JP6126873B2 - 永久磁石式回転電機 - Google Patents

Description

本発明は電動機や発電機等の永久磁石式回転子を有した回転電機に関する。

電動機や発電機である回転電機は、市場より軽薄短小化の要求が強く、また最近は地球温暖化対策として、省エネルギー化や高効率化の要求も増加してきている。このため回転子に永久磁石を用いた高効率な永久磁石式回転電機が広く使用されている。例えば最近では環境問題から自動車もガソリンエンジンから電気モータ一化が進んでいる。この場合、永久磁石式回転電機では低速時の大トルクは強め界磁制御、高速時は弱め界磁制御が用いられることが多く、それに適したモータが求められている。これに適したモータとして、ハイブリッド型ステッピングモータ（以下ＨＢＳＴＭと略す）の構造が注目されている。一方、関係する従来技術として下記の２つの文献がある。

日経ものづくり（２００８／１２）「補助磁石やコイルの巻き方も検討 新しいモータ構造の検討も進む」（名古屋工大／ＮＥＤＯ） ステッピングモータの使い方 坂本正文 著 ４７ページ 図２．３９ 図 ２．４０ オーム社

ＨＢＳＴＭ型構造は多極であるため、低速大トルクで、車両の始動時に必要な大トルクが得られ、またこれを弱め界磁制御すれば高速まで回転する。また回転子磁石が軸方向に磁化されているので、外部から電磁石で磁束を軸方向から回転子に加えて、永久磁石磁束を高速時は磁石磁化方向と逆方向に加えて界磁を弱めることが容易にできる。このため電気自動車等に適したモータ構造であることが非特許文献１に述べられている。

しかし、回転子の構造はＮ極とＳ極が軸方向に２分割されて、回転子の外周な歯と溝が交互にあり、回転子外周面積の半分以下しかトルク発生に寄与してない構造が欠点である。この点を指摘し、更にその改良型モータであるＲＭ型を提案しているのが、非特許文献２の４７から４８ページ及び図２．３９、図２．４０（本明細書に添付した図５および図６）である。しかしここでの提案のＲＭ型は円筒型永久磁石の外周にＮ極Ｓ極が交互に磁化されている構造なので軸方向に電磁石で磁束を加えて界磁制御することはできない。

本発明を実現するには以下の手段による。
「手段１」
固定子と、回転子とを有する回転電機であって、前記回転子は、軸方向に磁化した略円盤状あるいは円筒状の第１の永久磁石を、軟磁性鉄粉あるいは磁性体鉄板で成形された磁性体円盤の外周あるいは内周部から軸方向に複数ｎ個のアームが突き出た回転子鉄心２個で挟持すると共に、前記第１の永久磁石の外周あるいは内周部でｎ個のアームを交互に隙間を有してかみ合わせて構成し、前記ｎ個のアームを交互にかみ合わせたアームの周方向隙間に第２の永久磁石を介在させ、前記第１の永久磁石と前記第２の永久磁石は一体成型品とし、前記回転子を無着磁で固定子に組み込んだ後、軸方向のみに磁化し、前記第２の永久磁石は周方向磁化をしないことを手段とする回転電機。
「手段２」
手段１において、前記回転子の軸方向に電磁石磁束を加えて、その方向と強さで、軸方向に磁化した回転子永久磁石磁束を増減させることを手段とする回転電機。
「手段３」
手段１又は２において、軟磁性鉄粉の成形体から成るブラケットを備えることを手段とする回転電機。

１）ＨＢＳＴＭ構造の回転電機は回転子表面の約半分は歯溝でその残りを磁極歯が占めているが、本発明の回転子は磁極歯が交互に存在するので、ＨＢＳＴＭより高トルクが得られる。
２）回転子は軸方向に磁化されて磁極が作られているので、弱めあるいは強めの界磁制御が電磁石を用いて簡単にでき、広範囲の速度制御が可能となる。
３）本発明に係る回転子は、クローポール型永久磁石回転子であるが漏洩磁束防止の永久磁石が各ポール間に設けられているのでコイルとの鎖交磁束が大きい。
４）ブラケットを圧粉鉄心や磁性鉄で構成すれば、またコイル心もブラケットと一体とすれば界磁制御磁束が大きく出来制御が容易となる。

本発明一例の回転機の軸を含む断面図 図１の回転電機の軸と垂直なＡ−Ａ断面図 第１、第２の永久磁石を別磁石とした本発明の回転子詳細図 図３の軸方向から見た図 従来技術の回転子の図 図５の回転電機の軸と垂直な断面図

以下図面によって説明する。

図１は本発明を適用する回転電機の構成の一例を示したもので、軸を含む断面図である。符号１は回転子でエアギャップを介して回転自在に固定子２と対向している。回転子１は磁性体鉄板あるいは軟磁性鉄粉より成形した符号１１、１２と第１の永久磁石１３と必要により符号１４である第２の永久磁石よりなる。図１、図２は符号１３と符号１４を一体的に成形した図で図示されている。この場合、第１の永久磁石１３と第２の永久磁石１４は同一材質の永久磁石で一体成形される。回転子の詳細説明は図３、図４にて後述する。
符号３は固定子巻き線である。図１の回転電機の軸と垂直な断面Ａ−Ａ図である図２を参照すれば６スロットで集中巻きの６巻き線極構造の例で示してある。
符号４は回転子軸、符号５はボールベアリング等の軸受けである。符号６はブラケットであり回転子軸方向の両側に位置し、軸受け５を介して回転子を支持し、固定子２に固着している。この場合、このブラケット６には符号８なるコイルがブラケット６の一部である符号７に巻かれている。回転子１の第１の永久磁石１３は軸方向に磁化されているがコイル８を励磁して、回転子磁束を高速回転時は弱めたり、低速回転時は強めたり、中速回転時は無励磁にしたりして、界磁制御をするものである。モータが回転時は符号１１，１２には磁束の変化があるので鉄損が発生する。そのため符号１１，１２の材料は前述した軟磁性鉄粉を樹脂コーテング等で電気的に絶縁して加圧成形した所謂圧粉鉄心とするのが望ましい。これにより鉄損の内の渦電流損をなくすことができる。また透磁率の方向性がないのもクローポール構造の３次元磁路にはよい。電磁石の界磁制御磁束も積層鉄心の積み方向より圧粉鉄心の方が通過しやすい。

図３は本発明の回転子部の詳細断面図、図４は図３の軸方向から見た図である。符号１１，１２は電磁鉄板や電磁軟鉄粉を加圧成形等で製作した磁極である。所謂クローポールあるいはクローテイースなどともよばれるものである。そして符号１１と符号１２を用いて軸方向に磁化した第１の永久磁石なる符号１３をサンドイッチ状に挟持している。即ち、軸方向に磁化した略円柱状あるいは円筒状の符号１３なる第１の永久磁石を、軟磁性鉄粉で成形された磁性体円盤の外周あるいは内周部から軸方向に複数ｎ個のアームが突き出た回転子鉄心１１，１２を用いて挟持するようにして、該第１の永久磁石１３の外周あるいは内周部でｎ個のアームを交互に隙間を有してかみ合わせて構成した回転子である。符号１１と符号１２は同一品であるが回転子として構成する場合、その向きが軸方向で逆に、またそれらのｎ個のアームは交互に接触しないように等間隔で隙間を保って組み合わされる。ｎ個のアームを交互にかみ合わせたアームの周方向隙間には、お互いに同極性が対向するように磁化した符号１４なる第２の永久磁石を介在させた構成である。この様に第２の永久磁石１４を介在させるのは第１の永久磁石１３の磁化で符号１１と符号１２のアームは異なる極性に磁化されるため、その間隔が狭いので大きな漏洩磁束が発生し、モータとした場合、固定子コイルとの鎖交磁束が減少する。それを同極性が対向するように磁化した符号１４なる第２の永久磁石を符号１１と符号１２の隙間に介在させることで防止するものである。即ち図４で説明すれば符号１１がＮ極に磁化され、符号１２がＳ極に磁化されているので、符号１４は符号１１のアームと接触する側はＮ極に符号１２のアームと接触する側はＳ極に磁化するように符号１４を回転子１の周方向に磁化して符号１１と符号１２間の漏洩磁束を防ぐものである。
図示した図１から図４は極対数２である、ｎ＝２の場合の回転子極数４の場合で示した。また内転（インナーロータ）型回転電機で示したが外転型も可能である。外転型の場合は第１の永久磁石１３の内周部でクローポール１１，１２が交互に噛み合うことになる。

回転子用の第１の永久磁石１３と第２の永久磁石１４は別磁石として図示したものが図３、図４である。そして第２の永久磁石１４の保磁力は第１の永久磁石１３の保磁力より大きい材質の永久磁石とするのが望ましい。たとえば第１の永久磁石１３はアルニコ磁石（Ｈｃ＝０．８ｋＯｅ）やフェライト磁石（Ｈｃ＝３．７ｋＯｅ）として、第２の永久磁石１４はネオジム磁石（Ｈｃ＝１２ｋＯｅ）やサマリウムコバルト磁石（Ｈｃ＝８ｋＯｅ）とすれば、界磁制御時、第２の永久磁石１４は減磁されづらくなる。第２の永久磁石１４が保磁力が弱く、磁化が失われると符号１１と符号１２間の漏洩磁束防止効果が減少するためである。また、第１の永久磁石１３の保磁力が小さいので界磁コイル８で容易に高速回転時の回転に弱め制御や、低速回転時の強め界磁制御ができることとなる。この場合、例えば、弱め界磁制御している時は界磁コイル８には適切な値の励磁電流を流し続ける方法に対して、界磁コイル８に瞬間的に逆磁化方向に大電流を流した後、励磁電流を切り、第１の永久磁石１３を適度に減じさせた状態で高速運転対応させ、低速運転時は界磁コイル８に瞬間的に磁化方向の大電流を流した後、励磁電流を切り、第１の永久磁石１３をフル着磁状態に戻して低速運転に対応させてもよい。

回転子用の第１の永久磁石１３と第２の永久磁石１４を一体成型した図が図１と図２である。このようにすればモータが安価となる。この場合、第１の永久磁石１３と第２の永久磁石１４は一体成型品とし、回転子１を軸方向磁化と２ｎ極の周方向磁化して固定子２に組み込むことができる。図ではｎ＝２の４極の場合である。このとき後者の磁化は回転子表面でよいので第１の永久磁石１３まで磁化が及ばないように磁化力を調整すればよい。

前述したように、第１の永久磁石１３は軸方向に、また第２の永久磁石１４は周方向に磁化する。そして符号１３と符号１４は保磁力が異なる別磁石が好ましい。しかし符号１３と符号１４を別磁石として、ｎが大きな数字の多極の場合は、この方法では高価なモータとなってしまう。そこで安価に重点を置く場合は、図１、図２の如く第１の永久磁石１３と第２の永久磁石１４を一体品として、磁石の磁化も固定子に組み込み、ブラケットを取り付けてモータをアッセイ後にモータ外部から軸方向だけの磁化をすることができる。この場合、第２の永久磁石１４は周方向でなく軸方向に磁化される。しかし、第２の永久磁石１４が無着磁の場合より、軸方向に磁化されていれば、漏洩磁束は第２の永久磁石１４の磁化方向と垂直に漏洩磁束が通過するため、逆方向よりは磁気抵抗は小さいが、漏洩磁束は通過しづらくなり、安価な方法で、漏洩磁束防止効果が生まれることになる。なお、この界磁強め又は弱めと、第２の永久磁石１４の軸方向磁化の強め又は弱め効果が一致するため、第２の永久磁石１４によって隣接するアーム間における漏洩磁束防止効果が生まれることとなる。これが手段４の第１の永久磁石と第２の永久磁石は一体成型品とし、回転子を無着磁で固定子に組み込み後、軸方向のみに磁化し、第２の永久磁石は周方向磁化をしないことを手段とする回転電機に相当する。

図５は従来技術の回転子の図であり、ＨＢ型がＨＢＳＴＭの回転子の外観図である。この図から回転子表面の約半分は歯溝であり、トルク発生の歯磁極は残りの表面積の半分以下であることが分かる。その改良版の回転子がＲＭ型である。そしてこのＲＭ型を固定子に組み込んで軸方向から見た図が図６である。しかし、前述したようにこのＲＭ型の構造では回転子表面積のトルク発生利用率は本発明と同程度に倍増するが回転子磁極の磁化方向が軸方向ではないので、界磁制御が簡単にできない欠点を有していた。

なお、本実施形態においては、回転電機をモータとして用いた例について説明を行ったが、当該回転電機は、発電機として用いてもよく、この場合、固定子に安価なクローポール型固定子を使用して環状コイルを１個有した単相構造としても構わない。これにより単相交流が得られ、自転車の発電機等に適したものとなる。また固定子を通常の積層鉄心で３相巻き線を有する固定子と組み合わせれば３相交流が得られる。

本発明による回転電機は電動機または発電機に活用でき、安価で堅牢で軽薄短小、高トルク化、高効率化に適し、界磁制御による広範囲な相度制御が可能な、きわめて実用的なものである。従って工業的に大きな貢献が期待される。

１ 回転子
２ 固定子
３ 巻き線
４ 回転子軸
５ 軸受け
６ ブラケット
７ コイル心
８ 界磁コイル
１１，１２ 回転子鉄心
１３ 第１の永久磁石
１４ 第２の永久磁石

Claims (3)

1. 固定子と、回転子とを有する回転電機であって、
   前記回転子は、軸方向に磁化した略円盤状あるいは円筒状の第１の永久磁石を、軟磁性鉄粉あるいは磁性体鉄板で成形された磁性体円盤の外周あるいは内周部から軸方向に複数ｎ個のアームが突き出た回転子鉄心２個で挟持すると共に、前記第１の永久磁石の外周あるいは内周部でｎ個のアームを交互に隙間を有してかみ合わせて構成し、
   前記ｎ個のアームを交互にかみ合わせたアームの周方向隙間に第２の永久磁石を介在させ、
   前記第１の永久磁石と前記第２の永久磁石は一体成型品とし、前記回転子を無着磁で固定子に組み込んだ後、軸方向のみに磁化し、前記第２の永久磁石は周方向磁化をしないことを特徴とする回転電機。但し、ｎは２以上の整数。
2. 請求項１に記載の回転電機において、
   前記回転子の軸方向に電磁石磁束を加えて、その方向と強さで、軸方向に磁化した回転子永久磁石磁束を増減させることを特徴とした回転電機。
3. 請求項１又は２に記載の回転電機において、
   軟磁性鉄粉の成形体から成るブラケットを備えることを特徴とした回転電機。

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