JP2004032918A

JP2004032918A - 永久磁石型回転電機

Info

Publication number: JP2004032918A
Application number: JP2002186490A
Authority: JP
Inventors: Hideaki Otsuka; 大塚　英明
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2002-06-26
Filing date: 2002-06-26
Publication date: 2004-01-29

Abstract

【課題】高回転数時の過大な誘起電圧を抑制することができて、大きなリラクタンストルクを得ることができる永久磁石型回転電機を提供すること。
【解決手段】ほぼ円筒状の固定子鉄心１２の内周面に固定子巻線１３が配設された固定子１１と、該固定子１１の内周側に所定の空隙Ｇを介して回転可能に支持された回転子１４とからなり、１４は、円柱状の回転子鉄心１５と、１５の軸方向両端面の円板の中心同士を結んだ位置に貫通配設された回転軸１９と、１５であって１９の外周面と１２の内周面と対向する部分に埋設され、各組は各々軸方向と直交する断面から見たときほぼＶ字状であって、該Ｖ字の角部が１９側に向くように配設された板状の永久磁石１６からなる少なくとも２組の回転子磁極と、１５であって１６と１２の対向する位置に回転子磁極に対してそれぞれ平行に形成されたほぼＶ字状の複数のスリット１７又は複数の穴１８を具備したもの。
【選択図】　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ほぼ円柱状の回転子鉄心の軸方向に複数の永久磁石を埋め込んで回転子磁極が構成された回転子を有する永久磁石型回転電機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種従来の永久磁石型回転電機の一例として、特開平１１−２７９１３号公報（第１の公知例）で開示されており、図６及び図７はこれを説明するための図である。すなわち、固定子１は、ほぼ円筒状の固定子鉄心２の内周側に形成されている複数の固定子巻線収納部２ａに夫々固定子巻線３が巻装されている。固定子鉄心２の内周側には空隙Ｇを介して回転子４が回転可能に設けられている。
【０００３】
この回転子４は、図７に示すようにほぼ円柱状の回転子鉄心５の軸方向に、回転子鉄心５の軸方向端面の円板の中心を結ぶ線上に貫通固定された回転軸１９と、回転子鉄心５であって回転軸の外周面と固定子鉄心２の内周面と対向する部分に、軸方向に沿って埋設され、軸方向と直交する断面から見たときほぼＶ字状であって、該Ｖ字の角部が回転軸１９側に向くように配設された２枚の板状の永久磁石６で１個の回転子磁極（回転子磁石極）を構成し、この回転子磁極が例えば４組からなり、回転子鉄心５の永久磁石６と回転子鉄心５の外周面で挟まれた部分に形成し、内部を空洞（空隙）とした軸方向断面が扇状の孔７とで構成されている。なお、各回転子磁極を構成する２枚の永久磁石６は、Ｎ極とＳ極とが交互になるように着磁されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、第１の公知例では孔７によって永久磁石６により発生する磁束が制限され、高回転数時における過大な誘起電圧を抑制する効果があるものの、孔７が固定子巻線３を流れる電流が作る磁極軸方向を通過する磁極軸方向磁束Ｂ１と磁極軸間方向を通過する磁極軸間方向磁束Ｂ２の両方を妨げる働きをするので、回転子４の磁極軸方向と磁極軸間方向の磁気抵抗差が大きくならず、大きなリラクタンストルクが得られない。その結果、永久磁石６によって発生するトルクとリラクタンストルクの総合トルクが大きくならないという問題があった。
【０００５】
以上述べた第１の公知例の問題点を改善するため、次のように構成した第２の公知例（特開２０００−３２７１８号公報）、第３の公知例（特開２０００−３２６９１号公報）、第４の公知例（特開平１１−２０６０４６号公報）、第４の公知例（特開平１１−１３６８９２号公報）、第５の公知例（特開平１１−１３６９１２号公報）がある。
【０００６】
このうち第２及び第３の公知例は、いずれも回転子鉄心の外周面側、つまり固定子鉄心の内周面側に対向する側に軸方向断面が扇状の永久磁石を形成し、かつこの永久磁石と回転軸の間に、変形Ｖ字状又はＩ字状のスリットを形成したものである。このように構成することにより、何等かの理由で回転子の外周側から永久磁石に対して強い逆磁界がかかった場合には、この逆磁界により永久磁石の磁界が相殺され、本来必要な永久磁石の磁束量が減少することから、所望の磁束量を得るためには永久磁石の体積を増やす必要が生じる。
【０００７】
また、第４の公知例は、円柱状の回転子鉄心の回転軸の周囲で軸方向に永久磁石が埋設され、該永久磁石と回転子鉄心の外周面の間に放射状の貫通孔が形成されているものであり、このような構成であるため第２及び第３の公知例の問題点は除去できるものの、該貫通孔によって回転子の回転方向が限定されるという問題点が新たに生ずる。
【０００８】
さらに、第５の公知例は、円筒状の第１及び第２のコアが同一面に並設され、第１のコアは磁石トルクを出すためのものであり、第２のコアはリラクタンストルクを出すためのものであり、この２種類のコアを同軸上に組み合わせたものであり、この場合にはコアを２種類必要とすることから、部品点数及び工程数が多くなるという問題がある。
【０００９】
本発明は以上のような事情に基づいてなされたものであり、その目的は高回転数時の過大な誘起電圧を抑制することができて、大きなリラクタンストルクを得ることができ、永久磁石の体積や部品点数、工程数を増やすことがなく、回転方向等の制約条件がなく、総合トルクを大きくすることができる永久磁石型回転電機を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、請求項１に対応する発明は、円筒状の固定子鉄心の内周面に固定子巻線が配設された固定子と、該固定子の内周側に所定の空隙を介して回転可能に支持された回転子とからなる永久磁石型回転電機において、前記回転子は、円柱状の回転子鉄心と、前記回転子鉄心の軸方向両端面の中心同士を結んだ位置に貫通配設された回転軸と、前記回転子鉄心の内部に前記回転軸と平行に夫々埋設され、各組は各々軸方向と直交する断面で見たときほぼＶ字状であって、該Ｖ字の角部が前記回転軸側に向くように配設された板状の永久磁石からなる少なくとも２組の回転子磁極と、前記回転子鉄心に設けられ、前記各回転子磁極に沿うように前記回転子磁極の外周面側にほぼＶ字状に形成された磁気抵抗形成部とを具備した永久磁石型回転電機である。
【００１１】
前記目的を達成するため、請求項３に対応する発明は、円筒状の固定子鉄心の内周面に固定子巻線が配設された固定子と、該固定子の内周側に所定の空隙を介して回転可能に支持された回転子とからなる永久磁石型回転電機において、前記回転子は、円柱状の回転子鉄心と、前記回転子鉄心の軸方向両端面の中心同士を結んだ位置に貫通配設された回転軸と、前記回転子鉄心の内部に前記回転軸と平行に夫々埋設され、各組は各々軸方向と直交する断面で見たときほぼＶ字状であって、該Ｖ字の角部が前記回転軸側に向くように配設された板状の永久磁石からなる少なくとも２組の回転子磁極と、前記回転子鉄心に設けられ、前記各回転子磁極に沿うように前記回転子磁極の外周面側にほぼＶ字状に形成された複数のスリット又は複数の穴とを具備した永久磁石型回転電機である。
【００１２】
前記目的を達成するため、請求項４に対応する発明は、円筒状の固定子鉄心の内周面に固定子巻線が配設された固定子と、該固定子の内周側に所定の空隙を介して回転可能に支持された回転子とからなる永久磁石型回転電機において、前記回転子は、円柱状の回転子鉄心と、前記回転子鉄心の軸方向両端面の中心同士を結んだ位置に貫通配設された回転軸と、前記回転子鉄心の内部に前記回転軸と平行に夫々埋設され、各組は各々軸方向と直交する断面で見たときほぼＶ字状であって、該Ｖ字の角部が前記回転軸側に向くように配設された板状の永久磁石からなる少なくとも２組の回転子磁極と、前記回転子磁極の各組に対して複数設けられ、その回転子磁極の該Ｖ字の角部と前記回転軸とを結ぶ磁極軸に対称に形成される各々内部を空隙とした孔とを具備した永久磁石型回転電機である。
【００１３】
請求項１、３、４のいずれかに対応する発明によれば、回転子鉄心の永久磁石に囲まれる部分に磁気抵抗形成部を形成したので、磁気抵抗形成部と永久磁石の間の部分が磁気飽和を起こすことによって永久磁石の磁束を制限し、固定子巻線を鎖交する磁束を低減することで過大な誘起電圧を抑制することができ、また、磁気抵抗形成部が固定子電流が作る磁極軸方向を通過する磁束を妨げ、磁極軸間方向を通過する磁束を妨げないことから、磁極軸方向の磁気抵抗は高く、磁極軸間方向の磁気抵抗は低くなって、リラクタンストルクを大きくできる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
【００１５】
始めに、本発明に係る永久磁石型回転電機の第１の実施形態について図１および２を参照しながら説明する。固定子１１は、ほぼ円筒状の固定子鉄心１２の内周面に形成された固定子巻線収納部１２ａに、固定子巻線１３が収納されており、これは図６の構成と同一である。
【００１６】
図６と異なる点は以下に述べる回転子の構成である。回転子１４は、固定子１１の内周側に所定の空隙Ｇを介して回転可能に支持されたものであって、以下のように構成されている。回転子１４は、円柱状の回転子鉄心１５と、回転子鉄心１５の軸方向両端面の円板の中心同士を結んだ位置に貫通配設された回転軸１９と、回転子鉄心１５に設けられ、回転軸１９の外周面と固定子鉄心１２の内周面と対向する部分でかつ軸方向に夫々埋設され、各組は各々軸方向と直交する断面から見たときほぼＶ字状であって、該Ｖ字の角部が回転軸１９側に向くように夫々形成された収容空間部１５ａ内に配設された板状の永久磁石１６からなる少なくとも２組（本実施形態では４組）の回転子磁極と、回転子鉄心１５に設けられ、各回転子磁極と固定子鉄心１２とに対向する位置で各回転子磁極に沿うように回転子軸１９の外周面側にほぼＶ字状に形成された磁気抵抗形成部、言い換えると回転子鉄心１５に設けられ、各回転子磁極と前記固定子鉄心とに対向する位置で各回転子磁極に対してそれぞれほぼ平行に形成され、各回転子磁極の磁極軸方向の磁気抵抗を回転子鉄心１５に比べて大きくし、かつ該各回転子磁極の磁極軸間方向の磁気抵抗を回転子鉄心１５に比べて小さくするための磁気抵抗形成部とを具備したものである。
【００１７】
磁気抵抗形成部は、具体的には以下に述べるスリット（細長い穴又は孔）１７、該スリット１７に非磁性材料を充填したもの、複数の穴（孔）１８に非磁性材料を充填したもの、穴１８と複数のスリット１７ａの組合わせからなるもの、穴１８と複数のスリット１７ａの組合わせたもので穴１８とスリット１７ａに夫々非磁性材料を充填したもの、これらのいずれかで構成したものである。
【００１８】
第１の実施形態は、磁気抵抗形成部として、図１及び図２に示すように複数のスリット１７を形成したものである。具体的には、回転子鉄心１５であって各永久磁石１６と固定子鉄心１２の対向する位置に各永久磁石１６に対してそれぞれ平行に形成されたほぼＶ字状の複数のスリット（空洞）１７を形成したものである。
【００１９】
以上述べた第１の本実施形態によれば、回転子鉄心１５の永久磁石１６に囲まれる部分には永久磁石１６の配置に沿って内部を空洞としたスリット１７を形成したから、回転子鉄心１５のスリット１７と永久磁石１６の間の部分が磁気飽和を起こすことによって永久磁石１６の磁束を制限し、固定子巻線１３を鎖交する磁束を低減することで過大な誘起電圧を抑制することができ、また、スリット１７が固定子電流が作る磁極軸方向を通過する磁束Ｂ１を妨げ、磁極軸間方向を通過する磁束Ｂ２を妨げないことから、磁極軸方向の磁気抵抗は高く、磁極軸間方向の磁気抵抗は低くなって、リラクタンストルクを大きくできる。
【００２０】
なお、この場合の磁極軸は、各磁石極における永久磁石１６の接触部のうち対向するもの同士を結ぶ直線のことである。
【００２１】
ここで、永久磁石式回転電機のトルクＴは式（１）で示される。
【００２２】
Ｔ＝Ｐ｛φｉｑ＋（Ｌｄ−Ｌｑ）ｉｄｉｑ｝　　　　（１）
Ｐ：極対数、φ：永久磁石による鎖交磁束、Ｌｄ：磁極軸方向のインダクタンス、Ｌｑ：磁極軸間方向のインダクタンス、ｉｄ：固定子巻線電流の磁極軸方向成分、ｉｑ：固定子巻線電流の磁極間軸方向成分。
【００２３】
一般に磁気抵抗が低ければインダクタンスは高くなり、スリット１７によって磁極軸方向の磁気抵抗が高く、磁極軸間方向の磁気抵抗が低くなることから、磁極軸方向のインダクタンスは低く、磁極軸間方向のインダクタンスは高くなる。スリット１７により固定子巻線１３を鎖交する磁束が低くなるので、（１）式第１項は小さくなるが、インダクタンス差が大きくなるので第２項は大きくなり、総合トルク自体は大きくできる。
【００２４】
従って、第１の実施形態では、高回転数時において誘起電圧を高くすることなく高トルクを得ることができる。
【００２５】
第２の実施形態は、磁気抵抗形成部として、図３に示すように前述した第１の実施形態のスリット１７を形成せず、このスリット１７の形成されている部分に、次のような複数の孔１８を形成したものである。回転子鉄心１５に埋設されている永久磁石１６と回転子鉄心１５の外周面との間であって、各永久磁石１６に対して平行になるようにの配置に沿って内部を空隙とした複数の孔１８を磁極軸を中心に対称に形成している。
【００２６】
この第２の実施形態においても高回転数時において誘起電圧を高くすること無く高トルクを得ることができる。この場合、図１及び図２に示すようなスリット１７ではなく、複数の孔１８であることから回転子鉄心１５は強度的に強くなる。
【００２７】
第３の実施形態は、磁気抵抗形成部として、図４に示すように、この第３の実施形態を次のようにしたものである。すなわち、回転子鉄心１５の永久磁石１６に囲まれる部分の磁極軸上に内部を空洞とした孔１８を形成し、前記孔１８を中心に永久磁石１６の配置に沿って複数のスリット１７ａを形成している。
【００２８】
この第３の実施形態においても高回転数時において誘起電圧を高くすること無く高トルクを得ることができる。特に、磁極軸上に必ず孔１８を設けることにより高回転数時の応力の集中を防ぐことができ、また、複数のスリット１７ａおよび孔１８であることから回転子鉄心１５は強度的に強くなる。
【００２９】
第４の実施形態は、図５に示すように、各回転子磁極を構成する永久磁石１６の両端部と回転軸１９中心を結ぶ線で形成される角度が、磁極軸を中心に電気角で１１５〜１２０度の範囲に形成したものである。これは、前述の第１〜第３の実施形態の全てに適用できる。
【００３０】
この第４の実施形態においても高回転数時において誘起電圧を高くすること無く高トルクを得ることができる。特に、永久磁石１６が形成する磁極の両端部と回転軸１９中心とがなす角度を磁極軸を中心に電気角１１５〜１２０度の範囲にすることで磁極間軸上の突極性が大きくなり、より大きなリラクタンストルクを発生することができる。
【００３１】
第５の実施形態は、第１の実施形態のスリット１７、第２の実施形態の孔１８、第３の実施形態のスリット１７及び孔１８のいずれか叉はこれらの全てに非磁性材のステンレスを埋め込んだものである。このように構成することにより、前述の各実施形態での効果が得られることは言うまでもなく、スリット１７叉はおよび孔１８に非磁性材のステンレスを埋め込んだ分機械的強度が向上する。
【００３２】
第６の実施形態は、第１の実施形態のスリット１７、第２の実施形態の孔１８、第３の実施形態のスリット１７及び孔１８のいずれか叉はこれらの全てに、導電性の非磁性材例えば銅またはアルミニウムを埋め込んだものである。第６の実施形態によれば、前述の各実施形態での効果が得られることは言うまでもなく、過渡的に非同期になったときに充填された導電性の非磁性材に電流が流れ、安定して回転する。
【００３３】
【発明の効果】
本発明によれば、高回転数時の過大な誘起電圧を抑制することができて、大きなリラクタンストルクを得ることができ、永久磁石の体積や部品点数、工程数を増やすことがなく、回転方向等の制約条件がなく、総合トルクを大きくすることできる永久磁石型回転電機を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の永久磁石型回転電機の第１の実施形態を示す縦断面図。
【図２】図１の回転子のみを拡大して示す縦断面図。
【図３】本発明の永久磁石型回転電機の第２の実施形態における回転子のみを拡大して示す縦断面図。
【図４】本発明の永久磁石型回転電機の第３の実施形態における回転子のみを拡大して示す縦断面図。
【図５】本発明の永久磁石型回転電機の第４の実施形態における回転子のみを拡大して示す縦断面図。
【図６】従来の永久磁石型回転電機の一例を示す縦断面図。
【図７】図６の回転子のみを拡大して示す縦断面図。
【符号の説明】
１…固定子
２…固定子鉄心
２ａ…固定子巻線収納部
３…固定子巻線
４…回転子
５…回転子鉄心
６…永久磁石
７…孔
１１…固定子
１２…固定子鉄心
１２ａ…固定子巻線収納部
１３…固定子巻線
１４…回転子
１５…回転子鉄心
１５ａ…収容空間部
１６…永久磁石
１７…スリット
１７ａ…スリット
１８…穴
１８…孔
１９…回転軸

Claims

円筒状の固定子鉄心の内周面に固定子巻線が配設された固定子と、該固定子の内周側に所定の空隙を介して回転可能に支持された回転子とからなる永久磁石型回転電機において、
前記回転子は、
円柱状の回転子鉄心と、
前記回転子鉄心の軸方向両端面の中心同士を結んだ位置に貫通配設された回転軸と、
前記回転子鉄心の内部に前記回転軸と平行に夫々埋設され、各組は各々軸方向と直交する断面で見たときほぼＶ字状であって、該Ｖ字の角部が前記回転軸側に向くように配設された板状の永久磁石からなる少なくとも２組の回転子磁極と、
前記回転子鉄心に設けられ、前記各回転子磁極に沿うように前記回転子磁極の外周面側にほぼＶ字状に形成された磁気抵抗形成部と、
を具備した永久磁石型回転電機。
前記磁気抵抗形成部は、スリット、該スリットに非磁性材料を充填したもの、複数の穴、該各穴に非磁性材料を充填したもの、穴とスリットを組み合わせたもの、穴とスリットに夫々非磁性材料を充填したもののいずれかで構成したものである請求項１記載の永久磁石型回転電機。
円筒状の固定子鉄心の内周面に固定子巻線が配設された固定子と、該固定子の内周側に所定の空隙を介して回転可能に支持された回転子とからなる永久磁石型回転電機において、
前記回転子は、
円柱状の回転子鉄心と、
前記回転子鉄心の軸方向両端面の中心同士を結んだ位置に貫通配設された回転軸と、
前記回転子鉄心の内部に前記回転軸と平行に夫々埋設され、各組は各々軸方向と直交する断面で見たときほぼＶ字状であって、該Ｖ字の角部が前記回転軸側に向くように配設された板状の永久磁石からなる少なくとも２組の回転子磁極と、
前記回転子鉄心に設けられ、前記各回転子磁極に沿うように前記回転子磁極の外周面側にほぼＶ字状に形成された複数のスリット又は複数の穴と、
を具備した永久磁石型回転電機。
円筒状の固定子鉄心の内周面に固定子巻線が配設された固定子と、該固定子の内周側に所定の空隙を介して回転可能に支持された回転子とからなる永久磁石型回転電機において、
前記回転子は、
円柱状の回転子鉄心と、
前記回転子鉄心の軸方向両端面の中心同士を結んだ位置に貫通配設された回転軸と、
前記回転子鉄心の内部に前記回転軸と平行に夫々埋設され、各組は各々軸方向と直交する断面で見たときほぼＶ字状であって、該Ｖ字の角部が前記回転軸側に向くように配設された板状の永久磁石からなる少なくとも２組の回転子磁極と、
前記回転子磁極の各組に対して複数設けられ、その回転子磁極の該Ｖ字の角部と前記回転軸とを結ぶ磁極軸に対称に形成される各々内部を空隙とした孔と、
を具備した永久磁石型回転電機。
前記永久磁石が形成する磁極の両端部と回転軸中心とがなす角度が、磁極軸を中心に電気角１１５〜１２０度の範囲にあることを特徴とする請求項３〜４のいずれかに記載の永久磁石型回転電機。
前記スリットあるいは孔に非磁性材を充填してなることを特徴とする請求項３〜４のいずれかに記載の永久磁石型回転電機。
前記スリットあるいは孔には導電性の非磁性材を充填してなることを特徴とする請求項３〜４のいずれかに記載の永久磁石型回転電機。