説明

永久磁石回転電機

【課題】 回転電機、制御装置の体積を小さくすることができ、かつ回転電機の強制冷却を利用して、制御装置を冷却することにより、信頼性の向上が可能な永久磁石回転電機の提供を達成する。
【解決手段】 電機子巻線4を有し電機子巻線4内側が中空となる固定子6と、固定子6によって中空となるよう支持され、周方向にハルバッハ配列された2列の永久磁石列2、3と、永久磁石列2、3の間に固定子6の電機子巻線4を備えるとともに、永久磁石列2、3は、永久磁石列2、3の外側永久磁石列2の磁極の向きと、永久磁石列2、3の内側永久磁石列3の磁極の向きが、径方向の磁極の向きについては同一方向、周方向の磁極向きについては逆方向に向いている回転子5と、固定子6と回転子5に挟まれた内側の空間に、回転電機1を駆動するための制御装置7を配置したことを特徴とする永久磁石回転電機。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、永久磁石回転電機に関する。
【背景技術】
【0002】
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)。
【0003】
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。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。
【0004】
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トルクの脈動が大きくなる。また、固定子や回転子に鉄心を用いているため、鉄心の磁気飽和が発生し、強力な磁場を発生する磁石を用いてもトルクの向上には限界がある。
【0005】
そこで、それらを鑑みて考案されたものが特許文献2のものである。このハルバッハ配列された永久磁石を2列とし、永久磁石列の間に電機子巻線を備えたものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【特許文献1】特開2006−320109号公報
【特許文献2】特開2009−201343号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
しかしながら、特許文献2の永久磁石回転電機では、次のような解決すべき課題が存在する。すなわち、内側、外側の2列のいわゆる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おいては、内側磁石の内側部分には、無用な空間が存在し、回転電機の小型化の障壁となっている。また、回転電機を駆動するための電流を供給する、インバータ乃至電流アンプ等の制御装置には、素子内部の損失による発熱を冷却するための冷却装置が必要であり、また冷却装置は制御装置の体積の10〜60%を占めるため、制御装置が大型化してしまう。さらに、冷却装置は、冷却ファンなどの駆動部を有するため、メンテナンスなどの手間や、冷却装置の故障時に、素子が過熱するなどの問題を有する。
【0008】
この発明は上記課題を解決するためになされたもので、その目的は、回転電機、制御装置の体積を小さくすることができ、かつ回転電機の強制冷却を利用して、制御装置を冷却することにより、信頼性の向上が可能な永久磁石回転電機を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0009】
上記を解決するために、本発明による永久磁石回転電気は、電機子巻線を有し、電機子巻線内側が中空となる固定子と、固定子によって中空となるよう支持され、周方向にハルバッハ配列された2列の永久磁石列と、永久磁石列の間に固定子の電機子巻線を備えるとともに、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が、径方向の磁極の向きについては同一方向、周方向の磁極向きについては逆方向に向いている回転子と、固定子と回転子に挟まれた内側の空間に、回転電機を駆動するための制御装置を有することを特徴としている。
【発明の効果】
【0010】
本発明によれば、回転電機、制御装置の体積を小さくすることができ、かつ回転電機の強制冷却を利用して、制御装置を冷却することにより、信頼性の向上が可能な永久磁石回転電機を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【図1】第1の実施形態の構成を説明する断面図(軸方向)。
【図2】第1の実施形態の構成を説明する断面図(径方向)。
【図3】第2の実施形態の構成を説明する断面図(軸方向)。
【図4】第2の実施形態の構成を説明する上面図(径方向)。
【図5】第3の実施形態の構成を説明する断面図(軸方向)。
【図6】第3の実施形態の構成を説明する上面図(径方向)
【図7】第4の実施形態の構成を説明する断面図(軸方向)。
【図8】第4の実施形態の構成を説明する断面図(径方向)。
【図9】第5の実施形態の構成を説明する断面図(軸方向)。
【図10】第5の実施形態の構成を説明する断面図(径方向)。
【発明を実施するための形態】
【0012】
以下、本発明に係る永久磁石を有する回転電機の実施形態について、図面を参照して説明する。
【0013】
(第1の実施形態)
まず、構成について説明する。図1は、本発明の第1の実施形態に係る永久磁石回転電機1の軸方向断面である。固定子6には、電機子巻線4が取り付けられている。前記電機子巻線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。前記固定子6と回転子5の間には、円弧状に軸受け9が構成されており、前記回転子5は前記固定子6の上で回転する構造になっている。前記回転子5にはハルバッハの配列で構成された略円筒形状の永久磁石列が、周方向に2列(2,3)構成されている。前記回転子5は、前記固定子に対向する側に凸部を2列有し、回転子の外側の凸部には永久磁石列(外側)2を、内側の凸部には永久磁石列(内側)3が例えば接着等により取付けられている。回転子に取付けられた永久磁石列2,3の間に前記電機子巻線4を配置するように構成する。さらに前記回転子、および前記固定子に囲まれた空間には例えばインバータ等の制御装置7が配置されている。前記制御装置7は放熱フィン71を備えており、前記制御装置7の内部で発生した熱を外部に逃がすことができる。図2は、第1の実施形態で、前記回転電機1の断面(径方向)を示す。前記回転子に取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と内側の永久磁石列3の永久磁石の磁極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と内側の永久磁石列3の磁極が反対方向になるように構成する。
【0014】
次に、効果について説明する。回転電機1は、電機子巻線4に例えば三相交流電流を流すことで回転子5が回転する。三相交流電流は、制御装置7により供給されるため、通常必要となる外部の制御装置が不要となり、小型化が可能となる。
【0015】
(第2の実施形態)
まず、構成について説明する。図3は第2の実施形態に係る永久磁石回転電機1の軸方向断面図である。図4は、第2の実施形態に係る永久磁石回転電機1の上面図である。
【0016】
基本的な構成については、第1の実施形態に同じであるため省略する。
【0017】
第2の実施形態の特徴は、前記回転子5に、制御装置7の例えばIGBTなどの素子に対応する位置に、フレーム穴13を設けたことである。
【0018】
次に、作用について説明する。フレーム穴13が設けられている回転子5が回転することによって、空気流体が流れるファンとして作用する。永久磁石回転電機1内部の空気は、フレーム穴13を通じて外部の空気と交換する。
【0019】
次に、効果について説明する。第2の実施形態によれば、制御装置7の例えばIGBTなどの素子は、電機子巻線4に電流を供給するために素子内部に電流が流れるが、電流が流れる際に損失が生じ発熱する。永久磁石回転電機1内部の空気が、フレーム穴13を通じて外部の空気と交換することにより、前記制御装置7の損失により生じた熱を冷却することができる。
【0020】
(第3の実施形態)
まず、構成について説明する。図5は第3の実施形態に係る永久磁石回転電機1の軸方向断面図である。図6は、第3の実施形態に係る永久磁石回転電機1の上面図である。
【0021】
基本的な構成については、第1の実施形態に同じであるため省略する。
【0022】
第3の実施形態の特徴は、制御装置7に対応する位置に、傾斜面をつけたフレーム穴14を設置したことにある。
【0023】
次に、作用と効果について説明する。前記傾斜つきフレーム穴14が設けられた回転子5が回転すると、遠心力によって図5に示す形状のフレーム穴14から空気が流入しやすくなる。したがって、発熱体である制御装置7に対する冷却効果は高まる。
【0024】
(第4の実施形態)
まず、構成について説明する。図7は第4の実施形態に係る永久磁石回転電機1の軸方向断面図である。図8は、第4の実施形態に係る永久磁石回転電機1の上面図である。
【0025】
基本的な構成については、第1の実施形態に同じであるため省略する。
【0026】
回転子5の回転軸を中心として、円形のフレーム穴を開け、フレーム穴内周壁面に、複数羽が設けられている。また固定子6の回転軸中心周りには、固定子フレーム穴16が設けられている。制御装置7は、前記固定子フレーム穴16に対応して、円形に配置され、その内側には放熱フィン72が配置されている。
【0027】
次に、作用と効果について説明する。回転子5に設けられた羽15は、回転子5の回転によってファンの役割を果たし、空気流体の流れを発生する。空気は永久磁石回転電機1内部に取り入れられ、制御装置7に設けられている放熱フィン72から、制御装置7で発生した熱を奪い、固定子フレーム穴16を通じて外部に排出される。これにより、制御装置7を効率的に冷却することができる。
【0028】
(第5の実施形態)
まず、構成について説明する。図9は第5の実施形態に係る永久磁石回転電機1の軸方向断面図である。図10は、第5の実施形態に係る永久磁石回転電機1の径方向断面図である。基本的な構成については、第4の実施形態に同じであるため省略する。
【0029】
第5の実施形態では、固定子6の下面に、固定子フレーム穴16から端部へ、放射状の固定子放熱フィン17を設け、固定子放熱フィンを被う例えば板等の放熱フィンオオイ18を設置したものである。
【0030】
次に、作用と効果について説明する。回転子5に設けられた羽15は、回転子5の回転によってファンの役割を果たし、空気流体の流れを発生する。空気は永久磁石回転電機1内部に取り入れられ、制御装置7に設けられている放熱フィン72から、制御装置7で発生した熱を奪い、固定子フレーム穴16を通じて、突起17と突起オオイ18に囲まれた空間に移動する。発熱体である電機子巻線4で発生した熱は、固定子6を介して固定子放熱フィン17に伝達し、羽15によって発生した空気の流れによって外部に排出される。これにより、制御装置7のみならず、電機子巻線4を効率的に冷却することができる。
【符号の説明】
【0031】
1…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…制御装置
71…放熱フィン
72…放熱フィン
8…コイル渡り線
9…軸受け
10…U相巻線
11…V相巻線
12…W相巻線
13…フレーム穴
14…傾斜つきフレーム穴
15…羽
16…固定子フレーム穴
17…固定子放熱フィン
18…放熱フィンオオイ

【特許請求の範囲】
【請求項1】
電機子巻線を有し、電機子巻線内側が中空となる固定子と、
前記固定子によって中空となるよう支持され、周方向にハルバッハ配列された2列の永久磁石列と、
前記永久磁石列の間に前記固定子の電機子巻線を備えるとともに、前記永久磁石列は、前記永久磁石列の外側永久磁石の磁極の向きと、前記永久磁石列の内側永久磁石の磁極の向きが、径方向の磁極の向きについては同一方向、周方向の磁極向きについては逆方向に向いている回転子と、
前記固定子と前記回転子に挟まれた内側の空間に、回転電機を駆動するための制御装置を配置したことを特徴とする永久磁石回転電機。
【請求項2】
請求項1に記載された前記制御装置において、前記回転子と前記固定子を有する回転電気には、前記制御装置を設置するためのフレーム穴を設けたことを特徴とする永久磁石回転電機
【請求項3】
請求項2に記載された前記フレーム穴は、略円弧状に設けられた長穴であって、回転軸に沿って傾斜面を有することを特徴とする永久磁石回転電機
【請求項4】
請求項1に記載された前記回転電機において、前記回転子の中空部分内側壁面に、傾斜をつけた羽を取り付けたことを特徴とする永久磁石回転電機
【請求項5】
請求項1乃至4に記載された回転電機において、前記固定子中心部にフレーム穴を設け、フレーム穴から前記固定子外周端部へ向かって略放射状の放熱フィンを設け、放熱フィンを覆うカバーを設けたことを特徴とする回転電機

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【図7】
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【図8】
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【図9】
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【図10】
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【公開番号】特開2012−10565(P2012−10565A)
【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2010−146938(P2010−146938)
【出願日】平成22年6月28日(2010.6.28)
【出願人】(000003078)株式会社東芝 (54,554)
【Fターム(参考)】