回転電機およびその製造方法
【課題】回転子コアの打ち抜き金型の費用を削減しつつ、定格速度が比較的高い場合においても十分な高効率化を実現することが可能な回転電機の製造方法を提供する。
【解決手段】本発明に係る回転電機の製造方法は、固定子コア１１および固定子巻線１２を有する固定子１と、当該固定子１にギャップ３を介して囲まれた回転子コア２１および複数の永久磁石２３を有する回転子２と、を備え、固定子１において発生する交流磁界により回転子２が回転する回転電機の製造方法であって、回転電機の定格速度を増加させる場合、回転子コア２１を共用するとともに永久磁石２３の数を変更せずに、各永久磁石２３の所定性能を変更することにより、ギャップ３中の磁束密度を小さくすることを特徴とするものである。
【解決手段】本発明に係る回転電機の製造方法は、固定子コア１１および固定子巻線１２を有する固定子１と、当該固定子１にギャップ３を介して囲まれた回転子コア２１および複数の永久磁石２３を有する回転子２と、を備え、固定子１において発生する交流磁界により回転子２が回転する回転電機の製造方法であって、回転電機の定格速度を増加させる場合、回転子コア２１を共用するとともに永久磁石２３の数を変更せずに、各永久磁石２３の所定性能を変更することにより、ギャップ３中の磁束密度を小さくすることを特徴とするものである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転電機およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
回転電機として、従来より、固定子巻線を有する固定子で発生する交流磁界（回転磁界）により永久磁石を有する回転子が回転するものが知られている。そして、このような回転電機の変換効率を高める（高効率化する）ために、固定子コアを軟磁性体や方向性電磁鋼板、薄板の珪素鋼鈑で構成することにより、固定子で発生する鉄損失（コアの渦電損、ヒステリシス損）を低減させる技術が提案されている（例えば特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−７８７８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ここで、回転子の極数が変わらない条件下で回転電機の回転速度が高くなると、回転電機を制御するインバータの駆動周波数（固定子で発生する交流磁界の周波数ともいえる）が高くなるため、固定子で発生する鉄損失が異常に増加する。このため、一般的には、回転電機の定格速度（回転電機が許容する回転速度の上限値）が高くなるに従い、回転電機の極数を小さくしていた。つまり、定格速度が異なる回転電機ごとに、極数の異なる回転子コアを準備していた。
【０００５】
一方で、設備投資削減の観点から回転子コアの打ち抜き金型の費用を削減するために、定格速度が異なる回転電機に対して共通の回転子コアを用いる（つまり回転子コアを共用して回転子の極数を変えないようにする）ことが望まれている。しかしながらこの場合、上述したように、定格速度が比較的に高い回転電機において鉄損失が異常に増加してしまい、高効率化を実現できないという問題がある。
【０００６】
このように、回転子コアの打ち抜き金型の費用を削減しつつ、定格速度が比較的に高い回転電機においても高効率化を実現することは困難であった。
【０００７】
なお、上記従来技術を用いて鉄損失を低減させることが考えられるが、固定子コアの材質変更では、上記鉄損失の異常な増加を十分に抑制することが困難であった。その結果、定格速度が比較的に高い回転電機において十分な高効率化を実現することができなかった。
【０００８】
そこで、本発明は、回転子コアの打ち抜き金型の費用を削減しつつ、定格速度が比較的に高い場合においても十分な高効率化を実現することが可能な回転電機、およびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、本発明に係る回転電機の製造方法は、固定子コアおよび当該固定子コアに設けられた固定子巻線を有する固定子と、当該固定子にギャップを介して囲まれた回転子コアおよび当該回転子コアに設けられた複数の永久磁石を有する回転子と、を備え、固定子において発生する交流磁界により回転子が回転する回転電機の製造方法であって、回転電機の定格速度を増加させる場合、回転子コアを共用するとともに永久磁石の数を変更せずに、各永久磁石の所定性能を変更することにより、ギャップ中の磁束密度を小さくすることを特徴とするものである。
【００１０】
このように、ギャップ中の磁束密度を小さくすることにより、固定子コアの磁束密度を低減させる。ここで、鉄損失は、固定子コアの磁束密度の２乗に比例することから、固定子コアの磁束密度を低減させることにより、固定子で発生する鉄損失の異常な増加を十分かつ効果的に抑制することができる。このため、回転子コアの打ち抜き金型の費用を削減しつつ、定格速度が比較的に高い場合においても十分な高効率化を実現することが可能になる。
【００１１】
好ましくは、各永久磁石の残留磁束密度を低減させることにより、ギャップ中の磁束密度を小さくするとよい。この場合において、各永久磁石を熱により不可逆減磁させることにより、各永久磁石の残留磁束密度を低減させてもよいし、さらに、各永久磁石を設けた回転子コアの外周を磁性体リングで囲んだ状態で、各永久磁石を熱により不可逆減磁させてもよい。または、各永久磁石を、飽和磁化しないレベルの磁界により着磁された永久磁石に変更することにより、各永久磁石の残留磁束密度を低減させてもよい。さらに、回転電機で発生する鉄損失および銅損失の和である全損失が最小値になるまで各永久磁石の残留磁束密度を低減させてもよい。または、ネオジウム磁石からなる各永久磁石を等方性のボンド磁石に変更することにより、各永久磁石の残留磁束密度を低減させてもよい。
【００１２】
また好ましくは、回転子の回転軸と垂直な方向における各永久磁石の断面形状がもつ径方向厚みを薄くすることにより、ギャップ中の磁束密度を小さくするとよい。この場合において、回転子コアには、回転軸と平行に伸びる貫通穴が各永久磁石に対応するように複数形成されており、各永久磁石は、対応する貫通穴内に設けられており、各永久磁石の径方向厚みを薄くし、かつ永久磁石と貫通孔との間に隙間を形成することにより、ギャップ中の磁束密度を小さくしてもよい。さらに、回転電機で発生する鉄損失および銅損失の和である全損失が最小値になるまで、回転軸と垂直な方向における各永久磁石の断面形状がもつ径方向厚みを薄くしてもよい。さらに、回転子の回転軸方向における各永久磁石の長さは、当該回転軸方向における回転子コアの長さと略同じ長さであり、かつ、当該回転軸方向における固定子コアの長さとも略同じ長さであるとしてもよい。
【００１３】
また本発明は、回転電機にも向けられており、本発明に係る回転電機は、固定子コアおよび当該固定子コアに設けられた固定子巻線を有する固定子と、固定子にギャップを介して囲まれた回転子コアおよび当該回転子コアに設けられた複数の永久磁石を有し、固定子において発生する交流磁界により回転する回転子と、を備え、回転子コアには、回転子の回転軸と平行に伸びる貫通穴が各永久磁石に対応するように複数形成されており、各永久磁石は、対応する貫通穴内に設けられており、回転軸と垂直な方向における各永久磁石の断面形状がもつ径方向厚みは、回転軸と垂直な方向における貫通孔の径方向厚みよりも薄く、永久磁石と貫通孔との間には、隙間が形成されることを特徴とするものである。
【００１４】
このように、各永久磁石の径方向厚みを貫通孔の径方向厚みよりも薄くし、永久磁石と貫通孔との間に隙間を形成することで、永久磁石動作点を小さくしてギャップ中の磁束密度を小さくすることができる。これにより、固定子コアの磁束密度を低減させることができる。上述したように、固定子コアの磁束密度の２乗に比例することから、固定子コアの磁束密度を低減させることにより、固定子で発生する鉄損失の異常な増加を十分かつ効果的に抑制することができる。このため、回転電機の定格速度が比較的に高い場合でも、十分な高効率化を実現することが可能になる。また、回転子コアを共用することができるので、回転子コアの打ち抜き金型の費用を削減することもできる。
【００１５】
好ましくは、各永久磁石の径方向厚みは、回転電機で発生する鉄損失および銅損失の和である全損失が最小値となるときの厚みに設定されてもよい。
【００１６】
または、本発明に係る回転電機は、固定子コアおよび当該固定子コアに設けられた固定子巻線を有する固定子と、固定子にギャップを介して囲まれた回転子コアおよび当該回転子コアに設けられた複数の永久磁石を有し、固定子において発生する交流磁界により回転する回転子と、を備え、各永久磁石の残留磁束密度は、回転電機で発生する鉄損失および銅損失の和である全損失が最小値となる値に設定されることを特徴とするものであってもよい。この場合において、各永久磁石は、等方性のボンド磁石であってもよい。
【００１７】
または、上記本発明に係る回転電機において、回転子の回転軸方向における各永久磁石の長さは、当該回転軸方向における回転子コアの長さと略同じ長さであり、かつ、当該回転軸方向における固定子コアの長さとも略同じ長さであってもよい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、回転子コアの打ち抜き金型の費用を削減しつつ、定格速度が比較的高い場合においても十分な高効率化を実現することが可能な回転電機、およびその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の第１実施形態に係る回転電機の断面を示す図
【図２】各素材の磁気特性を示した図
【図３】各素材の磁石表面磁束密度を示す図
【図４】第２実施形態に係る回転電機の回転子の製造工程図
【図５】永久磁石の不可逆減磁量を変化させた時の全損失実験結果の図
【図６】図４の第２工程の他例を示す図
【図７】第３実施形態に係る着磁方法を説明するための図
【図８】本発明の第４実施形態に係る回転電機の断面を示す図
【図９】永久磁石の表面磁束密度の算出結果を示す図
【発明を実施するための形態】
【００２０】
まず、本発明の概念について説明する。固定子で発生する鉄損失の密度である鉄損密度σは、以下の式１で表される。また、鉄損失Ｗは式２で表される。
【００２１】
（数１）
σ ＝ σｈ＋σｅ ＝ Ｋｈ・ｆ・Ｂ２＋Ｋｅ・ｆ２・Ｂ２ ・・・（式１）
Ｗ ＝ σ・Ｖ ・・・（式２）
【００２２】
式１において、σｈはヒステリシス損密度、σｅは渦電流損密度、ｆは固定子コアの任意の場所（例えばティース部、ヨーク部など）での交番周波数（インバータの駆動周波数や交流磁界の周波数と考えても可）、Ｂは固定子コアの磁束密度、Ｖは固定子コアの体積である。Ｋｈ、Ｋｅはそれぞれ定数である。例えばＫｅの内訳は、固定子コアの板厚やその抵抗率などの材質に基づく固有値である。
【００２３】
式１に示すように、鉄損密度σは、ヒステリシス損密度σｈと渦電流損密度σｅの和で表される。また、ヒステリシス損密度σｈおよび渦電流損密度σｅは、それぞれ交番周波数ｆに依存する。ここで、交番周波数ｆは、回転電機の回転速度が高くなるに従い高くなる。このため、鉄損密度σは、回転電機の回転速度が高くなるに従い異常に増加することになり、固定子で発生する鉄損失Ｗが異常に増加することになる。
【００２４】
このような事象に対し、本発明では、固定子と回転子間のギャップ中の磁束密度を小さくすることにより、固定子コアの磁束密度Ｂを低減させる。鉄損密度σは、式１に示すように、固定子コアの磁束密度Ｂの２乗に比例することから、固定子コアの磁束密度Ｂを低減させることにより、固定子で発生する鉄損失の異常な増加を十分かつ効果的に抑制することができるからである。以下、ギャップ中の磁束密度を小さくするための複数の手段を各実施形態に詳述する。なお、以下の各実施形態おいて、同一の構成については同一の符号を付することにより、重複説明を適宜省略する。
【００２５】
＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態に係る回転電機の断面を示す図である。図１の断面は、回転電機の回転子の回転軸Ｏと垂直な方向から回転電機を切断したときの断面である。
【００２６】
図１において、回転電機は、固定子１および回転子２を備える。回転子２は略円筒状であり、その外周はギャップ３を介して固定子２に囲まれている。固定子１は、固定子コア１１および固定子巻線１２を有する。固定子コア１１は、例えば、無方向性電磁鋼板、軟磁性体、方向性電磁鋼板、薄板の珪素鋼鈑などのいずれか１つを積層することにより構成される。固定子コア１１は、ヨーク部１１ａおよびティース部１１ｂにより構成される。固定子巻線１２は、ティース部１１ｂ間に設けられる。固定子巻線１２にインバータ等の駆動装置から電力を供給されることにより、固定子１に交流磁界（回転磁界）が発生し、この交流磁界により回転子２が回転する。
【００２７】
回転子２は、シャフト２１、回転子コア２２、および永久磁石２３を有する。回転子コア２２は、シャフト２１の外周に設けられる。回転子コア２２は、例えば、無方向性電磁鋼板、軟磁性体、方向性電磁鋼板、薄板の珪素鋼鈑などのいずれか１つを積層することにより構成される。回転子コア２２には、回転軸Ｏと平行に伸びる貫通孔２２ａが極数に対応する数だけ形成される。図１の例では、極数は４である。各貫通孔２２ａには、永久磁石２３が挿入される。また、隣り合う貫通孔２２ａの間には、磁束を遮断する空隙２２ｂが形成されている。回転軸Ｏ方向における永久磁石２３の長さは、回転軸Ｏ方向における回転子コア２２および固定子コア１１の長さと略同じ長さになっている。なお、本実施形態では、永久磁石２３の径方向厚みと貫通孔２２ａの径方向厚みは、略同一になっている。
【００２８】
本実施形態では、ギャップ３中の磁束密度を小さくするために、永久磁石２３の素材を変更し、永久磁石２３の残留磁束密度を低減させる手段について説明する。図２は各素材の磁気特性を示した図である。図２において、Ｂｒは残留磁束密度、ＨｃＢはＢ−Ｈカーブでの保磁力、（ＢＨ）ｍａｘはＢ−Ｈカーブにおける最大エネルギー積である。図３は、各素材の磁石表面磁束密度を示す図である。図３では、２０℃における図２に記載の各素材のＢ−ＨカーブおよびＪ−Ｈカーブが示されている。また、磁石動作点ＰＣを１.５としている。図３において、各素材の磁石表面磁束密度は、磁石動作点ＰＣと各素材のＢ−Ｈカーブの交点（Ａ点、Ｂ点、Ｃ点）が示す値となる。具体的には、Ａ点におけるネオジウム磁石の磁石表面磁束密度は８．０（ＫＧ）となり、Ｂ点におけるボンド磁石の磁石表面磁束密度は４．０（ＫＧ）となり、Ｃ点におけるフェライト磁石の磁石表面磁束密度は２．７（ＫＧ）となる。図２および図３から、素材の残留磁束密度が小さくなるに従い、磁石表面磁束密度が小さくなることがわかる。磁石表面磁束密度が小さくなると、ギャップ３中の磁束密度が小さくなる。
【００２９】
このように、永久磁石２３の素材をネオジウム磁石からフェライト磁石またはボンド磁石に変更して永久磁石２３の残留磁束密度を低減させることにより、ギャップ３中の磁束密度を小さくすることができる。これにより、固定子１で発生する鉄損失の異常増加を十分かつ効果的に抑制することができる。その結果、回転子コア２２の打ち抜き金型の費用を削減しつつ、定格速度が比較的高い回転電機に対し十分な高効率化を実現することができる。
【００３０】
また、本実施形態では、回転軸Ｏ方向における永久磁石２３の長さを、回転軸Ｏ方向における回転子コア２２および固定子コア１１の長さと略同じ長さにしている。これを第１手法とする。鉄損失を低減させる別の第２手法として、回転軸Ｏ方向における回転子コア２２の長さを、回転軸Ｏ方向における永久磁石２３の長さよりも長くし、かつ、回転軸Ｏ方向における固定子コア１１の長さと同じ長さにすることが考えられる。しかし、この第２手法では、回転軸Ｏ方向における永久磁石２３の長さが回転軸Ｏ方向における回転子コア２２の長さよりも短くなるため、ギャップ３中の磁束密度の分布が回転Ｏ軸方向において偏ってしまう。この第２手法の回転軸Ｏ方向における磁束密度の分布は、永久磁石２３がない部分で磁束密度が非常に小さく、永久磁石２３がある部分でほぼ一定の大きな値をとる、いわゆる台形近似の分布となる。一方、第１手法では、回転軸Ｏ方向における磁束密度の分布は一定となり、さらに、その値は従来法の一定値よりも更に小さくできる。次に、第１手法と第２手法の効果の違いを考えてみる。ギャップ３中の磁束密度が平均で０．８倍になるように考えた場合、第２手法では永久磁石２３の長さを回転子コア２２の長さの０．８倍になるように配置する。一方、第１手法では永久磁石２３の材質を変える等して残留磁束密度を０．８倍になるようにする。式（１）、式（２）から明らかなように、固定子コア１１の長さが同じである場合(固定子コア１１の体積が同一である場合）、第２手法では体積が０．８倍になるため鉄損Ｗは０．８倍となる。しかし、第１手法では式（１）より、鉄損密度σが０．６４倍となり、鉄損Ｗは０．６４倍となり、第１手法のほうが鉄損減少効果が大きい。よって、好ましくは、第１手法を用いるとよい。第１手法を用いれば、ギャップ３中の磁束密度の分布が回転Ｏ軸方向において偏ることはなく一定に小さくすることができ、十分な高効率化を実現することができる。
【００３１】
なお、望ましくは、永久磁石２３の素材をボンド磁石に変更するのがよい。今、ある電磁部寸法でネオジウム磁石を使用した回転電機の鉄損失が２００（Ｗ）、銅損失が２０（Ｗ）であるとし、全損失がそれらの合計２２０（Ｗ）発生している場合を想定する。また、銅損失は電流の２乗に比例し、電流は残留磁束密度の逆数に比例し、鉄損失は残留磁束密度の２乗に比例すると考える。この場合において永久磁石２３の素材をフェライト磁石に変更すると、銅損失が１７６（Ｗ）、鉄損失が２３（Ｗ）となる。それらの合計は１９９（Ｗ）となる。一方、永久磁石２３の素材をボンド磁石に変更すると、銅損失が８０（Ｗ）、鉄損失が５０（Ｗ）となり、それらの合計が１３０（Ｗ）となり、全損失を最小にすることができる。このように、永久磁石２３の素材をボンド磁石に変更すると、全損失を最小にすることができ、より十分な高効率化を実現することができる。
【００３２】
また、永久磁石２３の素材をフェライト磁石に変更すると、ネオジウム磁石の場合よりも銅損失が増加する。このため、発熱、抜熱の関係から固定子巻線１２の温度が増加してしまう。一方、永久磁石２３の素材をボンド磁石に変更すると、フェライト磁石の場合よりも銅損失が増加しない。この意味でも、永久磁石２３の素材をボンド磁石に変更することが望ましいといえる。
【００３３】
＜第２実施形態＞
本実施形態では、図１に示した回転電機においてギャップ３中の磁束密度を小さくするために、永久磁石２３を故意に熱により不可逆減磁させ、永久磁石２３の残留磁束密度を低減させる手段について説明する。これ以外の構成については、第１実施形態と同様であるため、説明を省略する。また、熱による不可逆減磁のメカニズムについては、周知であるため、ここでは具体的な説明を省略する。
【００３４】
図４は、回転電機の回転子の製造工程図である。図４（ａ）は第１工程、図４（ｂ）は第２工程、図４（ｃ）は第３工程を示す図である。図４（ａ）に示す第１工程において、既に磁化され表面に接着剤が塗布された永久磁石２３が、所定形状に打ち抜かれた鋼板を積層して構成された回転子コア２２の貫通孔２２ａに挿入される。その後、図４（ｂ）に示す第２工程において、永久磁石２３が挿入された回転子コア２２が、図示しない加熱装置によって加熱される。なお、この加熱は、通常、２段階にわたって行われる。第１段階としては、永久磁石２３に塗布された接着剤を硬化することが可能な温度で回転子コア２２を加熱する。接着剤がエポキシ系接着剤であれば、１３０℃前後で加熱する。その後、第２段階として、２００℃前後で回転子コア２２を加熱し、焼き嵌めを行う。この第２工程における加熱により、永久磁石２３を不可逆減磁させ、永久磁石２３の残留磁束密度を低減させる。その後、図４（ｃ）に示す第３工程において、シャフト２１が回転子コア２２に挿入され、回転子１が完成する。
【００３５】
このように、永久磁石２３を熱により不可逆減磁させ、永久磁石２３の残留磁束密度を低減させることにより、ギャップ３中の磁束密度を小さくすることができる。これにより、固定子１で発生する鉄損失の異常増加を十分かつ効果的に抑制することができる。その結果、回転子コア２２の打ち抜き金型の費用を削減しつつ、定格速度が比較的高い場合においても十分な高効率化を実現することが可能な回転電機、およびその製造方法を提供することができる。
【００３６】
また本実施形態では、永久磁石２３の素材は変更しないので、第１実施形態と比べて、素材の価格変動や素材の入手性に対し影響を受けにくい。
【００３７】
なお、望ましくは、永久磁石２３の残留磁束密度を、回転電機の鉄損失および銅損失からなる全損失が最小値になるまで、永久磁石２３を熱により不可逆減磁させるとよい。これにより、全損失を最小にすることができ、より十分な高効率化を実現することができる。以下、全損失を最小値とする永久磁石２３の不可逆減磁の量について説明する。図５は、永久磁石２３の不可逆減磁の量、全損失、および変換効率の関係を示した実験結果を示す図である。図５の結果は、回転子２の極数を１０極とし、定格速度が３６００ｒｐｍである回転電機をインバータで駆動した条件で得られたものである。
【００３８】
図５において、「方策なし」は永久磁石２３を不可逆減磁させないものを示している。「方策なし」における全損失は５４（Ｗ）となり、変換効率は７８．７％となった。なお、回転子２の極数が１０極である回転電機を３６００ｒｐｍで回転させたとき、インバータの駆動周波数は、３００（Ｈｚ）とかなり高い周波数になる。このため、図６に示すように、「方策なし」の全損失の内、９０％が鉄損となっている。
【００３９】
「方策Ａ」は、永久磁石２３を「方策なし」から１１％だけ不可逆減磁させたものを示している。「方策Ａ」における全損失は４１（Ｗ）となり、変換効率は８３．０％となった。「方策Ｂ」は、永久磁石２３を「方策なし」から２５％だけ不可逆減磁させたものを示している。「方策Ｂ」における全損失は３３（Ｗ）となり、変換効率は８５．８％となった。この結果を受け、全損失の最小値と、全損失の最小値を得るための不可逆減磁の量、全損失が最小値となるときの変換効率を予想すると、図５の「予想」に示されたものとなる。具体的には、「予想」における全損失は３１（Ｗ）となって最小値となり、不可逆減磁の量は「方策なし」の４５％となり、変換効率は８６．６％となった。
【００４０】
図５に示す結果より、永久磁石２３を４５％だけ不可逆減磁させることにより全損失が最小値となる。つまり、永久磁石２３を４５％だけ不可逆減磁させることにより、回転電機の全損失を最小値にすることができる。
【００４１】
なお、上記第２工程における加熱温度が、期待量だけ不可逆減磁させる温度よりも高い場合がある。この場合、必要以上に永久磁石２３が減磁する。その対応策として図６に示すように、第２工程において、回転子コア２２を鉄等からなる磁性体リング４で覆った状態で加熱するとよい。これにより、永久磁石２３の磁石動作点が高くなるため、上記第２工程における加熱温度が、期待量だけ不可逆減磁させる温度よりも高くても、永久磁石２３の減磁量を期待する量に調整することができる。
【００４２】
＜第３実施形態＞
本実施形態では、図１に示した回転電機においてギャップ３中の磁束密度を小さくするために、飽和磁化しないレベルの磁界により永久磁石２３を着磁し、永久磁石２３の残留磁束密度を低減させる手段について説明する。これ以外の構成については、第１実施形態と同様であるため、説明を省略する。
【００４３】
永久磁石２３の着磁工程は、図示しない着磁装置によって行われ、例えば、永久磁石２３が無着磁の状態で図４（ｃ）に示したように回転子コア２２に挿入されて回転子２が完成した後に行われるか、図４（ａ）に示したように回転子コア２２に挿入される前に行われる。通常、永久磁石の着磁工程は、永久磁石の磁石保磁力の３倍以上の磁界を印加して永久磁石を飽和磁化させることにより、永久磁石を着磁する。つまり、永久磁石を飽和磁化させるレベルの磁界を印加して着磁する。これに対し、本実施形態では、この磁界を調整することで、永久磁石２３の残留磁束密度を低減させる。以下、本実施形態に係る着磁方法について、図７を用いて具体的に説明する。図７は、第３実施形態に係る着磁方法を説明するための図である。
【００４４】
図７において、平行四辺形状に形成された細線は、永久磁石のヒステリシスカーブ（Ｊ−Ｈカーブ）である。太線は、初磁化カーブである。ここで、硬磁性体からなる永久磁石に外部から磁界Ｈ（Ａ／ｍ）を印加すると、外部からの磁界を０（Ａ／ｍ）に戻しても、元の残留磁束密度Ｂｒに戻らないという性質をもつ。この性質により、永久磁石２３の磁石保磁力の３倍以上の磁界Ｈ１（Ａ／ｍ）を永久磁石２３に印加すると、磁界Ｈ１を０（Ａ／ｍ）しても、永久磁石２３の残留磁束密度は０（Ｔ）に戻らず、Ｂｒ１（Ｔ）となる。このように、磁界Ｈ１（Ａ／ｍ）を永久磁石２３に印加することにより、永久磁石２３は完全着磁される。一方、永久磁石２３が飽和磁化されないレベルの磁界Ｈ２（Ａ／ｍ）を永久磁石２３に印加すると、永久磁石２３の残留磁束密度はＢｒ２（Ｔ）となり、残留磁束密度は低減される。このように、飽和磁化されないレベルの磁界を永久磁石２３に印加することにより、永久磁石２３の残留磁束密度を低減させることができる。これにより、ギャップ３中の磁束密度を小さくすることができ、固定子１で発生する鉄損失の異常増加を十分かつ効果的に抑制することができる。その結果、回転子コア２２の打ち抜き金型の費用を削減しつつ、回転電機の定格速度が比較的高い場合でも十分な高効率化を実現することが可能な回転電機、およびその製造方法を提供することができる。
【００４５】
なお、本実施形態においても第２実施形態と同様、望ましくは、鉄損失および銅損失からなる全損失が最小値となるように、永久磁石２３に印加する磁界の強さを調整して着磁するとよい。
【００４６】
＜第４実施形態＞
図８は、本発明の第４実施形態に係る回転電機の断面を示す図である。本実施形態に係る回転電機は、図１に示した第１実施形態に係る回転電機に対して、永久磁石２３の厚みが薄くなった点で異なる。これ以外の構成については、第１実施形態と同様であるため、説明を省略する。
【００４７】
図８に示すように、本実施形態では、ギャップ３中の磁束密度を小さくするために、永久磁石２３の径方向厚みを薄くする。なお、回転子コア２２は共用されるので、貫通孔２２ａの形状は変わらない。このため、貫通孔２２ａの回転軸Ｏ側と永久磁石２３の固定子１側との間には、隙間５が形成される。永久磁石２３の径方向厚みを薄くする手段としては、磁石メーカのインゴッド（磁石素材の塊）からのスライス寸法を変更するか、回転電機製造工程の中で磁石を薄く切削することなどが考えられる。
【００４８】
永久磁石２３の径方向厚みを薄くすると、永久磁石２３内部の反磁界が大きくなり、さらに、隙間５が形成されることで、永久磁石２３および隙間５を含む磁気回路全体の磁石動作点が下がる。このため、永久磁石２３の表面磁束密度が小さくなる。その結果、ギャップ３中の磁束密度を小さくすることができる。図９は、永久磁石２３の径方向厚みを貫通孔２２ａの径方向厚みに対して３０％、６０％、１００％で可変した場合に得られる永久磁石２３の表面磁束密度をそれぞれ算出した結果を示す図である。また、図９では、永久磁石２３として、ネオジウム磁石を用い、温度２０℃として算出した。１００％厚みと３０％厚みの磁石動作点とＢ−Ｈカーブとの交点は、それぞれ１０（ＫＧ）と６．５（ＫＧ）となっている。このことから、式１を参照すると、永久磁石２３の径方向厚みを３０％厚みにした場合、鉄損失は、約０．４倍となることが予想される。
【００４９】
このように、永久磁石２３の径方向厚みを薄くすることで、ギャップ３中の磁束密度を小さくすることができる。これにより、固定子１で発生する鉄損失の異常増加を十分かつ効果的に抑制することができる。その結果、回転子コア２２の打ち抜き金型の費用を削減しつつ、回転電機の定格速度が比較的高い場合でも十分な高効率化を実現することが可能な回転電機、およびその製造方法を提供することができる。
【００５０】
なお、本実施形態において、望ましくは、永久磁石２３の径方向の厚みは、鉄損失および銅損失からなる全損失が最小値となる厚みに設定されるとよい。
【００５１】
なお、以上に示した各実施形態に係る手段は、回転子の極数が４極以上で定格速度が１８００ｒｐｍ以上の回転電機において適用させると、その効果はさらに顕著なものとなる。
【００５２】
また、以上に示した各実施形態に係る回転子２の構造は、永久磁石２３が回転子コア２２の内部に設けられた所謂ＩＰＭ構造であったが、これに限定されない。回転子２の構造は、永久磁石２３が回転子コア２２の外周に設けられた所謂ＳＰＭ構造であってもよい。この場合であっても、一定の効果を奏する。
【００５３】
以上、本発明の実施形態について説明した。ただし、いわゆる当業者であれば、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、上記実施形態から適宜変更が可能であり、また、上記実施形態と変更例による手法を適宜組み合わせて利用することも可能である。すなわち、このような変更等が施された技術であっても、本発明の技術的範囲に含まれることは言うまでもない。
【符号の説明】
【００５４】
１ 固定子
１１ 固定子コア
１１ａ ヨーク部
１１ｂ ティース部
１２ 固定子巻線
２ 回転子
２１ シャフト
２２ 回転子コア
２３ 永久磁石
２２ａ 貫通孔
２２ｂ 空隙
３ ギャップ
４ 磁性体リング
５ 隙間
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転電機およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
回転電機として、従来より、固定子巻線を有する固定子で発生する交流磁界（回転磁界）により永久磁石を有する回転子が回転するものが知られている。そして、このような回転電機の変換効率を高める（高効率化する）ために、固定子コアを軟磁性体や方向性電磁鋼板、薄板の珪素鋼鈑で構成することにより、固定子で発生する鉄損失（コアの渦電損、ヒステリシス損）を低減させる技術が提案されている（例えば特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−７８７８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ここで、回転子の極数が変わらない条件下で回転電機の回転速度が高くなると、回転電機を制御するインバータの駆動周波数（固定子で発生する交流磁界の周波数ともいえる）が高くなるため、固定子で発生する鉄損失が異常に増加する。このため、一般的には、回転電機の定格速度（回転電機が許容する回転速度の上限値）が高くなるに従い、回転電機の極数を小さくしていた。つまり、定格速度が異なる回転電機ごとに、極数の異なる回転子コアを準備していた。
【０００５】
一方で、設備投資削減の観点から回転子コアの打ち抜き金型の費用を削減するために、定格速度が異なる回転電機に対して共通の回転子コアを用いる（つまり回転子コアを共用して回転子の極数を変えないようにする）ことが望まれている。しかしながらこの場合、上述したように、定格速度が比較的に高い回転電機において鉄損失が異常に増加してしまい、高効率化を実現できないという問題がある。
【０００６】
このように、回転子コアの打ち抜き金型の費用を削減しつつ、定格速度が比較的に高い回転電機においても高効率化を実現することは困難であった。
【０００７】
なお、上記従来技術を用いて鉄損失を低減させることが考えられるが、固定子コアの材質変更では、上記鉄損失の異常な増加を十分に抑制することが困難であった。その結果、定格速度が比較的に高い回転電機において十分な高効率化を実現することができなかった。
【０００８】
そこで、本発明は、回転子コアの打ち抜き金型の費用を削減しつつ、定格速度が比較的に高い場合においても十分な高効率化を実現することが可能な回転電機、およびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、本発明に係る回転電機の製造方法は、固定子コアおよび当該固定子コアに設けられた固定子巻線を有する固定子と、当該固定子にギャップを介して囲まれた回転子コアおよび当該回転子コアに設けられた複数の永久磁石を有する回転子と、を備え、固定子において発生する交流磁界により回転子が回転する回転電機の製造方法であって、回転電機の定格速度を増加させる場合、回転子コアを共用するとともに永久磁石の数を変更せずに、各永久磁石の所定性能を変更することにより、ギャップ中の磁束密度を小さくすることを特徴とするものである。
【００１０】
このように、ギャップ中の磁束密度を小さくすることにより、固定子コアの磁束密度を低減させる。ここで、鉄損失は、固定子コアの磁束密度の２乗に比例することから、固定子コアの磁束密度を低減させることにより、固定子で発生する鉄損失の異常な増加を十分かつ効果的に抑制することができる。このため、回転子コアの打ち抜き金型の費用を削減しつつ、定格速度が比較的に高い場合においても十分な高効率化を実現することが可能になる。
【００１１】
好ましくは、各永久磁石の残留磁束密度を低減させることにより、ギャップ中の磁束密度を小さくするとよい。この場合において、各永久磁石を熱により不可逆減磁させることにより、各永久磁石の残留磁束密度を低減させてもよいし、さらに、各永久磁石を設けた回転子コアの外周を磁性体リングで囲んだ状態で、各永久磁石を熱により不可逆減磁させてもよい。または、各永久磁石を、飽和磁化しないレベルの磁界により着磁された永久磁石に変更することにより、各永久磁石の残留磁束密度を低減させてもよい。さらに、回転電機で発生する鉄損失および銅損失の和である全損失が最小値になるまで各永久磁石の残留磁束密度を低減させてもよい。または、ネオジウム磁石からなる各永久磁石を等方性のボンド磁石に変更することにより、各永久磁石の残留磁束密度を低減させてもよい。
【００１２】
また好ましくは、回転子の回転軸と垂直な方向における各永久磁石の断面形状がもつ径方向厚みを薄くすることにより、ギャップ中の磁束密度を小さくするとよい。この場合において、回転子コアには、回転軸と平行に伸びる貫通穴が各永久磁石に対応するように複数形成されており、各永久磁石は、対応する貫通穴内に設けられており、各永久磁石の径方向厚みを薄くし、かつ永久磁石と貫通孔との間に隙間を形成することにより、ギャップ中の磁束密度を小さくしてもよい。さらに、回転電機で発生する鉄損失および銅損失の和である全損失が最小値になるまで、回転軸と垂直な方向における各永久磁石の断面形状がもつ径方向厚みを薄くしてもよい。さらに、回転子の回転軸方向における各永久磁石の長さは、当該回転軸方向における回転子コアの長さと略同じ長さであり、かつ、当該回転軸方向における固定子コアの長さとも略同じ長さであるとしてもよい。
【００１３】
また本発明は、回転電機にも向けられており、本発明に係る回転電機は、固定子コアおよび当該固定子コアに設けられた固定子巻線を有する固定子と、固定子にギャップを介して囲まれた回転子コアおよび当該回転子コアに設けられた複数の永久磁石を有し、固定子において発生する交流磁界により回転する回転子と、を備え、回転子コアには、回転子の回転軸と平行に伸びる貫通穴が各永久磁石に対応するように複数形成されており、各永久磁石は、対応する貫通穴内に設けられており、回転軸と垂直な方向における各永久磁石の断面形状がもつ径方向厚みは、回転軸と垂直な方向における貫通孔の径方向厚みよりも薄く、永久磁石と貫通孔との間には、隙間が形成されることを特徴とするものである。
【００１４】
このように、各永久磁石の径方向厚みを貫通孔の径方向厚みよりも薄くし、永久磁石と貫通孔との間に隙間を形成することで、永久磁石動作点を小さくしてギャップ中の磁束密度を小さくすることができる。これにより、固定子コアの磁束密度を低減させることができる。上述したように、固定子コアの磁束密度の２乗に比例することから、固定子コアの磁束密度を低減させることにより、固定子で発生する鉄損失の異常な増加を十分かつ効果的に抑制することができる。このため、回転電機の定格速度が比較的に高い場合でも、十分な高効率化を実現することが可能になる。また、回転子コアを共用することができるので、回転子コアの打ち抜き金型の費用を削減することもできる。
【００１５】
好ましくは、各永久磁石の径方向厚みは、回転電機で発生する鉄損失および銅損失の和である全損失が最小値となるときの厚みに設定されてもよい。
【００１６】
または、本発明に係る回転電機は、固定子コアおよび当該固定子コアに設けられた固定子巻線を有する固定子と、固定子にギャップを介して囲まれた回転子コアおよび当該回転子コアに設けられた複数の永久磁石を有し、固定子において発生する交流磁界により回転する回転子と、を備え、各永久磁石の残留磁束密度は、回転電機で発生する鉄損失および銅損失の和である全損失が最小値となる値に設定されることを特徴とするものであってもよい。この場合において、各永久磁石は、等方性のボンド磁石であってもよい。
【００１７】
または、上記本発明に係る回転電機において、回転子の回転軸方向における各永久磁石の長さは、当該回転軸方向における回転子コアの長さと略同じ長さであり、かつ、当該回転軸方向における固定子コアの長さとも略同じ長さであってもよい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、回転子コアの打ち抜き金型の費用を削減しつつ、定格速度が比較的高い場合においても十分な高効率化を実現することが可能な回転電機、およびその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の第１実施形態に係る回転電機の断面を示す図
【図２】各素材の磁気特性を示した図
【図３】各素材の磁石表面磁束密度を示す図
【図４】第２実施形態に係る回転電機の回転子の製造工程図
【図５】永久磁石の不可逆減磁量を変化させた時の全損失実験結果の図
【図６】図４の第２工程の他例を示す図
【図７】第３実施形態に係る着磁方法を説明するための図
【図８】本発明の第４実施形態に係る回転電機の断面を示す図
【図９】永久磁石の表面磁束密度の算出結果を示す図
【発明を実施するための形態】
【００２０】
まず、本発明の概念について説明する。固定子で発生する鉄損失の密度である鉄損密度σは、以下の式１で表される。また、鉄損失Ｗは式２で表される。
【００２１】
（数１）
σ ＝ σｈ＋σｅ ＝ Ｋｈ・ｆ・Ｂ２＋Ｋｅ・ｆ２・Ｂ２ ・・・（式１）
Ｗ ＝ σ・Ｖ ・・・（式２）
【００２２】
式１において、σｈはヒステリシス損密度、σｅは渦電流損密度、ｆは固定子コアの任意の場所（例えばティース部、ヨーク部など）での交番周波数（インバータの駆動周波数や交流磁界の周波数と考えても可）、Ｂは固定子コアの磁束密度、Ｖは固定子コアの体積である。Ｋｈ、Ｋｅはそれぞれ定数である。例えばＫｅの内訳は、固定子コアの板厚やその抵抗率などの材質に基づく固有値である。
【００２３】
式１に示すように、鉄損密度σは、ヒステリシス損密度σｈと渦電流損密度σｅの和で表される。また、ヒステリシス損密度σｈおよび渦電流損密度σｅは、それぞれ交番周波数ｆに依存する。ここで、交番周波数ｆは、回転電機の回転速度が高くなるに従い高くなる。このため、鉄損密度σは、回転電機の回転速度が高くなるに従い異常に増加することになり、固定子で発生する鉄損失Ｗが異常に増加することになる。
【００２４】
このような事象に対し、本発明では、固定子と回転子間のギャップ中の磁束密度を小さくすることにより、固定子コアの磁束密度Ｂを低減させる。鉄損密度σは、式１に示すように、固定子コアの磁束密度Ｂの２乗に比例することから、固定子コアの磁束密度Ｂを低減させることにより、固定子で発生する鉄損失の異常な増加を十分かつ効果的に抑制することができるからである。以下、ギャップ中の磁束密度を小さくするための複数の手段を各実施形態に詳述する。なお、以下の各実施形態おいて、同一の構成については同一の符号を付することにより、重複説明を適宜省略する。
【００２５】
＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態に係る回転電機の断面を示す図である。図１の断面は、回転電機の回転子の回転軸Ｏと垂直な方向から回転電機を切断したときの断面である。
【００２６】
図１において、回転電機は、固定子１および回転子２を備える。回転子２は略円筒状であり、その外周はギャップ３を介して固定子２に囲まれている。固定子１は、固定子コア１１および固定子巻線１２を有する。固定子コア１１は、例えば、無方向性電磁鋼板、軟磁性体、方向性電磁鋼板、薄板の珪素鋼鈑などのいずれか１つを積層することにより構成される。固定子コア１１は、ヨーク部１１ａおよびティース部１１ｂにより構成される。固定子巻線１２は、ティース部１１ｂ間に設けられる。固定子巻線１２にインバータ等の駆動装置から電力を供給されることにより、固定子１に交流磁界（回転磁界）が発生し、この交流磁界により回転子２が回転する。
【００２７】
回転子２は、シャフト２１、回転子コア２２、および永久磁石２３を有する。回転子コア２２は、シャフト２１の外周に設けられる。回転子コア２２は、例えば、無方向性電磁鋼板、軟磁性体、方向性電磁鋼板、薄板の珪素鋼鈑などのいずれか１つを積層することにより構成される。回転子コア２２には、回転軸Ｏと平行に伸びる貫通孔２２ａが極数に対応する数だけ形成される。図１の例では、極数は４である。各貫通孔２２ａには、永久磁石２３が挿入される。また、隣り合う貫通孔２２ａの間には、磁束を遮断する空隙２２ｂが形成されている。回転軸Ｏ方向における永久磁石２３の長さは、回転軸Ｏ方向における回転子コア２２および固定子コア１１の長さと略同じ長さになっている。なお、本実施形態では、永久磁石２３の径方向厚みと貫通孔２２ａの径方向厚みは、略同一になっている。
【００２８】
本実施形態では、ギャップ３中の磁束密度を小さくするために、永久磁石２３の素材を変更し、永久磁石２３の残留磁束密度を低減させる手段について説明する。図２は各素材の磁気特性を示した図である。図２において、Ｂｒは残留磁束密度、ＨｃＢはＢ−Ｈカーブでの保磁力、（ＢＨ）ｍａｘはＢ−Ｈカーブにおける最大エネルギー積である。図３は、各素材の磁石表面磁束密度を示す図である。図３では、２０℃における図２に記載の各素材のＢ−ＨカーブおよびＪ−Ｈカーブが示されている。また、磁石動作点ＰＣを１.５としている。図３において、各素材の磁石表面磁束密度は、磁石動作点ＰＣと各素材のＢ−Ｈカーブの交点（Ａ点、Ｂ点、Ｃ点）が示す値となる。具体的には、Ａ点におけるネオジウム磁石の磁石表面磁束密度は８．０（ＫＧ）となり、Ｂ点におけるボンド磁石の磁石表面磁束密度は４．０（ＫＧ）となり、Ｃ点におけるフェライト磁石の磁石表面磁束密度は２．７（ＫＧ）となる。図２および図３から、素材の残留磁束密度が小さくなるに従い、磁石表面磁束密度が小さくなることがわかる。磁石表面磁束密度が小さくなると、ギャップ３中の磁束密度が小さくなる。
【００２９】
このように、永久磁石２３の素材をネオジウム磁石からフェライト磁石またはボンド磁石に変更して永久磁石２３の残留磁束密度を低減させることにより、ギャップ３中の磁束密度を小さくすることができる。これにより、固定子１で発生する鉄損失の異常増加を十分かつ効果的に抑制することができる。その結果、回転子コア２２の打ち抜き金型の費用を削減しつつ、定格速度が比較的高い回転電機に対し十分な高効率化を実現することができる。
【００３０】
また、本実施形態では、回転軸Ｏ方向における永久磁石２３の長さを、回転軸Ｏ方向における回転子コア２２および固定子コア１１の長さと略同じ長さにしている。これを第１手法とする。鉄損失を低減させる別の第２手法として、回転軸Ｏ方向における回転子コア２２の長さを、回転軸Ｏ方向における永久磁石２３の長さよりも長くし、かつ、回転軸Ｏ方向における固定子コア１１の長さと同じ長さにすることが考えられる。しかし、この第２手法では、回転軸Ｏ方向における永久磁石２３の長さが回転軸Ｏ方向における回転子コア２２の長さよりも短くなるため、ギャップ３中の磁束密度の分布が回転Ｏ軸方向において偏ってしまう。この第２手法の回転軸Ｏ方向における磁束密度の分布は、永久磁石２３がない部分で磁束密度が非常に小さく、永久磁石２３がある部分でほぼ一定の大きな値をとる、いわゆる台形近似の分布となる。一方、第１手法では、回転軸Ｏ方向における磁束密度の分布は一定となり、さらに、その値は従来法の一定値よりも更に小さくできる。次に、第１手法と第２手法の効果の違いを考えてみる。ギャップ３中の磁束密度が平均で０．８倍になるように考えた場合、第２手法では永久磁石２３の長さを回転子コア２２の長さの０．８倍になるように配置する。一方、第１手法では永久磁石２３の材質を変える等して残留磁束密度を０．８倍になるようにする。式（１）、式（２）から明らかなように、固定子コア１１の長さが同じである場合(固定子コア１１の体積が同一である場合）、第２手法では体積が０．８倍になるため鉄損Ｗは０．８倍となる。しかし、第１手法では式（１）より、鉄損密度σが０．６４倍となり、鉄損Ｗは０．６４倍となり、第１手法のほうが鉄損減少効果が大きい。よって、好ましくは、第１手法を用いるとよい。第１手法を用いれば、ギャップ３中の磁束密度の分布が回転Ｏ軸方向において偏ることはなく一定に小さくすることができ、十分な高効率化を実現することができる。
【００３１】
なお、望ましくは、永久磁石２３の素材をボンド磁石に変更するのがよい。今、ある電磁部寸法でネオジウム磁石を使用した回転電機の鉄損失が２００（Ｗ）、銅損失が２０（Ｗ）であるとし、全損失がそれらの合計２２０（Ｗ）発生している場合を想定する。また、銅損失は電流の２乗に比例し、電流は残留磁束密度の逆数に比例し、鉄損失は残留磁束密度の２乗に比例すると考える。この場合において永久磁石２３の素材をフェライト磁石に変更すると、銅損失が１７６（Ｗ）、鉄損失が２３（Ｗ）となる。それらの合計は１９９（Ｗ）となる。一方、永久磁石２３の素材をボンド磁石に変更すると、銅損失が８０（Ｗ）、鉄損失が５０（Ｗ）となり、それらの合計が１３０（Ｗ）となり、全損失を最小にすることができる。このように、永久磁石２３の素材をボンド磁石に変更すると、全損失を最小にすることができ、より十分な高効率化を実現することができる。
【００３２】
また、永久磁石２３の素材をフェライト磁石に変更すると、ネオジウム磁石の場合よりも銅損失が増加する。このため、発熱、抜熱の関係から固定子巻線１２の温度が増加してしまう。一方、永久磁石２３の素材をボンド磁石に変更すると、フェライト磁石の場合よりも銅損失が増加しない。この意味でも、永久磁石２３の素材をボンド磁石に変更することが望ましいといえる。
【００３３】
＜第２実施形態＞
本実施形態では、図１に示した回転電機においてギャップ３中の磁束密度を小さくするために、永久磁石２３を故意に熱により不可逆減磁させ、永久磁石２３の残留磁束密度を低減させる手段について説明する。これ以外の構成については、第１実施形態と同様であるため、説明を省略する。また、熱による不可逆減磁のメカニズムについては、周知であるため、ここでは具体的な説明を省略する。
【００３４】
図４は、回転電機の回転子の製造工程図である。図４（ａ）は第１工程、図４（ｂ）は第２工程、図４（ｃ）は第３工程を示す図である。図４（ａ）に示す第１工程において、既に磁化され表面に接着剤が塗布された永久磁石２３が、所定形状に打ち抜かれた鋼板を積層して構成された回転子コア２２の貫通孔２２ａに挿入される。その後、図４（ｂ）に示す第２工程において、永久磁石２３が挿入された回転子コア２２が、図示しない加熱装置によって加熱される。なお、この加熱は、通常、２段階にわたって行われる。第１段階としては、永久磁石２３に塗布された接着剤を硬化することが可能な温度で回転子コア２２を加熱する。接着剤がエポキシ系接着剤であれば、１３０℃前後で加熱する。その後、第２段階として、２００℃前後で回転子コア２２を加熱し、焼き嵌めを行う。この第２工程における加熱により、永久磁石２３を不可逆減磁させ、永久磁石２３の残留磁束密度を低減させる。その後、図４（ｃ）に示す第３工程において、シャフト２１が回転子コア２２に挿入され、回転子１が完成する。
【００３５】
このように、永久磁石２３を熱により不可逆減磁させ、永久磁石２３の残留磁束密度を低減させることにより、ギャップ３中の磁束密度を小さくすることができる。これにより、固定子１で発生する鉄損失の異常増加を十分かつ効果的に抑制することができる。その結果、回転子コア２２の打ち抜き金型の費用を削減しつつ、定格速度が比較的高い場合においても十分な高効率化を実現することが可能な回転電機、およびその製造方法を提供することができる。
【００３６】
また本実施形態では、永久磁石２３の素材は変更しないので、第１実施形態と比べて、素材の価格変動や素材の入手性に対し影響を受けにくい。
【００３７】
なお、望ましくは、永久磁石２３の残留磁束密度を、回転電機の鉄損失および銅損失からなる全損失が最小値になるまで、永久磁石２３を熱により不可逆減磁させるとよい。これにより、全損失を最小にすることができ、より十分な高効率化を実現することができる。以下、全損失を最小値とする永久磁石２３の不可逆減磁の量について説明する。図５は、永久磁石２３の不可逆減磁の量、全損失、および変換効率の関係を示した実験結果を示す図である。図５の結果は、回転子２の極数を１０極とし、定格速度が３６００ｒｐｍである回転電機をインバータで駆動した条件で得られたものである。
【００３８】
図５において、「方策なし」は永久磁石２３を不可逆減磁させないものを示している。「方策なし」における全損失は５４（Ｗ）となり、変換効率は７８．７％となった。なお、回転子２の極数が１０極である回転電機を３６００ｒｐｍで回転させたとき、インバータの駆動周波数は、３００（Ｈｚ）とかなり高い周波数になる。このため、図６に示すように、「方策なし」の全損失の内、９０％が鉄損となっている。
【００３９】
「方策Ａ」は、永久磁石２３を「方策なし」から１１％だけ不可逆減磁させたものを示している。「方策Ａ」における全損失は４１（Ｗ）となり、変換効率は８３．０％となった。「方策Ｂ」は、永久磁石２３を「方策なし」から２５％だけ不可逆減磁させたものを示している。「方策Ｂ」における全損失は３３（Ｗ）となり、変換効率は８５．８％となった。この結果を受け、全損失の最小値と、全損失の最小値を得るための不可逆減磁の量、全損失が最小値となるときの変換効率を予想すると、図５の「予想」に示されたものとなる。具体的には、「予想」における全損失は３１（Ｗ）となって最小値となり、不可逆減磁の量は「方策なし」の４５％となり、変換効率は８６．６％となった。
【００４０】
図５に示す結果より、永久磁石２３を４５％だけ不可逆減磁させることにより全損失が最小値となる。つまり、永久磁石２３を４５％だけ不可逆減磁させることにより、回転電機の全損失を最小値にすることができる。
【００４１】
なお、上記第２工程における加熱温度が、期待量だけ不可逆減磁させる温度よりも高い場合がある。この場合、必要以上に永久磁石２３が減磁する。その対応策として図６に示すように、第２工程において、回転子コア２２を鉄等からなる磁性体リング４で覆った状態で加熱するとよい。これにより、永久磁石２３の磁石動作点が高くなるため、上記第２工程における加熱温度が、期待量だけ不可逆減磁させる温度よりも高くても、永久磁石２３の減磁量を期待する量に調整することができる。
【００４２】
＜第３実施形態＞
本実施形態では、図１に示した回転電機においてギャップ３中の磁束密度を小さくするために、飽和磁化しないレベルの磁界により永久磁石２３を着磁し、永久磁石２３の残留磁束密度を低減させる手段について説明する。これ以外の構成については、第１実施形態と同様であるため、説明を省略する。
【００４３】
永久磁石２３の着磁工程は、図示しない着磁装置によって行われ、例えば、永久磁石２３が無着磁の状態で図４（ｃ）に示したように回転子コア２２に挿入されて回転子２が完成した後に行われるか、図４（ａ）に示したように回転子コア２２に挿入される前に行われる。通常、永久磁石の着磁工程は、永久磁石の磁石保磁力の３倍以上の磁界を印加して永久磁石を飽和磁化させることにより、永久磁石を着磁する。つまり、永久磁石を飽和磁化させるレベルの磁界を印加して着磁する。これに対し、本実施形態では、この磁界を調整することで、永久磁石２３の残留磁束密度を低減させる。以下、本実施形態に係る着磁方法について、図７を用いて具体的に説明する。図７は、第３実施形態に係る着磁方法を説明するための図である。
【００４４】
図７において、平行四辺形状に形成された細線は、永久磁石のヒステリシスカーブ（Ｊ−Ｈカーブ）である。太線は、初磁化カーブである。ここで、硬磁性体からなる永久磁石に外部から磁界Ｈ（Ａ／ｍ）を印加すると、外部からの磁界を０（Ａ／ｍ）に戻しても、元の残留磁束密度Ｂｒに戻らないという性質をもつ。この性質により、永久磁石２３の磁石保磁力の３倍以上の磁界Ｈ１（Ａ／ｍ）を永久磁石２３に印加すると、磁界Ｈ１を０（Ａ／ｍ）しても、永久磁石２３の残留磁束密度は０（Ｔ）に戻らず、Ｂｒ１（Ｔ）となる。このように、磁界Ｈ１（Ａ／ｍ）を永久磁石２３に印加することにより、永久磁石２３は完全着磁される。一方、永久磁石２３が飽和磁化されないレベルの磁界Ｈ２（Ａ／ｍ）を永久磁石２３に印加すると、永久磁石２３の残留磁束密度はＢｒ２（Ｔ）となり、残留磁束密度は低減される。このように、飽和磁化されないレベルの磁界を永久磁石２３に印加することにより、永久磁石２３の残留磁束密度を低減させることができる。これにより、ギャップ３中の磁束密度を小さくすることができ、固定子１で発生する鉄損失の異常増加を十分かつ効果的に抑制することができる。その結果、回転子コア２２の打ち抜き金型の費用を削減しつつ、回転電機の定格速度が比較的高い場合でも十分な高効率化を実現することが可能な回転電機、およびその製造方法を提供することができる。
【００４５】
なお、本実施形態においても第２実施形態と同様、望ましくは、鉄損失および銅損失からなる全損失が最小値となるように、永久磁石２３に印加する磁界の強さを調整して着磁するとよい。
【００４６】
＜第４実施形態＞
図８は、本発明の第４実施形態に係る回転電機の断面を示す図である。本実施形態に係る回転電機は、図１に示した第１実施形態に係る回転電機に対して、永久磁石２３の厚みが薄くなった点で異なる。これ以外の構成については、第１実施形態と同様であるため、説明を省略する。
【００４７】
図８に示すように、本実施形態では、ギャップ３中の磁束密度を小さくするために、永久磁石２３の径方向厚みを薄くする。なお、回転子コア２２は共用されるので、貫通孔２２ａの形状は変わらない。このため、貫通孔２２ａの回転軸Ｏ側と永久磁石２３の固定子１側との間には、隙間５が形成される。永久磁石２３の径方向厚みを薄くする手段としては、磁石メーカのインゴッド（磁石素材の塊）からのスライス寸法を変更するか、回転電機製造工程の中で磁石を薄く切削することなどが考えられる。
【００４８】
永久磁石２３の径方向厚みを薄くすると、永久磁石２３内部の反磁界が大きくなり、さらに、隙間５が形成されることで、永久磁石２３および隙間５を含む磁気回路全体の磁石動作点が下がる。このため、永久磁石２３の表面磁束密度が小さくなる。その結果、ギャップ３中の磁束密度を小さくすることができる。図９は、永久磁石２３の径方向厚みを貫通孔２２ａの径方向厚みに対して３０％、６０％、１００％で可変した場合に得られる永久磁石２３の表面磁束密度をそれぞれ算出した結果を示す図である。また、図９では、永久磁石２３として、ネオジウム磁石を用い、温度２０℃として算出した。１００％厚みと３０％厚みの磁石動作点とＢ−Ｈカーブとの交点は、それぞれ１０（ＫＧ）と６．５（ＫＧ）となっている。このことから、式１を参照すると、永久磁石２３の径方向厚みを３０％厚みにした場合、鉄損失は、約０．４倍となることが予想される。
【００４９】
このように、永久磁石２３の径方向厚みを薄くすることで、ギャップ３中の磁束密度を小さくすることができる。これにより、固定子１で発生する鉄損失の異常増加を十分かつ効果的に抑制することができる。その結果、回転子コア２２の打ち抜き金型の費用を削減しつつ、回転電機の定格速度が比較的高い場合でも十分な高効率化を実現することが可能な回転電機、およびその製造方法を提供することができる。
【００５０】
なお、本実施形態において、望ましくは、永久磁石２３の径方向の厚みは、鉄損失および銅損失からなる全損失が最小値となる厚みに設定されるとよい。
【００５１】
なお、以上に示した各実施形態に係る手段は、回転子の極数が４極以上で定格速度が１８００ｒｐｍ以上の回転電機において適用させると、その効果はさらに顕著なものとなる。
【００５２】
また、以上に示した各実施形態に係る回転子２の構造は、永久磁石２３が回転子コア２２の内部に設けられた所謂ＩＰＭ構造であったが、これに限定されない。回転子２の構造は、永久磁石２３が回転子コア２２の外周に設けられた所謂ＳＰＭ構造であってもよい。この場合であっても、一定の効果を奏する。
【００５３】
以上、本発明の実施形態について説明した。ただし、いわゆる当業者であれば、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、上記実施形態から適宜変更が可能であり、また、上記実施形態と変更例による手法を適宜組み合わせて利用することも可能である。すなわち、このような変更等が施された技術であっても、本発明の技術的範囲に含まれることは言うまでもない。
【符号の説明】
【００５４】
１ 固定子
１１ 固定子コア
１１ａ ヨーク部
１１ｂ ティース部
１２ 固定子巻線
２ 回転子
２１ シャフト
２２ 回転子コア
２３ 永久磁石
２２ａ 貫通孔
２２ｂ 空隙
３ ギャップ
４ 磁性体リング
５ 隙間
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定子コアおよび当該固定子コアに設けられた固定子巻線を有する固定子と、当該固定子にギャップを介して囲まれた回転子コアおよび当該回転子コアに設けられた複数の永久磁石を有する回転子と、を備え、前記固定子において発生する交流磁界により前記回転子が回転する回転電機の製造方法であって、
前記回転電機の定格速度を増加させる場合、前記回転子コアを共用するとともに前記永久磁石の数を変更せずに、各前記永久磁石の所定性能を変更することにより、前記ギャップ中の磁束密度を小さくすることを特徴とする、回転電機の製造方法。
【請求項２】
各前記永久磁石の残留磁束密度を低減させることにより、前記ギャップ中の磁束密度を小さくすることを特徴とする、請求項１記載の回転電機の製造方法。
【請求項３】
各前記永久磁石を熱により不可逆減磁させることにより、各前記永久磁石の残留磁束密度を低減させることを特徴とする、請求項２記載の回転電機の製造方法。
【請求項４】
各前記永久磁石を設けた前記回転子コアの外周を磁性体リングで囲んだ状態で、各前記永久磁石を熱により不可逆減磁させることを特徴とする、請求項３記載の回転電機の製造方法。
【請求項５】
各前記永久磁石を、飽和磁化しないレベルの磁界により着磁された永久磁石に変更することにより、各前記永久磁石の残留磁束密度を低減させることを特徴とする、請求項２記載の回転電機の製造方法。
【請求項６】
前記回転電機で発生する鉄損失および銅損失の和である全損失が最小値になるまで各前記永久磁石の残留磁束密度を低減させることを特徴とする、請求項２〜５のいずれか１項記載の回転電機の製造方法。
【請求項７】
ネオジウム磁石からなる各前記永久磁石を等方性のボンド磁石に変更することにより、各前記永久磁石の残留磁束密度を低減させることを特徴とする、請求項２記載の回転電機の製造方法。
【請求項８】
前記回転子の回転軸と垂直な方向における各前記永久磁石の断面形状がもつ径方向厚みを薄くすることにより、前記ギャップ中の磁束密度を小さくすることを特徴とする、請求項１記載の回転電機の製造方法。
【請求項９】
前記回転子コアには、前記回転軸と平行に伸びる貫通穴が各前記永久磁石に対応するように複数形成されており、
各前記永久磁石は、対応する前記貫通穴内に設けられており、
各前記永久磁石の前記径方向厚みを薄くし、かつ前記永久磁石と前記貫通孔との間に隙間を形成することにより、前記ギャップ中の磁束密度を小さくすることを特徴とする、請求項８記載の回転電機の製造方法。
【請求項１０】
前記回転電機で発生する鉄損失および銅損失の和である全損失が最小値になるまで、前記回転軸と垂直な方向における各前記永久磁石の断面形状がもつ径方向厚みを薄くすることを特徴とする、請求項８または９記載の回転電機の製造方法。
【請求項１１】
前記回転子の回転軸方向における各前記永久磁石の長さは、当該回転軸方向における前記回転子コアの長さと略同じ長さであり、かつ、当該回転軸方向における前記固定子コアの長さとも略同じ長さであることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか１項記載の回転電機の製造方法。
【請求項１２】
固定子コアおよび当該固定子コアに設けられた固定子巻線を有する固定子と、
前記固定子にギャップを介して囲まれた回転子コアおよび当該回転子コアに設けられた複数の永久磁石を有し、前記固定子において発生する交流磁界により回転する回転子と、を備え、
前記回転子コアには、前記回転子の回転軸と平行に伸びる貫通穴が各前記永久磁石に対応するように複数形成されており、
各前記永久磁石は、対応する前記貫通穴内に設けられており、
前記回転軸と垂直な方向における各前記永久磁石の断面形状がもつ径方向厚みは、前記回転軸と垂直な方向における前記貫通孔の径方向厚みよりも薄く、
前記永久磁石と前記貫通孔との間には、隙間が形成されることを特徴とする、回転電機。
【請求項１３】
各前記永久磁石の前記径方向厚みは、前記回転電機で発生する鉄損失および銅損失の和である全損失が最小値となるときの厚みに設定されることを特徴とする、請求項１２記載の回転電機。
【請求項１４】
固定子コアおよび当該固定子コアに設けられた固定子巻線を有する固定子と、
前記固定子にギャップを介して囲まれた回転子コアおよび当該回転子コアに設けられた複数の永久磁石を有し、前記固定子において発生する交流磁界により回転する回転子と、を備え、
各前記永久磁石の残留磁束密度は、前記回転電機で発生する鉄損失および銅損失の和である全損失が最小値となる値に設定されることを特徴とする、回転電機。
【請求項１５】
各前記永久磁石は、等方性のボンド磁石であることを特徴とする、請求項１４記載の回転電機。
【請求項１６】
前記回転子の回転軸方向における各前記永久磁石の長さは、当該回転軸方向における前記回転子コアの長さと略同じ長さであり、かつ、当該回転軸方向における前記固定子コアの長さとも略同じ長さであることを特徴とする、請求項１２〜１５のいずれか１項記載の回転電機。
【請求項１】
固定子コアおよび当該固定子コアに設けられた固定子巻線を有する固定子と、当該固定子にギャップを介して囲まれた回転子コアおよび当該回転子コアに設けられた複数の永久磁石を有する回転子と、を備え、前記固定子において発生する交流磁界により前記回転子が回転する回転電機の製造方法であって、
前記回転電機の定格速度を増加させる場合、前記回転子コアを共用するとともに前記永久磁石の数を変更せずに、各前記永久磁石の所定性能を変更することにより、前記ギャップ中の磁束密度を小さくすることを特徴とする、回転電機の製造方法。
【請求項２】
各前記永久磁石の残留磁束密度を低減させることにより、前記ギャップ中の磁束密度を小さくすることを特徴とする、請求項１記載の回転電機の製造方法。
【請求項３】
各前記永久磁石を熱により不可逆減磁させることにより、各前記永久磁石の残留磁束密度を低減させることを特徴とする、請求項２記載の回転電機の製造方法。
【請求項４】
各前記永久磁石を設けた前記回転子コアの外周を磁性体リングで囲んだ状態で、各前記永久磁石を熱により不可逆減磁させることを特徴とする、請求項３記載の回転電機の製造方法。
【請求項５】
各前記永久磁石を、飽和磁化しないレベルの磁界により着磁された永久磁石に変更することにより、各前記永久磁石の残留磁束密度を低減させることを特徴とする、請求項２記載の回転電機の製造方法。
【請求項６】
前記回転電機で発生する鉄損失および銅損失の和である全損失が最小値になるまで各前記永久磁石の残留磁束密度を低減させることを特徴とする、請求項２〜５のいずれか１項記載の回転電機の製造方法。
【請求項７】
ネオジウム磁石からなる各前記永久磁石を等方性のボンド磁石に変更することにより、各前記永久磁石の残留磁束密度を低減させることを特徴とする、請求項２記載の回転電機の製造方法。
【請求項８】
前記回転子の回転軸と垂直な方向における各前記永久磁石の断面形状がもつ径方向厚みを薄くすることにより、前記ギャップ中の磁束密度を小さくすることを特徴とする、請求項１記載の回転電機の製造方法。
【請求項９】
前記回転子コアには、前記回転軸と平行に伸びる貫通穴が各前記永久磁石に対応するように複数形成されており、
各前記永久磁石は、対応する前記貫通穴内に設けられており、
各前記永久磁石の前記径方向厚みを薄くし、かつ前記永久磁石と前記貫通孔との間に隙間を形成することにより、前記ギャップ中の磁束密度を小さくすることを特徴とする、請求項８記載の回転電機の製造方法。
【請求項１０】
前記回転電機で発生する鉄損失および銅損失の和である全損失が最小値になるまで、前記回転軸と垂直な方向における各前記永久磁石の断面形状がもつ径方向厚みを薄くすることを特徴とする、請求項８または９記載の回転電機の製造方法。
【請求項１１】
前記回転子の回転軸方向における各前記永久磁石の長さは、当該回転軸方向における前記回転子コアの長さと略同じ長さであり、かつ、当該回転軸方向における前記固定子コアの長さとも略同じ長さであることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか１項記載の回転電機の製造方法。
【請求項１２】
固定子コアおよび当該固定子コアに設けられた固定子巻線を有する固定子と、
前記固定子にギャップを介して囲まれた回転子コアおよび当該回転子コアに設けられた複数の永久磁石を有し、前記固定子において発生する交流磁界により回転する回転子と、を備え、
前記回転子コアには、前記回転子の回転軸と平行に伸びる貫通穴が各前記永久磁石に対応するように複数形成されており、
各前記永久磁石は、対応する前記貫通穴内に設けられており、
前記回転軸と垂直な方向における各前記永久磁石の断面形状がもつ径方向厚みは、前記回転軸と垂直な方向における前記貫通孔の径方向厚みよりも薄く、
前記永久磁石と前記貫通孔との間には、隙間が形成されることを特徴とする、回転電機。
【請求項１３】
各前記永久磁石の前記径方向厚みは、前記回転電機で発生する鉄損失および銅損失の和である全損失が最小値となるときの厚みに設定されることを特徴とする、請求項１２記載の回転電機。
【請求項１４】
固定子コアおよび当該固定子コアに設けられた固定子巻線を有する固定子と、
前記固定子にギャップを介して囲まれた回転子コアおよび当該回転子コアに設けられた複数の永久磁石を有し、前記固定子において発生する交流磁界により回転する回転子と、を備え、
各前記永久磁石の残留磁束密度は、前記回転電機で発生する鉄損失および銅損失の和である全損失が最小値となる値に設定されることを特徴とする、回転電機。
【請求項１５】
各前記永久磁石は、等方性のボンド磁石であることを特徴とする、請求項１４記載の回転電機。
【請求項１６】
前記回転子の回転軸方向における各前記永久磁石の長さは、当該回転軸方向における前記回転子コアの長さと略同じ長さであり、かつ、当該回転軸方向における前記固定子コアの長さとも略同じ長さであることを特徴とする、請求項１２〜１５のいずれか１項記載の回転電機。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１２−１０４９８（Ｐ２０１２−１０４９８Ａ）
【公開日】平成２４年１月１２日（２０１２．１．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１４４６６９（Ｐ２０１０−１４４６６９）
【出願日】平成２２年６月２５日（２０１０．６．２５）
【出願人】（０００００６６２２）株式会社安川電機 (2,482)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１月１２日（２０１２．１．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年６月２５日（２０１０．６．２５）
【出願人】（０００００６６２２）株式会社安川電機 (2,482)
【Ｆターム（参考）】
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