JP5991944B2

JP5991944B2 - 回転電動機

Info

Publication number: JP5991944B2
Application number: JP2013094120A
Authority: JP
Inventors: 秀哲有田; 後藤　隆; 隆後藤
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2013-04-26
Filing date: 2013-04-26
Publication date: 2016-09-14
Anticipated expiration: 2033-04-26
Also published as: JP2014217222A

Description

この発明は、固定子に配置した永久磁石により界磁起磁力を発生する磁気誘導子型の回転電動機に関するものである。

従来の磁気誘導子型モータ構造（例えば、特許文献１参照）は、機械的な耐久性に富み高効率が期待できることから、特に高速回転用電動機として有利であることはよく知られている。この特許文献１の回転電動機は、２個の積層された磁性体それぞれが所定の間隔を有してＮ極とＳ極に分離され、かつ、Ｎ極とＳ極となる突極がそれぞれ半ピッチ捻られて回転軸に装着された回転子と、前記回転子のＮ極とＳ極を囲むように磁性体（固定子鉄心）を軸方向に２分割し、当該磁性体の間に軸方向に着磁された界磁起磁力発生用の永久磁石を配置した固定子と、固定子鉄心のティースに巻回したコイルとを備える構造であった。

特開８−２１４５１９号公報

このような構成の回転電動機において、発熱部としては、鉄損が多く発生する固定子鉄心のティース、および、銅損が発生するコイルがある。従来、回転電動機の外周部に冷却手段が設けられていることから、コイルの発熱は、固定子鉄心のティースから径方向外方のコアバックを経由して冷却手段へ伝わり、放熱される。同様に、ティースの発熱もコアバックを経由して冷却手段へ伝わり放熱される。よって、銅損の熱および固定子鉄損の熱は、ティースを経由もしくはティースにて発生することから、このティースの温度が高くなる。そのため、固定子鉄心の間に挟まれた永久磁石の温度も上昇しやすい。

また、この回転電動機を、電動コンプレッサおよび電動アシストターボなどのタービンを高速回転させる用途に用いた場合、車両のエンジンルーム内に設置されるため、更なる温度上昇が予想される。故に、高温環境下において、固定子鉄心とその間に挟まれた永久磁石は、熱減磁による特性の劣化が顕著になるという課題があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、固定子に配置される界磁起磁力発生用の永久磁石の温度上昇を抑制する回転電動機を提供することを目的とする。

この発明に係る回転電動機は、フレームと、回転軸に固着され、フレーム内に回転自在に配設された回転子と、フレームに保持され、回転子を囲むように同軸心に配設された２つの固定子鉄心、当該２つの固定子鉄心間に挟持され回転子を励磁する界磁起磁力発生用の永久磁石、および、当該２つの固定子鉄心に巻装され回転子に回転トルクを発生させるコイルを有する固定子と、永久磁石の固定子鉄心に相対する面に形成された空隙部であり、固定子鉄心およびコイルから永久磁石への受熱を緩和する受熱緩和部とを備えるものである。

この発明によれば、固定子鉄心およびコイルから永久磁石への受熱を緩和するようにしたので、界磁起磁力発生用の永久磁石の温度上昇を抑制することができ、回転電動機の特性劣化を軽減することができる。

この発明の実施の形態１に係る電動機の構成を示す一部破断斜視図である。実施の形態１に係る電動機の永久磁石の一例を示す一部破断斜視図である。実施の形態１に係る電動機を図２のＡＡ線に沿って切断した断面図である。実施の形態１に係る電動機の固定子の変形例を示す断面図である。この発明の実施の形態２に係る電動機に用いるスペーサの一例を示す斜視図である。実施の形態２に係る電動機を図２のＡＡ線に沿って切断した断面図である。実施の形態２に係る電動機の固定子の変形例を示す断面図である。実施の形態２に係る電動機の固定子の変形例を示す断面図である。実施の形態２に係る電動機の固定子の変形例を示す断面図である。実施の形態２に係る電動機の固定子の変形例を示す断面図である。この発明の実施の形態３に係る電動機を図２のＡＡ線に沿って切断した断面図である。実施の形態３に係る電動機の固定子の変形例を示す断面図である。実施の形態３に係る電動機の固定子の変形例を示す断面図である。

実施の形態１．
図１に示すように、磁気誘導子型の回転電動機（以下、電動機）１は、回転軸２に固着された回転子３と、回転子３を囲むように配設された固定子７と、これら回転軸２、回転子３および固定子７を収容する非磁性のフレーム１３とを備えている。

回転子３は、例えば所定形状に成形された多数枚の磁性鋼板を積層一体化して作製された第１磁性体４および第２磁性体５と、多数枚の磁性鋼板を積層一体化して作製され、軸心位置に回転軸２を挿入する挿入孔が穿設された円盤状の隔壁６とを備える。第１磁性体４および第２磁性体５は、概略同一形状に作製され、軸心位置に回転軸２を挿入する挿入孔が穿設された円筒状の基部４ａ，５ａと、基部４ａ，５ａの外周面から径方向外方に突設されて周方向に等角ピッチで２つ設けられた突極４ｂ，５ｂとから構成されている。第１磁性体４および第２磁性体５は、周方向に半突極ピッチずらして、隔壁６を介して相対して互いに密接して配置され、それらの挿入孔に挿通された回転軸２に固着されるよう構成されている。
なお、第１磁性体４および第２磁性体５は、多数枚の磁性鋼板を積層一体化したものに限定されるものではなく、圧粉鉄心のような鉄粉を樹脂にて固めたものでもよく、その場合にも磁性鋼板を積層一体化したものと同様な効果を得ることが可能である。

固定子７は、軸方向に着磁された界磁起磁力発生用の永久磁石１２と、永久磁石１２を間に挟みこんだ固定子鉄心８と、この固定子鉄心８に対して巻装したトルク発生用のコイル１１とを備える。固定子鉄心８は、所定形状に成形された複数の磁性鋼板を積層一体化して作製された第１固定子鉄心９および第２固定子鉄心１０を備える。固定子鉄心８および第１固定子鉄心９は、概略同一形状に作製され、円盤状のコアバック９ａ，１０ａと、コアバック９ａ，１０ａの内周面から径方向内方に突設されて周方向に等角ピッチで６つ設けられたティース９ｂ，１０ｂとを備える。
なお、固定子鉄心８および第１固定子鉄心９は、磁性鋼板を積層一体化したものに限定されるものではなく、圧粉鉄心のような鉄粉を樹脂にて固めたものでもよく、その場合にも磁性鋼板を積層一体化したものと同様な効果を得ることが可能である。

このように構成された第１固定子鉄心９および第２固定子鉄心１０は、ティース９ｂ，１０ｂの周方向位置を一致させ、第１磁性体４および第２磁性体５を取り囲む位置に配置されている。また、一対のティース９ｂ，１０ｂに１つのコイル１１が巻回され、これらコイル１１の端部が不図示の配電板（所謂バスバー）に接続される。さらに、コアバック９ａ，１０ａの間には円盤状もしくは固定子鉄心８と略同一形状の永久磁石１２が介装され、この永久磁石１２と隔壁６とが対向するように、固定子７と回転子３とが位置決めされている。

次に、電動機１の動作を説明する。
永久磁石１２の磁束は、図１に白矢印で示すように、第２磁性体５の突極５ｂから第１固定子鉄心９に流れ、その後軸方向に流れ、第２固定子鉄心１０から第１磁性体４の突極４ｂに戻るので、突極４ｂ，５ｂが励磁される。このとき、突極４ｂ，５ｂが周方向に半突極ピッチずれているので、磁束は、軸方向から見るとＮ極とＳ極とが周方向に交互に配置されたように作用する。他方、コイル１１の通電を切り換えることにより、固定子鉄心８のティース９ｂ，１０ｂのＳ極とＮ極を切り換える。すると、永久磁石１２による界磁起磁力と、コイル１１に流れる電流の相互作用でトルクが発生し、回転子３が周方向に回転する。

以上のように構成された電動機１において、固定子鉄心８の温度分布について勘案する。まず、発熱部は、鉄損が多く発生するティース９ｂ，１０ｂ、および銅損が発生するコイル１１からなる。通常、アルミニウム材などの熱伝導性の高い材質を用いてフレーム１３を作製していることから、図１に黒矢印で示す放熱経路のとおり、コイル１１の熱は、固定子鉄心８のティース９ｂ，１０ｂからコアバック９ａ，１０ａを経由してフレーム１３から放熱される。同様に、ティース９ｂ，１０ｂの熱も、コアバック９ａ，１０ａを経由してフレーム１３から放熱される。よって、コイル１１の銅損の熱および固定子鉄心８の鉄損の熱は、固定子鉄心８のティース９ｂ，１０ｂを経由またはティース９ｂ，１０ｂにて発生することから、固定子鉄心８のティース９ｂ，１０ｂは温度が高くなる。

そのため、この電動機１を、車両のエンジンルーム内に搭載される電動コンプレッサおよび電動アシストターボなどに適用する場合、高温環境での使用により、更なる温度上昇が予想される。故に、固定子鉄心８とその間に挟まれた永久磁石１２は、熱減磁による特性の劣化が顕著になる。そこで、本実施の形態１では、固定子鉄心８と永久磁石１２の相対する面に受熱緩和部を設けて、ティース９ｂ，１０ｂで発生する熱および固定子鉄心８を経由するコイル１１の熱から永久磁石１２を保護する。
また、電動コンプレッサおよび電動アシストターボなどに適用する場合、軸端に羽根などが付いており、車両の排気もしくは吸気の熱によって回転子３が昇温してしまう。このような用途において、本電動機１の構造であれば、回転子３に永久磁石１２を有しておらず、固定子７に永久磁石１２を有しているため永久磁石１２の耐減磁性が高い。回転子３の熱が固定子７へと伝わる際、ティース９ｂ，１０ｂが永久磁石１２の内周側に位置しているため回転子３の熱が永久磁石１２よりも固定子７へと伝わりやすい構造となっている。よって、本構造は回転子３からの熱も固定子７の永久磁石１２へと伝えにくい構造となっている。

以下に、受熱緩和部の具体例を説明する。
図２は、本実施の形態１に係る電動機１の永久磁石１２の一例を示す一部破断斜視図である。図３は、電動機１を図２のＡＡ線に沿って切断した断面図である。なお、説明の都合上、これ以降の図面では各部を誇張拡大して示しており、実際の縮尺とは異なる。
この例では、発熱部であるティース９ｂ，１０ｂに相対する永久磁石１２の内周側を薄くして内周部１２ａとし、ティース９ｂ，１０ｂから離れたコアバック９ａ，１０ａに相対する永久磁石１２の外周側を厚くして外周部１２ｂとする。また、内周部１２ａには、発熱部であるコイル１１を軸方向に挿通するコイル挿通孔１２ｃが形成されている。
従って、永久磁石１２の内周側に位置する発熱部の銅損および鉄損の熱が、永久磁石１２の内周部１２ａと固定子鉄心８のティース９ｂ，１０ｂとの間に形成された空隙部１４，１５を介することで妨げられることとなり、永久磁石１２の温度上昇が抑制され、熱減磁が低減される。この空隙部１４，１５が受熱緩和部になる。

ちなみに、下式（１）のように熱減磁は温度に比例し、永久磁石１２が高温になるほど減磁して電動機１の特性が劣化する（特にトルクが低下する）ので、永久磁石１２の温度上昇を抑制するほどトルク低下を軽減できる。
Ｂｒ_Ｔ１＝Ｂｒ_Ｔ０×（１−Ｐ×ΔＴ／１００）（１）
ここで、Ｂｒ_Ｔ０，Ｂｒ_Ｔ１は温度Ｔ０，Ｔ１（Ｔ０＜Ｔ１）における磁束密度、ΔＴ（＝Ｔ１−Ｔ０）は温度Ｔ０，Ｔ１の温度変化量、Ｐは減磁係数である。

一方、トルクの低下は、永久磁石１２と第１固定子鉄心９との距離（または永久磁石１２と第２固定子鉄心１０との距離）に比例するが、ある距離より近いときトルクの低下度合いが緩やかで、ある距離以上に離れるとトルク低下が顕著になる。従って、空隙部１４，１５の軸方向の距離がある距離以下なら、永久磁石１２、第１固定子鉄心９、第２固定子鉄心１０の離間に起因するトルク低下が永久磁石１２の温度上昇抑制によりキャンセルされるので、結果としてトルク低下が軽減される。

なお、図２および図３の例では、内周部１２ａおよび外周部１２ｂを平坦面にしたが、この形状に限定されるものではない。
例えば図４の断面図に示すように、永久磁石１２の内周部１２ａを傾斜面にして、径方向に容積の異なる空隙部１４，１５を形成してもよい。この構成の場合にも、空隙部１４，１５が受熱緩和部になり、永久磁石１２の温度上昇が抑制される。

以上より、実施の形態１によれば、電動機１は、フレーム１３と、回転軸２に固着され、フレーム１３内に回転自在に配設された回転子３と、フレーム１３に保持され、回転子３を囲むように同軸心に配設された第１固定子鉄心９および第２固定子鉄心１０、当該第１固定子鉄心９および第２固定子鉄心１０の間に挟持され回転子３を励磁する界磁起磁力発生用の永久磁石１２、ならびに、当該第１固定子鉄心９および第２固定子鉄心１０に巻装され回転子３に回転トルクを発生させるコイル１１を有する固定子７と、固定子鉄心８およびコイル１１から永久磁石１２への受熱を緩和する受熱緩和部とを備え、受熱緩和部は、永久磁石１２の外周部１２ｂより内周部１２ａが薄い形状であって、当該内周部１２ａが固定子鉄心８から離間して空隙部１４，１５を成す構成にした。このため、ティース９ｂ，１０ｂの熱および固定子鉄心８を経由するコイル１１の熱が永久磁石１２に伝わりにくくなって温度上昇を抑制でき、電動機１の特性劣化を軽減することができる。
従って、この電動機１は、車両のエンジンルームに搭載される電動コンプレッサおよび電動アシストターボなどに用いるのに適している。

実施の形態２．
図５は、本実施の形態２に係る電動機１の固定子７に使用するスペーサ２０の一例を示す外観斜視図である。図６は、このスペーサ２０を使用した電動機１を、図２のＡＡ線に相当する位置で切断した断面図である。なお、図５および図６において図１〜図４と同一または相当の部分については同一の符号を付し説明を省略する。
本実施の形態２では、永久磁石１２の厚みより軸方向に長い筒形状の金属製のスペーサ２０を使用する。図６の断面図に示すように、永久磁石１２に軸方向の貫通孔１２ｄを形成して、スペーサ２０を挿入し貫通させることで、永久磁石１２と第１固定子鉄心９の間、永久磁石１２と第２固定子鉄心１０の間の距離を一定に保つことが可能となる。
従って、永久磁石１２の内周側に位置する発熱部の銅損および鉄損の熱が、永久磁石１２と固定子鉄心８との間に形成された空隙部２１，２２を介することで妨げられることとなり、永久磁石１２の温度上昇が抑制されて熱減磁が低減される。スペーサ２０により形成された永久磁石１２と固定子鉄心８との間の空隙部２１，２２が受熱緩和部になる。

また、スペーサ２０を用いることによって、フレーム１３へ固定子７を圧入したとき等の固定子鉄心８にかかる軸方向の力をスペーサ２０が受けることになるため、永久磁石１２には軸方向の力がかからない。これにより、永久磁石１２の割れおよび欠けを防ぐことが可能となり、電動機１の内部でのコンタミネーションの発生を防ぐことができる。

以上より、実施の形態２によれば、電動機１は、永久磁石１２と固定子鉄心８とを離間させて空隙部２１，２２を形成するスペーサ２０を備える構成にしたので、ティース９ｂ，１０ｂの熱および固定子鉄心８を経由するコイル１１の熱が永久磁石１２に伝わりにくくなって温度上昇を抑制でき、電動機１の特性劣化を軽減することができる。

なお、スペーサ２０は、図５の構成に限定されるものではない。
例えば図７の断面図に示すように、永久磁石１２の第１固定子鉄心９に相対する面にスペーサ２３を形成し、永久磁石１２の第２固定子鉄心１０に相対する面にスペーサ２４を形成する。スペーサ２３，２４は、熱伝導性の低い材質により構成する。例えば、樹脂のようなものであれば、固定子鉄心８よりも熱伝導性が低いため有効的である。また、一般的に熱伝導が金属より低い部材であれば本効果を有する。
この構成の場合、スペーサ２３，２４が受熱緩和部となり、ティース９ｂ，１０ｂの熱および固定子鉄心８を経由するコイル１１の熱が永久磁石１２に伝わりにくくなって温度上昇を抑制でき、電動機１の特性劣化を軽減することができる。

また、図７のスペーサ２３，２４を、永久磁石１２の外周部１２ｂ側だけに設置し、内周部１２ａ側に空隙部を形成しても構わない。

また、永久磁石１２の表裏面から突出するスペーサ２０と同等の突起を、永久磁石１２に突設しても構わない。例えば、永久磁石１２として、ネオジム等を含む磁性粉末を混ぜた樹脂を成形したボンド磁石を使用することとし、ボンド磁石を成形する際に突起を一体的に形成する。

また、スペーサ２０，２３，２４を、上記実施の形態１に係る電動機１に適用することも可能である。
例えば図８の断面図に示すように、スペーサ２３，２４を永久磁石１２の外周部１２ｂと固定子鉄心８のコアバック９ａ，１０ａとの間に設置し、スペーサ２３，２４を介して、外周部１２ｂとコアバック９ａ，１０ａとを当接させてもよい。この構成の場合には空隙部１４，１５およびスペーサ２３，２４が受熱緩和部になる。
図２〜図４に示したように放熱経路となるコアバック９ａ，１０ａを外周部１２ｂに直接当接した場合に比べて、スペーサ２３，２４を介することで永久磁石１２の温度上昇が抑制されるので、さらなる減磁低減が可能となる。
また、スペーサ２３，２４を用いることによって、フレーム１３へ固定子７を圧入したとき等の固定子鉄心８にかかる軸方向の力の一部をスペーサ２３，２４が受けることになるため、永久磁石１２にかかる軸方向の力が低減される。これにより、永久磁石１２の割れおよび欠けを防ぐことが可能となり、電動機１の内部でのコンタミネーションの発生を防ぐことができる。

また、例えば図９の断面図に示すように、スペーサ２３，２４を空隙部１４，１５に設置して、固定子鉄心８のティース９ｂ，１０ｂと永久磁石１２とを離間させてもよい。この構成の場合、スペーサ２３，２４が受熱緩和部になり、スペーサ２３，２４を介して永久磁石１２とティース９ｂ，１０ｂとが当接する。

また、例えば図１０の断面図に示すように、空隙部１４，１５に設置したスペーサ２３，２４を受熱緩和部として機能させるだけでなく、支持部材としての機能も持たせ、永久磁石１２の外周部１２ｂとコアバック９ａ，１０ａとの間を離間させて空隙部２５，２６を形成してもよい。この構成の場合には、スペーサ２３，２４および空隙部２５，２６が受熱緩和部になり、より一層温度上昇が抑制されるので、さらなる減磁低減が可能となる。
また、スペーサ２３，２４を用いることによって、フレーム１３へ固定子７を圧入したとき等の固定子鉄心８にかかる軸方向の力をスペーサ２３，２４が受けることになるため、永久磁石１２に軸方向の力がかからない。これにより、永久磁石１２の割れおよび欠けを防ぐことが可能となり、電動機１の内部でのコンタミネーションの発生を防ぐことができる。また、図９および図１０の構成において、永久磁石１２を内周側の磁石と外周側の磁石に分割することで、磁石の厚み違いの製造を容易とし、製造コストを低減することが可能となる。また、分割することで、内周側と外周側の間に隙間ができるため、内周側に受熱した熱を外周側の磁石へ伝えにくい構造になり、減磁部分をより少なくすることが可能となる。

実施の形態３．
図１１は、本実施の形態３に係る電動機１を、図２のＡＡ線に相当する位置で切断した断面図である。なお、図１１において図１〜１０と同一または相当の部分については同一の符号を付し説明を省略する。
本実施の形態３では、永久磁石１２の第１固定子鉄心９および第２固定子鉄心１０に相対する面に凹凸部３０，３１を形成する。これにより、永久磁石１２と固定子鉄心８とが点接触または一部のみの接触となり、接触していない箇所が空隙となって受熱を緩和する。従って、永久磁石１２の内周側に位置する発熱部の銅損および鉄損の熱が、永久磁石１２と固定子鉄心８との間に形成された凹凸部３０，３１の空隙を介することで妨げられることとなり、永久磁石１２の温度上昇が抑制されて熱減磁が低減される。この凹凸部３０，３１により形成される空隙が受熱緩和部になる。

例えばボンド磁石を永久磁石１２に用い、ネオジム等を含む磁性粉末を混ぜた樹脂を成形する際に凹凸部３０，３１を一体的に形成すればよい。

以上より、実施の形態３によれば、永久磁石１２の固定子鉄心８に相対する面に設けた凹凸部３０，３１で形成される空隙部を受熱緩和部としたので、ティース９ｂ，１０ｂの熱および固定子鉄心８を経由するコイル１１の熱が永久磁石１２に伝わりにくくなって温度上昇を抑制でき、電動機１の特性劣化を軽減することができる。

なお、この凹凸部３０，３１を、上記実施の形態１，２の図２〜図１０に示した永久磁石１２の外周部１２ｂおよびスペーサ２３，２４などに適用してもよい。
例えば、図１２の断面図に示すように永久磁石１２の外周部１２ｂに凹凸部３０，３１を形成した場合、凹凸部３０，３１を形成しない図３に比べて、永久磁石１２の温度上昇が抑制されるので、さらなる減磁低減が可能となる。
また、例えば図１３の断面図に示すように永久磁石１２の内周部１２ａ側に設置するスペーサ２３，２４について、スペーサ２３の第１固定子鉄心９に相対する面に凹凸部３０を、スペーサ２４の第２固定子鉄心１０に相対する面に凹凸部３１をそれぞれ形成した場合、凹凸部３０，３１を形成しない図９に比べて、永久磁石１２の温度上昇が抑制されるので、さらなる減磁低減が可能となる。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

１電動機、２回転軸、３回転子、４第１磁性体、４ａ，５ａ基部、４ｂ，５ｂ突極、５第２磁性体、６隔壁、７固定子、８固定子鉄心、９第１固定子鉄心、９ａ，１０ａコアバック、９ｂ，１０ｂティース、１０第２固定子鉄心、１１コイル、１２永久磁石、１２ａ内周部、１２ｂ外周部、１２ｃコイル挿通孔、１２ｄ貫通孔、１３フレーム、１４，１５，２１，２２，２５，２６空隙部、２０，２３，２４スペーサ、３０，３１凹凸部。

Claims

フレームと、
回転軸に固着され、前記フレーム内に回転自在に配設された回転子と、
前記フレームに保持され、前記回転子を囲むように同軸心に配設された２つの固定子鉄心、当該２つの固定子鉄心間に挟持され前記回転子を励磁する界磁起磁力発生用の永久磁石、および、当該２つの固定子鉄心に巻装され前記回転子に回転トルクを発生させるコイルを有する固定子と、
前記永久磁石の前記固定子鉄心に相対する面に形成された空隙部であり、前記固定子鉄心および前記コイルから前記永久磁石への受熱を緩和する受熱緩和部とを備える回転電動機。
前記永久磁石は、外周側より内周側が薄い形状であって、当該内周側が前記固定子鉄心
から離間して前記空隙部を成すことを特徴とする請求項１記載の回転電動機。
前記永久磁石と前記固定子鉄心との間に設置されたスペーサを備えることを特徴とする請求項２記載の回転電動機。
前記空隙部は、前記永久磁石の前記固定子鉄心に相対する面に設けた凹凸で形成されることを特徴とする請求項１記載の回転電動機。
前記永久磁石は、磁性粉末を混ぜた樹脂を成形したボンド磁石であることを特徴とする請求項４記載の回転電動機。
前記永久磁石と前記固定子鉄心を離間させて前記空隙部を形成するスペーサを備えることを特徴とする請求項１記載の回転電動機。