JP2023040822A - 回転電機及びそれを用いた鉄道車両 - Google Patents
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Abstract
【課題】界磁用の永久磁石を回転子に備えた回転電機において、磁石渦電流損を効果的に低減しつつ、設計自由度の高い回転電機を提供する。【解決手段】1スロットに対して、軸方向および周方向の両方に永久磁石を分割配置した回転子を備える回転電機であって、前記永久磁石は、前記回転子の軸方向に細長い第1の永久磁石と、前記回転子の周方向に細長い第2の永久磁石と、を有し、前記第1の永久磁石の前記回転子の軸方向の長さは、前記第2の永久磁石の前記回転子の軸方向の長さよりも長いことを特徴とする。【選択図】 図1
Description
本発明は、回転電機の構造に係り、特に、界磁用の永久磁石を回転子に備えた回転電機に適用して有効な技術に関する。
近年、回転電機においては、界磁に永久磁石が用いられ、小形・高効率化が図られている。永久磁石同期電動機(PMSM:Permanent Magnet Synchronous Motor)等の永久磁石を用いた回転電機では、固定子側の電機子コイルよって発生する交番磁束が、回転子側の永久磁石を貫くため、永久磁石に大きな渦電流が発生し電動機の損失が増大する。特にインバータ駆動方式の電動機では駆動電流の高調波成分が多く、渦電流損失が飛躍的に増大する。
PMSMの磁石渦電流損を低減する手段として、磁石分割が知られている。効果的に磁石渦電流損を低減するには、一般に、磁石分割数を増やすか、磁石を扁平に分割すればよいことが知られている。
一方で、例えば鉄道分野では、コスト低減のために主電動機のラインナップ設計が進んでおり、ラインナップ設計の思想にあった磁石分割方法が求められている。
本技術分野の背景技術として、例えば、特許文献1のような技術がある。特許文献1には「複数個の永久磁石セグメントが回転子内部に配置され、永久磁石セグメントが複数の磁石片から構成された、IPM型永久磁石回転機に用いる回転子の組立方法であって、上記複数の磁石片を、回転子内部に設けられた各々の永久磁石セグメント収容部内に、磁石片間が固定されていない状態で装入して、回転子の回転軸方向に積み上げ、次いで、積み上げられた磁石片を永久磁石セグメント収容部内に固定する工程を含むIPM型永久磁石回転機用回転子の組立方法」が開示されている。
磁石渦電流損の発生要因に空間高調波磁束があり、磁石渦電流損の低減には、この空間高調波の影響を低減する必要がある。上述したように、軸方向に長い磁石を回転方向(周方向)に分割することで、磁石の扁平率を高められ磁石渦損低減に効果的である。
一方、近年、コスト低減のために回転電機のラインナップ設計が進んでおり、ラインナップ設計の思想にあった磁石分割方法が必要である。
上記特許文献1では、磁石をサイコロ状に細かく分割し、単純に分割数を増やすことで磁石渦電流損を低減するアイディアが提案されているが、分割数の増加は高コスト化につながり、さらに磁石占積率の低下による磁石磁束の低下が問題となる。
また、ラインナップ設計時は、扁平率の小さい横長磁石か、分割数が多く占積率が小さくなるサイコロ状の磁石を選択するしかない。
そこで、本発明の目的は、界磁用の永久磁石を回転子に備えた回転電機において、磁石渦電流損を効果的に低減しつつ、設計自由度の高い回転電機及びそれを用いた鉄道車両を提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明は、1スロットに対して、軸方向および周方向の両方に永久磁石を分割配置した回転子を備える回転電機であって、前記永久磁石は、前記回転子の軸方向に細長い第1の永久磁石と、前記回転子の周方向に細長い第2の永久磁石と、を有し、前記第1の永久磁石の前記回転子の軸方向の長さは、前記第2の永久磁石の前記回転子の軸方向の長さよりも長いことを特徴とする。
本発明によれば、界磁用の永久磁石を回転子に備えた回転電機において、磁石渦電流損を効果的に低減しつつ、設計自由度の高い回転電機及びそれを用いた鉄道車両を実現することができる。
これにより、回転電機の高効率化と多様なラインナップ設計の両立が可能となる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。なお、各図面において同一の構成については同一の符号を付し、重複する部分についてはその詳細な説明は省略する。
また、以下では、回転電機の回転子の回転軸心に対して距離が近い側を「内周側」、遠い側を「外周側」と定義する。また、回転子の回転軸心と垂直に交わる直線方向を「径方向」、回転子の回転軸心まわりの回転方向を「周方向」、回転子の回転軸心に平行な直線方向を「軸方向」と定義する。
先ず、図8及び図9を参照して、本発明の適用対象となる回転電機の構造と、従来の回転電機での課題について説明する。図8は、回転電機の概略断面図であり、永久磁石同期電動機(PMSM)を例に示している。図9は、回転子コアにおける空間高調波磁束を概念的に示す図である。
回転電機1は、図8に示すように、ハウジング2と、ハウジング2に軸受け3A,3Bを介して回転自在に支持された回転軸4と、回転軸4に支持された磁極を有する回転子5と、回転子5に周方向の空隙を介して対向して配置された固定子6とを備えている。
なお、図8では、回転子5が固定子6の内周側に回転可能に支持されているインナーロータ構造の例を示しているが、回転子5が固定子6の外周側に回転可能に支持されるアウターロータ構造であっても良い。本発明は、インナーロータ構造とアウターロータ構造のいずれの場合でも成立する。
回転子5は、磁性体からなる回転子コア(回転子鉄心)7と、回転子コア7に設けられた図示しないスロット(磁石孔)内に挿入された複数の永久磁石8を備えている。回転子5は、回転軸心を中心に回転する。回転子コア(回転子鉄心)7は、コアシートを複数枚積層して構成されている。
なお、回転子コア(回転子鉄心)7は、一体成形されたソリッド部材で構成しても良い。また、圧粉磁心などの粉末磁性体を圧縮成型した構成でも良いし、アモルファス金属やナノ結晶材で構成しても良い。
また、回転子5は直接、または回転軸4やハウジング2等の構造部材を介して負荷と接続され、回転子5が回転することで負荷に回転とトルクを伝達する構成であっても良い。
また、図8では、回転子コア(回転子鉄心)7に永久磁石8を挿入するスロット(磁石孔)を有する、いわゆる埋込磁石型モータの例を示しているが、永久磁石8を回転子コア(回転子鉄心)7の表面に配置した、いわゆる表面磁石型モータであっても良い。
固定子6は、ハウジング2に支持された磁性体からなる固定子コア(固定子鉄心)9と、固定子コア9に装着された固定子コイル(固定子巻線)10を備えている。固定子コア9は、コアシートを複数枚積層して構成される。
固定子コア9は、一体成形されたソリッド部材で構成しても良い。また、圧粉磁心などの粉末磁性体を圧縮成型した構成でも良いし、アモルファス金属やナノ結晶材で構成しても良い。
なお、回転子5と固定子6は、同一の中心軸(回転軸心)を有する。
図9を用いて、上述した磁石渦電流損について説明する。図9の左右の図には、回転子コア7の1極分をそれぞれ示している。
回転電機には、固定子形状及び回転子形状に起因して、空間高調波磁束が発生する。空間高調波磁束は、基本波1極ピッチに複数のN極とS極が存在する磁束成分で、この磁束が永久磁石に対して脈動することで、磁石内で渦電流が生じ、磁石渦電流損が発生する。
図9の左図に示すように、回転子の周方向に磁石を分割しない場合、磁石渦電流の流れる経路の電気抵抗が小さく、磁石内の広い領域に渦電流が流れ、大きな渦電流損が発生する。
一方、図9の右図に示すように、回転子の周方向に磁石を分割した場合、磁石渦電流の流れる経路の電気抵抗が大きく、磁石内を渦電流が流れる領域が狭くなり、渦電流損を低減できる。
本願発明者らは、鋭意研究の結果、永久磁石を周方向に分割することで、磁石内の渦電流のパスを分割でき、各渦電流経路の電気抵抗を大きくすることができるため、回転子で発生する磁石渦電流損を低減することができること、したがって、空間高調波影響低減の観点に立つと、磁石分割は周方向に分割することが好ましいことを突き止めた。
しかしながら、上述したように、単に周方向に磁石を分割しただけでは、回転電機の設計上の制約が生じてしまい、ラインナップ設計の要求に応えることができない。
次に、図1及び図2を参照して、本実施例の回転電機について説明する。図1は、本実施例の回転子5の斜視図であり、図2は、図1の永久磁石の配置例を示す図である。
本実施例の回転電機の回転子5は、図1に示すように、回転子5に設けられた1つのスロット(磁石孔)に対して、軸方向及び周方向の両方に永久磁石8A,8Bを分割配置して構成されている。永久磁石は、回転子5の軸方向に細長い第1の永久磁石8Aと、回転子5の周方向に細長い第2の永久磁石8Bを有している。そして、第1の永久磁石8Aの回転子5の軸方向の長さは、第2の永久磁石8Bの回転子5の軸方向の長さよりも長い。
言い換えると、永久磁石は長細く、長手方向からスロット(軸方向)に挿入する第1の永久磁石8Aと、短手方向からスロット方向に挿入する第2の永久磁石8Bの双方を備えており、第1の永久磁石8Aの軸方向長さは第2の永久磁石8Bの軸方向長さよりも長い。
図2に、より具体的な永久磁石の配置例を示す。1つのスロット(磁石孔)に対して、回転子5の軸方向に細長い第1の永久磁石8Aを、回転子5の周方向に複数(図2では6つ)に分割して配置している。一方、同じスロット(磁石孔)に対して、回転子5の周方向に細長い第2の永久磁石8Bを、回転子5の軸方向に複数(図2では2つ)に分割して配置している。
なお、図2に示すように、永久磁石の長手方向の長さ(l)を短手方向の幅(w)で除した値を扁平率と定義した場合、第1の永久磁石8Aの扁平率(lA/wA)は、第2の永久磁石8Bの扁平率(lB/wB)以上、より好ましくは、第2の永久磁石8Bの扁平率(lB/wB)よりも大きくするのが好適である。第1の永久磁石8Aの扁平率を高めることで、空間高調波による磁石渦電流損の低減効果を向上することができる。
また、回転電機の生産性の観点から、第2の永久磁石8Bの長手方向の長さは、第1の永久磁石8Aの短手方向の長さの整数倍とするのが望ましい。1つのスロット(磁石孔)に対して、余分な隙間を設けることなく永久磁石8A,8Bを配置することができ、磁石の占積率を向上することができる。
さらに、第1の永久磁石8Aと第2の永久磁石8Bを同じ外形寸法とすることで、第1の永久磁石8Aと前記第2の永久磁石を共用(規格化)することができるため、それぞれ別々に形成する必要がなくなり、回転電機の製造工程を簡略化することができ、低コストに回転電機を供給することができる。
以上説明した本実施例の回転電機では、回転子5の永久磁石を周方向に分割することで、永久磁石内の渦電流のパスを分割でき、各渦電流経路の電気抵抗を大きくすることができるため、回転子5で発生する磁石渦電流損を低減することができる。第1の永久磁石8Aを用いることで空間高調波起因の磁石渦電流損の低減に効果的である。
また、従来のラインナップン展開では、例えば特許文献1のようにサイコロ状の磁石を利用しているため、磁石分割数の増加による、製作性の悪化、工数増加によるコスト増加、磁石占積率の低下による磁石磁束の低下が課題であった。これに対して、本実施例では、周方向に長い第2の永久磁石8Bを併用することで、少ない分割数ながら、ラインナップ設計における積厚調整に対応することが可能になる。
以上説明したように、本実施例の回転電機によれば、軸方向に細長い磁石(第1の永久磁石8A)を周方向に分割することで、空間高調波起因の磁石渦電流損の低減に効果的である。さらに、第1の永久磁石8Aよりも軸長が短く周方向に細長い第2の永久磁石8Bを併用することで、少ない分割数で回転電機の積厚の細かな調整が可能になる。
なお、本実施例のように、軸方向に細長い第1の永久磁石8Aを周方向に分割して配置し、周方向に細長い第2の永久磁石8Bを軸方向に分割して配置することで、永久磁石をスロット(磁石孔)内に挿入した後、樹脂を注入して含浸硬化する際に、第1の永久磁石8A同士の間、第2の永久磁石8B同士の間、及び第1の永久磁石8Aと第2の永久磁石8Bとの間に、それぞれ含浸樹脂が入り込み、熱膨張により発生する永久磁石の応力を緩和する効果も期待できる。
図3を参照して、本発明の実施例2の回転電機について説明する。図3は、本実施例の永久磁石の配置例を示す図であり、実施例1(図2)の変形例に相当する。
本実施例の回転電機の回転子5は、図3に示すように、第2の永久磁石8Bを、回転子5の少なくとも一方の軸方向端部に配置している。図3では、回転子5の両方の軸方向端部に配置している例を示している。
スロット(磁石孔)に永久磁石を挿入する製造工程において、第1の永久磁石8Aは永久磁石8A同士の寸法が正確に一致していたとしても、互いの反発力等により、軸方向位置がばらつく。
これに対して、軸方向端部の第2の永久磁石8Bを最後に挿入することで、第2の永久磁石8Bの挿入過程で、第1の永久磁石8Aの軸方向位置が整列するため、磁石占積率を高めることができる。
図4を参照して、本発明の実施例3の回転電機について説明する。図4は、本実施例の永久磁石の配置例を示す図であり、実施例1(図2)の変形例に相当する。
本実施例の回転電機の回転子5は、図4に示すように、第1の永久磁石8Aを、回転子5の少なくとも一方の軸方向端部に配置している。図4では、回転子5の両方の軸方向端部に配置している例を示している。第1の永久磁石8Aは、回転子5の両方の軸方向端部に分割して配置され、第2の永久磁石8Bは、第1の永久磁石8Aの間に配置されている。
回転子5の軸方向端部には、コイルエンドを流れる電流によって生じる磁束も侵入するため、回転子5の端部に位置する磁石は他所よりも磁石渦電流損が増加する。コイルエンドとは、固定子スロット内を通るコイルを他方のスロットへ渡らせるために、固定子コア9の軸方向端部からはみ出したコイル部分である。(図8参照)
磁石渦電流損低減効果が大きい第1の永久磁石8Aを、回転子5の軸方向端部に配置することで、効果的に磁石渦電流損を低減できる。
磁石渦電流損低減効果が大きい第1の永久磁石8Aを、回転子5の軸方向端部に配置することで、効果的に磁石渦電流損を低減できる。
また、従来の回転電機では、軸方向端部の永久磁石が局所的に増大する磁石渦電流損により局所的に発熱し、当該部分が減磁するリスクがあったが、本構成では、軸方向端部の磁石発熱を小さくすることができるため、磁石減磁のリスクを低減できる。
図5Aから図5Cを参照して、本発明の実施例4の回転電機について説明する。本実施例では、実施例1(図1及び図2)で説明した永久磁石の配置例のさらに具体的な例を説明する。図5Aは、本実施例の回転電機の永久磁石の配置例を示す図であり、図8における回転電機1の回転子5及び固定子6の軸方向から見た断面図である。図5Bは、図5Aの回転子5の上面図であり、図5Cは、図5Aの回転子5の下面図である。
図5Aに示すように、本実施例の回転電機は、固定子6と、固定子6の内側に所定のギャップを介して回転可能に配置される回転子5から構成されている。
固定子6は、磁性体からなる固定子コア(固定子鉄心)9を有している。固定子コア(固定子鉄心)9には、周方向に複数の固定子コイル(固定子巻線)10が等間隔に配置されている。固定子コイル(固定子巻線)10は、固定子コア(固定子鉄心)9の内周側に配置された下コイル11と、下コイル11よりも外周側に配置された上コイル12とで構成されている。
回転子5は、図5A及び図5Bに示すように、磁性体からなる回転子コア(回転子鉄心)7を有している。回転子コア(回転子鉄心)7には、周方向に複数のスロット(磁石孔)14が配置されている。スロット(磁石孔)14の各々には、回転子5の周方向に4つに分割された第1の永久磁石8Aが挿入され、回転子コア(回転子鉄心)7に埋設されている。
また、図5Cに示すように、スロット(磁石孔)14の第1の永久磁石8Aが挿入される側とは反対側には、回転子5の周方向に細長い1つ以上の第2の永久磁石8Bが挿入され、回転子コア(回転子鉄心)7に埋設されている。
したがって、本実施例では、回転子5の1つの磁極は、2つのスロット(磁石孔)14のそれぞれに挿入された4つの永久磁石8A、計8つの永久磁石8Aと、各々のスロット(磁石孔)14の第1の永久磁石8Aが挿入される側とは反対側に挿入された1つ以上の第2の永久磁石8B、計2つ以上の第2の永久磁石8Bとで構成される。
実施例1(図1及び図2)と同様に、第1の永久磁石8Aは、回転子5の軸方向に細長い形状を有しており、第2の永久磁石8Bは、回転子5の周方向に細長い形状を有している。
なお、図5Aから図5Cにおける符号13は、ブリッジを示している。ブリッジ13は、スロット(磁石孔)14と回転子コア7端部(周方向空隙側の表面)に挟まれた回転子コア7の狭小部であり、回転子コア7や永久磁石8を機械的に支持する構造部である。
本実施例においても、実施例1と同様に、軸方向に細長い磁石(第1の永久磁石8A)を周方向に分割することで、空間高調波起因の磁石渦電流損の低減に効果的である。さらに、第1の永久磁石8Aよりも軸長が短く周方向に細長い第2の永久磁石8Bを併用することで、少ない分割数で回転電機の積厚の細かな調整が可能になる。
図6A及び図6Bを参照して、本発明の実施例5の回転電機について説明する。本実施例では、実施例4(図5Aから図5C)で説明した回転子5の変形例を説明する。図6Aは、本実施例の回転電機の永久磁石の配置例を示す図であり、回転子5の上面図である。図6Bは、図6Aの回転子5の下面図である。
本実施例の回転子5では、スロット(磁石孔)14の各々には、回転子5の周方向に8つに分割された第1の永久磁石8Aが挿入され、回転子コア(回転子鉄心)7に埋設されている。
また、図6Bに示すように、スロット(磁石孔)14の第1の永久磁石8Aが挿入される側とは反対側には、回転子5の周方向に細長い1つ以上の第2の永久磁石8Bが挿入され、回転子コア(回転子鉄心)7に埋設されている。
したがって、本実施例では、回転子5の1つの磁極は、1つのスロット(磁石孔)14のそれぞれに挿入された8つの永久磁石8Aと、各々のスロット(磁石孔)14の第1の永久磁石8Aが挿入される側とは反対側に挿入された1つ以上の第2の永久磁石8Bとで構成される。
実施例1(図1及び図2)と同様に、第1の永久磁石8Aは、回転子5の軸方向に細長い形状を有しており、第2の永久磁石8Bは、回転子5の周方向に細長い形状を有している。
本実施例においても、実施例1と同様に、軸方向に細長い磁石(第1の永久磁石8A)を周方向に分割することで、空間高調波起因の磁石渦電流損の低減に効果的である。さらに、第1の永久磁石8Aよりも軸長が短く周方向に細長い第2の永久磁石8Bを併用することで、少ない分割数で回転電機の積厚の細かな調整が可能になる。
図7を参照して、本発明の実施例6の鉄道車両について説明する。本実施例では、実施例1から実施例5で説明した回転電機を鉄道車両に適用した例を説明する。図7は、本発明の回転電機を備えた鉄道車両を示す図である。
図7に示すように、鉄道車両15の回転電機1は、支持部材19により台車16に固定支持されている。回転電機1の回転子5(図示せず)は車軸17と直結し、回転電機1は車軸17を介して車輪18を駆動する。
鉄道車両用の回転電機はトルク密度を高めるため、固定子と回転子間の空隙が狭く、このため空間高調波影響が大きい。
そこで、実施例1から実施例5で説明した回転電機を用いることにより、空間高調波影響を低減でき、これによる磁石渦電流損を低減できる。これにより、鉄道車両15を小型軽量にすることが可能となる。
鉄道車両15の軽量化は、レールや車輪の機械的な損傷を軽減するため、レールおよび車輪の長寿命化にも貢献する。
なお、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、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。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・置換をすることが可能である。
1…回転電機、2…ハウジング、3A,3B…軸受け、4…回転軸、5…回転子、6…固定子、7…回転子コア(回転子鉄心)、8,8A,8B…永久磁石、9…固定子コア(固定子鉄心)、10…固定子コイル(固定子巻線)、11…下コイル、12…上コイル、13…ブリッジ、14…スロット(磁石孔)、15…鉄道車両、16…台車、17…車軸、18…車輪、19…支持部材、20…空間高調波磁束。
Claims (8)
- 1スロットに対して、軸方向および周方向の両方に永久磁石を分割配置した回転子を備える回転電機であって、
前記永久磁石は、前記回転子の軸方向に細長い第1の永久磁石と、
前記回転子の周方向に細長い第2の永久磁石と、を有し、
前記第1の永久磁石の前記回転子の軸方向の長さは、前記第2の永久磁石の前記回転子の軸方向の長さよりも長いことを特徴とする回転電機。 - 請求項1に記載の回転電機であって、
前記永久磁石の長手方向の長さを短手方向の幅で除した値を扁平率と定義すると、
前記第1の永久磁石の扁平率は、前記第2の永久磁石の扁平率よりも大きいことを特徴とする回転電機。 - 請求項1に記載の回転電機であって、
前記第2の永久磁石の長手方向の長さは、前記第1の永久磁石の短手方向の幅の整数倍であることを特徴とする回転電機。 - 請求項1に記載の回転電機であって、
前記第1の永久磁石と前記第2の永久磁石は、同じ外形寸法であることを特徴とする回転電機。 - 請求項1に記載の回転電機であって、
前記第2の永久磁石は、前記回転子の少なくとも一方の軸方向端部に配置されること特徴とする回転電機。 - 請求項1に記載の回転電機であって、
前記第1の永久磁石は、前記回転子の少なくとも一方の軸方向端部に配置されること特徴とする回転電機。 - 請求項6に記載の回転電機であって、
前記第1の永久磁石は、前記回転子の両方の軸方向端部に分割して配置され、
前記第2の永久磁石は、前記第1の永久磁石の間に配置されること特徴とする回転電機。 - 請求項1から7のいずれか1項に記載の回転電機を備えた鉄道車両。
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2021
- 2021-09-10 JP JP2021147995A patent/JP2023040822A/ja active Pending
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2022
- 2022-06-14 WO PCT/JP2022/023729 patent/WO2023037681A1/ja active Search and Examination
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Publication number | Publication date |
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WO2023037681A1 (ja) | 2023-03-16 |
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