JP5659172B2 - 永久磁石式回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、永久磁石式回転電機を備えた回転子と固定子とを備えた永久磁石式ポンプ電動機、及びこれを用いた永久磁石式ポンプ電動機システム。

ＬＮＧ用ポンプ電動機は通常のポンプシステムと異なりポンプのケーシング中に回転子、固定子、インペラ、ディフューザがビルトンされた一体構造となる。ＬＮＧ用ポンプ電動機は−１６２℃のＬＮＧ液中で運転されるため、低温特有の問題が顕在化する。特にネオジム磁石やプラセオ磁石等の希土類磁石は低温になると、永久磁石の磁化方向は収縮するが、磁化方向に対して垂直方向は膨張する特性を有している。このことから、電磁鋼板に磁石を挿入する磁石挿入孔の形状は電磁鋼板と永久磁石の線膨張を考慮する必要がある。また、電動機は液化したＬＮＧが充填された状態で、運転されるため電動機の損失は流体摩擦による損失が大部分を占める。流体摩擦を低減するには回転子の体格を小さくすることが効果的である。

このような中、電動機の電気特性や回転子の磁石挿入孔について、様々な形式の永久磁石式回転子構造が検討されおり、特許文献１が挙げられる。

特開２００８−１２８５２号公報 特開２００９−２１３２３５号公報

上述の特許文献１は回転子の磁石挿入孔と磁石の間に充填部を備え、磁石の両端部に空隙を設けた磁石挿入孔形状としている。こうすることで、接着剤を磁石と電磁鋼板の隙間に流し込み接着剤により磁石との接触面を均一にすることができる。これにより磁石の局所的に生じる過大な応力を抑制できる。しかしながら、液化ＬＮＧのように極低温状態で使用すると、常温から低温または低温から常温への急激な温度変化の影響で充填部にある気泡の膨張、収縮が起こる。これにより、磁石及び回転子へ応力が生じ変形や破損が発生する。

特許文献２では回転子の磁石挿入孔に非磁性部を設けることで、回転子に発生する引張応力や曲げ応力を抑制できる構造が開示されている。特許文献２をＬＮＧ用のポンプ電動機に適用した場合も特許文献１と同様に、磁石と磁石挿入孔に線膨張を考慮した空隙を有していないため、適用は困難である。また、特許文献１にも磁石と磁石挿入孔の隙間をワニス等で充填することが記載されている。このことから、磁石の磁石挿入孔の間には空気層となる空隙を有する発想が無いと考える。

本発明は液化ＬＮＧが充填された状態で運転し、極低温化でも磁石及び回転子の変形、破損を抑制し、回転子径を小径化し流体摩擦の低減を可能とする、永久磁石式ポンプ電動機を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明では、固定子と回転子を有する永久磁石式回転電機において、前記永久磁石回転子の回転子鉄心内に１極を構成する永久磁石を磁極中心に２分割し、その２分割した磁石間に電磁鋼板となる連結部を設け、磁極中心と磁石磁化方向が平行になるように配置し、その永久磁石を挿入する磁石挿入孔の形状は永久磁石の幅方向の両端部にて、永久磁石の磁化方向と垂直になる面と対向する電磁鋼板の面との間に空隙を設け、対向する面の高さは磁石の磁化方向となる厚さよりも短い長さとした段差部を設け、更に段差の外側に段差と直角になる方向へ回転子外径側と磁極中心側に延びる空隙を設けたことを特徴とする。

本発明によれば、永久磁石と電磁鋼板の線膨張差を考慮し、流体摩擦を低減可能とする永久磁石式ポンプ電動機を得ることができる。

永久磁石式ポンプ電動機の実施方法を示した説明図である。（実施例１） 永久磁石式電動機の実施方法を示した説明図である。（実施例１） 永久磁石式電動機の実施方法を示した説明図である。（実施例１） 永久磁石式電動機の実施方法を示した説明図である。（実施例１） 永久磁石式電動機の磁石保護の実施方法を示した説明図である。（実施例２） 永久磁石式電動機の磁石保護の実施方法を示した説明図である。（実施例２） 永久磁石式電動機の磁石保護の実施方法を示した説明図である。（実施例２） 永久磁石式電動機の磁石保護の実施方法を示した説明図である。（実施例３） 永久磁石式電動機の実施方法を示した説明図である。（実施例４） 永久磁石式電動機の実施方法を示した説明図である。（実施例４） 永久磁石式電動機の実施方法を示した説明図である。（実施例５） 永久磁石式電動機の実施方法を示した説明図である。（実施例６） 永久磁石式電動機の実施方法を示した説明図である。（実施例７） 永久磁石式電動機の実施方法を示した説明図である。（実施例７） 永久磁石式電動機の実施方法を示した説明図である。（実施例８） 永久磁石式電動機の応力の値示した説明図である。（実施例８） 永久磁石式ポンプ電動機のＬＮＧプラントシステムの実施方法を示した説明図である。（実施例９）

以下本発明の詳細を図面を用いながら説明する。各図において同一部分は同じ番号を付与している。

図１は、本発明の第１実施例となる永久磁石式ポンプ電動機の断面図である。数ＭＷ級のＬＮＧプラント用に適用されるポンプであり、電源はインバータ２５から三相交流電源が供給され、回転速度は５００〜７０００min^-1の範囲で回転し、図１に示すように電動機部分はポンプ内部にあり、約−１６２℃の液化ＬＮＧが充填された状態で縦置き運転される。永久磁石式ポンプ電動機１はポット５と呼ばれるポンプの最も外側になるケースとポット５の中に各部品を配置して密閉するためのヘッドカバー２にて覆われている。ポット５の内部はステージケース１０が配置されており、ポット５とステージケース１０の間には液化ＬＮＧ３２が流れる流路３０が設けられている。ステージケース１０の中にはポンプの主要部品となるインペラ１１、ディフューザ１２、更にモータケース１３が配置されている。ステージケース１０とモータケース１３の間にも同様に液化ＬＮＧ３２が流れるように流路３０が設けられている。モータケース８の中には電磁鋼板３１にコイル１４を施した、固定子６がモータケース１３の内側に固定配置されている。回転子７は固定子６と同様に電磁鋼板３１に永久磁石８が配置され、シャフトＡ９が締結されている。永久磁石８の材質はネオジウム磁石或いは液化ＬＮＧのような低温での磁気特性に優れたプラセオ磁石が適用される。また、シャフトＡ９も極低温下（−１６２℃）使用されるので材質はサブゼロ処理をしたＳＵＳ６３０を適用している。そのシャフトＡ９の端部にインペラ１１とディフューザ１２が締結されたシャフトＢ３２が連結されている。モータケース１３の軸方向両端部にはベアリングブラケット３とベアリングブラケット３に配置されたベアリング４にて回転子７は支持されている。

図２に電動機部の断面図である。永久磁石式電動機１５は、４極３６スロットの電動機である。固定子６は、継鉄部から内周面に突出した複数のティース１６を備える円筒状の固定子鉄心と、ティース１６を用いて分布的に素線を巻回したコイル１４とを備える分布巻き固定子となっている。コイル１４はＵ相、Ｖ相、Ｗ相の３相巻線が施されており３６スロットで４極が電気的に作られるように巻回されている。ティース１６の間に形成されたスロット１７の外径側に上コイル１８が配置され、内径側に下コイル１９が配置されるようになっている。コイル１４は、短節巻と呼ばれる方式で巻回されており、全節巻よりも渦電流損が低減される。コイル１４は、スロット１７に反時計回りに便宜的につけられた＃１から＃３６までの番号のうち、＃１スロットの下コイル１９から出た素線が、＃９の上コイル１８に入るように結線されており、この結線が周方向に繰り返され３相巻線を構成している。＃９スロットの番号は、スロット数３６を極数４で除算した９.０とした値である。巻線ピッチと磁極ピッチとの比（短節度）を５／６にすることにより、第５次と第７次の空間高調波が低減される。尚、本実施形態では４極３６スロットの組合せを採用したが、その他の極数、スロット数の組合せ、さらに集中巻や全節巻との組合せでもよい。

回転子７は、固定子６と同軸に回転可能となるよう配置され、回転子の電磁鋼板３１の軸にシャフトＡ９が固定されている。回転子の電磁鋼板３１の外周部に１極を構成する磁石挿入孔２０が２つ配置されている。その２つの磁石挿入孔２０は永久磁石８の磁化方向と、１極を構成する磁極中心と平行になる向きにする。更に２つの磁石挿入孔２０の径方向位置は回転中心からの距離と同じにしている。つまり、２つの磁石挿入孔２０は横一列の配置となる。こうすることで、Ｖ字型等と比べると回転子径を小径化することができ、永久磁石８の上部に鉄部を有していることから突極比も大きくすることが可能である。突極比を大きくとることで、リラクタンストルクを増やすことができ、磁石使用量を低減することができる。図３に回転子７の１極分の拡大図を示す。図３に示すように、永久磁石挿入孔２０に配置された永久磁石の両端部に永久磁石の幅方向に空隙２１を設けている。これは図４に示すように、永久磁石８に低温側に温度変化した場合、永久磁石８の磁化方向３３に対して、平行の場合は収縮３５する。これは使用している電磁鋼板３１と同じ線膨張する方向になる。一方、永久磁石８の磁化方向３３に対して直角方向は低温になると膨張３４する。この方向に関しては、電磁鋼板３１の場合は低温になると、収縮３５することから空隙２１が無い場合は電磁鋼板３１及び永久磁石８に圧縮応力が発生し変形、破損が生じる可能性がある。また、特許文献１のように接着剤等を充填し空隙を無くしてしまった場合も、上述したように、線膨張の方向が異なることから電磁鋼板３１、永久磁石８及び充填剤に変形、破損が生じる。さらに、充填剤中に気泡等が存在した場合、液化ＬＮＧのような−１６２℃の極低温状態になると、気泡の急激な収縮により充填剤自身が破損、さらに永久磁石８及び電磁鋼板３１にも変形、破損が生じる。このように、極低温下で使用するには本実施例のように、永久磁石８の両端部に空隙２１を設け充填剤等を用いないことで成立させることができる。

また、磁石挿入孔２０は永久磁石８の両端部から空隙２１を介して段差部２２を設けている。この段差部２２を設けることで、着磁された永久磁石８を磁石挿入孔２０に挿入する際、磁気吸引力による永久磁石８の動きを拘束することができ、作業性が向上する。また、段差部２２を形成する角部２３は図３に示すように、曲線部を有し且つ、磁石の磁化方向内径側の面よりも回転子内径側に大きく膨らました形状としている。こうすることで、曲線部の半径を大きくすることができ、局所的の生じる、応力集中を低減させることができる。

図５〜図７に第２実施例となる、永久磁石８の周りを保護した図となる。図５に示すように、永久磁石８の全体にコーティング２４を施している。これは、本案の第１実施例で説明したように、永久磁石８の両端部には空隙２１を有していることから、永久磁石８は遠心力により、移動することが予想される。永久磁石８が磁石挿入孔２０の内部で移動すると、永久磁石８の表面に傷が生じる可能性がある。そこで、本実施例では永久磁石８の表面をコーティング２４を施すことで、永久磁石８が移動したことによる傷を防止できる。尚、コーティング厚さは永久磁石８が移動することにより、コーティング自身も削れる可能性があるため、可能な限りコーティング厚さは厚くすることが好ましい。また、コーティング２４の材質はＬＮＧに対しての化学耐性及び低温での安定性が必要となる。このことから、コーティングの材質はテフロンによるコーティングが最適である。更に図６で示すように、永久磁石８のコーティングを二重にしても良い。二重コーティングの場合、１層目のコーティングをニッケルメッキ等の金属メッキ２５とし、２層目のコーティングをテフロン、エポキシ等にする。こうすることで、１層目のコーティングに傷や剥がれが生じても、２層目のコーティングにて永久磁石８を保護することができる。永久磁石８の移動による傷の保護、以外にも本実施例の目的は回転子７の組立て時にも有効である。特に、着磁された永久磁石８を用いる場合は、磁性材と接触する可能性が高いため、そのような時の保護にもなる。磁石のコーティングが困難な場合、図７に示すようにシート２７により覆う方法でも同様の効果を得ることができる。着磁済みの永久磁石８を磁石挿入孔２０に挿入する場合、図７に示すよう、シートを「コ」の字型に覆うことで、磁石挿入孔２０に挿入する際のシートの捲れを防止できる。

図８に第３実施例となる、永久磁石を保護した図となる。図８に示すように、磁石挿入孔２０に永久磁石８を配置した時、永久磁石８の磁化方向上下に対してライナー２６を挿入している。電磁鋼板３１は積層されていることから、磁石挿入孔２０の内部は微少な凹凸が存在する。そのため、永久磁石８を磁石挿入孔２０へ挿入するとき、その凹凸によりコーティングに傷や剥がれが生じる。これを防止するため、ライナー２６を挿入している。ライナー２６の材質は金属や薄いテフロン等が適しており、表面も滑らかな材質が好ましい。ライナー２６を金属にした場合、高調波の影響により渦電流が発生し損失は増加するが、ライナー自体を分割することで渦電流による損失を低減できる。また、渦電流によりライナーの発熱に関しては、−１６２℃の低温下で使用される電動機であるため問題にならない。よって、本実施例も液化ＬＮＧ中の低温下で使用する条件に基づいた実施例だと言える。

図９に第４実施例となる、回転子７の１極分の断面図を示す。図９に示すように、磁石挿入孔２０の回転子外径側端部２８壁を回転子外径と平行２６に形成している。このような形状を形成することで、磁石の漏れ磁束を低減でき無負荷誘起電圧を増加できる。また、遠心力による応力も低減できる。例えば、図１０のように磁石挿入孔２０の形状を長穴形状３７にし、本実施例と同様の位置に配置した場合と本実施例を適用した場合を比較すると、無負荷誘起電圧は約３％増加する。また、回転子外径側端部２８付近の応力も約１５％低減することができる。この部分は電気特性と強度特性がトレードオフの関係となるため、本実施例を適用することでトレードオフの関係を改善することができる。

図１１に第５実施例となる、回転子７の１極分の断面図と外径ｄ１と内径ｄ０の関係を示す。液化ＬＮＧ中で運転される永久磁石式電動機１５の流体摩擦損失は回転子７を円筒物体と仮定し式（１）にて表せる。

ここで、Ｗｍ：流体摩擦損失、Ｒ：回転子半径、γ：比重量、Ｌ：軸方向長さ、ω：角速度、ｇ：重力加速度、ζ：損失係数となる。この式１）から液中で電動機を運転した場合、回転子７の半径に対して４乗に比例して増加する。このことから、回転子７の径を大きくすると永久磁石式電動機１５の効率は低下する。このことから、永久磁石式電動機１５の効率を上げるには回転子７の径を可能な限り小さくすることが必要である。そこで、本実施例では回転子直径をｄ１とし回転子内径をｄ０とした場合、１.５≦ｄ１／ｄ０≦２.５にすることで、流体摩擦損失を低減した永久磁石式電動機１５を成立することができる。これは本実施例１で示した、磁石配置が前提で成立する関係であり、磁石配置をＶ字型に配置した場合には成立しない。この関係式は永久磁石８を配置するのに必要な電磁鋼板面積を確保できる範囲であり、１.５以下にした場合、永久磁石８を配置できる面積が確保できなくなる。また、極端に磁石挿入孔２０と回転子内径が近接状態となるため、応力が増加する問題も生じる。２.５以上にした場合は回転子７の内径を極端に小さくした場合となり、回転子７の内径を小さくすることはシャフトＡ９の径を小さくすることになるため、シャフトＡ９の剛性が低下しトルクの伝達不足や振動の増加、変形、破損が生じる可能性が高くなる。このことから、ｄ１／ｄ０の範囲は１.５≦ｄ１／ｄ０≦２.５とすることが望ましい。

図１２に第６実施例となる、回転子７の１極分の断面図を示す。図１２に示すように回転子鉄心内で極性が異なる極間部に空気層２９を設けることで極間部から侵入してくる磁石磁束を防ぐことができる。これにより、固定子８へ行く磁石磁束量を増やすことができる。また、極間部から侵入する磁束の高調波による損失を低減できる。具体的には鉄損と永久磁石に発生する渦電流損失を低減することができ、永久磁石電動機１５の効率を向上することができる。

図１３に第７実施例となる、回転子７の１極分の断面図を示す。図１３に示すように、回転子鉄心内の磁極中心部で永久磁石より外径側の位置に空気層２９を設けることで、永久磁石８の上部にある電磁鋼板３１の質量を減らすことができる。これは、磁石挿入孔２０に働く遠心力は永久磁石８と永久磁石８の上部にある電磁鋼板３１の和となる。遠心力は質量に比例するため、本実施例のように空気層２９を設けることで永久磁石８の上部にある電磁鋼板３１の遠心力を低減することができ、磁石挿入孔２０に生じる応力も低減することができる。尚、図１４に示すような、本実施例と実施例６を組合せることも可能である。これにより、本実施例と実施例６の両効果を得ることができる。

図１５に第８実施例となる、回転子７の１極分の断面図を示す。図１５に示すように、回転子外径側端部壁２８が回転子７の外径と平行に形成された連結幅をａとし、１極を構成する永久磁石８を磁極中心に２分割し、その２分割した磁石間に設けた連結幅ｂとした場合、その関係がａ＞ｂになるようにしている。これは本実施例１での磁石配置が前提で成立する関係である。これは連結幅ａと連結幅ｂに生じる応力が関係している。この応力の関係を示したのが図１６である。図１６の横軸は連結幅ａを１に規格化してａ／ｂ比としている。縦軸は連結幅ａに生じる応力をσａとし、連結幅ｂに生じる応力をσｂとしている。同図から、横軸の同じ位置で両応力を比較した場合、σａの方が高くなっていることがわかる。磁石配置を磁極中心に対して直角になるよう平行に配置し、本発明のような磁石挿入孔２０の形状とする場合は必ずこの関係になる。これは連結幅ａ部の応力成分は曲げ応力となり、連結幅ｂ部は引張応力となるためである。更にこの両連結幅は電気特性と強度特性がトレードオフの関係になる。この両連結幅を狭めると永久磁石８からの短絡磁束を防止できるため、強度的に成立する限界まで両連結幅を狭めることが必要となる。このことから、上述した回転子構造にし、連結幅ａ及びｂの両者を強度が成立する限界まで狭めるとａ＞ｂの関係となる。こうすることで、電気特性と強度特性の両者を最適化した状態にすることが可能となる。

図１７は、本発明のＬＮＧ用プラントに配置した例を示す。第１実施例から第７実施例で示した永久磁石式ポンプ電動機１とインバータ３０、ＬＮＧ貯蔵タンク３１を備え、液化ＬＮＧ２７を永久磁石式ポンプ電動機１が駆動することで、ＬＮＧ貯蔵タンク３１へ送られる。永久磁石式ポンプ電動機１はインバータ３０から三相電源が供給され可変速運転される。また、本発明では、地上プラント或いは船舶にも同様に適用可能である。更に、永久磁石式ポンプ電動機は発電機として使用することも可能である。

１ 永久磁石式ポンプ電動機
２ ヘッドカバー
３ ベアリングブラケット
４ ベアリング
５ ポット
６ 固定子
７ 回転子
８ 永久磁石
９ シャフトＡ
１０ ステージケース
１１ インペラ
１２ ディフューザ
１３ モータケース
１４ コイル
１５ 永久磁石式電動機
１６ ティース
１７ スロット
１８ 上コイル
１９ 下コイル
２０ 磁石挿入孔
２１ 空隙
２２ 段差部
２３ 角部
２４ コーティング
２５ 金属メッキ
２６ ライナー
２７ シート
２８ 回転子外径側端部壁
２９ 空気層
３０ インバータ
３１ ＬＮＧ貯蔵タンク
３２ 液化ＬＮＧ
３３ 磁化方向
３４ 膨張
３５ 収縮
３６ 平行

Claims (10)

1. 固定子と永久磁石回転子とを有する永久磁石式ポンプ電動機であって、
   前記永久磁石回転子の回転子鉄心内に１極を構成する永久磁石が２分割され、その２分割された永久磁石の一方と他方との間に電磁鋼板となる連結部が設けられ、
   前記永久磁石が挿入される磁石挿入孔の形状は、前記永久磁石と前記電磁鋼板との間に空隙が設けられ、磁石の径方向となる厚さよりも短い長さとした段差部が前記永久磁石の周方向幅両端部に設けられ、設けられた段差と前記永久磁石の周方向幅の両端部に空隙部が設けられ、２分割された前記磁石挿入孔が隣接する側とその反対側とに延びる空隙が設けられて成る形状であり、
   前記永久磁石回転子および前記固定子が、ポンプにより搬送される液体の流路とされる
   ことを特徴とする永久磁石式ポンプ電動機。
2. 固定子と永久磁石回転子とを有する永久磁石式ポンプ電動機であって、
   前記永久磁石回転子の回転子鉄心内に１極を構成する永久磁石が２分割され、その２分割された永久磁石の一方と他方との間に電磁鋼板となる連結部が設けられ、その２分割された永久磁石の一方と他方とは回転中心から互いに等しい距離になる位置に配置され、
   前記永久磁石が挿入される磁石挿入孔の形状は、前記永久磁石と前記電磁鋼板との間に空隙が設けられ、磁石の径方向となる厚さよりも短い長さとした段差部が前記永久磁石の周方向幅両端部に設けられ、設けられた段差と前記永久磁石の周方向幅の両端部に空隙部が設けられ、２分割された前記磁石挿入孔が隣接する側とその反対側とに延びる空隙が設けられて成る形状であり、
   前記永久磁石回転子および前記固定子が、ポンプにより搬送される液体の流路とされる
   ことを特徴とする永久磁石式ポンプ電動機。
3. 請求項１又は２に記載の永久磁石式ポンプ電動機において、
   前記永久磁石をコーティングした
   ことを特徴とする永久磁石式ポンプ電動機。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の永久磁石式ポンプ電動機において、
   前記回転子の磁石挿入孔に永久磁石を配置し、永久磁石の磁化方向上下にライナーを挿入した
   ことを特徴とする永久磁石式ポンプ電動機。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の永久磁石式ポンプ電動機において、
   前記磁石挿入孔の回転子外径側端部壁が回転子外径と平行に形成された
   ことを特徴とする永久磁石式ポンプ電動機。
6. 請求項１乃至５のいずれかに記載の永久磁石式ポンプ電動機において、
   前記回転子の外径ｄ１とし、内径ｄ０とした場合、ｄ１／ｄ０の割合が１.５≦ｄ１／ｄ０≦２.５の範囲になるようにした
   ことを特徴とする永久磁石式ポンプ電動機。
7. 請求項１乃至６のいずれかに記載の永久磁石式ポンプ電動機において、
   前記回転子の回転子鉄心内で極性が異なる極間部に空気層を設けた
   ことを特徴とする永久磁石式ポンプ電動機。
8. 請求項１乃至６のいずれかに記載の永久磁石式ポンプ電動機において、
   前記回転子の回転子鉄心内の磁極中心部に永久磁石より外径側の位置に空気層を設けた
   ことを特徴とする永久磁石式ポンプ電動機。
9. 請求項１乃至８のいずれかに記載の永久磁石式ポンプ電動機において、
   前記磁石挿入孔の回転子外径側端部壁が回転子外径と平行に形成された連結幅をａとし、１極を構成する永久磁石を磁極中心に２分割し、その２分割した磁石間に設けた連結幅をｂとした場合、ａとｂの関係がａ＞ｂになる
   ことを特徴とする永久磁石式ポンプ電動機。
10. 請求項１乃至９のいずれかに記載の永久磁石式ポンプ電動機をＬＮＧ用プラントに搭載したことを特徴とする永久磁石式ポンプ電動機システム。