JP2006174668A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】磁気抵抗を小さくして回転子トルクを増加することができる回転電機を提供する。
【解決手段】両端面を回転軸が貫通する回転子鉄心に磁石を装着した回転子と、回転子を内包する固定子鉄心に固定子巻線を巻き付けた固定子とを有し、回転子を固定子との間にエアギャップをもって回転可能に保持した回転電機において、回転子１１に、磁束の通り易い部位と磁束の通り難い部位が形成されるように、それぞれエアギャップａ側に臨ませて２個の磁石１６を配置すると共に両磁石１６に挟まれた空間を形成する、両端面に開口する磁石配置空隙２１を設け、各磁石１６の着磁方向を磁石配置空隙２１のエアギャップａ側に臨む位置に極ができる方向とする。
【選択図】図２

Description

この発明は、回転電機に関し、特に、回転子に永久磁石を装着した構造を有し電動機或いは発電機として用いられる回転電機に関する。

従来、回転子に永久磁石を装着した構造を有する回転電機が知られている。このような構造の回転電機は、損失が少なく効率も良く、その上、大きな出力が得られる等の理由により数多く使用されている。このような磁石式回転電機が発生するトルクは、永久磁石によるマグネットトルクと回転子鉄心の突極比によるリラクタンストルクの合成トルクとなる。この内、永久磁石の極と鉄心の突極が同極となるものを順突極、永久磁石の極間に鉄心の突極があるものを逆突極という。

従来の順突極モータとして、例えば、「永久磁石回転電機とその制御方法及び制御装置並びにそれを使用した電気自動車」（特許文献１参照）、或いは「永久磁石回転電機及びそれを用いた電動車両」（特許文献２参照）が提案されている。
図１０は、従来の永久磁石回転電機とその制御方法及び制御装置並びにそれを使用した電気自動車における永久磁石回転電機の回転子の断面説明図であり、図１１は、従来の永久磁石回転電機及びそれを用いた電動車両における永久磁石回転電機の内部構造を示す断面説明図である。図１０及び図１１に示すように、「永久磁石回転電機とその制御方法及び制御装置並びにそれを使用した電気自動車」（特許文献１参照）における永久磁石回転電機は、回転子１の一極当りの磁石２を２個とし、磁石２間に鉄心の突極を設けることで、リラクタンストルクを得ている。これに対し、「永久磁石回転電機及びそれを用いた電動車両」（特許文献２参照）における永久磁石回転電機は、回転子４の磁石５を回転子外周面に配設して回転子内部に空隙６を設けることで、鉄心の突極を有している。
特許第３１１７１６４号公報 特開２００１−８６６７２号公報

しかしながら、「永久磁石回転電機とその制御方法及び制御装置並びにそれを使用した電気自動車」（図１０参照）においては、磁石２が回転子１の表面に配設されているため、リラクタンストルクを発生するための磁束のループが長くなってしまいトルクが有効に発生しない上に、磁石２の固定方法に難があって高回転化が困難である。また、「永久磁石回転電機及びそれを用いた電動車両」（図１１参照）においては、磁石５が回転子４の表面全面に配設されているため、磁気抵抗が大きいことで突極比が小さくなり、トルクが有効に発生できない上に、磁石５の固定方法に難があって高回転化が困難である。

つまり、何れにおいても、回転子の表面に磁石が配設されているため磁気抵抗が大きくなってしまって鉄心の突極比を大きくすることができず、回転子のトルクの増加が困難であった。
この発明の目的は、磁気抵抗を小さくして回転子トルクを増加することができる回転電機を提供することである。

上記目的を達成するため、この発明に係る回転電機は、両端面を回転軸が貫通する回転子鉄心に磁石を装着した回転子と、前記回転子を内包する固定子鉄心に固定子巻線を巻き付けた固定子とを有し、前記回転子を前記固定子との間にエアギャップをもって回転可能に保持した回転電機において、前記回転子に、磁束の通り易い部位と磁束の通り難い部位が形成されるように、それぞれ前記エアギャップ側に臨ませて２個の前記磁石を配置すると共に前記両磁石に挟まれた空間を形成する、前記両端面に開口する磁石配置空隙を設け、前記各磁石の着磁方向を前記磁石配置空隙の前記エアギャップ側に臨む位置に極ができる方向としている。

この発明によれば、回転子に磁束の通り易い部位と磁束の通り難い部位を形成するように、回転子に磁石配置空隙を設け、その磁石配置空隙に配置した磁石の着磁方向を、磁石配置空隙のエアギャップ側に臨む位置に極ができる方向にしている。この結果、極から極の磁気抵抗を小さくすることでリラクタンストルクを有効に増加することができるので、回転子のトルクの増加が可能になる。

以下、この発明を実施するための最良の形態について図面を参照して説明する。
（第１実施の形態）
図１は、この発明の第１実施の形態に係る回転電機の軸方向断面による概略説明図であり、図２は、図１のＸ−Ｘ線に沿う断面図であり、図３は、図２の回転子の一部を拡大した平面説明図である。

図１及び図２に示すように、回転電機１０は、回転子１１、固定子１２、回転軸１３、及びケース１４を有している。回転子１１は、略円柱状に形成された回転子鉄心（回転子コア）１５と、回転子鉄心１５に装着された磁石（永久磁石）１６（図２参照）を有しており、回転子鉄心１５の両端面中心を回転軸１３が貫通している。回転子鉄心１５の両端面には、円環状円盤からなる蓋体１５ａが装着されている。
この回転子１１を内包するように配置された固定子１２は、回転子１１を覆う略円筒状に形成された固定子鉄心（固定子コア）１７と、固定子鉄心１７に装着された巻線１８を有している。固定子鉄心１７は、その外形部分を形成する固定子バックコア１７ａ（図２参照）に、回転子１１側に向かって突設された複数の固定子突条１７ｂを有している。この各固定子突条１７ｂには、絶縁体１８ａを介して回転軸１３に略平行に巻線１８が巻回されている（図２参照）。

ケース１４は、円筒状の外周ケース１４ａと、外周ケース１４ａの両端開口を塞ぐ一対のサイドケース１４ｂ，１４ｂを有している。この外周ケース１４ａの内周面に固定子鉄心１７が固着されており、両各サイドケース１４ｂ，１４ｂにベアリング１９を介して回転軸１３が回転自在に保持されている。一方のサイドケース１４ｂの外側には、回転軸１３の回転状態を検出する回転センサ２０が装着されている（図１参照）。

回転子１１と固定子１２は、その対向面間にエアギャップ（隙間）ａを有するように配置されていて互いに接触することはない（図１，２参照）。回転子１１は、固定子１２の内部で、固定子１２から与えられる回転磁束に対し、回転子１１に装着した磁石１６（図２参照）に反力を発生させることにより、回転軸１３を中心に回転する。この回転軸１３を介して回転子１１の回転が外部に伝えられる。

図２及び図３に示すように、回転子鉄心１５は、その外周面近傍に回転軸１３と略平行に配置されてその両端面間を貫通し、且つ、端面開口形状が両端を外周面側に向けた略Ｕ字形の細長い円弧（優弧）状に形成された、複数の空隙（磁石配置空隙）２１を有している。各空隙２１は、回転子鉄心１５の端面外周縁から中心に向かって同心円状に配置された複数個（一例として３個を図示）からなる空隙群を形成すると共に、その空隙群が外周縁に沿って略等間隔離間して複数個配置されている。つまり、回転子１１は、磁束の通り易い部位と磁束の通り難い部位を形成するために、回転子鉄心１５の外周面近傍に両端面間を貫通する複数の空隙２１を有している。

この空隙２１の両端部分に磁石１６が挿入配置されており、各磁石１６は、空隙２１に対応して、端面形状が若干湾曲した細長い矩形の長板状に形成されている。よって、空隙２１は、その端面開口形状全体の面積の略２／３が両磁石１６，１６で占められ、残りの長手方向中央部分が空間部分となる。なお、磁石１６は、隣接同士の磁極が互いに相違するように配置される（図３参照）。そして、磁石１６の着磁方向を、空隙２１の端部に極ができるような方向である、各空隙群の同一端部側に配置した複数の磁石１６が並ぶ方向、即ち、回転子鉄心１５の端面外周縁に沿う方向にしている（図中、矢印参照）。

このように、回転子１１は、回転子１１に磁束の通り易い部位と磁束の通り難い部位を形成するように、回転子鉄心１５に空隙２１を設けており、その空隙２１の外周縁側に磁石１６を配置して、磁石１６の着磁方向を、空隙２１の端部に極ができるような方向にしている。この結果、極から極の磁気抵抗を小さくすることでリラクタンストルクを有効に増加することができるので、回転子１１のトルクの増加が可能になる。また、磁石１６を回転子鉄心１５の内部に挿入配置するため、磁石１６の固定が容易にできるので高回転化が可能になる。

（第２実施の形態）
図４は、この発明の第２実施の形態に係る回転電機の回転子の一部を拡大した図３と同様の平面説明図である。図４に示すように、回転子３０は、磁石１６の着磁方向を、各磁石１６の長手方向に沿う方向、即ち、回転子鉄心１５の端面半径方向（図中、矢印参照）にして、空隙２１に挿入配置した各磁石１６の短辺側を極としている。その他の構成及び作用は、回転子１１と同様である。これにより、磁極と固定子１２を近づけることができ磁気抵抗を小さくすることができるので、マグネットトルクが増加し、回転子３０のトルクの増加が可能である。

（第３実施の形態）
図５は、この発明の第３実施の形態に係る回転電機の回転子の一部を拡大した図３と同様の平面説明図である。図５に示すように、回転子３５は、複数（一例として３個を図示）の円弧状の空隙が同心円状に配置された空隙群の内の一部の空隙３６に磁石１６を挿入配置した、回転子鉄心３７を有している。その他の構成及び作用は、回転子１１と同様である。

回転子鉄心３７は、回転子鉄心１５の空隙２１（図３参照）と同様に、端面開口形状が両端を外周面側に向けた略Ｕ字形の細長い円弧（優弧）状に形成された、複数の空隙３６を有しており、同心円状に配置された、例えば３個の空隙３６ａ，３６ｂ，３６ｃの真ん中の空隙３６ｂのみに、両端部分に位置させて磁石１６が配置されている。

この際、磁石１６を挿入配置する空隙３６ｂの端面開口幅を、他の空隙３６ａ，３６ｃより広く（例えば、約２倍）し、これに合わせて磁石１６の幅を広く（例えば、約２倍）してもよい。磁石１６の着磁方向は、回転子１１と同様である（図中、矢印参照）。これにより、回転子３５に使用する磁石１６の総個数を減らすことができるので、回転子３５のコストの低減が可能になる。

（第４実施の形態）
図６は、この発明の第４実施の形態に係る回転電機の回転子の一部を拡大した図３と同様の平面説明図である。図６に示すように、回転子４０は、端面開口形状が略Ｕ字形の細長い円弧（優弧）からなる空隙２１に代えて、空隙２１を略３分割した、端面開口形状が細長い長方形からなる３個の空隙４１が配置された回転子鉄心４２を有している。その他の構成及び作用は、回転子１１と同様である。

空隙４１は、回転子鉄心４２の端面開口形状を、空隙２１の端面開口形状である、両端を外周面側に向けた略Ｕ字形の細長い円弧（優弧）を、長手方向に略３等分した長さの細長い長方形に形成されている。従って、空隙４１は、恰も略上向きコ字状となるように、３個が配置されており、３個の空隙４１による端面開口形状は、略Ｕ字形の細長い円弧（優弧）からなる空隙２１の端面開口形状に略相当するものとなる。

３個の空隙４１からなるコ字状空隙は、回転子鉄心１５の端面外周縁から中心に向かって同心円状に配置された複数個（一例として３個を図示）からなる空隙群を形成すると共に、その空隙群が外周縁に沿って略等間隔離間して複数個配置されている。そして、３個の空隙４１の内の両側の２個４１ａ，４１ｃには、空隙全域を埋めるように磁石１６が挿入され、中央の１個４１ｂは、磁石１６が挿入されず空隙のままとなっている。

つまり、回転子４０は、回転子鉄心４２に、磁束の通り易い部位と磁束の通り難い部位を形成するように、回転子１１の空隙２１を横方向（端面開口形状の長手方向）に複数個（例えば、３個）に分割した空隙４１（４１ａ，４１ｂ，４１ｃ）を有しており、その空隙４１に配置した磁石１６の着磁方向を、両端部の空隙４１ａ，４１ｃに極ができるような方向にしている（図中、矢印参照）。

このように、略同一容積の空隙を１個ではなく複数個に分割して形成することで、空隙が１個の場合に比べ回転子４０の強度が向上すると共に高回転化が可能になる。なお、空隙４１の数は、３個に限るものではなく、例えば４個以上等、磁石１６を挿入する部分と磁石１６を挿入しない空隙のままの部分を設けていれば良い。

（第５実施の形態）
図７は、この発明の第５実施の形態に係る回転電機の回転子の一部を拡大した図３と同様の平面説明図である。図７に示すように、回転子４５は、回転子１１の回転子鉄心１５に（図３参照）形成した複数の空隙２１からなる空隙群と空隙群の間に、磁石１６が挿入されない空隙４６を形成した回転子鉄心４７を有している。その他の構成及び作用は、回転子１１と同様である。

回転子鉄心４７は、複数の空隙２１からなる空隙群と空隙群との間の端面空白部分に、回転子鉄心４７の半径方向と略直交する細長い長方形状に形成された複数の空隙４６を有している。各空隙４６は、回転子鉄心４７の半径方向に沿って、回転子鉄心４７の端面空白部分を埋めるように長さを異ならせて形成されており、複数個（一例として４個を図示）を組み合わせて、複数の空隙２１からなる空隙群と空隙群との間毎に配置されている。

つまり、回転子４５は、極間に磁束が通り難いように空隙４６を設けることで、磁石１６の磁束が回転子４５内で短絡するのを防止することができ、回転子４５のトルクの増加が可能である。なお、回転子４５の極間の空隙４６に、回転子鉄心４７の半径方向に着磁された磁石（図示しない）を配置することで、マグネットトルクを増加させることが可能となり、回転子４５の更なるトルク増加が可能となる。

（第６実施の形態）
図８は、この発明の第６実施の形態に係る回転電機の回転子の一部を拡大した図３と同様の平面説明図である。図８に示すように、回転子５０は、回転子４５に形成した磁石１６が挿入されない空隙４６に代えて、空隙４６とは配置方向が異なる空隙５１を形成した回転子鉄心５２を有している。その他の構成及び作用は、回転子５０と同様である。

回転子鉄心５２は、複数の空隙２１からなる空隙群の端面中心側の端面空白部分に、回転子鉄心５２の半径方向に沿う細長い長方形状に形成された複数（一例として５個を図示）の空隙５１を有している。例えば、５個の空隙５１は、回転子鉄心４７の半径方向に配置された１個の空隙５１ａと、この空隙５１ａと略平行に互いに略等間隔を有して両側に隣接すると共に、空隙２１の円弧に沿って位置をずらして配置された、４個の空隙５１ｂからなる。

つまり、回転子５０は、極間に磁束が通り難いように空隙５１を設けることで、磁石１６の磁束が回転子５０内で短絡するのを防止することができ、回転子５０のトルクの増加が可能である。

（第７実施の形態）
図９は、この発明の第７実施の形態に係る回転電機の回転子の一部を拡大した図３と同様の平面説明図である。図９に示すように、回転子５５は、回転子鉄心１５に代えて、回転子鉄心１５の端面外周を波型に形成して半径距離が一定でない回転子鉄心５６を有すると共に、空隙群毎の空隙２１の数を減らしている。その他の構成及び作用は、回転子１１と同様である。

回転子鉄心５６は、端面外周が、半径方向に凹凸を有するように半径距離が異なる緩やかな波線により形成されており、その凹部に磁石１６の極間が配置されその凸部に磁石１６の極中心部が配置されている。つまり、回転子鉄心５６は、磁石１６の極中心部の外径ｂが大きく、磁石１６の極間の外径ｃが小さい形状を有する。これにより、回転子鉄心５６は、端面形状が通常の半径距離が一定の円盤からなる回転子鉄心の場合よりも、突極比を大きくすることができるので、リラクタンストルクが増加し、回転子５５のトルクを増加することが可能である。

このように、この発明によれば、両端面を回転軸が貫通する回転子鉄心に磁石を装着した回転子と、回転子を内包する固定子鉄心に固定子巻線を巻き付けた固定子とを有し、回転子を固定子との間にエアギャップをもって回転可能に保持した回転電機において、回転子に、磁束の通り易い部位と磁束の通り難い部位が形成されるように、それぞれエアギャップ側に臨ませて２個の磁石を配置すると共に両磁石に挟まれた空間を形成する、両端面に開口する磁石配置空隙を設け、各磁石の着磁方向を磁石配置空隙のエアギャップ側に臨む位置に極ができる方向としている。
そして、この回転電機は、磁石配置空隙が、両磁石の各配置部分と前記空間を一体に確保する一つの間隙、或いは両磁石の各配置部分と空間を個別に確保する３箇所以上の間隙からなるようにしている。また、磁石配置空隙は、両端面の開口形状を、両端をエアギャップ側に臨ませた円弧状となる長孔状長方形に形成すると共に、一極当り複数個で形成されている。また、磁石を、一極当り複数個で形成している。また、磁束を通り難くする空隙を、一極当り複数個で形成している。

つまり、この発明によれば、回転子に磁束の通り易い部位と磁束の通り難い部位を形成するように、回転子鉄心に空隙を設けており、その空隙の外周縁側に磁石を配置して、磁石の着磁方向を、空隙の端部に極ができるような方向にしている。この結果、極から極の磁気抵抗を小さくすることでリラクタンストルクを有効に増加することができるので、回転子のトルクの増加が可能になる。また、磁石を回転子鉄心の内部に挿入配置するため、磁石１６の固定が容易にできるので高回転化が可能になる。

また、突極比を得るための空隙を一極当り複数個からなる構成とすることで、よりリラクタンストルクを増加することが可能であり、また、一つの空隙を小さくすることで、回転子の強度を向上することが可能である。
また、空隙に配置した長方形状の磁石１６の長辺側を極とすることで、磁束を増加することができるので、マグネットトルクが増加し回転子のトルクの増加が可能である。また、空隙に配置した長方形状の磁石１６の短辺側を極とすることで、磁極と固定子を近づけて磁気抵抗を小さくすることができるので、マグネットトルクが増加し、回転子のトルクの増加が可能である。

また、一極当りの磁石を複数個からなる構成とすることで、よりリラクタンストルクを増加することが可能である。また、回転子の極間に磁束が通り難いように空隙を設けることで、磁石１６の磁束の漏れを防止することができ、回転子のトルクを増加することが可能である。

また、回転子の極間に磁束を通り難くする空隙を複数個形成し、その一つずつを小さくすることで、回転子の強度の向上が可能となる。また、磁束を通り難くする空隙に、所定方向に着磁した磁石を配置することで、磁石の磁束の漏れを防止すると共に磁束を増加することができ、回転電機のトルクを増加することが可能である。また、回転子鉄心が、磁石の極中心部の外径が大きく、磁石の極間の外径が小さい形状を有することで、より突極比が大きくなるため、リラクタンストルクが増加し、回転子のトルクを増加することが可能である。

なお、上記実施の形態においては、回転電機について説明しているが、それは電動機（モータ）或いは発電機の何れでも良く、極数についても、個数を限定するものではなく、更に、スロット数も、例えば８極当り１２スロットの他、８極当り６スロット等他の組合せでも良い。また、強磁性体として、電磁鋼板、圧粉コア、或いはアモルファス薄板等を用いて形成しても良い。

また、その構造においても、内側に回転子、外側に固定子を配置したインナーロータ型回転電機として説明しているが、これに限るものではなく、内側に固定子、外側に回転子を配置したアウターロータ型回転電機でも良く、固定子コアについても一体構造でも分割構造でも良い。更に、空隙の数も、各実施の形態において、例えば３個、４個、５個或いは２個の例を示したが、これに限るものではない。

この発明の第１実施の形態に係る回転電機の軸方向断面による概略説明図である。 図１のＸ−Ｘ線に沿う断面図である。 図２の回転子の一部を拡大した平面説明図である。 この発明の第２実施の形態に係る回転電機の回転子の一部を拡大した図３と同様の平面説明図である。 この発明の第３実施の形態に係る回転電機の回転子の一部を拡大した図３と同様の平面説明図である。 この発明の第４実施の形態に係る回転電機の回転子の一部を拡大した図３と同様の平面説明図である。 この発明の第５実施の形態に係る回転電機の回転子の一部を拡大した図３と同様の平面説明図である。 この発明の第６実施の形態に係る回転電機の回転子の一部を拡大した図３と同様の平面説明図である。 この発明の第７実施の形態に係る回転電機の回転子の一部を拡大した図３と同様の平面説明図である。 従来の永久磁石回転電機とその制御方法及び制御装置並びにそれを使用した電気自動車における永久磁石回転電機の回転子の断面説明図である。 従来の永久磁石回転電機及びそれを用いた電動車両における永久磁石回転電機の内部構造を示す断面説明図である。

符号の説明

１０ 回転電機
１１，３０，３５，４０，４５，５０，５５ 回転子
１２ 固定子
１３ 回転軸
１４ ケース
１４ａ 外周ケース
１４ｂ サイドケース
１５，３７，４２，４７，５２，５６ 回転子鉄心
１５ａ 蓋体
１６ 磁石
１７ 固定子鉄心
１７ａ 固定子バックコア
１７ｂ 固定子突条
１８ 巻線
１８ａ 絶縁体
１９ ベアリング
２０ 回転センサ
２１，３６，３６ａ，３６ｂ，３６ｃ，４１，４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，４６，５１，５１ａ，５１ｂ 空隙
ａ エアギャップ

Claims (11)

1. 両端面を回転軸が貫通する回転子鉄心に磁石を装着した回転子と、前記回転子を内包する固定子鉄心に固定子巻線を巻き付けた固定子とを有し、前記回転子を前記固定子との間にエアギャップをもって回転可能に保持した回転電機において、
   前記回転子に、磁束の通り易い部位と磁束の通り難い部位が形成されるように、それぞれ前記エアギャップ側に臨ませて２個の前記磁石を配置すると共に前記両磁石に挟まれた空間を形成する、前記両端面に開口する磁石配置空隙を設け、前記各磁石の着磁方向を前記磁石配置空隙の前記エアギャップ側に臨む位置に極ができる方向とする回転電機。
2. 前記磁石配置空隙が、
   前記両磁石の各配置部分と前記空間を一体に確保する一つの間隙、或いは前記両磁石の各配置部分と前記空間を個別に確保する３箇所以上の間隙からなる請求項１に記載の回転電機。
3. 前記磁石配置空隙は、
   前記両端面の開口形状を、両端を前記エアギャップ側に臨ませた円弧状となる長孔状長方形に形成した請求項１または２に記載の回転電機。
4. 前記磁石配置空隙を、一極当り複数個で形成した請求項１から３のいずれか一項に記載の回転電機。
5. 前記磁石の着磁方向が、前記回転子鉄心の端面外周縁に沿う方向である請求項１から４のいずれか一項に記載の回転電機。
6. 前記磁石の着磁方向が、前記回転子鉄心の端面半径方向である請求項１から４のいずれか一項に記載の回転電機。
7. 前記磁石を、一極当り複数個で形成した請求項１から６のいずれか一項に記載の回転電機。
8. 前記回転子鉄心の前記極の間で、前記磁石配置空隙の前記回転軸側に、磁束を通り難くする空隙を設けた請求項１から７のいずれか一項に記載の回転電機。
9. 前記磁束を通り難くする空隙を、一極当り複数個で形成した請求項７に記載の回転電機。
10. 前記磁束を通り難くする空隙に、所定方向に着磁した磁石を配置した請求項８または９に記載の回転電機。
11. 前記回転子鉄心は、前記磁石の極中心部の外径が大きく、前記磁石の極間の外径が小さい形状を有する１から１０のいずれか一項に記載の回転電機。

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