JP2015136244A - 永久磁石回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】永久磁石回転電機において、導電性の磁石押さえを用いても渦電流損が小さくし、しかも高速の回転力に耐えうる磁石押さえ構造をもつ永久磁石回転電機を提供する。【解決手段】磁石押さえを、導電性金属で構成された、つば付Ｕ字型形状とし、該磁石押さえを回転子鉄心に固定部材によって固定することで、永久磁石の外周の一部を磁石押さえのつばで半径方向に固定する構成とした。これにより、大トルク、高速大容量化に適した表面磁石型の永久磁石回転電機を提供できる。【選択図】図１

Description

本発明は永久磁石回転電機に関し、特に高速大容量で低トルクリプル化を実現できる永久磁石回転電機に関する。

稀土類磁石、特にネオジム磁石の高性能化とともに、これを用いた永久磁石回転電機の大トルク化、大容量化、高速化がなされてきている。これらは、電動プレス用の駆動永久磁石回転電機で代表され、仕様としてはトルクが数十ｋNm、回転速度が数百回転/分、容量が1000ｋWにも達する。これらの永久磁石回転電機では、永久磁石として高性能のネオジム磁石を使用するのでリラクタンストルクを活用する必要がない。そこで、永久磁石を回転子鉄心の外表面に配置するいわゆる表面磁石型の永久磁石回転電機を採用している例が多い。この構成で、電流にほぼ比例したトルクを発生する、いわゆるサーボ特性が良く、体格に対するトルク密度が高く、トルクリプルが小さい永久磁石回転電機が達成されてきている。

一方、上位装置の大型化への対応や回転電機の低価格化のため、同一体格での永久磁石回転電機の一層の容量（トルク×回転数）アップが求められてきている。これは回転電機を高速化することでコスト増を最小にして達成できる。

この高速大容量化の表面磁石型の永久磁石回転電機の課題には、強固な磁石保持機構や回転子で発生する損失の最少化やトルクリプルの低減などがある。

電動プレス用の永久磁石回転電機では、積層珪素鋼鈑の中に永久磁石を収納する、いわゆる埋込構造の永久磁石回転子があり、表面磁石型の永久磁石回転電機とは１長１短があるが、本発明は前述の特徴を有する表面磁石型の永久磁石回転電機を対象とする。

表面磁石型永久磁石回転電機では永久磁石を回転子表面に配置し、永久磁石間に磁石押さえを配置する構成が用いられている。特に強度を確保するには導電性金属の磁石押さえが優れている。しかし、一方では導電性金属の磁石押さえは、永久磁石の空隙磁束や固定子巻線の作る磁束によって、磁石押さえ内部に回転電機の高速化に害となる渦電流損を発生する。この渦電流損は同一体格での容量アップに逆行する欠点がある。

この種の永久磁石回転電機の磁石保持の開示例としては、特開２０１３−６２８９７号公報(特許文献１）がある。特許文献１には、表面磁石構造で回転子鉄心の外周に永久磁石を配置し、その永久磁石間に磁石保持部材として、T字型の磁石押さえによって永久磁石の周方向の位置決めと磁石保持を行った構造が開示されている。

また、別の磁石保持方法として、特開平９−１９０９２号公報(特許文献２）がある。特許文献２には、永久磁石の両端に傾斜部を設け、永久磁石間にその傾斜にあった傾斜部を有するスペーサを配置し、スペーサを回転子鉄心にねじ止めすることによって固定する方法が開示されている。ここでは、周方向に一つ置きにスペーサの厚さを変えて、磁石とほぼ同じ厚さを持ち、スペーサが回転子鉄心に固定される第一のスペーサと、スペーサの厚さを永久磁石の厚さより小さくして、スペーサと回転子鉄心間に空隙を設け、永久磁石の傾斜部に固定部材で固定する第２のスペーサとを配置する構造が開示されている。

さらに、別の磁石保持方法として、特開２００１−２６８８３０号公報（特許文献３）がある。特許文献３には、円周方向外周端部を概テーパ状に減厚した複数個のセグメント形永久磁石を等間隔に離間して配置するとともに、円筒状の継鉄の外周表面に軸方向の溝部を設ける。この位置は永久磁石の離間した位置に対応する。この構成で、セグメント形永久磁石外周端部を押さえる楔部と円筒形継鉄の溝部に嵌合する嵌合部とが一体に構成したレール状部材を軸方向に挿入し、永久磁石と継鉄とレール状部材とを接着剤を介して一体に固着する構造が開示されている。

さらに、別の磁石保持方法として、特開２０１３−１３５５０６号公報（特許文献４）がある。特許文献４には、樹脂で作られた円盤状ホルダーより軸方向に延びるT字のマグネットホルダを永久磁石間に配置し、これを円盤状のホルダーの軸方向反対側に配置された円盤に固定することで永久磁石を保持する構造が開示されている。

特開２０１３−６２８９７号公報 特開平９−１９０９２号公報 特開２００１−２６８８３０号公報 特開２０１３−１３５５０６号公報

前記の特許文献１では磁石押さえの材質が特定されていないが、非金属の場合には強度に難がある。また、導電性金属の場合にはＴ字型の磁石押さえによって永久磁石が外周より固定されているので、外周への遠心力と、周方向のトルクに対応できる磁石保持が構成できるが、一方で、以下の課題がある。すなわち、第１には、磁石表面の固定子面の近くまで磁石押さえが配置されていることから無負荷時には固定子鉄心のスロットの内周面のスリットの影響による永久磁石の空隙磁束のリプルと、負荷時には固定子巻線による高調波起磁力による空隙磁束のリプルとによって大きな渦電流が発生するおそれがある。第２には、磁石の厚さが周方向に一定であるために永久磁石による空隙磁束密度に高調波分が大きく含まれ、トルクリプルが大きくなる。第３には、Ｔ字型の磁石押さえが回転子鉄心と直接接しているために隙間がなく永久磁石に半径方向に押さえる力がかからない。第４には、Ｔ字型磁石押さえの外周位置が永久磁石外周より外部にあるために永久磁石の磁気的空隙長が大きくなり、トルクを低下させる。

また、特許文献２では、以下の課題がある。第１には、永久磁石の側面の傾斜部を押さえる構成であるので、永久磁石にかかる半径方向の遠心力を強固に固定するには難がある点、第２には、永久磁石の表面まで磁石押さえが配置されるので、導電性金属の磁石押さえの場合には渦電流による損失が発生する点、第３には、磁石厚が周方向で均一なのでトルクリプルを発生する点である。

また、特許文献３では、以下の課題がある。第１には、レール状の磁石押さえによって一端を回転子鉄心に、他端を永久磁石の外周に配置する構成のため、永久磁石に半径方向の力がかかりにくいので、高トルクの回転電機には適用が難しい点、第２には、永久磁石の外周とほぼ磁石押さえの位置が等しいので、導電性金属の磁石押さえの場合には渦電流による損失が発生する恐れがある点である。

また、特許文献４では、軸方向からの樹脂製磁石押さえを軸方向両端の円盤で固定する構成を示しているが、小型の永久磁石回転電機では強度の確保が可能であるが、本発明の対象とする大トルク、高速大容量化の表面磁石型永久磁石回転電機には強度が確保できないという課題がある。

さらに、上記の先行技術文献には、磁石押さえとして機械強度が確保できる導電性金属を使用したうえで磁石押さえの渦電流損を小さくできる構成について開示されていない。

上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。本発明は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、積層固定子鉄心に固定子巻線を巻回した固定子と、前記固定子の内周にあって、シャフトと、回転子鉄心と、該回転子鉄心の外周に相隣り合う極性が交互に変化するように配置されセグメント形状の稀土類磁石からなる永久磁石と、該永久磁石の周方向の位置を規定するとともに該永久磁石の外周の一部を押える磁石押さえを有する永久磁石回転子とを備えた永久磁石回転電機であって、前記磁石押さえは、導電性金属で構成され、つば付Ｕ字型形状であり、該磁石押さえを前記回転子鉄心に固定部材によって固定することで、前記永久磁石の外周の一部を前記磁石押さえのつばで半径方向に固定する構成とした。

本発明によれば、脈動トルクの低減、磁石押さえで発生する渦電流損の低減、強固な磁石保持機構を可能とし、大トルク、高速大容量化に適した表面磁石型の永久磁石回転電機を提供できる。

実施例１における永久磁石回転電機の断面図である。 実施例１における永久磁石回転電機の軸方向断面図である。 実施例１における永久磁石回転電機の要部拡大図である。 実施例１における永久磁石回転電機の磁石押さえ外観図である。 実施例１に係る磁石押さえに発生する渦電流の発生原理を説明する図である。 実施例１に係る磁石押さえ最外周の位置に対する磁石押さえに発生する磁束密度変動及び渦電流損の解析結果を示す図である。 実施例２における永久磁石回転電機の磁石押さえ外観図である。

以下、本発明の実施例を図面を用いて説明する。

図１は本実施例に基づく永久磁石回転電機の断面図を示す。また、図２はその軸方向断面図を示す。ここで、数字の下にアンダーラインのあるものは構成部品の集合体を示す。

図１において、永久磁石回転電機１は、固定子２と回転子３とから構成される。固定子２は固定子鉄心４と固定子巻線５と固定子鉄心の外周のフレーム１４と、その軸方向両端に配置された、図２に示す、エンドプレート１３などから構成されている。

固定子鉄心４は積層の珪素鋼鈑でつくられ、固定子巻線を収納するスロット４Ａと永久磁石の固定子側の磁気回路を構成する固定子ティース４Ｂ、固定子コアバック４Ｃとスロット４Ａへの固定子巻線５の挿入口となる固定子スリット４Ｄとを有する。固定子巻線５は、ここでは、スロット４Ａの内周側と外周側に巻線を持つ２層巻線でかつ分布巻で巻回される構成とする。

一方、回転子３は、永久磁石６と回転子鉄心７とシャフト８と、永久磁石６の軸方向の移動を押える、図２に示す、回転子プレート９と永久磁石にかかる半径方向の遠心力を支える磁石押さえ１０とから構成される。

ここで、本実施例の永久磁石回転電機の仕様としては、主に、トルクが数十ｋＮｍ、回転速度が数百回転／分、容量が１０００ｋＷを対象とするが、より小型の回転電機でも適用可能である。また、本本実施例の永久磁石６の材質としてはトルク密度を高めうる高性能磁石である希土類磁石（特にネオジム磁石）で構成されている回転電機を対象とする。使用磁石量としては１台あたり約２０Ｋｇ以上の永久磁石を使う、あるいは回転子が外径として４００ｍｍ以上の回転電機を主に対象とするが、より小型の回転電機にも適用可能である。永久磁石６は周方向にはＮ極とＳ極とを交互に配置する。

回転子鉄心７は、図２に示すように、永久磁石の回転子側の磁気回路を構成する回転子鉄心外周円筒部７Ａと永久磁石の発生トルクをシャフト８に伝達する回転子鉄心内周円筒部７Ｃと、両者をつなぐ回転子リブ７Ｂとで構成される。ここで、回転子鉄心７は塊状の鉄心で製作されるものとする。また、図１、２に示すように、軸方向の複数個所に磁石押さえ１０を固定部材１１（ここではボルトを使用）で回転子鉄心７に固定することによって永久磁石６を回転子鉄心７に押える構成とする。

また、図２に示すように、固定子２はベアリング１７を介して回転子３を回転可能なように保持している。ベアリング１７はエンドプレート１３に固定されたベアリングケース１５内にベアリングカバー１６を備えて収納される構成である。

なお、ここでは省略したが、回転子３の永久磁石６の磁極位置の検出を含む回転センサがシャフトに装着されるものとする。そして、その位置情報によって固定子巻線５への電流を制御する制御装置を備えるものとする。

なお、本実施例では、固定子鉄心４のスロット数Ｎを７２、回転子３の極数Ｐは１６極の例で示した。回転電機１の固定子巻線５の相数Ｍは一般的には３が選択される。つまり、毎極毎相のスロット数Ｎｓｐｐ＝Ｎ／Ｐ／Ｍは、３／２となり、整数ではなく分数スロットである。なお、固定子２のスロット数７２とロータの極数１６は、いわゆるスロット数９と回転子の極数２のスロットコンビネーションが８回の繰り返される構造である。

上記の構成とすることによって、第１には、極数とスロット数の最小公倍数で表されるコギングトルクの周波数を大きくすることができ、コギングトルクを低減できる利点がある。第２には、１相に属する固定子巻線の各素線の位相を異なるものにできるので固定子巻線電流を流した場合のトルクリプルを低減できる利点がある。

また、本実施例の永久磁石回転電機１は、固定子巻線５が２極−９スロットの８回の繰り返しとなる構成で示したが、それぞれの固定子巻線５に全体の１／８の容量のインバータを接続して駆動する構成とすることで、大容量のインバータ１台で駆動するよりも汎用の比較的価格の安い小型インバータの複数台使用が可能となり、低価格で容易に大容量化ができる利点がある。

図３に本実施例の永久磁石回転電機の要部拡大図を示す。図３に示すように、本実施例では、永久磁石の外周半径Ｒｍａｇは、固定子内半径Ｒｓｉの１／２以下の外周半径を有し、図示のようなセグメント形状で構成する。すなわち、永久磁石の厚さを周方向で徐々に薄くなるように構成する。このような構成とすることによって、第１には、永久磁石の中心部の空隙磁束密度に対して、永久磁石６の両端の空隙磁束密度が、磁石の厚さが小さくなることと空隙長さが大きくなることの相乗効果によって、小さくできる。これによって、空隙長、永久磁石長が一定の場合に比較して、より空隙磁束密度が正弦波状の磁束分布に近くなり、無負荷時のトルクリプル（コギングトルク）と負荷時のトルクリプルの低減に効果的に働く。第２には、永久磁石の両端の厚さを小さくすることができ、これによって、中心の永久磁石の厚さＬｍと両端の磁石の厚さの差の空間を磁石両端部に設けることができ、それによって、後述する、強固で、渦電流の小さな磁石保持の構成を可能にできる。

なお、図３に、磁石押さえ１０の最外周と固定子鉄心４の内径との差をＬｗとして、固定子鉄心４のスロットピッチ（ティースピッチと同一）をτｓとして、永久磁石６の中心の外径と固定子鉄心４の内径との差を空隙長Ｌｇとして示す。また、隣り合う永久磁石６の間には、つば付Ｕ字型の磁石押さえ１０を配置する。

図４は、本実施例の磁石押さえの外観図である。本実施例の磁石押さえ１０は非磁性導電性の金属材でつば付Ｕ字型形状を有することを特徴とする。

図４（Ａ）は、本実施例の磁石押さえ１０の平面図、（Ｂ）は断面図を示している。図４（Ａ）、（Ｂ）において、磁石押さえ１０は、つば１０Ａ、ネジ部用穴１０Ｄ、それぞれ異なる永久磁石６を押えるつば１０Ａ間を連結するプレート１０Ｂ、磁石押さえの中央部に形成される磁石押さえの中央凹部１０Ｃとから構成される。つば１０Ａの内周側形状は永久磁石の外周の形状とほぼ同じに製作するものとする。これによって磁石押さえのつば１０Ａで外周から永久磁石６を強固に保持することが可能になる。

磁石押さえ１０はアルミの平板、例えばＡ５０５２の板材、をプレス成型等によって作ることができる。アルミの平板Ａ５０５２はアルミのなかで不純物を含み比較的電気抵抗（４．９μΩｃｍ）が高く、磁石押さえ１０内で発生する渦電流を小さくできる点、また、材料としても安く手に入れることができる点、機械強度が比較的大きい点で利点がある。この場合には、図示のように磁石押さえの厚さは周方向ほぼ全域にわたって一定の構造となる。

プレスによって、磁石押さえ１０を作る場合、磁石押さえのつば１０Ａと磁石押さえの傾斜部１０Ｅ間、磁石押さえのプレート１０Ｂと磁石押さえの傾斜部１０Ｅ間は丸みを持った形状として図示のように作成される。

以上の構成とすることで本実施例の磁石押さえ１０には中央凹部１０Ｃが形成され、後述のように渦電流損を低減できる利点がある。因みに従来構造は特許文献１で示したような中央凹部がなく、非磁性金属材料が充填した構成である。

図４（Ｃ）、（Ｄ）は、本実施例の他の磁石押さえ１０の構成を示す。（Ｃ）は、磁石押さえ１０の平面図、（Ｄ）は断面図を示している。本実施例における他の磁石押さえ１０は、（Ａ）、（Ｂ）と同様に、つば付Ｕ字型形状を有するとともに、製作法としては引抜で作ったことを特徴とする。

引抜の場合には、アルミニウム素材のなかでもＡ６０６３の場合にはやわらかく、引抜の工程を容易にできる。しかし、固有抵抗は３．１９μΩｃｍであり、Ａ５０５２と比較して小さく、アルミの平板Ａ５０５２に対して同一形状で作った場合に比較して渦電流損が大きくなる。また、素材自体がやわらかいため、機械強度が弱い等の欠点がある。一方、図示のように、つば１０Ａの厚さｔｈａと磁石押さえのプレート部１０Ｂ、磁石押さえの傾斜部１０Ｅの厚さを変えることができる等、形状の自由度の大きい点、製作型の大きさが小さくできる点で利点がある。よって、例えば、渦電流の大きな発生部である外周側のつば１０Ａの厚さｔｈａを小さく、内径側にある渦電流の発生の大きくない磁石押さえのプレート１０Ｂの厚さｔｈｂを大きくすることにより、機械的な強度が大きく、渦電流損の小さな磁石押さえ１０を作ることができる。

さらには、つば１０Ａの先端に図示のような切り欠き部１０Ａ１をつけて機械強度を落とさずに渦電流損を小さくすることができる。

また、磁石押さえ１０として素材をステンレスとした場合には、図４（Ａ）、（Ｂ）で示す形状を引抜で作ることは難しく、機械加工が必要となり、価格が上昇する欠点があるが、導電率（ＳＵＳ３０３で７１μΩｃｍ）を小さくできて、スロットリプルによる渦電流損は小さくできる利点がある。

以上の構成で、つば付Ｕ字型の磁石押さえのつば１０Ａで永久磁石６を外周から固定し、回転によって永久磁石６にかかる遠心力を直接押えることができる。

また、つば付Ｕ字型状の磁石押さえ１０の隣り合う永久磁石間に位置するプレート１０Ｂと磁石押さえの傾斜部１０Ｅとで永久磁石６の周方向の位置決めと、永久磁石と固定子巻線５に流れる電流とによって発生するトルクで永久磁石にかかる周方向の力を押さえる構成とすることができる。

さらに、磁石押さえ１０の内周側にはギャップ１２を設け、固定部材１１によって回転子鉄心の外周円筒部７Ａに固定する。すなわち、磁石押さえの回転子内周面は回転子鉄心部に接することなく固定部材等によって永久磁石を外周から回転子鉄心に固定する構成とする。これによって、磁石押さえ１０から永久磁石６に直接遠心力に対抗できる力を与えることができ、強固な磁石保持が可能になる。周方向の固定部材１１の数は回転数、最大トルク等に応じて増やすことができる。

図５に磁石押さえに発生する渦電流の発生原理を説明する図を示す。磁石押さえに発生する渦電流には、固定子巻線５に電流を流していないときに発生する渦電流損（無負荷時）と、固定子巻線に電流を流したときに発生する渦電流（負荷時）とがある。

無負荷時には、永久磁石を流れる磁束の一部は図３の破線φｍで示したように永久磁石6から磁石押さえ１０、固定子−回転子間の空隙を介して固定子鉄心ティース部を流れる。この場合、磁石押さえの磁気回路中の一点に着目すると、永久磁石６から磁石押さえ１０、空隙を介して固定子ティース４Ｂ部に流れて磁束密度が高くなる場合と、回転に従って永久磁石６から磁石押さえ１０、空隙を介して固定子スリット４Ｄ、固定子ティース４Ｂに流れて磁束密度が低くなる場合とがある。これは固定子スリット４Ｄの磁気抵抗が高いためである。このように磁石押さえ１０の1点の磁束密度が変動すると磁石押さえ１０が導電性の場合にはそれを取り巻くように渦電流が流れ、渦電流損を発生する。これが、無負荷時における渦電流の発生原理である。

次に、固定子巻線に電流を流した場合の渦電流の発生原理について説明する。図５（Ａ）に、固定子巻線に電流を流した場合に磁石押さえに発生する渦電流の発生原理を示す。ここでは、図１、図３で示した永久磁石回転電機の電気角で１サイクルに相当する永久磁石６のＮ，Ｓ間のみについて周方向に展開して図示する。３相の固定子巻線にはそれぞれ電気角で１２０度ずれた位相の正弦波電流を通電すると固定子巻線５による起磁力は図示のように２極で９スロットの構成によって、１サイクルで９個の段差を持った波形となる。固定子巻線起磁力の基本波分による磁束は、回転子の移動とともに変化なく移動し、磁石押さえの上では直流分となるために渦電流の発生はない（正確には前述の固定子スリットの影響で渦電流は発生する）。一方、基本周波数の9倍に相当する階段状の起磁力高調波が回転子の回転に応じて変化し、これによって、磁石押さえの磁束に磁束密度の変動を与え、渦電流が発生する。

図５（Ｂ）は、磁石押さえの外周表面での磁束密度の変動と、それによって発生した渦電流密度の計算結果を示したものである。図示のように、磁束密度の脈動は、本実施例で示した２極―９スロットの回転電機の場合、基本とする電源の周波数に対して９倍の周波数の成分が最大である。磁石押さえの磁束密度は図示の磁束密度に直流分が重畳されたものとなる。

負荷時における磁石押さえの磁束密度の脈動、渦電流密度は回転子の回転に従って９倍の周波数の成分で発生するが、これは前に説明した無負荷時においてもまったく同様の現象となる。

図６は磁石押さえ最外周の位置に対する磁石押さえに発生する磁束密度変動及び渦電流損の解析結果を示す図である。図６において、横軸は、磁石押さえ最外周の固定子内半径Ｒｓｉからの距離Ｌｗを固定子内半径Ｒｓｉから永久磁石の中心の外径までの距離である空隙長Ｌｇの比として表したものである。従って、回転子の外周面（すなわち、永久磁石の中心の外径位置）は、固定子内半径より１単位だけ離れた位置（横軸１．０）と定義できる。縦軸は、固定子巻線に電流を加えた状態での磁束密度変動の値を固定子内半径Ｒｓｉでの値を基準として示したものである。なお、本解析は磁界解析プログラムによって解析した。また、この解析では、磁石押さえの中央凹部１０Ｃがない形状で算出した。すなわち、図６は、非磁性金属であるアルミニウム材で中央凹部１０Ｃが同一材で充填されているとした磁石押さえ１０に発生する渦電流損と磁束密度変動とを示している。なお、磁石押さえ１０のＲｓｉ位置での値は実際には計算不可能であるので、より内周側の値の外挿によって求めた。

以上の計算結果は、磁石押さえ最外周の位置が固定子内周位置（固定子内半径位置）の時が最も磁石押さえの磁束密度の変動が大きく、渦電流損が大きい。そして、そこから内周側に移動するに従い、減少することを示している。すなわち、固定子鉄心の内周に近い部分が、磁束密度変動が大きく、渦電流損が大きい部分となる。

そこで、本実施例では、磁石押さえの最外周部の中央凹部１０Ｃを設けたつば付Ｕ字形状とすることによって、固定子鉄心の内周に近い部分の磁束密度変動が大きく渦電流損の大きい部分である渦電流の発生部署に間隙を設けることが出来、渦電流の発生部署を少なくでき、渦電流損を小さくできる。計算によれば、中央凹部１０Ｃを設けた本実施例のつば付Ｕ字型の形状の磁石押さえは、中央凹部１０Ｃが充填されているものに対して、磁石押さえ１０での発生渦電流損は約１／２０に低減できる結果を得た。なお、機械的な強度については、つば１０Ａの厚さによるところが大きいので中央凹部１０Ｃの有無で影響を与えることはない。

上記の計算結果において、本実施例では、さらに、つば付Ｕ字型の磁石押さえの最外周を固定子内周から空隙長Ｌｇの２倍以上内径側に離した構成にすることによって大幅に渦電流損を低減した構成が実現できることを見出した。すなわち、図６において、つば付Ｕ字型形状の磁石押さえの最外周を固定子内周から空隙長Ｌｇの２倍より内周の位置にした構成では、横軸が２．０の位置で、磁石押さえの磁束密度変動は固定子内周位置に対して０．５以下に押さえることができる。更に、渦電流損については約０．２５以下にでき、十分実用可能な領域とすることができる。

また、電源周波数の９倍のスロットリプル周波数は空間に換算すると１スロット分に相当し、これは距離にすると図３に示したスロットピッチτｓで表される。従ってスロットリプルの周波数に対応する高調波の磁束分布は１サイクル分がτｓに相当するので、距離の１／４に対応する距離τｓ／４で０に減衰する。試算の永久磁石回転電機ではτｓは空隙の１９倍に相当する。以上の点より、磁石押さえの最外周位置をスロットピッチτｓに換算すると、上記の半分の位置τｓ／Ｌｇ／８（＝１９Ｌｇ／Ｌｇ／８＝２．３７５）でも十分磁束密度変動が減衰し、従って渦電流損も小さくできる。すなわち、上記の構成とすることで、図６に示すように、横軸が２．３７５の位置に対応して、磁束密度変動は固定子内周位置の０．４以下、渦電流損は０．２以下にでき、十分実用可能な領域とすることができる結果を示している。

以上、本実施例の永久磁石回転電機では、第１に、永久磁石押さえとして機械的な強度のある非磁性で導電性のつば付Ｕ字型の金属材として、磁石押さえの内周側と回転子鉄心外周部との間にギャップを設け、かつ固定部材で磁石押さえのつばを介して永久磁石を外周から回転子鉄心に固定する構成とする。これにより、永久磁石を位置決めするとともに、永久磁石にかかる遠心力を強固に固定する構造を実現する。

第２には、永久磁石の厚さを周方向で徐々に薄くする構造とする。それにより、周方向で空隙長を徐々に大きくする構成で磁石押さえの位置をより内周側に配置できる構成とするとともに脈動トルクを低減できる構造とする。

第３には、磁石押さえをつば付Ｕ字型とする。これによって、磁石保持部の機械強度を維持したままで、磁石押さえの最大の渦電流発生部である磁石押さえの外周中央部を除くことができ、磁石押さえの渦電流損を最小にできる。

以上説明したように、本実施例は、積層固定子鉄心に固定子巻線を巻回した固定子と、前記固定子の内周にあって、シャフトと、回転子鉄心と、該回転子鉄心の外周に相隣り合う極性が交互に変化するように配置されセグメント形状の稀土類磁石からなる永久磁石と、該永久磁石の周方向の位置を規定するとともに該永久磁石の外周の一部を押える磁石押さえを有する永久磁石回転子とを備えた永久磁石回転電機であって、前記磁石押さえは、導電性金属で構成され、つば付Ｕ字型形状であり、該磁石押さえを前記回転子鉄心に固定部材によって固定することで、前記永久磁石の外周の一部を前記磁石押さえのつばで半径方向に固定する構成とした。

また、前記永久磁石は、前記固定子の内半径の１/２以下の外周半径を有する構成とした。

また、前記磁石押さえは、ギャップを介して前記回転子鉄心に固定部材によって固定されている構成とした。

また、前記磁石押さえの最外周を、前記固定子鉄心の内径から内周側に空隙長Ｌｇの2倍以上離した構成とした。

また、前記磁石押さえの最外周を、前記固定子鉄心の内径から内周側にスロットピッチと空隙長比τｓ／Ｌｇの１／８倍以上離した構成とした。

また、前記磁石押さえは、永久磁石を半径方向に押えるつばの厚さと、前記の異なる極性の永久磁石を押えるつば間を連結するプレートの厚さとを同一とした。

また、前記磁石押さえは、永久磁石を半径方向に押えるつばの厚さと、前記の異なる極性の永久磁石を押えるつば間を連結するプレートの厚さとを異ならしめる構成とした。

さらに、前記磁石押さえは、引抜によって製造された構造とした。

以上によって、大トルク、高速大容量、低トルクリプル化の表面磁石型の永久磁石回転電機が実現できる。

本実施例では、つば付Ｕ字型の磁石押さえとして、二つの異なる材料を用いた構成について説明する。

図７は、本実施例の磁石押さえの外観図である。図７において、（Ａ）は、本実施例の磁石押さえ１０の平面図、（Ｂ）は断面図を示している。図７（Ａ）、（Ｂ）において、磁石押さえ１０は、回転子の外周側に位置する磁石押さえの第１の構成部品１０１と回転子の内周側に位置する磁石押さえの第２の構成部品１０２とで構成している。磁石押さえの第２の構成部品１０２では、外周部としてのつば１０Ａ、磁石押さえのプレート１０Ｂ，磁石押さえの中央凹部１０Ｃ、磁石押さえのネジ部用穴１０Ｄを備えるものとする。

例えば、磁石押さえの第１の構成部品と１０１としてステンレスの薄板を採用し、図示のように第１の構成部品１０１の上部の空間である中央凹部１０Ｆを有する構造とすることで、機械的な強度の確保と、磁束密度変動による渦電流の抑制（固有抵抗が大きいことによる）ができるとともに製作も薄板の切断、穴あけのみで容易にできる。さらに、磁石押さえの第２の構成部品１０２としてアルミ材を使用すれば、固定子内周表面より離れた位置となるので渦電流損が少なく、かつ引抜などの工程で簡単に製作することができる。磁石押さえの第１の構成部品１０１と第２の構成部品１０２との固定は接着やあるいはネジ止めなどによって可能である。

さらに、第１の構成部品１０１に皿ネジ用の径方向に傾斜する穴１０Ｇをあけ、皿ネジで第１の構成部品１０１、第２の構成部品１０２とを一体に固定することも可能である。
また、磁石押さえの第２の構成部品１０２は非導電性で非金属の材料でもよい。この場合には、第２の構成部品１０２での渦電流損は発生をなくすことができる。

以上説明したように、本実施例は、磁石押さえを、永久磁石を外部から押える第１の構成部品と、永久磁石間に配置して永久磁石の位置を固定する第２の構成部品とで構成し、両者を異なる材料で構成するようにした。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば実施例では磁石押さえとして軸方向一体の例で示したが、軸方向に分割しても機械的強度は変わらずに渦電流損を低減することができる。また、軸方向に間欠的に設けた構成とすることによっても機械的強度は落ちるが渦電流損は更に低減できる。また、磁石押さえのつばの軸方向の複数個所に周方向のスリットもしくは空間部を設けることで機械的な強度は低下するが、渦電流損を低減することができる。さらに、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加、削除、置換をすることも可能である。

１：永久磁石回転電機、２：固定子、３：回転子、４：固定子鉄心、４Ａ：スロット、
４Ｂ：固定子ティース、４Ｃ：固定子コアバック、４Ｄ：固定子スリット、
５：固定子巻線、６：永久磁石、７：回転子鉄心、７Ａ：回転子鉄心外周円筒部、
７Ｂ：回転子リブ、７Ｃ：回転子鉄心内周円筒部、８：シャフト、９：回転子プレート、１０：磁石押さえ、１０Ａ：つば、１０Ａ１：切り欠き部、１０Ｂ：プレート、
１０Ｃ：中央凹部、１０Ｄ：ネジ部用穴、１０Ｅ：傾斜部、
１０Ｆ：第１の構成部品の中央凹部、１０Ｇ：第１の構成部品の穴、
１１：固定部材、１２：ギャップ、１３：エンドプレート、１４：フレーム、
１５：ベアリングケース、１６：ベアリングカバー、１７：ベアリング、
１０１：第１の構成部品，１０２：第２の構成部品

Claims (9)

1. 積層固定子鉄心に固定子巻線を巻回した固定子と、
   前記固定子の内周にあって、シャフトと、回転子鉄心と、該回転子鉄心の外周に相隣り合う極性が交互に変化するように配置されセグメント形状の稀土類磁石からなる永久磁石と、該永久磁石の周方向の位置を規定するとともに該永久磁石の外周の一部を押える磁石押さえを有する永久磁石回転子とを備えた永久磁石回転電機であって、
   前記磁石押さえは、導電性金属で構成され、つば付Ｕ字型形状であり、
   該磁石押さえを前記回転子鉄心に固定部材によって固定することで、前記永久磁石の外周の一部を前記磁石押さえのつばで半径方向に固定する構成としたことを特徴とする永久磁石回転電機。
2. 請求項１に記載の永久磁石回転電機であって、
   前記永久磁石は、前記固定子の内半径の１/２以下の外周半径を有していることを特徴とする永久磁石回転電機。
3. 請求項１または２のいずれか１項に記載の永久磁石回転電機であって、
   前記磁石押さえは、ギャップを介して前記回転子鉄心に固定部材によって固定されていることを特徴とする永久磁石回転電機。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の永久磁石回転電機であって、
   前記固定子鉄心の内径から前記永久磁石の中心の外径までの空隙長をＬｇとしたとき、
   前記磁石押さえの最外周を、前記固定子鉄心の内径から内周側にＬｇの2倍以上離した構成としたことを特徴とする永久磁石回転電機。
5. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の永久磁石回転電機であって、
   前記固定子鉄心のスロットピッチをτｓ、
   前記固定子鉄心の内径から前記永久磁石の中心の外径までの空隙長をＬｇとしたとき、
   前記磁石押さえの最外周を、前記固定子鉄心の内径から内周側にτｓ／Ｌｇの１／８倍以上離した構成としたことを特徴とする永久磁石回転電機。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の永久磁石回転電機であって、
   前記磁石押さえは、永久磁石を半径方向に押えるつばの厚さと、前記の異なる極性の永久磁石を押えるつば間を連結するプレートの厚さとを同一としたことを特徴とする永久磁石回転電機。
7. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の永久磁石回転電機であって、
   前記磁石押さえは、永久磁石を半径方向に押えるつばの厚さと、前記の異なる極性の永久磁石を押えるつば間を連結するプレートの厚さとを異ならしめたことを特徴とする永久磁石回転電機。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の永久磁石回転電機であって、
   前記磁石押さえは、引抜によって製造されたことを特徴とする永久磁石回転電機。
9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載の永久磁石回転電機であって、
   前記磁石押さえは、前記永久磁石を外部から押える第１の構成部品と、永久磁石間に配置して永久磁石の位置を固定する第２の構成部品とで構成し、両者を異なる材料で構成したことを特徴とする永久磁石回転電機。

Images