JP5818400B2 - 永久磁石同期電動機 - Google Patents

Description

本発明は、新幹線などの鉄道車両に使用される電動機に関し、特に、ロータに界磁用の永久磁石が設けられた永久磁石同期電動機に関する。

車両用駆動装置、例えば、鉄道車両用の駆動装置は、車輪の近傍で台車内にそれぞれ設置された複数の主電動機と、これらの主電動機を駆動する制御装置と、を備えている。近年、磁石の高性能化や磁束密度を向上させる技術の進歩により、主電動機として永久磁石同期電動機が適用されるようになってきた。この場合、主電動機と、電力を供給する制御装置とは１：１に対応する。そのため、制御装置は、各主電動機の近傍に設置、または主電動機と一体型にすることが可能となる。

永久磁石同期電動機、例えば、インナーロータ型の永久磁石同期電動機は、一般に、回転軸に取り付けられた円筒形状の回転子鉄心と、回転子鉄心の周囲に配設された固定子鉄心と、を備えている。回転子鉄心の軸方向両端部は、回転軸に取り付けられた鉄心押え板により押さえられ、所定位置に位置決めされている。回転子鉄心に、複数の永久磁石が取り付けられている。

特許文献１には、回転軸方向に沿って回転子鉄心の内部に設けた空洞部に複数の永久磁石を配置したリラクタンス型回転電機について記載されている。

特開平１１−２７９１３号公報

しかしながら、特許文献１に記載の回転電機の構成では、磁気遮蔽板で抑制できなかった回転軸方向の漏れ磁束が鉄心押え板に誘導されてしまう。そのため、回転電機の特性が低下するという問題がある。

本発明は、以上の点に鑑み、回転軸方向の漏れ磁束を緩和し、特性を向上することができる永久磁石同期電動機を提供することを目的とする。

本発明の永久磁石同期電動機は、回転自在に支持された回転軸と、前記回転軸に取付けられ、前記回転軸と一体的に回転可能な円筒状の回転子鉄心と、前記回転子鉄心に取り付けられ、前記回転子鉄心の外周側から前記回転子鉄心の中心側に向かう長辺を有し、Ｖ字状に設けられている永久磁石と、前記回転軸に取り付けられ、前記回転子鉄心の軸方向両端部をそれぞれ押えた押え板と、前記回転子鉄心の軸方向両端にそれぞれ対向して設けられ、それぞれ前記回転子鉄心と前記押え板との間に位置した磁気遮蔽板と、前記永久磁石と対向して設けられているとともに前記回転子鉄心と同軸的に設けられた固定子鉄心と、を備え、前記押え板は、前記永久磁石の前記長辺と平行に前記永久磁石を２等分する中心線及び前記中心線よりも前記回転子鉄心の中心側で前記回転軸方向に前記永久磁石と重なる位置に形成されている。

本発明によれば、回転子鉄心の機械的強度を確保しながら、回転軸方向および回転子鉄心外に誘導される磁束の漏れを緩和することにより、固定子鉄心へ流れる磁束量が増え、特性を向上させることができる。

本発明の第１の実施形態に係る永久磁石同期電動機の回転中心から上部のみを示した縦断面図。 本発明の第１の実施形態に係る永久磁石同期電動機における回転子鉄心の軸方向の平面図。 本発明の第１の実施形態に係る永久磁石同期電動機における鉄心押え板の軸方向の平面図。 本発明の第２の実施形態に係る永久磁石同期電動機における鉄心押え板の軸方向の平面図。 本発明の第３の実施形態に係る永久磁石同期電動機における鉄心押え板の軸方向の平面図。 本発明の第１の実施形態および第３の実施形態に係る永久磁石同期電動機における磁束分布を示すグラフ。 従来の永久磁石同期電動機における回転子鉄心の軸方向の平面図。

以下、図面を参照しながら、この発明の実施形態に係る永久磁石同期電動機について詳細にする。

図１は、第１の実施形態に係る永久磁石同期電動機１０の縦断面図であり、回転中心から上部を示している。図２は第１の実施形態における回転子鉄心１８の軸方向の平面図である。

図１に示すように、永久磁石同期電動機１０は、両端が閉塞したほぼ円筒状のフレーム１２と、フレーム１２をほぼ同軸的に貫通して設けられた回転軸１４とを備えている。フレーム１２の両端部には、ブラケット１３を介してベアリングブラケット１５が取り付けられている。回転軸１４の両端部は、それぞれ軸受１６によりベアリングブラケット１５に対して回転自在に支持されている。回転軸１４の一端部はフレーム１２から外方に突出し、出力端１４ａを構成している。

図１および図２に示すように、フレーム１２内において、回転軸１４の軸方向中央部に、円筒状の回転子鉄心１８が同軸的に固定されている。ロータとして機能する回転子鉄心１８は、磁性材、例えば、珪素鋼板からなる環状の金属板を多数枚積層して構成されている。

回転子鉄心１８の軸方向両端面には、例えば、ステンレスで形成された環状の磁気遮蔽板２０が密着して設けられている。各磁気遮蔽板２０は、回転子鉄心１８と同一の径に形成されている。回転子鉄心１８は、回転軸１４に固定された一対の鉄心押え板２２により、軸方向両側から挟まれ、所定位置に支持および位置決めされている。各磁気遮蔽板２０は、回転子鉄心１８と鉄心押え板２２との間に位置している。回転子鉄心１８、磁気遮蔽板２０、鉄心押え板２２によりロータが構成される。磁気遮蔽板２０は、回転子鉄心１の軸方向の両側面への磁束の漏れを低減する。

鉄心押え板２２は、磁性材あるいは非磁性材により形成されている。また、各鉄心押え板２２は、環状に形成され、その外径は、回転子鉄心１８の外径よりも僅かに小さく形成されている。鉄心押え板２２は、回転子鉄心１８が高速回転する場合であっても、回転子鉄心１８および永久磁石２４を回転軸１４に対して強固に固定する。鉄心押え板２２の形状については後に詳述する。

回転子鉄心１８には、界磁用の複数の永久磁石２４が設けられている。各永久磁石２４は細長い板状に形成され、回転子鉄心１８の外周部に形成された空洞部２８内に埋め込まれている。空洞部２８は、回転子鉄心１８を打ち抜いて加工されている。

図２に示すように、空洞部２８は、回転子鉄心１８の円周方向に等間隔を存して形成される磁極となる回転子鉄心１８部分に、回転子鉄心１８の外周側から回転子鉄心１８内に向けて所定角度傾斜し、Ｖ字状をなすように設けられている。磁極は、Ｖ字状をなすように設けられた永久磁石２４によって回転子鉄心１８の外周側に形成される。

各空洞部２８内に、永久磁石２４が埋め込まれている。永久磁石２４の軸方向の断面が矩形状である。永久磁石２４は、回転子鉄心１８の外周側から回転子鉄心１８内に向けて長辺を有する。２つの永久磁石２４を１組として、回転子鉄心１８の円周方向に等間隔に６組設けられている。そして、回転子鉄心１８には、磁極１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄ、１８ｅ、１８ｆが形成されている。

各永久磁石２４は、回転軸１４の軸方向に沿って延び、その軸方向長さは、回転子鉄心１８の軸方向長さと等しく形成されている。そして、各永久磁石２４は、その軸方向両端が、回転子鉄心１８の軸方向両端と一致した状態で配置されている。複数の永久磁石２４は、回転子鉄心１８の円周方向に所定の間隔をおいて配設されている。なお、永久磁石２４は、回転子鉄心１８に埋め込まれた構成に限らず、回転子鉄心の外周面に貼付された構成としてもよい。

図１に示すように、回転子鉄心１８の外周側には微小のエアギャップ（空隙）を介して、円筒状の固定子鉄心３０が設けられている。固定子鉄心３０は、フレーム１２の内周面に固定され、回転子鉄心１８と同軸的に配置されている。固定子鉄心３０は、磁性材、例えば、珪素鋼板からなる環状の金属板を多数枚積層して構成されている。固定子鉄心３０の内周部には、それぞれ軸方向に延びた図示しない複数のスロットが形成され、これらのスロットに固定子コイル３２が埋め込まれている。固定子コイル３２のコイルエンドは固定子鉄心３０の両端面から軸方向に張り出している。固定子鉄心３０および固定子コイル３２によりステータが構成されている。

ブラケット１３外面には、永久磁石同期電動機１０を、例えば、電機車の台車フレームに取り付けるための図示しない台座、および他の機器と接続するための取付け座３４が設けられている。

次に、第１の実施形態に係る永久磁石同期電動機１０における鉄心押え板２２の形状について説明する。第１の実施形態に係る図３に示す鉄心押え板２２は、図７に示す鉄心押え板２２の一部を切り欠いた形状である。図７の鉄心押え板２２は、永久磁石２４が設けられている径方向位置よりも大きな外径を有し、その最外周部分は永久磁石２４と軸方向に重なる形状である。

次に、図２を用いて、図３に示す鉄心押え板２２の形状にために図７に示す鉄心押え板２２から切り欠く部分について説明する。以降、回転子鉄心１８、鉄心押え板２２、永久磁石２４の位置関係の説明では、それぞれ軸方向に対応していることを意味している。

図２は、図７に示す鉄心押え板２２の平面図を詳細に示した図である。円周方向に隣り合う磁極相互（磁極１８ａと磁極１８ｂ）を構成する隣り合う永久磁石２４間の中心線をＬ１とする。同様に、円周方向に隣り合う磁極相互（磁極１８ａと磁極１８ｆ）を構成する隣り合う永久磁石２４間の中心線をＬ２とする。磁極１８ａを構成する永久磁石２４間の中心線と回転子鉄心１８の外周の接点を通る線分をＬ３とする。

Ｌ１とＬ３、Ｌ２とＬ３の交点をそれぞれＣ１、Ｃ２とする。交点Ｃ１から永久磁石２４の角度傾斜と同一となる角度θで平行線Ｌ４を引くと、Ｌ４は、永久磁石２４の回転子鉄心１８の外周側から回転子鉄心１８内に向かう辺と平行に永久磁石２４の断面を２等分する中心線となる。同様に、交点Ｃ２から永久磁石２４の角度傾斜と同一となる角度θで平行線Ｌ５を引くと、Ｌ５は、永久磁石２４の回転子鉄心１８の外周側から回転子鉄心１８内に向かう辺と平行に永久磁石２４の断面を２等分する中心線となる。

Ｌ４と鉄心押え板２２の外周との交点をａ１とする。Ｌ５と鉄心押え板２２の外周との交点をａ２とする。Ｌ４とＬ５の交点をｂとする。図３に示す第１の実施形態における鉄心押え板２２は、図７に示す鉄心押え板２２のａ１からａ２までの円弧状の外縁を、ａ１とｂを通る線分，ｂとａ２を通る線分で結ぶ外縁となるように略扇形形状部分を切り欠く。鉄心押え板２２のａ１、ａ２、ｂにおける角部形状を変化させることも可能である。磁極２４ｂ、２４ｃ、２４ｄ、２４ｅ、２４ｆをそれぞれ構成する隣り合う永久磁石２４間について同様である。

つまり、鉄心押え板２２は、永久磁石２４の回転子鉄心１８の外周側から回転子鉄心１８内に向かう辺と平行に永久磁石２４の断面を２等分する中心線よりも回転子鉄心１８の外周側で永久磁石２４と軸方向に重ならない形状である。

ここで、図６は、図１に示す永久磁石同期電動機１０の回転子鉄心１８と固定子鉄心３０の微小ギャップ間における軸方向の磁束分布を示している。横軸は、回転子鉄心１８の軸方向における一端側から他端側へ向かう位置を示している。縦軸は、微小ギャップ間における磁束密度を示している。

図７に示す形状の鉄心押え板２４を永久磁石同期電動機１０に用いた場合に比べて、図３に示す第１の実施形態における鉄心押え板２４を永久磁石同期電動機１０に用いた方が微小ギャップ間を通る磁束が増加していることが確認できる。

したがって、第１の実施形態によれば、鉄心押え板２２が回転子鉄心１８で発生する磁場を妨げることはない。さらに、回転子鉄心１８の機械的強度を確保しながら、軸方向および回転子鉄心１８外に誘導される磁束の漏れを緩和するため、固定子鉄心３０へ流れる磁束量が増え、永久磁石同期電動機１０の特性を向上することができる。

ここで、回転子鉄心１８の軸方向長さを固定子鉄心３０の軸方向長さより若干長くし、回転子鉄心１８の軸方向両端部を固定子鉄心の軸方向両端部を越えて外側へ突出させることで、回転子鉄心の端部付近における磁束量の不足を極力少なくすることができる。これにより、回転子鉄心の軸方向端部付近の磁束低下を抑制し、電動機の性能向上を図ることが可能となる。この場合も、第１の実施形態により、鉄心押え板２２を通る磁束漏れを低減し、電動機の特性向上を図ることが可能となる。

次に、この発明の他の実施形態に係る永久磁石同期電動機１０について説明する。

図４は、第２の実施形態における回転子鉄心１８および鉄心押え板２２の軸方向の平面図である。

図４に示すように、第２の実施形態に係る永久磁石同期電動機１０によれば、鉄心押え板２２は、回転子鉄心１８の中心位置から永久磁石２４が設けられている位置のうち最短となる径方向位置よりも小さな外径を有した円形の断面形状である。つまり、鉄心押え板２２は、鉄心押え板２２の外周が永久磁石２４と軸方向に重ならない形状である。

鉄心押え板２２は、鉄心押え板２２の外径Ｄ２が図２に示すように、回転子鉄心１８の中心位置から交点ｂまでの距離Ｄ３以下となる形状であってもよい。鉄心押え板２２は、鉄心押え板２２の外周が図２に示す永久磁石２４の平行線Ｌ４およびＬ５と軸方向に重ならない範囲で永久磁石２４と軸方向に重なる形状であってもよい。

第２の実施形態において、他の構成は第１の実施形態と同一であり、第１の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

図５は、第３の実施形態における回転子鉄心１８および鉄心押え板２２の軸方向の平面図である。回転子鉄心１８の中心位置から磁極１８ａを構成する２つの永久磁石２４それぞれまでの距離が最小となる位置を結ぶ直線をＬ６とする。永久磁石２４の中心線であるＬ３、Ｌ４を回転子鉄心１８の中心位置に近づくように平行移動して永久磁石２４の辺（もしくは点）と接する直線をそれぞれＬ７、Ｌ８とする。

第３の実施形態に係る永久磁石同期電動機１０によれば、鉄心押え板２２は、Ｌ６、Ｌ７、Ｌ８および回転子鉄心１８の外周で囲まれ、回転子鉄心１８の中心位置を含まない部分と軸方向に重ならない形状である。磁極１８ｂ、１８ｃ、１８ｄ、１８ｅ、１８ｆをそれぞれ構成する隣り合う永久磁石２４間についても同様である。円周方向に隣り合う磁極相互で隣り合う永久磁石２４の間では、鉄心押え板２２の外縁は、Ｌ１上において永久磁石２４と軸方向に重ならないようにして回転子鉄心１８の外周に近づくように拡張させる。

図６に示すように、図７に示す形状の鉄心押え板２４を永久磁石同期電動機１０に用いた場合に比べて、図５に示す第３の実施形態における鉄心押え板２４を永久磁石同期電動機１０に用いた方が微小ギャップ間を通る磁束が増加していることが確認できる。第３の実施形態における鉄心押え板２４を用いた場合は、第１の実施形態における鉄心押え板２４を用いた場合と同様の磁束量となる。

鉄心押え板２４は、Ｌ４、Ｌ５、Ｌ６および回転子鉄心１８の外周で囲まれ、回転子鉄心１８の中心位置を含まない部分と軸方向に重ならない形状であってもよい。

第３の実施形態において、他の構成は第１の実施形態と同一であり、第１の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。さらに、鉄心押え板２２の回転子鉄心１８と対向する面積を広くできるので、回転子鉄心１８の回転軸１４に対する機械強度が高まる。

この発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよいし、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

この発明に係る永久磁石同期電動機は、車両用駆動装置の電動機に限らず、自動車用モータ、産業用モータ、発電機など種々の回転電動機に適用可能である。永久磁石同期電動機の構成要素の材質、寸法等は、上述した実施形態に限定されることなく、必要に応じて種々選択可能である。永久磁石同期電動機は、インナーロータ型に限らず、アウターロータ型にも適用可能である。

１０…永久磁石同期電動機、１４…回転軸、１８…回転子鉄心、２０…磁気遮蔽板、２２…鉄心押え板、２４…永久磁石、３０…固定子鉄心。

Claims (3)

1. 回転自在に支持された回転軸と、
   前記回転軸に取付けられ、前記回転軸と一体的に回転可能な円筒状の回転子鉄心と、
   前記回転子鉄心に取り付けられ、前記回転子鉄心の外周側から前記回転子鉄心の中心側に向かう長辺を有し、Ｖ字状に設けられている永久磁石と、
   前記回転軸に取り付けられ、前記回転子鉄心の軸方向両端部をそれぞれ押えた押え板と、
   前記回転子鉄心の軸方向両端にそれぞれ対向して設けられ、それぞれ前記回転子鉄心と前記押え板との間に位置した磁気遮蔽板と、
   前記永久磁石と対向して設けられているとともに前記回転子鉄心と同軸的に設けられた固定子鉄心と、を備え、
   前記押え板は、前記永久磁石の前記長辺と平行に前記永久磁石を２等分する中心線及び前記中心線よりも前記回転子鉄心の中心側で前記回転軸方向に前記永久磁石と重なる位置に形成されていることを特徴とする永久磁石同期電動機。
2. 前記永久磁石は前記回転子鉄心の周方向に複数取り付けられ、隣り合う磁極相互を構成する隣り合う前記永久磁石間では、前記押え板は前記回転子鉄心の外周近傍で前記回転軸方向と重なる位置に形成されていることを特徴とする請求項１記載の永久磁石同期電動機。
3. 前記磁気遮蔽板は、前記回転軸方向の厚みを可変であることを特徴とする請求項１記載の永久磁石同期電動機。

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