JP4240949B2 - 永久磁石式回転電機の回転子 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、永久磁石を有する回転電機の回転子で、特に回転子の鉄心に磁石を埋め込んだ、埋め込み磁石型回転子に関わるものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来技術として特開２００２−４４８８７号公報があり、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ焼結磁石を回転子鉄心に埋め込み、回転子を構成した例がある。磁石は平視一文字状の平板形状で、回転子外周にほぼ内接し、略多角形状となるように配列されている。更に、磁石は回転子周方向の全周に渡り配置してあり、磁極は複数個で均等に分割した磁石で構成されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術においては、回転子鉄心の外周円に内接するように、その全周に渡り磁石を均等に配列しているため、磁束分布が大きく分散し、良好な磁束分布を得ることができず、誘導起電力波形の歪み率が大きく、誘導起電力の基本波実効値が低下することにより回転電機効率が低下していた。また、コギングトルクが大きくなり、電動機運転時の起動電流が増大してスムーズな始動が難しかった。さらに、回転子全周に渡って磁石を配置するため、磁石使用量が増えコスト高を招くという不具合があった。
【０００４】
そこで本発明の目的は、以上のような不具合を解消し、高効率・高性能でかつ安価な永久磁石式回転電機を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、複数の電機子巻線を施した固定子の内周に配置した永久磁石を有する回転子において、磁極一極あたり、少なくとも３個以上の磁石から構成され、かつ磁極一極を形成する磁石群の電気角に占める合計角度を１５０度〜１６５度の範囲となるように設定する。これにより、磁束が磁極中心に集中するので良好な磁束分布を得ることができると共に、誘導起電力の基本波実効値が高められるので回転電機効率が向上する。さらに、磁石群は磁極中心位置に集中配置するので、磁石使用量が少なくなり、安価な永久磁石式回転電機を提供できる。
【０００６】
また、磁極端部側に配置される磁石の配向が磁極中心位置方向に向かうように傾斜配置することで、誘導起電力波形の歪み率とコギングトルクが低減され、回転起動時に必要な電流値を小さくできると同時にスムーズな回転始動を得ることができるようになる。さらにその傾斜角度を２度〜６度の範囲とすれば、誘導起電力を効果的に高めることができるため、回転電機の高性能化も実現できる。
【０００７】
さらに、磁石が収納されるスロット形状を各磁石間にスリットが形成される形状とすれば、各磁石間に発生する漏れ磁束が低減され、磁石の利用効率を高めることができる。ここで、前記スリット部に磁石固定材を封入すれば回転子の信頼性も向上可能となる。加えて以上の磁石形状を平板形状とすることで、磁石コストを低減することができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明に係る回転電機の実施の形態について、図面を用いて以下２極の例で説明する。
【０００９】
図１には、本発明に係る回転電機の一実施形態である永久磁石式回転電機の回転子構造を示す。回転子１は、回転子鉄心２，磁石が収納されるスロット３，Ｎ極側永久磁石１０，Ｓ極側永久磁石１１，回転軸２０および磁石１０，１１の外周側に複数の制動巻線４を備えている。回転子鉄心２は所定の形状に打ち抜かれた薄鉄板を複数積層して形成された円筒状積層鉄心である。
【００１０】
Ｎ極側永久磁石１０とＳ極側永久磁石１１は磁束Φｆを発生する磁石であり、一磁極あたり３分割されている。これら磁石は２つの磁極を構成するように、回転子鉄心２の外周側表面部近傍に設置されたスロット３内に配置され、各スロット３は磁極中心位置方向に集中するように配置される。ここで、一磁極を構成する磁石群の電気角に占める合計角度を磁石の周方向角度θ１とすれば、磁石の周方向角度θ１を適正な値に設定することにより、回転電機諸特性を格段に改善できることがわかった。以下、その詳細について述べる。
【００１１】
図２に発電機運転をした場合の無負荷誘導起電力，無負荷誘導起電力波形の歪み率およびコギングトルクの各特性に対する磁石の周方向角度θ１の関係を示した。なお図７に示すように、従来技術は一磁極を構成する磁石群が均等配置されており、かつ一磁極あたりの磁石の周方向角度θ１はほぼ１８０度に近い値となる。そこで、図２では従来技術による磁石の周方向角度θ１を１７５度とし、磁石の周方向角度θ１を１３５度〜１７５度の範囲で検討すると共に、磁石の周方向角度θ１を変更した場合の各結果は磁石の周方向角度θ１が１７５度の場合を基準として表記している。
【００１２】
図２において、永久磁石式回転電機の効率と密接に関係する無負荷誘導起電力が従来技術よりも大きく、かつ発電機機能として重要な無負荷誘導起電力波形の歪み率および回転電機の振動や騒音に影響を与えるコギングトルクが共に従来技術よりも小さくなる磁石の周方向角度θ１は、１５０度から１７５度未満の範囲となっている。しかしながら、無負荷誘導起電力波形の歪み率およびコギングトルクは磁石の周方向角度θ１が１６５度を越えると急激に増大していることがわかる。したがって、機械振動や騒音を少なくしたい場合は、磁石の周方向角度
θ１における上限を１６５度とすることが妥当といえる。よって、本発明においては磁石の周方向角度θ１の最適な範囲として１５０度から１６５度の範囲を採用した。
【００１３】
図３には、本発明に係る回転電機の他の実施形態である永久磁石式回転電機の回転子１の構造を示す。回転子１は、回転子鉄心２，磁石が収納されるスロット３，Ｎ極側永久磁石１０（１０ａ，１０ｂ，１０ｃ），Ｓ極側永久磁石１１
（１１ａ，１１ｂ，１１ｃ），回転軸２０および磁石１０，１１の外周側に複数の制動巻線４を備えている。回転子鉄心２は所定の形状に打ち抜かれた薄鉄板を複数積層して形成された円筒状積層鉄心である。
【００１４】
Ｎ極側永久磁石１０とＳ極側永久磁石１１は磁束Φｆを発生する磁石であり、一磁極あたり３分割されている。これら磁石群のうち、磁極端部に位置する磁石１０ａ，１０ｃ，１１ａ，１１ｃは、磁極中心位置方向に向かうように傾斜して配置する。ここで、図３に示すように磁石が磁極中心位置方向に向かう角度、すなわち回転軸中心と磁石中心の２点を通る直線上の回転子鉄心２における外周表面上の点Ｐｓを接点とした接線Ｌ１（＝Ｌ２）と磁石がなす角度を磁石の傾斜角度θ２とすれば、磁石の傾斜角度θ２を適正な値に設定することにより回転電機諸特性を格段に改善できることがわかった。以下、その詳細について述べる。
【００１５】
図４に発電機運転をした場合の無負荷誘導起電力，無負荷誘導起電力波形の歪み率およびコギングトルクの各特性に対する磁石の傾斜角度θ２の関係を示した。ここで従来技術は磁石の傾斜角度θ２が０.０ 度であることから、磁石の傾斜角度θ２を変更した場合の各結果は、磁石の傾斜角度θ２が０.０ 度の場合を基準として表記している。なお、磁石を傾斜する角度の符号は磁極中心位置方向に傾斜する向きを正とした。
【００１６】
図４に示すように、磁石の傾斜角度θ２を−２.５ 度から１０.０ 度の範囲で検討したところ、無負荷誘導起電力は０.０度＜θ２＜１０.０度の角度範囲で大きくなった。また、無負荷誘導起電力波形の歪み率およびコギングトルクは、
０.０ 度を除いた−２.５ 度から１０.０ 度の全検討範囲で小さくなっていることがわかった。これより、磁石の傾斜角度θ２が０.０ 度の基準特性に対して、無負荷誘導起電力が大きく、かつ無負荷誘導起電力波形の歪み率およびコギングトルクが小さくなる条件を同時に満たす磁石の傾斜角度θ２は、０.０ 度＜θ２＜１０.０ 度の範囲であることがわかる。つまり、磁極端部側に配置した磁石を少なからず正方向に傾斜すれば、傾斜しない場合に対して回転電機の諸特性を改善できることになる。さらに図４からは、永久磁石式回転電機の効率と密接に関係する無負荷誘導起電力が、磁石の傾斜角度θ２を２度から６度の範囲に設定した場合にほぼ最大となっていることがわかる。したがって、本発明では以上の点を鑑み、磁石の傾斜角度θ２の最適な範囲として２.０ 度から６.０ 度の範囲を採用した。
【００１７】
以上、磁石周方向角度θ１，磁石傾斜角度θ２のどちらか一方でも、本実施例の角度範囲の条件を満足していれば、回転電機の諸特性が向上できる。また、磁石周方向角度θ１と磁石傾斜角度θ２の両方を、前記の角度範囲となるように設定すれば、相乗作用によって回転電機の諸特性を更に向上できることは言うまでもない。また、図５に示すように、図１および図３に記載した制動巻線４がない場合でも本発明の効果が損なわれることはない。この場合、制動巻線分の製造コストを低減できるため、さらに安価で回転電機を提供できる利点がある。なお、図２および図４では発電機動作時の特性を示したが、電動機動作においても本発明の効果を享受できる。電動機動作時においては、コギングトルクや誘導起電力波形の歪み率が低減されていることで起動時の起動電流や振動を小さくできるという効果がある。
【００１８】
図６は本発明の他の実施例を示す回転子構造の説明図であり、スロット３に磁石１０，１１を収納した際に、各磁石１０，１１間にスリット１５が形成されるスロット３の形状とした一実施例である。スリット１５は、空気（空洞）のままでも各磁石１０，１１間に発生する漏れ磁束が低減し、磁石の利用効率が高められる効果を有するが、さらに樹脂や接着剤等の磁石固定材を封入すれば磁石１０，１１と回転子鉄心２との隙間まで磁石固定材が浸透することにより、磁石１０，１１と回転子鉄心２との固定をしっかりできるため、特に高速回転により遠心力が大きくなる場合の回転子鉄心２の変形や磁石１０，１１の飛散防止に有効であり、回転子１の信頼性を向上できる。なお、図６では制動巻線を記載していないが、制動巻線が存在する場合でも本実施例の効果が有効であることは言うまでもない。
【００１９】
以上、本発明の各実施例においては、磁石形状として平板形状を採用した場合を例とした。平板状磁石は磁石の製造加工が容易であり、さらに磁石を製造する際の母材利用率（歩留まり）が向上するため、円弧状の磁石を用いる場合よりも磁石の加工コストならびに材料コストを抑制できる効果がある。
【００２０】
【発明の効果】
本発明によれば、高性能で高効率かつ安価な永久磁石式回転電機を得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る永久磁石式回転電機の回転子における一実施例の構造を示す断面図である。
【図２】磁石の周方向角度θ１を変化させた時の回転電機諸特性の説明図である。
【図３】本発明に係る永久磁石式回転電機の回転子における他の実施例の構造を示す断面図である。
【図４】磁石を磁極中心位置方向に傾斜する角度θ２を変化させた時の回転電機諸特性の説明図である。
【図５】本発明の他の実施例を示す回転子構造の説明図である。
【図６】本発明の他の実施例を示す回転子構造の説明図である。
【図７】従来技術による回転子構造の説明図である。
【符号の説明】
１…回転子、２…回転子鉄心、３…スロット、４…制動巻線、１０…Ｎ極側永久磁石、１１…Ｓ極側永久磁石、１５…スリット部、２０…回転軸。

Claims (3)

1. 複数の巻線を施した固定子と、
   前記固定子の内側で回転可能に回転軸に固定される回転子鉄心と、
   前記回転子鉄心内に設けられたスロット内に収納される略平行着磁された平板形状の複数の磁石とを備え、
   一磁極を構成する前記複数の磁石のうち、磁極端部側に配置される磁石の配向が磁極中心位置方向に向かうように当該磁石を配置し、
   前記一磁極を構成する前記複数の磁石の周方向角度が電気角で１５０度〜１６５度の範囲とし、
   前記一磁極を構成する複数の磁石のうち、磁極端部側に配置される磁石の配置が、前記回転軸中心と当該磁石中心の２点を通る直線上の前記回転子鉄心における外周表面の点を接点とした接線と当該磁石がなす角度を２度〜６度の範囲で磁極中心位置方向に向かうように配置されることを特徴とする回転電機。
2. 請求項１において、前記スロットの形状を前記各磁石間にスリットが形成される形状としたことを特徴とした回転電機。
3. 請求項２において、前記スリット部に磁石固定材を封入したことを特徴とした回転電機。

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