JP2015053801A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】
本発明が解決しようとする課題は、回転電機の回転子に配置された永久磁石に発生する渦電流損を低減し、効率を向上した回転電機を提供することにある。
【解決手段】
固定子巻線と前記固定子巻線を巻き回した固定子鉄心と、前記固定子鉄心の内周側に同心に配置される回転子と、前記回転子に界磁源となる永久磁石を備える回転電機において、回転子磁極１極を残留磁束密度の異なる２種類以上の複数個の希土類永久磁石で構成し、磁極中心から回転進み側と回転遅れ側で単位面積当たりの残留磁束密度が異なるように前記希土類永久磁石を配置した。
これにより、回転電機の損失を低減し、効率を向上した回転電機を提供することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、回転子に界磁源となる永久磁石を有する回転電機に関する。

希土類永久磁石を使用した回転電機においては、永久磁石に鎖交する漏れ磁束によって生じる渦電流損により、効率の低下や磁石温度の増大といった課題があった。特にネオジム系の希土類永久磁石を用いた場合、１５０〜２００℃の高温にさらされると不可逆減磁が生じるため、発熱源である渦電流損を低減することは重要な課題とされてきた。これに対し、永久磁石に発生する損失を低減するために回転子鉄心形状などが工夫されている。
一方、永久磁石を使用した回転電機においては、電機子巻線に流れる電流によって作られる反作用磁化による永久磁石の不可逆減磁が課題とされ、保磁力の異なる複数の永久磁石を１極あたりに配置することで解決を図ってきた。

例えば、特開昭５２−６１７１２号公報（特許文献１）では、回転進み方向にバリウムフェライトマグネット、遅れ方向にストロンチウムフェライトマグネットという２種類の永久磁石を用いることで反作用磁界によって減磁しやすい回転方向遅れ側を減磁界に強い構成としている。

また、特開２００９−３８９３０号公報（特許文献２）では保磁力の低い永久磁石を両端から保磁力の高い永久磁石で挟み込む構成としている。

特開昭５２−６１７１２号公報 特開２００９−３８９３０号公報

しかしながら、永久磁石に鎖交する漏れ磁束と主磁束の経路は重複している場合が多く、鉄心形状により効果的に漏れ磁束のみを低減することは困難であった。

また、複数種類の永久磁石組合せによって回転電機の特性を向上させるという点で、主に不可逆減磁を防止するために保磁力の観点からの先行技術は多く見られるものの、永久磁石に生じる渦電流損を低減する観点からの先行技術は見られない。

本発明が解決しようとする課題は、回転電機の回転子に配置された永久磁石に発生する渦電流損を低減し、効率を向上した回転電機を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明は、回転子磁極１極を残留磁束密度の異なる２種類以上の複数個の希土類永久磁石で構成し、磁極中心から回転進み側と回転遅れ側で単位面積当たりの残留磁束密度が異なるように前記希土類永久磁石を配置した。

本発明によれば、回転電機の損失を低減し、効率を向上した回転電機を提供することができる。

本発明を適用した実施例１による回転電機の軸方向断面図である。 実施例１による回転電機の回転子を示す図である。 鉄心中の磁束密度と比透磁率の関係について説明する図である。 実施例１に関わる永久磁石表面における高調波磁束の時間変化を示す図である。 実施例１に関わり、永久磁石に発生する渦電流損の磁界解析による計算結果を示す図である。 本発明を適用した実施例２による回転電機の回転子を示す図である。 実施例２の変形例による回転電機の回転子を示す図である。 本発明を適用した実施例３による回転電機の回転子の軸方向断面図である。 実施例３の変形例による回転電機の回転子の軸方向断面図である。 本発明を適用した実施例４による回転電機の回転子の軸方向断面図である。 回転子に永久磁石を備える回転電機を周方向から見た断面図である。 永久磁石の残留磁束密度と保磁力を説明する図である。 本発明を適用した実施例５による回転電機の回転子の軸方向断面図である。 実施例１を発電機として適用する場合の変形例を示す回転電機の回転子の軸方向断面図である。

以下、本発明を適用した実施例について、図面に基づき説明する。本発明は回転電機の回転子に備えられた永久磁石に関するものであるから、以下の説明では、主に回転子の断面図を用いて説明する。図１１は回転子に永久磁石を備える回転電機を周方向から見た断面図であり、１は回転子、２は回転子鉄心、３は固定子、４は固定子鉄心、５は固定子巻線、９はシャフト、１０は永久磁石である。実施例の説明は主に図１１中のＡ−Ａ’断面において回転電機を見た軸方向断面図を用いる。

図２は本発明を適用した実施例１による回転電機の回転子を示す図である。また、図１は鉄心軸方向中央付近、すなわち図１１中のＡ−Ａ’断面において本実施例における回転電機を軸方向から見た断面図である。

図２に示すように、本実施例における回転電機の回転子１は鋼板から打ち抜いたものを軸方向に複数積層して構成した回転子鉄心２とシャフト９（図１１参照）、磁石挿入孔１１に複数の永久磁石１０（１０ａ、１０ｂ）を挿入して構成される。永久磁石は磁石挿入孔１１内に接着剤などを用いて固定され、必要に応じて樹脂製のスペーサなども用いられる。また、図１の断面図において、６は固定子スロット、７はエアギャップ、８は固定子鉄心ティース部である。

図２において、本実施例は極数４の回転電機の例を示しており、１極分の界磁源として、周方向に２つ、軸方向に２つの計４つの永久磁石１０が回転子鉄心２に設けられた磁石挿入孔１１に配置される。この構成が回転方向に９０°ずつ、計４つ対称に配置され、４極分の界磁源を構成している。回転方向は上方から見て反時計回りであり、回転進み側に残留磁束密度の高い希土類永久磁石１０ａを、回転遅れ側に残留磁束密度の低い希土類永久磁石１０ｂを配置している。この時の永久磁石の保磁力は同等であっても良いし、減磁を防止する観点からいずれかに高い保持力のものを用いても良く、残留磁束密度を本実施例のように配置していれば、永久磁石中の渦電流損低減効果を得ることが出来る。

なお、本実施例では、回転電機の回転方向である周方向には１極あたり複数の永久磁石を配置する必要があるが、軸方向については１つであっても良く、配置する数は回転電機の軸方向の全長や製作性などを鑑みて適切に選ぶのが良い。

本実施例で示す永久磁石の配置によって永久磁石に生じる渦電流損が低減される原理を図３および図４を用いて説明する。

図３は鉄心中の磁束密度と比透磁率の関係について説明した図であり、回転電機に用いられる代表的な電磁鋼板の特性を基に、鉄心に作用する磁束密度とその時の比透磁率について示したものである。回転電機の鉄心に用いられる電磁鋼板は、磁束密度が０から増加するにつれて比透磁率が増加し、１Ｔ前後で最大の透磁率を示した後、１Ｔ以上の領域では磁束密度の増加に伴って減少する。したがって、残留磁束密度が１Ｔ以上ある希土類永久磁石を用いた場合には、永久磁石近傍の鉄心の磁束密度が高いほど比透磁率は小さく、すなわち磁束は通りにくくなる。一方、残留磁束密度の小さい例えばフェライト磁石を用いた場合には、磁石近傍の鉄心においては磁束密度が高くなるにつれて比透磁率が高く、すなわち磁束が通りやすくなる。

このため、図４に示すように、残留磁束密度の高い希土類永久磁石１０ａを配置した回転進み側は、回転遅れ側の残留磁束密度の低い希土類永久磁石１０ｂに比べて、固定子鉄心ティース部８と固定子スロット６との磁気抵抗の差異に起因した磁束の脈動、すなわち、振幅が小さくなる。したがって、永久磁石に作用する漏れ磁束についてもその振幅が低減され、漏れ磁束に起因して永久磁石に生じる渦電流損も低減されることになる。言い換えれば、漏れ磁束の侵入が多い永久磁石近傍において、鉄心の比透磁率を低下させることで永久磁石に侵入する高調波磁束を低減でき、永久磁石に生じる渦電流損が低減される。

なお、一般的な希土類永久磁石の保磁力は５００ｋＡ／ｍ以上であり、上限としては現状の製品として約３０００ｋＡ／ｍまでがある。本実施例で用いる希土類永久磁石としては、残留磁束密度１．０Ｔ以上、理論限界値１．６Ｔ、保磁力５００ｋＡ／ｍ以上が有効であり、残留磁束密度１．２Ｔ、保磁力１０００ｋＡ／ｍ前後が望ましい。

また、単純に残留磁束密度の高い磁石を用いた場合、誘起電圧が上がり、仕様の変更が生じてしまう。よって、誘起電圧の仕様を変えずに過電流損を低減する必要がある。そのために、回転子磁極１極を残留磁束密度の異なる２種類以上の複数個の磁石で構成し、全体の誘起電圧を調整する必要がある。

図５は本実施例による電動機について、磁界解析により永久磁石の渦電流損を計算した結果である。解析における条件として、「従来」の構成では永久磁石の残留磁束密度を回転進み側、遅れ側とも同一の１．１５Ｔとしてあり、「本発明」の構成では、永久磁石の残留磁束密度を回転進み側で＋１０％、遅れ側で−１０％とした。磁極１極あたりの磁束量は同一であるから、電動機としての出力は同等であった。回転進み側の永久磁石の方が固定子から回転子への漏れ磁束が多く浸透するため、回転進み側の永久磁石で渦電流損が大きくなっている。これは、電動機として運転する場合、固定子側の固定子巻線に流れる電流が作る磁界の方が回転子の界磁に比べやや進んで回転しているためである。

したがって、発電機として運転する場合には、図１４に示すように、回転進み側に残留磁束密度の低い希土類永久磁石１０ｂを、回転遅れ側に残留磁束密度の高い希土類永久磁石１０ａを配置して、本実施例と逆の構成を採ることで永久磁石に生じる渦電流損を低減することが出来る。

なお、発電機と電動機を兼用した発電／電動機の場合は、主として、発電機として運転するのか電動機として運転するのかにより、永久磁石の配置を決定すれば良い。

また、以降の実施例において、特に断らない場合は、本回転電機は電動機として運転する場合を前提に説明している。

図５に示すように、従来の構成に対して本実施例の構成を用いると、永久磁石に生じる磁石渦電流損を低減することが出来る。なお、回転遅れ側の永久磁石においても損失が低減されているが、これは回転進み側の回転子鉄心における比透磁率が低下したことにより、固定子から回転子へ侵入する漏れ磁束自体が減少したためである。なお、本実施例では磁極数４、固定子のスロット数６の組合せの例を示したが、磁極数およびスロット数はこれ以外であっても良い。

以上のように、本実施例では、回転子磁極１極を残留磁束密度の異なる２種類以上の複数個の希土類永久磁石で構成し、磁極中心から回転進み側と回転遅れ側で単位面積当たりの残留磁束密度が異なるように前記希土類永久磁石を配置した。これにより、永久磁石に生じる渦電流損を低減し、高効率で、回転電機内の温度を低減することが出来る回転電機を提供することができる。

図６は実施例２による回転電機の回転子を示す図である。また、図７は本実例の変形例による回転電機の回転子を示す図である。

本実施例では各磁極の界磁源として、周方向に２つ、軸方向に３つの計６つの永久磁石１０が回転子鉄心２に設けられた磁石挿入孔１１に配置される。この構成が回転方向に９０°ずつ、計４つ対称に配置され、４極分の界磁源を構成している。

回転方向は上方から見て反時計回りであり、図６では回転進み方向の永久磁石を全て残留磁束密度の高い希土類永久磁石１０ａ、回転遅れ方向の永久磁石を全て残留磁束密度の低い希土類永久磁石１０ｂで構成している。

永久磁石を軸方向に３つ以上配置する場合には、図６のように回転方向進み側全ての永久磁石を残留磁束密度の高い希土類永久磁石１０ａ、回転遅れ側全ての永久磁石を残留磁束密度の低い希土類永久磁石１０ｂから構成しても良いし、図７に示すように、回転方向進み側の永久磁石３つのうち２つを１０ａ、１つを１０ｂから構成し、回転方向遅れ側の永久磁石３つのうち２つを１０ｂ、１つを１０ａのように組合せても良い。

本実施例は磁極１極について磁極中心から回転進みあるいは遅れ側いずれかの単位面積当たり残留磁束密度が高くなるよう永久磁石を配置すれば効果を得ることが出来るため、本実施例で示したように複数の永久磁石を軸方向に配置する場合に保磁力など他の設計事項との調整から磁石を組合せた場合にも適用することができ、自由度が増加する。

図８は実施例３による回転電機の回転子の軸方向断面図である。また、図９は本実施例の変形例による回転電機の回転子の軸方向断面図である。

寸法が狭小な磁石挿入孔に周方向に２つ以上の磁石を配置する場合、相互の磁石間に接着剤等が行き渡らず、十分な保持強度を得られない可能性がある。永久磁石には出力の発生に伴って周方向、径方向に荷重が掛かり、保持強度が不十分な場合には、挿入孔内で永久磁石が振動して破損に繋がる。

そこで、本実施例では、周方向に配置する永久磁石の数に合わせて回転子鉄心２に磁石挿入孔１１を設けてある。これにより、各々の永久磁石を挿入孔内に接着剤等で固定し、磁石の保持強度を向上することが出来る。

具体的には、図８では、１極分の界磁源として、周方向に２つの磁石挿入孔を設け、それぞれの磁石挿入孔の回転進み方向に残留磁束密度の高い希土類永久磁石１０ａ、回転遅れ方向に残留磁束密度の低い希土類永久磁石１０ｂを挿入、固定する。また、図９では、１極分の界磁源として、周方向に３つの磁石挿入孔を設け、それぞれの磁石挿入孔の回転進み方向の２つに残留磁束密度の高い希土類永久磁石１０ａを、回転遅れ方向に残留磁束密度の低い希土類永久磁石１０ｂを挿入、固定する。

各々の磁石挿入孔間の距離は強度と漏れ磁束の観点からバランスの良い寸法を適切に選択するのが良い。これは、磁石挿入孔間の鉄心寸法は強度と有効な磁束量のトレードオフ関係にあるためである。すなわち、回転速度から算出できる遠心力を考慮し、用いる鋼板に応じた強度の観点からはなるべく大きな寸法とすることが好ましく、永久磁石の磁束が固定子に至らず逆側の磁極へ戻る漏れ磁束量を低減する観点からはなるべく小さい寸法とするのが良い。

以上のように、本実施例によれば周方向に複数の永久磁石を配置する場合にも保持強度を得ることが出来る。

図１０は実施例４による回転電機の回転子の軸方向断面図である。

本実施例を実施するには２種類以上の残留磁束密度の異なる磁石を選ぶ必要があるため、例えば図１２に示す永久磁石の残留磁束密度と保磁力の関係において、保磁力が同一である、特性２１の磁石と特性２２の磁石を組合せる。すなわち、反作用磁界に対して不可逆減磁が起こらないよう、適用する回転電機の運転温度と作用する磁界から必要な保磁力を有する磁石を選択することが望ましい。

一方、図１２に示す永久磁石の特性は、永久磁石の製造方法や添加元素、着磁方法などの違いによって所望の値となるよう製作される。また、図１２中の直線は同様の製造方法で製作される磁石の特性の平均値を示すものである。よって、同様な製造方法によって製作される永久磁石を選ぶことで回転電機の納期短縮や製造コスト低減などの利点があるので、同一直線上の特性２１の磁石と特性２３の磁石を組合せると、特性２３の永久磁石の保磁力が特性２１の磁石に比べて小さく、減磁し易くなるという問題がある。

そこで、本実施例では、図１０に示すように、回転進み側に残留磁束密度の高い希土類永久磁石１０ｃを、回転遅れ側に残留磁束密度の低い希土類永久磁石１０ｂを配置し、永久磁石１０ｃの厚みを永久磁石１０ｂよりも厚くしている。各々の永久磁石の特性は、永久磁石１０ｃに図１２における特性２３、永久磁石１０ｂには特性２１の永久磁石を用いる。これにより、保磁力の低い永久磁石１０ｃの保磁力が、厚みを厚くすることで上がるので減磁を防ぐことができる。

以上のように、本実施例によれば、残留磁束密度の異なる磁石を選択する場合に保磁力に比較的大きな差があっても減磁を防ぐことが出来る。

図１３は実施例５による回転電機の回転子の軸方向断面図である。

図１３において、実施例１と同様の回転方向、永久磁石の配置であるが、さらに、回転子鉄心２の残留磁束密度の高い永久磁石１０ａの外径側部分に磁束の侵入を防ぐフラックスバリア１２を設け、永久磁石１０ａに漏れ磁束が通りにくくなるよう構成する。

本実施例により、実施例１と同様の永久磁石の渦電流損を低減することが可能であるが、さらに、鉄心形状によって永久磁石に侵入する磁束を低減する方法も併せて実施することで、より一層渦電流損失を低減することができる。

なお、永久磁石１０ａに漏れ磁束が通りにくくなるよう構成する変形例として、例えば、永久磁石１０ａに対応するエアギャップ７が等価的に大きくなるように、非対称な回転子形状としても良い。

以上実施例について説明したが、本発明は上記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、上記した実施例では、回転子の各磁極の界磁源として、周方向に２つまたは３つ、軸方向に２つまたは３つの永久磁石を構成した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、その他の構成でも構わない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。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、置換をすることも可能である。

１…回転子、２…回転子鉄心、３…固定子、４…固定子鉄心
５…固定子巻線、６…固定子スロット、７…エアギャップ
８…固定子鉄心ティース部、９…シャフト
１０、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ…永久磁石
１１…磁石挿入孔、１２…フラックスバリア。

Claims (7)

1. 固定子巻線と前記固定子巻線を巻き回した固定子鉄心と、前記固定子鉄心の内周側に同心に配置される回転子と、前記回転子に界磁源となる永久磁石を備える回転電機において、
   回転子磁極１極を残留磁束密度の異なる２種類以上の複数個の希土類永久磁石で構成し、磁極中心から回転進み側と回転遅れ側で単位面積当たりの残留磁束密度が異なるように前記希土類永久磁石を配置したことを特徴とする回転電機。
2. 請求項１に記載の回転電機であって、
   前記複数個の希土類永久磁石の残留磁束密度は１．０Ｔ以上であることを特徴とする回転電機。
3. 請求項１または２の何れかに記載の回転電機であって、
   前記回転進み側の単位面積当たりの残留磁束密度が回転遅れ側よりも高くなるように前記複数個の希土類永久磁石を配置し、電動機として運転されることを特徴とする回転電機。
4. 請求項１または２の何れかに記載の回転電機であって、
   前記回転遅れ側の単位面積当たりの残留磁束密度が回転進み側よりも高くなるように前記複数個の希土類永久磁石を配置し、発電機として運転されることを特徴とする回転電機。
5. 請求項１から４の何れか１項に記載の回転電機であって、
   前記回転子の鉄心に、前記複数個の希土類永久磁石の数に合わせて磁石挿入孔を設け、該磁石挿入孔に前記複数個の希土類永久磁石を挿入し固定することを特徴とする回転電機。
6. 請求項１から５の何れか１項に記載の回転電機であって、
   前記複数個の希土類永久磁石のうち、残留磁束密度の高い希土類永久磁石の磁石厚みを残留磁束密度の低い希土類永久磁石よりも厚くしたことを特徴とする回転電機。
7. 請求項１から６の何れか１項に記載の回転電機であって、
   前記複数個の希土類永久磁石のうち、残留磁束密度が高い希土類永久磁石の外径側回転子鉄心に磁束の侵入を防ぐフラックスバリアを設けたことを特徴とする回転電機。

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