JP2012130171A - 永久磁石回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】
埋込磁石式回転電機の回転子では、磁石がコイルにより近い側の外径側コア壁面に直接接触する場合が発生していた。このため、稼動状態で、磁石の温度上昇が大きく、特性低下の原因になるのを押えきれず、また、個体差によるばらつきも起きやすかった。
【解決手段】
外径側コア壁面との間に設けた空間に断熱材を介在させ、周方向の空隙を断熱空間として捉えることにより、安定した温度上昇抑制が可能となり、むだな空間増加を補う効果が得られ、上記課題は解決される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、永久磁石回転電機に関する。

埋込磁石式回転電機は、堅牢、高効率の特徴で加工機のスピンドル軸駆動や電気自動車の駆動モータなどで検討および実用が進んでいる。この回転子の構造は、所定の設計形状の電磁鋼板を積層して作ったコアに設けた磁石挿入用空間に永久磁石を挿入し、隙間に樹脂や接着剤を充填して固定したものや、同様のコアに磁石を挿入した後に、上下から当板を配置して、これらをカシメにより締結する方法が主流である。

磁石の固定方法に関する従来技術として特許文献１に記載のものが知られている。特許文献１には、空隙に固定用バネを圧入して、これにより磁石を一方向に押し付けて、位置のばらつきを無くすとともに、動作時の磁石のがたつきを防止する例が開示されている。

特許文献２には埋込磁石式回転電機において、磁石の温度上昇によるモータ効率低下を防ぐため、磁石の周囲を断熱層で覆う構成が開示されている。特許文献３にも永久磁石と磁性体との間に、断熱材を介在させ、かつ、永久磁石の端部を熱伝導率の高いエンドプレートと接触させて放熱させる例が示されている。

特開2000-341920号公報 特開2006-304547号公報 特開2005-218274号公報

永久磁石回転電機として、磁石が回転子コア内部に埋め込まれて固定される方式（ＩＰＭ方式）が知られており、この埋込磁石式の回転電機は、固定子コアに設けられる磁石挿入用の穴に永久磁石が取り付けられる構造となっている。

これらの構造では、磁石は基本的には回転子コアとの直接的接触を意図しており、製作上の寸法ばらつきを許容するために設けたあそび寸法の範囲内で、磁石挿入空間の外径側コア壁面に接触する場合もあれば、内径側コア壁面に接触する場合もとりうる。特に特許文献１では、必然的に磁石挿入空間の外径側のコア壁面に接触することになる。

一方、埋込磁石式回転電機を含む磁石式回転電機は、磁石の温度上昇が大きい場合、磁束低下による電流対トルク比の低下や不可逆減磁などの性能低下をもたらす。ここで、磁石式回転電機の主たる発熱部位である固定子は、空隙を介して回転子の外形側に相対していることから、温度分布の面からはできるだけ磁石の外径側を断熱状態にすることが望ましいといえる。

特に大出力や大トルクを発生させて、例えば、射出成形機の射出軸やプレス機械の加圧ラムなどに要求される高加速動作を実現したり、所定の位置での停止時にも大トルクを発生させて負荷トルクに対抗する動作を実現する際には、磁石の温度による効率低下が問題となりやすい。

例えば、プレス機の作業での打ち抜きや塑性加工作業は、回転軸はほぼ停止した状態で大きな負荷トルクを発生させる必要がある。また、射出成形機の作業での射出直後の保圧制御では、回転子が最高速から急速に停止しつつ、負荷に対抗するため大トルクを発生する必要がある。これらの動作での特徴は、回転子を停止させつつトルクも発生させるので、固定子コイルに流す電流値は、回転子角度および指令トルクに応じて定まる直流になってしまい、多相巻線の一部に偏在し続ける状態になる。このため偏在したコイルだけが温度上昇が激しくなり、それに対向している磁石が温度上昇の影響を受ける状態が起きる。このため連続回転が期待できる用途に比べて、磁束低下による性能低下が大きかったり、不可逆減磁の発生限界が低いという問題があった。

特許文献２は、磁石の温度上昇を抑制するために断熱層で周囲を覆う構成とし、特許文献３は断熱と放熱とを考慮した構成としている。しかし、巻線の一部に発熱部位が偏在すること、周方向に配置される複数の磁石のうちの一部の磁石の温度が上昇しやすいこと、に起因する課題を考慮したものではなかった。

本発明が解決しようとする第１の課題は、永久磁石回転電機の磁石と、発熱源であるコイルとの間の断熱能力を確実に確保し、またその能力を向上することにより、永久磁石回転電機の性能を安定して向上させることである。また、本発明が解決しようとする第２の課題は、永久磁石回転電機において、発熱源であるコイルの周方向の発熱分布が大きくても、永久磁石回転電機の性能を安定して向上させることである。

上記課題の一を解決のするために、電磁鋼板を所定の形状に加工し積層した回転子コアの周方向にわたって設けられる複数の磁石挿入用穴のそれぞれに永久磁石を有する回転子と、複数個の巻線構造体から形成された固定子とを有する永久磁石回転電機において、本発明は、
前記磁石挿入用穴内の前記永久磁石の前記固定子側に設けられ、前記永久磁石の前記固定子側の表面積より大きな面積を有する断熱材と、
前記磁石挿入用穴の一部として前記永久磁石の周方向両側に設けられる空隙部とを備えたものとした。

上記の本発明の構成において、より好適な具体的態様は下記の通りである。
（１）前記永久磁石の周方向幅Ｌ_１と前記断熱材の周方向幅Ｌ_２との関係がＬ_１＜Ｌ_２であること。
（２）前記断熱材が絶縁紙であること。
（３）前記断熱材とは別に、前記永久磁石の周方向の側面を覆う断熱材を備えたこと。
（４）前記永久磁石の周方向の側面に切欠きを有すること。
（５）前記空隙部の周方向幅Ｌ_３と、前記空隙部間における前記回転子コアの幅Ｌ_４との関係が２Ｌ_３＞Ｌ_４であること。

本発明によれば永久磁石回転電機において、性能を安定して向上させることができる。

本実施形態の回転子の断面図。 本実施形態の回転子の分解構造図。 本実施形態の各要素の寸法関係を示す図。 第２の例の回転子の断面図。 第３の例の回転子の断面図。 固定子コイルより発せられる熱の伝導状態を模式的に示した図。 本実施形態の第１の例における熱伝導の様相を示す図。 本実施形態の第２の例における熱伝導の様相を示す図。

本発明の実施形態は、次の構造を特徴とするものである。第１には、所定の設計形状の電磁鋼板を積層して作った回転子コアに設けた磁石挿入用空間の寸法を、外径方向に予め大きめになし、増加した部分、すなわち、予めに大きめに形成した余剰部分に断熱材を挿入する。

また、第２には、磁石挿入用空間の寸法を、周方向にあらかじめ大きめになし、増加した部分、すなわち、予め大きめに形成した部分に断熱材を挿入する。このとき、断熱材を挿入することに代えて、上記の増加した部分の電磁鋼板に切欠きを設けても良い。

この実施形態の構成により、第１に、磁石が、磁石挿入空間の外径側コア壁面に直接接触することが皆無となり、外径側コア部分からの伝熱を確実に低減できる。このため磁石の温度上昇を確実に低減でき、安定した性能向上を得られる。また、第２に、磁石が、磁石挿入空間の周方向コア壁面に直接接触することが皆無となり、外径側コア部分からの伝熱が磁石の左右で異なる際の、より高温側の方向にあるコア壁面からの伝熱を確実に低減できる。このため磁石への伝熱は、内径側のコア壁面だけからとなり、磁石の左右で異なる温度上昇を緩和し均一化された温度上昇が確実となり、安定した性能向上を得られる。

以下では、図面を参照しつつ、本発明の具体的実施例を説明する。

本実施形態を図面を用いて説明する。図１は本実施形態の回転子の断面図であり、磁石挿入穴付近を拡大して示したものである。回転子コア１に設けた所定個数の磁石挿入用穴２において、組み立て用の間隙４を隔てて断熱材５が挿入可能な挿入用穴の寸法をもっている。断熱材５は回転子コアよりも熱伝導率が低く、十分の断熱性能を有していれば材質は問わないが、例えば絶縁紙を磁石の対向する表面と同一形状に切断するなどして用いても差し支えない。

図２は本実施形態の回転子の分解構造図であり、多数個の磁石を順次磁石導入用空間に挿入していく際の方法を示すものである。それぞれの磁石３には、その外径側表面積より大きな面積を有するシート状あるいは薄板状の断熱材５が、仮固定される。また、それぞれの磁石３の上面及び図示しないが下面にはゴム等の薄板による弾性介在物６が仮固定される。これらの磁石３を複数個（図では２個）を順次、回転子コア１に設けられた磁石挿入用穴２に挿入してゆく。同様にして全ての極の磁石挿入用穴２に所定個数の磁石３を上面にゴムの薄板（弾性介在物）６を仮固定して挿入する。

その後、締結板７をかぶせる。図示しないが、回転子の反対側即ち図の最下方には、同様な締結板７が上向きに配置されている。上下の締結板をお互いの方向に向けて力を受けるように外力を与えて締め上げると、中間に配置された回転子コア及び磁石は圧縮力を受け、磁石部については間隙に仮固定されたゴムが弾性変形により軸方向の寸法誤差を吸収して、強固に固定される。

ここで、上記外力の例としては、上下の締結板同士を通しボルトで締め上げる方法がある。他の例として、中心に配置した回転軸に対して締結板を焼嵌め固定できるように構成し、焼嵌め時に上下からプレスしてあらかじめ圧縮状態としたうえで固定する方法がある。１番目の方法では、動作後の任意の時点でも再分解ができ、リサイクル性に優れる。２番目の方法では通しボルト用の穴が不要になり、回転子コアならびに締結材の形状が一様にでき、応力集中が小さくでき、強度的に優れる。

こうして、簡易な方法で磁石が固定でき、磁石挿入用穴２の内壁面では、確実にコア外径側と磁石３との間に断熱材５を介在させられるので、ばらつきなく、磁石３の温度上昇を低減できる。これにより回転電機の性能向上が図られる。その結果、該回転電機を射出成形機やプレス機械に用いた場合に、射出成形機の射出性能の向上や制御性能の向上、また、プレス機械のプレス性能の向上や品質向上の実現に寄与できる。

なお、断熱材６としては、コアとの直接接触を避ける点に構成上の利点があるので、厚さ0.25mmなどでよい。

図３は本実施形態の各要素の寸法関係を示す図である。回転子コア１に設けられる複数の磁石挿入用穴２、この磁石挿入用穴２内に挿入される磁石３、磁石挿入用穴２において磁石３が挿入された状態で空隙（あるいは充填材が存在）となる空隙部２ａ、及び、断熱材５の位置関係と寸法関係を示している。具体的には、磁石３の周方向幅Ｌ_１、断熱材５の周方向幅Ｌ_２、磁石３の周方向両側に位置する空隙部２ａの長さＬ_３、及び、隣り合う磁石挿入用穴２間に存在し、隣接する空隙部２ａ間の幅Ｌ_４を図示したものである。

図１にも示したように、磁石３が磁石挿入用穴２に挿入されて固定された状態では磁石３の外径側が断熱材５で覆われるように配設される。既に述べたように、断熱材５は磁石３の外径側（固定子側）表面積より大きな面積を有しており、図３に示す断面においては、Ｌ_１＜Ｌ_２の関係となっている。この構成により、熱源たる固定子から磁石３への熱伝導が断熱材５によって遮断され、磁石３を遮るように熱伝導される。

また、磁石３の周方向両側には、空隙部２ａが設けられる。したがって、磁石挿入用穴２の周方向幅は磁石３幅Ｌ_１に空隙部２ａの幅Ｌ_３を加え、Ｌ_１＋２Ｌ_３となる。すなわち、断熱材５幅Ｌ_２との対比では（Ｌ_１＋２Ｌ_３）＞Ｌ_２＞Ｌ_１となり、斯様な幅を有する断熱材５が配設されることになる。

空隙部２ａは熱伝導においては断熱部として作用する。このため、断熱材５によって磁石３を避けて来た伝熱が、さらに空隙部２ａによって磁石３から遠ざけられることになる。この場合の熱の流れの様相は後述するが、一の磁石３から遠ざけられた熱が隣の磁石３へ至りにくいような形状としている。

具体的には、隣り合う磁石挿入用穴２の間の中間位置に、熱伝導経路を設けることにしている。図３に示すように、空隙部２ａの幅Ｌ_３は各磁石挿入用穴２において共通であり、磁石挿入用穴２の中間位置に幅Ｌ_４からなるコア部分が熱伝導経路として位置することになる。

なお、空隙部２ａの幅Ｌ_３が磁石部分へ熱が伝わり難い程度に十分に確保されれば、コア部分の幅Ｌ_４は問わないが、極数が大きくなり、磁石３間の距離が磁石３幅と同程度あるいはこれに比べて小さい場合には、２Ｌ_３＞Ｌ_４となる幅Ｌ_４とした方が良い。なぜなら、本実施形態は発熱の不均衡による局所的な温度上昇を課題としているため、磁石間の中間位置に熱伝導経路が存在させ、さらに、当該熱伝導経路中において温度勾配が生じにくい程度の幅とすることが効果的だからである。

図４に本実施形態の第２の例を示す。図４は第２の例の回転子の断面図であり、回転子の磁石挿入穴付近を拡大した図である。回転子コア１にもうけた所定個数の磁石挿入用穴２において、既述の第１の例における外径側壁面との間の断熱材５に加えて、磁石の周方向に相対するコア壁面との間にも断熱材５’を設けている。これにより、固定子コイルの発熱により回転子に流入してくる熱が、磁石の内径側のコア壁面においてのみ直接的に磁石へ伝熱されるようになる。磁石の内径側のコアにおいては、熱源であるコイルからの距離が比較的長く、温度勾配により温度上昇値が小さいことと、コアが周方向にほぼ完全な円筒形状であるため周方向の伝熱効率が高く、均一な温度になりやすい。このため磁石はより低温に抑えられた状態を保ちやすい構造的特徴がある。

図５に本実施形態の第３の例を示す。図５は第３の例の回転子の断面図であり、第２の例による回転子とは別の構造の例を示すものである。図は図４と同じく磁石挿入穴付近を拡大した断面図を示す。回転子コア１に設けた所定個数の磁石挿入用穴２において、磁石の周方向に相対するコア壁面の電磁鋼板の断面形状において、切欠き８を設けている。この切欠き８により、磁石に接するコア部分へのコイルからの伝熱路が長くなり、温度勾配により温度上昇値が小さくできる。また、伝熱路として磁石の内径側のコア壁面が優勢になり、第２の手段による実施例と同様な周方向により均一な温度状態とできる構造的特徴がある。

なお、第２の例及び第３の例において説明を省略した部分は、図１〜３に示した第１の例と同様であり、同様の形状構造により同様の作用効果が得られるものとなっている。また、第２の例の断熱材５’と第３の例の切欠き８とを併用してもよい。

以下では、上述した本発明の実施形態による作用について説明する。既に説明したように、本実施形態では、磁石の温度上昇を抑制するとともに、周方向に複数配置される磁石の温度の均一化を図るための構造を採用している。これらの実施形態における作用の説明に先立ち、比較例を兼ねて図６を用いつつ熱の伝導状態を説明する。

図６は、大トルク保持での駆動停止時における固定子コイルより発せられる熱の伝導状態を模式的に示した図である。ここで９は固定子コア１のヨーク部、１０は固定子スロット、１１は固定子ティース、１２は巻線の断面を模式的に表している。大トルク保持での駆動停止時には、各相の電流が所定の分布を取った状態で定常状態になり、周方向に大きな電流の不均一な状態となる。このため銅損による発熱量が周方向に不均一となり、特定のスロットだけが発熱する。なお、図６において発熱量の大小は巻線の色の濃淡で模式的に表示している。

また、停止中のため、発熱の激しい箇所が同一のスロットに留まり続ける。このため図６に示すように対向している回転子部分、特に磁石へは固定子−回転子間空隙１３を介して部分的に大きな熱が流れ込み、激しく温度上昇し、磁石温度の不均一化が生じてしまい、これにより磁石減磁等の特性劣化を加速化してしまう。なお、図６において伝導する熱量の大小を矢印の太さによって模式的に表示している。発熱量が大のコイルに近い磁石が温度上昇しやすいことがわかる。この例では、複数の発熱量大の巻線からの熱伝導を受ける左側の磁石が最も温度上昇し、次いで右側の磁石、中央の磁石の順となる。

図７は本実施形態の第１の例による熱の流れる様相を模式的に示す図である。図６の例に対して、本例では磁石への伝熱は外径側から直に伝わるのではなく、側面に回りこむことにより、隣接の磁石への伝熱との間の平均化の効果が得られる。これにより、周方向に激しく分布する巻線の温度上昇に際しても、磁石は全数の平均値により緩和された温度上昇しか被らず、減磁などの影響が小さくて済む。

具体的には、図３に示したような幅Ｌ_４からなる熱伝導経路を通して熱が伝導する。この幅は磁石間距離に対して十分小さな幅であり、熱伝導経路内での熱勾配は小さく抑えられる。そして、熱伝導経路は磁石間のほぼ中央部に位置している。したがって、例えば、図６の例では発熱巻線に最も近い磁石（左側の磁石）に伝わる熱の一部が隣の磁石（中央の磁石）へと伝わり、熱の拡散が可能となっている。これにより、温度上昇の不均一化を抑制することができる。

図８は本実施形態の第２の例における熱伝導の様相を示す図である。磁石側面を更に断熱材５’により断熱保護することにより（図４参照）、磁石への熱伝導の不均一性は更に緩和され、磁石の局部的温度上昇を抑制することが可能となる。

なお、第３の例による作用は省略するが、第２の例と同様な作用により磁石の温度上昇抑制と磁石の局所的な温度上昇を抑制することができる。

１…回転子コア、２…磁石挿入用穴、２ａ…空隙部、３…磁石、４…間隙、５…断熱材、６…弾性介在物、７…締結板、８…切欠き、９…固定子コアのヨーク部、１０…固定子スロット、１１…固定子ティース、１２…巻線、１３…固定子−回転子間空隙。

Claims (6)

1. 電磁鋼板を所定の形状に加工し積層した回転子コアの周方向にわたって設けられる複数の磁石挿入用穴のそれぞれに永久磁石を有する回転子と、複数個の巻線構造体から形成された固定子とを有する永久磁石回転電機において、
   前記磁石挿入用穴内の前記永久磁石の前記固定子側に設けられ、前記永久磁石の前記固定子側の表面積より大きな面積を有する断熱材と、
   前記磁石挿入用穴の一部として前記永久磁石の周方向両側に設けられる空隙部とを備えた永久磁石回転電機。
2. 前記永久磁石の周方向幅Ｌ_１と前記断熱材の周方向幅Ｌ_２との関係がＬ_１＜Ｌ_２であることを特徴とする請求項１記載の永久磁石回転電機。
3. 前記断熱材は、絶縁紙であることを特徴とする請求項１又は２記載の永久磁石回転電機。
4. 前記断熱材とは別に、前記永久磁石の周方向の側面を覆う断熱材を備えたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の永久磁石回転電機。
5. 前記永久磁石の周方向の側面に切欠きを有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の永久磁石回転電機。
6. 前記空隙部の周方向幅Ｌ_３と、前記空隙部間における前記回転子コアの幅Ｌ_４との関係が２Ｌ_３＞Ｌ_４であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の永久磁石回転電機。

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