JP5548046B2 - Permanent magnet rotating electric machine - Google Patents
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Description
本発明は、永久磁石回転電機に関する。 The present invention relates to a permanent magnet rotating electrical machine.
永久磁石をハルバッハ配列した永久磁石回転電機は、径方向にN 極とS 極を交互に配置した主磁極磁石と、この主磁極磁石の周方向両面に径方向以外(例えば周方向)に着磁された補助磁石を備えたものである( 例えば、特許文献1 、2 参照)。 A permanent magnet rotating electrical machine in which permanent magnets are arranged in Halbach is a main magnetic pole magnet in which N poles and S poles are alternately arranged in the radial direction, and magnetized in a direction other than the radial direction (for example, in the circumferential direction) on both circumferential sides of the main magnetic pole magnet. (For example, refer to Patent Documents 1 and 2).
永久磁石をハルバッハ配列した永久磁石回転電機の主磁極磁石と補助磁石とは、全体で略円筒状をなしており、永久磁石をハルバッハ配列にすると、特定の方向の磁力を強めることができる。このハルバッハ配列された永久磁石を有する回転電機は、大きくすることなく高出力化を図ることが可能になる。ヨーク鉄心15に電機子巻線4が巻かれており、永久磁石16、電機子巻線4、ヨーク鉄心15の間に磁束が形成される。 The main magnetic pole magnet and the auxiliary magnet of the permanent magnet rotating electrical machine in which the permanent magnets are arranged in the Halbach array are substantially cylindrical as a whole. When the permanent magnets are arranged in the Halbach array, the magnetic force in a specific direction can be increased. The rotating electrical machine having the permanent magnets arranged in the Halbach arrangement can achieve high output without increasing the size. The armature winding 4 is wound around the yoke core 15, and a magnetic flux is formed between the permanent magnet 16, the armature winding 4, and the yoke core 15.
しかし、特許文献1のものでは、固定子や回転子に鉄心を用いているためトルクの脈動が大きくなる。また、固定子や回転子に鉄心を用いているため、鉄心の磁気飽和が発生し、強力な磁場を発生する磁石を用いてもトルクの向上には限界がある。 However, in the thing of patent document 1, since the iron core is used for a stator or a rotor, the pulsation of a torque becomes large. Further, since the iron core is used for the stator and the rotor, magnetic saturation of the iron core occurs, and there is a limit to the improvement in torque even if a magnet that generates a strong magnetic field is used.
そこで、それらを鑑みて考案されたものが特許文献2のものである。このハルバッハ配列された永久磁石を2列とし、永久磁石列の間に電機子巻線を備えたものである。 Therefore, the one devised in view of them is that of Patent Document 2. The permanent magnets arranged in the Halbach array are arranged in two rows, and armature windings are provided between the permanent magnet rows.
しかしながら、特許文献2の永久磁石回転電機では、次のような解決すべき課題が存在する。すなわち、内側、外側の2列のいわゆるハルバッハ配列された永久磁石を有する永久磁石回転電機においては、内側磁石の内側部分には、無用な空間が存在し、回転電機の小型化の障壁となっている。また、回転電機を駆動するための電流を供給する、インバータ乃至電流アンプ等の制御装置には、素子内部の損失による発熱を冷却するための冷却装置が必要であり、また冷却装置は制御装置の体積の10〜60%を占めるため、制御装置が大型化してしまう。さらに、冷却装置は、冷却ファンなどの駆動部を有するため、メンテナンスなどの手間や、冷却装置の故障時に、素子が過熱するなどの問題を有する。 However, the permanent magnet rotating electric machine of Patent Document 2 has the following problems to be solved. That is, in a permanent magnet rotating electrical machine having inner and outer two rows of so-called Halbach arrayed permanent magnets, there is a useless space in the inner part of the inner magnet, which becomes a barrier to downsizing the rotating electrical machine. Yes. In addition, a control device such as an inverter or a current amplifier that supplies a current for driving the rotating electrical machine requires a cooling device for cooling heat generated by the loss inside the element. Since it occupies 10 to 60% of the volume, the control device is enlarged. Furthermore, since the cooling device has a drive unit such as a cooling fan, there are problems such as troubles such as maintenance and overheating of the element when the cooling device fails.
この発明は上記課題を解決するためになされたもので、その目的は、回転電機、制御装置の体積を小さくすることができ、かつ回転電機の強制冷却を利用して、制御装置を冷却することにより、信頼性の向上が可能な永久磁石回転電機を提供することにある。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to reduce the volume of the rotating electrical machine and the control device, and to cool the control device using forced cooling of the rotating electrical machine. Accordingly, an object of the present invention is to provide a permanent magnet rotating electrical machine capable of improving reliability.
上記を解決するために、実施形態による永久磁石回転電機は、電機子巻線を有し、電機子巻線内側が中空となる固定子と、固定子に対して回転可能に支持され、周方向にハルバッハ配列された2列の永久磁石列を有し、一方の永久磁石列は電機子巻線の外側に設けられ、他方の永久磁石列は電機子巻線の内側に設けられ、永久磁石列は、永久磁石列の外側永久磁石の磁極の向きと、永久磁石列の内側永久磁石の磁極の向きが、径方向の磁極の向きについては同一方向、周方向の磁極向きについては逆方向に向いている回転子と、回転子の内側の永久磁石列より内側の固定子上に配置され、電機子巻線に駆動電流を供給する制御装置と、回転子に内側永久磁石列より内側に設けられたフレーム穴とを有することを特徴としている。 In order to solve the above, the permanent magnet rotating electric machine according to the embodiment includes an armature winding, a stator in which the armature winding is hollow, and a rotor that is rotatably supported with respect to the stator. Two permanent magnet rows arranged in a Halbach array , one permanent magnet row being provided outside the armature winding, and the other permanent magnet row being provided inside the armature winding. The direction of the magnetic poles of the outer permanent magnets of the permanent magnet array and the direction of the magnetic poles of the inner permanent magnets of the permanent magnet array are the same for the radial magnetic poles and the opposite for the circumferential magnetic poles. A rotor, a control device for supplying a drive current to the armature winding, and a rotor disposed on the inner side of the inner permanent magnet row. And a frame hole .
本発明によれば、回転電機、制御装置の体積を小さくすることができ、かつ回転電機の強制冷却を利用して、制御装置を冷却することにより、信頼性の向上が可能な永久磁石回転電機を提供できる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the permanent magnet rotary electric machine which can reduce the volume of a rotary electric machine and a control apparatus, and can improve reliability by cooling a control apparatus using forced cooling of a rotary electric machine. Can provide.
以下、本発明に係る永久磁石を有する回転電機の実施形態について、図面を参照して説明する。 Hereinafter, an embodiment of a rotating electrical machine having a permanent magnet according to the present invention will be described with reference to the drawings.
(第1の実施形態)
まず、構成について説明する。図1は、本発明の第1の実施形態に係る永久磁石回転電機1の軸方向断面である。固定子6には、電機子巻線4が取り付けられている。前記電機子巻線4は、例えば三相交流を用いる場合、U相−V相−W相の順に巻かれている。前記固定子6と回転子5の間には、円弧状に軸受け9が構成されており、前記回転子5は前記固定子6の上で回転する構造になっている。前記回転子5にはハルバッハの配列で構成された略円筒形状の永久磁石列が、周方向に2列(2,3)構成されている。前記回転子5は、前記固定子に対向する側に凸部を2列有し、回転子の外側の凸部には永久磁石列(外側)2を、内側の凸部には永久磁石列(内側)3が例えば接着等により取付けられている。回転子に取付けられた永久磁石列2,3の間に前記電機子巻線4を配置するように構成する。さらに前記回転子、および前記固定子に囲まれた空間には例えばインバータ等の制御装置7が配置されている。前記制御装置7は放熱フィン71を備えており、前記制御装置7の内部で発生した熱を外部に逃がすことができる。図2は、第1の実施形態で、前記回転電機1の断面(径方向)を示す。前記回転子に取付けられた永久磁石列2,3は、図2に示すような磁極の配列とする。つまり、径方向に着磁された磁極については、外側の永久磁石列2と内側の永久磁石列3の永久磁石の磁極が同一方向になるように構成する。径方向に着磁された磁極の間にある周方向に着磁された永久磁石については、外側の永久磁石列2と内側の永久磁石列3の磁極が反対方向になるように構成する。
(First embodiment)
First, the configuration will be described. FIG. 1 is an axial cross section of a permanent magnet rotating electrical machine 1 according to a first embodiment of the present invention. An armature winding 4 is attached to the stator 6. For example, when using a three-phase alternating current, the armature winding 4 is wound in the order of U phase-V phase-W phase. A bearing 9 is formed in an arc shape between the stator 6 and the rotor 5, and the rotor 5 is configured to rotate on the stator 6. The rotor 5 includes two rows (2, 3) of substantially cylindrical permanent magnet rows configured in a Halbach array in the circumferential direction. The rotor 5 has two rows of convex portions on the side facing the stator, the permanent magnet row (outside) 2 is formed on the outer convex portion of the rotor, and the permanent magnet row (on the inner convex portion). The inner side 3 is attached by bonding or the like, for example. The armature winding 4 is arranged between the permanent magnet rows 2 and 3 attached to the rotor. Further, a control device 7 such as an inverter is arranged in a space surrounded by the rotor and the stator. The control device 7 includes heat radiating fins 71, and heat generated in the control device 7 can be released to the outside. FIG. 2 shows a cross section (radial direction) of the rotating electrical machine 1 in the first embodiment. The permanent magnet rows 2 and 3 attached to the rotor have an arrangement of magnetic poles as shown in FIG. That is, the magnetic poles magnetized in the radial direction are configured such that the magnetic poles of the permanent magnets in the outer permanent magnet row 2 and the inner permanent magnet row 3 are in the same direction. The permanent magnets magnetized in the circumferential direction between the magnetic poles magnetized in the radial direction are configured such that the magnetic poles of the outer permanent magnet row 2 and the inner permanent magnet row 3 are in opposite directions.
次に、効果について説明する。回転電機1は、電機子巻線4に例えば三相交流電流を流すことで回転子5が回転する。三相交流電流は、制御装置7により供給されるため、通常必要となる外部の制御装置が不要となり、小型化が可能となる。 Next, the effect will be described. In the rotating electrical machine 1, the rotor 5 rotates by passing, for example, a three-phase alternating current through the armature winding 4. Since the three-phase alternating current is supplied by the control device 7, an external control device that is normally required is unnecessary, and the size can be reduced.
(第2の実施形態)
まず、構成について説明する。図3は第2の実施形態に係る永久磁石回転電機1の軸方向断面図である。図4は、第2の実施形態に係る永久磁石回転電機1の上面図である。
(Second Embodiment)
First, the configuration will be described. FIG. 3 is an axial sectional view of the permanent magnet rotating electrical machine 1 according to the second embodiment. FIG. 4 is a top view of the permanent magnet rotating electrical machine 1 according to the second embodiment.
基本的な構成については、第1の実施形態に同じであるため省略する。 Since the basic configuration is the same as that of the first embodiment, a description thereof will be omitted.
第2の実施形態の特徴は、前記回転子5に、制御装置7の例えばIGBTなどの素子に対応する位置に、フレーム穴13を設けたことである。 A feature of the second embodiment is that a frame hole 13 is provided in the rotor 5 at a position corresponding to an element such as an IGBT of the control device 7.
次に、作用について説明する。フレーム穴13が設けられている回転子5が回転することによって、空気流体が流れるファンとして作用する。永久磁石回転電機1内部の空気は、フレーム穴13を通じて外部の空気と交換する。 Next, the operation will be described. When the rotor 5 provided with the frame hole 13 rotates, it acts as a fan through which air fluid flows. The air inside the permanent magnet rotating electrical machine 1 is exchanged with outside air through the frame hole 13.
次に、効果について説明する。第2の実施形態によれば、制御装置7の例えばIGBTなどの素子は、電機子巻線4に電流を供給するために素子内部に電流が流れるが、電流が流れる際に損失が生じ発熱する。永久磁石回転電機1内部の空気が、フレーム穴13を通じて外部の空気と交換することにより、前記制御装置7の損失により生じた熱を冷却することができる。 Next, the effect will be described. According to the second embodiment, an element such as IGBT of the control device 7 has a current flowing inside the element in order to supply current to the armature winding 4, but a loss occurs and heat is generated when the current flows. . By replacing the air inside the permanent magnet rotating electrical machine 1 with the outside air through the frame hole 13, the heat generated by the loss of the control device 7 can be cooled.
(第3の実施形態)
まず、構成について説明する。図5は第3の実施形態に係る永久磁石回転電機1の軸方向断面図である。図6は、第3の実施形態に係る永久磁石回転電機1の上面図である。
(Third embodiment)
First, the configuration will be described. FIG. 5 is an axial sectional view of the permanent magnet rotating electrical machine 1 according to the third embodiment. FIG. 6 is a top view of the permanent magnet rotating electrical machine 1 according to the third embodiment.
基本的な構成については、第1の実施形態に同じであるため省略する。 Since the basic configuration is the same as that of the first embodiment, a description thereof will be omitted.
第3の実施形態の特徴は、制御装置7に対応する位置に、傾斜面をつけたフレーム穴14を設置したことにある。 The feature of the third embodiment is that a frame hole 14 with an inclined surface is installed at a position corresponding to the control device 7.
次に、作用と効果について説明する。前記傾斜つきフレーム穴14が設けられた回転子5が回転すると、遠心力によって図5に示す形状のフレーム穴14から空気が流入しやすくなる。したがって、発熱体である制御装置7に対する冷却効果は高まる。 Next, functions and effects will be described. When the rotor 5 provided with the inclined frame hole 14 rotates, air easily flows in from the frame hole 14 having the shape shown in FIG. 5 by centrifugal force. Therefore, the cooling effect with respect to the control apparatus 7 which is a heat generating body increases.
(第4の実施形態)
まず、構成について説明する。図7は第4の実施形態に係る永久磁石回転電機1の軸方向断面図である。図8は、第4の実施形態に係る永久磁石回転電機1の上面図である。
(Fourth embodiment)
First, the configuration will be described. FIG. 7 is an axial sectional view of the permanent magnet rotating electrical machine 1 according to the fourth embodiment. FIG. 8 is a top view of the permanent magnet rotating electrical machine 1 according to the fourth embodiment.
基本的な構成については、第1の実施形態に同じであるため省略する。 Since the basic configuration is the same as that of the first embodiment, a description thereof will be omitted.
回転子5の回転軸を中心として、円形のフレーム穴を開け、フレーム穴内周壁面に、複数羽が設けられている。また固定子6の回転軸中心周りには、固定子フレーム穴16が設けられている。制御装置7は、前記固定子フレーム穴16に対応して、円形に配置され、その内側には放熱フィン72が配置されている。 A circular frame hole is formed around the rotation axis of the rotor 5, and a plurality of blades are provided on the inner peripheral wall surface of the frame hole. A stator frame hole 16 is provided around the rotation axis center of the stator 6. The control device 7 is arranged in a circular shape corresponding to the stator frame hole 16, and radiating fins 72 are arranged inside thereof.
次に、作用と効果について説明する。回転子5に設けられた羽15は、回転子5の回転によってファンの役割を果たし、空気流体の流れを発生する。空気は永久磁石回転電機1内部に取り入れられ、制御装置7に設けられている放熱フィン72から、制御装置7で発生した熱を奪い、固定子フレーム穴16を通じて外部に排出される。これにより、制御装置7を効率的に冷却することができる。 Next, functions and effects will be described. The wings 15 provided on the rotor 5 serve as a fan by the rotation of the rotor 5 and generate a flow of air fluid. Air is taken into the permanent magnet rotating electrical machine 1, takes heat generated by the control device 7 from the heat radiation fins 72 provided in the control device 7, and is discharged to the outside through the stator frame hole 16. Thereby, the control apparatus 7 can be cooled efficiently.
(第5の実施形態)
まず、構成について説明する。図9は第5の実施形態に係る永久磁石回転電機1の軸方向断面図である。図10は、第5の実施形態に係る永久磁石回転電機1の径方向断面図である。基本的な構成については、第4の実施形態に同じであるため省略する。
(Fifth embodiment)
First, the configuration will be described. FIG. 9 is an axial sectional view of the permanent magnet rotating electrical machine 1 according to the fifth embodiment. FIG. 10 is a radial cross-sectional view of the permanent magnet rotating electrical machine 1 according to the fifth embodiment. Since the basic configuration is the same as that of the fourth embodiment, a description thereof will be omitted.
第5の実施形態では、固定子6の下面に、固定子フレーム穴16から端部へ、放射状の固定子放熱フィン17を設け、固定子放熱フィンを被う例えば板等の放熱フィンオオイ18を設置したものである。 In the fifth embodiment, radial stator radiating fins 17 are provided on the lower surface of the stator 6 from the stator frame hole 16 to the end portion, and radiating fin oil 18 such as a plate is provided to cover the stator radiating fins. It is a thing.
次に、作用と効果について説明する。回転子5に設けられた羽15は、回転子5の回転によってファンの役割を果たし、空気流体の流れを発生する。空気は永久磁石回転電機1内部に取り入れられ、制御装置7に設けられている放熱フィン72から、制御装置7で発生した熱を奪い、固定子フレーム穴16を通じて、突起17と突起オオイ18に囲まれた空間に移動する。発熱体である電機子巻線4で発生した熱は、固定子6を介して固定子放熱フィン17に伝達し、羽15によって発生した空気の流れによって外部に排出される。これにより、制御装置7のみならず、電機子巻線4を効率的に冷却することができる。 Next, functions and effects will be described. The wings 15 provided on the rotor 5 serve as a fan by the rotation of the rotor 5 and generate a flow of air fluid. Air is taken into the permanent magnet rotating electrical machine 1, takes heat generated by the control device 7 from the radiating fins 72 provided in the control device 7, and is surrounded by the protrusion 17 and the protrusion oil 18 through the stator frame hole 16. Move to the designated space. Heat generated in the armature winding 4 that is a heating element is transmitted to the stator radiating fins 17 through the stator 6, and is discharged to the outside by the air flow generated by the blades 15. Thereby, not only the control apparatus 7 but the armature winding 4 can be efficiently cooled.
1…回転電機
2…永久磁石(外側)
3…永久磁石(内側)
4…電機子巻線、
5…回転子
6…固定子
7…制御装置
71…放熱フィン
72…放熱フィン
8…コイル渡り線
9…軸受け
10…U相巻線
11…V相巻線
12…W相巻線
13…フレーム穴
14…傾斜つきフレーム穴
15…羽
16…固定子フレーム穴
17…固定子放熱フィン
18…放熱フィンオオイ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Rotary electric machine 2 ... Permanent magnet (outside)
3 Permanent magnet (inside)
4 ... Armature winding,
DESCRIPTION OF SYMBOLS 5 ... Rotor 6 ... Stator 7 ... Control apparatus 71 ... Radiation fin 72 ... Radiation fin 8 ... Coil connecting wire 9 ... Bearing 10 ... U-phase winding 11 ... V-phase winding 12 ... W-phase winding 13 ... Frame hole 14 ... Inclined frame hole 15 ... Wings 16 ... Stator frame hole 17 ... Stator radiating fin 18 ... Radiating fin oi
Claims (4)
前記固定子に対して回転可能に支持され、周方向にハルバッハ配列された2列の永久磁石列を有し、一方の永久磁石列は前記電機子巻線の外側に設けられ、他方の永久磁石列は前記電機子巻線の内側に設けられ、前記永久磁石列は、前記永久磁石列の外側永久磁石の磁極の向きと、前記永久磁石列の内側永久磁石の磁極の向きが、径方向の磁極の向きについては同一方向、周方向の磁極向きについては逆方向に向いている回転子と、
前記回転子の内側の永久磁石列より内側の固定子上に配置され、前記電機子巻線に駆動電流を供給する制御装置と、
前記回転子に内側永久磁石列より内側に設けられたフレーム穴と
を有することを特徴とする永久磁石回転電機。 A stator having an armature winding, and the inside of the armature winding being hollow;
The permanent magnet has two rows of permanent magnets rotatably supported with respect to the stator and arranged in a Halbach array in the circumferential direction . One permanent magnet row is provided outside the armature winding, and the other permanent magnet A row is provided inside the armature winding, and the permanent magnet row is configured such that the direction of the magnetic pole of the outer permanent magnet of the permanent magnet row and the direction of the magnetic pole of the inner permanent magnet of the permanent magnet row are radial. The rotor is oriented in the same direction for the direction of the magnetic poles and in the opposite direction for the direction of the magnetic poles in the circumferential direction
A control device that is disposed on a stator inside the permanent magnet row inside the rotor and supplies a drive current to the armature winding;
A frame hole provided inside the inner permanent magnet row in the rotor;
Permanent magnet rotating electric machine characterized in that it comprises a.
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