JP2007129869A - 永久磁石式電動機 - Google Patents

Abstract

【課題】運転速度範囲の広い永久磁石式電動機においては、簡易な構造により、電源容量低減することが課題である。
【解決手段】軸方向に第一の磁石群と第二の磁石群とを隣接して有し、前記第一の磁石群及び前記第二の磁石群は、回転方向に交互に着磁方向が異なる磁石からなり、軸方向に隣接する前記第一の磁石群の磁石と前記第二の磁石群の磁石とは着磁方向が異なる回転子を備え、固定子と、前記回転子とは、軸方向へ相対的に移動できる相対移動機構を持たせたので、電圧を制御でき、電源容量を適切にすることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、永久磁石式電動機の電圧制御方式に関わるものである。

従来の永久磁石式電動機は、回転速度の増加にほぼ比例して電動機の端子間電圧が上昇する。このような電動機では、運転速度範囲が広い場合、回転速度が低い状態では電圧が低く、回転速度の高い状態では電圧が高くなる。この場合、例えば出力一定運転される電動機においては、回転速度の低い状態では電圧が低いため電流が増加し、回転速度が高い状態では電圧が高いため、電流が減少する。この結果、回転速度範囲が広く、出力一定で運転される電動機では、高電圧の供給能力と大電流の供給能力のどちらも保有する電源が必要となる。

従来の永久磁石式電動機は、複数から成る磁石付回転子を有する場合に、回転速度の変化に応じて少なくとも１個の磁石付回転子を回転方向にずらし、磁石付回転子の磁極と固定子の磁極との対向面積を増減し、磁石の磁束が固定子に鎖交する磁束量を変化させることにより、低速回転域で大きなトルクを得るとともに、高速回転も可能にしたことが開示されている（例えば、特許文献１）。
また、従来の別の電動機は、一次巻線を有する固定子と、界磁用磁石とシャフトとを有する回転子を有する。この回転子は、回転方向に順次異なった極性の磁極が並んでいる第一と第二の界磁用磁石とを有し、一方の界磁用磁石が他方の界磁用磁石に対して軸方向と回転方向に変位する機構を有する（例えば、特許文献２）。

特開2000-201461号 特開2002-254268号

従来の磁束量を変化させる電動機においては、回転中の回転子を運転中に第一と第二の界磁用磁石とを相対的に回転させることは困難である。特にトルクを発生している状態では、そのトルクと同等以上の力を発生させる駆動源が必要となり、装置が大掛かりとなるという問題があった。

この発明に係る永久磁石式電動機は、固定子と回転子間で、軸方向へ相対的に移動できる相対的移動機構を有し、永久磁石は、回転子の軸方向に互いに隣接する第一の磁石群と第二の磁石群とからなり、第一の磁石群及び第二の磁石群は、それぞれ回転子外周上に着磁方向が異なる複数の磁石を交互に配置してなるもので、かつ、軸方向に隣接する第一の磁石群の磁石と第二の磁石群の磁石とは着磁方向が異なるように構成したものである。

この発明は、それぞれ軸方向に異なる磁極が隣接するように着磁された第一と第二の磁石群を備えた回転子と、固定子とを軸方向に相対的に移動させることによって、回転子と固定子間の鎖交磁束量を変化させることができ、そのことにより、電圧を制御できるので、簡易な機構でこの電動機に必要な電源容量を低減できる。

実施の形態１．
図１，２は、この発明を実施するための実施の形態１における永久磁石式電動機の断面図であり、図１は軸に平行な平面での断面図であり、図２は軸に垂直な平面での断面図を示すものである。図１，２において、固定子１は固定子コア３とコイル２からなり、フレーム（図示せず）に固定されている。固定子１の内側には空隙６を介して回転子７が配置され、回転自由にフレームに取り付けられている。回転子７は、シャフト１０と、その周囲に設けられた回転子コア９と、その回転子コア９の外周に配置された永久磁石８とで構成されている。

永久磁石式電動機は、永久磁石８が作る磁束に対し、回転力を発生するように固定子の３相巻線にそれぞれ位相を変えて通電することで、回転子７が回転し、また負荷に対してトルクを与えることが可能となる。

このような永久磁石式電動機は、誘導機と比較して二次銅損がないため一般に効率がよいとされており、多くの機器に使用されている。しかし、永久磁石式電動機は、回転子に永久磁石が存在するため、回転するだけでコイルに誘起電圧が生じる。この誘起電圧は回転速度に比例して上昇する（なお、誘起電圧と電流との積は電動機出力に比例する）。

また、永久磁石式電動機は回転速度の変化に対し出力一定運転することが多い。出力一定運転の場合、従来の永久磁石式電動機は永久磁石による磁束量が変化しないため、回転速度の上昇とともに前記誘起電圧が上昇するが、出力が一定のため、電流は減少する。以上のことを説明した図が図３である。図３は回転速度が１から６の間が出力一定運転される領域であり（通常それ以下の領域はトルク一定運転）、電流は速度に逆比例して減少する。図３では速度範囲が１から６であるため、電流はほぼ１／６に低減されていることを示している。

ここで、ある速度領域を出力一定で運転する場合を考えると、インバータなどの電源は、運転条件下での最大電圧・最大電流をそれぞれに発生する必要があるため、出力一定運転する速度範囲の最大速度時に対応できる電圧と、最低速度時に対応できる電流を発生する必要がある。

従って、出力一定の速度範囲が狭い電動機においては、出力相応の電源でよいが、出力一定の速度範囲が広い電動機では、出力相応以上の電源が必要となる。図３の例では、出力一定運転される領域における回転速度比が１：６になる場合、出力の６倍程度の大きな電源が必要となり、逆に電源容量が制限されている場合には、低速域において電流が不足するため出力一定の速度範囲が狭まるという問題がある。

上記問題を解決するため、本実施の形態では、回転子を軸方向に二領域に分け、それぞれの領域ごとに回転子外周の周方向に異なる着磁方向の永久磁石を隣接して交互に複数個配置するとともに、前記二領域間については軸方向に異なる着磁方向の永久磁石が隣接するように配置し、さらに回転子と固定子とを軸方向に相対的に移動させる相対移動機構を設けた。

図４は、本願発明に関わる８極の電動機の回転子展開図を示している。回転子の回転子コア９の外周に配置された永久磁石８の部分を展開した図であり、この図４を用いて永久磁石８の配置を説明する。図４において、軸に垂直な線分Ａより左側の第一の永久磁石群は、通常の永久磁石式電動機の回転子と同様に、Ｎ極に着磁された永久磁石１１（図中灰色で示す）とＳ極に着磁された永久磁石１２（図中白色で示す）がそれぞれ回転方向（周方向）に対し交互に配置されている。図４において、線分Ａより右側の第二の永久磁石群の各磁石は、軸方向に隣接する第一の永久磁石群の各磁石とは着磁の方向が異なる永久磁石が配置されている。この第二の永久磁石群を有することが、本発明の特徴のひとつである。

図１に示すように固定子と回転子が配置されている場合、固定子のコイルは図５に示すように線分Ａより左にある第一の永久磁石群が全面に渡り固定子コイルと対面して配置されている（固定子巻線は分布巻を想定）。図５中の太線で囲んだ領域１３は、この固定子と対面している永久磁石の部分を示している。図１に示すような固定子と回転子との相対位置においては、通常の永久磁石式電動機と同様な運転が可能であり、かつ、固定子コイルに鎖交する永久磁石８の磁束量（以下磁束量と呼ぶ）が最大となる状態を示している。

次に、固定子１と回転子７との相対位置を図６に示すように、相対移動機構により軸方向に相対的に移動させる。このように移動した結果、図７の１３に示す領域が、固定子コイルと対面している回転子の永久磁石８となる。すなわち第一の永久磁石群の右側半分と、第二の永久磁石群とが固定子コイルと対面することとなる。この状態では、第一、第二の部分の固定子対面面積が同じであれば回転子の永久磁石８の合成磁束が固定子のコイル２に鎖交する磁束量は０となる。

回転子７と固定子１との相対位置は図１の状態と、図６の状態の二値ではなく、これら状態間を連続的に変化する。回転子７と固定子１とを連続的に相対移動させることによって、回転子７の永久磁石８の合成磁束が固定子１のコイル２に鎖交する磁束量は、最大値から０まで連続的に変化させることが可能となる。

電源容量を最小化するためには、図8に示すとおり、上記磁束量を回転速度の上昇に逆比例して減少させるように回転子７と固定子１とを相対的に移動させることで、誘起電圧が一定値となり、電流も一定値となる。従って、上記磁束量を回転速度に応じて変化するように回転子７と固定子１との相対的な位置決め制御を行うと、電源容量を最小にすることができる。この回転子７と固定子１との相対的な位置決めを行う相対移動機構は、電動機の速度を検出するセンサーと、検出された速度に逆比例する磁束量となる軸方向位置に回転子を位置決めするアクチュエータやウォームギアなどの並行移動機構を用いて実現することができる。

本実施の形態によると、回転子７と固定子１とを軸方向に相対移動させる構成としたので、永久磁石８の合成磁束がコイル２に鎖交する磁束量を変化させることができ、誘起電圧を制御して電源容量を小さくできる効果がある。

また、永久磁石８の合成磁束がコイル２に鎖交する磁束量を回転速度の上昇に逆比例させるように回転子７と固定子１とを軸方向に相対移動させる構成としたので、誘起電圧が一定となり、出力一定の速度域が広い場合にも、電源を最小にできる効果がある。

固定子１と回転子７との相対移動によって、第一の磁石群と第二の磁石群とが固定子１のコイル２に鎖交する磁束量を等しくできるので、最大の磁束量比を得ることができ、固定子１と回転子７との軸方向の相対移動量を小さくしても、大きな電圧変化量が得られる効果がある。

実施の形態２．
実施の形態１では、固定子１のコイル２の軸方向長さは固定であるため、図１もしくは図５に示す状態が永久磁石８の合成磁束がコイル２に鎖交する磁束量最大となる。逆に図６，７に示す状態がこの磁束量が最小となる。この最大の磁束量と最小の磁束量との比を大きくとることが、出力一定の運転速度範囲を拡大することとなる。最大の磁束量を大きくするには限界があるので、図６、７に示す状態の磁束量最小値を出来る限り小さくすることが、運転速度範囲拡大につながる。磁束量を最小とするには、図６，７に示す状態で、図７で固定子１のコイル２に対面する第一の永久磁石群の軸方向長さと第二の永久磁石群の軸方向長さとを同じとすることで磁束量を０とすることができる（第一の永久磁石群と第二の永久磁石群とで使用する永久磁石が同質で周方向の幅が同じ場合）。

さらに、図１と図６の状態での軸方向移動量を最小化するためには、第一の永久磁石群と第二の永久磁石群との軸方向長さの比を２：１とするとよい。この構成によって、第二の永久磁石群（短い方の永久磁石）の軸方向長さ分のみ回転子７を移動させるだけで、最大の磁束量比を得ることが出来、出力一定運転の範囲を大きくとることが可能となる。なお、固定子の軸方向長さは、第一の永久磁石群の軸方向長さと等しくするものとする。

なお、本実施の形態は回転子を軸方向に移動させる方式で記載したが、固定子を軸方向に移動させても同様の効果が得られることはいうまでもない。

本実施の形態によれば、単位面積あたりの発生磁束量が等しい磁石を用い、固定子の軸方向長さと第一の永久磁石群の軸方向長さとを等しくする条件では、第一の永久磁石群と第二の永久磁石群との軸方向長さの比を２：１とすることによって最大の磁束量比を得ることができるので、固定子１と回転子７との軸方向の相対移動量を小さくする効果が得られる。

また、本実施の形態によれば、単位面積あたりの発生磁束量が等しい磁石を用い、固定子の軸方向長さと第一の永久磁石群の軸方向長さとを等しくする条件では、第一の永久磁石群と第二の永久磁石群との軸方向長さの比を２：１とすることによって最大の磁束量比を得ることができるので、最小の磁石量で、大きな電圧変化量を得ることができるという効果がある。

実施の形態３．
実施の形態２は、第一の永久磁石群と第二の永久磁石群とで使用する永久磁石が同質で周方向の幅が同じ場合に、最小の軸方向移動量で、最大の磁束量比を得ることができる構成を示した。本実施の形態では、第一の永久磁石群と第二の永久磁石群とで使用する永久磁石が同質で周方向の幅が異なる場合に、最小の軸方向移動量で、最大の磁束量比を得ることができる構成を示す。

図９，１０は、実施の形態３の回転子コア９の外周に配置された永久磁石８を展開した図であり、図９は最大の磁束量が、また図１０は最小の磁束量が得られる状態を示した図である。図９，１０において、固定子コイルと対面する領域を太線の領域１３で示している。図に示すとおり、第一の永久磁石群の磁石の周方向の幅は狭く、第二の永久磁石群の磁石の周方向の幅は広い。このような磁石から構成される回転子の場合には、最小の磁束量となる状態（図１０）にて固定子と対面する領域１３内における第一と第二との永久磁石群の合成磁束がコイル２を鎖交する磁束量が０となり、最大の磁束量となる状態（図９）にて第一の永久磁石群全体のみが固定子１と対面するように、固定子１、第一の永久磁石群、第二の永久磁石群の軸方向長さを決める。

上記構成をとることによって、実施の形態１，２よりも少ない軸方向移動量であるが、図１０の状態は固定子に対向するＮ極の磁束量とＳ極の磁束量とが等しくなっており、磁束量比を大きくとることが可能である。

本実施の形態は回転子を軸方向に移動させる方式で記載したが、固定子を軸方向に移動させても同様の効果が得られることはいうまでもない。

本実施の形態によれば、第一の永久磁石群の磁石の周方向幅が第二の永久磁石群の磁石の周方向幅より小さく、最小の磁束量となる固定子１と回転子７との相対位置において、磁束量が０となるように固定子１、第一、第二の永久磁石群の軸方向長さを決めることによって、最大の磁束量比を得ることができるので、固定子１と回転子７との軸方向の相対移動量を大幅に小さくする効果が得られる。

実施の形態４．
本実施の形態は、停止状態から運転開始するときに最大トルクを発生するようにするため、電動機停止時に固定子１と回転子７との相対位置関係を所定位置に固定されるようにしたものである。

図１１は、実施の形態４の永久磁石電動機の軸に平行な平面での断面図である。停止状態から、運転する際、無駄時間なく運転を開始するためには、永久磁石式電動機の磁束量を最大にしておくと良い。すなわち、トルクは固定子と回転子間の鎖交磁束量の大きさに依存するので、図１に示す状態にしておく方が、回転開始時に最大トルクが得られ、効率よく運転を開始できる。そこで、図１１に示すとおり、回転子７の端部とフレーム（図示せず）との間にバネ１４を設け、電動機停止時に磁束量が最大となる軸方向の位置に回転子７を固定するようにしたものである。このバネ１４は、電動機停止時から低速回転時に作用して、上記位置近傍に回転子７を磁束量が多くなる位置に位置決めし、さらに回転速度が上昇すると、アクチュエータやウォームギアなどの相対移動機構が位置決めするようにしたものである。アクチュエータやウォームギアなどは、無通電時にフリーな状態となり、無通電時に所定の位置に位置決めするのは困難である。そこで、電源投入後速やかに運転を開始するため、本実施の形態は、バネなどによって無通電時に所定の位置に保持するようにしたものである。

上記は、固定子１を固定し、回転子７が軸方向に移動することで、固定子１と回転子７との相対的な移動を実現することを説明したが、逆に回転子７を固定し、固定子１を移動するようにし、固定子１とフレームの間にバネ１４を設けることもできる。

本実施の形態によれば、回転子７の端部とフレームとの間にバネ１４を設けたことにより、電動機停止時に磁束量が最大となる固定子１と回転子７との相対位置に位置決めできるので、電動機停止状態から運転開始するときに大きなトルクが得られ、速度０から効率よく運転できる効果がある。

実施の形態５．
本実施の形態では、固定子１と回転子７との相対的移動機構として、ガバナを用いる構成を図１２，１３を用いて説明する。

ガバナとは、速度の自動制御や制限の為に、機械に取り付けられる装置である。図１２において、ガバナ１５は、回転子７の端部に設けられ回転子と共に軸方向に自由に移動可能な第一のカラー３１と、フレームと軸周りの回転自由に接続した第二のカラー３２と、この第一のカラー３１および第二のカラー３２に回転対偶にて接続し、静止時には軸を通り軸に平行な平面内のみで移動可能なリンク部３３と、リンク部３３の先に設けられた錘３４とからなる。なお、図１２では、上記リンク部と錘との組が一組しか描かれていないが、軸周りにスムーズに回転するように、軸周りに回転対象に複数組配置される。

上記構成においては、電動機停止時には遠心力が０であるため、ガバナ１５の錘３４は図１２に示すように軸に近い位置にある。この位置は磁束量が最大となる。電動機が回転開始時には、この最大磁束量により大きなトルクで回転する。その後回転速度が高くなると錘３４が遠心力によって軸から離れようとする力により、リンク部３３が開き、第一のカラー３１が図中左側に移動する。この移動した状態を示したのが図１３である。図１３の状態では、固定子１と回転子７とは磁束量が最小となる相対位置となり、高速回転時においても、誘起電圧が低い状態となる。

上記では、停止時、及び高速回転時を説明したが、上記機構を用いることで低速から高速まで固定子１と回転子７との相対位置を連続的に変化させることができる。また、実施の形態４に示したバネと組合せて、固定子１と回転子７との相対位置を制御することも可能である。

なお、本実施の形態では固定子１を固定し、回転子７を軸方向に移動する例を示したが、回転子７を軸方向に固定し、ガバナを回転子と共に回転するように回転子と接続し、またガバナのカラー部を固定子に回転自由に接続することによって、固定子１を軸方向に移動させるように、構成できることはいうまでもない。

本実施の形態によれば、ガバナ１５を回転子７の端部に設けることにより、回転速度に応じて固定子１と回転子７と相対位置を移動させ、磁束量を変化させることができるので、簡単な構造により誘起電圧を制御して電源容量を小さくできるという顕著な効果がある。

実施の形態６．
上記の実施の形態の永久磁石式電動機によると、速度に依存せず電動機の端子間電圧を一定に保つことが可能である。車載用電動機では、バッテリー等から電力を供給される機器と、オルタネータが並列に配線されていることが多い。この際、オルタネータが所定の電圧以上の発電電圧を発生すると、バッテリーにつながる他の機器が壊れるなどの影響がでる。そのため、通常の永久磁石式電動機では車載用発電機として用いることは困難であった。上記の実施の形態の永久磁石式電動機であれば電圧を調整できるため、１２Ｖバッテリーを充電するために必要な１４Ｖ以上に保つことが可能であり、また、他の車載機器が壊れないよう所定の電圧以下に保つことが可能であるため、車載用発電機として最適である。

また、アイドルストップ後のエンジン始動にオルタネータを利用することがある。本発明の永久磁石式電動機は発電だけでなく通常通り電動機として運転することが可能であるため、電動機として利用しながら発電機としても利用可能である。

また、永久磁石式電動機であるため、通常のオルタネータに用いられるクローポール式電動機よりも効率が高く、小型化が可能である。これは車などの設置スペースが限られているものに搭載する機器にとっては有益である。

別の適用として、工作機械への適用も可能である。工作機械に用いられる主軸電動機は低速から高速まで広い運転範囲で運転されることが望まれる。これは加工対象物の材質によって工具の必要周速が異なるためである。このような用途の主軸電動機に上記実施の形態の永久磁石式電動機を適用することで、電源容量を増加させず、出力一定の速度範囲が広い主軸電動機が得られ、電源が小型、かつ、加工対象物の多い工作機械が提供できる。

本発明の実施の形態１による永久磁石式電動機を示す縦断面図である。 本発明の実施の形態１による永久磁石式電動機を示す横断面図である。 本発明の実施の形態１による従来の永久磁石式電動機の特性を示した図である。 本発明の実施の形態１による永久磁石式電動機の回転子の展開図を示したものである。 本発明の実施の形態１による永久磁石式電動機の磁束量最大時のコイルと回転子の展開図を示したものである。 本発明の実施の形態１による永久磁石式電動機の磁束量最小時を示す縦断面図である。 本発明の実施の形態１による永久磁石式電動機の磁束量最小時のコイルと回転子の展開図を示したものである。 本発明の実施の形態１による永久磁石式電動機の特性を示した図である。 本発明の実施の形態２による永久磁石式電動機の磁束量最小時のコイルと回転子の展開図を示したものである。 本発明の実施の形態２による永久磁石式電動機の磁束量最小時のコイルと回転子の展開図を示したものである。 本発明の実施の形態３による永久磁石式電動機の縦断面図を示したものである。 本発明の実施の形態５による永久磁石式電動機の縦断面図を示したものである。 本発明の実施の形態５による永久磁石式電動機の縦断面図を示したものである。

符号の説明

１ 固定子
２ コイル
３ 固定子コア
４ ティース
５ コアバック
６ 空隙
７ 回転子
８ 永久磁石
９ 回転子コア
１０ シャフト
１１ N極磁石
１２ S極磁石
１３ 磁束がコイルに鎖交する永久磁石の領域
１４ バネ
１５ ガバナ

Claims (8)

1. 固定子と、回転子とを有し、前記回転子表面に永久磁石を配した永久磁石式電動機において、前記固定子と前記回転子間で、軸方向へ相対的に移動できる相対的移動機構を有し、前記永久磁石は、前記回転子の軸方向に互いに隣接する第一の磁石群と第二の磁石群とからなり、前記第一の磁石群及び前記第二の磁石群は、それぞれ回転子外周上に着磁方向が異なる複数の磁石を交互に配置してなるもので、かつ、軸方向に隣接する前記第一の磁石群の磁石と前記第二の磁石群の磁石とは着磁方向が異なるものである
   ことを特徴とする永久磁石式電動機。
2. 固定子と回転子との相対移動によって、第一の磁石群と第二の磁石群とが前記固定子に鎖交する磁束量を等しくすることができることを特徴とする請求項１に記載の永久磁石式電動機。
3. 第一の磁石群の回転軸方向長さと固定子の回転軸方向長さとは同じ長さであり、かつ第二の磁石群の回転軸方向長さの２倍であることを特徴とする請求項２に記載の永久磁石式電動機。
4. 相対的移動機構は、回転子の回転数に応じて前記固定子と前記回転子との相対位置を移動させることを特徴とする請求項１または２に記載の永久磁石式電動機。
5. 相対的移動機構は、回転子が回転していないときに、固定子と前記回転子との相対位置を所定の位置に保持することを特徴とする請求項４に記載の永久磁石式電動機。
6. 相対的移動機構は、固定子と回転子との相対位置の移動にガバナを用いたものであることを特徴とする請求項４に記載の永久磁石式電動機。
7. 請求項１ないし６のいずれかに記載の永久磁石式電動機を車載用電動機として用いたことを特徴とする自動車。
8. 請求項１ないし６のいずれかに記載の永久磁石式電動機を主軸モータとしたことを特徴とする工作機。

Images