JP4940484B2 - 改良された磁束減衰特性を有する永久磁石及び磁気抵抗形の回転電機 - Google Patents
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Description
本発明は、一般的には回転電気機械、特別には永久磁石回転子を有する同期回転電機に関するものである。
【0002】
回転子の表面に一列の永久磁石を配置し、或いは回転子の表面下に永久磁石を埋め込んで、S極とN極を適切に分布配置した形式の回転電機は公知である。
【0003】
この種の回転電機では、永久磁石による励磁であることから、特に低負荷状態で動作する際に、磁束を減衰させる機構、即ち、固定子巻線との磁気的な働きに寄与しない磁束を循環させる手段を備える必要がある。
【0004】
図1は、この問題に対し、交互に配列したS極の磁石22SとN極の磁石22Nとを有する回転子20による従来の解決策の一例を示している。この従来の解決策は、隣接磁石の各対の磁石間に、固定子の磁極との相互作用で所要の磁束減衰効果を生じる磁束減衰部24を配置することからなっている。
【0005】
図2は、上記の回転子と固定子の作動位置関係を示す展開図で、固定子10はスロット14で分けられた歯部16を有し、スロット内には固定子巻線18が収容されている。固定子の磁束F1は上記二つの磁石で生じており、またこれを減衰させるような逆向きの反磁束FDが存在している。この図では固定子の磁束と反磁束はあまり分離されておらず、このような互いに逆向きの固定子磁束と反磁束の部分的な重なり合いがこの回転電気の磁束減衰能力を制限している。
【0006】
本発明の主な課題は係る欠点を解消することにある。
【0007】
本発明の別の課題は、動作時にトルクに影響するリップルを低減することにある。
【0008】
これらの課題を達成するため、本発明は、固定子巻線を装備した固定子と該固定子内に回転可能に装着された回転子とを備えた回転電機、特に自動車用の発電機又は発電機兼用始動電動機としての回転電機を提供するものであり、この回転電機は、前記回転子が交互に極性の異なる複数の磁石に各磁石と結合した磁気抵抗部材をそれぞれ並置してなる一連の磁石配列を備え、個々の磁石とそれに結合した磁気抵抗部材とで回転子の単位磁極を構成しており、特に、少なくとも幾つかの単位磁極は、一つの回転方向に関して後方に磁気抵抗部材を結合した磁石と前方に磁気抵抗部材を結合した磁石とを交互に有している。
【0009】
本発明による回転電気において、限定を意図しないその他の好ましい特徴は以下の通りである。
【0010】
回転子が、前記回転方向に関し、第n番目の単位磁極と第n+1番目の単位磁極に属する一対の隣接した磁石を有し、且つこれら一対の磁石が、第n+1番目の単位磁極と第n+2番目の単位磁極に属する一対の隣接した磁気抵抗部材で交互配置となっているもの。
【0011】
磁石が磁束を径方向に生じる磁石であるもの。
【0012】
磁石が回転子の表面に装着されているもの。
【0013】
磁石が回転子の周面に埋め込まれているもの。
【0014】
同一単位磁極の磁石とそれに結合された磁気抵抗部材とが周方向に関して同等の寸法を有するもの。
【0015】
磁石がほぼ楔形の形状を有し、隣り合う二つの磁石で一方の磁石の楔形の先端部が他方の磁石の楔形の尾端部に揃えられているもの。
【0016】
回転子の各単位磁極が、回転子を構成する二つの填め合い部品の交互差込形磁極爪部によって形成されているもの。
【0017】
本発明の上記以外の特徴と利点は以下に詳述する本発明の幾つかの実施形態から明らかであるが、これらの実施形態は、添付図面に示す通り、本発明の技術的範囲を限定する意図を持たない単なる例示のためのものである。
【0018】
図3は本発明の第1実施形態による回転電気の模式展開図であり、この回転電気は標準的な構成の外部固定子10を備え、そのヨーク12には、固定子磁極を構成する歯部16によって対構成に分けられた複数のスロット14が形成されている。スロット14には、単相もしくは多相の固定子巻線18が収容されている。
【0019】
回転子20は、径方向磁束を生じる二つの永久磁石22N,22Sと、二つの可変磁気抵抗部材24a,24bとを外周に備えている。これら二つの永久磁石は互いに隣接し、両磁気抵抗部材24a,24bも同様である。実際には、回転子の外周上で周方向の一方に順に一対の永久磁石22N,22Sが隣接して並び、次いで一対の磁気抵抗部材24a,24bが隣接して並び、更にその次に別の一対の永久磁石が隣接して並び、以下同様に交互の配置となっている。
【0020】
回転子の極ピッチPPは、回転の接線方向(これは図3では左から右へ向かう方向である)における磁石の寸法によって定まり、例えばこれは、接線方向における隣接の磁気抵抗部材24bの寸法を加えた磁石22Nの寸法である(N極)。同様に、磁石22Sと隣接の磁気抵抗部材24aとの合計寸法により他の極ピッチも同一寸法に定められている(S極)。このように、本発明においては、或る単位磁極は一つの回転方向において永久磁石部分とその前方にのみ隣接する可変磁気抵抗部材部分とからなり、次の単位磁極は上記回転方向において可変磁気抵抗部材部分とその後方にのみ隣接する永久磁石部分とからなっている。
【0021】
極ピッチ内における永久磁石と磁気抵抗部材との相対寸法比は係数KAとKRで与えられ、これら係数は共に1未満であってKA+KR=1である。
【0022】
この回転電機では、以上のような回転子の構成、特に第n番目と第n+1番目の二つの連続する単位磁極に対応する永久磁石の並置グループ化と、第n+1番目と第n+2番目の二つの連続する単位磁極に対応する磁気抵抗部材の並置グループ化とによって磁束減衰特性が改善されている。また、この構成は動作時のトルクに影響するリップルを低減する利点があることも判明している。
【0023】
図4は、平常動作時において固定子巻線により生じる磁化磁束、すなわち、この場合は永久磁石によって固定子の磁極内に生じた磁束FAと同じ向きに流れる磁束FMが、永久磁石の磁束に対して明確に分離されることを示している。これによる直接的な結果として、図4に示した磁化磁束とは逆向きとなる磁束減衰用の反磁束FDも図5に示すように永久磁石の磁束FAに対して明確に分離される。この場合、係数KRを或る値に定めると、永久磁石による磁束FAが大きな阻害要因とならなくなるので反磁束FDを増加させることが可能である。
【0024】
係数KA及びKRは、設計段階で回転電気の磁束減衰能力を設定するために予め選ぶことが可能である。係数KRとKAを同等、即ちKRとKAを共に0.5近傍に選ぶと、広幅の磁束減衰域が得られる。
【0025】
本発明による回転電気は上記以外の利点も有しており、特に二つの永久磁石を共通のスロット内に一緒にグループ化できることからヨーク及び回転子を形成する積層板の切断または打ち抜きを単純化することができ、また、永久磁石22N及び22Sも、本来の位置にN極の部分である磁石22NとS極の部分である磁石22Sとを連続的に着磁した単一ブロックの形で作ることができる。
【0026】
図6は本発明による回転電気の要部を示しており、この回転電気では回転子の磁極は2対である。従って回転子はその外周に2対の永久磁石22N,22Sと2対の磁気抵抗部材24a,24bを一対ずつ交互の配置で備えている。固定子は三相固定子である。
【0027】
勿論、いかなる対数の永久磁石と磁気抵抗部材との交互配置で回転子を構成することもできる。
【0028】
図7は本発明の変形態様を示しており、この場合、磁石22N及び22Sは表面上ではなく回転子のヨーク内に埋め込まれている。
【0029】
図8及び図9は軸方向に楔形をした軸方向磁束発生形磁石を有する回転子を示している。即ち、N極磁石122Nは直角三角形状の全体形状を有し、その直角二辺の長辺は回転軸心と平行で、短辺は回転子の軸方向端面と同一面内で磁極面を形成している。S極磁石も同様であり、これらN極磁石122NとS極磁石122Sは、一方の磁石の楔形の先端部が他方の磁石の楔形の尾端部に揃えられている。また、N極磁石122Nの前記長辺はS極磁石122Sの同様の長辺と隣接し、これら磁石の短辺が回転子の互いに反対側の端面でそれぞれ磁極を形成している。可変磁気抵抗部材124a,124bも同様な楔形で同様に配置され、それぞれの斜辺が両楔形磁石の各斜辺に沿って延在している。
【0030】
先の実施形態と同様に、いかなる対数の永久磁石122N,122Sと対応する対数の磁気抵抗部材との交互配置としても良いことは述べるまでもない。
【0031】
このような回転子構造は、特に軸方向磁束過励磁又は減衰励磁形固定子巻線との組み合わせに好適である。
【0032】
図10及び図11は本発明を爪形磁極回転子に適用した例を示している。
【0033】
この爪形磁極回転子は二つの軸方向の填め合い部品によって構成されており、第1の填め合い部品201は、ほぼ三角形状の複数の磁極爪部211からなる第1の列を備え、第2の填め合い部品202は、対抗する向きに同様のほぼ三角形状の複数の磁極爪部212からなる第2の列を備えている。両填め合い部品は互いの爪部が交互の差込状態となるように填め合わされる。
【0034】
この場合、第1の列の各磁極爪部211は、或る一つの回転方向(図10において左から右へ向かう方向)に関して可変磁気抵抗部材224bとそれに後続してN極を形成する磁石222Nとを備え、また第2の列の各磁極爪部212は、上記と同じ回転方向に関してS極を形成する磁石222Sとそれに後続する可変磁気抵抗部材224aとを備えている。従って、複数の磁石と複数の可変磁気抵抗部材によるこのような構成は、図3〜図6に示した構成と同等である。
【0035】
本発明は以上の説明及び図面に示した実施形態に限定されるものではなく、本発明の理念の範疇で当業者に可能なあらゆる変形及び改変も本発明に包含されることは述べるまでもない。
【0036】
特に、永久磁石と可変磁気抵抗部材との相対寸法は、既に述べたように必要とする磁束減衰能力に応じて種々に変えることが可能である。
【0037】
本発明は、特に自動車用の発電機および発電機/始動電動機兼用回転電機に好適である。
【図面の簡単な説明】
【図1】 交互に配列したS極磁石とN極磁石とを有する回転子による従来の解決策の一例を示す模式図である。
【図2】 上記従来例における回転子と固定子の作動位置関係を模式的に示す展開図である。
【図3】 本発明による回転電気の基本的な第1実施形態における固定子と回転子の各一部を模式的に示す展開図である。
【図4】 図3に示す回転電気の平常動作時における作動の様子を模式的に示す展開図である。
【図5】 図3に示す回転電気の磁束減衰状態における作動の様子を模式的に示す展開図である。
【図6】 本発明による回転電気の部分的な模式断面図である。
【図7】 本発明の変形態様による回転電気の一部を模式的に示す断面図である。
【図8】 本発明による回転電気の第2実施形態における回転子の模式展開図である。
【図9】 図8の展開図に対応する模式的な回転子の斜視図である。
【図10】 本発明による回転電気の第3実施形態における回転子の模式展開図である。
【図11】 図10の展開図に対応する模式的な回転子の斜視図である。
Claims (8)
- 固定子巻線(18)を装備した固定子(10)と該固定子内に回転可能に装着された回転子(20)とを備えた回転電機であって、前記回転子が、交互に極性の異なる複数の磁石(22N,22S; 122N,122S; 222N,222S)に、各磁石と結合した磁気抵抗部材(24a,24b; 124a,124b; 224a,224b)をそれぞれ並置してなる一連の磁石配列を備え、個々の磁石とそれに結合した磁気抵抗部材とで回転子の単位磁極が構成されているものにおいて、少なくとも幾つかの単位磁極が、一つの回転方向に関して後方にのみ第1の磁気抵抗部材(24a; 124a; 224a)を結合した第1の磁石(22S; 122S; 222S)と、前記回転方向に関して前方にのみ前記第1の磁気抵抗部材とは別の第2の磁気抵抗部材(24b; 124b; 224b)を結合した第2の磁石(22N; 122N; 222N)とを交互に有し、これらの磁石が楔形の形状を有すると共に隣り合う二つの磁石で一方の磁石の楔形の先端部が他方の磁石の楔形の尾端部に揃えられていることを特徴とする回転電機。
- 回転子(20)が、前記回転方向に関し、第n番目の単位磁極と第n+1番目の単位磁極に属する一対の隣接した磁石(22N,22S; 122N,122S; 222N,222S)を有し、且つこれら一対の磁石が、第n+1番目の単位磁極と第n+2番目の単位磁極に属する一対の隣接した磁気抵抗部材(24a,24b; 124a,124b; 224a,224b)で交互配置となっていることを特徴とする請求項1に記載の回転電機。
- 磁石(22N,22S; 222N,222S)が磁束を径方向に生じる磁石であることを特徴とする請求項1又は2のいずれか1項に記載の回転電機。
- 磁石(22N,22S; 222N,222S)が回転子の表面に装着されていることを特徴とする請求項3に記載の回転電機。
- 磁石(22N,22S; 222N,222S)が回転子の周面に埋め込まれていることを特徴とする請求項3に記載の回転電機。
- 同一単位磁極の磁石(22N; 22S)とそれに結合された磁気抵抗部材(24a; 24b)とが周方向に関して同等の寸法(KA.PP; KR.PP)を有することを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の回転電機。
- 第1と第2の磁気抵抗部材がほぼ楔形の形状を有し、隣り合う二つの磁気抵抗部材で一方の磁気抵抗部材の楔形の先端部が他方の磁気抵抗部材の楔形の尾端部に揃えられていることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の回転電機。
- 回転子の各単位磁極が、回転子を構成する二つの填め合い部品(201, 202)の交互差込形磁極爪部(211, 212)によって形成されていることを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載の回転電機。
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