JP2007189860A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】回転電機（モータ）における永久磁石は非常に高価であり、トルクを損なうことなく磁石量をさらに低減する手法が求められていた。
【解決手段】複合電流によって駆動され、ロータ内には異なる二つの磁極数に相当する磁石磁束を、その表面に合算して発生させる永久磁石を持つ回転電機を提供する。ロータ(11)は、ロータ中心からギャップ(14)へ投影したとき、各磁極数のコア同士が対応する箇所には、コア部が配置され、各磁極数のコアと、永久磁石とが対応する箇所には、当該極の永久磁石部が配置され、各磁極数の永久磁石同士で対応する箇所には、それらを合成した起磁力に等しい永久磁石部(S1-6,N1-6)が配置される。
【選択図】 図１

Description

本発明は回転電機に関し、特にロータを構成する永久磁石量を低減した回転電機に関する。

従来技術として、複数の巻線を巻回した固定子と、固定子の内側に複数の極を形成する回転子をもち、回転子は空隙を経て固定子と対峙し、回転子の極は永久磁石を主体とした極と、鉄心を主体とした極からなり、鉄心を主体とした極には永久磁石を保持するための突起が形成されている永久磁石モータがある（特許文献１を参照されたい。）。
特開2004-357489号公報（段落0005、図１）

しかしながら、回転電機（モータ）における永久磁石は非常に高価であり、トルクを損なうことなく磁石量をさらに低減する手法が求められていた。

永久磁石モータで最もコスト高の永久磁石量を低減する為に、N極またはS極のどちらかをコアで置き換えて、等価的な磁石とする。界磁弱め領域においては磁石量低減に伴い磁石厚が半分となる為に磁石動作点が低パーミアンスまで広がり、結果として減磁しやすくなるという利点がある。
上述した諸課題を解決すべく、第１の発明による回転電機は、
複合電流によって駆動され、ロータ内には異なる二つの磁極数（即ち、各磁極数に対応する２組の磁石であり、概念的には２つの仮想ロータ）に相当する磁石磁束を、その表面に合算して発生させる永久磁石を持ち、一体で回転する回転電機において、
前記ロータは、
ロータ中心から半径方向（即ち、ステータ側のギャップ方向）へ投影したとき、各磁極数の（仮想）コア同士が対応（即ち、投影面で重なる）する箇所には、コア部が配置され、
各磁極数の（仮想）コアと、（仮想）永久磁石とが対応する箇所には、当該極の永久磁石部が配置され、
各磁極数の（仮想）永久磁石同士で対応する箇所には、それらを合成した起磁力に等しい永久磁石部（即ち、Ｎ極とＳ極との組では相殺されて、Ｎ極同士では合算されて大きなＮ極となり、Ｓ極同士では合算されて大きなＳ極となる。）が配置されている、
回転電機である。
即ち、仮想ロータ２つを中心からギャップへ投影した配置及び面積が、上記規則に従って規定されることとなる。ただし投影した配置とは永久磁石と空気層は空気層であるものとする。

また、第２の発明による回転電機は、
前記永久磁石同士で対応する箇所のうち、永久磁石のN極部とS極部とが対応する箇所には永久磁石を設置せず、磁気抵抗部（好適には高磁気抵抗部として機能するものであり、例えば、プラスチックなどの樹脂や空隙部などである。）を配置した、
ことを特徴とする。

また、第３の発明による回転電機は、
前記磁気抵抗部におけるロータ表面とステータとの間のエアーギャップ長が、前記永久磁石部と前記ステータとの間のエアーギャップ長よりも長い、
ことを特徴とする。

また、第４の発明による回転電機は、
前記永久磁石部を構成する永久磁石がロータ内部に埋め込まれている、ことを特徴とする。

また、第５の発明による回転電機は、
前記埋め込まれている永久磁石が、V字状に配置されている、ことを特徴とする。

また、第６の発明による回転電機は、
前記埋め込まれている永久磁石が、ほぼ直方体状（即ち、その断面がほぼ長方形状）である、ことを特徴とする。

また、第７の発明による回転電機は、
前記直方体状の永久磁石が、ロータ表面に配置されている、ことを特徴とする。

また、第８の発明による回転電機は、
前記磁石磁束を発生させるものとして、前記永久磁石に代えて電磁石を具えた、ことを特徴とする。

第１の発明によれば、二つの極数を有するモータを形成するために、極数の小さな永久磁石モータと極数の大きな永久磁石モータのギャップへ投影した配置をN極同士ならN極、S極同士ならS極、N極とS極ならば等価的に等しい起磁力を有する永久磁石として重ね合わせることで、重ね合わせ前後で永久磁石量を低減することができ、低コストとなる。磁石量が低減されても、ロータ磁気抵抗は大きく低下せず、減磁に対して有利となる。

また、第２の発明によれば、二つの極数を有するモータを形成するためにN極とS極ならば磁気抵抗の大きな材料と置き換えるために、この場所では永久磁石が不要となり、大幅なコスト低減を達成できる。

また、第３の発明によれば、二つの極数を有するモータを形成するためにN極とS極ならば磁気抵抗材料の代わりに、コアを置き、その場所でのエアーギャップ長を永久磁石とステータ間のギャップ距離に対して大きくするので、ロータ高回転化が可能となる。

また、第４の発明によれば、磁石をロータ内部に埋め込むので、ロータ高回転化と、弱め界磁に伴う減磁耐力の向上と、リラクタンストルクの併用が可能となる。

また、第５の発明によれば、磁石配置をＶ字状とし、ロータ内部へ埋め込む事で第４の発明の効果を向上できる。また更に磁石磁束も表面積増加に伴い大きくすることが可能であり、トルクも増加させ得る。

また、第６の発明によれば、複雑な磁石形状を用いなくとも、ロータへ埋め込む事で第４の効果を得ることが可能であり、特に直方体の形状の磁石は安価であり、所望のトルクを供給することが可能であれば実用性が非常に高い。

また、第７の発明によれば、埋め込んだ直方体形状磁石よりも大きなトルクが得られ、また、表面型なので磁石の組み付けなどで加工し易いという利点もある。

また、第８の発明によれば、電磁石とする事で、永久磁石を用いるのと同等の性能を得ることができ、且つ界磁電流により、磁束を自在に設定することが可能である。

以降、諸図面を参照しつつ、本発明の実施態様を詳細に説明する。図１に本発明の実施例による回転電機を示す。図１は１２スロットでロータ回転により３極対及び６極対の誘起電圧成分を発生する事のできる永久磁石同期モータである。本モータは主にステータ１１とロータ１２及びシャフト１３、エアーギャップ１４で構成され、ロータ１２はＮ極永久磁石Ｎ１−６、Ｓ極永久磁石Ｓ１―６で構成されており、これら磁石には、体積の小さなＮ極永久磁石Ｎ２，Ｎ４，Ｎ６、Ｓ極永久磁石Ｓ２、Ｓ４，Ｓ６が含まれる。ステータは分割されたコアで記述されているが、分割されないコアでも同様の動作ができること、或いはスロットレス型モータでも本発明を適用することが可能である。また、巻線は集中巻に限らず分布巻でも適用可能である。

ステータは、幾つかのＮ極の磁石、幾つかのＳ極の磁石を含み、これらの磁石は３極対と６極対の２種類の極対数を備える２組の磁石（磁極数）として機能する。ここで、３極対、６極対の極対数とは回転子が一周（０deg〜３６０deg）する間に回転子表面に現れる磁束のことである。この場合の２組の磁石は、概念的なものであり、部材が明確に分離されているものではなく、ステータの巻線に供給される複合電流を構成する１つの電流に対して、３極対の磁石のセットとして振る舞う磁石の組が１つあり、複合電流を構成するもう１つの電流に対して、６極対の磁石のセットとして振る舞う磁石の組が１つあることを意味するものであり、各磁石Ｓ１−Ｓ６、Ｎ１−Ｎ６が同時に双方の組の磁石として機能するものである。この詳細については図２を参照して説明する。以降、作図や説明の便宜上、回転子の磁石をＮ極、Ｓ極として図示・説明するが、Ｎ−Ｓ極の構成・配置を逆に置き換えても発明の作用・効果は同様であることに留意されたい。さらに、Ｎ極、Ｓ極の磁石は、磁力線の向きが半径方向となるように、着磁方向をそれぞれ半径方向（反対向きで）にした磁石を、Ｎ極を外側（固定子側）、Ｓ極を外側（固定子側）に配置したものである。この実施例では磁石は着磁方向を半径方向に配置したものを用いてあるが、この配置には限定されず、磁力線がほぼ半径方向に向いていれば問題なく、例えば、２つの磁石をＶ字型に配置したものであってもよい。

図２には図１のロータを形成するまでの過程を示す。図２（ａ）には６極永久磁石ロータ、図２（ｂ）には１２極永久磁石ロータを示してある。各ロータを永久磁石部とコア部の領域にそれぞれ分けており、永久磁石の同極同士は、６極または１２極の磁石厚の大きな方と同じ厚さの永久磁石を、また異極同士の場合はその起磁力が等しくなるように磁石厚を薄くしたものを設置したものを6極、12極永久磁石重ねあわせ後のロータとして図２（ｃ）示している。このようにすることによって、ロータ回転によって６極と１２極に相当する誘起電圧を発生することができる。これへ６極と１２極へ同期した電流の和である複合電流を通電する事でトルクを発生することが可能となる。その際永久磁石量は、磁石重ね合わせで低減されている事になる。図２（ｄ）は、仮想ロータ１と仮想ロータ２とを周方向に展開したとき、どのように投影されて合体（重ね合わせた）後のロータが形成されるのかを説明する概念図である。図に示すように、仮想ロータを合体させた後のロータは、コア同士はコア部、Ｓ極磁石とコアはＳ極磁石、Ｎ極磁石とコアはＮ極磁石、Ｓ極磁石とＮ極磁石とは樹脂、同極磁石同士は当該極の磁石となる。

図３に本発明の別の実施例を示す。図３は主にステータ２１とロータ２２及びシャフト２３、エアーギャップ２４で構成されており、ロータ２２はＮ極永久磁石Ｎ１−Ｎ３とＳ極永久磁石Ｓ１−Ｓ３及び非磁性体ＵＭ１−ＵＭ６で構成されている。非磁性体からなる非磁性体部は、図１では小体積の永久磁石であったが、磁石体積または厚さが小さいことで、永久磁石としての機能よりも、全体としては空隙としての機能、即ち磁気抵抗部材としての機能が高いために、この部位を非磁性体へ変更しても、ステータと鎖交する磁束への影響が殆ど無い。かえって非磁性体としたことで、磁石量を大幅に削減できるという利点がある。また磁石をロータ内部へ埋め込んでいる事で回転強度を高く維持できる。

図４に本発明の別の実施例を示す。図３の非磁性体を設置する代わりに空隙Ｋ１−Ｋ６を設けたものである。これにより、非磁性体を設置するよりもロータの高回転化が可能となり、また電気的には図３の構成と全く同様となる。

図５に本発明の別の実施例を示す。ロータ内部へ埋め込んだ永久磁石形状をＶ字形状のＮＶ１−ＮＶ３（Ｎ極磁石）、ＳＶ１−ＳＶ３（Ｓ極磁石）としたことで、エアーギャップ表面のコア部体積を大きく出来、コア部と電流の吸引力に基づくリラクタンストルクを利用しやすくなる。また、Ｖ字状にしたことによって磁石表面積を増した事で、ステータと鎖交する磁束を大きくすることが可能となる。

図６に本発明の別の実施例を示す。永久磁石はエアーギャップ表面に設けた直方体状のＳ極磁石ＳＲ１−ＳＲ３，Ｎ極磁石ＮＲ１―ＮＲ３でありステータに鎖交する磁束波形は６極、１２極に相当する次数成分は小さく、歪が最も小さくできる。また表面磁石タイプのために磁束量を大きくすることが可能であり、発生トルクを大きくできる。

図７は本発明の別の実施例を示す。永久磁石の代わりに電磁石を用いている。Ｎ極用電磁石ＭＧＮ１−ＭＧＮ３（Ｎ極）、Ｓ極用電磁石ＭＧＳ１−ＭＧＳ３（Ｓ極）である。これによって電磁石を構成する界磁コイルＣＲに流れる電流を調整する事で磁束量を可変にする事が可能である。尚、界磁電流は通常のブラシ付モータと全く同様に、スリップリングを介して外部電源から供給される。

本発明を諸図面や実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形や修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形や修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。

本発明の実施例による回転電機を示す図である。 図１のロータを形成するまでの過程を示す図である。 本発明の別の実施例を示す図である。 本発明の別の実施例を示す図である。 本発明の別の実施例を示す図である。 本発明の別の実施例を示す図である。 本発明の別の実施例を示す図である。

符号の説明

１１ ステータ
１２ ロータ
１３ シャフト
１４ エアーギャップ
２１ ステータ
２２ ロータ
２３ シャフト
２４ エアーギャップ
Ｎ，Ｎ１−Ｎ６ Ｎ極永久磁石
Ｓ，Ｓ１−Ｓ６ Ｓ極永久磁石
ＳＲ１ 磁石
ＵＭ１−ＵＭ６ 非磁性体
Ｋ１−Ｋ６ 空隙
ＮＶ３−３ Ｎ極永久磁石
ＳＶ１−３ Ｓ極永久磁石
ＮＲ１−３ Ｎ極永久磁石
ＳＲ１−３ Ｓ極永久磁石
ＭＧＮ１−３ Ｎ極用電磁石
ＭＧＳ１−３ Ｓ極用電磁石
ＣＲ 界磁コイル

Claims (8)

1. 複合電流によって駆動され、ロータ内には異なる二つの磁極数に相当する磁石磁束を、その表面に合算して発生させる永久磁石を持つ回転電機において、
   前記ロータは、
   ロータ中心から半径方向へ投影したとき、各磁極数のコア同士が対応する箇所には、コア部が配置され、
   各磁極数のコアと、永久磁石とが対応する箇所には、当該極の永久磁石部が配置され、
   各磁極数の永久磁石同士で対応する箇所には、それらを合成した起磁力に等しい永久磁石部が配置されている、
   回転電機。
2. 請求項１に記載の回転電機において、
   前記永久磁石同士で対応する箇所のうち、永久磁石のN極部とS極部とが対応する箇所には永久磁石を設置せず、磁気抵抗部を配置した、
   ことを特徴とする回転電機。
3. 請求項２に記載の回転電機において、
   前記磁気抵抗部におけるロータ表面とステータとの間のエアーギャップ長が、前記永久磁石部と前記ステータとの間のエアーギャップ長よりも長い、
   ことを特徴とする回転電機。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の回転電機において、
   前記永久磁石部を構成する永久磁石がロータ内部に埋め込まれている、
   ことを特徴とする回転電機。
5. 請求項４に記載の回転電機において、
   前記埋め込まれている永久磁石が、V字状に配置されている、
   ことを特徴とする回転電機。
6. 請求項４に記載の回転電機において、
   前記埋め込まれている永久磁石が、直方体状である、
   ことを特徴とする回転電機。
7. 請求項７に記載の回転電機において、
   前記直方体状の永久磁石が、ロータ表面に配置されている、
   ことを特徴とする回転電機。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の回転電機において、
   前記磁石磁束を発生させるものとして、前記永久磁石に代えて電磁石を具えた、
   ことを特徴とする回転電機。
   
   

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