JP2006288193A - 電気機器における永久磁石ロータ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電気機器（１０）を製造するためのシステム及び方法を提供する。
【解決手段】ロータスピンドル（２４）の周りに永久磁石セグメント（２８）のアレイを組立てる。永久磁石セグメント（２８）の所望の磁気配向方向（２９）を決定する。次に、永久磁石セグメント（２８）の所望の磁気配向方向（２９）が磁化用固定具（４４）の対応する磁束方向（７４）と整列するように組立永久磁石セグメント（２８）を磁化用固定具内に配置する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、総括的には電気機器に関し、具体的には、永久磁石型ロータを有する電気機器に関する。本発明技術の具体的な実施形態は、そのようなロータにおける永久磁石セグメントを磁化するためのシステム及び方法に関する。

電動機又は発電機のような電気機器は一般的に、ステータ内部に設置されかつ電力を機械的動力に又はその逆に変換するために利用されるロータを含む。一部の電気機器は、該機械の寸法を縮小しかつ全体効率を高める永久磁石型ロータを使用している。そのようなロータは一般的に、ロータスピンドル上に設置された環状の永久磁石を含む。一部の実施形態では、永久磁石は、一体構造の中空円筒形部材である。大型機械では、永久磁石は一般的に、ロータスピンドルの周りに組合せた複数の永久磁石を組立てることによって形成される。また、高速電気機器は、永久磁石組立体の周りに、遠心力により永久磁石組立体が破壊及び散乱するのを防止するための保持リング又はレテーナリングを含むことができる。

一般的に、永久磁石セグメントは、ロータスピンドル上に組立てる前に磁化される。例えば、永久磁石セグメントは、より大きな未仕上げの磁石ブロックから切断しかつ研磨して成形され、その後、セグメントは、ソレノイドコイル内で個々に磁化される。一部の用途では、特に大型機械においては、永久磁石セグメントの磁化は、Ｋ．Ｈａｌｂａｃｈが提案した磁化ベクトル（Ｈａｌｂａｃｈ（ハルバハ）磁化としても知られる）によって達成され、この磁化ベクトルは、永久磁石の表面に印加されたときに電気機器内部により大きな正弦波状の磁束分布をもたらし、それによってＡＣ高調波損失を減少させかつトルクリップル、振動及び音響ノイズを低減する。永久磁石セグメントは、その後ロータスピンドルに接着接合される。

しかしながら、事前磁化型永久磁石セグメントによるロータの組立は、特に大型電気機器では、組立が多大な時間を必要としかつ扱いにくいものとなるので、厄介な方法と言える。この方法は、励磁永久磁石セグメントを位置決めしかつ拘束するために機械装置によって大きな力を加えかつ整列させることを必要とすることになる。この方法は、励磁永久磁石ブロックが拘束から逸脱した場合には物理的事故を引き起こし易い。

従って、電気機器ロータにおける永久磁石セグメントを磁化するより簡単かつ効率的な技術的方法に対する必要性が存在する。

従って、本発明技術は、電気機器のロータにおける永久磁石セグメントを磁化することに対する新規な方法を提供する。簡単に言えば、本発明技術の１つの態様によると、電気機器を製造する方法を提供する。本方法は、電気機器のロータスピンドルの周りに永久磁石セグメントのアレイを組立てる段階を含む。永久磁石セグメントに対して所望の磁気配向方向を決定する。本方法はさらに、永久磁石セグメントの所望の磁気配向方向が磁化用固定具の対応する磁束方向と整列するように組立永久磁石セグメントを磁化用固定具内に配置する段階を含む。

本発明技術の別の態様は、上記の方法によって製造した電気機器を提供する。

本発明のこれら及びその他の特徴、態様及び利点は、図面全体を通して同一の符号が同様の部品を表している添付図面を参照して以下の詳細な説明を読むとき一層良く理解されるようになるであろう。

本発明技術は、電気機器ロータにおける永久磁石セグメントを磁化するためのシステム及び方法を提供する。本発明技術の１つの態様によると、ロータ磁石の各磁極は、永久磁石セグメントのハルバハ配列（アレイ）を含む。本発明技術では、配向磁石の最適磁化を得るような方法で多極磁化用固定具内において組立ロータ全体をワンステップで磁化することができる。本発明技術の具体的実施形態を以下に図１〜図６を参照して説明する。

ここで図１を参照すると、本発明技術の態様を組込んだ電気機器１０の例示的な部分を示している。電気機器１０は、例えば多相同期電動機又は発電機を含むことができる。図１は、電気機器１０の回転軸線１２に対して垂直な方向に取った断面図を示す。

電気機器１０は、ステータ１４とロータ１６とを含む。ステータ１４は、その全体が電磁鋼板で形成された積層ステータコア１８を含む。ステータコア１８上にはスロット２０を形成して、ステータ巻線２２を収容する。ロータ１６は、回転軸線１２の周りでの回転が可能になるようにステータ内部に配置されると同時に、軸受（図示せず）によって支持される。ロータ１６は、シャフト２６上に取付けたロータスピンドル２４を含む。一部の実施形態では、シャフト２６は、ロータスピンドル２４と一体形に形成することができる。１つの実施形態では、ロータスピンドル２４及びシャフト２６は、強磁性材料で形成される。

図示した実施形態のロータ１６は、ロータスピンドル２４上に配置された、複数の永久磁石セグメント２８の環状アレイを有する永久磁石型ロータである。矢印２９は、永久磁石セグメント２８の各々の固有の磁気配向方向を示す。磁気配向方向は、永久磁石がその最強の磁化を取得した方向であり、この磁気配向方向は、個々のセグメントを製造する際に磁石セグメントに与えられる。永久磁石セグメント２８の断面形状は、図１に示すようなアーチ形形状を含むか、或いはほぼ梯形形状、多角形形状又は三角形形状のような他の適当な形状を含むことができる。永久磁石セグメント２８は、とりわけ配向特性を有するあらゆるフェライト系、ＮｄＦｅＢ系、Ｓｍ−Ｃｏ系、ＳｍＦｅＮ系で形成することができる。永久磁石材料の磁気配向は、軟質かつ湿潤状態で材料を圧縮成形しながら磁界を印加することによって形成される。成形セグメントの磁気配向は、印加磁界に合せて成形プレス型を配向することによって又は既知の磁気配向方向のより大きな仕上げブロックから適切に成形セグメントを切断することによって設定することができる。永久磁石セグメント２８は、ロータスピンドル２４に対して接着接合するか又は焼結することができる。図示した実施形態では、ロータ１６には、４つの磁極３０、３２、３４、３６（３４及び３６は、図１には図示せず）が形成され、各磁極は、８つの永久磁石セグメント２８によって構成される。図示した実施形態では、永久磁石セグメント２８の周りに保持リング３８を配置して、ロータ１６の回転によって生じる遠心力に対して永久磁石セグメント２８を固定する。保持リング３８は、炭素繊維又は高強度金属で形成することができる。保持リング３２が非金属組成を有するような構成では、電磁シールド４０が望ましい場合がある。

本発明技術の１つの態様によると、ロータ１６の永久磁石セグメント２８は、ハルバハ（Halbach）配列（すなわち、上述のハルバハ磁化によって得られた）を形成して電気機器１０内部により大きな正弦波状の磁束分布を形成する。これにより、ＡＣ高調波損失が減少し、その結果としてトルクリップル、振動及び音響ノイズが低減する。ハルバハ配列では、各永久磁石セグメント２８の磁気配向方向２９は、該方向２９が各ロータ磁極３０、３２、３４及び３６の横軸（以下、Ｑ軸と呼ぶ）においてロータの回転方向に対してほぼ接線方向となり、またロータ磁極３０、３２、３４及び３６の各々の直軸（以下、Ｄ軸と呼ぶ）において回転方向に対してほぼ垂直方向となるようになる。Ｄ軸は、磁界が最も強力に半径方向に向いているような磁極の位置と定義することができ、一方Ｑ軸は一般的に、磁界が最も強力に円周方向に向いているような磁極の位置と一致する。磁極のＱ及びＤ軸は、電気的に９０度だけ異なるが、それらの相対的物理位置は、ロータの幾何学形状及び磁極数によって決まる。例えば、４極ロータの場合には、各磁極のＱ及びＤ軸は、約４５度だけ角度的に分離される（約４５度の角距離を有する）。

図２は、本発明技術の態様による磁化装置４２を示す。磁化装置４２は、その内部にロータ１６を固定して永久磁石セグメント２８（図１）を磁化するための多極磁化用固定具４４を含む。磁化用固定具４４は、磁化器コア又はヨーク４６の周りに巻いた磁化用コイルを含む。磁化用コイルの数は一般的に、ロータの磁極数と等しくなるように選択される。従って、図示した実施形態では、固定具４４は、磁化器コア上に設けたスロット５６、５８、６０及び６２内に収容された４つのコイル４８、５０、５２、及び５４を含む。本発明技術によると、ロータ１６は、ロータ磁極３０、３２、３４及び３６のＱ軸がそれぞれ磁化用コイル４８、５０、５２及び５４と整列するように固定具４４内部に配置される。コイル４８、５０、５２及び５４は、電源６４によって励磁される。電源６４は、コイルを通して電流を流す時間を短縮するためにパルスＤＣ電源であるのが望ましい。コイル４８、５０、５２及び５４は、図２に示すように直列に又は並列に電源６４に結合することができる。励磁されたとき、磁化用コイル４８、５０、５２及び５４は、その中心部（Ｄ軸）がロータ磁極３０、３２、３４及び３６のＤ軸と一致した磁化器磁極６６、６８、７０、７２を通りかつ永久磁石セグメント２８を通る磁束を発生する。

磁石セグメント２８の磁気配向２９は、例えば有限要素法によるなどの磁気解析によって演繹的に決定される。磁気配向は、永久磁石セグメントの製造時にセグメントの物理的形状に対して定位される。これらの磁気配向は、例えばペイントによって個々の永久磁石セグメント上にマークして組立作業を容易にすることができる。図３は、有限要素法によって計算した磁化用固定具４４の磁束７４に対する永久磁石セグメント２８の磁気配向２９を概略的に示している。図３は、ロータ１６の磁極３０におけるセグメントの磁気配向を示す。図示した実施形態では、各セグメント２８の磁気配向方向２９は、上述したハルバハ磁気配向と一致している。図に示すように、個々の永久磁石セグメント２８の磁気配向方向２９は、励磁した磁化用コイルによって発生した磁束７４とその方向がほぼ一致するようになる。さらに、図示するように、永久磁石セグメントの磁気配向は、ロータ磁極Ｑ軸７６におけるほぼ接線方向である状態からロータ磁極Ｄ軸７８におけるほぼ垂直方向である状態まで徐々に方向変化（ｓｗｅｐｔ）している。

図４は、本発明技術の一部の実施形態により電気機器を製造する例示的な方法８０を示すフローチャートである。本方法は、ブロック８２に示すように、シャフトの周りにロータスピンドルを組立てる段階によって始まる。先に述べたように、一部の実施形態では、シャフトは、ロータスピンドルと一体形に形成することができる。ブロック８４において、永久磁石セグメントは、ロータスピンドルの周りに組立てられる。１つの実施形態では、これらのセグメントは、互いにかつロータスピンドルに接着接合される。ブロック８６に示すように、永久磁石セグメントの周りに保持リングを配置することができる。本方法は次に、磁化用固定具内部にロータ組立体を配置する段階としてブロック８８に進む。先に説明したように、ブロック８８は、永久磁石セグメントの磁化方向を磁化用固定具からの磁束方向と整列させる段階を含む。ブロック９０に示すように、次に磁化用コイルが、電源によって励磁される。永久磁石セグメントが磁化されると、ロータ組立体は、磁化用固定具からが取り外され、ステータ内部に組立てられる（ブロック９２）。当業者には明らかなように、方法８０は、完全自動組立ラインによって、半自動的に又は手作業でさえ実施することができる。

図５は、得られた磁化ロータ１６における例示的な磁束分布の図である。永久磁石セグメントにより、磁束９４が発生し、この磁束はステータコア１８と組合さってロータ１６に回転トルクを発生させる。ロータに発生したトルクは、他の要因の中でも特にステータ１４とロータ１６との間の空隙９６における磁束分布の形状に応じて決まる。図示したように、磁化ロータによって発生した磁束９４は、ロータ磁極Ｑ軸におけるほぼ接線方向である状態からロータ磁極Ｄ軸におけるほぼ垂直方向である状態まで変化する永久磁石セグメント２８の磁化方向に沿って配向している。従って、理解できるように、磁束密度（すなわち、単位面積当たりの磁束）は、ロータ磁極Ｄ軸において半径方向に向いておりかつロータ磁極Ｑ軸において円周方向に向いている。このことにより、完全な半径方向磁化方向を有するセグメントによって発生する磁束よりも空隙９６における磁束９４の密度のより大きな正弦波状分布が形成される。上記のことは、図６において最もよく示されており、図６において、曲線９８は、半径方向磁化配向を有するロータの定格負荷電磁特性のグラフ図であり、また曲線１００は、永久磁石のハルバハ磁気配向を有するロータの定格負荷電磁特性を示している。図６は、Ｘ軸に沿って表したロータの位置（電気座標における）での、Ｙ軸に沿って表した空隙９６における変動磁束密度（テスラの単位での）を示す。電気座標は、１８０電気角度の分数として表しており、この１８０電気角度は、図示した実施形態では１８０度の角距離に相当することを理解されたい。理解できるように、ハルバハ磁化ロータの磁束密度分布は、半径方向磁化ロータの磁束密度分布と比較して実質的により大きな正弦波状になっている。

従って、本発明技術は、ワンステップのプロセスで電気機器ロータを磁化することを可能にし、従って先ほど述べたように、厄介かつ困難である可能性がある事前磁化型ブロックによりロータを組立てる必要性を取り除くことができる。得られた磁化ロータは、電気機器内部により大きな正弦波状の磁束分布を形成する。本発明技術は、電動機を含む、特にとりわけガスライン用圧縮機、航空宇宙用電動機、航空宇宙用発電機、船舶推進用電動機のための大型高速同期機械を含む広範囲にわたる電気機器内に組込むことができる。

本明細書では本発明の一部の特徴のみを図示しかつ説明してきたが、当業者には多くの改良及び変更が想到されるであろう。従って、特許請求の範囲は、全てのそのような改良及び変更を本発明の技術思想内に属するものとして保護しようとするものであることを理解されたい。

本発明技術によって製造した永久磁石型ロータを有する電気機器を示す図。 本発明技術の態様によるロータ磁化装置を示す図。 磁化用固定具の磁束の磁化方向に対する永久磁石セグメントの所望の磁気配向方向を概略的に示す図。 本発明技術の態様により電気機器のロータを製造する例示的な方法を示すフローチャート。 本発明技術の態様により磁化したロータを有する電動機又は発電機における磁束分布の概略図。 その永久磁石の半径方向磁気配向及びハルバハ磁気配向を有するロータの定格負荷電磁特性の比較図。

符号の説明

１０ 電気機器
１４ ステータ
１６ ロータ
１８ 積層ステータコア
２２ ステータ巻線
２４ ロータスピンドル
２６ シャフト
２８ 永久磁石セグメント
２９ 磁気配向方向
３０、３２、３４、３６ ロータ磁極
３８ 保持リング
４０ 電磁シールド
４２ 磁化装置
４４ 磁化用固定具
４６ 磁化器コア
４８、５０、５２、５４ 磁化用コイル
６４ 電源
６６、６８、７０、７２ 磁化器磁極

Claims (10)

1. 電気機器（１０）のロータ（１６）を製造する方法であって、
   ロータスピンドル（２４）の周りに永久磁石セグメント（２８）のアレイを組立てる段階と、
   前記永久磁石セグメント（２８）の所望の磁気配向方向（２９）を決定する段階と、
   前記永久磁石セグメント（２８）の所望の磁気配向方向（２９）が磁化用固定具（４４）の対応する磁束方向（７４）と整列するように前記組立永久磁石セグメント（２８）を該磁化用固定具内に配置する段階と、を含むことを特徴とする製造方法。
2. 前記永久磁石セグメント（２８）の所望の磁気配向方向（２９）が、連続する磁気配向方向（２９）がロータ磁極Ｄ軸（７６）における前記ロータ（１６）の回転方向に対するほぼ垂直方向からロータ磁極Ｑ軸（７８）における該ロータ（１６）の回転方向に対するほぼ接線方向に変化するように構成されていることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 前記磁化用固定具（４４）が、磁気コアの周りに巻いた複数のコイル（４８、５０、５２、５４）を含み、前記磁化用固定具（４４）のコイル（４８、５０、５２、５４）が、前記ロータ（１６）の磁極（３０、３２、３４、３６）の数とその数が等しくなっていることを特徴とする請求項１記載の方法。
4. ロータ磁極Ｑ軸（７８）を前記磁化用固定具（４４）のコイル（４８、５０、５２、５４）と整列させかつロータ磁極Ｄ軸（７６）を前記磁化用固定具（４４）の磁化器磁極（６６、６８、７０、７２）の中心部と整列させる段階をさらに含むことを特徴とする請求項３記載の方法。
5. パルス直流電流（ＤＣ）によって前記磁化用固定具（４４）を励磁する段階をさらに含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
6. 前記電気機器（１０）が、多相同期機械を含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
7. 前記永久磁石セグメント（２８）を組立てる段階が、該永久磁石セグメント（２８）を互いにかつ前記ロータスピンドル（２４）に接着接合する段階を含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
8. 前記組立永久磁石セグメント（２８）上に保持リングを配置する段階をさらに含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
9. ロータスピンドル（２４）と、
   前記ロータスピンドル（２４）上に組立てられた複数の永久磁石セグメント（２８）であって、該永久磁石セグメント（２８）の所望の磁気配向方向（２９）とほぼ整列した磁束（７４）を印加することによって得られた徐々に方向変化した磁気配向を含む永久磁石セグメント（２８）と、
   前記永久磁石セグメント（２８）の組立体上に配置された保持リングと、
   を含むことを特徴とする電気機器（１０）用ロータ（１６）。
10. 前記永久磁石セグメント（２８）の所望の磁気配向方向（２９）が、連続する磁気配向方向（２９）がロータ磁極Ｄ軸（７６）における前記ロータ（１６）の回転方向に対するほぼ垂直方向からロータ磁極Ｑ軸（７８）における該ロータ（１６）の回転方向に対するほぼ接線方向に変化するように構成されていることを特徴とする請求項９記載のロータ（１６）。