JP4627788B2

JP4627788B2 - 永久磁石式回転電機

Info

Publication number: JP4627788B2
Application number: JP2008168045A
Authority: JP
Inventors: 大祐郡; 守木村; 浩幸三上; 誠吉増田; 昌泰藤枝
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2008-06-27
Filing date: 2008-06-27
Publication date: 2011-02-09
Anticipated expiration: 2028-06-27
Also published as: EP2139093A3; JP2010011640A; EP2139093A2; US20090322175A1; US7952249B2

Description

本発明は永久磁石式回転電機に係り、特に回転子鉄心内に永久磁石を備え、自動車或いは電車等に採用される永久磁石式回転電機に関する。

鉄道車輌に使用される回転電機としてはこれまで誘導電動機が用いられてきたが、近年、永久磁石の低価格化や高性能なインバータの普及により、小型軽量化，高効率化を可能とする永久磁石式回転電機を採用する気運が高まっている。

このような中、回転電機の電気特性や強度特性を改善するために、様々な形式の永久磁石式回転子構造が検討されている。特許文献１には、Ｖ字型に配置した永久磁石挿入孔内の隙間部において、Ｖ字型の開口側の磁極部とＶ字の反開口側のヨーク部とを連結させる補強手段を設けたもので、その補強手段を用いることで、回転子内部への漏洩磁束を低減し遠心力に対しての強度も確保している。

特開平１０−２８５８４７号公報

鉄道車輌用電動機の場合、重量が乗り心地に大きく影響するため回転電機の重量低減が重要となる。回転電機を軽量化することにより、出力密度も増加するが回転電機の体格を小型化したことにより、回転機内の磁気飽和の影響が大きくなり、仕様出力を満足するために固定子への通電する電流が増加する。電流が増加したことにより、電気子反作用による磁石渦電流も増加し、それにより磁石が発熱し減磁が問題となる。そのため、磁石渦電流の発熱による減磁対策が必要となる。

特許文献１は、Ｖ字型磁石回転子に関するもので、回転軸に向かって細くなる磁石図を開示しているが、永久磁石の端部が鋭角を成していることから、遠心力に対する応力が問題となる。また、Ｖ字型が中央に連結部が無いため同様に遠心力に対する応力が顕在化する。
本発明は上述の点に鑑みなされたもので、その目的とするところは、回転子外径側の磁石端部に集中して発生する渦電流に対する熱減磁を防止すると共に、遠心力により発生する応力集中を緩和することができる永久磁石式回転電機を提供することにある。

本発明の永久磁石式回転電機は、上記目的を達成するために、固定子と、該固定子と所定間隙をもって対向配置された回転子とを備え、前記回転子を構成する回転子鉄心の磁石スロットに永久磁石が収納されている永久磁石式回転電機において、前記回転子鉄心内に１極を構成する前記永久磁石の配置をＶ字型にすると共に、その１極が交互に極性を変え周方向に沿って配置され、前記永久磁石の厚みが、Ｖ字型の中央部から左右のＶ字型端部に向かうに従い漸増し、かつ、前記永久磁石の両端部には曲線部が設けられていることを特徴とするか、或いは、固定子と、該固定子と所定間隙をもって対向配置された回転子とを備え、前記回転子を構成する回転子鉄心の磁石スロットに永久磁石が収納されている永久磁石式回転電機において、前記回転子鉄心内に１極を構成する前記永久磁石の配置をＶ字型にすると共に、その１極が交互に極性を変え周方向に沿って配置され、前記回転子鉄心の内径側となるＶ字型中央部及びＶ字型の左右端部となる永久磁石の前記回転子鉄心内の最外径側と前記回転子鉄心の外周との間に連結部が設けられ、かつ、前記永久磁石のＶ字型端部となる前記回転子鉄心の外径側の磁石厚さＴ１と、前記Ｖ字型中央部となる前記回転子鉄心の内径側の磁石厚さＴ２とが、Ｔ１＞Ｔ２であり、かつ、前記永久磁石の両端部には曲線部が設けられていることを特徴とする。

本発明の永久磁石式回転電機によれば、回転子外径側の磁石端部に集中して発生する渦電流に対する熱減磁を防止すると共に、遠心力により発生する応力集中を緩和することができる。

以下本発明の詳細を図面を用いながら説明する。各図において同一部分は同じ番号を付与している。

図１は、本発明の永久磁石式回転電機の一実施例を示すものである。該図に示す永久磁石式回転電機１は、８極３６スロットの回転電機であり、数百ｋＷ級の電車用に使用され、３００〜７０００min^-1の範囲で回転する。
永久磁石式回転電機１を構成する固定子２は、継鉄部から内周面に突出した複数のティース３を備える円筒状の固定子鉄心と、ティース３を用いて分布的に素線を巻回したコイル４とを備える分布巻き固定子となっている。コイル４はＵ相，Ｖ相，Ｗ相の３相巻線が施されており、３６スロットで８極が電気的に作られるように巻回されている。
ティース３の間に形成されたスロット５の外径側に上コイル６が配置され、内径側に下コイル７が配置されるようになっている。コイル４は、短節巻と呼ばれる方式で巻回されており、全節巻よりも渦電流損が低減される。
また、コイル４は、スロット５に反時計回りに便宜的につけられた＃１から＃３６までの番号のうち、＃１スロットの下コイル７から出た素線が、＃５の上コイル６に入るように結線されており、この結線が周方向に繰り返され３相巻線を構成している。＃５スロットの番号は、スロット数３６を極数８で除算した４.５を四捨五入し５とした値である。巻線ピッチと磁極ピッチとの比（短節度）を５／６にすることにより、第５次と第７次の空間高調波が低減される。
尚、本実施形態では、８極３６スロットの組合せを採用したが、その他の極数、スロット数の組合せ、さらに集中巻や全節巻との組合せでもよい。

回転子８は、固定子２と同軸に回転可能となるよう配置され、回転子鉄心９の軸にシャフト１０が固定されている。回転子鉄心９の外周部に１極を構成する磁石スロット１１がＶ字型に配置され、磁石スロット１１に永久磁石１２が埋設されている。永久磁石１２は、１極あたり２個ずつ同極磁石がＶ字型に計１６個埋設されている。埋設された永久磁石１２の磁石形状は、Ｖ字型中央の回転子鉄心９の内径側となる磁石端部厚さが、Ｖ字型左右端部となる回転子鉄心９の外径側に向かって磁石厚さが増していき、且つ、磁石端部に曲線部１３を設けている。また、Ｖ字型中央の回転子鉄心９の内径側に連結部１４を設け、Ｖ字型の左右端部となる永久磁石の回転子鉄心内の最外径側と回転子鉄心９の外周との間に連結部１５を設けている。連結部１４，１５を設けることで、回転子鉄心９の剛性を上げ遠心力による応力を低減することができる。平板磁石を用いた場合では、集中応力を低減するために磁石スロットに曲線部を設けるのだが、曲線部を設けるには永久磁石の断面積以上の磁石スロット断面積が必要となる。本実施例のように、磁石スロット１１の形状を永久磁石１２の形状と相似成形することで、永久磁石１２と磁石スロット１１の空隙を低減することができ、永久磁石１２からの有効磁束が多くなる。また、遠心力による永久磁石１２の移動を制限できる。また、永久磁石の錆び，傷，欠け等を防止するために、永久磁石表面に塗装やメッキ処理などの表面処理を施す。その際、平板磁石を用いると磁石端部は角部を有しているため、ダレやたまり，表面厚さのばらつきなどにより大きな寸法誤差を生じる。そのため、回転子鉄心の磁石スロット寸法が大きくなり、永久磁石と磁石スロット間の空隙部が増加し磁気特性を悪化させる。本実施例のように磁石端部に曲線部を設けるとにより、均一な表面処理厚さを得やすくなり磁石の寸法誤差を低減でき、永久磁石と磁石スロット間の空隙部も低減でき磁気特性の悪化を防止できる効果がある。

図２は、永久磁石の形状を示した図である。永久磁石１２の永久磁石厚さは、Ｖ字型に配置した時の回転子鉄心外径側となる永久磁石端部をＴ１とし、回転子鉄心内径側となる永久磁石端部をＴ２とした時、Ｔ１＞Ｔ２になるよう厚みを設定する。渦電流が多く発生する箇所は、回転子鉄心外形側となる永久磁石端部である。この渦電流により、発熱し永久磁石が減磁する。減磁を防止するには、渦電流が多く発生する永久磁石端部の厚さを厚くすることが有効となる。永久磁石厚さが厚くなることにより、パーミアンス係数が大きくなり発熱による減磁を防止できる。また、永久磁石１２のＶ字型端部となる回転子鉄心外径側の磁石端部に曲線部を２ヶ所設け、それぞれの曲線半径をＲａ１，Ｒｂ１とし、Ｖ字型の中央となる回転子鉄心内径側の磁石端部にも曲線部を２ヶ所設け、それぞれの曲線半径をＲａ２，Ｒｂ２とした時、Ｒａ１は０＜Ｒａ１≦Ｔ１、Ｒｂ１は０＜Ｒｂ１≦Ｔ１、Ｒａ２は０＜Ｒａ２≦Ｔ２、Ｒｂ２は０＜Ｒｂ２≦Ｔ２の範囲に設定することで、遠心力により発生する集中応力を緩和することができる。また、永久磁石１２のＶ字型端部となる回転子鉄心外径側の磁石端部に曲線部を１ヶ所、Ｖ字型の中央となる回転子鉄心内径側の磁石端部にも曲線部を１ヶ所とし、それぞれの曲線半径をＲ１，Ｒ２とした時、Ｒ１は０＜Ｒ１≦Ｔ１、Ｒ２は０＜Ｒ２≦Ｔ２の範囲と設定しても同様の効果が期待できる。尚、本図ではＲａ１＞Ｒｂ１，Ｒａ２＞Ｒｂ２としているが上記の条件での範囲内であれば、他の組合せでもよい。

本実施例ではＴ１，Ｔ２の条件をＴ１／Ｔ２（Ｔ１＞Ｔ２）比をとり、Ｔ１／Ｔ２比の最適範囲として、１.５＜Ｔ１／Ｔ２＜３.８としている。この関係を図３を用いて説明する。

図３はＴ１／Ｔ２比とトルク規格化値と減磁温度規格化値との関係を示す。横軸は、Ｔ１の数値を大きくすると、減磁温度の上限は高くなるがトルクは低下する傾向となる。線２０はトルク規格化値を示し、仕様トルクが満足される値を１に規格化している。また、線２１は減磁温度規格値を示し、減磁が発生する温度を１に規格化している。トルク規格化値に着目すると、目標トルクを満足するには１以上とする必要がある。一方、減磁温度に着目すると、減磁温度規格化値を１以下にすれば目標値を満足する。よって、両者を満足するには同図からＴ１／Ｔ２比を３.８以下であればトルク規格化値を満足し、Ｔ１／Ｔ２比が１.５以上であれば、減磁温度規格値を満足することができ、永久磁石式回転電動機として問題なく作動させることが可能となる。このため、Ｔ１＞Ｔ２としＴ１／Ｔ２比を１.５＜Ｔ１／Ｔ２＜３.８と設定することが望ましい。尚、Ｔ１とＴ２を設定する際、平板磁石を基準（Ｔ１＝Ｔ２）とした時の平板磁石断面積と同じ面積になるよう、Ｔ１，Ｔ２を設定することが望ましい。こうすることで、永久磁石の使用量を増やすことなく、効果を得られるのでコストを抑えられる。

図４は、本発明の第２実施例となる回転子の１／２端部断面図となる。第１実施例で示した、回転子８のＶ字型中央となる回転子鉄心９の外周部に凹部１６を設けてもよい。凹部１６を設けることで、Ｖ字型の中央部となる鉄心重量を低減でき、Ｖ字型中央の回転子鉄心９の内径側となる連結部１４の集中応力を低減できる。さらに、凹部１６を設けた部分に空気層ができるため、永久磁石１２へ伝達される温度を低減できる。また、同様にＶ字型中央となる回転子鉄心９の内径側の連結部１４とＶ字型中央の回転子鉄心９の外周との間に空孔を設けても同様の効果が得られる。

図５は、本発明の第３実施例となる回転子の１／２端部断面図となる。第１実施例，第２実施例で示した、回転子８の極性が異なる極間外周に凹部１６を設けてもよい。凹部１６をもうけることで、空気層ができるため永久磁石１２へ伝達される温度を低減できる。

図６は、本発明の第４実施例となる回転子の１／２端部断面図となる。第１実施例，第２実施例及び第３実施例で示した回転子８のＶ字型に配置した永久磁石１２を、Ｖ字型の傾斜角と直交するように分割してもよい。永久磁石１２を分割することで、渦電流を低減することができる。さらに、図７に示すように、分割した永久磁石間に連結部１７を設けてもよい。連結部１７を増やすことで、回転子鉄心９の剛性を上げ遠心力による応力を低減することができる。

図８は、本発明の第５実施例となる回転子の軸方向断面図となる。第１実施例，第２実施例及び第３実施例で示した、永久磁石１２を軸方向に分割して埋設してもよい。軸方向に分割し埋設することにより、回転子８の組立性を向上することができる。

図９は、本発明の回転電機を自動車に適用した例を示す。自動車１００は、第１実施例から第４実施例で示した永久磁石式回転電機１、増速ギア１０１，車輪１０２を備え、永久磁石式回転電機１が増速ギア１０１を介して車輪１０２を駆動する。また、永久磁石式回転電機１は図中では１台のみだが複数台、搭載し駆動することも可能である。

図１０は、本発明の回転電機を電車に適用した例を示す。電車２００は、台車２０１に第１実施例から第４実施例で示した永久磁石式回転電機１，増速ギア１０１，車輪１０２を備え、永久磁石式回転電機１が増速ギア１０１を介して車輪１０２を駆動する。また、永久磁石式回転電機１は図中では２台だが、１台又は２台以上となる複数台、搭載し駆動することも可能である。

回転電機の実施方法を示した説明図である。（実施例１）永久磁石形状を示した説明図である。（実施例１）永久磁石厚さとトルク規格化値と減磁温度規格化値の関係を示した説明図である。（実施例１）回転電機の実施方法を示した説明図である。（実施例２）回転電機の実施方法を示した説明図である。（実施例３）回転電機の実施方法を示した説明図である。（実施例４）回転電機の実施方法を示した説明図である。（実施例４）回転電機の実施方法を示した説明図である。（実施例５）回転電機の実施方法を示した説明図である。（実施例６）回転電機の実施方法を示した説明図である。（実施例７）

符号の説明

１永久磁石式回転電機
２固定子
３ティース
４コイル
５スロット
６上コイル
７下コイル
８回転子
９回転子鉄心
１０シャフト
１１磁石スロット
１２永久磁石
１３曲線部
１４，１５，１７連結部
１６凹部
１００自動車
１０１増速ギア
１０２車輪
２００電車
２０１台車

Claims

固定子と、該固定子と所定間隙をもって対向配置された回転子とを備え、前記回転子を構成する回転子鉄心の磁石スロットに永久磁石が収納されている永久磁石式回転電機において、
前記回転子鉄心内に１極を構成する前記永久磁石の配置をＶ字型にすると共に、その１極が交互に極性を変え周方向に沿って配置され、前記永久磁石の厚みが、Ｖ字型の中央部から左右のＶ字型端部に向かうに従い漸増し、かつ、前記永久磁石の両端部には曲線部が設けられていることを特徴とする永久磁石式回転電機。
前記永久磁石の両端部に設けられている曲線部は、前記永久磁石のＶ字型端部となる前記回転子鉄心の外径側の磁石厚さＴ１と、前記永久磁石の外径側の曲線半径Ｒ１と、前記Ｖ字型中央部となる前記回転子鉄心の内径側の磁石厚さＴ２と、前記永久磁石の内径側の曲線半径Ｒ２とが、０＜Ｒ１≦Ｔ１、０＜Ｒ２≦Ｔ２であることを特徴とする請求項１に記載の永久磁石式回転電機。
固定子と、該固定子と所定間隙をもって対向配置された回転子とを備え、前記回転子を構成する回転子鉄心の磁石スロットに永久磁石が収納されている永久磁石式回転電機において、
前記回転子鉄心内に１極を構成する前記永久磁石の配置をＶ字型にすると共に、その１極が交互に極性を変え周方向に沿って配置され、前記回転子鉄心の内径側となるＶ字型中央部及びＶ字型の左右端部となる永久磁石の前記回転子鉄心内の最外径側と前記回転子鉄心の外周との間に連結部が設けられ、かつ、前記永久磁石のＶ字型端部となる前記回転子鉄心の外径側の磁石厚さＴ１と、前記Ｖ字型中央部となる前記回転子鉄心の内径側の磁石厚さＴ２とが、Ｔ１＞Ｔ２であり、かつ、前記永久磁石の両端部には曲線部が設けられていることを特徴とする永久磁石式回転電機。
前記Ｖ字型に配置された永久磁石は、Ｖ字型の傾斜角度と直交するよう分割されていることを特徴とする請求項１又は３に記載の永久磁石式回転電機。
前記回転子鉄心の磁石スロットは、前記永久磁石の形状と相似成形されていることを特徴とする請求項１又は３に記載の永久磁石式回転電機。
前記固定子は、継鉄部から内周面に突出した複数のティ−スを有し、前記ティ−スに集中巻或いは分布巻によりコイルが巻回されていることを特徴とする請求項１又は３に記載の永久磁石式回転電機。
前記回転子のＶ字型中央部となる回転子鉄心の外周部に凹部を設けたことを特徴とする請求項１又は３に記載の永久磁石式回転電機。
前記回転子の極性が異なる極間の回転子鉄心の外周部に凹部を設けたことを特徴とする請求項１又は３に記載の永久磁石式回転電機。
前記回転子のＶ字型中央部となる回転子鉄心の内周側の連結部とＶ字型中央部の回転子鉄心の外周との間に空孔を設けたことを特徴とする請求項１又は３に記載の永久磁石式回転電機。
前記Ｖ字型に配置された永久磁石は、軸方向に分割されていることを特徴とする請求項１又は３に記載の永久磁石式回転電機。
永久磁石式回転電機が、増速ギアを介して車輪を駆動する自動車システムであって、
前記永久磁石式回転電機は、請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の永久磁石式回転電機であることを特徴とする自動車システム。
台車に永久磁石式回転電機，増速ギア，車輪を備え、前記永久磁石式回転電機が、前記増速ギアを介して車輪を駆動する電車システムであって、
前記永久磁石式回転電機は、請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の永久磁石式回転電機であることを特徴とする電車システム。