JP3925177B2 - 永久磁石形回転電機のロータ構造 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は永久磁石形回転電機のロータ構造に関し、ダイナモメータとして用いられる永久磁石形電動機やその他の永久磁石形電動機などに適用して有用なものである。
【０００２】
【従来の技術】
現在、永久磁石形電動機はダイナモメータなど、各種の装置の電動機として利用されている。永久磁石形電動機は、ロータコアに永久磁石を配設することによりロータの各磁極を構成してなるロータ構造を有するものであり、ステータに設けたコイルに通電して回転磁界を形成することにより、トルクを発生させてロータが回転する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記のようなロータに永久磁石を取り付けた構造を持つ永久磁石形電動機では、スロットなどの空間高調波と電流による時間高調波の影響により、永久磁石部に渦電流損失が発生し、永久磁石の温度が上昇することによって、性能低下を招くおそれがある。
【０００４】
そこで、従来、この対策として、永久磁石の総量は保ったまま、各磁極の永久磁石を複数に分割することにより、永久磁石の電気抵抗を高くして渦電流損失を低減するという方法が採られていた。また、ロータの外周全体を、アルミニュウム等の導電性材料で円筒状に形成されたエンクロージャで覆い、このエンクロージャに渦電流を発生させ、この反作用の効果によって永久磁石の渦電流損失を低減するという方法も採られていた。
【０００５】
ところが、永久磁石を分割する方法では、永久磁石自身が受けるスロット高調波や電流高調波を低減することはできない。また、エンクロージャを用いる方法では、エンクロージャ自身の渦電流損失による発熱が生じ、その熱伝導によって永久磁石部の温度まで上昇する場合がある。
【０００６】
従って、本発明は上記の事情に鑑み、より確実に永久磁石の渦電流損失を低減し、永久磁石の温度上昇を低減することができる永久磁石形回転電機のロータ構造を提供する。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明の永久磁石形回転電機のロータ構造は、ロータコアに永久磁石を配設することによりロータの各磁極を構成してなる永久磁石形回転電機のロータ構造において、
ロータの外周全体を覆う円筒状のエンクロージャを有し、且つ、このエンクロージャは、隣接するＮ極の永久磁石とＳ極の永久磁石との間の部分のみを導電性材料とし、その他の部分を電気絶縁材料としたことを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。
【００１０】
＜参考例＞
図１（ａ）及び図１（ｂ）は本発明の参考例に係る永久磁石形電動機のロータ構造を示す平面図及び斜視図である。また、図２は図１（ａ）のＡ−Ａ線矢視断面拡大図である。
【００１１】
これらの図に示すように、本実施の参考例の永久磁石形電動機では円柱状のロータ１を有している。ロータ１の周囲にはギャップを隔ててステータ（図示せず）が設けられており、このステータに設けたコイルに通電して回転磁界を発生させることにより、トルクを発生させてロータ１を回転させる。図中の７はロータの回転軸である。
【００１２】
ロータ１は例えば鋼板を積層した積層鉄心等であるロータコア２を有し、このロータコア２に形成された磁石用孔３Ａ，３Ｂにロータ１の各磁極（図示例では２極）を構成するための永久磁石４Ａ，４Ｂが、それぞれ挿入された埋め込み磁石形（ＩＰＭ）のものである。
【００１３】
磁石用孔３Ａ，３Ｂは横断面が円弧状であり、ロータ軸方向（図１中の左右方向）に沿い且つロータ周方向に所定の間隔を隔てて形成されている。永久磁石４Ａ，４Ｂは磁石用孔３Ａ，３Ｂと同様に横断面が円弧状のものであり、ロータ軸方向に沿って磁石用孔３Ａ，３Ｂにそれぞれ挿入されている。永久磁石４Ａは外側（ロータ外周側）がＮ極、内側がＳ極となり、永久磁石４Ｂは外側（ロータ外周側）がＳ極、内側がＮ極となっている。なお、磁石用孔３Ａ，３Ｂや永久磁石４Ａ，４Ｂの形状は、必ずしもこれに限定するものではなく、適宜の形状とすることができ、また、永久磁石４Ａ，４Ｂはそれぞれ複数に分割されていてもよい。
【００１４】
また、ロータコア２にはループ状の導電性部材６を配設するための導電性部材用孔５Ａ，５Ｂも形成されている。これらの導電性部材用孔５Ａ，５Ｂはロータ軸方向に沿い、且つ、磁石用孔３Ａのロータ周方向端部と磁石用孔３Ｂのロータ周方向端部との間にそれぞれ位置するように形成されている。そして、ループ状の導電性部材６は、両側部６ａ，６ｂを導電性部材用孔５Ａ，５Ｂにそれぞれ挿入するようにしてロータコア２に配設されている。即ち、ループ状の導電性部材６は、隣接するＮ極の永久磁石４ＡとＳ極の永久磁石Ｂとの間に位置している。なお、ループ状の導電性部材６の両端部は、回転軸７に接触しないように曲げられている。ループ状の導電性部材６を形成する導電性材料としては、銅、銅合金、アルミ、アルミ合金、チタン合金、鉄鋼材料などがある。
【００１５】
従って、本参考例によれば、ループ状の導電性部材６に例えば図１（ａ）に矢印で示すように渦電流が流れ、この導電性部材６の渦電流によって、永久磁石４Ａ，４Ｂが配設してある場所に反作用の磁界ができるため、永久磁石４Ａ，４Ｂが受ける変動磁界が低減され、これによって永久磁石４Ａ，４Ｂに発生する渦電流損失を低減することができる。そして、永久磁石４Ａ，４Ｂ部の渦電流損失が低減することにより、次のような効果が得られる。
【００１６】
▲１▼ 永久磁石４Ａ，４Ｂの渦電流損失が低下するため、永久磁石形電動機の効率が向上する。
▲２▼ 渦電流による発熱量が減少することから、入力電流を増すことができるため、永久磁石形電動機の性能を向上させることもできる。
▲３▼ 温度上昇が少ないため、絶縁等級が低くなり、コストの低減を図ることができる。また、信頼性も向上する。
【００１７】
＜実施の形態＞
図３（ａ）は本発明の実施の形態に係る永久磁石形電動機のロータ構造を示す斜視図、図３（ｂ）は前記ロータ構造を分解して示す斜視図である。また、図４は図３（ａ）のＢ−Ｂ線矢視断面拡大図である。
【００１８】
これらの図に示すように、本実施の形態の永久磁石形電動機では円柱状のロータ１１を有している。ロータ１１の周囲にはギャップを隔ててステータ（図示せず）が設けられており、このステータに設けたコイルに通電して回転磁界を発生させることにより、トルクを発生させてロータ１１を回転させる。図中の１６はロータの回転軸である。
【００１９】
ロータ１１は例えば鋼板を積層した積層鉄心等であるロータコア１２を有し、このロータコア１２に形成された磁石用孔１３Ａ，１３Ｂにロータ１１の各磁極（図示例では２極）を構成するための永久磁石１４Ａ，１４Ｂが、それぞれ挿入された埋め込み磁石形（ＩＰＭ）のものである。
【００２０】
磁石用孔１３Ａ，１３Ｂは横断面が円弧状であり、ロータ軸方向（図３中の左右方向）に沿い且つロータ周方向に所定の間隔を隔てて形成されている。永久磁石１４Ａ，１４Ｂは磁石用孔１３Ａ，１３Ｂと同様に横断面が円弧状のものであり、ロータ軸方向に沿って磁石用孔１３Ａ，１３Ｂにそれぞれ挿入されている。永久磁石１４Ａは外側（ロータ外周側）がＮ極、内側がＳ極となり、永久磁石４Ｂは外側（ロータ外周側）がＳ極、内側がＮ極となっている。なお、磁石用孔１３Ａ，１３Ｂや永久磁石１４Ａ，１４Ｂの形状は、必ずしもこれに限定するものではなく、適宜の形状とすることができ、また、永久磁石１４Ａ，１４Ｂはそれぞれ複数に分割されていてもよい。
【００２１】
また、ロータ１１には、このロータ１１（ロータコア１２）の外周全体を覆う円筒状のエンクロージャ１５が設けられている。そして、このエンクロージャ１１は、隣接するＮ極の永久磁石１３ＡとＳ極の永久磁石１３Ｂとの間の部分１５ａ，１５ｂのみを銅、銅合金、アルミ、アルミ合金、チタン合金、鉄鋼材料などの導電性材料とし、その他の部分１５ｃ，１５ｄをエポキシ樹脂、ＦＲＰ（繊維強化複合材）などの電気絶縁材料としている。
【００２２】
従って、本実施の形態によれば、隣接するＮ極の永久磁石１３ＡとＳ極の永久磁石１３Ｂとの間の部分１５ａ，１５ｂのみを導電性材料とし、その他の部分１５ｃ，１５ｄを電気絶縁材料としたエンクロージャ１５を備えたことにより、導電性材料からなる部分１５ａ，１５ｂにのみ例えば図３（ａ）に矢印で示すように渦電流が流れるため、シールド効果を保持しながら、エンクロージャ１５自身の渦電流損失を低減することができ、且つ、導電性材料からなる部分１５ａ，１５ｂが渦電流によって発熱しても、この部分１５ａ，１５ｂと永久磁石１４Ａ，１４Ｂとの間には距離があるため、従来のようにエンクロージャ全体が渦電流で発熱する場合に比べて、永久磁石１４Ａ，１４Ｂの温度上昇を低減することができる。また、永久磁石１４Ａ，１４Ｂ部の渦電流損失が低減することにより、上記参考例と同様に次のような効果が得られる。
【００２３】
▲１▼ 永久磁石１４Ａ，１４Ｂの渦電流損失が低下するため、永久磁石形電動機の効率が向上する。
▲２▼ 渦電流による発熱量が減少することから、入力電流を増すことができるため、永久磁石形電動機の性能を向上させることもできる。
▲３▼ 温度上昇が少ないため、絶縁等級が低くなり、コストの低減を図ることができる。また、信頼性も向上する。
【００２４】
なお、上記実施の形態では、２極機の場合について説明したが、これに限定するものではなく、本発明は２極以上（例えば４極、８極など）のものにも適用することができる。
【００２７】
【発明の効果】
以上発明の実施の形態とともに具体的に説明したように、本発明の永久磁石形回転電機のロータ構造によれば、隣接するＮ極の永久磁石とＳ極の永久磁石との間の部分のみを導電性材料とし、その他の部分を電気絶縁材料としたエンクロージャを備えたことにより、導電性材料からなる部分にのみ渦電流が流れるため、シールド効果を保持しながら、エンクロージャ自身の渦電流損失を低減することができ、且つ、導電性材料からなる部分が渦電流によって発熱しても、この部分と永久磁石との間には距離があるため、従来のようにエンクロージャ全体が渦電流で発熱する場合に比べて、永久磁石の温度上昇を低減することができる。また、永久磁石部の渦電流損失が低減することにより、次のような効果が得られる。
【００２８】
▲１▼ 永久磁石の渦電流損失が低下するため、永久磁石形回転電機の効率が向上する。
▲２▼ 渦電流による発熱量が減少することから、入力電流を増すことができるため、永久磁石形回転電機の性能を向上させることもできる。
▲３▼ 温度上昇が少ないため、絶縁等級が低くなり、コストの低減を図ることができる。また、信頼性も向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明の実施の形態１に係る永久磁石形電動機のロータ構造を示す平面図、（ｂ）は前記ロータ構造の斜視図である。
【図２】図１（ａ）のＡ−Ａ線矢視断面拡大図である。
【図３】（ａ）は本発明の実施の形態２に係る永久磁石形電動機のロータ構造を示す斜視図、（ｂ）は前記ロータ構造を分解して示す斜視図である。
【図４】図３（ａ）のＢ−Ｂ線矢視断面拡大図である。
【符号の説明】
１ ロータ
２ ロータコア
３Ａ，３Ｂ 磁石用孔
４Ａ，４Ｂ 永久磁石
５Ａ，５Ｂ 導電性部材用孔
６ ループ状の導電性部材
６ａ，６ｂ 側部
７ 回転軸
１１ ロータ
１２ ロータコア
１３Ａ，１３Ｂ 磁石用孔
１４Ａ，１４Ｂ 永久磁石
１５ エンクロージャ
１５ａ，１５ｂ 導電性材料からなる部分
１５ｃ，１５ｄ 電気絶縁材料からなる部分
１６ 回転軸

Claims (1)

1. ロータコアに永久磁石を配設することによりロータの各磁極を構成してなる永久磁石形回転電機のロータ構造において、
   ロータの外周全体を覆う円筒状のエンクロージャを有し、且つ、このエンクロージャは、隣接するＮ極の永久磁石とＳ極の永久磁石との間の部分のみを導電性材料とし、その他の部分を電気絶縁材料としたことを特徴とする永久磁石形回転電機のロータ構造。

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