JP4990599B2

JP4990599B2 - 永久磁石回転電機

Info

Publication number: JP4990599B2
Application number: JP2006302444A
Authority: JP
Inventors: 康明青山
Original assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Priority date: 2005-11-15
Filing date: 2006-11-08
Publication date: 2012-08-01
Anticipated expiration: 2026-11-08
Also published as: JP2007166888A

Description

本発明は、永久磁石回転電機に関する。

回転電機は、界磁磁束発生に永久磁石を使う事で高効率化が可能であることが知られて
いる。最近では、高特性な磁石を使う事で、ギャップの高磁束密度化が達成され高効率で
コンパクトな回転電機が構成可能である。また、磁石の高特性化や技術の向上により永久
磁石回転電機の用途が増大し、高速回転用途や大型の回転電機でも高特性な永久磁石が使
われるようになってきている。

高特性な磁石は、導電性が高く、高速回転または大型の回転電機では磁石に発生する渦
電流によって効率の低下が起こる事が問題になっている。その問題を解決するために、高
特性な導電性の永久磁石材料の間に絶縁材料を介在させることによって、永久磁石の渦電
流を減少させるものが特許文献１に記載されている。

しかしながら、上記特許に記載の技術は、絶縁物と導電性の永久磁石の熱膨張率の差に
より、応力が発生し磁石の破壊等が生じることがあった。また、磁石片間に絶縁部材を介
在させるため、絶縁部材を均等に配置する事や、施工のため時間やコストがかかることに
なる。また、上記技術は絶縁部材を磁石片間に配置するため磁石としての特性が減少する
等の問題が発生することになる。
特開平１１―４５５５号公報

上記問題点に鑑み、本発明は、熱による磁石の破損を防止し、さらに永久磁石に発生す
る渦電流を減少させながら渦電流損失を低減し、さらには、施工の時間やコストを短縮す
ることができる永久磁石回転電機を提供することを目的とする。

本発明の永久磁石回転電機は、回転子鉄心の内部または表面に複数個の永久磁石を配置
すると共に、回転子周方向に互いに異なる磁極方向となるように、互いに間隔を持って回
転子周方向に環状に併設された永久磁石が、導電性の磁石から形成され、その永久磁石に
発生する渦電流を低減するように、導電性の磁石片を回転子周方向、軸方向または周方向
と軸方向に複数個併設した永久磁石（磁石片集合体）から構成されており、磁石片間に絶
縁部材が配置されないものである。

本発明は、具体的には、巻線が巻回された複数の固定子突極を有する固定子と、該固定子に回転空隙をもって回転可能に保持された回転子とを有し、上記回転子が、回転子周方向に互いに間隔を持って環状に並設された複数の永久磁石挿入孔を内部に有する回転子鉄心と、上記複数の永久磁石挿入孔に、回転子周方向に隣り合う挿入孔が互いに異なる磁極方向となるように挿入された永久磁石とを備えており、上記永久磁石が、複数個併設された磁石片から構成され、該磁石片間に介在物を配置しない構造を有し、上記磁石片が、同一の永久磁石焼結体から分割して得られたものである永久磁石回転電機を提供する。

磁石片間に絶縁物を有する永久磁石は、エポキシ樹脂等の絶縁物に有機溶剤を含むもの
を利用しているが、真空中では有機溶剤が高温下で拡散し、使えない問題がある。本発明
の永久磁石回転電機における磁石片を備える永久磁石は、高温さらに真空下においても有
機溶剤の拡散がなく、問題なく利用できる。
また、渦電流対策を目的とした永久磁石の分割は、磁石片間に絶縁物等が存在する場合
、高温下では膨張率の差から、また、絶縁物の耐熱性の問題から破損することがある。本
発明によれば、分割した磁石片間に介在物を存在させないことによって、温度上昇による
磁石の応力を緩和し、耐熱性を備えた渦電流低減磁石を提供し、さらにコストと加工時間
を大幅に短縮させることが可能になった。

図１は永久磁石回転電機の断面図を、図２は永久磁石回転電機の平面図を示す。
本実施形態は、固定子コイルが６極、回転子の永久磁石極数は４極のものであるが、他
の突極数のものに対しても本発明を適用可能である。

図１及び図２において、永久磁石回転電機は固定子１と回転子２からなり、固定子１は
固定子鉄心３と固定子巻線４とで構成される。
回転子２は、シャフトがベアリング５にて保持され自在に回転可能になっている。
また、回転子２には、複数の永久磁石挿入のための孔６が設置され、永久磁石７は各孔
６に挿入され固定されている。

図１及び図２に示す永久磁石７は、周方向又は／及び軸方向に分割されていることが好
ましく、特に応力を分散するためにも軸方向に分割されていることがより好ましい。永久
磁石７は、周方向のみに分割されていてもよい。
分割数は、回転機の長さにもよるが、一つの磁石を一方向に通常３〜１５分割すること
が望ましい。なお、図３に示すように、一列の磁石片の磁化方向は同一方向で、平行にな
るように形成されている。
上記磁石片は、同一の永久磁石焼結体を切断分割して、得られたものであることが磁化
の均一度が高い点で好ましい。永久磁石焼結体は、永久磁石挿入孔６に入るサイズに成型
され、焼成して得られた永久磁石焼成体である。
永久磁石焼結体は、磁化方向を均一とするために分割切断に先立ち、アニーリングを行
ってもよい。アニーリング温度としては、好ましくは、１５０〜１０００℃、より好まし
くは、３００〜９００℃である。
永久磁石焼結体の分割方法としては、例えば、ダイヤモンドカッター、ワイヤーソー、
外周刃切断機等を用いて切断する方法が挙げられる。
これらの分割磁石は、それぞれ個々に各孔６に挿入することもできるし、または、固定
部材を用いて分割磁石を一体化させた後、各孔６に挿入することもできる。

複数個の磁石片間に介在物を配置しないで固定する方法としては、例えば、図４の斜視
図に示すように、各磁石片８を永久磁石挿入孔６に配置する際、上下の回転子蓋１０を用
いる方法が挙げられる。この方法により、磁石片間９のうち、特に軸方向に固定すること
ができる。
また、図５に示すように、磁石片８は磁石固定用プレート１１の上に配置され、各磁石
片間に介在物がないようにすることもできる。さらには、図６に示すように、周りを磁石
固定バンド１２で結束するような方法により周方向及び軸方向の両方向を固定することも
できる。上記プレート状の固定ケース１１や固定バンド１２等の磁石片固定材の材質とし
ては、発生磁場に影響を与えないものであれば、磁性体、非磁性体のいずれであってもよ
く、例えば、アルミニウム、ステンレス鋼等が挙げられる。

以上のように、例えば、図４〜図６のような構成にする事により、磁石片間に介在物が
存在しないため、高温下での磁石片と介在物との膨張率の差による応力が発生せず、磁石の破損が起こらないようにすることができる。さらに、磁石が個別に分割されているため渦電流損失を低減でき、さらには磁石片間の介在物の施工を施さないため、工程数を大幅に短縮可能となる。
従って、導電性の永久磁石を利用しても、応力の発生を抑え、さらに、渦電流低減、加
工工程の短縮が可能な永久磁石を提供でき、温度変動に対して磁石の応力を非常に小さく
する回転電機を提供できる。
本発明の永久磁石回転電機の運転温度は、好ましくは、５０〜３５０℃であり、２００
℃以上の高温運転であっても磁石内部に生じる応力を非常に小さくすることができるもの
である。運転温度は、上記範囲内であれば、上限を３５０℃とすることができる。
本発明の永久磁石回転電機は、回転数２０００ｒｐｍ〜数万ｒｐｍ、出力１０ｋＷ〜１ＭＷの電動機に特に好適に用いることができる。

以下、本発明を実施例に基づき説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
実施例１
図２に示すような最大回転数７２００ｒｐｍの回転電機を用いた。固定子は、コイルが巻回された固定子突極を有するケイ素鋼板で構成した。固定子外径が３００ｍｍ、固定子内径が１５０ｍｍのものを用いた。珪素鋼板からなる回転子の４つの挿入孔の各々に、６０ｍｍ×１６ｍｍ×１５０ｍｍのサイズの永久磁石を挿入した。
永久磁石は、ＢＨｍａｘが４８ＭＧＯｅで、導電性がある希土類焼結磁石のＮｄ−Ｆｅ−Ｂ磁石を用いた。図３に示すように、この磁石の６０ｍｍの方向を３分割、１５０ｍｍの方向を７分割し、磁石片を作成した。この際、磁石片間に介在物の施工を施さずに各孔にそれぞれ挿入し、ＳＵＳ３０４の蓋で固定した。
この回転電機の固定子を構成する三相巻線に２５５０ｒｐｍ〜７２００ｒｐｍの回転数に相当する８５Ｈｚから２４０Ｈｚの周波数の電流を印加し、駆動させながら１８０℃、２００℃、２４０℃になるまで温度上昇させその際の回転子の破損状況を調べた。
磁石片を備える永久磁石を用いた回転子は、１８０℃、２００℃、２４０℃何れの温度
でも変化がなかった。

比較例１
各磁石片間にエポキシ系接着剤を１００μｍ塗布し、それぞれの磁石片を固定させた以外は、実施例１と同様な方法で処理し、回転子を作製した。この回転子を備える回転電機を組み立て、回転電機に施された三相巻線に各回転数に相当する周波数の電流を印加し駆動させ温度上昇させ、その際の回転子の破損状況を調べた。１８０℃では変化がなく、２００℃で変色があり、２４０℃で磁石片間の結合が取れてばらばらになった。

実施例２
図２に示すような断面形状の回転電機を用いた。鉄心の軸方向の長さは１５０ｍｍのものを用いた。珪素鋼板からなる外径２００ｍｍの回転子の４つの挿入孔の各々に、５２ｍｍ×７．５ｍｍ×１５０ｍｍのサイズの永久磁石を挿入した。この回転電機の定格出力は定格電流２００Ａ時に５０ｋＷであった。外径３００ｍｍの固定子は、実施例１と同様、コイルが巻回された固定子突極を有し、珪素鋼板で構成した。
永久磁石にはＢＨｍａｘが４８ＭＧＯｅのＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系焼結磁石を用い、図３に示すように、５２ｍｍを３分割、１５０ｍｍを７分割し、磁石片を作製した。分割した磁石片は、磁石片間に介在物を設けずに再度寄せ集め、得られた磁石の端部を、ＳＵＳ３０４の蓋で覆い、蓋は回転子にボルトで固定した。
回転電機の固定子に配置された三相巻線に定格電流の正弦波交流を印加し２０℃、１８０℃、２００℃、２４０℃の各温度で回転電機を運転した。回転数は定格回転数の２５５０ｒｐｍとした。
その後、挿入孔から磁石を取り出し、バンドで各磁石片を固定し、ロードセルによりねじれ破壊強度を測定した。ねじれ破壊強度は、磁石の両端部を固定した状態で、ねじれにより磁石中心部を破壊するのに要した力である。測定は４回行い、その平均値を算出した。結果を表１に示す。

比較例２
分割した磁石片を寄せ集める際、各磁石片間にエポキシ系接着剤を８０μｍ塗布し、それぞれの磁石片を固定させたほかは、実施例２と同様の条件で磁石を作製し、回転電機を運転した。その後、実施例２と同様の条件で磁石のねじれ破壊強度を測定した。結果を表１に示す。

表１から、磁石片間に介在物を有しない実施例２は、磁石片間に介在物を有する比較例２に比べて、運転温度の上昇による応力破壊が著しく抑制されることがわかった。

永久磁石回転電機の断面図を示す。永久磁石回転電機の平面図を示す。一つの永久磁石挿入孔における各磁石片の磁極方向の平面図を示す。回転子の斜視図並びに磁石挿入孔への磁石片の挿入方法および固定方法の例を示す。磁石片の固定方法の例を示す。磁石片の固定方法の他の例を示す。

符号の説明

１固定子
２回転子
３固定子鉄心
４固定子巻線
５ベアリング
６永久磁石挿入孔
７永久磁石
８磁石片
９磁石片間
１０回転子蓋
１１磁石固定用プレート
１２磁石固定用バンド

Claims

巻線が巻回された複数の固定子突極を有する固定子と、
該固定子に回転空隙をもって回転可能に保持された回転子とを有し、
上記回転子が、
回転子周方向に互いに間隔を持って環状に並設された複数の永久磁石挿入孔を内部に有する回転子鉄心と、
上記複数の永久磁石挿入孔に、回転子周方向に隣り合う挿入孔において互いに異なる磁極方向となるように挿入された永久磁石とを備えており、
上記永久磁石が、複数個併設された磁石片から構成され、該磁石片間に介在物を配置しない構造を有し、
上記磁石片が、同一の永久磁石焼結体から分割して得られたものである
永久磁石回転電機。
上記永久磁石が、上記回転子の周方向及び／又は軸方向に複数個併設された磁石片を備える請求項１に記載の永久磁石回転電機。
上記永久磁石が、上記回転子の軸方向に複数個併設された磁石片を備える請求項１に記載の永久磁石回転電機。