JP2011036104A - 永久磁石形回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】風損を低減して回転電機の出力低下を抑えつつ、回転子鉄心，永久磁石の発生熱を効果的に放熱できるように冷却構造を改良した永久磁石形回転電機を提供する。
【解決手段】フレーム１に固定子２，回転子３，回転軸４を組込み、かつ回転子鉄心３ａに永久磁石３ｂを設けた構成になる永久磁石形回転電機において、回転子鉄心３ａに対して、その軸方向の両端面に円環状の放熱フィン６を回転軸４と同心配置した上で、該放熱フィン７を回転子鉄心３ａに伝熱結合してするものとし、具体的には径サイズの異なる複数の円環状放熱フィン６を内外に同心配置して回転子鉄心３ａの両端に配した端板３ｃと伝熱的に結合する。
【選択図】図１

Description

この発明は、ＩＰＭモータとして知られている永久磁石形回転電機に関し、詳しくはその回転子の冷却構造に係わる。

周知のように、頭記のＩＰＭモータは、回転子の内部に永久磁石を埋め込み、永久磁石から発生する磁束が固定子巻線との鎖交磁束量に応じて発生するマグネットトルクに加えて、回転子鉄心の突極性を利用したリラクタンストルクを利用し回転電機で、小型高出力のモータとして広く用いられている。

次に、前記永久磁石形回転電機（全閉外扇形）の基本構造を図５（ａ），（ｂ）に示す。図において、１はフレーム（全閉形のケーシング）、１ａはフィンの外周面に形成したリブ状の放熱フィン、１ｂは後記する回転軸の軸受、２は固定子鉄心２ａに巻線２ｂを巻装した固定子、３は回転子鉄心３ａに極性を交互に変えて周方に配列した複数の永久磁石３ｂを備えた埋込磁石形の回転子、３ｃは回転子鉄心３ａの両端面に配した端板、４は回転軸、５は回転軸４の反負荷側に連結し、回転機の運転時に前記フレーム１の放熱フィン１ａに向けて冷却空気（外気）を送るアウターファンである。

ここで、前記永久磁石３ｂには高エネルギー積が得られる希土類磁石（ネオジム磁石等）が用いられており、この永久磁石３ｂは積層鋼板形の回転子コア３ａを軸方向に貫通して形成した磁石埋め込み穴に挿入し、永久磁石３ｂと磁石埋め込み穴との間の隙間に充填材（例えば、グリース状のコンパウンド）を充填して永久磁石３ｂを保持している。

一方、前記永久磁石形回転電機には運転時に銅損，鉄損，機械損が発生する。このうち銅損は固定子巻線２ｂの通電電流による抵抗損、鉄損は固定子鉄心２ａ,回転子鉄心３ａのヒステリシス損，および永久磁石３ｂのうず電流損、機械損は軸受損と風損である。

ところで、固定子巻線２ｂの銅損，固定子鉄心２ａの鉄損による固定子２の発生熱は固定子２からフレーム１に熱伝導し、アウターファン５の送風により外気に放熱して風冷冷却される。これに対して、回転子３は回転軸４を経由する伝熱経路が形成されているものの、回転子鉄心３ａに埋設した永久磁石３ｂのうず電流損は固定子巻線２ｂに流れる電流の高調波成分に起因することから、回転電機をＰＷＭ駆動で運転制御する場合には永久磁石３ｂのうず流損失が飛躍的に増加し、またネオジム磁石などの希土類磁石は導電性が高くて抵抗が小さいために大きなうず電流損が生じる。しかも、永久磁石３ｂはその周囲を充填材で固定しているため、うず電流損による発生熱が籠もり易い構造となっている。

そのために、永久磁石３ｂは運転中に温度が上昇し易く、しかも希土類磁石は温度上昇に伴う熱減磁により保磁力が低下して回転電機の出力性能が低下するという問題があることから、永久磁石３ｂの発生熱に対して如何に高い放熱性を確保するかが永久磁石形回転電機に課せられた重要な課題となっている。

一方、前記の永久磁石形回転電機の回転子の冷却構造として、永久磁石を埋設した回転子鉄心の両端面に冷却ファンの羽根（遠心羽根）を兼ねた放熱フィンを伝熱的に設け、該放熱フィンを介して回転子鉄心，永久磁石の熱を回転電機の内気（外気に対する機内空気）に放散させるようにした冷却構造が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００２−１３６０５１号公報

ところで、前記特許文献１に開示されている永久磁石形回転電機の冷却構造では次記のような問題点がある。

すなわち、回転子の両端面に配した放熱フィンは、ラジアル方向に延在するリブ状の羽根を周方向に配列していることから、この放熱フィンの回転に伴う空気抵抗により無視できない風損が発生して回転電機の出力が低下する。

そのほか、図５で回転子３の熱が回転軸４に伝熱すると回転軸の温度が上昇し、その影響を受けて回転軸４の両端に設けた軸受１ｂの潤滑材（グリースなど）が熱劣化する問題もある。

この発明は上記の点に鑑みなされたものであり、その目的は、風損を低減して回転電機の出力低下を抑えつつ、回転子鉄心，永久磁石の発生熱を効果的に放熱できるように冷却構造を改良した永久磁石形回転電機を提供することにある。

上記目的を達成するために、この発明によれば、フレームに固定子，回転子，回転軸を組込み、かつ回転子鉄心に永久磁石を設けた構成になる永久磁石形回転電機において、
第１の発明では、前記回転子鉄心に対して、その軸方向の両端面に円環状の放熱フィンを回転軸と同心配置して回転子鉄心に伝熱結合するものとし（請求項１）、具体的には径サイズの異なる複数の円環状放熱フィンを内外に同心配置して回転子鉄心の両端に配した端板に伝熱結合する（請求項２）。

また、第２の発明では、回転子鉄心を挟んで回転軸の軸上に円盤状の放熱フィンを伝熱的に設置するものとし（請求項３）、具体的には複数枚の円盤状放熱フィンを回転軸の軸上に間隔を隔てて並設する（請求項４）。

上記構成により、次記の効果を奏することができる。
（１）第１の発明によれば、永久磁石，回転子鉄心の発生熱は永久磁石の周面を包囲する充？材の熱抵抗の影響を受けることなく、回転子鉄心の両端面に配した放熱フィンに伝熱（熱伝導）した上で、該放熱フィンと内気（機内空気）との間の熱交換（熱伝達）により放熱が促進される。また、この場合に放熱フィンの回転に伴ってフィン表面には周囲の空気が相対的に洗流するので、その対流伝熱により高い放熱効果が得られる。しかも、回転軸と同心的に配置した円環状の放熱フィンは空気の抵抗を殆ど受けることがなく、これにより放熱フィンによる風損の増加を抑えつつ、永久磁石を効率よく冷却して永久磁石の熱減磁に起因する回転電機の出力低下を効果的に改善できる。なお、放熱フィンより内気側に熱移動した熱は対流により固定子，フレームに伝熱して外気側に放熱される。
（２）また、第２の発明によれば、永久磁石，回転子から回転軸に伝熱した熱は、回転軸上に配した円盤状の放熱フィンより機内空気中に熱移動して放散される。しかも、この円盤状の放熱フィンは前記第１の発明の円環状放熱フィンと同様、回転に伴う機内空気の抵抗を殆ど受けることがないので、風損の影響による出力低下を改善できる。さらに、回転子の鉄心に伝熱した熱を回転軸の軸上に配した放熱フィンを介して機内空気中に熱放散させるようにしたことにより、回転軸の両端に配した軸受の過度な温度上昇を抑えて軸受潤滑材の熱劣化を効果的に防ぐことができる。

この発明の第１の実施例による回転電機の構成図であって、（ａ）は側視断面図、（ｂ）は（ａ）の矢視Ｐ方向から見た機内構造の端面図である。 図１の構成による永久磁石，回転子鉄心の放熱経路を模式的に表す説明図であって、（ａ），（ｂ）はそれぞれ側面図，および端面図である。 この発明の第２の実施例による回転電機の構成図であって、（ａ）は側視断面図、（ｂ）は（ａ）の矢視Ｐ方向から見た機内構造の端面図である。 図３の構成による永久磁石，回転子鉄心の放熱経路を模式的に表す説明図であって、（ａ），（ｂ），（ｃ）はそれぞれ側面図，端面図，および要部拡大図である。 永久磁石形回転電機の基本構造図であって、（ａ）は側視断面図、（ｂ）は（ａ）における矢視Ｘ−Ｘ断面図である。

以下、この発明による永久磁石形回転電機の実施の形態を図１〜図４に示す実施例に基づいて説明する。なお、図１，図２は第１の実施例、図３，図４は第２の実施例を表し、各図において図５に対応する部材には同じ符号を付してその説明は省略する。

まず、この発明の請求項１，２に係わる第１実施例の構成を図１（ａ），（ｂ）に示す。この実施例では、回転子３に発生する熱の放熱促進手段として、鉄心３ａの軸方向の両端面に円環形状の放熱フィン６が設置されている。この放熱フィン６は伝熱性の高いアルミ，銅などで作られており、径サイズの異なる複数の放熱フィン６を内外に並べて回転軸４と同心配置した上で、各放熱フィン６の基部が回転子３の端板３ｃに溶接などして伝熱的に結合されている。

次に、上記構成による回転子３の放熱経路，および放熱原理を図２（ａ），（ｂ）により説明する。すなわち、回転子鉄心３ａ，永久磁石３ｂの発生熱に対する放熱経路としては、図示のように回転子鉄心３ｂ→回転子３／固定子２間の空隙→固定子鉄心２ａ→フレーム１→外気の放熱経路Ａ、回転子鉄心３ｂ→回転軸４→外気の放熱経路Ｂのほかに、回転子鉄心３ａ→端板３→放熱フィン６→機内空気の放熱経路Ｃが形成される。このうち、放熱経路Ａ，Ｂは永久磁石３ｂの周囲に充？した伝熱性の低い充？材（コンパウンド），回転子３／固定子２間の空隙による熱抵抗の影響を受けるために伝熱量は比較的小さく、永久磁石３ｂの冷却に寄与する高い放熱効果はさほど期待できない。

これに対して、放熱経路Ｃは永久磁石３ｂの周囲に充？した充？材，回転子３／固定子２間の空隙による熱抵抗の影響を受けることがなく、回転子鉄心３ａ，永久磁石３ｂの発生熱はその両端から端板３ｃを経て円環状の放熱フィン６に伝熱（熱伝導）した後、放熱フィン６の内外表面から機内空気中に熱放散（対流伝熱）する。この場合に、放熱フィン６の回転に伴い機内空気との間にはフィン表面を洗流する相対的な空気流が生じるので、放熱フィン６／機内空気の間に高い対流伝熱作用が働いて放熱が促進される。しかも、回転軸４と同心配置した円環状の放熱フィン６は回転中に空気抵抗を受けることが殆どなく、これにより風損を低く抑えて回転電機の出力低下を改善できる。また、複数の円環状放熱フィン６を内外多重に配置することにより、放熱フィン６の放熱面積が増大して放熱性能がより一層向上する。

次に、この発明の請求項３，４に係わる第２実施例の構造，機能を図３，図４に基づいて説明する。すなわち、回転子３の放熱促進手段として、図３の構成においては、図示のように回転子３を左右から挟んで回転軸４の軸上には回転子３に近接して円盤状の放熱フィン７が伝熱的に設置されており、図示実施例では複数枚の円盤状の放熱フィン７が回転軸４の軸上に間隔を隔てて並設されている。

上記構成により、図４で表すように回転子３に対する放熱経路には、図２で述べた放熱経路Ａ，Ｂのほかに、回転子鉄心３ａ，回転軸４→円盤状の放熱フィン７→機内空気の放熱経路Ｄが形成される。この場合に、円盤状の放熱フィン７には、先記実施例１の円環状放熱フィン６で述べたと同様、回転に伴い空気との間にはフィン表面を洗流する相対的な空気流が生じるので、放熱フィン７／機内空気の間に高い対流伝熱作用が働いて放熱が促進される。しかも、回転軸４の軸上に配した円環状の放熱フィン６は回転中に空気抵抗を受けることが殆どなく、これにより風損を低く抑えて回転電機の出力低下を改善できる。また、複数枚の放熱フィン７を並置配列することで、放熱フィン７の放熱面積が増大して放熱性能がより一層向上する。さらに、円盤状の放熱フィン７を回転軸４の軸上に設置し、回転子鉄心３ａから回転軸４に伝熱した熱を放熱フィン７より内気中に熱放散させるようにしたことにより、回転軸４の両端に配した軸受の過度な温度上昇を抑えて軸受潤滑材の熱劣化を防止する効果も得られる。

１ フレーム
２ 固定子
２ａ 固定子鉄心
２ｂ 固定子巻線
３ 回転子
３ａ 回転子鉄心
３ｂ 永久磁石
３ｃ 端板
４ 回転軸
６ 円環状の放熱フィン
７ 円盤状の放熱フィン

Claims (4)

1. フレームに固定子，回転子，回転軸を組込み、かつ回転子鉄心に永久磁石を設けた構成になる永久磁石形回転電機において、
   前記回転子鉄心に対して、その軸方向の両端面に円環状の放熱フィンを回転軸と同心配置して回転子鉄心に伝熱結合したことを特徴とする永久磁石形回転電機。
2. 請求項１に記載の永久磁石形回転電機において、径サイズの異なる複数の円環状放熱フィンを内外に同心配置して回転子鉄心の両端に配した端板に伝熱結合したことを特徴とする永久磁石形回転電機。
3. フレームに固定子，回転子，回転軸を組込み、かつ回転子鉄心に永久磁石を設けた構成になる永久磁石形回転電機において、
   前記回転子鉄心を挟んで回転軸の軸上に円盤状の放熱フィンを伝熱的に設置したことを特徴とする永久磁石形回転電機。
4. 請求項３に記載の永久磁石形回転電機において、複数枚の円盤状放熱フィンを回転軸の軸上に間隔を隔てて並設したことを特徴とする永久磁石形回転電機。

Images