JP2012010565A - 永久磁石回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】 回転電機、制御装置の体積を小さくすることができ、かつ回転電機の強制冷却を利用して、制御装置を冷却することにより、信頼性の向上が可能な永久磁石回転電機の提供を達成する。
【解決手段】 電機子巻線４を有し電機子巻線４内側が中空となる固定子６と、固定子６によって中空となるよう支持され、周方向にハルバッハ配列された２列の永久磁石列２、３と、永久磁石列２、３の間に固定子６の電機子巻線４を備えるとともに、永久磁石列２、３は、永久磁石列２、３の外側永久磁石列２の磁極の向きと、永久磁石列２、３の内側永久磁石列３の磁極の向きが、径方向の磁極の向きについては同一方向、周方向の磁極向きについては逆方向に向いている回転子５と、固定子６と回転子５に挟まれた内側の空間に、回転電機１を駆動するための制御装置７を配置したことを特徴とする永久磁石回転電機。
【選択図】 図１

Description

本発明は、永久磁石回転電機に関する。

永久磁石をハルバッハ配列した永久磁石回転電機は、径方向にＮ 極とＳ 極を交互に配置した主磁極磁石と、この主磁極磁石の周方向両面に径方向以外（例えば周方向）に着磁された補助磁石を備えたものである（ 例えば、特許文献１ 、２ 参照）。

永久磁石をハルバッハ配列した永久磁石回転電機の主磁極磁石と補助磁石とは、全体で略円筒状をなしており、永久磁石をハルバッハ配列にすると、特定の方向の磁力を強めることができる。このハルバッハ配列された永久磁石を有する回転電機は、大きくすることなく高出力化を図ることが可能になる。ヨーク鉄心１５に電機子巻線４が巻かれており、永久磁石１６、電機子巻線４、ヨーク鉄心１５の間に磁束が形成される。

しかし、特許文献１のものでは、固定子や回転子に鉄心を用いているためトルクの脈動が大きくなる。また、固定子や回転子に鉄心を用いているため、鉄心の磁気飽和が発生し、強力な磁場を発生する磁石を用いてもトルクの向上には限界がある。

そこで、それらを鑑みて考案されたものが特許文献２のものである。このハルバッハ配列された永久磁石を２列とし、永久磁石列の間に電機子巻線を備えたものである。

特開２００６−３２０１０９号公報 特開２００９−２０１３４３号公報

しかしながら、特許文献２の永久磁石回転電機では、次のような解決すべき課題が存在する。すなわち、内側、外側の２列のいわゆるハルバッハ配列された永久磁石を有する永久磁石回転電機においては、内側磁石の内側部分には、無用な空間が存在し、回転電機の小型化の障壁となっている。また、回転電機を駆動するための電流を供給する、インバータ乃至電流アンプ等の制御装置には、素子内部の損失による発熱を冷却するための冷却装置が必要であり、また冷却装置は制御装置の体積の１０〜６０％を占めるため、制御装置が大型化してしまう。さらに、冷却装置は、冷却ファンなどの駆動部を有するため、メンテナンスなどの手間や、冷却装置の故障時に、素子が過熱するなどの問題を有する。

この発明は上記課題を解決するためになされたもので、その目的は、回転電機、制御装置の体積を小さくすることができ、かつ回転電機の強制冷却を利用して、制御装置を冷却することにより、信頼性の向上が可能な永久磁石回転電機を提供することにある。

上記を解決するために、本発明による永久磁石回転電気は、電機子巻線を有し、電機子巻線内側が中空となる固定子と、固定子によって中空となるよう支持され、周方向にハルバッハ配列された２列の永久磁石列と、永久磁石列の間に固定子の電機子巻線を備えるとともに、永久磁石列は、永久磁石列の外側永久磁石の磁極の向きと、永久磁石列の内側永久磁石の磁極の向きが、径方向の磁極の向きについては同一方向、周方向の磁極向きについては逆方向に向いている回転子と、固定子と回転子に挟まれた内側の空間に、回転電機を駆動するための制御装置を有することを特徴としている。

本発明によれば、回転電機、制御装置の体積を小さくすることができ、かつ回転電機の強制冷却を利用して、制御装置を冷却することにより、信頼性の向上が可能な永久磁石回転電機を提供できる。

第１の実施形態の構成を説明する断面図（軸方向）。 第１の実施形態の構成を説明する断面図（径方向）。 第２の実施形態の構成を説明する断面図（軸方向）。 第２の実施形態の構成を説明する上面図（径方向）。 第３の実施形態の構成を説明する断面図（軸方向）。 第３の実施形態の構成を説明する上面図（径方向） 第４の実施形態の構成を説明する断面図（軸方向）。 第４の実施形態の構成を説明する断面図（径方向）。 第５の実施形態の構成を説明する断面図（軸方向）。 第５の実施形態の構成を説明する断面図（径方向）。

以下、本発明に係る永久磁石を有する回転電機の実施形態について、図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
まず、構成について説明する。図１は、本発明の第１の実施形態に係る永久磁石回転電機１の軸方向断面である。固定子６には、電機子巻線４が取り付けられている。前記電機子巻線４は、例えば三相交流を用いる場合、Ｕ相−Ｖ相−Ｗ相の順に巻かれている。前記固定子６と回転子５の間には、円弧状に軸受け９が構成されており、前記回転子５は前記固定子６の上で回転する構造になっている。前記回転子５にはハルバッハの配列で構成された略円筒形状の永久磁石列が、周方向に２列（２，３）構成されている。前記回転子５は、前記固定子に対向する側に凸部を２列有し、回転子の外側の凸部には永久磁石列（外側）２を、内側の凸部には永久磁石列（内側）３が例えば接着等により取付けられている。回転子に取付けられた永久磁石列２，３の間に前記電機子巻線４を配置するように構成する。さらに前記回転子、および前記固定子に囲まれた空間には例えばインバータ等の制御装置７が配置されている。前記制御装置７は放熱フィン７１を備えており、前記制御装置７の内部で発生した熱を外部に逃がすことができる。図２は、第１の実施形態で、前記回転電機１の断面（径方向）を示す。前記回転子に取付けられた永久磁石列２，３は、図２に示すような磁極の配列とする。つまり、径方向に着磁された磁極については、外側の永久磁石列２と内側の永久磁石列３の永久磁石の磁極が同一方向になるように構成する。径方向に着磁された磁極の間にある周方向に着磁された永久磁石については、外側の永久磁石列２と内側の永久磁石列３の磁極が反対方向になるように構成する。

次に、効果について説明する。回転電機１は、電機子巻線４に例えば三相交流電流を流すことで回転子５が回転する。三相交流電流は、制御装置７により供給されるため、通常必要となる外部の制御装置が不要となり、小型化が可能となる。

（第２の実施形態）
まず、構成について説明する。図３は第２の実施形態に係る永久磁石回転電機１の軸方向断面図である。図４は、第２の実施形態に係る永久磁石回転電機１の上面図である。

基本的な構成については、第１の実施形態に同じであるため省略する。

第２の実施形態の特徴は、前記回転子５に、制御装置７の例えばＩＧＢＴなどの素子に対応する位置に、フレーム穴１３を設けたことである。

次に、作用について説明する。フレーム穴１３が設けられている回転子５が回転することによって、空気流体が流れるファンとして作用する。永久磁石回転電機１内部の空気は、フレーム穴１３を通じて外部の空気と交換する。

次に、効果について説明する。第２の実施形態によれば、制御装置７の例えばＩＧＢTなどの素子は、電機子巻線４に電流を供給するために素子内部に電流が流れるが、電流が流れる際に損失が生じ発熱する。永久磁石回転電機１内部の空気が、フレーム穴１３を通じて外部の空気と交換することにより、前記制御装置７の損失により生じた熱を冷却することができる。

（第３の実施形態）
まず、構成について説明する。図５は第３の実施形態に係る永久磁石回転電機１の軸方向断面図である。図６は、第３の実施形態に係る永久磁石回転電機１の上面図である。

基本的な構成については、第１の実施形態に同じであるため省略する。

第３の実施形態の特徴は、制御装置７に対応する位置に、傾斜面をつけたフレーム穴１４を設置したことにある。

次に、作用と効果について説明する。前記傾斜つきフレーム穴１４が設けられた回転子５が回転すると、遠心力によって図５に示す形状のフレーム穴１４から空気が流入しやすくなる。したがって、発熱体である制御装置７に対する冷却効果は高まる。

（第４の実施形態）
まず、構成について説明する。図７は第４の実施形態に係る永久磁石回転電機１の軸方向断面図である。図８は、第４の実施形態に係る永久磁石回転電機１の上面図である。

基本的な構成については、第１の実施形態に同じであるため省略する。

回転子５の回転軸を中心として、円形のフレーム穴を開け、フレーム穴内周壁面に、複数羽が設けられている。また固定子６の回転軸中心周りには、固定子フレーム穴１６が設けられている。制御装置７は、前記固定子フレーム穴１６に対応して、円形に配置され、その内側には放熱フィン７２が配置されている。

次に、作用と効果について説明する。回転子５に設けられた羽１５は、回転子５の回転によってファンの役割を果たし、空気流体の流れを発生する。空気は永久磁石回転電機１内部に取り入れられ、制御装置７に設けられている放熱フィン７２から、制御装置７で発生した熱を奪い、固定子フレーム穴１６を通じて外部に排出される。これにより、制御装置７を効率的に冷却することができる。

（第５の実施形態）
まず、構成について説明する。図９は第５の実施形態に係る永久磁石回転電機１の軸方向断面図である。図１０は、第５の実施形態に係る永久磁石回転電機１の径方向断面図である。基本的な構成については、第４の実施形態に同じであるため省略する。

第５の実施形態では、固定子６の下面に、固定子フレーム穴１６から端部へ、放射状の固定子放熱フィン１７を設け、固定子放熱フィンを被う例えば板等の放熱フィンオオイ１８を設置したものである。

次に、作用と効果について説明する。回転子５に設けられた羽１５は、回転子５の回転によってファンの役割を果たし、空気流体の流れを発生する。空気は永久磁石回転電機１内部に取り入れられ、制御装置７に設けられている放熱フィン７２から、制御装置７で発生した熱を奪い、固定子フレーム穴１６を通じて、突起１７と突起オオイ１８に囲まれた空間に移動する。発熱体である電機子巻線４で発生した熱は、固定子６を介して固定子放熱フィン１７に伝達し、羽１５によって発生した空気の流れによって外部に排出される。これにより、制御装置７のみならず、電機子巻線４を効率的に冷却することができる。

１…回転電機
２…永久磁石（外側）
３…永久磁石（内側）
４…電機子巻線、
５…回転子
６…固定子
７…制御装置
７１…放熱フィン
７２…放熱フィン
８…コイル渡り線
９…軸受け
１０…Ｕ相巻線
１１…Ｖ相巻線
１２…Ｗ相巻線
１３…フレーム穴
１４…傾斜つきフレーム穴
１５…羽
１６…固定子フレーム穴
１７…固定子放熱フィン
１８…放熱フィンオオイ

Claims (5)

1. 電機子巻線を有し、電機子巻線内側が中空となる固定子と、
   前記固定子によって中空となるよう支持され、周方向にハルバッハ配列された２列の永久磁石列と、
   前記永久磁石列の間に前記固定子の電機子巻線を備えるとともに、前記永久磁石列は、前記永久磁石列の外側永久磁石の磁極の向きと、前記永久磁石列の内側永久磁石の磁極の向きが、径方向の磁極の向きについては同一方向、周方向の磁極向きについては逆方向に向いている回転子と、
   前記固定子と前記回転子に挟まれた内側の空間に、回転電機を駆動するための制御装置を配置したことを特徴とする永久磁石回転電機。
2. 請求項１に記載された前記制御装置において、前記回転子と前記固定子を有する回転電気には、前記制御装置を設置するためのフレーム穴を設けたことを特徴とする永久磁石回転電機
3. 請求項２に記載された前記フレーム穴は、略円弧状に設けられた長穴であって、回転軸に沿って傾斜面を有することを特徴とする永久磁石回転電機
4. 請求項１に記載された前記回転電機において、前記回転子の中空部分内側壁面に、傾斜をつけた羽を取り付けたことを特徴とする永久磁石回転電機
5. 請求項１乃至４に記載された回転電機において、前記固定子中心部にフレーム穴を設け、フレーム穴から前記固定子外周端部へ向かって略放射状の放熱フィンを設け、放熱フィンを覆うカバーを設けたことを特徴とする回転電機