(57)【要約】【課題】回転電機を大形化させることなく、回転子鉄心に埋め込んだ永久磁石を効果的に冷却できるように改良した永久磁石形回転電機の冷却構造を提供する。【解決手段】フレーム１に内装した固定子２，回転子３，回転軸４を有し、回転子３の主磁極に対応する永久磁石３ｂを回転子鉄心３ａの周域に埋め込んだ埋込磁石構造になる永久磁石形回転電機において、回転子鉄心３ａを軸方向に貫通して前記永久磁石３ｂの近傍にヒートパイプ６を敷設し、かつ該ヒートパイプ６の両端を回転子鉄心３ａの側方に引出した上でこの引出し端部に放熱フィン６ｂを設ける。この構成で、回転電機の運転時に永久磁石３ｂのうず電流損で発生した熱を、ヒートパイプ６に伝熱させて放熱フィン６ａより周囲に放熱して永久磁石を効果的に冷却する。【選択図】図１
2010220402.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フレームに内装した固定子，回転子，回転軸を有し、回転子の主磁極に対応する永久磁石を回転子鉄心の周域に埋め込んだ埋込磁石構造になる永久磁石形回転電機において、
回転子鉄心を軸方向に貫通して前記永久磁石の近傍にヒートパイプを敷設し、かつ該ヒートパイプの両端を回転子鉄心の側方に引出した上で、この引出し端部に放熱フィンを伝熱的に設けたことを特徴とする永久磁石形回転電機。
【請求項２】
請求項１に記載の永久磁石形回転電機において、ヒートパイプを永久磁石と回転軸との中間位置に敷設したことを特徴とする永久磁石形回転電機。
【請求項３】
請求項２に記載の永久磁石形回転電機において、ヒートパイプが断面Ｖ字形の平型ヒートパイプであり、該ヒートパイプのＶ字形頂部を永久磁石に向けて該永久磁石の周方向の中心と回転軸の中心を結ぶ線上に位置を合わせて敷設したことを特徴とする永久磁石形回転電機。
【請求項４】
請求項１に記載永久磁石形回転電機において、ヒートパイプを永久磁石の左右両側縁に添わせて回転子鉄心に形成した磁石埋め込み穴内に敷設したことを特徴とする永久磁石形回転電機。
【請求項５】
請求項４に記載の永久磁石形回転電機において、磁石埋め込み穴の左右両端に連ねて回転子鉄心にフラックスバリアとして機能する空隙穴を形成した上で、ヒートパイプを前記フラックスバリアの穴内に敷設したことを特徴とする永久磁石形回転電機。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれかの項に記載の永久磁石形回転電機において、回転子鉄心の軸方向の両端面に添わせて回転軸に伝熱結合した円盤状の放熱板を配備した上で、回転子鉄心を軸方向に貫通して敷設した各ヒートパイプの引出し端部を一括して前記放熱板に伝熱結合したことを特徴とする永久磁石形回転電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ＩＰＭモータとして知られている埋込磁石構造の永久磁石形回転電機に関し、詳しくは回転子に埋め込んだ永久磁石の冷却構造に係わる。
【背景技術】
【０００２】
周知のように、頭記のＩＰＭモータは回転子の内部に永久磁石を埋め込み、永久磁石から発生する磁束が固定子に備える巻線との鎖交磁束量に応じて発生するマグネットトルクに加えて、回転子鉄心の突極性を利用したリラクタンストルクを利用したもので、小型高出力モータとして広く用いられている。
【０００３】
次に、前記の埋込磁石型回転電機の基本構造を図９（ａ），（ｂ）に示す。図において、１はフレーム（密閉形のケーシング）、２は固定子鉄心２ａに巻線２ｂを巻装した固定子、３は回転子鉄心３ａに極性を交互に変えて周方に配列した複数の永久磁石３ｂを埋め込んだ埋込磁石形の回転子、４は回転軸、５は回転軸４の反負荷側に連結した外部ファンである。
【０００４】
ここで、永久磁石３ｂは一般に高エネルギー積が得られる希土類磁石（例えば、ネオジム磁石）が用いられており、この永久磁石３ｂは積層鋼板形の回転子コア３ａを軸方向に貫通して形成した磁石埋め込み穴３ｃに挿入し、永久磁石３ｂと磁石埋め込み穴３ｃとの間の隙間に充填材（グリース状のコンパウンド）を充填して永久磁石３ｂを固定保持している。
【０００５】
また、前記永久磁石形回転電機の運転時に発生する損失には銅損と鉄損と機械損があり、このうち、銅損は固定子巻線２ｂの電流により発生する抵抗損であり、鉄損は固定子鉄心２ａ,回転子鉄心３ａのヒステリシス損と永久磁石３ｂに発生するうず電流損、また機械損は風損とベアリング損である。
【０００６】
ここで、永久磁石３ｂに生じるうず電流損は、固定子巻線２ｂに流れる電流の高調波成分に起因し、回転電機をＰＷＭ駆動で運転制御する場合には永久磁石３ｂのうず流損失が飛躍的に増加する。また、ネオジム磁石などの希土類磁石は導電性が高くて抵抗が小さいためにうず電流が発生し易く、しかも永久磁石３ｂはその周囲を充填材で固定しているため、うず電流損により生じた熱が篭り易い構造となっている。
【０００７】
そのために、永久磁石３ｂは温度が上昇し易く、しかも希土類磁石は温度上昇に伴う熱減磁により保磁力が低下し、その結果として回転電機の出力性能が低下するという問題があることから、その対応策が重要な課題となっている。
【０００８】
一方、前記した埋込磁石型回転電機の回転子冷却構造として、永久磁石を埋め込んだ回転子鉄心を軸方向に貫通して形成した連通穴に冷媒を流して永久磁石を冷却するようにした構成が従来より採用されている（例えば、特許文献１参照）。そのほか、前記した回転子鉄心の連通穴（通風穴）に対応して、回転電機の回転軸に自冷ファンを設けてフレーム内の空気を前記連通穴に循環送風させるとともに、さらに回転軸には軸内部にヒートパイプを敷設してその放熱端をフレーム外部に引き出し、永久磁石の発生熱を自冷ファン，回転軸に設けたヒートパイプを経由して系外に放熱させるようにした構成も知られている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００７−２５２０１８号公報（図１）
【特許文献１】特開２００１−８４１１号公報（図１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ところで、前記の特許文献に開示されている永久磁石形回転電機の冷却構造では次記のような問題点がある。すなわち、永久磁石を埋設した回転子鉄心を軸方向に貫通する連通穴にフレーム（ケーシング）内の空気を循環通風させて永久磁石を冷却する風冷方式では、永久磁石／空気間の熱伝達率が低く、永久磁石の温度上昇を抑える冷却性能にも限界がある。しかも、前記連通穴に空気を通風させるには機内に自冷ファンを設置する必要があり、そのために回転電機の大形化，製造コストの増大化を招くほか、ファンには無視できない風損が生じてモータ出力が低下する。
【００１１】
また、前記の風冷構造に加えて回転電機の回転軸にヒートパイプを敷設した特許文献２の冷却構造は、回転子鉄心の外周側に埋設した永久磁石と回転軸の内部に敷設したヒートパイプとの間の物理的な伝熱距離が離れているために、ヒートパイプの高い熱移送機能を充分に生かすことができない。
【００１２】
この発明は上記の点に鑑みなされたものであり、その目的は、回転電機を大形化させることなく、回転子鉄心に埋め込んだ永久磁石を効果的に冷却できるように改良して、永久磁石の熱減磁に起因する出力性能の低下を防ぐようにした永久磁石形回転電機の冷却構造を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するために、この発明によれば、フレームに内装した固定子，回転子，回転軸を有し、回転子の主磁極に対応する永久磁石を回転子鉄心の周域に埋め込んだ埋込磁石構造になる永久磁石形回転電機において、
回転子鉄心を軸方向に貫通して前記永久磁石の近傍にヒートパイプを敷設し、かつ該ヒートパイプの両端を回転子鉄心の側方に引出した上で、この引出し端部に放熱フィンを伝熱的に設けるものとし（請求項１）、前記ヒートパイプは具体的には次記のような態様で構成，配置することができる。
（１）前記ヒートパイプを永久磁石と回転軸との中間位置に敷設する（請求項２）。
（２）前項（１）において、ヒートパイプを断面Ｖ字形の平型ヒートパイプとなし、該ヒートパイプのＶ字形頂部を永久磁石に向けて該永久磁石の周方向の中心と回転軸の中心を結ぶ線上に位置を合わせて配置する（請求項３）。
（３）前記ヒートパイプを永久磁石の左右両側縁に添わせて回転子鉄心に形成した磁石埋め込み穴内に敷設する（請求項４）。
（４）前項（３）において、磁石埋め込み穴の左右両端に連ねて回転子鉄心にフラックスバリアとして機能する空隙穴を形成した上で、ヒートパイプを前記フラックスバリアの穴内に敷設する（請求項５）。
（５）前記構成において、回転子鉄心の軸方向の両端面に添わせて回転軸に伝熱結合した円盤状の放熱板を配備した上で、回転子鉄心を軸方向に貫通して敷設した各ヒートパイプの引出し端部を一括して前記放熱板に伝熱結合する（請求項６）。
【発明の効果】
【００１４】
上記のように、回転子鉄心を軸方向に貫通して前記永久磁石の近傍にヒートパイプを敷設し、かつ該ヒートパイプの両端を回転子鉄心の側方に引出した上で、この引出し端部に放熱フィンを設けたことにより、次記の効果を奏することができる。
（１）周知のように、伝熱性の高い銅パイプ（非磁性体）に揮発性の液体（作動液）を封入したヒートパイプは強制空冷方式に比べて冷却能力が格段に高く（強制空冷の熱伝達率が約10〜90[W/m2K]でるのに対して、ヒートパイプの熱伝達率は約数2000〜8000[W/m2K]）、このヒートパイプを回転子鉄心に埋設した永久磁石の近傍に敷設することにより、回転電機運転時のうず電流損で昇温する永久磁石をヒートパイプの高い熱伝達性能により効果的に除熱し、永久磁石の熱減磁に起因する回転電機の出力低下を防ぐことができる。しかも、回転子鉄心を軸方向に貫通した通風穴に冷却空気を導風する従来の風冷方式とは異なり、機内に自冷ファンを設置する必要がないので回転電機が大形化することもなく、また自冷ファンの回転に伴う風損分も軽減できる。
（２）また、ヒートパイプを断面Ｖ字形の平型ヒートパイプとして、そのＶ字形の頂部を主磁極のｄ軸（永久磁石の周方向の中心と回転軸の中心の間を結ぶ線の方向）に合わせて配置した請求項３の構成によれば、回転電機の運転時に固定子と回転子との間を経由して分布する有効磁束の通路をヒートパイプ（非磁性体）が遮って磁束流を妨げる不具合を避けつつ、永久磁石に対面する伝ヒートパイプの伝熱表面積を拡大させて高い冷却効率を確保できる。
（３）一方、ヒートパイプを永久磁石の左右両側縁に添わせて回転子鉄心に形成した磁石埋め込み穴内に敷設した請求項４の構成によれば、回転子鉄心にヒートパイプを敷設する新たな加工を加えず、かつ前項（２）と同様に有効磁束を妨げずにヒートパイプを永久磁石の近傍に敷設して効果的に冷却することができる。また、この場合に磁石埋め込み穴の左右両端に連ねて回転子鉄心にフラックスバリアとして機能する空隙穴を形成した上で、ヒートパイプ（非磁性体）を前記フラックスバリアの穴内に敷設した請求項５の構成を採用することにより、隣接する永久磁石の間を短絡する漏洩磁束を軽減させるフラックスバリアの機能を損なわずにヒートパイプを敷設することができる。
（４）さらに、回転子鉄心の軸方向の両端面に添わせて回転軸に伝熱結合した円盤状の放熱板を配備した上で、回転子鉄心を軸方向に貫通して敷設した各ヒートパイプの引出し端部を全て前記放熱板に伝熱結合した請求項６の構成によれば、放熱板の追加に伴う風損増加を抑えつつ、ヒートパイプにより永久磁石から除熱回収した熱を放熱フィン板から回転軸に伝熱して効果的に放熱できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】この発明の第１の実施例による永久磁石の冷却構造を表す回転電機全体の側視断面図である。
【図２】図１における矢視Ｘ−Ｘ断面図である。
【図３】この発明の第２の実施例による永久磁石の冷却構造を表す回転電機の軸と直角方向の断面図である。
【図４】図３に対応した機内の磁束分布を表す図である。
【図５】この発明の第３の実施例による永久磁石の冷却構造を表す回転電機の軸と直角方向の断面図である。
【図６】図５におけるＡ部の拡大図であって、（ａ），（ｂ），（ｃ）はそれぞれ異なる実施形態を表す図である。
【図７】図５に対応した機内の磁束分布を表す図である。
【図８】この発明の第４の実施例による永久磁石の冷却構造を表す図であって、（ａ）の回転子の側視断面図、（ｂ）は端面図である。
【図９】磁石埋込構造の永久磁石形回転電機の基本構造図であって、（ａ）は側視断面図、（ｂ）は（ａ）における矢視Ｘ−Ｘ断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、この発明による永久磁石形回転電機の実施の形態を図１〜図８に示す実施例に基づいて説明する。なお、図１，図２は第１の実施例、図３，図４は第２の実施例、図５〜図７は第３の実施例、図８は第４の実施例の構成図であり、各図において図９に対応する部材には同じ符号を付してその説明は省略する。
【実施例１】
【００１７】
まず、この発明の請求項１，２に係わる実施例を図１，図２に示す。この実施例では、回転子３の鉄心３ａを軸方向に貫通して該鉄心３ａに埋設した永久磁石３ｂと回転軸４との間の部位にヒートパイプ６を敷設し、かつ該ヒートパイプ６はその両端を回転子鉄心３ａから側方に引き出した上で、この引出し端部に放熱フィン６ａが伝熱的に結合されている。
【００１８】
ここで、ヒートパイプ６は両端を封じた銅パイプに少量の作動液体を封入したものであり、永久磁石３ｂの周方向の中心と対向する近傍位置に合わせて回転子鉄心３ａに穿孔した挿入穴に差し込んで所定位置に固定されている。
【００１９】
上記の構成により、回転電機の運転時に生じた永久磁石３ｂのうず電流損による発熱はヒートパイプ６に伝熱し、ヒートパイプ６に封入した作動液の蒸発／凝縮サイクルにより両端の凝縮部に熱移送された上で、放熱フィン６ａより周囲に放熱される。しかも、ヒートパイプの熱伝達率は先述のように顕熱による風冷方式と比べて格段に高く、これにより永久磁石３ｂを効率よく冷却して永久磁石の熱減磁に起因する回転電機の出力低下を効果的に防ぐことができる。
【実施例２】
【００２０】
次に、この発明による請求項３に係わる第２の実施例を図３，図４に示す。この実施例では、先記実施例１と同様永久磁石３ｂと回転軸４との中間位置に敷設したヒートパイプ６が断面Ｖ字形の平型ヒートパイプであり、この平型ヒートパイプ６は図示のようにＶ字形の頂部先端を永久磁石３ｂに向け、該永久磁石の周方向の中心と回転軸４の中心を通る回転子３の主磁極に対応するｄ軸に合わせて配置されている。
【００２１】
この構成によれば、先記実施例１と比べて次記のような利点が得られる。すなわち、図４は電機の運転時に永久磁石３ｂと鎖交して固定子２と回転子３との間に生じる磁束の分布を表した図であり、点線の矢印線は有効磁束を、また実線の矢印線は周方向に隣接する異極の永久磁石３ｃの間をバイパスして固定子鉄心２ａに鎖交しない漏洩磁束を表している。この図から判るように、断面Ｖ字形の平型ヒートパイプ６（非磁性体）は有効磁束（点線矢印）の通路を遮って磁束流を妨げることがなく、これによりヒートパイプの敷設によって回転電機出力が低下するのを防げる。また、平型ヒートパイプを採用したことにより、図１に示した円管状のヒートパイプと比べて永久磁石３ｂと対面する伝熱表面積が拡大して高い冷却効果を確保できる。
【実施例３】
【００２２】
次に、この発明の請求項４，５に係わる実施例を図５〜図７で説明する。この実施例は先記実施例１，２で述べたヒートパイプ６の配置位置を変えて、永久磁石３ｂの左右両端に配置したものであり、具体的には回転子鉄心３ａに形成した磁石埋め込み穴３ｃを利用し、永久磁石３ｂの左右両端に添わせてヒートパイプ６を敷設するようにしている。
【００２３】
ここで、図６（ａ）は永久磁石３ｂの板厚と略同じ断面方形状のヒートパイプを敷設し、図６（ｂ）の構成では管径の細い複数本のヒートパイプ６を並べて敷設している。また、図６（ｃ）は前記磁石埋め込み穴３ｃの両端から回転子鉄心３ａの外周面に向けて延在するように、フラックスバリアとして機能する空隙３ｄを形成した上で、このフラックスバリアの空隙３ｄに平型のヒートパイプ６（非磁性体体）を嵌挿して敷設している。
【００２４】
上記したヒートパイプ６の配置によれば、磁石埋め込み穴３ｃを利用してヒートパイプ６を敷設したことにより、回転子鉄心３ａにヒートパイプ敷設用に新たな加工を施すことがなくてコストの低減化が図れる。そのほか、図６（ｃ）ではフラックスバリアの機能を損なうことなしに、表面積の大きな平型ヒートパイプを挿入敷設して永久磁石３ｂを効果的に冷却できる。
【実施例４】
【００２５】
図８はこの発明の請求項６に係わる実施例の構成図である。先記の各実施例では、回転子鉄心３ａに敷設したヒートパイプ６に対して、各本ごとに回転子鉄心３ａの側方に引き出した両端部に放熱フィン６ａを設けているために、部品点数が多くなって組立構造が複雑化するほか空気抵抗も大きくなり、回転電機の運転に伴って生じる放熱フィン６ａの風損も大きくなる。
【００２６】
かかる点、この実施例では回転子３ａの軸方向の両端面に添わせて銅などの伝熱性の高い円盤状の放熱板７を配備した上で、各ヒートパイプ６の両端を一括して放熱板７に伝熱結合し、各本のヒートパイプ６に対する放熱フィン機能を持たせるようにしている。また、この放熱板７は、その内周縁を回転軸４の軸上に嵌着した伝熱性の高い金属筒８に接合し、該金属筒８を介して回転軸４に伝熱結合するようにしている。
【００２７】
この構成によれば、各ヒートパイプ６に対して個別に放熱フィン６ａを設けた先記の各実施例に比べて、ヒートパイプ６の放熱構造が簡単，かつ部品点数も少なくなるほか、風損も大幅に低減できる。しかも、回転電機のフレームを貫通して機外に引き出した熱容量の大きな回転軸４に放熱板７を伝熱結合したことにより、ヒートパイプ６により永久磁石３ｂから除熱回収した熱を放熱面積の大きな放熱板７に伝熱して周囲の空気中に放熱するほか、金属筒８を介して回転軸４にも放熱することができ、これにより高い冷却効果が得られる。
【００２８】
なお、前記放熱板８を採用した図８の冷却構造では、ヒートパイプ６が先記実施例１（図１参照）に対応する位置に配置されている場合を例示したが、実施例２，実施例３で述べたヒートパイプ６の構成，配置にも同様に実施適用できることは勿論である。
【符号の説明】
【００２９】
１    フレーム
２    固定子
２ａ  固定子鉄心
２ｂ  固定子巻線
３    回転子
３ａ  回転子鉄心
３ｂ  永久磁石
３ｃ  磁石埋め込み穴
３ｄ  フラックスバリアの空隙
４    回転軸
５    ファン
６    ヒートパイプ
６ａ  放熱フィン
７    放熱板
８    金属筒
【図１】
2010220402.tif 000003
【図２】
2010220402.tif 000004
【図３】
2010220402.tif 000005
【図４】
2010220402.tif 000006
【図５】
2010220402.tif 000007
【図６】
2010220402.tif 000008
【図７】
2010220402.tif 000009
【図８】
2010220402.tif 000010
【図９】
2010220402.tif 000011