JP2009201343A - 永久磁石回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】回転電機の形状を軸方向に薄くし軽量化を図り、しかも高出力が得られる永久磁石回転電機を提供することである。
【解決手段】電機子巻線４を有する固定子６と、固定子６に対し回転可能に支持されハルバッハ配列された永久磁石を有する回転子５とからなる永久磁石回転電機において、回転子５の回転中心から周方向にハルバッハ配列された２列の永久磁石列２、３を設け、永久磁石列２、３の間に固定子６の電機子巻線４を設け、永久磁石列２、３は、永久磁石列２、３の外側永久磁石の磁極の向きと永久磁石列の内側永久磁石の磁極の向きとが、径方向の磁極の向きについては同一方向で、周方向の磁極向きについては逆方向に構成されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電機子巻線を有する固定子に対し回転可能に支持された回転子にハルバッハ配列された永久磁石を有する永久磁石回転電機に関する。

永久磁石をハルバッハ配列した永久磁石回転電機は、径方向にＮ極とＳ極とを交互に配置した主磁極磁石と、この主磁極磁石の周方向両面に径方向以外（例えば周方向）に着磁された補助磁石を備えたものである（例えば、特許文献１、２参照）。永久磁石をハルバッハ配列した永久磁石回転電機の主磁極磁石と補助磁石とは、全体で略円筒状をなしており、永久磁石をハルバッハ配列にすると、特定の方向の磁力を強めることができる。このハルバッハ配列された永久磁石を有する回転電機は、大きくすることなく高出力化を図ることが可能になる。

図１８は、従来のハルバッハ配列した永久磁石列を有する回転電機の磁束密度分布を示した磁束密度分布図である。ヨーク鉄心１５に電機子巻線４が巻かれており、永久磁石１６、電機子巻線４、ヨーク鉄心１５の間に磁束が形成される。
特開２００６−３２０１０９号公報（第１図） 特開２００４−３５０４２７号公報（第１乃至２図）

しかし、特許文献１のものでは、固定子や回転子に鉄心を用いているため回転電機の質量が重くなり、高出力を図るには、回転電機の軸方向若しくは径方向に長くする必要がある。また、特許文献２のものにおいても、固定子に鉄心を用いているため回転電機の質量が重くなり、高出力を図るには、回転電機の軸方向若しくは径方向に長くする必要がある。

本発明の目的は、回転電機の形状を軸方向に薄くし軽量化を図り、しかも高出力が得られる永久磁石回転電機を提供することである。

本発明の永久磁石回転電機は、電機子巻線を有する固定子と、前記固定子に対し回転可能に支持されハルバッハ配列された永久磁石を有する回転子とからなる永久磁石回転電機において、前記回転子の回転中心から周方向にハルバッハ配列された２列の永久磁石列を設け、前記永久磁石列の間に前記固定子の電機子巻線を設け、前記永久磁石列は、永久磁石列の外側永久磁石の磁極の向きと永久磁石列の内側永久磁石の磁極の向きとが、径方向の磁極の向きについては同一方向で、周方向の磁極向きについては逆方向に向いていることを特徴とする。

回転子にハルバッハ配列された永久磁石列は、外側に配置した永久磁石列が内側に配置した永久磁石列より径方向に長く、または、内側に配置した永久磁石列が外側に配置した永久磁石列より径方向に長く形成される。

ハルバッハ配列された永久磁石列を配置した回転子は、非磁性金属部材または樹脂部材で形成される。また、固定子は、非磁性金属部材または樹脂部材で形成される。さらに、固定子に配置した電機子巻線は、集中巻きの巻線またはプリント基板で形成される。また、固定子に配置した電機子巻線は、その電機子巻線に対向する永久磁石面の幅より広く形成される。

固定子に配置した電機子巻線は、炭素線、超電導線または高温超電導線のいずれかを用いる。外側に配置したハルバッハ配列の永久磁石列の外側、または内側に配置したハルバッハ配列の永久磁石列の内側、または外側に配置したハルバッハ配列の永久磁石列の外側及び内側に配置したハルバッハ配列の永久磁石列の内側の双方に強磁性部材を備える。

回転子に配置された永久磁石列は、回転子の周方向または軸方向に非磁性部材で構成された永久磁石押さえ機構で保持され、または永久磁石を非磁性部材で形成されたケースに収納して保持される。回転子に配置された永久磁石列の永久磁石押さえ機構は、帯状の板、または、ワイヤーで構成される。

電機子巻線は、非磁性部材で形成された巻線の巻取り部材に集中巻きされ、集中巻きされた巻取り部材ごと固定子に取付けられる構造である。また、巻線の巻取り部材に集中巻きされた巻線は、集中巻きされた巻取り部材ごと樹脂で含浸し、固定子に固定する構造である。

永久磁石列の永久磁石は、希土類磁石（例えばネオジム磁石）で形成されていること、または、ネオジム磁石の中にジスプロシウムを添加させたもので形成されている。永久磁石列の個々の永久磁石は、磁極の向きが周方向に向いた磁石と磁極の向きが径方向に向いた磁石とを別々に回転子に取付ける。磁極の向きが周方向に向いた永久磁石を回転子に取付ける場合、磁極の向きが径方向に向いた永久磁石を取付ける位置に非磁性部材で形成された磁石取付けサポートを用い、磁石取付けサポートをガイドに永久磁石を取付ける。

本発明によれば、回転電機の形状を軸方向に薄くし軽量化を図り、しかも高出力が得られる永久磁石回転電機を提供できる。

図１は本発明の実施の形態に係わる永久磁石回転電機の一例の軸方向断面図である。永久磁石回転電機１は、固定子６に電機子巻線４及びとシャフト７が形成され、回転子５に永久磁石列２、３及び軸受１４が形成されて構成される。

固定子６には、中心にシャフト７と電機子巻線４を取付けるための凸部とが形成されている。電機子巻線４は、例えば三相交流を用いる場合、Ｕ相−Ｖ相−Ｗ相の順に巻かれている。固定子６と回転子５との間には、軸受１４が構成されており、回転子５は固定子６の上で回転する構造になっている。回転子５にはハルバッハの配列で構成された略円筒形状の２列の永久磁石列２、３が周方向に設けられている。回転子５は、固定子６に対向する側に凸部を２列有し、回転子５の外側の凸部には永久磁石列（外側）２の永久磁石１６を、内側の凸部には永久磁石列（内側）３の永久磁石１６が例えば接着等により取付けられている。そして、回転子５に取り付けられた永久磁石列２、３の間に電機子巻線４を配置するように構成されている。

図２は、本発明の実施の形態の永久磁石回転電機の一例の径方向断面図である。回転子５に取り付けられた永久磁石列２，３は、図２に示すような磁極の配列とする。つまり、径方向に着磁された磁極については、外側の永久磁石列２の磁極と内側の永久磁石列３の永久磁石の磁極とが同一方向になるように構成する。径方向に着磁された磁極の間にある周方向に着磁された永久磁石については、外側の永久磁石列２の磁極と内側の永久磁石列３の磁極とが反対方向になるように構成する。

次に、図３は本発明の実施の形態に係わる永久磁石回転電機の磁束密度分布の一例を示す磁束密度分布図、図４は本発明の実施の形態に係わる永久磁石回転電機の磁力線分布の一例を示す磁力線分布図である。

図３に示すように、永久磁石列２、３の磁束が電機子巻線４を鎖交する様子が分かる。電機子巻線４に例えば三相交流を流すことで回転子５が回転する。図３及び図４から分かるように、径方向に着磁された永久磁石に多くの磁束が発生していることが分かる。つまり、電機子巻線４に鎖交することにより大きなトルクを得ることが可能になる。周方向に着磁された永久磁石の磁束は、外側の永久磁石列２と内側の永久磁石列３とでは反対の向きになり、互いの磁束をキャンセルする働きをする。径方向の磁束密度分布について、従来例の図１８と対比すると、図３の磁束密度分布は、図１８の磁束密度分布に比べ約２倍の磁束が得られることが分かる。また、図１８ではヨーク鉄心１５に電機子巻線４を巻いた結果であり、質量増大の要因になっている。

このように、回転子５にハルバッハ配列した略円筒形状の２列の永久磁石列２、３を設け、略円筒形状の永久磁石列２、３の間に固定子６の電機子巻線４を設けることで、永久磁石回転電機１の軸方向の幅を薄くすることができる。また、ハルバッハ配列した略円筒形状の永久磁石列を２列構成することで、従来例に比べ磁束密度が大きいことから、永久磁石回転電機の形状を大きくすることなく高出力化が可能になる。

図５は本発明の実施の形態に係わる永久磁石回転電機の他の一例の軸方向断面図である。この図５に示した一例は、図１に示した一例に対し、回転子５にハルバッハ配列した略円筒形状の永久磁石列２、３において、外側の永久磁石列２の径方向の寸法を内側の永久磁石列３の径方向の寸法より長くしたものである。図１と同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。

外側の永久磁石列２の径方向の寸法を内側の永久磁石列３の径方向の寸法より長くしたことで、外側の永久磁石列２の永久磁石１６の磁束密度を大きくできるため、回転電機の出力（トルク）を大きくすることができる。

図６は本発明の実施の形態に係わる永久磁石回転電機の別の他の一例の軸方向断面図である。この図６に示した一例は、図１に示した一例に対し、回転子５にハルバッハ配列した略円筒形状の永久磁石列２、３の永久磁石１６の体積をほぼ同じになるように内側の永久磁石列３の径方向の寸法を外側の永久磁石列２の径方向の寸法より長くしたものである。図１と同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。

回転子５にハルバッハ配列した略円筒形状の永久磁石列２、３の体積をほぼ同じになるようにしたことで、それぞれの永久磁石列２、３のエネルギー密度がほぼ同じになり、電機子巻線４を鎖交する磁束が均一化される。これにより、大きい出力（トルク）を得ることができる。

次に、ハルバッハ配列された永久磁石列２、３を配置した回転子５は、非磁性金属部材や樹脂部材で形成される。一般的には回転子５は薄い電磁鋼板を積層して構成されるが、加工が容易な非磁性金属部材や樹脂部材とし、回転子５への永久磁石列２、３の取付けを容易にし、さらに軽量化を図るとともに製造コストを削減する。

また、電機子巻線４を配置した固定子６についても、非磁性金属部材または樹脂部材で形成する。一般的には固定子６は回転子５と同様に薄い電磁鋼板を積層して構成されるが、加工が容易な非磁性金属部材や樹脂部材とし、軽量化を図るとともに製造コストを削減する。

次に、固定子６に配置した電機子巻線４は、集中巻きの巻線またはプリント基板で形成する。図７は、電機子巻線４を集中巻きで形成した場合の永久磁石回転電機の一部切欠径方向断面図である。図７に示すように、電機子巻線４を集中巻にすることで、巻線を永久磁石列２と永久磁石列３との間に収めることが可能になる。これにより永久磁石回転電機１は電機子巻線４が軸方向に広がらない。また、永久磁石回転電機１の軸方向の長さを薄くすることができる。さらに、予めボビン（図示省略）に電機子巻線４を巻いて置き、固定子６に装着することができるので、製造コストを削減することができる。

図８は、電機子巻線４をプリント基板で形成した場合の永久磁石回転電機の軸方向断面図である。図８に示すように、電機子巻線４をプリント基板１１で形成しているので、従来例で用いられる銅線に比べ軽量化することができる。従って、永久磁石回転電機の小型化や軽量化が図れる。

また、固定子６に配置した電機子巻線４は、その電機子巻線に対向する永久磁石面の幅より広く形成してもよい。図９は、電機子巻線４をそれに対向する永久磁石面の幅より広く形成した場合の永久磁石回転電機の軸方向断面図である。図９に示すように、電機子巻線４の軸方向長さを対向する永久磁石列２、３面の幅より長く（広く）形成している。電機子巻線４の軸方向長さを対向する永久磁石列２、３面の幅より長く（広く）したことで、電機子巻線４に対し、永久磁石列２、３の磁界が鎖交する量を多くすることができ、永久磁石列２、３の磁束を効率よく得ることができる。従って、永久磁石回転電機１の高出力化が図れる。

さらに、固定子６に配置した電機子巻線４は、炭素線、超電導線または高温超電導線のいずれかを用いて形成する。電機子巻線４の巻線材料に炭素線を用いた場合には、従来例で用いられる銅線に比べ軽量化することができるため、永久磁石回転電機の軽量化が図れる。図１０は電機子巻線４に超電導線もしくは高温超電導線を用いた場合の永久磁石回転電機の軸方向断面図である。図１０に示すように、超電導線または高温超電導線の電機子巻線は、クライオ８の中に配置されており、クライオ８には低温配管９が接続されている。低温配管９の端部は冷凍機１０に接続され、冷凍機１０を駆動することでクライオ８の内部が超電導状態を維持できる構成になっている。電機子巻線４の巻線材料に超電導線もしくは高温超電導線を用いていることで、電機子巻線４の電気抵抗をゼロにでき、電流の損失をなくすことができ、永久磁石回転電機の高出力化が図れる。

次に、ハルバッハ配列の永久磁石列に漏れ磁束を減少させるための強磁性部材を設けるようにしてもよい。図１１は外側に配置したハルバッハ配列の永久磁石列２の外側に強磁性部材１２を備えた場合の永久磁石回転電機の軸方向断面図である。図１１に示すように、外側に配置したハルバッハ配列の永久磁石列２の外側に強磁性部材１２が設けられている。

図１２は内側に配置したハルバッハ配列の永久磁石列３の内側に強磁性部材１３を備えた場合の永久磁石回転電機の軸方向断面図である。図１２に示すように、内側に配置したハルバッハ配列の永久磁石列３の内側に強磁性部材１３が設けられている。

また、図１３は外側に配置したハルバッハ配列の永久磁石列２の外側及び内側に配置したハルバッハ配列の永久磁石列３の内側の双方に強磁性部材１２、１３を備えた場合の永久磁石回転電機の軸方向断面図である。図１３に示すように、外側に配置したハルバッハ配列の永久磁石列２の外側、及び内側に配置したハルバッハ配列の永久磁石列３の内側の双方に強磁性部材１２、１３が設けられている。強磁性部材１２、１３及び永久磁石列２、３は、例えば接着により回転子５に接続されている。

図３に示す磁束密度分布では、外側の永久磁石列２の径方向外側と、内側の永久磁石列２の径方向内側とに、若干ではあるが磁束が発生していることが分かる。つまり、若干ではあるが、漏れ磁束が生じている。そこで、外側強磁性部材１２と内側強磁性部材１３とを永久磁石列２、３に取付けることで、漏れ磁束は強磁性部材１２、１３を経由するため、磁束の漏れを減少させることができる。漏れ磁束が減少すれば永久磁石列２、３と電機子巻線４間のギャップ中の磁束を増やすことができる。これにより、漏れ磁束が減少し、ギャップ中の磁束が増加するので、永久磁石回転電機の高出力化が図れる。

次に、永久磁石列２、３が回転による遠心力で回転子５から剥がれを防止するため非磁性部材で形成した永久磁石押さえ機構１７を設けてもよい。図１４はハルバッハ配列の永久磁石列２、３の永久磁石１６に非磁性部材で形成した永久磁石押さえ機構１７を備えた場合の永久磁石回転電機の軸方向断面図である。図１４に示すように、ハルバッハ配列の永久磁石列２、３の永久磁石１６は非磁性部材で形成した永久磁石押さえ機構１７により回転子５に保持されている。永久磁石押さえ機構１７は、例えば、非磁性部材で形成された帯状の板もしくはワイヤーで構成されている。これにより、永久磁石回転電機１が回転中に永久磁石１６が回転子５から剥がれたりすることを防止でき安定的に高出力が得られる。

次に、永久磁石列２、３の永久磁石１６は、非磁性部材で形成されたケース１８の中に収められてもよい。図１５はハルバッハ配列の永久磁石列２、３の永久磁石１６が非磁性部材で形成されたケース１８の中に収められた場合の永久磁石回転電機の軸方向断面図である。図１５に示すように、ハルバッハ配列の永久磁石列２、３が非磁性部材で形成されたケース１８の中に収められている。ケースは回転子５に取り付けられている。この場合、永久磁石１６をケース１８に挿入して製造することから製造コストの低減が図れる。さらに、ケース１８を容易に回転子５に取付けられるため製造コストの低減が図れる。

次に、電機子巻線４は、非磁性部材で形成された巻線の巻取り部材１９に集中巻きされ、集中巻きされた巻取り部材１９ごと固定子６に取付けられるようにしてもよい。図１６は永久磁石列２、３の永久磁石１６と巻線の巻取り部材１９の配置の一例を示した永久磁石回転電機の径方向断面図である。予め電機子巻線４を非磁性部材で形成された巻取り部材１９に集中巻きし、その後、固定子６に取付けることで製造が容易になり、製造コストの低減が図れる。

また、集中巻きされた複数の電機子巻線４は、樹脂で含浸して一体化してもよい。一体化することで取扱いを容易にできるとともに、固定子６への固定も容易にできる。

次に、永久磁石列２、３の永久磁石１６は、希土類磁石（例えばネオジム磁石）で形成してもよい。または、ネオジム磁石の中にジスプロシウムを添加させたもので形成してもよい。永久磁石に希土類磁石を用いることで磁力が増し、高出力を得ることができる。さらにジスプロシウムはネオジム磁石の磁力を高める働きがあり、ネオジム磁石の中にジスプロシウムを添加した永久磁石１６を用いることで高出力化が図れる。

次に、永久磁石列２、３の個々の永久磁石１６は、磁極の向きが周方向に向いた磁石と磁極の向きが径方向に向いた磁石を別々に回転子５に取付ける製造方法としてもよい。一例として回転子５に永久磁石１６の磁極の向きが周方向の永久磁石１６を接着等により取付ける。そして、周方向の永久磁石１６が回転子５に取付いた後、径方向の永久磁石１６を接着等により取付ける。この製造方法によれば、隣接する永久磁石１６の磁力の影響を受けることなく永久磁石１６を回転子５に取付けることができ、製造コストの削減が図れる。

また、一例として、磁極の向きが周方向に向いた永久磁石１６を回転子５に取付ける場合、磁極の向きが径方向に向いた永久磁石１６を取付ける位置に非磁性部材で形成された磁石取付けサポート２０、２１を備え、磁石取付けサポート２０、２１をガイドに永久磁石１６を取付ける製造方法としてもよい。図１７は永久磁石１６を回転子５に取付けるための磁石取付けサポート２０、２１の一例を示した永久磁石回転電機の径方向断面図である。磁石取付けサポート２０、２１をガイドに永久磁石１６を取付ける製造方法を用いることで隣接する永久磁石１６の磁力の影響を受けることなく、容易に永久磁石１６を回転子５に取付けることができ、製造コストの削減が図れる。

本発明の実施の形態によれば、永久磁石回転電機の回転子５と固定子６に鉄心を用いないので軽量化が図れる。ハルバッハ配列された略円筒形状の永久磁石を２列配置し、その永久磁石２、３の間に電機子巻線４を配置するので軸方向の幅を薄くすることができる。また、ハルバッハ配列された略円筒形状の永久磁石を２列配置し、効率の良い磁束密度分布にしたことで高出力化が図れる。回転子５と固定子６に鉄心を用いないので、製造が容易になり製造コストを低減することができる。

本発明の実施の形態に係わる永久磁石回転電機の一例の軸方向断面図。 本発明の実施の形態の永久磁石回転電機の一例の径方向断面図。 本発明の実施の形態に係わる永久磁石回転電機の磁束密度分布の一例を示す磁束密度分布図。 本発明の実施の形態に係わる永久磁石回転電機の磁力線分布の一例を示す磁力線分布図。 本発明の実施の形態に係わる永久磁石回転電機の他の一例の軸方向断面図。 本発明の実施の形態に係わる永久磁石回転電機の別の他の一例の軸方向断面図。 本発明の実施の形態における電機子巻線を集中巻きで形成した場合の永久磁石回転電機の一部切欠径方向断面図。 本発明の実施の形態における電機子巻線をプリント基板で形成した場合の永久磁石回転電機の軸方向断面図。 本発明の実施の形態における電機子巻線をそれに対向する永久磁石面の幅より広く形成した場合の永久磁石回転電機の軸方向断面図。 本発明の実施の形態における電機子巻線に超電導線もしくは高温超電導線を用いた場合の永久磁石回転電機の軸方向断面図。 本発明の実施の形態における外側に配置したハルバッハ配列の永久磁石列の外側に強磁性部材を備えた場合の永久磁石回転電機の軸方向断面図。 本発明の実施の形態における内側に配置したハルバッハ配列の永久磁石列の内側に強磁性部材を備えた場合の永久磁石回転電機の軸方向断面図。 本発明の実施の形態における外側に配置したハルバッハ配列の永久磁石列の外側及び内側に配置したハルバッハ配列の永久磁石列の内側の双方に強磁性部材を備えた場合の永久磁石回転電機の軸方向断面図。 本発明の実施の形態における永久磁石押さえ機構を有する永久磁石回転電機の軸方向断面図。 本発明の実施の形態における永久磁石を収めるケースを有する永久磁石回転電機の軸方向断面図。 本発明の実施の形態における永久磁石と巻線の巻取り部材を有する永久磁石回転電機の径方向断面図。 本発明の実施の形態における永久磁石の製造方法の一例の永久磁石回転電機の径方向断面図。 従来のハルバッハ配列した永久磁石列を有する回転電機の磁束密度分布を示した磁束密度分布図。

符号の説明

１…永久磁石回転電機、２…永久磁石（外側）、３…永久磁石（内側）、４…電機子巻線、５…回転子、６…固定子、７…シャフト、８…クライオ、９…低温配管、１０…冷凍機、１１…プリント基板、１２…強磁性部材（外側）、１３…強磁性部材（内側）、１４…軸受、１５…ヨーク鉄心、１６…永久磁石、１７…永久磁石押さえ機構、１８…ケース、１９…巻線の巻取り部材、２０…永久磁石取付けサポート（外側）、２１…永久磁石取付けサポート（内側）

Claims (6)

1. 電機子巻線を有する固定子と、前記固定子に対し回転可能に支持されハルバッハ配列された永久磁石を有する回転子とからなる永久磁石回転電機において、前記回転子の回転中心から周方向にハルバッハ配列された２列の永久磁石列を設け、前記永久磁石列の間に前記固定子の電機子巻線を設け、前記永久磁石列は、永久磁石列の外側永久磁石の磁極の向きと永久磁石列の内側永久磁石の磁極の向きとが、径方向の磁極の向きについては同一方向で、周方向の磁極向きについては逆方向に向いていることを特徴とする永久磁石回転電機。
2. 前記回転子にハルバッハ配列された永久磁石列は、外側に配置した永久磁石列が内側に配置した永久磁石列より径方向に長いこと、または、内側に配置した永久磁石列が外側に配置した永久磁石列より径方向に長いことを特徴とする請求項１記載の永久磁石回転電機。
3. 前記固定子に配置した電機子巻線は、炭素線、超電導線または高温超電導線のいずれかを用いることを特徴とする請求項１記載の永久磁石回転電機。
4. 前記外側に配置したハルバッハ配列の永久磁石列の外側、または前記内側に配置したハルバッハ配列の永久磁石列の内側、または前記外側に配置したハルバッハ配列の永久磁石列の外側及び前記内側に配置したハルバッハ配列の永久磁石列の内側の双方に強磁性部材を備えたことを特徴とする請求項１記載の永久磁石回転電機。
5. 前記回転子に配置された永久磁石列は、前記回転子の周方向または軸方向に非磁性部材で構成された永久磁石押さえ機構で保持され、または永久磁石を非磁性部材で形成されたケースに収納して保持されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の永久磁石回転電機。
6. 前記電機子巻線は、非磁性部材で形成された巻線の巻取り部材に集中巻きされ、集中巻きされた巻取り部材ごと固定子に取付けられる構造であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の永久磁石回転電機。

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