JPWO2012098737A1 - ハイブリッド型界磁永久磁石及びそれを用いた回転電機用ロータ及び発電機 - Google Patents

Abstract

本発明は、回転電機のロータに使用される界磁永久磁石であって、２種以上の異特性からなる永久磁石を組合せてあり、界磁永久磁石を幅方向に３つ以上に分割し、界磁永久磁石中心軸であるｄ軸を中心とした範囲に高保磁力の永久磁石Ａを使用し、ｄ軸から外側方に離れるに従って、永久磁石Ａよりは保磁力は低いが残留磁束密度は高い永久磁石Ｂ群を使用している。このように異特性の２種の磁石を用いたハイブリッド磁石を界磁磁石に採用することで、高価な高保磁力磁石の投入量を減らし、コスト低減、資源保護を図ることができる。

Description

本発明は、回転電機等に用いられる界磁永久磁石、及びそれを用いた回転電機用ロータ又は発電機に関する。

永久磁石式の発電機は、高い界磁磁束を発生させるために、高価で高性能な希土類系の永久磁石が用いられている。

非特許文献である、日本国明電時報２０１０−Ｎｏ．３ “風力発電用ＰＭＧの開発”には、発電機の短絡電流での永久磁石への電機子反作用の影響を、磁界解析を行って検討した論文が掲載されている。
その論文によれば、最大の電機子反作用は、コンバータ制御が外れ、短絡電流が流れた時であり、このとき、ｑ軸（磁石間軸）の位置に−Ｉｄ電流が流れるため、その対策として、ｑ軸を中心とた部分の磁石の厚みを、この短絡電流での電機子反作用に、耐える厚みに設計する必要がある、と述べられている。
具体的な発電機の一例としては、日本国特開２００４−２３９４４号公報（特許文献１）に記載の永久磁石式発電機が挙げられる。この特許文献１に記載された発電機の永久磁石は、中央部が端部よりも肉厚な形状になっており、まさに上記論文で述べられている構造を採用したものである。
しかしながら、特許文献１に記載の永久磁石は、高Ｈｃｊ磁石一種類のみで構成されているため、全体として高価な永久磁石の量を多く使わざるを得ない構造となっている。

日本国「明電時報２０１０−Ｎｏ．３ 」"風力発電用ＰＭＧの開発"

日本国特開２００４−２３９４４号公報

上記永久磁石式発電機において、磁石のｑ軸（磁石間軸）の位置に−Ｉｄの短絡電流が流れた場合の対策として、磁石の厚みを短絡電流による電機子反作用に耐える厚みに設計する必要がある。すなわち、永久磁石の中央部分に相当するｄ軸近傍の厚みを厚くする設計が必要となるが、高価な希土類永久磁石１種類のみを用いて磁石全体を構成する場合、それによって磁石の投入量が増大し、コストが増大するという問題がある。特に、希土類磁石の大量使用は、希少資源であるＤｙ、Ｔｂの大量消費につながり、環境への問題も無視できない。

本発明は、こうした従来技術が有する問題点を解決するため、磁石特性である保磁力（以下、Ｈｃｊと言う）及び残留磁束密度（以下、Ｂｒと言う）の違いを生かし、永久磁石の中央部分に高Ｈｃｊ磁石を、左右両端に高Ｂｒ・低Ｈｃｊ磁石を配置する構成とすることにより、高価な高Ｈｃｊ磁石の投入量を低減させることができるハイブリッド型界磁永久磁石及びそれを用いた回転電機用ロータ又は発電機を提供することを目的とする。

発電機に短絡電流が発生した場合、上記のとおり磁石磁束中心軸から電気的に９０°の位相、つまりｑ軸の位置に、−Ｉｄ電流が流れ、磁石磁束中心軸上に電機子反作用磁束が、磁石減磁方向にかかることになる。
電機子反作用起磁力波形は、正弦波に近い形状をしているため、磁石の反磁界はｄ（磁束）軸上が一番強く、磁石端になるに従い小さくなる。
こうした物理特性を踏まえ、本発明は、中央部に高Ｈｃｊ磁石を、両端部には高Ｂｒ・低Ｈｃｊ磁石を配置した、ハイブリッド型の界磁永久磁石とするものである。

本発明によれば、両端部に配置する磁石が低Ｈｃｊの磁石で構成されているため、磁石の保磁力特性を上げるために混合される高価な希土類元素であるＤｙ、Ｔｂ等の投入量を減らすことが出来る。
また、両端部に配置する磁石は、低Ｈｃｊであるが高Ｂｒの磁石であるため、永久磁石同期機の出力を決める界磁磁束量を増加させることができる。これにより両端部の界磁磁束量を増加させることができ、仮に出力一定とした場合、永久磁石同期機のサイズを小型化でき、全体の磁石投入量を削減することができる。
本発明によれば、出力一定とした場合の従来品に比べて、永久磁石発電機の希土類磁石投入量を約１５〜３０％低減でき、コストで約３０％低減することが可能となる。
また、磁石を分割構成することで、渦電流損失を低減することもできる。
さらには、前記のように永久磁石同期機のサイズを小型化でき、軽量化が可能となることから、特に、細いタワー上の高所にある風力用発電機の建設作業工程において、この軽量化は極めて重要な効果となる。

本発明の第１実施形態に係る永久磁石発電機の正断面図である。 同実施形態に係る電機子と磁石部を示す拡大図である。 本発明の第１実施形態に係る永久磁石発電機のハイブリッド磁石図である。 本発明の第１実施形態と従来技術との磁束密度分布を比較した図である。 本発明の第２実施形態に係る永久磁石発電機のＩＰＭロータ図である。 本発明の第２実施形態に係る永久磁石発電機のハイブリッド磁石図である。 本発明の第２実施形態と従来技術との磁束密度分布を比較した図である。 本発明の変形例に係る永久磁石発電機のＩＰＭロータ図である。 本発明の変形例に係る永久磁石発電機のハイブリッド磁石図である。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。なお、同一の構成については同一の符号を付することにより、重複説明を適宜省略する。

＜第１実施形態＞
まず、図１を参照しつつ、本発明の第１実施形態に係る永久磁石発電機の構成について説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係る永久磁石発電機の正面図である。

図１に示すように、本実施形態に係る永久磁石発電機１００は、電機子部１０１と、ＳＰＭロータ部１０２と、ロータ部に装着された界磁永久磁石１０３とを有する。

電機子部１０１は、発電機の電機子構造の一例であって、電機子コアに電機子巻線を巻回したものである。前記界磁永久磁石１０３が回転したとき、発電機の電機子部１０１に誘起電圧が発生するものである。

＜数式１＞
ギャップ磁束密度Ｂｇ、ギャップ面積Ｓｇとした場合、総磁束量Φは、Φ＝Ｂｇ・Ｓｇとなる。また電機子巻線巻回数Ｗ、巻線係数ｋｗ、角回転速度ωとした場合、誘起電圧Ｅは、以下の式で示される。

Ｅ＝ｋｗ・Ｗ・Φ・ω …（式１）

次に、図２を参照しつつ、本実施形態に係る永久磁石発電機１００の短絡電流動作について説明する。図２は、本実施形態に係る永久磁石発電機の短絡動作を示す断面図である。

図２に示すように、本実施形態に係る永久磁石発電機１００では、短絡動作が発生すると、電機子部１０１のｑ軸の位置に短絡電流が流れ、電機子反作用が起きる。つまり、永久磁石１０３の中心軸であるｄ軸を最大にして、磁石両端にいくにしたがい、この電機子反作用の影響は小さくなる。よって、図３に示すように界磁永久磁石１０３を幅方向に複数個（最少３個）に分割し、永久磁石中心軸であるｄ軸から６０〜８０％の範囲に高Ｈｃｊ磁石Ａを使用し、その両端部に高Ｂｒ磁石Ｂを使用する。磁石Ａと磁石Ｂは、接着剤等で強固に固定して一体化する。
このように異特性の２種の磁石を用いた、いわゆるハイブリッド型の磁石を界磁永久磁石に採用することにより、高価な希土類元素であるＤｙやＴｂを多量に投入する高Ｈｃｊ磁石の投入量を減らすことができる。また磁石両端部に配置する磁石を高Ｂｒ磁石にすることで、磁石コストを抑えながら磁石磁束を増大させ、永久磁石発電機の発電量を増大することができる。
ここで、以下のとおり２種類のハイブリッド型界磁永久磁石における、高Ｈｃｊの磁石Ａと、高Ｂｒの磁石Ｂとの関係を示す。
種類１
磁石Ａ： ２０ＭＯｅ≦Ｈｃｊ≦２８ＭＯｅ
１１．７ＫＧ≦Ｂｒ≦１４．４ＫＧ
磁石Ｂ： １６ＭＯｅ≦Ｈｃｊ≦２３ＭＯｅ
１０．４ＫＧ≦Ｂｒ≦１３．６ＫＧ
ただし、常に 磁石ＡのＨｃｊ＞磁石ＢのＨｃｊ の関係にある。
種類２
磁石Ａ： ２３ＭＯｅ≦Ｈｃｊ≦３３ＭＯｅ
１１．７ＫＧ≦Ｂｒ≦１３．６ＫＧ
磁石Ｂ： ２０ＭＯｅ≦Ｈｃｊ≦２８ＭＯｅ
１０．８ＫＧ≦Ｂｒ≦１３．４ＫＧ
ただし、常に 磁石ＡのＨｃｊ＞磁石ＢのＨｃｊ の関係にある。
なおここで、保磁力Ｈｃｊの単位 ＭＯｅ＝１×１０^６Ｏｅであり、保磁力をＣＧＳ単位系で表したものである。
また、残留磁束密度Ｂｒの単位 ＫＧ＝１×１０^３Ｇであり、残留磁束密度をＣＧＳ単位系で表したものである。
種類１の永久磁石は、発電機の回転速度が比較的遅い風力発電機のような自然流体エネルギーを電気変換する発電機への適用が好適である。
また種類２の永久磁石は、発電機の回転速度が比較的速く、熱環境条件が悪い（高い）エンジン発電機のよう化石燃料を電気変換する発電機への適用が好適である。

以上説明したように、本実施形態に係る発電機１００は、電力を発生させるための界磁永久磁石１０３として、異特性の２種の磁石を用いたハイブリッド界磁永久磁石を採用した。
このハイブリッド界磁永久磁石は、高価なＤｙやＴｂを多量に投入する高Ｈｃｊ磁石の投入量を減らすことが可能となる。
例えば、中央部分の磁石ＡをＨｃｊ＝３０ＫＯｅ、両端部の磁石ＢをＨｃｊ＝２１ＫＯｅとした場合、
（１）Ｈｃｊ＝３０ＫＯｅの磁石一種類だけで構成した場合と比較して、
磁石投入量を１５％、コストで３０％、それぞれ削減できる。
また、
（２）Ｈｃｊ＝２１ＫＯｅの磁石一種類だけで構成した場合と比較して、
磁石投入量を３０％、コストで３０％、それぞれ削減できる。
図４は、従来技術と本願発明の実施例との磁束密度分布の違いを表したものである。この図から明らかなように、本実施例の磁石の方が、従来技術と比べて磁石両端部分において、界磁磁束量を増大させることができる。このように本発明のハイブリッド界磁永久磁石は、磁石両端部に配置する磁石を高Ｂｒ磁石にすることで界磁磁束量も増大させることができるので、永久磁石同期機の出力を一定にした場合、同期機全体サイズを小形化でき、コスト削減効果がある。
また、図３に示すように界磁永久磁石を幅方向に複数奇数個（最少３個）に分割することにより、発電機が回転動作時に永久磁石１０３の内部に発生する渦電流損を低減することになり、同一エネルギーが入力された時、発電量が増大し、発電機効率の向上効果をより一層高めることができる。
さらに、両端部に配置される磁石Ｂは、高Ｂｒ磁石を用いており、一般的に、高Ｂｒ磁石は、保磁力Ｈｃｊを大きくするための希土類元素であるＤｙ、Ｔｂ等を多く含んでいないため、磁石投入量低減に加えて、素材コストの低減、資源保護を可能にし、機器の軽量化を図ることが可能になる。

＜第２実施形態＞
次に、図５、図６を参照しつつ、本発明の第２実施形態に係る永久磁石発電機２００及びそのロータ部２０２について説明する。

この第２実施形態に係る永久磁石発電機２００は、ＳＰＭロータ部１０２の代わりにＩＰＭロータ部２０２を有する点で、第１実施形態に係る永久磁石発電機１００と異なり、他の構成は同様に構成される。従って、以下では、説明の便宜上、重複説明を適宜省略し、第１実施形態と異なる点を中心に説明することとする。

ＩＰＭロータ部２０２は、ＳＰＭロータ部１０２と異なり、界磁永久磁石を、ロータの表面ではなく、強磁性体からなる円筒ロータの磁石挿入穴に挿入固定する。
ＩＰＭロータ部２０２は、ＳＰＭロータ部１０２と比較してインダクタンスが磁極数の２倍の周期で変化する“凸極性”を有する。その結果、回転電機の発生トルクは、磁石トルクに加えてリラクタンストルクが重畳されることとなる。従って本実施形態に係る永久磁石発電機２００は、実施例１の永久磁石と比較して磁石投入量を軽減することができる。また、このとき、前記ＩＰＭロータ部２０２においては、ｑ軸の位置に短絡電流が流れたときにｄ軸の位置に発生する電機子反作用が、磁石表面の突極子で緩和されることになるので、磁石形状は断面長方形の均等厚みのブロック形状でよい。
図７は、従来技術と本願発明の実施例との磁束密度分布の違いを表したものである。この図から明らかなように、本実施例の磁石の方が、従来技術と比べて磁石両端部分において、界磁磁束量を増大させることができる。

以上説明したように、本実施形態に係る永久磁石発電機２００は、凸極性を有するＩＰＭロータ部２０２を有することにより、第１実施形態に係る永久磁石発電機１００が奏する作用・効果とともに、更に、磁石トルクに加えてリラクタンストルクが重畳されることにより、出力一定とした場合、磁石トルクを低減でき、磁石投入量を軽減し、回転電機の無負荷損失を低減することも可能である。

以上、本発明の第１、第２の実施形態について説明したが、本発明は、いわゆる当業者であれば、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、上記実施形態から適宜変更が可能であり、また、上記実施形態と変更例による手法を適宜組み合わせて利用することも可能である。すなわち、このような変更等が施された技術であっても、本発明の技術的範囲に含まれることは言うまでもない。

例えば、上記実施形態では、ハイブリッド型界磁永久磁石として３分割構成の磁石を例に説明したが、偶数に分割構成することも可能である。具体的には、図８、図９に示すように、ＩＰＭロータ部は、界磁永久磁石２個で磁極１極を構成しているため、界磁永久磁石は偶数分割のハイブリッド構成となる。

本発明は、界磁永久磁石を利用したあらゆる発電機に適用できる。

１００： 発明第一の実施例 永久磁石発電機
１０１： 〃 電機子
１０２： 〃 ＳＰＭロータ部
１０３： 〃 ハイブリッド磁石
２００： 発明第二の実施例 永久磁石発電機
２０１： 〃 電機子
２０２： 〃 ＩＰＭロータ部
２０３： 〃 ハイブリッド磁石
３０２： 発明の変形例 ＩＰＭロータ部
３０３： 〃 ハイブリッド磁石
００３Ａ： 高Ｈｃｊ磁石Ａ
００３Ｂ： 高Ｂｒ磁石Ｂ

Claims (6)

1. 回転電機のロータに使用される界磁永久磁石であって、
   前記界磁永久磁石は２種以上の異特性からなる永久磁石の組合せからなり、
   前記界磁永久磁石を幅方向に３つ以上に分割し、
   前記界磁永久磁石中心軸であるｄ軸を中心とした範囲に高保磁力の永久磁石Ａを使用し、
   前記ｄ軸から外側方に離れるに従って、前記永久磁石Ａよりは保磁力は低いが残留磁束密度は高い永久磁石Ｂ群を使用した、
   ことを特徴とするハイブリッド型界磁永久磁石。
2. 前記界磁永久磁石は、中心軸である前記ｄ軸から６０〜８０％の範囲に高保磁力の永久磁石Ａを採用した、
   ことを特徴とする請求項１記載のハイブリッド型界磁永久磁石。
3. 前記界磁永久磁石は、
   前記永久磁石Ａの保磁力Ｘが、２０ＭＯｅ≦Ｘ≦２８ＭＯｅの範囲、
   残留磁束密度Ｚａが、１１．７ＫＧ≦Ｚａ≦１４．４ＫＧの範囲であり、
   前記永久磁石Ｂの保磁力Ｙが、１６ＭＯｅ≦Ｙ≦２３ＭＯｅの範囲、
   残留磁束密度Ｚｂが、１０．４ＫＧ≦Ｚｂ≦１３．６ＫＧの範囲であって、
   かつ、前記永久磁石ＡとＢの組合せ時には常にＸ＞Ｙの関係にある、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載のハイブリッド型界磁永久磁石。
4. 前記界磁永久磁石は、
   前記永久磁石Ａの保磁力Ｘが、２３ＭＯｅ≦Ｘ≦３３ＭＯｅの範囲、
   残留磁束密度Ｚａが、１１．７ＫＧ≦Ｚａ≦１３．６ＫＧの範囲であり、
   前記永久磁石Ｂの保磁力Ｙが、２０ＭＯｅ≦Ｙ≦２８ＭＯｅの範囲、
   残留磁束密度Ｚｂが、１０．８ＫＧ≦Ｚｂ≦１３．４ＫＧの範囲であって、
   かつ、前記永久磁石ＡとＢの組合せ時には常にＸ＞Ｙの関係にある、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載のハイブリッド型界磁永久磁石。
5. 請求項１乃至４に記載のハイブリッド型界磁永久磁石を用いたことを特徴とする回転電機用ロータ。
6. 請求項５に記載の回転電機用ロータを用いたことを特徴とする発電機。
   

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