WO2016084219A1 - 永久磁石式回転電機、並びにこれを用いる駆動システムおよび圧縮機システム - Google Patents

永久磁石式回転電機、並びにこれを用いる駆動システムおよび圧縮機システム Download PDF

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rotating electrical
electrical machine
permanent magnet
magnet type
rotor
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大祐 郡
浩一郎 永田
和雄 西濱
龍一郎 岩野
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株式会社日立製作所
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K16/00—Machines with more than one rotor or stator

Definitions

  • the present invention relates to a permanent magnet type rotating electrical machine in which a plurality of rotating electrical machine parts each including a rotor and a stator are connected, and a drive system and a compressor system using the same.
  • Induction motors have been used as rotating electrical machines applied to compressor systems, but in recent years, rare earth permanent magnets with high energy magnetic flux density and high-performance inverters have made it possible to reduce size and weight and increase efficiency.
  • the application of the permanent magnet type rotating electrical machine is increasing.
  • the compressor system is mainly used in oilfields and natural gas plants. For this reason, there is an increasing need for a rotating electrical machine that can cope with not only the ground but also special environments such as offshore, underwater, and underground.
  • Patent Documents 1 to 3 are known as techniques related to a rotating electrical machine in which a plurality of rotating electrical machines are connected in series.
  • the stator is divided into a plurality of parts in the axial direction and also divided into a plurality of parts in the circumferential direction, and the stator is divided in the radial direction according to the rotational speed.
  • Patent Document 2 it is possible to operate at the optimum operating point by controlling each power supply independently.
  • the power supply Three times as many power supply cables as n units are required.
  • the entire system including the power source becomes larger and more complicated, and costs increase.
  • it becomes difficult to install in places where installation space such as underground is limited.
  • blades such as a compressor and a pump, and a rotating electrical machine, it is difficult to secure a space for mounting the sensor.
  • the present invention provides a permanent magnet type rotating electrical machine capable of optimizing the output of a plurality of rotating electrical machine units connected in series with a relatively simple configuration, and a drive system and a compressor system using the same. .
  • a permanent magnet type rotating electrical machine includes a plurality of rotating electrical machines connected in series and includes a single rotating shaft, and the plurality of rotating electrical machines is a first rotating electrical machine.
  • the temperature of the second rotating electrical machine part is higher than the temperature of the first rotating electrical machine part, and the first rotating electrical machine part has one rotating shaft.
  • the second rotating electrical machine part is A second rotor provided on one rotating shaft and provided with a second permanent magnet, and a second stator facing the second rotor via a second gap, The width of the gap is smaller than the width of the first gap.
  • the drive system for a permanent magnet type rotating electrical machine according to the present invention includes a single power source for driving the permanent magnet type rotating electrical machine, the permanent magnet type rotating electrical machine is the permanent magnet type rotating electrical machine according to the present invention, and the power source is Sensorless control.
  • the compressor system according to the present invention is driven by the permanent magnet type rotating electrical machine according to the present invention, and is connected in series to the end portion on the second rotating electrical machine portion side of both ends of one rotating shaft. Provide feathers.
  • the entire compressor system can be downsized.
  • FIG. 1 shows a permanent magnet type rotating electric machine that is Embodiment 1 of the present invention.
  • gap width and permanent magnet temperature is shown.
  • the cross-sectional schematic of a rotor is shown.
  • 8 shows a permanent magnet type rotating electric machine that is Embodiment 2 of the present invention.
  • An example of the relationship between the winding area ratio of a stator winding and temperature is shown. Sectional drawing of the rotor in the permanent magnet type rotary electric machine which is Example 4 of this invention is shown.
  • FIG. 1 shows a permanent magnet type rotating electric machine that is Embodiment 1 of the present invention.
  • the permanent magnet type rotating electrical machine of the first embodiment is a permanent magnet type synchronous motor mainly used in a compressor system for extracting oil or natural gas, and is inserted into a vertical hole that is deeply underground, that is, a drilling hole, It is installed in the ground several thousand meters deep. For this reason, since the outer diameter of the electric motor is limited by the diameter of the excavation hole (for example, about 10 to 20 cm), the physique of the electric motor has a long or long body in the axial direction (for example, a length of 1 to 1). The desired motor output is obtained by setting it to about 2 m and about 5 times the diameter.
  • the permanent magnet type rotating electrical machine of the first embodiment is divided into a rotating electrical machine part 3 and a rotating electrical machine part 4.
  • the rotating electrical machines 3 and 4 are made of a permanent magnet type synchronous motor.
  • a rotating shaft 5a of the rotating electrical machine unit 3 and a rotating shaft 5b of the rotating electrical machine unit 4 are connected in series (tandem), whereby a long or trunk-long permanent magnet rotating electrical machine having one rotating shaft 5 is provided. Is configured.
  • the rotating electrical machines 3 and 4 are relatively short in length, and can be individually manufactured by a general manufacturing method in which it is not particularly considered to be long or trunk-shaped. For this reason, since a long or trunk-shaped permanent magnet type rotating electrical machine can be manufactured without degrading assemblability, an increase in manufacturing cost can be suppressed.
  • the rotary electric machine 3 includes a rotating shaft 5a, a rotor 1a provided fixedly to the rotary shaft 5a, a stator 2a that faces the rotor 1a with a gap width w 1 Prepare.
  • the rotor 1a has a permanent magnet 7a serving as a field.
  • the rotating electric machine 4 includes a rotary shaft 5b, the rotor 1b which is provided fixedly to the rotary shaft 5b, the stator 2b that faces the rotor 1b with a gap width w 2.
  • the rotor 1b has a permanent magnet 7b serving as a field.
  • the rotary shaft 5a and the rotary shaft 5b are connected in series (tandem) using welding or an adhesive or a coupling device (not shown) to constitute one long rotary shaft 5 of the permanent magnet type rotating electrical machine.
  • the value of the gap width w 2 is set to a value smaller than the value of the gap width w 1 .
  • the permanent magnet type rotating electrical machine of the first embodiment is cooled by using a collected process gas such as petroleum or natural gas as a refrigerant.
  • a collected process gas such as petroleum or natural gas as a refrigerant.
  • the refrigerant 6 flows in from the one end side of the rotating shaft 5a on the side opposite to the connecting portion between the rotating shaft 5a and the rotating shaft 5b, and enters the rotating shaft 5a. Then, after further flowing along the rotation shaft 5b, it is discharged out of the rotating electrical machine from one end side of the rotation shaft 5b on the opposite side of the connecting portion between the rotation shaft 5a and the rotation shaft 5b. That is, the refrigerant 6 flows in from the end on the rotating electrical machine part 3 side and is discharged from the end on the rotating electrical machine part 4 side in both ends of the rotating shaft 5 of the permanent magnet rotating electrical machine.
  • Rotating electrical machine part 3 is first cooled by such a refrigerant 6, and then rotating electrical machine part 4 is cooled. At this time, the temperature of the refrigerant 6 flowing on the rotating electrical machine unit 4 side rises more than when the refrigerant 6 flows into the rotating electrical machine unit 3 side because the refrigerant 6 cooled the rotating electrical machine unit 3. That is, since the temperature of the refrigerant 6 flowing on the rotating electrical machine unit 4 side is higher than that of the refrigerant flowing on the rotating electrical machine 3 side, the temperature of the rotating electrical machine unit 3 is higher than the temperature of the rotating electrical machine unit 4.
  • the output of the rotary electric machine unit 4 that is higher in temperature than the rotary electric machine unit 3 is lower than the output of the rotary electric machine unit 3.
  • the main factor is that the amount of magnetic flux of the permanent magnet 7b of the rotor 1b is lower than the amount of magnetic flux of the permanent magnet 7a because the permanent magnet 7b is hotter than the permanent magnet 7a of the rotor 1a. .
  • the gap width w 2 between the rotor 1b and the stator 2b in the rotating electric machine 4 to temperature than the rotary electric machine 3 is increased, the rotation of the rotary electric machine 3
  • the gap width w 1 between the child 1a and the stator 2a is made smaller.
  • the dimensions and materials of each part except the gap width are substantially the same, and the physiques of the rotating electrical machine 3 and the rotating electrical machine 4 are substantially the same. Increase in the manufacturing cost of the permanent magnet type rotating electrical machine can be suppressed.
  • FIG. 2 shows an example of the relationship between the change rate of the gap width and the permanent magnet temperature investigated by the present inventors.
  • the vertical axis indicates the temperature of the permanent magnet of the rotor in degrees Celsius
  • the horizontal axis indicates the change rate of the gap width.
  • a solid line 10 shows a change in the change rate of the gap width in the range where the permanent magnet temperature is about 80 ° C. to 470 ° C. under the condition that the no-load induced voltage is the same.
  • the change rate of the gap width is the ratio of the gap width in the range where the permanent magnet temperature is about 80 ° C. to about 470 ° C. with respect to the reference gap width, ie, the gap width at about 80 ° C.
  • the gap width as a reference corresponds to the gap width w 1 of the rotary electric machine 3 in Figure 1
  • the gap width in the range permanent magnet temperature of about 80 ° C. of about ⁇ 470 ° C. is rotated in figure 1
  • the reference gap width corresponding to the gap width w 1 of the rotating electrical machine unit 3 is standardized to 1.
  • the no-load induced voltages of the rotating electrical machines 3 and 4 positioned on the inflow side and the outflow side of the refrigerant 6 are made the same, and the outputs of the rotating electrical machines 3 and 4 are made the same.
  • the change rate (w 2 / w 1 ) of the gap width is made smaller than 1. That is, to set the gap width w 2 of the rotating electric machine 4 having a high temperature side to a value smaller than the gap width w 1 of the rotary electric machine 3 as a low-temperature side.
  • the gap width is set in the region on the left side in the figure with the solid line 10 as a boundary, What is necessary is just to make it a no-load induction voltage become larger than the no-load induction voltage of the rotary electric machine part 3.
  • a plurality of rotary electric machine that is, the rotational electric machine 3 and 4 a single power source, for example when driving in the inverter, in order to set the gap width w 2 of the rotating electric machine 4, to consider the withstand voltage of the rotating electrical machine preferable.
  • FIG. 3 is an example of a vector diagram showing voltage and current in the permanent magnet type rotating electrical machine of the first embodiment.
  • the angular frequency of the power supply is ⁇ .
  • the absolute value of the no-load induced voltage E2 of the rotating electrical machine unit 4 is larger than the absolute value of the no-load induced voltage E1 of the rotating electrical machine unit 3 (
  • the gap width w 2 is set in the left area in the figure by the solid line 10 as a boundary in FIG.
  • a current I having the same phase and absolute value flows through the winding of the stator 2a of the rotating electrical machine unit 3 and the winding of the stator 2b of the rotating electrical machine unit 4.
  • the voltage V 1 of the winding of the stator 2a of the rotary electric machine 3 includes a voltage drop .omega.L d I d by L d, it becomes the vector sum of the voltage drop .omega.L q I q and E 1 by L q, the rotary electric machine voltage V 2 of the windings of the stator 2b of the part 4, a voltage drop .omega.L d I d by L d, the vector sum of the voltage drop .omega.L q I q and E 2 by L q.
  • I d and I q are a d-axis component and a q-axis component of the current I, respectively.
  • V 1 and V 2 have different phase differences ( ⁇ 1 , ⁇ 2 ) from I, and the absolute value of V 2 is V 1 . It becomes larger than the absolute value (
  • the upper limit value of the voltage affects the insulation life, etc., so set w 1 ⁇ w 2 and set
  • it is preferable to consider that
  • w 2 sets the gap width along the solid line 10 in FIG. 2 so that
  • the slope of the solid line 10 in FIG. 2 varies depending on the magnet characteristics. However, if w 2 is adjusted so that the no-load induced voltages of the rotating electrical machine parts 3 and 4 are the same, the inclination substantially depends on the magnet characteristics. W 2 can be set.
  • FIG. 4 shows a schematic sectional view of the rotors 1a and 1b of the first embodiment. Note that the subscripts a and b appended to the reference numerals in the drawing indicate parts included in the rotating electrical machines 3 and 4, respectively.
  • the permanent magnets 7a and 7b are arranged on the outer peripheral surfaces (facing the air gap) of the rotor cores 11a and 11b.
  • the permanent magnets 7a and 7b are equivalent to air gaps (air) in terms of magnetic circuit.
  • the permanent magnets 7a, 7b and the rotor cores 11a, 11b are in close contact with the surfaces of the permanent magnets 7a, 7b and the rotor cores 11a, 11b, and the permanent magnets 7a, 7b are attached to the rotor cores 11a, 11b.
  • the fixing member 12 for fixing 11b is made of a nonmagnetic material (aluminum, stainless steel, etc.).
  • L d and L q have substantially the same value in each rotating electrical machine part.
  • L d and L q are proportional to the reciprocal of the magnetic resistance, when the gap width changes and the magnetic resistance changes, the inductance also changes. That is, the values of L d and L q are different in principle between the rotating electrical machine unit 3 and the rotating electrical machine unit 4.
  • the effective gap width as a magnetic circuit includes the thickness of the permanent magnets 7a and 7b and the sum of the thicknesses of the fixing members 12a and 12b, the embedded magnet type permanent magnet rotation in which the permanent magnet is embedded in the rotor core. Larger than electric.
  • the rotating electrical machines 3 and 4 are made into an embedded magnet type permanent magnet synchronous motor, that is, an embedded magnet type permanent magnet type rotating electrical machine, it has salient pole characteristics such that L d ⁇ L q, and the gap width changes. If the inductance does not change extremely, w 2 can be set as in the first embodiment.
  • the outputs of the plurality of rotating electrical machines are optimized by a relatively simple configuration. can do.
  • a plurality of rotating electrical machines in series tandem
  • a long or trunk-shaped permanent magnet rotating electrical machine can be manufactured while suppressing an increase in cost.
  • the permanent magnet type rotating electrical machine is not limited to the one provided with the two rotating electrical machines as in the first embodiment, but may be provided with three or more rotating electrical machines. Even in this case, the output of the plurality of rotating electrical machines can be optimized by adjusting the gap width between the rotor and the stator according to the temperature of the rotating electrical machines. For example, when three rotary electric machine parts A, B, and C are connected in series in this order and the temperature increases in this order, the gap widths of the rotary electric machine parts A, B, and C are set to W 1 , W 2 , W 3 , respectively. Then, the gap width is set so that W 1 > W 2 > W 3 . Thereby, the output of each rotary electric machine part can be made equal, or each output of rotary electric machine parts B and C can be prevented from falling below the output of rotary electric machine part A.
  • FIG. 5 shows a permanent magnet type rotating electric machine that is Embodiment 2 of the present invention.
  • the output reduction of the rotating electrical machine unit 4 is further suppressed by making the characteristics of the permanent magnets different.
  • the second embodiment has the same configuration as that of the first embodiment.
  • the gap width w 2 of the rotating electrical machine part 4 is set to a value smaller than the gap width w 1 of the rotating electrical machine part 3.
  • the residual magnetic flux of the permanent magnet 7b of the rotating electrical machine section 4 is changed to the rotating electrical machine section 3 with respect to the residual magnetic flux at a predetermined temperature (for example, room temperature), which is one characteristic of the permanent magnet. It is made larger than the residual magnetic flux of the permanent magnet 7a.
  • the degree of decrease in the amount of magnetic flux is suppressed.
  • a decrease in the output of the rotating electrical machine unit 4 is suppressed, and coupled with the fact that w 1 and w 2 are set so that w 2 ⁇ w 1 , the output of the rotating electrical machine unit 4 is The output can be kept from falling below.
  • the residual magnetic fluxes of the permanent magnets 7a and 7b at a predetermined temperature can be adjusted by using different magnetic materials or making the residual magnetic flux densities different by making the composition ratios of elements constituting the magnetic material different.
  • a magnet material a neodymium magnet material, a samarium cobalt magnet material, or the like can be applied.
  • the residual magnetic flux density as a magnet characteristic can be adjusted by changing the composition ratio of these elements.
  • the outputs of the plurality of rotating electric machine sections can be optimized.
  • the range of adjustment of the output of the plurality of rotating electrical machines is expanded with respect to the temperature distribution in the permanent magnet rotating electrical machine by making the characteristics of the permanent magnets different. can do.
  • the temperature change rate (temperature coefficient) of the residual magnetic flux density is varied as one characteristic of the permanent magnet. More specifically, the temperature change rate of the residual magnetic flux density of the permanent magnet of the rotating electrical machine portion is reduced as it goes from the refrigerant inflow side to the refrigerant outflow side. If it is the structure of FIG. 5, the temperature change rate (temperature coefficient) of the residual magnetic flux density of the permanent magnet 7b is made smaller than the permanent magnet 7b. That is, the heat resistance grade of the permanent magnet 7b is set higher than that of the permanent magnet 7a. Thereby, like Example 2, the grade of the fall of the residual magnetic flux amount of the permanent magnet of the rotary electric machine part located in the high temperature side is suppressed, and the output of a some rotary electric machine part can be optimized.
  • FIG. 6 is a partial cross-sectional view of one slot of the stator in the permanent magnet type rotating electric machine that is Embodiment 3 of the present invention.
  • the cross-sectional area of the stator winding 8 b of the rotating electrical machine portion 4 is determined from the cross-sectional area of the stator winding 8 a of the rotating electrical machine portion 3. It is getting bigger.
  • FIG. 7 shows an example of the relationship between the winding area ratio of the stator winding and the temperature studied by the present inventors.
  • the vertical axis indicates the winding temperature in degrees Celsius
  • the horizontal axis indicates the winding area ratio.
  • the winding area ratio is the cross-sectional area (A 1) of the stator winding 8a when the electrical resistance of the stator winding 8b is the same as the electrical resistance of the stator winding 8a at a temperature of 100 ° C. )
  • the cross-sectional area of the stator winding 8a is normalized to 1.
  • stator winding 8a Even if a temperature difference occurs between the stator winding 8a and the stator winding 8b, the electric resistance values of the stator winding 8a and the stator winding 8b are the same.
  • the cross-sectional area of the stator winding can be set.
  • the third embodiment since the electrical resistance of the high temperature side stator winding is reduced to about the electrical resistance of the low temperature side stator winding, power loss due to the stator winding can be reduced.
  • the magnitude of the stator winding resistance which is a control parameter, becomes uniform in the plurality of rotating electrical machine units, the plurality of rotating electrical machine units are set at the same operating point (for example, currents of the same phase (“I in FIG. 3 ))). Accordingly, it becomes easy to drive the plurality of rotating electrical machines so that any of the plurality of rotating electrical machines outputs a torque having a desired magnitude.
  • FIG. 8 shows a cross-sectional view of a rotor in a permanent magnet type rotating electric machine that is Embodiment 4 of the present invention.
  • illustration of the fixing members 12a and 12b as shown in FIG. 4 is omitted.
  • the polarity of the rotor magnetic pole 30, that is, the magnetic pole position is made to coincide in the circumferential direction.
  • the rotating electrical machines 3 and 4 since the electrical angles (phases) of the rotating electrical machines 3 and 4 are the same, the rotating electrical machines 3 and 4 can be driven at the same operating point. Accordingly, it becomes easy to drive the plurality of rotating electrical machines so that any of the plurality of rotating electrical machines outputs a torque having a desired magnitude.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view of a stator in a permanent magnet type rotating electric machine that is Embodiment 5 of the present invention.
  • the stator 2a includes a cylindrical stator core 41 having a plurality of teeth 21 protruding from the yoke portion 40 toward the inner peripheral surface, and a stator winding 8a in which strands are distributed in a distributed manner using the teeth 21.
  • the stator winding 8a is provided with a U-phase, V-phase, and W-phase three-phase winding, and is wound so that four poles are electrically formed in 36 slots.
  • An upper winding 24 is disposed on the outer diameter side of the slot 23 formed between the teeth 21, and a lower winding 25 is disposed on the inner diameter side.
  • the stator winding 8a is wound by a method called short-pitch winding in order to reduce eddy current.
  • the short-pitch winding generally reduces eddy currents compared to the full-pitch winding.
  • the stator winding 8a of the numbers from # 1 to # 36 that are assigned to the slot 23 in a counterclockwise manner, the wire coming out from the lower coil 25 of the # 1 slot is the upper coil 24 of # 9.
  • the connection is repeated in the circumferential direction to form a three-phase winding.
  • the winding pitch is 9 by subtracting 1 from 9, and the magnetic pole pitch is 9 by dividing the number of slots 36 by the number of poles 4.
  • the configuration of the stator 2b is the same as the configuration of the stator 1a described above, and the positions of the teeth and slots, the winding direction of the windings, and the like all match.
  • the rotating electrical machines 3 and 4 since the electrical angles (phases) of the rotating electrical machines 3 and 4 are the same, the rotating electrical machines 3 and 4 can be driven at the same operating point. Accordingly, it becomes easy to drive the plurality of rotating electrical machines so that any of the plurality of rotating electrical machines outputs a torque having a desired magnitude.
  • the winding method is not limited to short-pitch winding but may be concentrated winding or full-pitch winding.
  • FIG. 10 shows a rotating electrical machine drive system that is Embodiment 6 of the present invention.
  • a permanent magnet type rotating electrical machine 200 composed of n rotating electrical machine parts RM 1 , RM 2 ,..., RM n (n: an integer of 2 or more) is driven by a single power source 100 (for example, an inverter).
  • the rotating electrical machines RM 1 , RM 2 ,..., RM n are connected to each other in series (tandem).
  • the configuration of the above-described embodiment is applied to the rotating electrical machine units RM 1 , RM 2 ,..., RM n and the permanent magnet rotating electrical machine 200 including these.
  • each rotor electrical machine part is driven by estimating the magnetic pole position of the rotor from the induced voltage in the electrical rotating machine part and controlling the power supply 100 according to the estimated magnetic pole position. That is, in the sixth embodiment, so-called sensorless control that does not use a magnetic pole position sensor such as a Hall element is applied.
  • the applied example 4 the rotary electric machine unit RM 1, RM 2, ..., if the magnetic pole arrangement of the rotor of RM n coincides with the circumferential direction, any one single rotary electric machine of the induced voltage Sensorless control can be performed based on the above. Further, by applying the fourth or fifth embodiment or using the fourth and fifth embodiments together, the power supply 100 is controlled so as to drive a plurality of rotating electrical machines at the same operating point. Control can be facilitated.
  • the permanent magnet type rotating electric machine 200 is driven by a single power source and sensorless control, only three power supply cables are required in the case of a three-phase AC until the rotating electric machine is in the immediate vicinity.
  • the entire rotating electrical machine drive system including the permanent magnet type rotating electrical machine 200 and the power source 100 can be reduced in size. For this reason, it becomes possible to install and drive a permanent magnet rotating electrical machine in a narrow place like the ground.
  • FIG. 11 shows a compressor system that is Embodiment 7 of the present invention.
  • the rotating electrical machine unit 3 and the rotating electrical machine unit 4 are connected in series (tandem) to form a permanent magnet type rotating electrical machine having one rotating shaft 5 and on the downstream side of the refrigerant 6.
  • a blade 28 is connected in series to the end of the rotating shaft 5 on the rotating electrical machine unit 4 side.
  • the permanent magnet type rotating electrical machine and the wings 28 are stored in a cylindrical case 300.
  • the rotating shaft 5 is rotatably supported by bearings 29 provided in the case 300 at both ends and the center of the rotating shaft 5. In this way, a long or trunk-shaped compressor system is configured.
  • the permanent magnet type rotating electrical machine to which the above-described embodiment is applied and the blades of the compressor are integrated, it is possible to reduce the size of the entire compressor system.
  • the compressor system of the seventh embodiment is driven by the drive system of the sixth embodiment.
  • the bearing 29 may be a magnetic bearing. Thereby, the compressor system can be operated at high speed.
  • the present invention is not limited to the embodiments described above, and includes various modifications.
  • the above-described embodiments have been described in detail for easy understanding of the present invention, and are not necessarily limited to those having all the configurations described. Further, it is possible to add, delete, and replace other configurations for a part of the configuration of each embodiment.
  • the gap width of the rotating electrical machine section 3 can be achieved if the output drop due to the temperature difference between the permanent magnets 7a and 7b can be compensated only by the difference in the magnetic characteristics of the permanent magnets 7a and 7b.
  • the gap width w2 of the rotating electrical machine part 4 may be made equal to w1.

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Abstract

本発明は、比較的簡素な構成により、直列接続される複数の回転電機部の出力を最適化することができる永久磁石式回転電機、並びにこれを用いる駆動システムおよび圧縮機システムを提供する。本発明による永久磁石式回転電機は、一つの回転軸（５）を備え、複数の回転電機部は第１の回転電機部（３）および第２の回転電機部（４）を含み、使用時において、第２の回転電機部の温度は、第１の回転電機部の温度よりも高く、第１の回転電機部は、一つの回転軸に設けられ、第１の永久磁石（７ａ）を備える第１の回転子（１ａ）と、第１の回転子と第１の空隙部を介して対向する第１の固定子（２ａ）とを備え、第２の回転電機部は、一つの回転軸に設けられ、第２の永久磁石を（７ｂ）備える第２の回転子（１ｂ）と、第２の回転子と第２の空隙部を介して対向する第２の固定子（２ｂ）とを備え、第２の空隙部の幅は第１の空隙部の幅よりも小さい。

Description

永久磁石式回転電機、並びにこれを用いる駆動システムおよび圧縮機システム
　本発明は、回転子と固定子を備える回転電機部が複数個連結される永久磁石式回転電機、およびこれを用いる駆動システムおよび圧縮機システムに関する。
　圧縮機システムに適用される回転電機としてはこれまで誘導電動機が用いられてきたが、近年、高エネルギー磁束密度の希土類永久磁石や高性能なインバータの普及により、小型軽量化や高効率化を可能とする永久磁石式回転電機の適用が増加している。圧縮機システムは主に油田や天然ガス等のプラントに多く使用される。このため、設置環境として地上のみならず、洋上、海中、地中等の特殊環境へ対応できる回転電機の必要性が高まりつつある。
　このような特殊環境の場合、圧縮機システム自体の設置スペースが限られているため、圧縮機システムの設置規模を縮小する必要がある。これに対し、回転電機として、小型軽量化が可能な永久磁石式回転電機を適用し、回転速度を数万ｍｉｎ－１までに増加させ、圧縮機と永久磁石式回転電機を機電一体化し、圧縮機システムの小型軽量化を図っている。また、設置環境が地中である場合、圧縮機システムは、掘削穴内の地下数千ｍの深さに設置される。このため、掘削穴自体の径を大きくすることができないことから、回転電機の外径も掘削穴の径寸法に制約される。このような条件下では、回転電機の体格は軸方向に長くなるため、振動等による信頼性低下を招くと共に製作が困難となる。そこで、複数個の回転電機部が直列接続される回転電機が用いられる。
　このような複数個の回転電機部が直列接続される回転電機に関する技術として、例えば、特許文献１～３に記載される技術が知られている。
　特許文献１に記載される技術では、複数の永久磁石式同期電動機が同一軸で駆動され、各電動機のコイルの相の位置ずれと回転子の磁極の位置ずれを所定電気角範囲内として、各電動機が１台のインバータで駆動される。これにより、全体のシステム構成が簡素化され、かつ固定子および回転子の性能が最大限に引き出される。
　特許文献２に記載される技術では、一つの回転子に対して複数の固定子が設けられ、複数の固定子のそれぞれに独立した可変電源から電力が供給される。これにより、トルク力を低下させずに、トルクリップルが低減される。
　特許文献３に記載される技術では、固定子が、軸方向に複数に分割されるとともに、円周方向にも複数個に分割され、回転速度に応じて径方向に分割される固定子を移動させる。これにより、固定子と回転子との空隙を変化させ、回転電機の端子電圧を調整できるようにしている。
特開２０１１－１４７２５８号公報 特開２００２－２６２５２８号公報 特開２００５－５７９４１号公報
　特許文献１の技術では、インバータ側から電動機を見た場合、電動機を制御するための定数（主に磁石磁束、インダクタンス、巻線抵抗）は、各電動機で同じになるとは限らない。その主たる要因は温度である。回転電機の設置環境等によって、各電動機の温度を同じにすることが困難な場合、各電動機の温度差により、磁石特性や巻線抵抗が変化する。特に、磁石特性が変化した場合、電動機の出力も変化する。すなわち、複数の電動機を最適な動作点で運転することが難しく、電動機の出力を無駄にすることになる。
　特許文献２の技術では、各電源を独立して制御することにより、最適動作点での運転が可能であるが、電源を制御するためのセンサ信号用配線や、三相巻線の場合は電源ｎ台分の三倍の本数の電力供給ケーブルが必要となる。これにより、電源を含めたシステム全体は大型化し且つ複雑化し、コストが増加することになる。また、地中等の設置スペースが限られた場所に設置することが困難になる。また、圧縮機やポンプ等の羽根と回転電機を一体化する場合、センサを取り付けるスペースを確保することが難しくなる。
　特許文献３の技術では、固定子の鉄心を分割構造にしているため、空隙部は可変できても、空隙部のばらつきが大きくなる。空隙部のばらつきが大きくなると、三相交流の場合、三相不平衡による循環電流が発生する。これにより、回転電機の電力損失が大きくなる。また、固定子を移動する可変機構を設けるため、電動機自体が複雑化し組立性が低下したり、コスト増加を招いたりする。
　そこで、本発明は、比較的簡素な構成により、直列接続される複数の回転電機部の出力を最適化することができる永久磁石式回転電機、並びにこれを用いる駆動システムおよび圧縮機システムを提供する。
　上記課題を解決するために、本発明による永久磁石式回転電機は、複数の回転電機部が直列に接続され、一つの回転軸を備えるものであって、複数の回転電機部は第１の回転電機部および第２の回転電機部を含み、使用時において、第２の回転電機部の温度は、第１の回転電機部の温度よりも高く、第１の回転電機部は、一つの回転軸に設けられ、第１の永久磁石を備える第１の回転子と、第１の回転子と第１の空隙部を介して対向する第１の固定子とを備え、第２の回転電機部は、一つの回転軸に設けられ、第２の永久磁石を備える第２の回転子と、第２の回転子と第２の空隙部を介して対向する第２の固定子とを備え、第２の空隙部の幅は第１の空隙部の幅よりも小さい。
　また、本発明による永久磁石式回転電機の駆動システムは、永久磁石式回転電機を駆動する一台の電源を備え、永久磁石式回転電機は上記本発明による永久磁石式回転電機であり、電源はセンサレス制御される。
　また、本発明による圧縮機システムは、上記本発明による永久磁石式回転電機によって駆動され、一つの回転軸の両端部の内、第２の回転電機部側の端部に、直列に接続される羽根を備える。
　本発明によれば、比較的簡素な構成により、永久磁石回転電機において直列接続される複数の回転電機部の出力を最適化することができる。
　また、本発明によれば、複数の回転電機部が直列接続される永久磁石回転電機の駆動システムを小型化できる。
　また、本気発明によれば、圧縮機システム全体の小型化が可能となる。
　上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
本発明の実施例１である永久磁石式回転電機を示す。 空隙幅の変化率と永久磁石温度の関係の一例を示す。 永久磁石式回転電機における電圧および電流を示すベクトル図の一例である。 回転子の断面概略図を示す。 本発明の実施例２である永久磁石式回転電機を示す。 本発明の実施例３である永久磁石式回転電機における固定子の部分断面図である。 固定子巻線の巻線面積比と温度の関係の一例を示す。 本発明の実施例４である永久磁石式回転電機における回転子の断面図を示す。 本発明の実施例５である永久磁石式回転電機における固定子の断面図である。 本発明の実施例６である回転電機駆動システムを示す。 本発明の実施例７である圧縮機システムを示す。
　以下、本発明の実施例について図面を用いながら説明する。なお、各図において、同一あるいは相当する部分は同じ符号を付記している。
　図１は、本発明の実施例１である永久磁石式回転電機を示す。
　本実施例１の永久磁石式回転電機は、主に石油あるいは天然ガスを採取する圧縮機システムに使用される永久磁石式同期電動機であり、地中深く掘られた縦穴すなわち掘削穴内に挿入され、地下数千メートルの深さの地中に設置される。このため、電動機の外径寸法が掘削穴の直径（例えば、１０～２０ｃｍ程度）によって制約されるので、電動機の体格を、軸方向に長い長尺状あるいは胴長状（例えば、長さ１～２ｍ程度であり、径寸法の５倍程度以上）にして、所望の電動機出力を得ている。
　本実施例１の永久磁石式回転電機は、回転電機部３と回転電機部４に分割される。回転電機部３および４は、永久磁石式同期電動機からなる。回転電機部３の回転軸５ａと回転電機部４の回転軸５ｂとが直列（タンデム）に接続されることにより、一つの回転軸５を有する長尺状あるいは胴長状の永久磁石式回転電機が構成される。これにより、永久磁石式回転電機を長尺状あるいは胴長状にしても、回転子の機械的固有振動数の低下が抑制されるので、共振などの不都合の発生を防止できる。また、回転電機部３および４は比較的長さが短いものであり、長尺状あるいは胴長状であることが特段考慮されない一般的な製造方法によって、個別に製作することができる。このため、組立性を低下させることなく、長尺状あるいは胴長状の永久磁石式回転電機を製作することができるので、製造コストの増加を抑えることができる。
　図１に示すように、回転電機部３は、回転軸５ａと、回転軸５ａに固定的に設けられる回転子１ａと、幅ｗ１の空隙を介して回転子１ａと対向する固定子２ａを備える。回転子１ａは、界磁となる永久磁石７ａを有する。また、回転電機部４は、回転軸５ｂと、回転軸５ｂに固定的に設けられる回転子１ｂと、幅ｗ２の空隙を介して回転子１ｂと対向する固定子２ｂを備える。回転子１ｂは、界磁となる永久磁石７ｂを有する。回転軸５ａと回転軸５ｂが、溶接あるいは接着剤もしくは図示しない連結装置を用いて直列（タンデム）に接続されて、永久磁石式回転電機の一つの長い回転軸５を構成する。ここで空隙幅ｗ２の値は、空隙幅ｗ１の値よりも小さな値に設定される。これにより、後述するように、長尺状あるいは胴長状の永久磁石式回転電機において温度分布が生じても、回転電機部３および４の各出力が最適化され、永久磁石式回転電機の所望の出力が得られる。
　本実施例１の永久磁石式回転電機は、採取される石油あるいは天然ガス等のプロセスガスを冷媒として冷却される。これにより、地中のように、熱交換器等の冷却システムを回転電機に搭載することが困難な狭隘な設置環境においても、永久磁石式回転電機を冷却することができる。
　図１中の矢印で示すように、本実施例１においては、冷媒６が、回転軸５ａと回転軸５ｂの接続部とは反対側における回転軸５ａの一端側から流入し、回転軸５ａに沿って流れ、さらに回転軸５ｂに沿って流れた後、回転軸５ａと回転軸５ｂの接続部とは反対側における回転軸５ｂの一端側から回転電機外へ排出される。すなわち、冷媒６は、永久磁石回転電機の回転軸５の両端部の内、回転電機部３側の端部から流入し、回転電機部４側の端部から排出される。
　このような冷媒６によって、まず回転電機部３が冷却され、次に回転電機部４が冷却される。このとき、回転電機部４側を流れる冷媒６の温度は、冷媒６が回転電機部３を冷却したことにより、冷媒６が回転電機部３側に流入した時よりも上昇する。つまり、回転電機部４側を流れる冷媒６は回転電機３側を流れる冷媒よりも温度が高くなるため、回転電機部３の温度は回転電機部４の温度よりも高くなる。このため、回転電機部３および４が同じ構成の永久磁石型同期電動機であれば、回転電機部３よりも高温となる回転電機部４の出力は、回転電機部３の出力よりも低下してしまう。その主たる要因は、回転子１ｂの永久磁石７ｂの磁石磁束量が、永久磁石７ｂが回転子１ａの永久磁石７ａよりも高温になるため、永久磁石７ａの磁石磁束量よりも低下することである。
　そこで、本実施例１では、上述したように、回転電機部３よりも温度が高くなる回転電機部４における回転子１ｂと固定子２ｂの間の空隙幅ｗ２を、回転電機部３における回転子１ａと固定子２ａの間の空隙幅ｗ１よりも小さくする。ｗ２をｗ１よりも小さくすることにより、回転電機部４における磁気抵抗が回転電機部３より小さくなるので、回転電機部４の固定子２ｂが発生する回転磁界の強さが回転電機部３の固定子２ａが発生する回転磁界の強さより大きくなる。これにより、永久磁石７ｂの磁束の低下に起因する回転電機部４の出力低下が補償され、回転電機部４の出力が回転電機部３の出力よりも低減されることなく、永久磁石式回転電機を駆動することができる。
　なお、回転電機部３および４において、空隙幅を除く各部の寸法や材料は略同一であり、回転電機部３および回転電機部４の体格は略同一であるため、長尺状あるいは胴長状の永久磁石式回転電機の製造コストの増加が抑制できる。
　図２は、本発明者が検討した、空隙幅の変化率と永久磁石温度の関係の一例を示す。縦軸は回転子の永久磁石の温度を、摂氏温度で示し、横軸は空隙幅の変化率を示す。実線１０は、無負荷誘起電圧が同じという条件下で、永久磁石温度が８０℃程度～４７０℃程度の範囲における空隙幅の変化率の変化の様子を示す。ここで、空隙幅の変化率は、基準となる空隙幅、すなわち約８０℃における空隙幅に対する、永久磁石温度が８０℃程度～４７０℃程度の範囲における空隙幅の比率である。なお、実質的に、基準となる空隙幅は図１における回転電機部３の空隙幅ｗ１に相当し、永久磁石温度が８０℃程度～４７０℃程度の範囲における空隙幅は同図１における回転電機部４の空隙幅ｗ２に相当する。従って、空隙幅の比率は、実質的に、ｗ２（永久磁石温度８０℃程度～４７０℃程度）／ｗ１（永久磁石温度８０℃程度）を示す。但し、回転電機部３の空隙幅ｗ１に相当する、基準となる空隙幅は１に規格化されている。
　図２の実線１０から判るように、それぞれ冷媒６の流入側および流出側に位置する回転電機部３および４の無負荷誘起電圧を同じにして、回転電機部３および４の出力を同じにするためには、空隙幅の変化率（ｗ２／ｗ１）を１より小さくする。すなわち、高温側となる回転電機部４の空隙幅ｗ２を低温側となる回転電機部３の空隙幅ｗ１よりも小さい値に設定する。なお、回転電機部４の出力が回転電機部３の出力よりも低減されないようにするためには、実線１０を境にして図中左側の領域において空隙幅を設定して、回転電機部４の無負荷誘導電圧が回転電機部３の無負荷誘導電圧よりも大きくなる様にすればよい。
　なお、複数の回転電機すなわち回転電機部３および４を一台の電源、例えばインバータで駆動する場合、回転電機部４の空隙幅ｗ２を設定するに当たって、回転電機の耐電圧について考慮することが好ましい。この点について、図３を用いて説明する。
　図３は、本実施例１の永久磁石式回転電機における電圧および電流を示すベクトル図の一例である。本図３において、ｄ軸インダクタンスＬｄおよびｑ軸インダクタンスＬｑは、空隙幅によらず一定とし、かつＬｄ＝Ｌｑとしている。また、電源の角周波数はωとしている。
　図３においては、回転電機部４の無負荷誘導電圧Ｅ２の絶対値が回転電機部３の無負荷誘導電圧Ｅ１の絶対値よりも大きい（｜Ｅ１｜＜｜Ｅ２｜）。すなわち、図２において実線１０を境にして図中左側の領域において空隙幅ｗ２が設定されている。負荷時において、回転電機部３の固定子２ａの巻線と回転電機部４の固定子２ｂの巻線には、位相と絶対値が同じである電流Ｉが流れている。このとき、回転電機部３の固定子２ａの巻線の電圧Ｖ１は、Ｌｄによる電圧降下ωＬｄＩｄと、Ｌｑによる電圧降下ωＬｑＩｑおよびＥ１のベクトル和となり、回転電機部４の固定子２ｂの巻線の電圧Ｖ２は、Ｌｄによる電圧降下ωＬｄＩｄと、Ｌｑによる電圧降下ωＬｑＩｑおよびＥ２のベクトル和となる。ここで、ＩｄおよびＩｑは、それぞれ電流Ｉのｄ軸成分およびｑ軸成分である。上述したように、｜Ｅ１｜＜｜Ｅ２｜であるため、Ｖ１とＶ２では、Ｉとの位相差（θ１，θ２）が異なると共に、Ｖ２の絶対値がＶ１の絶対値よりも大きくなる（｜Ｖ１｜＜｜Ｖ２｜）。
　一般に、回転電機の仕様として、電圧（図３のＶ１，Ｖ２の絶対値に相当）の上限値は絶縁寿命等に影響するため、ｗ１≧ｗ２に設定して｜Ｅ１｜≦｜Ｅ２｜にするに当たっては、図３が示すように｜Ｖ１｜≦｜Ｖ２｜となることを考慮することが好ましい。すなわち、回転電機部３および４の耐電圧に、｜Ｖ１｜および｜Ｖ２｜の各上限値に対して十分な尤度が有る場合は、｜Ｖ１｜＜｜Ｖ２｜とすることができるので、図２において実線１０を境にして図中左側の領域においてｗ２を設定して、確実に回転電機部４の出力が回転電機部３の出力を下回らないようにすることができる。また、回転電機部３の耐電圧仕様が｜Ｖ１｜の上限値に基づいて設定され、回転電機部４の耐電圧仕様が回転電機部３の耐電圧仕様に合わせている場合のように、耐電圧の尤度が少ない場合に、ｗ２は図２の実線１０に沿った空隙幅を設定して、｜Ｅ１｜＝｜Ｅ２｜すなわち｜Ｖ１｜＝｜Ｖ２｜となるようにすることが好ましい。なお、図２の実線１０の傾きは磁石特性によって変化するが、回転電機部３および４の各無負荷誘起電圧が同じになるようにｗ２を調整すれば、実質的に、磁石特性に応じてｗ２を設定することができる。
　図４は、本実施例１の回転子１ａおよび１ｂの断面概略図を示す。なお、図中の符号に付記される添え字ａおよびｂは、それぞれ回転電機部３および４が備える部分であることを示す。
　図４に示すように、永久磁石７ａ，７ｂは回転子鉄心１１ａ，１１ｂの外周面（空隙に面している）に配置される。この構造の場合、永久磁石７ａ，７ｂは磁気回路的には空隙（空気）と等価である。さらに、永久磁石７ａ，７ｂおよび回転子鉄心１１ａ，１１ｂの各表面に密着し、永久磁石７ａ，７ｂおよび回転子鉄心１１ａ，１１ｂの表面を覆って、永久磁石７ａ，７ｂを回転子鉄心１１ａ，１１ｂ固定する固定部材１２は、非磁性材料（アルミ，ステンレスなど）からなる。このため、同図４のｄ軸およびｑ軸の磁気抵抗が略同じとなるので、各回転電機部においてＬｄおよびＬｑは略同じ値となる。また、Ｌｄ，Ｌｑは磁気抵抗の逆数に比例するため、空隙幅が変化して磁気抵抗が変化すると、インダクタンスも変化する。すなわち、回転電機部３と回転電機部４では原理的にはＬｄ，Ｌｑの値が異なる。しかしながら、磁気回路としての実効的な空隙幅は、永久磁石７ａ，７ｂの厚さと固定部材１２ａ，１２ｂの厚さ和を含むので、永久磁石が回転子鉄心に埋め込まれる埋め込み磁石型永久磁石式回転電機に比べ大きくなる。このため、図２に示す、空隙幅の変化率の程度であれば、インダクタンスの大きさはあまり変化しないため、空隙幅を変えてもＬｄ，Ｌｑは実質的に一定であり、回転電機部３と回転電機部４のＬｄ，Ｌｑが等しいとして、ｗ２を設定することができる。すなわち、回転電機部３および４を表面磁石型永久磁石同期電動機すなわち表面磁石型永久磁石式回転電機にすることにより、ｗ２を容易に設定することができる。
　なお、回転電機部３および４を埋め込み磁石型永久磁石同期電動機すなわち埋め込み磁石型永久磁石式回転電機にする場合において、Ｌｄ＜Ｌｑとなる突極特性を有し、空隙幅が変化しても極端にインダクタンスが変化しない場合には、本実施例１と同様にｗ２を設定することができる。
　以上説明したように、本実施例１によれば、永久磁石式回転電機における複数の回転電機部の温度が異なっても、比較的簡素な構成により、これら複数の回転電機部の出力を最適化することができる。また、複数の回転電機部を直列（タンデム）接続することにより、長尺状あるいは胴長状の永久磁石式回転電機を、コストの増加を抑えながら、製作することができる。
　なお、永久磁石式回転電機は、本実施例１のように二つの回転電機部を備えるものに限らず、三つ以上の複数の回転電機を備えるものでも良い。この場合においても、回転電機部の温度に応じて、回転子と固定子の間の空隙幅を調整することにより、複数の回転電機部の出力を最適化することができる。例えば、三つの回転電機部Ａ，Ｂ，Ｃがこの順に直列接続され、かつこの順に温度が高くなる場合、回転電機部Ａ，Ｂ，Ｃの空隙幅をそれぞれ、Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３とすると、Ｗ１＞Ｗ２＞Ｗ３となるように空隙幅が設定される。これにより、各回転電機部の出力を等しくできたり、回転電機部ＢおよびＣの各出力が回転電機部Ａの出力を下回らないようにすることができたりする。
　図５は、本発明の実施例２である永久磁石式回転電機を示す。本実施例２では、さらに、永久磁石の特性を異ならしめることにより、回転電機部４の出力低下を抑制する。
　以下、主に、本実施例２の具体的な構成における実施例１との相違点について説明する。
　本実施例２は、図５に示すように、外見的には実施例１と同様の構成を有する。また、実施例１と同様に、回転電機部４の空隙幅ｗ２は、回転電機部３の空隙幅ｗ１よりも小さな値に設定される。さらに、本実施例においては、実施例１と異なり、永久磁石の一特性である、所定温度（例えば、室温）における残留磁束について、回転電機部４の永久磁石７ｂの残留磁束を回転電機部３の永久磁石７ａの残留磁束よりも大きくしている。これにより、回転電機部３および４に温度差がある状態において、低温側に位置する回転電機部３の永久磁石７ａの残留磁束量に対する高温側に位置する回転電機部４の永久磁石７ｂの残留磁束量の低下の程度が抑制される。これにより回転電機部４の出力低下が抑制され、ｗ２＜ｗ１となるようにｗ１，ｗ２が設定されることと相俟って、回転電機部４の出力が回転電機部３の出力を下回らないようにすることができる。
　所定温度における永久磁石７ａ，７ｂの残留磁束は、異なる磁石材料を用いたり、磁石材料を構成する元素の組成比を異ならしめたりして、残留磁束密度を異ならしめることにより調整することができる。なお、磁石材料としては、ネオジム系磁石材料や、サマリウムコバルト系磁石材料などが適用できる。例えば、Ｎｄ，Ｆｅ，Ｂを含むネオジム系磁石材料ならば、これらの元素の組成比を変えることにより、磁石特性としての残量磁束密度を調整することができる。
　本実施例２によれば、実施例１と同様に、永久磁石式回転電機における複数の回転電機部の温度が異なっても、これら複数の回転電機部の出力を最適化することができる。さらに、本実施例２によれば、空隙幅の調整に加え、永久磁石の特性を異ならしめることにより、永久磁石式回転電機における温度分布に対し、複数の回転電機部の出力の調整範囲を拡大することができる。
　なお、本実施例２の変形例においては、永久磁石の一特性として、残留磁束密度の温度変化率（温度係数）を異ならしめる。より具体的には、冷媒の流入側から冷媒の流出側に行くに従い、回転電機部の永久磁石の残留磁束密度の温度変化率を小さくする。図５の構成であれば、永久磁石７ｂの残留磁束密度の温度変化率（温度係数）を永久磁石７ｂよりも小さくする。すなわち、永久磁石７ｂの耐熱グレードを永久磁石７ａよりも高くする。これにより、実施例２と同様に、高温側に位置する回転電機部の永久磁石の残留磁束量の低下の程度が抑制され、複数の回転電機部の出力を最適化することができる。
　図６は、本発明の実施例３である永久磁石式回転電機における固定子の１スロット分の部分断面図である。以下、本実施例３と実施例１，２との相違点について説明する。
　図６に示すように、本実施例３においては、実施例１および２と異なり、回転電機部４の固定子巻線８ｂの断面積を回転電機部３の固定子巻線８ａの断面積より大きくしている。
　冷媒の流出側すなわち高温側に位置する固定子巻線８ｂは、冷媒の流入側すなわち低温側に位置する固定子巻線８ｂよりも巻線温度が高くなる。このため、固定子巻線８ｂにおいては、巻線材料（銅線など）の抵抗率が、温度変化により、固定子巻線８ａよりも大きくなる。これに対し、本実施例３によれば、固定子巻線８ｂの断面積を固定子巻線８ａよりも大きくしているので、固定子巻線８ａおよび固定子巻線８ｂに温度差がある状態において、固定子巻線８ａおよび８ｂの電気抵抗を均一化することができる。
　図７は、本発明者が検討した、固定子巻線の巻線面積比と温度の関係の一例を示す。縦軸は巻線の温度を、摂氏温度で示し、横軸は巻線面積比を示す。ここで、巻線面積比は、固定子巻線８ｂの電気抵抗が温度１００℃における固定子巻線８ａの電気抵抗と同じ大きさになる場合における、固定子巻線８ａの断面積（Ａ１）に対する固定子巻線８ｂの断面積（Ａ２）の比率（Ａ２／Ａ１）である。なお、固定子巻線８ａの断面積を１に規格化している。
　図７に示す関係に基づけば、固定子巻線８ａと固定子巻線８ｂに温度差が生じても、固定子巻線８ａと固定子巻線８ｂの電気抵抗の値が同じになる様に、固定子巻線の断面積を設定することができる。
　本実施例３によれば、高温側の固定子巻線の電気抵抗が低温側の固定子巻線の電気抵抗程度まで低減されるので、固定子巻線による電力損失が低減できる。また、制御パラメータである固定子巻線抵抗の大きさが、複数の回転電機部において均一になるため、複数の回転電機部を同じ動作点で（例えば、同じ位相の電流（図３の「Ｉ」参照）で）駆動することができる。これにより、複数の回転電機部のいずれもが所望の大きさのトルクを出力するように複数の回転電機部を駆動することが容易になる。
　図８は、本発明の実施例４である永久磁石式回転電機における回転子の断面図を示す。なお、本図８においては、図４において示したような固定部材１２ａ，１２ｂは図示を省略している。
　図８に示すように、回転電機部３の回転子１ａと回転電機部４の回転子１ｂにおいて、回転子磁極３０の極性すなわち磁極位置を周方向で一致させている。
　本実施例４によれば、回転電機部３および４の各電気角（位相）が同じになるため、回転電機部３および４を同じ動作点で駆動することができる。これにより、複数の回転電機部のいずれもが所望の大きさのトルクを出力するように複数の回転電機部を駆動することが容易になる。
　図９は、本発明の実施例５である永久磁石式回転電機における固定子の断面図である。
　図９に示すように、回転電機部３の固定子２ａと回転電機部４の固定子２ｂにおいて、スロット位置、並びに固定子巻線の各相の配置構成や相順方向を一致させている。
　固定子２ａは、継鉄部４０から内周面に突出する複数のティース２１を備える円筒状の固定子鉄心４１と、ティース２１を用いて分布的に素線を巻回した固定子巻線８ａとを備える分布巻き固定子である。固定子巻線８ａは、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の３相巻線が施されており、３６スロットで４極が電気的に作られるように巻回されている。ティース２１の間に形成されるスロット２３の外径側に上巻線２４が配置され、内径側に下巻線２５が配置される。
　固定子巻線８ａは、渦電流を低減するために、短節巻と呼ばれる方式で巻回される。なお、短節巻は、一般的に、全節巻よりも渦電流が低減される。固定子巻線８ａは、スロット２３に反時計回りに便宜的につけられた＃１から＃３６までの番号のうち、＃１スロットの下コイル２５から出た素線が、＃９の上コイル２４に入るように結線されており、この結線が周方向に繰り返され３相巻線を構成している。巻線ピッチは９から１を引いた値８となり、磁極ピッチはスロット数３６を極数４で除算した値９となる。巻線ピッチと磁極ピッチとの比（短節度）を８／９にすることにより、第５次と第７次の空間高調波が低減される。
　固定子２ｂの構成は、上述した固定子１ａの構成と同じであり、ティースおよびスロットの位置、巻線の巻方向なども全て一致している。
　本実施例５によれば、回転電機部３および４の各電気角（位相）が同じになるため、回転電機部３および４を同じ動作点で駆動することができる。これにより、複数の回転電機部のいずれもが所望の大きさのトルクを出力するように複数の回転電機部を駆動することが容易になる。
　本実施例５では、４極３６スロットであるが、これに限らず、その他の極数およびスロット数の組合せでも良い。さらに、巻線の巻き方は、短節巻に限らず、集中巻や全節巻としても良い。
　図１０は、本発明の実施例６である回転電機駆動システムを示す。ｎ台の回転電機部ＲＭ１，ＲＭ２，…，ＲＭｎ（ｎ：２以上の整数）からなる永久磁石式回転電機２００が、一台の電源１００（例えば、インバータ）によって駆動される。回転電機部ＲＭ１，ＲＭ２，…，ＲＭｎは互いに直列（タンデム）に接続され。回転電機部ＲＭ１，ＲＭ２，…，ＲＭｎ並びにこれらからなる永久磁石回転電機２００には、前述した実施例の構成が適用される。
　さらに、本実施例６では、回転電機部における誘起電圧から回転子の磁極位置を推定し、推定された磁極位置に応じて電源１００が制御されることにより、各回転電機部が駆動される。すなわち、本実施例６においては、ホール素子などの磁極位置センサを用いない、いわゆるセンサレス制御が適用される。
　なお、実施例４が適用され、回転電機部ＲＭ１，ＲＭ２，…，ＲＭｎの各回転子の磁極配置が周方向で一致している場合、いずれか一台の回転電機部の誘起電圧に基づいてセンサレス制御を行うことができる。また、実施例４または５を適用したり、実施例４および５を併用したりすることにより、複数の回転電機部を同じ動作点で駆動するように電源１００を制御することにより、電源１００の制御を容易化することができる。
　本実施例６によれば、電源を一台とし、かつセンサレス制御により永久磁石式回転電機２００が駆動されるため、電源供給ケーブルが回転電機直近までは、三相交流の場合は３本で済み、永久磁石式回転電機２００および電源１００を含む回転電機駆動システム全体を小型化できる。このため、永久磁石回転電機を地中のような狭隘な場所に設置して駆動することが可能となる。
　図１１は、本発明の実施例７である圧縮機システムを示す。
　図１１に示すように、回転電機部３と回転電機部４が直列（タンデム）に接続され、一つの回転軸５を有する永久磁石式回転電機が構成されると共に、冷媒６の下流側になる回転電機部４側の回転軸５の端部に羽根２８が直列接続される。ここで、永久磁石式回転電機は、上述した実施例が適用される。永久磁石式回転電機及び羽２８は、円筒状のケース３００に格納される。回転軸５は、回転軸５の両端部および中央部において、ケース３００内に設けられる軸受２９によって回転可能に支持される。このようにして、長尺状あるいは胴長状の圧縮機システムが構成される。
　本実施例７によれば、上述した実施例が適用される永久磁石式回転電機と圧縮機の羽根が一体化されるため、圧縮機システム全体の小型化が可能となる。
　本実施例７の圧縮機システムは、実施例６の駆動システムによって駆動される。なお、軸受２９を磁気軸受にしても良い。これにより、圧縮機システムを高速運転することができる。
　本発明は前述した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、前述した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置き換えをすることが可能である。
　なお、上述した実施例２において、永久磁石７ａ，７ｂの磁気特性の違いだけで、永久磁石７ａ，７ｂの温度差に伴う出力低下を補償することができるならば、回転電機部３の空隙幅ｗ１と回転電機部４の空隙幅ｗ２を等しくしても良い。
１ａ，１ｂ…回転子，２ａ，２ｂ…固定子，３，４…回転電機部，５，５ａ，５ｂ…回転軸，６…冷媒，７ａ，７ｂ…永久磁石，８ａ，８ｂ…固定子巻線，１１ａ，１１ｂ…回転子鉄心，１２ａ，１２ｂ…固定部材，２１…ティース，２３…スロット，２４…上コイル，２５…下コイル，２６…電源，２８…羽根，２９…軸受，３０…回転子磁極，４０…継鉄部，４１…固定子鉄心，１００…電源，２００…永久磁石式回転電機，３００…ケース

Claims (15)

  1. 　複数の回転電機部が直列に接続され、一つの回転軸を備える永久磁石式回転電機において、
    　前記複数の回転電機部は第１の回転電機部および第２の回転電機部を含み、
    　使用時において、前記第２の回転電機部の温度は、前記第１の回転電機部の温度よりも高く、
    　前記第１の回転電機部は、前記一つの回転軸に設けられ、第１の永久磁石を備える第１の回転子と、前記第１の回転子と第１の空隙部を介して対向する第１の固定子と、を備え、
    　前記第２の回転電機部は、前記一つの回転軸に設けられ、第２の永久磁石を備える第２の回転子と、前記第２の回転子と第２の空隙部を介して対向する第２の固定子と、を備え、
    　前記第２の空隙部の幅は、前記第１の空隙部の幅よりも小さいことを特徴とする永久磁石式回転電機。
  2. 　請求項１に記載される永久磁石式回転電機において、
    　前記使用時において、冷媒が、前記第１の回転電機部側から、前記第２の回転電機部側へ流れることを特徴とする永久磁石式回転電機。
  3. 　請求項１に記載される永久磁石式回転電機において、
    　前記第１の回転電機部が備える第１の回転軸と、前記第２の回転電機部が備える第２の回転軸とが、互いに直列に接続され、前記一つの回転軸を構成することを特徴とする永久磁石式回転電機。
  4. 　請求項１に記載される永久磁石式回転電機において、
    　前記第２の回転電機部の無負荷誘起電圧の大きさが前記第１の回転電機部の無負荷誘起電圧の大きさ以上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に記載される永久磁石式回転電機において、
    　長尺状あるいは胴長状であることを特徴とする永久磁石式回転電機。
  6. 　請求項１に記載される永久磁石式回転電機において、
    　前記第１の回転電機部および前記第２の回転電機部が表面磁石型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に記載される永久磁石式回転電機において、
    　所定温度において、前記第２の永久磁石の残留磁束が前記第１の永久磁石の残留磁束よりも大きいことを特徴とする永久磁石式回転電機。
  8. 　請求項１に記載される永久磁石式回転電機において、
    　前記第２の永久磁石の残留磁束の温度係数が前記第１の永久磁石の残留磁束の温度係数よりも小さいことを特徴とする永久磁石式回転電機。
  9. 　請求項１に記載される永久磁石式回転電機において、
    　前記第２の固定子が有する第２の固定子巻線の断面積が、前記第１の固定子が有する第１の固定子巻線の断面積よりも大きいことを特徴とする永久磁石式回転電機。
  10. 　請求項１に記載される永久磁石式回転電機において、
    　前記第１の回転子の磁極位置と前記第２の回転子の磁極位置とが、周方向で一致していることを特徴とする永久磁石式回転電機。
  11. 　請求項１に記載される永久磁石式回転電機において、
    　前記第１の固定子と前記第２の固定子とでは、スロット位置、固定子巻線の相の配置および相順が一致していることを特徴とする永久磁石式回転電機。
  12. 　複数の回転電機部が直列に接続され、一つの回転軸を備える永久磁石式回転電機の駆動システムにおいて、
    　前記永久磁石式回転電機を駆動する一台の電源を備え、
    　前記永久磁石式回転電機は、
    　前記複数の回転電機部が第１の回転電機部および第２の回転電機部を含み、
    　使用時において、前記第２の回転電機部の温度は、前記第１の回転電機部の温度よりも高く、
    　前記第１の回転電機部は、前記回転軸に設けられ、第１の永久磁石を備える第１の回転子と、前記第１の回転子と第１の空隙部を介して対向する第１の固定子と、を備え、
    　前記第２の回転電機部は、前記回転軸に設けられ、第２の永久磁石を備える第２の回転子と、前記第２の回転子と第２の空隙部を介して対向する第２の固定子と、を備え、
    　前記第２の空隙部の幅は、前記第１の空隙部の幅よりも小さく、
    　前記電源はセンサレス制御されることを特徴とする永久磁石式回転電機の駆動システム。
  13. 　請求項１２に記載の永久磁石式回転電機の駆動システムにおいて、
    　前記第１の回転子の磁極位置と前記第２の回転子の磁極位置とが、周方向で一致していることを特徴とする永久磁石式回転電機。
  14. 　請求項１２に記載の永久磁石式回転電機の駆動システムにおいて、
    　前記第１の回転電機部および前記第２の回転電機部は、前記一台の電源により、同じ動作点で駆動されることを特徴とする永久磁石式回転電機の駆動システム。
  15. 　複数の回転電機部が直列に接続され、一つの回転軸を備える永久磁石式回転電機によって駆動される圧縮機システムにおいて、
    　前記永久磁石式回転電機は、
    　前記複数の回転電機部が第１の回転電機部および第２の回転電機部を含み、
    　使用時において、前記第２の回転電機部の温度は、前記第１の回転電機部の温度よりも高く、
    　前記第１の回転電機部は、前記一つの回転軸に設けられ、第１の永久磁石を備える第１の回転子と、前記第１の回転子と第１の空隙部を介して対向する第１の固定子と、を備え、
    　前記第２の回転電機部は、前記一つの回転軸に設けられ、第２の永久磁石を備える第２の回転子と、前記第２の回転子と第２の空隙部を介して対向する第２の固定子と、を備え、
    　前記第２の空隙部の幅は、前記第１の空隙部の幅よりも小さく、
    　前記一つの回転軸の両端部の内、前記第２の回転電機部側の端部に、直列に接続される羽根を備えることを特徴とする圧縮機システム。
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