回転軸方向長が短い順に永久磁石片を配置するようにしてもよい。図３に示す例では、回転軸方向長が異なる２種類の永久磁石片を用意し、図４（ａ），（ｂ）に示すように、回転軸方向長が短い永久磁石片を回転軸方向中心部に配置している。このような構成によれば、永久磁石の回転軸方向の温度分布を均一にできるので耐減磁性能を向上させることができる共に、図１に示す永久磁石の構成と比較して永久磁石片の種類を減らすことができるので生産効率を向上させることができる。

図５に示すように、抜熱性能が相対的に高い場所に他の永久磁石片より回転軸方向長が長い永久磁石片を１つずつ配置し、それ以外の場所には回転軸方向長が同じ永久磁石片を配置するようにしてもよい。永久磁石の回転軸方向における抜熱性能の低下の要因は永久磁石片間の絶縁層によるものが大きい。このため永久磁石の分割数を多くすれば多くするほど、絶縁層が占める割合が大きくなり、永久磁石の回転軸方向における抜熱性能は低下する。従って、発熱量が大きい回転軸方向長が長い永久磁石片の数を多くすれば多くするほど、永久磁石の回転軸方向中心部の温度は高くなる。従って図５に示すロータの構成によれば、回転軸方向長が長い永久磁石片の数が少なくなるので、回転軸方向中心部の温度上昇を抑制することができる。従来の永久磁石式回転電機のように永久磁石をロータの回転軸方向に均一に分割した場合には、図６（ｄ）に示すように、永久磁石の温度は回転軸方向中心部で高くなる。これに対して、図５に示すロータの構成によれば、永久磁石の回転軸方向の温度分布は、図７（ｄ）に示すように均一になる。従って図５に示すロータの構成によれば、回転軸方向中心部の永久磁石片の温度上昇を抑え、耐減磁性能を向上させることができる。

〔実験例〕
いま図５に示すロータの構成において、図８に示すように回転軸方向長が長い永久磁石片の長さをｄＬ，回転軸方向長が短い永久磁石片の長さをｄＳとすると、以下の数式１に示す長さの比ｌを最適化することにより、永久磁石片による温度低減効果を最大限に引き出すことができる。図９は、一般的な電気自動車駆動用モータにおいて、回転軸方向体格を１〜４倍の範囲内で変更した時の数式１に示す比ｌと永久磁石片の最高温度の関係を実験により求めた結果を示す。図９から明らかなように、数式１に示す比ｌが１．５〜３．０の範囲内において永久磁石片の最高温度が一番低くなることがわかる。従って回転軸方向長が長い永久磁石片の長さｄＬと回転軸方向長が短い永久磁石片の長さｄＳの比ｌを１．５〜３．０倍の範囲内に設計することにより、回転軸方向中心部の永久磁石片の温度上昇を抑え、耐減磁性能を向上させることができる。

一般に、永久磁石の回転軸方向の熱回路網は図１０に示すようになる。従って図１０に示す熱回路網からｎ番目の永久磁石片の温度Ｔｎは以下の数式２に示すようになる。また数式２からｍ番目の永久磁石片の温度Ｔｍは以下の数式３に示すようになる。そしてこの数式３は以下の数式４のように変形できる。従って図１０に示す熱回路網から永久磁石片の最高温度Ｔｍは以下の数式４により算出できる。

ここで数式４を見ると、ｍ番目の永久磁石片の温度Ｔｍを最小にするためには、数式４の右辺の中括弧内の値を最小にすればよいことがわかる。数式４の右辺の中括弧内の値は、磁石幅Ｂ，モータ軸長Ｌ，磁石分割数２ｍ，及び数式１に示す比ｌの４つのパラメータにより決定される。そこで一般的な電気自動車駆動用モータの体格（磁石幅Ｂ、モータ軸長Ｌを含む）において、磁石分割数２ｍを１８，比ｌを２．３とした時の回転軸方向の磁石温度分布を算出した。算出結果を図１１に示す。図１１から明らかなように、永久磁石片の回転軸方向長を回転軸方向で変化させることにより、永久磁石片の回転軸方向長が回転軸方向で同じにした場合と比較して、磁石最高温度を約１０％低減できることがわかる。

以上、本発明者らによってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、本実施形態による本発明の開示の一部をなす記述及び図面により本発明は限定されることはない。例えば本発明は、モータのトルクリプル及びコギングトルクを低減するためにスキューを施したモータにも適用することができる。図１２は、２分割にスキューしたロータに対し本発明を適用したものである。すなわち本実施形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれることは勿論である。

１ａ〜１ｄ：永久磁石
２：ロータコア
３：ロータ

Claims (4)

1. 永久磁石が埋め込まれた回転子を備える永久磁石式回転電機において、
   前記永久磁石が、前記回転子の回転軸方向に沿って複数の永久磁石片に分割され、前記永久磁石片の前記回転軸方向の長さが、前記回転子の回転軸方向端部から回転軸方向中心部に向かうに従って短くなっていることを特徴とする永久磁石式回転電機。
2. 請求項１に記載の永久磁石式回転電機において、
   前記永久磁石は、前記回転軸方向の長さが第１の長さである第１の永久磁石片と、前記回転軸方向の長さが第１の長さより短い第２の長さである第２の永久磁石片とに分割され、前記第２の永久磁石片が、前記回転子の回転軸方向中心部に配置されていることを特徴とする永久磁石式回転電機。
3. 請求項２に記載の永久磁石式回転電機において、
   前記第１の永久磁石片が、前記回転子の回転軸方両端部に１つずつ配置されていることを特徴とする永久磁石式回転電機。
4. 請求項２又は請求項３に記載の永久磁石式回転電機において、
   前記第２の長さに対する前記第１の長さの比が１．５以上３．０以下の範囲内にあることを特徴とする永久磁石式回転電機。

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