JP4679052B2 - 永久磁石式リラクタンス型回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、永久磁石を複合した永久磁石式リラクタンス型回転電機に関する。

永久磁石式リラクタンス型回転電機は、磁束が通り易い磁気的凸部（ｄ軸と称する）と磁束が通り難い磁気的凹部（ｑ軸と称する）とが形成され、且つ、永久磁石を有する回転子を備えており、回転子は、固定子巻線が施された固定子内に配置されている。そして、回転子においては、磁気的凸部（ｄ軸）では空隙磁束密度が高く、磁気抵抗の大きい磁気的凹部（ｑ軸）では空隙磁束密度が低くなり、この磁束密度の変化によってリラクタンストルクが発生し、又、永久磁石と固定子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する。

図１３および図１４は従来の永久磁石式リラクタンス型回転電機の回転子を示すもので、８極の場合である。ここで、図１３は回転軸を省略して示す縦断正面図、図１４は縦断側面図である。即ち、図１３において、回転子１００は、円環状の多数の珪素鋼板を積層してなる回転子鉄心１０１を有する。回転子鉄心１０１の外周部には、図１３に示すように、略長方形の一対の磁石挿入孔部１０２、１０２が形成されており、この一対の磁石挿入孔部１０２、１０２に永久磁石１０３、１０３が挿入固定されている。さらに、回転子鉄心１０１の外周部には、図１３に示すように、一対の永久磁石１０３、１０３間に位置して孔部１０４が形成されており、この孔部１０４は、略三角形状をなしている。そして、回転子１００において、一対の磁石挿入孔部１０２、１０２および永久磁石１０３、１０３並びに孔部１０４が設けられた部分が磁束の通り難い磁気的凹部（ｑ軸）１０５であり、磁気的凹部１０５、１０５間の部分が磁束の通り易い磁気的凸部（ｄ軸）１０６であり、これらの磁気的凹部１０５、磁気的凸部１０６は所定の角度を存して交互に形成されている（例えば特許文献１参照）。
特開２００１−３３９９２２号公報（図１）

従来の回転子１００は、図１４に示すように、回転子鉄心１０１を中空状の回転子軸１０７に嵌め込み固定して構成され、回転子軸１０７は図示しない軸受部に支承されるようになっているが、上述したように回転子１００は、多数の珪素鋼板からなる回転子鉄心１０１、多数の永久磁石１０３および回転子軸１０７からなる重量物であるので、軸受部での機械的損失が大きく、効率が悪いという問題がある。

また、回転子１００の冷却は、回転子軸１０７中に冷却媒体例えば冷却油を通すことにより行なわれるようになっているが、回転子鉄心１０１の熱は回転子軸１０７を介して冷却油に伝えられることになるので、冷却性能が悪いという問題もある。
本発明は上述の事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、回転子の軽量化及び冷却性能の向上を図ることができる永久磁石式リラクタンス型回転電機を提供することにある。

本発明の永久磁石式リラクタンス型回転電機は、固定子巻線を有する固定子と、回転子鉄心を有する回転子とを具備し、
前記回転子は、前記回転子鉄心の外周部に設けられ、外周に向かうに従って対向距離が順次大となる略長方形の一対の磁石挿入孔部と、これらの一対の磁石挿入孔部に挿入固定された永久磁石と、前記回転子鉄心に前記一対の永久磁石間に位置して設けられた孔部と、前記回転子鉄心に設けられ、磁路の影響の少なく且つ遠心力による応力限界により決定されたエリアに位置する空洞部と、を備え、前記空洞部は、前記回転子鉄心を冷却する冷却媒体が流通するように形成され、前記磁石挿入孔部と前記永久磁石と前記孔部とからなる磁気的凹部が所定の角度を存して複数個所設けられた前記回転子鉄心において、前記磁気的凹部間に形成される磁気的凸部の中心を通る中心線上に位置し、前記磁気的凸部に隣接する前記磁気的凹部の中心線に平行な２つの線と、前記回転子鉄心の内径と同心状の線と、隣接する前記永久磁石の長辺に平行な２つの線とを結んで形成される略五角形のエリアに設けられていることを特徴とする。

本発明の永久磁石式リラクタンス型回転電機よれば、回転子鉄心に空洞部を設けるようにしたので、それだけ回転子の軽量化を図り得て、軸受部での機械的損失を少なくし得、効率をよくすることができる。また、空洞部を回転子鉄心の冷却に利用できるので、回転子の冷却性能の向上を図ることができる。

（第１の実施例）
以下、本発明の第１の実施例について、図１ないし図４を参照しながら説明する。
まず、図１ないし図３は、永久磁石式リラクタンス型回転電機の回転子の一例を示すもので、８極の場合である。ここで、図１は回転子軸を省略して示す縦断正面図、図２は正面図、図３は図２のＸ−Ｘ線に沿う断面図である。

回転子１は、円環状の多数の珪素鋼板を積層してなる回転子鉄心２を有する。回転子鉄心２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略長方形の一対の磁石挿入孔部３、３が軸方向に延びるように形成されており（従って、一対の磁石挿入孔部３、３は、外周側からみてハ字形になっている。）、この一対の磁石挿入孔部３、３に永久磁石４、４が挿入されて接着により固定されている。

さらに、回転子鉄心２の外周部には、一対の永久磁石４、４間に位置して孔部５が形成されており、この孔部５は、一対の永久磁石４、４に平行な二辺部と外周に沿う辺部とを有する略三角形状をなしている。そして、回転子１において、一対の磁石挿入孔部３、３および永久磁石４、４並びに孔部５が設けられた部分が磁束の通り難い磁気的凹部（ｑ軸）６であり、磁気的凹部６、６間の部分が磁束の通り易い磁気的凸部（ｄ軸）７である。そして、回転子鉄心２の内周には、１８０度の間隔を存して２個のキー８が軸方向に延びるようにして形成されている。

そして、回転子鉄心２には、所定の角度を存して円形状の８個の空洞部９が軸方向に延びるように形成されており、これらは、後述するように、各磁気的凸部７の中心を通る中心線Ｌａ上に位置するようになっている。なお、回転子鉄心２には、８個の空洞部９の１個置きの空洞部９に対応し且つそれより外周側に位置して珪素鋼板結束用のタック１０ （計４個）が形成されている。なお、回転子鉄心２には円環状の端板１１、１２（図３参照）が配置されている。

回転子軸１３は、図３に示すように、中空状をなすもので、その外周の途中部位には、鍔部１４が一体に形成され、外周の鍔部１４から一方の端部（図３では左端部）にかけて前記２個のキー８に対応して２個のキー溝１５が形成され、そして、左端部の外周には、ねじ部１６が形成されている。
ここで、回転子軸１３に回転子鉄心２、端板１１および１２を組み込み固定する手順について述べる。まず、回転子軸１３に端板１１をその左端部側から嵌め込んで鍔部１４に当接するまで移動させる。つぎに、回転子軸１３に回転子鉄心２を、そのキー８をキー溝１５に合致させながら嵌め込んで右端部が端板１１に当接するまで移動させる。そして、回転子軸１３の左端部に端板１２を嵌め込んだ後、回転子軸１３のねじ部１６にワッシャ１７を介してナット１８を螺合させて締め付け、以て、回転子１の組立てを完了する。なお、端板１１、１２にも回転子鉄心２とキー８と同様のキーが形成されている。

図２および図３において、端板１１および１２の回転子鉄心２の両端面と接する面部には、回転子鉄心２の８個の空洞部９と連通する円形の環状凹部１１ａおよび１２ａが形成されている。また、端板１１および１２には、回転子鉄心２の８個の空洞部９にそれぞれ対応し且つ環状凹部１１ａおよび１２ａを介して連通する８個の流出孔１１ｂおよび１２ｂが形成されている。さらに、端板１１の回転子鉄心２の端面と接する面部には、１８０度位置がずれた２個の流出孔１１ｂに対応し且つ環状凹部１１ａを介して連通する２個の導入凹部１１ｃ（図２参照）が形成されている。そして、回転子軸１３には、その回転子軸１３の中空部内を前記２個の導入凹部１１ｃに連通する２個の導入孔１３ａが形成されている。

しかして、回転子１は、図４に示すように、スロット１９ａ内に図示しない固定子巻線が収納して巻装された固定子１９内に配置され、回転子軸１３は図示しない軸受部に支承されるようになっており、以て、永久磁石式リラクタンス型回転電機２０が構成されている。

つぎに、本実施例の作用につき図４も参照して説明する。
回転子１には、磁束が通り難い磁気的凹部（ｑ軸）６と磁束が通り易い磁気的凸部（ｄ軸）７とが形成されているので、これらの磁気的凹部６及び磁気的凸部７上の空隙部分で、固定子巻線に電流を流すことにより蓄えられる磁気エネルギーが異なり、この磁気エネルギーの変化によりリラクタンストルクが発生する。また、回転子１には、永久磁石４、４も設けられているので、永久磁石４、４と固定子１９の磁極との間の磁気吸引力及び磁気反発力によってもトルクが発生する。これにより、回転子１が回転するようになる。

図４は、永久磁石式リラクタンス型回転電機２０を運転状態にした場合おける固定子巻線および永久磁石４による回転子１および固定子１９の磁束の流れ（磁路）をコンピュータ解析（シミュレーション）した結果を示すものである。この図４において、寸法ａは磁気的凹部６の中心を通る中心線Ｌｂを基準とする距離、寸法ｂは回転子１の半径寸法を基準とする距離、寸法ｃは永久磁石４の長辺を基準とする距離を示し、寸法ａ、ｂは回転子１に作用する遠心力により発生する応力限界により決定され、寸法ｃは磁路に対して影響が少ないところを判断して決定される。そして、寸法ａを有して中心線Ｌｂに平行な線と、寸法ｂを有して回転子１の内径と同心状の線と、寸法ｃを有して永久磁石４の長辺に平行な線とを結んだ略五角形のエリアＥを想定した場合に、前記空洞部９はこのエリアＥ内に位置するように設定されている。この結果、エリアＥは、磁気的凸部７の中心を通る中心線Ｌａ上に位置することにもなる。なお、珪素鋼板結束用のタック１０もこのエリアＥ内に位置するように設定されている。

しかして、永久磁石式リラクタンス型回転電機２０が運転状態にある場合には、回転子１の回転子軸１３の中空部内を冷却媒体として冷却油が流通するようになっており、回転子１の回転遠心力により、冷却油は、図３に矢印で示すように、導入孔１３ａ、導入凹部１１ｃを経て環状凹部１１ａに流入し、さらに、空洞部９を流通して環状凹部１２ａに流入した後、流出孔１２ｂから外部に流出する。この場合、冷却油は、回転子軸１３の中空部内を流通するときに回転子軸１３を冷却するとともに回転子軸１３を介して回転子鉄心２を冷却し、また、空洞部９を流通するときに回転子鉄心２を直接冷却するようになる。以上は、冷却油の主たる流れを示したものである。

このような本実施例によれば、回転子鉄心２に８個の空洞部９を形成するようにしたので、その分だけ本来重量物であった回転子１の軽量化を図ることができ、回転子軸１３を支承する軸受部での機械的損失を少なくし得て、効率よくすることができる。この場合、空洞部９は、回転子１に作用する遠心力により発生する応力限界により決定される寸法ａおよびｂと、磁路に対して影響が少ないところを判断して決定される寸法ｃとにより設定されたエリアＥ内に位置して形成されているので、回転遠心力に対する機械的強度を損なうことがなく、また、固定子１９の固定子巻線および回転子１の永久磁石による磁束の流れ（磁路）を阻害することがなくて、特性に悪影響を与えることもない。
しかも、上述した回転子鉄心２の空洞部９に回転子軸１３を流通する冷却油を取り入れて流通させることができるので、回転子鉄心２を直接冷却することができて、回転子１の冷却性能の向上を図ることができる。

（第２の実施例）
図５は本発明の第２の実施例を示すもので、第１の実施例と異なるところは、回転子鉄心２に、空洞部９より外周側に位置してその空洞部９より小径の空洞部２１が設けられた構成にある。この場合、空洞部２１もエリアＥ（図４参照）内に位置するようになっている。なお、この第２の実施例では、タック１０（図１参照）は、第１の実施例とは異なる位置に形成されることになる。

この第２の実施例によれば、第１の実施例に比し、空洞部２１の分だけ回転子１の一層の軽量化と冷却性能の向上を図ることができる。
（第３ないし第５の実施例）
図６は本発明の第３の実施例を示すもので、第１の実施例と異なるところは、８個の空洞部９の代わりに、角部に丸みをもつ略五角形をなす空洞部２２が８個形成された構成にある。この空洞部２２もエリアＥ（図４参照）内に位置するようになっている。

これに対して、本発明の第４の実施例を示す図７では、９０度の間隔を存して４個の空洞部２２が形成され、本発明の第５の実施例を示す図７では、１８０度の間隔を存して２個の空洞部２２が形成されている。
これらの第３ないし第５の実施例によっても第１の実施例と略同様の効果を得ることができる。

（第６ないし第９の実施例）
図９は本発明の第６の実施例を示すもので、第１の実施例と異なるところは、空洞部９の代わりに、角部に丸みをもつ略三角形をなす空洞部２３（合計８個）が形成された構成にある。
図１０ないし図１２は本発明の第７ないし第９の実施例を示すもので、以下、第６の実施例と異なるところを説明する。

図１０に示す第７の実施例では、空洞部２３の代わりに、この空洞部２３の大きさより小で角部に丸みをもつ略三角形をなす一対の空洞部２４、２４が形成されている。
図１１に示す第８の実施例は、空洞部２３の代わりに、角部に丸みをもつ略五角形をなす一対の空洞部２５、２５が形成されている。
図１２に示す第９の実施例では、空洞部２３と、これより内周側に位置して角部に丸みをもつ長方形をなす空洞部２６とが形成されている。

なお、上記空洞部２３、２４、２５および２６もそれぞれエリアＥ（図４参照）内に位置するようになっている。
これらの第６ないし第９の実施例によっても第１の実施例と略同様の効果を得ることができる。
なお、本発明は上記しかつ図面に示す実施例にのみ限定されるものではなく、要旨を変更しない範囲内で適宜変形して実施し得ることは勿論である。

本発明の第１の実施例を示す回転子の縦断正面図 回転子の正面図 図２のＸ−Ｘ線に沿う断面図 永久磁石式リラクタンス型回転電機の部分縦断正面図 本発明の第２の実施例を示す回転子の部分縦断正面図 本発明の第３の実施例を示す回転子の縦断正面図 本発明の第４の実施例を示す図６相当図 本発明の第５の実施例を示す図６相当図 本発明の第６の実施例を示す図５相当図 本発明の第７の実施例を示す図９相当図 本発明の第８の実施例を示す図９相当図 本発明の第９の実施例を示す図９相当図 従来例を示す図１相当図 図３相当図

符号の説明

図面中、１は回転子、２は回転子鉄心、３は磁石挿入孔部、４は永久磁石、５は孔部、６は磁気的凹部、７は磁気的凸部、９は空洞部、１１および１２は端板、１３は回転子軸、１９は固定子、２０は永久磁石式リラクタンス型回転電機、２１ないし２６は空洞部を示す。

Claims (1)

1. 固定子巻線を有する固定子と、回転子鉄心を有する回転子とを具備し、
   前記回転子は、
   前記回転子鉄心の外周部に設けられ、外周に向かうに従って対向距離が順次大となる略長方形の一対の磁石挿入孔部と、
   これらの一対の磁石挿入孔部に挿入固定された永久磁石と、
   前記回転子鉄心に前記一対の永久磁石間に位置して設けられた孔部と、
   前記回転子鉄心に設けられ、磁路の影響の少なく且つ遠心力による応力限界により決定されたエリアに位置する空洞部と、を備え、
   前記空洞部は、前記回転子鉄心を冷却する冷却媒体が流通するように形成され、前記磁石挿入孔部と前記永久磁石と前記孔部とからなる磁気的凹部が所定の角度を存して複数個所設けられた前記回転子鉄心において、前記磁気的凹部間に形成される磁気的凸部の中心を通る中心線上に位置し、前記磁気的凸部に隣接する前記磁気的凹部の中心線に平行な２つの線と、前記回転子鉄心の内径と同心状の線と、隣接する前記永久磁石の長辺に平行な２つの線とを結んで形成される略五角形のエリアに設けられていることを特徴とする永久磁石式リラクタンス型回転電機。

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