JP2016197934A - 永久磁石回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】永久磁石の減磁を抑制して低コストで高信頼性の永久磁石回転電機を提供する。
【解決手段】永久磁石回転電機は、回転子と、固定子鉄心に巻回された電機子巻線を有する固定子と、を備える。回転子は、磁性材からなる回転子シャフトと、回転子シャフトの表面上の周方向にそれぞれ離隔して配置され、回転子シャフトの軸方向に延在する永久磁石からなる複数の主極磁石と、複数の主極磁石の間隙にそれぞれ配置され、回転子シャフトの軸方向に延在する永久磁石からなる複数の補極磁石と、を有する。複数の主極磁石のそれぞれにおける回転子シャフトの回転中心から最短距離にある角部は、複数の補極磁石のそれぞれにおける回転子シャフトの回転中心から最短距離にある角部よりも、回転子シャフトの回転中心に近い位置にある。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、永久磁石回転電機に関する。

近年、永久磁石の目覚しい研究開発により、高磁気エネルギー積の永久磁石が開発され、回転電機の小型・高出力化が進められている。特に小型アクチェーターや産業用ロボット等では、高トルク、高出力化が強く要求されている。加えて、稼働時間の伸張、並びに搭載バッテリー容量（重量）の低減のため、高効率化も求められている。また、ハイブリット自動車向けのような車両用を用途とする回転電機では、排出ガスの抑制、燃費向上のため、高効率化を強く求められている。また、搭載スペースが小さく、限られた空間の中で高トルクおよび高出力化が要求されている。

このような背景から、表面磁石型永久磁石回転電機（以下、永久磁石回転電機と呼ぶ）が注目されている。永久磁石回転電機は、主極磁石の両側に周方向に配向した補極磁石を配置して、磁極中央部に磁束を集束させることにより、磁極部の磁束密度を高めて、高トルクおよび高出力化を図っている。

高トルクおよび高出力を得るには、永久磁石回転電機に大電流を流す必要があり、電機子反作用磁界が永久磁石に加わって、永久磁石の減磁が生じてしまう。

また、高トルクおよび高出力を得るには、高磁力の永久磁石を採用する必要がある。ところが、高磁力の永久磁石は残留磁束密度は高くなるものの保磁力が低下するため、耐減磁性が低く、永久磁石の不可逆減磁が生じるおそれがある。

特に、集束型の永久磁石回転電機では、主極磁石の内周側の角部に補極磁石の磁束が加わって主極磁石に反磁界が加わり、永久磁石の不可逆減磁が発生する要因になる。

特開２０００−１９７２８７号公報

本発明が解決しようとする課題は、永久磁石の減磁を抑制して低コストで高信頼性の永久磁石回転電機を提供することにある。

本実施形態によれば、回転子と、
固定子鉄心に巻回された電機子巻線を有する固定子と、を備え、
前記回転子は、
磁性材からなる回転子シャフトと、
前記回転子シャフトの表面上の周方向にそれぞれ離隔して配置され、前記回転子シャフトの軸方向に延在する永久磁石からなる複数の主極磁石と、
前記複数の主極磁石の間隙にそれぞれ配置され、前記回転子シャフトの軸方向に延在する永久磁石からなる複数の補極磁石と、を有し、
前記複数の主極磁石のそれぞれにおける前記回転子シャフトの回転中心から最短距離にある角部は、前記複数の補極磁石のそれぞれにおける前記回転子シャフトの回転中心から最短距離にある角部よりも、前記回転子シャフトの回転中心に近い位置にある永久磁石回転電機が提供される。

第１の実施形態による永久磁石回転電機１の径方向断面図。 図１の一部の拡大断面図。 図１の回転電機１内の磁束の流れを模式的に示す図。 一比較例による永久磁石回転電機１の径方向断面図。 図４の一部の拡大断面図。 一比較例による主極磁石７の角部７ａに減磁が起こる様子を模式的に示した図。 第２の実施形態による永久磁石回転電機１の径方向断面の一部を拡大した拡大断面図。 第３の実施形態による永久磁石回転電機１の径方向断面図。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の実施形態では、永久磁石回転電機内の特徴的な構成および動作を中心に説明するが、永久磁石回転電機には以下の説明で省略した構成および動作が存在しうる。ただし、これらの省略した構成および動作も本実施形態の範囲に含まれるものである。

（第１の実施形態）
図１は第１の実施形態による永久磁石回転電機１の径方向断面図、図２は図１の一部の拡大断面図である。図１の永久磁石回転電機１は、永久磁石を有する回転子２と、固定子鉄心３に巻回された電機子巻線４を有する固定子５とを備えた表面磁石型永久磁石回転電機１である。図１の回転電機１は、インナーロータ型であり、内周側に回転子２が配置され、その外周側に固定子５が配置されている。図１の回転電機１は、モータおよび発電機の少なくとも一方として用いることができる。

回転子２は、磁性材からなる回転子シャフト６と、永久磁石からなる複数の主極磁石７と、永久磁石からなる複数の補極磁石８とを有する。

複数の主極磁石７は、回転子シャフト６の表面上にそれぞれ離隔して周方向に接合されており、各主極磁石７は回転子シャフト６の軸方向に延在している。複数の補極磁石８は、複数の主極磁石７の間隙にそれぞれ配置されており、各補極磁石８は回転子シャフト６の軸方向に延在している。

このように、複数の主極磁石７と複数の補極磁石８は、回転子シャフト６の表面上に周方向に沿って交互に接合されており、各主極磁石７と各補極磁石８は、回転子シャフト６の軸方向に延在している。

主極磁石７と補極磁石８は、例えば接着材にて回転子シャフト６の表面上に接合されている。また、周方向に隣接する主極磁石７と補極磁石８とも、例えば接着材にて互いに接合されている。回転子シャフト６に主極磁石７と補極磁石８を接合して形成される回転子２は円筒状であり、この回転子２の外周面は、エアギャップ９を介して固定子鉄心３に対向配置されている。エアギャップ９中に、炭素強化繊維やガラス繊維などの軽量で丈夫な材料を設けて、主極磁石７と補極磁石８を覆ってもよい。これにより、回転子２が高速回転しても、主極磁石７や補極磁石８が遠心力で外周側に飛び出す力を拘束できる。

主極磁石７と補極磁石８はともに永久磁石であるが、必ずしも同じ材質の永久磁石とは限らない。固定子５の電機子巻線４には、主極磁石７と補極磁石８を引きつけるように電流が流れる。よって、補極磁石８に対しては、その磁化方向に対して直交する方向からの磁界が加わることから、耐減磁性すなわち保磁力が高いことが要求される。一方、主極磁石７は、磁力が高くて保磁力が低い方が望ましい。

本実施形態による回転電機１は例えば、円筒状の固定子鉄心３の径が３０ｍｍ程度で、回転子シャフト６の軸方向長さが４０〜５０ｍｍ程度の小型モータに適用可能であるが、大型のモータや発電機にも適用可能である。

図１の回転電機１は、４極回転子２を有する例を示しており、４個の主極磁石７と４個の補極磁石８とが回転子シャフト６の周方向に交互に配置されているが、回転子２の極数は図１に示したものに限定されない。

図３は図１の回転電機１内の磁束の流れを模式的に示す図である。図３に示すように、周方向に隣接する２つの主極磁石７の磁化方向は互いに逆になっている。同様に、周方向に隣接する２つの補極磁石８の磁化方向も互いに逆になっている。主極磁石７の磁化方向は径方向であるのに対して、補極磁石８の磁化方向は周方向である。

主極磁石７の間隙に補極磁石８を配置することで、エアギャップ９中の磁束をより主極磁石７の周方向の中心付近に集束させることができ、高トルク化が可能となる。

図３では、隣接する２つの主極磁石７を主極磁石７Ａ、７Ｂと区別している。主極磁石７Ａは、内周側がＮ極であり、外周側がＳ極である。主極磁石７ＡのＮ極側から出た磁束は、隣接する主極磁石７Ｂの内周側から入って、主極磁石７Ｂを径方向に通過した後に、固定子鉄心３を通って、元の主極磁石７Ａの外周（Ｓ極）側に入る。

この主極磁石７Ａに隣接する補極磁石８ＡのＮ極側から出た磁束は、周方向に進んで主極磁石７Ｂに入り、主極磁石７Ｂの磁束と合流して固定子鉄心３を通って、主極磁石７Ａの外周（Ｓ極）側から主極磁石７Ａに入る。

本実施形態では、回転子シャフト６を磁性体で形成しているため、主極磁石７の内側から回転子シャフト６を通って隣接する主極磁石７の内周側までの磁気抵抗を小さくすることができ、磁束量が増えるため、高トルクを発生することが可能となる。

また、本実施形態では、図２に示すように、主極磁石７の内周側の角部７ａが補極磁石８と接しないように、主極磁石７の内周側の端面７ｂを補極磁石８の内周側の端面（第１面）８ｂよりも回転子シャフト６の回転中心に近い位置に配置している。すなわち、本実施形態では、各主極磁石７における回転子シャフト６の回転中心Ｏから最短距離にある角部７ａを、各補極磁石８における回転子シャフト６の回転中心Ｏから最短距離にある角部８ａよりも、回転子シャフト６の回転中心Ｏに近い位置に配置している。別の言い方をすると、本実施形態では、各主極磁石７における回転子シャフト６との接合面７ｂを、補極磁石８における回転子シャフト６の回転中心Ｏから最短距離にある角部８ａよりも、回転子シャフト６の回転中心Ｏに近い位置に配置している。

これにより、補極磁石８から主極磁石７に入り込んだ磁束が主極磁石７の内周側の角部７ａに加わらなくなり、この角部７ａの減磁を抑制することができる。

図４は一比較例による永久磁石回転電機１の径方向断面図、図５は図４の一部の拡大断面図である。一比較例による永久磁石回転電機１では、補極磁石８の断面形状が本実施形態による補極磁石８とは異なっている。一比較例による補極磁石８の断面形状は扇型であり、主極磁石７の内周側の角部７ａが補極磁石８の端面８ｂに接している。すなわち、一比較例による補極磁石８における回転子シャフト６の回転中心Ｏから最短距離にある角部８ａは、主極磁石７における回転子シャフト６の回転中心Ｏから最短距離にある角部７ａよりも、回転子シャフト６の回転中心Ｏに近い位置に配置されている。このため、補極磁石８から出た磁束が斜め方向または主極磁石７の内周側の端面７ｂに略平行に主極磁石７に入り込み、主極磁石７の内周側の角部７ａに反磁界が加わってしまう。この角部７ａは、厚みがなく、耐減磁性が低いため、この角部７ａに反磁界が加わると、減磁しやすくなる。

図６は一比較例による主極磁石７の角部７ａに減磁が起こる様子を模式的に示した図である。このように、主極磁石７の角部７ａの周辺において減磁が起きてしまう。
これに対して、本実施形態の場合、主極磁石７の内周側の角部７ａは補極磁石８と接していないため、この角部７ａに補極磁石８からの磁束が入り込むことはなく、この角部７ａの減磁を抑制することができる。

主極磁石７の角部７ａにおける減磁を防止する観点からは、補極磁石８の内周側の端面８ｂをできるだけ外周側に設けるのが望ましいが、補極磁石８の内周側の端面８ｂを外周側にずらすと、補極磁石８の断面積が小さくなり、必要な磁束量を確保することができなくなる。したがって、主極磁石７の半径方向厚み（磁化方向厚み）に対し、補極磁石８の半径方向厚み（磁化直角方向厚み）を７０％程度にするのが望ましい。

また、図１〜図３では、主極磁石７の内周側の端面７ｂと補極磁石８の内周側の端面８ｂとを平坦面にしているが、これらの端面は必ずしも平坦面でなくてもよい。少なくとも、主極磁石７の内周側の角部７ａが補極磁石８に接していなければよい。本実施形態による主極磁石７の内周側の角部７ａは、回転子シャフト６により覆われており、補極磁石８における主極磁石７との接触面（第２面と第３面）は、角部７ａよりも外周側に配置されている。

本実施形態による回転子シャフト６は、主極磁石７と補極磁石８との間に間隙が形成されないように、主極磁石７と補極磁石８の外径形状に合わせた外径形状をしている。このような外形形状は、金型を用いた賦形処理あるいは切削加工により形成可能である。

このように、本実施形態による回転電機１では、主極磁石７の内周側の角部７ａが補極磁石８と接しないように、主極磁石７の内周側の角部７ａをより回転子シャフトの回転中心Ｏに近づけるため、この角部７ａに、補極磁石８から主極磁石７に入り込んだ磁束による反磁界が加わらなくなり、主極磁石７の角部７ａが減磁するという不具合を抑制できる。

また、本実施形態による回転電機１では、回転子シャフト６を磁性材で形成するため、主極磁石７の内側から回転子シャフトを通って、隣接する主極磁石７の内周側までの磁気抵抗を小さくすることができ、磁束量が増えるため、高トルクを発生させることが可能となる。

さらに、本実施形態による回転子シャフト６は、主極磁石７と補極磁石８の外形形状に合致する外形形状を備えているため、回転子シャフト６を主極磁石７と補極磁石８の位置決め用のガイド部材として用いることができ、回転子シャフト６に主極磁石７と補極磁石８を接合する際の位置決め作業を容易に行うことができ、作業性がよくなる。よって、製造コストを削減できるとともに、信頼性も向上する。

また、本実施形態による回転子シャフト６の断面形状は、楔形状になっているため、回転子シャフト６が高速回転しても、主極磁石７にかかる遠心力を回転子シャフト６で安定に保持することができる。よって、回転子シャフト６に主極磁石７を接合する接着材が劣化しても、主極磁石７の脱落を防止できる。また、回転子２と固定子５との間のエアギャップ９に炭素強化繊維やガラス繊維などによる固定リングを設ける場合には、この固定リングを主極磁石７が押圧する力を低減でき、信頼性が大幅に向上する。

（第２の実施形態）
以下に説明する第２の実施形態は、回転子シャフト６の断面形状が第１の実施形態とは異なるものである。

図７は第２の実施形態による永久磁石回転電機１の径方向断面の一部を拡大した拡大断面図である。図７の回転電機１の主極磁石７と補極磁石８の断面形状は第１の実施形態と同様である。図７の回転子シャフト６は、図４に示す一比較例の回転子シャフト６と同じ断面形状であり、補極磁石８に対向する側にＶ字状の溝６ａが形成されている。この溝６ａがあるために、補極磁石８と回転子シャフト６の間にエアギャップ１０が設けられている。主極磁石７の内周側の角部７ａは、エアギャップ１０に接している。また、補極磁石８の内周側の端面８ｂも、エアギャップ１０に接している。よって、補極磁石８から出た磁束は、主極磁石７の内周側の角部７ａよりも外周側で、隣接する主極磁石７に入り込むことになり、主極磁石７の内周側の角部７ａが減磁するおそれが軽減される。

このように、第２の実施形態では、回転子シャフト６と補極磁石８の内周側の端面８ｂとの間にエアギャップ１０を設けるため、このエアギャップ１０に接する領域に主極磁石７の内周側の角部７ａを設けることで、この角部７ａには補極磁石８からの磁束による反磁界が加わらなくなり、主極磁石７の角部７ａの減磁を抑制できる。

また、第２の実施形態による回転子シャフト６は、その断面形状が第１の実施形態による回転子シャフト６よりも簡易であるため、回転子シャフト６の加工が容易になる。また、従来の回転子シャフト６をそのまま流用できる場合もありうる。

（第３の実施形態）
上述した第１および第２の実施形態では、インナーロータ型の永久磁石回転電機１の例を説明したが、本発明は、アウターロータ型の永久磁石回転電機１にも適用可能である。

図８は第３の実施形態による永久磁石回転電機１の径方向断面図である。図８の回転電機１は内周側に設けられる固定子５と、外周側に設けられる回転子２とを備えたアウターロータ型である。

固定子５の外周面には、周方向に複数の電機子巻線４が配置されている。回転子２は、ロータヨーク１１と、このロータヨーク１１の内周面上に交互に配置される複数の主極磁石７および複数の補極磁石８とを有する。

各主極磁石７におけるロータヨーク１１の外周面から最短距離にある角部７ａは、各補極磁石８におけるロータヨーク１１の外周面から最短距離にある角部８ａよりも、ロータヨーク１１の外周面に近い位置にある。

これにより、アウターロータ型の回転電機１であっても、第１および第２の実施形態と同様に、補極磁石８からの磁束による反磁界が主極磁石７の角部７ａに加わるおそれがなくなり、角部７ａの減磁を抑制できる。

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。これら新規な実施形態は、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ともに、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。

１ 永久磁石回転電機、２ 回転子、３ 固定子鉄心、４ 電機子巻線、５ 固定子、６ 回転子シャフト、７ 主極磁石、８ 補極磁石、９、１０ エアギャップ、１１ ロータヨーク

Claims (7)

1. 回転子と、
   固定子鉄心に巻回された電機子巻線を有する固定子と、を備え、
   前記回転子は、
   磁性材からなる回転子シャフトと、
   前記回転子シャフトの表面上の周方向にそれぞれ離隔して配置され、前記回転子シャフトの軸方向に延在する永久磁石からなる複数の主極磁石と、
   前記複数の主極磁石の間隙にそれぞれ配置され、前記回転子シャフトの軸方向に延在する永久磁石からなる複数の補極磁石と、を有し、
   前記複数の主極磁石のそれぞれにおける前記回転子シャフトの回転中心から最短距離にある角部は、前記複数の補極磁石のそれぞれにおける前記回転子シャフトの回転中心から最短距離にある角部よりも、前記回転子シャフトの回転中心に近い位置にある永久磁石回転電機。
2. 前記複数の主極磁石のそれぞれにおける前記回転子シャフトとの接合面は、前記複数の補極磁石のそれぞれにおける前記回転子シャフトの回転中心から最短距離にある角部よりも、前記回転子シャフトの回転中心に近い位置にある請求項１に記載の永久磁石回転電機。
3. 前記複数の補極磁石のそれぞれは、前記回転子シャフトに接合される第１面と、隣接配置される２つの前記主極磁石にそれぞれ接合される第２面および第３面と、を有し、
   前記２つの主極磁石のそれぞれにおける前記回転子シャフトの回転中心から最短距離にある角部は、前記第２面および第３面よりも前記回転子シャフトの回転中心側に位置する請求項２に記載の永久磁石回転電機。
4. 前記複数の主極磁石のそれぞれにおける前記回転子シャフトとの接合面は、前記複数の補極磁石のそれぞれにおける前記回転子シャフトとの接合面よりも、前記回転子シャフトの回転中心に近い位置にある請求項２または３に記載の永久磁石回転電機。
5. 前記複数の主極磁石のそれぞれにおける前記回転子シャフトの回転中心から最短距離にある角部は、前記回転子シャフトで覆われている請求項１乃至４のいずれかに記載の永久磁石回転電機。
6. 前記複数の補極磁石のそれぞれと、前記回転子シャフトとの間には間隙が設けられ、
   前記複数の主極磁石のそれぞれにおける前記回転子シャフトの回転中心から最短距離にある角部は、前記間隙の中にある請求項１乃至４のいずれかに記載の永久磁石回転電機。
7. 回転子と、
   固定子鉄心に巻回された電機子巻線を有する固定子と、を備え、
   前記回転子は、
   磁性材からなるロータヨークと、
   前記ロータヨークの内周面上の周方向にそれぞれ離隔して配置され、前記ロータヨークの回転軸方向に延在する永久磁石からなる複数の主極磁石と、
   前記複数の主極磁石の間隙にそれぞれ配置され、前記ロータヨークの軸方向に延在する永久磁石からなる複数の補極磁石と、を有し、
   前記複数の主極磁石のそれぞれにおける前記ロータヨークの外周面から最短距離にある角部は、前記複数の補極磁石のそれぞれにおける前記ロータヨークの外周面から最短距離にある角部よりも、前記ロータヨークの外周面に近い位置にある永久磁石回転電機。

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