JP2012029514A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】高トルク運転したときの永久磁石の減磁を防止することができる回転電機を提供する。
【解決手段】ローターコア(２０)に永久磁石(３１，３２)を挿入したローター(１)を備える回転電機において、ローターコア(２０)は、ローターコアに比べて透磁率が低い低透磁率層(２１１〜２１４)を一定の機械角ごとに含み、永久磁石(３１，３２)は、一定の機械角ごとに設けられた低透磁率層(２１１〜２１４)の間に設けられた複数の永久磁石(３１，３２)で１つの磁極を形成し、その１つの磁極を形成する複数の永久磁石のなかの少なくとも１つの永久磁石(３１)は、他の永久磁石(３２)と保磁力が異なる。
【選択図】図１

Description

この発明は、回転電機に関する。

特許文献１には、低保磁力の永久磁石と高保磁力の永久磁石とを組み合わせて、運転に応じて低保磁力の永久磁石の着磁状態を変化させる回転電機が開示される。

特開２００６−２８０１９５号公報

しかしながら、前述した従来の回転電機では、高トルクを得るべく大電流を流したときに、反磁界によって低保磁力の永久磁石が減磁してしまう。減磁を回避するために＋ｄ軸電流を通電しては、逆トルクが発生してしまうので、更にトルクが低下する、という問題があった。

本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、高トルク運転したときの永久磁石の減磁を防止することができる回転電機を提供することを目的とする。

本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。

本発明は、ローターコアに永久磁石を挿入したローターを備える回転電機に関する。そしてローターコアは、ローターコアに比べて透磁率が低い低透磁率層を一定の機械角ごとに含み、また永久磁石は、一定の機械角ごとに設けられた低透磁率層の間に設けられた複数の永久磁石で１つの磁極を形成し、その１つの磁極を形成する複数の永久磁石のなかの少なくとも１つの永久磁石は、他の永久磁石と保磁力が異なることを特徴とする。

本発明によれば、高速回転運転時には、保磁力が低い永久磁石が反磁界によって磁極が反転しステーターに誘起される電圧が抑制されるので、ローターの回転速度の上昇制限を抑制できる。そして、高トルク運転時には、ローター側の磁極がステーター側の磁極に引きつけられることとなって、磁束が反磁界にならないので、永久磁石の減磁を防止することができる。

本発明による回転電機のローターの第１実施形態を示す断面図であり、全周の１／２(機械角１８０°)を示す。 最大トルク運転するときの様子を示す図である。 高速回転運転するときの様子を示す図である。 本発明による回転電機のローターの第２実施形態を示す断面図であり、全周の１／２(機械角１８０°)を示す。 本発明による回転電機のローターの第３実施形態を示す断面図であり、全周の１／２(機械角１８０°)を示す。 本発明による回転電機のローターの第４実施形態を示す図である。 本発明による回転電機のローターの第５実施形態を示す図である。 本発明による回転電機のローターの第６実施形態を示す図である。

以下では図面等を参照して本発明を実施するための形態について、さらに詳しく説明する。
（第１実施形態）
図１は、本発明による回転電機のローターの第１実施形態を示す断面図であり、全周の１／２(機械角１８０°)を示す。

回転電機のローター１は、ローターシャフト１０と、ローターコア２０と、永久磁石３１，３２と、を有する。

ローターシャフト１０は、ローター１の回転軸である。

ローターコア２０は、ローターシャフト１０の周囲に設けられる。ローターコア２０は、多数の電磁鋼板がローターシャフト方向に積層されて形成される。ローターコア２０は、低透磁率層２１１〜２１４を含む。低透磁率層２１１〜２１４は、ローターコア２０の電磁鋼板部分に比べて透磁率が低く、磁束(フラックス)が通りにくいフラックスバリアである。低透磁率層２１１〜２１４は、ローターコア２０に形成された空隙(空気層)であっても、その空隙に低透磁率材が充填されていてもよい。低透磁率層２１１〜２１４は、一定の機械角ごとに形成される。本実施形態では、機械角１８０°ごとに形成される。すなわち本実施形態では、全周で６ヶ所に低透磁率層２１１〜２１４が形成される。低透磁率層２１１〜２１４は、ｑ軸上に並ぶ。なおｑ軸については後述する。低透磁率層２１１〜２１３は、ローターシャフト１０に向けて凸の複数の略円弧状である。低透磁率層２１４は、一方の縁が低透磁率層２１３に沿って、他方の縁がローターシャフト１０の外周に沿った形状である。

永久磁石３１，３２は、一定の機械角ごとに形成された低透磁率層２１１〜２１４の間に配置される。本実施形態では、機械角１８０°ごとに形成される。すなわち本実施形態では、全周で６ヶ所に配置される。１つの磁極を形成する永久磁石３２は、２つである。すなわち、この２つの永久磁石３２と永久磁石３１との３つの永久磁石で１つの磁極を形成する。そして隣設する磁極は交互に異なる。すなわち右上の永久磁石３１，３２は、すべて、ローター外周側がＮ極であり、ローターシャフト側がＳ極である。左上の永久磁石３１，３２は、すべて、ローター外周側がＳ極であり、ローターシャフト側がＮ極である。これらひとつの磁極を形成する３つの永久磁石がつくる磁束の方向がｄ軸である。永久磁石３１は、このｄ軸上に配置される。２つの永久磁石３２は、永久磁石３１の両側に位置する。ｄ軸に対して電気的磁気的に直交する方向がｑ軸である。そして永久磁石３１及び２つの永久磁石３２の３つの永久磁石は、電気角１８０°以内の範囲に配置される。すなわち永久磁石３１及び２つの永久磁石３２の３つの永久磁石は、２つのｑ軸に挟まれる範囲に配置される。永久磁石３１及び永久磁石３２は、保磁力が異なる。永久磁石３１は、永久磁石３２よりも保磁力が高い。換言すれば永久磁石３２は、永久磁石３１よりも保磁力が低い。そして永久磁石３１は、永久磁石３２よりも薄い。換言すれば永久磁石３２は、永久磁石３１よりも厚い。

次に第１実施形態の作用効果を説明する。

図２は、最大トルク運転するときの様子を示す図である。

図２(Ａ)は、磁石トルクを最大限に利用して最大トルク運転するときの様子を示す。

本実施形態のローター１を用いて図２(Ａ)の左回りに最大トルク運転する場合であって、磁石トルクを最大限に利用するには、図２(Ａ)に示すようなステーター磁界にする。すなわちｑ軸(図２(Ａ)の真上)のステーター２にＳ極を形成する。そして右斜上方に位置するｑ軸にＮ極を形成する。
このようにすると、永久磁石３１，３２で形成された磁極(Ｎ極)がステーター２のＮ極に反発するとともに、Ｓ極に引きつけられるので、磁石トルクを最大限に利用することができる。

図２(Ｂ)は、リラクタンストルクを最大限に利用して最大トルク運転するときの様子を示す。

同様に本実施形態のローター１を用いて図２(Ｂ)の左回りに最大トルク運転する場合であって、リラクタンストルクを最大限に利用するには、図２(Ｂ)に示すようなステーター磁界にする。すなわちｄ軸よりもやや進角したステーター２にＳ極を形成する。そしてそのＳ極から電気的に１８０°遅角したステーター２にＮ極を形成する。このようにすると、ステーターのＮ極−Ｓ極間の磁束が、低透磁率層２１１〜２１４の間の電磁鋼板部分を通る。そしてこの磁束経路が最短になるように、ローターが左回転する。したがってこのようなステーター磁界にすることで、リラクタンストルクを最大限に利用できる。

図２(Ｃ)は、磁石トルク及びリラクタンストルクの合成トルクを最大限に利用して最大トルク運転するときの様子を示す。

上述のように、磁石トルクを最大限に利用するときのステーター磁界と、リラクタンストルクを最大限に利用するときのステーター磁界とは、相違する。そこで両トルクの合成トルクを最大限に利用するためには、図２(Ｃ)に示すように、図２(Ａ)及び図２(Ｂ)の間のステーター磁界にする。このようにしたときには、永久磁石３１，３２で形成された磁極(Ｎ極)がステーター２のＳ極に引きつけられる。すなわち、ローター側の磁極がステーター側の磁極に引きつけられることとなるので、磁束は、図２(Ｃ)に矢印で示すようになり、反磁界にならないので、永久磁石が減磁しない。

図３は、高速回転運転するときの様子を示す図である。

ローターの回転が高速になるにつれて、ローターに埋め込まれた永久磁石によってステーター側に誘起される電圧が大きくなる。するとステーターに電流が流れにくくなるので、回転速度を上げることが困難になる。

しかしながら本実施形態のローターを用いて、図３に示すように、ｄ軸のステーター２にＮ極を形成すれば(これはパルス的に極微小時間でよい)、反磁界によって保磁力が低い永久磁石３２の磁極が反転する。すなわち永久磁石３２は、ローター外周側がＳ極になり、ローターシャフト側がＮ極になる。すると図３に示すように、一部の磁束は永久磁石３１から永久磁石３２へ通るので、ステーター２に誘起される電圧が抑制される。そしてステーター２に、高速回転移動する磁界が形成されることで、ローター１が高速回転するので、ローター１の回転速度の上昇制限を抑制できる。

また本実施形態によれば、高保磁力の永久磁石３１がｄ軸に配置され、その両側に低保磁力の永久磁石３２が配置されて、ひとつの磁極が３つの永久磁石で構成される。このような構成によれば、着磁／減磁が発生しても起磁力分布がｄ軸を中心として対称となる。また磁石数が多くなればなるほど磁石端部の漏洩磁束が増加してしまい、有効に活用できる磁束が減少するが、本実施形態のような構成であれば、必要最低限の磁石数で１磁極が構成されることとなる。したがって、磁石端部における漏洩が最低限に抑えられ、磁石量あたりのトルクを高くすることができる。

また１つの磁極を構成する磁石は電気角１８０度以内に配置され、結果的に極間には磁石は配置されないこととなる。

さらに低保磁力の永久磁石３２は、高保磁力の永久磁石３１よりも厚い。

低保磁力の永久磁石３２は、大トルク発生時には残留磁束密度が高くなるようにステーターからの界磁によって完全着磁が行われる。ステーターが発生し得る磁界強度から、磁石の最大厚みが規定される。一方でモーターが回転するときには、永久磁石に反磁界が作用する。この反磁界で減磁が発生しないように最低厚みを決めなければならない。そこで低保磁力の永久磁石３２は、高保磁力の永久磁石３１よりも厚くしたのである。

このように、低保磁力の永久磁石３２を、高保磁力の永久磁石３１よりも厚くすることで、通常の運転では低保磁力磁石３２の着磁状態に影響を与えることなく、着磁減磁制御できるようになる。

さらにまた低透磁率層２１１〜２１４によって、低透磁率層２１１〜２１４に挟まれた電磁鋼板部分には略円弧状である。そのため、電磁鋼板部分の形状とｄ軸経路とがほぼ同一の形状となり、磁束の流れを阻害しない。

（第２実施形態）
図４は、本発明による回転電機のローターの第２実施形態を示す断面図であり、全周の１／２(機械角１８０°)を示す。

なお以下では前述と同様の機能を果たす部分には同一の符号を付して重複する説明を適宜省略する。

本実施形態では、回転電機のローターは、特に、１つの磁極を３つの永久磁石(１つの高保磁力永久磁石３１と２つの低保磁力永久磁石３２)で形成するとともに、永久磁石３１の着磁方向ベクトルと永久磁石３２の着磁方向ベクトルとのなす角θ[deg]が次式(１)を満たすようにした。

図４では、６極なので、θ＝３０degである。
このように構成することで、各永久磁石の着磁方向が、ｄ軸磁路方向と一致するので、正しく着磁／減磁される。すなわち、低保磁力磁石の配向方向とｄ軸磁束の流れる方向が一致するので、正しく着磁／減磁される。

なお上式(１)からズレるにしたがって効果が低下するものの、効果が全く得られなくなるのではない。したがって、θは厳密に上式(１)を満たすのみならず、ある程度のズレがあってもよい。

（第３実施形態）
図５は、本発明による回転電機のローターの第３実施形態を示す断面図であり、全周の１／２(機械角１８０°)を示す。

本実施形態では、回転電機のローターは、特に、低透磁率層２１１〜２１４は、ｑ軸上に並ぶとともに、ｑ軸を中心とする電気角３０〜５０度の範囲内に配置される。すなわち図５でφ＝３０〜５０ｄｅｇである。

低透磁率層２１１〜２１４によって、低透磁率層２１１〜２１４に挟まれた電磁鋼板部分には略円弧状である。そのため、電磁鋼板部分の形状とｄ軸経路とがほぼ同一の形状となり、磁束の流れを阻害しない。

また低透磁率層２１１〜２１４は、ｑ軸上に並ぶとともに、ｑ軸を中心とする電気角３０〜５０度の範囲内に配置される。このように配置することで、一つの磁極１８０度のうち、１３０〜１５０度が磁束を発生する角度となり、ギャップ磁束密度分布中に含まれる歪が小さく抑えられる（一般的に電気角１４０度前後で歪が小さくなる）。

電気角でみたｑ軸の占有幅を上述のようにすることで、ギャップ磁束密度分布の歪率を小さく抑えることができる。つまり同一磁石量あたりの基本波比率を高めることができるとともに鉄損も小さくできる。

（第４実施形態）
図６は、本発明による回転電機のローターの第４実施形態を示す図である。

ｄ軸磁路は、図６(Ａ)に示すように、ｑ軸に直交するとともに、ｄ軸に一致する磁路である。

ｑ軸磁路は、図６(Ｂ)に示すように、ｄ軸に直交するとともに、ｑ軸に一致する磁路である。

本実施形態では、回転電機のローターは、特に、ｄ軸の磁路が、永久磁石を含む磁路と永久磁石を含まない磁路に低透磁率層を介して磁気的に独立に構成されている。そして、ｄ軸の磁路を形成する磁気抵抗のうち、永久磁石を含む磁気抵抗Ｒ１及び永久磁石を含まない磁気抵抗Ｒ２の合成磁気抵抗であるｄ軸合成磁気抵抗Ｒｄが、ｑ軸の磁路のｑ軸磁気抵抗Ｒｑよりも小さくなるようにした。

ここで永久磁石を含む磁気抵抗Ｒ１及び永久磁石を含まない磁気抵抗Ｒ２の合成磁気抵抗であるｄ軸合成磁気抵抗Ｒｄは、次式(２)で表される。

そして次式(３)を満足するようにしたのである。

このように、ｄ軸磁路を永久磁石を含む磁路と永久磁石を含まない磁路に低透磁率層を介して磁気的に独立に構成し、そして上式(３)を満足するように構成したので、磁石の着磁状態によらず、Ｌｄ＞Ｌｑの順突極性が確保される。

（第５実施形態）
図７は、本発明による回転電機のローターの第５実施形態を示す図である。

本実施形態では、回転電機のローターは、特に、ｄ軸の永久磁石を含む磁路Ｒ１が低透磁率層を介して複数に分割されて構成される。すなわち永久磁石を含む磁路Ｒ１は、Ｒ１＿１及びＲ１＿２よって構成される。そして低透磁率層を構成する複数の略円弧状の間にも低保磁力の永久磁石３３が配置される。

本実施形態によれば、永久磁石を含む複数のｄ軸磁路が並列に配置されるので、ローター表面で考えたときに起磁力が分布する電気角度範囲を広くできる。したがって、起磁力分布に含まれる基本波磁束成分が増加し、トルクが向上する。

（第６実施形態）
図８は、本発明による回転電機のローターの第６実施形態を示す図である。

本実施形態では、回転電機のローターは、特に、ｄ軸の永久磁石を含む磁路Ｒ１が低透磁率層を介して複数に分割されて構成される。すなわち永久磁石を含む磁路Ｒ１は、Ｒ１＿１及びＲ１＿２よって構成される。そして低透磁率層を構成する複数の略円弧状の間にも低保磁力の永久磁石３３が配置される。そして、ｄ軸から離れる永久磁石ほど、保磁力が高く、残留磁束密度が小さい。

本実施形態では、永久磁石を含む複数の磁気回路によってｄ軸磁路が構成され、ｄ軸中心の永久磁石３１は、低保磁力、高残留磁束密度であり、ｄ軸から離れる永久磁石ほど、保磁力が高く、残留磁束密度が小さくなるようにした。このようにすれば、ギャップ表面２２における磁束密度分布波形が正弦波状に近づくので、トルク脈動や振動騒音が小さく、鉄損も小さくできる。すなわち、本実施形態では、複数の永久磁石を配置し、かつ中央部は起磁力が大きく、端部は起磁力が小さく、保磁力が大きい磁石を配置している。このようにすることで、ローター表面のギャップ磁束密度分布を略正弦波状に形成することができ、トルク脈動が小さく、鉄損の小さい電動機を提供できるのである。

以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明の技術的範囲に含まれることが明白である。

たとえば、極数や、永久磁石数、低透磁率層の層数などは、適宜変更してよい。

また低透磁率層は、ローターコアに形成された空隙(空気層)であっても、その空隙に低透磁率材が充填されていてもよい。

１ ローター
２ ステーター
１０ ローターシャフト
２０ ローターコア
２１１〜２１４ 低透磁率層
３１〜３３ 永久磁石

Claims (10)

1. ローターコアに永久磁石を挿入したローターを備える回転電機において、
   前記ローターコアは、ローターコアに比べて透磁率が低い低透磁率層を一定の機械角ごとに含み、
   前記永久磁石は、前記一定の機械角ごとに設けられた低透磁率層の間に設けられた複数の永久磁石で１つの磁極を形成し、その１つの磁極を形成する複数の永久磁石のなかの少なくとも１つの永久磁石は、他の永久磁石と保磁力が異なる、
   ことを特徴とする回転電機。
2. 請求項１に記載の回転電機において、
   前記複数の永久磁石で形成される磁極がつくる磁束の方向であるｄ軸の磁路を形成する磁気抵抗のうち、永久磁石を含む磁気抵抗及び永久磁石を含まない磁気抵抗の合成磁気抵抗であるｄ軸合成磁気抵抗が、前記ｄ軸に対して電気的磁気的に直交するｑ軸の磁路のｑ軸磁気抵抗よりも小さい、
   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、
   前記永久磁石を含む磁気抵抗は、複数の磁気抵抗で構成される、
   ことを特徴とする回転電機。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の回転電機において、
   前記低透磁率層は、前記複数の永久磁石で形成される磁極による磁束の方向であるｄ軸に対して電気的磁気的に直交するｑ軸上に並び、ローターの回転中心に向けて凸の複数の略円弧状で構成され、
   前記低透磁率層を構成する複数の略円弧状の間に配置される永久磁石をさらに含む、
   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ｄ軸から遠くに位置する永久磁石ほど、保持力が高く、残留磁束密度が小さい、
   ことを特徴とする回転電機。
6. 請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の回転電機において、
   前記１つの磁極を形成する複数の永久磁石は、３つの永久磁石であって、そのうちの１つの永久磁石は、それら３つの永久磁石で形成される磁極による磁束の方向であるｄ軸上に位置し、残りの２つの永久磁石は、前記１つの永久磁石の両側に位置するとともに前記１つの永久磁石よりも保磁力が低い、
   ことを特徴とする回転電機。
7. 請求項６に記載の回転電機において、
   前記１つの磁極を形成する３つの永久磁石は、電気角１８０度以内の範囲に配置される、
   ことを特徴とする回転電機。
8. 請求項６又は請求項７に記載の回転電機において、
   前記１つの磁極を形成する３つの永久磁石は、前記１つの永久磁石の着磁方向ベクトルと前記両側に位置する永久磁石の着磁方向ベクトルとのなす角が、３６０／（２×極数）である、
   ことを特徴とする回転電機。
9. 請求項１から請求項８までのいずれか１項に記載の回転電機において、
   前記１つの磁極を形成する複数の永久磁石のなかで保磁力の低い永久磁石ほど、厚い、
   ことを特徴とする回転電機。
10. 請求項１から請求項９までのいずれか１項に記載の回転電機において、
    前記低透磁率層は、前記複数の永久磁石で形成される磁極による磁束の方向であるｄ軸に対して電気的磁気的に直交するｑ軸上にあって電気角３０〜５０度の範囲に配置されて、ローターの回転中心に向けて凸の少なくともひとつの略円弧状で構成される、
    ことを特徴とする回転電機。

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