JP2012186901A

JP2012186901A - 永久磁石同期機

Info

Publication number: JP2012186901A
Application number: JP2011047309A
Authority: JP
Inventors: Eri Maruyama; 恵理丸山; Akifumi Takahashi; 暁史高橋; Shinichi Wakui; 真一湧井
Original assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Current assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Priority date: 2011-03-04
Filing date: 2011-03-04
Publication date: 2012-09-27
Anticipated expiration: 2031-03-04
Also published as: CN202721584U; JP5363520B2

Abstract

【課題】小型高出力を求められる永久磁石同期機において、回転子鉄心端部のコイルエンドを含む固定子全長と回転子鉄心軸長との差からなるデッドスペース空間にオーバーハング部を設けて出力密度向上を図る際、オーバーハング部長さの増加による有効磁束の飽和を低減し、永久磁石同期機の出力密度向上を図る。
【解決手段】コイルを巻き回した固定子鉄心と、永久磁石を磁性体の内部に配置した回転子鉄心を有する永久磁石同期機において、回転子鉄心に固定子鉄心よりも長いオーバーハング部を設け、コイルを巻き回された固定子鉄心の軸方向の透磁率よりオーバーハング部の軸方向の透磁率を高く設定する。
【選択図】図１

Description

本発明は特にコンプレッサ、ＨＥＶ、ＥＶ、燃料電池自動車などの用途で、小型高出力を求められる永久磁石同期機に関するものである。

近年、地球環境保全や省エネに対する認識が高まり、エアコンや冷蔵庫に用いられるコンプレッサをはじめＥＶ、ＨＥＶ、燃料電池自動車に搭載される電動機も小型高効率が求められている。

永久磁石同期機の出力密度向上のためには、回転子鉄心の磁石から固定子鉄心のティースに鎖交する磁束量を増やすことが有効である。一般に、コイルエンドを含む固定子全長と、回転子鉄心の軸長との差が有効磁束に関するデッドスペースとなるが、この空間を有効活用するべく、回転子端部にオーバーハング部を設けることにより出力密度向上を図り、同一体格で高出力を得る永久磁石同期機が知られている。

図７は従来のオーバーハング部を設けた永久磁石同期機を示す断面図である。図７において、１は固定子鉄心、２１は固定子鉄心１のティースに巻き回されたコイルである。１０は中心にシャフト１３を挿入した回転子鉄心１１を有する回転子である。回転子１０は磁石挿入孔４に永久磁石５が挿入され、上下両端の固定子鉄心１の長さＢより長い部分に積層鋼板からなるオーバーハング部１２を有する。Ａはコイルエンドを含む固定子全長である。図８は積層鋼板３１からなるオーバーハング部１２を示す斜視図である。６はオーバーハング部１２に設けられた磁石挿入孔である。

図７でオーバーハング部１２を長くしていくと、図９に示す様に、オーバーハング部の磁極から発生される磁束は増加するが、回転子鉄心のコイルが巻き回されたティースに流入する磁束、すなわち有効磁束は飽和する。このように固定子鉄心の軸方向長さＢよりも回転子の軸方向長さを長くして磁束を増加させトルクアップを図っている。

特許文献１では、さらに、回転子における有効磁束の磁気飽和を緩和する目的で、インダクタンス低減のために回転子鉄心外周部に設けたスリット面積をオーバーハング部では小さくすることより永久磁石同期機の出力密度向上を図っている。

特開２０００−１１６０４４号公報

図８に示すような積層鋼板で作られたオーバーハング部は、鋼板一枚一枚が板厚方向に絶縁層を有し軸方向に絶縁されているため、オーバーハング部内において軸方向に磁束が移動できない。このため、オーバーハング部が固定子ティースから離れるに従い有効磁束の増加量が減少し、ある程度の長さになるとそれ以上オーバーハング部を長くしても出力密度が向上しないという問題がある。

本発明の目的は、オーバーハング部長さの増加による有効磁束の飽和を低減し、さらに永久磁石同期機の出力密度向上を図ることである。

本発明は、コイルをティースに巻き回した固定子鉄心と、磁性体内に永久磁石を配置した回転子鉄心を有する回転電機において、前記回転子鉄心の少なくとも一端に磁性体からなるオーバーハング部を設けて前記回転子鉄心と前記オーバーハング部の長さを前記固定子鉄心よりも長く設定し、前記オーバーハング部内に前記永久磁石を配置し、前記固定子鉄心の軸方向透磁率より前記オーバーハング部の軸方向透磁率を高く設定したことを特徴とする。

また、永久磁石同期機において、前記オーバーハング部を塊状鉄心から構成したことを特徴とする。

また、永久磁石同期機において、前記オーバーハング部を積層鋼板から構成したことを特徴とする。

また、永久磁石同期機において、磁性体からなる前記オーバーハング部の前記永久磁石に対する半径方向外周部に回転子軸方向または周方向に非磁性部を設けたことを特徴とする。

また、永久磁石同期機において、前記非磁性部は溝部からなることを特徴とする。

また、永久磁石同期機において、前記非磁性部は前記オーバーハング部の前記永久磁石に対する半径方向外周部に軸方向に設けた孔部からなることを特徴とする。

また、永久磁石同期機において、前記溝部または孔部に非磁性体を充填したことを特徴とする。

また、永久磁石同期機において、前記オーバーハング部の外径を前記回転子と反対側のオーバーハング部端部に向かうにつれ小さく設定したことを特徴とする。

また、永久磁石同期機において、前記オーバーハング部に配置した永久磁石の周囲を非磁性体で囲むことを特徴とする。

また、永久磁石同期機において、前記固定子鉄心のコイルを巻き回したティースの前記回転子との対向面積を軸方向端部に近付くにつれ小さくしたことを特徴とする。

また、永久磁石同期機において、前記固定子鉄心外周に軸方向のスリットを設けたことを特徴とする。

また永久磁石同期機において、前記オーバーハング部が前記回転子のバランスウェイトを兼ねることを特徴とする。

さらに、永久磁石同期機を搭載したコンプレッサまたはＨＥＶ、またはＥＶまたは燃料電池自動車であることを特徴とする。

本発明によれば、コイルをティースに巻き回した固定子鉄心と、磁性体内に永久磁石を配置した回転子鉄心を有する回転電機において、回転子鉄心の少なくとも一端に磁性体からなるオーバーハング部を設けて回転子鉄心とオーバーハング部の長さを固定子鉄心よりも長く設定し、オーバーハング部内に永久磁石を配置し、固定子鉄心の軸方向透磁率よりオーバーハング部の軸方向透磁率を高く設定したことにより、
固定子鉄心と空隙を介して対向する回転子鉄心のオーバーハング部に発生する磁束が、固定子鉄心より透磁率の高い磁性体からなるオーバーハング部を磁路として軸方向に容易に移動可能となり、これによって回転子鉄心のティースに流入する有効磁束量を増加させることができる。従って永久磁石同期機の出力密度向上を図ることができる。

本発明の実施例１による永久磁石同期機の回転子の軸方向断面図。図１におけるＣＣ線断面図。本発明の実施例２による永久磁石同期機の軸方向断面図。本発明の実施例３によるオーバーハング部を示す斜視図。本発明の実施例４によるオーバーハング部を示す斜視図。本発明の実施例５による磁石係止部を示す斜視図。従来のオーバーハング部を設けた永久磁石同期機の軸方向断面図。従来の積層鋼板におけるオーバーハング部を示す斜視図。オーバーハング部長さと有効磁束量の関係を示すグラフ。

以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。

図１は本発明の実施例１による永久磁石同期機の軸方向断面図、図２は図１におけるＣＣ線断面図である。１は固定子鉄心であり、環状のヨークと固定子巻線用の溝をおいて周方向に複数のティース２が放射状に形成されている。ティース２にはコイル２１が巻き回されている。回転子１０は複数の磁石挿入孔４を持ち、回転子鉄心１１とその上下両端に設けたオーバーハング部１２Ａとからなる。回転子１０はコイルエンドを含めた固定子全長Ａに対して空隙３を介して対向しており、シャフト１３を介してトルクを発生する。

回転子鉄心１１は、固定子鉄心全長Ｂと空隙を介して対向し軸断面方向に着磁された永久磁石５を磁石挿入孔４に有している。オーバーハング部１２Ａは塊状鉄心からなり、磁石挿入孔６に永久磁石５を挿入し、コイルエンドのデッドスペースに収まっている。また、オーバーハング部１２Ａにおいて磁石挿入孔６に挿入された永久磁石５は、非磁性体を介して端板１４により抑えられている。

積層鋼板の軸方向透磁率μ_⊥は、積層鋼板の充填率をｆ、真空の透磁率をμ０、鋼板表面と垂直方向の透磁率をμとする時、

で表される。

オーバーハング部１２Ａの軸方向透磁率は固定子鉄心１の軸方向透磁率μ_⊥より高く設定されている。塊状鉄心により構成されたオーバーハング部１２Ａは、永久磁石５で発生した磁束が軸方向透磁率の高いオーバーハング部１２Ａを通って減衰せずに固定子鉄心１のティース２に流入する。これにより永久磁石同期機の有効磁束量が増加してトルクアップが図れる。

実施例１では回転子鉄心と固定子鉄心の構成材料として積層鋼板を例に挙げているが、これを圧粉磁心で構成しても、オーバーハング部の軸方向の透磁率を圧紛磁心からなる固定子鉄心の軸方向透磁率よりも大きくすることで同様の効果が得られる。

永久磁石５は通常は希土類を主成分とした焼結磁石で構成される。これをボンド磁石で形成してもよいし、フェライト磁石、アルニコ磁石で形成してもよい。同様に、永久磁石５は一枚の永久磁石で構成しているが、複数枚の永久磁石を軸方向または周方向に配置して構成してもよい。

回転子鉄心１１とオーバーハング部１２Ａの磁石挿入孔４に挿入される永久磁石５は同一種類の１枚の磁石で構成してもよいし、別の永久磁石で構成してもよい。また、オーバーハング部１２Ａの磁石挿入孔６の位置や形状、磁石の種類を、回転子鉄心１１に挿入した永久磁石と違うものにしてもよい。各々の永久磁石の着磁方向は同一方向にしてもよいし、オーバーハング部１２Ａの永久磁石の着磁方向を周方向とし、回転子鉄心側の永久磁石着磁極を固定子鉄心側の着磁極と同一にしてもよい。実施例１では永久磁石の断面形状は方形型であるが、アーク状でもよく、かまぼこ状、バスタブ形状でもよい。

図２に示す回転子鉄心１１の半径方向断面は円形でもよく、極数に対応した多角形でもよい。また、永久磁石の磁極間の空隙を埋める形で回転子鉄心１１外周部に凸部を設けても良い。凸部を設ける場合には永久磁石の周方向応力に対する固定強度が向上するほか、リラクタンストルクの活用も可能となるが、一方でインダクタンスが増加するためトルクを減少させることなく高速運転範囲を拡大することが難しくなる。

また、磁極間の空隙を掘り下げる形で回転子鉄心の外周部に凹部を設けてもよい。凹部を設ける場合にはインダクタンスが減少するため、トルクを減少させることなく高速運転範囲を拡大できる。

実施例１のオーバーハング部１２Ａは塊状鉄心で構成しているが、圧紛磁心などを用いてもよく、固定子鉄心の軸方向の透磁率に比べて軸方向に透磁率の高い磁性体材料であればよい。また、オーバーハング部において、永久磁石の周方向端部の漏れ磁束を低減する目的で磁極間に軸方向のカットを設ける構成が有効である。

回転子鉄心１の径方向表面には永久磁石が４極となるように配置され、スロットが６個配置されているが、極数やスロットが異なる場合でも同様の効果を得られる。

固定子鉄心１の外周において、コイルを巻き回したティース２の回転子との対向面積を軸方向端部に近付くにつれ小さくすることもできる。また、固定子鉄心１の外周に軸方向のスリットを設けることもできる。このように構成すれば、ティース２の軸方向端部における回転子の対向面積を減らすことで、軸方向面からティース２に流入する磁束が減り、ティース２の渦電流損を低減することができ、高効率な永久磁石同期機を提供できる。

図１ではオーバーハング部を含む回転子の軸長はコイルエンドを含む固定子全長Ａ内のデッドスペース内に収まっているが、オーバーハング部を含む回転子の軸長は固定子全長Ａより短くても長くてもよい。

また、オーバーハング部は実施例１のように回転子鉄心の両側に設けてもよいが、片側だけに設けても出力密度向上の効果がある。

実施例１は、特にレアアースフリーの電動機において、コイルエンドのデッドスペースを有効活用できるので出力密度向上の効果が大きい。

実施例１によれば、レアアースレスの永久磁石同期機においてコイルエンドのデッドスペースを利用することで、レアアースを使用した永久磁石同期機と同一出力を得るための体格増加を抑えられる。また、オーバーハング部を取り付け、バランスウェイトとしての機能を持たせることで、安定した動作の永久磁石同期機を提供できる。

図３は、本発明の実施例２を示す軸方向断面図である。以下の図面において、実施例１と共通部分は同一符号を付して記載し、新規な構成の部分について説明する。実施例２では、オーバーハング部１２Ｂが積層鋼板で構成されている。この場合の積層鋼板は、積層鋼板の充填率を上げることで軸方向の透磁率を上げた積層鋼板や、積層鋼板を半径方向に積層したものなどを用いることができる。

図４は実施例３におけるオーバーハング部の斜視図である。オーバーハング部以外の基本構成は実施例１に準ずるので説明を省略する。実施例３は塊状鉄心からなるオーバーハング部１２Ｃの外周部半径方向の溝３０を軸方向に三段重ねて設けたものである。

固定子コイルに電流を流すとコイルエンドにおいて磁束が発生し、回転子端部のオーバーハング部に漏れ磁束として流入する。本発明においてオーバーハング部は軸方向の透磁率が固定子鉄心の透磁率より高いことを特徴としているため、コイルエンド部分の漏れ磁束による渦電流損失が大きくなる。このため、図４のような構成にすることにより、オーバーハング部１２Ｃの外周部に空気からなる非磁性体層が形成され、コイルエンドの漏れ磁束による渦電流損を低減して、効率の高い永久磁石同期機を提供することができる。

図４の溝３０は三段として説明しているが、溝の幅を狭くし溝数を多くすることでより大きな効果が得られる。また溝の深さは図４のように均一でもよいし、オーバーハング部端面から回転子鉄心側に向かうにつれ徐々に浅くしてもよい。溝の形状は方形を連ねることで構成しているが、丸や円弧などで構成してもよい。

また、図４では半径方向に溝を設けているが、オーバーハング部１２Ｃ端部の磁石挿入孔より外側部分に軸方向の孔を設けてもよく、同様にオーバーハング部１２Ｃの外周部に空気からなる非磁性体層が形成され、コイルエンドの漏れ磁束による渦電流損を低減できる。

図１ではオーバーハング部を含む回転子鉄心の軸長は固定子全長Ａと同等の長さであるが、オーバーハング部を含む回転子鉄心の軸長は固定子全長Ａより短くても長くてもよい。特に固定子全長Ａよりオーバーハング部が長い場合において、オーバーハング部がコイルエンドと対向しなくなるほど長くなった場合においては、コイルエンドと対向しない部分はコイルエンドの漏れ磁束の影響は小さくなるので溝を作る必要はない。

図５は実施例４を説明するオーバーハング部１２Ｄを示す斜視図である。オーバーハング部以外の基本構造は実施例１に準ずるので説明を省略する。図５のオーバーハング部１２Ｄは、オーバーハング部１２Ｄ端部に向かうにつれ、オーバーハング外径を小さくしていく構造である。

上記構造は実施例３と同様にコイルエンドの漏れ磁束対策の一つであり、オーバーハング部の端部に近付くにつれ直径を小さくすることで、コイルエンドからオーバーハング部１２Ｄへの磁路を狭め、コイルエンドにおける漏れ磁束の影響を低減し、コイルエンドの漏れ磁束により生じるオーバーハング部の軸方向渦電流損を低減し高効率な永久磁石同期機を提供できる。

オーバーハング内で磁路を制限することにより、コイルエンドからの漏れ磁束の低減と、オーバーハング内での磁束の動きを制限できる。また、回転子とティースの対向面からではなく軸方向からの有効磁束が向上するので、高効率な永久磁石同期機を提供できる。

更に、オーバーハング部１２Ｄが固定子鉄心１に近付くにつれ、オーバーハング部外径を大きくすることで、ティースへ流れ込む磁路が広くなることから磁束がティースに流れやすく、有効磁束量が増加する効果がある。

図７のオーバーハング部１２Ｄの外周表面は、回転子鉄心側からオーバーハング部１２Ｄ端部に向け、円弧の形状をとっているが、この形状は直線的でもよいし逆向きの円弧でもよい。コイルエンドと対向するオーバーハング部１２Ｄ外周部においては、オーバーハング部１２Ｄの外径を小さくし、固定子鉄心のティースに近付くにつれ外形を大きくする。オーバーハング部１２Ｄの固定子鉄心と接地面との外径は、固定子鉄心と同じ径でもよいし、固定子鉄心より大きい径でもよい。実施例４を実施例３と同時に適用し、外周部に溝を設けることもコイルエンドの漏れ磁束対策として有効な手段の一つである。

図６は実施例５を説明する磁石係止部を持つ塊状鉄心からなるオーバーハング部の構成である。オーバーハング部１２Ｅ以外の基本構成は実施例１に準じるので説明を省略する。図８のオーバーハング部１２Ｅ端部には実施例１で示した永久磁石の抑えをする端板１４の代わりに、オーバーハング部１２Ｅの端部形状をかしめ加工した係止部２２を設けることで磁石抑えとしている。係止部２２はオーバーハング部１２Ｅと一体構造になっており、永久磁石の両端を抑え込む。

永久磁石５は係止部２２以外の部分では非磁性体である空気に露出しこれと接している。オーバーハング部の回転子鉄心への取り付けはねじ止めとする。

永久磁石端部では隣り合う反磁極間で磁束が発生し、漏れ磁束として磁性体であるオーバーハング部に流入し渦電流損の原因となる。渦電流損を低減するためには、永久磁石の周囲を非磁性体で囲うことで永久磁石端部における漏れ磁束を低減できる。非磁性体の部分は空気でもよいし樹脂などの絶縁物でもよい。

実施例５ではオーバーハング部端部に係止部を設けることにしているが、係止部の代わりに永久磁石の両端を板で抑えるような構造としてもよい。上記の構成によれば既存の部材で磁石抑えを兼ねるため、工程の低減および、コスト削減の効果が得られる。

上記のように、本発明の永久磁石同期機は小型高効率を実現できることから、これを搭載したコンプレッサ、ＥＶ、ＨＥＶ燃料電池自動車の小型高効率化に寄与することができる。

１：固定子鉄心
２：ティース
３：空隙
４、６：磁石挿入孔
５：永久磁石
１０：回転子
１１：回転子鉄心
１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ、１２Ｄ、１２Ｅ：オーバーハング部
１４：端板
２１：コイル
２２：係止部
３０：溝
３１：積層鋼鈑
Ａ：固定子全長
Ｂ：固定子鉄心長

Claims

コイルをティースに巻き回した固定子鉄心と、磁性体内に永久磁石を配置した回転子鉄心を有する回転電機において、前記回転子鉄心の少なくとも一端に磁性体からなるオーバーハング部を設けて前記回転子鉄心と前記オーバーハング部の長さを前記固定子鉄心よりも長く設定し、前記オーバーハング部内に前記永久磁石を配置し、前記固定子鉄心の軸方向透磁率より前記オーバーハング部の軸方向透磁率を高く設定したことを特徴とする永久磁石同期機。
請求項１に記載された永久磁石同期機において、前記オーバーハング部を塊状鉄心から構成したことを特徴とする永久磁石同期機。
請求項１に記載された永久磁石同期機において、前記オーバーハング部を積層鋼板から構成したことを特徴とする永久磁石同期機。
請求項１乃至３のいずれかに記載された永久磁石同期機において、磁性体からなる前記オーバーハング部の前記永久磁石に対する半径方向外周部に回転子軸方向または周方向に非磁性部を設けたことを特徴とする永久磁石同期機。
請求項４に記載された永久磁石同期機において、前記非磁性部は溝部からなることを特徴とする永久磁石同期機。
請求項４に記載された永久磁石同期機において、前記非磁性部は前記オーバーハング部の前記永久磁石に対する半径方向外周部に軸方向に設けた孔部からなることを特徴とする永久磁石同期機。
請求項５又は６に記載された永久磁石同期機において、前記溝部または孔部に非磁性体を充填したことを特徴とする永久磁石同期機。
請求項１乃至３のいずれかに記載された永久磁石同期機において、前記オーバーハング部の外径を前記回転子と反対側のオーバーハング部端部に向かうにつれ小さく設定したことを特徴とする永久磁石同期機。
請求項１乃至８のいずれかに記載された永久磁石同期機において、前記オーバーハング部に配置した永久磁石の周囲を非磁性体で囲むことを特徴とする永久磁石同期機。
請求項１乃至９のいずれかに記載された永久磁石同期機において、前記固定子鉄心のコイルを巻き回したティースの前記回転子との対向面積を軸方向端部に近付くにつれ小さくしたことを特徴とする永久磁石同期機。
請求項１乃至９のいずれかに記載された永久磁石同期機において、前記固定子鉄心外周に軸方向のスリットを設けたことを特徴とする永久磁石同期機。
請求項１乃至１１のいずれかに記載された永久磁石同期機において、前記オーバーハング部が前記回転子のバランスウェイトを兼ねることを特徴とする永久磁石同期機。
請求項１乃至１２のいずれかに記載された永久磁石同期機を搭載したコンプレッサまたはＨＥＶ、またはＥＶ、または燃料電池自動車。