JP2012165568A - 永久磁石形回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】センサ磁石を別設することなく、磁極位置を正確に検出することができる永久磁石形回転電機を提供する。
【解決手段】固定子コアと該固定子コアに巻装した励磁コイルとを有する固定子と、該固定子と所定の空隙を隔てて対向し、電磁鋼板を軸方向に積層して構成された回転子コア１３と該回転子コア１３に軸方向に形成された磁石挿通孔１４に挿入された複数の永久磁石１５とを有する回転子４とを備えた永久磁石形回転電機であって、前記固定子に磁極位置センサを配置し、前記回転子４の前記磁極位置センサに対向する位置の電磁鋼板を切除して前記永久磁石１５間に磁性体非介在領域１８を形成した。
【選択図】図２

Description

本発明は、固定子とこの固定子に所定の空隙を有して対向して回転する永久磁石を有する回転子とを備え、磁極位置センサを有する永久磁石形回転電機に関する。

この種の磁極位置センサを有する永久磁石形回転電機としては、例えば、図６に示す構成を有するものが知られている。この従来例は、両端がブラケット１０１ａ及び１０１ｂで閉塞された円筒状フレーム１０２を有する。この円筒状フレーム１０２の内周側には固定子１０３が配置され、この固定子１０３の内周側には所定のエアギャップＧを介して対向し、永久磁石１０４を埋設した回転子１０５が配置されている。この回転子１０５はブラケット１０１ａ及び１０１ｂに配設された一対の軸受１０６ａ及び１０６ｂによって回転自在に支持された回転軸１０７に装着されている。そして、回転軸１０７の回転子１０３及びブラケット１０１ａ間に外周面にセンサ磁石１０８を配置した回転部材１０９が一体に配設されている。この回転部材１０９のセンサ磁石に外周側より近接対向してブラケット１０１ａに固定された磁極位置センサ１１０が配置されている。

また、他の従来例としては、図７に示す構成を有するものが知られている。この従来例は、軸方向の一端がブラケット２０１で閉塞されたフレーム２０２を有する。このフレーム２０２の内周側には固定子２０３が配置され、この固定子２０３の内周側には所定のエアギャップＧを介して対向する外周面に永久磁石２０４を配置した回転子２０５が配置されている。ここで、永久磁石２０４は円周方向にＮ極及びＳ極が交互に着磁されている。この回転子２０５はブラケット２０１とフレーム２０２とに配設された一対の軸受２０６ａ及び２０６ｂによって回転自在に支持された回転軸２０７に装着されている。そして、固定子２０３に固定されたＬ字状の支持部材２０８に永久磁石２０４の軸方向端部側に外周方向から対向する磁極位置センサ２０９が配置されている。

これらの他、例えば、打ち抜き穴を有する打ち抜き鋼板にカシメクランプ用突起を設け、プレス打ち抜きと同時に打ち抜き鋼板を固着して回転子鉄心とし、この回転子鉄心を回転軸にも焼き嵌め固定し、打ち抜き鋼板の打ち抜き穴が重なって形成される磁石挿入穴に、永久磁石を挿入して接着剤で固定し、さらに回転子の外周側に固定配置された固定子の軸方向端部に磁極センサ用スロットを形成し、この磁極センサスロット内に磁極センサを配置するようにした永久磁石式同期機も提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０００−１９７２９１号公報

しかしながら、上記図６に示す従来例にあっては、回転子とは別にセンサ磁極を支持する回転部材を設ける必要があり、組立工数が多くなるとともに製作コストも嵩むという未解決の課題がある。
これに対して、上記図７に示す従来例にあっては、回転子の外周面に形成された永久磁石に対向させて磁極センサを配置するので、センサ磁石を必要とせず、安価な構造ではあるが、回転電機の回転子を、磁極センサのことも考慮して設計する必要があり、設計の自由度が少なくなるという未解決の課題がある。

これに対して、特許文献１に記載の従来例にあっては、上記図７に示す従来例と同様に回転子に埋設された永久磁石を利用して磁極位置を検出するので、安価な構造となり、回転電機の回転子の設計に磁極センサを考慮する必要がないので、設計の自由度も向上させることができる。
しかしながら、特許文献１に記載の従来例には、打ち抜き鋼板に形成された磁石挿入穴に永久磁石を挿入して接着剤で固定するようにしているので、円周方向に隣接する永久磁石間には打ち抜き鋼板が介在することになり、この打ち抜き鋼板の介在により磁極センサで検出する波形に乱れが生じるという未解決の課題がある。

すなわち、図８（ａ）に示すように、回転子３０１に埋設された永久磁石３０２間に打ち抜き鋼板３０３が存在することにより、隣接する永久磁石３０２のうち外周面側がＮ極に着磁された永久磁石３０２ａから外周面側がＳ極に着磁された永久磁石３０２ｂに向けて磁束が形成されるが、隣接する端部側では永久磁石３０２ａ及び３０２ｂの双方で自身のＮ極からＳ極に向かう磁束が形成されることになる。

このため、永久磁石３０２ａ及び３０２ｂの外周側の磁束変化は、図８（ｂ）に示すように、永久磁石３０２ａ上では、Ｎ極となり、永久磁石３０２ｂ側の端部で一旦Ｓ極となり、次いで永久磁石３０２ｂの永久磁石３０２ａ側でＮ極となり、その後永久磁石３０２ｂ上でＳ極となる不安定な状態となる。このため、磁極センサで磁極位置を正確に検出することができなくなるという未解決の課題がある。
そこで、本発明は上記従来例の未解決の課題に着目してなされたものであり、センサ磁石を別設することなく、磁極位置を正確に検出することができる永久磁石形回転電機を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明の第１の態様は、固定子コアと該固定子コアに巻装した励磁コイルとを有する固定子と、該固定子と所定の空隙を隔てて対向し、電磁鋼板を軸方向に積層して構成された回転子コアと該回転子コアに軸方向に形成された磁石挿通孔に挿入された複数の永久磁石とを有する回転子とを備えた永久磁石形回転電機であって、前記固定子に磁極位置センサを配置し、前記回転子の前記磁極位置センサに対向する位置の電磁鋼板を切除して前記永久磁石間に磁性体非介在領域を形成したことを特徴としている。

また、本発明の第２の態様は、上記第１の態様において、前記回転子の隣接する磁石挿通孔間で形成された周り止め部の軸方向長さが前記永久磁石の軸方向長さの５０％以上に設定されていることを特徴としている。
また、本発明の第３の態様は、固定子コアと該固定子コアに巻装した励磁コイルとを有する固定子と、該固定子と所定の空隙を隔てて対向し、電磁鋼板を軸方向に積層して構成された回転子コアと前記電磁鋼板の外周面に円周方向に所定間隔で軸方向に延長して形成された周り止め突条と該周り止め突条間に支持された複数の永久磁石とを有する回転子とを備えた永久磁石形回転電機であって、前記固定子に磁極位置センサを配置し、前記磁極位置センサに対向する前記回転子の周り止め突条を切除して前記永久磁石間に磁性体非介在領域を形成したことを特徴としている。

また、本発明の第４の態様は、上記第３の態様において、前記周り止め突条の前記電磁鋼板の外周面からの突出高さが前記永久磁石の厚みの５０％以上に設定されていることを特徴としている。
また、本発明の第５の態様は、上記第３の態様において、前記回転子の周り止め突条の軸方向長さが前記永久磁石の軸方向長さの５０％以上に設定されていることを特徴としている。

また、本発明の第６の態様は、上記第３乃至第５の態様の何れか１つにおいて、前記回転子の外周面に金属製円筒体を装着したことを特徴としている。
また、本発明の第７の態様は、上記第３乃至第５の態様の何れか１つにおいて、前記回転子の外周面を覆う樹脂層を形成したことを特徴としている。
また、本発明の第８の態様は、上記第３乃至第５の態様の何れか１つにおいて、記回転子の外周面に樹脂製テープを巻回したことを特徴としている。

本発明によれば、回転子を構成する電磁鋼板に形成した磁石挿通孔内に永久磁石を挿入して固定した所謂埋込磁石形の回転子を備えている場合に、磁極位置センサに対向する位置の永久磁石については電磁鋼板を切除して永久磁石間に磁性体非介在領域を形成したので、永久磁石間に磁性体が介在することによる磁束変化を防止することができ、磁極位置センサで磁極位置を正確に検出することができるという効果が得られる。

また、本発明によれば、回転子を構成する電磁鋼板の表面に周り止め突条を配置し、これら周り止め突条間に永久磁石を支持するようにした所謂表面磁石式の回転子を備えている場合に、磁極位置センサに対向する位置の永久磁石については周り止め突条を切除して永久磁石間に磁性体非介在領域を形成したので、永久磁石間に磁性体が介在することによる磁束変化を防止することができ、磁極位置センサで磁極位置を正確に検出することができるという効果が得られる。

本発明の第１の実施形態を示す断面図である。 図１における回転子の断面図であって、（ａ）はＡ−Ａ線上における断面図、（ｂ）はＢ−Ｂ線上の断面図である。 本発明の動作の説明に供する磁力線の説明図であって、（ａ）は本発明の磁力線の説明図、（ｂ）は従来例の磁力線の説明図である。 本発明の第２の実施形態における回転子を示す図であって、（ａ）は回転子の側面図、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ線上の断面図、（ｃ）は（ａ）のＤ−Ｄ線上の断面図である。 第２の実施形態の変形例を示す回転子の断面図である。 第１の従来例を示す断面図である。 第２の従来例を示す断面図である。 従来例の磁力線の説明図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明を適用し得る永久磁石形回転電機の上半部を断面とした側面図、図２は図１における回転子のＡ−Ａ線上の断面図及びＢ−Ｂ線上の断面図である。
図１において、永久磁石形回転電機１は埋込磁石（ＩＰＭ：Ｉｎｔｅｒｉｏｒ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ）構造を有する。

この永久磁石形回転電機１は、外周面にフィン（図示せず）を形成した円筒状フレーム２を有する。この円筒状フレーム２の内周側には固定子３が配置され、この固定子３の内周側には所定のエアギャップを介して対向する回転子４が配置されている。この回転子４は回転軸５に装着されている。この回転軸５は、円筒状フレーム２の両端を閉塞するブラケット２ａ及び２ｂの中心部に配設された一対の軸受６ａ及び６ｂによって回転自在に支持されている。

固定子３は、図２に示すように、高透磁率の電磁鋼板を打ち抜いた固定子用コアプレートが軸方向に積層されて形成された固定子コア８を有し、この固定子コア８には、内周面側に図示しない軸方向に延長するスロットが形成され、このスロット内に励磁コイル９が巻装さている。ここで、励磁コイル９の巻き方は集中巻及び分布巻の何れを採用してもよい。
そして、固定子コア８の一方の軸方向端部例えばブラケット２ａ側の端部で且つ固定子コア８の内周面に近い位置に、例えばホール素子で構成される磁極位置センサ１０が円周方向の所定の位相差を有する位置に磁気検出面を内周側に向けて配置されている。

一方、回転子４は、図２に示すように、高透磁率の電磁鋼板を打ち抜いた回転子用コアプレートが軸方向に積層されて４つの磁極１２を有する回転子コア１３を備えている。この回転子コア１３は、回転子コアプレートを所定枚数積層してからその軸方向両端部に端板１１ａ及び１１ｂを装着し、これら端板１１ａ及び１１ｂの外側からボルト１１ｃ及びナット１１ｄで締結されている。

この回転子コア１３には、軸方向に貫通して形成され、回転子コア１３の接線と平行な複数例えば８個の磁石挿通孔１４が形成され、これら磁石挿通孔１４内に厚みが比較的薄く扁平な直方体状の永久磁石１５が周方向に隣り合う磁極１２が異極性となるように挿入して固定されている。ここで、永久磁石１５は希土類磁石で構成され、隣接する２つの永久磁石１５で１つの磁極を形成している。

また、永久磁石１５は、その軸方向のブラケット２ｂ側の端部が固定子コア８の端部に略一致し、ブラケット２ａ側の端部が固定子コア８の端部よりブラケット２ａ側に突出して磁極位置センサ１０に対向する長さ以上に設定されている。なお、１６は磁石挿通孔１４の円周方向の両端に形成された高磁気抵抗部であり、１７は磁石挿通孔１４内に永久磁石１５とともに挿通される磁石量を調整するスペーサである。

そして、固定子コア８の構成する電磁鋼板は、磁極位置センサ１０に対向する領域すなわち固定子コア８とは対向しない先端領域の電磁鋼板の磁石挿通孔１４の外周側及び隣接する磁石挿通孔１４間が、図２（ｂ）に示すように切除されて、永久磁石１５の外周面を露出させる表面磁石構造とされているとともに、隣接する永久磁石１５間に磁性体が介在しない磁性体非介在領域１８が形成されている。

ここで、回転子４の永久磁石１５を埋込んだ磁石埋込構造となる領域の軸方向長さは、永久磁石１５の円周方向の周り止め強度を確保するために、永久磁石１５の軸方向長さの５０％以上９０％以下に設定され、図１に示すように、永久磁石１５の軸方向長さの８０％〜９０％の範囲に設定すれば、より高い周り止め強度を確保することができより好ましい。すなわち、磁石埋込構造となる領域の軸方向長さが永久磁石１５の軸方向長さの９０％を超えると、磁極位置センサ１０に対向する永久磁石１５の面積が少なくなり、磁極位置センサ１０で検出する永久磁石１５の磁力が少なくなって、磁極位置センサ１０の検出精度が低下するので好ましくない。さらに、回転子４の埋込磁石構造となる領域は、固定子３の固定子コア８と軸方向の全域に亘って対向させることが好ましい。
なお、磁性体非介在領域１８において、永久磁石１５又はスペーサ１７と接する位置に永久磁石の周り止めを行うように僅かな突出高さの周り止め突条１９が残されている。

次に、上記第１の実施形態の動作を説明する。
この第１の実施形態では、固定子コア８の内周面側に対向する回転子４には、図２（ａ）に示すように、電磁鋼板が多数軸方向に積層された固定子コア８を軸方向に貫通する磁石挿通孔１４が形成され、この磁石挿通孔１４内に永久磁石１５が挿入されて接着剤で固定されている。このため、回転子４の固定子コア８の内周面に対向する領域では、埋込磁石形の回転子構成となっている。このため、固定子コア８の励磁コイル９に通電することにより、回転子４を回転駆動することができる。

一方、回転子４の固定子コア８のブラケット２ａ側の端部に固定された磁極位置センサ１０に対向する領域では、図２（ｂ）に示すように、固定子コア８を構成する電磁鋼板の外周側が切除されて、永久磁石１５が外周側に露出する表面磁石構造とされ、さらに隣接する永久磁石１５間の電磁鋼板も切除されて磁性体非介在領域１８が形成されている。
このため、図３（ａ）に示すように、隣接して極性が異なる永久磁石１５ａ及び１５ｂが配置されている場合に、磁束は外周面がＮ極となる永久磁石１５ａから外周面がＳ極となる永久磁石１５ｂに向かうことになる。このとき、永久磁石１５ａ及び１５ｂ間には磁性体非介在領域１８が形成されていることにより、永久磁石１５ａの磁束の全てが永久磁石１５ｂに向かうことになり、永久磁石１５ａ及び１５ｂ間に均一な磁界が形成される。

このため、永久磁石１５ａ及び１５ｂの外周側で検出される磁力波形は、図３（ａ）の下側に記載したように、永久磁石１５ａの外周側ではＮ極を維持し、永久磁石１５ａ及び１５ｂ間の中間位置でＮ極からＳ極に反転し、永久磁石１５ｂの外周側でＳ極を維持することになる。
したがって、固定子３の固定子コア８のブラケット２ａ側に配置した磁極位置センサ１０では永久磁石１５ａ及び１５ｂ間で乱れることなくＮ極からＳ極への変化を正確に検出することができ、磁極位置を正確に検出することができる。

因みに、図３（ｂ）に示すように、永久磁石１５ａ及び１５ｂ間に回転子コア１３を構成する電磁鋼板による磁性体２０が残存している場合には、永久磁石１５ａ及び１５ｂの対向端部から離れた領域では磁束が、外周面がＮ極となる永久磁石１５ａから外周面がＳ極となる永久磁石１５ｂに向かうことになるが、両永久磁石１５ａ及び１５ｂの対向端面位置では磁性体２０が存在するため、自身のＮ極からＳ極に向かう磁束が形成される。

このため、永久磁石１５ａ及び１５ｂの外周側で検出される磁力波形は、図３（ｂ）の下側に記載したように、永久磁石１５ａの外周側ではＮ極を維持し、永久磁石１５ａの永久磁石１５ｂとの対向端面から磁性体２０の円周方向の中心位置までの間ではＳ極となり、磁性体２０の円周方向の中心位置から永久磁石１５ｂの永久磁石１５ａとの対向端面までの間ではＮ極となり、永久磁石１５ｂの外周側でＳ極を維持することになる。

したがって、固定子３の固定子コア８のブラケット２ａ側に配置した磁極位置センサ１０では、永久磁石１５ａ及び１５ｂ間で磁力波形がＮ極からＳ極に反転し、次いでＳ極からＮ極に反転し、最後にＮ極からＳ極に反転して乱れることになり、磁極位置を誤検出する可能性が高くなる。
このように、本実施形態によると、固定子３の固定子コア８に対向する回転子４の領域では永久磁石１５が埋め込まれた埋込磁石構造となり、固定子コア８の軸方向外側に配置された磁極位置センサ１０に対向する領域では、永久磁石１５が外部に露出する表面磁石構造とされ、且つ円周方向に隣接する永久磁石１５間に磁性体非介在領域１８が形成されているので、磁極位置センサ１０で磁極位置を誤検出することなく正確に検出することができる。

しかも、磁極位置センサ１０のために専用の永久磁石を設ける必要がなく、回転子４の永久磁石１５を使用して磁極位置検出を行うので、部品点数を減少させて製造コストを低減させることができ、永久磁石形回転電機１の組立工数も削減することができる。さらに、回転子４の設計に与える影響は永久磁石１５の長さを固定子コア８より長くする程度で、設計自由度が大幅に制限されることはない。
なお、上記第１の実施形態においては、円周方向に隣接する２つの永久磁石１５で１つの磁極１２を形成するようにした場合について説明したが、これに限定されるものではなく、１つの永久磁石１５で１つの磁極を形成するようにしてもよい。

次に、本発明の第２の実施形態を図４について説明する。
この第２の実施形態では、回転子４の全体が表面磁石構造の構成を有するものである。
すなわち、第２の実施形態では、回転子４が、図４（ａ）及び（ｂ）に示すように、回転子コア１３の外周面に円周方向に所定間隔で、軸方向に延長する例えば８本の永久磁石２１が隣接する永久磁石２１間に所定間隔を開けて固定されている。隣接する永久磁石２１間には、永久磁石１５の周り止めを行う例えば８本の周り止め突条２２が回転子コア１３と一体に形成されている。この周り止め突条２２は、図４（ｂ）に示すように、断面形状が回転子コア１３から半径方向に突出する突出部２３と、この突出部２３の先端に回転子コア１３の接線方向に延長する平板部２４とからＴ字形状に形成されている。

そして、周り止め突条２２間に永久磁石２１を挿通することにより、永久磁石２１の周り止めが行われ、この状態で、回転子コア１３の軸方向両端部にリング状の端板１１ａ及び１１ｂを装着してからボルト１１ｃ及びナット１１ｄで締結固定して回転子４を構成する。
また、回転子４は、前述した第１の実施形態と同様に、固定子３に配置した磁極位置センサ１０に対向する領域で、図４（ｃ）に示すように、周り止め突条２２が切除されて、隣接する永久磁石２１間に磁性体が介在しない磁性体非介在領域２５が形成されている。

ここで、周り止め突条２２の軸方向長さは、永久磁石２１の円周方向の周り止め強度を確保するために、永久磁石２１の軸方向長さの５０％以上９０％以下に設定され、図４（ａ）に示すように、永久磁石２１の軸方向長さの８０％〜９０％の範囲に設定すれば、より高い周り止め強度を確保することができより好ましい。すなわち、周り止め突条２２の軸方向長さが永久磁石２１の軸方向長さの９０％を超えると、周り止め突条２２が磁極位置センサ１０に対向する可能性が高くなり、前述した第１の実施形態で図３（ｂ）の隣接する永久磁石２１間に磁性体が存在する状態となって、磁極位置センサ１０での磁極位置の誤検出が生じる恐れが高くなるので好ましくない。さらに、回転子４の周り止め突条２２は、固定子３の固定子コア８と軸方向の全域に亘って対向させることが好ましい。

この第２の実施形態によると、回転子４を表面磁石構造に形成した場合に、磁極位置センサ１０に対向する領域で周り止め突条２２を切除して、隣接する永久磁石２１間に磁性体が介在しない磁性体非介在領域２５が形成されているので、前述した第１の実施形態と同様に、隣接する永久磁石２１間の磁力波形の乱れを防止することができ、磁極位置センサ１０で磁束位置を正確に検出することができる。

なお、上記第２の実施形態においては、回転子４の外周面に配設した永久磁石２１が露出している場合について説明したが、これに限定されるものではなく、図５に示すように、永久磁石２１の外周面を金属製の円筒体３１で覆って、永久磁石２１の損傷を防止するようにしても良い。また、円筒体３１に限らず、永久磁石２１の外周面を樹脂で覆ったり、樹脂テープを巻いて、永久磁石２１の損傷防止を行うようにしてもよい。

また、上記第１及び第２の実施形態において、回転子４の磁極数及び永久磁石数は任意に設定することができる。
また、上記第１及び第２の実施形態において、固定子３のブラケット２ａ側に磁極位置センサ１０を設けた場合について説明したが、これに限定されるものではなく、固定子３のブラケット２ｂ側に磁極位置センサを設けるようにしてもよい。この場合には、回転子４の磁性体非介在領域１８及び２５をブラケット２ｂ側に形成すればよいものである。

１…永久磁石形回転電機
２…円筒状フレーム
３…固定子
４…回転子
５…回転軸
８…固定子コア
９…励磁コイル
１２…磁極
１３…回転子コア
１４…磁石挿通孔
１５…永久磁石
１８…磁性体非介在領域
１９…周り止め突条
２１…永久磁石
２２…周り止め突条
２５…磁性体非介在領域
３１…円筒体

Claims (8)

1. 固定子コアと該固定子コアに巻装した励磁コイルとを有する固定子と、該固定子と所定の空隙を隔てて対向し、電磁鋼板を軸方向に積層して構成された回転子コアと該回転子コアに軸方向に形成された磁石挿通孔に挿入された複数の永久磁石とを有する回転子とを備えた永久磁石形回転電機であって、
   前記固定子に磁極位置センサを配置し、前記回転子の前記磁極位置センサに対向する位置の電磁鋼板を切除して前記永久磁石間に磁性体非介在領域を形成したことを特徴とする永久磁石形回転電機。
2. 前記回転子の隣接する磁石挿通孔間で形成された周り止め部の軸方向長さが前記永久磁石の軸方向長さの５０％以上に設定されていることを特徴とする請求項１に記載の永久磁石形回転電機。
3. 固定子コアと該固定子コアに巻装した励磁コイルとを有する固定子と、該固定子と所定の空隙を隔てて対向し、電磁鋼板を軸方向に積層して構成された回転子コアと前記電磁鋼板の外周面に円周方向に所定間隔で軸方向に延長して形成された周り止め突条と該周り止め突条間に支持された複数の永久磁石とを有する回転子とを備えた永久磁石形回転電機であって、
   前記固定子に磁極位置センサを配置し、前記磁極位置センサに対向する前記回転子の周り止め突条を切除して前記永久磁石間に磁性体非介在領域を形成したことを特徴とする永久磁石形回転電機。
4. 前記周り止め突条の前記電磁鋼板の外周面からの突出高さが前記永久磁石の厚みの５０％以上に設定されていることを特徴とする請求項３に記載の永久磁石形回転電機。
5. 前記回転子の周り止め突条の軸方向長さが前記永久磁石の軸方向長さの５０％以上に設定されていることを特徴とする請求項３に記載の永久磁石形回転電機。
6. 前記回転子の外周面に金属製円筒体を装着したことを特徴とする請求項３乃至５の何れか１項に記載の永久磁石形回転電機。
7. 前記回転子の外周面を覆う樹脂層を形成したことを特徴とする請求項３乃至５の何れか１項に記載の永久磁石形回転電機。
8. 前記回転子の外周面に樹脂製テープを巻回したことを特徴とする請求項３乃至５の何れか１項に記載の永久磁石形回転電機。

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