JP2016052218A - 永久磁石型回転子を有する回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】漏れ磁束による回転子両端部での磁束密度の上昇を防止し、回転子の局所的な過熱を防止することができる回転電機を提供する。
【解決手段】回転電機は、回転子コア１１の外面に複数の永久磁石１４が配置された構成を有する回転子１０と、回転子１０を囲むように配置された複数の巻線３４を有する固定子３０と、回転子１０と一体に回転可能な軸とを備える。回転子コア１１は、塊状の構成を有した塊状回転子コアであり、回転子コア１１は、永久磁石１４の両側に張り出し部１１ａを有しており、張り出し部１１ａの外面には、回転子１０の周方向に延びる環状の窪み４１が形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、高速で回転する永久磁石型回転子を有する、電動機または発電機などの回転電機に関し、特に永久磁石型回転子の局所的な発熱を防止するための回転子構造に関するものである。

電動機や発電機などの回転電機に使用される永久磁石型回転子として、回転子コアの表面に永久磁石を配置したＳＰＭ（Surface Permanent Magnet）回転子が知られている。図６は、ＳＰＭ回転子の一例を示した模式図である。回転子１００は、磁性材料からなる回転子コア１０１と、この回転子コア１０１の外面に配列された複数の永久磁石１０４とを備えている。永久磁石１０４の外側には、繊維強化樹脂などから構成された保護カバー１０５が配置されており、永久磁石１０４の外面は保護カバー１０５によって覆われている。この保護カバー１０５は、回転子１００が高速で回転するときに永久磁石１０４が回転子１００から外れることを防止するために設けられている。回転子コア１０１は、軸受１１０に支持された軸１１２に固定されており、回転子１００と軸１１２は一体に回転する。

磁性材料からなる回転子コア１０１は、永久磁石１０４の磁路としての機能を担い、かつ永久磁石１０４を支持するための構造体として機能する。回転子１００を囲むように固定子１２０が配置されており、固定子１２０はフレーム１２６に固定されている。固定子１２０は、複数の歯部１２１を有する固定子コア１２２と、これら歯部１２１にそれぞれ取り付けられた複数の巻線１２４とを備えている。

定格速度が１０，０００min^-1以上の高速型の電動機または発電機では、回転子１００全体の剛性を高くする必要がある。このため、回転子コア１０１は、珪素鋼板の積層構造ではなく、塊状の構成を有している。さらに、回転子コア１０１自体の剛性を高めるために、回転子コア１０１は、永久磁石１０４の両側に張り出し部１０１ａを備えている。

しかしながら、この張り出し部１０１ａは、巻線１２４の端部１２４ａに近接しているため、図７に示すように、巻線１２４の端部１２４ａに発生する漏れ磁束を増加させてしまう。発生した漏れ磁束は回転子コア１０１を磁路として通過し、磁位の高い永久磁石側に偏るように磁路を形成する。このため、回転子１００の軸方向の両端に磁束密度の高い領域が生じることとなる（図７のグラフ参照）。

理想の同期モータでは、回転子１００が主磁束に追従して回転するため、回転子１００表面では主磁束の量が変動せず、また回転子１００を貫通する磁束の位置が変化しない。したがって、回転子１００に渦電流は発生しない。しかし、現実の同期モータでは、巻線１２４を収めるためのスロットが有限の数で固定子コア１２２に形成されており、歯部１２１とスロットが交互に配置されるため、固定子コア１２２の内周に沿って磁気抵抗が大きく変動し、きれいな正弦波状の磁束分布とはならない。

図８は、電機子としての固定子１２０によって生成された回転磁界を示すグラフである。図８の縦軸は磁束密度を表し、横軸は電気角［rad］を表している。磁界の回転に伴い、固定子コア１２２の磁気抵抗の変動に応じた脈動磁束成分が、正弦波状の磁束分布に重畳する。回転子１００の永久磁石１０４は固定子１２０の磁極に追従して回転し、負荷が一定であれば固定子１２０の磁極と永久磁石１０４との相対的な位置は変化せず、回転子１００表面の平均の磁束量も変化しない。

しかしながら、図８に示すように、磁極の発する磁束には時間によって変動する脈動磁束成分を含むため、磁束の時間的変動に伴う渦状の起電力が永久磁石１０４及び張り出し部１０１ａに発生し、渦電流が永久磁石１０４及び張り出し部１０１ａ内に流れて発熱を生じる。特に、高速で回転する回転電機では、駆動周波数が高いため、磁束の単位時間当たりの変化量、すなわち誘導起電力［-dφ/dt］が大きくなり、非常に大きな渦電流が発生してしまう。

渦電流による発熱は渦電流密度の２乗に比例し、渦電流密度は磁束密度に比例するため、図７に示すように永久磁石１０４の両端での磁束密度が高くなると、永久磁石１０４の両端での発熱が顕著となる。結果として、永久磁石１０４の熱減磁によりトルクが低下してしまう。これに加え、永久磁石１０４の外側に配置された保護カバー１０５が局所的に過熱状態となり、保護カバー１０５の劣化による永久磁石１０４の固定力の低下、保護カバー１０５の樹脂の熱放散による回転子１００の動的アンバランスの発生、アンバランスに起因する振動の発生などの危険を生ずるおそれがある。

近年では、回転子１００の永久磁石１０４として、高い磁束密度を有する希土類磁石を使用する傾向がある。このような永久磁石を使用することにより、界磁巻線を有する同期型回転電機や誘導型回転電機に比較して大幅な小型高出力化が達成できる。しかし、回転電機が小型化すると、固定子コア１２２の高磁束密度化、巻線１２４と回転子１００の磁性材料との接近を余儀なくされることとなり、巻線１２４の端部１２４ａにおける漏れ磁束が増加し、漏れ磁束に起因した回転子１００での渦電流の発生も増加する。

特開２０００−１３４８３９号公報

本発明は以上の事柄に鑑み、漏れ磁束による回転子両端部での磁束密度の上昇を防止し、回転子の局所的な過熱を防止することができる回転電機を提供するものである。

上述した目的を達成するために、本発明の一態様は、回転子コアの外面に複数の永久磁石が配置された構成を有する回転子と、前記回転子を囲むように配置された複数の巻線を有する固定子と、前記回転子と一体に回転可能な軸とを備え、前記回転子コアは、塊状の構成を有した塊状回転子コアであり、前記回転子コアは、前記永久磁石の両側に張り出し部を有しており、前記張り出し部の外面には、前記回転子の周方向に延びる環状の窪みが形成されていることを特徴とする回転電機である。

本発明の他の態様は、回転子コアの外面に複数の永久磁石が配置された構成を有する回転子と、前記回転子を囲むように配置された複数の巻線を有する固定子と、前記回転子と一体に回転可能な軸とを備え、前記回転子コアは、塊状の構成を有した塊状回転子コアであり、前記回転子コアは、前記永久磁石の両側に張り出し部を有しており、前記回転子コアの軸方向の長さは、前記巻線の軸方向の長さよりも小さいことを特徴とする回転電機である。

本発明の他の態様は、回転子コアの外面に複数の永久磁石が配置された構成を有する回転子と、前記回転子を囲むように配置された複数の巻線を有する固定子と、前記回転子と一体に回転可能な軸とを備え、前記回転子コアは、塊状の構成を有した塊状回転子コアであり、前記回転子コアは、前記永久磁石の両側に張り出し部を有しており、前記張り出し部の外面に非磁性リングを取り付けたことを特徴とする回転電機である。

本発明の他の態様は、回転子コアの外面に複数の永久磁石が配置された構成を有する回転子と、前記回転子を囲むように配置された複数の巻線を有する固定子と、前記回転子と一体に回転可能な軸とを備え、前記回転子コアは、塊状の構成を有した塊状回転子コアであり、前記回転子コアは、前記永久磁石の両側に張り出し部を有しており、前記張り出し部の外面に形成された環状溝には、非磁性リングが配置されていることを特徴とする回転電機である。

本発明の他の態様は、回転子コアの外面に複数の永久磁石が配置された構成を有する回転子と、前記回転子を囲むように配置された複数の巻線を有する固定子と、前記回転子と一体に回転可能な軸とを備え、前記回転子コアは、塊状の構成を有した塊状回転子コアであり、前記回転子コアは、前記永久磁石の両側に張り出し部を有しており、前記永久磁石の外面には、その両端部に向かって傾斜するテーパー面が形成されていることを特徴とする回転電機である。

本発明によれば、巻線と回転子との間の磁気抵抗が大きくなるので、回転子コア及び永久磁石内を通過する漏れ磁束を低下させることができる。したがって、漏れ磁束の時間変化による渦電流の発生を抑制することができる。結果として、高速で回転子が回転する場合であっても、回転子の両端部の局所的な過熱を防止することができる。

本発明の一実施形態に係る回転電機を示す断面図である。 本発明の他の実施形態に係る回転電機を示す断面図である。 本発明のさらに他の実施形態に係る回転電機を示す断面図である。 本発明のさらに他の実施形態に係る回転電機を示す断面図である。 本発明のさらに他の実施形態に係る回転電機を示す断面図である。 ＳＰＭ回転子の一例を示した模式図である。 巻線の端部に発生する漏れ磁束を示す模式図である。 電機子としての固定子によって生成された回転磁界を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施形態に係るＳＰＭ（Surface Permanent Magnet）型回転電機を示す断面図である。本明細書において、回転電機とは、電動機及び発電機の総称である。本実施形態の回転電機は、その定格速度が１０，０００min^-1以上の高速型の電動機または発電機である。

図１に示すように、回転子１０は、磁性材料からなる回転子コア１１と、この回転子コア１１の外面に配列された複数の永久磁石１４とを備えている。永久磁石１４の外側には、繊維強化樹脂などから構成された保護カバー１５が配置されており、永久磁石１４の外面は保護カバー１５によって覆われている。この保護カバー１５は、回転子１０が高速で回転するときに永久磁石１４が回転子１０から外れることを防止するために設けられている。

回転子コア１１は、軸受２０に支持された軸２２に固定されており、回転子１０と軸２２は一体に回転する。回転子１０の剛性を高めるために、回転子コア１１は軸２２と一体に構成されていることが好ましい。すなわち、回転子コア１１及び軸２２は、ともに同じ磁性材料から一体に形成されていることが好ましい。回転子コア１１は、永久磁石１４の磁路としての機能を担い、かつ永久磁石１４を支持するための構造体として機能する。

回転子１０を囲むように固定子３０が配置されており、固定子３０はフレーム３６に固定されている。固定子３０は、複数の歯部３１を有する固定子コア３２と、これら歯部３１にそれぞれ取り付けられた複数の巻線３４とを備えている。

回転子１０の剛性を高めるために、回転子コア１１は塊状の構成を有している。このような構成の回転子コア１１は、塊状回転子コア（Solid rotor core）とも呼ばれ、一般的に低速回転型の回転電機に採用される珪素鋼板からなる積層構造よりも高い剛性を有している。このような塊状の回転子コア１１は、数万min^-1の高速で回転するときであっても、振動を発生することなく安定した姿勢を保つことができる。

回転子コア１１自体の剛性を高めるために、回転子コア１１は、永久磁石１４の両側に張り出し部１１ａを備えている。したがって、回転子コア１１全体の軸方向の長さは、巻線３４の軸方向の長さよりも大きく構成されている。永久磁石１４の両端部は張り出し部１１ａに支持されている。張り出し部１１ａ及び永久磁石１４の外面は、保護カバー１５によって覆われている。

本実施形態では、巻線３４の端部３４ａでの漏れ磁束を抑制し、かつ張り出し部１１ａ及び永久磁石１４内での渦電流を抑制するために、張り出し部１１ａの外面には、回転子１０の周方向に延びる環状の窪み（または小径部）４１が形成されている。この環状の窪み４１は、固定子３０の半径方向に関して巻線３４の端部３４ａの内側に位置している。

環状の窪み４１は、巻線３４の端部３４ａと、回転子コア１１の張り出し部１１ａとの間の隙間を大きくし、巻線３４の端部３４ａと回転子コア１１との間の磁気抵抗を大きくすることができる。したがって、回転子１０の両端部内での磁路の形成を阻止し、かつ漏れ磁束を小さくすることができる。その結果、渦電流による永久磁石１４及び回転子コア１１の局所的な過熱を防止することができる。

図２は、本発明の他の実施形態に係るＳＰＭ型回転電機を示す断面図である。特に説明しない本実施形態の構成は、図１に示す実施形態と同じであるので、その重複する説明を省略する。

図２に示すように、本実施形態は、回転子コア１１はその剛性を高めるための張り出し部１１ａを有している点では図１に示す実施形態と同じであるが、張り出し部１１ａの軸方向の長さは図１に示す張り出し部１１ａよりも短く、回転子コア１１の軸方向の長さが巻線３４の軸方向の長さよりも小さい点で異なっている。より具体的には、回転子コア１１の張り出し部１１ａは巻線３４の端部３４ａよりも軸方向に関して内側に位置している。

本実施形態によれば、巻線３４の端部３４ａの径方向内側には、回転子コア１１が存在しない。したがって、巻線３４の端部３４ａと、回転子コア１１の端部との間の隙間が大きくなり、巻線３４の端部３４ａと回転子コア１１との間の磁気抵抗を大きくすることができる。したがって、回転子１０の両端部内での磁路の形成を阻止し、かつ漏れ磁束を小さくすることができる。その結果、渦電流による永久磁石１４及び回転子コア１１の局所的な過熱を防止することができる。

図３は、本発明のさらに他の実施形態に係るＳＰＭ型回転電機を示す断面図である。特に説明しない本実施形態の構成は、図１に示す実施形態と同じであるので、その重複する説明を省略する。

図３に示すように、本実施形態は、回転子コア１１はその剛性を高めるための張り出し部１１ａを有している点では図１に示す実施形態と同じであるが、張り出し部１１ａの外径は図１に示す実施形態よりも小さく、張り出し部１１ａの外面に非磁性リング４５が取り付けられている点で異なっている。永久磁石１４の両端部は、非磁性リング４５によって支持されている。この非磁性リング４５は、固定子３０の半径方向に関して巻線３４の端部３４ａの内側に位置している。非磁性リング４５は、非磁性の剛材、例えば非磁性のステンレス鋼から構成されている。非磁性リング４５として剛材が使用される理由は、回転子コア１１の剛性を高めるためである。非磁性リング４５及び永久磁石１４の外面は、保護カバー１５によって覆われている。

非磁性リング４５は、巻線３４の端部３４ａと回転子コア１１との間の磁気抵抗を大きくすることができる。したがって、回転子１０の両端部内での磁路の形成を阻止し、かつ漏れ磁束を小さくすることができる。その結果、渦電流による永久磁石１４及び回転子コア１１の局所的な過熱を防止することができる。非磁性リング４５は、焼嵌めや圧入によって回転子コア１１の張り出し部１１ａに取り付けることができる。図３に示す実施形態は、図１及び図２に示す実施形態に比較して、固定子３０の剛性を高くすることができる。

図４は、本発明のさらに他の実施形態に係るＳＰＭ型回転電機を示す断面図である。特に説明しない本実施形態の構成は、図１に示す実施形態と同じであるので、その重複する説明を省略する。

図４に示すように、本実施形態は、回転子コア１１はその剛性を高めるための張り出し部１１ａを有している点では図１に示す実施形態と同じであるが、張り出し部１１ａの外面には回転子１０の周方向に延びる環状溝が形成され、この環状溝内に非磁性リング５１が収容されている点で異なっている。非磁性リング５１は永久磁石１４の両側に位置しており、永久磁石１４の両端部は、非磁性リング５１によって支持されている。張り出し部１１ａ、非磁性リング５１、及び永久磁石１４の外面は、保護カバー１５によって覆われている。非磁性リング５１は、複数の分割体から構成されており、回転子コア１１の環状溝にその外側から挿入可能となっている。

非磁性リング５１は、非磁性のステンレス鋼、または非磁性かつ不導体のセラミックから構成されている。非磁性リング５１は、回転子コア１１内の磁路を遮るように、永久磁石１４の両端部を覆っている。好ましくは、図４に示すように、非磁性リング５１の径方向の幅は、永久磁石１４の径方向の幅よりも大きい。

非磁性リング５１は、巻線３４の端部３４ａと永久磁石１４との間の磁気抵抗を大きくすることができる。したがって、回転子１０の両端部内での磁路の形成を阻止し、かつ漏れ磁束を小さくすることができる。その結果、渦電流による永久磁石１４及び回転子コア１１の局所的な過熱を防止することができる。図４に示す実施形態は、図１及び図２に示す実施形態に比較して、固定子３０の剛性を高くすることができる。

図５は、本発明のさらに他の実施形態に係るＳＰＭ型回転電機を示す断面図である。特に説明しない本実施形態の構成は、図５に示す実施形態と同じであるので、その重複する説明を省略する。

図５に示すように、本実施形態は、回転子コア１１はその剛性を高めるための張り出し部１１ａを有している点では図１に示す実施形態と同じであるが、永久磁石１４の外面はその両端部に向かって傾斜するテーパー面６１を有している点で異なっている。すなわち、永久磁石１４の両端部は円錐台形状を有している。

永久磁石１４のテーパー面６１は、巻線３４の端部３４ａと永久磁石１４との間の隙間を大きくし、巻線３４の端部３４ａと永久磁石１４との間の磁気抵抗を大きくすることができる。したがって、漏れ磁束を小さくすることができる。その結果、渦電流による永久磁石１４及び回転子コア１１の局所的な過熱を防止することができる。

以上の通り、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範囲内であれば他の実施形態にも適用することが可能である。

１０ 回転子
１１ 回転子コア
１１ａ 張り出し部
１４ 永久磁石
１５ 保護カバー
２０ 軸受
２２ 軸
３０ 固定子
３１ 歯部
３２ 固定子コア
３４ 巻線
３６ フレーム
４１ 環状の窪み
４５，５１ 非磁性リング
６１ テーパー面

Claims (6)

1. 回転子コアの外面に複数の永久磁石が配置された構成を有する回転子と、
   前記回転子を囲むように配置された複数の巻線を有する固定子と、
   前記回転子と一体に回転可能な軸とを備え、
   前記回転子コアは、塊状の構成を有した塊状回転子コアであり、
   前記回転子コアは、前記永久磁石の両側に張り出し部を有しており、
   前記張り出し部の外面には、前記回転子の周方向に延びる環状の窪みが形成されていることを特徴とする回転電機。
2. 回転子コアの外面に複数の永久磁石が配置された構成を有する回転子と、
   前記回転子を囲むように配置された複数の巻線を有する固定子と、
   前記回転子と一体に回転可能な軸とを備え、
   前記回転子コアは、塊状の構成を有した塊状回転子コアであり、
   前記回転子コアは、前記永久磁石の両側に張り出し部を有しており、
   前記回転子コアの軸方向の長さは、前記巻線の軸方向の長さよりも小さいことを特徴とする回転電機。
3. 回転子コアの外面に複数の永久磁石が配置された構成を有する回転子と、
   前記回転子を囲むように配置された複数の巻線を有する固定子と、
   前記回転子と一体に回転可能な軸とを備え、
   前記回転子コアは、塊状の構成を有した塊状回転子コアであり、
   前記回転子コアは、前記永久磁石の両側に張り出し部を有しており、
   前記張り出し部の外面に非磁性リングを取り付けたことを特徴とする回転電機。
4. 回転子コアの外面に複数の永久磁石が配置された構成を有する回転子と、
   前記回転子を囲むように配置された複数の巻線を有する固定子と、
   前記回転子と一体に回転可能な軸とを備え、
   前記回転子コアは、塊状の構成を有した塊状回転子コアであり、
   前記回転子コアは、前記永久磁石の両側に張り出し部を有しており、
   前記張り出し部の外面に形成された環状溝には、非磁性リングが配置されていることを特徴とする回転電機。
5. 回転子コアの外面に複数の永久磁石が配置された構成を有する回転子と、
   前記回転子を囲むように配置された複数の巻線を有する固定子と、
   前記回転子と一体に回転可能な軸とを備え、
   前記回転子コアは、塊状の構成を有した塊状回転子コアであり、
   前記回転子コアは、前記永久磁石の両側に張り出し部を有しており、
   前記永久磁石の外面には、その両端部に向かって傾斜するテーパー面が形成されていることを特徴とする回転電機。
6. 前記回転子コアは前記軸と一体に構成されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の回転電機。

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