JP2007221877A - 磁石回転子 - Google Patents

Abstract

【課題】２極または４極の磁石回転子において、パラレル異方性磁石を用いて、ラジアル異方性磁石を用いた場合と同等の性能を発揮させることができるようにする。
【解決手段】回転子本体２の表面にパラレル異方性磁石４，５が取りつけられ、パラレル異方性磁石４，５により２極の磁石界磁が構成されている。磁石界磁を構成するパラレル異方性磁石４及び５はそれぞれ回転子本体の周方向に並ぶ２個の単位磁石４ａ，４ｂ及び５ａ，５ｂに分割されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、磁石発電機やブラシレスモータ等の磁石界磁回転型の回転電機に用いる磁石回転子に関するものである。

永久発電機やブラシレスモータ等の磁石界磁回転型の回転電機に用いる回転子として表面磁石型の磁石回転子が用いられている。表面磁石型の磁石回転子は、例えば特許文献１に示されているように、回転軸を有する回転子本体と、回転子本体の表面（固定子に対向する面）に取りつけられた永久磁石とを備えていて、回転子本体の周方向に交互に異なる磁極が並ぶように永久磁石が着磁されることにより、所定の極数の磁石界磁が構成される。

図４は、一例として２極の表面磁石型磁石回転子１′を示したもので、同図において２′は円柱状に形成された回転子本体、３′は回転子本体２′の軸芯部に設けられた回転軸、４′及び５′は回転子本体２′の外周に取りつけられた永久磁石である。永久磁石４′及び５′は、回転子本体２′の表面（外周面）に沿う円弧状の横断面を有していて、回転子本体２′の表面に貼り付けられて固定されている。図４に示された永久磁石４′及び５′はパラレル異方性磁石からなっていて、図に矢印で示したように磁化の方向が互いに平行な方向に向くように着磁されている。

なお図４に示した例では、２つの永久磁石４′及び５′が設けられているが、リング状に形成された１個の永久磁石を回転子本体の外周に取りつけて、所定の極数の磁石界磁を構成するように該１個の永久磁石を局部的に着磁する場合もある。

また図４に示した例では、回転子本体２の外径が回転軸３′の外径よりも大きいが、小形の回転電機では、回転子本体２′の外径が回転軸３′の外径に等しく設定される（回転軸そのものが回転子本体を構成する）場合もある。
特開昭６２−８５０６号公報

図４に示されたように、パラレル異方性磁石を用いた場合、磁石４′及び５′の周方向の両端付近（磁極の境界部付近）では、磁化の方向が回転子のラジアル方向に対してなす角θ′が大きくなって、磁化の方向がラジアル方向から大きくずれることになる。そのため、磁石４′，５′の周方向の両端付近で磁石表面の磁束密度が小さくなり、ラジアル異方性磁石を用いた場合のように、磁石表面全体の磁束密度を大きくすることができない。

上記のように、パラレル異方性磁石を用いた場合には、磁石の周方向の両端付近で磁石表面の磁束密度が小さくなる。そのため、この磁石回転子を固定子と組み合わせて回転電機を構成した場合に、固定子鉄心の磁化が弱まり、回転電機の性能が低下するのを避けられない。磁石表面全体の磁束密度を大きくするためには、特許文献１に示されているように、磁化の方向が回転子の径方向に向いたラジアル異方性磁石を用いることが望ましい。しかしながら、磁石回転子の極数が少なく、しかも径が小さい場合には、永久磁石の曲率が大きくなる（磁石の径が小さくなる）ため、回転子本体２′の径に適合するラジアル異方性磁石４′，５′を製造することが難しくなる。特にリング状の永久磁石をラジアル異方性磁石として製造することは困難である。

本発明の目的は、２極または４極といった極数が少ない磁石回転子において、パラレル異方性磁石を用いて、ラジアル異方性磁石を用いた場合と同等の性能を発揮させることができるようにすることにある。

本発明は、回転子本体の表面にパラレル異方性磁石が取りつけられ、該パラレル異方性磁石によりｎ（ｎは２または４）極の磁石界磁が構成されている表面磁石型の磁石回転子に係わるものである。

本発明においては、磁石界磁の各極を構成するパラレル異方性磁石が、回転子本体の周方向に並ぶｍ（ｍは２以上の整数）個の単位磁石に分割されている。即ち、本発明においては、磁石界磁の各極が、回転子本体の周方向に並ぶｍ個のパラレル異方性の単位磁石により構成される。ｍ個の単位磁石のそれぞれの極弧角は等しく設定しておくのが好ましい。

上記のように、磁石界磁の各極を構成するパラレル異方性磁石を、回転子本体の周方向に並ぶｍ（ｍは２以上の整数）個の単位磁石（複数の単位磁石）に分割すると、ｍ個の単位磁石の極弧角が等しいとすれば、各単位磁石の極弧角が磁石界磁の各極の極弧角の１／ｍになるため、各単位磁石の周方向の両端付近で、磁化の方向が回転子本体の径方向に対してなす角が小さくなり、磁石界磁の各磁極を構成するパラレル異方性磁石の配向がラジアル異方性磁石の配向に近くなる。そのため、磁石界磁の各磁極を構成する磁石の表面全体に亘って表面磁束密度を大きくすることができ、この磁石回転子を固定子と組み合わせて回転電機を構成した場合に、図４に示した従来の磁石回転子を用いた場合よりも、固定子鉄心を強く磁化して、回転電機の性能を高めることができる。

上記ｎが２である場合（磁石界磁が２極である場合）、磁石界磁の各極を構成するパラレル異方性磁石を、回転子本体の周方向に並ぶ２以上４以下の単位磁石に分割する、即ち、各磁極を２個または４個のパラレル異方性単位磁石により構成するのが好ましい。

またｎが４である場合（磁石界磁が４極である場合）には、磁石界磁の各極を構成するパラレル異方性磁石を、回転子本体の周方向に並ぶ２個の単位磁石に分割するのが好ましい。

磁石界磁の各極を構成するパラレル異方性磁石の分割数を上記よりも更に多くすることも考えられるが、分割数を更に多くしても、組み立て作業性の低下及び製造コストの上昇がある割りには、効果の差（ラジアル異方性磁石を用いた場合との差）を大きくすることができないため、磁石界磁の各極を構成するパラレル異方性磁石の分割数は、２極の場合に２ないし４とし、４極の場合に２とするのが好ましい。

以上のように、本発明によれば、磁石界磁の各極を構成するパラレル異方性磁石を、回転子本体の周方向に並ぶ複数の単位磁石に分割したので、各磁極の周方向の両端付近で、磁石の磁化の方向が回転子本体の径方向に対してなす角を小さくして、磁石界磁の各磁極を構成するパラレル異方性磁石の配向をラジアル異方性磁石のそれに近づけることができ、磁石界磁の各極を構成する磁石の表面全体に亘って表面磁束密度を大きくして、回転電機の性能を高めることができる。

以下図面を参照して本発明の好ましい実施形態を説明する。図１はブラシレスモータに用いるのに好適な２極の磁石回転子に本発明を適用した実施形態を示したもので、同図において、２は鉄等の強磁性材料により円柱状に形成された回転子本体、３は回転子本体２の軸芯部に設けられた回転軸、４及び５は１８０度の角度間隔をあけて回転子本体２の外周に取りつけられたパラレル異方性永久磁石であり、これらの永久磁石４及び５により２極の磁石界磁が構成されている。

本実施形態では、磁石界磁の一方の極を構成するパラレル異方性磁石４が、回転子本体２の周方向に並ぶ２個の単位磁石４ａ，４ｂに分割されている。単位磁石４ａ，４ｂは、回転子本体２の表面（外周面）に沿うようにそれぞれの横断面が円弧状に形成されていて、それぞれの一端４a1，４b1を当接させた状態で回転子本体２の表面に配置されて、接着により回転子本体２に固定されている。単位磁石４ａ，４ｂの極弧角は等しく設定されている。

同様に、磁石界磁の他方の極を構成するパラレル異方性磁石５も、回転子本体２の周方向に並ぶ２個の単位磁石５ａ，５ｂに分割されている。単位磁石５ａ，５ｂは、回転子本体２の表面（外周面）に沿うようにそれぞれの横断面が円弧状に形成されていて、それぞれの一端５a1，５b1を当接させた状態で回転子本体２の表面に配置されて、接着により回転子本体２に固定されている。単位磁石５ａ，５ｂの極弧角は等しく設定されている。

上記のように、磁石界磁の各極を構成するパラレル異方性磁石を、回転子本体の周方向に並ぶ、極弧角が等しい２個の単位磁石に分割すると、各単位磁石の極弧角が磁石界磁の各極の極弧角の１／２になるため、各単位磁石の周方向の両端付近で、磁化の方向が回転子本体の径方向に対してなす角θを小さくすることができる。従って、磁石界磁の各磁極を構成するパラレル異方性磁石の配向をラジアル異方性磁石のそれに近づけることができ、磁石界磁の各磁極を構成する磁石の表面全体に亘って表面磁束密度を大きくして、小形で高出力の回転電機を得ることができる。

また上記のように構成すると、磁石界磁の隣り合う極の境界部付近まで磁石の表面磁束密度を大きくすることができるため、ブラシレスモータ等において、固定子側に配置したホールセンサ等の磁気検出素子により、磁石界磁の磁極の極性を検出して磁石回転子の回転角度位置情報を検出する場合に、センサのヒステリシス特性や感度のばらつきの影響を殆ど受けないようにすることができる。磁石界磁の隣り合う極の境界部付近（各極の周方向端部付近）の表面磁束密度が小さいと、特に回転電機の電機子反作用が大きい場合に、精度の良い位置検出を行うことができなくなるおそれがあるが、本発明によれば、このような場合でも回転子の位置検出を正確に行わせることができる。

なお上記の実施形態のように、単位磁石４ａ，４ｂの極弧角及び単位磁石５ａ，５ｂの極弧角は等しく設定するのが好ましいが、多少異なっていてもよい。

上記の磁石回転子１は、固定子と組み合わされて回転電機を構成する。図２及び図４は、図１の磁石回転子を固定子１０と組み合わせてブラシレスモータを構成し例を示したものである。固定子１０は、鋼板の積層体からなっていて、環状の継鉄部１１ｙと該継鉄部から径方向の内側に突出した３つの歯部とを有する電機子鉄心１１と、電機子鉄心１１の３つの歯部にそれぞれ巻回された３相の電機子コイル１２ｕ，１２ｖ及び１２ｗとからなっている。固定子１１は、その内側に回転子１を受け入れた状態で図示しないケーシング内に挿入され、電機子鉄心１１に設けられた歯部の先端の磁極部が、磁石回転子１の磁極に所定のギャップを介して対向させられている。磁石回転子１の回転軸３の両端は、ケーシングの両端に軸受けを介して回転自在に支持される。

磁石回転子１の回転角度位置情報を得るため、電機子コイル１２ｕ，１２ｖ及び１２ｗに対してそれぞれ設けられた磁気センサ１３ｕ，１３ｖ及び１３ｗが、電機子コイル１２ｕ，１２ｖ及び１２ｗのコイルエンド相互間に配置されて適宜の手段により固定子１０に対して固定されている。磁気センサ１３ｕ，１３ｖ及び１３ｗは、ホールＩＣからなっていて、それぞれの検出部が、磁石回転子１の軸線方向の一端側で磁石界磁の磁極に対向させられている。

上記の実施形態では、磁石界磁の各極を構成するパラレル異方性磁石の分割数を２としたが、パラレル異方性磁石の配向をラジアル異方性磁石の配向に更に近づけるために、磁石界磁の各極を構成するパラレル異方性磁石の分割数を３または４とすることもできる。

上記の実施形態では、磁石界磁が２極に構成されているが、磁石界磁が４極に構成される場合にも本発明を適用することができる。磁石界磁が４極に構成される場合には、各磁極を構成するパラレル異方性磁石の分割数を２とする。

上記の実施形態では、磁石界磁の２つの磁極をそれぞれ構成する永久磁石４及び５が相互間にギャップＧ1及びＧ2を介して配置されているが、磁石４の周方向の両端をそれぞれ磁石５の対応する両端に突き合わせた状態で（ギャップＧ1及びＧ2を実質的に零として）、磁石４及び５を回転子本体の表面に環状に配置して、磁石４及び５を局部的に着磁することにより２極の磁石界磁を構成する場合にも本発明を適用することができる。

また周方向に切れ目がないリング状のパラレル異方性磁石を、回転子本体２の外周に嵌合させて、このリング状のパラレル異方性磁石を局部的に着磁することにより２極の磁石界磁を構成する場合にも本発明を適用することができる。

上記の実施形態では、磁石界磁の各極を構成するパラレル異方性磁石を回転子本体の周方向に分割しているが、必要に応じて、磁石界磁の各極を構成するパラレル異方性の各単位磁石を、回転子本体の軸線方向に複数に分割するようにすることもできる。

上記の実施形態では、磁石界磁の各磁極が径方向の内側から固定子の磁極に対向させられて、固定子の内側で回転する内転形の磁石回転子に本発明を適用したが、磁石界磁の各磁極が径方向の外側から固定子の磁極に対向させられて、磁石界磁が固定子の外側で回転する外転形の磁石回転子にも本発明を適用することができるのはもちろんである。

本発明の一実施形態の構成を概略的に示した正面図である。 図１の磁石回転子を用いて構成したブラシレスモータの構成を示す正面図である。 図２に示されたブラシレスモータを同図のIII−III線に沿って断面して示した縦断面図である。 従来の磁石回転子の構成を概略的に示した正面図である。

符号の説明

１ 磁石回転子
２ 回転子本体
３ 回転軸
４ 永久磁石
４ａ，４ｂ 単位磁石
５ 永久磁石
５ａ，５ｂ 単位磁石

Claims (3)

1. 回転子本体の表面にパラレル異方性磁石が取りつけられ、前記パラレル異方性磁石によりｎ（ｎは２または４）極の磁石界磁が構成されている表面磁石型の磁石回転子において、
   前記磁石界磁の各極を構成するパラレル異方性磁石は、前記回転子本体の周方向に並ぶ複数の単位磁石に分割されていることを特徴とする磁石回転子。
2. 前記ｎは２であり、前記磁石界磁の各極を構成するパラレル異方性磁石は、２以上４以下の単位磁石に分割されている請求項１に記載の磁石回転子。
3. 前記ｎは４であり、前記磁石界磁の各極を構成するパラレル異方性磁石は、２個の単位磁石に分割されている請求項１に記載の磁石回転子。
   

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