JP6220328B2

JP6220328B2 - 磁石埋込型回転電機

Info

Publication number: JP6220328B2
Application number: JP2014235168A
Authority: JP
Inventors: 敏章下田; 信吾笠井
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2014-11-20
Filing date: 2014-11-20
Publication date: 2017-10-25
Anticipated expiration: 2034-11-20
Also published as: JP2016100955A; US20170310177A1; CN107005110A; CN107005110B; WO2016080191A1; TW201631868A; US10476330B2; TWI594546B

Description

本発明は、永久磁石が内部に埋め込まれたロータコアを有する回転子と、当該回転子に対して対向配置される固定子とを備える磁石埋込型回転電機に関する。

まず、回転電機とは、電動機、発電機、電動機兼発電機の総称のことである。本発明を電動機として利用した場合、その電動機はＩＰＭ(Interior Permanent Magnet)モータと呼ばれる。これに対して、永久磁石がロータコアの表面に貼り付けられた回転子を有する電動機はＳＰＭ(Surface Permanent Magnet)モータと呼ばれる。また、ＩＰＭモータとＳＰＭモータとを合わせてＰＭモータと呼ばれる。

本発明の最終的な目標は、ＩＰＭモータの高速回転化を成し遂げることである。ＩＰＭモータではなくＳＰＭモータに関する発明ではあるが、モータの高速化を解決しようとする課題とする発明として、例えば特許文献１に記載の発明がある。

特許文献１に記載のＳＰＭモータの回転子は、円筒形ヨークの表面に配設された永久磁石と、この永久磁石の外周面上に巻きつけられた高融点繊維の外表面に低融点金属を被覆した繊維強化金属線とを有し、隣接する繊維強化金属線同士のそれぞれの低融点被覆部が溶融固着されたことを特徴とする。永久磁石の外周面上への繊維強化金属線の巻きつけ及び低融点被覆部同士の溶融固着により、高速回転時の大きな遠心力に対抗するための回転子の強度を高めている。

特許文献２に記載の発明は、モータ等の高速回転化の要求に対して、ロータコアを構成する電磁鋼板の強度向上を図ったものである。

特開昭６１−７３５５９号公報特開２０１０−９０４７４号公報

ここで、ＩＰＭモータ、ＳＰＭモータといったＰＭモータを高速回転させるには、モータを高い周波数で駆動することになる。このとき、ロータ（回転子）に発生する渦電流損失が大きくなり、磁石の減磁が問題となる。一般的にステータ（固定子）は、ケーシングおよび冷却路との接触などで放熱させ易い。一方、ステータの内側に位置するロータは、シャフトを介して負荷に接続されており、シャフト、軸受を介してのケーシングが主な放熱経路となるので放熱経路を確保しにくい。通常のモータでは、駆動周波数が５０Ｈｚ、６０Ｈｚと低いため、ロータで発生する渦電流損失、放熱経路の確保は特に問題にならない。しかしながら、例えば４００Ｈｚでモータを高速回転させる場合、ロータに発生する渦電流損失が大きくなる。この渦電流損失の低減、または、ロータの放熱経路の確保が問題となる。

また、ＩＰＭモータでは、ロータコアの外周部鉄心に磁路ができると、この磁路はトルクに寄与しないので、通常、ロータコアの外周部を極力細くして磁気飽和させブリッジ部としたり、フラックスバリアを設けたりする等の設計を行う。しかしながら、モータを高速回転させると遠心力が大きくなるため、ロータコアの外周部を太くする必要がある。これによりトルク不足となるため、トルクを補うために電流を増加させたり、磁石を増加させたりするが、前者は渦電流損失の増加を招き、後者はコスト増加を招く。

さらに、昨今、モータの省エネ性能の向上、高効率化のニーズが高まっている。ＩＰＭモータは、通常のマグネットトルクに加え、ロータ構造に突極性を持たせることによりリラクタンストルクを活用できるため、高効率化を実現できるモータとして注目されている。高速回転においても高効率化のニーズは高い。

特許文献１に記載の発明は、ＳＰＭモータの回転子に関する発明であり、ＳＰＭモータはＩＰＭモータに比べて高効率を出しにくくリラクタンストルクを活用できない。また、特許文献１では、繊維強化金属線の低融点被覆部同士を溶融固着させて回転子の保護層とすることで当該回転子の強度を高めている。この保護層の主たる物質は金属であり、金属は電流が流れやすいため、回転子の強度を高めることはできても、渦電流損失を抑制することはできない。

また、特許文献１では、繊維強化金属線を回転子に巻きつけ、その後、レーザ等により加熱することで低融点金属を溶融固着させて繊維強化金属線を回転子に固定している。これでは、回転子毎に繊維強化金属線を巻きつける工程が必要であり、工数（時間）が多く、且つ設備、治具の製作に費用がかかってしまう。

特許文献２に記載の発明は、電磁鋼板の強度向上を図った発明であり、渦電流損失の低減に対応するものではない。

本発明の目的は、回転子の強度を高めつつも、当該回転子で発生する渦電流損失を抑制することができる磁石埋込型回転電機を提供することである。渦電流損失を抑制できることで当該磁石埋込型回転電機の効率は向上する。

本発明は、永久磁石が内部に埋め込まれたロータコアを有する回転子と、当該回転子に対して対向配置される固定子とを備える磁石埋込型回転電機であって、繊維強化プラスチック管が前記ロータコアに外挿されて固定されており、前記繊維強化プラスチック管を構成する繊維は格子状に配置され、周方向の繊維密度よりも軸方向の繊維密度の方が大きくされていることを特徴とする。

本発明によれば、回転子の強度を高めつつも、当該回転子で発生する渦電流損失を抑制することができる。そのため、本発明の磁石埋込型回転電機は、高速回転可能であり且つ効率も良い。

磁石埋込型回転電機の断面図である。図１のＡ−Ａ断面図である。繊維強化プラスチック管の斜視図である。繊維強化プラスチック管の斜視図である。繊維強化プラスチック管の斜視図である。

以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。なお、本発明の磁石埋込型回転電機は、車載用の電動機、航空機に搭載される発電機など、様々な機械の電動機、発電機、電動機兼発電機として利用することができる。

［第１実施形態］
（ＩＰＭモータの構成）
本発明の第１実施形態による磁石埋込型回転電機は、ＩＰＭモータである。ＩＰＭモータ１は、断面図である図１、および、図１のＡ−Ａ断面図である図２に示すように、回転子（ロータ）２と、回転子２の径方向外側において回転子２に対して対向配置される筒状の固定子（ステータ）３と、を有している。回転子２は、その軸心が固定子３の軸心に一致するように（同軸になるように）固定子３内に配置される。また、回転子２と固定子３とは、図示しないケーシング内に収納されている。

（回転子）
回転子２は、筒状のロータコア１１と、ロータコア１１の内部に埋め込まれた２組の永久磁石１２，１３とを有している。回転子２は、図２に示すＣ方向、および、その逆方向に回転可能である。

ロータコア１１は、例えば、リング板状の電磁鋼板（３５Ｈ３００など）が軸心方向に積層されることによって形成されている。ロータコア１１の中心には、軸心（回転軸）方向に貫通する穴１１ａが形成されている。この穴１１ａには、回転子２の回転を外部に取り出す出力軸（シャフト）５が挿通される。ロータコア１１は、平行キー１４で出力軸５に固定される。出力軸５は軸受（図示せず）によって回転可能に支持される。

図１に示すように、回転子２の両端には、エンドプレート１６がそれぞれ設けられている。一対のエンドプレート１６は、ロータコア１１を貫通するボルト１７によって、回転子２に固定されている。エンドプレート１６を介してロータコア１１の熱を外気に放出することで、ロータコア１１の放熱特性が向上する。また、このような構造とすることで、ロータコア１１を形成する電磁鋼板として、高張力ではない通常のものを使用することができる。これにより、ロータコア１１による鉄損を低減させることができるので、回転子２で発生する損失を低減させて、モータ効率を向上させることができる。

図２に示すように、ロータコア１１の外周部には、回転子２の周方向に間隔をおいて並んだ４個の磁石嵌め込み穴１１ｂが形成されている。各磁石嵌め込み穴１１ｂは、ロータコア１１を軸心方向に貫通しており、後述するように、永久磁石１２を構成する一対の同極の磁石１２ａ，１２ｂ、および、永久磁石１３を構成する一対の同極の磁石１３ａ，１３ｂがそれぞれ嵌め込まれる。

２組の永久磁石１２，１３は、ネオジム磁石等であって、ロータコア１１の磁石嵌め込み穴１１ｂに嵌め込まれることによって、回転子２（ロータコア１１）の磁極を形成する。永久磁石１２と永久磁石１３とは、回転子２の周方向に隣り合う磁極が互いに反対の磁極となるように（即ち、回転子２の外周面においてＳ極とＮ極とが周方向に交互に並ぶように）、各磁石嵌め込み穴１１ｂに嵌め込まれる。

永久磁石１２は、回転子２の周方向に沿って隣接配置された一対の同極の磁石１２ａ，１２ｂからなる。また、永久磁石１３は、回転子２の周方向に沿って隣接配置された一対の同極の磁石１３ａ，１３ｂからなる。一対の同極の磁石１２ａ，１２ｂおよび一対の同極の磁石１３ａ，１３ｂは、それぞれ磁石嵌め込み穴１１ｂに嵌め込まれる。

一対の同極の磁石１２ａ，１２ｂにおける回転子２の中心に対向する面は、それぞれＳ極であって、その形状は平面にされている。また、一対の同極の磁石１２ａ，１２ｂにおける固定子３に対向する面は、それぞれＮ極であって、その形状は平面にされている。回転子２の外周面と同極の磁石１２ａ，１２ｂの各々との間の部分である磁束短絡路１１ｃは、回転子２内で磁束が短絡する部分である。

また、一対の同極の磁石１３ａ，１３ｂにおける回転子２の中心に対向する面は、それぞれＮ極であって、その形状は平面にされている。また、一対の同極の磁石１３ａ，１３ｂにおける固定子３に対向する面は、それぞれＳ極であって、その形状は平面にされている。回転子２の外周面と同極の磁石１３ａ，１３ｂの各々との間の部分である磁束短絡路１１ｃは、回転子２内で磁束が短絡する部分である。

また、回転子２の周方向において、一対の同極の磁石１２ａ，１２ｂおよび一対の同極の磁石１３ａ，１３ｂの各々と、ロータコア１１との間には、空隙１５がそれぞれ形成されている。この空隙１５は、回転子２の周方向において、同極の磁石１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂの各々の両側にそれぞれ形成されている。これら空隙１５により、回転子２内で短絡する磁束を減少させることができる。なお、磁束の短絡とは、Ｎ極から出た磁束が固定子３と回転子２との間の空隙部６に到達することなくそのままロータコア１１を通ってＳ極に入ることを意味する。

（固定子）
固定子３は、筒状のステータコア２１と、ステータコア２１の内周面に巻回された巻線２２とを有している。

ステータコア２１は、例えば、複数の電磁鋼板（ケイ素鋼板など）が軸心方向に積層されることによって形成されている。ステータコア２１の内周面には、周方向に沿ってスロット２１ａと歯２１ｂとが交互に連続して形成されており、歯２１ｂには巻線２２が巻回されている。複数の歯２１ｂにそれぞれ巻回された巻線２２に対して所定の位相差の電流が供給されることにより、回転磁界が形成される。これにより、回転子２にマグネットトルクとリラクタンストルクとが発生して、回転子２が回転する。ここで、リラクタンストルクとは、磁気抵抗が小さくなろうとする箇所に発生するトルク、即ち、磁気が流れ難いところに磁束を流そうと回転子２が固定子３に対して回転することにより発生するトルクである。

（繊維強化プラスチック管）
また、ＩＰＭモータ１は、繊維強化プラスチック管４を有している。この繊維強化プラスチック管４は、ロータコア１１に外挿されて固定されている。繊維強化プラスチック管４の厚みは、例えば２ｍｍである。繊維強化プラスチック管４をロータコア１１に固定することで、回転子２の強度が高まる。

斜視図である図３に示すように、繊維強化プラスチック管４は、高強度の繊維強化プラスチックの繊維を編んで樹脂で固めた複合材料である。繊維強化プラスチック管４を構成する繊維は格子状に配置されている。具体的には、軸方向に延在する繊維３１と周方向に延在する繊維３２とが格子状に配置されている。繊維強化プラスチックは、特許文献１の繊維強化金属線よりも導電率が低いので、回転子２に発生する渦電流損失を低減させることができる。

周方向に延在する繊維３２は、１本の繊維が螺旋状に巻回されたものである。一方、軸方向に延在する繊維３１は、周方向に並んで複数設けられている。本実施形態において、軸方向に延在する繊維３１は４本であるが、これに限定されず、５本以上であっても、３本以下であってもよい。

軸方向に延在する繊維３１、および、周方向に延在する繊維３２は、それぞれ低電導率繊維である。これにより、繊維強化プラスチック管４が発熱するのを抑えることができる。本実施形態において、軸方向に延在する繊維３１、および、周方向に延在する繊維３２は、比抵抗が１０¹⁰Ωｃｍ以上のＧＦＲＰ（Grass Fiber Reinforced Plastic）であるが、これに限定されず、ＣＦＲＰ（Carbon Fiber Reinforced Plastic）や、ＡＦＲＰ（Aramid Fiber Reinforced Plastic）、ＡＬＦＲＰ（Alumina Fiber Reinforced Plastic）等であってもよい。なお、軸方向に延在する繊維３１、および、周方向に延在する繊維３２の少なくとも一方が、絶縁性繊維であってもよい。

また、繊維が格子状に配置された繊維強化プラスチック管４においては、周方向の繊維密度よりも軸方向の繊維密度の方が大きくされている。ここで、周方向の繊維密度とは、周方向に隣り合う、軸方向に延在する複数の繊維３１の粗密を指す。一方、軸方向の繊維密度とは、軸方向に隣り合う、周方向に延在する複数の繊維３２の粗密を指す。

繊維密度が密であるほど、繊維強化プラスチック管４の強度は向上するが、コストおよび製作工数が増加する。また、繊維密度が密であるほど、電気伝導率が上昇し、渦電流が発生する要因となる。そこで、周方向の繊維密度を小さくすることで、渦電流が発生する要因が低減するとともに、コストおよび製作工数が低減する。また、軸方向の繊維密度の方を大きくすることで、永久磁石の飛散が好適に抑制される。

このような繊維強化プラスチック管４は、繊維強化プラスチック管４を温めておくことにより、ロータコア１１に焼き嵌めされる。なお、ロータコア１１を冷やしておくことにより、繊維強化プラスチック管４をロータコア１１に冷やし嵌めしてもよい。また、ロータコア１１の表面に接着剤を塗布した状態で、繊維強化プラスチック管４をロータコア１１に隙間嵌め（圧入）してもよい。

繊維強化プラスチック管４を用いることで、回転子２の強度を確保しながらロータコア１１の外周部である磁束短絡路１１ｃ（図２参照）を細くすることができる。よって、トルクを補うために電流を増加させる必要がなく、渦電流損失は増加しない。よって、モータ効率を９５％以上に向上させることができる。

なお、軸方向に延在する繊維３１は、低電導率繊維よりも電導率の高い繊維であってもよい。この場合、材料コストを抑えることができる。

また、軸方向に延在する繊維３１は、導電性のない繊維であってもよい。この場合、材料コストを抑えながら、格子状に配置された繊維において、渦電流を発生させるループを形成しないようにすることができる。

また、繊維強化プラスチック管４を構成する、周方向に延在する繊維３２は、螺旋状に巻回されたものに限定されず、リング状の繊維が軸方向に並んで複数設けられたものであってもよい。

（効果）
以上に述べたように、本実施形態に係るＩＰＭモータ（磁石埋込型回転電機）１によると、繊維強化プラスチック管４をロータコア１１に外挿して固定することで、回転子２の強度を高めることができる。これにより、永久磁石１２，１３が飛散するのを抑制することができる。また、繊維強化プラスチックは、特許文献１の繊維強化金属線よりも導電率が低いので、回転子２に発生する渦電流損失を低減させることができる。また、回転子２の強度を確保しながらロータコア１１の外周部を細くすることができるので、トルクを補うために電流を増加させる必要がなく、渦電流損失は増加しない。よって、モータ効率を向上させることができる。このように、本発明のＩＰＭモータ１は、回転子２の強度を高めつつも、当該回転子２で発生する渦電流損失を抑制することができるので、高速回転可能であり且つ効率も良い。

また、繊維強化プラスチック管４を構成する繊維を、低電導率繊維または絶縁性繊維にすることで、繊維強化プラスチック管４が発熱するのを抑えることができる。

また、繊維強化プラスチック管４を構成する繊維を格子状に配置して、周方向の繊維密度よりも軸方向の繊維密度の方を大きくする。周方向の繊維密度を小さくすることで、渦電流が発生する要因を低減させることができるとともに、コストおよび製作工数を低減させることができる。また、軸方向の繊維密度の方を大きくすることで、永久磁石１２，１３の飛散を好適に抑制することができる。

また、軸方向に延在する繊維３１として、低電導率繊維よりも電導率の高い繊維を使用することで、材料コストを抑えることができる。

［第２実施形態］
（繊維強化プラスチック管）
次に、本発明の第２実施形態に係るＩＰＭモータ（磁石埋込型回転電機）２０１について説明する。なお、上述した構成要素と同じ構成要素については、同じ参照番号を付してその説明を省略する。本実施形態のＩＰＭモータ２０１が第１実施形態のＩＰＭモータ１と異なる点は、斜視図である図４Ａおよび斜視図である図４Ｂに示すように、繊維強化プラスチック管２０４において、軸方向に延在する繊維３１と周方向に延在する繊維３２との間に樹脂が介在させられている点である。

具体的には、繊維強化プラスチック管２０４は、図４Ａに示すように、周方向に延在する繊維３２のみからなる内管２０４ａと、軸方向に延在する複数の繊維３１および一対のリング状の繊維３３からなる外管２０４ｂとからなる。一対のリング状の繊維３３には、軸方向に延在する繊維３１の端がそれぞれ接続されている。

軸方向に延在する繊維３１、および、周方向に延在する繊維３２は、それぞれ低電導率繊維である。なお、軸方向に延在する繊維３１、および、周方向に延在する繊維３２の少なくとも一方が、絶縁性繊維であってもよい。リング状の繊維３３は、低電導率繊維や絶縁性繊維であっても、低電導率繊維よりも電導率の高い繊維であってもよい。低電導率繊維よりも電導率の高い繊維を使用することで、材料コストを抑えることができる。

そして、図４Ｂに示すように、内管２０４ａと外管２０４ｂとが重ね合されることで、繊維強化プラスチック管２０４が形成される。このとき、軸方向に延在する繊維３１と周方向に延在する繊維３２との間に樹脂を介在させる。これにより、軸方向に延在する繊維３１と周方向に延在する繊維３２との間で絶縁性を確保することができる。これにより、格子状に配置された繊維において、渦電流を発生させるループを形成しないようにすることができる。

また、内管２０４ａを構成する、周方向に延在する繊維３２は、螺旋状に巻回されたものに限定されず、リング状の繊維が軸方向に並んで複数設けられたものであってもよい。

（効果）
以上に述べたように、本実施形態に係るＩＰＭモータ（磁石埋込型回転電機）２０１によると、繊維強化プラスチック管２０４を構成する繊維を格子状に配置し、軸方向に延在する繊維３１と周方向に延在する繊維３２との間に樹脂を介在させることで、軸方向に延在する繊維３１と周方向に延在する繊維３２との間で絶縁性を確保することができる。これにより、格子状に配置された繊維において、渦電流を発生させるループを形成しないようにすることができる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、具体例を例示したに過ぎず、特に本発明を限定するものではなく、具体的構成などは、適宜設計変更可能である。また、発明の実施の形態に記載された、作用及び効果は、本発明から生じる最も好適な作用及び効果を列挙したに過ぎず、本発明による作用及び効果は、本発明の実施の形態に記載されたものに限定されるものではない。

１，２０１ＩＰＭモータ（磁石埋込型回転電機）
２回転子
３固定子
４，２０４繊維強化プラスチック管
５出力軸
６空隙部
１１ロータコア
１１ａ穴
１１ｂ磁石嵌め込み穴
１１ｃ磁束短絡路
１２，１３永久磁石
１２ａ，１２ｂ同極の磁石
１３ａ，１３ｂ同極の磁石
１４平行キー
１５空隙
１６エンドプレート
１７ボルト
２１ステータコア
２１ａスロット
２１ｂ歯
２２巻線
３１軸方向に延在する繊維
３２周方向に延在する繊維
３３リング状の繊維
２０４ａ内管
２０４ｂ外管

Claims

永久磁石が内部に埋め込まれたロータコアを有する回転子と、当該回転子に対して対向配置される固定子とを備える磁石埋込型回転電機であって、
繊維強化プラスチック管が前記ロータコアに外挿されて固定されており、
前記繊維強化プラスチック管を構成する繊維は格子状に配置され、周方向の繊維密度よりも軸方向の繊維密度の方が大きくされていることを特徴とする、磁石埋込型回転電機。
請求項１に記載の磁石埋込型回転電機において、
前記繊維強化プラスチック管を構成する繊維が、低電導率繊維または絶縁性繊維であることを特徴とする、磁石埋込型回転電機。
請求項１又は２に記載の磁石埋込型回転電機において、
前記繊維強化プラスチック管を構成する繊維は格子状に配置され、軸方向に延在する繊維と周方向に延在する繊維との間に樹脂が介在させられていることを特徴とする、磁石埋込型回転電機。
請求項１〜３のいずれかに記載の磁石埋込型回転電機において、
前記繊維強化プラスチック管を構成する繊維は格子状に配置され、周方向に延在する繊維が低電導率繊維または絶縁性繊維であり、軸方向に延在する繊維が前記低電導率繊維よりも電導率の高い繊維であることを特徴とする、磁石埋込型回転電機。