WO2023037681A1 - 回転電機及びそれを用いた鉄道車両 - Google Patents

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permanent magnet
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electric machine
permanent magnets
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誠 伊藤
暁史 高橋
周一 民谷
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株式会社日立インダストリアルプロダクツ
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00—Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/22—Rotating parts of the magnetic circuit
    • H02K1/27—Rotor cores with permanent magnets
    • H02K1/2706—Inner rotors
    • H02K1/272—Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis
    • H02K1/274—Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis the rotor consisting of two or more circumferentially positioned magnets
    • H02K1/2753—Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis the rotor consisting of two or more circumferentially positioned magnets the rotor consisting of magnets or groups of magnets arranged with alternating polarity
    • H02K1/276—Magnets embedded in the magnetic core, e.g. interior permanent magnets [IPM]
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    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/64—Electric machine technologies in electromobility

Definitions

  • the present invention relates to the structure of a rotating electrical machine, and more particularly to a technique that is effective when applied to a rotating electrical machine having a rotor with permanent magnets for a field system.
  • Magnet division is known as a means of reducing the magnet eddy current loss of PMSM. It is generally known that in order to effectively reduce the magnet eddy current loss, the number of divided magnets should be increased or the magnets should be divided flatly.
  • Patent Document 1 describes a method for assembling a rotor used in an IPM type permanent magnet rotating machine, in which a plurality of permanent magnet segments are arranged inside the rotor and the permanent magnet segments are composed of a plurality of magnet pieces, The plurality of magnet segments are inserted into the respective permanent magnet segment accommodating portions provided inside the rotor in a state in which the magnet segments are not fixed, stacked in the rotation axis direction of the rotor, and then stacked.
  • a method for assembling a rotor for an IPM-type permanent magnet rotating machine which includes a step of fixing the magnet pieces in the permanent magnet segment housings.
  • Spatial harmonic magnetic flux is the cause of magnet eddy current loss, and in order to reduce magnet eddy current loss, it is necessary to reduce the effect of this spatial harmonic.
  • the flatness of the magnet can be increased, which is effective in reducing magnet eddy loss.
  • Patent Document 1 an idea is proposed to reduce the magnet eddy current loss by dividing the magnet finely into dice and simply increasing the number of divisions. A decrease in magnetic flux due to a decrease in the space factor of the magnet becomes a problem.
  • an object of the present invention is to provide a rotary electric machine having a permanent magnet for a magnetic field in its rotor, which has a high degree of freedom in design while effectively reducing magnet eddy current loss, and a railway vehicle using the same. is to provide
  • the present invention provides a rotating electric machine having a rotor in which permanent magnets are divided and arranged in both the axial direction and the circumferential direction with respect to one slot, wherein the permanent magnets are arranged in the rotor and a second permanent magnet elongated in the circumferential direction of the rotor, wherein the length of the first permanent magnet in the axial direction of the rotor is the The length of the second permanent magnet in the axial direction of the rotor is longer than that of the rotor.
  • a rotary electric machine with a high degree of freedom in design while effectively reducing magnet eddy current loss and a railway vehicle using the rotary electric machine are realized. can do.
  • FIG. 1 is a perspective view of a rotor according to Example 1 of the present invention
  • FIG. FIG. 2 is a diagram showing an arrangement example of permanent magnets in FIG. 1; It is a figure which shows the example of arrangement
  • 5B is a top view of the rotor of FIG. 5A;
  • FIG. Figure 5B is a bottom view of the rotor of Figure 5A; FIG.
  • FIG. 11 is a diagram showing an example of arrangement of permanent magnets according to Example 5 of the present invention
  • (top view of rotor) 6B is a bottom view of the rotor of FIG. 6A
  • FIG. FIG. 10 is a diagram showing a railway vehicle equipped with a rotating electric machine according to Embodiment 6 of the present invention
  • 1 is a schematic cross-sectional view of a rotating electric machine according to an embodiment of the present invention
  • FIG. FIG. 4 is a diagram conceptually showing spatial harmonic magnetic flux in a rotor core;
  • the side closer to the rotation axis of the rotor of the rotating electric machine is defined as the “inner peripheral side”
  • the farther side is defined as the “outer peripheral side”.
  • the direction of a straight line perpendicular to the axis of rotation of the rotor is called the “radial direction”
  • the direction of rotation around the axis of rotation of the rotor is called the “circumferential direction”
  • the direction of a straight line parallel to the axis of rotation of the rotor is called the "axial direction.” direction”.
  • FIG. 8 is a schematic cross-sectional view of a rotating electric machine, showing a permanent magnet synchronous motor (PMSM) as an example.
  • FIG. 9 is a diagram conceptually showing the spatial harmonic magnetic flux in the rotor core.
  • PMSM permanent magnet synchronous motor
  • the rotary electric machine 1 includes a housing 2, a rotating shaft 4 rotatably supported by the housing 2 via bearings 3A and 3B, and a rotor 5 having magnetic poles supported by the rotating shaft 4. and a stator 6 arranged to face the rotor 5 with a gap in the circumferential direction therebetween.
  • FIG. 8 shows an example of an inner rotor structure in which the rotor 5 is rotatably supported on the inner peripheral side of the stator 6, the rotor 5 is rotatably supported on the outer peripheral side of the stator 6. It may be a supported outer rotor structure.
  • the present invention is applicable to both the inner rotor structure and the outer rotor structure.
  • the rotor 5 includes a rotor core (rotor iron core) 7 made of a magnetic material and a plurality of permanent magnets 8 inserted into slots (magnet holes) (not shown) provided in the rotor core 7 .
  • the rotor 5 rotates around the rotation axis.
  • the rotor core (rotor core) 7 is constructed by laminating a plurality of core sheets.
  • the rotor core (rotor core) 7 may be composed of an integrally molded solid member. Further, it may be configured by compression-molding a powder magnetic material such as a powder magnetic core, or may be configured by an amorphous metal or a nanocrystalline material.
  • the rotor 5 may be connected to the load directly or through a structural member such as the rotating shaft 4 or the housing 2, and the rotation of the rotor 5 may transmit rotation and torque to the load.
  • FIG. 8 shows an example of a so-called embedded magnet type motor having slots (magnet holes) into which permanent magnets 8 are inserted in the rotor core (rotor iron core) 7.
  • a so-called surface magnet type motor arranged on the surface of the core (rotor core) 7 may be used.
  • the stator 6 includes a stator core (stator core) 9 made of a magnetic material supported by the housing 2 and a stator coil (stator winding) 10 attached to the stator core 9 .
  • the stator core 9 is constructed by laminating a plurality of core sheets.
  • the stator core 9 may be composed of an integrally molded solid member. Further, it may be configured by compression-molding a powder magnetic material such as a powder magnetic core, or may be configured by an amorphous metal or a nanocrystalline material.
  • the rotor 5 and the stator 6 have the same central axis (rotating axis).
  • FIG. 9 show one pole of the rotor core 7, respectively.
  • a rotating electric machine generates spatial harmonic magnetic flux due to the shape of the stator and rotor.
  • Spatial harmonic magnetic flux is a magnetic flux component in which multiple N and S poles exist in the pitch of one pole of the fundamental wave. When this magnetic flux pulsates against the permanent magnet, eddy currents are generated in the magnet, and the magnet eddy current loss occurs.
  • the inventors of the present application have found that by dividing the permanent magnet in the circumferential direction, the eddy current paths in the magnet can be divided and the electrical resistance of each eddy current path can be increased. It has been found that the magnet eddy current loss generated in the magnet can be reduced, and therefore, from the standpoint of reducing the effect of spatial harmonics, it is preferable to divide the magnets in the circumferential direction.
  • FIG. 1 is a perspective view of a rotor 5 of this embodiment
  • FIG. 2 is a diagram showing an arrangement example of permanent magnets in FIG.
  • the rotor 5 of the rotary electric machine of this embodiment has permanent magnets 8A and 8B arranged in both the axial direction and the circumferential direction with respect to one slot (magnet hole) provided in the rotor 5 . are arranged separately.
  • the permanent magnets include first permanent magnets 8A elongated in the axial direction of the rotor 5 and second permanent magnets 8B elongated in the circumferential direction of the rotor 5 .
  • the length of the first permanent magnets 8A in the axial direction of the rotor 5 is longer than the length of the second permanent magnets 8B in the axial direction of the rotor 5 .
  • the permanent magnet is long and thin, and includes both the first permanent magnet 8A inserted into the slot (axial direction) from the longitudinal direction and the second permanent magnet 8B inserted from the lateral direction into the slot direction,
  • the axial length of the first permanent magnet 8A is longer than the axial length of the second permanent magnet 8B.
  • FIG. 2 shows a more specific arrangement example of permanent magnets.
  • a first permanent magnet 8A elongated in the axial direction of the rotor 5 is divided into a plurality (six in FIG. 2) in the circumferential direction of the rotor 5 and arranged in one slot (magnet hole).
  • the second permanent magnets 8B elongated in the circumferential direction of the rotor 5 are divided into a plurality (two in FIG. 2) in the axial direction of the rotor 5 and arranged in the same slot (magnet hole).
  • the oblateness of the first permanent magnet 8A is (l A /w A ) is equal to or greater than the flatness (l B /w B ) of the second permanent magnet 8B, more preferably larger than the flatness (l B /w B ) of the second permanent magnet 8B. It is preferred to By increasing the oblateness of the first permanent magnet 8A, the effect of reducing magnet eddy current loss due to spatial harmonics can be improved.
  • the length of the second permanent magnet 8B in the longitudinal direction be an integral multiple of the length of the first permanent magnet 8A in the width direction.
  • the permanent magnets 8A and 8B can be arranged in one slot (magnet hole) without providing an extra gap, and the space factor of the magnets can be improved.
  • first permanent magnet 8A and the second permanent magnet 8B have the same external dimensions, the first permanent magnet 8A and the second permanent magnet can be shared (standardized). The need for separate formation is eliminated, the manufacturing process of the rotating electric machine can be simplified, and the rotating electric machine can be supplied at low cost.
  • the eddy current paths in the permanent magnets can be divided, and the electrical resistance of each eddy current path can be increased. Therefore, the magnet eddy current loss generated in the rotor 5 can be reduced.
  • Using the first permanent magnet 8A is effective in reducing magnet eddy current loss caused by spatial harmonics.
  • the magnet eddy current loss caused by spatial harmonics can be reduced. Effective. Further, by using the second permanent magnet 8B which has a shorter axial length than the first permanent magnet 8A and which is elongated in the circumferential direction, it is possible to finely adjust the lamination thickness of the rotary electric machine with a small number of divisions.
  • the axially elongated first permanent magnet 8A is divided in the circumferential direction and arranged
  • the circumferentially elongated second permanent magnet 8B is divided in the axial direction and arranged.
  • FIG. 3 is a diagram showing an arrangement example of permanent magnets in this embodiment, which corresponds to a modification of the first embodiment (FIG. 2).
  • the rotor 5 of the rotating electrical machine of this embodiment has a second permanent magnet 8B arranged at at least one axial end of the rotor 5 .
  • FIG. 3 shows an example in which they are arranged at both axial ends of the rotor 5 .
  • the axial position of the first permanent magnet 8A is aligned in the process of inserting the second permanent magnet 8B.
  • the magnet space factor can be increased.
  • FIG. 4 is a diagram showing an arrangement example of permanent magnets in this embodiment, which corresponds to a modification of the first embodiment (FIG. 2).
  • the rotor 5 of the rotating electric machine of this embodiment has the first permanent magnets 8A arranged at at least one axial end of the rotor 5. As shown in FIG. FIG. 4 shows an example in which they are arranged at both axial ends of the rotor 5 .
  • the first permanent magnets 8A are arranged separately at both axial ends of the rotor 5 and the second permanent magnets 8B are arranged between the first permanent magnets 8A.
  • a coil end is a coil portion protruding from an axial end of the stator core 9 in order to allow the coil passing through the stator slot to cross to the other slot.
  • FIG. 5A is a diagram showing an arrangement example of permanent magnets of the rotating electrical machine of this embodiment, and is a cross-sectional view of the rotor 5 and stator 6 of the rotating electrical machine 1 in FIG. 8 as seen from the axial direction.
  • 5B is a top view of the rotor 5 of FIG. 5A and
  • FIG. 5C is a bottom view of the rotor 5 of FIG. 5A.
  • the rotating electrical machine of this embodiment is composed of a stator 6 and a rotor 5 rotatably arranged inside the stator 6 with a predetermined gap.
  • the stator 6 has a stator core (stator core) 9 made of a magnetic material.
  • a stator core (stator core) 9 has a plurality of stator coils (stator windings) 10 arranged at regular intervals in the circumferential direction.
  • a stator coil (stator winding) 10 is composed of a lower coil 11 arranged on the inner peripheral side of a stator core (stator iron core) 9 and an upper coil 12 arranged on the outer peripheral side of the lower coil 11. It is configured.
  • the rotor 5 has a rotor core (rotor iron core) 7 made of a magnetic material, as shown in FIGS. 5A and 5B.
  • a plurality of slots (magnet holes) 14 are arranged in the rotor core (rotor iron core) 7 in the circumferential direction.
  • Four first permanent magnets 8 A divided in the circumferential direction of the rotor 5 are inserted into each of the slots (magnet holes) 14 and embedded in the rotor core (rotor iron core) 7 .
  • one or more second permanent magnets elongated in the circumferential direction of the rotor 5 are provided on the side of the slot (magnet hole) 14 opposite to the side where the first permanent magnet 8A is inserted.
  • a magnet 8B is inserted and embedded in the rotor core (rotor iron core) 7 .
  • one magnetic pole of the rotor 5 consists of four permanent magnets 8A inserted into each of two slots (magnet holes) 14, a total of eight permanent magnets 8A, and each slot (magnet hole). ) 14 consists of one or more second permanent magnets 8B inserted on the side opposite to the side where the first permanent magnets 8A are inserted, for a total of two or more second permanent magnets 8B.
  • the first permanent magnet 8A has an elongated shape in the axial direction of the rotor 5
  • the second permanent magnet 8B has a shape extending around the rotor 5. It has an elongated shape.
  • Reference numeral 13 in FIGS. 5A to 5C indicates a bridge.
  • the bridge 13 is a narrow portion of the rotor core 7 sandwiched between the slot (magnet hole) 14 and the end of the rotor core 7 (the surface on the side of the circumferential air gap), and mechanically connects the rotor core 7 and the permanent magnets 8. It is a structural part that supports the
  • the present embodiment similarly to the first embodiment, by dividing the axially elongated magnet (the first permanent magnet 8A) in the circumferential direction, it is effective to reduce magnet eddy current loss caused by spatial harmonics. be. Further, by using the second permanent magnet 8B which has a shorter axial length than the first permanent magnet 8A and which is elongated in the circumferential direction, it is possible to finely adjust the lamination thickness of the rotary electric machine with a small number of divisions.
  • FIG. 6A is a diagram showing an arrangement example of permanent magnets of the rotating electrical machine of this embodiment, and is a top view of the rotor 5.
  • FIG. 6B is a bottom view of the rotor 5 of FIG. 6A.
  • first permanent magnets 8A divided in the circumferential direction of the rotor 5 are inserted into each of the slots (magnet holes) 14, and the rotor core (rotor iron core) is inserted. )7.
  • one or more second permanent magnets elongated in the circumferential direction of the rotor 5 are provided on the side of the slot (magnet hole) 14 opposite to the side where the first permanent magnet 8A is inserted.
  • a magnet 8B is inserted and embedded in the rotor core (rotor iron core) 7 .
  • one magnetic pole of the rotor 5 consists of eight permanent magnets 8A inserted into one slot (magnet hole) 14 and the first permanent magnet 8A of each slot (magnet hole) 14. It is composed of one or more second permanent magnets 8B inserted on the side opposite to the side on which the magnet 8A is inserted.
  • the first permanent magnet 8A has an elongated shape in the axial direction of the rotor 5
  • the second permanent magnet 8B has a shape extending around the rotor 5. It has an elongated shape.
  • the present embodiment similarly to the first embodiment, by dividing the axially elongated magnet (the first permanent magnet 8A) in the circumferential direction, it is effective to reduce magnet eddy current loss caused by spatial harmonics. be. Further, by using the second permanent magnet 8B which has a shorter axial length than the first permanent magnet 8A and which is elongated in the circumferential direction, it is possible to finely adjust the lamination thickness of the rotary electric machine with a small number of divisions.
  • FIG. 7 is a diagram showing a railway vehicle equipped with the rotating electric machine of the present invention.
  • the rotary electric machine 1 of the railway vehicle 15 is fixedly supported by the bogie 16 by the support member 19 .
  • a rotor 5 (not shown) of the rotating electrical machine 1 is directly connected to an axle 17 , and the rotating electrical machine 1 drives wheels 18 via the axle 17 .
  • the gap between the stator and rotor is narrow, so the effect of spatial harmonics is large.
  • the railway vehicle 15 can be made smaller and lighter.
  • Reducing the weight of the railcar 15 reduces mechanical damage to the rails and wheels, and thus contributes to extending the life of the rails and wheels.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiments, and includes various modifications.
  • the above-described embodiments have been described in detail in order to explain the present invention in an easy-to-understand manner, and are not necessarily limited to those having all the described configurations.
  • it is possible to replace part of the configuration of one embodiment with the configuration of another embodiment and it is also possible to add the configuration of another embodiment to the configuration of one embodiment.

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Abstract

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。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。

Description

回転電機及びそれを用いた鉄道車両
　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。
特開２０１１－７８２６８号公報
　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。
本発明の実施例１に係る回転子の斜視図である。 図１の永久磁石の配置例を示す図である。 本発明の実施例２に係る永久磁石の配置例を示す図である。 本発明の実施例３に係る永久磁石の配置例を示す図である。 本発明の実施例４に係る永久磁石の配置例を示す図である。 図５Ａの回転子の上面図である。 図５Ａの回転子の下面図である。 本発明の実施例５に係る永久磁石の配置例を示す図である。（回転子の上面図） 図６Ａの回転子の下面図である。 本発明の実施例６に係る回転電機を備えた鉄道車両を示す図である。 本発明の実施例に係る回転電機の概略断面図である。 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。
　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。
　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. 　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。
  2. 　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。
  3. 　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。
  4. 　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。
  5. 　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。
  6. 　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。
  7. 　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。
  8. 　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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JP2004040898A (ja) * 2002-07-03 2004-02-05 Nsk Ltd ブラシレスモータ

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