JPS6023584B2 - 永久磁石式同期電動機 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、永久磁石をロータに用いた自己始動可能な同
期電動機に関する。

例えば紡糸工場の巻取りシステムに使用されるような同
期電動機は、多数台を並列に設置して揃速運転されるた
め、各電動機は池起動形のものを採用し難く、自己始動
が可能であることと、大きな負荷慣性体を同期引入れで
きることが要求される。

従来、この種の同期電動機としては、始動時に誘起電動
機として作動し、かつ同期引入れ後は永久磁石の磁力を
利用した同期電動機として運転できるような特殊なロー
タ形状が採用されている。

この種電動機は、ロータに組込む磁石の材質や極数等に
よって種々の形状が提案されているが、一般的には第１
図の断面図に示すように、ロータコァ１の外表面近傍に
かご形二次導体３を多数埋込み、ロータコァーの内部に
磁石２を組込み、コアーの磁石２収容部には半径方向に
スリット６を設けて磁石２の磁気抵抗を大として同期電
動機として作動する時の磁束がロータ外周側空間を通過
するように構成されている。なお、５はシャフト、４は
コアを一体化する補強ピンを示す。このようなロータを
有する電動機は、ロータの外周に設置されるステータ（
図示せず）により回転磁界を受けると、この回転磁界と
二次導体３との作用により始動トルクが得られ、ロータ
の速度が同期速度に近くなると、磁石２の磁力により同
期引込みが行われ、以後同期電動機として運転される。

前記のように、この種の同期電動機は、紡糸機等に使用
され、多数台の電動機へィンバータ等の一定周波数をも
つ電源より電力を供給し、多数台の揃遠運転がなされる
。

そして紡糸機に使用された場合、紡糸速度は電動機に直
結されたロールの速度に比例するので、生産の合理化の
ためには、電動機の速度を上げることが望ましい。例え
ば電動機の速度を２倍にできれば１系列の装置の生産量
は２倍とすることができ、同一の生産量を得るためには
装置は半分の数ですむことになる。このような理由で、
電動機はより高速に耐える強度を要求されるようになっ
ている。この要求に対しての努力が種々なされてはいる
が従釆構造によるとこれにはおのずから限度がある。す
なわち、第一に、磁石２をコアー内に収容した構造を有
するため、コアの強度の大なるものを得ることができず
、モータの速度をあまり大きくとることができない。第
二に、高速化するための問題として、ロータの危険速度
を上げる必要があり、従ってシャフト径を大きくするこ
とが必要となるが、シャフト径を大とした場合、磁石の
断面積あるいは始動時の磁束通路となるコアバック断面
積の減少を釆たし、結果的に始動電流の増加を招来し、
その上岡期特性を犠牲にせざるを得なくなる。また、電
動機電源としてィンバータが用いられることが多く、ィ
ンバータの容量を下げることも設備容量の低減につなが
る。

このィンバータの容量は、電動機の始動電流が低い程４
・さくすることができる。従って、電動機の始動電流も
できるだけ低いことが要求されるのである。ところが、
従来構造においては、コア１内にスリット６を形成して
おり、このために始動電流の低減にも限界がある。第２
図はこのことを説明する図で、電源周波数（横麹）に対
する始動電流（縦鞠）を、種々のスリット数のもの（曲
線７，８，９の順にスリット数が多い）について描いて
おり、この図から綴るように、スリット数の多いもの（
曲線９）は始動電流が大となり、この鏡向は電源周波数
が高くなればなる程大きくなる。これは、スリット６の
数が多ければ多い程二次回路のリアクタンスが小となる
ためである。このように、従釆構造のものでは、コア１
にスリット６を設けているので、始動電流の大中な減づ
・は望めない。さらに、従来構造のものは、コアーの内
側に磁石２を配置するために、コアーの打抜き型は極数
によって異なり、従って、種々の周波数のものを製作す
るには、いくつかの打抜き型を用意しておく必要がある
。

本発明の目的は、自己始動形電動機における上記のよう
な欠点を解消することにある。

すなわち、始動電流を低減すること、及び高速化に耐え
うる機械的強度大なる自己始動形の永久磁石式同期電動
機を安価に提供しようとすることにある。この目的を達
成するため、本発明は、二次導体を外周側に配設したロ
ータ外周部面に、電動機としての運転時にステータから
の減磁力によって減磁されない抗磁力を持つ永久磁石を
設けた。例えば、サマリウムーコバルト（ＳｍＣｏ）系
磁石のようにｉＨｃが１球○ｅ以上の大きな抗磁力を持
つ永久磁石を配置する。次に本発明を図面を参照しなが
らより具体的に説明する。第３図は本発明による永久磁
石式電動機のロータの一実施例を示す断面図、第４図は
第３図のＡ−Ａ断面図であり、１川まシャフト、１１は
該シャフトに欧着されたロータコア、１２は該コア１１
の外周部近傍及び該コア１１を挟むように取付けられる
エンドプレート１３ａ，１３ｂに貴菱したかご形二次導
体、１４ａ，１４ｂは二次導体１２の各端部間を短絡す
るエンドリングである。１５は本発明により設けた永久
磁石であり、該磁石は抗磁力の大なるサマリウムーコバ
ルト（ＳｍＣｏ）等の材料でなり、円筒形をなし、コア
１１の外周に鼓着されている。１６は該磁石１５の外周
に隊着した円筒状の補強材である。

これら磁石１５及び補強材１６の両端は、エンドプレー
ト１３ａ，１３ｂによって押さえられる。また、磁石１
５は、第３図に示すように着磁されている。このような
ロータを有する電動機は、始動時にはステータの回転磁
界とロータの二次導体１２との作用により誘導電動機と
して作動し、同期引入れ後はロータ外周に設けられ第３
図のように着磁されている磁石１５により同期電動機と
して作動する。

この磁石１５に用いられる材料としては、抗磁力ｉＨｃ
が１５ｋ○ｅ以上の材質が望ましい。

その理由は次のとおりである。該電動機が誘導電動機と
して動作するとき、ギャップの磁束は、二次導体１２に
より二次導体１２の外側に反発されるために、磁石の中
に誘導電動機として動作するときの磁束が直接通る。こ
こで、二次導体１２に電流が流れている時の磁束密度は
、ロータの歯の位置において、１０００庇前後の値がな
いと充分な始動トルク、及び同期化トルクが期待し得な
いため、仮に二次導体１２の外表面（コア１１の外表面
）の磁束密度を７００的とすれば、磁石の残留磁束密度
Ｂｒを８００的とした場合、最大、１５００唯の磁束密
度の磁束が磁石１５を通り、この磁束はある時間には磁
石の滅磁方向の磁束となるから、結局、磁石の減磁耐力
としてのｉＨｃは１５ｋ戊程度ないと充分でない。この
ような要求に応えられる材質であれば、磁石１５として
どのような材料を用いてもよいが、ＳｍＣｏは最もｉＨ
ｃが大きく、かつ高抗磁力のもののなかでは比較的廉価
に入手しうるので、ＳｍＣｏが磁石として用いるに好都
合である。実験においては、例えば外径１０４ぐのロー
タにおいて、磁石１ ５としては、厚さ１．５肋、ｉＨ
ｃが２球戊、Ｂｒが８００にのものを用いた。また、補
強剤１６としては、厚さ１．５肋のステンレスリングを
用いた。第３図及び第４図に示す構造においては、コア
１１の内側にはシャフト１０の他は何ら必要とせず、第
１図に示したスリット６を設ける必要がないから、コア
バック断面積は充分大きくとることができ、始動電流を
低くすることができる。

また、コアバック断面積が大であるので、従来構造では
採用が困難であった深溝かご形、あるいは２重かご形導
体の採用が容易となり、従って始動電流が低く、しかも
加速性能のよいものが得られる。特にこの種の電動機に
おいては、極数が少ない場合、従来の構造によるとコア
バック断面積の確保が困難となるが、本発明によればこ
れが容易となる。なお、該実施例において、誘導電動機
として動作するときのギャップ長は、実質的に磁石１５
と補強材１６の厚みが機械的ギャップ長に加わる長さと
なり、このために励磁電流が大きくなるという凝間が生
ずる（励磁電流はギャップ長に比例するため）かもしれ
ないが、この種電動機の励磁電流は、ほぼ定格電流程度
の値であり、始動電流（これは従来構造においては定格
電流の３Ｍ音程度になる）が、コアバック断面積の増加
及びスリット除去によって低減される値と比較すると、
この低減される値の方が大きく、結果的には始動電流は
低減されるのである。

またこの実施例の構造は、下記の２つの理由で高速化に
適する強度のものが得られ、かつ設計可能である。

第一に、コアにスリットを有していないため、従釆のも
のに比べて強度がはるかに大であり、コアには何ら補強
材を必要としない。第二に、該実施例の構造であればシ
ャフト１０の径を大きなものとすることができ、従って
軸危険速度を高くとれ、高速の電動機に通した構造のも
のが得られる。すなわち、電動機を高速化するためには
、ロータの危険速度を高くする必要があり、このために
シャフトの径を大きくする必要があるが、従来の磁石内
蔵式のロータにおいては、いずれもシャフト径を大きく
すると二次導体の断面積の減少が避けられず、同期化ト
ルクの減少となるために、大きな負荷慣性体は同期化困
難となる上、シャフト径を大きくすると磁石断面積の減
少により、同期運転時の出力の低下、及び力率の低下を
招くので、あまりシャフト径を大きくすることはできな
い。しかし本発明のように磁石をコア内に内蔵しない構
造とすれば、シャフト蚤を大きくしても二次導体及び磁
石の断面積の減少はなく、比較的容易にシャフトの径を
大きくすることができるから、鞠危険速度を大きくとれ
、高速電動機に通した構造のものが得られる。さらに上
記実施例のように磁石１５がロータの外周部に配置され
た構造においては、磁石１５の磁束発生断面積を大きく
することができるから、磁石の出す磁束量は大きくする
ことができる。

従って、同期運転時の出力を大きくすることができ、か
つ力率を高めることができる。さらに、上記横造によれ
ば、電動機を小形化することができる。これは、上記構
造のロー外こおいては、コァバック断面積が充分にとれ
、かつ磁石の断面積を広くすることができるためであり
、試作によれば、直径１０５肋、長さ１５５肋の従来構
造のロータを有する電動機と同一出力を得るに、本発明
の構造を採用した場合は、直径が８仇蚊、長さ８仇吻の
極めて小形化されたロータを用いれば充分であった。さ
らに上言己実施例の構造においては、上記のようにづ・
形化が可能となる上、コア製作用の打抜き型も容易に入
手しうる汎用コア型の中から適宜選択するだけでよく、
極数を変える場合はコアの打抜き型を変える必要がなく
磁石の着磁個所の数を変えればよく、組立ても容易であ
り、しかも補強材１６は、単に磁石１５を押さえるだけ
の作用をなすものでよく、例えば１２００仇ｐｍのもの
においては前記のように１．５肌厚のステンレス板で充
分であるから、ＳｍＣｏの磁石が従来この種電動機に用
いられていた磁石に比べて高価であるといえども、全体
としては従来のものに比べて安価に提供することが可能
となった。

さらに、コア内に磁束しや断用のスリットがないことに
より、一次電流の脈動が低減され、ィンバータ等の構成
素子への悪影響が軽減される。

本発明はその基本思想を変更しない範囲において種々の
変更、応用が可能である。第５図は補強材として、ステ
ンレス製リングの代りに帯状の板材１７を用いたもので
ある。すなわち、コア（図示せず）の外周にリング状の
磁石１５をのせ、その外周面に板材１７を巻いて磁石１
５を押さえるようにしたものである。このような構造と
すれば、組立てが容易であり、自動化が可能であるとい
う利点がある。さらに、この板材１７を、磁極の間、す
なわちＮ極とＳ極の中間点１８ａ，１８ｂで溶接すれば
、好都合である。その理由は、溶接により磁石の温度が
上がると材質の層変態が起こり、磁石の特性が低下する
が、極間の場合は磁石の特性劣化があまり問題とならな
いためである。また、リング状の磁石を用いる代りに、
第６図に示すように、弧状の磁石１９を用いた分割形の
磁石構造としてもよい。

このような分割形のものは、リング状のものに比べて製
作が容易であるという利点がある。また、始動時間及び
同期化トルクの面で若干の性能低下が許される用途に対
しては、第７図のようなロータ構造としてもよい。

すなわち、コア２０の外周に断面が弧状をなす複数個の
穴２１を鼠方向に開け、この穴２１に第６図に示したよ
うな弧状の磁石１９を鼓入してなるものである。このよ
うな構造であれば、磁石１９により発生する磁束は、隣
接する磁石間のコアの部分２２で短絡されるから、使用
可能な磁束量は減少するが、しかし前記のような補強材
を要しないから、生産工程が簡略化されるという利点が
ある。なお、本発明において、モータの極数、二次導体
の形状等は任意に設計可能である。

以上要約すると、本発明による自己始動形同期電動機は
、ｏ‐タ外周部にｉＨｃが１５ｋ比以上の磁石を設けて
構成されたものであり、このため、第一に、始動電流が
減少するのでィンバータ等の構成素子として低容量のも
のですみ、設備費の低減が可能であり、第二に高速モー
タが実現しえることから例えば紡糸工場等における生産
能率を上げることができ、第三に小形化「製作費の低廉
化が達成できるものである。

従って、本発明は工業上極めて優れた画期的な発明であ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は永久磁石形同期電動機における従来のロータの
構造を示す横断面図、第２図はロー外こ設けるスリット
数を変えた場合の電源周波数の変化に対する始動電流の
変化を示す特性図、第３図は本発明によるロータの一実
施例を示す横断面図、第４図は第３図のＡ−Ａ断面図、
第５図は本発明における磁石補強材の他の例を示す概略
図、第６図は本発明における磁石の他の例を示す斜視図
、第７図は本発明の他の実施例を示すロークの横断面図
である。 １０……シヤフト、１１，２０……ロータコア、１２・
・・・・・かご形二次導体、１３ａ，１３ｂ・・・…エ
ンドプレート、１４ａ，１４ｂ……エンドリング、１５
，１９・・・・・・磁石、１６，１７・・・・・・補強
村、１８ａ，１８ｂ・・・…溶接部、２１……弧状穴・
。 紫ｌ図 第２図 第３図 多４図 孫５図 豹３図 弟７図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 内部空間中に回転磁界を与えるステータと、該ステ
   ータの上記内部空間中にギヤツプを介して、該ステータ
   に対向して設けられたロータと、該ロータのコアの中に
   円周方向に沿つて設けられてなると共に上記回転磁界と
   の間での作用によりトルクを発生する二次導体と、上記
   ロータに同期トルクを発生させるための永久磁石とより
   成る永久磁石式同期電動機において、 上記永久磁石は
   、上記二次導体よりもステータに近い外側の位置であつ
   て、その円周方向に沿つて設けられると共に、電動機と
   しての運転時にステータからの減磁力によつて減磁され
   ない抗磁力を持たせてなるとともに、上記ロータのコア
   は磁石の磁束の短絡防止用スリツトを有しないことを特
   徴とする永久磁石式同期電動機。 ２ 上記永久磁石はｉＨｃが１５ｋＯｅ以上の抗磁力を
   持つサマリウム−コバルト系磁石を用いたことを特徴と
   する特許請求の範囲第１項記載の永久磁石式同期電動機
   。 ３ 前記永久磁石の外表面に補強材を補装したことを特
   徴とする特許請求の範囲第１項又は第２項記載の永久磁
   石式同期電動機。 ４ 前記補強材を、永久磁石に対してその極間位置にて
   溶接したことを特徴とする特許請求の範囲第３項記載の
   永久磁石式同期電動機。 ５ 前記コアの外周近傍に周方向にそつて複数個の穴を
   設け、該穴に永久磁石を収容してなる特許請求の範囲第
   １項又は第２項記載の永久磁石式同期電動機。