JP2000050545A - 発電機又は電動機用回転子 - Google Patents
発電機又は電動機用回転子Info
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Landscapes
- Iron Core Of Rotating Electric Machines (AREA)
- Permanent Field Magnets Of Synchronous Machinery (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 高性能希土類磁石を用いた回転子における渦
電流の発生、これに伴う発熱並びに永久磁石の熱減磁を
低減し、より一層の高出力、高効率を実現できる構成か
らなる発電機または電動機用回転子の提供。 【解決手段】 回転子全体が永久磁石にて構成される高
速発電機または高速電動機用回転子において、回転子１
の構造を薄板状の永久磁石３と軟質磁性材料２とを交互
に積層した構造とすることにより、層間が絶縁層の効果
をもたらし、永久磁石中に発生していた渦電流を減少さ
せ、回転子の発熱が著しく押さえられる。
電流の発生、これに伴う発熱並びに永久磁石の熱減磁を
低減し、より一層の高出力、高効率を実現できる構成か
らなる発電機または電動機用回転子の提供。 【解決手段】 回転子全体が永久磁石にて構成される高
速発電機または高速電動機用回転子において、回転子１
の構造を薄板状の永久磁石３と軟質磁性材料２とを交互
に積層した構造とすることにより、層間が絶縁層の効果
をもたらし、永久磁石中に発生していた渦電流を減少さ
せ、回転子の発熱が著しく押さえられる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、特に高速発電機
または高速電動機に使用される回転子、例えば全体が永
久磁石で構成される全く新しい構成からなる回転子に係
り、回転子構造体に薄板状の永久磁石と軟質磁性材料を
積層した２層型積層永久磁石を用いることにより、より
一層の高出力、高効率並びに機械的強度を実現した発電
機又は電動機用回転子に関する。
または高速電動機に使用される回転子、例えば全体が永
久磁石で構成される全く新しい構成からなる回転子に係
り、回転子構造体に薄板状の永久磁石と軟質磁性材料を
積層した２層型積層永久磁石を用いることにより、より
一層の高出力、高効率並びに機械的強度を実現した発電
機又は電動機用回転子に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、高出力、高効率を目的に開発され
た高速発電機あるいは高速電動機の回転子には、高性能
な希土類磁石、特にＮｄ‐Ｆｅ‐Ｂ磁石が使用されるよ
うになった。その構造は、回転子の周方向に永久磁石を
配置したもの、あるいは回転子全体を全て永久磁石で作
成した構成があり、その周囲を磁石の飛散防止のために
ステンレス鋼等の金属円筒またはＣＦＲＰ等の強化織維
で巻いた構成（特許第２５７１２４４号）からなる。
た高速発電機あるいは高速電動機の回転子には、高性能
な希土類磁石、特にＮｄ‐Ｆｅ‐Ｂ磁石が使用されるよ
うになった。その構造は、回転子の周方向に永久磁石を
配置したもの、あるいは回転子全体を全て永久磁石で作
成した構成があり、その周囲を磁石の飛散防止のために
ステンレス鋼等の金属円筒またはＣＦＲＰ等の強化織維
で巻いた構成（特許第２５７１２４４号）からなる。
【０００３】上記回転子の構成は、回転子と固定子の間
の空隙がステンレス鋼やＣＦＲＰ等により大きくなって
しまい、必然的に発電機、電動機の出力が低下すること
になる。
の空隙がステンレス鋼やＣＦＲＰ等により大きくなって
しまい、必然的に発電機、電動機の出力が低下すること
になる。
【０００４】またこの構造の場合、用いられる永久磁石
はバルクの円柱状あるいは円筒状であるため、高速回転
時に回転子に発生する渦電流を低下させることは極めて
困難である。永久磁石に発生する渦電流は発熱源とな
り、永久磁石の温度を上昇させて永久磁石の熱減磁を引
起し、最終的に発電機、電動機の出力低下を招来する。
はバルクの円柱状あるいは円筒状であるため、高速回転
時に回転子に発生する渦電流を低下させることは極めて
困難である。永久磁石に発生する渦電流は発熱源とな
り、永久磁石の温度を上昇させて永久磁石の熱減磁を引
起し、最終的に発電機、電動機の出力低下を招来する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】永久磁石を回転子の中
に入れて上記問題を改良した、ＩＰＭ型の発電機、電動
機が提案されているが、回転子内の永久磁石は厚みの大
きなバルク状態であるため、磁石自体に発生する渦電流
を低減することは困難である。
に入れて上記問題を改良した、ＩＰＭ型の発電機、電動
機が提案されているが、回転子内の永久磁石は厚みの大
きなバルク状態であるため、磁石自体に発生する渦電流
を低減することは困難である。
【０００６】一方、上記ＩＰＭ型構成において、射出成
形、圧縮成形方法により、ボンド磁石を回転子スロット
部分に注入する方法も提案されているが、ボンド磁石で
は、同じ組成であっても焼結磁石と比較して磁気特性の
大きな低下は避けられず、必然的に発電機、電動機の出
力低下を招来する。
形、圧縮成形方法により、ボンド磁石を回転子スロット
部分に注入する方法も提案されているが、ボンド磁石で
は、同じ組成であっても焼結磁石と比較して磁気特性の
大きな低下は避けられず、必然的に発電機、電動機の出
力低下を招来する。
【０００７】この発明は、上述の高性能希土類磁石を用
いた回転子において、回転子の各部における渦電流の発
生、これに伴う発熱並びに永久磁石の熱減磁を低減し、
より一層の高出力、高効率を実現できる構成からなる発
電機または電動機用回転子の提供を目的としている。
いた回転子において、回転子の各部における渦電流の発
生、これに伴う発熱並びに永久磁石の熱減磁を低減し、
より一層の高出力、高効率を実現できる構成からなる発
電機または電動機用回転子の提供を目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】発明者は、回転子に用い
た永久磁石に発生する渦電流の低減を目的に回転子の構
造について種々検討した結果、回転軸の平行方向に長手
方向を有する薄板状の永久磁石と同じく薄板状の珪素鋼
板を交互に回転子の一直径方向あるいは所要半径方向に
積層、一体化して回転子を作成すると、層間が電気絶縁
層の効果をもたらし、渦電流の発生が大幅に低減され、
磁石の発熱を著しく低減することができることを知見
し、この発明を完成した。
た永久磁石に発生する渦電流の低減を目的に回転子の構
造について種々検討した結果、回転軸の平行方向に長手
方向を有する薄板状の永久磁石と同じく薄板状の珪素鋼
板を交互に回転子の一直径方向あるいは所要半径方向に
積層、一体化して回転子を作成すると、層間が電気絶縁
層の効果をもたらし、渦電流の発生が大幅に低減され、
磁石の発熱を著しく低減することができることを知見
し、この発明を完成した。
【０００９】すなわち、この発明は、例えば、回転子全
体が永久磁石にて構成される高速発電機または高速電動
機用の回転子や、回転子の所要部が永久磁石にて構成さ
れる種々の発電機または電動機用の回転子において、回
転子が薄板状の永久磁石と軟質磁性材料との積層体にて
構成されたことを特徴とし、例えば、永久磁石に０．１
〜５．０ｍｍ厚みの薄板状の希土類磁石を用いた構成、
軟質磁性材料に０．１〜０．４ｍｍ厚みの薄板状の電磁
軟鉄、珪素鋼板、パーメンジュールまたはパーマロイの
いずれかを用いたり、さらに薄板状の永久磁石と軟質磁
性材料との積層構造物を高温、高圧の熱処理により熱拡
散及び／又は熱融着させた構成からなることを特徴とす
る発電機または電動機用回転子である。
体が永久磁石にて構成される高速発電機または高速電動
機用の回転子や、回転子の所要部が永久磁石にて構成さ
れる種々の発電機または電動機用の回転子において、回
転子が薄板状の永久磁石と軟質磁性材料との積層体にて
構成されたことを特徴とし、例えば、永久磁石に０．１
〜５．０ｍｍ厚みの薄板状の希土類磁石を用いた構成、
軟質磁性材料に０．１〜０．４ｍｍ厚みの薄板状の電磁
軟鉄、珪素鋼板、パーメンジュールまたはパーマロイの
いずれかを用いたり、さらに薄板状の永久磁石と軟質磁
性材料との積層構造物を高温、高圧の熱処理により熱拡
散及び／又は熱融着させた構成からなることを特徴とす
る発電機または電動機用回転子である。
【００１０】
【発明の実施の形態】この発明による回転子は、薄板状
の永久磁石と軟質磁性材料との積層構造を有することを
特徴し、例えばこの２層を回転子の直径方向へ積層して
一体化し、磁石の薄板厚みに垂直な径方向に着磁するこ
とを基本構造とする。この発明による回転子の構造は従
来の円柱状のバルクの永久磁石構造と全く異なり、２層
積層構造の層間が絶縁層の効果をもたらし、従来のバル
ク永久磁石中に発生していた渦電流を減少させるため、
高速回転する回転子の周速度に比例して発生する渦電流
に伴う発熱が著しく減少する。
の永久磁石と軟質磁性材料との積層構造を有することを
特徴し、例えばこの２層を回転子の直径方向へ積層して
一体化し、磁石の薄板厚みに垂直な径方向に着磁するこ
とを基本構造とする。この発明による回転子の構造は従
来の円柱状のバルクの永久磁石構造と全く異なり、２層
積層構造の層間が絶縁層の効果をもたらし、従来のバル
ク永久磁石中に発生していた渦電流を減少させるため、
高速回転する回転子の周速度に比例して発生する渦電流
に伴う発熱が著しく減少する。
【００１１】この発明において、使用する永久磁石に
は、Ｓｍ−Ｃｏ磁石、Ｒ‐Ｆｅ‐Ｂ磁石（ここでＲは希
土類元素）、ナノコンポジット磁石などの高性能希土類
磁石が適用可能であるが、製造上Ｓｍ−Ｃｏ磁石は機械
的強度が低く、薄板で機械的強度の高いＲ‐Ｆｅ‐Ｂ磁
石、ナノコンポジット磁石が望ましい。また、圧延Ｆｅ
−Ｃｒ−Ｃｏ系磁石も採用できる。
は、Ｓｍ−Ｃｏ磁石、Ｒ‐Ｆｅ‐Ｂ磁石（ここでＲは希
土類元素）、ナノコンポジット磁石などの高性能希土類
磁石が適用可能であるが、製造上Ｓｍ−Ｃｏ磁石は機械
的強度が低く、薄板で機械的強度の高いＲ‐Ｆｅ‐Ｂ磁
石、ナノコンポジット磁石が望ましい。また、圧延Ｆｅ
−Ｃｒ−Ｃｏ系磁石も採用できる。
【００１２】薄板あるいは薄膜状の永久磁石を作成する
には、ロールによる急冷法が採用でき、０．０１〜２．
０ｍｍ程度の厚みの磁石を製造できるが、優れた磁気特
性を得るには厚みが０．１〜０．５ｍｍのものが好まし
い。厚み以外の幅や長さ寸法は、適用する回転子の寸法
に応じて適宜選定される。
には、ロールによる急冷法が採用でき、０．０１〜２．
０ｍｍ程度の厚みの磁石を製造できるが、優れた磁気特
性を得るには厚みが０．１〜０．５ｍｍのものが好まし
い。厚み以外の幅や長さ寸法は、適用する回転子の寸法
に応じて適宜選定される。
【００１３】この発明において、軟質磁性材料は、電磁
軟鉄、珪素鋼板、パーメンジュールあるいはＦｅ−Ｓｉ
−Ｂなどのアモルファスリボンを採用することができ、
発電機、電動機の高出力のためにはできるだけ薄いほう
が望ましいが、高速運転時の回転子の強度保持を軟質磁
性材料にてもたせる観点から厚いほうがよく、その両者
を現実的に満足する寸法として０．１〜０．４ｍｍの厚
みが好ましい。
軟鉄、珪素鋼板、パーメンジュールあるいはＦｅ−Ｓｉ
−Ｂなどのアモルファスリボンを採用することができ、
発電機、電動機の高出力のためにはできるだけ薄いほう
が望ましいが、高速運転時の回転子の強度保持を軟質磁
性材料にてもたせる観点から厚いほうがよく、その両者
を現実的に満足する寸法として０．１〜０．４ｍｍの厚
みが好ましい。
【００１４】また、軟質磁性材料は表面に酸化物等の絶
縁皮膜を有していることが望ましく、電磁軟鉄で表面絶
縁皮膜が施されていない場合には、酸化処理等により予
め絶縁処理を施すことが望ましい。あるいは酸化膜に代
えて、積層時に絶縁性の接着剤で積層することも可能で
ある。また、永久磁石側にエポキシ樹脂等の絶縁層を塗
布してもよい。
縁皮膜を有していることが望ましく、電磁軟鉄で表面絶
縁皮膜が施されていない場合には、酸化処理等により予
め絶縁処理を施すことが望ましい。あるいは酸化膜に代
えて、積層時に絶縁性の接着剤で積層することも可能で
ある。また、永久磁石側にエポキシ樹脂等の絶縁層を塗
布してもよい。
【００１５】この発明において、薄板状の永久磁石と軟
質磁性材料とを積層して一体化するのに、金属円筒材
内、例えばステンレス円筒等のカバーにこの積層体を収
納した構成とする他、積層一体化した回転子を、ＨＩＰ
処理などの高温、高圧処理にて、永久磁石と軟質磁性材
料の両層を拡散、融着させて一体化することにより、前
記カバーを使用することなく、回転子の機械的強度を向
上させることができる。
質磁性材料とを積層して一体化するのに、金属円筒材
内、例えばステンレス円筒等のカバーにこの積層体を収
納した構成とする他、積層一体化した回転子を、ＨＩＰ
処理などの高温、高圧処理にて、永久磁石と軟質磁性材
料の両層を拡散、融着させて一体化することにより、前
記カバーを使用することなく、回転子の機械的強度を向
上させることができる。
【００１６】後述の実施例では、一直径方向に２極着磁
した構成例を示すが、薄板状の永久磁石と軟質磁性材料
とが所要半径方向に積層された、略扇型の複数の積層体
を組み合せて回転子を構成し、各積層体の半径方向に多
極着磁することにより、複数極を有する回転子を提供で
きる。
した構成例を示すが、薄板状の永久磁石と軟質磁性材料
とが所要半径方向に積層された、略扇型の複数の積層体
を組み合せて回転子を構成し、各積層体の半径方向に多
極着磁することにより、複数極を有する回転子を提供で
きる。
【００１７】
【実施例】厚みが０．２５ｍｍ、幅が４０ｍｍ、長さが
１１０ｍｍの珪素鋼板と、厚みが０．４ｍｍ、幅が１０
ｍｍ、長さが４０ｍｍのＮｄ‐Ｆｅ‐Ｂ焼結磁石を接着
して総厚み約０．６５ｍｍ、幅が４０ｍｍ、長さが１１
０ｍｍの２層鋼板を作成した。次にこの２層鋼板を総厚
みが約４０ｍｍになるように積層した。
１１０ｍｍの珪素鋼板と、厚みが０．４ｍｍ、幅が１０
ｍｍ、長さが４０ｍｍのＮｄ‐Ｆｅ‐Ｂ焼結磁石を接着
して総厚み約０．６５ｍｍ、幅が４０ｍｍ、長さが１１
０ｍｍの２層鋼板を作成した。次にこの２層鋼板を総厚
みが約４０ｍｍになるように積層した。
【００１８】得られた４０×４０×１１０ｍｍの２層鋼
板の積層体を放電加工により、外径３５ｍｍ、長さ１０
０ｍｍの回転子本体を形成した。すなわち、図１に回転
子本体１の縦断説明図を示すごとく、珪素鋼板２と焼結
磁石３が交互に図で水平方向に積層され、その後直径方
向、図で垂直方向に着磁し、さらに両端部にシャフトを
着設して回転子を製作した。
板の積層体を放電加工により、外径３５ｍｍ、長さ１０
０ｍｍの回転子本体を形成した。すなわち、図１に回転
子本体１の縦断説明図を示すごとく、珪素鋼板２と焼結
磁石３が交互に図で水平方向に積層され、その後直径方
向、図で垂直方向に着磁し、さらに両端部にシャフトを
着設して回転子を製作した。
【００１９】一方、比較例として、Ｎｄ‐Ｆｅ‐Ｂ焼結
素材を放電加工により、外径３５ｍｍ、長さ１００ｍｍ
のバルク円柱状の磁石体を作成し、同様に着磁してシャ
フトを取り付け回転子を製作した。
素材を放電加工により、外径３５ｍｍ、長さ１００ｍｍ
のバルク円柱状の磁石体を作成し、同様に着磁してシャ
フトを取り付け回転子を製作した。
【００２０】作成した２種の回転子を予め準備した発電
機の固定子内に挿入し、回転数３万回転で１０分間回転
したのち取り出して温度上昇を測定したところ、取出し
後の温度は、この発明の回転子では約８０℃であったの
に対して、バルクの比較例では１５０℃になっていた。
この発明の回転子での渦電流が低減されていることが分
かる。
機の固定子内に挿入し、回転数３万回転で１０分間回転
したのち取り出して温度上昇を測定したところ、取出し
後の温度は、この発明の回転子では約８０℃であったの
に対して、バルクの比較例では１５０℃になっていた。
この発明の回転子での渦電流が低減されていることが分
かる。
【００２１】
【発明の効果】この発明による回転子の構造は、全体が
永久磁石で構成される場合、従来の円柱状のムクの永久
磁石の構造とまったく異なり、珪素鋼板と焼結磁石によ
る径方向の多層構造を有することが特徴であり、実施例
に示すごとく、その層間が絶縁層の効果をもたらし、そ
のため永久磁石中に発生していた渦電流を減少させ、回
転子の発熱が著しく押さえられる。
永久磁石で構成される場合、従来の円柱状のムクの永久
磁石の構造とまったく異なり、珪素鋼板と焼結磁石によ
る径方向の多層構造を有することが特徴であり、実施例
に示すごとく、その層間が絶縁層の効果をもたらし、そ
のため永久磁石中に発生していた渦電流を減少させ、回
転子の発熱が著しく押さえられる。
【００２２】発生する渦電流は、回転子の周速度に比例
するため、特に高速の発電機、電動機の発熱低減に有効
であり、回転数で１０，０００回転／分以上、特に５
０，０００回転／分以上の超高速回転機器における渦電
流低減効果が大きい。また、同様の理由で駆動周波数の
高調波成分、約１０ｋＨｚの成分が大きい電源での駆動
の場合に有利である。
するため、特に高速の発電機、電動機の発熱低減に有効
であり、回転数で１０，０００回転／分以上、特に５
０，０００回転／分以上の超高速回転機器における渦電
流低減効果が大きい。また、同様の理由で駆動周波数の
高調波成分、約１０ｋＨｚの成分が大きい電源での駆動
の場合に有利である。
【００２３】また、この発明による回転子の直径方向に
２層積層構造とすると、以下の付随効果があり、永久磁
石として保磁力の比較的小さい材料も採用できる。すな
わち、磁石の着磁方向は厚みに垂直方向であり、着磁方
向に対してその直角方向の少なくとも１方向が極めて長
く、いわゆる磁石の反磁界が小さくでき、そのため、磁
石の動作点（パーミアンス係数）は高く設計できるた
め、保磁力の比較的小さい、例えば、圧延Ｆｅ−Ｃｒ−
Ｃｏ系磁石材料もこの回転子構造により採用できること
となる。また磁石の動作点の向上はギャップ磁束密度を
高めることができ、電動機の出力、トルク向上が可能と
なる。
２層積層構造とすると、以下の付随効果があり、永久磁
石として保磁力の比較的小さい材料も採用できる。すな
わち、磁石の着磁方向は厚みに垂直方向であり、着磁方
向に対してその直角方向の少なくとも１方向が極めて長
く、いわゆる磁石の反磁界が小さくでき、そのため、磁
石の動作点（パーミアンス係数）は高く設計できるた
め、保磁力の比較的小さい、例えば、圧延Ｆｅ−Ｃｒ−
Ｃｏ系磁石材料もこの回転子構造により採用できること
となる。また磁石の動作点の向上はギャップ磁束密度を
高めることができ、電動機の出力、トルク向上が可能と
なる。
【００２４】また、回転子は磁気的に径方向に異方性を
有するので、磁化方向とそれに垂直な方向で磁気抵抗
（リラクタンス）が異なり、リラクタンストルクによる
トルク向上の効果もある。
有するので、磁化方向とそれに垂直な方向で磁気抵抗
（リラクタンス）が異なり、リラクタンストルクによる
トルク向上の効果もある。
【図１】この発明による回転子本体の縦断説明図であ
る。
る。
１ 回転子本体 ２ 珪素鋼板 ３ 焼結磁石
Claims (4)
- 【請求項１】 回転子が薄板状の永久磁石と軟質磁性材
料との積層体より構成される発電機又は電動機用回転
子。 - 【請求項２】 請求項１において、永久磁石が０．１〜
５．０ｍｍ厚みの薄板状の希土類磁石である発電機又は
電動機用回転子。 - 【請求項３】 請求項１または請求項２において、軟質
磁性材料が０．１〜０．４ｍｍ厚みの薄板状の電磁軟
鉄、珪素鋼板、パーメンジュールまたはパーマロイのい
ずれかからなる発電機又は電動機用回転子。 - 【請求項４】 請求項１において、薄板状の永久磁石と
軟質磁性材料が相互に熱拡散及び／又は熱融着した発電
機又は電動機用回転子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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