JP2011091917A

JP2011091917A - 回転機の出力調節方法および回転機

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Publication number: JP2011091917A
Application number: JP2009242426A
Authority: JP
Inventors: Takahiko Murayama; 隆彦村山
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2009-10-21
Filing date: 2009-10-21
Publication date: 2011-05-06

Abstract

【課題】設計や製造工程の大幅な見直しをすることなく容易に出力を調節することのできる回転機の出力調節方法及び回転機の提供。
【解決手段】永久磁石を内部に挿入するスロットを外周面に沿って複数有するロータと、上記外周面に対向するように配置されたステータとの間の電磁的な出力を調節する回転機の出力調節方法であって、上記スロット内において、上記永久磁石が占める体積を変更することで、上記出力を調節するという手法を採用する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電動機や発電機等の回転機の出力調節方法および回転機に関するものである。

特許文献１には、回転機の一形態として永久磁石同期モータ（電動機）が開示されている。この永久磁石同期モータは、永久磁石埋め込み（ＩＰＭ：Interior Permanent Magnet）型のモータの形態を採用しており、ロータ内に複数の永久磁石を挿入配置し、極を形成させ、そして、ロータを取り囲むように配置したステータ側の電機子巻線に通電して、回転磁界を形成する構成となっている。このロータは、永久磁石の磁界と回転磁界との間に生じるマグネットトルクと、回転磁界によって形成される磁路がロータの外周面に沿って形成されることにより生じるリラクタンストルクとの合成によって、回転駆動する。

特開２０００−５０５４３号公報

ところで、従来では、回転機の電磁的な出力を変化させる際には、特許文献１に記載されているように、ステータのコア形状、巻線の巻き方式や巻数等を変更させる手法が採られている。しかしながら、この手法では、設計や製造工程の大幅な見直しが必要となり、場合によっては、製造設備の増設が必要となるという問題がある。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、設計や製造工程の大幅な見直しをすることなく容易に出力を調節することのできる回転機の出力調節方法及び回転機の提供を目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明は、永久磁石を内部に挿入するスロットを外周面に沿って複数有するロータと、上記外周面に対向するように配置されたステータとの間の電磁的な出力を調節する回転機の出力調節方法であって、上記スロット内において、上記永久磁石が占める体積を変更することで、上記出力を調節するという手法を採用する。
この手法を採用することによって、本発明では、通常、スロット内に隙間なく挿入されている永久磁石の形状や大きさを変更することで、該永久磁石により生じる磁界の強さを変化させ、電磁的な出力を調節する。

また、本発明においては、上記スロット内において、上記ロータの径方向における上記永久磁石の厚みのみを調節して、上記出力を調節するという手法を採用する。
この手法を採用することによって、本発明では、永久磁石の厚みのみを調節することで、電動機においては、リラクタンストルクの低下を抑制しつつ、マグネットトルクのみを低下させて出力を調節することができる。

また、本発明においては、上記回転機は、電動機あるいは発電機であるという手法を採用する。

また、本発明においては、永久磁石を挿入するスロットを外周面に沿って複数有するロータと、上記外周面に対向するように配置されたステータとの間で電磁的な出力を得る回転機であって、上記ロータの径方向において、上記スロットの厚みより、小さい厚みの上記永久磁石が、上記スロットに挿入されているという構成を採用する。
この構成を採用することによって、本発明では、スロットの厚みより小さい厚みの永久磁石を挿入することで、電動機においては、リラクタンストルクの低下を抑制しつつ、マグネットトルクのみを低下させて出力を調節することができる。

また、本発明においては、上記永久磁石は、上記スロット内で上記外周面側に固定されているという構成を採用する。
この構成を採用することによって、本発明では、ロータが回転駆動する際に生じる遠心力による永久磁石の剥がれを防止することができる。

また、本発明においては、上記小さい厚みの永久磁石が挿入された上記スロットの空間部に、樹脂部材が挿入されているという構成を採用する。
この構成を採用することによって、本発明では、スロットの空間部を充填させるように樹脂部材を挿入することで、永久磁石を容易に固定することができる。また、樹脂部材は、非磁性体であるので、空気と同様に透磁率が低く、挿入による磁気的な影響は少ない。

また、本発明においては、上記小さい厚みの永久磁石が挿入された上記スロットの空間部に、冷却風を上記ロータの軸方向で通風させる通風板が設けられているという構成を採用する。
この構成を採用することによって、本発明では、スロットの空間部に通風板を設けて、冷却風を通風させることで、渦電流により発熱した永久磁石を効率よく冷却することができる。

また、本発明においては、上記回転機は、電動機あるいは発電機であるという構成を採用する。

本発明によれば、永久磁石を内部に挿入するスロットを外周面に沿って複数有するロータと、上記外周面に対向するように配置されたステータとの間の電磁的な出力を調節する回転機の出力調節方法であって、上記スロット内において、上記永久磁石が占める体積を変更することで、上記出力を調節するという手法を採用し、通常、スロット内に隙間なく挿入されている永久磁石の形状や大きさを変更することで、該永久磁石により生じる磁界の強さを変化させ、電磁的な出力を調節する。
したがって、本発明では、設計や製造工程の大幅な見直しをすることなく容易に出力を調節することができる。また、永久磁石の大きさの減少によりコストが低減される。

本実施形態に係る永久磁石同期モータの回転中心軸に直交する横断面図である。本実施形態に係る永久磁石同期モータのロータの構成を示す部分拡大図である。別実施形態に係る永久磁石同期モータのロータの構成を示す部分拡大図である。別実施形態に係る永久磁石同期モータのロータの構成を示す部分拡大図である。別実施形態に係る永久磁石同期モータのロータの構成を示す部分拡大図である。図５における矢視Ｘ図である。別実施形態に係る永久磁石同期モータのロータの構成を示す部分拡大図である。

以下、本発明の実施形態の回転機の出力調節方法および回転機について図面を参照して説明する。なお、以下の説明では、本実施形態の回転機として、ＩＰＭ型の永久磁石同期モータ（電動機）を適用した場合を例示して説明する。

図１は、本実施形態に係る永久磁石同期モータＡの回転中心軸Ｐに直交する横断面図である。
永久磁石同期モータＡは、ロータ１と、ステータ２とを有する。ロータ１は、円筒状のロータコア１ａと４枚の永久磁石１ｂとを有する。ステータ２は、略円筒形状のステータコア２ａと当該ステータコア２ａに巻回された巻線（電機子巻線）２ｂとを有する。

ステータコア２ａは、複数の金属製のコアプレートが積層されて構成されており、円環状に形成されたヨーク２ａ１から内周側に突設されたティース２ａ２を等角度間隔に備えている。そして、このティース２ａ２の先端部は、全体として略円管状の内周面を形成している。

巻線２ｂは、ティース２ａ２に複数巻回されており、モールド剤がティース２ａ２に対する巻線２ｂの位置を固定している。また、この巻線２ｂは、Ｕ相巻線、Ｖ相巻線及びＷ相巻線の３相の巻線から構成されており、不図示のインバータから供給される３相に応じたモータ駆動信号によって磁極の向きを切り替えて回転磁界を形成する。このような構成のステータ２は、内周面が所定の隙間を介してロータ１の外周面１ａ１に対向している。

ロータ１は、円筒状のロータコア１ａと４枚の永久磁石１ｂとによって構成されている。そして、ロータコア１ａは、中空円盤形状の鋼鈑を複数枚積層した積層鋼板であり、その中心軸上に設けられた貫通孔に回転軸３が圧入・固定されている。ロータコア１ａには、永久磁石１ｂを挿入するために軸方向に打ち抜き加工されたスロット１ａ２が外周面１ａ１に沿って複数形成されている。スロット１ａ２は、断面視で略台形を呈しており、底辺側が外周面１ａ１に対向している。

永久磁石１ｂは、ブロック形状（棒形状）に形成されており、ロータコア１ａの外周側にＮ極の極性を持つ永久磁石１ｂとＳ極の極性を持つ永久磁石１ｂとがそれぞれ２枚ずつ、ロータコア１ａに埋設されている。具体的には、ロータコア１ａの外周面１ａ１側にＮ極の極性を向けた永久磁石１ｂとＳ極の極性を向けた永久磁石１ｂとが交互に並ぶようにスロット１ａ２に挿入されている。

図２は、本実施形態に係る永久磁石同期モータＡのロータ１の構成を示す部分拡大図である。
ロータコア１ａには、ロータ１とステータ２との間の電磁的な出力調節を主目的として、ロータ１の径方向において、スロット１ａ２の厚みより、小さい厚みの永久磁石１ｂが、スロット１ａ２に挿入されている。この永久磁石１ｂは、スロット１ａ２内で外周面１ａ１側に、接着剤等で固定されている。厚みの小さい永久磁石１ｂをスロット１ａ２に挿入すると、空間部１ｃに空気層が形成される。

上記構成の永久磁石同期モータＡは、スロット１ａ２の厚みより、小さい厚みの永久磁石１ｂをスロット１ａ２に挿入している形態のため、通常のスロット１ａ２内に隙間なく永久磁石１ｂが挿入されている形態と比べて、永久磁石１ｂによる磁界の強さを低下させることが可能となる。永久磁石１ｂによる磁界の強さが低下すると、ステータ２の巻線２ｂとの間のマグネットトルクが低下する。すなわち、スロット１ａ２内において、永久磁石１ｂの占める体積を、その形状や大きさを変えて変更することにより、永久磁石同期モータＡのトルク（出力）を所定の範囲内で任意に調節することが可能となる。したがって、上記構成の永久磁石同期モータＡによれば、設計や製造工程の大幅な見直しをすることなく容易に出力を調節することができる。また、永久磁石１ｂの大きさの減少によりコストを低減することができる。

また、永久磁石１ｂの厚みをスロット１ａ２より小さくすると、空間部１ｃに空気層が形成されるが、永久磁石１ｂの透磁率と空気層の透磁率とは同程度であるため、スロット１ａ２内におけるトータルの磁気抵抗は変化せず、出力への影響は殆どない。さらに、空間部１ｃに空気層が形成されると、渦電流により発熱した永久磁石１ｂが、空冷され易くなるため、通常のスロット１ａ２内に隙間なく永久磁石１ｂが挿入されている形態と比べて、冷却効果が高くなる。
また、スロット１ａ２の形状を変更させずに、永久磁石１ｂの厚みのみを調節することによって、リラクタンストルクに影響するｄ軸インダクタンスの変化を招くことがないため、リラクタンストルクが変動して低減することはない。

また、上記構成の永久磁石同期モータＡによれば、永久磁石１ｂがスロット１ａ２内で外周面１ａ１側に固定されている形態のため、永久磁石１ｂをスロット１ａ２内で回転軸３側に固定する形態と比べて、ロータ１が回転駆動する際に生じる遠心力による永久磁石１ｂの剥がれを防止することができる。

なお、本発明は、図１及び図２に示したような形態に限られず、図３〜図７に示すような形態であってもよい。
図３〜図７は、別実施形態に係る永久磁石同期モータＡのロータ１の構成を示す部分拡大図である。なお、図６は、図５における矢視Ｘ図である。

図３の形態では、小さい厚みの永久磁石１ｂが挿入されたスロット１ａ２の空間部１ｃに、樹脂部材１ｃ１が挿入されている。樹脂材は、空気と同様に透磁率が低く、挿入による磁気的な影響は少ない。この形態によれば、樹脂部材１ｃ１で空間部１ｃを充填することで永久磁石１ｂを支持し、永久磁石１ｂの遠心力による剥がれをより確実に防止することができる。

また、図４の形態では、スロット１ａ２内において、外周面１ａ１側と回転軸３側とに小さい厚みの永久磁石１ｂが挿入されている。そして、スロット１ａ２内で対向する永久磁石１ｂの間に形成された空間部１ｃに、樹脂部材１ｃ１が挿入されている。この形態によれば、樹脂部材１ｃ１を、空間部１ｃに圧入させることで、外周面１ａ１側と回転軸３側の両方を容易に固定することが可能となり、遠心力による剥がれを防止できる。

また、図５の形態では、小さい厚みの永久磁石１ｂが挿入されたスロット１ａ２の空間部１ｃに、冷却風をロータ１の軸方向で通風させる通風板１ｃ２が設けられている。通風板１ｃ２は、ロータ１の回転駆動により、スロット１ａ２内に空気を導入して、軸方向に通風させる形状を有する。この通風版１ｃ２は、図６（ａ）に示すように、軸方向に平行な形状、または、図６（ｂ）に示すように、軸方向に対し傾いた形状を有する。また、この通風板１ｃ２は、例えばスロット１ａ２内で軸方向に延在し、且つ、回転軸３を中心としたスキュー（ねじり、あるいは螺旋）形状を有していてもよい。この形態によれば、スロット１ａ２の空間部１ｃに通風板１ｃ２を設けて、ロータ１の回転駆動に伴って冷却風を通風させることで、渦電流により発熱した永久磁石１ｂを効率よく冷却することができる。

また、図７の形態では、幅を小さくした永久磁石１ｂがスロット１ａ２内に分割して挿入されている。この形態によれば、永久磁石１ｂの厚みがスロット１ａ２の厚みと同じであるため、永久磁石１ｂの遠心力による剥がれが防止できる。

以上、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、上記実施形態では、スロットにブロック形状の永久磁石を挿入した場合を例示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えばセグメント形状（Ｃ形状、瓦形状）の永久磁石を用いるロータに適用する構成であってもよい。

また、例えば、上記実施形態では、永久磁石同期モータ（電動機）に本発明を適用した場合を例示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、発電機に適用する構成であってもよい。

Ａ…永久磁石同期モータ（回転機）、１…ロータ、１ａ…ロータコア、１ａ１…外周面、１ａ２…スロット、１ｂ…永久磁石、１ｃ…空間部、１ｃ１…樹脂部材、１ｃ２…通風板、２…ステータ

Claims

永久磁石を内部に挿入するスロットを外周面に沿って複数有するロータと、前記外周面に対向するように配置されたステータとの間の電磁的な出力を調節する回転機の出力調節方法であって、
前記スロット内において、前記永久磁石が占める体積を変更することで、前記出力を調節することを特徴とする回転機の出力調節方法。
前記スロット内において、前記ロータの径方向における前記永久磁石の厚みのみを調節して、前記出力を調節することを特徴とする請求項１に記載の回転機の出力調節方法。
前記回転機は、電動機あるいは発電機であることを特徴とする請求項１または２に記載の回転機の出力調節方法。
永久磁石を挿入するスロットを外周面に沿って複数有するロータと、前記外周面に対向するように配置されたステータとの間で電磁的な出力を得る回転機であって、
前記ロータの径方向において、前記スロットの厚みより、小さい厚みの前記永久磁石が、前記スロットに挿入されていることを特徴とする回転機。
前記永久磁石は、前記スロット内で前記外周面側に固定されていることを特徴とする請求項４に記載の回転機。
前記小さい厚みの永久磁石が挿入された前記スロットの空間部に、樹脂部材が挿入されていることを特徴とする請求項４または５に記載の回転機。
前記小さい厚みの永久磁石が挿入された前記スロットの空間部に、冷却風を前記ロータの軸方向で通風させる通風板が設けられていることを特徴とする請求項４〜６のいずれか一項に記載の回転機。
電動機あるいは発電機であることを特徴とする請求項４〜７のいずれか一項に記載の回転機。