JP4886624B2 - 永久磁石式回転電機、及び永久磁石式回転電機システム - Google Patents

Description

本発明は、永久磁石を備えた回転子と固定子とを備えた永久磁石式回転電機、及びこれを用いた永久磁石式回転電機システムに関する。

電車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半導体素子の高性能化により、インバータにより駆動され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を改善するために、様々な形式の永久磁石式の回転子構造が検討されている。特許文献１の永久磁石式回転電機の回転子は、永久磁石を分割して配置し、この分割された永久磁石の背後にフラックスバリアを配置することで、回転子内部への漏洩磁束を低減して固定子のコイルとの鎖交磁束数を増加させている。
特開２００３−１１６２３５号公報

回転電機の大容量化に伴い、回転子径が小さい小型機では問題にならない回転子の機械的強度に関する検討が重要になっている。特に、永久磁石は、接着剤により回転子コアの表面に配設されることが多く、遠心力による径方向の移動により永久磁石の剥がれが生じやすい。一方、永久磁石の剥がれを回避するために回転子コアの円周部に軸方向の複数の孔を設け、この孔に永久磁石を配設する構成にすると、永久磁石の表面と固定子磁極との間隔が増加し、磁気特性が低下する問題点がある。すなわち、回転子の機械的強度と磁気特性とを両立する必要がある。

そこで、本発明は、遠心力による永久磁石の移動を制限することができる永久磁石式回転電機、及びこれを用いた永久磁石式回転電機システムを提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明の永久磁石式回転電機は、固定子と回転子鉄心の外周部に複数の永久磁石を挿設した回転子とを備える永久磁石式回転電機において、前記永久磁石は、前記回転子の外周面側に傾斜面を有し、この傾斜面の最薄部が異極の永久磁石に隣接することを特徴とする。

これによれば、回転子鉄心は、外周部に複数の永久磁石が挿設されているので、永久磁石を保持するブリッジ（例えば、極間ブリッジ、鉄心ブリッジ）が形成され、このブリッジが回転子の遠心力から永久磁石の径方向への移動を制限する。また、永久磁石は外周面側に傾斜面を有し、最薄部が異極の永久磁石に隣接しているので、最薄部近傍のブリッジ（例えば、極間ブリッジ）は、剛性が高く、ブリッジの変形が少なく、確実に永久磁石の移動を制限する。なお、永久磁石の傾斜面とは、回転子の磁極中心における接線方向に対して傾斜している面を意味する。また、永久磁石を凸形状の断面とすることにより、磁極中心の外周部のブリッジ（例えば、鉄心ブリッジ）を薄くすることができるので、磁気特性が向上する。

本発明によれば、遠心力による永久磁石の移動を制限することができる。これにより、回転子鉄心と永久磁石との剥がれを防止することができる。また、請求項２に係る発明によれば、磁気特性が向上する。

（第１実施形態）
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。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態の永久磁石式回転電機の端部断面図である。永久磁石式回転電機１００は、１０極４５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、５０００〜７０００ｒｐｍの回転速度を許容する。

固定子１は、継鉄部から内周面に突出した複数のティース１２を備える円筒状の固定子鉄心と、ティース１２を用いて分布的に素線を巻回したコイル１０とを備える分布巻固定子となっている。コイル１０は、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の３相巻線が施されており４５スロットで１０極が電気的に作られるように巻回されている。なお、軸方向に延在したティース１２の間に形成されたスロット１３は、外周側と内周側とに２分割され、コイル１０は、スロット１３の外周側に上コイル８が配設され、内周側に下コイル９が配設されるようになっている。

コイル１０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。コイル１０は、スロット１３に反時計回りに便宜的につけられた＃１から＃４５までの番号のうち＃１スロットの下コイル９から出た素線が、＃５スロットの上コイル８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。なお、＃５スロットの番号は、スロット数４５を極数１０で除算した４．５を四捨五入し５とした値である。なお、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。また、本実施形態では、短節巻を採用したが、その他の極数、スロット数の組合せで全節巻や集中巻を採用してもよい。また、本実施形態は、１０極４５スロットの組合せだが、その他の極数とスロット数との組合せでも成立する。

回転子２は、固定子１と同軸に回転可能に配設され、回転子鉄心５の軸にシャフト６が嵌挿され、回転子鉄心５の外周部に穿設された複数の磁石スロット４内に永久磁石３が各々配設されている。永久磁石３は、一極あたり２個ずつ同極磁石が並設され、計２０個配設されている。また、回転子鉄心５の外周部に複数の磁石スロット４が穿設されることにより、並設された同極の永久磁石３，３の境界（磁極中心）には磁極ブリッジ１５が形成され、隣接する異極の永久磁石３，３の境界には極間ブリッジ１４が形成され、永久磁石３の外周側の極間ブリッジ１４の間（あるいは、極間ブリッジ１４と磁極ブリッジ１５との間）には鉄心ブリッジ１６が形成される。すなわち、永久磁石３は、極間ブリッジ１４、及び磁極ブリッジ１５と鉄心ブリッジ１６とで支えられている。

図２に、第１実施形態の回転子２の一極分の部分拡大図を示す。並設された２個の同極の永久磁石３，３は、破線で示される１つの永久磁石３ａでモデル化され、永久磁石３ａは、磁極中心（同極の永久磁石３，３の境界線）が回転子外径に向け凸となる形状をしており、磁極中心から周方向に略対称となっている。言い換えれば、永久磁石３，３は、永久磁石３ａが２分割されたものであり、回転子２の周方向に断面の厚さが変化する傾斜面を備えている。この傾斜面の形状は、複数の直線とこの直線に連続する複数の円弧との組合わせであり、回転子外周側角部の円弧の半径Ｒ１，Ｒ２が回転子内周側角部の円弧Ｒ３，Ｒ４の半径よりも大きな値になっている。なお、永久磁石３ａは、内面側の形状が平面であり、永久磁石３ａの傾斜面は、磁極中心における回転子の接線方向に対して傾斜している面であり、また、磁極中心部の厚さＴＭが両側の最薄部よりも大きくなっている。

極間ブリッジ１４，１４は、回転子２の外周表面との間隔が増加するように永久磁石３ａの両側に形成されている。すなわち、永久磁石３ａの最薄部は、異極の永久磁石３ａと隣接している。極間ブリッジ１４，１４と鉄心ブリッジ１６との双方は、回転子２が回転したときの遠心力による永久磁石３ａの径方向の移動を制限し、永久磁石３ａの剥がれが防止される。このとき、永久磁石３ａがかまぼこ形の凸形状となっていることにより、極間ブリッジ１４，１４は、回転子２の外周方向に向くに従って周方向幅が大きくなる構成であり、剛性が高く、変形が少なく、十分な強度で永久磁石３ａの移動を制限する。永久磁石３ａの移動が制限される。また、永久磁石３ａが凸形状であることにより、磁極中心近傍（永久磁石３ａの中心近傍）における鉄心ブリッジ１６の厚さが薄くなり、回転電機１００の磁気特性が向上する。

磁極ブリッジ１５は、同極の永久磁石３，３の間に設けられており、磁極中心での遠心力による鉄心ブリッジ１６の変形を制限している。

図２において、磁石スロット４と回転子２の外径との間の鉄心ブリッジ１６の厚さをＴ１とし、永久磁石３の最厚部の高さ（厚さ）をＴＭとする。永久磁石３は回転子外径側角部の半径Ｒ１，Ｒ２を回転子内径側角部の半径Ｒ３，Ｒ４よりも大きく設定することで応力集中の緩和を行っている。なお、永久磁石の外周側の一部を平面でなく、回転子２の外周に合わせて円弧状に形成しても応力集中の緩和を図ることもできる。また、永久磁石３ａは、断面形状を凸形状にしたため、磁極中心近傍の鉄心ブリッジ１６の厚さを薄くすることができ、固定子１の磁極に対する磁気特性が向上する。

以下、応力特性、モータ特性の観点からそれぞれの効果について説明する。
図３に応力規格化値及びモータ特性規格化値とＴ１／ＴＭとの関係を示す。横軸は、鉄心ブリッジ１６の厚さと永久磁石３の厚さとの比Ｔ１／ＴＭであるが、鉄心ブリッジ１６を厚くするほど、応力特性が高まり、モータ特性が低下する傾向がある。

線５１は、応力規格化値を示し、機械強度が満足される値（例えば、劣化による破壊を防止できる値）を１に規格化している。また、線５２は、モータ特性規格化値を示し、モータとしてのトルク・電圧特性が満足される値を１に規格化している。言い換えれば、各々の規格化値が１以上であれば、永久磁石式回転電機として問題なく動作させることが可能である。図によれば、Ｔ１／ＴＭ比が０．１３以上であれば、応力規格化値を満足し、Ｔ１／ＴＭ比が０．２３以下であれば、モータ特性規格化値を満足することになる。このため、Ｔ１／ＴＭの値は、０．１３≦Ｔ１／ＴＭ≦０．２３と設定することが望ましい。

以上説明したように本実施形態によれば、複数の永久磁石３が回転子鉄心５の外周部に挿設されているので、永久磁石を保持する極間ブリッジ１４、鉄心ブリッジ１６が形成されており、このブリッジ１４，１６が回転子２の遠心力から永久磁石３の径方向への移動を制限する。また、永久磁石３は外周面側に傾斜面を有し、最薄部が異極の永久磁石３に隣接しているので、最薄部近傍の極間ブリッジ１４は、剛性が高く、ブリッジの変形が少なく、確実に永久磁石の移動を制限する。また、凸形状の断面を２分割した形状の永久磁石３，３とすることにより磁極中心の外周部の鉄心ブリッジ１６を薄くすることができるので、磁気特性が向上する。また、異極の永久磁石の間に同極の２つの永久磁石３，３を備えることにより、磁極ブリッジ１５が形成され、磁極ブリッジ１５は鉄心ブリッジ１６の変形をさらに低減する柱として機能する。

（第２実施形態）
図４は、本発明の第２実施形態の永久磁石式回転電機の端部断面図である。
永久磁石式回転電機１１０が、第１実施形態の永久磁石回転電機１００と異なる点は、異極性の永久磁石３のそれぞれの磁極間にはフラックスバリア７が軸方向に凹設されている点である。このフラックスバリア７は、永久磁石３から発生する磁束が隣接する異極の永久磁石に流れることを防ぎ、磁束が固定子１の磁極に流れるようにしている。

図５は、第２実施形態の回転子２の一極分の部分拡大図である。図２と同様に、磁石スロット４と回転子２の外径との間の鉄心ブリッジ１６の厚さをＴ１とし、永久磁石３の最厚部分の厚さをＴＭとする。また、フラックスバリア７と永久磁石３との間の最狭部の幅をＴ２とする。

図６に応力規格化値とモータ特性規格化値とＴ２／ＴＭの関係を示す。図３と同様に、線６１は応力規格化値として、機械強度が満足される値を１としている。また、線６２は、モータ特性規格化値として、回転電機としてのトルク・電圧特性が満足される値を１としている。よって各々の値が１以上であれば、永久磁石式回転電機として問題なく動作させることが可能である。したがって、Ｔ２／ＴＭ比が０．１以上であれば、応力規格化値を満足し、Ｔ２／ＴＭ比が０．４以下であれば、モータ特性規格化値を満足することになる。以上よりＴ２／ＴＭ比は、０．１≦Ｔ２／ＴＭ≦０．４と設定することが望ましい。

（第３実施形態）
第１実施形態、及び第２実施形態で示した回転子構造は、永久磁石３ａ（図２）を２分割し、磁極ブリッジ１５を１本にしたが、図７，図８に示すように、永久磁石３ａを３分割、あるいは４分割し、磁極ブリッジ１５を２本、あるいは３本とすることもできる。これにより、鉄心ブリッジ１６（図１）の変形をさらに低減することができる。

（適用例）
図９は、本実施形態の回転電機１００，１１０を電車用の永久磁石回転電機システムに適用した例を示す。電車２００は、第１実施形態及び第２実施形態で示した回転電機１００，１１０と、増速ギア（変速ギア）６０と、車輪５０とを備え、回転電機１００，１１０が増速ギア６０を介して車輪５０を駆動する。
また、図１０の電車２１０のように、回転電機１００，１１０の軸方向両側に車輪５０を直接接続してもよい。また、ファン、ポンプなどの送風用の永久磁石回転電機システムの動力源としても十分適用が可能である。

（変形例）
本発明は前記した実施形態に限定されるものではなく、例えば、以下のような種々の変形が可能である。
（１）前記各実施形態は、永久磁石３の回転子内周側を平面としたが、他の形状でもよい。
（２）前記各実施形態は、鉄心ブリッジ１６で極間ブリッジ１４あるいは磁極ブリッジ１５の間を接続していたが、磁極近傍では、鉄心ブリッジ１６で接続する必要がない。このようにすれば、永久磁石３と固定子１との間隔が短くなるので磁気特性が向上する。特に、永久磁石３ａを奇数個に分割した場合には、中心の永久磁石が固定子１の磁極に近接することになるので、有効である。なお、この場合でも。中心の永久磁石を挿設すること、すなわち、鉄心ブリッジ１６の一部で永久磁石３ｂ（図７）を押さえることは必要である。

本発明の第１実施形態である回転電機の断面図である。 本発明の第１実施形態である回転電機の部分拡大断面図である。 第１実施形態の回転電機の応力規格化値及びモータ特性とＴ１／ＴＭとの関係を示す図である。 本発明の第２実施形態である回転電機の断面図である。 本発明の第２実施形態である回転電機の部分拡大断面図である。 第２実施形態の回転電機の応力規格化値及びモータ特性とＴ１／ＴＭとの関係を示す図である。 永久磁石を３分割した場合の回転子鉄心を示した図である。 永久磁石を４分割した場合の回転子鉄心を示した図である。 回転電機を用いて電車の車輪を駆動した例である。 回転電機を電車の車輪に直結した例である。

符号の説明

１ 固定子
２ 回転子
３，３ａ 永久磁石
４ 磁石スロット
５ 回転子鉄心
６ シャフト
７ フラックスバリア
８ 上コイル
９ 底コイル
１０ コイル
１２ ティース
１３ スロット
１４ 極間ブリッジ
１５ 磁極ブリッジ
１６ 鉄心ブリッジ
５０ 車輪
５１，５２，６１，６２ 線
６０ 増速ギア
１００，１１０ 回転電機
２００，２１０ 電車

Claims (5)

1. 固定子と回転子鉄心の外周部に複数の永久磁石を挿設した回転子とを備える永久磁石式回転電機において、
   前記永久磁石は、周方向に複数に分割され、前記回転子の外周面側に傾斜面を有し、内周面側に平面を有した凸形状の断面を備えると共に、最薄部が異極の永久磁石に隣接したものであり、
   前記分割された同極の永久磁石は、前記傾斜面を形成する第１の単一直線と前記平面を形成する第２の単一直線とこれらの単一直線に連続する４つの円弧と２本の他の直線とからなる断面形状を備え、
   前記第１の単一直線の両端の外周側円弧の半径は、前記第２の単一直線の両端の内周側円弧の半径よりも大きな値であり、
   前記回転子鉄心は、前記回転子外周側で、前記最薄部に対応する隣接する２つの円弧面と前記回転子の外周面とで形成される極間ブリッジを備え、
   前記回転子鉄心は、前記永久磁石よりも外周側において、前記極間ブリッジの間に鉄心ブリッジが形成され、
   前記永久磁石の最厚部の厚さをＴＭとし、前記鉄心ブリッジの厚さをＴ１としたとき、Ｔ１／ＴＭの比が０．１３≦Ｔ１／ＴＭ≦０．２３の関係を満足するように配置し、
   前記回転子鉄心は、前記回転子鉄心の外周円筒面から、前記隣接する２つの円弧面同士の中央部まで、フラックスバリアを凹設した
   ことを特徴とする永久磁石式回転電機。
2. 前記固定子は、継鉄部内周面に突出した複数のティースが形成され、このティースに集中巻あるいは分布巻によりコイルが巻回された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。
3. 前記フラックスバリアと前記永久磁石との間の最短幅をＴ２とし、前記永久磁石の最厚高さをＴＭとしたとき、Ｔ２／ＴＭの比が０．１≦Ｔ２／ＴＭ≦０．４の関係を満足するように配置した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。
4. 請求項１に記載の永久磁石式回転電機を動力源としたことを特徴とする電車用の永久磁石式回転電機システム。
5. 請求項１に記載の永久磁石式回転電機を駆動源としたことを特徴とする送風用の永久磁石式回転電機システム。

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