JP2012019605A - 永久磁石回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】 より大きな磁場を発生することができる永久磁石回転電機を提供することである。
【解決手段】 実施形態の永久磁石回転電機は、回転体の基台となる固定子６と、固定子６に対し回転可能に支持される回転子５と、回転子の回転の中心部分から周方向にハルバッハ配列された２列の永久磁石列２，３と、２列の永久磁石列２，３の間に位置するように固定子６に設けられる電機子巻線４と、２列の永久磁石列２，３の外側永久磁石２の磁極の向きと、２列の永久磁石列２、３の内側永久磁石３の磁極の向きが、径方向の磁極の向きについては同一方向、周方向の磁極向きについては逆方向に向き、外側永久磁石列２が磁石内部に構成する磁路の長さと、外側永久磁石列２が構成する磁路の断面積を乗じたものと、内側永久磁石列３が磁石内部に構成する磁路の長さと、内側永久磁石列３が構成する磁路の断面積を乗じたものが同じである。
【選択図】 図２

Description

本発明の実施形態は、永久磁石回転電機に関する。

永久磁石をハルバッハ配列した永久磁石回転電機は、径方向にＮ 極とＳ 極を交互に配置した主磁極磁石と、この主磁極磁石の周方向両面に径方向以外（ 例えば周方向） に着磁された補助磁石を備えたものである。

永久磁石をハルバッハ配列した永久磁石回転電機の主磁極磁石と補助磁石とは、全体で略円筒状をなしており、永久磁石をハルバッハ配列にすると、特定の方向の磁力を強めることができる。このハルバッハ配列された永久磁石を有する回転電機は、大きくすることなく高出力化を図ることが可能になるため、研究が進められている。

特開２００６−３２０１０９号公報 特開２００４−３５０４２７号公報

しかしながら、従来の発明では、固定子や回転子に鉄心を用いているためトルクの脈動が大きくなる。さらに、鉄心の磁気飽和が発生し、トルクの出力が制限されてしまっている。このような対応として強力な磁場を発生する磁石を用いるが、トルクの向上には限界がある。

本発明が解決しようとする課題は、より大きな磁場を発生することができる永久磁石回転電機を提供することである。

実施形態の永久磁石回転電機は、回転体の基台となる固定子と、前記固定子に対し回転可能に支持される回転子と、前記回転子の回転の中心部分から周方向にハルバッハ配列された２列の永久磁石列と、前記２列の永久磁石列の間に位置するように前記固定子に設けられる電機子巻線と、前記２列の永久磁石列の外側永久磁石の磁極の向きと、前記２列の永久磁石列の内側永久磁石の磁極の向きが、径方向の磁極の向きについては同一方向、周方向の磁極向きについては逆方向に向き、前記外側永久磁石列が磁石内部に構成する磁路の長さと、前記外側永久磁石列が構成する磁路の断面積を乗じたものと、前記内側永久磁石列が磁石内部に構成する磁路の長さと、前記内側永久磁石列が構成する磁路の断面積を乗じたものが同じである。

第１の実施形態の構成を説明する断面図（軸方向）。 第１の実施形態の構成を説明する断面図（径方向）。 第１の実施形態の作用を説明する磁束密度分布図。 第２の実施形態の構成を説明する断面図（軸方向）。 第３の実施形態の構成を説明する断面図（軸方向）。 第３の実施形態の原理を説明する磁石内磁路。 第３の実施形態の原理を説明する磁石列磁気回路。 第４の実施形態の構成を説明する断面図（軸方向）。 第５の実施形態の構成を説明する断面図（軸方向）。

以下、実施形態の永久磁石の回転電機を図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
第１の実施形態について図を参照し、詳細に説明する。図１は、第１の実施形態の構成を説明する断面図（軸方向）である。図２は、第１の実施形態の構成を説明する断面図（径方向）である。図３は、第１の実施形態の作用を説明する磁束密度分布図である。

（構成）
まず、構成について説明する。図１に示すように、円板状の固定子６の中心部には支持軸としての役割を果たすシャフト７と、外周上には電機子巻き線４を取付けるための凸部が設けられている。凸部上に設置される電機子巻き線４は、例えば三相交流を用いる場合、Ｕ相−Ｖ相−Ｗ相の順に巻かれている。固定子６と回転子５の間には、固定子６から回転子が回転自在に支持されるように軸受け９が設置され、回転子５は固定子６の上で回転する構造になっている。回転子５にはハルバッハの配列で構成された略円筒形状の永久磁石列２．３が、周方向に２列構成されている。回転子５は、固定子に対向する側の面に２列の凸部を有し、外側の凸部には外側永久磁石列２を、内側の凸部には内側永久磁石列３が、例えば接着等により取付けられている。回転子５に取付けられた永久磁石列２，３の間に、固定子６に設置される電機子巻き線４が配置されるように構成する。回転子５に取付けられた永久磁石列２，３は、図２に示すような磁極の配列とする。つまり、径方向に着磁された磁極については、外側永久磁石列２と内側永久磁石列３の永久磁石の磁極が同一方向になるように構成する。径方向に着磁された磁極の間にある周方向に着磁された永久磁石については、外側の永久磁石列２と内側の永久磁石列３の磁極が反対方向になるように構成する。上述した電機子巻き線４に、例えば三相交流を流すことで回転子５が回転することになる。

（作用）
次に作用について説明する。図３より、本実施形態の構成の永久磁石回転電機では、永久磁石列２，３の磁束が電機子巻き線４を鎖交し、磁石列内の磁路１３を発生させる。外側永久磁石列２の内部を通る磁路は、図３の磁力線分布によれば、径方向に着磁された磁極から入り、周方向に着磁された磁極を通り、再び径方向に着磁された磁極から出ることになる。また内側永久磁石列３の内部を通る磁路も同様である。

径方向に着磁された永久磁石に多くの磁束は、外側の永久磁石列２と内側の永久磁石列３とが同じ向きになり、互いの磁束が合わさるように働く。周方向に着磁された永久磁石の磁束は、外側の永久磁石列２と内側の永久磁石列３とでは反対の向きになり、互いの磁束をキャンセルする働きをする。

このように、外側永久磁石列が磁石内部に構成する磁路の長さと、外側永久磁石列が構成する磁路の断面積を乗じたものと、内側永久磁石列が磁石内部に構成する磁路の長さと、内側永久磁石列が構成する磁路の断面積を乗じたものが同じとすると、外側と内側の永久磁石の起磁力が同じになり、磁石間の空隙の中心に、最大磁場を得ることができる。

（効果）
以上述べた少なくともひとつの実施形態のハルバッハ配列を用いた永久磁石回転電機によれば、最小の磁石量で、外側と内側永久磁石列を隔てる空隙に、より大きな磁場分布を得る永久磁石回転電機を提供できる。このことから、電機子巻き線４に鎖交することにより大きなトルクを得ることが可能になる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態について図を参照し、詳細に説明する。図４は、第２の実施形態の構成を説明する断面図（軸方向）である。尚、図１乃至３と同一の構成をとるものについては、同符号を付して説明を省略する。

本実施形態は、回転子５にハルバッハ配列した略円筒形状の永久磁石列２、３において、外側永久磁石列２をなす一つの磁石の周方向長さと径方向長さを、略一致としたことである。

このような構成の永久磁石回転電機は、外側の永久磁石列２により発生する磁場は、永久磁石列２、３を隔てる空隙中心では正弦波状に分布するように作用する。つまり、外側永久磁石列２をなす１つの磁石の周方向長さと径方向長さを略一致とすると、磁石間の空隙中心の磁束密度分布は正弦波を得ることができる。

（効果）
以上述べた少なくともひとつの実施形態のハルバッハ配列を用いた永久磁石回転電機によれば、正弦波状の磁場分布により、トルクの脈動を抑えることができる。

（第３の実施形態）
第３の実施形態について図を参照し、詳細に説明する。図５は、第３の実施形態の構成を説明する断面図（軸方向）である。図６は、第３の実施形態の原理を説明する磁石内磁路である。図７は、第３の実施形態の原理を説明する磁石列磁気回路である。尚、図１乃至４と同一の構成をとるものについては、同符号を付して説明を省略する。

（構成）
本実施形態は、外側永久磁石２と、内側永久磁石３とを隔てる空隙の幅を、外側永久磁石列２の径方向の長さの１／２以下とする。

（作用）
回転子５にハルバッハ配列した略円筒形状の永久磁石列２，３を隔てる空隙の幅を外側永久磁石列２の径方向長さの１／２になるようにしたことで、空隙に発生する最大磁束密度を、永久磁石列２、３で用いられる永久磁石材料の残留磁束密度の８５％以上発生することができる。

この根拠として、図６および図７を用いて説明する。図６は、永久磁石列２、３の一部を切り出し、直線状に近似したものである。図６における磁路１３の回路方程式は、磁石の一辺の長さをl_m、磁石間を隔てる空隙の幅をl_g、空気中の磁気抵抗R_g、磁石中の磁気抵抗R_m、磁石の起磁力H_ml_m、磁束f、としたときに次式で表すことができる。

この式を磁束fについて変形すると
となる。磁路の断面積をSとすると、磁石の磁気抵抗はR_m=l_m/m₀S、空隙の磁気抵抗はR_g=l_g/m₀Sと表されるので、式に代入すると
空隙中の磁束密度BはB=f/Sあるので
となる。この式において、磁石間空隙長l_gを小さくすることで、ギャップ中の磁束密度を大きくすることも可能である。例えばl_g=l_m/２とすると式４は
と表せる。すなわち、空隙の磁束密度は、磁石の残留磁束密度m_０H_mの６／７＝８５％となるのである。

つまり、磁石間の空隙の幅を、外側永久磁石列の径方向断面をなす略正方形の一辺の長さの１／２以下とすると、永久磁石の残留磁束密度の８５％以上の磁束密度を空隙中心に発生することができる。

（効果）
以上述べた少なくともひとつの実施形態のハルバッハ配列を用いた永久磁石回転電機によれば、磁石量が定められたとき、より大きな磁束密度を発生する構成を得ることができる。

（第４の実施形態）
第４の実施形態について図を参照し、詳細に説明する。図８は、第４の実施形態の構成を説明する断面図（軸方向）。尚、図１乃至７と同一の構成をとるものについては、同符号を付して説明を省略する。

（構成）
本実施形態は、永久磁石列２，３の周方向断面を凹形状の溝を設け、また回転子１３には、永久磁石の溝形状に合わせたリブを設けている。

このような構成とすると、永久磁石列２、３に設けられた溝と、回転子１４に設けられたリブを用いて永久磁石列２、３を固定する作用を有する。

（効果）
以上述べた少なくともひとつの実施形態のハルバッハ配列を用いた永久磁石回転電機によれば、永久磁石列２、３を強固に固定することができる。さらに、磁石を貼付け時、容易に位置決めをすることができ、製造コストを削減することができる。さらに、永久磁石の径方向面上に溝を設けたことで、磁気特性の低下を防ぐことができる
（第５の実施形態）
第５の実施形態について図を参照し、詳細に説明する。図９は、第５の実施形態の構成を説明する断面図（軸方向）。尚、図１乃至８と同一の構成をとるものについては、同符号を付して説明を省略する。

（構成）
本実施形態は、は、永久磁石列２、３に設けた溝の形状と、それに対応する回転子１５に設けたリブ形状を、略直角三角形状としている。

このような構成とすると、永久磁石列２、３に設けられた溝と、回転子１４に設けられたリブを用いて永久磁石列２、３を固定する作用を有する。

（効果）
以上述べた少なくともひとつの実施形態のハルバッハ配列を用いた永久磁石回転電機によれば、永久磁石列２、３を強固に固定することができる。さらに、磁石を貼付け時、容易に位置決めをすることができ、製造コストを削減することができる。さらに、第４の実施形態よりも固定部分の面積が少ないことで、より磁気特性の低下を防ぐことができる。

１…回転電機
２…外側永久磁石
３…内側永久磁石
４…電機子巻線、
５…回転子
６…固定子
７…シャフト
８…コイル渡り線
９…軸受け、
１０…Ｕ相巻線
１１…Ｖ相巻線
１２…Ｗ相巻線
１３…外側磁石と内側磁石の磁路
１４…リブつき回転子
１５…三角リブつき回転子

Claims (5)

1. 回転体の基台となる固定子と、
   前記固定子に対し回転可能に支持される回転子と、
   前記回転子の回転の中心部分から周方向にハルバッハ配列された２列の永久磁石列と、
   前記２列の永久磁石列の間に位置するように前記固定子に設けられる電機子巻線と、
   前記２列の永久磁石列の外側永久磁石の磁極の向きと、前記２列の永久磁石列の内側永久磁石の磁極の向きが、径方向の磁極の向きについては同一方向、周方向の磁極向きについては逆方向に向き、
   前記外側永久磁石列が磁石内部に構成する磁路の長さと、前記外側永久磁石列が構成する磁路の断面積を乗じたものと、前記内側永久磁石列が磁石内部に構成する磁路の長さと、前記内側永久磁石列が構成する磁路の断面積を乗じたものが同じである永久磁石回転電機。
2. 前記外側永久磁石列の周方向長さと径方向長さが略一致する請求項１記載の永久磁石回転電機。
3. 前記外側永久磁石列と、前記内側永久磁石列を隔てる空隙の幅が、前記外側永久磁石列の径方向断面を構成する１辺の長さの１／２以下である請求項１または２記載の永久磁石回転電機。
4. 前記外側永久磁石列の周方向断面と、前記内側永久磁石列の周方向断面が、略凹形状を有し、前記永久磁石列が固定される回転子のフレームには、略凸形状のリブを有し、永久磁石列の凹部が、回転子フレームの凸部を介して固定されている請求項１乃至３のいずれかに記載された永久磁石回転電機。
5. 前記回転子フレームに設けられたリブの形状が、直角二等辺三角形であり、それに対応する永久磁石列の凹部が同様の形状をしている請求項４記載の永久磁石回転電機。