(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シャフトの外周面に配置された永久磁石と、前記永久磁石の外周面に配置され、かつ回転軸方向に少なくとも２ヶ以上に分割された円筒形状の補強部材と、分割された前記補強部材の間に設置されたリング状部材とからなる永久磁石式回転子を備えた電機機械において、固定子と前記回転子との間隙に冷却用ガスを通風するための冷却ガス導入通路を前記固定子に設け、かつ前記導入通路からの冷却ガス吹き出し口が前記補強部材の分割された部分に位置するように構成したことを特徴とする電気機械。
【請求項２】
前記リング状部材を非磁性体により形成してなる請求項１に記載の電気機械。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、永久磁石式回転子を用いた発電機や電動機等の電気機械に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
発電機や電動機等の回転電気機械に用いる永久磁石式回転子としては、例えば特開平６−２８４６０９号や特開平８−１０７６４１号、米国特許第３９６８３９０号に示される回転子が知られている。これらの回転子においては、回転子軸の周囲に希土類磁石等の永久磁石が配置され、それら永久磁石の周囲には、永久磁石回転子の少なくとも永久磁石部全長にわたり、繊維強化樹脂等からなる円筒形状の補強部材が設置されている。
【０００３】
このような永久磁石式回転子を有する回転電気機械において、より高速大容量化を実現するためには、永久磁石として、高エネルギー密度を有する希土類磁石が用いられる。また、高速化に伴い、回転子の周囲には永久磁石の遠心力を負荷するため、円筒形状の補強部材が設置されるが、この補強部材としては、高強度の繊維強化樹脂が用いられる。また、回転子の高速回転に伴い回転子と固定子の間隙に生じる風損や、固定子の銅損、鉄損による発熱は、回転子と固定子の間隙に冷却用ガスを通風することにより冷却している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
高速大容量化を実現するために、永久磁石として高エネルギー密度を有するネオジウム−鉄−ボロン系やサマリウム−コバルト系の希土類磁石が用いられるが、これらはフェライト磁石と異なり電気抵抗率が小さい。このため、回転子を通過する磁界に含まれる高調波成分によって永久磁石内に発生する渦電流が大きく、高速大容量になるほどその損失が大きくなる。さらに補強部材として炭素繊維強化樹脂（ＣＦＲＰ）がよく用いられるが、ＣＦＲＰは導電性を有するため、補強部材内にやはり渦電流が生じる。このように、回転子内部で損失すなわち発熱があると、回転子の外周部を被覆している繊維強化樹脂は熱伝導率が小さいため、回転子内の発熱を効率良く冷却用ガスへ伝熱できず、回転子の温度が上昇し、永久磁石の磁気特性の劣化、繊維強化樹脂からなる補強部材の強度低下を招くという問題があった。
【０００５】
本発明の目的は、効率よく冷却できるようにした構造の永久磁石式回転子を備えた電気機械を提供することにある。
【０００６】
本発明は、シャフトの外周面に配置された永久磁石と、前記永久磁石の外周面に配置され、かつ回転軸方向に少なくとも２ヶ以上に分割された円筒形状の補強部材と、分割された前記補強部材の間に設置されたリング状部材とからなる永久磁石式回転子を備えた電機機械において、固定子と前記回転子との間隙に冷却用ガスを通風するための冷却ガス導入通路を前記固定子に設け、かつ前記導入通路からの冷却ガス吹き出し口が前記補強部材の分割された部分に位置するように構成したことを特徴とする電気機械を開示する。
【０００７】
また本発明は、前記リング状部材を非磁性体により形成してなる電気機械を開示する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明になる永久磁石式回転子の第１の構成例を示した片側縦断面図である。なお、図１は回転子の構造を模式的に表したもので、両軸端を含む各部の詳細構造は省略してある。図１において、永久磁石式回転子１は、２極同期電動機の回転子の例であって、磁性材料であるスチール製の中実シャフト２と、シャフト２の外周部に回転子軸方向に６ヶ配置された円筒形状の永久磁石３ａ〜３ｆと、さらに永久磁石３ａおよび３ｆの外周部にそれぞれ配置された炭素繊維強化樹脂（ＣＦＲＰ）からなる円筒形状の補強部材４ａ、４ｂとにより主要部分が構成されている。また、永久磁石３ｃと３ｄの間には非磁性の金属材からなるリング状部材６が装着されている。さらに、永久磁石３及び補強部材４ａ、４ｂの回転子軸方向の両端には、磁束の漏れ防止と永久磁石の端面保護のため、非磁性材からなるリング状部材５ａ，５ｂが装着されている。
【００１０】
永久磁石３ａ〜３ｆには、高い磁束密度が得られるネオジウム−鉄−ボロン系の希土類磁石が用いられている。また永久磁石３ａ〜３ｆは円筒形状に焼結成形され、磁化容易軸が半径方向に配向された異方性磁石であり、２極着磁がなされている。補強部材４ａ、４ｂは、高強度の炭素繊維を回転子軸方向に対しほぼ直角に巻き付けたＣＦＲＰからなり、回転子１の高速回転に伴う永久磁石３ａ〜３ｆの遠心力を負荷している。ＣＦＲＰのマトリクス樹脂は、電動機の発熱による温度上昇を考慮して、耐熱性の高い樹脂を使用している。
【００１１】
上記のような永久磁石式回転子において、固定子巻き線で発生させた回転磁束に高調波成分が含まれていると、前述したように回転子を通過する磁束が変動し、永久磁石３及びシャフト２の外周部に渦電流が発生し、これが渦電流損となって回転子内部で発熱する。外周部を補強部材としてのＣＦＲＰで被覆した回転子の場合、ＣＦＲＰの熱伝導率は１．０Ｗ／（ｍ・Ｋ）と小さく、すなわち回転子内部の発熱を外部に伝えにくいため、回転子内部での発熱があると、永久磁石やＣＦＲＰの温度が上昇し、永久磁石の磁気特性やＣＦＲＰの強度が低下してしまう。この問題点を解決するため、図１の構成では、回転子のＣＦＲＰで被覆されている部分を２分割し、中央部に金属製のリング状部材６を設置することで、回転子内部の発熱を効果的に外部へ伝達させている。リング状部材６の材質は、磁束がバイパスするのを避けるため非磁性材とし、高周速のため高比強度のチタン合金としている。チタン合金の熱伝導率は６．６Ｗ／（ｍ・Ｋ）であり、ＣＦＲＰに対してより大きな冷却効果が得られる。
【００１２】
図２は、図１の永久磁石式回転子を用いた電気機械の構成例を示すもので、永久磁石式電動機の回転軸両端に遠心羽根車を設置し構成した遠心圧縮機の縦断面図である。
図２において、圧縮機１００の中央部にある電動機１０１は、シャフト２の外周に永久磁石３を円筒形状に配置し、さらにその周囲に補強部材４を有する回転子１と、固定子１０により構成されている。永久磁石３としては、磁束密度の高いネオウジム−鉄−ボロン系の希土類焼結磁石が用いられている。また、補強部材には高強度のＣＦＲＰが使用されている。これら回転子の構造は図１と同じである。
【００１３】
回転子１は、ラジアル軸受１１ａ、１１ｂ及びアキシャル軸受１２ａ、１２ｂにより支承され、両軸端には遠心羽根車１３ａ、１３ｂが取り付けられている。電動機１０１は、固定子１０の回転軸方向ほぼ中央部に中間ダクト１５を有しており、この中間ダクト１５に対応した回転子１の表面には金属製のリング状部材６が設置されている。ここで、中間ダクト１５の面積は主に冷却空気の所要流量から、流速が例えば５〜１０ｍ／ｓになるように決められるが、これに合わせて金属製リング状部材６の軸方向の幅も中間ダクト１５の幅とほぼ等しい値とすれば、冷却効果の上から好ましい。但しこのリング状部材６の幅は大きすぎると回転子の長さ、従って電気機械の長さを長くしてしまうので、十分な冷却効果が得られる範囲でなるべく小さい幅とするのが好ましく、設計例によれば、例えば永久磁石の軸方向長の５〜１０％程度である。
【００１４】
このようにリング状部材６は冷却空気導入部に位置し、低温の冷却空気に接しているため、回転子内部の発熱は、伝熱性が悪いＣＦＲＰ被覆部よりむしろリング状部材６を通して効率よく冷却される。さらに電動機に導入された冷却空気は、回転子１と固定子１０の間隙を通過する間に、風損その他の発熱を奪った後、機外に排気される。こうして、冷却空気の温度、すなわち回転子の周囲温度は、冷却空気導入部である回転子中央部が最も低くなっている。
なお、図２では中間ダクト１５は１つのみとしているが、これは軸方向位置は図２のダクト１５と同じで、軸の周方向に複数個配置するようにすれば、より冷却効果を高められる。
【００１５】
図３は、本発明になる永久磁石式回転子の第２の構成例を示した片側縦断面図である。なお、図３は回転子の構造を模式的に表したもので、両軸端を含む各部の詳細構造は省略してある。この永久磁石式回転子１Ａも、２極同期電動機の回転子の例であり、図１の場合と同様に、磁性材料であるスチール製の中実シャフト２と、シャフト２の外周部に回転子軸方向に６ヶ配置された円筒形状の永久磁石３ａ〜３ｆとにより主要部分が構成されている。但し図１の構成と異なって永久磁石３ａおよび３ｆの両端部には炭素繊維強化樹脂（ＣＦＲＰ）からなる円筒形状の補強部材は設けられておらず、また、永久磁石３ｃと３ｄは所定の間隔を有して配置されており、シャフト２のこの部分には何も勘合されず、空間となっている。
この構造によると、熱伝導性の悪いＣＦＲＰからなる補強部材を軸方向に分割して配置し、シャフト表面を露出させることで、回転子内部の発熱をＣＦＲＰで断熱せずに外部へ伝えることができ、回転子の冷却性を向上できる。また図１より構成が簡単になる。
【００１６】
図４は、本発明になる永久磁石式回転子の第３の構造例を示した片側縦断面図である。なお、図４は回転子の構造を模式的に表したもので、両軸端を含む各部の詳細構造は省略してある。この永久磁石式回転子１Ｂも２極同期電動機の回転子の例であり、図１の場合と同様に磁性材料であるスチール製の中実シャフト２Ｂと、シャフト２Ｂの外周部に回転子軸方向に６ヶ配置された円筒形状の永久磁石３ａ〜３ｆと、さらに永久磁石３ａおよび３ｆの外周部にそれぞれ配置された炭素繊維強化樹脂（ＣＦＲＰ）からなる円筒形状の補強部材４ａ、４ｂとにより主要部分が構成されている。但し図１、図３の構成と異なって、シャフト２Ｂは外周部中央付近に突起部７を有しており、突起部７を挟んだ両側に永久磁石３ａ〜３ｃおよび３ｄ〜３ｆが配置されていて、永久磁石３ｃおよび３ｄは突起部７の両端面に当接している。また、永久磁石３及び補強部材４ａ、４ｂの回転子軸方向の両端には、図３の構成と同様に磁束の漏れ防止と永久磁石の端面保護のため、非磁性材からなるリング状部材５ａ，５ｂが装着されている。
この構造によると、やはり図３の構成例と同様に、熱伝導性の悪いＣＦＲＰからなる補強部材を軸方向に分割して配置し、シャフト表面を露出させることで、回転子内部の発熱をＣＦＲＰで断熱せずに外部へ伝えることができ、回転子の冷却性を向上できる。
【００１７】
図５は、本発明になる永久磁石式回転子の第４の構成例を示した片側縦断面図で、この図も回転子の構造を模式的に示しており、両軸端を含む各部の詳細構造は省略してある。この永久磁石式回転子ＩＣも２極同期電動材の回転子の例であり、磁性材料であるスチール製の中実シャフト２と、シャフト２の外周部に回転子軸方向に６ヶ配置された円筒形状の永久磁石３ａ〜３ｆと、さらに永久磁石３ａ及び３ｆの外周部にそれぞれ配置された炭素繊維強化樹脂（ＣＦＲＰ）からなる円筒形状の補強部材４ａ、４ｂ、４ｃとにより主要部分が構成されている。但しこの構成例では永久磁石３ａ〜３ｆが３分割されており、永久磁石３ｂと３ｃの間、及び永久磁石３ｄと３ｅの間に金属性のリング状部材６ａ、６ｂをそれぞれ設置し、これによって回転子内部の発熱を効果的に外部に伝達できるようにしている。
【００１８】
以上に説明した図３〜図５の構成になる回転子は、図２に示した電気機械の回転子として使えることはいうまでもない。また、図１、図３〜図５の構成例では、
２極同期電動機の回転子について説明したが、電気機械の種類や極数がこれに制限されるものではない。永久磁石や補強部材の数量や材質等においても、本実施例に制限されるものではなく、同様の構成が可能であり、発明の主旨が実現できれば、いかなる数量、材質であっても良い。
さらに各構成例では、ＣＦＲＰは永久磁石の軸方向幅を丁度カバーするように設置されているが、ＣＦＲＰが分割され、その間から放熱できる構造であれば冷却効果が向上するから、永久磁石の補強能力を損なわない限りで、ＣＦＲＰと永久磁石の軸方向幅は必ずしも一致している必要はない。
【００１９】
【発明の効果】
以上の詳細な説明からも明らかなように、本発明によれば、補強部材の分割された部分に冷却ガス吹き出し口が位置する冷却ガス導入通路より冷却ガスを吹き出して、補強部材の分割部に設けられたリング状部材を冷却するようにしたことにより、電気機械の冷却性能を大幅に向上できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明になる永久磁石式回転子の第１の構成例を示す片側縦断面図である。
【図２】図１の永久磁石式回転子を用いた電気機械の構成例を示す縦断面図である。
【図３】本発明になる永久磁石式回転子の第２の構成例を示す片側縦断面図である。
【図４】本発明になる永久磁石式回転子の第３の構成例を示す片側縦断面図である。
【図５】本発明になる永久磁石式回転子の第４の構成例を示す片側縦断面図である。
【符号の説明】
１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ  回転子
２、２Ｂ  シャフト
３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆ  永久磁石
４、４ａ、４ｂ、４ｃ  補強部材
５ａ、５ｂ  リング状部材
６、６ａ、６ｂ  リング状部材
７  シャフト突起部
１０  固定子
１５  中間ダクト
１００  遠心圧縮機
１０１  モータ部
【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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