JP2008236866A - 永久磁石埋め込み型回転電機の回転子及び永久磁石埋め込み型回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】回転子に埋め込まれた永久磁石に生じる渦電流の発生を抑制するとともに、ロータ（回転子）内部で発生した熱を効率良くロータ外部に伝達する。
【解決手段】回転子１５は、電磁鋼板１６ａを複数枚積層してロータコア１６が構成され、電磁鋼板１６ａよりロータコア１６の軸方向外側に熱伝導率が電磁鋼板１６ａより大きな材料で形成された端板１７を備えている。回転子１５の各磁極に永久磁石２０が埋め込まれており、永久磁石２０の外周に沿って導電性部材２１が配置され、導電性部材２１はその端部２１ａが端板１７内に挿入された状態で端板１７と接触している。
【選択図】図１

Description

本発明は、永久磁石埋め込み型回転電機の回転子及び永久磁石埋め込み型回転電機に関する。

永久磁石をロータ（回転子）のコア（鉄心）に埋め込んだ永久磁石式回転電機（所謂ＩＰＭモータ）は、電流位相を制御することにより、リラクタンストルクを利用することができ、電流位相を制御することにより最大トルクの制御が可能になる。特にステータ（固定子）にコイルを集中巻したモータは分布巻したものと比較して小型化が図れ、製造工程が簡素化でき、低コストであることから注目されている。

しかしながら、反面、コイルを集中巻することで、ロータの回転時における鎖交磁束の変化が大きくなってしまい、ロータ内部の永久磁石の磁束密度変化が大きくなることで、永久磁石内部に渦電流が生じて発熱、減磁を生じる。

この問題を解決する方法として、永久磁石の外周面あるいは近傍に導電性材料を配置する方法が提案されている（特許文献１参照）。特許文献１の構成では、永久磁石の外周面に導電性部材を配置しているため、ロータ内に発生する渦電流は導電性部材の内部で最も多く発生することになる。導電性部材に発生する渦電流は、その反磁界発生作用により、内側にある永久磁石への磁界変化の浸透を抑制するので、永久磁石の内部の渦電流を小さくできる。

また、モータを駆動させた場合、モータの各部分から損失が発生し、その損失が熱となってモータの各部品の温度を上昇させる。そこで、ロータに埋設された永久磁石がロータコアから熱を受けるのを防止するとともに、永久磁石で発生した熱を外部に逃がす方法が提案されている（特許文献２参照）。特許文献２の回転子は、図６に示すように、磁性鋼板５１を積層して構成されたロータコア５２の両端に、磁性鋼板５１よりも熱伝導率が大きいエンドプレート５３が固定されている。また、磁性鋼板５１内に埋め込まれた永久磁石５４と磁性鋼板５１との間に、磁性鋼板５１よりも熱伝導率が小さい断熱材５５が介在している。この構成では、磁性鋼板５１から永久磁石５４への熱の伝達が抑制される。また、永久磁石５４で発生した熱はエンドプレート５３へ移動して永久磁石５４内に溜まるのが抑制される。
特開２００２−３４５１８９号公報 特開２００５−２１８２７４号公報

特許文献１の構成では、永久磁石に渦電流が発生するのを抑制して、永久磁石の発熱量を抑制することはできる。しかし、特許文献１では、導電性部材で発生した熱の効果的な放出方法については考慮がなされていない。特にロータ内部で発生した熱はモータ外部へ放出しづらく、モータ内部の温度が規定値以上に上昇する場合は出力低減、モータ停止などの措置が必要となる。

一方、特許文献２では、永久磁石５４で発生した熱は永久磁石５４とエンドプレート５３との温度勾配でエンドプレート５３まで伝達されるだけで、永久磁石５４で発生する渦電流を低減することに関しては何ら配慮がなされておらず、永久磁石５４で発生した熱をエンドプレート５３に効率良く伝達することに関しても特に配慮はなされていない。

本発明は、前記従来の問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、回転子に埋め込まれた永久磁石に生じる渦電流の発生を抑制するとともに、ロータ（回転子）内部で発生した熱を効率良くロータ外部に伝達することができる永久磁石埋め込み型回転電機の回転子及び永久磁石埋め込み型回転電機を提供することにある。

前記の目的を達成するため請求項１に記載の発明は、回転子の各磁極に永久磁石が埋め込まれた永久磁石埋め込み型回転電機の回転子であって、導電性部材が前記永久磁石の外周に沿って、かつそのロータコアの軸方向の端部が回転子のロータコアを構成する積層板よりロータコアの軸方向外側に突出した状態で配置されている。ここで、「永久磁石の外周に沿って」とは、永久磁石の外周に接触した状態あるいは、永久磁石の外周に接触せず外周に近い位置で外周と平行に配置された状態を意味する。

この発明では、永久磁石の外周面に沿って導電性部材が配置されているため、回転子が回転電機に組み立てられて使用された状態において、ロータ内で発生する渦電流が導電性部材の内部で最も多く発生するようになり、永久磁石で発生する渦電流が小さくなり、減磁が抑制される。導電性部材では渦電流による発熱が大きくなるが、導電性部材はロータコアを構成する積層板よりロータコアの軸方向外側に突出されているため、ロータ内部で発生した熱が効率良くロータ外部へ伝達され、回転電機内部の温度上昇が抑制される。その結果、回転電機の運転中に、温度上昇に起因する出力低減や回転電機の停止措置を回避することができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記回転子は、前記積層板よりロータコアの軸方向外側に熱伝導率が前記積層板より大きな端板を備えており、前記導電性部材はその端部が前記端板内に挿入された状態で前記端板と接触している。この発明では、導電性部材を伝達して端板まで到達した熱が端板を介して効率良く放熱されるため、回転電機内部の温度上昇が、端板が存在しない場合に比較してより抑制される。

請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記回転子は、前記積層板よりロータコアの軸方向外側に熱伝導率が前記積層板より大きな端板を備えており、前記導電性部材はその端部が前記端板を貫通した状態で前記端板と接触している。この発明では、導電性部材が端板を貫通した状態で端板と接触しているため、請求項２の構成に比較して、導電性部材と端板との接触面積が増え、端板を介した放熱効果が向上するとともに、端板を貫通して端板より外側に突出した部分からも放熱され、放熱効果がより向上する。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の発明において、前記導電性部材は、前記永久磁石の回転子の外周側の角部を覆うように配置されている。この発明では、導電性部材は渦電流の発生し易い箇所に配置されているため、少ない量の導電性部材で効率良く回転電機内部の温度上昇を抑制することができる。

請求項５に記載の発明の永久磁石埋め込み型回転電機は、請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の発明の回転子を備えている。この発明の回転電機は、対応する請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の発明の作用、効果を奏する。

本発明によれば、回転子に埋め込まれた永久磁石に生じる渦電流の発生を抑制するとともに、ロータ（回転子）内部で発生した熱を効率良くロータ外部に伝達することができる永久磁石埋め込み型回転電機の回転子及び永久磁石埋め込み型回転電機を提供することができる。

以下、本発明を電動機に具体化した一実施形態を図１及び図２にしたがって説明する。なお、図１（ｂ）及び図２において一部のハッチングを省略している。
図１（ａ），（ｂ）に示すように、回転電機としての電動機１０は、ハウジング１１の内周面に、固定子（ステータ）１２が固定されている。固定子１２は、円筒状で内側に複数のティース１３が等間隔で設けられている。ティース１３にはコイル（巻線）１４が集中巻で巻かれている。なお、図１（ａ）ではコイル１４の図示を省略している。

固定子１２の内側には、回転子（ロータ）１５が配置されている。回転子１５は、積層板としての円板状の電磁鋼板１６ａを複数枚（例えば数十枚）積層してロータコア１６が構成され、ロータコア１６の軸方向両端（電磁鋼板１６ａよりロータコア１６の軸方向両外側）に熱伝導率が電磁鋼板１６ａより大きな材料で形成された円板状の端板（エンドプレート）１７を備えている。端板１７は、例えばアルミニウムで形成されている。そして、ロータコア１６及び端板１７の中心に回転軸１８が貫挿されるとともに、回転軸１８が軸受け１９を介してハウジング１１に回転可能に支持されている。

ロータコア１６には、回転子１５を周方向に複数に等分割された各仮想領域に永久磁石２０が埋め込まれている。即ち各仮想領域毎に磁極が構成されている。この実施形態では、各永久磁石２０は、平板状に形成され、着磁方向が厚さ方向となるように着磁されている。また、永久磁石２０は、一磁極当たり２個ずつ設けられるとともに、回転子１５の外周側に向かって拡がるＶ字状で同じ側（例えば、回転子１５の外周側）が同極になるように配置されている。また、隣り合う仮想領域に配置された永久磁石２０同士は、回転子１５の外周側が異なる極になるように配置されている。例えば、ある一組のＶ字配置の永久磁石２０が、ティース１３側がＳ極になるように配置されると、隣の仮想領域に配置される永久磁石２０は、ティース１３側がＮ極になるように配置される。

図１（ｂ）及び図２に示すように、永久磁石２０は断面形状が細長い平行四辺形の一端に三角形状の凸部２０ａが連続した形状に形成され、凸部２０ａが回転子１５の外周側に位置するように配置されている。

ロータコア１６には、永久磁石２０の外周に沿って導電性部材２１が、そのロータコア１６の軸方向の端部２１ａがロータコア１６を構成する電磁鋼板１６ａよりロータコア１６の軸方向外側に突出した状態で配置されている。この実施形態では、導電性部材２１は、永久磁石２０の全周を覆うように形成され、その端部２１ａが端板１７内に挿入された状態で端板１７と接触するように配置されている。導電性部材２１は永久磁石２０に接触する状態で配置されている。導電性部材２１は、例えば、銅やアルミニウム等の導電性の高い材料で形成されている。

次に前記のように構成された電動機１０の作用を説明する。
電動機１０が負荷状態で駆動される場合は、固定子１２のコイル１４に電流が供給されて固定子１２に回転磁界が発生し、回転子１５に回転磁界が作用する。そして、回転磁界と永久磁石２０との間の磁気的な吸引力及び反発力により回転子１５が回転磁界と同期して回転する。

永久磁石２０の誘起電圧が電動機１０の端子電圧以上となる高速領域では、永久磁石２０の中心に固定子１２の回転磁界が減磁力となるように弱め界磁制御が行われる。
回転子１５が高速で回転すると回転時に回転子１５に作用する鎖交磁束の変化が大きくなり、回転子１５内に渦電流が発生する。永久磁石２０の周囲に導電性部材２１が存在するため、渦電流は導電性部材２１の内部で最も多く発生することになる。そして、導電性部材２１で発生した渦電流はその反磁界発生作用により、導電性部材２１より内側にある永久磁石２０への磁界変化の浸透を抑制する。その結果、永久磁石２０の内部で渦電流の発生量が小さくなる。

導電性部材２１には渦電流による損失が発生し、導電性部材２１が発熱する。しかし、導電性部材２１の端部２１ａが電磁鋼板１６ａから端板１７内に挿入された状態で端板１７と接触しているため、導電性部材２１で発生した熱は、端板１７を介して効率良く放熱される。また、導電性部材２１で発生して端板１７に到達した熱の一部は、端板１７から回転軸１８に伝達されて回転軸１８からも放熱される。

この実施形態によれば、以下に示す効果を得ることができる。
（１）永久磁石埋め込み型回転電機である電動機１０の回転子１５は、回転子１５のロータコア１６に埋設された永久磁石２０の外周に沿って導電性部材２１が、その端部２１ａがロータコア１６を構成する電磁鋼板１６ａよりロータコア１６の軸方向外側に突出した状態で配置されている。したがって、回転子１５内で発生する渦電流が導電性部材２１の内部で最も多く発生するようになり、永久磁石２０で発生する渦電流が小さくなって減磁が抑制される。また、導電性部材２１では渦電流による発熱が大きくなるが、回転子１５内部で発生した熱が効率良く回転子１５外部へ伝達され、電動機１０内部の温度上昇が抑制される。その結果、電動機１０の運転中に、温度上昇に起因する出力低減や電動機１０の停止措置を回避することができる。

（２）回転子１５は、ロータコア１６の軸方向の端部に熱伝導率が電磁鋼板１６ａより大きな端板１７を備えており、導電性部材２１はその端部２１ａが端板１７内に挿入された状態で端板１７と接触している。したがって、導電性部材２１を伝達して端板１７まで到達した熱が端板１７を介して効率良く放熱されるため、電動機１０内部の温度上昇が、端板１７が存在しない場合に比較してより抑制される。また、端板１７がロータコア１６の両端に設けられているため、片側だけに設けられている場合に比較して熱が効率良く放熱される。

（３）電動機１０は、ティース１３にコイル１４が集中巻により巻回された固定子１２
を備えているため、コイル１４が分布巻の場合に比較して、回転子１５の回転時における鎖交磁束の変化が大きくなり渦電流による発熱が大きくなるが、導電性部材２１が設けられることにより、集中巻の場合でも支障はない。

（４）永久磁石２０が平板状に形成されているため、永久磁石２０が曲板状に形成された場合に比較して、永久磁石２０の全周を覆うように導電性部材２１を配置するのが容易になる。

（５）永久磁石２０は、平板状に形成されるとともに厚さ方向に着磁されたものが一極当たり２個ずつ設けられ、かつ回転子１５の外周側に向かって拡がるＶ字状で同じ側が同極となるように配置されている。したがって、永久磁石２０を回転子１５の半径方向と直交する方向に延びるように配置した構成に比較して、リラクタンストルクを効率良く利用することができる。

実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
○ 導電性部材２１は、その端部２１ａが回転子１５のロータコア１６を構成する積層板（電磁鋼板１６ａ）より外側に突出した状態で配置されていればよく、その端部２１ａが端板１７内に挿入された状態で端板１７と接触しているものに限らない。例えば、図３（ａ）に示すように、導電性部材２１の端部２１ａが端板１７を貫通した状態で端板１７と接触している状態で配置してもよい。この場合、導電性部材２１が端板１７を貫通しない前記実施形態に比較して、導電性部材２１と端板１７との接触面積が増え、端板１７を介した放熱効果が向上するとともに、端板１７を貫通して端板１７より外側に突出した部分からも放熱され、放熱効果がより向上する。

○ 図３（ｂ）に示すように、回転子１５がロータコア１６の端部に端板１７を備えない構成として、導電性部材２１の端部２１ａが電磁鋼板１６ａの端面から突出する構成としてもよい。また、ロータコア１６の片側の端部にのみ端板１７を備えた構成としてもよい。

○ 導電性部材２１は、永久磁石２０の外周に沿って、その端部２１ａが回転子１５のロータコア１６を構成する電磁鋼板１６ａより外側に突出した状態で配置されていればよく、永久磁石２０の全周を覆うように配置しなくてもよい。例えば、図４（ａ）に示すように、永久磁石２０の回転子１５の外周と対向する面を覆うように配置したり、図４（ｃ）に示すように、永久磁石２０の回転子１５外周に最も近い部分を覆うように配置したりしてもよい。永久磁石２０は回転子１５の外周に近い部分が発熱し易いため、永久磁石２０の発熱し易い部分より外周側に導電性部材２１を配置することにより、少ない量の導電性部材２１で永久磁石２０の発熱を抑制することができる。また、永久磁石２０の内周側にのみ導電性部材２１を配置しても、導電性部材２１を配置しない場合に比較して永久磁石２０における渦電流の発生は抑制されるが、抑制効果は低い。しかし、永久磁石２０で発生した熱が導電性部材２１を介してロータコア１６の外部へ伝達されるため、電動機１０の内部温度の上昇が抑制される。

○ 導電性部材２１は、永久磁石２０に接触する状態で配置されなくても、永久磁石２０の近くで永久磁石２０に沿って配置されていればよい。
○ 永久磁石２０の断面形状は細長い平行四辺形の一端に三角形状の凸部２０ａが連続した形状に限らない。例えば、図４（ｂ）に示すように、断面形状を矩形状とし、導電性部材２１が永久磁石２０の回転子１５の外周と対向する面を覆うように配置したり、図４（ｄ）に示すように、断面形状を矩形状とし、導電性部材２１が永久磁石２０の回転子１５の外周側の角部を覆うように配置したりしてもよい。この場合も、導電性部材２１は渦電流の発生し易い箇所に配置されているため、少ない量の導電性部材２１で効率良く電動機１０内部の温度上昇を抑制することができる。

○ 各磁極に埋設される永久磁石２０は、平板状の永久磁石２０が２個Ｖ字状に配置された構成に限らない。例えば、永久磁石２０を平板状ではなく、図５（ａ）に示すように、円弧状に湾曲した板状とし、各磁極に１個の永久磁石２０を回転子１５の内周側に凸となる状態で設けてもよい。この場合、２個の平板状の永久磁石２０をＶ字状に配置する場合に比較して、磁束の流れにとっては好ましい。しかし、永久磁石２０及び導電性部材２１の製作し易さ及び取り扱い易さの点からは、平板状の永久磁石２０のＶ字配置の方が好ましく、ロータコア１６の強度の面からもＶ字配置の方が好ましい。そして、導電性部材２１は、永久磁石２０の全周を覆う状態、永久磁石２０の回転子１５外周側を覆う状態、永久磁石２０の回転子１５外周側の角部を覆う状態等に配置する。

○ 図５（ｂ）に示すように、平板状に形成されるとともに厚さ方向に着磁された永久磁石２０が、各磁極に３個ずつ、３個の永久磁石２０全体として回転子１５の内周側に凸となる状態で設けてもよい。また、各磁極に１個の平板状の永久磁石２０を、厚さ方向が回転子１５の径方向となる状態で配置してもよい。導電性部材２１の配置は、各永久磁石２０の全周を覆う状態、永久磁石２０の回転子１５外周側を覆う状態、永久磁石２０の回転子１５外周側の角部を覆う状態等がある。

○ コイル１４の巻き付け方法は集中巻に限らず分布巻であってもよい。
○ 回転子１５の極数は６極に限らず、４極以上の偶数極であればよく、回転子１５の大きさにより適宜設定される。また、固定子１２の極数も９極に限らず、１２極としたり、回転子１５の極数に対応して増減したりしてもよい。

○ 電動機に限らず発電機に適用してもよい。
以下の技術的思想（発明）は前記実施形態から把握できる。
（１）請求項５に記載の発明において、固定子のティースにはコイルが集中巻で巻回されている。

（ａ）は回転電機の半分を示す模式断面図、（ｂ）は回転電機を電磁鋼板と平行な面で切断した模式断面図。 導電性部材の配置状態を示す模式図。 （ａ），（ｂ）はそれぞれ異なる別の実施形態の導電性部材の端部の状態を示す模式図。 （ａ）〜（ｄ）はそれぞれ異なる別の実施形態の永久磁石と導電性部材の関係を示す模式図。 （ａ），（ｂ）はそれぞれ異なる別の実施形態の永久磁石の配置を示す模式図。 従来技術の部分断面図。

符号の説明

１０…回転電機としての電動機、１５…回転子、１６…ロータコア、１６ａ…積層板としての電磁鋼板、１７…端板、２０…永久磁石、２１…導電性部材、２１ａ…端部。

Claims (5)

1. 回転子の各磁極に永久磁石が埋め込まれた永久磁石埋め込み型回転電機の回転子であって、
   導電性部材が前記永久磁石の外周に沿って、かつそのロータコアの軸方向の端部が回転子のロータコアを構成する積層板よりロータコアの軸方向外側に突出した状態で配置されていることを特徴とする永久磁石埋め込み型回転電機の回転子。
2. 前記回転子は、前記積層板よりロータコアの軸方向外側に熱伝導率が前記積層板より大きな端板を備えており、前記導電性部材はその端部が前記端板内に挿入された状態で前記端板と接触している請求項１に記載の永久磁石埋め込み型回転電機の回転子。
3. 前記回転子は、前記積層板よりロータコアの軸方向外側に熱伝導率が前記積層板より大きな端板を備えており、前記導電性部材はその端部が前記端板を貫通した状態で前記端板と接触している請求項１に記載の永久磁石埋め込み型回転電機の回転子。
4. 前記導電性部材は、前記永久磁石の回転子の外周側の角部を覆うように配置されている請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の永久磁石埋め込み型回転電機の回転子。
5. 請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の回転子を備えた永久磁石埋め込み型回転電機。

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