WO2015097767A1 - 永久磁石式回転電機 - Google Patents

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WO2015097767A1
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slit
permanent magnet
electrical machine
rotating electrical
type rotating
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日野 徳昭
尚弘 楠見
コーテット アウン
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株式会社日立製作所
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/22Rotating parts of the magnetic circuit
    • H02K1/27Rotor cores with permanent magnets
    • H02K1/2706Inner rotors
    • H02K1/272Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis
    • H02K1/274Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis the rotor consisting of two or more circumferentially positioned magnets
    • H02K1/2753Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis the rotor consisting of two or more circumferentially positioned magnets the rotor consisting of magnets or groups of magnets arranged with alternating polarity
    • H02K1/276Magnets embedded in the magnetic core, e.g. interior permanent magnets [IPM]
    • H02K1/2766Magnets embedded in the magnetic core, e.g. interior permanent magnets [IPM] having a flux concentration effect

Definitions

  • the present invention relates to a structure of a rotating electrical machine using permanent magnets, and in particular, a centrifugal force of a rotor, which is a problem in increasing the capacity and speed of an embedded magnet rotating machine having a structure in which a permanent magnet is arranged inside the rotor. Is related to the mechanical structure.
  • Patent Document 1 discloses a technique in which a slit shape of a rotor core is curved on an arc having a higher polarity than the outer periphery of the rotor. It is disclosed.
  • Patent Document 2 discloses a structure in which the outer periphery of a magnet is an arc and gaps are formed on both sides thereof.
  • Magnet rotating machines are beginning to be widely used because they are smaller and more efficient than conventional induction machines due to the widespread use of rare earth magnets with high magnetic flux density.
  • magnet-type rotating machines There are two types of magnet-type rotating machines: a surface magnet type in which magnets are arranged on the surface of the rotor, and an embedded magnet rotating machine in which permanent magnets are arranged inside the rotor core.
  • a surface magnet rotating machine has the advantages of excellent linearity of output characteristics and less harmonics and torque pulsations, but has a disadvantage that the structure for preventing scattering of magnets attached to the surface becomes complicated. For this reason, embedded magnet rotating machines are widely used in applications that particularly require reliability. At this time, many methods for reducing harmonics, which are the disadvantages of the embedded magnet rotating machine, are disclosed in addition to the above-mentioned documents.
  • a conventional induction machine does not necessarily need to be driven by a frequency converter (hereinafter referred to as an inverter drive), but an inverter drive is essential for a magnet type rotating machine. For this reason, in the situation where the inverter is expensive, the magnet type rotating machine is not widespread.
  • inverters have started to spread from small ones of several W, and in recent years, with the increase in capacity of semiconductor switching elements such as IGBTs, MW class inverters have finally started to spread.
  • magnet rotating machines are also increasing in capacity.
  • the drive frequency of the rotating machine can be changed from commercial frequencies of 50 and 60 Hz by the inverter drive. As a result, it is possible to reduce the speed / speed of the rotating machine and to directly connect the shaft without using a gear.
  • the output can be increased due to higher speed.
  • speeding up and the peripheral speed of the rotor are proportional, the biggest issue in speeding up with an inverter drive of a large capacity rotating machine is the feasibility of rotor strength against centrifugal force.
  • an embedded magnet rotating machine has a problem of reducing the leakage magnetic flux inside the rotor even in a large capacity rotating machine. Since permanent magnets that generate field magnetic flux are embedded in the rotor core, leakage magnetic flux is generated inside the iron core, and effective magnetic flux is reduced. Therefore, a structure that reduces the leakage magnetic flux is necessary, but this structure is contrary to the above-described high-strength structure.
  • a small rotating machine has the same problem qualitatively, but when it comes to a high-speed rotating machine with a high peripheral speed and a large capacity, the structure used in the conventional small rotating machine does not achieve both strength and reduced leakage flux. This is because the priority of constraints is completely different.
  • Patent Document 1 is a technology for a rotating machine for home appliances of several kW, and none of the examples shown considers centrifugal force. It is only the bridge with a thin iron core that supports the centrifugal force that the magnets try to scatter, and it cannot be applied to a large-capacity rotating machine.
  • Patent Document 2 is a technology for an automobile rotating machine of about 100 kW, and some consideration is given to centrifugal force.
  • the rotating speed is large, for example, if the peripheral speed is doubled, the necessary thickness on the outer peripheral side of the magnet will increase by the square, so in the MW class rotating machine, the rotor inside Leakage magnetic flux increases remarkably and the performance as a rotating machine cannot be secured.
  • the present invention has been made in view of the above, and can provide a permanent magnet type rotating electrical machine that reduces stress concentration and secures strength against centrifugal force.
  • each of the magnetic poles for one pole has a rotor core having a first slit and a second slit, respectively, and the first permanent magnet disposed in the first slit and the first
  • the outer circumference side of the first slit and the second slit is convex toward the outer circumference side and the magnetic pole center.
  • the shape of the first bridge portion that is a curved surface and is between the inner peripheral side end of the convex curved surface of the first slit and the second slit, and the slit adjacent to the end, A shape that suppresses stress concentration against centrifugal force by a permanent magnet is adopted.
  • FIG. 2 shows a sectional view of the rotating electrical machine.
  • a stator 230 is held inside the housing 212, and the stator 230 includes a stator core 232 and a stator winding 238.
  • a rotor 250 is rotatably held through a gap 222.
  • the rotor 250 includes a rotor core 252 and a permanent magnet 254, and the rotor core 252 is fixed to the shaft 218.
  • the housing 212 has a pair of end brackets 214 provided with bearings 216, and the shaft 218 is rotatably held by these bearings 216.
  • the shaft 218 is provided with a rotor position sensor 224 that detects the position of the pole of the rotor 250 and a rotation speed sensor 226 that detects the rotation speed of the rotor 250.
  • FIG. 3 is a cross section AA shown in FIG. 2 and shows the stator 230 and the rotor 250.
  • the housing 212 and the shaft 218 are not shown.
  • a large number of slots 24 and teeth 236 are evenly arranged over the entire circumference, and a coil 238 is wound and placed in the slot 24.
  • the stator windings are three-phase, the coil arrangement is so-called distributed winding, and two-layer winding in which the coils are divided above and below the slot.
  • FIG. 1 is a detailed view of the rotor 250.
  • Arc-shaped slits are cut in the rotor iron core, and fan-shaped permanent magnets 254 and 255 having substantially the same shape as the slits are inserted in the rotor core from the axial direction.
  • the slit shape is formed by rounding both ends of the fan shape, so that there is a magnetic gap 257 at that portion.
  • the magnetization direction of the permanent magnet is illustrated by the dotted line arrow in FIG. 1.
  • the permanent magnets 254a and 254b are magnetized toward the outer peripheral side to form an N pole, and the magnetization direction of 255a and 255b is the inner peripheral side. It constitutes the south pole.
  • this rotating machine is a 4-pole machine, and the magnetic pole center of the field is the center of the N pole between 254a and 254b, and the center of the S pole is between 255a and 255b.
  • This is an effective shape for increasing the effective magnetic flux.
  • the sum of the lengths 301 and 302 of the line segments on the outer peripheral side of the permanent magnets 254a and 254b shown in FIG. 1 is proportional to the amount of magnetic flux that can be generated by the magnet.
  • This length is the effective length of the magnet.
  • the effective length of the magnet is longer than in the conventional rotor structure shown in FIG. 10, that is, when the outer peripheral side of the magnet is a straight line. For this reason, the amount of magnetic flux of the field can be increased, and the rotating machine has good electromagnetic performance.
  • FIG. 4 shows the flow of magnetic flux lines when the stator 230 is not energized. It can be seen that the magnetic flux 400 emitted from the permanent magnets 254a and 254b wraps around the bridge portions 310 and 311. A part of the magnetic flux reaches the stator 230. Of the magnetic fluxes, the magnetic flux reaching the stator is an effective magnetic flux, and the magnetic flux that wraps around inside the rotor is a leakage magnetic flux.
  • FIG. 4B shows that the bridge portions 310 and 311 are thinner than that in FIG. 4A, so that the effective magnetic flux reaching the stator is increased. In other words, the electromagnetic performance is improved by making the bridge portion thinner to facilitate magnetic saturation.
  • the bridge 310 and the bridge 311 support the centrifugal force acting on the rotor core in the region 300 and the two magnets 255a and 255b.
  • the more robust the bridge is to centrifugal force the higher the speed and diameter of the rotor can be.
  • the bridge is thickened to ensure strength, the leakage flux increases as described above, and electromagnetic Performance is significantly degraded.
  • a structure is provided to solve the conflicting relationship between the electromagnetic performance and the rotor strength, that is, the bridge portion is thin and the effective magnetic flux can be increased and the strength against centrifugal force can be ensured.
  • the strength design of the bridge portion is evaluated by stress so that the stress value is smaller than the material yield point.
  • the average stress value decreases in inverse proportion to the thickness of the bridge portion, but the stress has a distribution.
  • the maximum stress value that is, the maximum Mises stress value in the so-called stress distribution analysis is designed to be smaller than the material yield point.
  • the radius of the structure has an influence on the maximum Mises stress value. This will be explained with a simple case shown in FIG. 9.
  • FIG. 9B is a view of a thin plate as shown in FIG.
  • the present embodiment uses such a principle, and this is compared with the conventional rotor structure.
  • the bridge 310 is substantially parallel to the outer periphery of the rotor, the dent is eliminated from the force pulled by the region 300, and the stress concentration is reduced.
  • the slit shape and the permanent magnet are made to be the same arc, and the maximum detail is maximized.
  • FIG. 10 shows a conventional rotor structure.
  • the rotor core 252 has a slit 240 for inserting a magnet.
  • the magnets 255a and 255b embedded in the slits embed a rectangular magnet as illustrated.
  • the bridge portion 310 supports the centrifugal force of the region 300 and the slit permanent magnets 255a and 255b. In this case, since stress concentrates on the finest details of the bridge 310, an arc QN having a small polarity at the corner is formed in order to reduce the stress.
  • the bridge 311 shown in FIG. 1 is arranged most effectively so as to increase the number of beams that support the centrifugal force of the region 300 and the magnet 255, and the shape thereof is also a shape in which stress is not concentrated. That is, the bridge 311 between the permanent magnets 255a and 255b is substantially parallel to the centrifugal force.
  • the feature here is that there is no point where the thinness of the bridge changes suddenly or the rate of change changes. Therefore, the stress in this portion is evenly distributed throughout the bridge, and there is no stress concentration.
  • the stress concentration can be reduced, and the centrifugal force can be reduced for higher speed and larger diameter. Can be obtained.
  • arc-shaped magnets are easy to manufacture, there is a merit that magnet materials are inexpensive. Since rare earth magnets used in embedded magnet rotating machines have high material costs and high processing costs, shapes such as rectangular parallelepipeds and arcs are suitable for products. In addition, since the shape is easy to process, the dimensional tolerance of the magnet can be reduced. This makes it possible to assemble the rotor with high accuracy, and is suitable for a high-speed and large-capacity rotating machine in which weight balance of the rotor is important.
  • the rotating electric machine of this embodiment is provided with a slit in which the permanent magnet 254a that is the first slit is arranged for each magnetic pole for one pole and a permanent magnet 254b that is the second slit.
  • a permanent magnet type rotating electrical machine having a rotor iron core having a slit, in which a first permanent magnet 254a disposed in the first slit and a second permanent magnet 254b disposed in the second slit form a field.
  • the outer peripheral side of the first slit and the second slit is a curved surface convex toward the outer peripheral side and the center of the magnetic pole, and the convex curved surfaces (shown by 301 and 302 of the first slit and the second slit)
  • the shape of the first bridge portion 311 between the inner peripheral side end portion of the portion) and the slit adjacent to this end portion is a shape that suppresses stress concentration against the centrifugal force by the permanent magnets 254a, 254b. Obtained by.
  • the adjacent slits may be first or second slits, or may be other slits as will be described in a later embodiment.
  • the shape of the outer peripheral side end portion of the convex curved surface and the second bridge portion 310 between this end portion and the outer periphery of the rotor core is a shape that suppresses stress concentration against the centrifugal force by the permanent magnets 254a, 254b. If there is, a higher effect can be obtained.
  • the rate of change of at least a part of the width of the bridge portion is constant along the radial direction of the rotor core. It is even better if at least part of the bridge is parallel.
  • the outer peripheral side and the inner peripheral side mean the outer side and the inner side in the radial direction of the rotor core. How far to call an end depends on the shape characteristics, but for example, about 10% of the length before the curved surface is a typical example.
  • the width of the bridge portion is a circumferential distance on the rotor core.
  • the convex curved surface means an arcuate shape as in this embodiment, for example.
  • the slit of the present embodiment is a curved surface in which the inner peripheral side of the first slit and the second slit is also convex toward the outer peripheral side and the center of the magnetic pole.
  • FIG. 1 A second embodiment of the present invention is shown in FIG.
  • this rotor structure there are three slits and magnets per pole, and a third permanent magnet 255c is provided.
  • the bridge 311 is also parallel between 255a and 255c, and the stress concentration portion can be eliminated.
  • the effective length of the magnet is the sum of 301, 302, and 303 in FIG. 5, and the effective length can be increased by 303 compared to the first embodiment, so that high output can be achieved.
  • the magnets 254a, 254b, and 254c can be formed in the same magnet shape, and the cost of expensive magnets can be reduced due to the mass production effect of the magnets. Further, in the case of a design in which the magnetic flux of the rotor does not need to be increased so much, a structure in which no magnet is inserted in 254c and only a slit is possible is possible.
  • FIG. 6 shows a third embodiment of the present invention.
  • the shape at the center of the magnetic pole is different from a semicircle, but the bridge portion between 255a and 255c is in a substantially parallel shape, and the embodiment is similar to the second embodiment.
  • the same effect as 1 can be obtained.
  • the inner diameter of the rotor can be increased.
  • the polar arc degree ⁇ of the magnet shown in FIG. 6 is an important numerical value. It is well known that this ratio affects output and harmonics. Therefore, if the polar arc degree ⁇ is defined, the distance D between the inner diameter of the slit and the inner diameter of the rotor is naturally determined in the structure of FIG.
  • the inner diameter of the rotor When the polar arc degree ⁇ is increased, the inner diameter of the rotor must be reduced. For example, when it is desired to make the shaft thicker or when the transmission is inserted into the rotor, the structure of FIG. 1 is not established. However, in FIG. 6, when the polar arc degree ⁇ is determined and D is determined, the distance between 254a and 254b is determined. Therefore, 254c is provided so as to reduce the leakage magnetic flux there. As shown in the second embodiment, 254c is only a slit and does not have to contain a magnet.
  • a slit 254c which is a third slit, is provided between the inner peripheral side ends of the convex curved surfaces of the first slit and the second slit.
  • the 311 shape of the first bridge portion between the inner peripheral side end of the convex curved surface of the slit and the second slit and the third slit adjacent to this end is against the centrifugal force by the permanent magnet. Even if the shape suppresses stress concentration, the same kind of effect as described in the first embodiment can be obtained.
  • a fourth embodiment of the present invention is shown in FIG.
  • the difference from the third embodiment is that a slit 240 is formed in the center of the magnetic pole.
  • the weight of the iron core is reduced, so that the centrifugal force can be reduced.
  • the purpose of the slit 240 is to reduce the weight, and the shape does not have to be circular. If a slit like this hole is provided outside the first bridge portion 311, the centrifugal force can be effectively reduced.
  • FIG. 1 A fifth embodiment of the present invention is shown in FIG.
  • the magnet shape has been a ring shape.
  • centrifugal force does not act on the inner circumference side of the magnet, so if the slit shape of the magnet insertion on the outer circumference side of the rotor is an arc, the shape on the inner circumference side of the slit need not be an arc.
  • a straight line may be used as shown in the figure.
  • This shape can be applied to all the first to fourth shapes, and this embodiment can also be applied to those structures.
  • the magnets are formed into arcs and straight lines, and magnets that are easy to manufacture and have high accuracy can be used. Therefore, a well-balanced rotating electrical machine that is inexpensive and has little tolerance can be obtained.

Abstract

 応力集中を低減し遠心力に対する強度を確保した永久磁石式回転電機、を提供する。 1極分の磁極ごとにそれぞれ第一のスリットと第二のスリットを有する回転子鉄心を有し、第一のスリットに配置される第一の永久磁石と第二のスリットに配置される第二の永久磁石が界磁を形成する永久磁石式回転電機において、第一のスリット及び第二のスリットの外周側が、外周側かつ磁極中心に向かって凸な曲面であり、第一のスリット及び第二のスリットの凸な曲面の内周側端部と、この端部と隣り合うスリットとの間である第一のブリッジ部の形状が、永久磁石による遠心力に対する応力集中を抑制する形状とする。

Description

永久磁石式回転電機
 本発明は永久磁石を用いる回転電機の構造に関し、特に回転子内部に永久磁石を配する構造の埋込磁石回転機の、大容量化・高速化の際に課題となる、回転子の遠心力に対する機械構造に関するものである。
 埋込磁石回転機は、エアコン、洗濯機など家電用、自動車補機、駆動用、鉄道用、産業用など100W~100kWの容量帯で広く用いられている。回転子内部に磁石を埋め込んだ埋込磁石式回転機に関する技術としては、例えば特許文献1には、回転子鉄心のスリット形状を、回転子の外周より極率が大きい円弧上に湾曲するものが開示されている。また、特許文献2には、磁石の外周部を円弧にして、その両側に間隙が形成される構造が開示されている。
特許第4308378号 特許第3509508号
 磁石式回転機は、高磁束密度の希土類系磁石の普及により、従来の誘導機に比べ小型・高効率が可能であるため、広く利用され始めている。磁石式回転機には、回転子の表面に磁石を配する表面磁石型と、回転子鉄心の内部に永久磁石を配する埋込磁石回転機の二つに分けられる。表面磁石回転機は出力特性の線形性に優れ、高調波やトルク脈動が少ない利点があるが、表面に張り付けた磁石の飛散防止のための構造が煩雑になる短所がある。このため、特に信頼性が要求される用途に於いては、埋込磁石回転機が広く利用されている。このとき、埋込磁石回転機の欠点である高調波については、その低減方法が前述の文献の他にも多く開示されている。
 ところで、従来の誘導機は必ずしも周波数変換器で駆動する(以後、インバータドライブ)必要はないが、磁石式回転機はインバータドライブが必須である。このため、インバータが高価な状況では磁石式回転機は普及しない。一方、インバータは、数W程度の小型のものから普及が始まり、近年、IGBT等の半導体スイッチング素子の大容量化に伴い、ようやくMW級のインバータも普及し始めた。このインバータ容量増加の技術トレンドに合わせて、磁石回転機も大容量化している。さらに、インバータドライブにより、回転機の駆動周波数を商用周波数の50、60Hzから変えることができる。これにより、回転機の高速/低速化、ギアを介さない軸直結などが可能になっている。
 現状、MW級以上の大容量インバータはまだ高価で広く普及していないため、MW級の回転機は、殆どがインバータを必要としない誘導機や巻線型同期機であり、磁石回転機は殆ど普及していない。このため、インバータドライブされない従来の大容量回転機は回転数が決まっている。2極機では商用周波数の50Hzで運転されると回転速度は3000rpmとなり、60Hzでは3600rpmとなる。4極機では、それぞれ1500rpmと1800rpmとなる。このため、大容量回転機には高速化という課題は無かった。
 これまで、回転機の大容量化のためには回転子の大径化で対応してきた。回転子の大径化により、回転子の周速、すなわち回転速度と回転子外径の積、が比例して増える。一般に周速の2乗に回転子の遠心力が比例するのに対し、回転子を構成する鉄心の材料強度は有限なので、大容量化には回転子構造や材料の改良が必要であり、これらが大容量回転機の最も大きな課題であった。このように大容量回転機の課題は、小型回転機と全く異なる機械的な制約が大きい。
 また、インバータドライブさせると、高速化による出力増加も可能になる。ここでも、高速化と回転子の周速は比例するので、大容量回転機のインバータドライブによる高速化についても、最も大きな課題は遠心力に対する回転子強度の成立性である。
 加えて、大容量回転機でも小型回転機と同様に、埋込式磁石回転機は回転子内部の漏れ磁束を減らす課題はある。界磁磁束を作る永久磁石を回転子鉄心に埋め込むため、鉄心内部で漏れ磁束が生じ、有効磁束が減ってしまう。そこで、漏れ磁束を少なくする構造が必要であるが、この構造は、前述の高強度な構造と相反する。小型回転機にも定性的に同様の課題はあるが、高周速な大容量の高速回転機になると、従来の小型回転機で使われていた構造では強度と漏れ磁束の低減が両立しない。制約の優先順位がまったく異なるためである。
 特許文献1は数kWの家電用回転機に対する技術であり、示されている例はどれも遠心力に対する考慮は殆ど無い。磁石が飛散しようとする遠心力を支えているのは、鉄心の細いブリッジのみであり、大容量の回転機に適応できるものではない。
 特許文献2は100kW程度の自動車用回転機向けの技術であり、遠心力に対してある程度の考慮がなされている。しかし、この構造では、大容量の回転機で、たとえば周速が2倍になると、磁石の外周側に必要な厚さが2乗で増えてしまうため、MWクラスの回転機では回転子内部の漏れ磁束が著しく増え、回転機としての性能を確保できない。
 すなわち、MWクラスの大容量の高速な回転機に対して、機械的強度設計が成立し、かつ、回転機の出力性能を確保できる埋込磁石式回転機は存在しない。
 本発明は上記に鑑みてなされたものであり、応力集中を低減し遠心力に対する強度を確保した永久磁石式回転電機を提供できる。
 上記目的を達成するため、1極分の磁極ごとにそれぞれ第一のスリットと第二のスリットを有する回転子鉄心を有し、前記第一のスリットに配置される第一の永久磁石と前記第二のスリットに配置される第二の永久磁石が界磁を形成する永久磁石式回転電機において、前記第一のスリット及び前記第二のスリットの外周側が、外周側かつ磁極中心に向かって凸な曲面であり、前記第一のスリット及び前記第二のスリットの前記凸な曲面の内周側端部と、この端部と隣り合うスリットとの間である第一のブリッジ部の形状が、前記永久磁石による遠心力に対する応力集中を抑制する形状とする。
 本構成により、応力集中を低減し遠心力に対する強度を確保した永久磁石式回転電機を提供できる。
本発明第一実施例の回転子断面構造説明図である。 本発明第一実施例の回転機の全体構成説明図である。 本発明第一実施例の回転機の断面構造説明図である。 本発明第一実施例の回転機の磁束線図であり、有効磁束と漏れ磁束の説明図である。 本発明第二実施例の回転子断面構造説明図である。 本発明第三実施例の回転子断面構造説明図である。 本発明第四実施例の回転子断面構造説明図である。 本発明第五実施例の回転子断面構造説明図である。 応力集中の原理説明図である。 従来の回転子断面構造説明図
 以下、本発明の実施例を、図面を用いて説明する。
 本発明第1の実施例を、図2を用いて説明する。
 図2は回転電機の断面図を示す。ハウジング212の内部には固定子230が保持されており、固定子230は固定子鉄心232と固定子巻線238とを備えている。固定子鉄心232の内側には、回転子250が空隙222を介して回転可能に保持されている。回転子250は回転子鉄心252と永久磁石254とを備えており、回転子鉄心252はシャフト218に固定されている。ハウジング212は軸受216が設けられた一対のエンドブラケット214を有しており、シャフト218はこれらの軸受216により回転自在に保持されている。また、シャフト218には、回転子250の極の位置を検出する回転子位置センサ224と回転子250の回転速度を検出する回転速度センサ226とが設けられている。
 図3は図2に示した断面A-Aであり、固定子230および回転子250を示す。なお、図3では、ハウジング212、シャフト218の記載を省略した。固定子鉄心232の内周側には、多数のスロット24とティース236とが全周に渡って均等に配置されており、コイル238が巻かれてスロット24に納められている。この固定子の巻線は3相であり、コイル配置はいわゆる分布巻で、スロット上下にコイルが分かれる2層巻きである。固定子230の内周には回転子250がある。
 図1は回転子250の詳細図である。回転子鉄心に円弧状のスリットが切られており、その中にスリットとほぼ同形状の扇形の永久磁石254、255が軸方向から挿入されている。図1では、スリット形状は、扇形の両端部を丸くしてあるので、その部分に磁気的な空隙257がある。図1の点線矢印で永久磁石の磁化方向を図示しており、永久磁石254aと254bは外周側に向けて着磁してありN極を構成し、255aと255bは磁化の向きが内周側に向いており、S極を構成する。したがって、この回転機は4極機であり、界磁の磁極中心は254aと254bの間がN極の中心、255aと255bの間がS極の中心となる
 本実施例の回転子形状は、有効磁束を増やすのに効果的な形状である。図1に示す永久磁石254aと254bの外周側の線分の長さ301と302の合計が磁石の出せる磁束量に比例する。この長さを磁石の有効長さとする。この構造は、図10に示す従来の回転子構造、すなわち、磁石の外周側が直線である場合にくらべ、磁石の有効長さが長い。このため、界磁の磁束量を増やすことができ、電磁気性能が良い回転機になる。
 さらに、埋込式磁石回転機の有効磁束を増やすには、有効長さを長くするだけでなく、漏れ磁束も減らす必要がある。図4を用いて説明する。図4は固定子230に通電しない場合の磁束線の流れを示している。永久磁石254aと254bから出た磁束400はブリッジ部310と311で回り込んでいることが分かる。そして、一部の磁束が固定子230に達している。磁束のうち、固定子に到達する磁束が有効磁束であり、回転子内部で回り込んでしまう磁束は漏れ磁束である。このブリッジ部の材料は鉄なので、鉄材料の飽和磁束密度である約2Tを超えるとこの部分の磁気抵抗が大きくなるので、空隙222を介して固定子に有効な磁束が流れる。回転電機は、この有効磁束とコイル238の電流によるローレンツ力でトルクを得るので、界磁の有効磁束と出力は比例する。図4(b)は図4(a)に比べブリッジ部310と311が薄く、そのために固定子に到達する有効磁束が多くなっていることが分かる。つまり、ブリッジ部を薄くして、磁気飽和させやすくすることで、電磁気的性能が良くなる。
 しかし、ブリッジ部を薄くすると回転子の機械的強度の問題が持ち上がる。図1において回転子250が回転することによる遠心力を考えると、領域300部の回転子鉄心と二つの磁石255aと255bに働く遠心力を、ブリッジ310とブリッジ311が支える構造になっている。このブリッジ部分が遠心力に対して頑強であるほど、回転子は高速化、大径化が可能であるが、強度確保のためにブリッジ部を太くすると、上述のように漏れ磁束が増え、電磁気的性能が著しく劣化する。
 そこで本実施例では、電磁気的性能と回転子強度の相反する関係を解決するよう、すなわち、ブリッジ部が細く有効磁束を大きくでき、且つ遠心力に対する強度を確保できる構造を備えている。
 ブリッジ部の強度設計は応力で評価し、材料降伏点よりも応力値が小さくなるようにする。一般に平均的な応力値はブリッジ部の太さに反比例して下がるが、応力は分布を持つ。最も応力歪みが大きい部分で材料降伏点を超えると、その部分が破断し、その亀裂が徐々に拡大し、最終的には破壊してしまう。したがって、構造設計では応力の最大値、いわゆる応力分布解析における最大ミーゼス応力値が、材料降伏点よりも小さくなるように設計する。このとき、最大ミーゼス応力値に影響があるのは、構造の極率半径である。これを図9に示す単純なケースで説明する
 図9(a)に示すような薄板を、上からみた図が図9(b)である。薄板を矢印の方向に引っ張ると、板の応力はほぼ均等に分布する。しかし、図9(c)の形状では、板幅Aが途中で、板幅Bに細くなっているため、平均的にはその部分はA/B倍の応力値となる。しかし、凹み部のRの極率半径が小さいと、C点における最大ミーゼス応力値は、その何倍にも増加することは良く知られている。一方、図9(d)のように極率半径が大きければ殆ど応力集中は起こらない。このように図4(d)に示すように極率半径を大きくし、応力の方向にほぼ平行なブリッジ構造にすることで、強度を確保することができる。
 本実施例はこのような原理を利用したものであり、これを従来の回転子構造と本実施例を比較する。
 本実施例の図1の回転子では、ブリッジ310は回転子外周とほぼ並行になっているため、領域300に引っ張られる力に対して凹みを無くし、応力集中を低減している。このような形状にするために、スリットの形状と永久磁石を同じ円弧にし、最細部の極率を最大限に大きくする構造を取っている。
 これに対して、従来の回転子構造を図10に示す。回転子鉄心252には磁石を挿入するためのスリット240が切られている。このスリットに埋め込む磁石255a、255bは、図示したにように長方形の磁石を埋め込む。この回転子鉄心に働く遠心力を考えると、領域300の部分とスリット永久磁石255aと255bの遠心力を、ブリッジ部310が支える。この場合、ブリッジ310の最細部に応力が集中するので、それを低減するために角に小さい極率の円弧QNを形成している。ここで最薄部の円弧QNの極率を大きくしようとすると、磁気的空隙部257が大きくなり、長方形の永久磁石は外周側まで入れられない。このため、磁石の有効長さ304が短くなってしまうので、電磁気的な性能が低くなる。さらに、線分PQを極率の小さい円弧にし、円弧QNと繋ぐ公知技術もある。しかしこの場合、最細部の線分QNの極率半径は大きくできるが、一方、線分PQの極率は必然的に小さくなる。この結果、小さい方の極率の円弧PQに応力が集中する課題は解決できない。一方、本実施例の図1は、応力がかかるスリット部分には極率小さく変わる点が無い。このような構造がもっとも応力集中を下げることが可能である。これにより、ブリッジ部310部は高回転時の遠心力に耐えられる構造となる。
 さらに、図1に示すブリッジ311は、領域300と磁石255の遠心力を支える梁を増やすように、もっとも効果的に配置され、且つその形状も応力が集中しない形状となっている。すなわち、永久磁石255aと255bの間のブリッジ311は、遠心力に対してほぼ平行になっている。ここでも、ブリッジの細さが急激に変わったり、極率が変わる点が無いのが特長である。したがって、この部分の応力はブリッジ全体に均等に分散され、応力集中が無い。
 このように本実施例によれば、遠心力がかかる方向に対して、ブリッジ310と311が平行になるようにしているため、応力集中を低減でき、高速化、大径化に対して遠心力に対する強度を確保した回転子を得ることができる。
 さらに、円弧状の磁石は製造しやすいため、磁石材料が安価なメリットもある。埋込磁石回転機に用いられる希土類の磁石は、材料費も高く、加工費も高価であるため、直方体、円弧などの形状が製品に適している。加えて、加工しやすい形状なので、磁石の寸法公差を小さくできる。これにより、高精度に回転子を組むことが可能であり、回転子の重量バランスが重要な高速大容量の回転機に適している。
 このように、本実施例では、ブリッジ部の応力集中を下げられることにより、ブリッジそのものを細くしても遠心力に対する強度を確保することができる。またそれにより、漏れ磁束を少なくし、有効磁束を確保した回転機を提供することができる。
 これらの効果は、本実施例の回転電機が、1極分の磁極ごとにそれぞれ第一のスリットである永久磁石254aが配置されるスリットと、第二のスリットである永久磁石254bが配置されるスリットを有する回転子鉄心を有し、第一のスリットに配置される第一の永久磁石254aと第二のスリットに配置される第二の永久磁石254bが界磁を形成する永久磁石式回転電機において、第一のスリット及び第二のスリットの外周側が、外周側かつ磁極中心に向かって凸な曲面であり、第一のスリット及び第二のスリットの凸な曲面(301、302で示された部分)の内周側端部と、この端部と隣り合うスリットとの間である第一のブリッジ部311の形状が、永久磁石254a、254bによる遠心力に対する応力集中を抑制する形状であることで得られる。ここで、隣り合うスリットとは、第一や第二のスリットでもよいし、後の実施例で説明するような別のスリットでもよい。
 凸な曲面の外周側端部と、この端部と回転子鉄心の外周との間である第二のブリッジ部310の形状が、永久磁石254a、254bによる遠心力に対する応力集中を抑制する形状であれば、さらに高い効果を得られる。
 この、応力集中を抑制する形状としては、ブリッジ部の幅の少なくとも一部の変化率が前記回転子鉄心の径方向に沿って一定であればよい。ブリッジ部の少なくとも一部が平行であればなおよい。
 なお本実施例で外周側、内周側とは、回転子鉄心の径方向の外側、内側を意味する。どこまでを端部と呼ぶかはその形状の特徴に依存するが、例えば曲面前長の1割程度が典型例と言える。ブリッジ部の幅とは、回転子鉄心上の円周方向の距離である。
 凸な曲面とは、例えば本実施例のように円弧状のものを意味する。本実施例のスリットは、第一のスリットと第二のスリットの内周側も外周側かつ磁極中心に向かって凸な曲面である。
 本発明の第2の実施例を図5にて示す。この回転子構造では、1極あたりにスリットと磁石が3つあり、3つめの永久磁石255cが備えられている。255aと255cの間もブリッジ311が平行になっており、応力集中部を無くすことができる。磁石の有効長さは、図5の301、302、303の合計であり、第一の実施例に比べて303の分だけ有効長さを増やすことができ、高出力化が可能である。また、磁石254a、254b、254cを同じ磁石形状にして、磁石の量産効果で高価な磁石コストを下げることも可能である。また、回転子の磁束をあまり増やさなくても良い設計の場合には、254cに磁石を入れず、スリットだけにする構造も可能である。
 本発明の第3の実施例を図6にて示す。第2の実施例と比べ、磁極の中心にある形状が半円であることが異なるが、255aと255cの間のブリッジ部がほぼ平行な形状をしていることは共通しており、実施例1と同様の効果をえることができる。さらに、この構造では回転子の内径を大きくすることが可能である。埋込磁石回転子の設計では、図6で示す磁石の極弧度θが重要な数値である。この割合は出力や高調波に影響することは良く知られている。したがって、極弧度θを規定すると、図1の構造では、スリットの内径と回転子内径の距離Dがおのずと決まってしまう。極弧度θを大きくすると、回転子の内径を小さくしなくてはならない。例えばシャフトを太くしたい場合や、回転子内部に変速機を入れる場合に図1の構造は成立しないが、図6では極弧度θを決め、Dを決めると、254aと254bの間の距離が決まるので、そこでの漏れ磁束を減らすように254cを設けている。第2の実施例で示したように、254cはスリットだけで、磁石が入っていなくても良い。
 実施例2や3で示したように、第一のスリットと第二のスリットのそれぞれの凸な曲面の内周側端部の間に、第三のスリットであるスリット254cを有し、第一のスリット及び第二のスリットの凸な曲面の内周側端部と、この端部と隣り合う第三のスリットとの間である第一のブリッジ部の311形状が、永久磁石による遠心力に対する応力集中を抑制する形状であっても、実施例1で説明したものと同種の効果を得ることができる。
 本発明の第4の実施例を図7にて示す。第3の実施例と異なるのは、磁極の中心にスリット240の孔をあけている。この孔により、鉄心の重量が減るため遠心力を低減することができる。このスリット240の目的は軽量化であり、形状が円形である必要は無いことはいうまでもない。この孔のようなスリットを第一のブリッジ部311より外側に設ければ、遠心力を効果的に低減できる。
 本発明の第5の実施例を図8にて示す。第1~第4の実施例では、磁石形状はリング型としてきた。しかし、本回転子構造では、磁石の内周側に遠心力は働かないため、回転子外周側の磁石挿入のスリット形状が円弧であればスリットの内周側の形状は円弧である必要は無く、図のように直線でも良い。この形状は第1~第4のすべての形状に適用可能であり、本実施例はそれらの構造にも適用可能である。この実施例でも磁石の成形は円弧と直線であり、製造が容易で精度が高い磁石を利用することができるので、安価で、且つ公差が少ないバランスの良い回転電機を得ることができる。
24:スロット
200:回転電機
212:ハウジング
214:エンドブラケット
216:ベアリング
218:シャフト
222:空隙
224:回転位置センサ
226:回転速度センサ
230:固定子
232:固定子鉄心
236:ティース
238:固定子巻線
240:回転子スリット
250:回転子
252:回転子鉄心
254、255:永久磁石
257、258:磁気的空隙
259:補助突極
300:鉄心の遠心力荷重部分
301、302、303、304:磁石有効長さ
310、311、312:ブリッジ部
400:磁力線
500:永久磁石の磁化方向

Claims (10)

  1.  1極分の磁極ごとにそれぞれ第一のスリットと第二のスリットを有する回転子鉄心を有し、前記第一のスリットに配置される第一の永久磁石と前記第二のスリットに配置される第二の永久磁石が界磁を形成する永久磁石式回転電機において、
     前記第一のスリット及び前記第二のスリットの外周側が、外周側かつ磁極中心に向かって凸な曲面であり、
     前記第一のスリット及び前記第二のスリットの前記凸な曲面の内周側端部と、この端部と隣り合うスリットとの間である第一のブリッジ部の形状が、前記永久磁石による遠心力に対する応力集中を抑制する形状であることを特徴とする永久磁石式回転電機。
  2.  請求項1の永久磁石式回転電機において、
     前記凸な曲面の外周側端部と、この端部と前記回転子鉄心の外周との間である第二のブリッジ部の形状が、前記永久磁石による遠心力に対する応力集中を抑制する形状であることを特徴とする永久磁石式回転電機。
  3.  請求項1または2の永久磁石式回転電機において、
     前記応力集中を抑制する形状として、前記ブリッジ部の幅の少なくとも一部の変化率が前記回転子鉄心の径方向に沿って一定であることを特徴とする永久磁石式回転電機。
  4.  請求項1から3の何れかの永久磁石式回転電機において、
     前記応力集中を抑制する形状として、前記ブリッジ部の少なくとも一部が平行であることを特徴とする永久磁石式回転電機。
  5.  請求項1から4の何れかの永久磁石式回転電機において、
     前記第一のスリットと前記第二のスリットのそれぞれの前記凸な曲面の内周側端部の間に、第三のスリットを有し、
     前記第一のスリット及び前記第二のスリットの前記凸な曲面の内周側端部と、この端部と隣り合う前記第三のスリットとの間である第一のブリッジ部の形状が、前記永久磁石による遠心力に対する応力集中を抑制する形状であることを特徴とする永久磁石式回転電機。
  6.  請求子5の永久磁石式回転電機において、
     前記第三のスリットには第三の磁石が配置され、
     前記第一、第二、第三の磁石が同形状であることを特徴とする永久磁石式回転電機。
  7.  請求項1から6の何れかの永久磁石式回転電機において、
     前記第一のスリットと前記第二のスリットの内周側も、外周側かつ磁極中心に向かって凸な曲面であることを特徴とする永久磁石式回転電機。
  8.  請求項1から6の何れかの永久磁石式回転電機において、
     前記第一のスリットと前記第二のスリットの内周側は、直線であることを特徴とする永久磁石式回転電機。
  9.  請求項1から8の何れかの永久磁石式回転電機において、
     前記凸な曲面が、円弧状であることを特徴とする永久磁石式回転電機。
  10.  請求項1から9の何れかの永久磁石式回転電機において、
     前記第一のブリッジ部より外側に、磁石が設置されない別のスリットを有することを特徴とする永久磁石式回転電機。
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