JP5750987B2

JP5750987B2 - 永久磁石式回転電機

Info

Publication number: JP5750987B2
Application number: JP2011093932A
Authority: JP
Inventors: 江桁劉
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2011-04-20
Filing date: 2011-04-20
Publication date: 2015-07-22
Anticipated expiration: 2031-04-20
Also published as: JP2012228077A

Description

本発明は、励磁コイルを巻装した固定子と、この固定子に所定の隙間をあけて相対回転自在に配置され、永久磁石を設けた回転子とを備えた永久磁石式回転電機に関する。

永久磁石式回転電機は、誘導電動機と比較して二次銅損が発生せず、磁束をつくるための励磁電流を流す必要がないので、誘導電動機と同じ出力を得る場合には高効率化や小型化を容易に実現できる。さらに、永久磁石が回転子の内部に埋め込まれている埋込磁石構造（ＩＰＭ：Ｉnterior Ｐermanent Ｍagnet）では、磁石トルク以外にリラクタンストルクが併用できるため、更なる効率アップが期待されている。

一方、永久磁石式回転電機では、界磁磁束を永久磁石により得るため、その界磁磁束は常に一定であり、回転電機の誘導電圧が回転速度と比例関係となる。高速回転では永久磁石による誘導電圧が高くなり、その誘起電圧が電源電圧上限に達すると、出力に必要な電流が流れなくなる。さらに、その高い誘起電圧をインバータの電子部品に印加し、電子部品の耐電圧以上になると、電子部品が絶縁破壊してしまうこともある。

そこで、回転機のｄ軸に負のｄ軸電流を流すことで、ｄ軸電機子反作用による減磁効果を利用してｄ軸方向の磁束を減少させる制御方法、いわゆる弱め磁束制御がよく知られている。しかし、この場合には、永久磁石に減磁界を与え続ける必要があり、出力には寄与しないｄ軸電流を常時流し続けるため銅損が増加して効率は悪化する問題がある。

このような問題を解決するために、例えば特許文献１に示す永久磁石式回転電機が知られている。図７は、特許文献１の永久磁石式回転電機を構成する回転子１である。この回転子１は、回転鉄心２の半径方向に延在し、互いに周方向に所定間隔をあけて埋め込まれている複数の低保磁力永久磁石３と、隣接する２個の低保磁力永久磁石３に対して内周側で挟まれるように周方向に延在して回転鉄心２に埋め込まれている複数の高保磁力永久磁石４とを備えている。低保磁力永久磁石３は、巻線を設けた固定子（不図示）の電流で作る磁界により不可逆的に磁束密度が変化する磁石であり、高保磁力永久磁石４は、低保磁力永久磁石３の２倍以上の保磁力を有する磁石である。

そして、特許文献１では、固定子の巻線に、短時間（１００μｓ〜１ｍｓ程度）のパルス的な電流を流して磁界を形成し、低保磁力永久磁石３に着磁させて、低保磁力永久磁石３による磁束方向と磁束量を調整し、低保磁力永久磁石３と高保磁力永久磁石４の合成磁束を制御することで、高速回転時の誘起電圧を制御している。

特開２００６−２８０１９５号公報

しかし、上述したような特許文献１の技術は、回転速度によって外部から低保磁力永久磁石３の磁束を調整する着磁電流を流さなければならない。すなわち、可変速度負荷の場合には、この着磁動作を頻繁に行う必要がある。また、この着磁動作を行なう電流は、回転機を制御するインバータより出力されるため、インバータのパワーデバイスに余計な負担がかかるおそれがある。さらに、回転電機の高速回転時に、インバータ制御装置が故障になった場合、低保磁力永久磁石３の磁束を調整できなくなり、高い誘起電圧をインバータの電子部品に印加してしまい、インバータの絶縁破壊や故障の原因になる問題もある。
そこで、本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、高速回転時の磁束低減を行うことで誘起電圧を抑制し、高効率の運転を実現すると共に、インバータの電子部品に対する被害を防止することができる永久磁石式回転電機を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、請求項１記載の永久磁石式回転電機は、励磁コイルを巻装した固定子と、この固定子に所定の隙間をあけて相対回転自在に配置され、永久磁石を設けた回転子とを備え、前記永久磁石が発生する磁束と前記励磁コイルに流れる電流との相互作用により前記回転子が回転する永久磁石式回転電機において、前記回転子の回転による回転遠心力が応力として作用することで透磁率が変化する超磁歪素子からなる磁気特性可変素子と、所定の質量に設定することで、前記磁気特性可変素子に作用する前記回転遠心力を調整する応力調整ブロックと、を備え、前記磁気特性可変素子と前記応力調整ブロックとの間に前記永久磁石を位置し、互いに厚さ方向に面接触状態で重ねて固定し、前記回転子に形成した空洞部に、前記磁気特性可変素子、前記永久磁石及び前記応力調整ブロックが径方向に重なるように配置し、前記空洞部の径方向の外側に位置する内壁に前記磁気特性可変素子を固定し、前記空洞部の径方向の内側に位置する内壁と前記応力調整ブロックとの間に隙間を設けた。

また、本願請求項２記載の発明は、励磁コイルを巻装した固定子と、この固定子に所定の隙間をあけて相対回転自在に配置され、永久磁石を設けた回転子とを備え、前記永久磁石が発生する磁束と前記励磁コイルに流れる電流との相互作用により前記回転子が回転する永久磁石式回転電機において、前記回転子の回転による回転遠心力が応力として作用することで透磁率が変化する超磁歪素子からなる磁気特性可変素子と、所定の質量に設定することで、前記磁気特性可変素子に作用する前記回転遠心力を調整する応力調整ブロックと、を備え、前記磁気特性可変素子と前記永久磁石との間に前記応力調整ブロックを位置し、互いに厚さ方向に面接触状態で重ねて固定し、前記回転子に形成した空洞部に、前記磁気特性可変素子、前記応力調整ブロック及び前記永久磁石が径方向に重なるように配置し、前記空洞部の径方向の外側に位置する内壁に前記磁気特性可変素子を固定し、前記空洞部の径方向の内側に位置する内壁と前記永久磁石との間に隙間を設けた。

これら本願請求項１，２の発明によると、回転子の回転速度が増大していくと、回転子の回転遠心力が磁気特性可変素子に応力として加わり、磁気特性可変素子の磁気特性が変化して永久磁石の磁束を減少させるので、永久磁石式回転電機の誘起電圧を抑制することができる。
また、磁気特性可変素子に加わる応力（回転遠心力）を応力調整ブロックの質量で変化させ、永久磁石の形状を変更する必要がないことから、永久磁石の磁束が変化せず、永久磁石式回転電機の誘起電圧を自由に調整することができる。

本発明に係る永久磁石式回転電機によれば、回転子の回転速度が増大していくと、回転子の回転遠心力が磁気特性可変素子に応力として加わり、磁気特性可変素子の磁気特性が変化して永久磁石の磁束を減少させるので、永久磁石式回転電機の誘起電圧を抑制することができる。したがって、弱め磁束制御を行なうことなく、或いは、小さな弱め磁束電流を流すことで高速回転を達成することができ、永久磁石に減磁界を与えるためのｄ軸電流を常時流す必要がなく、高効率の永久磁石式回転電機を実現することができる。さらに、永久磁石の磁束を低減させるのは、外部の制御回路に関係なく、回転子の回転速度によって自動的に調整することができ、高速運転時に、インバータが故障になっても高い誘起電圧が発生せず、インバータの電子部品に対する被害を防止することができる。

本発明に係る第１実施形態の永久磁石式回転電機を示す断面図である。本発明に係る永久磁石式回転電機に備えている磁気特性可変素子の特性（圧縮応力と透磁率との関係）を示すグラフである。本発明に係る永久磁石式回転電機の永久磁石で発生する磁束が回転速度に応じて減少していく状態を従来と比較して示したグラフである。本発明に係る永久磁石式回転電機の回転速度と誘起電圧との関係を従来と比較して示したグラフである。本発明に係る第２実施形態の永久磁石式回転電機の回転子を示す断面図である。本発明に係る第３実施形態の永久磁石式回転電機の回転子を示す断面図である。従来の永久磁石式回転電機の回転子を示す断面図である。

以下、本発明を実施するための形態（以下、実施形態という。）を、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明に係る第１実施形態の永久磁石式回転電機１を示す断面図である。この永久磁石式回転電機１は、円筒形状の固定子２と、この固定子２の内周側に所定のエアギャップを設けて対向する回転子３とで構成されている。
固定子２は、内周面側に円周方向に等間隔で複数のスロット４が形成され、隣接するスロット４，４の間に複数の磁極ティース５が形成されている。各磁極ティース５にはスロット４内に巻装された励磁コイル６が巻回されている。

回転子３は、円柱形状の回転子コア７と、回転子コア７の周方向に所定間隔をあけて設けた複数箇所のスロット８と、各スロット８内に重なって配置された板状の永久磁石９及び磁気特性可変素子１０とを備えている。
各スロット８は、回転子コア７の径方向に長手方向が直交している矩形状空洞部８ａと、この矩形状空洞部８ａの両端から回転子コア７の外周側に向けて斜めに延在している端部側空洞部８ｂとで構成されている。

永久磁石９及び磁気特性可変素子１０は、互いに厚さ方向に重ねて固定されている。そして、矩形状空洞部８ａ内に、永久磁石９に対して回転子コア７の径方向の外側に位置するように磁気特性可変素子１０が配置され、矩形状空洞部８ａの径方向の外側に位置する内壁に磁気特性可変素子１０の対向面が固定され、矩形状空洞部８ａの径方向の内側に位置する内壁と永久磁石９の対向面との間に隙間が設けられている。

磁気特性可変素子１０は、応力が加わると、その応力の速さや大きさに応じて磁気特性が変化するものであり、具体的なものとしては超磁歪素子が使用されている。
図２に、超磁歪素子の特性（圧縮応力と透磁率との関係）を示す。この図によると、超磁歪素子に圧縮応力を加えていない場合の透磁率を１００％とすると、超磁歪素子に圧縮応力を加えた場合には、その圧縮応力の大きさに応じて超磁歪素子の透磁率が減少する。

永久磁石式回転電機１の回転子３が回転を開始すると、永久磁石９に発生する回転遠心力が磁気特性可変素子１０に対して応力を加えることなり、磁気特性可変素子１０の透磁率が回転速度に応じて変化する。すなわち、回転子３の回転速度が高いほど、永久磁石９に発生する回転遠心力が回転速度の二乗に比例して高くなり、磁気特性可変素子１０の透磁率が小さくなり、磁気回路の磁気抵抗が大きくなる。よって、本実施形態の永久磁石式回転電機１では、永久磁石９で発生する鎖交磁束が回転速度に応じて減少していく（図３参照）。

ここで、本実施形態の永久磁石式回転電機１の誘起電圧は、鎖交磁束と回転速度の積算である。従来の永久磁石式回転電機は、永久磁石の鎖交磁束が一定であるため、誘起電圧は回転速度と比例関係となる。これに対して、本実施形態の永久磁石式回転電機１は、前述したように永久磁石９で発生する鎖交磁束が回転速度に応じて減少していくので、本実施形態の永久磁石式回転電機１の誘起電圧は、誘起電圧が回転速度と比例関係となる従来と比較して低くなる（図４参照）。

本実施形態の永久磁石式回転電機１は、回転子３の回転速度が増大していくと、回転子コア７に埋設されている永久磁石９に発生する回転遠心力が、永久磁石９に対して回転子コア７の径方向の外側に配置した磁気特性可変素子１０に応力として加わり、磁気特性可変素子１０の透磁率が小さくなることで、永久磁石９で発生する鎖交磁束が回転速度に応じて減少していくので、低速回転時において永久磁石９の鎖交磁束が大きなって大きなトルクを得ることができるとともに、回転速度が高くなるに従い永久磁石９による鎖交磁束が小さくなり、誘起電圧を抑制することができる。

したがって、弱め磁束制御を行なうことなく、或いは、小さな弱め磁束電流を流すことで高速回転を行うことができ、永久磁石９に減磁界を与えためのｄ軸電流を常時流す必要がなく、高効率の永久磁石式回転電機１を実現することができる。
また、本実施形態の永久磁石式回転電機１は、永久磁石９による鎖交磁束を、外部の制御回路に関係なく、回転子３の回転速度によって自動的に調整することができ、高速運転時に、インバータが故障になっても高い誘起電圧が発生せず、インバータの電子部品に対する被害を防止することができる。
さらに、磁気特性可変素子１０を構成する超磁歪素子は、変位量が大きく発生応力に応じて透磁率が大きく変化するものなので、回転速度が増大すると永久磁石９の鎖交磁束を確実に小さくし、永久磁石式回転電機１の誘起電圧を確実に抑制することができる。

次に、図５は、本発明に係る第２実施形態の永久磁石式回転電機を構成する回転子３を示すものである。なお、本実施形態の永久磁石式回転電機を構成する固定子は、図１で示した固定子２と同一構成である。また、図１で示した構成と同一構成部分には、同一符号を付して説明を省略する。
本実施形態は、回転子コア７の周方向に所定間隔をあけて設けた複数箇所のスロット８の矩形状空洞部８ａに、永久磁石９、磁気特性可変素子１０及び応力調整ブロック１１が重なって配置されている。
応力調整ブロック１１は、回転により発生する回転遠心力を磁気特性可変素子１０に応力として作用させる部材であり、磁性体、或いは非磁性体からなる所定の質量を有するブロック体である。

磁気特性可変素子１０は、第１実施形態と同様に、超磁歪素子が使用されている。
永久磁石９、磁気特性可変素子１０及び応力調整ブロック１１は、磁気特性可変素子１０と応力調整ブロック１１との間に永久磁石９を位置して互いに厚さ方向に重ねて固定されている。そして、矩形状空洞部８ａの径方向の外側に位置する内壁に磁気特性可変素子１０の対向面が固定され、矩形状空洞部８ａの径方向の内側に位置する内壁と応力調整ブロック１１の対向面との間に隙間が設けられている。

本実施形態は、永久磁石式回転電機１の回転子３が回転を開始すると、永久磁石９及び応力調整ブロック１１に発生する回転遠心力が磁気特性可変素子１０に対して応力を加えることなり、磁気特性可変素子１０の透磁率が回転速度に増加により小さくなり、永久磁石９で発生する鎖交磁束も回転速度の増加により減少し、誘起電圧が回転速度と比例関係となっている従来と比較して低くなるので、永久磁石式回転電機の誘起電圧を抑制することができる。

ここで、本実施形態の永久磁石式回転電機１は、磁気特性可変素子１０に加わる応力を、永久磁石９及び応力調整ブロック１１による回転遠心力としたことで、永久磁石９で発生する鎖交磁束と誘起電圧を自由に調整することができる。すなわち、本実施形態は、磁気特性可変素子１０に加える応力（回転遠心力）を応力調整ブロック１１の質量で変化することができるので、永久磁石９の形状を変更する必要がなく、永久磁石９の交差磁束が変化せず、永久磁石式回転電機の誘起電圧も自由に調整することができる。

なお、図５では、磁気特性可変素子１０と応力調整ブロック１１との間に永久磁石９を位置して互いに厚さ方向に重ねて固定し、これらをスロットの矩形状空洞部８ａに配置したが、図６に示すように、磁気特性可変素子１０と永久磁石９との間に応力調整ブロック１１を位置して互いに厚さ方向に重ねて固定し、矩形状空洞部８ａの径方向の外側に位置する内壁に磁気特性可変素子１０の対向面を固定し、矩形状空洞部８ａの径方向の内側に位置する内壁と永久磁石９の対向面との間に隙間を設けて配置しても、図５と同様の効果を奏することができる。

１…永久磁石式回転電機、２…固定子、３…回転子、４…スロット、５…磁極ティース、６…励磁コイル、７…回転子コア、８…スロット、８ａ…矩形状空洞部、８ｂ…端部側空洞部、９…永久磁石、１０…磁気特性可変素子、１１…応力調整ブロック

Claims

励磁コイルを巻装した固定子と、この固定子に所定の隙間をあけて相対回転自在に配置され、永久磁石を設けた回転子とを備え、前記永久磁石が発生する磁束と前記励磁コイルに流れる電流との相互作用により前記回転子が回転する永久磁石式回転電機において、
前記回転子の回転による回転遠心力が応力として作用することで透磁率が変化する超磁歪素子からなる磁気特性可変素子と、
所定の質量に設定することで、前記磁気特性可変素子に作用する前記回転遠心力を調整する応力調整ブロックと、を備え、
前記磁気特性可変素子と前記応力調整ブロックとの間に前記永久磁石を位置し、互いに厚さ方向に面接触状態で重ねて固定し、
前記回転子に形成した空洞部に、前記磁気特性可変素子、前記永久磁石及び前記応力調整ブロックが径方向に重なるように配置し、前記空洞部の径方向の外側に位置する内壁に前記磁気特性可変素子を固定し、前記空洞部の径方向の内側に位置する内壁と前記応力調整ブロックとの間に隙間を設けたことを特徴とする永久磁石式回転電機。
励磁コイルを巻装した固定子と、この固定子に所定の隙間をあけて相対回転自在に配置され、永久磁石を設けた回転子とを備え、前記永久磁石が発生する磁束と前記励磁コイルに流れる電流との相互作用により前記回転子が回転する永久磁石式回転電機において、
前記回転子の回転による回転遠心力が応力として作用することで透磁率が変化する超磁歪素子からなる磁気特性可変素子と、
所定の質量に設定することで、前記磁気特性可変素子に作用する前記回転遠心力を調整する応力調整ブロックと、を備え、
前記磁気特性可変素子と前記永久磁石との間に前記応力調整ブロックを位置し、互いに厚さ方向に面接触状態で重ねて固定し、
前記回転子に形成した空洞部に、前記磁気特性可変素子、前記応力調整ブロック及び前記永久磁石が径方向に重なるように配置し、前記空洞部の径方向の外側に位置する内壁に前記磁気特性可変素子を固定し、前記空洞部の径方向の内側に位置する内壁と前記永久磁石との間に隙間を設けたことを特徴とする永久磁石式回転電機。