JPWO2004008612A1 - 永久磁石式回転電機、空気圧縮機及びタービン発電機 - Google Patents

Abstract

永久磁石の磁束を有効に利用し、小型軽量で生産性に優れ、安定に高速回転する永久磁石式回転電機と、これを用いた空気圧縮機及びタービン発電機を提供することを目的とする。本発明は、複数の電機子巻線１３を施した固定子１０と、その内側で回転する回転軸２１に固定した磁性体の円筒部材２２を介して永久磁石２３を設け、その外周を補強材２４で補強した回転子２０を有する永久磁石式回転電機において、前記回転軸として、高強度の非磁性体の回転軸２１を採用した。また、永久磁石２３の発生磁束φの利用率に関し、永久磁石２３の厚みに対する磁性体円筒部材２２の厚みと非磁性体の回転軸の半径との関係を明らかにし、小型軽量で生産性に優れた永久磁石式回転電機と、これを用いた空気圧縮機及びタービン発電機を実現した。

Description

本発明は、圧縮機等を駆動する超高速可変速電動機あるいは小型のタービン発電機に用いて好適な永久磁石式回転電機及びこれを用いた空気圧縮機並びにタービン発電機に関するものである。

空気圧縮機では、その回転速度を４００００［ｒｐｍ］以上として、駆動電動機及び圧縮機全体の小型軽量化を図っている。この駆動電動機の回転子には、永久磁石が使用される。高速回転に伴う遠心力によって、この永久磁石が破損しないように、回転子の外周を補強材で保護している。
特開平１０−２４８１８５号公報には、電機子巻線を施した固定子と、その内側で回転する回転軸に固定した円筒部材を介して永久磁石を取付け、その外周を補強材でカバーした回転子を有する永久磁石式回転電機が開示されている。ここでは、回転軸の外周に空気孔を備えた非磁性の多孔質円筒部材を設け、その外周に積層電磁鋼板を設け、更にその外周にセグメント磁石を取付けている。この磁石の外周には、カーボン繊維などからなる補強部材を配置した構造である。

上記従来技術では、高速回転する回転子への永久磁石の取付けを補強する技術が提案されているが、空気圧縮機などにおける高速回転化の要求が高くなると回転軸の強度が重要な要素となる。回転軸の強度が十分でないと共振点で大きな振動に耐えきれず、振れが大きくなって固定子に接触したり、破壊したりする。また、回転軸を太くして強度を確保しようとしても、自重による遠心力も増加し、高速回転が困難になる。
本発明の目的は、小型軽量で、安定に高速回転できる永久磁石式回転電機を提供することである。
本発明の他の目的は、生産性の優れた安定に高速回転できる永久磁石式回転電機を提供することである。
また、本発明の他の目的は、小型軽量で、生産性の優れた空気圧縮機を提供することである。
更に、本発明の他の目的は、小型軽量で、生産性の優れたタービン発電機を提供することである。
本発明はその一面において、電機子巻線を備えた固定子と、その内側で回転する回転軸に磁性体の円筒部材を介して永久磁石を取付けた回転子を備えた永久磁石式回転電機において、前記回転軸を非磁性体で構成したことを特徴とする。
本発明は他の一面において、電機子巻線を施した固定子と、その内側で回転する回転軸に永久磁石を取付けた回転子を有する永久磁石式回転電機において、前記回転軸を非磁性体で構成するとともに、この回転軸に対し、磁性体の円筒部材を介在させて前記永久磁石を取付けたことを特徴とする。
本発明はまた他の一面において、必要な前記永久磁石の厚みとその利用率に関して、前記磁性体の円筒部材の厚みや、前記回転軸の厚みの関係を明らかにした。
永久磁石で発生した磁束は、永久磁石の内側では、回転軸ではなく、磁性体の円筒部材による磁路を通り、永久磁石式回転電機を形成する。回転軸を非磁性体とすることにより、回転軸の材料が限定されることなく、強度の確保が容易となり、高速回転に耐える小型軽量の永久磁石式回転電機を得ることができる。
本発明はさらに他の一面において、永久磁石式電動機と、この電動機の回転軸に連結されたコンプレッサを備えた空気圧縮機において、前記電動機の回転子と、前記コンプレッサのブレードに繋がる回転軸を一体に形成された非磁性体としたことを特徴とする。
本発明はさらにまた他の一面において、永久磁石式発電機と、この発電機の軸に連結されたコンプレッサ及びタービンを備えたタービン発電機において、前記発電機の回転子と、前記コンプレッサのブレード、及び前記タービンのブレードに繋がる回転軸を一体に形成された非磁性体としたことを特徴とする。
これにより、安定した高速回転を可能にする小型軽量の永久磁石式回転電機を備えた空気圧縮機やタービン発電機を実現できる。
本発明のその他の目的及び特徴は、以下に述べる実施例で明確となる。

第１図は本発明の一実施例による永久磁石式回転電機の基本的な構造を示す軸方向断面図、第２図は第１図のＩＩ−ＩＩ断面図、第３図は本発明の一実施例による永久磁石のラジアル着磁を示す模式図、第４図は本発明の他の一実施例による永久磁石のハルバック着磁を示す模式図、第５図は本発明の一実施例による円筒部材厚／磁石厚に対する誘導起電力比を示す実測グラフ、第６図は本発明の一実施例による円筒部材厚／回転軸半径に対する誘導起電力比を示す実測値のグラフ、第７図は本発明の実施例を示す円筒部材厚に対する誘導起電力比を示す実測値のグラフ、第８図は本発明の他の実施例を示す円筒部材厚／回転軸半径に対する誘導起電力比を示す実測値のグラフ、第９図は本発明の一実施例によるタービン発電機の概略構造を示す軸方向断面図である。

以下本発明の実施例を図面を参照して説明する。
第１図は本発明の一実施例による永久磁石式回転電機の概略を示す径方向断面図、第２図は第１図のＩＩ−ＩＩ断面図である。これらの図において、固定子１０は、固定子ヨーク１１に設けられた複数のスロット１２中に巻回された三相巻線１３を備えている。
一方、回転子２０は、非磁性体の回転軸２１に、磁性体の円筒部材２２を介して永久磁石２３を取付け、その外側を補強材２４で補強する構成である。この実施例における永久磁石２３の厚みＰＭｔは、６．５［ｍｍ］である。非磁性体の回転軸２１は、インコネル（Ｉｎｃｏｎｅｌ）、例えば「Ｉｎ７１８」等の強度の高い非磁性材料からなり、この実施例では、半径ＳＨｔは８［ｍｍ］である。円筒部材２２は、組立て上の理由から、第１円筒部材２２１と第２円筒部材２２２とに分けられており、両者を重ね合わせて永久磁石２３と非磁性体の回転軸２１との間に、所望の厚みＣＣｔ＝２４［ｍｍ］を確保している。
組立てにあたっては、まず、比較的肉薄の第１円筒部材２２１の外周に、永久磁石２３と、補強材２４を取付ける。具体的には、永久磁石２３の軸方向の位置合わせと、永久磁石２３及び補強材２４を固定保持するために、第１円筒部材２２１の奥側（第１図の左方）まで保持リング２５１を挿入する。その後、永久磁石２３及び補強材２４を挿入し、挿入口側に保持リング２５２を嵌め込んで固定する。すなわち、永久磁石２３及び補強材２４の軸方向両端部に、これらを挟み込むように、一対のリング２５１，２５２を設けている。次に、これらを比較的肉厚の第２円筒部材２２２の外周に嵌め込む。更に、これらの部材を装備した円筒部材２２を、非磁性体の回転軸２１に嵌め込み固定する。最後に、永久磁石２３を着磁して回転子１０の組立てを終了する。
永久磁石２３は、ＮｄＦｅＢやＳｍＣｏ等を主原料として構成され、補強材２４は、カーボン繊維強化プラスチック（Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ、以下ＣＦＲＰと略記する）製である。
固定子１０と回転子２０を備えた永久磁石式回転電機は、永久磁石２３の磁極位置に従って、三相巻線１３にインバータ（図示せず）から三相交流電力を供給することにより、回転駆動力を発生する。
このように構成した永久磁石式回転電機の磁束φは、第２図に示すように、次のような磁路を通る。まず、永久磁石２３の外側で考えると、回転子２０と固定子１０間の、補強材２４を含めた磁路ギャップを通り、固定子ヨーク１１に到達し、固定子ヨーク１１を１８０度回り、永久磁石２３のＳ極に戻る。また、永久磁石２３の内側では、回転軸が磁性体でないので、永久磁石２３のＮ極から出た磁束は、磁性体の円筒部材２２を通り、永久磁石２３のＳ極に戻る。このため、円筒部材２２の磁気特性と厚みが磁束φの流れに大きく影響する。
超高速回転を考えると、回転子２０の径は、できるだけ小さくして遠心力を小さく抑えることが望ましい。しかしながら、固定子１０に、所望の磁束φを与えるためには、まず、永久磁石２３の厚みＰＭｔが決まり、それによって回転子２０の外径（半径をＳＨｔとする）も決まる。そこで、永久磁石２３の内側の円筒部材２２の厚みＣＣｔと回転軸２１の半径ＳＨｔの取合いになるが、回転軸２１の半径ＳＨｔを大きくすれば回転は安定し、共振点を超える高速運転が可能となる。しかし、円筒部材２２の厚みＣＣｔが薄くなると磁束φが不足し、電動機のトルク又は発電機の発電力が不足する。このため、回転軸２１は、インコネルのような高強度の非磁性体にすれば半径ＳＨｔをある程度小さくでき、円筒部材２２の厚みＣＣｔを確保できるようになる。
以上の構成による永久磁石式回転電機は、組立てが簡単で生産性が向上し、無駄が無いので小型軽量化も可能となる。
第３図と第４図は、永久磁石２３の異なる着磁の実施例を示す。超高速の回転電機では、インバータの駆動周波数を余り高くしなくても高速回転が得られるように、永久磁石２３は２極に着磁される。第３図は、ラジアル方向に着磁するラジアル着磁を示し、第４図には一方向に着磁するハルバック着磁を示す。
第３図のラジアル着磁では、円の中心から放射状に着磁するため、破線で示した磁束φは、磁性体円筒部材２２を通して流れるが、永久磁石２３の内側に磁性体円筒部材２２が無ければ磁束の流れが大きく阻害される。
これに対して、第４図のハルバック着磁では一方向に着磁されるので、仮に、永久磁石２３の内側の磁性体の円筒部材２２が無いとしても、ある程度磁束φの流れができる。しかしながら、この場合も内側に磁性体の円筒部材２２があった方が、破線で示すように磁束の流れが良くなる。
図から分かるように、円筒部材２２の磁気特性と厚みＣＣｔが、磁束φの流れに大きく影響する。これに伴い、誘導起電力ＩＶが低下するが、その主な要因としては、磁性材料内の磁束密度が飽和傾向を示していることである。磁性材料内の磁束密度が飽和すると、永久磁石２３の磁束φを有効に活用することができない。回転軸２１を磁性体とした場合に比べ、誘導起電力ＩＶが余り低下しないレベル、実用上９０［％］以上の誘導起電力比ＩＶＲが必要である。
ここで発明者の実験結果によると、第５図〜第８図のグラフに示す結果が得られた。この実験は、回転子２０を一定速度で回転したときに、固定子巻線１３に誘起される誘導起電力ＩＶを測定することによって、永久磁石２３が発生する磁束φの利用率を評価したものである。なお、従来のように回転軸２１を磁性体とした場合の値を基準値（１００［％］）とし、この基準値との比で誘導起電力比ＩＶＲ［％］として示した。
第５図は、ハルバック着磁の例で、横軸を円筒部材２２の厚みＣＣｔと永久磁石２３の厚みＰＭｔの比に対する誘導起電力比ＩＶＲ［％］のグラフである。このグラフから誘導起電力比ＩＶＲが約９０［％］以上得られるのは、円筒部材２２の厚みＣＣｔと永久磁石２３の厚みＰＭｔの比が１．０以上であることが分かる。また、ほぼ１００［％］の誘導起電力比ＩＶＲが得られるのは、図示するように、円筒部材２２の厚みＣＣｔと永久磁石２３の厚みＰＭｔの比が１．１７以上である。先に述べた第１図及び第２図の実施例では、円筒部材２２の厚みＣＣｔが２４［ｍｍ］で、永久磁石２３の厚みＰＭｔが６．５［ｍｍ］である。したがって、横軸の円筒部材厚ＣＣｔ／磁石厚ＰＭｔは約３．７であり、図に破線で示すように、誘導起電力比ＩＶＲはほぼ１００［％］である。
第６図は、同じくハルバック着磁の例で、横軸を円筒部材２２の厚みＣＣｔと回転軸２１の半径ＳＨｔと比に対する誘導起電力比ＩＶＲのグラフである。このグラフから誘導起電力比ＩＶＲが約９０［％］以上得られるのは、円筒部材２の厚みＣＣｔと回転軸２１の半径ＳＨｔの比が０．２５以上であることが分かる。また、誘導起電力比ＩＶＲがほぼ１００［％］得られるのは、円筒部材２の厚みＣＣｔと回転軸２１の半径ＳＨｔの比が０．３７以上であることが分かる。先に述べた第１図及び第２図の実施例では、円筒部材２２の厚みＣＣｔが２４［ｍｍ］で、回転軸２１の半径ＳＨｔが８［ｍｍ］である。したがって、横軸の円筒部材厚ＣＣｔ／回転軸半径ＳＨｔは３．０であり、図に破線で示すように、誘導起電力比ＩＶＲはほぼ１００［％］得られている。
第７図は、同じくハルバック着磁の例で、横軸を円筒部材２２の厚みに対する誘導起電力比ＩＶＲのグラフである。このグラフから誘導起電力比ＩＶＲが約９０［％］以上得られるのは、円筒部材２の厚みＣＣｔが７．２［ｍｍ］以上であることが分かる。また、誘導起電力比ＩＶＲがほぼ１００［％］得られるのは、円筒部材２の厚みＣＣｔが１０［ｍｍ］以上であることが分かる。先に述べた第１図及び第２図の実施例では、円筒部材２２の厚みＣＣｔは２４［ｍｍ］である。したがって、図に破線で示すように、誘導起電力比ＩＶＲはほぼ１００［％］得られている。
第８図は、ラジアル着磁の例で、横軸を円筒部材２２の厚みＣＣｔと回転軸２１の半径ＳＨｔの比に対する誘導起電力比ＩＶＲのグラフである。このグラフから誘導起電力比ＩＶＲが約９０％以上得られるのは、円筒部材２の厚みＣＣｔと回転軸２１の半径ＳＨｔの比が０．８以上であることが分かる。また、誘導起電力比ＩＶＲがほぼ１００％得られるのは、円筒部材２の厚みＣＣｔと回転軸２１の半径ＳＨｔの比が１．２７以上であることが分かる。先に述べた第１図及び第２図の実施例では、円筒部材２２の厚みＣＣｔが２４［ｍｍ］で、回転軸２１の半径ＳＨｔが８［ｍｍ］である。したがって、横軸の円筒部材厚ＣＣｔ／回転軸半径ＳＨｔは３．０であり、図に破線で示すように、誘導起電力比ＩＶＲはほぼ１００［％］得られている。
以上のように非磁性材料のインコネル等の高強度材料を回転軸２１に使用し、磁性体の円筒部材２２を永久磁石２３と回転軸２１の間に使用することで、１次共振点を超えた超高速回転が可能となる。また、永久磁石２３の磁束φを有効に使用して小型軽量で生産性の優れた永久磁石式回転電機が得られる。第１図及び第２図に示した実施例においては、回転軸２１の１次共振周波数が３４０［Ｈｚ］で、これに対応する回転数は２０４００［ｒｐｍ］であるが、この実施例では、４００００［ｒｐｍ］以上の超高速回転が得られた。
第９図は、本発明の一実施例による永久磁石式発電機を用いたタービン発電機の概略構造を示す軸方向断面図である。発電機１００は、第１図及び第２図で説明した構造をもつ永久磁石式回転電機である。固定子１１０には、固定子ヨーク１１１に三相巻線１１３を備えている。回転子１２０は、非磁性体の回転軸１２１を備え、回転子１２０を軸方向に挟込む位置に２つの軸受１０１と１０２を備えている。この非磁性体の回転軸１２１は、オーバーハングされて図の右方に伸び、このオーバーハング部１２１１にコンプレッサ２００のブレード２０１と、ガスタービン３００のブレード３０１が取付けられている。ガスタービン３００は、圧縮ガスがそのブレード３０１に噴き付けられて回転する。このとき、圧縮ガスの圧縮度を高めるため、コンプレッサ２００のブレードにより再圧縮して温度を高めた後、タービンのブレード３０１に導いている。
このようにガスタービン発電機が構成され、永久磁石式発電機１００の非磁性体の回転軸１２１には、コンプレッサ２００のブレード２０１と、ガスタービン３００のブレード３０１が取付けられている。この軽量で強固な一体の回転軸１２１により、小型軽量で生産性に優れたタービン発電機を実現できる。
コンプレッサ２００やタービン３００は、高効率化のため高温下で運転されることが多く、これらの回転軸には、高温に耐えられる材料として非磁性体が多く用いられている。したがって、必ずしも永久磁石式発電機１００、コンプレッサ２００、及びタービン３００の回転軸を一体化する必要はなく、夫々の持つ非磁性体の回転軸相互間で連結しても良い。この場合、永久磁石式発電機１００の回転軸１２１がインコネルのような非磁性体であれば、コンプレッサ２００やタービン３００の回転軸も非磁性体であるため、結合が簡単で製作効率が向上する。
更に、第９図では、タービン３００をも連結したタービン発電機であるが、永久磁石式回転電機１００を電動機として使用し、コンプレッサ２００のみを駆動する構成とすることもできる。この場合には、小型軽量で生産性の優れ、安定に高速回転する空気圧縮機を得ることができる。

本発明によれば、永久磁石の磁束を有効に利用し、小型軽量で生産性の優れ、安定して高速回転する永久磁石式回転電機、空気圧縮機、及びタービン発電機を得ることができる。

Claims (17)

1. 電機子巻線を施した固定子と、その内側で回転する回転軸に固定した磁性体の円筒部材を介して永久磁石を取付けた回転子を有する永久磁石式回転電機において、前記回転軸を非磁性体としたことを特徴とする永久磁石式回転電機。
2. 電機子巻線を施した固定子と、その内側で回転する回転軸に固定した永久磁石を取付けた回転子を有する永久磁石式回転電機において、前記回転軸を非磁性体とするとともに、この非磁性体の回転軸の円周上に磁性体の円筒部材を取付け、この円筒部材の円周上に前記永久磁石を取付けたことを特徴とする永久磁石式回転電機。
3. 請求の範囲１又は２において、前記永久磁石の外周に補強材を備えたことを特徴とする永久磁石式回転電機。
4. 請求の範囲３において、前記永久磁石及び前記補強材の軸方向両端部に、これらを挟み込むように、一対のリングを設けたことを特徴とする永久磁石式回転電機。
5. 請求の範囲１又は２において、前記永久磁石をハルバック着磁したことを特徴とする永久磁石式回転電機。
6. 請求の範囲１又は２において、前記円筒部材の厚みを前記永久磁石の厚み以上としたことを特徴とする永久磁石式回転電機。
7. 請求の範囲１又は２において、前記円筒部材の厚みを回転軸半径の０．２５倍以上としたことを特徴とする永久磁石式回転電機。
8. 請求の範囲１又は２において、前記円筒部材の厚みを７．２［ｍｍ］以上としたことを特徴とする永久磁石式回転電機。
9. 請求の範囲１又は２において、前記永久磁石をラジアル着磁としたことを特徴とする永久磁石式回転電機。
10. 請求の範囲１又は２において、前記円筒部材の厚みを前記回転軸の半径の０．８倍以上としたことを特徴とする永久磁石式回転電機。
11. 請求の範囲１又は２において、前記永久磁石は、ＮｄＦｅＢ又はＳｍＣｏを主原料とすることを特徴とする永久磁石式回転電機。
12. 永久磁石式電動機と、この電動機の回転軸に連結されたコンプレッサを備えた空気圧縮機において、前記電動機の回転子と、前記コンプレッサのブレードに繋がる回転軸を非磁性体としたことを特徴とする空気圧縮機。
13. 請求の範囲１２において、前記回転軸は、前記電動機及び前記コンプレッサに亘って、一体に形成された非磁性体としたことを特徴とする空気圧縮機。
14. 請求の範囲１２又は１３において、前記電動機の回転子を挟む２つの位置に配置された２つの軸受と、これらの軸受からオーバーハングされた非磁性体の一体形成回転軸上に、前記コンプレッサのブレードを取付けたことを特徴とする空気圧縮機。
15. 永久磁石式発電機と、この発電機の軸に連結されたコンプレッサ及びタービンを備えたタービン発電機において、前記発電機の回転子と、前記コンプレッサのブレード、及び前記タービンのブレードに繋がる回転軸を非磁性体としたことを特徴とするタービン発電機。
16. 請求の範囲１５において、前記回転軸は、前記発電機、前記コンプレッサ、及び前記タービンに亘って、一体に形成された非磁性体としたことを特徴とするタービン発電機。
17. 請求の範囲１５又は１６において、前記発電機の回転子を挟む２つの位置に配置された２つの軸受と、これらの軸受からオーバーハングされた非磁性体の一体形成回転軸上に、前記コンプレッサのブレード及び前記タービンのブレードを取付けたことを特徴とするタービン発電機。

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