JP5015214B2

JP5015214B2 - 交流回転電機

Info

Publication number: JP5015214B2
Application number: JP2009204308A
Authority: JP
Inventors: 暢彦藤田; 晴之米谷; 敏行吉澤; 淑人浅尾
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2009-09-04
Filing date: 2009-09-04
Publication date: 2012-08-29
Anticipated expiration: 2024-01-19
Also published as: JP2009284763A

Description

この発明は、隣り合う各爪状磁極間に永久磁石が配設された回転子を有する交流回転電機に関するものである。

従来、隣り合う各爪状磁極間に永久磁石を配設して隣り合う爪状磁極間の漏れ磁束を低減した車両用交流発電機が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特許第２５４８８８２号公報（図３）

このものの場合、爪状磁極を回転子の回転方向に沿って視たときに、永久磁石は、隣り合う爪状磁極が重なって形成される投影面からはみ出しており、はみ出した部分は漏れ磁束の低減に寄与しないため、特性を向上させるために永久磁石の体積が余分に必要となり、それだけコストが嵩むという問題点があった。
また、永久磁石の体積を大きくすることでそれだけ回転子に作用する遠心力も大きくなり、耐久性が悪化するという問題点もあった。

この発明は、上記のような問題点を解決することを課題とするものであって、永久磁石の体積を小さくすることでコスト低減、耐久性を向上させることができ、また例えば発電電動機の場合には発生する始動トルクが大きく、かつ無励磁無負荷誘起電圧が小さい交流回転電機を得ることを目的とする。

この発明に係る交流回転電機は、内周側に軸線方向に延びたスロットが形成された固定子鉄心、前記スロットに導線が巻回されて固定子鉄心に装着された固定子巻線を含む固定子と、この固定子の内側に設けられた界磁巻線、この界磁巻線を覆って設けられ交互に噛み合った爪形状の爪状磁極をそれぞれ有する第１の回転子鉄心部及び第２の回転子鉄心部から構成された回転子鉄心、及び隣り合う各前記爪状磁極間に配設されこれらの爪状磁極間の磁束の漏洩を減少する向きに着磁された複数個の永久磁石を含む回転自在な回転子とを備え、前記爪状磁極を前記回転子の回転方向に沿って視たときに、前記永久磁石の投影形状の一部は、隣り合う爪状磁極が重なって形成される投影面からはみ出している交流回転電機であって、前記投影形状が５角形の前記永久磁石の最内径側のコーナ部の交差点は、前記投影面の領域外でかつ前記第１の回転子鉄心部または前記第２の回転子鉄心部の内周側の辺面近傍にあり、隣接した前記爪状磁極が対面する側面同士は、ほぼ平行であり、各前記永久磁石は、隣接した前記爪状磁極が対面する側面にほぼ平行に沿って切断された一対の磁石部で構成され、かつ磁石部同士は離間している。

この発明に係る交流回転電機では、永久磁石の体積を小さくすることでコスト低減、耐久性を向上させることができ、また例えば発電電動機の場合には発生する始動トルクが大きく、かつ無励磁無負荷誘起電圧が小さいという効果がある。

この発明の参考例１の車両用交流発電電動機を示す側断面図である。図１の回転子を示す斜視図である。参考例１における永久磁石と、爪状磁極との関係を示す図である。永久磁石と爪状磁極との関係の他の例を示す図である。永久磁石と爪状磁極との関係の他の例を示す図である。永久磁石と爪状磁極との関係の他の例を示す図である。永久磁石と爪状磁極との関係の他の例を示す図である。投影面内の永久磁石断面積減少率と、始動トルク増分／無励磁無負荷誘起電圧との関係を示す図である。参考例１における永久磁石と、爪状磁極との関係の他の例を示す図である。この発明の実施の形態１における永久磁石と、爪状磁極との関係を示す図である。永久磁石と爪状磁極との関係の他の例を示す図である。永久磁石と爪状磁極との関係の他の例を示す図である。永久磁石と爪状磁極との関係の他の例を示す図である。永久磁石の各はみ出し形状において、始動トルク増分／無励磁無負荷誘起電圧と、始動トルク増分／無励磁無負荷誘起電圧との関係を示す図である。この発明の実施の形態２における爪状磁極間の断面図である。図１５の爪状磁極を示す斜視図である。図１５の爪状磁極間に永久磁石が設けられたときの様子を示す図である。爪状磁極間が平行でない場合と平行な場合とにおいて、漏洩磁束密度の大きさを示す図である。この発明の実施の形態３において永久磁石が分割された例を示す図である。この発明の実施の形態３における回転子の斜視図である。この発明の実施の形態４において隣接した爪状磁極間の永久磁石の平面図である。この発明の実施の形態４において隣接した爪状磁極間の永久磁石の他の例を示す平面図である。この発明の実施の形態４において隣接した爪状磁極間の永久磁石の他の例を示す平面図である。この発明の実施の形態４において永久磁石と爪状磁極との関係を示す図である。

以下、この発明の各実施の形態及び参考例について図に基づいて説明するが、各図において、同一、または相当部材、部位については同一符号を付して説明する。
なお、各実施の形態及び参考例では、交流回転電機として、車両用交流発電電動機の場合について説明する。

参考例１．
図１はこの発明の参考例１の車両用交流発電電動機を示す側断面図、図２は図１の回転子の斜視図である。
この回転電機である車両用交流発電電動機（以下、発電電動機と略称する）は、アルミニウム製のフロントブラケット１及びリヤブラケット２から構成されたケース３と、このケース３内に設けられ一端部にプーリ４が固定されたシャフト６と、このシャフト６に固定されたランデル型の回転子７と、回転子７の両側面に固定されたファン５と、ケース３の内壁面に固定された固定子８と、シャフト６の他端部に固定され回転子７に電流を供給するスリップリング９と、スリップリング９に摺動する一対のブラシ１０と、このブラシ１０を収納したブラシホルダ１１と、フロントブラケット１に設けられインバータ回路（図示せず）に接続するための端子台１２と、端子台１２に接続された配線基板１３とを備えている。

回転子７は、電流を流して磁束を発生する界磁巻線１４と、この界磁巻線１４を覆って設けられその磁束によって磁極が形成される回転子鉄心１５とを備えている。回転子鉄心１５は一対の交互に噛み合った第１の回転子鉄心部１６及び第２の回転子鉄心部１７とから構成されている。第１の回転子鉄心部１６及び第２の回転子鉄心部１７は鉄製で、かつ爪形状の爪状磁極１８、１９をそれぞれ有している。隣り合う各爪状磁極１８、１９には、これらの爪状磁極１８、１９間の磁束の漏洩を減少する向きに着磁された永久磁石２０が固着されている。
固定子８は、固定子鉄心２１と、この固定子鉄心２１に導線が巻回され回転子７の回転に伴い界磁巻線１４からの磁束の変化で交流が生じる固定子巻線２２とを備えている。

次に、上記構成の発電電動機を発電機として使用した場合の動作について説明する。
バッテリ（図示せず）からブラシ１０、スリップリング９を通じて界磁巻線１４に電流が供給されて磁束が発生し、第１の回転子鉄心部１６の爪状磁極１８にはＮ極が着磁され、第２の回転子鉄心部１７の爪状磁極１９にはＳ極が着磁される。一方、エンジンによってプーリ４は駆動され、シャフト６によって回転子７が回転するため、固定子巻線２２には回転磁界が与えられ、固定子巻線２２には起電力が生じる。この交流の起電力は、整流器（図示せず）を通って直流に整流されるとともに、レギュレータ（図示せず）によりその大きさが調整されて、バッテリに充電される。

次に、上記構成の発電電動機を電動機として使用した場合の動作について説明する。
エンジンの始動時には、交流電流が固定子巻線２２に供給される。また、界磁電流がブラシ１０、スリップリング９を介して界磁巻線１４に供給されて磁束が発生し、第１の回転子鉄心部１６の爪状磁極１８にはＮ極が着磁され、第２の回転子鉄心部１７の爪状磁極１９にはＳ極が着磁される。そして、固定子巻線２２及び回転子７が電磁石として作用し、回転子７がシャフト６とともに固定子８内で回転する。このシャフト６の回転力がプーリ４を介してエンジンの出力軸に伝達され、エンジンが始動される。

ところで、発電電動機では、エンジンを始動させるための発生トルク、即ち電動機の始動トルクを大きくとることが必要である。このために、使用する永久磁石２０の体積を大きくすれば、トルク発生に寄与する有効磁束が増大することからより発生トルクが向上するが、永久磁石２０の体積が増加すると、永久磁石２０が高価であること、高速回転における遠心力により飛散する恐れがあること等の理由で、できる限り永久磁石の体積を少なくする必要がある。
さらに、発電電動機では、固定子巻線２２にインバータ回路が接続されており、このインバータ回路に電流を流すことで始動トルクを発生させるが、このインバータ回路には、半導体素子が用いられており、ある耐圧以上の電圧が半導体素子にかかると、半導体素子を破壊する等の問題点がある。

従って、この発電電動機では、界磁電流が「零」の状態において最大回転数における誘起電圧がこの半導体素子破壊電圧を超えることができない。なお、以後、界磁電流「零」における最大回転数時の誘起電圧を無励磁無負荷誘起電圧と呼ぶ。
また、この無励磁無負荷誘起電圧がバッテリ電圧を超えると、場合によっては過充電を引き起こすこともあり、これを制御するときに発生するサージ電圧により、半導体素子が破壊される等の問題点がある。
従って、この実施の形態では、かかる問題点を解決し、無励磁無負荷誘起電圧を小さく、永久磁石の体積を可能な限り小さくするも、発生トルクを大きくとることができる形状の永久磁石２０にしたものである。

このような観点から、本願発明者は、永久磁石２０の体積を同一として、永久磁石２０の形状を変化させ、始動トルクと無励磁無負荷誘起電圧を三次元電磁界解析により求めた。
ここで、始動トルクは、界磁巻線１４に界磁電流を流した状態でのトルクであり、界磁電流には発電電動機に温度的に許される最大の電流を流した場合を想定している。また、固定子巻線２２に流れる電機子電流にも瞬時最大電流を流した場合を想定し、界磁磁束及び電機子磁束のなす位相角も最大トルクが発生する位相角で始動トルクを設定している。勿論、バッテリ電圧には制限があるため、この電圧制限内での最大トルクということになる。
無励磁無負荷誘起電圧は、発電電動機の最大回転数での回転時の端子間電圧であり、界磁電流は「零」である。
上記の特性を考える指標として、永久磁石２０無しでの始動トルクから永久磁石２０をつけた場合の始動トルクへの増分（以後、始動トルク増分）を無励磁無負荷誘起電圧で割った値（始動トルク増分／無励磁無負荷誘起電圧）を選んだ。このため、この指標の値が大きいほど、始動トルクが大きく無励磁無負荷誘起電圧が小さい優れた特性といえる。

本願発明者は、隣接した爪状磁極１８、１９間の永久磁石２０の大きさを変えてそれぞれの車両用交流発電電動機の（始動トルク増分／無励磁無負荷誘起電圧）を三次元電磁界解析により求めた。

図３は爪状磁極１８、１９を回転子７の回転方向に沿って視たときに、永久磁石２０の投影形状は、隣り合う爪状磁極１８、１９が重なって形成される投影面Ａ内に含まれ、かつこの投影面Ａの形状とほぼ相似形状である。
これに対して、図４、図５は投影面Ａから永久磁石２０がはみ出して爪状磁極１８、１９間に装着されたときの図である。
表１には各図３〜図５に示した形状の永久磁石２０での（始動トルク増分／無励磁無負荷誘起電圧）の値の計算結果である。ただし、永久磁石２０の体積及び永久磁石２０の厚み（回転子７の回転方向の厚み）は、図３〜図５ではそれぞれ一定である。

同表より、投影面Ａ内に永久磁石２０が装着された場合の方が、（始動トルク増分／無励磁無負荷誘起電圧）が大きく、特性が良好であることが分かった。
なお、図６に示すように、永久磁石２０を図３〜図５のものと同一体積として、投影面Ａと同一形状にした場合、即ち、回転子７の回転方向に沿って永久磁石２０を切断したときの断面形状が略５角形の場合でも、図３のものとほぼ同様に特性が良好であることが分かった。

また、図７に示すように永久磁石２０の断面積を、投影面Ａ形状から非相似形で小さくした場合について、三次元電磁界解析を行い（始動トルク増分／無励磁無負荷誘起電圧）の値を計算により求めた。
図８は、そのときの計算結果を示す図であり、同図より投影面Ａ内の永久磁石２０の断面積を大きくとった方が特性良好であることが分かる。

また、発電電動機を電動機として使用する場合は、一般に発電機として使用する場合よりも短時間の使用であるため、大きな電機子電流、界磁電流を流せるという特徴がある。しかし、大きな電流を流すと永久磁石２０にかかる逆磁界も大きくなり、不可逆減磁しやすくなる。これは発電機にはない発電電動機固有の課題であるが、隣り合う爪状磁極１８、１９の投影面Ａ内に永久磁石２０を配置することで磁気回路のパーミアンスが小さくなり永久磁石２０内の磁束密度が大きくなるので不可逆減磁しにくくなる効果がある。

なお、図９は図３に示した永久磁石２０のコーナ部Ｃを曲面形状にしたもので、コーナ部Ｃの曲率半径Ｒを０．２ｍｍとしている。このようにすることで、不可逆減磁しにくくなる、コーナ部Ｃで欠けにくくなるといった効果を得ることができるとともに、コーナ部Ｃでメッキ等の表面処理膜が厚くなるといった現象を抑えることができる。

実施の形態１．
隣り合う爪状磁極１８、１９の投影面Ａ内に永久磁石２０を装着しても、必要とされる始動トルクが得られない場合、永久磁石２０の体積をさらに増加させる必要がある。ここで、回転子７の永久磁石２０の厚み（回転子７の回転方向の寸法）を増やすことで永久磁石２０の体積を増加させることは簡単である。
しかしながら、隣接した爪状磁極１８、１９間には限られたスペースしかなく、永久磁石２０の厚みを厚くすることには限界がある。
従って、投影面内からはみ出す部分にも永久磁石２０を装着する必要が発生する。

図１０〜図１３は、永久磁石２０の一部が投影面Ａの領域からはみ出しているものの、そのはみ出し方が異なる例を示している。
図１０に示すように、永久磁石２０の最も内径側にある点イが爪状磁極１８、１９の内径側の辺面ロの近傍にある例と、図１１及び図１２に示すように永久磁石２０の最も内径側にある点イが投影面Ａ内にある例とを電磁界解析により（始動トルク増分／無励磁無負荷誘起電圧）の値を求めた。
図１４は、そのときの計算結果を示す図である。ただし、永久磁石２０の体積を一定で比較している。
同表より、図１０に示した永久磁石２０が、図１１、図１２に示した永久磁石２０と比較して特性が向上していることが分かる。
なお、図１３に示すように永久磁石２０の断面形状が、はみ出し以外の領域が投影面Ａと同一形状で、かつ永久磁石２０の最も内径側にある点イが爪状磁極１８、１９の内径側の辺面ロ上にある場合でも、図１０に示した永久磁石２０と同様の良好な特性が得られた。

実施の形態２．
図１５は爪状磁極１８、１９間が平行でない場合と平行な場合の磁極断面図、図１６は爪状磁極１８、１９間が平行である場合を示す斜視図、図１７は図１５に示した爪状磁極１８、１９間に永久磁石２０が装着されたときの部分平面図である。
図１８は、爪状磁極１８、１９間が平行でない場合と平行な場合とにおいて、漏洩磁束密度を示す。爪状磁極１８、１９が平行でない場合は爪状磁極１８、１９間の距離が狭い箇所（回転子７の径外側）での漏洩磁束φが爪状磁極１８、１９間の距離に逆比例して増えるために総磁束量（図１８の面積）は平行な場合に比べて増えてしまうが、爪状磁極１８、１９間の距離を平行にすることで漏洩磁束量を減らすことができる。

実施の形態３．
表２は先に説明した図３に示した永久磁石２０と同一の断面積で回転子７の回転方向の永久磁石２０の厚さ寸法を変えた場合について電磁界解析を行って（始動トルク増分／無励磁無負荷誘起電圧）の値を求めた。

同表より、永久磁石２０の厚さ寸法が厚くなると、（始動トルク増分／無励磁無負荷誘起電圧）の値が小さくなる傾向にあり、不可逆減磁しない程度に永久磁石２０の厚みを薄くする方が、特性が向上することが分かる。
ただし、永久磁石２０の厚みを厚くした分だけ永久磁石２０の体積が増加しているモデルである。
このためには、図１９、図２０に示すように、永久磁石２０は、隣接した爪状磁極１８、１９が対面する側面に沿って平行に切断された一対の磁石部２０ａ、２０ｂで構成され、かつ磁石部２０ａ、２０ｂ同士を離間させて隙間を空けることが有効である。

永久磁石２０に隙間を空けることでパーミアンスが小さくなり、永久磁石２０は不可逆減磁し易くなるが、隙間が出来ることで冷却風が通り、永久磁石２０は冷却されるのでネオジ鉄ボロン系の永久磁石２０のような高温で不可逆減磁するような場合は、パーミアンスが小さくなって不可逆減磁しやすくなるのと冷却により不可逆減磁しにくくなるのが相殺するので悪影響はない。
また、磁石部２０ａ、２０ｂは、一方の側面が互いに向き合い、他方の側面は爪状磁極１８、１９に必ず接しているため、パーミアンスもさほど小さくならず、漏洩磁束低減効果の減少も小さい。

実施の形態４．
本願発明者は、永久磁石２０を有効に使うために、爪状磁極１８、１９の先端部の磁石部２０ａ、２０ｂと根元部の磁石部２０ａ、２０ｂの磁界の強さを変えて三次元電磁界解析を行った。
この結果を表３に示す。

同一体積の磁石部２０ａ、２０ｂにおいて、先端部を根元部よりも磁界を強くした場合の方が、表３に示すように（始動トルク増分／無励磁無負荷誘起電圧）の値が大きかった。ただし、永久磁石２０は投影面Ａ内にあるものと仮定しており、トータルの磁力は同一としている。

図２１は、先端部を根元部よりも強くした場合の一例として、磁石部２０ａ、２０ｂにおいて、回転子７の回転方向に沿った寸法が、爪状磁極１８、１９の根元部から先端部に向かって漸次大きくなっている例である。

また、図２２に示すように、各永久磁石２０は、隣接した爪状磁極１８、１９が対面する側面に沿って切断された一対の磁石部２０ａ、２０ｂで構成されているとともに、このそれぞれの磁石部２０ａ、２０ｂは、回転子７の回転方向に沿って切断された一対の磁石片３０、３１で構成され、このうち爪状磁極１８、１９の先端部側の磁石片３０は、爪状磁極１８、１９の根元部側の磁石片３１よりも残留磁束密度が大きくした例である。

また、図２３に示すように、永久磁石２０は、隣接した爪状磁極１８、１９が対面する側面に沿って切断された一対の磁石部２０ａ、２０ｂで構成されているとともに、このそれぞれの磁石部２０ａ、２０ｂは、回転子７の回転方向に沿って切断された一対の磁石片３２、３３で構成され、爪状磁極１８、１９の先端部側の磁石片３２は、爪状磁極１８、１９の根元部側の磁石片３３よりも回転方向の寸法を大きくした例である。

また、図２４に示すように、爪状磁極１８、１９の先端部の投影面積を大きくすることで、爪状磁極１８、１９の先端部の永久磁石２０の断面積を大きくとることができるため、先端部の永久磁石２０による磁力を大きくすることができ、同様の効果を得ることができる。
即ち、第１の回転子鉄心部１６の内周側の辺面、第２の回転子鉄心部１７の内周側の辺面は、それぞれ中間で折曲された第１の辺部３４及び第２の辺部３５で構成され、爪状磁極１８、１９の先端部側の第１の辺部３４は、爪状磁極１８，１９の根元部側の第２の辺部３５よりも、径線からの仰角が大きい（β＞α）。
また、爪状磁極１８、１９の内周面の仰角が根元部と先端部で同一の図３に示しものと、仰角が先端部のほうが大きい図２４に示したものとを、永久磁石２０の体積が同一である条件の基で比較（永久磁石２０厚みで調整している）した結果を表４に示す。

同表より、先端部仰角が大きくなることでより効果が大であることが分かる。

なお、上記各実施の形態及び参考例では、回転電機として車両用発電電動機について説明したが、勿論この発明は、このものに限定されるものではなく、回転電機として車両用交流発電機にも適用することができる。また、車両に限定されるものではなく、例えば船外機にも適用することができ、また電動機にも適用することができる。

７回転子、８固定子、１４界磁巻線、１５固定子鉄心、１６第１の回転子鉄心部、１７第２の回転子鉄心部、１８爪状磁極、１９爪状磁極、２０永久磁石、２１固定子鉄心、２２固定子巻線、２０ａ，２０ｂ磁石部、３０，３１，３２，３３，３４第１の辺部、３５第２の辺部。

Claims

内周側に軸線方向に延びたスロットが形成された固定子鉄心、前記スロットに導線が巻回されて固定子鉄心に装着された固定子巻線を含む固定子と、
この固定子の内側に設けられた界磁巻線、この界磁巻線を覆って設けられ交互に噛み合った爪形状の爪状磁極をそれぞれ有する第１の回転子鉄心部及び第２の回転子鉄心部から構成された回転子鉄心、及び隣り合う各前記爪状磁極間に配設されこれらの爪状磁極間の磁束の漏洩を減少する向きに着磁された複数個の永久磁石を含む回転自在な回転子とを備え、
前記爪状磁極を前記回転子の回転方向に沿って視たときに、前記永久磁石の投影形状の一部は、隣り合う爪状磁極が重なって形成される投影面からはみ出している交流回転電機であって、
前記投影形状が５角形の前記永久磁石の最内径側のコーナ部の交差点は、前記投影面の領域外でかつ前記第１の回転子鉄心部または前記第２の回転子鉄心部の内周側の辺面近傍にあり、
隣接した前記爪状磁極が対面する側面同士は、ほぼ平行であり、
各前記永久磁石は、隣接した前記爪状磁極が対面する側面にほぼ平行に沿って切断された一対の磁石部で構成され、かつ磁石部同士は離間している交流回転電機。
前記磁石部において、前記回転子の回転方向に沿った寸法は、前記爪状磁極の根元部から先端部に向かって漸次大きくなっている請求項１に記載の交流回転電機。
内周側に軸線方向に延びたスロットが形成された固定子鉄心、前記スロットに導線が巻回されて固定子鉄心に装着された固定子巻線を含む固定子と、
この固定子の内側に設けられた界磁巻線、この界磁巻線を覆って設けられ交互に噛み合った爪形状の爪状磁極をそれぞれ有する第１の回転子鉄心部及び第２の回転子鉄心部から構成された回転子鉄心、及び隣り合う各前記爪状磁極間に配設されこれらの爪状磁極間の磁束の漏洩を減少する向きに着磁された複数個の永久磁石を含む回転自在な回転子と
を備えた交流回転電機であって、
各前記永久磁石は、隣接した前記爪状磁極が対面する側面にほぼ平行に沿って切断された一対の磁石部で構成されているとともに、このそれぞれの磁石部は、前記回転子の回転方向に沿って切断された一対の磁石片で構成され、前記爪状磁極の先端部側の磁石片は、爪状磁極の根元部側の磁石片よりも前記回転方向の寸法が大きく、
前記第１の回転子鉄心部の内周側の辺面、前記第２の回転子鉄心部の内周側の辺面は、それぞれ中間で折曲された第１の辺部及び第２の辺部で構成され、前記爪状磁極の先端部側の前記第１の辺部は、爪状磁極の根元部側の前記第２の辺部よりも、径線方向に延びた線からの仰角が大きい交流回転電機。