JP2005051897A - リラクタンス型回転電機の回転子 - Google Patents

Abstract

【課題】リラクタンス型回転電機の回転子において、スキューの効果と類似する効果を得るようにしてトルクリップル、振動、騒音を減少させる。
【解決手段】円環状の珪素鋼板を多数積層してなる回転子鉄心は、四つののブロック３、４、４、３に分割され、ブロック３は、回転軸のキー溝と係合するキーを通る中心線を基準として磁気的凹凸部が所定の角度だけ回転方向Ｘと反対方向にずれて形成され、ブロック４は、上記中心線を基準として磁気的凹凸部が所定の角度だけ回転方向Ｘにずれて形成されている。これにより、例えば、ブロック４、４の磁気的凹部の中心を通る中心線Ｌｃの軌跡とブロック３、３の磁気的凹部の中心を通る中心線Ｌｂの軌跡とは一直線上に位置せずジグザグ状になり、スキューの効果と類似した効果を得ることができる。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スキューの効果と類似する効果を得るようにしたリラクタンス型回転電機の回転子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
リラクタンス型回転電機例えば永久磁石式リラクタンス型回転電機は、磁束が通り易い磁気的凸部（ｄ軸と称する）と磁束が通り難い磁気的凹部（ｑ軸と称する）とが形成され、且つ、永久磁石を有する回転子を備えており、回転子は、固定子巻線が施された固定子内に配置されている。そして、回転子においては、磁気的凸部（ｄ軸）では空隙磁束密度が高く、磁気抵抗の大きい磁気的凹部（ｑ軸）では空隙磁束密度が低くなり、この磁束密度の変化によってリラクタンストルクが発生し、又、永久磁石と固定子の磁極との間の磁気吸引力および磁気反発力によってもトルクが発生する。
【０００３】
図６および図７は従来のリラクタンス型回転電機の回転子を示すもので、８極の場合である。ここで、図６は端板および回転軸を省略して示す側面図、図７は図６のＡ−Ａ線に沿う断面図である。即ち、図６において、回転子１００は、円環状の多数の珪素鋼板を積層してなる回転子鉄心１０１を有する。回転子鉄心１０１の外周部には、図７に示すように、略長方形の一対の磁石挿入孔部１０２、１０２が形成されており、この一対の磁石挿入孔部１０２、１０２に永久磁石１０３、１０３が挿入固定されている。更に、回転子鉄心１０１の外周部には、図７に示すように、一対の永久磁石１０３、１０３間に位置して空洞部１０４が形成されており、この空洞部１０４は、略三角形状をなしている。そして、回転子１００において、一対の磁石挿入孔部１０２、１０２および永久磁石１０３、１０３並びに空洞部１０４が設けられた部分が磁束の通り難い磁気的凹部（ｑ軸）１０５であり、磁気的凹部１０５、１０５間の部分が磁束の通り易い磁気的凸部（ｄ軸）１０６であり、これらの磁気的凹部１０５、磁気的凸部１０６は所定の角度を存して交互に形成されている（例えば特許文献１参照。）。
【０００４】
回転子鉄心１０１の内周部には、回転軸のキー溝と係合するキー１０７が形成されており、このキー１０７を通る中心線Ｌｏが磁気的凸部１０６の中心を通るようになっている。そして、中心線Ｌｏに隣接する磁気的凹部１０５の中心を通る中心線Ｌａとその中心線Ｌｏとは所定の角度θをなすようになっている。なお、８極の回転子１００の場合は、角度θは２２．５度である。この回転子１００は、固定子巻線が施された図示しない固定子内に配置されるようになっている。
【特許文献１】
特開２００１−３３９９２２号公報（図１）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
かご型誘導電動機においては、高調波成分によるトルクに起因するクローリング現象が発生することが知られているが、リラクタンス型回転電機においても、かご型誘導電動機と同様のクローリング現象を生じると考えられ、トルクリップル、振動、騒音が発生する不具合がある。
【０００６】
本発明は上述の事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、スキューと類似する効果を得るようにしてトルクリップル、振動、騒音を減少させることができるリラクタンス型回転電機の回転子を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載のリラクタンス型回転電機の回転子は、外周部に磁気的凹凸部が交互に形成された円環状の鉄心材を多数積層して形成され、内周部に軸方向に延びるキーを有する回転子鉄心と、この回転子鉄心の内周部に挿通され、外周部に前記キーと係合するキー溝を有する回転軸とを備え、前記回転子鉄心は、複数のブロックに分割されていて、少なくとも三つのブロックにおいて、一つのブロックを構成する鉄心材は、キーを通る中心線を基準として磁気的凹凸部が回転方向及び反回転方向のうちの一方向に所定角度ずれるように形成され、このブロックの両端に位置するブロックを構成する鉄心材は、キーを通る中心線を基準として磁気的凹凸部が回転方向及び反回転方向のうちの他方向に所定角度ずれるように形成されていることを特徴とする。
【０００８】
このような構成によれば、少なくとも一つのブロックにおける磁気的凹部の中心を通る中心線の軌跡は、その両端のブロックのそれとはずれるようになるので、かご型誘導電動機の回転子のスキューの効果と類似した効果を得ることができ、従って、トルクリップル、振動、騒音を減少させることができる。
【０００９】
請求項２記載のリラクタンス型回転電機の回転子は、回転子鉄心の各ブロックの磁気的凹部には、外周に向かうに従って対向距離が順次大となる一対の磁石挿入孔部が設けられ、これらの一対の磁石挿入孔部にそれぞれ永久磁石が挿入固定されていることを特徴とする。
このような構成によれば、リラクタンストルクに加えて永久磁石による磁気的なトルクも得ることができ、また、スキューの効果と類似した効果により逆起電力の波高値を低減することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
（第１の実施例）
以下、本発明の第１の実施例について、図１ないし図４を参照しながら説明する。
図３および図４は、永久磁石式リラクタンス型回転電機の回転子の一例を示すもので、８極の場合である。ここで、図３（ａ）および（ｂ）は径方向断面図 （具体的には、図２のＢ−Ｂ線およびＣ−Ｃ線に沿う断面図）、図４は縦断面図である。
【００１１】
回転子１は、円環状の多数の鉄心材たる珪素鋼板を積層してなる回転子鉄心２を有する。回転子鉄心２は、図２に示すように、等しい厚み寸法の４個（四つ）のブロック３、３および４、４に分割されており、左側からブロック３、４、４、３の順に積層されている。
【００１２】
まず、ブロック３（換言すれば、ブロック３を構成する珪素鋼板）について図３（ａ）を参照して述べる。ブロック３の外周部には、外周に向かうに従って対向距離が順次大となる略長方形の一対の磁石挿入孔部５、５が形成されており （従って、一対の磁石挿入孔部５、５は、外周側からみてハ字形になっている。）、この一対の磁石挿入孔部５、５に永久磁石６、６が挿入されて接着、充填材などにより固定されている。更に、ブロック３の外周部には、一対の永久磁石６、６間に位置して空洞部７が形成されており、この空洞部７は、一対の永久磁石６、６に平行な二辺部と外周に沿う辺部とを有する略三角形状をなしている。この場合、空洞部７の二辺部は、必ずしも永久磁石６、６に平行でなくてもよい。
【００１３】
そして、ブロック３において、一対の磁石挿入孔部５、５及び永久磁石６、６並びに空洞部７が設けられた部分が磁束の通り難い磁気的凹部（ｑ軸）８であり、磁気的凹部８、８間の部分が磁束の通り易い磁気的凸部（ｄ軸）９であり、これらの磁気的凹部８、磁気的凸部９は所定の角度を存して交互に形成されている。更に、ブロック３の内周には、１８０度の間隔を存して２個のキー１０、１１が軸方向に延びるようにして形成されている。
【００１４】
ここで、ブロック３において、キー１０、１１の中心を通る中心線Ｌｏは磁気的凸部９を通るようになっているが、この中心線Ｌｏより回転方向Ｘと反対方向（時計方向）に角度Δθだけずれた中心線Ｌｏａを想定した場合、この中心線Ｌｏａに隣接する磁気的凹部８の中心を通る中心線Ｌｂとその中心線Ｌｏａとは所定の角度θをなすようになっている。従って、中心線Ｌｏａは磁気的凸部９の中心を通るようになる。なお、ｎ極の場合は、角度θは１８０／ｎ度である。
【００１５】
また、図示しない固定子が６×ｎスロットの場合には、ａスロットピッチ分だけブロック３の磁極位置たる磁気的凹部８、磁気的凸部９を中心線Ｌｏを基準としてずらすものであり、従って、角度Δθは、
Δθ＝（３６０×ａ）／（６×ｎ）＝（６０×ａ）／ｎ
のように−（６０×ａ）／ｎ度になる。なお、−は回転方向Ｘと反対方向（時計方向）にずれていることを示す。
【００１６】
次に、ブロック４（換言すれば、ブロック４を構成する珪素鋼板）について図３（ｂ）を参照して述べる。ブロック４の外周部には、石挿入孔部５、５と同様の一対の磁石挿入孔部１２、１２が形成されており、この一対の磁石挿入孔部１２、１２に永久磁石１３、１３が挿入されて接着、充填材などにより固定されている。更に、ブロック４の外周部には、一対の永久磁石１３、１３間に位置して空洞部７と同様の空洞部１４が形成されている。
【００１７】
そして、ブロック４において、一対の磁石挿入孔部１２、１２及び永久磁石１３、１３並びに空洞部１４が設けられた部分が磁束の通り難い磁気的凹部（ｑ軸）１５であり、磁気的凹部１５、１５間の部分が磁束の通り易い磁気的凸部（ｄ軸）１６であり、これらの磁気的凹部１５、磁気的凸部１６は所定の角度を存して交互に形成されている。更に、ブロック４の内周には、１８０度の間隔を存して２個のキー１０、１１が軸方向に延びるようにして形成されている。
【００１８】
ここで、ブロック４において、キー１０、１１の中心を通る中心線Ｌｏは磁気的凸部１６を通るようになっているが、この中心線Ｌｏより回転方向Ｘ（反時計方向）に角度Δθだけずれた中心線Ｌｏｂを想定した場合、この中心線Ｌｏｂに隣接する磁気的凹部１５の中心を通る中心線Ｌｃとその中心線Ｌｏｂとは所定の角度θをなすようになっている。従って、中心線Ｌｏｂは磁気的凸部１６の中心を通るようになる。なお、角度θは１８０／ｎ度であり、角度Δθは＋（６０×ａ）／ｎ度であり、＋は回転方向Ｘ（反時計方向）にずれていることを示す。
【００１９】
この場合、図３（ａ）および（ｂ）から明らかなように、この実施例では、ブロック４は、ブロック３を構成する珪素鋼板を表裏反転して積層した形態になっており、従って、一種類の珪素鋼板でブロック３、４を構成することができるようになっている。なお、回転子鉄心２の両端部には円環状をなす端板１７、１８（図４参照）が配置されている。
【００２０】
さて、回転軸１９と回転子鉄心２、端板１７および１８とは、焼きばめにより一体化されて組立てられる。この場合、図４に示すように、固定子鉄心２のキー１０、１１（端板１７、１８のキーも含む）は回転軸１９のキー溝２０（一方のみ図示）に合致するようになっている。なお、回転軸１９には、回転子鉄心２、端板１７および１８の位置決め用の鍔部２１が形成されている。
【００２１】
このように回転子１の組立てが完了した状態では、ブロック３は中心線Ｌｏを基準として磁気的凹部８、磁気的凸部９を角度Δθだけ回転方向Ｘと反対方向 （時計方向）にずらし、ブロック４は中心線Ｌｏを基準として磁気的凹部１５、磁気的凸部１６を角度Δθだけ回転方向Ｘ（反時計方向）にずらすようにしているので、図１に示すように、ブロック３、４、４、３の中心線Ｌｂ、Ｌｃ、Ｌｃ、Ｌｂの直線状をなす軌跡は、一直線（従来）にはならずジグザグ状になるものであり、従って、回転子１としては、かご型誘導電動機の回転子のスキューの効果と類似した効果を得ることができる。この場合、中心線Ｌｂ、Ｌｂと中心線Ｌｃ、Ｌｃとのずれ量が±０（具体的には、中心線Ｌｂ、Ｌｂのずれ角度Δθ（−）と中心線Ｌｃ、Ｌｃのずれ角度Δθ（＋）との総和が±０で、且つ、中心線Ｌｂ、Ｌｂの軌跡の総和長（ブロック３の総厚み寸法）と中心線Ｌｃ、Ｌｃの軌跡の総和長（ブロック４の総厚み寸法）とが等しい（両者の差が±０）こと。）である必要がある。
【００２２】
しかして、回転子１は、固定子巻線が施された図示しない固定子内に配置されるようになっている。回転子１には、磁束が通り難い磁気的凹部（ｑ軸）８、１５と磁束が通り易い磁気的凸部（ｄ軸）９、１６とが形成されているので、これらの磁気的凹部８、１５および磁気的凸部９、１６上の空隙部分で、固定子巻線に電流を流すことにより蓄えられる磁気エネルギーが異なり、この磁気エネルギーの変化によりリラクタンストルクが発生する。また、回転子１には、永久磁石６、６および１３、１３も設けられているので、永久磁石６、６および１３、１３と固定子の磁極との間の磁気吸引力及び磁気反発力によってもトルクが発生する。これにより、回転子１が回転するようになる。
【００２３】
このとき、回転子１に埋め込まれた永久磁石の固定子コイルに対する磁束が両端で同じように作用し、固定子コイルに流れる電流に対して永久磁石の漏れ磁束の作用を両端で相殺する方向に同じ量け働いて打ち消し合い、軸方向の振動を抑制する。
【００２４】
このように本実施例によれば、回転子１のブロック３は中心線Ｌｏを基準として磁気的凹部８、磁気的凸部９を角度Δθだけ回転方向Ｘと反対方向（時計方向）にずらし、ブロック４は中心線Ｌｏを基準として磁気的凹部１５、磁気的凸部１６を角度Δθだけ回転方向Ｘ（反時計方向）にずらすようにしているので、ブロック３、４、４、３の中心線Ｌｂ、Ｌｃ、Ｌｃ、Ｌｂの直線状をなす軌跡は、ジグザグ状になるものであり、従って、回転子１としては、かご型誘導電動機の回転子のスキューの効果と類似した効果を得ることができる。これにより、トルクリップル、振動、騒音を減少させることができるとともに、固定子巻線の逆起電力の波高値の低減を図ることができる。
【００２５】
そして、中心線Ｌｂ、Ｌｂと中心線Ｌｃ、Ｌｃとのずれ量が±０となるように設定したので、かご型誘導電動機の回転子のスキューと類似した効果を得るようにしても、磁気的に支障が生じることはない。
【００２６】
（第２の実施例）
図５は本発明の第２の実施例であり、前記第１の実施例（図１）と異なるところは、回転子鉄心２に代わる回転子鉄心２２は、回転子鉄心２に更に四つのブロック３、４、４、３を同順に積層してなる形態に構成したものである。その他の構成は、前記第１の実施例と同様である。
この第２の実施例は、特に大形の回転子に適するもので、このような構成によっても、前記第１の実施例同様の効果を得ることができる。
【００２７】
なお、上記第２の実施例において、ブロック３、４の厚み寸法を第１の実施例の半分に設定するようにしてもよい。要するに、少なくとも四つのブロック３、４、４、３において、隣接する二つのブロック４、４を構成する鉄心材は、キーを通る中心線を基準として磁気的凹凸部１５、１６が回転方向及び反回転方向のうちの一方向に所定角度ずれるように形成され、この二つのブロック４、４の両端に位置するブロック３、３を構成する鉄心材は、キーを通る中心線を基準として磁気的凹凸部８、９が回転方向及び反回転方向のうちの他方向に所定角度ずれるように形成されるようにすればよい。
【００２８】
（その他の実施例）
なお、本発明は、上記し且つ図面に示す実施例にのみ限定されるものではなく、次のような拡張、変形が可能である。
上記各実施例においては、回転子鉄心に永久磁石を設けるようにしたが、これは必要に応じて設けるようにすればよい。
【００２９】
また、上記各実施例において、中央部の二つのブロック４、４を、一つのブロックとして想定してその両端のブロック３、３とともに基本的に三つのブロックを構成するとしてもよく、或いは、一つのブロック４とその両端に位置させるブロック３、３とともに基本的に三つのブロックを構成するとしてもよい。
【００３０】
上記各実施例においては、回転子鉄心に略三角形状の空洞部を設けることにより磁気的凹凸部を構成するようにしたが、代わりに、円形状、楕円状、四角形状或いは菱形状の空洞部を設けることにより磁気的凹凸部を構成するようにしてもよく、更には、回転子鉄心に機械的な凹凸部を形成することにより磁気的凹凸部を構成するようにしてもよい。
回転子の極数は、８極に限らず、他の極数でも同様の効果が得られるものであり、また、固定子のスロット数も適宜設定すればよい。
【発明の効果】
本発明のリラクタンス型回転電機の回転子は、以上説明したように、スキューの効果と類似する効果を得るようにしてトルクリップル、振動、騒音を減少させることができるという効果を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例を示す回転子の部分上面図
【図２】回転子鉄心の側面図
【図３】（ａ）および（ｂ）は図２のＢ−Ｂ線およびＣ−Ｃ線に沿う断面図
【図４】回転子の縦断面図
【図５】本発明の第２の実施例を示す図１相当図
【図６】従来例を示す回転子の側面図
【図７】図６のＡ−Ａ線に沿う断面図
【符号の説明】
図面中、１は回転子、２は回転子鉄心、３および４はブロック、５および１２は磁石挿入孔部、６および１３は永久磁石、７および１４は空洞部、８および１５は磁気的凹部、９および１６は磁気的凸部、１０および１１はキー、１７および１８は端板、１９は回転軸、２１はキー溝、２２は回転子鉄心を示す。

Claims (2)

1. 外周部に磁気的凹凸部が交互に形成された円環状の鉄心材を多数積層して形成され、内周部に軸方向に延びるキーを有する回転子鉄心と、
   この回転子鉄心の内周部に挿通され、外周部に前記キーと係合するキー溝を有する回転軸とを備え、
   前記回転子鉄心は、複数のブロックに分割されていて、少なくとも三つのブロックにおいて、一つのブロックを構成する鉄心材は、キーを通る中心線を基準として磁気的凹凸部が回転方向及び反回転方向のうちの一方向に所定角度ずれるように形成され、このブロックの両端に位置するブロックを構成する鉄心材は、キーを通る中心線を基準として磁気的凹凸部が回転方向及び反回転方向のうちの他方向に所定角度ずれるように形成されていることを特徴とするリラクタンス型回転電機の回転子。
2. 回転子鉄心の各ブロックの磁気的凹部には、外周に向かうに従って対向距離が順次大となる一対の磁石挿入孔部が設けられ、これらの一対の磁石挿入孔部にそれぞれ永久磁石が挿入固定されていることを特徴とする請求項１に記載のリラクタンス型回転電機の回転子。

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