JP5175704B2 - 永久磁石式回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、回転子内部に短絡コイルを内蔵した永久磁石式回転電機とその製造方法に関するものであって、特に、回転子の鉄心にスキューを形成した永久磁石式回転電機に係る。

回転子内に永久磁石を内蔵した永久磁石式回転電機では、永久磁石の鎖交磁束が常に一定の強さで発生しているので、永久磁石による誘導電圧は回転速度に比例して高くなる。そのため、低速から高速まで可変速運転する場合、高速回転では永久磁石による誘導電圧（逆起電圧）が極めて高くなる。永久磁石による誘導電圧がインバータの電子部品に印加されてその耐電圧以上になると、電子部品が絶縁破壊する。そのため、永久磁石の磁束量が耐電圧以下になるように削減された設計を行うことが考えられるが、その場合には永久磁石式回転電機の低速域での出力及び効率が低下する。

そこで、回転子内に、固定子巻線のｄ軸電流で作る磁界により不可逆的に磁束密度が変化する程度の低保磁力の永久磁石（以下、可変磁力磁石という）と、可変磁力磁石の２倍以上の保磁力を有する高保磁力の永久磁石（以下、固定磁力磁石という）を配置し、電源電圧の最大電圧以上となる高速回転域では、可変磁力磁石と固定磁力磁石による全鎖交磁束が減じるように、全鎖交磁束量を調整する技術が提案されている。（特許文献１、特許文献２参照）

なお、永久磁石の磁束量は、保磁力と磁化方向厚の積によって決定されるため、実際に回転子鉄心内に可変磁力磁石と固定磁力磁石とを組み込む場合には、可変磁力磁石としては保磁力と磁化方向厚の積が小の永久磁石を、固定磁力磁石としては保磁力と磁化方向厚の積が大の永久磁石を使用する。また、一般に、可変磁力磁石としては、アルニコ磁石やサマリウムコバルト磁石（サマコバ磁石）、フェライト磁石を使用し、固定磁力磁石としてはネオジム磁石（ＮｄＦｅＢ磁石）を使用する。

ところで、この種の永久磁石式回転電機において、高速回転域でいったん減磁した可変磁力磁石を増磁する場合に、可変磁力磁石に近接配置した固定磁力磁石の磁界が、ｄ軸電流が作る増磁用の磁界の妨げとなり、その分増磁のためのｄ軸電流（磁化電流）が増大する現象がある。このような現象に対応するため、本発明者等は、固定磁力磁石の近傍に短絡コイルを配置し、この短絡コイルを貫通するｄ軸電流による磁界によって短絡コイルに誘導電流を発生させ、その誘導電流により前記固定磁力磁石により発生する磁界を打ち消すことにより、増磁時のｄ軸電流の増加を押さえた永久磁石式回転電機を提案した（特願２００８−１６２２０３）。

特開２００６−２８０１９５号公報 特開２００８−４８５１４号公報

ところで、前記の短絡コイルは、回転子鉄心内に配置した永久磁石の周囲に設ける必要があるため、如何にして簡単な手法で鉄心内に組み込むかが検討されている。例えば、短絡コイルと永久磁石とを密着して配置する場合には、永久磁石の周囲に短絡コイルを巻き付けた後、永久磁石とコイルとを鉄心内に開口させた永久磁石装着スペースにはめ込むことができる。しかし、永久磁石と短絡コイルとが離れ、両者の間に鉄心部分が存在すると、細いコイル挿入孔に、１本ずつ短絡コイルを挿入していかねばならず、その組立は甚だ困難になる。

特に、この種の永久磁石式回転電機、特に、小型・高出力化を要求されるハイブリッド車両用の永久磁石式回転電機では、限られた空間内での高トルク、高出力が要求され、それに伴い、トルクリップル、振動、騒音の減少が要求されている。そのため、回転子積層鉄心をブロック状にして、それらを円周方向にずらしたスキュー構造が採用される。このようなスキュー構造とした永久磁石式回転電機において、回転子鉄心内に組み込まれた永久磁石の周囲に、更に、前記のような短絡コイルを設けることは、極めて面倒な作業であった。

本発明は前記のような従来技術の問題点を解決するために提案されたものであって、その目的は、スキュー構造の回転子鉄心を有する永久磁石式回転電機において、短絡コイルを永久磁石の周囲に簡単な手法で組み込むことを可能とした永久磁石式回転電機及びその製造方法を提供することにある。

前記の目的を達成するために、本発明の永久磁石式回転電機は、回転子の鉄心を軸方向において２つ以上に分割し、この分割した鉄心部同士の磁極位置を周方向にスキューさせ、各鉄心部には永久磁石の磁化を行なう際に磁化時に発生する磁束によって短絡電流が流れるような導電性の短絡コイルを設け、各鉄心部の短絡コイルを、各鉄心部のスキュー角度に応じて回転子の周方向にずれた角度で配置すると共に、各鉄心部の短絡コイルを鉄心の境界部において段差部をもって接続し、前記短絡コイルを、各鉄心部の境界部に配置された導電性の板と、この導電性の板の表裏両面のスキュー角度に相当した分だけ回転子の周方向にずれた場所から、各鉄心部に向かって回転子の軸方向に突出した導電性バーと、この導電性バーの先端を鉄心部の軸方向端部で接続する短絡接続部とから構成することを特徴とすることを特徴とする。

前記のような構成を有する本発明の永久磁石式回転電機では、スキュー構造の回転子鉄心の鉄心部に対して、そのスキュー角度だけずれた構造の短絡コイルを組み込むことが可能になる。その結果、スキューした鉄心部に対する短絡コイルの組み込み作業が簡単になり、短絡コイルを有する永久磁石式回転電機を容易に得ることができる。

（１）第１実施形態
以下、本発明の第１実施形態を図１〜図５に従って具体的に説明する。図１は本実施形態の永久磁石式回転電機の回転軸と直交する方向の断面図で、減磁時の磁束の方向を示す図、図２は同じく増磁時の磁束の方向を示す図である。図３は本実施形態の永久磁石式回転電機の組立途中の状態を示す分解斜視図、図４は同じく回転軸と平行な方向の断面図、図５は同じく完成状態の断面図である。

（１−１）永久磁石式回転電機の構成
本発明の第１の実施形態の回転子１は、図１に示すように回転子鉄心２、可変磁力磁石３、固定磁力磁石４から構成される。回転子鉄心２は珪素鋼板を積層して構成し、前記の永久磁石は回転子鉄心２内に埋め込む。回転子鉄心２内を通過する磁束が可変磁力磁石３と固定磁力磁石４の厚さ方向に通過するように、可変磁力磁石３と固定磁力磁石４の端部に磁気障壁となる空洞５を設ける。

本実施形態では、可変磁力磁石３はフェライト磁石またはアルニコ磁石とし、この実施形態ではフェライト磁石を使用した。固定磁力磁石４は、ＮｄＦｅＢ磁石を使用した。この可変磁力磁石の保磁力は２８０ｋＡ／ｍとし、固定磁力磁石の保磁力は１０００ｋＡ／ｍとする。可変磁力磁石３は磁極中央のｄ軸に沿って回転子鉄心２内に配置し、その磁化方向はほぼ周方向である。固定磁力磁石４は磁化方向がｄ軸方向に対して所定の角度を持つように、前記可変磁力磁石３の両側の回転子鉄心２内に配置する。

前記回転子鉄心２内に埋め込まれた固定磁力磁石４を取り囲むように、短絡コイル８を設ける。この短絡コイル８は、リング状の導電性部材から構成し、回転子鉄心２内に設けた空洞５の縁の部分にはめ込むように装着する。なお、後述する他の実施形態のように回転子の鉄心の穴に高温で溶けた導電性物質を流し込んで鋳造して製作することも可能である。

この短絡コイル８は、電機子巻線にｄ軸電流を通電させた場合に発生する磁束で、短絡電流が発生するものである。そのため、この短絡コイル８は、可変磁力磁石３を除いた固定磁力磁石４の磁路部分に設ける。その場合、固定磁力磁石４の磁化方向を中心軸として、固定磁力磁石４周囲に短絡コイル８を設ける。

本実施形態では、この短絡コイル８は、固定磁力磁石４の上下にそれぞれ設けられているが、上下いずれか一方でも良い。また、短絡コイル８を固定磁力磁石の上下の面（磁化方向と直行する方向）と平行に設けたが、短絡コイルの対角線方向に１本あるいはＸ字状に２本設けることもできる。さらに、固定磁力磁石の表面に密着して設ける以外に、図示のように固定磁力磁石、及び固定磁力磁石と可変磁力磁石との間のブリッジ部分６を取り囲むように設けることもできる。

短絡コイル８は、可変磁力磁石３の磁化が変化する程度の短絡電流が１秒以内に流れ、その後１秒以内にその短絡電流を５０％以上減衰させるものであることが好ましい。また、短絡コイル８のインダクタンス値と抵抗値を、可変磁力磁石３の磁化が変化する程度の短絡電流が流れるような値とすると、効率が良い。

前記回転子２の外周には、エアギャップ９を介して固定子１０を設ける。この固定子１０は、電機子鉄心１１と電機子巻線１２とを有する。この電機子巻線１２に流れる磁化電流により、短絡コイル８には誘導電流が誘起され、その誘導電流によって短絡コイル８を貫通する磁束が形成される。

また、この電機子巻線１２に流れる磁化電流により、可変磁力磁石３の磁化方向が可逆的に変化する。すなわち、可変磁力磁石と固定磁力磁石に対しては、永久磁石式回転電機の運転時において、ｄ軸電流による磁界で永久磁石３を磁化させて可変磁力磁石３の磁束量を不可逆的に変化させる。その場合、可変磁力磁石３を磁化するｄ軸電流を流すと同時にｑ軸電流により回転電機のトルクを制御する。

また、ｄ軸電流で生じる磁束により、電流（ｑ軸電流とｄ軸電流とを合成した全電流）と可変磁力磁石と固定磁力磁石とで生じる電機子巻線の鎖交磁束量（回転電機の全電流によって電機子巻線に生じる磁束と、回転子側の可変磁力磁石と固定磁力磁石とによって生じる磁束とから構成される電機子巻線全体の鎖交磁束量）をほぼ可逆的に変化させる。

特に、本実施形態では、瞬時の大きなｄ軸電流による磁界で可変磁力磁石３を不可逆変化させる。この状態で不可逆減磁がほとんど生じないか、僅かの不可逆減磁が生じる範囲のｄ軸電流を連続的に流して運転する。このときのｄ軸電流は電流位相を進めて端子電圧を調整するように作用する。すなわち、大きなｄ軸電流で可変用磁石３の極性を反転させ、電流位相を進める運転制御方法を行う。このようにｄ軸電流で可変用磁石３の極性を反転させているので、端子電圧を低下させるような負のｄ軸電流を流しても、可変用磁石３にとっては減磁界ではなく増磁界となる。すなわち、負のｄ軸電流で可変用磁石３は減磁することなく、端子電圧の大きさを調整することができる。

（１−２）減磁及び増磁作用
次に、前記のような構成を有する本実施形態の永久磁石式回転電機における増磁時と減磁時の作用について説明する。なお、各図中に、電機子巻線１２や短絡コイル８によって発生した磁力の方向を矢印により示す。

本実施形態では、固定子１０の電機子巻線１２に通電時間が０．１ｍｓ〜１００ｍｓ程度の極短時間となるパルス的な電流を流して磁界を形成し、可変磁力磁石３に磁界Ａを作用させる（図１参照）。永久磁石を磁化するための磁界Ａを形成するパルス電流は、固定子１０の電機子巻線１２のｄ軸電流成分とする。

２種類の永久磁石の厚みはほぼ同等するとｄ軸電流による作用磁界による永久磁石の磁化状態変化は保磁力の大きさにより変る。永久磁石の磁化方向とは逆方向の磁界を発生する負のｄ軸電流を電機子巻線１２にパルス的に通電する。負のｄ軸電流によって変化した磁石内の磁界Ａが−２８０ｋＡ／ｍになったとすると、可変磁力磁石３の保磁力が２８０ｋＡ／ｍなので可変磁力磁石３の磁力は不可逆的に大幅に低下する。

一方、固定磁力磁石４の保磁力が１０００ｋＡ／ｍなので磁力は不可逆的に低下しない。その結果、パルス的なｄ軸電流が０になると可変磁力磁石３のみが減磁した状態となり、全体の磁石による鎖交磁束量を減少することができる。さらに−２８０ｋＡ／ｍよりも大きな逆磁界をかけると可変磁力磁石３は逆方向に磁化して極性は反転する。この場合、可変磁力磁石３の磁束と固定磁力磁石４の磁束は打ち消しあうので永久磁石の全鎖交磁束は最小になる。

この場合、固定磁力磁石４によって生じる磁界の磁力の方向は、図１のＢに示すように、固定磁力磁石４から可変磁力磁石３の方向となるので、前記電機子巻線１２による磁界の磁力の方向と一致するため、可変磁力磁石３の減磁させる方向に強い磁力が作用する。同時に、短絡コイル８には、電機子巻線１２の磁界Ａを打ち消すような誘導電流が発生し、その誘導電流によって図１矢印Ｃで示すような磁力の方向を有する磁界が発生する。この短絡コイル８による磁力Ｃも、可変磁力磁石３の磁化方向を逆方向に向けるように作用する。これらより、可変磁力磁石３の減磁及び極性の反転が効率的に行われる。すなわち、短絡コイル８に誘起された誘導電流により発生した磁界Ｃの磁力の方向は、可変磁力磁石３を貫通する部分においては、磁化電流による磁界Ａの方向と一致するので、減磁方向の磁化も効果的に行われる

つぎに、永久磁石の全鎖交磁束を増加させて最大に復元させる過程（増磁過程）を説明する。減磁完了の状態では、図２に示すように、可変磁力磁石３の極性は反転しており、反転した磁化とは逆方向（図１に示す初期の磁化方向）の磁界を発生する正のｄ軸電流を電機子巻線１２に通電する。反転した逆極性の可変磁力磁石３の磁力は前記磁界が増すに連れて減少し、０になる。さらに正のｄ軸電流による磁界を増加させると極性は反転して初期の極性の方向に磁化される。ほぼ完全な着磁に必要な磁界である３５０ｋＡ／ｍをかけると、可変磁力磁石３は着磁されてほぼ最大に磁力を発生する。

この場合、減磁時と同様に、ｄ軸電流は連続通電で増加させる必要はなく、目標の磁力にする電流を瞬間的なパルス電流を流せばよい。一方、固定磁力磁石４の保磁力が１０００ｋＡ／ｍなので、ｄ軸電流による磁界が作用しても固定磁力磁石４の磁力は不可逆的に変化しない。その結果、パルス的な正のｄ軸電流が０になると可変磁力磁石３のみが増磁した状態となり、全体の磁石による鎖交磁束量を増加することができる。これにより元の最大の鎖交磁束量に戻すことが可能となる。

以上のようにｄ軸電流による瞬時的な磁界を可変磁力磁石３と固定磁力磁石４に作用させることにより、可変磁力磁石３の磁力を不可逆的に変化させて、永久磁石の全鎖交磁束量を任意に変化させることが可能となる。

（１−３）短絡コイル８の作用
つぎに、短絡コイル８の作用について述べる。可変磁力磁石３と固定磁力磁石４は回転子鉄心２内に埋め込まれて磁気回路を構成しているので、前記ｄ軸電流による磁界は可変磁力磁石３のみでなく、固定磁力磁石４にも作用する。本来、前記ｄ軸電流による磁界は可変磁力磁石３の磁化を変化させるために行う。そこで、前記ｄ軸電流による磁界が固定磁力磁石４に作用しないようにし、可変磁力磁石３に集中するようにすればよい。

本実施形態では、固定磁力磁石４の周囲に短絡コイル８を配置している。この場合、短絡コイル８は、固定磁力磁石４の磁化方向を中心軸として配置する。図２に示す、可変磁力磁石３の増磁方向の磁化を行う場合、前記ｄ軸電流による磁界Ａが固定磁力磁石４に作用すると、前記磁界Ａを打ち消すような誘導電流が短絡コイル８に流れる。したがって、固定磁力磁石４中には、前記ｄ軸電流による磁界Ａと短絡電流による磁界Ｃが作用し両者が打ち消し合うために、磁界の増減はほとんど生じない。

さらに、短絡電流による磁界Ｃは可変磁力磁石３にも作用し、ｄ軸電流による磁界Ａと同方向になる。したがって、可変磁力磁石３を磁化させる磁界Ａが強まり、少ないｄ軸電流で可変磁力磁石３を磁化できることになる。また、この短絡コイル８による磁界Ｃの磁力の方向は、固定磁力磁石４によって生じる磁界Ｂの磁力の方向と反対なので、この磁界Ｂの磁力を打ち消す方向にも作用する。よって少ない磁化電流により、可変磁力磁石３を効果的に増磁することができる。

このとき、固定磁力磁石４は短絡コイル８により前記ｄ軸電流の影響を受けなく、磁束の増加はほとんど生じないので、ｄ軸電流による電機子鉄心１１の磁気飽和も緩和できる。すなわち、電機子鉄心１１は、ｄ軸電流によって発生する磁界Ａが電機子巻線１２間に形成された磁路を通過することにより、その部分の磁気飽和が生じる可能性がある。しかし、本実施形態では、短絡コイル８の磁界Ｃのうち、電機子鉄心１１の磁路を通過する部分が、ｄ軸電流による磁界Ａと逆方向に作用するので、電機子鉄心１１の磁路が磁気飽和することが緩和される。

（１−４）永久磁石式回転電機の製造方法
前記のような構成を有する本実施形態の永久磁石式回転電機は、次のようにして製造される。図３において、符号２０は本実施形態の永久磁石式回転電機の回転子を示すものであって、この回転子２０はその軸方向中央部から２分割されており、第１の鉄心部２０ａと、第２の鉄心部２０ｂとから構成される。この各鉄心部２０ａ，２０ｂには、図１及び図２において説明したように、固定磁力磁石及び可変磁力磁石の装着孔、磁気障壁となる空洞部、短絡コイルの挿入孔２２ａ，２２ｂが、回転子の軸と平行に鉄心部を貫通するように形成されている。

各鉄心部２０ａ，２０ｂの間には、鉄心部と同一外径の導電性の板３０が配設されている。この導電性の板３０は、前記短絡コイルと同様な銅、アルミなどの導電性の材料によって構成される。導電性の板３０の表面には、一方の鉄心部２０ａ内において短絡コイルの一部を構成する一対の導電性バー３１ａ，３２ａが、また導電性の板３０の裏面には、他方の鉄心部２０ｂ内において短絡コイルの一部を構成する一対の導電性バー３１ｂ，３２ｂの一端が溶接、ろう付けなどの手段で固定されている。この導電性バー３１ａ〜３２ｂは、各鉄心部２０ａ，２０ｂの回転軸方向の寸法よりも、短絡コイルの回転子周方向の長さの１／２だけ長いものであって、各鉄心部の内側（回転子中心側）からこの導電性バー３１ａ〜３２ｂを短絡コイル装着孔２２に挿入した場合に、その先端部が各鉄心部の外側（回転子の外側面）に突出する寸法である。

この導電性バー３１ａ，３０ｂは、導電性の板３０の両面に設けられているが、導電性の板３０の表面と裏面とでは、その配設位置が異なっている。すなわち、本実施形態の永久磁石式回転電機は、回転子の鉄心部２０ａ，２０ｂがスキュー構造を採用しているため、回転子の左右の鉄心部２０ａ，２０ｂでは、可変磁力磁石や固定磁力磁石、あるいはその周囲に配置される短絡コイルの位置が、回転子の円周方向にずれている。従って、スキュー角度に合わせて、導電性の板３０の両面に設けられた導電性バー３１ａ，３２ａと３１ｂ，３２ｂも、導電性の板３０の表面と裏面とで回転子の周方向にずれた位置に設けられている。同様に、これらの導電性バー３１ａ〜３２ｂを挿入する短絡コイル挿入孔２２ａ，２２ｂもスキュー角度ずれた位置に設けられている。

なお、図では、短絡コイル挿入孔２２ａ，２２ｂ及び導電性バー３１ａ〜３２ｂの一部のみを示しているが、この挿入孔及び導電性バーの数は、磁極数、各磁極に設ける永久磁石数、また、各永久磁石に設ける短絡コイル数に応じて設定される。

このような構成を有する導電性の板３０を、その両面の導電性バー３１ａ〜３２ｂを短絡コイル挿入孔２２ａ，２２ｂに挿入した状態で、左右の鉄心部２０ａ，２０ｂに挟持させることで、本実施形態の回転子２０が構成される。この場合、回転子の左右の鉄心部２０ａ，２０ｂがスキューしており、磁極を構成する可変磁力磁石や固定磁力磁石の位置が周方向にずれていても、導電性の板３０に設けた導電性バー３１ａ〜３２ｂも導電性の板の表面と裏面でスキュー角度ずれた位置にあるので、左右の鉄心部２０ａ，２０ｂで導電性の板３０を挟持するように結合することで、鉄心の適切な位置（固定磁力磁石を取り囲む位置）に導電性バーを挿入することができる。

左右の鉄心部２０ａ，２０ｂにより導電性の板３０を挟持すると、回転子２０軸方向端面には導電性バー３１ａ〜３２ｂの先端が突出する。そこで、この突出した導電性バー３１ａと３２ａの先端、及び導電性バー３１ｂと３２ｂの先端同士を、溶接やろう付けなどの手段で短絡接続して、短絡接続部３３ａ，３３ｂを形成する。その結果、一方の鉄心部２０ａ内には、導電性の板３０−導電性バー３１ａ−短絡接続部３３ａ−導電性バー３２ａから成る短絡コイルが形成され、他方の鉄心部２０ｂ内には、導電性の板３０−導電性バー３１ｂ−短絡接続部３３ｂ−導電性バー３２ｂから成る短絡コイルが形成される。この短絡接続部３３ａ，３３ｂの外側は、絶縁材料または導電性バーよりも電気抵抗が大きな部材から成る端板３４ａ，３４ｂによって被覆する。

なお、前記のようにして導電性バー３１ａ〜３２ｂの先端同士を接続して短絡接続部３３ａ，３３ｂを形成する代わりに、別途用意した導電性の部材によって導電性バー導電性バー３１ａ〜３２ｂの先端を短絡させることもできる。

前記のような構成を有する第１実施形態によれば、導電性の板２０の両面に導電性バー３１ａ〜３２ｂを形成しておき、これを左右の鉄心部２０ａ，２０ｂにはめ込むという簡単な作業で、スキュー構造の鉄心内に短絡コイルを配置することができる。特に、短絡コイルを永久磁石とその周囲のブリッジ部とを取り囲むように設ける場合、従来の手法では、鉄心内に貫通した短絡コイル挿入孔内に、コイルを１本ずつ通して行く必要があり、その作業が繁雑であった。しかし、本実施形態では、左右の鉄心部で導電性の板を挟持する場合に、導電性の板に設けた導電性バーを鉄心部の挿入孔内に一括して挿入することで、鉄心内に設けるすべての短絡コイルを一挙に鉄心内に組み込むことができる。その結果、短絡コイルの組み込み作業が、従来技術に比較して格段に向上する。

また、回転子の中央部では、すべての短絡コイルの一部を導電性の板３０によって共用することで、コイルの結線作業や組み込み作業の簡略化が可能となる。特に、スキュー構造の回転子であっても、導電性の板３０に固定する導電性バー３１ａ〜３２ｂの位置を変更するだけで、スキュー角度や磁極の位置に柔軟に対応することができる。

（２）第２実施形態
この第２実施形態は、第１実施形態のような導電性の板を使用することなく、個々の導電性バーごとにスキュー角度に応じた段差部を設けることにより、左右の鉄心部２０ａ，２０ｂ内を貫通する短絡コイルを得るものである。すなわち、図６は、第２実施形態における各短絡コイルを形成する一対の導電性バー４１，４２を示す平面図、図７は、この導電性バー４１，４２によって形成された短絡コイルを有する回転子の断面図である。

この導電性バー４１，４２は、中央の段差部４３によって一体化された左右の鉄心挿入部４１ａ〜４２ｂを備えている。この鉄心挿入部４１ａ〜４２ｂは、各鉄心部２０ａ，２０ｂの回転軸方向の寸法よりも、短絡コイルの回転子周方向の長さの１／２だけ長いものであって、各鉄心部の内側（回転子中心側）からこの鉄心挿入部４１ａ〜４２ｂを短絡コイル装着孔に挿入した場合に、その先端部が各鉄心部の外側（回転子の外側面）に突出する寸法である。

第２実施形態において、回転子２０が一定のスキュー角度を有する左右の鉄心部２０ａ，２０ｂから構成されている。また、左右の鉄心部２０ａ，２０ｂに、可変磁力磁石や固定磁力磁石の装着孔、磁気障壁となる空洞部、及び短絡コイル挿入孔が、スキュー角度分だけずれた位置に設けられている点は、第１実施形態と同様である。

一方、左右の鉄心部２０ａ，２０ｂには、第１実施形態の導電性の板に代えて、スペーサ円板４４が設けられている。このスペーサ円板４４は、鉄心部２０ａ，２０ｂと同様に珪素鋼板によって構成されている。すなわち、このスペーサ円板４４は、短絡コイルの一部を構成するものではないので、第１実施形態のような導電性は不要であり、銅やアルミなどの材料で構成する必要はない。このスペーサ円板４４には、前記導電性バー４１，４２の段差部４３が入り込む空間部４５が形成されている。

なお、この一対の導電性バー４１，４２とその段差部４３が入り込む空間部４５は、各短絡コイルごとに設けられている。従って、磁極ごとに１個あるいは複数個の短絡コイルを設ける場合、その数に応じて、一対の導電性バー４１，４２と空間部４５を用意する。

このような構成を有する第２実施形態では、導電性バー４１，４２の一方の端部（例えば、鉄心挿入部４１ａ，４２ａ）を、回転子の分割された鉄心部２０ａの短絡コイル挿入孔内に差し込み、次いで、スペーサ円板４４をその空間部４５に導電性バー４１，４２の段差部４３が位置するように鉄心部２０ａに重ね合わせる。更に、スペーサ円板４４から突出している導電性バー４１，４２の反対側の鉄心挿入部４１ｂ，４２ｂが短絡コイル挿入孔に入り込むようにして、スペーサ円板４４に反対側の鉄心部２０ｂを重ね合わせる。その後、鉄心部２０ａ，２０ｂの軸方向端部より突出した導電性バー４１，４２の先端部を折り曲げて接続し、短絡接続部４６ａ，４６ｂを形成することで、短絡コイルを構成する。

なお、この場合、別途用意した部材で、導電性バー４１，４２の先端を短絡させても良い。また、第１実施形態のように、中央のスペーサ円板４４に各短絡コイルを構成する多数の導電性バー４１，４２をセットしておき、その両側から左右の鉄心部２０ａ，２０ｂを装着することも可能である。

その後、第１実施形態のように、短絡接続部４６ａ，４６ｂの外側を、絶縁材料あるいは導電性バーよりも電気抵抗が大きな部材から成る端板４８ａ，４８ｂによって被覆する。なお、絶縁材料の端板４８ａ，４８ｂの代わりに、端板として珪素鋼板を使用する場合には、図示のように短絡接続部の外側に絶縁部材４７ａ，４７ｂを設ける。

以上のような第２実施形態では、左右の鉄心部２０ａ，２０ｂ内を貫通した導電性バー４１，４２と、鉄心部２０ａ，２０ｂの軸方向端面において形成された短絡接続部４６ａ，４６ｂとにより、回転子鉄心内には、スペーサ円板４４部分においてスキュー分屈曲した１本の短絡コイルが形成され、回転子鉄心内でスキュー角度ずれた位置に配置された各鉄心部２０ａ，２０ｂ内の永久磁石の周囲に短絡コイルを配置することができる。

特に、第２実施形態では、中央に導電性の板を使用することがないので、短絡コイルを形成する個々の導電性バーと導電性の板との溶接やろう付けなどの接合作業が不要となり、その製造作業が簡単になる。また、回転子の中央に導電性の板が存在せず、スペーサ円板として鉄心部と同質の珪素鋼板を使用することが可能になるので、磁気特性も優れている。

（３）第３実施形態
この第３実施形態は、短絡コイルを溶融した導電性材料を回転子鉄心の導電性部材注入孔に流し込んで、導電性材料が固化したときに短絡コイルを形成するものである。以下、図８の断面図により、第３実施形態を説明する。

この第３実施形態においては、左右の鉄心部２０ａ，２０ｂの間にスペーサ円板５１を配置すると共に、鉄心部２０ａ，２０ｂの軸方向端部には端板５２ａ，５２ｂを配置する。各鉄心部２０ａ，２０ｂ内には、短絡コイルの位置に合わせて導電材料注入孔５３ａ，５３ｂが回転子の軸方向と平行に形成されている。この場合、左右の鉄心部２０ａ，２０ｂの導電部材注入孔５３ａ，５３ｂの位置は、鉄心部２０ａ，２０ｂのスキュー角度だけずれた位置に形成されている。

中央のスペーサ円板５１には、左右鉄心部に形成した導電部材注入孔５３ａ，５３ｂの鉄心中央側の開口部と連通する空間部５４が形成されている。また、左右の端板５２ａ，５２ｂには、導電部材注入孔５３ａ，５３ｂの鉄心端部側の開口部と連通する短絡接続部５５ａ，５５ｂが設けられている。一方の端板（図では、端板５２ａ）には、この短絡接続部５５ａと連通する導電材料の注入口５６が設けられている。

このような構成を有する第３実施形態では、左右の鉄心部２０ａ，２０ｂ、スペーサ円板５１及び左右の端板５２ａ，５２ｂを一体に密着固定した状態で、注入口５６から溶融した銅、アルミなどの導電材料を注入する。すると、この導電材料が、導電材料注入孔５３ａ，５３ｂ、空間部５４及び短絡接続部５５ａ，５５ｂ内に流入し、それが固化することにより、回転子鉄心内にスキュー角度ずれた構造の短絡コイルが形成される。

この第３実施形態によれば、鉄心内に個々の導電性バーを挿入する手間がなくなり、一挙に複雑な形状をした多数の短絡コイルを形成することができる。

（４）第４実施形態
第４実施形態は、直線状の導電性バーを左右の鉄心部に挿入しておき、左右の鉄心部をそれぞれ逆方向にスキューする角度だけひねりを加えることにより、鉄心中央部でスキュー角度分ずれた形状の短絡コイルを形成するものである。図９は、そのひねりを加える前の断面図、図１０はひねりを加えた結果得られたスキュー角度分の段差を有する短絡コイルの断面図である。

第４実施形態においては、左右の鉄心部２０ａ，２０ｂがスペース板６１を介して積層されている。このスペース板６１には、短絡コイルの形成時に、スキュー角度に応じた段差部が入り込むことのできる空間部６２が設けられている。また、左右の鉄心部２０ａ，２０ｂには、それぞれ一対の短絡コイルの挿入孔６３ａ，６３ｂが、回転子の軸方向と平行に設けられている。この場合、各挿入孔６３ａ，６３ｂは、スペース板６１の空間部６２に開口しており、各鉄心のスキュー前の状態では、一直線上に配置されている。この短絡コイルの挿入孔６３ａ，６３ｂには、Ｕ字形をした導電性バー６４の２本の足がそれぞれが挿入されている。

この図９に示すように、左右の鉄心部２０ａ，２０ｂとスペース板６１を重ね合わせた状態で、短絡コイル挿入孔６３ａ，６３ｂに導電性バー６４を挿入し、左右の鉄心部に対して、そのスキュー角度分のひねりを加える。すると、図１０に示すように、導電性バー６４は、鉄心中央のスペース板６１部分において屈曲し、そこにスキュー角度に応じた段差部６５が形成される。その後、回転子鉄心の一方の端面に露出しているＵ字形の導電性バー６４の足の部分の先端同士を溶接やろう付けなどで接合することで、一方の短絡接続部６６ａを形成する。なお、Ｕ字形の連結部分が他方の短絡接続部６６ｂとなる。

以上のような構成を有する第４実施形態によれば、直線状に配置された挿入孔６３ａ，６３ｂにＵ字形の導電性バー６４を挿入し、鉄心部にひねりを加えるだけで、鉄心内部で段差が付いた短絡コイルを簡単に作製することができる。特に、鉄心の一方向から導電性バー６４を挿入するだけでよいので、導電性バーの両側にそれぞれ鉄心部をはめ込む技術に比較して、製造工程が簡単になる。また、導電性バーも単なるＵ字形でよいので、加工も簡単であり、スキュー角度も鉄心部のひねり量によって決まるため、導電性バー自体はスキュー角度を考慮する必要がなく、どのようなスキュー角度の回転電機に対しても適用可能である。

本発明の第１実施形態を示す回転子と固定子の部分断面図で、可変磁力磁石の減磁時を示す。 本発明の第１実施形態を示す回転子と固定子の部分断面図で、可変磁力磁石の増磁時を示す。 本発明の第１実施形態の回転子の組立途中の状態を示す分解斜視図。 本発明の第１実施形態を示す回転軸と平行な方向の断面図で、鉄心の組立途中の状態を示す。 本発明の第１実施形態を示す回転軸と平行な方向の断面図で、鉄心の完成状態を示す。 本発明の第２実施形態における導電性バーの平面図。 本発明の第２実施形態を示す回転軸と平行な方向の断面図で、鉄心の完成状態を示す。 本発明の第３の実施形態を示す回転子の断面図で、鉄心の完成状態を示す。 本発明の第４の実施形態を示す回転子の断面図で、鉄心の組立途中の状態を示す。 本発明の第４の実施形態を示す回転子の断面図で、鉄心の完成状態を示す。

符号の説明

１…回転子
２…回転子鉄心
３…保持力と磁化方向厚さの積が小さい永久磁石（可変磁力磁石）
４…保持力と磁化方向厚さの積が大きい永久磁石（固定磁力磁石）
５…永久磁石端の空洞
６…ブリッジ部
９…エアギャップ
１０…固定子
１１…電機子鉄心
１２…電機子巻線
２０ａ，２０ｂ…鉄心部
２２ａ，２２ｂ，６３ａ，６３ｂ…短絡コイル挿入孔
３０…導電性の板
３１ａ〜３２ｂ，４１，４２，６４…導電性バー
４１ａ〜４２ｂ…鉄心挿入部
４３，６５…段差部
４４，５１，６１…スペーサ円板
４５，５４，６２…空間部
５２ａ，５２ｂ…端板
５３ａ，５３ｂ…導電部材注入孔
５５ａ，５５ｂ，６６ａ，６６ｂ…短絡接続部
５６…注入口

Claims (10)

1. 保持力と磁化方向厚さの積が互いに異なる２種類以上の永久磁石を用いて磁極を形成し、この磁極を回転子鉄心内に複数個配置して回転子を形成し、この回転子の外径にエアギャップを介して固定子を配置し、この固定子に電機子鉄心と電機子巻線を設け、この電機子巻線が作る磁界により前記回転子の磁極を構成する永久磁石の少なくとも１個を磁化させた永久磁石式回転電機において、
   前記回転子の鉄心を軸方向において２つ以上に分割し、この分割した鉄心部同士の磁極位置を周方向にスキューさせ、各鉄心部には永久磁石の磁化を行なう際に磁化時に発生する磁束によって短絡電流が流れるような導電性の短絡コイルを設け、
   各鉄心部の短絡コイルを、各鉄心部のスキュー角度に応じて回転子の周方向にずれた角度で配置すると共に、各鉄心部の短絡コイルを鉄心の境界部において段差部をもって接続し、
   前記短絡コイルを、
   各鉄心部の境界部に配置された導電性の板と、
   この導電性の板の表裏両面のスキュー角度に相当した分だけ回転子の周方向にずれた場所から、各鉄心部に向かって回転子の軸方向に突出した導電性バーと、
   この導電性バーの先端を鉄心部の軸方向端部で接続する短絡接続部とから構成することを特徴とする永久磁石式回転電機。
2. 保持力と磁化方向厚さの積が互いに異なる２種類以上の永久磁石を用いて磁極を形成し、この磁極を回転子鉄心内に複数個配置して回転子を形成し、この回転子の外径にエアギャップを介して固定子を配置し、この固定子に電機子鉄心と電機子巻線を設け、この電機子巻線が作る磁界により前記回転子の磁極を構成する永久磁石の少なくとも１個を磁化させた永久磁石式回転電機において、
   前記回転子の鉄心を軸方向において２つ以上に分割し、この分割した鉄心部同士の磁極位置を周方向にスキューさせ、各鉄心部には永久磁石の磁化を行なう際に磁化時に発生する磁束によって短絡電流が流れるような導電性の短絡コイルを設け、
   各鉄心部の短絡コイルを、各鉄心部のスキュー角度に応じて回転子の周方向にずれた角度で配置すると共に、各鉄心部の短絡コイルを鉄心の境界部において段差部をもって接続し、
   前記短絡コイルを、中央部でスキューに相当する長さ分だけ段差部を有する一対の導電性バーと、この導電性バーを鉄心部の軸方向端部で接続する短絡接続部とから構成し、
   前記鉄心部の境界にスペース板を配置し、このスペース板に前記導電性バーの段差部が入る空間部を形成することを特徴とする永久磁石式回転電機。
3. 前記短絡コイルを、中央部でスキューに相当する長さ分だけ段差部を有する一対の導電性部材注入孔と、鉄心部の軸方向端部で接続する短絡接続部と、前記鉄心部の境界に配置されたスペース板に形成された空間部に、溶融した導電性材料を流し込んで固化することにより形成することを特徴とする請求項２に記載の永久磁石式回転電機。
4. 前記短絡接続部を、鉄心部の軸方向端部から突出した導電性バーの先端を折り曲げて短絡接続して構成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回転電機。
5. 前記回転子鉄心の軸方向外側に回転子鉄心を軸方向に挟み込んで押える端板を設け、この端板を回転子鉄心内に設けた導電性部材の抵抗率より大きな抵抗率の材料又は絶縁材料で構成することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の永久磁石式回転電機。
6. 前記回転子鉄心の軸方向外側に回転子鉄心を軸方向に挟み込んで押える端板を設け、この端板の回転子鉄心内に設けた導電性部材と接触する箇所に絶縁処理を施したことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の永久磁石式回転電機。
7. 保持力と磁化方向厚さの積が互いに異なる２種類以上の永久磁石を用いて磁極を形成し、この磁極を回転子鉄心内に複数個配置して回転子を形成し、この回転子の外径にエアギャップを介して固定子を配置し、この固定子に電機子鉄心と電機子巻線を設け、この電機子巻線が作る磁界により前記回転子の磁極を構成する永久磁石の少なくとも１個を磁化させ、
   前記回転子の鉄心を軸方向において２つ以上に分割し、この分割した鉄心部同士の磁極位置を周方向にスキューさせ、各鉄心部には永久磁石の磁化を行なう際に磁化時に発生する磁束によって短絡電流が流れるような導電性の短絡コイルを設けた永久磁石式回転電機の製造方法において、
   前記短絡コイルを、
   分割した鉄心部の境界部に配置さる導電性の板の表裏両面に、鉄心部のスキュー角度に相当した分だけ回転子の周方向にずれた場所から、各鉄心部に向かって回転子の軸方向に突出した導電性バーを一体に設け、
   前記分割した鉄心部を、その短絡コイル挿入孔内に前記導電性バーが入り込むようにして、回転子の軸方向から前記導電性の板に重ね合わせ、
   各鉄心部の軸方向端面において前記導電性バーの先端を接続して短絡接続部を形成することにより、短絡コイルを構成することを特徴とする永久磁石式回転電機の製造方法。
8. 保持力と磁化方向厚さの積が互いに異なる２種類以上の永久磁石を用いて磁極を形成し、この磁極を回転子鉄心内に複数個配置して回転子を形成し、この回転子の外径にエアギャップを介して固定子を配置し、この固定子に電機子鉄心と電機子巻線を設け、この電機子巻線が作る磁界により前記回転子の磁極を構成する永久磁石の少なくとも１個を磁化させ、
   前記回転子の鉄心を軸方向において２つ以上に分割し、この分割した鉄心部同士の磁極位置を周方向にスキューさせ、各鉄心部には永久磁石の磁化を行なう際に磁化時に発生する磁束によって短絡電流が流れるような導電性の短絡コイルを設けた永久磁石式回転電機の製造方法において、
   中央部でスキューに相当する長さ分だけ段差部を有する一対の導電性バーと、この導電性バーの段差部が入る空間部を有するスペース板を使用し、
   前記分割された鉄心部の境界にスペース板を配置し、このスペース板の空間部に前記導電性バーの段差部を収容すると共に、一対の導電性バーを各鉄心部の短絡コイル挿入孔内に挿入し、
   各鉄心部の軸方向端面において前記導電性バーの先端を接続して短絡接続部を形成することにより、短絡コイルを構成することを特徴とする永久磁石式回転電機の製造方法。
9. 保持力と磁化方向厚さの積が互いに異なる２種類以上の永久磁石を用いて磁極を形成し、この磁極を回転子鉄心内に複数個配置して回転子を形成し、この回転子の外径にエアギャップを介して固定子を配置し、この固定子に電機子鉄心と電機子巻線を設け、この電機子巻線が作る磁界により前記回転子の磁極を構成する永久磁石の少なくとも１個を磁化させ、
   前記回転子の鉄心を軸方向において２つ以上に分割し、この分割した鉄心部同士の磁極位置を周方向にスキューさせ、各鉄心部には永久磁石の磁化を行なう際に磁化時に発生する磁束によって短絡電流が流れるような導電性の短絡コイルを設けた永久磁石式回転電機の製造方法において、
   分割された各鉄心部内にそれぞれ一対の導電性材料注入孔を、各鉄心部の一対の導電性部材注入孔をスキューに相当する長さ分だけずれた位置に形成すると共に、各鉄心部の中央部に各鉄心部の導電性材料注入孔を連通する空間部を有するスペース板を設け、各鉄心の軸方向端部には短絡接続部を有する端板を設け、
   これら各鉄心部、スペース板及び端板を一体化した状態で、導電性材料注入孔、空間部及び短絡接続部内に溶融した導電性材料を注入し、
   注入した導電性材料を固化することにより、短絡コイルを得ることを特徴とする永久磁石式回転電機の製造方法。
10. 保持力と磁化方向厚さの積が互いに異なる２種類以上の永久磁石を用いて磁極を形成し、この磁極を回転子鉄心内に複数個配置して回転子を形成し、この回転子の外径にエアギャップを介して固定子を配置し、この固定子に電機子鉄心と電機子巻線を設け、この電機子巻線が作る磁界により前記回転子の磁極を構成する永久磁石の少なくとも１個を磁化させ、
    前記回転子の鉄心を軸方向において２つ以上に分割し、この分割した鉄心部同士の磁極位置を周方向にスキューさせ、各鉄心部には永久磁石の磁化を行なう際に磁化時に発生する磁束によって短絡電流が流れるような導電性の短絡コイルを設けた永久磁石式回転電機の製造方法において、
    前記軸方向に分割した各鉄心部に形成した短絡コイルの挿入孔の位置一致させ、各鉄心部の間に、鉄心部がスキューされた状態においても各回転子鉄心の短絡コイル挿入孔が連通するような空間を有するスペース板を配置し、
    各鉄心部とスペース板が並んだ状態において、導電性バーを回転子の軸方向から挿入し、
    その後、軸方向に分割した鉄心部をスキューする角度分だけひねることにより、各鉄心部の境界部においてスキュー角度分段差の付いた導電性バーを形成し、
    各鉄心部の軸方向端面において前記導電性バーの先端を接続して短絡接続部を形成することにより、短絡コイルを構成することを特徴とする永久磁石式回転電機の製造方法。

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