JP2004147372A - 永久磁石型回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】永久磁石型回転電機において、ティースを通過する磁束量の低下を抑制しつつ、回転子表面における磁束密度変動を減少させる。
【解決手段】界磁となる永久磁石を備えた回転子（３０）と、その回転子を外囲するように、コイルが収納される複数のスロット（２１）及びスロット相互の間に配置された複数のティース（２２）を備えた円筒状をなす固定子（２０）とを有する永久磁石型回転電機において、スロット（２１）は、隣接するティース（２２）の径方向の内側の先端部分を相互に連結した閉スロット状とし、ティース（２２）は、その径方向の内端から外側に向かって延在し且つその先端部分における周方向の磁束の流れを抑制するように磁化容易方向が決定された磁性部材（４５）を備える構成とした。
【選択図】　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数のスロット及びティースを有する固定子を備えた永久磁石型回転電機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、界磁として永久磁石を用いた発電機やモータ等の永久磁石型回転電機として、例えば、図７に示すような構成が知られている（例えば、特許文献１参照。）。この種の回転電機１００は、界磁をなす永久磁石１３１を備えた回転子１３０とそれを外囲する固定子鉄心１２０とから構成される。固定子鉄心１２０には、コイル１４０が収納された複数のスロット１２１及びそのスロット相互の間に配置された複数のティース１２２が設けられており、発電機の場合では、回転子１３０を回転させることによって固定子鉄心１２０のティース１２２に巻装されたコイル１４０に電圧を誘起し、一方、モータの場合では、回転子１３０の回転に同期させるように固定子鉄心１２０に回転磁界を生じさせることで回転子１３０を回転させることができる。
【０００３】
しかし、上記構成によれば、回転子１３０が回転する際には、固定子鉄心１２０に対する回転子１３０の回転位置によって、回転子表面における磁束密度（ここでは、永久磁石１３１の保持管１３２の所定の部位における磁束密度の値を基準値として示す。本明細書において以下同様。）は、図５の特性曲線Ａに示すように大きく変動する。これは、スロット１２１の開口部分１２１ａが存在することに起因する磁気回路の磁気抵抗の変化によるものである。即ち、図５の特性曲線Ａにおける周期的な磁束密度の低下は、保持管１３２における所定の部位が、開口部分１２１ａと概ね対向する回転位置（図７のｂ−ｂ’で示す位置）にある場合に生じる。このような磁束密度の変動（いわゆるスロットリップル）は、永久磁石１３１及びその保持管１３２の表面に誘導起電力を発生させ、結果として永久磁石１３１及びその保持管１３２に渦電流が生じて発熱等によるエネルギ効率の低下をもたらし得る。
【０００４】
これに対して、例えば、図８に示すように、固定子鉄心に設けるスロットの開口部分が存在しない構成（即ち、隣接するティース部２２２の径方向内側の先端部分を相互に連結した閉スロットタイプ）が知られている（例えば、特許文献２参照。）。この回転電機２００の場合、スロット２２１の開口部分が存在しないので、磁気回路の磁気抵抗の変化は小さくなり、図５の特性曲線Ｃに示すように、磁束密度の変動は前述の特性曲線Ａの場合に比べて大幅に改善される。
【０００５】
しかし、上記構成によれば、固定子鉄心２２０の内周縁部（ティース部２２２の径方向内側の先端部分及びティース部２２２の間の連結部２２３によって構成される領域）において、周方向（図８のｃ−ｃ’で示す方向）の磁束の流れによる磁束の漏れが生じるため、図６の特性曲線Ｃに示すように、磁束経路をなすティース部２２２における磁束密度（ここでは、ティース部２２２の所定の部位における磁束密度の値を基準値として示す。本明細書において以下同様。）は、前述のようなスロットの開口部分が存在する場合（特性曲線Ａ）に比べて減少する。つまり、回転電機の性能に寄与するティース２２２を通過する磁束量が減少して高い出力が得られなくなる。
【０００６】
これに対して、例えば、図９に示すように、固定子鉄心に設けるスロットの開口部分に磁性楔を挿入した構成が知られている（例えば、特許文献３参照。）。この回転電機３００の場合、スロット３２１の開口部分に挿入された磁性楔３２１ｍは、透磁率に方向性のある磁性材からなり、径方向（図９のｂ−ｂ’で示す方向）の磁束の流れを容易とする一方で、固定子鉄心３２０の周方向（図９のｃ−ｃ’で示す方向）の磁束の流れを阻害するように配置することができる。これにより、前述のような磁束の周方向の流れによる磁束の漏れの発生は抑制され、ティース部３２２を通過する磁束量の低下を防止することができる（図６の特性曲線Ｂ参照）。
【０００７】
【特許文献１】
特開平７−１２３６２２号公報（第７図）
【特許文献２】
特開２００２−１４２３９１号公報（第４図）
【特許文献３】
特開平７−１０７７１９号公報（第１２図）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記のような特許文献３の構成では、図９のＺ部の拡大図である図１０に示すように、回転子３３０から磁束楔３２１ｍに向かう磁束（図１０のｆ−ｆ’で示す方向）の流れは比較的容易となる一方で、磁束楔３２１ｍから外側に向けた磁束（図１０のｆ’−ｆ”で示す方向）の流れは阻害されるので、磁性楔３２１ｍにおける磁束は飽和しやすく、結果として磁束密度の変動を十分に抑止できない（図５の特性曲線Ｂ参照）。
【０００９】
本発明は、上記のような課題を鑑みてなされたものであり、その主目的は、ティースを通過する磁束量の低下を抑制しつつ、回転子表面における磁束密度変動を減少させることが可能な永久磁石型回転電機を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の回転電機は、請求項１に示すとおり、界磁となる永久磁石（３１）を備えた回転子（３０）と、その回転子を外囲するように、コイル（４０）が収納される複数のスロット（２１）及びスロット相互の間に配置された複数のティース（２２，７２）を備えた固定子（２０，７０）とを有する永久磁石型回転電機（１０，６０）において、スロット（２１）は、隣接するティースの径方向内側の先端部分が相互に連結された閉スロット状をなし、ティース（２２，７２）は、その径方向の内端から外側に向かって延在し且つ先端部分における周方向の磁束の流れを抑制するように磁化容易方向が定められた磁性部材（４５，９５）を備える構成とした。
【００１１】
これによると、固定子に設けるスロットを開口部分が存在しない構成とするので、磁束は隣接するティースの径方向内側の先端部分を相互に連結する部分（連結部）を容易に通過可能となり、スロットの開口部分の存在を主因とする磁気回路の磁気抵抗の変化を低減できる。従って、回転子が回転する際に、磁気回路の磁気抵抗の変化によって生じる回転子表面での磁束密度変動も抑制することができる。結果として、回転子の外周部（通常は、永久磁石の保持管及びそれに近接する永久磁石の一部）における渦電流の発生を抑制することができ、発熱等によるエネルギ効率の低下を防止することが可能となる。
【００１２】
また、ティースにおいて、固定子の径方向の内端（即ち、回転子側の端部）から外側（即ち、外周面側）に向かって延在するように設けた磁性部材によって、ティースの先端部分における周方向の磁束の流れを制限することが可能となり、ティースを通過する磁束量の低下を極力防止して、エネルギ効率を向上させることができる。
【００１３】
上記回転電機においては、請求項２に示すとおり、磁性部材（９５）は、ティース（７２）の周方向中央部に位置し、固定子の外周縁部（７４）における周方向の磁束経路が形成される領域近傍まで延在する構成とした。
【００１４】
これによると、磁性部材が、固定子の外周縁部における周方向の磁束経路が形成される領域近傍まで延在するので、ティースを通過した後の磁束の経路（即ち、固定子の外周縁部）に悪影響を及ぼすことなく、磁性部材の径方向の先端（外端）を迂回する磁束の流れ（即ち、磁束の逆流）を効果的に抑制することができる。
【００１５】
また、磁性部材とスロットとの間の所定の領域を磁束経路として確保できるので、磁性部材を設けた場合でもティースにおける磁束の流れが妨げられることはない。
【００１６】
上記回転電機においては、請求項３に示すとおり、磁性部材（９５）は、ティース（７２）の径方向内側の先端部分に幅広部（９５ａ）を有する構成とした。
【００１７】
これによると、回転子からティース間の連結部を経て周方向に磁束部材を横切る磁束の流れを効果的に抑制し、漏れリアクタンスを減少させることができる。
【００１８】
上記回転電機においては、請求項４に示すとおり、磁性部材（４５，９５）は、方向性電磁鋼板からなり、その方向性電磁鋼板の磁化容易方向は固定子の径方向と一致する構成とした。
【００１９】
これによると、磁性部材において、固定子の周方向の磁束の流れは制限される一方で、固定子の径方向の磁束の流れは比較的容易となるので、磁束部材を周方向に横切る磁束の流れによる磁束の漏れをより効果的に低減することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の一実施形態を示す発電機の断面図である。この発電機１０は、回転子３０及びそれを外囲するように配置された固定子鉄心２０を主として備える。回転子３０は、永久磁石３１及びそれを保持するための円筒状の保持管３２を有する。本実施形態において、回転子３０は、回転子中心体３５の外周表面に径方向に着磁された２個の永久磁石３１が配置された構成であるが、永久磁石の個数及び配置については、これに限らず当業者に周知の種々の構成をとることが可能である。固定子鉄心２０は、コイル４０を収納する複数のスロット２１（ここでは、１２個）と、そのスロット相互の間のコイル４０が巻装された複数のティース部２２とを有する。スロット２１は、隣接するティース部２２の径方向内側の先端部が連結部２３によって一体をなすように相互に連結された閉スロット状をなす（即ち、スロットの開口部分は連結部によって閉じられている）。また、ティース部２２には、ティース部２２の周方向の概ね中央に、径方向の内端から外側に向かって延在する磁性部材４５が設けられている。この磁性部材４５としては、例えば、方向性電磁鋼板を用いることができ、その場合、方向性電磁鋼板の磁化容易方向を固定子鉄心の径方向と一致させるように設けることが好ましい。尚、磁性部材４５とスロット２１との間には、磁束経路をなす領域が確保されるので、磁性部材を設けることによってティースにおける磁束の流れが妨げられることはない。
【００２１】
この発電機１０の構成では、スロット２１には開口部分が存在しないため、前述の図５の特性曲線Ｃの場合と同様に、磁気回路の磁気抵抗の変化は比較的小さくなり（図５の特性曲線Ｄ参照）、回転子３０が回転する際の回転子表面における磁束密度の変動を大幅に抑制することができる。
【００２２】
図２は、図１のＸ部の拡大図である。永久磁石３１からの磁束の流れは、磁性部材４５によって、固定子鉄心２０の周方向（図２のｈ−ｈ’で示す方向）では制限される一方で、固定子鉄心２０の径方向（図２のｇ−ｇ’で示す方向）では比較的容易となるので、前述のような周方向の磁束の流れによる磁束の漏れは減少し、ティース２２における磁束密度の低下を抑制することができる（図６の特性曲線Ｄ参照）。その結果、発電機の性能に関わるティース２２を通過する磁束量（即ち、コイル４０と鎖交する有効磁束量）を適正に保持することができる。
【００２３】
図３は、本発明の別の実施形態を示す発電機の断面図である。この発電機６０は、磁性部材９５の形状において異なることを除けば、図１の発電機１０と同様の構成である。図３において、図１に示した発電機１０と同様の構成要素については、図１と同一の符号で示してある。
【００２４】
図４（ａ）、（ｂ）は、図３のＹ部の拡大図である。図４（ａ）に示すように、磁性部材９５は、径方向内側の先端部分に幅広部９５ａが設けられている。前述のような周方向の磁束の流れによる磁束の漏れは、固定子鉄心７０の内周縁部（ティース部７２の径方向内側の先端部分及びティース部７２の間の連結部７３によって構成される領域）において生じるので、この幅広部９５ａにより、連結部７３を経て周方向に磁束部材９５を横切る磁束の流れ（図４（ａ）のｄ−ｄ’で示す成分）を抑制し、磁束の漏れをより効果的に抑制することができる。
【００２５】
また、磁性部材９５は、固定子鉄心７０の外周縁部７４（スロット２１の外縁２１ｂより外側の固定鉄心の円環状領域）における周方向の磁束経路が形成される領域近傍まで径方向に延在する。本実施形態の場合では、磁性部材９５の先端（外縁）９５ｂは、スロット２１の外縁２１ｂに対し、固定子鉄心７０の径方向において中心軸から等しい距離に位置している。これにより、図４（ａ）に示すように、磁性部材９５の先端９５ｂを迂回する磁束の流れ（図４（ａ）のｅ−ｅ’−ｅ”で示す成分）を効果的に抑制することができる。加えて、図４（ｂ）に示すように、磁性部材９５は、ティースを通過した後の磁束経路（ここでは、固定子鉄心の外周縁部７４）に悪影響を及ぼすこともない。
【００２６】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、固定子鉄心に設けるスロットを開口部分が存在しない構成として磁気回路の磁気抵抗の変化を低減することにより、回転子表面における磁束密度の変動を抑制して回転子の外周部における渦電流の発生を防止することができる。また、ティースの内端から外側に向かって延設した磁性部材によって、周方向の磁束の流れを抑制でき、ティースを通過する磁束量の低下を防止することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す発電機の断面図
【図２】図１の発電機のＸ部の拡大図
【図３】本発明の別の実施形態を示す発電機の断面図
【図４】図３の発電機のＹ部の拡大図
【図５】回転子の回転位置に対する回転子表面の磁束密度の変化を示すグラフ
【図６】回転子の回転位置に対するティースの磁束密度の変化を示すグラフ
【図７】従来の回転電機の構成を示す断面図
【図８】従来の別の回転電機の構成を示す断面図
【図９】従来の更に別の回転電機の構成を示す断面図
【図１０】図９の回転電機のＺ部の拡大図
【符号の説明】
１０，６０　発電機
２０，７０　固定子鉄心
２１　スロット
２２，７２　ティース部
２３，７３　連結部
３０　回転子
３１　永久磁石
３２　保持管
４０　コイル
４５，９５　磁性部材

Claims (4)

1. 界磁となる永久磁石を備えた回転子と、該回転子を外囲するように、コイルが収納される複数のスロット及び該スロット相互の間に配置された複数のティースを備えた固定子とを有する永久磁石型回転電機において、
   前記スロットは、隣接する前記ティースの径方向内側の先端部分が相互に連結された閉スロット状をなし、
   前記ティースは、その径方向の内端から外側に向かって延在し且つ前記先端部分における周方向の磁束の流れを抑制するように磁化容易方向が定められた磁性部材を備えることを特徴とする永久磁石型回転電機。
2. 前記磁性部材は、前記ティースの周方向中央部に位置し、前記固定子の外周縁部における周方向の磁束経路が形成される領域近傍まで延在することを特徴とする請求項１に記載の永久磁石型回転電機。
3. 前記磁性部材は、前記ティースの径方向内側の先端部分に幅広部を有することを特徴とする請求項１若しくは請求項２に記載の永久磁石型回転電機。
4. 前記磁性部材は、方向性電磁鋼板からなり、該方向性電磁鋼板の磁化容易方向は前記固定子の径方向と一致することを特徴とする請求項１乃至請求項３に記載の永久磁石型回転電機。

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