JP2004201407A - 同期機の磁石半減型ロータ - Google Patents

Abstract

【課題】優れた出力特性をもつ同期機の磁石半減型ロータを提供すること。
【解決手段】磁石半減型ロータにおいて、永久磁石２により占有される第１極性の磁極部の占有角をθ１、鉄心部１により占有される第１極性の磁極部の占有角をθ２、第１極性の磁極部５と第２極性の磁極部６との間の境界領域７をすべて占有する空孔部４の占有角をθ０（＝θｎーθ１ーθ２）とした場合に、前記占有角θ２は前記占有角θ１の０．９〜１．１の範囲に設定される。これにより、ステータ／ロータ間ギャップの平均磁束密度すなわち有効磁束を増大できる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、同期機の磁石半減型ロータの改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
永久磁石ロータを用いる永久磁石型同期機において、機械的強度特に高速回転時の遠心力に対する耐性が優れているために、ロータ鉄心部に永久磁石を埋設した磁石内蔵型モータ（ＩＰＭ）が通常採用されている。
【０００３】
ＩＰＭのロータの径方向断面例を図５に示す。図５において、１は軟鉄製のロータ鉄心部、２は永久磁石、３はロータ鉄心部１の外周面近傍に位置して設けた軸方向に貫設される磁石収容孔部、４は磁石収容孔部３の周方向両側に位置して軸方向に貫設される空孔部である。磁石収容孔部３の径方向外側の外周面部分には永久磁石２により第１極性（たとえばＳ極）の磁極部５と第２極性の磁極部６とが周方向交互に形成され、周方向に隣接する二つの永久磁石の間には境界部７が形成されている。したがって、２磁極ピッチθｎは、磁極部５、６の占有角θと境界部７の占有角θ０との和の２倍となる。８は、空孔部４、４の間の鉄心部分である。
【０００４】
また、下記の特許文献１は、この永久磁石ロータにおいて磁極数に対して永久磁石数を半減し、各永久磁石の磁極の径方向向きを同一とした磁石半減型ロータを提案している。この公報のロータの径方向断面を図６に示す。
【０００５】
図６において、１は軟鉄製のロータ鉄心部、２は永久磁石、３はロータ鉄心部１の外周面近傍に位置して設けた軸方向に貫設される磁石収容孔部、４は磁石収容孔部３の周方向両側に位置して軸方向に貫設される空孔部である。磁石収容孔部３の径方向外側の外周面部分には永久磁石２により第１極性（たとえばＳ極）の磁極部５が形成され、周方向に隣接する任意の２つの空孔部４、４間の外周面部分には永久磁石２により第２極性（たとえばＮ極）の磁極部６が形成され、これら磁極部５、６の間には境界部７が形成されている。したがって、２磁極ピッチθｎは、第１極性の磁極部５の占有角θ１と、第２極性の磁極部６の占有角θ２と、境界部７の占有角θ０との和となる。８は磁石収容孔部３と空孔部４との間の隙間をなす鉄心部分である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した図５に示すごとき従来の永久磁石ロータでは、原理的に空孔部４、４の間の鉄心部分８を０とすることができず、特に高速回転タイプでは、この鉄心部分８の周方向幅を図５の低速タイプのものに比較して格段に大きく確保する必要があり、その結果としてこの部分を漏れる磁束によりロータ外周面からステータ側へ流れる有効磁束が減少し、発生トルクが減少するという問題があった。また、高速回転タイプでは、上記した鉄心部分８の周方向幅の増大により、磁石の周方向幅が小さくなり、これによっても有効磁束の減少とそれによるトルクの減少が生じてしまう。
【０００７】
これに対して、図６に示した上記公報の磁石半減型ロータでは、鉄心部により構成される第２極性の磁極部６の存在により、優れた耐遠心性が得られるため、更に永久磁石の厚さを倍増できるため、高速タイプにおいて特に有利であり、高速化により回転電機の小型軽量化を期待することができる。
【０００８】
しかしながら、図６に示す従来の磁石半減型ロータでは、空孔部４と磁石収容孔部３との間の境界部分に形成される鉄心部分８の間を流れる漏洩磁束により、図５の場合と同様に有効磁束が減少して発生トルクが減少するという問題、並びに、磁束漏洩により第２極性の磁極部６の磁束密度が第１極性の磁極部５のそれよりも小さくなってしまい、トルクリップルが生じるという問題があった。
【０００９】
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、優れた出力特性をもつ同期機の磁石半減型ロータを提供することをその目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の同期機の磁石半減型ロータは、軟鉄製の鉄心部と、前記鉄心部の外周面近傍に埋設されるｋ個の永久磁石とを有し、前記鉄心部は、角度θｎ（＝３６０／ｋ）のピッチで軸方向へ貫設されて前記永久磁石を個別に収容するｋ個の磁石収容孔部と、前記永久磁石を収容することなく前記各磁石収容孔部の周方向両側に位置して軸方向に貫設される２ｋ個の空孔部と、前記磁石収容孔部の径方向外側の外周面部分により構成される第１極性の磁極部と、周方向に隣接する任意の２つの前記空孔部の間の外周面部分により構成される第２極性の磁極部とを有する同期機の磁石半減型ロータにおいて、
前記第１極性の磁極部の占有角をθ１、前記第２極性の磁極部の占有角をθ２、前記第１極性の磁極部と前記第２極性の磁極部との間の境界領域の占有角をθ０（＝θｎーθ１ーθ２）とした場合に、前記占有角θ２は前記占有角θ１の０．９〜１．１の範囲に設定されていることを特徴としている。
【００１１】
実験結果によれば、このようにすることにより、ステータ／ロータ間ギャップの平均磁束密度すなわち有効磁束を増大できることがわかった。
【００１２】
好適な態様において、占有角θ０は、前記空孔部の占有角に等しく設定されていることを特徴とする。
【００１３】
すなわち、この発明では、図６を参照して説明すれば第１極性の磁極部５と第２極性の磁極部６との間の境界領域７の占有角θ０一杯に空孔部４を形成し、空孔部４と磁石収容孔部３との間の鉄心部分８をなくして空孔部４と磁石収容孔部３とを連通させる。これにより、従来、この鉄心部分８を流れる漏洩磁束を削減することができ、その分だけトルク向上を図ることができる。また、磁束漏洩の低減により、周方向における磁束分布の対称性を向上することができ、トルクリップルを低減することができる。
【００１４】
好適態様において、角度θｎに対する占有角θ０の比率（θ０／θｎ）は、０．０５〜０．１２５の範囲に設定されていることを特徴とする。実験結果によれば、このようにすればステータ／ロータ間ギャップの平均磁束密度すなわち有効磁束を向上できることがわかった。本発明者の推定では、２磁極ピッチ当たりの空孔部の占有角の比率（θ０／θｎ）を上記範囲より大きくし過ぎると第１極性の磁極部、第２極性の磁極部の占有角が小さくなってステータ／ロータ間ギャップの平均磁束密度すなわち有効磁束が減少し、比率（θ０／θｎ）を上記範囲より小さくし過ぎると第２極性の磁極部のうち空孔部の近傍を通過する磁路の磁気抵抗が空孔部より遠い磁路の磁気抵抗よりも大幅に小さくなり、その結果として、第２極性の磁極部の磁束分布の不均一が大きくなってしまうためにステータ／ロータ間ギャップの平均磁束密度すなわち有効磁束が減少してしまうためであると思われる。なお、この有効磁束の減少は出力減少に直結する。
【００１５】
好適な態様において、永久磁石は希土類磁石からなる。このようにすれば、希土類磁石の大きな残留磁束を利用して高出力化が可能となる。希土類磁石は脆いのでできるだけ厚くすることが好ましいが、この磁石半減型ロータでは、第１極性の磁極部、ステータ／ロータ間ギャップ、ステータ鉄心、ステータ／ロータ間ギャップ、第２極性の磁極部、第１極性の磁極部と流れる磁気回路中において界磁磁束源として一個の永久磁石だけを持つので、高価な永久磁石使用量を増やすことなく永久磁石の厚さを通常のロータ（図５参照）に比較して倍増することができ、高速タイプの回転電機において特に好都合である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の同期機の磁石半減型ロータの好適実施態様を図１を参照して具体的に説明する。
【００１７】
図１において、１は軟鉄製のロータ鉄心部、２は永久磁石、３はロータ鉄心部１の外周面近傍に位置して設けた軸方向に貫設される磁石収容孔部、４は磁石収容孔部３の周方向両側に位置して軸方向に貫設される空孔部である。
【００１８】
磁石収容孔部３の径方向外側の外周面部分には永久磁石２により第１極性（たとえばＳ極）の磁極部５が形成され、周方向に隣接する任意の２つの空孔部４、４間の外周面部分には永久磁石２により第２極性（たとえばＮ極）の磁極部６が形成され、これら磁極部５、６の間には境界部７が形成されている。したがって、２磁極ピッチθｎは、第１極性の磁極部５の占有角θ１と、第２極性の磁極部６の占有角θ２と、境界部７の占有角θ０との和となる。境界部７の占有角θ０のすべては空孔部４により占有されている。なお、この明細書でいう占有角θとは、ロータ鉄心部（本発明でいう鉄心部）の径方向中央部に軸方向に貫設された回転軸挿入孔である。
【００１９】
この実施例では、永久磁石２は３個用い、各永久磁石２は希土類磁石を用いている。また、第１極性の磁極部５の占有角θ１と第２極性の磁極部６との占有角θ２とは等しく設定されている。また、２磁極ピッチに相当する角度θｎに対する占有角θ０の比率（θ０／θｎ）は、０．０６５に設定されている。
【００２０】
なお、図１に示すように、占有角θ１は、板状の永久磁石２の４つの角部のうち径方向外側の２つの角部間の角度を意味する。空孔部４とロータ鉄心部１の外周面との間の鉄心部分は機械的強度を維持できる範囲でできるだけ薄くされている。
【００２１】
このように構成された磁石半減型ロータは同期機のロータとしてステータ／ロータ間ギャップの磁束密度を従来より改善できるので、出力を向上することができる。
【００２２】
実験結果を図２〜図３に示す。なお、ロータ形状は図１と本質的に同じ
であり、ロータ鉄心部１の外径は５０mm、内径は１６mmとされている。
【００２３】
図２において、θ１＝θ２とされ、空孔部４の占有角θ０を種々変更した場合のステータ／ロータ間ギャップの平均磁束密度を示す。図２から、角度θｎに対する占有角２θ０の比率（２θ０／θｎ）は、０．１〜０．２５とすることが好ましいことがわかる。
【００２４】
図３において、２θ０／θｎは、０．１２５とされ、θ２に対するθ１の比率を種々変更した場合のステータ／ロータ間ギャップの平均磁束密度を示す。図３から、この比率を０．９〜１．１の範囲に設定することが好ましいことがわかる。
【００２５】
図４は、磁石半減型ロータにおいて、空孔部４がある場合（Ａ）と、空孔部４がない場合（Ｂ）とにおけるステータ／ロータ間ギャップの磁束の周方向分布を示す。ただし、空孔部４がある場合において、角度θｎに対する占有角２θ０の比率（２θ０／θｎ）は０．１２５、θ１＝θ２に設定されている。図４から、空孔部４がある場合（Ａ）の境界部７における磁界変化は、空孔部４がない場合（Ｂ）のそれに対して急峻となっていることがわかる。すなわち、空孔部４がある磁石半減型ロータは、境界部７に漏れる永久磁石２の磁束が少ない分だけ、空孔部４がない磁石半減型ロータよりも第２極性の磁極部６の磁束密度が高く成っていることがわかる。
【００２６】
また、図４から、空孔部４がある場合には、上記磁束密度の向上分だけ、第１極性の磁極部５と第２極性の磁極部６との磁束密度の差が少なく、その分だけ、磁束密度の周方向分布の対称性が改善され、その分だけ、トルクリップルが小さくなる。
（変形態様）磁石収容孔部３および永久磁石２の数は、上記実施例の３以外に種々変更できることは明白である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の磁石半減型ロータの径方向模式断面図である。
【図２】図１の磁石半減型ロータにおいて空孔部の占有角の割合を種々変更した場合のステータ／ロータ間ギャップの平均磁束密度を示す図である。
【図３】図１の磁石半減型ロータにおいて第１極性の磁極部と第２極性の磁極部との占有角の比率を種々変更した場合のステータ／ロータ間ギャップの平均磁束密度を示す図である。
【図４】図１の磁石半減型ロータにおいて空孔部の占有角の割合を種々変更した場合のステータ／ロータ間ギャップの平均磁束密度を示す図である。
【図５】従来の永久磁石通常配置型ロータの径方向模式断面図である。
【図６】従来の磁石半減型ロータの径方向模式断面図である。
【符号の説明】
１ ロータ鉄心部（鉄心部）
２ 永久磁石
３ 磁石収容孔部
４ 空孔部
５ 第１極性の磁極部
６ 第２極性の磁極部
７ 境界部
θ０ 境界部の占有角
θ１ 第１極性の磁極部の占有角
θ２ 第２極性の磁極部の占有角
θn ２磁石ピッチの占有角

Claims (4)

1. 軟鉄製の鉄心部と、前記鉄心部の外周面近傍に埋設されるｋ個の永久磁石とを有し、
   前記鉄心部は、
   角度θｎ（＝３６０／ｋ）のピッチで軸方向へ貫設されて前記永久磁石を個別に収容するｋ個の磁石収容孔部と、
   前記永久磁石を収容することなく前記各磁石収容孔部の周方向両側に位置して軸方向に貫設される２ｋ個の空孔部と、
   前記磁石収容孔部の径方向外側の外周面部分により構成される第１極性の磁極部と、
   周方向に隣接する任意の２つの前記空孔部の間の外周面部分により構成される第２極性の磁極部と、
   を有する同期機の磁石半減型ロータにおいて、
   前記第１極性の磁極部の占有角をθ１、前記第２極性の磁極部の占有角をθ２、前記第１極性の磁極部と前記第２極性の磁極部との間の境界領域の占有角をθ０（＝θｎーθ１ーθ２）とした場合に、前記占有角θ２は前記占有角θ１の０．９〜１．１の範囲に設定されていることを特徴とする同期機の磁石半減型ロータ。
2. 請求項１記載の同期機の磁石半減型ロータにおいて、
   占有角θ０は、前記空孔部の占有角に等しく設定されていることを特徴とする同期機の磁石半減型ロータ。
3. 請求項２記載の同期機の磁石半減型ロータにおいて、
   角度θｎに対する角度θ０の比率（θ０／θｎ）は、０．０５〜０．１２５の範囲に設定されていることを特徴とする磁石半減型同期機。
4. 請求項３記載の磁石半減型同期機において、
   前記永久磁石は希土類磁石からなることを特徴とする同期機の磁石半減型ロータ。

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