JP3133224B2 - 車両用永久磁石励磁同期電動機 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば鉄道車両等に使
用される永久磁石励磁同期電動機に係り、特に空間高調
波や時間高調波による損失の増加や永久磁石の昇温を抑
制して、効率を高められるようにした車両用永久磁石励
磁同期電動機に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、例えば鉄道車両等の車輪を電動
機により直接駆動する方式においては、アウターロータ
ヨークに取り付けられた永久磁石を界磁とし、ステータ
鉄心にスロットを有する永久磁石励磁同期電動機が、多
く使用されている。

【０００３】図１１はこの種の従来の鉄道車両用永久磁
石励磁同期電動機の構成例を示す断面図、図１２は同鉄
道車両用永久磁石励磁同期電動機の構成例を示す部分断
面図である。

【０００４】すなわち、鉄道車両用永久磁石励磁同期電
動機は、図１１および図１２に示すように、台車枠１に
模式的に示した弾性部材である軸バネ２を介して直接固
定された回転しない車軸３に、直接、またはスリーブ
（図示せず）等を介して間接的に積層されたステータ鉄
心４を固定し、このステータ鉄心４にはスロット５と歯
６を構成し、かつこのスロット５には電機子コイル７を
配置して電機子が構成されている。

【０００５】また、上記車軸３にベアリング８を介して
設置された車輪９に、磁性材からなるアウターロータヨ
ーク１０を直接固定し、さらにこのアウターロータヨー
ク１０に、界磁となる永久磁石１１を固定して構成され
ている。

【０００６】ところで、このような鉄道車両用永久磁石
励磁同期電動機においては、永久磁石１１を界磁として
使用する場合、永久磁石１１とステータ鉄心４との間の
ギャップ寸法ｇが小さければ小さい程、永久磁石１１の
動作磁束密度が大きくなり、電動機が小形軽量となる。

【０００７】しかしながら、余りギャップを小さくし過
ぎると、吸引力の極端な増大を招いたり、組み立てが困
難になるため、一般的には、車両用の誘導電動機並みの
１．５ｍｍ〜２ｍｍ前後のギャップ寸法としている。

【０００８】また、鉄道車両用永久磁石励磁同期電動機
の駆動電源としては、高耐圧のＧＴＯやＩＧＢＴといっ
たようなパワーデバイスを用いたインバータ（図示せ
ず）が使用されている。

【０００９】しかしながら、現在のところ、このような
高耐圧形のパワーデバイスでは高周波化に限界があり、
運転周波数によっては比較的低次の高調波電流が含有し
ていることが知られている。

【００１０】ところが、このような鉄道車両用永久磁石
励磁同期電動機においては、ステータ鉄心４にスロット
５が設けられているため、永久磁石１１の表面では、ス
ロット５の対向する位置と歯６の対向する位置でパーミ
アンスが変化し、磁束密度分布に脈動が発生する。

【００１１】図１３は従来の鉄道車両用永久磁石励磁同
期電動機における断面磁束分布解析結果の一例を示す概
要図、図１４は同鉄道車両用永久磁石励磁同期電動機に
おける永久磁石表面１１の磁束密度分布解析結果の一例
を示す概要図である。

【００１２】このような永久磁石１１の表面における大
きな磁束脈動は、永久磁石１１に渦電流を発生し、渦電
流ロスによって永久磁石１１が発熱し、高速鉄道に対応
するような回転数、例えば１０００ｒｐｍ以上の領域で
は、摂氏１００度以上の温度上昇となったり、損失の増
大によって効率が低下する原因となっている。

【００１３】また、最近実用化が進んできているＮｄ−
Ｆｅ−Ｂ系の永久磁石は、極めて高いエネルギー積によ
って機器の小形化が可能であるが、温度特性が悪く、高
耐熱のものでも摂氏１５０度以上の温度では特性が劣化
し、最悪の場合には減磁してしまうという問題点があ
る。

【００１４】さらに、インバータで駆動する場合、低次
の高調波電流によって同期回転数以外の回転磁界が発生
し、これは見かけ上、主磁束全体を脈動させることとな
る。その結果、永久磁石１１のみならず、アウターロー
タヨーク１０も含めた回転子全体に渦電流ロスが発生
し、温度上昇と共に効率の低下を招くという問題点があ
る。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】以上のように、従来の
車両用永久磁石励磁同期電動機においては、空間高調波
や時間高調波によって損失の増加や永久磁石の昇温が発
生し、効率が低いという問題があった。

【００１６】本発明の目的は、空間高調波や時間高調波
による損失の増加や永久磁石の昇温を抑制して、効率を
高めることが可能な車両用永久磁石励磁同期電動機を提
供することにある。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、台車枠に軸バネ等の弾性部材を介して直接固定さ
れた回転しない車軸に、直接、または間接的に積層され
たステータ鉄心を固定し、かつ当該ステータ鉄心に設け
られたスロット内に電機子コイルを配置してなる電機子
と、車軸にベアリングを介して設置された車輪に直接固
定された磁性材からなるアウターロータヨークと、当該
アウターロータヨークに固定された界磁となる永久磁石
とから構成される車両用永久磁石励磁同期電動機におい
て、まず、請求項１に係る発明では、ステータ鉄心と永
久磁石との間のギャップ寸法を２．５ｍｍ〜５ｍｍの範
囲とし、かつスロットの開口幅と鉄心歯部の幅との比を
２〜４の範囲として成る。

【００１８】また、請求項２に係る発明では、永久磁石
を磁極毎に周方向および軸方向に複数個に分割し、かつ
当該分割面に絶縁を施し接着して成る。さらに、請求項
３に係る発明では、永久磁石のギャップ側に、積層され
た電磁鋼板からなる補助磁極を設けて成る。

【００１９】ここで、特に上記アウターロータヨークの
内径側の径方向の一部を、積層された電磁鋼板により構
成することが望ましい。また、上記アウターロータヨー
クの一部を、隣り合う永久磁石の間をブリッジするよう
に積層された電磁鋼板により構成することが望ましい。

【００２０】さらに、上記永久磁石を取り囲むように巻
回された短絡コイルを設けることが望ましい。さらにま
た、上記補助磁極に、軸方向に貫通する複数本の良導体
からなるダンパーバーを設け、永久磁石の軸方向両端で
短絡させることが望ましい。

【００２１】

【作用】従って、まず、請求項１に係る発明の車両用永
久磁石励磁同期電動機においては、永久磁石表面におけ
る磁束脈動は、永久磁石表面とステータ鉄心との間の距
離、すなわちギャップが大きい程小さくなり、ステータ
鉄心のスロット幅が小さく、歯幅が大きい程小さくなる
が、ギャップ寸法が大きくなればなる程、一定の磁束量
を確保するために永久磁石の厚さを増大する必要があ
り、電動機が大形化してしまい、またスロット幅を小さ
く、歯幅を大きくするためには、ステータ鉄心の径を大
きくするか、スロット深さを深くする必要があり、電動
機構成上限界があるが、ステータ鉄心と永久磁石との間
のギャップ寸法を２．５ｍｍ〜５ｍｍの範囲とし、かつ
スロットの開口幅と鉄心歯部の幅との比を２〜４の範囲
とすることにより、電動機が大形化せずに、スロットや
電機子コイルの構成に無理がない範囲で、永久磁石の昇
温を許容できる値に低減して、損失を減少させることが
できる。

【００２２】また、請求項２に係る発明の車両用永久磁
石励磁同期電動機においては、永久磁石中で発生する渦
電流は、スロット位置と対応する永久磁石位置に発生す
るので、軸方向に長い渦電流となるが、永久磁石を磁極
毎に軸方向に複数個に分割し、かつこの分割面に絶縁を
施すことにより、渦電流パスが等価的に長くなるため、
抵抗値が増大して発生ロスが減少する。さらに、アウタ
ーロータヨークの回転によって、永久磁石とスロットと
の相対位置関係が変わるが、永久磁石を磁極毎に周方向
に複数個に分割し、かつこの分割面に絶縁を施すことに
より、等価的に抵抗値が増大して発生ロスが減少する。

【００２３】これらの作用により、永久磁石の昇温を抑
えて、損失を低減させることができる。さらに、請求項
３に係る発明の車両用永久磁石励磁同期電動機において
は、永久磁石のギャップ側に、積層された電磁鋼板から
なる補助磁極を設けることにより、ステータ鉄心のスロ
ットによる磁束脈動は、この補助磁極内で平滑化されて
しまうため、永久磁石表面に到達するころには、ほとん
どリップル分がなくなってしまう。さらに、補助磁極と
ステータ鉄心との間のギャップを小さくしても、この効
果は変わらないため、永久磁石の厚さを薄くしても同一
の磁束密度が得られるので、電動機がほとんど大形化す
ることなく、永久磁石の昇温を抑えて、損失を低減させ
ることができる。

【００２４】一方、請求項４、または請求項５に係る発
明の車両用永久磁石励磁同期電動機においては、インバ
ータによって発生する低次の時間高調波がもとで見かけ
上主磁束が脈動するが、その脈動磁界によって発生する
渦電流ロスの多くは、永久磁石の体積固有抵抗に比べて
アウターロータヨークの体積固有抵抗が１桁小さいた
め、渦電流が流れ易いことから、アウターロータヨーク
内で発生するが、アウターロータヨークの一部を、積層
された電磁鋼板により構成することにより、磁束脈動分
は交流磁気抵抗の小さい電磁鋼板内を通るため、アウタ
ーロータヨーク内での渦電流ロスが減少し、ひいては永
久磁石の昇温を抑えて、損失を低減させることができ
る。

【００２５】また、請求項６に係る発明の車両用永久磁
石励磁同期電動機においては、インバータによって発生
する低次の時間高調波がもとで見かけ上主磁束が脈動す
るが、永久磁石を取り囲むように巻回された短絡コイル
を設けることにより、その脈動磁界によって短絡コイル
に脈動磁界を打ち消す方向の短絡電流が流れ、結果的に
永久磁石やアウターロータヨークに脈動磁界が作用しな
くなるため、渦電流ロスが減少し、永久磁石の昇温を抑
えて、損失を低減させることができる。

【００２６】さらに、請求項７に係る発明の車両用永久
磁石励磁同期電動機においては、請求項３に係る発明の
補助磁極に、軸方向に貫通する複数本の良導体よりなる
ダンパーバーを設け、永久磁石の軸方向両端で短絡させ
ることにより、請求項６に係る発明の場合と同様に、イ
ンバータによって発生する低次の時間高調波による主磁
束脈動を、補助磁極に入る前に打ち消すことで、永久磁
石内やアウターロータヨークのみならず、補助磁極内で
の鉄損をも減少させることができるため、回転子全体の
昇温を抑えて、損失を低減させることができる。以上に
より、車両用永久磁石励磁同期電動機のスロットリップ
ルに起因する、永久磁石の渦電流損による温度上昇を低
減させることが可能となる。

【００２７】

【実施例】本発明は、ステータ鉄心と永久磁石との間の
ギャップ寸法を２．５ｍｍ〜５ｍｍの範囲とし、かつス
ロットの開口幅と鉄心歯部の幅との比を２〜４の範囲と
するか、または永久磁石を磁極毎に周方向および軸方向
に複数個に分割し、かつ当該分割面に絶縁を施し接着す
るか、もしくは永久磁石のギャップ側に、積層された電
磁鋼板からなる補助磁極を設けることにより、車両用永
久磁石励磁同期電動機のスロットリップルに起因する、
永久磁石の渦電流損による温度上昇を低減させるもので
ある。以下、上記のような考え方に基づく本発明の実施
例について、図面を参照して詳細に説明する。なお、以
下の説明では、鉄道車両用の８０ｋＷの永久磁石励磁同
期電動機を設計した場合の例に基づいて述べる。

【００２８】（第１の実施例）本実施例による鉄道車両
用永久磁石励磁同期電動機の構成は、前述した図１１お
よび図１２とほとんど同様であり、次のような点のみが
異なっている。

【００２９】すなわち、本実施例の車両用永久磁石励磁
同期電動機は、前記ステータ鉄心４と永久磁石１１との
間のギャップ寸法を２．５ｍｍ〜５ｍｍの範囲とし、か
つスロット５の開口幅と鉄心歯６部の幅との比を２〜４
の範囲として成っている。

【００３０】次に、以上のように構成した本実施例の鉄
道車両用永久磁石励磁同期電動機の作用について説明す
る。永久磁石１１表面における磁束脈動は、永久磁石１
１表面とステータ鉄心４との間の距離、すなわちギャッ
プが大きい程小さくなり、ステータ鉄心４のスロット５
の幅が小さく、歯６の幅が大きい程小さくなる。しかし
ながら、この永久磁石１１とステータ鉄心４との間のギ
ャップ寸法が大きくなればなる程、一定の磁束量を確保
するために永久磁石１１の厚さを増大する必要があり、
電動機が大形化してしまう。また、スロット５の幅を小
さく、歯６の幅を大きくするためには、ステータ鉄心４
の径を大きくするか、スロット５の深さを深くする必要
があり、電動機構成上限界がある。

【００３１】この点、本実施例の鉄道車両用永久磁石励
磁同期電動機においては、ステータ鉄心４と永久磁石１
１との間のギャップ寸法を２．５ｍｍ〜５ｍｍの範囲と
し、かつスロット５の開口幅と鉄心歯６部の幅との比を
２〜４の範囲としていることにより、電動機が大形化せ
ずに、スロット５や電機子コイル７の構成に無理がない
範囲で、永久磁石１１の昇温を許容できる値に低減し
て、損失を減少させることができる。

【００３２】図１は永久磁石１１とステータ鉄心４との
間のギャップ寸法に対する永久磁石１１温度上昇と鉄心
長の関係を示す特性図、図２はスロット５の開口幅Ｓと
歯６の幅Ｔとの比（Ｔ／Ｓ）に対する永久磁石１１温度
上昇とスロット５深さの関係を示す特性図である。

【００３３】すなわち、図１および図２から、永久磁石
１１の昇温を２０Ｋ以上とするなら、永久磁石１１とス
テータ鉄心４との間のギャップ寸法がおおよそ２．５ｍ
ｍ以上で、スロット５の開口幅Ｓと歯６の幅Ｔとの比
（Ｔ／Ｓ）は２以上とするのが望ましいことがわかる。

【００３４】一方、永久磁石１１とステータ鉄心４との
間のギャップ寸法を５ｍｍ以上とすると、必要鉄心長さ
が極端に増加する傾向にある。そして、この現象は、鉄
道車両用永久磁石励磁同期電動機を設計する場合に、鉄
道の限界寸法の関係よりアウターロータヨーク１０の外
径寸法を最大にとった状態で固定し、外側より寸法を決
定していくために、「ギャップ増加→永久磁石１１厚さ
増加→ステータ鉄心４外径減少→ステータ鉄心４長さ増
大」の関係から決まり、これより極端な電動機の大形化
を避けるためには、永久磁石１１とステータ鉄心４との
間のギャップ寸法を５ｍｍ以下に抑えることが望まし
い。

【００３５】また、スロット５の開口幅Ｓと歯６の幅Ｔ
との比（Ｔ／Ｓ）を４以上とすると、スロット５の深さ
が５０ｍｍを超え、ステータの製作に支障をきたすこと
が考えられるため、スロット５の開口幅Ｓと歯６の幅Ｔ
との比（Ｔ／Ｓ）を４以下に抑えることが望ましい。

【００３６】図３は、以上のような条件により、永久磁
石１１とステータ鉄心４との間のギャップ寸法を４ｍ
ｍ、スロット５の開口幅Ｓと歯６の幅Ｔとの比（Ｔ／
Ｓ）を約２．８とした場合の永久磁石１１表面の磁束密
度分布の解析結果を示す特性図である。

【００３７】上述したように、本実施例の鉄道車両用永
久磁石励磁同期電動機では、ステータ鉄心４と永久磁石
１１との間のギャップ寸法を２．５ｍｍ〜５ｍｍの範囲
とし、かつスロット５の開口幅と鉄心歯６部の幅との比
を２〜４の範囲としたので、電動機が大形化せずに、ス
ロット５や電機子コイル７の構成に無理がない範囲で、
永久磁石１１の昇温を許容できる値に低減して、損失を
減少させることができる。

【００３８】これにより、空間高調波や時間高調波によ
る損失の増加や永久磁石１１の昇温を抑制して、極めて
高効率な鉄道車両用永久磁石励磁同期電動機を得ること
が可能となる。

【００３９】（第２の実施例）図４は、本実施例による
鉄道車両用永久磁石励磁同期電動機における永久磁石部
分の構成例を示す部分斜視図であり、図１１および図１
２と同一要素には同一符号を付してその説明を省略し、
ここでは異なる部分についてのみ述べる。

【００４０】すなわち、本実施例の車両用永久磁石励磁
同期電動機は、図４に示すように、前記永久磁石１１を
磁極毎に周方向および軸方向に複数個に分割し、この分
割面に絶縁を施した後に接着した構成としている。

【００４１】次に、以上のように構成した本実施例の鉄
道車両用永久磁石励磁同期電動機の作用について説明す
る。永久磁石１１中で発生する渦電流は、スロット５位
置と対応する永久磁石１１位置に発生するので、軸方向
に長い渦電流となるが、この点、本実施例の鉄道車両用
永久磁石励磁同期電動機においては、永久磁石１１を磁
極毎に軸方向に複数個に分割し（細分化し）、この分割
面に絶縁を施していることにより、一つ一つの渦電流パ
スが小さくなり、鎖交磁束量が減少し、さらに全体とし
ての渦電流パスが等価的に長くなるため、抵抗値が増大
して発生ロスが減少する。

【００４２】さらに、アウターロータヨーク１０の回転
によって、永久磁石１１とスロット５との相対位置関係
が変わるが、この点、本実施例の鉄道車両用永久磁石励
磁同期電動機においては、永久磁石１１を磁極毎に周方
向に複数個に分割し（細分化し）、この分割面に絶縁を
施していることにより、等価的に抵抗値が増大して発生
ロスが減少する。

【００４３】これらの作用により、永久磁石１１の昇温
を抑えて、損失を低減させることができる。上述したよ
うに、本実施例の鉄道車両用永久磁石励磁同期電動機で
は、永久磁石１１を周方向および軸方向に複数個に分割
し、この分割面に絶縁を施した後に接着するようにした
ので、渦電流パスが等価的に長くなるため、抵抗値が増
大して発生ロスが減少し、もって永久磁石１１の昇温を
抑えて、損失を低減させることができる。

【００４４】これにより、空間高調波や時間高調波によ
る損失の増加や永久磁石１１の昇温を抑制して、極めて
高効率な鉄道車両用永久磁石励磁同期電動機を得ること
が可能となる。

【００４５】（第３の実施例）図５は、本実施例による
鉄道車両用永久磁石励磁同期電動機の構成例を示す部分
断面図であり、図１１および図１２と同一要素には同一
符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分に
ついてのみ述べる。

【００４６】すなわち、本実施例の車両用永久磁石励磁
同期電動機は、前記永久磁石１１のギャップ側に、積層
された扇形の電磁鋼板からなる補助磁極１２を設けた構
成としている。

【００４７】次に、以上のように構成した本実施例の鉄
道車両用永久磁石励磁同期電動機の作用について説明す
る。本実施例の鉄道車両用永久磁石励磁同期電動機にお
いては、永久磁石１１のギャップ側に、積層された扇形
の電磁鋼板からなる補助磁極１２を設けていることによ
り、補助磁極１２とステータ鉄心４との間のギャップを
小さくして磁束の脈動が大きくなっても、透磁率と高い
電磁鋼板内ではすぐに平滑化されてしまい、永久磁石１
１の表面ではほとんど磁束脈動が無くなってしまう。さ
らに、磁気的なギャップが小さくなるので、永久磁石１
１の厚さを薄くしても同一の磁束密度が得られ、電動機
はほとんど大形化しないで、永久磁石１１の昇温を抑制
して、損失を低減できる。

【００４８】図６は、本実施例の鉄道車両用永久磁石励
磁同期電動機における、永久磁石１１の厚さを１／２、
ギャップ寸法を２ｍｍ、残りの部分を補助鉄心１２とし
た場合の永久磁石１１の表面磁束分布の解析結果を示す
特性図である。

【００４９】上述したように、本実施例の鉄道車両用永
久磁石励磁同期電動機では、永久磁石１１のギャップ側
に、積層された扇形の電磁鋼板からなる補助磁極１２を
設けるようにしたので、磁束脈動分は交流磁気抵抗の小
さい電磁鋼板内を通るため、アウターロータヨーク内で
の渦電流ロスが減少し、ひいては永久磁石の昇温を抑え
て、損失を低減させることができる。

【００５０】これにより、空間高調波や時間高調波によ
る損失の増加や永久磁石１１の昇温を抑制して、極めて
高効率な鉄道車両用永久磁石励磁同期電動機を得ること
が可能となる。

【００５１】（第４の実施例）図７は、本実施例による
鉄道車両用永久磁石励磁同期電動機の構成例を示す部分
断面図であり、図１１および図１２と同一要素には同一
符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分に
ついてのみ述べる。

【００５２】すなわち、本実施例の車両用永久磁石励磁
同期電動機は、前記アウターロータヨーク１０の内径側
の径方向の一部を、積層された電磁鋼板１３により構成
している。

【００５３】次に、以上のように構成した本実施例の鉄
道車両用永久磁石励磁同期電動機の作用について説明す
る。インバータによって駆動する場合に発生する低次の
時間高調波がもとで、主磁束よりも回転数の高い正回
転、または逆回転の回転磁界が発生し、これらの高調波
回転磁界は永久磁石１１上では主磁束の時間脈動として
現れ、その脈動磁界によって発生する渦電流ロスの多く
は、永久磁石１１の体積固有抵抗に比べてアウターロー
タヨーク１０の体積固定抵抗が１桁小さいため、アウタ
ーロータヨーク１０内で発生するが、この点、本実施例
の鉄道車両用永久磁石励磁同期電動機においては、アウ
ターロータヨーク１０の内径側の径方向の一部を、積層
された電磁鋼板１３により構成していることにより、主
磁束の時間脈動分は交流磁気抵抗の小さい積層電磁鋼板
１３を通るため、アウターロータヨーク１０内での渦電
流ロスが減少し、ひいては永久磁石１１の昇温を抑え
て、損失を低減させることができる。

【００５４】上述したように、本実施例の鉄道車両用永
久磁石励磁同期電動機では、アウターロータヨーク１０
の内径側の径方向の一部を、積層された電磁鋼板１３に
より構成するようにしたので、磁束脈動分は交流磁気抵
抗の小さい積層電磁鋼板１３内を通るため、アウターロ
ータヨーク１０内での渦電流ロスが減少し、ひいては永
久磁石１１の昇温を抑えて、損失を低減させることがで
きる。

【００５５】これにより、空間高調波や時間高調波によ
る損失の増加や永久磁石１１の昇温を抑制して、極めて
高効率な鉄道車両用永久磁石励磁同期電動機を得ること
が可能となる。

【００５６】（第５の実施例）図８は、本実施例による
鉄道車両用永久磁石励磁同期電動機の構成例を示す部分
断面図であり、図１１および図１２と同一要素には同一
符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分に
ついてのみ述べる。

【００５７】すなわち、本実施例の車両用永久磁石励磁
同期電動機は、前記アウターロータヨーク１０の一部
を、隣り合う永久磁石１１の間をブリッジするように積
層された電磁鋼板１３により構成している。

【００５８】次に、以上のように構成した本実施例の鉄
道車両用永久磁石励磁同期電動機の作用について説明す
る。インバータによって駆動する場合に発生する低次の
時間高調波がもとで、主磁束よりも回転数の高い正回
転、または逆回転の回転磁界が発生し、これらの高調波
回転磁界は永久磁石１１上では主磁束の時間脈動として
現れ、その脈動磁界によって発生する渦電流ロスの多く
は、永久磁石１１の体積固有抵抗に比べてアウターロー
タヨーク１０の体積固定抵抗が１桁小さいため、アウタ
ーロータヨーク１０内で発生するが、この点、本実施例
の鉄道車両用永久磁石励磁同期電動機においては、アウ
ターロータヨーク１０の一部を、隣り合う永久磁石１１
の間をブリッジするように積層された電磁鋼板１３によ
り構成していることにより、主磁束の時間脈動分は交流
磁気抵抗の小さい積層電磁鋼板１３を通るため、アウタ
ーロータヨーク１０内での渦電流ロスが減少し、ひいて
は永久磁石１１の昇温を抑えて、損失を低減させること
ができる。

【００５９】上述したように、本実施例の鉄道車両用永
久磁石励磁同期電動機では、アウターロータヨーク１０
の一部を、隣り合う永久磁石１１の間をブリッジするよ
うに積層された電磁鋼板１３により構成するようにした
ので、磁束脈動分は交流磁気抵抗の小さい積層電磁鋼板
１３内を通るため、アウターロータヨーク１０内での渦
電流ロスが減少し、ひいては永久磁石１１の昇温を抑え
て、損失を低減させることができる。

【００６０】これにより、空間高調波や時間高調波によ
る損失の増加や永久磁石１１の昇温を抑制して、極めて
高効率な鉄道車両用永久磁石励磁同期電動機を得ること
が可能となる。

【００６１】（第６の実施例）図９は、本実施例による
鉄道車両用永久磁石励磁同期電動機の構成例を示す部分
断面図であり、図１１および図１２と同一要素には同一
符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分に
ついてのみ述べる。

【００６２】すなわち、本実施例の車両用永久磁石励磁
同期電動機は、前記永久磁石１１を取り囲むように巻回
された短絡コイル１４を設けた構成としている。次に、
以上のように構成した本実施例の鉄道車両用永久磁石励
磁同期電動機の作用について説明する。

【００６３】インバータによって駆動する場合に発生す
る低次の時間高調波がもとで、主磁束よりも回転数の高
い正回転、または逆回転の回転磁界が発生し、これらの
高調波回転磁界は永久磁石１１上では主磁束の時間脈動
として現れ、その脈動磁界によって発生する渦電流ロス
の多くは、永久磁石１１の体積固有抵抗に比べてアウタ
ーロータヨーク１０の体積固定抵抗が１桁小さいため、
アウターロータヨーク１０内で発生するが、この点、本
実施例の鉄道車両用永久磁石励磁同期電動機において
は、永久磁石１１を取り囲むように巻回された短絡コイ
ル１４を設けていることにより、その脈動磁界によって
短絡コイル１４に脈動磁界を打ち消す方向の短絡電流が
流れ、結果的に永久磁石１１やアウターロータヨーク１
０に脈動磁界が作用しなくなるため、渦電流ロスが減少
し、永久磁石１１の昇温を抑えて、損失を低減させるこ
とができる。

【００６４】上述したように、本実施例の鉄道車両用永
久磁石励磁同期電動機では、永久磁石１１を取り囲むよ
うに巻回された短絡コイル１４を設けて構成するように
したので、脈動磁界によって短絡コイル１４に脈動磁界
を打ち消す方向の短絡電流が流れ、結果的に永久磁石１
１やアウターロータヨーク１０に脈動磁界が作用しなく
なるため、渦電流ロスが減少し、永久磁石１１の昇温を
抑えて、損失を低減させることができる。

【００６５】これにより、空間高調波や時間高調波によ
る損失の増加や永久磁石１１の昇温を抑制して、極めて
高効率な鉄道車両用永久磁石励磁同期電動機を得ること
が可能となる。

【００６６】（第７の実施例）図１０は、本実施例によ
る鉄道車両用永久磁石励磁同期電動機の構成例を示す部
分断面図であり、図１１および図１２と同一要素には同
一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分
についてのみ述べる。

【００６７】すなわち、本実施例の車両用永久磁石励磁
同期電動機は、前記補助磁極１２に、軸方向に貫通する
複数本の良導体よりなるダンパーバー１５を設け、永久
磁石１１の軸方向両端で短絡させた構成としている。

【００６８】次に、以上のように構成した本実施例の鉄
道車両用永久磁石励磁同期電動機の作用について説明す
る。インバータによって駆動する場合に発生する低次の
時間高調波がもとで、主磁束よりも回転数の高い正回
転、または逆回転の回転磁界が発生し、これらの高調波
回転磁界は永久磁石１１上では主磁束の時間脈動として
現れ、その脈動磁界によって発生する渦電流ロスの多く
は、永久磁石１１の体積固有抵抗に比べてアウターロー
タヨーク１０の体積固定抵抗が１桁小さいため、アウタ
ーロータヨーク１０内で発生するが、この点、本実施例
の鉄道車両用永久磁石励磁同期電動機においては、補助
磁極１２に、軸方向に貫通する複数本の良導体よりなる
ダンパーバー１５を設け、永久磁石１１の軸方向両端で
短絡させていることにより、その脈動磁界によってダン
パーバー１５に脈動磁界を打ち消す方向の短絡電流が流
れ、結果的に永久磁石１１やアウターロータヨーク１０
に脈動磁界が作用しなくなるため、渦電流ロスが減少
し、永久磁石１１の昇温を抑えて、損失を低減させるこ
とができる。

【００６９】上述したように、本実施例の鉄道車両用永
久磁石励磁同期電動機では、補助磁極１２に、軸方向に
貫通する複数本の良導体よりなるダンパーバー１５を設
け、永久磁石１１の軸方向両端で短絡させて構成するよ
うにしたので、脈動磁界によってダンパーバー１５に脈
動磁界を打ち消す方向の短絡電流が流れ、結果的に永久
磁石１１やアウターロータヨーク１０に脈動磁界が作用
しなくなるため、渦電流ロスが減少し、永久磁石１１の
昇温を抑えて、損失を低減させることができる。

【００７０】これにより、空間高調波や時間高調波によ
る損失の増加や永久磁石１１の昇温を抑制して、極めて
高効率な鉄道車両用永久磁石励磁同期電動機を得ること
が可能となる。

【００７１】尚、本発明は上記各実施例に限定されるも
のではなく、次のようにしても同様に実施できるもので
ある。上記各実施例では、本発明を鉄道車両用永久磁石
励磁同期電動機に適用する場合について説明したが、何
らこれに限定されるものではなく、その他の車両用の永
久磁石励磁同期電動機に適用することも可能であり、こ
の場合にも前述の場合と同様の作用効果が得られること
は言うまでもない。

【００７２】

【発明の効果】以上説明したように本発明の車両用永久
磁石励磁同期電動機によれば、ステータ鉄心と永久磁石
との間のギャップ寸法を２．５ｍｍ〜５ｍｍの範囲と
し、かつスロットの開口幅と鉄心歯部の幅との比を２〜
４の範囲とするか、または永久磁石を磁極毎に周方向お
よび軸方向に複数個に分割し、かつ当該分割面に絶縁を
施し接着するか、もしくは永久磁石のギャップ側に、積
層された電磁鋼板からなる補助磁極を設けるようにした
ので、空間高調波や時間高調波による損失の増加や永久
磁石の昇温を抑制して、効率を高めることが可能とな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例による鉄道車両用永久磁
石励磁同期電動機における永久磁石とステータ鉄心との
間のギャップ寸法に対する永久磁石温度上昇と鉄心長の
関係を示す特性図。を示す図。

【図２】同第１の実施例による鉄道車両用永久磁石励磁
同期電動機におけるスロットの開口幅と歯の幅との比に
対する永久磁石温度上昇とスロット深さの関係を示す特
性図。

【図３】同第１の実施例による鉄道車両用永久磁石励磁
同期電動機における永久磁石とステータ鉄心との間のギ
ャップ寸法を４ｍｍ、スロットの開口幅と歯の幅との比
を約２．８とした場合の永久磁石表面の磁束密度分布の
解析結果を示す特性図。

【図４】本発明の第２の実施例による鉄道車両用永久磁
石励磁同期電動機における永久磁石の構成例を示す部分
斜視図。

【図５】本発明の第３の実施例による鉄道車両用永久磁
石励磁同期電動機の構成例を示す部分断面図。

【図６】同第３の実施例による鉄道車両用永久磁石励磁
同期電動機における永久磁石表面の磁束密度分布の解析
結果を示す特性図。

【図７】本発明の第４の実施例による鉄道車両用永久磁
石励磁同期電動機の構成例を示す部分断面図。

【図８】本発明の第５の実施例による鉄道車両用永久磁
石励磁同期電動機の構成例を示す部分断面図。

【図９】本発明の第６の実施例による鉄道車両用永久磁
石励磁同期電動機の構成例を示す部分断面図。

【図１０】本発明の第７の実施例による鉄道車両用永久
磁石励磁同期電動機の構成例を示す部分断面図。

【図１１】従来の鉄道車両用永久磁石励磁同期電動機の
構成例を示す断面図。

【図１２】従来の鉄道車両用永久磁石励磁同期電動機の
構成例を示す部分断面図。

【図１３】従来の鉄道車両用永久磁石励磁同期電動機に
おける断面磁束分布の解析結果を示す概要図。

【図１４】従来の鉄道車両用永久磁石励磁同期電動機に
おける永久磁石表面の磁束密度分布の解析結果を示す特
性図。

【符号の説明】

１…台車枠、 ２…軸バネ、 ３…車軸、 ４…ステータ鉄心、 ５…スロット、 ６…歯、 ７…電機子コイル、 ８…ベアリング、 ９…車輪、 １０…アウターロータヨーク、 １１…永久磁石、 １２…補助磁極、 １３…積層電磁鋼板、 １４…短絡コイル、 １５…ダンパーバー。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大江 晋太郎 東京都国分寺市光町二丁目８番地38 財 団法人 鉄道総合技術研究所内 (72)発明者 近藤 圭一郎 東京都国分寺市光町二丁目８番地38 財 団法人 鉄道総合技術研究所内 (72)発明者 長谷部 寿郎 東京都府中市東芝町１番地 株式会社東 芝府中工場内 (72)発明者 白石 茂智 東京都府中市東芝町１番地 株式会社東 芝府中工場内

Claims (7)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 台車枠に軸バネ等の弾性部材を介して直
   接固定された回転しない車軸に、直接、または間接的に
   積層されたステータ鉄心を固定し、かつ当該ステータ鉄
   心に設けられたスロット内に電機子コイルを配置してな
   る電機子と、前記車軸にベアリングを介して設置された
   車輪に直接固定された磁性材からなるアウターロータヨ
   ークと、当該アウターロータヨークに固定された界磁と
   なる永久磁石とから構成される車両用永久磁石励磁同期
   電動機において、 前記ステータ鉄心と前記永久磁石との間のギャップ寸法
   を２．５ｍｍ〜５ｍｍの範囲とし、かつ前記スロットの
   開口幅と鉄心歯部の幅との比を２〜４の範囲として成る
   ことを特徴とする車両用永久磁石励磁同期電動機。
2. 【請求項２】 台車枠に軸バネ等の弾性部材を介して直
   接固定された回転しない車軸に、直接、または間接的に
   積層されたステータ鉄心を固定し、かつ当該ステータ鉄
   心に設けられたスロット内に電機子コイルを配置してな
   る電機子と、前記車軸にベアリングを介して設置された
   車輪に直接固定された磁性材からなるアウターロータヨ
   ークと、当該アウターロータヨークに固定された界磁と
   なる永久磁石とから構成される車両用永久磁石励磁同期
   電動機において、 前記永久磁石を磁極毎に周方向および軸方向に複数個に
   分割し、かつ当該分割面に絶縁を施し接着して成ること
   を特徴とする車両用永久磁石励磁同期電動機。
3. 【請求項３】 台車枠に軸バネ等の弾性部材を介して直
   接固定された回転しない車軸に、直接、または間接的に
   積層されたステータ鉄心を固定し、かつ当該ステータ鉄
   心に設けられたスロット内に電機子コイルを配置してな
   る電機子と、前記車軸にベアリングを介して設置された
   車輪に直接固定された磁性材からなるアウターロータヨ
   ークと、当該アウターロータヨークに固定された界磁と
   なる永久磁石とから構成される車両用永久磁石励磁同期
   電動機において、 前記永久磁石のギャップ側に、積層された電磁鋼板から
   なる補助磁極を設けたことを特徴とする車両用永久磁石
   励磁同期電動機。
4. 【請求項４】 前記アウターロータヨークの内径側の径
   方向の一部を、積層された電磁鋼板により構成したこと
   を特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記
   載の車両用永久磁石励磁同期電動機。
5. 【請求項５】 前記アウターロータヨークの一部を、隣
   り合う永久磁石の間をブリッジするように積層された電
   磁鋼板により構成したことを特徴とする請求項１乃至請
   求項３のいずれか１項に記載の車両用永久磁石励磁同期
   電動機。
6. 【請求項６】 前記永久磁石を取り囲むように巻回され
   た短絡コイルを設けたことを特徴とする請求項１乃至請
   求項５のいずれか１項に記載の車両用永久磁石励磁同期
   電動機。
7. 【請求項７】 前記補助磁極に、軸方向に貫通する複数
   本の良導体からなるダンパーバーを設け、永久磁石の軸
   方向両端で短絡させたことを特徴とする請求項３に記載
   の車両用永久磁石励磁同期電動機。