JP2012110219A - 耐故障性の永久磁石電動機械向けの回転子構造 - Google Patents

Abstract

【課題】永久磁石電動機械（１０）向けの回転子構造（２４）を提供すること。
【解決手段】複数の永久磁石（３０）の周りにバックコア薄板（２８）が配置される。バックコア薄板（２８）は、同期の磁束成分を回避しながら非同期の磁束成分を減衰させるように構成された複数の高磁気抵抗領域（５０）を含む。非同期および同期の磁束成分は、機械の固定子（１２）の複数の分数スロット集中巻線（１８）の空間高調波成分に起因する。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般に、発電機および／または電気モータなどの永久磁石（ＰＭ）電動機械に関し、より詳細には、耐故障性のＰＭ機械に関する。

電動機械は、電気誘導のために大規模な磁界を生成するための１次機構として永久磁石（ＰＭ）を利用できることが知られている。電気的に制御でき、たとえばオンとオフを選択的に切り換えることができる電磁石を伴う機械とは異なり、ＰＭはオンのままである。すなわち、ＰＭによって生じた磁界は、固有の強磁性のために持続する。したがって、ＰＭを有する電動機械が故障した場合、ＰＭの磁界の永続的な性質により機械が動作し続けるため、機械を便宜的に停止させることができない可能性がある。そのような故障は、固定子巻線の欠陥のために生じる故障電流、または機械内に配置された欠陥のあるもしくは摩耗した機械構成要素から生じる機械的な故障の形で起こることがある。前述その他の関連する故障中にＰＭを使用不能にできないことで、ＰＭ機械および／またはＰＭ機械に結合されたデバイスを損傷することがある。

上記の問題を踏まえて、耐故障性のＰＭ機械を開発するために様々な機械および／または制御構造が提案されてきた。比較的低いコストおよび動作の多用性の点で広く受け入れられてきた１つのタイプ耐故障性のＰＭ機械は、分数スロットピッチ集中巻線（ｆｒａｃｔｉｏｎａｌ ｓｌｏｔ ｐｉｔｃｈ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｅｄ ｗｉｎｄｉｎｇ）を伴う。このタイプの耐故障性のＰＭ機械は、実質的な信頼性を提供するが、動作の際には、励起された巻線は、有用な起磁力（ＭＭＦ）を形成するのに寄与しないが、回転子磁石および磁石鋼構造などの機械の様々な構成要素内で電磁損失を引き起こす可能性のある複数の非同期高調波を含めて、広いスペクトルの空間高調波を生成することがある。回転子の冷却要件を改善するのに役立つことができる、磁心損失がより低くかつ／または磁石が軸方向にセグメント化された薄層状の磁石鋼の使用などの方策が提案されてきた。

米国特許出願公開第２０１０／０１４１０７６号明細書

しかし、そのような方策は、本質的に、徴候を単に和らげるために設計された手法であり、根本的な問題を克服するにはほとんどまたはまったく役に立たない。たとえば、そのような方策は、本質的に、非同期高調波と「共存する」ことを受け入れており、磁石および鉄芯に「薄板を被せる」ことによって悪影響（たとえば、電磁損失）を低減させようとするにすぎない。したがって、そのような方策は、電力効率を犠牲にし、増分原価を追加する可能性が高い。上記の問題の点で、耐故障性のＰＭ機械に関連するさらなる改善が引き続き必要とされていることを理解されたい。

本発明の一態様では、永久磁石電動機械向けの回転子構造が提供される。複数の永久磁石の周りに、少なくとも１つのバックコア薄板が配置される。バックコア薄板は、同期の磁束成分を回避しながら非同期の磁束成分を減衰させるように構成された複数の高磁気抵抗領域を含む。非同期および同期の磁束成分は、機械の固定子の複数の分数スロット集中巻線の空間高調波成分に起因する。

本発明の別の態様では、電動の永久磁石機械が提供される。固定子は、複数の分数スロット集中巻線を含む。回転子は、固定子に動作可能に結合される。回転子は、複数の永久磁石の周りに配置された複数の積層バックコア薄板を有する。各バックコア薄板は、同期の磁束成分を回避しながら非同期の磁束成分を減衰させるように構成された複数の高磁気抵抗領域を含む。非同期および同期の磁束成分は、機械の固定子の巻線の空間高調波成分に起因する。

さらに別の態様では、永久磁石電動機械向けの回転子を構築する方法が提供される。機械の回転子内の複数の永久磁石の周りに、バックコア薄板が配置される。バックコア薄板内に、複数の高磁気抵抗領域が画定される。複数の高磁気抵抗領域は、非同期の磁束成分の経路内で磁気抵抗を最大にしながら同期成分に与える影響を最小にし、それによって機械の電力密度を最大にするように位置することができる。非同期および同期の磁束成分は、機械の固定子の複数の分数スロット集中巻線の空間高調波成分に起因する。

本発明の上記その他の特徴、態様、および利点は、添付の図面を参照して以下の詳細な説明を読めば、よりよく理解されるであろう。図面全体にわたって、同じ文字が同じ部分を表す。

本発明の態様を実施するバックコア構造を含む耐故障性の永久磁石機械の例示的な実施形態の概略図である。 図１に示すＰＭ機械の例示的な磁束密度分布を示す図である。 本発明の態様を実施するバックコア薄板の１つの例示的な実施形態を示す図である。 本発明の態様を実施するバックコア薄板の別の例示的な実施形態を示す図である。 軸方向に延びる冷却導管を通る冷却ガスの流れを促進するように構成できるバックコア薄板の積層体を示す図である。

以下により詳細に論じるように、本発明の態様は、分数スロットピッチ集中巻線を伴うことができる耐故障性の永久磁石機械を対象とする。本明細書では、「耐故障性」という用語は、雑音、トルクリップル、および高調波磁束成分を低減させる間に様々な機械コイル／位相間で生じる磁気的および物理的減結合を指す。

本発明の発明者らは、通常分数スロットピッチ集中巻線の空間高調波のスペクトルに関連する電磁回転子の損失を実質上低減させるのに適した革新的かつ簡潔な手法を提案する。前述のように、そのようなスペクトルは、有用なＭＭＦに寄与しない複数の非同期高調波を含む。提案する手法は、非同期高調波が受ける磁気抵抗を最大にしながら、有用なまたは同期のＭＭＦ成分に本質的に影響を与えないようにし、したがって機械の電力密度を最大にするように構成できると有利である。

以下の説明は、本発明の態様から利益を得ることができる耐故障性の永久磁石機械の１つの例示的な実施形態を示す。本発明の態様は、下記の例示的な実施形態に限定されるものではないことが理解されよう。

図１は、耐故障性の永久磁石（ＰＭ）機械１０の概略図である。ＰＭ機械１０は、固定子鉄心１４を有する固定子１２を含む。固定子鉄心１４は、段状の固定子スロット１６内に巻き込まれた分数スロット集中巻線１８を含む複数の段状の固定子スロット１６を画定する。分数スロット集中巻線は、ＰＭ機械１０の様々な位相およびコイル間の磁気的および物理的減結合を提供する。図示の実施形態では、段状の固定子スロット１６は、２段構成を有する。それぞれのスロットくさび２２を使用して、それぞれの段状の固定子スロット１６の開口を閉じることができる。段状の固定子スロット１６は、３つ以上の段を含むことができることが理解されよう。

固定子１２の外側で同心円状に、回転子鉄芯２６を含む回転子２４を配置することができる。一実施形態では、回転子鉄芯２６は、渦電流損失を低減させるために、互いから電気的に絶縁された軸方向セグメントを含む。回転子鉄芯２６は、複数の永久磁石３０の周りに配置された薄板状のバックコア構造２８を含む。バックコア構造２８は通常、当技術分野では、「バックアイアン」構造と呼ばれる。バックコア構造２８は、複数の積層薄板を含むことができる。以下により詳細に説明するように、「薄板」とは、薄いリングまたは円周方向にセグメント化された構造を指し、通常、複数の構造が回転子軸に沿ってともに積層され、機械の構成要素を形成する。

本発明の態様によれば、各バックコア薄板は、同期の磁束成分を回避しながら非同期の磁束成分を減衰させるように構成された複数の高磁気抵抗領域５０を含むことができる。これらの磁束成分は、機械の分数スロット集中巻線の空間高調波成分に起因する。

図１に示すように、各バックコア薄板は、円周方向にセグメント化された構造を形成することができる。たとえば、セグメント化されたバックコア薄板は、複数の隔置された弧状セグメント５２から構成することができ、弧状セグメント５２は、隣接するセグメント間の複数の間隙５４を画定するように位置決めされる。すなわち、この例示的な実施形態では、複数の間隙５４は、複数の高磁気抵抗領域５０を構成する。

図２は、ＰＭ機械１０（図１）の例示的な磁束密度分布を示す。実線６０は、ＭＭＦ形成に寄与しない非同期成分に対する例示的な磁束経路を表し、線６２は、有用なＭＭＦを生成する同期成分に対する例示的な磁束経路を表す。高磁気抵抗領域５０の位置は、非同期高調波が受ける磁気抵抗を最大にしながら、有用なまたは同期のＭＭＦ成分に本質的に影響を与えないように構成できることを、図２から理解されたい。１つの例示的な実施形態では、各高磁気抵抗領域５０を、対応する磁石のそれぞれの直接磁極軸（たとえば、軸５６）が交差することができる。

図１に戻ると、ＰＭ機械１０は、磁石３０を保持するために、バックコア構造２８の周りに配置された少なくとも１つの保持リング３２を含むことができる。当業者には理解されるとおり、図１に示すように、ＰＭ機械１０は、回転子２４が固定子１２の外側で回転する、置き換わった構成（ｉｎｓｉｄｅ−ｏｕｔ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ）となっている。回転子２４は、固定子１２の内側に配置できることが理解されよう。さらなる背景情報を望む場合、本発明の譲受人に譲渡された米国特許出願第１２／２４９，６２０号を参照されたい。同願を、参照により本明細書に組み込む。

図３は、（円周方向にセグメント化された構造の代わりに）一体化された機械構造として構成できるバックコア薄板６４の別の例示的な実施形態を示す。この例示的な実施形態では、一体化されたバックコア薄板は複数の開口６６を含み、複数の開口６６は、複数の高磁気抵抗領域を構成する。所与の用途に対して、バックコア薄板が固いリング形状を提供することが望ましい場合、高い磁気抵抗領域は、開口６６の代わりに複数の止まり穴によって画定できることが企図される。たとえば、薄板の厚さ全体を破断しない。高磁気抵抗領域は、いかなる特定の幾何形状にも限定されるものではないことが理解されよう。したがって、図３に示す開口６６、図１に示す間隙５４、または図４の非磁性領域７２の方形の形状は、限定的な意味ではなく、例示的な意味で解釈されるべきである。

図４に示すように、別の例示的な実施形態では、一体化されたバックコア薄板７０が、２状態磁性材料を含むことができる。２状態磁性材料は、この例示的な実施形態では複数の高磁気抵抗領域を構成する複数の非磁性領域７２を画定するように、当技術分野ではよく理解される技法（たとえば、レーザ熱処理）を使用して熱処理される。

複数の高磁気抵抗領域（たとえば、開口または間隙）は、任意の回転子冷却導管を提供するように適合できることが理解されよう。たとえば、図５に示すように、バックコア薄板８０の積層体は、積層体のそれぞれの端部８２および８４間で軸方向に延びる導管を画定することができる。この導管を、線８６で概略的に表す。導管８６を使用して、冷却ガスを通過させることができる。望ましい場合、開口または間隙８８のそれぞれの位置は、積層体８０の各薄板内で、軸方向に延びる導管を通る冷却ガスの流れを促進するように構成することができる。たとえば、各開口または間隙のそれぞれの位置は、回転子が回転すると送風効果を提供するように、端部８２および８４間で、冷却導管に対して曲がったまたは傾いた構成を画定するように選択することができる。これは、各薄板内のそれぞれの対応する開口または間隙８８が線８６に一致するように位置決めされる場合に実現することができる。

動作の際には、本発明の態様は、分数スロットピッチ集中巻線を伴う電動機械内で使用できる改善されたバックコア構造を提供する。バックコア構成は、高磁気抵抗領域が、非同期の磁束成分を低減させて、そのような非同期成分に関連する電磁損失を低減させながら、同期の磁束（有用なＭＭＦ）成分に実質上影響を与えないように適切に位置決めされるように構成することができる。たとえば、この構成は、機械の回転子を冷却する必要を低減させ、かつ／または機械の電力密度を改善するのに役立つことができる。

本明細書では、本発明の特定の特徴のみについて図示および説明したが、多くの修正形態および変形形態が、当業者には想到されよう。したがって、添付の特許請求の範囲は、本発明の真の精神の範囲内に入るそのような修正形態および変形形態をすべて包含するものであることを理解されたい。

１０ 永久磁石電動機械
１２ 固定子
１４ 固定子鉄心
１６ 段状の固定子スロット
１８ 分数スロット集中巻線
２２ スロットくさび
２４ 回転子
２６ 回転子鉄芯
２８ バックコア構造
３０ 永久磁石
３２ 保持リング
５０ 高磁気抵抗領域
５２ 隔置された弧状セグメント
５４ 間隙
５６ 直接磁極軸
６０ 非同期成分に対する磁束経路
６２ 同期成分に対する磁束経路
６４ セグメント化されたバックコア薄板
６６ 開口
７０ 一体化されたバックコア薄板
７２ 非磁性領域
８０ 積層バックコア薄板
８２ 積層体の端部
８４ 積層体の端部
８６ 冷却導管のための傾いた構成
８８ 間隙

Claims (12)

1. 永久磁石電動機械（１０）向けの回転子構造（２４）であって、
   複数の永久磁石（３０）の周りに配置された少なくとも１つのバックコア薄板（２８）を含み、前記少なくとも１つのバックコア薄板（２８）が、同期の磁束成分を回避しながら非同期の磁束成分を減衰させるように構成された複数の高磁気抵抗領域（５０）を含み、前記非同期および同期の磁束成分が、前記機械（１０）の固定子（１２）の複数の分数スロット集中巻線（１８）の空間高調波成分に起因する、回転子構造。
2. 前記少なくとも１つのバックコア薄板（２８）が、円周方向にセグメント化された構造を含む、請求項１記載の回転子構造。
3. 前記セグメント化されたバックコア薄板が、隣接するセグメント間の複数の間隙（５４）を画定するように位置決めされた複数の隔置された弧状セグメント（５２）を含み、前記複数の間隙（５４）が、前記複数の高磁気抵抗領域（５０）を構成する、請求項２記載の回転子構造。
4. 前記少なくとも１つのバックコア薄板が、一体化された機械構造を含む、請求項１記載の回転子構造。
5. 前記一体化されたバックコア薄板が複数の開口（６６）を含み、前記複数の開口（６６）が前記複数の高磁気抵抗領域（５０）を構成する、請求項４記載の回転子構造。
6. 前記一体化されたバックコア薄板（７０）が２状態磁性材料を含む、請求項４記載の回転子構造。
7. 前記２状態磁性材料が、前記複数の高磁気抵抗領域（５０）を画定するように熱処理される、請求項６記載の回転子構造。
8. バックコア薄板の積層体内の前記複数の高磁気抵抗領域（５０）が、軸方向に延びる導管（８６）を画定し、前記軸方向に延びる導管が、前記軸方向に延びる導管を通る冷却ガスの流れを促進するように構成される、請求項１記載の回転子構造。
9. 前記複数の高磁気抵抗領域（５０）が、前記非同期の磁束成分の経路内で磁気抵抗を最大にしながら前記同期成分に与える影響を最小にし、それによって前記機械（１０）の電力密度を最大にするように位置決めされる、請求項１記載の回転子構造。
10. 前記複数の磁石のそれぞれの直接磁極軸（５６）が、対応する高磁気抵抗領域を交差する、請求項１記載の回転子構造。
11. 前記磁石が軸方向にセグメント化される、請求項１記載の回転子構造。
12. 前記少なくとも１つのバックコア薄板の周りに配置された少なくとも１つの保持リング（３２）をさらに含む、請求項１記載の回転子構造。