JP5975759B2 - 回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、永久磁石を回転子に適用した回転電機に関するものであり、特に永久磁石の減磁防止技術に関する。

近年、電動機、発電機のような回転電機において永久磁石を使用する例が増えている。
使用する永久磁石もフェライト磁石からネオジム磁石のような希土類元素を含んだ高性能磁石を使用することが多くなっている。特に、ディスプロシウム（以下Ｄｙ）のような重希土類はネオジム磁石の保持力を向上させることから、耐環境性が要求される永久磁石式回転電機において必要な元素となっている。保持力を向上させると、永久磁石の性能が低下する不可逆減磁点を高温側、強電界側に移動させることができるため、永久磁石式回転電機を１００℃以上の高温で運転できることや、突発短絡等の事故時に発生する逆磁界が加わっても減磁することなく運転ができる。

しかしながら希土類元素は、地球上に存在する量が比較的少ない元素であり、特にＤｙのような重希土類は一部地域でしか産出されない稀少な金属となっているため、その使用量の低減が永久磁石式回転電機のコスト削減に重要な要素となっている。

ここで、永久磁石を使用する回転電機として例えば特許文献１に記載されたものがある。該特許文献１に記載された回転電機では、磁極内中央も含めて回転子の周方向に沿って等間隔に形成したダンパ用溝に導体を設けることで、一般にかご型導体と呼ばれる導体に相当するダンパを構成した永久磁石形同期電動機の回転子構造を採用しており、回転子の異極間位置には、ダンパと同一円周上に補助の永久磁石を挿入可能なダンパ用溝を形成している。そして、電動機の脱出トルクや引込トルクの特性を向上させる際には、異極間に位置するダンパ用溝に補助の永久磁石を挿入し、回転子の各磁極の磁束密度を増加させる。

特開２００１−３１４０５１号公報

永久磁石の減磁を防止する回転電機に立ち返ると、永久磁石の減磁は防止したいものの、本来の機能である出力については、なるべく低下させないことが望まれる。磁極内中央部は回転子と固定子間の出力を確保する上で必要な主たる磁束が通過する領域であり、許容されるならば、出力確保の観点から磁極内中央部に、磁界が通過するのを妨げる導体をなるべく配置しない方が良い。

一方、上記特許文献１におけるかご型導体の役割としては、次の様になる。即ち、回転開始時（始動時）において、電源周波数と回転子の永久磁石が形成する磁束の周波数が同期するまでの回転速度では、回転子の径方向外側に配置される固定子が形成する電源磁束の周波数と、回転子が回転に伴って形成する磁束の周波数が一致しておらず、適切に加速を行えないため、同期速度に至るまでは、回転子の永久磁石と、固定子に設けた固定子巻線との間に配置されるかご型導体に電流が流れることで、回転子が同期速度まで加速できる様にしている。かご型導体が回転子の周方向に沿って等間隔に配置されていないと、かご型導体が形成する磁束にむらができてしまうため、急加速する部位と加速が弱まる部位とが生じてしまい、スムーズな加速ができなくなってしまう。即ち、同期速度に至るまでの回転運動の補助を行う役割を担うかご型導体としては、できるだけ回転子の周方向に等間隔に（均等）配置されることが要求される。

特許文献１によれば、始動時において回転運動の補助を行うことを目的として、磁極内中央も含めて回転子の周方向に沿って等間隔に形成したダンパ用溝に導体を設けてかご型導体を形成している。即ち、特許文献１においてかご型導体を形成する目的自体は、減磁を防止するものではなく、同期速度に至るまでの回転運動の補助を行うことである。

そこで、本発明では、永久磁石の減磁耐力を向上させつつ、出力をなるべく低下させない回転電機を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る回転電機によれば、回転軸と、該回転軸の回転に伴って回転すると共に永久磁石を備える回転子と、該回転子と間隙を設けて前記回転子の外径側に対向配置される固定子とを備える回転電機であって、更に前記回転軸方向に伸延し、前記回転子内に配置される減磁保護用導体を備え、該減磁保護用導体は前記回転子の磁極毎に対となって設けられ、該対となる減磁保護用導体同士は電気的に接続されており、該減磁保護用導体は前記回転子内で、前記回転子の周方向について前記永久磁石の磁極中央側における端部よりも隣接する異極側に配置され、対となる前記減磁保護用導体同士を前記回転子外周方向に結んだ弧または該弧を前記回転子外周方向に沿って延長させた線よりも内径側に前記永久磁石全体が位置する様に、前記減磁保護用導体は配置されることを特徴とする。

本発明によれば、永久磁石の減磁耐力を向上させつつ、出力をなるべく低下させない回転電機を提供することが可能になる。

実施例に係る回転電機の軸方向に垂直な断面を示す断面図である。 実施例に係る回転子の磁極を拡大して表示した図である。 逆磁束が加わる様子及び逆磁界を打消す磁束が生ずる様子を示す図である。 回転子の磁極を拡大して表示した図である。 減磁保護用導体間隔と磁極極小部間隔の比に対する減磁耐力の変化を示す図である。 他の構成例を示す回転子の磁極を拡大して表示した図である。 他の構成例を示す回転子の磁極を拡大して表示した図である。 他の構成例を示す回転子の磁極間部を拡大して表示した図である。

以下、本発明を実施する上で好適となる実施例について図面を用いて説明する。下記はあくまでも実施の例に過ぎず、本発明の実施態様を下記具体的態様に限定することを意図する趣旨ではない。本発明は、下記実施例以外の種々の態様にも変形することが可能である。

〔実施例〕
本発明の実施例について各図を用いて説明する。本実施例では、主に数百kWから数十MWの容量の永久磁石式回転電機について説明している。図１に示す様に、本実施例に係る永久磁石式回転電機は、回転軸となるシャフト６と、シャフト６の回転に伴って回転し、かつ永久磁石３を備える回転子２と、回転子２と間隙を設けて回転子２の外径側に回転子２と対向配置される固定子１とから主として構成される。

固定子１は、固定子ティース１１にコイル（固定子巻線）１０を分布的に巻いた分布巻固定子となっており、該分布巻を周方向に連続させている。コイル１０はＵＶＷの３相巻線を有しており、本実施例に示す構造では、一例としてスロット数が７２で電気的に８つの磁極が作られる場合について説明している。またコイル１０は固定子ティース１１の間の固定子スロット１２に上コイル８、下コイル９と上下２つのコイルが配置されている。
尚、本実施例では分布巻固定子を例にして説明しているが、無論当該巻き方に限定されるものでなく、他の巻き方も可能である。他の例としては、例えば固定子ティースにコイルを集中的に巻いた集中巻がある。電源１６から供給される電力が電力変換器１５から同期運転を行う上で必要となる交流周波数に変換されたものが、軸方向端部または中央に設けた端子を介して、コイル１０に供給される。

回転子２は、シャフト６に接続され、シャフト６の軸方向に積層された回転子鉄心５と、回転子鉄心５内部の外径側に設けた磁石挿入孔４内に配置される永久磁石３とを有しており、回転子はシャフト６の回転に伴って回転する。回転子鉄心５には、更に減磁保護用導体７が一極辺り１対配置されている。減磁保護用導体７は回転子２内で、（両側の）異極間部に配置し、かつ回転子２内で異極間部以外には配置されていない。ここで、異極間部とは、減磁保護用導体７を回転子内に配置した場合に、後述する０.６＜ＷＢ／ＷＭ＜１.４の関係を満たす様な領域を指す。減磁保護用導体７の材料としては導電性部材を使用することが望ましく、例えば銅、アルミ等が挙げられる。対となる減磁保護用導体７同士は回転子２の軸方向端部で互いに電気的に接続されている。接続方法としては、例えば銅などの導電性リング状の部材ですべての減磁保護用導体を接続しても良く、また一極ごとに接続させること等も可能である。本実施例では磁石配置の形状が一極あたり２枚の永久磁石３を同極が向かい合うようにＶ字状に配置されている。無論、永久磁石の配置はこの様なＶ字状に限られるものでなく、そもそも一極あたり１枚や３枚以上の磁石でも良く、その他円弧状の磁石でも良く、様々な形状とすることが可能である。

図２に回転子２の一極部分を拡大したものを示す。上記の様に、本実施例ではＶ字状の永久磁石配置としている。この場合、磁極と磁極の間の極間部１３に向かうに従い永久磁石３は回転子外周側に近づくので、永久磁石３の外径側に存在する鉄心量が少なくなる。
そして、この様に鉄心が少なくなる部分は永久磁石から生ずる磁束が集中的に通過するので、該部分において磁束飽和が起こる。永久磁石３が回転子外周側に近づき、鉄心が少なくなり、磁束飽和が起こる部分を磁極極小部２１とし、図２では回転中心から磁極極小部２１のうちで、特に永久磁石３の外周側端部と回転子２の外周が最近接する部位に向かって線２２を引いており、回転子の回転中心から磁極の中心を通る線１４に対し、両側における、当該永久磁石３の外周側端部と回転子２の外周が最近接する部位同士の、回転子２の回転中心から見た円周角をＷＭとする。

減磁保護用導体７は回転子の回転中心から磁極の中心を通る線１４に対し、両側に対となって設けられており、一極当たりで回転子の回転中心から見て、対となって設けられる減磁保護用導体７間の円周角をＷＢとする。図２において減磁保護用導体７の位置は、磁極極小部２１のうちで、特に永久磁石３の外周側端部と回転子２の外周が最近接する部位に向かって回転中心から引いた線２２上であって、回転子鉄心５内で永久磁石３の外周側端部よりも外周側に設けられている。即ち、ＷＢとＷＭについては、本図に示す例ではＷＢ＝ＷＭとなっている。

図３を用いて永久磁石の減磁について説明する。まず、永久磁石を使用した回転電機では、磁力が低下するのを防ぐべく、永久磁石の減磁耐力を向上させる必要がある。永久磁石の減磁耐力は永久磁石内を通過する磁石の経路長によって影響を受けるが、特に固定子１側から突発短絡事故時など逆磁界２０３が加わった時には、磁束２０４で示される様に永久磁石３に対し、永久磁石３の厚さ方向について部分的にしか通過しない磁束が発生し、係る部分的にしか通過しない磁束は磁石内での経路長が短い。この様に磁石内での経路長が短い逆磁束が加わると、永久磁石の減磁耐力が低下する。
永久磁石を通過する経路長を長くする上では、永久磁石を厚くすることが考えられるが、永久磁石を厚くした場合、永久磁石の使用量が増加してしまう。そこで、永久磁石の使用量を増加させずに、減磁耐力を向上させる上では、磁束２０４で示される様な永久磁石３の厚さ方向について部分的にしか通過しない磁束を永久磁石３に作用させないことが望まれる。

本実施例では、永久磁石３の外周角部を結んだ弧２０２よりも回転子外径側に対となる減磁保護用導体７を配置している。言い換えると、回転子の回転中心から磁極の中心を通る線１４に対し、両側における減磁保護用導体７を回転子鉄心５の外周方向に沿って結んだ弧２０１の半径（ＤＤとする）と、回転子の回転中心から磁極の中心を通る線１４に対し、両側における、当該永久磁石３の外周側端部と回転子２の外周が最近接する部位同士を回転子鉄心５の外周方向に沿って結んだ弧２０２の半径（ＤＭとする）の関係はＤＭ＜ＤＤとなっている。
減磁保護用導体７が上記のような配置にあるとき、永久磁石３へ到達する逆磁界２０３は減磁保護用導体７を回転子鉄心５の外周方向に沿って結んだ弧２０１または、該弧２０１を前記回転子外周方向に沿って延長させた線上を必ず通過することになる。この際、減磁保護用導体７には渦電流が流れ（図３内において左側の減磁保護用導体７には手前側に、右側の減磁保護用導体７には奥側に電流が流れる。）、逆磁界２０３を弱める向きに磁束２０５が発生する。これにより、逆磁界が弱まり減磁耐力が向上することになる。
本実施例では図２に示す様に、減磁保護用導体７の位置は、回転中心から磁極極小部２１のうちで、特に永久磁石３の外周側端部と回転子２の外周が最近接する部位に向かって引いた線２２上であって、回転子鉄心５内で永久磁石３の外周側端部よりも外周側に設けられており、ＷＢ＝ＷＭとなっている。しかし、減磁保護用導体７の位置は当該関係を満たす位置に限られるものではなく、例えば図４に示す様にＷＢ＜ＷＭとなる位置に減磁保護用導体７を配置しても良く、反対にＷＢ＞ＷＭとなる位置（図示略）に減磁保護用導体７を配置することも可能である。磁極極小部２１は、永久磁石３の角部が配置されることになり、故に磁石遠心力による応力が集中する点にもなることから、強度を高める上で磁極極小部２１、特にＷＢ＝ＷＭとなる位置では、鉄心量が多い方が好ましい。即ち、減磁保護用導体７を、回転子２の回転中心から永久磁石３の外周側端部と回転子２の外周が最近接する部位に向かう線２２上から、ずれた位置とすることで、応力への耐性は向上する。

図５には、減磁保護用導体７を設けない状態の減磁耐力を１とした場合における磁極幅ＷＢ／ＷＭの比と減磁耐力の関係を示す。０.６＜ＷＢ／ＷＭ＜１.４の関係を満たす領域（異極間部）においては、減磁保護用導体７を設けない状態の減磁耐力を確実に上回っており、減磁耐力向上効果が認められる。よって好ましくは磁極領域ＷＭと減磁保護用導体間隔ＷＢについては、およそ０.６＜ＷＢ／ＷＭ＜１.４と設定することが望ましい。またＷＢ／ＷＭ＜０.６、１.４＜ＷＢ／ＷＭ以外の領域ではバーを一極あたり左右対称のような均等に配置せず、多少であれば回転子周上に不等間隔としても図４の効果は得られる。

本実施例によれば、回転子２の磁極毎に対となって設けられる減磁保護用導体７同士を回転子２の外周方向に結んだ弧または当該弧を回転子２の外周方向に沿って延長させた線よりも内径側に永久磁石３が位置する様に、前記減磁保護用導体は配置されているので、逆磁界を妨げるように減磁保護用導体７に電流が流れ、永久磁石３には必ず弱まった逆磁束が加わる。

しかし、係る関係性は満たさずとも、減磁保護用導体７は回転子２の磁極毎に対となって設けられていると共に、電気的に接続される減磁保護用導体７同士を、減磁保護用導体７は回転子２内で、（両側の）異極間部に配置し、かつ回転子２内で異極間部以外には配置されていない様にすれば、減磁に寄与する異極間部には減磁保護用導体７を配置するものの、出力を低下させることに繋がる異極間以外には配置しないこととなり、永久磁石の減磁耐力を向上させつつも、出力についてはなるべく低下させない様にすることは可能である。

特に、本実施例では電力変換器１５を設けて、電力変換器１５からコイル１０に交流電流を供給する様にしている。係る場合においては、特に減磁保護用導体７同士を、（両側の）異極間部に配置し、かつ回転子２内で異極間部以外には配置しないことは有益である。理由を以下説明する。

電力変換器を使用する場合には、電源周波数以外の高周波磁束も多く発生される。この場合にコイルと回転子に設けた磁石の間に導体が配置されていると、導体は導体自身を鎖交するいずれの磁束に対しても当該鎖交磁束を打消す方向の磁界を発生させる様に誘導電流を生じさせてしまい、電力変換器を用いて制御した周波数を意図する様に磁石に付加させることができなくなってしまう。即ち、電力変換器を使用する場合においては、特に回転子２内で異極間部以外には配置しないことが有益となる。一方で、異極間部については、上記の様な高周波に対しては鎖交されることがなく、電源周波数に対応した磁束にしか反応せず、損失となりにくい。そして、減磁を生じさせる逆磁束は、電源周波数による磁束が逆向きに働いたものであるため、異極間部に配置することは逆磁束を生じさせる電源周波数に対してのみ打消す磁界を発生させることになり、非常に好適なものとなる。

上記説明では、減磁保護用導体７を異極間部に配置し、かつ異極間部以外には配置しないこととしていたが、更に、減磁保護用導体７を回転子２内で、回転子２の回転子の周方向について、同一磁極内における他の永久磁石３に近接する側の永久磁石３端部よりも隣接する異極側に配置すれば、出力についてはなるべく低下させずに減磁防止効果を多少なりとも得られることにはなる。故に、減磁耐力を上げるために永久磁石を厚く設ける必要がなく、永久磁石の使用量を減ずることにもつながると言える。ここで、減磁保護用導体７を回転子２内で、回転子２の回転子の周方向について、同一磁極内における他の永久磁石３に近接する側の永久磁石３端部よりも隣接する異極側に配置する場合とは、即ち、減磁耐力を向上させることを意図して配置する場合を指す。また、この場合には、隣接する異極を含めて見ると、図１に示す様に、回転子２の周方向について永久磁石３よりも磁極中央側と比較して、永久磁石３よりも隣接する異極側に減磁保護用導体７が偏在していることにもなる。しかし、より好ましくは０.６＜ＷＢ／ＷＭ＜１.４の関係を満たす領域である異極間部に配置することが望ましい。

但し、極間中央部に減磁保護用導体７が配置されていても、電源周波数の逆磁束は外側の減磁保護用導体７に多く作用し、結果的に異極間部に多く電流が流れるので、減磁保護と言う点では多くの効果は期待できないと共に、減磁保護用導体７が配置されている部位は、出力に寄与する磁束経路でなく、ギャップとなってしまうので、むしろ出力を下げてしまう。減磁耐力向上の観点では、減磁耐力を低下させるものではなく、配置することを排除する訳ではないが、出力の観点からすれば、好ましくは異極間部以外には減磁保護用導体７を設けない方が望ましい。

また、対となって設けられる減磁保護用導体７は、回転子２の回転中心から磁極の中心を通る線１４に対して対称な位置に配置されており、一つの磁極内に配置された永久磁石３に対して均等に減磁保護を行うことができる。

また、図２に示す様に減磁保護用導体７を、回転子２の回転中心から永久磁石３の外周側端部と回転子２の外周が最近接する部位に向かう線上に設けることで、図５に記載されている様に、減磁耐力を最も高めることが可能になる。

また、図４に示す様に、減磁保護用導体７を、回転子２の回転中心から永久磁石３の外周側端部と回転子２の外周が最近接する部位に向かう線上からずれた位置に設けることで、磁石遠心力による応力が集中する点の回転子鉄心５の量を多くでき、強度を向上させることが可能になる。

また、減磁保護用導体７は、磁極中央部から隣接する異極に接続する回転子鉄心５のうち、異極間部において、永久磁石３の外周側端部と回転子２外周の間の部位全体を塞ぐように配置されており、磁極中央部から隣接する異極に抜けようとする漏れ磁束も併せて低減できる様になる。漏れ磁束は出力に寄与しない磁束となってしまい、係る磁束が固定子側を通過する様にすることで出力を向上させることも可能になる。

本実施例では、減磁保護用導体７は磁極毎に１対のみ設けられる場合を示したが、例えば、図６に示す様に、減磁保護用導体５１を磁極毎に複数対設けることも可能である。この場合、上記ＷＢは、対を構成する一方の減磁保護用導体（本図では３つ）の中で、両端の減磁保護用導体の中間点と、他方の減磁保護用導体（本図では３つ）の中で、両端の減磁保護用導体の中間点に対する回転子の回転中心からの円周角でＷＢは定義される。これは、磁極毎に複数対の減磁保護用導体が設けられる場合であっても一方の減磁保護用導体のうち、両端の減磁保護用導体が主として逆磁束の打消しに寄与するためである。

また、本実施例では、減磁保護用導体の回転軸に対して垂直な方向の形状は円形形状としていたが、それ以外の形状とすることも可能であり、例えば図７に示す様に、減磁保護用導体６１は円形形状に代えて楕円形状としても良い。

また、本実施例では、図１に示した様に、互いに隣接する磁極に設けた永久磁石３間は回転子鉄心５が埋めていたが、図８に示す様に、極間部に溝７１を設けることも可能である。

尚、上記各実施例で説明した回転電機は、例えば風力発電等における風車のような動力源と接続された発電機や、ファン、ポンプなどの動力源に使用する電動機として使用することが可能である。

１ 固定子
２ 回転子
３ 永久磁石
４ 磁石挿入孔
５ 回転子鉄心
６ シャフト
７、６１ 減磁保護用導体
８ 上コイル
９ 下コイル
１０ コイル
１１ 固定子ティース
１２ 固定子スロット
１３ 極間部
１４、２２、３１ 線
１５ 電力変換器
１６ 電源
２１ 磁極極小部
７１ 極間部溝
２０１、２０２ 弧
２０３ 逆磁界
２０４、２０５ 磁束

Claims (9)

1. 回転軸と、該回転軸の回転に伴って回転すると共に永久磁石を備える回転子と、該回転子と間隙を設けて前記回転子の外径側に対向配置される固定子とを備える回転電機であって、
   更に前記回転軸方向に伸延し、前記回転子内に配置される減磁保護用導体を備え、
   該減磁保護用導体は前記回転子の磁極毎に対となって設けられ、
   該対となる減磁保護用導体同士は電気的に接続されており、
   該減磁保護用導体は前記回転子内で、前記回転子の周方向について前記永久磁石の磁極中央側における端部よりも隣接する異極側に配置され、
   対となる前記減磁保護用導体同士を前記回転子外周方向に結んだ弧または該弧を前記回転子外周方向に沿って延長させた線よりも内径側に前記永久磁石全体が位置する様に、前記減磁保護用導体は配置される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、
   前記減磁保護用導体は、前記回転子内で、前記回転子の周方向について、前記永久磁石の磁極中央側における端部よりも磁極中央側には配置されていないことを特徴とする回転電機。
3. 回転軸と、該回転軸の回転に伴って回転すると共に永久磁石を備える回転子と、該回転子と間隙を設けて前記回転子の外径側に対向配置される固定子とを備える回転電機であって、
   更に前記回転軸方向に伸延し、前記回転子内に配置される減磁保護用導体を備え、
   該減磁保護用導体は前記回転子の磁極毎に対となって設けられ、
   該対となる減磁保護用導体同士は電気的に接続されており、
   前記減磁保護用導体は前記回転子内で、異極間部に配置され、
   対となる前記減磁保護用導体同士を前記回転子外周方向に結んだ弧または該弧を前記回転子外周方向に沿って延長させた線よりも内径側に前記永久磁石全体が位置する様に、前記減磁保護用導体は配置されることを特徴とする回転電機。
4. 請求項３に記載の回転電機であって、
   更に前記減磁保護用導体は前記回転子内で、異極間部以外には配置されないことを特徴とする回転電機。
5. 請求項４に記載の回転電機であって、
   前記固定子には固定子巻線が設けられ、
   更に前記固定子巻線に交流電流を供給する電力変換器を備えることを特徴とする回転電機。
6. 請求項１ないし５のいずれか一つに記載の回転電機であって、
   対となって設けられる前記減磁保護用導体は、前記回転子の回転中心から前記磁極の中心を通る線に対して対称な位置に配置されることを特徴とする回転電機。
7. 請求項１ないし６のいずれか一つに記載の回転電機であって、
   前記減磁保護用導体は、前記回転子の回転中心から前記永久磁石の外周側端部と前記回転子外周が最近接する部位に向かう線上に設けられることを特徴とする回転電機。
8. 請求項１ないし６のいずれか一つに記載の回転電機であって、
   前記減磁保護用導体は、前記磁極間部の内、前記回転子の回転中心から前記永久磁石の外周側端部と前記回転子外周が最近接する部位に向かう線上からずれた位置に設けられることを特徴とする回転電機。
9. 請求項１ないし８のいずれか一つに記載の回転電機であって、
   前記減磁保護用導体は、磁極中央部から異極間部に向けて形成される前記永久磁石の外周側端部と前記回転子外周の間の部位を、異極間部において塞ぐように配置されていることを特徴とする回転電機。