JP2000156945A - 永久磁石回転電機及び永久磁石形誘導同期電動機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】永久磁石による発生トルクが大きく得られる永
久磁石回転電機の回転子および永久磁石形誘導同期電動
機を提供する。 【解決手段】回転子鉄心１のｄ軸に、強磁性体の補助磁
極６を設け、２個の中央永久磁石２ａを補助磁極６を挟
んで同じ極性が向かい合うように配置する。中央永久磁
石２ａは周方向に着磁されている。中央永久磁石２ａの
回転子内径側端部とｑ軸との間に主永久磁石２ｂを配置
する。主永久磁石２ｂは径方向に着磁されている。以上
のような回転子に、二次導体を主永久磁石２ｂよりも外
周側に設けて、永久磁石形誘導同期電動機を構成しても
よい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、回転子に永久磁石
と補助磁極を用いた永久磁石回転電機および永久磁石形
誘導同期電動機に関する。

【０００２】

【従来の技術】特開平6−38475号公報は、高いトルクを
発生させるために、回転子鉄心の外径側に、周方向に沿
って交互に異極性となるように複数個の永久磁石を配置
し、界磁磁極を構成する永久磁石を各極毎に２分割する
と共に、分割した永久磁石の間に永久磁石よりも比透磁
率が高い強磁性体からなる補助磁極を配置した永久磁石
回転電機を記載する。

【０００３】特開平5−22915号公報の従来技術の欄に紹
介されているように、自己始動が可能な永久磁石形誘導
同期電動機の回転子としては、回転子鉄心の内部に、永
久磁石と誘導電動機の同様の二次導体とを埋め込んだ構
成のものがあり、二次導体により誘導電動機作用で始動
し、同期速度に近付いた時に同期引入れを行ったのち、
永久磁石の磁束を利用して同期運転される。この回転子
には、回転子鉄心の外周側に自己始動用の複数個の二次
導体を設けられ、二次導体よりも内周側に永久磁石２が
設けられている。また、永久磁石の端部漏れ磁束防止用
として抜き穴が設けられている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、各極毎
に２分割した永久磁石を回転子鉄心の外周側に設けた回
転子は、補助磁極を設けた分だけ永久磁石が減り、すな
わち永久磁石の表面積が減るので、永久磁石による磁束
量が少なくなってしまう。したがって、リアクタンスト
ルクの増加分より永久磁石の面積が少なくなって、トル
ク減少分が大きくなり、出力が低下する問題がある。

【０００５】また、回転子鉄心の内部に永久磁石と二次
導体とを埋め込んだ回転子では、永久磁石を二次導体よ
り内径側に埋め込まなければならないため、永久磁石面
積が少なくなり、トルクが小さくなる問題がある。

【０００６】本発明の目的は、永久磁石による発生トル
クが大きく得られる、永久磁石回転電機の回転子および
永久磁石形誘導同期電動機を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明の特徴は、回転子の各々の界磁磁極が、１つの補助磁
極を挟んで同じ極性が向かい合うように配置された２つ
の第１の永久磁石と、１つの補助磁極および２つの第１
の永久磁石を間にして配置された２つの第２の永久磁石
とからなり、第１の永久磁石は周方向に沿って着磁され
ており、第２の永久磁石は径方向に沿って着磁されてい
ることにある。

【０００８】この特徴によれば、以下のような作用効果
が生じる。第１の永久磁石による磁束は補助磁極と回転
子鉄心とを通って流れ、第２の永久磁石による磁束は径
方向に向いている。第１の永久磁石による磁束と第２の
永久磁石による磁束とが互いに作用して、第１の永久磁
石および第２の永久磁石の磁束は固定子側へ導かれる。
補助磁極は第１の永久磁石による磁束で磁気的に飽和す
るので、電機子電流による磁束は補助磁極を通りにくく
なり、電機子巻線のｄ軸リアクタンスが小さくなる。し
たがって、回転子鉄心の外周側に永久磁石と補助磁極と
を設けた従来の回転子よりも、回転子における永久磁石
の表面積が大きいので、永久磁石による磁束量が増加
し、発生トルクが増加するとともに、永久磁石回転電機
のインピーダンスドロップが小さくなって、永久磁石回
転電機の出力をより向上させることができる。

【０００９】また、第１の永久磁石の外周側の端部から
回転中心側の端部までの長さを、着磁方向の長さよりも
大きくすることにより、回転子における永久磁石の表面
積が大きくなるとともに、補助磁極を通る第１の永久磁
石による磁束も増加して電機子電流による磁束は補助磁
極を通りにくくなり、電機子巻線のｄ軸リアクタンスが
小さくなるので、より発生トルクが増加するとともに、
永久磁石回転電機のインピーダンスドロップが小さくな
って、永久磁石回転電機の出力をより向上させることが
できる。

【００１０】また、第１の永久磁石と２の永久磁石とが
一体であってもよいし、永久磁石の端部の回転子鉄心
に、抜き穴または非磁性体を設けてもよく、これによっ
て、永久磁石の端部の漏れ磁束を低減できるので、発生
トルクを増加させることができる。

【００１１】以上のような回転子に、二次導体を第２の
永久磁石よりも外周側に設けて、永久磁石形誘導同期電
動機を構成してもよい。このような構成にすれば、自己
始動が可能で、永久磁石による発生トルクを大きく、リ
アクタンストルクを有効に利用できるので、運転効率が
高く、出力が向上する。

【００１２】

【発明の実施の形態】（実施例１）図１に、本発明の第
１の実施例である永久磁石回転電機の回転子の断面を示
す。回転子鉄心１の外周面の磁極中心部に相当するｄ軸
に、強磁性体の補助磁極６を設け、２個の中央永久磁石
２ａを補助磁極６を挟んで同じ極性が向かい合うように
配置する。中央永久磁石２ａはｄ軸に沿って長尺で、周
方向に着磁されている。中央永久磁石２ａの回転子外径
側の端部から回転子内径側の端部までの長さｈは、着磁
方向の永久磁石長さＬよりも長い。中央永久磁石２ａの
回転子内径側端部と磁極間に位置するｑ軸との間に主永
久磁石２ｂを中央永久磁石２ａと連結して配置する。主
永久磁石２ｂは径方向に着磁されている。５はシャフト
である。なお、ｄ軸は回転子の磁極中心の方向を示す軸
であり、ｑ軸はｄ軸と電気的に直角に交わる軸を示すも
のである。

【００１３】この回転子の１つの界磁磁極における、補
助磁極６付近の永久磁石による磁束の流れを図２で説明
する。

【００１４】中央永久磁石２ａによる磁束は、補助磁極
６と回転子鉄心１とを通って流れる。主永久磁石２ｂに
よる磁束は、径方向に向いている。中央永久磁石２ａに
よる磁束と主永久磁石２ｂによる磁束とが互いに作用し
て、中央永久磁石２ａおよび主永久磁石２ｂの磁束は固
定子（図示せず）側へ導かれる。したがって、本実施例
の回転子は、回転子鉄心の外周側に永久磁石と補助磁極
とを設けた従来の回転子よりも、永久磁石の表面積が大
きいので、永久磁石による磁束量が増加し、発生トルク
が増加して回転電機の出力を向上させることができる。

【００１５】さらに、補助磁極６は中央永久磁石２ａに
よる磁束で磁気的に飽和するので、電機子電流による磁
束（図示せず）が補助磁極６を通りにくくなり、電機子
巻線（図示せず）のｄ軸リアクタンスが小さくなる。し
たがって、回転電機のインピーダンスドロップが小さく
なって、回転電機の出力を向上させることができる。ま
た、図３に示すように、中央永久磁石２ａと主永久磁石
２ｂを一体に、円弧状に形成した円弧状永久磁石２ｃと
しても、図１の回転子と同様の効果が得られる。

【００１６】（実施例２）図４に、本発明の第２の実施
例である永久磁石形誘導同期電動機の回転子の断面図を
示す。第１の実施例の回転子と異なるのは、中央永久磁
石２ａと主永久磁石２ｂを分けて配置し、回転子鉄心１
の中央永久磁石２ａと主永久磁石２ｂの外周側、および
中央永久磁石２ａと主永久磁石２ｂとの間に、抜き穴４
を設けるとともに、回転子鉄心１の外周側近傍に二次導
体３を設けたことである。二次導体３の両端は短絡環
（図示せず）で接続されている。

【００１７】両永久磁石２ａ，２ｂの両側に抜き穴４を
設けることで、中央永久磁石２ａおよび主永久磁石２ｂ
の長さが短くなっても、抜き穴４によって端部の漏れ磁
束を低減できるので、永久磁石による発生トルクを大き
くできる。

【００１８】したがって、本実施例の永久磁石形誘導同
期電動機によれば、二次導体３を設けても、二次導体よ
り内周側に永久磁石を設けた従来の回転子よりも、回転
子における永久磁石の表面積が大きいので、第１の実施
例の永久磁石回転電機と同様の作用効果が得られる。そ
して、本実施例の永久磁石形誘導同期電動機は、自己始
動が可能で、永久磁石による発生トルクを大きく、リア
クタンストルクを有効に利用できるので、運転効率を高
くし、出力を向上させることができる。

【００１９】第１の実施例の永久磁石回転電機および第
２の実施例の永久磁石形誘導同期電動機のトルクについ
て説明する。

【００２０】負荷角制御を行わず、負荷に見合った負荷
角を保ちながら運転する永久磁石型誘導同期電動機は、
負荷角と共にトルクが増加する領域で運転する。このよ
うな永久磁石形誘導同期電動機は定格周波数，定格電
圧，定格運転時の励磁において、同期運転できる最大ト
ルクがあり、負荷トルクが永久磁石形誘導同期電動機の
最大トルク以上になると、永久磁石形誘導同期電動機は
停止してしまう。これらの点を考慮すると、定格運転領
域の負荷角は最大トルクを発生する負荷角より小さい。

【００２１】よって、最大トルクを発生する負荷角より
小さい負荷角で、大きなトルクが得られる構造として
は、定格運転領域の永久磁石によるトルクに対して、リ
アクタンスの差によるトルクが負の成分を持たない構造
が望ましい。これらを式を用いて以下に述べる。

【００２２】永久磁石回転電機のトルクＴは、以下の式
（１）で表すことができる。

【００２３】 Ｔ＝Ｅｏ・Ｉｑ／ω＋（Ｘｄ−Ｘｑ）Ｉｄ・Ｉｑ／ω …式（１） ただし、Ｅｏ：１相の誘起電圧，ω：回転速度，Ｉｄ：
ｄ軸電流，Ｉｑ：ｑ軸電流，Ｘｄ：ｄ軸リアクタンス，
Ｘｑ：ｑ軸リアクタンスである。

【００２４】回転電機のトルクＴを表す式（１）は、以
下の式（２）で表現することもできる。

【００２５】 Ｔ＝（Ｅｔ・Ｅｏ／Ｘｄ）sinδ＋｛Ｅｔ・Ｅｏ・（Ｘｄ−Ｘｑ）／（２ ・Ｘｄ・Ｘｑ）｝sin²δ …式（２） ただし、Ｅｔ：端子電圧，δ：負荷角である。

【００２６】式（１）と式（２）は、永久磁石電動機の
トルクＴを表す一般式である。各式の第１項は永久磁石
によるトルク成分を表し、第２項はｄ軸リアクタンスＸ
ｄとｑ軸リアクタンスＸｑのリアクタンス差によるトル
ク成分を表している。式(１)および式（２）で、第１項
が表す永久磁石によるトルクが負荷角δと共に増加する
ときの負荷角δの範囲は、０≦δ≦π／２の領域であ
る。この領域で、第２項が表すリアクタンス差によるリ
アクタンストルクは、（Ｘｄ＞Ｘｑ）の時には正とな
り、（Ｘｄ＜Ｘｑ）の時には負の値を持つ。

【００２７】円柱形の回転子外周の全面に永久磁石を設
けた円筒型回転子の場合は、第２項のｄ軸リアクタンス
Ｘｄとｑ軸リアクタンスＸｑが同じであるので、リアク
タンストルクは発生しない。

【００２８】しかしながら、第１の実施例および第２の
実施例の回転子では、円筒型回転子の磁極中心部に補助
磁極を配置しているので、ｄ軸リアクタンスＸｄがｑ軸
リアクタンスＸｑより大きくなり（Ｘｄ＞Ｘｑ）、永久
磁石によるトルクが負荷角と共に増加する負荷角δが０
≦δ≦π／２の領域で、正のリアクタンストルクが得ら
れる。

【００２９】したがって、第１の実施例の永久磁石回転
電機および第２の実施例の永久磁石形誘導同期電動機
は、定格運転領域の永久磁石によるトルクに対して、リ
アクタンストルクが正の成分を持つ構造でありながら、
運転領域のトルクが大きく、最大トルクが大きい効果が
ある。

【００３０】図５に、第１の実施例の永久磁石回転電機
および第２の実施例の永久磁石形誘導同期電動機による
特性向上の改善例を示す負荷角に対するトルク特性Ｔｃ
を示す。図５中には（Ｘｄ＞Ｘｑ）の関係を有する従来
の永久磁石回転電機のトルク特性Ｔａ、および（Ｘｄ＜
Ｘｑ）の関係を有する従来の永久磁石回転電機のトルク
特性Ｔｂも示す。

【００３１】図５より、従来の（Ｘｄ＞Ｘｑ）の関係に
した場合のトルク特性Ｔａは、負荷角δが０〜π／２で
ある領域でリアクタンストルクが正となる（負荷角δの
π／２〜πの領域でリアクタンストルクが負となる）の
で、最大トルクがπ／２より小さい方へ移動する。しか
し、永久磁石による発生トルクが小さいので、最大トル
クが小さくなる。従来の（Ｘｄ＜Ｘｑ）の関係にした場
合のトルク特性Ｔｂは、逆に負荷角δがπ／２〜πであ
る領域でリアクタンストルクが正となるので、最大トル
クがπ／２より大きい方へ移動する。しかし、永久磁石
による発生トルクが小さいので、最大トルクが小さくな
る。

【００３２】これに対して、Ｘｄ＞Ｘｑである第１の実
施例の永久磁石回転電機および第２の実施例の永久磁石
形誘導同期電動機のトルク特性Ｔｃは、永久磁石による
発生トルクが大きいので、最大トルクがπ／２より小さ
い方へ移動するが、大きな最大トルクが得られる効果が
ある。

【００３３】以上では、２極の回転電機を対象に述べた
が、４極機以上に適用できることは言うまでもない。一
例として、図６に本発明を４極機に適用した場合の永久
磁石回転電機の回転子の断面図を示す。

【００３４】

【発明の効果】本発明によれば、回転子鉄心の外周側に
永久磁石と補助磁極とを設けた従来の回転子よりも、回
転子における永久磁石の表面積が大きいので、永久磁石
による磁束量が増加し、発生トルクが増加するととも
に、永久磁石回転電機のインピーダンスドロップが小さ
くなって、永久磁石回転電機の出力をより向上させるこ
とができる。

【００３５】また、第１の永久磁石の外周側の端部から
回転中心側の端部までの長さを、着磁方向の長さよりも
大きくすることにより、より発生トルクが増加するとと
もに、永久磁石回転電機のインピーダンスドロップが小
さくなって、永久磁石回転電機の出力をより向上させる
ことができる。

【００３６】また、第１の永久磁石と２の永久磁石とが
一体であってもよいし、永久磁石の端部の回転子鉄心
に、抜き穴または非磁性体を設けてもよく、これによっ
て、永久磁石の端部の漏れ磁束を低減できるので、発生
トルクを増加させることができる。

【００３７】本発明の永久磁石形誘導同期電動機によれ
ば、自己始動が可能で、永久磁石による発生トルクを大
きく、リアクタンストルクを有効に利用できるので、運
転効率が高く、出力が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施例の永久磁石回転電機の回転子の断
面図。

【図２】界磁磁極の補助磁極６付近の永久磁石による磁
束の流れを示す図。

【図３】円弧状に形成した円弧状永久磁石を用いた回転
子を示す図。

【図４】第２の実施例の永久磁石形誘導同期電動機の回
転子の断面図。

【図５】従来技術と本実施例の負荷角に対するトルク特
性を示す図。

【図６】４極の永久磁石回転電機の回転子の断面図。

【符号の説明】

１…回転子鉄心、２ａ…中央永久磁石、２ｂ…主永久磁
石、３…二次導体、４…抜き穴、５…シャフト、６…補
助磁極。

フロントページの続き (72)発明者 菊地 聡 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 小林 孝司 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 妹尾 正治 千葉県習志野市東習志野七丁目１番１号 株式会社日立製作所産業機器事業産業シス テム本部内 (72)発明者 佐藤 和雄 千葉県習志野市東習志野七丁目１番１号 株式会社日立製作所産業機器事業産業シス テム本部内 Ｆターム(参考） 5H019 AA04 CC03 CC06 CC08 CC09 5H622 AA03 CA02 CA07 CA09 CA12 CA13 CB01 CB04 CB05 PP10

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】永久磁石および前記永久磁石よりも高い比
   透磁率の補助磁極を回転子鉄心に配置した回転子を有す
   る永久磁石回転電機において、 前記回転子の各々の界磁磁極が、１つの前記補助磁極を
   挟んで同じ極性が向かい合うように配置された２つの第
   １の永久磁石と、１つの前記補助磁極および２つの前記
   第１の永久磁石を間にして配置された２つの第２の永久
   磁石とからなり、 前記第１の永久磁石は前記回転子の周方向に沿って着磁
   されており、 前記第２の永久磁石は前記回転子の径方向に沿って着磁
   されていることを特徴とする永久磁石回転電機。
2. 【請求項２】前記第１の永久磁石の前記回転子の外周側
   の端部から回転中心側の端部までの長さは、前記第１の
   永久磁石の着磁方向の長さよりも大きいことを特徴とす
   る請求項１の永久磁石回転電機。
3. 【請求項３】１つの前記界磁磁極における１つの前記第
   １の永久磁石と１つの前記第２の永久磁石とが一体であ
   ることを特徴とする請求項１の永久磁石回転電機。
4. 【請求項４】前記永久磁石の端部の前記回転子鉄心に、
   抜き穴または非磁性体を設けたことを特徴とする請求項
   １の永久磁石回転電機。
5. 【請求項５】永久磁石、前記永久磁石よりも高い比透磁
   率の補助磁極、および二次導体を回転子鉄心に配置した
   回転子を有する永久磁石形誘導同期電動機において、 前記回転子の各々の界磁磁極が、１つの前記補助磁極を
   挟んで同じ極性が向かい合うように配置された２つの第
   １の永久磁石と、１つの前記補助磁極および２つの前記
   第１の永久磁石を間にして配置された２つの第２の永久
   磁石とからなり、 前記第１の永久磁石は前記回転子の周方向に沿って着磁
   されており、 前記第２の永久磁石は前記回転子の径方向に沿って着磁
   されており、 前記二次導体は前記第２の永久磁石よりも外周側に配置
   されたことを特徴とする永久磁石形誘導同期電動機。