JP2010279157A - 永久磁石型回転機 - Google Patents

Abstract

【課題】少ない磁石量で高トルクを得る最適化を行なって、所望のトルクを得るために、省資源化を図って低コスト化した永久磁石型回転電機を提供する。
【解決手段】励磁コイル６を巻装した固定子３と、該固定子３と所定の空隙を隔てて対向して回転する回転子４とを備えた永久磁石型回転機であって、前記回転子４は、回転子コア１２の表面に永久磁石２１を円周方向に隣接する極性が異なるように突出して配設した表面磁石部１３と、前記回転子コア１２内を軸方向に貫通するスロット３１を前記表面磁石部の永久磁石２１と対応させて設け、該スロット３１に当該表面磁石部１３と同極性となるように永久磁石３２を挿入した埋込磁石部１４とを備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、固定子と所定の空隙を有して対向して回転する回転子とを備えた永久磁石型回転機に関する。

従来の永久磁石型回転機を大別すると、表面磁石形回転機と埋込磁石形回転機とに分けられる。
表面磁石形回転機は、回転子表面に磁石を貼り付け、磁石から発生する磁束が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を利用した回転機であり、高応答性等の特徴からサーボ用回転機を中心に広く用いられている。

一方、埋込磁石形回転機は、回転子内部に永久磁石を備え、上述した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トルクを利用した回転機であり、固定子と回転子との間の空隙を表面磁石形回転機に比して狭くでき、小型高出力の回転機として広く用いられている。
この埋込磁石形回転機において、トルクを増大する方法の一つとしては、磁石量を増加してマグネットトルクを増大させる方法が考えられるが、回転機の電磁部材コストの内訳を見ると磁石価格が大部分を占め、近年の磁石価格高騰により、回転機製造コストが大幅に増加するという問題が生ずる。

上記問題を解決するために、従来、回転子内部に永久磁石を埋込むとともに、回転子内部外周面に永久磁石を埋込み、少量の永久磁石によってマグネットトルクを増大し、回転機のトルクを増大する施策が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００３−６１２８０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、回転子内部に永久磁石を埋込むとともに、回転子の表面にも永久磁石を埋込む構成を有するので、回転子外周面において隣接する永久磁石間の回転子コアを構成する鉄心に、磁気飽和が起こり易く、高出力時のトルク性能が劣化する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、回転子外周面における磁気飽和を抑制して、少ない磁石量で高トルクを得ることができる永久磁石型回転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、本発明の一の形態に係る永久磁石型回転機は、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た永久磁石型回転機であって、
前記回転子は、回転子コアの表面に永久磁石を円周方向に隣接する極性が異なるように突出して配設した表面磁石部と、
前記回転子コア内を軸方向に貫通するスロットを前記表面磁石部の永久磁石と対応させて設け、該スロットに当該表面磁石部と同極性となるように永久磁石を挿入した埋込磁石部と
を備えたことを特徴としている。

また、本発明の他の形態に係る永久磁石型回転機は、前記スロットを複数に分割し、分割した各スロットに同極性の永久磁石を挿入したことを特徴としている。
さらに、本発明の他の形態に係る永久磁石型回転機は、前記スロットを二分割し、分割したスロットを軸方向端面から見たときに回転中心に対して凸としたＶ字形状に配置し、分割した各スロットに同極性の永久磁石を挿入したことを特徴としている。

本発明によれば、回転子が、回転子コアの表面に永久磁石を円周方向に隣接する極性が異なるように突出して配設した表面磁石部と、前記回転子コア内を軸方向に貫通するスロットを前記表面磁石部の永久磁石と対応させて設け、該スロットに当該表面磁石部と同極性となるように永久磁石を挿入した埋込磁石部とを備えているので、表面磁石部で表面磁石形回転機が有する高トルク性能を実現することができる。また、表面磁石部に併せて回転子内部に設けたスロットに永久磁石を挿入する埋込磁石部を構成したので、マグネットトルクの他にリラクタンストルクをも利用することができ、表面磁石部によるマグネットトルクと合わせて回転機全体のトルクを増大することができる。しかも、表面磁石部は回転子コアの外周面に永久磁石を突出させて配置するだけで良いので、組立を容易に行うことができるとともに、永久磁石の剛性が低下することもない。

本発明の第１の実施形態を示す永久磁石型回転機を示す断面図である。 図１の回転子を示す軸方向端面図である。 図１のＡ−Ａ線上の断面図である。 本発明の第２の実施形態を示す永久磁石型回転機を示す断面図である。 本発明の第３の実施形態を示す永久磁石型回転機を示す断面図である。

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、永久磁石型回転機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１２個のスロット６が形成されて１２個の磁極ティース７が形成されている。各磁極ティース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、積層鉄心で形成された回転子コア１２と、この回転コア１２の外周面に配設された表面磁石部１３と、回転子コア１２の内部に配設された埋込磁石部１４とで構成されている。
表面磁石部１３は、回転コア１２の外周面に、その曲率と同一曲率の内周面を有する４つの断面円弧状の永久磁石２１が円周方向に等間隔で且つ所定の間隙を空けて、回転コア１２の外周面より外方に突出させて配設された構成を有する。ここで、各永久磁石２１は、希土類磁石粉を焼結して一体に形成され、隣接する永久磁石２１の外周面が異なる極性に着磁されている。また、各永久磁石２１は回転子コア１２の外周面に接着剤等によって貼着されている。

また、埋込磁石部１４は、回転子コア１２の内部に表面磁石部１３の各永久磁石２１に対応する位置にそれぞれ半径方向と直交して延長し、軸方向に貫通するスロット３１が形成され、各スロット３１に表面磁石部１３の永久磁石２１と同一方向に着磁された永久磁石３２が挿入されて接着剤又は充填材によって固定された構成を有する。ここで、永久磁石３２も前述した永久磁石２１と同様に希土類磁石粉を焼結して一体に形成されている。

このように、上記第１の実施形態によると、永久磁石型回転機１の回転子４が表面磁石部１３及び埋込磁石部１４を有するので、回転子４の表面磁石部１３の永久磁石２１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、表面磁石部１３の異なる極性の永久磁石２１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の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、永久磁石型回転機１の回転子４として回転子コア１２に表面磁石部１３及び埋込磁石部１４を形成するようにしているので、表面磁石部１３によって表面磁石形回転機が有する高トルク性能を発揮することができる。
また、表面磁石部１３に併せて、回転子コア１２の内部に設けたスロット３１に永久磁石３２を挿入して固定した埋込磁石部１４を有するので、前述したようにマグネットトルクに加えてリラクタンストルクをも利用することができ、表面磁石部１３のマグネットトルクと合わさって回転機全体のトルクを増大することができる。

また、表面磁石部１３は回転子コア１２の外周面に直接永久磁石２１を、接着剤等を使用して円周方向に所定の空隙を空けて固定するので、前述した従来例のように永久磁石間に回転子コアの鉄心が介在することがなく、磁気飽和の影響を受けることがないので、トルク性能が劣化することはない。また、表面磁石部１３は組立作業を容易に行うことができるとともに、永久磁石２１に外力が作用することはないので大きな剛性を必要としない。さらに、回転子コア１２の外周面に永久磁石２１を固定するので、永久磁石２１の外周面の表面積を前述した従来例に比較して大きくすることができる。

因みに、回転子コア内に複数の焼結磁石をＶ字状にその外周端部側が回転コアから突出するように配設し、その回転子コアから突出した外周端部を積層したリング状の金属磁石で覆う構成とすることも考えられるが、この場合には、回転子の組立が複雑となる。また、リング状の金属磁石は焼結磁石を支持することから大きな剛性を必要するとともに、希土類磁石を使用できないので大きなマグネットトルクを得ることができない等の問題点を有する。しかしながら、上記第１の実施形態では、回転子コア１２の外周面に表面磁石部１３を直接形成するので、大きなマグネットトルクを得ることができるとともに、永久磁石２１で埋込磁石部１４を支える必要もないので、大きな剛性を必要とすることはない。

次に、本発明の第２の実施形態を図４について説明する。
この第２の実施形態は、前述した第１の実施形態における埋込磁石部１４の構成を変更したものである。
すなわち、第２の実施形態では、図４に示すように、前述した第１の実施形態における埋込磁石部１４のスロット３１を分割して２つのスロット３１ａ及び３１ｂを形成し、各スロット３１ａ及び３１ｂ内に永久磁石３２ａ及び３２ｂを挿入して接着剤や充填材等によって固定するようにしたものである。

この第２の実施形態によると、埋込磁石部１４のスロット３１を２分割し、それぞれのスロット３１ａ及び３１ｂに永久磁石３２ａ及び３２ｂを挿入して接着剤や充填材等によって固定するので、大型機のように回転時における永久磁石３２ａ及び３２ｂに掛かる遠心力を緩和することができ、遠心力による磁石割れを防止することができる。

次に、本発明の第３の実施形態を図５について説明する。
この第３の実施形態は、前述した第２実施形態における埋込磁石部１４の構成を変更したものである。
すなわち、第３の実施形態では、図５に示すように、埋込磁石部１４のスロット３１ａ及び３１ｂをそれらの隣接端部が回転子コア１２の回転中心側に凸となるようにＶ字状に配設し、これらスロット３１ａ及び３１ｂ内に、永久磁石３２ａ及び３２ｂを挿入して接着剤や充填材等によって固定するようにしたものである。

この第３の実施形態によると、分割したスロット３１ａ及び３１ｂをＶ字状に配設したので、リラクタンストルクを増大させることができ、回転機全体のトルクを増大させることができるため、この分永久磁石３２ａ及び３２ｂを小さくすることができ、さらに安価な永久磁石型回転機を提供することができる。
この第３の実施形態においては、回転子４に８個のスロット３１ａ，３１ｂを形成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、スロット自体をＶ字形状に形成することにより、半分のスロット数とすることもできる。

なお、上記第１〜第３の実施形態においては、回転子４の磁極数を４極とし、固定子３の磁極ティース７を１２個とした場合について説明した。しかしながら、上記構成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。

１…永久磁石型回転電機、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…磁極ティース、８…励磁コイル、１１…磁極、１２…回転子コア、１３…表面磁石部、１４…埋込磁石部、２１…永久磁石、３１，３１ａ，３１ｂ…スロット、３２，３２ａ，３２ｂ…永久磁石

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た永久磁石型回転機であって、
   前記回転子は、回転子コアの表面に永久磁石を円周方向に隣接する極性が異なるように突出して配設した表面磁石部と、
   前記回転子コア内を軸方向に貫通するスロットを前記表面磁石部の永久磁石と対応させて設け、該スロットに当該表面磁石部と同極性となるように永久磁石を挿入した埋込磁石部と
   を備えたことを特徴とする永久磁石型回転機。
2. 前記スロットを複数に分割し、分割した各スロットに同極性の永久磁石を挿入したことを特徴とする請求項１に記載の永久磁石型回転機。
3. 前記スロットを二分割し、分割したスロットを軸方向端面から見たときに回転中心に対して凸としたＶ字形状に配置し、分割した各スロットに同極性の永久磁石を挿入したことを特徴とする請求項１に記載の永久磁石型回転機。

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