JP2016052218A - 永久磁石型回転子を有する回転電機 - Google Patents
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Abstract
【課題】漏れ磁束による回転子両端部での磁束密度の上昇を防止し、回転子の局所的な過熱を防止することができる回転電機を提供する。
【解決手段】回転電機は、回転子コア11の外面に複数の永久磁石14が配置された構成を有する回転子10と、回転子10を囲むように配置された複数の巻線34を有する固定子30と、回転子10と一体に回転可能な軸とを備える。回転子コア11は、塊状の構成を有した塊状回転子コアであり、回転子コア11は、永久磁石14の両側に張り出し部11aを有しており、張り出し部11aの外面には、回転子10の周方向に延びる環状の窪み41が形成されている。
【選択図】図1
【解決手段】回転電機は、回転子コア11の外面に複数の永久磁石14が配置された構成を有する回転子10と、回転子10を囲むように配置された複数の巻線34を有する固定子30と、回転子10と一体に回転可能な軸とを備える。回転子コア11は、塊状の構成を有した塊状回転子コアであり、回転子コア11は、永久磁石14の両側に張り出し部11aを有しており、張り出し部11aの外面には、回転子10の周方向に延びる環状の窪み41が形成されている。
【選択図】図1
Description
本発明は、高速で回転する永久磁石型回転子を有する、電動機または発電機などの回転電機に関し、特に永久磁石型回転子の局所的な発熱を防止するための回転子構造に関するものである。
電動機や発電機などの回転電機に使用される永久磁石型回転子として、回転子コアの表面に永久磁石を配置したSPM(Surface Permanent Magnet)回転子が知られている。図6は、SPM回転子の一例を示した模式図である。回転子100は、磁性材料からなる回転子コア101と、この回転子コア101の外面に配列された複数の永久磁石104とを備えている。永久磁石104の外側には、繊維強化樹脂などから構成された保護カバー105が配置されており、永久磁石104の外面は保護カバー105によって覆われている。この保護カバー105は、回転子100が高速で回転するときに永久磁石104が回転子100から外れることを防止するために設けられている。回転子コア101は、軸受110に支持された軸112に固定されており、回転子100と軸112は一体に回転する。
磁性材料からなる回転子コア101は、永久磁石104の磁路としての機能を担い、かつ永久磁石104を支持するための構造体として機能する。回転子100を囲むように固定子120が配置されており、固定子120はフレーム126に固定されている。固定子120は、複数の歯部121を有する固定子コア122と、これら歯部121にそれぞれ取り付けられた複数の巻線124とを備えている。
定格速度が10,000min-1以上の高速型の電動機または発電機では、回転子100全体の剛性を高くする必要がある。このため、回転子コア101は、珪素鋼板の積層構造ではなく、塊状の構成を有している。さらに、回転子コア101自体の剛性を高めるために、回転子コア101は、永久磁石104の両側に張り出し部101aを備えている。
しかしながら、この張り出し部101aは、巻線124の端部124aに近接しているため、図7に示すように、巻線124の端部124aに発生する漏れ磁束を増加させてしまう。発生した漏れ磁束は回転子コア101を磁路として通過し、磁位の高い永久磁石側に偏るように磁路を形成する。このため、回転子100の軸方向の両端に磁束密度の高い領域が生じることとなる(図7のグラフ参照)。
理想の同期モータでは、回転子100が主磁束に追従して回転するため、回転子100表面では主磁束の量が変動せず、また回転子100を貫通する磁束の位置が変化しない。したがって、回転子100に渦電流は発生しない。しかし、現実の同期モータでは、巻線124を収めるためのスロットが有限の数で固定子コア122に形成されており、歯部121とスロットが交互に配置されるため、固定子コア122の内周に沿って磁気抵抗が大きく変動し、きれいな正弦波状の磁束分布とはならない。
図8は、電機子としての固定子120によって生成された回転磁界を示すグラフである。図8の縦軸は磁束密度を表し、横軸は電気角[rad]を表している。磁界の回転に伴い、固定子コア122の磁気抵抗の変動に応じた脈動磁束成分が、正弦波状の磁束分布に重畳する。回転子100の永久磁石104は固定子120の磁極に追従して回転し、負荷が一定であれば固定子120の磁極と永久磁石104との相対的な位置は変化せず、回転子100表面の平均の磁束量も変化しない。
しかしながら、図8に示すように、磁極の発する磁束には時間によって変動する脈動磁束成分を含むため、磁束の時間的変動に伴う渦状の起電力が永久磁石104及び張り出し部101aに発生し、渦電流が永久磁石104及び張り出し部101a内に流れて発熱を生じる。特に、高速で回転する回転電機では、駆動周波数が高いため、磁束の単位時間当たりの変化量、すなわち誘導起電力[-dφ/dt]が大きくなり、非常に大きな渦電流が発生してしまう。
渦電流による発熱は渦電流密度の2乗に比例し、渦電流密度は磁束密度に比例するため、図7に示すように永久磁石104の両端での磁束密度が高くなると、永久磁石104の両端での発熱が顕著となる。結果として、永久磁石104の熱減磁によりトルクが低下してしまう。これに加え、永久磁石104の外側に配置された保護カバー105が局所的に過熱状態となり、保護カバー105の劣化による永久磁石104の固定力の低下、保護カバー105の樹脂の熱放散による回転子100の動的アンバランスの発生、アンバランスに起因する振動の発生などの危険を生ずるおそれがある。
近年では、回転子100の永久磁石104として、高い磁束密度を有する希土類磁石を使用する傾向がある。このような永久磁石を使用することにより、界磁巻線を有する同期型回転電機や誘導型回転電機に比較して大幅な小型高出力化が達成できる。しかし、回転電機が小型化すると、固定子コア122の高磁束密度化、巻線124と回転子100の磁性材料との接近を余儀なくされることとなり、巻線124の端部124aにおける漏れ磁束が増加し、漏れ磁束に起因した回転子100での渦電流の発生も増加する。
本発明は以上の事柄に鑑み、漏れ磁束による回転子両端部での磁束密度の上昇を防止し、回転子の局所的な過熱を防止することができる回転電機を提供するものである。
上述した目的を達成するために、本発明の一態様は、回転子コアの外面に複数の永久磁石が配置された構成を有する回転子と、前記回転子を囲むように配置された複数の巻線を有する固定子と、前記回転子と一体に回転可能な軸とを備え、前記回転子コアは、塊状の構成を有した塊状回転子コアであり、前記回転子コアは、前記永久磁石の両側に張り出し部を有しており、前記張り出し部の外面には、前記回転子の周方向に延びる環状の窪みが形成されていることを特徴とする回転電機である。
本発明の他の態様は、回転子コアの外面に複数の永久磁石が配置された構成を有する回転子と、前記回転子を囲むように配置された複数の巻線を有する固定子と、前記回転子と一体に回転可能な軸とを備え、前記回転子コアは、塊状の構成を有した塊状回転子コアであり、前記回転子コアは、前記永久磁石の両側に張り出し部を有しており、前記回転子コアの軸方向の長さは、前記巻線の軸方向の長さよりも小さいことを特徴とする回転電機である。
本発明の他の態様は、回転子コアの外面に複数の永久磁石が配置された構成を有する回転子と、前記回転子を囲むように配置された複数の巻線を有する固定子と、前記回転子と一体に回転可能な軸とを備え、前記回転子コアは、塊状の構成を有した塊状回転子コアであり、前記回転子コアは、前記永久磁石の両側に張り出し部を有しており、前記張り出し部の外面に非磁性リングを取り付けたことを特徴とする回転電機である。
本発明の他の態様は、回転子コアの外面に複数の永久磁石が配置された構成を有する回転子と、前記回転子を囲むように配置された複数の巻線を有する固定子と、前記回転子と一体に回転可能な軸とを備え、前記回転子コアは、塊状の構成を有した塊状回転子コアであり、前記回転子コアは、前記永久磁石の両側に張り出し部を有しており、前記張り出し部の外面に形成された環状溝には、非磁性リングが配置されていることを特徴とする回転電機である。
本発明の他の態様は、回転子コアの外面に複数の永久磁石が配置された構成を有する回転子と、前記回転子を囲むように配置された複数の巻線を有する固定子と、前記回転子と一体に回転可能な軸とを備え、前記回転子コアは、塊状の構成を有した塊状回転子コアであり、前記回転子コアは、前記永久磁石の両側に張り出し部を有しており、前記永久磁石の外面には、その両端部に向かって傾斜するテーパー面が形成されていることを特徴とする回転電機である。
本発明によれば、巻線と回転子との間の磁気抵抗が大きくなるので、回転子コア及び永久磁石内を通過する漏れ磁束を低下させることができる。したがって、漏れ磁束の時間変化による渦電流の発生を抑制することができる。結果として、高速で回転子が回転する場合であっても、回転子の両端部の局所的な過熱を防止することができる。
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図1は、本発明の一実施形態に係るSPM(Surface Permanent Magnet)型回転電機を示す断面図である。本明細書において、回転電機とは、電動機及び発電機の総称である。本実施形態の回転電機は、その定格速度が10,000min-1以上の高速型の電動機または発電機である。
図1に示すように、回転子10は、磁性材料からなる回転子コア11と、この回転子コア11の外面に配列された複数の永久磁石14とを備えている。永久磁石14の外側には、繊維強化樹脂などから構成された保護カバー15が配置されており、永久磁石14の外面は保護カバー15によって覆われている。この保護カバー15は、回転子10が高速で回転するときに永久磁石14が回転子10から外れることを防止するために設けられている。
回転子コア11は、軸受20に支持された軸22に固定されており、回転子10と軸22は一体に回転する。回転子10の剛性を高めるために、回転子コア11は軸22と一体に構成されていることが好ましい。すなわち、回転子コア11及び軸22は、ともに同じ磁性材料から一体に形成されていることが好ましい。回転子コア11は、永久磁石14の磁路としての機能を担い、かつ永久磁石14を支持するための構造体として機能する。
回転子10を囲むように固定子30が配置されており、固定子30はフレーム36に固定されている。固定子30は、複数の歯部31を有する固定子コア32と、これら歯部31にそれぞれ取り付けられた複数の巻線34とを備えている。
回転子10の剛性を高めるために、回転子コア11は塊状の構成を有している。このような構成の回転子コア11は、塊状回転子コア(Solid rotor core)とも呼ばれ、一般的に低速回転型の回転電機に採用される珪素鋼板からなる積層構造よりも高い剛性を有している。このような塊状の回転子コア11は、数万min-1の高速で回転するときであっても、振動を発生することなく安定した姿勢を保つことができる。
回転子コア11自体の剛性を高めるために、回転子コア11は、永久磁石14の両側に張り出し部11aを備えている。したがって、回転子コア11全体の軸方向の長さは、巻線34の軸方向の長さよりも大きく構成されている。永久磁石14の両端部は張り出し部11aに支持されている。張り出し部11a及び永久磁石14の外面は、保護カバー15によって覆われている。
本実施形態では、巻線34の端部34aでの漏れ磁束を抑制し、かつ張り出し部11a及び永久磁石14内での渦電流を抑制するために、張り出し部11aの外面には、回転子10の周方向に延びる環状の窪み(または小径部)41が形成されている。この環状の窪み41は、固定子30の半径方向に関して巻線34の端部34aの内側に位置している。
環状の窪み41は、巻線34の端部34aと、回転子コア11の張り出し部11aとの間の隙間を大きくし、巻線34の端部34aと回転子コア11との間の磁気抵抗を大きくすることができる。したがって、回転子10の両端部内での磁路の形成を阻止し、かつ漏れ磁束を小さくすることができる。その結果、渦電流による永久磁石14及び回転子コア11の局所的な過熱を防止することができる。
図2は、本発明の他の実施形態に係るSPM型回転電機を示す断面図である。特に説明しない本実施形態の構成は、図1に示す実施形態と同じであるので、その重複する説明を省略する。
図2に示すように、本実施形態は、回転子コア11はその剛性を高めるための張り出し部11aを有している点では図1に示す実施形態と同じであるが、張り出し部11aの軸方向の長さは図1に示す張り出し部11aよりも短く、回転子コア11の軸方向の長さが巻線34の軸方向の長さよりも小さい点で異なっている。より具体的には、回転子コア11の張り出し部11aは巻線34の端部34aよりも軸方向に関して内側に位置している。
本実施形態によれば、巻線34の端部34aの径方向内側には、回転子コア11が存在しない。したがって、巻線34の端部34aと、回転子コア11の端部との間の隙間が大きくなり、巻線34の端部34aと回転子コア11との間の磁気抵抗を大きくすることができる。したがって、回転子10の両端部内での磁路の形成を阻止し、かつ漏れ磁束を小さくすることができる。その結果、渦電流による永久磁石14及び回転子コア11の局所的な過熱を防止することができる。
図3は、本発明のさらに他の実施形態に係るSPM型回転電機を示す断面図である。特に説明しない本実施形態の構成は、図1に示す実施形態と同じであるので、その重複する説明を省略する。
図3に示すように、本実施形態は、回転子コア11はその剛性を高めるための張り出し部11aを有している点では図1に示す実施形態と同じであるが、張り出し部11aの外径は図1に示す実施形態よりも小さく、張り出し部11aの外面に非磁性リング45が取り付けられている点で異なっている。永久磁石14の両端部は、非磁性リング45によって支持されている。この非磁性リング45は、固定子30の半径方向に関して巻線34の端部34aの内側に位置している。非磁性リング45は、非磁性の剛材、例えば非磁性のステンレス鋼から構成されている。非磁性リング45として剛材が使用される理由は、回転子コア11の剛性を高めるためである。非磁性リング45及び永久磁石14の外面は、保護カバー15によって覆われている。
非磁性リング45は、巻線34の端部34aと回転子コア11との間の磁気抵抗を大きくすることができる。したがって、回転子10の両端部内での磁路の形成を阻止し、かつ漏れ磁束を小さくすることができる。その結果、渦電流による永久磁石14及び回転子コア11の局所的な過熱を防止することができる。非磁性リング45は、焼嵌めや圧入によって回転子コア11の張り出し部11aに取り付けることができる。図3に示す実施形態は、図1及び図2に示す実施形態に比較して、固定子30の剛性を高くすることができる。
図4は、本発明のさらに他の実施形態に係るSPM型回転電機を示す断面図である。特に説明しない本実施形態の構成は、図1に示す実施形態と同じであるので、その重複する説明を省略する。
図4に示すように、本実施形態は、回転子コア11はその剛性を高めるための張り出し部11aを有している点では図1に示す実施形態と同じであるが、張り出し部11aの外面には回転子10の周方向に延びる環状溝が形成され、この環状溝内に非磁性リング51が収容されている点で異なっている。非磁性リング51は永久磁石14の両側に位置しており、永久磁石14の両端部は、非磁性リング51によって支持されている。張り出し部11a、非磁性リング51、及び永久磁石14の外面は、保護カバー15によって覆われている。非磁性リング51は、複数の分割体から構成されており、回転子コア11の環状溝にその外側から挿入可能となっている。
非磁性リング51は、非磁性のステンレス鋼、または非磁性かつ不導体のセラミックから構成されている。非磁性リング51は、回転子コア11内の磁路を遮るように、永久磁石14の両端部を覆っている。好ましくは、図4に示すように、非磁性リング51の径方向の幅は、永久磁石14の径方向の幅よりも大きい。
非磁性リング51は、巻線34の端部34aと永久磁石14との間の磁気抵抗を大きくすることができる。したがって、回転子10の両端部内での磁路の形成を阻止し、かつ漏れ磁束を小さくすることができる。その結果、渦電流による永久磁石14及び回転子コア11の局所的な過熱を防止することができる。図4に示す実施形態は、図1及び図2に示す実施形態に比較して、固定子30の剛性を高くすることができる。
図5は、本発明のさらに他の実施形態に係るSPM型回転電機を示す断面図である。特に説明しない本実施形態の構成は、図5に示す実施形態と同じであるので、その重複する説明を省略する。
図5に示すように、本実施形態は、回転子コア11はその剛性を高めるための張り出し部11aを有している点では図1に示す実施形態と同じであるが、永久磁石14の外面はその両端部に向かって傾斜するテーパー面61を有している点で異なっている。すなわち、永久磁石14の両端部は円錐台形状を有している。
永久磁石14のテーパー面61は、巻線34の端部34aと永久磁石14との間の隙間を大きくし、巻線34の端部34aと永久磁石14との間の磁気抵抗を大きくすることができる。したがって、漏れ磁束を小さくすることができる。その結果、渦電流による永久磁石14及び回転子コア11の局所的な過熱を防止することができる。
以上の通り、本発明の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ことなく、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範囲内であれば他の実施形態にも適用することが可能である。
10 回転子
11 回転子コア
11a 張り出し部
14 永久磁石
15 保護カバー
20 軸受
22 軸
30 固定子
31 歯部
32 固定子コア
34 巻線
36 フレーム
41 環状の窪み
45,51 非磁性リング
61 テーパー面
11 回転子コア
11a 張り出し部
14 永久磁石
15 保護カバー
20 軸受
22 軸
30 固定子
31 歯部
32 固定子コア
34 巻線
36 フレーム
41 環状の窪み
45,51 非磁性リング
61 テーパー面
Claims (6)
- 回転子コアの外面に複数の永久磁石が配置された構成を有する回転子と、
前記回転子を囲むように配置された複数の巻線を有する固定子と、
前記回転子と一体に回転可能な軸とを備え、
前記回転子コアは、塊状の構成を有した塊状回転子コアであり、
前記回転子コアは、前記永久磁石の両側に張り出し部を有しており、
前記張り出し部の外面には、前記回転子の周方向に延びる環状の窪みが形成されていることを特徴とする回転電機。 - 回転子コアの外面に複数の永久磁石が配置された構成を有する回転子と、
前記回転子を囲むように配置された複数の巻線を有する固定子と、
前記回転子と一体に回転可能な軸とを備え、
前記回転子コアは、塊状の構成を有した塊状回転子コアであり、
前記回転子コアは、前記永久磁石の両側に張り出し部を有しており、
前記回転子コアの軸方向の長さは、前記巻線の軸方向の長さよりも小さいことを特徴とする回転電機。 - 回転子コアの外面に複数の永久磁石が配置された構成を有する回転子と、
前記回転子を囲むように配置された複数の巻線を有する固定子と、
前記回転子と一体に回転可能な軸とを備え、
前記回転子コアは、塊状の構成を有した塊状回転子コアであり、
前記回転子コアは、前記永久磁石の両側に張り出し部を有しており、
前記張り出し部の外面に非磁性リングを取り付けたことを特徴とする回転電機。 - 回転子コアの外面に複数の永久磁石が配置された構成を有する回転子と、
前記回転子を囲むように配置された複数の巻線を有する固定子と、
前記回転子と一体に回転可能な軸とを備え、
前記回転子コアは、塊状の構成を有した塊状回転子コアであり、
前記回転子コアは、前記永久磁石の両側に張り出し部を有しており、
前記張り出し部の外面に形成された環状溝には、非磁性リングが配置されていることを特徴とする回転電機。 - 回転子コアの外面に複数の永久磁石が配置された構成を有する回転子と、
前記回転子を囲むように配置された複数の巻線を有する固定子と、
前記回転子と一体に回転可能な軸とを備え、
前記回転子コアは、塊状の構成を有した塊状回転子コアであり、
前記回転子コアは、前記永久磁石の両側に張り出し部を有しており、
前記永久磁石の外面には、その両端部に向かって傾斜するテーパー面が形成されていることを特徴とする回転電機。 - 前記回転子コアは前記軸と一体に構成されていることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか一項に記載の回転電機。
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