JP3818152B2

JP3818152B2 - 永久磁石回転電機

Info

Publication number: JP3818152B2
Application number: JP2001395627A
Authority: JP
Inventors: 文男田島; 豊松延; 昭一川又; 末太郎渋川; 修小泉
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2001-12-27
Filing date: 2001-12-27
Publication date: 2006-09-06
Anticipated expiration: 2017-04-17
Also published as: JP2002204554A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、永久磁石回転電機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
磁束発生手段に永久磁石を使用する永久磁石回転電機は、回転子の永久磁石が常に磁力を発生していることから、回転子の周囲に鉄粉が付着することや固定子鉄心に磁力が働くことにより、組立時において回転子を固定子に収めるための工夫が必要である。
【０００３】
また、回転子を固定子内に収めた後、回転子の永久磁石の磁力が劣化した場合には、回転子を固定子より取り出し再着磁しなければならない。
【０００４】
特公昭62−45786 号公報には、永久磁石回転電機のうち固定子の巻線方式として分布巻を用いた分布巻型永久磁石回転電機を対象に、上記問題を克服する着磁方法が開示されている。この公報には、位置決め電源より固定子巻線に通電することによって生ずる巻線起磁力の位置に回転子を保持し、ついで着磁電源より固定子巻線に通電することによって生ずる巻線起磁力の位置に回転子を移動させることにより回転子内磁石を着磁するものが記載されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
昨今では、一般の大型機に使用されている分布巻型の固定子に対して、コイルエンドの長さを短くできること、巻線長が短く低抵抗のため効率を高めることができること等の理由により、固定子突極に巻線を集中的に巻回する集中巻型永久磁石回転電機が所望されている。
【０００６】
集中巻型永久磁石回転電機において前記公報に記載の方法を応用することは困難である。その理由は、分布巻型永久磁石回転電機の固定子鉄心が１相の磁束を発生する周方向幅が回転子の一の磁石素材の周方向幅とほぼ一致するのに対し、集中巻型永久磁石回転電機はその二つが一致しないからである。
【０００７】
従って、分布巻型永久磁石回転電機に前記公報記載の方法を適用すれば、２度目の着磁のために回転子を回転させても、１度目の着磁でそれぞれＮ極，Ｓ極に着磁された磁石素材は、またそれぞれＮ極，Ｓ極に着磁するための巻線に対向し、着磁が可能である。
【０００８】
しかし、該方法を集中巻型永久磁石回転電機に適用すると、１度目の着磁でそれぞれＮ極，Ｓ極に着磁された磁石素材の一方が、１度目に着磁された極に着磁する固定子突極に対向したとき、他の一方の磁石素材は必ず１度目に着磁された極とは逆の極の固定子突極に対向することとなり、着磁が不可能である。
【０００９】
上記に鑑み本発明は、集中巻型永久磁石回転電機の回転子において、固定子の内部から取り出さずに回転子を着磁できる着磁方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
ここに、本発明は、永久磁石回転電機において、固定子と、この固定子に対し空隙を介して回転可能に設けられた回転子とを有し、固定子は、複数の突極部を有する固定子鉄心と、突極部に集中的に巻かれた巻線とを備えており、回転子は、回転子鉄心と、この回転子鉄心の内部に埋め込まれ、周方向に極性が交互に異なるように、回転子鉄心に対して環状に配置された複数の永久磁石とを備えており、回転子鉄心における永久磁石の外周側には磁極片が一体に形成されており、複数の永久磁石は、巻線への１度の通電によって着磁されたものであり、それぞれ、周方向両側において異なった磁化方向を示すように着磁されていることを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の一実施形態をなす永久磁石回転電機の周方向断面図を示す。
【００１４】
固定子１の突極部１３には巻線２が集中的に巻回され、回転子１の回転子鉄心３１には環状に複数の磁石素材が配置されている。
【００１５】
固定子１は固定子鉄心１１と巻線２とで構成され、固定子鉄心はさらに突極部１３とその磁束の通路を形成する固定子ヨーク部１２とからなる。ここでは特に突極部１３の数が１２のものを示す。突極部１３に集中的に巻回された巻線２は巻線収納部１４に収納される。各巻線２は空隙面での磁路を共有することがない構成である。
【００１６】
回転子３には、着磁後に永久磁石として機能する磁石素材４がほぼ等間隔のピッチで隣り合うように設けられている。ここでは磁石素材４の数が８のものを示す。
【００１７】
図２は図１の永久磁石回転電機の軸方向断面図である。
【００１８】
回転子３はシャフト５，ベアリング７を介してエンドブラケット６に回転可能に保持される。回転子３のシャフト５上には着磁された後の磁石素材４の位置を検出する図示しない磁極位置検出器ＰＳおよび位置検出器Ｅを備える。
【００１９】
ここでは固定子鉄心１１の外周にフレームが無い構成で示したが、必要によってはフレームを用いてもよい。
【００２０】
図１において、巻線２のＵ相にはＵ１，Ｕ２，Ｕ３，Ｕ４、Ｖ相にはＶ１，
Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４、Ｗ相にはＷ１，Ｗ２，Ｗ３，Ｗ４がそれぞれ直列にかつ３相スター結線で接続される。ここで添字は巻線番号である。
【００２１】
磁石素材４を着磁する方法を以下に説明する。
【００２２】
はじめに固定子１のＶ相の突極部１３とＵ相の突極部１３との間に回転子３の磁石素材４のＮ極とＳ極の間が一致するよう、図１に示されているが如く回転子３を位置決め固定する。位置決め固定の手段としてここでは第１固定穴３５を用いる。たとえば、図示しない貫通ボルトをエンドブラケット６に設けられた図示しない固定用のネジ穴を介して差し込むこと等により、回転子３を所定の回転角に位置決めする。
【００２３】
次に、図示しない着磁電源より巻線２のＶ相からＵ相にかけて着磁電流を通電する。このことにより、Ｖ相とＵ相の突極部１３にギャップを介して対向する磁石素材４のうち、突極部１３の周方向幅に対応する部分が着磁される。
【００２４】
次に、Ｗ相の突極部１３とＶ相の突極部１３との間に回転子３の磁石素材４のＮ極とＳ極が一致するよう、回転子３を時計方向に１５度回転させ、その位置に回転子３を位置決め固定する。この場合も第１固定穴３５に対して反時計方向に１５度の角度をなす第２固定穴３６を用いて位置決め固定を行う。
【００２５】
そして着磁電源により巻線２のＶ相からＷ相に対して電流を通電する。このことにより、回転子３の磁石素材４の残りの部分を着磁することが可能である。
【００２６】
図３に本実施形態の原理図を示す。図３（ａ）は固定子鉄心１１を周方向に展開したもの、図３（ｂ）および図３（ｃ）は回転子３の磁石素材４を周方向に展開したものであり、それぞれ回転子３を第１固定穴３５，第２固定穴３６によって位置決め固定したときのものである。
【００２７】
第１の段階では、図３（ａ）と図３（ｂ）の組み合わせのように、突極部１３のＶ相とＵ相の間に磁石素材４のＮ極とＳ極の間を一致させるべく第１固定穴
３５によって回転子３が位置決め固定される。着磁電源によって巻線２のＶ相からＵ相に対して電流を通電すると、図３（ｂ）の斜線で示した磁石素材４の部分が図示の極性に着磁される。
【００２８】
次に図３（ａ）と図３（ｃ）の組み合わせのように、突極部１３のＷ相とＶ相の間に磁石素材４のＮ極とＳ極の間が一致するよう回転子３が１５度回転され、第２固定穴３６によって位置決め固定される。
【００２９】
そして着磁電源によって巻線２のＶ相からＷ相に対して電流を通電すると、図３（ｃ）で示した磁石素材４の部分が図示の極性に着磁される。
【００３０】
図３（ｂ）においてＷ相に対向する部分は、Ｓ極とＮ極に着磁されるべき２つの隣り合った磁石素材４の境目付近であり、回転子を１５度回転させることによりその境目がＷ相とＶ相の間に来ることになる。そこで図３（ｂ）ですでに着磁された極性に、それぞれの磁石素材４が着磁されるよう、Ｗ相とＶ相に通電を行う。
【００３１】
なお、それぞれの磁石素材４を３分割したときの中央部分は、図３（ｂ）と図３（ｃ）により２度着磁されることとなるが、このことにより、磁石素材４の全面を等間隔に完全に着磁することが出来る。
【００３２】
図４に本発明の一実施例をなす回転電機の誘起電圧波形を示す。破線は固定子外の着磁装置により完全に着磁された回転電機の誘起電圧波形を示し、実践は本発明の実施形態により着磁された回転電機の誘起電圧波形を示す。
【００３３】
図のように本発明の実施形態による誘起電圧波形は固定子外の着磁装置によるものと比べてノイズを含んだ不完全なものとなるが、回転電機としての特性は誘起電圧の実効値で定まり、その値は両者に差がなく、十分な着磁が可能である。
【００３４】
図５に図３（ｃ）で着磁されたときの磁石素材４の磁化方向を示す。
【００３５】
図のように、Ｎ極，Ｓ極内の周方向の両側では異なった磁化方向を示す。すなわち、Ｗ１相に対向するＳ極の左側は図３（ｂ）の着磁による磁化が残り、一方、Ｗ１相に対向するＳ極の右側は図３（ｃ）の着磁による磁化が残る。これらの影響は固定子外の着磁装置により完全に着磁されたものと特性上ほとんど差異がない。
【００３６】
図６，図７に本発明の一実施例をなす永久磁石回転電機、および着磁に必要なデバイスを組み合わせたときの電気的回路構成図を示す。
【００３７】
通常は、図６，図７のように巻線２がインバータ８２に接続され、バッテリ
８３の電力を受けて回転電機が回転する。このときコンタクタ８４は閉じておく。なお、このコンタクタ８４は、図６のようにインバータ８２内に備えられていても、図７のように回転電機に設けられていてもよい。
【００３８】
着磁する際には、着磁装置８１を着磁用端子８５に接続する。コンタクタ８４を開き、着磁切換スイッチ８６により所定の相を選んだ後、着磁装置８１のスイッチを入れることにより巻線に通電し、第１の着磁を行う。その後回転子を所定の角度回転させ、着磁切換スイッチ８６を切り換えて、第２の着磁を行うものである。
【００３９】
ここで着磁用端子８５および着磁切換スイッチ８６は、図６または図７のように、回転電機、または着磁装置８１のどちらに備えられていてもよい。また、着磁切換スイッチ８６ではなく、手動で所定の２相を選び、着磁装置８１に接続してもよい。
【００４０】
このような着磁方法によって、集中巻型永久磁石回転電機の磁石素材を、回転子３を固定子１の内部に入れたまま着磁することが可能である。また、時間の経過等により発生磁束の小さくなった磁石素材を、回転子３を取り出さずに再着磁が可能である。
【００４１】
従って、着磁用の治具が不要となり、集中巻型永久磁石回転電機の製造時の工程が少なく、組立性の良い回転電機が得られる。また回転電機を分解せずに発生磁束をリフレッシュすることが可能である。
【００４２】
なお、このような着磁方法によって、磁石素材４内部の磁束は回転子３の軸に対して放射状に着磁される。
【００４３】
図８に本発明の他の実施形態を示す。
【００４４】
本実施形態の回転子３は、磁石埋め込み型のものであり、磁石素材４，回転子鉄心３１，磁極片部３２，磁極片部間のブリッジ部３３，空隙部３４によって構成される。回転子鉄心３１，磁極片部３２、およびブリッジ部３３は、珪素鋼板等の磁性体によって一体に構成される。
【００４５】
このような回転子３に対しては、１度の着磁工程により全着磁が可能である。磁石素材４を着磁するときは、突極部１３のＶ相とＵ相間を磁石素材４のＮ極とＳ極の間を一致させるように第１固定穴３５によって回転子３を固定子１に対して位置決め固定する。これに着磁電源により巻線２のＶ相からＵ相に対して電流を通電し、磁石素材４を図示の極性に着磁する。
【００４６】
集中巻型永久磁石回転電機において高効率化を狙う場合、その特性により磁石素材４の数が突極部１３の数よりも少なくなる。この実施形態も、磁石素材４の数８に対して突極部１３の数は１２である。従って突極部１３の周方向幅は自ずと磁石素材４の周方向幅より小さくなり、ここに磁石素材４を２度着磁しなければならない理由が存在する。
【００４７】
しかし、本実施形態のように磁石素材４を回転子３の内部に埋め込むようなものの場合は、１度の着磁で磁石素材４全体が着磁可能である。それは、磁石素材４の外周にある磁極片部３２が磁石素材４の周方向全面に着磁起磁力をかけるよう作用するからである。
【００４８】
例えば図８の回転子の磁極材が回転子３の外に露出していたならば、Ｕ１に対向する磁石素材４は、図において左に隣り合ったＮ極の磁石素材４に近い部分では完全に着磁されるのに対し、右に隣り合ったＮ極の磁石素材４に近い部分は完全に着磁することは難しく、１磁極の中でも磁極の着磁量に差が生じてしまう。つまり、磁石素材の周方向の両端で着磁の大きさが変わってしまう。しかし、
Ｕ１から発生する磁束は、磁極片部３２を介して磁石素材４に至るため、磁極片部３２が磁束を分散させ、磁石素材４の全体を着磁することが可能となるものである。
【００４９】
また、磁極片部３２の厚さが小さい場合には、上述の効果はあまり期待できないが、磁石素材４の周方向で着磁された磁束量が均等でなくても、回転子３は回転子として十分に機能する。回転電機の特性は全体の磁束量によって決まるものであり、一部の磁石素材における磁束量の減少は影響が少なく、一度のみのいわば偏った着磁でも全体としての特性にあまり影響はない。
【００５０】
図９に図８で着磁されたときの磁石素材４の磁化方向を示す。
【００５１】
図のように、Ｎ極，Ｓ極内の周方向の両側では異なった磁化方向を示す。すなわち、Ｗ１相に対向するＳ極の左側は図３（ｂ）の着磁による磁化が残り、一方、Ｗ１相に対向するＳ極の右側は図３（ｃ）の着磁による磁化が残る。しかし、これらの影響は固定子外の着磁装置により完全に着磁されたものと特性上ほとんど差異がない。
【００５２】
図１０に本発明の他の実施形態を示す。
【００５３】
これは図８で示した構造と同一の構造を持つ集中巻型永久磁石回転電機であるが、ここでは第１固定穴を、Ｕ相の突極部１３の周方向中心と所定の磁石素材４の周方向中心が合致するように設けている。
【００５４】
着磁する場合には、Ｕ相を着磁電源のプラス側に、Ｖ相とＷ相とを並列にして着磁電源のマイナス側に接続し、着磁電流を通電する。このことにより、磁石素材４の全極を同時に着磁することが可能である。
【００５５】
つまり、Ｕ相の巻線２が作る起磁力を、磁極片部３２の効果によってその下のＮ極の磁石素材４全面にかけることができる。一方Ｓ極の磁石素材４は、Ｖ相とＷ相の二つの巻線によって幅広く着磁される。
【００５６】
図１１に図９で着磁されたときの磁石素材４の磁化方向を示す。
【００５７】
図のように、Ｎ極，Ｓ極内の周方向の両側では異なった磁化方向を示す。すなわち、Ｕ相の巻線に対向する磁石素材は、その周方向両側が周方向に着磁され、Ｖ相，Ｗ相の巻線に対向する磁石素材は半径方向に磁化される。従ってＮ極，Ｓ極間で磁束量に若干の差が生じるが、これらの影響は、磁極片部３２により磁石素材全面に磁化力がかかることにより、固定子外の着磁装置により完全に着磁されたものと特性上ほとんど差異がない。
【００５８】
図１２に本発明の他の実施形態を示す。
【００５９】
ここでは磁石素材の数が１０，突極部が１２の集中巻型永久磁石回転電機の実施形態を説明する。
【００６０】
はじめに、突極部１３のＵ１⁺，Ｕ１^-に対して磁石素材４の極性がそれぞれＮ，Ｓとなるよう、第１固定穴３５によって図のように回転子３を固定する。
【００６１】
次に、Ｕ相を着磁電源のプラス側に、中性点を着磁電源のマイナス側に接続し、着磁電流を通電することにより、磁石素材４のＮ，Ｓの４極を着磁することができる。ここで、各相の巻線２の＋−の符号は巻き方向を指す。
【００６２】
次に回転子３を１２度時計方向に回転させ、突極部１３のＷ１⁺，Ｗ１^-と磁石素材４のＮ，Ｓを一致させる。この位置に回転子３を固定し、巻線２の接続の中性点を着磁電源のプラス側に、Ｗ相を着磁電源のマイナス側に接続する。この状態で着磁電源より着磁電流を通電することにより、磁石素材４のＮ，Ｓの４極を着磁することができる。
【００６３】
さらに回転子３を１２度時計方向に回転させ、Ｖ相の巻線２を使用することによってさらに磁石素材４のＮ，Ｓの４極を着磁することができる。この場合、着磁した４極中２極は、既に着磁されたものである。
【００６４】
以上の操作によって回転子３の全磁極を着磁することが出来る。
【００６５】
このように、どのような突極部の数，磁石素材の数に対しても、本発明を応用できるものである。
【００６６】
尚、以上は本発明の実施形態であり、記述した方法にのみ限定される物ではない。また上記は集中巻型永久磁石回転電機をその形態として説明したが、リニアモータ等への適用も可能である。また、電動機だけでなく、発電機にも適用でき、さらに回転子の外転型，内転型を問わない。
【００６７】
【発明の効果】
本発明によれば、３相のうち２相の巻線が施された突極に対向する磁石素材の部分を着磁し、その後回転子を所定の角度回転させて固定し、前記２相の巻線のうちの１相と他の１相を組み合わせて磁石素材の未着磁部分を着磁することにより、回転子を内部に入れたまま磁石素材を着磁することが可能となる。
【００６８】
また、所定の相互に隣り合った前記突極の間に所定の相互に隣り合った前記磁石素材の間が対向するよう前記回転子を位置決め固定し、相互に隣り合った磁石素材を逆極性に着磁することにより、回転子を内部に入れたまま磁石素材を着磁することが可能となる。
【００６９】
また、３相のうち１相の突極に所定の磁石素材が対向するよう回転子を位置決め固定し、相互に隣り合った磁石素材を逆極性に着磁することにより、回転子を内部に入れたまま磁石素材を着磁することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態をなす集中巻型永久磁石回転電機の周方向断面図を示す。
【図２】図１の永久磁石回転電機の軸方向断面図を示す。
【図３】本発明の一実施形態をなす回転子の着磁方法の原理図を示す。
【図４】本発明の一実施形態をなす回転電機の誘起電圧波形を示す。
【図５】図３（ｃ）における永久磁石の磁化状況を示す。
【図６】本発明の一実施形態をなす着磁用電気回路図を示す。
【図７】本発明の一実施形態をなす着磁用電気回路図を示す。
【図８】本発明の他の実施形態をなす集中巻型永久磁石回転電機を示す。
【図９】図７の回転電機における永久磁石の磁化状況を示す。
【図１０】本発明の他の実施形態をなす集中巻型永久磁石回転電機を示す。
【図１１】図９の回転電機における永久磁石の磁化状況を示す。
【図１２】本発明の他の実施形態をなす集中巻型永久磁石回転電機を示す。
【符号の説明】
１…固定子、２…巻線、３…回転子、４…磁石素材、５…シャフト、６…エンドブラケット、７…ベアリング、１１…固定子鉄心、１２…固定子ヨーク部、１３…突極部、１４…巻線収納部、３１…回転子鉄心、３２…磁極片部、３３…ブリッジ部、３４…空隙部、３５…第１固定穴、３６…第２固定穴、８１…着磁装置、８２…インバータ、８３…バッテリ、８４…コンタクタ、８５…着磁用端子、８６…着磁切換スイッチ。

Claims

固定子と、
該固定子に対し空隙を介して回転可能に設けられた回転子とを有し、
前記固定子は、
複数の突極部を有する固定子鉄心と、
前記突極部に集中的に巻かれた巻線とを備えており、
前記回転子は、
回転子鉄心と、
該回転子鉄心の内部に埋め込まれ、周方向に極性が交互に異なるように、前記回転子鉄心に対して環状に配置された複数の永久磁石とを備えており、
前記回転子鉄心における前記永久磁石の外周側には磁極片が一体に形成されており、
前記複数の永久磁石は、
前記巻線への１度の通電によって着磁されたものであり、
それぞれ、周方向両側において異なった磁化方向を示すように着磁されていることを特徴とする永久磁石回転電機。
請求項１に記載の永久磁石回転電機において、
前記巻線は３相巻線であり、
前記複数の永久磁石は、前記３相巻線のいずれか２相の巻線への１度の通電によって着磁されたものである
ことを特徴とする永久磁石回転電機。
請求項１に記載の永久磁石回転電機において、
前記巻線は３相巻線であり、
前記複数の永久磁石は、前記３相巻線への１度の通電によって着磁されたものである
ことを特徴とする永久磁石回転電機。