JP5308832B2

JP5308832B2 - 永久磁石式回転電機

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Publication number: JP5308832B2
Application number: JP2009003022A
Authority: JP
Inventors: 大祐郡; 浩幸三上; 誠吉増田; 守木村
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2009-01-09
Filing date: 2009-01-09
Publication date: 2013-10-09
Anticipated expiration: 2029-01-09
Also published as: US20100176682A1; JP2010161883A; EP2207253A3; EP2207253B1; EP2207253A2; US8400040B2

Description

本発明は永久磁石式回転電機に係り、特に、回転子に永久磁石を採用した例えば鉄道車輌用に好適な久磁石式回転電機に関する。

鉄道車輌に使用される回転電機としては、これまで巻線型発電機や誘導電動機が用いられてきたが、近年、永久磁石の高性能化，低価格化や高性能なインバータの普及により、小型軽量化，高効率化を可能とする永久磁石式回転電機を採用する気運が高まっている。

このような中、回転電機の電気特性や強度特性を改善するために、様々な形式の永久磁石を用いた回転子構造が検討されている。

例えば、特許文献１には、回転子コア内に形成されている永久磁石スロット（以下、単にスロットという）内に永久磁石が埋め込まれ、かつ、この永久磁石が埋め込まれたスロットを回転軸側から見て略ハの字を成すように配置し、略ハの字の２つのスロット間にスロット外側となる突極部と内側の中心部とを繋ぐブリッジ部を構成した構造が開示されている。また、特許文献２には、複数のスロットを周方向に隣接させて形成し、それらの各スロット内に永久磁石を埋め込み、各スロットの周方向に関する両端部の辺をそれぞれ傾斜させ、他の辺との接続部分を円弧部とした構造が開示されている。

この構造をとることで、隣接するスロット間に作用する応力の集中を回避することができる。

ところで、鉄道車輌用回転電機の場合、重量が乗り心地に大きく影響するため、回転電機の重量低減が重要となる。特に、出力が数百ｋＷ〜数ＭＷクラスの大容量な回転電機になると、回転電機の体格も大型となり大容量機特有の問題が顕在化する。回転電機の回転子構造は、組立容易性や部品数の低減から、回転子鉄心に永久磁石スロットを設け、この永久磁石スロットに永久磁石を埋め込む構造が多く採用されている。この構造のデメリットとして、永久磁石スロットの構造，回転子内部の位置により、電気特性と強度特性がトレードオフの関係になる点である。

回転電機が大型になることで、回転子の遠心力が増加し、遠心力に耐えうる強度，信頼性の確保と仕様となる電気特性を満足する必要がある。また、大型になることで材料の使用量も多くなることから、低コスト化を考慮すると、磁石使用量の低減や低コスト材料を使用することが望まれる。

特開２００６−３３３６５６号公報特開２００４−２６０８８８号公報

上述した如く、特許文献１には、永久磁石が埋め込まれている永久磁石スロットを、回転軸側から見て略「ハ」の字をなすように配置し、その永久磁石スロット間に連結部を構成し永久磁石を１極あたり４分割した構造が開示されている。

しかしながら、この特許文献１の構造では、連結部の幅や永久磁石の位置（径方向，周方向）などの規定がないことから、特に大容量となる大型回転電機においては、周速度の増加や永久磁石使用量の増加に伴い、遠心力も増加することから、強度，電気の両特性への配慮が不十分である。

一方、特許文献２には、１極を構成する永久磁石を５分割し、段差が無いよう全て平行に永久磁石を配置し、永久磁石スロットの両端部に曲線部と傾斜部を設けた構造が開示されている。

しかしながら、この特許文献２の構造では、永久磁石が周方向に段差無く平行に配置されていることから、各永久磁石スロットから回転子外周までの距離に大きく差が生じ、永久磁石スロットから回転子外周までの距離が長い分だけ、鉄心重量が増すため遠心力も増加する。そのため、各連結部の幅や各永久磁石スロット端部の曲線部が同形状では疲労強度に関わる集中応力を緩和するのが困難である。

本発明は上述の点に鑑みなされたもので、その目的とするところは、回転電機が大型化しても磁石使用量が増加することなく、電気，強度の両特性を満足することのできる永久磁石式回転電機を提供することにある。

本発明の永久磁石式回転電機は、上記目的を達成するために、固定子鉄心にコイルが巻かれた固定子と、該固定子と所定間隙をもって対向配置されると共に、回転子鉄心の外周部に形成された永久磁石スロットに永久磁石が埋設されてなる回転子とを備えた永久磁石式回転電機において、前記永久磁石スロットが、前記回転子鉄心内の周方向に沿って１極当たり少なくとも４つに分割され、かつ、各分割された前記永久磁石スロット内の各々に永久磁石が埋設されると共に、分割された周方向の各永久磁石間に連結部が形成され、その連結部の１極の中央部と隣接する極性が異なる極間との連結幅が、それ以外の連結幅より大きく形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、回転電機が大型化しても磁石使用量を低減され、しかも電気，強度の両特性を満足することができるので、此の種、永久磁石式回転電機には非常に有効である。

本発明の永久磁石式回転電機に採用される回転子を示した断面図である。（実施例１）図１に示した回転子の１／２断面であり、永久磁石スロット間の連結幅を示した図である。（実施例１）本発明における永久磁石スロット間の連結幅と誘起電圧規格化値及び応力規格化値の関係を示した特性図である。（実施例１）回転子の１極分となる１／６断面であり、永久磁石スロットと回転子の外周との距離を示した図である。（実施例１）本発明における回転子の永久磁石スロットと回転子外周からの径方向規格化距離値及び誘起電圧規格化値と応力規格化値の関係を示した特性図である。（実施例１）本発明における永久磁石スロット分割数と誘起電圧規格化値及び応力規格化値の関係を示した特性図である。（実施例１）本発明の永久磁石式回転電機の全体構成を示す断面図である。（実施例１）本発明の実施例２となる回転子の１極分となる１／６断面を示す図である。（実施例２）本発明の実施例３となる回転子の１／２断面を示す図である。（実施例３）本発明の実施例４となる回転子の１／２断面を示す図である。（実施例４）本発明の実施例５となる回転子の１極の半分となる永久磁石スロットの断面を示す図である。（実施例５）本発明の実施例６となる回転子の隣接する極性が異なる極間の永久磁石スロットを示す拡大図である。（実施例６）本発明の実施例７となる回転子の１／２断面を示す図である。（実施例７）本発明の実施例８となる回転子の軸方向断面を示す図である。（実施例８）本発明の永久磁石式回転電機を、ハイブリット鉄道用の発電機に適用した例を示す図である。（実施例９）

以下、本発明の永久磁石式回転電機の一実施例を図面を用いながら説明する。尚、各図において同一部分には同符号を使用して説明する。

図７に本発明の一実施例である永久磁石式回転電機を示す。本実施例の永久磁石式回転電機１は、６極７２スロットの回転電機であり、数ＭＷ級の電車用発電機に使用され、１５００〜２５００min^-1の範囲で回転するものである。

該図に示す如く、固定子２は、継鉄部から内周面に突出した複数のティース３を備える円筒状の固定子鉄心と、ティース３を用いて分布的に素線を巻回したコイル４とを備える分布巻き固定子となっている。コイル４はＵ相，Ｖ相，Ｗ相の３相巻線が施されており、７２スロットで６極が電気的に作られるように巻回されている。ティース３の間に形成されたスロット５の外径側に上コイル６が配置され、内径側に下コイル７が配置されるようになっている。コイル４は、短節巻と呼ばれる方式で巻回されており、全節巻よりも渦電流が低減される。コイル４は、スロット５に反時計回りに便宜的につけられた＃１から＃７２までの番号のうち、＃１スロットの下コイル７から出た素線が、＃１１の上コイル６に入るように結線されており、この結線が周方向に繰り返され３相巻線を構成している。巻線ピッチは＃１１から１を引いた値１０となり、磁極ピッチはスロット数７２を極数６で除算した値１２となる。巻線ピッチと磁極ピッチとの比（短節度）を５／６にすることにより、第５次と第７次の空間高調波が低減される。

尚、本実施例では、６極７２スロットの組合せを採用したが、その他の極数，スロット数の組合せ、さらに集中巻や全節巻との組合せでもよい。回転子８は、固定子２と同軸に回転可能となるよう配置されている。

図１は、本発明の実施例１である永久磁石式回転電機における回転子を示す。該図に示す如く、回転子鉄心９の外周部には、１極を構成する永久磁石スロット１１が回転子周方向に四つ配置され、各永久磁石スロット１１内に永久磁石１２がそれぞれ埋設されている。永久磁石１２は、１極あたり４個ずつ同極磁石が回転子周方向に計２４個埋設されている。永久磁石１２の磁石形状は、分割した永久磁石スロット内に全て同形状のものが埋設されている。

四つに分割された永久磁石スロット１１の各間の周方向には連結部１４，１５が形成され、その連結部の１極の中央となる連結部１４の幅と、隣接する極性が異なる極間となる連結部１４の幅は、それ以外の連結部１５の幅より大きくしている。尚、回転子鉄心９の軸には、シャフト１０が固定されている。

次に、連結部の幅，永久磁石スロットの径方向距離、及び永久磁石スロットの分割数に対しての電気特性と強度特性の関係を図を用いて以下に説明する。

図２は、図１に示した回転子８の１／２断面であり、永久磁石スロット１１間の連結幅を示した図である。また、１極の中心にある連結部１４と隣接する極性が異なる極間となる連結部１４をａとし、それ以外の連結部１５をｂとしたときのａ／ｂ比と、電気特性となる誘起電圧規格化値及び強度特性となる応力規格化値の関係とを図３に示す。

図３に示す如く、横軸のａ／ｂが大きくなると誘起電圧規格化値はａ／ｂが１付近で最大となり、１を超えると低下する。応力規格化値もａ／ｂが１付近で最大となり、１を超えると低下する。線３０は誘起電圧規格化値を示し、誘起電圧を満足される値を１に規格化している。また、線３１は応力規格化値を示し、応力を満足される値を１に規格化している。誘起電圧規格化値に着目すると、目標誘起電圧を満足するには１以上とする必要がある。一方、応力に着目すると、応力規格化値を１以下にすれば目標値を満足する。

よって、両者を満足するには同図からａ／ｂ比を１.４以上であれば応力規格化値を満足し、ａ／ｂ比が１.６以下であれば、誘起電圧規格化値を満足することができる。

図４は回転子８の１極分となる１／６断面図であり、永久磁石スロット１１と回転子鉄心９の外周との距離を示した図である。１極の中央となる永久磁石スロット１１の回転子外周側端部と回転子鉄心９の外周からの距離と、隣接する極性が異なる極間の永久磁石スロット１１の回転子外周側端部と回転子鉄心９の外周からの距離をそれぞれａ１とし、回転子鉄心９の半径をｒとしたとき、ａ１／ｒ比と電気特性となる誘起電圧規格化値と強度特性となる応力規格化値の関係を図５に示す。

図５に示す如く、横軸のａ１／ｒが大きくなると、誘起電圧規格化値，応力規格化値も低下する。線３０は誘起電圧規格化値を示し、誘起電圧を満足される値を１に規格化している。また、線３１は応力規格化値を示し、応力を満足される値を１に規格化している。誘起電圧規格化値に着目すると、目標誘起電圧を満足するには１以上とする必要がある。一方、応力に着目すると、応力規格化値を１以下にすれば目標値を満足する。

よって、両者を満足するには同図からａ１／ｒを０.０１５以上であれば応力規格化値を満足し、０.０１７７以下であれば、誘起電圧規格化値を満足することができる。

図６は永久磁石スロットの分割数と、電気特性となる誘起電圧規格化値及び強度特性となる応力規格化値の関係を示す。

該図に示す如く、横軸の永久磁石スロットの分割数が増えると、誘起電圧規格化値及び応力規格化値も低下する。線３０は誘起電圧規格化値を示し、誘起電圧を満足される値を１に規格化している。また、線３１は応力規格化値を示し、応力を満足される値を１に規格化している。誘起電圧規格化値に着目すると、目標誘起電圧を満足するには１以上とする必要がある。一方、応力に着目すると、応力規格化値を１以下にすれば目標値を満足する。

よって、両者を満足するには同図から永久磁石スロットの分割数を４あるいは５にすることで満足することができる。尚、組立容易性を考慮すると、永久磁石スロットの分割数は少ない方が良いため、本実施形態では４分割としている。

また、分割した永久磁石形状は全て同一寸法としているが、異なる寸法に分割してもよい。また、永久磁石スロット端部の曲線部は打ち抜き加工時用に必要な最小曲率半径よりも大きくすることが望ましい。また、回転子極数を６極としているが、その他の極数としてもよい。図３，図５，図６で示した範囲とすることで、特に大型の永久磁石回転電機に適用する場合、永久磁石使用量が低減でき、低コストな電磁鋼板を用いて、電気特性と強度特性を満足することができる。

図３，図５，図６を組合せ時の試験結果を表１に示す。

表１から、数ＭＷ級の発電機に適用する場合、最も適しているのは試験結果２となる。試験結果２，３は図３，図５，図６の範囲内となり数ＭＷ級発電機として適用した場合、試験結果２は下限となり、試験結果３が上限となる。試験結果１では、誘起電圧は数ＭＷ級の発電機としては満足しているが、集中応力が高くなり数ＭＷ級発電機として成立するのは困難となる。一方、試験結果５は数ＭＷ級の発電機として集中応力は満足しているが、誘起電圧では数ＭＷ級の発電機として成立するのは困難となる。

よって、図３，図５，図６の条件と組合せた時、範囲外となるのは試験結果１と試験結果５となり、本実施例で成立する条件は試験結果２，３，４となる。

図８は、本発明の実施例２となる回転子８の１極分となる１／６断面図を示す。実施例１で示した回転子８の永久磁石１２の配置を回転軸側から見てハの字状に配置し、ハの字状を構成する永久磁石１２の開き角度をθとした時、θを１２０°≦θ≦１５０°としている。永久磁石１２の開き角度θを上記の範囲とすることで、永久磁石１２をハの字状に配置したとき、実施例１で示した条件を適用しやすくなり、永久磁石スロットの位置を最適化することができる。

図９は、本発明の実施例３となる回転子８の１／２断面図を示す。該図に示す如く、回転子鉄心９に、１極を構成する永久磁石スロット１１を回転子周方向に６つ配置し、この永久磁石スロット１１に永久磁石１２が埋設されている。永久磁石１２は、１極あたり６個ずつ同極磁石が回転子周方向に計３６個埋設されている。永久磁石１２の磁石形状は、分割した永久磁石スロット１１内に全て同形状にて埋設している。分割した永久磁石スロット１１間の周方向に連結部が形成され、その連結部の１極の中央となる連結部１４の幅と、隣接する極性が異なる極間となる連結部１４の幅は、それ以外の連結部１５の幅より大きくしている。尚、本実施形態では回転子極数を６極としているが、その他の極数としてもよい。

図１０は、本発明の実施例４となる回転子８の１／２断面図を示す。該図に示す如く、回転子鉄心９に１極を構成する永久磁石スロット１１を回転子周方向に６つ分割し、分割した永久磁石スロット１１の回転子径方向の位置を全て同一に配置している。永久磁石１２は、１極あたり６個ずつ同極磁石が回転子周方向に計３６個埋設されている。永久磁石１２の磁石形状は、分割した永久磁石スロット１１内に全て同形状に埋設している。分割した永久磁石スロット間の周方向に連結部を設け、その連結部の１極の中央側となる連結部１４の幅と、隣接する極性が異なる極間となる連結部１４の幅は、それ以外の連結部１５の幅より大きくしている。尚、本実施形態では回転子極数を６極としているが、その他の極数としてもよい。

図１１は、本発明の実施例５となる回転子８の１極の半分となる永久磁石スロット１１の断面図を示す。本実施例では、分割した永久磁石スロット１１の形状を左右非対称としている。永久磁石スロット１１の形状を左右非対称とすることで、最大集中応力が発生する曲線部の曲率半径のみ大きくすることができ、左右対称にした時よりも磁石スロット面積が小さくなり、磁気特性の低下を防止できる。

図１２は、本発明の実施例６となる回転子８の隣接する極性が異なる極間の永久磁石スロット拡大図を示す。本実施例では、実施例１で示した回転子８の極性が異なる極間となる回転子外周に凹部１６を設けて、その隣接する永久磁石スロット１１の回転子外周側の端部曲線部１３の曲率半径を、凹部１６に隣接してない永久磁石スロット１１の端部曲率半径より大きくしている。

このように回転子８の極性が異なる極間となる回転子外周に凹部１６を設け、その隣接する永久磁石スロット１１の回転子外周側の端部曲率半径を、凹部１６に隣接してない永久磁石スロット１１の端部曲率半径より大きくすることで、凹部１６と曲線部１３との間の連結面積が大きくでき、効果的に集中応力を連結部に分散させ、集中応力を低減することができる。

図１３は、本発明の実施例７となる回転子８の１／２断面図を示す。本実施例では、実施例１で示した回転子鉄心９の分割した永久磁石スロット１１内で、永久磁石１２を分割し埋設している。永久磁石１２を永久磁石スロット１１内で分割することで、永久磁石１２に発生する渦電流を低減することができる。

図１４は、本発明の実施例８となる回転子８の軸方向断面図を示す。本実施例は、実施例１から実施例７で示した永久磁石１２を、軸方向に分割して埋設したものである。永久磁石１２を軸方向に分割し埋設することで、回転子８の組立性を向上することができる。

図１５は、本発明の永久磁石式回転電機を、ハイブリット鉄道用の発電機に適用した例を示す。該図に示す如く、電車１００は、実施例１から実施例８で示した永久磁石式回転電機１とエンジン１０１，変換機１０２，電池１０３を備え、エンジン１０１が駆動することで、永久磁石式回転電機１で発電し変換機１０２を介して電池１０３に充電する。

１永久磁石式回転電機
２固定子
３ティース
４コイル
５スロット
６上コイル
７下コイル
８回転子
９回転子鉄心
１０シャフト
１１永久磁石スロット
１２永久磁石
１３曲線部
１４，１５連結部
１６凹部
１００電車
１０１エンジン
１０２変換機
１０３電池

Claims

固定子鉄心にコイルが巻かれた固定子と、該固定子と所定間隙をもって対向配置されると共に、回転子鉄心の外周部に形成された永久磁石スロットに永久磁石が埋設されてなる回転子とを備えた永久磁石式回転電機において、
前記永久磁石スロットが、前記回転子鉄心の外周部に配置されると共に、前記回転子鉄心内の周方向に沿って１極当たり少なくとも４つに分割され、
かつ、各分割された前記永久磁石スロット内の各々に永久磁石が埋設されると共に、前記回転子鉄心の外周部において、分割された周方向の各永久磁石間に連結部が形成され、
前記連結部の内、１極の中央部にある連結部の連結幅と、隣接する極性が異なる極間となる連結部の連結幅とが、それ以外の連結幅より大きく形成されていることを特徴とする永久磁石式回転電機。
請求項１に記載の永久磁石式回転電機において、
前記永久磁石が埋設された前記各永久磁石スロットの端部に曲線部を設け、該曲線部の１極分が交互に極性を変え周方向に沿って配置されていることを特徴とする永久磁石式回転電機。
請求項１又は２に記載の永久磁石式回転電機において、
１極の中央となる前記永久磁石スロットの回転子外周側端部と前記回転子の外周との距離と、隣接する極性が異なる極間の前記永久磁石スロットの回転子外周側端部と前記回転子の外周側との距離をそれぞれａ１とし、前記回転子の半径をｒとしたとき、ａ１／ｒを０.０１５以上０.０１７７以下にしたことを特徴とする永久磁石式回転電機。
請求項１又は２に記載の永久磁石式回転電機において、
前記回転子の極性が異なる極間となる回転子外周部に凹部を設けたことを特徴とする永久磁石式回転電機。
請求項４に記載の永久磁石式回転電機において、
前記凹部に隣接する永久磁石スロットの回転子外周側の端部曲率半径を、前記凹部に隣接してない永久磁石スロット端部曲率半径より大きくしたことを特徴とする永久磁石式回転電機。
請求項１又は２に記載の永久磁石式回転電機において、
前記回転子の分割した永久磁石の配置を前記回転軸側から見てハの字状に配置し、ハの字状を構成する開き角度をθとした時、θを１２０°≦θ≦１５０°としたことを特徴とする永久磁石式回転電機。
請求項１又は２に記載の永久磁石式回転電機において、
前記回転子の分割した永久磁石を収める永久磁石スロットの端部形状を左右非対称にしたことを特徴とする永久磁石式回転電機。
請求項１又は２に記載の永久磁石式回転電機において、
前記回転子の分割した永久磁石を全て同一寸法にしたことを特徴とする永久磁石式回転電機。
請求項１又は２に記載の永久磁石式回転電機において、
前記回転子の分割した永久磁石の配置を周方向に沿って配置し、かつ分割した永久磁石の回転子径方向の位置を全て同一にしたことを特徴とする永久磁石式回転電機。
請求項１又は２に記載の永久磁石式回転電機において、
前記回転子の永久磁石を収める永久磁石スロット内で永久磁石を分割したことを特徴とする永久磁石式回転電機。
請求項１又は２に記載の永久磁石式回転電機において、
１極の中心にある前記連結幅と隣接する極性が異なる極間となる連結幅をａとし、それ以外の前記連結幅をｂとしたとき、ａ／ｂ比を１.４以上１.６以下にしたことを特徴とする永久磁石式回転電機。
請求項１又は２に記載の永久磁石式回転電機において、
１極の中央となる前記永久磁石スロットの回転子外周側端部と回転子外周からの距離と、隣接する極性が異なる極間の前記永久磁石スロットの回転子外周側端部と回転子外周からの距離をａ１とし、このａ１を０.９以上１.１以下にしたことを特徴とする永久磁石式回転電機。
永久磁石式回転電機とエンジンを備え、前記エンジンが駆動することで前記永久磁石式回転電機で発電する永久磁石式回転電機システムにおいて、
前記永久磁石式回転電機を、請求項１乃至１２のいずれかに記載の永久磁石式回転電機としたことを特徴とする永久磁石式回転電機システム。