JP5299797B2

JP5299797B2 - 高速回転用永久磁石形回転電機

Info

Publication number: JP5299797B2
Application number: JP2011165571A
Authority: JP
Inventors: 良輔末長; 宏基嶋屋; 知幸岩崎
Original assignee: 西芝電機株式会社
Priority date: 2011-07-28
Filing date: 2011-07-28
Publication date: 2013-09-25
Anticipated expiration: 2031-07-28
Also published as: JP2013031290A

Description

本発明は、回転子軸に設けられた永久磁石の外周を非磁性体の永久磁石保持環で覆うように構成した高速回転用永久磁石形回転電機に関する。

回転子軸に設けられた永久磁石の外周を磁性体の永久磁石保持環で覆うようにした従来の高速回転用永久磁石形回転電機は、例えば、特許文献１や２等で良く知られている。図５は特許文献１に記載されている高速回転用永久磁石形回転電機の縦断面図である。

図５において、高速回転用永久磁石形回転電機は、珪素鋼板等の磁性鋼板を軸方向に所定厚みに積層して構成された環状の固定子鉄心１およびこの環状の固定子鉄心１に軸方向に沿って設けられたスロットに収納された固定子巻線２を備えた固定子３と、前記環状の固定子鉄心１の穴内にエアーギャップ（空隙）ｇを介して同心状に配設された永久磁石付き回転子４とから構成されている。この高速回転用永久磁石形回転電機は、永久磁石付き回転子４の回転により電磁誘導の原理を利用して、電気エネルギーと機械エネルギーを相互に変換するように機能する。なお、以下の説明では、永久磁石付き回転子４を、単に回転子４と呼称する。

前記回転子４は、次のように構成されている。すなわち、回転子軸５と、この回転子軸５の外周囲を同心状に覆うとともに両端部が溶接あるいは焼き嵌め等で前記回転子軸５に結合された円筒状の磁性体による永久磁石保持環６（以下、磁性保持環６と略称する）と、この磁性保持環６の内周面に接着剤等により固定され断面が円弧状に形成された複数個の永久磁石７_ａ１とから構成されている。

図５の高速回転用永久磁石形回転電機は、磁性保持環６の軸端部９ａの磁気飽和を促し、漏れ磁束８ａの影響を低減するために、永久磁石７の両端面を固定子鉄心１の両端面からそれぞれ寸法Ｗ１だけ長くなるように構成されている。磁性保持環６の両端面は永久磁石７の両端面よりもさらにそれぞれ寸法Ｗ２だけ長くなるように構成されている。なお、Ｌは固定子鉄心１の軸方向の長さである。

図６は、特許文献２に記載の高速回転用永久磁石形回転電機の回転子の断面図である。
この特許文献２に記載の高速回転用永久磁石形回転電機の回転子は、永久磁石７が磁性保持環６の内周面に接着剤等で固定されている点は特許文献１に記載の高速回転用永久磁石形回転電機と同じであるが、永久磁石７の構成に特徴がある。すなわち、永久磁石７は、図示していない固定子巻線に鎖交する主磁束を作り、極を構成する一対の主界磁永久磁石７_ａ１、７_ａ２と、この一対の主界磁永久磁石７_ａ１、７_ａ２相互間に配置され、接線方向に磁化された極間永久磁石７_ｂ１、７_ｂ２とから構成されている。

極間永久磁石７_ｂ１、７_ｂ２により作られる磁束は漏れ磁束８ｂとなり、磁性保持環６に磁気飽和９ｂを発生させ、主界磁永久磁石７_ａ１、７_ａ２により作られる磁束が有効に固定子巻線に鎖交するように機能させている。

特開２００９−２６１０６３号公報特許第４２９６０１０号公報

回転子４を高速で回転させると、磁性保持環６の表面に表面損と呼ばれる渦電流損が発生する。この表面損の損失密度は、以下の式（１）および（２）で表すことができる。

式（１）において、W_fは表面損の損失密度[W/m²]で、k₀は定数である。また、Nはスロット数、nは回転子の回転数[min^-1]であり、B₀は（２）式で表される磁束密度である。式（２）において、B_maxは固定子スロットの歯の中央平面における磁束密度の最大値[T]、B_minは固定子スロットの中央平面における磁束密度の最小値[T]、ｔはスロットピッチ[cm]である。

式（１）から分かるように回転数ｎの1.5乗で表面損が上昇する。表面損が増加すると、磁性保持環６の過熱にともなって永久磁石７の温度が上昇する。このため、永久磁石７の減磁や消磁が起こる可能性が高くなる。また、回転電機の効率の悪化、回転子４の熱が固定子鉄心１に伝わり固定子巻線２の過熱により絶縁破壊が起こる可能性もある。そのため、特に高速回転の回転電機においては、この表面損を抑えることが重要である。

図７は、表面損の低減手段として、磁性保持環６の代わりに、非磁性体による永久磁石保持環（以下、非磁性保持環と略称する）１６を設けた場合の回転子断面図である。この場合、非磁性保持環１６の比透磁率は真空の比透磁率とほぼ同等であり、漏れ磁束の発生は非常に少ないため、図６のように極間永久磁石７ｂより漏れ磁束８ｂを流して磁気飽和９ｂさせる必要はなく、極間永久磁石７ｂは不要となる。

また、表面損である渦電流が顕著に発生するのは、永久磁石保持環が磁性保持環６の場合であり、非磁性保持環１６の場合ではほとんど表面損が発生しない。尚、非磁性保持環１６を透過して表面損は主界磁永久磁石７_ａ１、７_ａ２で発生するようになるが、固定子鉄心１と主界磁永久磁石７_ａ１、７_ａ２とのギャップはエアーギャップｇに非磁性保持環１６の厚みを加えた分だけ大きくなるため、図５や図６のように磁性保持環６に発生する表面損の量に比べ十分小さい値となる。
しかしながら、回転子４を高速で回転させると、主界磁永久磁石７_ａ１、７_ａ２が配置されている部分のみに遠心力がかかり、図８のように非磁性保持環１６が変形する。

非磁性保持環１６が変形すると、その非磁性保持環１６自体に過大な応力集中や、回転子の振動の増加、固定子と回転子間のエアーギャップの不均等になるため、発電機の場合は電圧波形の歪みが増加し、電動機の場合はトルクのリップルの増加、固定子と回転子の接触等の問題が起こる可能性がある。

本発明は、上記した課題を解決するためになされたものであり、高速運転しても回転子の振動や、固定子と回転子間のエアーギャップの不均等が起こらず、安定して運転可能な高速回転用永久磁石回転電機を提供することを目的とするものである。

上記課題を解決するために、請求項１の発明に係る高速回転用永久磁石形回転電機は、磁性鋼板を軸方向に積層して構成された環状の固定子鉄心および当該環状の固定子鉄心に軸方向に沿って設けたスロットに収納された固定子巻線からなる固定子と、前記環状の固定子鉄心の穴内にエアーギャップを介して同心状に配置された回転子軸、当該回転子軸に対して同心状に配置されるとともに、両端部あるいは一方の端部を前記回転子軸に結合された非磁性体の永久磁石保持環および当該非磁性体の永久磁石保持環の内周面に配置された複数個の永久磁石からなる回転子とを備えた高速回転用永久磁石形回転電機において、前記永久磁石は、径方向に磁化されて主界磁極を構成する円弧状の複数個の主界磁永久磁石と、当該主界磁永久磁石相互間に配置された未着磁状態の強磁性体とから構成したことを特徴とする。

また、請求項２の発明に係る高速回転用永久磁石形回転電機は、請求項１の高速回転用永久磁石形回転電機において、前記未着磁状態の強磁性体の代わりに、前記主界磁永久磁石に対し比重が±１０％の非磁性体を配置したことを特徴とする。

さらに、請求項３の発明に係る高速回転用永久磁石形回転電機は、請求項１または２記載の高速回転用永久磁石形回転電機において、前記非磁性体の永久磁石保持環は、炭素繊維強化プラスチック、ＳＵＳ３０４ステンレス鋼、インコネルのいずれかの材料で構成されていることを特徴とする。

さらに、請求項４の発明に係る高速回転用永久磁石形回転電機は、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の高速回転用永久磁石形回転電機において、前記永久磁石は、軸方向に複数分割されていることを特徴とする。

さらにまた、請求項５の発明に係る高速回転用永久磁石形回転電機は、請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の高速回転用永久磁石形回転電機において、前記永久磁石は、周方向に複数に分割された磁石で1つの極を構成したことを特徴とする。

本発明による高速回転用永久磁石形回転電機は、永久磁石保持環として非磁性保持環を採用し、その非磁性保持環の内周面に対して径方向に磁化されて主界磁極を構成する円弧状の主界磁永久磁石を配置するとともに、この主界磁永久磁石の相互間に未着磁状態の強磁性体あるいは主界磁永久磁石に対し比重が９０％〜１１０％の非磁性体を配置することにより、高速回転時における非磁性保持環の変形を最小限に留めることができる。この結果、非磁性保持環への過大な応力集中や、回転子の振動の増加、固定子と回転子のエアーギャップの不均等が原因で、発電機の場合には電圧波形の歪みの増加、電動機の場合にはトルクのリップルの増加、固定子と回転子の接触等の問題を解決することができる。

また、永久磁石の端部から漏れ磁束を流して磁性保持環を磁気飽和させる必要がなくなり、永久磁石形回転電機の軸方向の寸法を短くすることができ小型化を図ることができるばかりか、保持環の両端部で保持環を回転軸に固定する必要がなくなり、一方の端部のみで構成することもできる。
更には、保持環の両端部あるいは一方の端部と回転子軸の外周面との結合面積の制約が無くなり、高速回転に耐える回転子の設計が可能となる。

本発明の実施形態１に係る高速回転用永久磁石形回転電機の断面図であり、このうち図１（ａ）は回転子の軸方向に沿った縦断面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ矢視方向の横断面図。本発明の実施形態２に係る高速回転用永久磁石形回転電機の回転子の横断面図。本発明の実施形態４に係る高速回転用永久磁石形回転電機の縦断面図。本発明の実施形態５に係る高速回転用永久磁石形回転電機の回転子の横断面図。特許文献１に記載の高速回転用永久磁石形回転電機の縦断面図。特許文献２に記載の高速回転用永久磁石形回転電機の回転子の横断面図。非磁性保持環を備えた従来の高速回転用永久磁石形回転電機の回転子の横断面図。図７の回転子を高速回転させた場合の変形の様子を誇張して示す横断面図。

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が、従来技術の図５乃至図７に採用されている部品と同一又は対応する部品には同一符号を付けて重複する部分は適宜省略して説明する。

（実施形態１）
以下、図１を参照して実施形態１について説明する。
図１（ａ）は高速回転用永久磁石形回転電機の縦断面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ矢視方向の横断面図である。

本実施形態１に係る高速回転用永久磁石形回転電機が、図５の特許文献１に記載の従来技術と異なる点は、固定子鉄心１の軸方向長さＬよりもＷ１長い軸長を有する永久磁石７_ａ１の代わりに、固定子鉄心１の軸方向長さＬと同じ軸長を有する永久磁石１７_ａ１を設けた点と、永久磁石７_ａ１よりも更にＷ２長い軸長を有する磁性保持環６の代わりに、固定子鉄心１や永久磁石１７_ａ１よりもＷ３だけ長い軸長を有する非磁性保持環１６を設けた点と、回転子軸５の代わりに、これよりも軸長の短い回転子軸１５を設けた点にある。

また、本実施形態１が、図６の特許文献２に記載の従来技術と異なる点は、極間永久磁石７_ｂ１、７_ｂ２の代わりに、比重が主界磁永久磁石１７_ａ１、１７_ａ２と同じで、かつ、磁束を発生しない未着磁状態の強磁性体２０_１、２０_２を設けた点にある。この未着磁状態の強磁性体を以降、未着磁強磁性体と略称する。

図１において、本実施形態１に係る高速回転用永久磁石形回転電機の回転子は、非磁性保持環１６の内周面に対して、断面が円弧状に形成された一対の主界磁永久磁石１７_ａ１、１７_ａ２を円周方向に等間隔、すなわち、非磁性保持環１６の中心点に対して対称的に配置するとともに、この一対の主界磁永久磁石１７_ａ１、１７_ａ２の相互間に未着磁強磁性体２０_１、２０_２を配置し、これらを接着剤等で固定している。

本実施形態１で採用する非磁性保持環１６は、比透磁率が真空の比透磁率と同等なので磁性体に比べて磁束は非常に通り難い。このため、図５のように永久磁石７_ａ１の端部から漏れ磁束８ａを流して磁性保持環６を磁気飽和９ａさせる必要はなく、永久磁石１７_ａ１は固定子鉄心１と同じ軸長Ｌでよい。
また、同じ理由で非磁性保持環１６の両端部で非磁性保持環１６を回転子軸１５に固定する必要がなくなり、一方の端部のみで構成することもできる。

この結果、本実施形態１によれば、高速回転用永久磁石形回転電機の軸方向の寸法を短くすることによって小型化を図ることができるとともに、高価格の永久磁石の量が減少する分製造費用を削減することが可能になる。また、非磁性保持環１６から回転子軸１５への磁束の漏れ８ａを必要としなくなる分、磁気飽和させるために結合面積を小さくする必要がなく、非磁性保持環１６の両端部あるいは一方の端部と回転子軸１５の外周面との結合面積の制約が無くなり、高速回転に耐える回転子４の設計が可能となる。

また、非磁性保持環１６の内周面に接着される主界磁永久磁石１７_ａ１、１７_ａ２と、未着磁強磁性体２０_１、２０_２とは同じ比重の材料なので、非磁性保持環１６の全周面には均一な遠心力がかかるようになり、回転子４が高速度で回転しても非磁性保持環１６の変形を最小限に留めることができるので、図８のように変形せず固定子３と回転子４の接触する問題を解決することができとともに、非磁性保持環１６への過大な応力集中や、回転子４の振動の増加、固定子３と回転子４間のエアーギャップの不均等が原因で、発電機の場合には電圧波形の歪みの増加、電動機の場合にはトルクのリップルの増加、固定子と回転子の接触等の問題を解決することができる。

（実施形態２）
以下、実施形態２について図２を参照して説明する。
図２は本実施形態２に係る高速回転用永久磁石形回転電機の回転子の横断面図である。

本実施形態２が実施形態１の図１（ｂ）で示した回転子４と異なる点は、未着磁強磁性体２０_１、２０_２の代わりに主界磁永久磁石１７ａ_１、１７ａ_２に対して比重が９０％〜１１０％の非磁性体３０_１、３０_２を設けた点にある。

未着磁強磁性体２０_１、２０_２の代わりに永久磁石１７ａ_１、１７ａ_２に近い比重の非磁性体３０_１、３０_２を配置することで、非磁性保持環１６の許容応力の範囲内で前述した実施形態１と同様の作用効果を奏することに加え、高価格の未着磁強磁性体２０_１、２０_２を採用する場合よりも安価に回転子４を製造することができるという長所を有する。

（実施形態３）
以下、実施形態３について説明する。
本実施形態３は非磁性保持環１６の材料選定に関する実施形態であるため、参照する図は特にない。

本実施形態３では、非磁性保持環１６を構成する材料として、非磁性体で高強度の材料、例えば炭素繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）や、ＳＵＳ３０４ステンレス鋼、あるいはインコネル等のニッケル基超合金材料を採用することを特徴とするものである。

（実施形態４）
以下、実施形態４について図３を参照して説明する。
図３は本実施形態４に係る高速回転用永久磁石形回転電機の縦断面図である。

本実施形態４が実施形態１の図１（ａ）で示した高速回転用永久磁石形回転電機と異なる点は、永久磁石１７_ａ１、１７_ａ２の代わりに軸方向に複数個に分割された永久磁石２７_ａ１（２７_ａ２）を設けた点である。

通常、回転電機においては磁束が変化する固定子鉄心の場合、渦電流を低減するための手段として厚みの薄い磁性鋼板を積層した構造を採用している。積層した磁性鋼板に発生する渦電流は次式（３）で表すことができる。

式（３）において、P_eは積層した磁性鋼板に発生する渦電流密度[W/m³]、K_eは定数、ｆは周波数[Hz]、ｄは磁性鋼板の厚み[m]、Bは磁束密度[T]、ρは電磁鋼板の抵抗率である。式（３）より積層した磁性鋼板に発生する渦電流密度P_eは厚みｄの２乗に比例することが分かる。そのため、渦電流を低減するためには厚みｄを薄くすればよい。磁石に発生する渦電流についても同様のことがいえ、厚みを薄くすれば渦電流を小さくすることができる。

そのため、本実施形態４は軸方向に複数個に分割された永久磁石２７ａ_１、２７ａ_２を設けることにより、実施形態１と同様の作用効果を奏することに加え、永久磁石２７ａ_１、２７ａ_２に発生する渦電流を低減することができ、より効率を高めることができるという特徴を有する。

（実施形態５）
以下、実施形態５について図４を参照して説明する。
図４は、実施形態５に係る高速回転用永久磁石形回転電機の回転子の横断面図である。

本実施形態５が実施形態１の図１（ｂ）で示した回転子４と異なる点は、一対の主界磁永久磁石１７_ａ１および１７_ａ２の代わりに、主界磁永久磁石自体をそれぞれ円周方向に複数個（図示の場合は３個）ずつに分割された主界磁永久磁石２７_ａ１、２７_ａ２を設けた点である。

本実施形態５によれば、円周方向に複数分割された主界磁永久磁石２７_ａ１、２７_ａ２を設けたことで、実施形態１と同様の作用効果を奏することに加え、主界磁永久磁石２７_ａ１、２７_ａ２に発生する渦電流を低減することができ、より効率を高めることができるという特徴を有する。

１…固定子鉄心、２…固定子巻線、３…固定子、４…回転子、５，１５…回転子軸、６…磁性体の永久磁石保持環（磁性保持環）、７，１７，２７…永久磁石、７ａ，１７ａ，２７ａ…主界磁永久磁石、７ｂ…極間永久磁石、８ａ，８ｂ…漏れ磁束、９ａ，９ｂ…磁気飽和、１６…非磁性体の永久磁石保持環（非磁性保持環）、２０…未着磁状態の強磁性体（未着磁強磁性体）、３０…永久磁石に対し比重が±１０％の非磁性体。

Claims

磁性鋼板を軸方向に積層して構成された環状の固定子鉄心および当該環状の固定子鉄心に軸方向に沿って設けたスロットに収納された固定子巻線からなる固定子と、前記環状の固定子鉄心の穴内にエアーギャップを介して同心状に配置された回転子軸、当該回転子軸に対して同心状に配置されるとともに、両端部あるいは一方の端部を前記回転子軸に結合された非磁性体の永久磁石保持環および当該非磁性体の永久磁石保持環の内周面に配置された複数個の永久磁石からなる回転子とを備えた高速回転用永久磁石形回転電機において、
前記永久磁石は、径方向に磁化されて主界磁極を構成する円弧状の複数個の主界磁永久磁石と、当該主界磁永久磁石相互間に配置された未着磁状態の強磁性体とから構成したことを特徴とする高速回転用永久磁石形回転電機。
前記未着磁状態の強磁性体の代わりに、前記主界磁永久磁石に対し比重が９０％〜１１０％の非磁性体を配置したことを特徴とする請求項１記載の高速回転用永久磁石形回転電機。
前記非磁性体の永久磁石保持環は、炭素繊維強化プラスチック、ＳＵＳ３０４ステンレス鋼、インコネルのいずれかの材料で構成されていることを特徴とする請求項１または２記載の高速回転用永久磁石形回転電機。
前記永久磁石は、軸方向に複数分割されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の高速回転用永久磁石形回転電機。
前記永久磁石は、円周方向に複数に分割された磁石で１つの極を構成したことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の高速回転用永久磁石形回転電機。