JP2011142735A - 永久磁石式回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】無負荷誘起電圧を低減しつつ出力の低下を防止できる回転電機を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明に係る回転電機では、上記課題を解決するために、回転子１の回転方向は一定であり、回転子鉄心５には永久磁石７，８より径方向外側に溝１０が設けてあり、磁極頭部内における永久磁石７，８の中心線１１から傾いた位置で、かつ、永久磁石挿入孔端部の径方向外側を除く位置に溝１０を設けたことを特徴としている。
【選択図】 図４

Description

本発明は永久磁石式回転電機に関するものであり、特に回転方向が一定となる回転電機に好適なものである。また、併せて該永久磁石式回転電機を搭載するのに好適な車両及び発電システムに係るものでもある。

永久磁石式回転電機は、誘導電動機と比較して回転子巻線による銅損を低減させることができる高効率な回転電機として近年適用分野が拡大しており、エアコンや冷蔵庫の圧縮機，自動車用モータ，ハイブリッド鉄道車両，大型発電機等に適用が期待される。

ここで、従来の永久磁石式回転電機として例えば特許文献１や特許文献２に記載されたものがある。特許文献１では、回転子外周の磁極端部に非対称な溝を設け、当該非対称な溝が軸方向において段階的にずれるように（スキュー構造）、回転子の電磁鋼板を積層している。また、特許文献２では、回転子に設けた永久磁石の径方向外側である回転子外周のうち、永久磁石の径方向外側中央部に溝を設けている。

特開２００８−２９０９５号公報 特開２００１−２８６１１０号公報

しかし永久磁石式回転電機を使用する場合、無負荷誘起電圧の発生が問題となる。ここで無負荷誘起電圧の発生による問題について説明すると、永久磁石式回転電機の場合、負荷をかけなくとも磁界が発生していることから回転子の回転に伴って電磁誘導により、電圧（無負荷誘起電圧）が発生する。この無負荷誘起電圧は回転子の回転数に比例することから、仮に回転子が異常回転をして許容速度に対して過剰な速度となった場合、規定値以上の無負荷誘起電圧が発生し、異常電流が流れたり、または制御用のインバータ等が故障したりする原因となる。故に、永久磁石式回転電機を使用する場合、無負荷誘起電圧を低減することを要する。

しかし特許文献１に記載された内容では、溝を磁極の端部に形成しており、無負荷時において磁極の端部は永久磁石の磁気の主たる経路でなく、磁極の端部に溝を設けても磁気抵抗はほとんど増加しないことから、無負荷誘起電圧を効果的に低減させることは困難である。

また、特許文献２に記載された内容では、溝を磁極間の中央部に設けており、永久磁石の磁気の主たる経路に磁気抵抗の大きな溝を設けており、無負荷誘起電圧の低減を図ることはできるものの出力の低下につながる可能性がある。このように、無負荷誘起電圧を低減し、かつ出力の低下を防止することは困難である。

そこで本発明では、無負荷誘起電圧を低減でき、併せて出力の低下をなるべく防止しうる永久磁石式回転電機を提供することを目的とする。

本発明に係る回転電機では、上記課題を解決するために回転子の回転方向は一定であり、回転子鉄心には永久磁石より径方向外側に溝又は空隙が設けてあり、磁極頭部内における永久磁石の中心線から傾いた位置で、かつ、永久磁石挿入孔端部の径方向外側を除く位置に溝又は空隙を設けたことを特徴とする。

本発明によれば、無負荷誘起電圧を低減し、さらに出力の低下も防止できる永久磁石式回転電機を提供することが可能となる。

実施例１に係る回転電機全体を示す図である。 図１におけるＡ−Ａ′断面を示す図である。 実施例１における回転子を示す図である。 実施例１における溝の位置を規定するための図である。 溝がない場合の回転子と固定子近傍における無負荷時の磁束線図である。 溝がある場合の回転子と固定子近傍における無負荷時の磁束線図である。 溝がない場合の回転子と固定子近傍における負荷時の磁束線図である。 溝がある場合の回転子と固定子近傍における負荷時の磁束線図である。 回転子外径に対して溝の深さを変化させたときの出力変化を示す図である。 θ₁を変化させたときの出力変化を示す図である。 θ₂を変化させたときの出力変化を示す図である。 溝によるトルク脈動を説明するための図である。 溝によるトルク脈動を説明するための図である。 固定子のスロットに対して溝の位置を変化させる条件を説明する図である。 永久磁石によるトルク脈動の変位を示す図である。 固定子のスロットに対して溝の位置を変化させた時の溝によるトルク脈動の最初のピーク値の変化を示す図である。 実施例２に係る回転子の径方向一部断面図である。 実施例３に係る回転子の径方向一部断面図である。 実施例４に係る回転子の径方向一部断面図である。 実施例５に係る回転子の径方向一部断面図である。 実施例６に係る回転子の径方向一部断面図である。 実施例６に係る回転子の径方向一部断面図である。 実施例６に係る回転子の径方向一部断面図である。 実施例６に係る回転子の径方向一部断面図である。 実施例６に係る回転子の径方向一部断面図である。 実施例７に係る回転子の径方向一部断面図である。 実施例７に係る回転子の径方向一部断面図である。 実施例７に係る回転子の径方向一部断面図である。 実施例８に係る回転子の径方向一部断面図である。 実施例９に係る回転子の径方向一部断面図である。 実施例１０に係る回転子の径方向一部断面図である。 実施例１１に係る回転子の径方向一部断面図である。 実施例１１に係る回転電機の軸方向断面図である。 実施例１２における回転子を示す図である。 実施例１３に関して溝にガイドを挿入する様子を説明する図である。 実施例１４に係る電車の電気系統を概略的に説明する図である。 実施例１５に係る風力発電の様子を概略的に説明する図である。 モータに溝を適用した様子を説明するための回転子の径方向一部断面図である。

以下、本発明の実施に好適な実施例について具体的に説明する。

本発明に係る永久磁石式発電機の実施例１について図１ないし図１６及び表１を用いて説明する。本実施例における永久磁石式発電機は、永久磁石を備える回転子１と、回転子１に対向して回転子１の径方向外側に配置され、固定子２内を軸方向に貫通する固定子巻線４を備える固定子２とから主要構成される。

回転子１は、同一形状の電磁鋼板からなる回転子鉄心５を一律に軸方向に積層させることによって構成するが、図２に示すように本実施例における永久磁石式発電機は、磁極頭部毎に回転子１の軸中心からみてＶ字型になるように永久磁石挿入孔６が設けてあり、該永久磁石挿入孔６に永久磁石７，８を挿入している。さらに本実施例では、係るＶ字型を構成する一組の永久磁石７，８の径方向外側の回転子外周９について、回転子１の軸中心からＶ字型を構成する一組の永久磁石７，８の中間を通る線に対して回転方向側に偏って円弧状の溝１０が設けてある。そして図３に示すように、回転子１は上記の回転子鉄心５を反転させたり、またはずらしたりすることなく一律に軸方向に並べることによって形成されている。

前記溝１０について説明する。図４に示すように、回転子１の軸中心からＶ字型を構成する一組の永久磁石の中心線１１に対して、溝１０は回転方向側に傾いた位置で、かつ、前記永久磁石挿入孔端部の径方向外側を除く位置に深さｄをもって設けられている。ここで溝１０の回転方向反対側の端部１２と磁極頭部内における一組の永久磁石７，８の中心線１１とのなす角をθ₁、回転方向側の端部１３と磁極頭部内における一組の永久磁石７，８の中心線１１とのなす角をθ₂とすると、溝１０は回転方向側にずれた位置に設けられていることからθ₁＜θ₂が成立する。ここで、θ₁については一組の永久磁石７，８の中心線１１に対して回転方向反対側を正の向きとし、θ₂については一組の永久磁石７，８の中心線１１に対して回転方向側を正の向きとしてそれぞれ定める。

無負荷時における回転電機の運転時に発生する磁界について図５、図６を用いて説明する。該図５，図６によれば、溝１０を設けない場合と比較して溝１０を設けた場合には回転子と固定子スロットの間を通過する磁束線の本数が低減されていることがわかる。従って、無負荷時において永久磁石が発生させる磁界を溝１０によって遮ることができ、その結果無負荷誘起電圧を低減することができる。

次に負荷印加時において回転電機の発電運転時に発生する磁界について図７，図８を用いて説明する。該図７，図８によれば、磁束線が回転子の回転方向に対して反対側により、回転子と固定子との間を通過している。従って、回転子の回転方向側に溝１０を設ける場合と設けない場合とを比較しても、回転子と固定子との間を通過する磁束線の本数は変化せず、故に出力の低下を生じさせないことがわかる。従って、磁束密度が低い回転方向の先側に溝を設けても永久磁石が発生させる磁界を遮ることにはならず、出力の低下にはつながらない。

次に、回転子の軸中心から回転子外周までの径方向距離に対する溝１０の深さｄについて検討する。図９には溝１０を配置しなかった場合の出力を１と規格化したときに、深さｄを変化していったときの出力の変化をプロットしたものが示してある。この図に示す通り、回転子の軸中心から回転子外周までの径方向距離に対して溝１０の深さｄが５％以上となると、出力が低下することがわかる。即ち、溝１０を設けることで無負荷誘起電圧を低減しつつ、出力の低下をなるべく防止することは可能であるが、特に溝１０の深さｄは回転子の軸中心から回転子外周までの径方向距離に対して５％以下である場合には出力低下なしに無負荷誘起電圧を低減することが可能となる。

続いて、θ₁・θ₂に着目して溝１０の配置位置について検討する。図１０にはθ₁の角度を変化させたときの出力の変化をプロットしたものが示してある。この場合も、溝１０を配置しなかった場合の出力を１と規格化している。また図１０中では、θ₁のみならずθ₂にも３つの異なる角度を与え、θ₁に対する影響を調べている。ここでθ₂の角度はθ_2-1＜θ_2-2＜θ_2-3である。このようにθ₁はθ₂の角度によらず１０°を超えると、出力の低下につながることがわかる。即ち、溝１０を設けることで無負荷誘起電圧を低減しつつ、出力の低下をなるべく防止することは可能であるが、特にθ₁はθ₁が１０°未満の場合には出力低下なしに無負荷誘起電圧を低減することが可能となる。

図１１にはθ₂の角度を変化させたときの出力の変化をプロットしたものが示してある。この場合も、溝１０を配置しなかった場合の出力を１と規格化している。また図１１中では、θ₂のみならずθ₁にも２つの異なる角度を与え、θ₂に対する影響を調べている。ここでθ₁の角度はθ_1-1＜θ_1-2＜１０°である。このようにθ₂は５５°を超えると、出力の低下につながりうることがわかる。図１１に示す通り溝１０を設けることで無負荷誘起電圧を低減しつつ、出力の低下をなるべく防止することは可能であるが、特にθ₂は５５°未満の場合においては出力を増加させつつ無負荷誘起電圧を低減することが可能となり、非常に有益である。

上述の如く、本実施例に係る永久磁石式発電機によれば無負荷誘起電圧を低減しつつ、出力の低下をなるべく防止することは可能となる。加えて本実施例に係る永久磁石式発電機では永久磁石の磁力によるトルク脈動を低減することも可能となるので、その点について以下で説明する。ここで永久磁石の磁力によるトルク脈動とは、回転子又は固定子に用いる永久磁石に対し、これに対向する回転子鉄心又は固定子鉄心に設けられるスロット位置が回転子の回転に伴って相対的に変化することにより、永久磁石とスロット間での磁気抵抗が変化をし、その結果振動を生ずるものである。当該振動は回転電機の駆動時の騒音となり、また変速ギアをつなぐ場合にはギアの寿命の短縮にもつながる可能性がある。

本実施例に係る永久磁石式発電機では、既に述べたように回転子外周に溝１０を設けている。その結果、上述した永久磁石の磁力によるトルク脈動の他に、溝１０の存在によるトルク脈動も発生する。その原理は次の様なものである。回転子に溝を設けていることで、固定子側から見ると回転に伴って回転子側で磁気抵抗が周期的に変化する。このため、磁束が通り易い位置と通り難い位置が周期的に繰り返されるため、図１２，図１３に示す様に、回転に伴って正と負のトルクが繰り返し発生する。これが溝１０の存在によるトルク脈動である。

そして、二種類の異なるトルク脈動、即ちｉ）永久磁石の磁力によるトルク脈動及びii）溝１０の存在によるトルク脈動では、その発生原理も異なり、故に互いが独立して異なる振幅及び異なる位相を持って振動することになる。つまり、理想的には振幅が同一で逆位相となる振動の重ね合わせの状態を形成することで、永久磁石を用いた場合には不可避的に生ずるｉ）のトルク脈動を打ち消すことが可能となる。

以下、ｉ）のトルク脈動の抑制方法について図１４から図１６を用いて説明する。図１４は、回転子１と固定子２が対向する場所を拡大して表示しており、固定子２側には固定子巻線４を巻き付けるための固定子スロット１５と固定子ティース１６が形成されている。回転子鉄心５側に設けられた溝１０のうち、回転方向側の端部１３と回転方向反対側の端部１２の位置についてＡ，Ｂ，Ｃと三段階の位置に来た場合を図示している。ここで位置Ａは固定子ティース１６の回転方向端、位置Ｂは固定子ティース１６の反回転方向端、位置Ｃは固定子ティース１６の回転方向端のうち、位置Ａと隣の回転方向端を表している。図１５では、ｉ）永久磁石の磁力によるトルク脈動を表しており、図１６では溝１０の端部の位置を変化させていった場合のii）溝１０の存在によるトルク脈動のうち、最初のピーク値をプロットした図を示している。即ち、ｉ）永久磁石の磁力によるトルク脈動が最初に負のピーク値を示すような場合には、ii）溝１０の存在によるトルク脈動が最初に正のピーク値を示す図１６におけるＰ１からＰ２の間の位置に端部を設けるのがよく、特に打ち消す振幅を大きくしたい場合、位置Ｂに近づけると良い。このように、ｉ）永久磁石の磁力によるトルク脈動が最初に正のピーク値を示すような場合には、ii）溝１０の存在によるトルク脈動は最初に負のピーク値を示すように溝１０の端部位置を調節し、ｉ）永久磁石の磁力によるトルク脈動が最初に負のピーク値を示すような場合には、ii）溝１０の存在によるトルク脈動は最初に正のピーク値を示すように溝１０の端部位置を調節することにより、ｉ）のトルク脈動を弱めることが可能となる。更に、正または負のピーク値を取る中でも振幅の絶対値がｉ）のトルク脈動の振幅の絶対値に等しい又は近づくような値を取るように溝１０の端部位置を調節することで一層ｉ）のトルク脈動を弱めることができる。

上記の溝１０の深さ・配置等について最適な値を取った時に永久磁石式発電機が示す出力・無負荷誘起電圧・ｉ）のトルク脈動について、溝１０を設けない場合の値を１と規格化して表１に表示してある。

表１からわかるように、出力は低減するどころか若干増加し、無負荷誘起電圧及びトルク脈動については大幅に低減出来ていることがわかる。

また溝１０を設けることによる更なる効果として、溝１０を設けた分回転子鉄心５の重量が低減し、回転時の遠心力により回転子鉄心５に加わる集中ピーク応力を低減でき、永久磁石式発電機の強度向上を図ることもできる。

また溝１０を設けることで、溝１０が存在しない場合には径方向にしか回転子鉄心が伸縮できなかったのが溝１０により左右方向に伸縮出来るようになり、回転子鉄心５が永久磁石の遠心力から受ける集中応力が低減され、強度が増加する。

尚、本実施例では図２，図３等に示すように磁極数が８極の場合について説明しているが、その他の極数にも適用可能であることは言うまでもない。

本実施例では回転子鉄心５を一律に軸方向に並べることによって回転子１を形成するので、例えば回転子鉄心を反転させたり、又は回転させる等により積層する必要がなく、製作コストを低減することが可能となる。

また、本実施例では溝１０を設けることにより回転子の重量を低減することができ、回転電機全体の重量の軽減を図ることができる。さらに本実施例で出力を向上させることができる条件下においては、所定の出力をより小型化した回転電機によって達成できることになるので、回転電機全体を小型化することが出来る。即ち、小型化の観点からも重量の低減が可能である。

また、本実施例においては回転子１の回転方向が一定の方向であることを要する。逆回転となった場合、溝１０の位置が回転方向に対して反対側に位置することになってしまい、出力低下をさせずに無負荷誘起電圧を低減することが困難となるためである。

また、積層する回転子鉄心５の全てについて回転方向側に偏った溝１０を設け、軸方向に亘って一律に同一の形状とすることが、無負荷誘起電圧の低減の効果を大きくしつつ、製作する回転子鉄心５を一種類とすることができ製作コストの観点からも望ましいが、少なくとも一部の回転子鉄心５について回転方向側に偏った溝１０を設けている等により、周方向及び軸方向の全体の総和として溝１０の位置が回転方向反対側より回転方向側に偏っていれば、出力低下を防ぎつつ無負荷誘起電圧を低減するという効果を奏することは可能である。

実施例２について図１７を用いて説明する。実施例１では回転子１の軸中心からみてＶ字型になるように永久磁石挿入孔６が設けてあったのに対し、本実施例では、永久磁石挿入孔１９を回転子１の軸中心からみてＶ字型を引き離して、中央部分に別の永久磁石挿入孔を設けている。そして係る永久磁石挿入孔１９に永久磁石を挿入している。この場合にも、溝１０に関しては実施例１と同一の条件により、実施例１に記載したものと同様の効果を得ることが可能である。

尚、本実施例では磁石挿入孔１９を３つで永久磁石挿入孔１９を回転子１の軸中心からみてＶ字型を引き離して、中央部分に別の永久磁石挿入孔を設ける構造としているが、３つより多くすることも可能である。

実施例３について図１８を用いて説明する。実施例２では永久磁石挿入孔１９を回転子１の軸中心からみてＶ字型を引き離して、中央部分に別の永久磁石挿入孔を設けてあったのに対し、本実施例では、回転子１の軸中心からみてＵ字形状に永久磁石挿入孔２３がつながったものとなっている。係る永久磁石挿入孔２３に永久磁石を挿入することも可能である。それ以外の部分については実施例２と同様であるため、詳述は省略する。

実施例４について図１９を用いて説明する。本実施例では永久磁石挿入孔２７を一文字状に形成し、該永久磁石挿入孔２７に永久磁石を挿入している。係る構成としても、溝１０に関しては実施例１と同一の条件により、実施例１に記載したものと同様の効果を得ることが可能である。

実施例５について図２０を用いて説明する。本実施例では、実施例１における溝１０を２つに分けた溝２９を回転子１の軸中心からＶ字型を構成する一組の永久磁石７，８の中間を通る線に対して回転方向側に傾いて設けている。溝については単数か複数かによらず、実施例１で述べた条件により、同一の効果を奏することが可能である。

実施例６について図２１を用いて説明する。本実施例では、溝３０の形状を略三角形形状としている。溝の形状については、それ以外にも例えば図２２，図２３に示す如く略四角形形状にすることも可能であり、さらには図２４に示す如く溝の代わりに回転子鉄心の内部に軸方向において形成された円弧状の空隙３３とすることも可能である。空隙の径方向断面形状は、円弧状に限らず、上記の実施例２ないし実施例５で述べたような形状を採用することも可能である。また、図２５に示すように空隙３４を複数設けることも可能である。

実施例７について図２６を用いて説明する。前記各実施例では、永久磁石挿入孔には空隙を設けていなかったが、本実施例では、磁石挿入孔の端部を円弧形状としている。係る場合、永久磁石挿入孔に空隙が存在することになるが、永久磁石挿入孔に空隙が存在していても、上記各実施例で述べた構成をとることにより、同様の効果を得ることは可能である。

さらに、永久磁石挿入孔の端部を円弧形状とする効果は次の様なものである。永久磁石挿入孔の端部が平坦な場合、永久磁石挿入孔の角部に応力が集中し、損傷の原因となりうるが、円弧状とすることにより損傷のリスクを回避できるようになる。また磁石挿入孔に円弧形状のまた図２６においては回転子１の軸中心からみてＶ字型になるように永久磁石挿入孔６が設けてあるが、上記各実施例の如く、Ｖ字型以外の形状に永久磁石挿入孔を形成することも可能である。

また本実施例における上記説明では端部を円弧形状とする場合のみ説明したが、それ以外にも例えば図２７や図２８に示すように回転子外周と永久磁石挿入孔の径方向外側の端部を略並行に形成することも有益である。これは円弧形状とする場合、永久磁石挿入孔の角部の応力集中を緩和することはできるものの、円弧部内の径方向最外部近傍に応力集中が生じてしまうのに対し、回転子外周と永久磁石挿入孔の径方向外側の端部を略並行に形成する場合、前述した円弧部内の径方向最外部近傍における応力集中を緩和することも可能になることに基づく。これ以外にも回転子外周と永久磁石挿入孔の径方向外側の端部を略並行に形成する場合や回転子外周と永久磁石挿入孔の径方向外側の端部を略並行に形成する場合と円弧状にする場合を回転方向・反回転方向、さらには径方向外側または内側に混在させた場合を始め、他の応力集中緩和の構成をとることも可能である。

実施例８について図２９を用いて説明する。前記各実施例では、永久磁石挿入孔と回転子外周との幅（以下、ブリッジ幅という）を、永久磁石挿入孔の回転方向側端部と回転方向反対側端部において、同じ長さとしていたが異なる長さとしても良い。図２９においては、特に回転方向反対側におけるブリッジ幅ｂ２を回転方向側端部のブリッジ幅ｂ１よりも長くしている。これは、本各実施例では回転方向側に傾いて溝を設けていることから回転方向側において回転子鉄心の重量が低減し、ブリッジ部に回転時の磁石の遠心力や振動等から加わる応力も回転方向側において軽減されることを考慮したものである。即ち、ブリッジ幅についても回転方向側端部のブリッジ幅ｂ１は、応力低減がされていることから薄くしても強度を保つことが可能であり、結果として回転方向反対側におけるブリッジ幅ｂ２が回転方向側端部のブリッジ幅ｂ１と比較して長くなることで応力のバランスを回転方向と回転方向反対側で取ることが可能となる。

実施例９について図３０を用いて説明する。本実施例では一つの永久磁石挿入孔中に、分割された永久磁石３８を挿入している。永久磁石を複数に分割しても同様の効果を期待することが出来る。また永久磁石を分割することは、永久磁石挿入孔の形状や、永久磁石挿入孔に溝を設けること、さらにはブリッジ幅を異ならせる場合等のいずれについても適用が可能であり、適用した場合には分割をしていない場合と同様の効果が期待できる。

実施例１０について図３１を用いて説明する。回転子には冷却用の通風路を設けることも可能である。これにより、回転子の冷却効果の向上につながる。特に、本実施例のように、回転子の極間部であって、回転子と固定子のギャップ部分とつながるように冷却用通風路３９を設けても良い。係る位置に冷却用通風路３９を設けることで、回転子内における冷却面積が増加し、回転子の温度の低減を図ることが可能となる。また、回転子と固定子のギャップ部分とつながるように冷却用通風路３９を設けていることから、回転子鉄心における冷却用通風路３９の外壁がファンと同様の働きをし、それにより回転子の回転に伴いファン圧が発生し、回転子から固定子側に冷却風を効果的に流せるようになるため、固定子を含めた回転電機全体の冷却効果の向上を図ることが出来る。さらに、回転子の極間部に通風路を設けても、永久磁石と固定子巻線の間ではないことから、負荷時の磁束の流れを比較的妨げにくく、出力の低下にもつながらない。

実施例１１について図３２，図３３を用いて説明する。実施例１０では、回転子の極間部であって、回転子と固定子のギャップ部分とつながるように冷却用通風路３９を設けたが、本実施例では、永久磁石挿入孔より内径側に回転子の軸方向に連通するアキシャルダクト４０を設けている。さらに、図２８に示すように積層された回転子鉄心４１同士の間には回転子の径方向に連通するダクトピース４２が設けてあり、それにより回転子のうち軸方向において係るダクトピース４２と対応する位置にはダクトスペース４４が形成される。これにより、ファンから送られてくる冷却風が回転子のアキシャルダクト４０を通じ、ダクトスペース４４から回転子外部に押し出されることにより、回転電機の冷却性能を向上させることが可能となる。また、本実施例では回転子と固定子の両方にダクトスペース４４，４５を形成しているが、ダクトスペースは固定子のみでも良い。さらに、本実施例では、永久磁石の内径側にアキシャルダクト４０を設けていることから、負荷時における永久磁石の固定子巻線へ到達する磁束を比較的妨げにくく、出力の低下を最小限に抑えられる。加えて、鉄心部分に空隙を設けることから回転子及び回転電機全体の重量低減を図ることができる。

実施例１２について図３４を用いて説明する。実施例１２では、回転子鉄心を形成する電磁鋼板を固定するための溶接ビート４６を溝１０に施している。溝１０に溶接ビート４６を施した場合、溶接ビートを回転子の溝以外の外周部に施した場合と比較して、溶接ビートに流れる渦電流を低減できる。この理由は次の様なものである。即ち、回転子と固定子とのギャップでは回転子側の磁束と固定子側の磁束が存在しており、回転子の回転に伴う磁束変動は激しくなっているため、回転子と固定子とのギャップに溶接ビートを施すと、渦電流の原因となってしまうが、回転子と固定子とのギャップからは離れてある溝に溶接ビートを設けることで、磁束変動の影響を受けにくく、従って渦電流を低減することができる。さらに溶接ビートを回転子の溝に施した場合、ギャップに溶接ビートを施す場合と比較して回転時の空気抵抗を受けにくく、従って回転エネルギーの損失も少なくなり、効率向上に寄与することもできる。尚、本実施例では溝に溶接ビートを施す場合について説明しているが、空隙に施しても同様の効果を得られることは無論である。

実施例１３について図３５を用いて説明する。本実施例では、各実施例において述べた回転電機の製造方法、修理方法及び輸送方法について説明する。本実施例では軸受が片側にのみついている回転電機を例に説明している。この場合、上記の各実施例に係る回転電機では、回転子の外周に溝を設けていることから、該溝又は空隙に支持部材であるガイド４８を挿入することが可能となる。ここで、ガイド４８は非磁性体の材質を用いるのが良い。磁性体のガイドを用いた場合、永久磁石の磁力に引き付けられ、ガイドの抜き差しが困難となるからである。溝にガイドを挿入することで、回転子が固定され、回転電機の製造中や輸送中における回転子の回転や、回転子と固定子との接触を防ぐことが可能となる。即ち、溝に特に非磁性体物質からなるガイド４８を挿入した状態で回転電機の製造，修理または輸送を行うと、回転子の固定のために他の構造を特に設ける必要がなくなり、溝の存在を効果的に使用することが可能となる。両軸受けの場合でも、製造時や修理時等といった両側が密閉されていない場合には適用できる。

実施例１４について図３６を用いて説明する。本実施例では、上述した各実施例に係る回転電機をエンジンとモータのハイブリッド駆動の車両システムに適用している。本実施例では、回転電機４９は、エンジン５０に接続され、車両のパワーカー内に設置されており、回転電機４９は電力変換器５２を介して電力系統５１に接続され、発電運転を行うことも可能である。また、電力系統５１と電力変換器５２との間にはバッテリチョッパ５３を介してバッテリ５４が接続されている。本実施例においては、上述した各実施例で述べたごとく、無負荷誘起電圧を低減することが可能となるので、電力変換器５２の上限電圧を超えるリスクが低減される点で特にメリットがある。

実施例１５について図３７を用いて説明する。本実施例では、上述した各実施例に係る回転電機を風力発電システムに適用した例を示す。本実施例では、回転電機５５は変速ギア５７を介して羽根５６に接続され、回転電機５５及び変速ギア５７についてはナセル５８中に収納される。また、回転電機５５は電力変換器６０を介して電力系統５９に接続されている。本実施例においては、上述した各実施例で述べたごとく、無負荷誘起電圧を低減することが可能となるので電力変換器６０の上限電圧を超えるリスクが低減される点で特にメリットがある。また、振動抑制を実現できることから低騒音で、なおかつ変速ギア５７等への負担の小さい風力発電システムを提供することが可能となる。本実施例では風力発電システムについて代表して説明しているが、他にも水車やエンジン、タービンなどについても適用可能である。また、回転電機５５については変速ギア５７を介さずに直接羽根５６に接続することも可能である。

実施例１６について図３８を用いて説明する。上述した各実施例における回転電機としては、発電機の場合について主として説明していたが、モータに適用することも可能であり、モータについて適用する場合の溝６１の位置について説明する。溝６１の位置以外の箇所については、発電機の場合と同様とすることが出来る。モータについて適用する場合の溝６１の位置については、回転方向反対側に設けることを要する。これは発電機の場合、固定子巻線に電流が通電することによって発生する磁束と永久磁石から発生する磁束とを合成させた磁束が回転方向に対して反対側に発生していたのに対し、モータの場合、固定子巻線に電流が通電することによって発生する磁束と永久磁石から発生する磁束とを合成させた磁束が回転方向側に発生するためである。溝６１を設ける位置が回転方向に対して反対側になる他は、上記の各実施例で説明した内容について同様に適用することが可能となる。

１ 回転子
２ 固定子
３ 回転軸
４ 固定子巻線
５，１８，２６，３７，４１ 回転子鉄心
６，１９，２３，２７ 永久磁石挿入孔
７，８，２０，２１，２２，２４，２８，３８ 永久磁石
９ 回転子外周
１０，２９，３０，３１，３２，６１ 溝
１１ 中心線
１２ 回転方向反対側の端部
１３ 回転方向側の端部
１４ 固定子鉄心
１５ 固定子スロット
１６ 固定子ティース
１７ 回転子の回転中心と溝の中心とを結ぶ線
３３，３４ 空隙
３５，３６ 永久磁石挿入孔端部
３９ 冷却用通風路
４０，４３ アキシャルダクト
４２ ダクトピース
４４，４５ ダクトスペース
４６ 溶接ビート
４７ 回転軸の固定部
４８ ガイド
４９，５５ 回転電機
５０ エンジン
５１，５９ 電力系統
５２，６０ 電力変換器
５３ バッテリチョッパ
５４ バッテリ
５６ 羽根
５７ 変速ギア
５８ ナセル

Claims (19)

1. 回転子鉄心の磁極頭部毎に該回転子鉄心に設けられる永久磁石挿入孔に対して挿入される永久磁石を有する回転子と、該回転子に対向して径方向外側に配置される固定子とを備えた回転電機であって、
   前記回転子鉄心には前記永久磁石より径方向外側に溝又は空隙が設けてあり、この溝又は空隙は、前記磁極頭部内における前記永久磁石の中心線から傾いた位置で、かつ、前記永久磁石挿入孔端部の径方向外側を除く位置に設けられていることを特徴とする回転電機。
2. 請求項１に記載の回転電機であって、前記溝又は空隙は前記永久磁石の中心線から回転方向側に傾いた位置で、かつ、前記永久磁石挿入孔端部の径方向外側を除く位置に設けられていることを特徴とする回転電機。
3. 請求項１に記載の回転電機であって、前記溝又は空隙は前記永久磁石の中心線から回転方向反対側に傾いた位置で、かつ、前記永久磁石挿入孔端部の径方向外側を除く位置に設けられていることを特徴とする回転電機。
4. 回転子鉄心の磁極頭部毎に該回転子鉄心に設けられる永久磁石挿入孔に対して挿入される永久磁石を有する回転子と、該回転子に対向して径方向外側に配置される固定子とを備えた回転電機であって、
   前記回転子鉄心には前記永久磁石より径方向外側に溝又は空隙が設けてあり、該溝又は空隙における前記回転方向反対側の端部と前記磁極頭部内における前記永久磁石の中心線とのなす角αが、前記溝又は空隙における前記回転方向側の端部と前記磁極頭部内における前記永久磁石の中心線とのなす角βよりも小さく、かつ、前記角αが１０°未満であることを特徴とする回転電機。
5. 回転子鉄心の磁極頭部毎に該回転子鉄心に設けられる永久磁石挿入孔に対して挿入される永久磁石を有する回転子と、該回転子に対向して径方向外側に配置される固定子とを備えた回転電機であって、
   前記回転子鉄心には前記永久磁石より径方向外側に溝又は空隙が設けてあり、該溝又は空隙における前記回転方向反対側の端部と前記磁極頭部内における前記永久磁石の中心線とのなす角αが、前記溝又は空隙における前記回転方向側の端部と前記磁極頭部内における前記永久磁石の中心線とのなす角βよりも小さく、かつ、前記角βが５５°未満であることを特徴とする回転電機。
6. 回転子鉄心の磁極頭部毎に該回転子鉄心に設けられる永久磁石挿入孔に対して挿入される永久磁石を有する回転子と、該回転子に対向して径方向外側に配置される固定子とを備えた回転電機であって、
   前記回転子の回転方向は一定であり、
   前記回転子鉄心には前記永久磁石より径方向外側に溝又は空隙が設けてあり、周方向及び軸方向の全体における前記溝又は空隙位置は、前記永久磁石の中心線に対して前記回転方向反対側よりも前記回転方向側に偏っていることを特徴とする回転電機。
7. 請求項１ないし請求項６のいずれか１つに記載の回転電機であって、
   前記永久磁石挿入孔と前記回転子鉄心外周との幅について、前記回転方向側の幅よりも前記回転方向反対側の幅の方が長いことを特徴とする回転電機。
8. 請求項１ないし請求項７のいずれか１つに記載の回転電機であって、
   前記溝又は空隙に非磁性体の支持部材が挿入されていることを特徴とする回転電機。
9. 請求項１ないし請求項８のいずれか１つに記載の回転電機であって、
   前記永久磁石は複数に分割されていることを特徴とする回転電機。
10. 請求項１ないし請求項９のいずれか１つに記載の回転電機であって、
    前記溝または空隙が複数あることを特徴とする回転電機。
11. 請求項１ないし請求項１０のいずれか１つに記載の回転電機であって、
    前記永久磁石挿入孔の径方向外側端部が円弧形状となっていることを特徴とする回転電機。
12. 請求項１ないし請求項１０のいずれか１つに記載の回転電機であって、
    前記永久磁石挿入孔の径方向外側端部が回転子外周と略並行となっていることを特徴とする回転電機。
13. 請求項１ないし請求項１２のいずれか１つに記載の回転電機であって、
    前記回転子の極間部には、前記回転子と前記固定子との間に存在するギャップにつながる通風路が設けてあることを特徴とする回転電機。
14. 請求項１ないし請求項１３のいずれか１つに記載の回転電機であって、
    前記回転子鉄心における前記永久磁石挿入孔よりも内径側には前記回転子の軸方向に連通する通風路が設けてあることを特徴とする回転電機。
15. 請求項１ないし請求項１４のいずれか１つに記載の回転電機であって、
    前記回転子は軸方向に亘って一律に同一の形状であることを特徴とする回転電機。
16. 請求項１ないし請求項１５のいずれか１つに記載の回転電機であって、
    前記溝または空隙には前記回転子を構成する回転子鉄心を固定するための部材が施されていることを特徴とする回転電機。
17. 請求項１ないし請求項１６のいずれか１つに記載の回転電機であって、
    前記溝の深さは前記回転子の軸中心から前記回転子の外周までの径方向距離に対して５％以下であることを特徴とする回転電機。
18. 請求項１ないし請求項１７のいずれか１つに記載の回転電機と、電力変換器と、電力系統とを搭載することを特徴とする車両。
19. 請求項１ないし請求項１７のいずれか１つに記載の回転電機を搭載することを特徴とする発電システム。

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