JP2016073023A - 永久磁石式回転子および永久磁石式同期回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】永久磁石式同期回転電機の低コスト化を図る。
【解決手段】永久磁石式同期回転電機１００は、軸方向に延びるシャフト１１と、それぞれの周角度領域において回転軸中心に向かって凸な曲面状に周方向に広がって軸方向に延びたフラックスバリア３１とその周方向中央にあってフラックスバリア３１の径方向の幅より薄く周方向および回転軸方向に広がった平板状空間が形成されて積層板を有する回転子鉄心１２と、平板状空間を占有するように設けられた平板状の永久磁石５１と、回転子鉄心１２の外周に回転子鉄心１２と間隔をあけて配設され半径方向の内側に向かって突出する複数の固定子ティース２２が形成された固定子鉄心２１と、複数の固定子ティース２２に巻回された複数極の多相の電機子巻線２４とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、永久磁石式回転子およびこれを有する永久磁石式同期回転電機に関する。

図９は、従来の永久磁石式同期回転電機の回転軸に垂直な断面図である。永久磁石式同期回転電機４５は、回転子１０および固定子２０を有している。回転子１０の回転子鉄心１２には、それぞれの周方向領域において磁気障壁すなわちフラックスバリア３１が形成されている。図９の例では、フラックスバリア３１は各周方向領域に２層設けられている。それぞれのフラックスバリア３１の周方向の中央には、永久磁石４１が設けられている。

特開２００６−１２１８２１号公報 特開２００９−１９４９４５号公報

図９に示すように、フラックスバリア３１をｑ軸磁束の流れに沿うような楕円の弧状とすることで、リラクタンストルクを最大化できることは従来から知られている。しかしながら、この楕円の弧状の空間形状にフィットするように永久磁石４１を成形し、挿入することは、製造、組み立て上のコスト上昇要因となる。

また、永久磁石に希土類磁石を使用した場合、磁石量の余裕を多くとるほどコストの上昇をもたらす。

本発明は上記のような問題を解決するためになされたものであり、永久磁石式同期回転電機の効率を確保しながら低コスト化を図ることを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明に係る永久磁石式同期回転電機は、回転可能に軸支されて回転軸中心で軸方向に延びるシャフトと、それぞれの周角度領域において前記回転軸中心に向かって凸な曲面状に周方向に広がって前記軸方向に延びたフラックスバリアと前記フラックスバリアの周方向中央にあって前記フラックスバリアの径方向の幅より薄く周方向および前記軸方向に広がった平板状空間が形成されて、前記シャフトに固定されて、前記軸方向に積層された複数の鋼製の平板からなる積層板を有する回転子鉄心と、前記平板状空間を占有するように設けられた平板状の永久磁石と、前記回転子鉄心の外周に前記回転子鉄心と間隔をあけて配設されて互いに周方向に間隔をあけて配列されて前記軸方向に延びて半径方向の内側に向かって突出する複数の固定子ティースが形成された固定子鉄心と、前記複数の固定子ティースに巻回された複数極の多相の電機子巻線と、を具備することを特徴とする。

また、本発明に係る永久磁石式回転子は、回転可能に軸支されて回転軸中心で軸方向に延びるシャフトと、それぞれの周角度領域において前記回転軸中心に向かって凸な曲面状に周方向に広がって前記軸方向に延びたフラックスバリアと前記フラックスバリアの周方向中央にあって前記フラックスバリアの径方向の幅より薄く前記周方向および前記軸方向に広がった平板状空間が形成されて、前記シャフトに固定されて、前記軸方向に積層された複数の鋼製の平板からなる積層板を有する回転子鉄心と、前記平板状空間を占有するように設けられた平板状の永久磁石と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、永久磁石式同期回転電機の効率を確保しながら低コスト化を図ることができる。

第１の実施形態に係る永久磁石式同期回転電機の軸方向に垂直な断面図である。 第１の実施形態に係る永久磁石式同期回転電機の回転子鉄心に形成された貫通孔の一部を示す軸方向に垂直な断面図である。 第１の実施形態に係る永久磁石式同期回転電機の永久磁石まわりの磁束分布を説明するための第１の概念図である。 第１の実施形態に係る永久磁石式同期回転電機の永久磁石まわりの磁束分布を説明するための第２の概念図である。 第１の実施形態に係る永久磁石式同期回転電機の永久磁石まわりの磁束分布を説明するための第３の概念図である。 第２の実施形態に係る永久磁石式同期回転電機の軸方向に垂直な断面図である。 第２の実施形態に係る永久磁石式同期回転電機の回転子鉄心に形成された貫通孔の一部を示す軸方向に垂直な断面図である。 第２の実施形態に係る永久磁石式同期回転電機の補てん部材を示す軸方向に垂直な断面図である。 従来の永久磁石式同期回転電機の例の軸方向に垂直な断面図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る永久磁石式回転子および永久磁石式同期回転電機について説明する。ここで、互いに同一または類似の部分には、共通の符号を付して、重複説明は省略する。

［第１の実施形態］
図１は、第１の実施形態に係る永久磁石式同期回転電機の軸方向に垂直な断面図である。図１は、永久磁石式同期回転電機１００の４分の１セクターすなわち、４分の１周の周角度領域分のみを示している。この場合の永久磁石式同期回転電機１００は、４極子である。永久磁石式同期回転電機１００は、回転子１０および固定子２０を有する。

回転子１０は、シャフト１１および回転子鉄心１２を有する。シャフト１１は、回転軸の方向すなわち軸方向に延びている。回転子鉄心１２は、シャフト１１の径方向周囲に配されており、軸方向に積層された複数の鋼製の平板からなる積層板を有する。回転子鉄心１２の外形は円筒状である。回転子鉄心１２のそれぞれの周角度領域には、回転軸中心に向かって凸な曲面状に周方向に広がって軸方向に延びて、２つの貫通孔１３（図２）が互いに並列に形成されている。

それぞれの貫通孔１３の中央の領域には、それぞれの領域を占有するように永久磁石５１が設けられている。また、それぞれの貫通孔１３において、永久磁石５１が設けられている領域を挟んだ両側の領域は、フラックスバリア３１が形成されている。永久磁石５１は、平板状であり、周方向および軸方向に延びている。永久磁石５１同士は、互いに平行で径方向に間隔をあけて並んでいる。

また、径方向には、径方向内側の永久磁石５１と外側の永久磁石５１が、同じ極性を有するように配列されている。すなわち、内側および外側の永久磁石５１は、いずれも、径方向内側の面がＮ極、外側の面がＳ極という第１の配列または、いずれも、径方向内側の面がＳ極、外側の面がＮ極という第２の配列のいずれかである。また、周方向に互いに隣接する周角度領域の永久磁石同士は、一方が、第１の配列の場合は、他方は第２の配列となっている。

固定子２０は、固定子鉄心２１および電機子巻線２４を有する。固定子鉄心２１は、軸方向に積層された平板である積層板を有する。積層板の径方向内側には、回転子１０の径方向外側にギャップ２５を介して対向して、軸方向に延びた複数の固定子スロット２３が形成されている。すなわち、固定子鉄心２１の径方向内側には、内側に向かって突出する複数の固定子ティース２２が形成されている。それぞれの固定子ティース２２には、電機子巻線２４が巻回されている。

それぞれの周角度領域の周方向両端の径方向はｑ軸方向、それぞれの周角度領域の周方向中央の径方向はｄ軸方向となっている。図１において永久磁石５１による磁束φ１を２点鎖線で示している。

磁束φ１は、互いに隣接する周方向領域の永久磁石５１間で、回転子鉄心１２および固定子鉄心２１内を通過するように形成される。したがって、径方向には、磁束φ１はｄ軸に沿って形成される。一方、固定子鉄心２１に生ずる回転磁界によるリラクタンス成分の磁束φ２は、回転子鉄心１２に形成されたフラックスバリア３１に沿って形成される。したがって、径方向には、磁束φ２はｑ軸に沿って形成される。

図２は、回転子鉄心に形成された貫通孔の一部を示す軸方向に垂直な断面図である。すなわち、２つの貫通孔１３のうち一方のみを示している。貫通孔１３は、中央領域１３ａ、および中央領域１３ａの両側のバリア領域１３ｂを有する。中央領域１３ａは、永久磁石５１が設けられる空間となる。また、中央領域１３ａの両側のバリア領域１３ｂは、フラックスバリア３１（図１）を形成する空間である。

中央領域１３ａは、平板状の永久磁石５１の形状に対応するように径方向内側と径方向外側の面が互いに平行になるように形成されている。図２に示すように、中央領域１３ａの径方向の幅をｄ、周方向の長さをＬとする。幅ｄは、永久磁石５１の厚みに永久磁石５１と回転子鉄心１２とのクリアランスを見込んだ幅である。永久磁石５１の厚みが極端に薄い場合は、永久磁石５１に減磁が生ずることになるので、この観点からの必要な厚みを確保する必要がある。この必要な厚みを確保したうえで、コスト的に、永久磁石５１は機能を確保できる範囲でできるだけ薄いことが望ましい。すなわち、幅ｄは、必要厚さ以上の範囲でできるだけ薄いことが望ましい。

バリア領域１３ｂの径方向の幅をＤとする。バリア領域１３ｂの幅Ｄは、バリア領域１３ｂがフラックスバリア３１の機能を果たすために必要な磁気抵抗の値を確保できる幅以上となっている。前記のように中央領域１３ａの幅ｄは必要厚さｄ０以上の範囲でできるだけ小さい方が好ましいが、一方、バリア領域１３ｂの幅Ｄは必要な値Ｄ０以上である必要がある。この必要な値ｄ０とＤ０とでは、一般にバリア領域１３ｂの幅Ｄに必要な値Ｄ０の方が大きい。以下、このような一般的な場合を例にとって説明する。

以上に述べたように、中央領域１３ａとバリア領域１３ｂとは、異なる幅でかつ後者の幅の方が大きく貫通孔１３全体としては段付きの形状となる。バリア領域１３ｂの中央領域１３ａにつながる部分のそれぞれの稜部１３ｃは、図２に示すように滑らかな曲面形状に形成されている。

図３は、第１の実施形態に係る永久磁石式同期回転電機の永久磁石まわりの磁束分布を説明するための第１の概念図である。図４は、同じく第２の概念図である。また、図５は、同じく第３の概念図である。

図３は、永久磁石の周方向の長さと、貫通孔１３における中央領域１３ａの周方向の長さは等しくいずれもＬ０である場合を示している。両者の長さが等しいため、永久磁石５１から出る、あるいは永久磁石５１に入る磁力線はすべて回転子鉄心１２中を通過する。すなわち、稜部１３ｃが滑らかな曲面であるため、永久磁石５１の端部近傍を通る磁力線は、稜部１３ｃに沿って回転子鉄心１２内を通過する。

また、稜部１３ｃが滑らかな曲面に形成されていることにより、永久磁石５１に起因する磁力線が圧迫されることなく適切な密度で形成される。また、局部的な磁気飽和の発生が抑制される。これらの結果、磁力線の配分が適正化され、効率の向上に寄与する。

図４は、貫通孔１３における中央領域１３ａの周方向の長さＬ１に比べて永久磁石の周方向の長さＬ２が短い場合を示している。この場合、中央領域１３ａの両端部近傍には、永久磁石５１がない非占有領域１３ｄが存在することになる。この非占有領域１３ｄの径方向の幅はｄであり、フラックスバリア３１の径方向の必要とされる幅に比べて小さい。したがって、非占有領域１３ｄは、フラックスバリアとして必要とされる磁気抵抗を有しない領域となる。

この結果、永久磁石５１の径方向の両端近傍を通る磁力線は図４の破線φＬ１で示すようにショートパスして非占有領域１３ｄを通過する。このショートパスは、回転子１０と固定子２０間を結ぶ磁束とはならない漏れ磁束である。この漏れ磁束は、中央領域１３ａの周方向の長さＬ１と永久磁石の周方向の長さＬ２の差が大きいほど多くなる。永久磁石に起因する磁力線は、固定子側に浸透することによりトルク発生に寄与するが、漏れ磁束が存在することによって、トルク発生に寄与しない磁力線が生じ、効率の低下を招くことになる。

図５は、貫通孔１３における中央領域１３ａの周方向の長さＬ１に比べて永久磁石の周方向の長さＬ２が長い場合を示している。すなわち、この場合は、永久磁石５１の両端が、フラックスバリア３１内に突出している。この突出する部分を突出部５１ａと呼ぶこととする。この場合、永久磁石５１の突出部５１ａとこれに最も近接する回転子鉄心１２の距離が、フラックスバリア３１の径方向の必要とされる幅に比べて小さくなる場合が生ずる。この場合は、永久磁石５１の突出部５１ａに起因する磁力線については図５の破線φＬ２で示すように、この突出部５１ａと、突出部５１ａに最も近接する回転子鉄心１２と結ぶショートパスが形成されることになる。すなわち、漏れ磁束が生ずることとなる。

また、永久磁石５１の先端部近傍から、これに最も近接する回転子鉄心１２までの距離が、フラックスバリア３１の径方向の必要とされる幅より大きい場合は、永久磁石５１の先端部近傍に起因する磁力線は、回転子鉄心１２内を通過しないことになる。すなわち、永久磁石５１の両端が、フラックスバリア３１内に突出している図５のような場合には、永久磁石５１の両端部近傍に起因する磁力線はトルク発生に寄与せず、図４の場合と同様に効率低下を招くことになる。

したがって、永久磁石の周方向の長さと、貫通孔１３における中央領域１３ａの周方向の長さはできるだけ等しいことが好ましい。

以上のように、本実施形態によれば、永久磁石に起因する磁力線のショートパスの形成を抑制し、また、局部的な磁気飽和の発生を抑制し、よりバランスのとれた磁力線配置を実現することができる。磁力線配置を適正化することにより、磁力線のトルク発生への寄与率を向上させることができる。このため、永久磁石５１を必要最小限の外形寸法とすることができる。この結果、永久磁石式同期回転電機の効率を確保しながら低コスト化を図ることができる。

［第２の実施形態］
図６は、第２の実施形態に係る永久磁石式同期回転電機の軸方向に垂直な断面図である。本実施形態は、第１の実施形態の変形である。本第２の実施形態に係る永久磁石式同期回転電機１００は、回転子鉄心１２内に外側補てん部材５５ａおよび内側補てん部材５５ｂを有する。

図７は、回転子鉄心に形成された貫通孔の一部を示す軸方向に垂直な断面図である。本実施形態における回転子鉄心１２の貫通孔１４は、周方向には弧状に形成されている。

図８は、補てん部材を示す軸方向に垂直な断面図である。補てん部材５５は、それぞれの貫通孔１４内の周方向中央部分に設けられる。補てん部材５５は、それぞれ、軸方向に延びた外側補てん部材５５ａおよび内側補てん部材５５ｂを有する。外側補てん部材５５ａおよび内側補てん部材５５ｂは、それぞれ磁性体材料からなる。外側補てん部材５５ａは、径方向外側は回転子鉄心１２に密着するような面形状に形成されている。また、径方向内側は、回転軸中心線を含む面に垂直な平面上に形成されている。内側補てん部材５５ｂは、径方向内側は回転子鉄心１２に密着するような面形状に形成されている。また、径方向外側は、回転軸中心線を含む面に垂直な平面上に形成されている。

外側補てん部材５５ａの径方向内側の平面と、内側補てん部材５５ｂの径方向外側の平面とは互いに平行となるように取り付けられる。外側補てん部材５５ａおよび内側補てん部材５５ｂが取り付けられると、貫通孔１４のうちの残る空間は、中央領域１４ａおよびバリア領域１４ｂである。中央の平行な面間である中央領域１４ａに永久磁石５１（図６）が設けられる。また、中央領域１４ａの両側のバリア領域１４ｂはフラックスバリア３１（図６）を形成する空間である。

なお、組み立て過程において、回転子鉄心１２を組み立てた後に、まず、外側補てん部材５５ａおよび内側補てん部材５５ｂを回転子鉄心１２に取り付けて、その後に永久磁石５１を挿入する順序でよい。あるいは、まず、永久磁石５１を取り付けて、その後、外側補てん部材５５ａおよび内側補てん部材５５ｂを順次挿入することでもよい。さらには、外側補てん部材５５ａ、次に回転子鉄心１２、最後に内側補てん部材５５ｂを順次取り付けてもよいし、この逆の順序でもよい。

以上のように本実施形態においては、補てん部材５５は、磁性体材料であることから、磁気的には、回転子鉄心１２と同様に磁気抵抗が小さく、第１の実施形態とほぼ同様の磁力線分布が得られ、第１の実施形態と同様の効率を確保することができる。また、積層板に形成する貫通孔１４の形状が単純であり加工、取り扱いが容易で強度的にも余裕が確保できる。

［その他の実施形態］
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。また、各実施形態の特徴を組み合わせてもよい。

さらに、これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。

これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１０…回転子、１１…シャフト、１２…回転子鉄心、１３…貫通孔、１３ａ…中央領域、１３ｂ…バリア領域、１３ｃ…稜部、１３ｄ…非占有領域、１４…貫通孔、１４ａ…中央領域、１４ｂ…バリア領域、２０…固定子、２１…固定子鉄心、２２…固定子ティース、２３…固定子スロット、２４…電機子巻線、２５…ギャップ、３１…フラックスバリア、４１…永久磁石、４５…従来の永久磁石式同期回転電機、５１…永久磁石、５１ａ…突出部、５５…補てん部材、５５ａ…外側補てん部材、５５ｂ…内側補てん部材、１００…永久磁石式同期回転電機

Claims (5)

1. 回転可能に軸支されて回転軸中心で軸方向に延びるシャフトと、
   それぞれの周角度領域において前記回転軸中心に向かって凸な曲面状に周方向に広がって前記軸方向に延びたフラックスバリアと前記フラックスバリアの周方向中央にあって前記フラックスバリアの径方向の幅より薄く周方向および前記軸方向に広がった平板状空間が形成されて、前記シャフトに固定されて、前記軸方向に積層された複数の鋼製の平板からなる積層板を有する回転子鉄心と、
   前記平板状空間を占有するように設けられた平板状の永久磁石と、
   前記回転子鉄心の外周に前記回転子鉄心と間隔をあけて配設されて互いに周方向に間隔をあけて配列されて前記軸方向に延びて半径方向の内側に向かって突出する複数の固定子ティースが形成された固定子鉄心と、
   前記複数の固定子ティースに巻回された複数極の多相の電機子巻線と、
   を具備することを特徴とする永久磁石式同期回転電機。
2. 前記フラックスバリアは、前記平板状空間に隣接する面の径方向内側および外側のそれぞれの稜部が滑らかな曲面形状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の永久磁石式同期回転電機。
3. 前記積層板は、前記フラックスバリアの前記周方向の中央部分においては前記平板状空間に対応する形状に前記軸方向の貫通孔が形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の永久磁石式同期回転電機。
4. 前記積層板には、前記フラックスバリアおよび周方向の中央においても前記フラックスバリアの径方向の幅を維持するような前記軸方向の貫通孔が形成され、
   前記回転子鉄心は、前記永久磁石の径方向内側および外側に沿って前記積層板と前記永久磁石との間の空間を埋めるように設けられた磁性体材料からなる補てん部材をさらに有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の永久磁石式同期回転電機。
5. 回転可能に軸支されて回転軸中心で軸方向に延びるシャフトと、
   それぞれの周角度領域において前記回転軸中心に向かって凸な曲面状に周方向に広がって前記軸方向に延びたフラックスバリアと前記フラックスバリアの周方向中央にあって前記フラックスバリアの径方向の幅より薄く前記周方向および前記軸方向に広がった平板状空間が形成されて、前記シャフトに固定されて、前記軸方向に積層された複数の鋼製の平板からなる積層板を有する回転子鉄心と、
   前記平板状空間を占有するように設けられた平板状の永久磁石と、
   を備えることを特徴とする永久磁石式回転子。

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