JP2010178535A - 永久磁石式回転電機の回転子及びその回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】ブリッジ部における漏れ磁束量を低減し、トルク特性を向上させることができる永久磁石式回転電機の回転子及びその回転電機を提供する。
【解決手段】磁性体スロット１１のブリッジ部１２側の端部に永久磁石１３の角部１３１が当接又は近接する逃げ孔部１４を設け、永久磁石１３の角部１３１がブリッジ部１２側に近づくように、より好ましくは永久磁石１３間の距離（点Ｐ１、Ｐ２の相互間の距離）Ｄ２がブリッジ部１２の幅Ｄ１とほぼ等しくなるように永久磁石１３を配置することにより、永久磁石１３から生じてブリッジ部１２に流入する磁束の量の制限、即ち漏れ磁束量の低減を図る。また、この回転子３を永久磁石式回転電機に用いることにより、トルク特性を向上させる。
【選択図】図３

Description

本発明は、磁極形成用の永久磁石を備えた永久磁石式回転電機の回転子及びその回転電機に関する。

従来、図７に示すように、Ｖ字状に配置された一対の磁性体スロット（磁性体挿入孔）１００を回転子鉄心１０１の外周部に複数形成し、それぞれに永久磁石１０２を挿入した回転子１０３を用いた永久磁石式回転電機が知られている。このような回転電機では、透磁率が高い鉄心材の幅を狭くしたブリッジ部１０４を一対の磁性体スロット１００間に形成し、永久磁石１０２から生じてブリッジ部１０４に流入する磁束を幅狭なブリッジ部１０４で飽和させることにより、漏れ磁束量を抑制して回転電機のトルク特性の向上が図られている。このとき、回転時の遠心応力による破損を防止するために、磁性体スロット１００の端部には、例えば円弧状の逃げ孔部１０５が設けられている（例えば特許文献１、２参照）。

特開平９−２９４３４４号公報詳細 特開２００１−３３９９１９号公報

しかしながら、図８（図７のＶＩＩＩ部の拡大図）に示すように、ブリッジ部１０４に流入する磁束φ０は、その多くがブリッジ部１０４を流れる磁束φ１を形成するものの、一部は永久磁石１０２と磁性体スロット１００との間の空隙Ｇを流れる磁束φ２を形成する。つまり、磁束φ０の総量が多い場合には、ブリッジ部１０４が磁束φ１で飽和したとしても、ブリッジ部１０４に沿って空隙Ｇを流れる磁束φ２が存在するために、ブリッジ部１０４における漏れ磁束量が増大してしまう。その結果、回転電機のトルク特性が低下するとともに、特に埋め込み磁石式の場合にはリラクタンストルクも低下してしまい、トルク特性がさらに低下するという問題がある。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、ブリッジ部における漏れ磁束量を低減し、トルク特性を向上させることができる永久磁石式回転電機の回転子及びその回転電機を提供することにある。

本発明の永久磁石式回転電機の回転子は、回転子鉄心と、前記回転子鉄心の外周部に周方向に一定の間隔を存して複数設けられ、外周に向かうに従って対向距離が順次大となって相互間に幅狭なブリッジ部が形成された一対の磁性体挿入孔と、前記一対の磁性体挿入孔にそれぞれ挿入された永久磁石と、前記一対の磁性体挿入孔のブリッジ部側の端部にそれぞれ設けられ、前記永久磁石の角部と当接又は近接し、その当接又は近接する点相互間の距離が前記ブリッジ部の幅と略等しくなる逃げ孔部と、を備えることを特徴とする。

本発明の永久磁石式回転電機は、上記の回転子を用いたことを特徴とする。

本発明の回転子によれば、永久磁石の角部が当接又は近接する逃げ孔部をブリッジ部に設け、その当接又は近接する点相互間の距離とブリッジ部の幅とをほぼ等しくしたので、永久磁石から生じる磁束のうちブリッジ部に流入する磁束は、その総量が前記相互間の距離によって抑制される。これにより、ブリッジ部における漏れ磁束量が低減され、トルクに寄与する有効な磁束量の増加、つまりトルク特性を向上させることができる。

また、本発明の回転電機によれば、上記した回転子を用いることにより、トルク特性を向上させることができる。

本発明の第１実施形態による永久磁石式回転電機の概略を示す図 回転子の外周側の一部を示す図 逃げ孔部の概略を示す拡大図 本発明の第２実施形態による図２相当図 本発明の第２実施形態による図３相当図 逃げ孔部を形成する円弧形状の中心点の範囲を示す図 従来の構成による図２相当図 従来の構成による図３相当図

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態につき、図１から図３に基づいて説明する。
図１は、リラクタンス型の永久磁石式回転電機（以下、単に回転電機と称する）１の概略を示す図である。回転電機１は、固定子２及び固定子２の内周側に配置された回転子３から構成されている。固定子２は、固定子鉄心４に、複数相、例えば三相のコイルであるＵ相コイル５、Ｖ相コイル６、Ｗ相コイル７が巻装されている。固定子鉄心４は、例えば珪素鋼板を複数枚積層して一体的に形成された円環状をなしており、この固定子鉄心４の内周面には、各コイル５〜７を配設するための固定子スロット８が複数個所、例えば４８箇所に形成されている。

回転子３は、例えば珪素鋼板をプレス加工などで打ち抜くことにより円環状に形成された鉄心材を複数積層してなる回転子鉄心９と、回転子鉄心９の内周部に設けられた回転軸１０とを有している。回転子３は、その外周面と固定子２の内周面との間に僅かな隙間（エアギャップ）を隔てて回転可能に配置されている。回転軸１０は、回転子鉄心９を鉄心材の積層方向に貫いており、回転子鉄心９に固定されている。

回転子鉄心９の外周部には、外周に向かうに従って対向距離が順次大となる一対の磁性体スロット１１（本発明でいう磁性体挿入孔）が複数対、例えば八対、周方向に一定の間隔を存して設けられており、回転子鉄心９を鉄心材の積層方向（軸方向）に貫いている。これら一対の磁性体スロット１１は回転子３の内周側から視てＶ字状に配置されており、その中心部分、即ちＶ字の要部分にはブリッジ部１２が形成されている。ブリッジ部１２は、回転子３の回転によって永久磁石１３が遠心力を受けても破損しない強度を有している一方、後述する漏れ磁束の対策として、できるだけ幅狭に形成されている。これら一対の磁性体スロット１１及びブリッジ部１２は、ブリッジ部１２の中心及び回転子３の中心点Ｏを通る中心線Ｌｃに対して左右対称（線対称）に形成されている。

図２は、回転子鉄心９の外周側の一部を示す図（図１のＩＩ部の拡大図）である。磁性体スロット１１には、例えばフェライト磁石、或いはネオジムなどの希土類元素を含む希土類磁石などで形成された永久磁石１３がそれぞれ挿入されている。永久磁石１３は、一対の磁性体スロット１１では同じ極（図２ではＮ極）が回転子３の外周側に位置するように配置されているとともに、周方向に隣接する磁性体スロット１１では外周側に位置する極性が互いに逆になるように配置されている。これにより、回転子３の周方向には、互いに極性の異なる磁極が交互に形成されている（図１参照）。

このような構成を備えた回転子３には、磁石モータとして考えた場合に、磁束が通り難い磁気的凹部（ｄ軸）と磁束が通り易い磁気的凸部（ｑ軸）とが形成され、ｄ軸では磁気抵抗が高く、ｑ軸では磁気抵抗が低くなる。この磁気抵抗の変化によってリラクタンストルクが発生するとともに、永久磁石１３と固定子２の磁極との間の磁気吸引力および磁気反発力によってもトルクが発生し、回転子３は回転する。

ところで、回転電機１の回転の高速化に伴い、磁性体スロット１１に加わる永久磁石１３による遠心応力も大きくなることから、磁性体スロット１１の端部には遠心応力を緩和するための円弧状の逃げ孔部１４が設けられている。

図３は、ブリッジ部１２側に形成された逃げ孔部１４の概略を示す拡大図である。逃げ孔部１４は、その外縁が円弧状に形成され、外縁上の点Ｐ１、Ｐ２において永久磁石１３の角部１３１と当接又は近接している。ここで、「近接」とは、永久磁石１３の角部１３１と逃げ孔部１４の外縁との間の隙間が極めて小である状態を意味している。尚、この逃げ孔部１４は、略直方体に形成された永久磁石１３を磁性体スロット１１に挿入するとき、或いは回転時に応力が加わったときなど、その角部１３１が破損しないように保護する機能も兼ね備えている。

さて、図８に示すように、永久磁石１０２（１３）から生じてブリッジ部１０４（１２）に流入する磁束量がブリッジ部１０４（１２）を飽和させるのに必要な磁束量よりも多い場合には、永久磁石１０２（１３）と磁性体スロット１００（１１）との間の空隙Ｇを流れる磁束φ２が発生し、漏れ磁束量の増加、即ち回転に有効な磁束量の低下を招くことになる（尚、括弧内の数字は、本実施形態における符号を示している）。

そこで、本実施形態の回転子３は、逃げ孔部１４の形状を工夫することにより、ブリッジ部１２に流入する磁束の総量を制限するように構成されている。
逃げ孔部１４は、その外縁が円弧状に形成され、外縁上の点Ｐ１及び点Ｐ２において永久磁石１３の角部１３１が当接（又は近接）している。このとき、点Ｐ１及びＰ２における接線Ｌ１、Ｌ２は、中心線Ｌｃとほぼ平行となっている。即ち、点Ｐ１及び点Ｐ２は、逃げ孔部１４の外縁上において、最もブリッジ部１２の中心線Ｌｃ側に位置する点である。換言すると、永久磁石１３は、逃げ孔部１４において、点Ｐ１と点Ｐ２と間の距離（点Ｐ１、Ｐ２相互間の距離）Ｄ２が最も短くなる状態、つまり、最も永久磁石１３間の距離Ｄ２が短くなる状態に配置されている。尚、図３には、従来構成の永久磁石１０２の位置を二点鎖線にて示している。

このように、点Ｐ１及び点Ｐ２間の距離、即ち一対の永久磁石１３間の距離Ｄ２が短くなる状態に磁束が通り難い永久磁石１３を配置することにより、磁路の断面積（本実施形態では、点Ｐ１と点Ｐ２とを通り、回転軸１０に平行な面で回転子鉄心３を切断した場合の断面積に相当）が小さくなり、その結果、永久磁石１３間における磁気抵抗が高くなる。つまり、ブリッジ部１２に流入する磁束の量は、永久磁石１３間の距離Ｄにより制限される。これにより、空隙Ｇに流出する磁束量が低減される。尚、本実施形態では、「永久磁石１３間の距離」を、「一対の磁性体スロット１１に挿入された一対の永久磁石１３の角部１３１間の距離」として定義しており、点Ｐ１、Ｐ２相互間の距離と永久磁石間の距離とがほぼ一致している。

このような回転子３では、永久磁石１３間の距離Ｄ２が従来構成（図８参照）の距離Ｄ０よりも短いものの、永久磁石１３間の距離Ｄ２とブリッジ部１２の幅Ｄ１とはほぼ等しくなるようにしているため、逃げ孔部１４を形成した場合であっても、回転時に破損しないだけの強度を持たせることができる。

また、永久磁石１３間の距離Ｄ２を短くすることにより、永久磁石１３の長さＷ１（図２参照）を、従来構成の長さＷ０に対してΔＷだけ長くすること可能となる。これにより、永久磁石１３の量が増加し、磁石トルクに寄与する磁束量を増加させることが可能となる。この場合、図２に示すように回転子鉄心９の周方向に形成される各磁極の幅Ｄ３は従来構成と同じであることから、固定子２側に大きな設計変更を加える必要はない。

以上説明した第１実施形態による回転子３及びこの回転子３を用いた回転電機１によれば次のような効果を得ることができる。
磁性体スロット１１のブリッジ部１２側の端部に逃げ孔部１４を設け、永久磁石１３の角部１３１が当接（又は近接）するように配置したので、永久磁石１３間の距離Ｄ２が短くなり、永久磁石１３から生じる磁束のうち、ブリッジ部１２に流入し、回転に寄与しない磁束（漏れ磁束）の量を抑制することが可能となる。これにより、ブリッジ部１２における漏れ磁束量を低減することができ、トルク特性を向上させることができる。

磁性体スロット１１の端部に円弧状の逃げ孔部１４を形成したので、回転時の遠心応力により磁性体スロット１１が破損するおそれを低減することができる。
永久磁石１３の角部１３１が当接（又は近接）する点Ｐ１及び点Ｐ２における接線Ｌ１及びＬ２をブリッジ部１２の中心線Ｌｃとほぼ平行になるようにしたので、永久磁石１３間の距離Ｄ２が最も短くなる状態に永久磁石１３を配置することが可能となり、ｄ軸インダクタンスが小さくなることから、リラクタンストルクを大きくすることができる。

永久磁石１３間の距離Ｄ２、即ち逃げ孔部１４間の最小幅は、ブリッジ部１２の幅Ｄ１とほぼ等しいので、逃げ孔部１４間に位置する鉄心材に十分な強度を与えることができ、回転時の遠心応力により逃げ孔部１４の近傍が破損するおそれを低減することができる。
永久磁石１３の長さをΔＷだけ長くすることができるので、永久磁石１３の量が増加、即ちトルクに寄与する磁束量が増加することから、回転電機１のトルク特性の向上を図ることができる。
上述した効果を奏する回転子３を用いたので、トルク特性が向上した回転電機１を得ることができる。また、永久磁石１３が形成する磁極の幅Ｄ３は従来構成と同じであるので、大きな設計変更を加えることなく、トルク特性が向上した回転電機１を得ることができる。

逃げ孔部１４の外縁を円弧状に形成したので、鉄心材の製造時（打ち抜き時）には標準の金型を用いることができ、製造後の品質管理工程には円弧部分の曲率の検査作業が軽減される。また、逃げ孔部１４を設けたので、永久磁石１３の角部１３１などを面取り（研削加工）する必要が無い。従って、製造コストを低減することができる。

（第２実施形態）
以下、本発明の第２実施形態の回転子を図４から図６に基づいて説明する。第２実施形態の回転子は、永久磁石を配置する角度を変更することにより永久磁石間の距離を短くしている点において第１実施形態の回転子と異なっている。尚、第１実施形態による回転子と実質的に同一の構成に対しては同一の符号を付して説明を省略する。

第２実施形態の回転子３は、図５（図４のＶ部の拡大図）に示すように、従来構成（図７参照）と同じ長さ寸法Ｗ０を有する永久磁石１３を、永久磁石１３のブリッジ部１２と反対側の端部近傍の点Ｐ５及び点Ｐ６（図４、図７参照）を支点として、ブリッジ部１２側の角部１３１を回転子３の外周側にα°だけ回転させた構成となっている。つまり、従来構成では点Ｐ７及び点Ｐ８に位置していた永久磁石１０２の角が、それぞれ点Ｐ３及びＰ４の位置に移動している。

磁性体スロット１１のブリッジ部１２側の端部には、第１実施形態と同様に逃げ孔部１４が設けられており、永久磁石１３の角部１３１は、点Ｐ３及び点Ｐ４においてこの逃げ孔部１４の外縁に当接（又は近接）している。このとき、点Ｐ３及び点Ｐ４における接線Ｌ３及び接線Ｌ４は、中心線Ｌｃと概ね平行であるものの僅かにずれており、ブリッジ部１２及び回転子３の中心点Ｏ（図５には図示せず）を通っている。

このように、永久磁石１３の長さを従来の永久磁石１０２に対して変更しなくとも、永久磁石１３の配置（角度）を変更することにより、点Ｐ３、Ｐ４相互間の距離、即ち永久磁石１３間の距離Ｄ４を、従来構成の距離Ｄ０よりも短く、且つブリッジ部１２の幅Ｄ１とほぼ等しくすることが可能となる。

ところで、接線Ｌ３及びＬ４が中心線Ｌｃとのずれが大きくなると、永久磁石１３間の距離Ｄ４とブリッジ部１２の幅Ｄ１との差が大きくなり、ブリッジ部１２に流入する磁束量を抑制することができなくなるおそれがある。そこで、本実施形態では、逃げ孔部１４を形成する円弧形状の中心点について、その位置を以下のように制限している。

図６は、逃げ孔部１４の外縁を形成する円弧の中心点の集合である移動範囲（中心点の軌跡）Ｃを示す図である。ブリッジ部１２の中心線Ｌｃに垂直で、点Ｐ３及びＰ４を通る線Ｌ５と永久磁石１３の長辺とがなす角をθ°とすると、上記円弧の中心点は、点Ｐ３或いは点Ｐ４を中心とした円周上にあり、且つ線Ｌ５に対して±１／２θ°の範囲にある円弧上、つまり移動範囲Ｃ上に位置するように構成されている。これにより、永久磁石１３の角部１３１が接する点Ｐ３及びＰ４の位置が、逃げ孔部１４の外縁において、ブリッジ部１２の近傍に位置するようになる。

逃げ孔部１４の外縁を形成する円弧の中心点を、上記のようにその位置を制限することにより、点Ｐ３及び点Ｐ４間の距離Ｄ４、即ち永久磁石１３間の距離Ｄ４を極力短くすることが可能となる。このとき、距離Ｄ４とブリッジ部１２の幅Ｄ１とをほぼ等しくすると、より望ましい配置になる。尚、本実施形態では、円弧形状の中心点は、線Ｌ５上の点Ｃ０（線Ｌ５と移動範囲Ｃとの交点）より僅かに図示下方の位置に設定されており、点Ｐ３及び点Ｐ４における接線Ｌ３及びＬ４が回転子３の中心点Ｏを通っている。

従って、第２実施形態においても、ブリッジ部１２における漏れ磁束量を抑制できるなど、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。特に、第２実施形態では、逃げ孔部１４の外縁を形成する円弧の中心を円弧Ｌ６上に配置したので、永久磁石１３間の距離Ｄ４がブリッジ部１２の幅Ｄ１とほぼ等しい範囲に制限され、ブリッジ部１２に流入する磁束の総量を効果的に抑制することができる。

また、永久磁石１３の大きさを変更していないので、既存の製品と部材の共通化を図ることが可能となり、製造コストを低減することができる。勿論、第２実施形態による回転子３を用いることにより、トルク特性が向上した回転電機１を得ることができる。

（その他の実施形態）
本発明は上記し且つ図面に示した実施形態に限定されず、次のような変形、拡張が可能である。
磁性体スロットのブリッジ部とは反対側（回転子鉄心の外周側）の端部に幅狭な外周側ブリッジ部を形成し、外周側ブリッジ部にも本発明を適用してもよい。
逃げ孔部の外縁は、その全域に渡って同一中心点の円弧で形成する必要はなく、複数の円弧を組み合わせて形成してもよく、円弧に限らず曲線で形成してもよい。
第２実施形態で説明した逃げ孔部の円弧形状の位置関係の制限（中心点を移動範囲Ｃ上に設ける）を、第1実施形態による逃げ孔部に適用してもよい。

図面中、１は永久磁石式回転電機、３は回転子、９は回転子鉄心、１１は磁性体スロット（磁性体挿入孔）、１２はブリッジ部、１３は永久磁石、１４は逃げ孔部、１３１は角部、Ｄ２、Ｄ４は点相互間の距離（角部間の距離）、Ｄ１はブリッジ部の幅、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４は接線、Ｌｃは中心線、Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４は点を示す。

Claims (3)

1. 回転子鉄心と、
   前記回転子鉄心の外周部に周方向に一定の間隔を存して複数設けられ、外周に向かうに従って対向距離が順次大となって相互間に幅狭なブリッジ部が形成された一対の磁性体挿入孔と、
   前記一対の磁性体挿入孔にそれぞれ挿入された永久磁石と、
   前記一対の磁性体挿入孔のブリッジ部側の端部にそれぞれ設けられ、前記永久磁石の角部と当接又は近接し、その当接又は近接する点相互間の距離が前記ブリッジ部の幅と略等しくなる逃げ孔部と、
   を備えることを特徴とする永久磁石式回転電機の回転子。
2. 前記逃げ孔部は、その外縁が円弧状に形成され、前記永久磁石の角部が当接又は近接する点における接線が前記ブリッジ部の中心線と略平行になっていることを特徴とする請求項１記載の永久磁石式回転電機の回転子。
3. 請求項１または２記載の回転子を用いたことを特徴とする永久磁石式回転電機。

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