JP5589345B2 - 永久磁石式回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、固定子と所定の空隙を有して対向して回転し永久磁石を有する回転子とを備えた永久磁石式回転電機に関する。

従来の永久磁石式回転電機の一例としては埋込磁石形回転電機が挙げられる。
この埋込磁石式回転電機は、回転子内部に永久磁石を備えている。この永久磁石から発生する磁束を固定子に備える励磁コイル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、回転子鉄心の磁気抵抗を利用したリラクタンスを利用した回転電機である。この埋込磁石式回転電機は小型高出力高効率回転電機として広く用いられている。

埋込磁石式回転電機においてトルクを増大する方法の一つとして、永久磁石をＶ字形状に配置し、回転子の磁極中心方向に延びるｄ軸方向のインダクタンスと、ｄ軸から電気角で９０度ずれて磁極間にあるｑ軸方向のインダクタンスとの差を大きくし、リラクタンストルクを有効利用する方法が知られている。リラクタンストルクは、励磁コイルから発生する磁束を、磁石磁束を弱める方向すなわちｄ軸方向へ発生させることで得られる。

ここで、上述のように磁石磁束と相反する方向へ励磁コイルから磁束を発生することで、インナーロータ形の埋込磁石式回転電機では励磁コイルからの磁束は回転子内部の深部すなわち回転軸に近い所まで通過せず、回転子外周面に集中する。これにより、磁石の回転子外周面端部に近い磁石の端部は磁石の磁化方向と逆の反磁界の影響を大きく受け、他の部分に比べて不可逆減磁が起こり易くなる。

このような不可逆減磁の問題を解決する策として、回転子に永久磁石を固定子側に向かって拡がるＶ字形状に配置し、リラクタンストルクを増加させ、リラクタンストルクを有効に活用しつつ、永久磁石の磁化方向と直交する方向の両端部を中央部に比較して磁化方向に厚くして磁石端部の減磁耐性を向上させ、不可逆減磁が起こり難い永久磁石式回転電機を得ることが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００８−２８３８２３号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載された従来例にあっては、永久磁石をその両端部が中央部より磁化方向に厚くなるような逆凹形状に形成しているので、永久磁石を形成するために、直方体の磁石の中央部を切削加工するかまたは予め凹形状の型を制作し、型抜きを行う等の作業を必要とし、また、凹形状の長方形磁石の組み合わせで構成する方法もあるが、部品点数及び回転子に形成したスロットへの磁石挿入工数が増えて作業時間が長くなり、加工費が嵩むという未解決の課題がある。
そこで、本発明は、上記従来例の未解決の課題に着目してなされたものであり、永久磁石の製作容易性を確保して製作費の増加を抑制しつつ永久磁石の減磁耐性を向上させることができる永久磁石式回転電機を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、請求項１に係る永久磁石式回転電機は、励磁コイルを巻装した固定子と、該固定子と所定の空隙を隔てて対向して回転する回転子とを備え、前記回転子は、回転子コア内に軸方向に形成された複数のスロットと、該スロットに周方向に隣り合う磁極が異極性となるように挿入した永久磁石とを有し、前記磁極は一対のスロットを前記固定子に向かって拡がるＶ字形状に配置した構成を有し、前記スロットを磁極一つ当たり２×（ｎ＋１）（ｎは１以上の整数）個設け、前記固定子に近いスロットに挿入された永久磁石のみを当該固定子に向かうに従い磁化方向の厚みが厚くなる台形状に形成したことを特徴としている。

この構成によると、回転子の磁極ごとに永久磁石を固定子に向かって拡がるＶ字形状に配置し、少なくとも固定子側の永久磁石の形状を固定子に向かうに従い磁化方向の幅が厚くなる台形状に形成したので、リラクタンストルクを増大させトルクの増大を図りつつ、磁石端部の減磁耐性を向上させることができる。このとき、永久磁石を台形状に形成することにより、永久磁石の形状を単純化して永久磁石を直方体から研磨加工のみによって製作することが可能となり、製作時間を短縮し且つ製作費を抑制することができる。

また、永久磁石を挿入するスロットをその延長方向で分割して磁極１つ当たり２×（ｎ＋１）（ｎは１以上の整数）個のスロットが形成されるので、スロット間に鉄心連接部が形成され、磁極を構成するＶ字状のスロットから回転子外周部までの扇状の磁極鉄心部を２×（ｎ＋１）＋１個の鉄心薄肉部で支持することが可能となり、高速回転時に各鉄心薄肉部に係る応力を分散し、回転子コアの破損を防止することができる。
また、請求項２に係る永久磁石式回転電機は、前記固定子に近いスロットに挿入された永久磁石は、等脚台形状に形成されていることを特徴としている。

さらに、請求項３に係る永久磁石式回転電機は、請求項１に係る発明において、前記固定子に近いスロットに挿入された永久磁石は、磁化方向の両端面の一方の端面を当該磁化方向と直交する面と平行な平行面とし、他方の端面を前記磁化方向と直交する面に対する傾斜面とした台形状に形成されていることを特徴としている。
この構成によると、直方体の長辺となる１面を傾斜面に研磨するだけで、台形状の永久磁石を製作することができ、さらなる製作時間の短縮および制作費の抑制を行うことが可能となる。また、直方体の長辺となる１面側から切断歯を使用して斜めに直線状に切断することも可能であり、製作を容易に行うことができる。

本発明によれば、回転子の磁極ごとに永久磁石を固定子に向かって拡がるＶ字形状に配置し、少なくとも固定子側の永久磁石の形状を固定子に向かうに従い磁化方向の幅が厚くなる台形状に形成したので、永久磁石を磁極ごとにＶ字形状に配置することで、リラクタンストルクの増大を図りつつ、磁石端部の減磁耐性を向上させることができる。また、少なくとも固定子に近い永久磁石の固定子側部分のみを磁化方向に厚くするため、磁石両端部を厚くする形状に比較して少材料にて構成することができ、材料費を削減することができる。さらに、永久磁石を台形状に形成するので、直方体の永久磁石の少なくとも一面を研磨するか又は少なくとも一面を斜めに切断するだけで台形状に形成することができ、永久磁石の製作を容易に行うことができる。

本発明の第１の実施形態を示す永久磁石式回転電機を示す断面図である。 図１の回転子の拡大図である。 本発明の第２の実施形態を示す永久磁石式回転電機の回転子を示す拡大図である。 本発明に適用し得る永久磁石及びスロットを示す拡大図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明の第１の実施形態を示す断面図である。この図１において、永久磁石式回転電機１はインナーロータ形の埋込磁石式同期回転電機で構成されている。この永久磁石式回転電機１は、円筒状フレーム２を有する。この円筒状フレーム２の内周側には円筒状の固定子３が配置され、この固定子３の内周側には所定のエアギャップＧを介して対向する回転子４が配置されている。この回転子４はその中心部に嵌挿された回転軸５に支持されて回転自在に配置されている。

固定子３は、内周面側に円周方向に等間隔で例えば１２個のスロット６が形成されて１２個のティース７が形成されている。各ティース７にはスロット６内に巻装された励磁コイル８が巻回されている。ここで、励磁コイル８の巻き方については大別すると集中巻と分布巻とに分けられる。本発明は集中巻及び分布巻の両者において効果を発揮するものであり、図１によって巻き方を限定するものではない。

一方、回転子４は、図２に拡大して示すように、４つの磁極１１ａ〜１１ｄを有する積層鉄心で形成される回転子コア１２を備えている。この回転子コア１２は、軸方向に貫通して形成された複数例えば８個のスロット１３と、これらスロット１３内に周方向に隣り合う磁極１１が異極性となるように挿入した永久磁石１４とを備えている。ここで、永久磁石１４は希土類磁石で構成されている。
各磁極１１ａ〜１１ｄは、一対のスロット１３を回転軸５の回転中心軸に向かって凸となり、固定子３側に向かって拡がるＶ字形状に配置することにより、扇状に形成されている。

そして、一対のスロット１３のそれぞれは、軸方向端面から見て内側端部から固定子３側に向かうに従い幅が徐々に広くなり、上底及び下底の両端点を結ぶ辺の長さが等しくなる等脚台形状に形成されている。これに応じて、スロット１３に挿入される永久磁石１４も軸方向端面から見て内側端部から固定子３側に向かうに従い磁化方向の厚みが厚くなる等脚台形状に形成されている。ここで、永久磁石１４間の外周側開角θが例えば１２５°程度に設定され、永久磁石１４の内周側端部の厚みに対する外周側端部の厚みの比が例えば１．６程度に設定されている。

また、回転子４のスロット１３の形成は、回転子を構成する積層鉄板を積層する前にプレス機によって打ち抜いてスロット１３を形成するか、または鋼板を積層して回転子コアを形成した後にプレス機で打ち抜いてスロット１３を形成する。また、永久磁石１４は、直方体の永久磁石の長辺の対向面を研磨加工するか型抜き加工することによりスロット１３の形状と略等しく、スロット内１３に挿入可能な等脚台形状に形成する。さらには、直方体の長辺の一つの面から切断歯で等脚台形の上底及び下底間を結ぶ辺に沿って斜めに切断することにより、等脚台形状に形成するようにしてもよい。そして、等脚台形状に形成した永久磁石１４を各スロット１３内に挿入し、接着剤又は充填材によってスロット１３内に固定する。

このように、上記第１の実施形態によると、永久磁石式回転電機１が埋込永久磁石式回転電機の構成を有するので、回転子４の磁極１１ａ〜１１ｄにおける永久磁石１４間の円周方向の中央部と回転軸５の軸心とを結ぶ線がｄ軸となる。また、回転子４の隣接する磁極１１間における異なる極性の永久磁石１４間と回転軸５の軸心とを結ぶ線がｑ軸となる。このため、ｄ軸方向の磁束の磁路にはエアギャップＧと同じ磁気抵抗の大きな永久磁石１４が存在し、磁束は通りにくいが、ｑ軸方向の磁束は回転子コア１２を通ることができるため、この方向の磁気抵抗は小さくなり、ｄ軸インダクタンスＬｄとｑ軸インダクタンスＬｑとがＬｄ＜Ｌｑの突極性を有する。このため、電機子巻線の自己インダクタンス及び相互インダクタンスは回転角の２倍で変化し、さらに永久磁石の電機子鎖交磁束も回転子４の回転角の余弦で変化する。

したがって、マグネットトルクにリラクタンストルクを加算した高トルク化を図ることができる。ここでマグネットトルクは、永久磁石の電機子鎖交磁束のみの変化によりエネルギ変換が行なわれて発生するトルクである。また、リラクタンストルクは電機子自己及び相互インダクタンスの変化に応じてエアギャップＧに貯えられた磁気エネルギが機械エネルギに変換されて発生するトルクである。

このように、永久磁石式回転電機１として永久磁石１４をＶ字形状に配置した埋込永久磁石式回転電機の構成を採用することにより、高トルク化を図ることができるものであるが、永久磁石１４の磁化方向と直交する両端部で減磁耐性を得るには、前述した従来例のように永久磁石の磁化方向と直交する両端部における磁化方向の厚みを中央部より厚くする必要がある。ところが、Ｖ字形状に配置された永久磁石１４のＶ字の頂点付近は回転子４の深部にあるため、減磁の要因となる固定子３の励磁コイル８で生じる永久磁石１４の磁束と反磁界方向の磁束は通過しにくく、この部分では永久磁石の厚みを厚くする必要はない。このため、本実施形態のように、永久磁石１４の回転子４の中心部側端部における磁化方向の厚みを最小とし、この中心部側端部から固定子３側に向かうに従い磁化方向の厚みを厚くし、固定子側端部で最大厚みとすることにより、固定子側端部で減磁耐性を向上させることができる。このように、永久磁石１４を等脚台形状に形成することにより、前述した従来例のように永久磁石１４の磁化方向と直交する両端部の厚みを中央部の厚みより大きくする場合に比較して少材料で永久磁石を構成することができる。

そして、永久磁石１４を等脚台形状に形成することにより、直方体状の永久磁石の長辺側の対向面を研磨加工や型抜き加工するだけで、容易に等脚台形状の永久磁石を製作することができ、永久磁石１４の製作時間を短縮することができるとともに、スロット１３への挿入工数も最小限の工数で済み、永久磁石の製作費を抑制することができる。

次に、本発明の第２の実施形態を図３について説明する。
この第２の実施形態では、回転子４の永久磁石を挿入するスロット１３を永久磁石の磁化方向と直交する方向に分割して形成し、これに応じて永久磁石１４も分割するようにしたものである。
すなわち、第２の実施形態では、図３に示すように、前述した第１の実施形態の図２における一対のスロット１３を永久磁石１４の磁化方向と直交する方向で所定数に分割して磁極１１ａ〜１１ｄごとに２×（ｎ＋１）（ｎは１以上の整数）個のスロットを形成するようにしている。

この第２の実施形態では、ｎ＝１に設定して、磁極１１ａ〜１１ｄごとにその境界部に４つのスロット１３ａ，１３ｂ及び１３ｃ，１３ｄを形成するようにしている。ここで、回転子４の中心側のスロット１３ａ及び１３ｃについては、回転子４の軸方向から見て長手方向が永久磁石の磁化方向と直交する方向となる長方形状に形成し、固定子３側のスロット１３ｂ及び１３ｄについては前述した第１の実施形態と同様に、回転子１の中心部側端部の磁化方向の幅をスロット１３ａ及び１３ｃの磁化方向の幅と等しくし、この中心部側端部から固定子側端部に向かうに従い幅が徐々に広くなって、固定子側端部で磁化方向の幅が最大となる等脚台形状に形成されている。

同様に、永久磁石も磁極１１ａ〜１１ｄごとに磁化方向と直交する方向に２分割してスロット１３ａ及び１３ｃに応じて回転子４の軸方向から見て長手方向を磁化方向と直交する方向とする長方形状に形成した永久磁石１４ａ，１４ｃと、スロット１３ｂ及び１３ｄに応じて等脚台形状に形成した永久磁石１４ｂ及び１４ｄとで構成されている。
この第２の実施形態によると、永久磁石１４ａ，１４ｂ及び１４ｃ，１４ｄが中心部側に凸となり、固定子３側に拡がるＶ字形状に配置されているので、前述した第１の実施形態と同様に、高トルク化を図ることができる。また、固定子４の励磁コイル８の磁束による減磁の影響が少ない内側の永久磁石１４ａ及び１４ｃについては磁化方向の厚みを一定とし、固定子の励磁コイル８の減磁の影響が大きい固定子３側の永久磁石１４ｂ及び１４ｄについては固定子側端部の磁化方向の厚みを厚くした等脚台形状に形成するので、固定子端部側での減磁耐性を向上させることができる。

しかも、２×（ｎ＋１）個のスロット１３ａ〜１３ｄを形成することで、連接するスロット間に薄肉鉄心部１５が形成され、この薄肉鉄心部１５と固定子側のスロット１３ｂ及び１３ｄの固定子側端部の薄肉鉄心部１６と回転子中心部側のスロット１３ａ及び１３ｃの中心部側端部間の箔肉部１７とで２×（ｎ＋１）＋１個すなわちｎ＝１のとき５個の薄肉部が形成される。このため、磁極１１ａ〜１１ｄとなる扇状鉄心部１８が２×（ｎ＋１）＋１個の薄肉鉄心部１５〜１７によって支持されることになり、磁極１１ａ〜１１ｄとなる扇状鉄心部１８の支持剛性を高めることができるとともに、回転子４を高速回転させたときに各薄肉鉄心部１５〜１７に掛かる応力を分散することができ、回転子コアの破損を防止することができる。

ここで、スロットの個数を決定する変数ｎは任意に設定することができ、扇状鉄心部１８を支持する薄肉鉄心部の数を増加させて応力をより分散させるには変数ｎを大きな値に設定することが好ましいが、その分スロット数及び永久磁石数が増加して、部品点数及び永久磁石の挿入工数が増えることになるので、変数ｎは回転子４の半径や磁石挿入工数とのバランスで決定する。

なお、上記第１及び第２の実施形態においては、固定子側の永久磁石１４を等脚台形状に形成する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、上底及び下底の両端の角度が異なる台形状に形成するようにしてもよい。特に、図４に示すように、永久磁石１４を、上底および下底の端部間を結ぶ辺を含む面のうちの一方を磁化方向と直交する面と平行な平行面１４ｆ１とし、他方を固定子側に行くに従い磁化方向の厚みが厚くなる傾斜面１４ｆ２とする台形状に形成した場合には、直方体の長辺の一つの面を研磨加工するだけで台形状の永久磁石を容易に製作することが可能となり、更なる製作時間の短縮および製作費の抑制を行うことができる。また、直方体の長辺の一つの面を切断歯で傾斜辺に沿って直線状に切断することによっても台形状の永久磁石を製作することができ、台形状の永久磁石を容易に製作することができる。

また、上記第１及び第２の実施形態においては、回転子４の磁極１１の数を４極とし、固定子３のティース７を１２個とした場合について説明しが、これに限定されるものではなく、回転子４の磁極数及び固定子３のティース数は任意に設定することができる。
また、上記第１及び第２の実施形態においては、スロット１３，１３ａ〜１３ｄと永久磁石１４との形状が略一致している場合について説明したが、これに限定されるものではなく、スロット内に永久磁石を位置決めして挿入可能であれば、スロットの形状を永久磁石の形状とは異なる形状に設定してもよい。

また、上記第１及び第２の実施形態においては、本発明をインナーロータ形の回転電機に適用した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、本発明をアウターロータ形の回転電機に適用することもでき、この場合にも少なくとも固定子側の永久磁石を固定子に向かうに従って磁化方向の幅を厚くする台形状に形成すればよいものである。

１…永久磁石式回転電機、２…円筒状フレーム、３…固定子、Ｇ…エアギャップ、４…回転子、５…回転軸、６…スロット、７…ティース、８…励磁コイル、１１ａ〜１１ｄ…磁極、１２…回転子コア、１３，１３ａ〜１３ｄ…スロット、１４，１４ａ〜１４ｄ…永久磁石、１４ｆ１…平行面、１４ｆ２…傾斜面、１５〜１７…薄肉鉄心部

Claims (3)

1. 励磁コイルを巻装した固定子と、該固定子と所定の空隙を隔てて対向して回転する回転子とを備え、前記回転子は、回転子コア内に軸方向に形成された複数のスロットと、該スロットに周方向に隣り合う磁極が異極性となるように挿入した永久磁石とを有し、前記磁極は一対のスロットを前記固定子に向かって拡がるＶ字形状に配置した構成を有し、
   前記スロットを磁極一つ当たり２×（ｎ＋１）（ｎは１以上の整数）個設け、前記固定子に近いスロットに挿入された永久磁石のみを当該固定子に向かうに従い磁化方向の厚みが厚くなる台形状に形成したことを特徴とする永久磁石式回転電機。
2. 前記固定子に近いスロットに挿入された永久磁石は、等脚台形状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の永久磁石式回転電機。
3. 前記固定子に近いスロットに挿入された永久磁石は、磁化方向の両端面の一方の端面を当該磁化方向と直交する面と平行な平行面とし、他方の端面を前記磁化方向と直交する面に対する傾斜面とした台形状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の永久磁石式回転電機。

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