JP5515413B2 - 埋込磁石型同期電動機のロータ - Google Patents

Description

本発明は、ロータコア内部に磁極を形成する永久磁石を埋め込んだ構成の埋込磁石型同期電動機のロータに関する。

従来、埋込磁石型同期電動機のロータにおいて、隣り合う異極の永久磁石の間に非磁性部を設けるとともに、１つの磁極を形成する永久磁石の磁石中心軸付近にコア部材を配置することで、ｄ軸インダクタンスがｑ軸インダクタンスよりも大となる順突極型の特性が得られるようにしたものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。この特許文献１に記載のロータを用いた埋込磁石型同期電動機は、永久磁石による磁石磁界を強める方向のｄ軸電流（強め界磁電流）の通電によりリラクタンストルクが得られるので、効率的な運転を実現する電動機として期待が寄せられている。

特開２００６−８１３７７号公報

しかしながら、上記の特許文献１に記載のロータを用いた埋込磁石型同期電動機では、無負荷時において、磁石磁束がステータコアを流れることの影響によりステータコアにおける磁束の変動が発生し、この磁束変動が大きくなると鉄損を増大させるために、電動機のさらなる効率向上を図る上で障害となるといった問題があった。

本発明は、以上のような従来技術の問題点に鑑みて創案されたものであって、電動機のさらなる効率向上を図ることが可能な埋込磁石型同期電動機のロータを提供することを目的としている。

本発明に係る埋込磁石型同期電動機のロータは、一の磁極の永久磁石の中心軸付近から、隣接する他の磁極の永久磁石の中心軸付近に向かうように、ロータの円周とは逆方向に凸となる円弧状に形成された磁気障壁が形成され、磁気障壁は、永久磁石の中心軸付近において、コア材のトルク発生方向の前方が、後方よりも、コア材の最外周部側に延在している。

本発明に係る埋込磁石型同期電動機のロータによれば、無負荷時には磁石磁束の多くを短絡磁束としてロータ内部で循環させてステータコアにおける磁束変動を有効に抑制することができるようになるため、電動機の効率を向上させることができる。

本発明を適用した強め界磁ロータの基本構成を模式的に示す図であり、１つの極対部分を拡大して示したロータ展開図である。 本発明を適用した強め界磁ロータの無負荷時における磁石磁束の流れを説明する模式図である。 本発明を適用した強め界磁ロータの有負荷時における作用を説明する模式図である。 ステータコイルに通電するｄ軸電流とステータコイルに鎖交する磁石磁束の主磁束成分の磁束量との関係を示す図である。 ｑ軸方向に対するステータ位相角（β角）と埋込磁石型同期電動機のトルク出力との関係を示す図である。 本発明を適用した強め界磁ロータを用いた埋込磁石型同期電動機における特性を説明する図である。 本発明の第１実施例としての強め界磁ロータの平面図である。 本発明の第２実施例としての強め界磁ロータの平面図である。 参考例として示す強め界磁ロータの平面図である。 本発明の第３実施例としての強め界磁ロータの平面図である。 図１０におけるＡ部の拡大図である。 図１０におけるＺ−Ｚ断面図である。 ステータコイルへの通電時に可動磁性体がトルク発生方向の前方側に変位した状態を示す図である。 本発明の第４実施例としての強め界磁ロータの平面図である。 図１４におけるＺ’−Ｚ’断面図である。 本発明の第５実施例としての強め界磁ロータの平面図である。 第５実施例としての強め界磁ロータで用いられるロータ部品Ａを示す平面図である。 図１６におけるＺ’’−Ｚ’’断面図である。 磁束短絡部材の軸方向に沿った断面図である。

［本発明の基本原理］
まず、本発明の基本原理について、図１乃至図６を参照して説明する。

埋込磁石型同期電動機は、ロータコア内部に埋め込まれた永久磁石の位置に合わせてステータ（固定子）から発生する磁束に応じてロータ（回転子）が回転する構造の電動機であり、マグネットトルクのほかにリラクタンストルクも利用できるため、高効率の電動機として広く普及している。埋込磁石型同期電動機のステータは、電流を通電することによって磁束を発生させるステータコイルと、当該ステータコイルへの通電により発生した磁束を高密度・高効率で流すステータコアとを有する。一方、埋込磁石型同期電動機のロータは、ステータの内側にエアギャップを介して回転自在に配置されたロータコアと、当該ロータコアの周方向に沿って交互に極性を変えて並ぶように配置された複数の磁極を形成する永久磁石とを有する。

埋込磁石型同期電動機のロータとしては、磁極を形成する各永久磁石の磁石中心軸（磁石磁束座標軸）であるｄ軸方向のインダクタンスＬｄよりも、隣り合う異極の永久磁石間を通る軸（磁石磁束座標軸と直交する軸）であるｑ軸方向のインダクタンスＬｑの方が大きい、いわゆる逆突極型のロータが一般的であるが、近年では、隣り合う異極の永久磁石の間に空気層などの非磁性部を設けるとともに、各磁極のｄ軸付近に永久磁石を２つの磁石部に分割するように磁性体のコア材を配置して、ｄ軸インダクタンスＬｄがｑ軸インダクタンスＬｑよりも大となる順突極型として、強め界磁電流の通電によりリラクタンストルクが得られるようにしたロータ（以下、強め界磁ロータという。）も用いられるようになってきている。本発明は、この埋込磁石型同期電動機に用いられる強め界磁ロータに対して適用される。

図１は、本発明を適用した強め界磁ロータの基本的な構成を模式的に示す図であり、ロータ周方向に隣り合って配置されたＮ極永久磁石１及びＳ極永久磁石２からなる１つの極対部分を拡大して示したロータ展開図である。本発明を適用した強め界磁ロータにおいて、Ｎ極永久磁石１及びＳ極永久磁石２は、それぞれ磁石中心軸（ｄ軸）付近に配置されたコア材（磁性体）３Ｎ，３Ｓによって２つの磁石部１ａ，１ｂ、２ａ，２ｂに分割され、ｄ軸方向の磁気抵抗が低くされている。また、Ｎ極永久磁石１とＳ極永久磁石２の間の磁石端部間の領域には非磁性部である空気層４が設けられ、ｑ軸方向の磁気抵抗が高められている。これにより、ｄ軸インダクタンスＬｄがｑ軸インダクタンスＬｑよりも大となる順突極型の特性が得られるようになっている。

隣り合うＮ極永久磁石１とＳ極永久磁石２は、空気層４よりもロータ回転軸側（図１における下側）に配置されたコア材５によって磁気的に結合されている。また、各永久磁石１，２のステータ側（図１における上側）に各々コア材６Ｎ，６Ｓが配置され、これらのコア材６Ｎ，６Ｓ及びコア材５により、永久磁石１，２による磁石磁束のうち、ステータコア側に流れてステータコイルに鎖交する磁束成分である主磁束成分が流れる主磁束回路部ＭＣ１が形成されている。

また、Ｎ極永久磁石１を２つの磁石部１ａ，１ｂに分割するコア材３Ｎと、Ｓ極永久磁石２を２つの磁石部２ａ，２ｂに分割するコア材３Ｓは、主磁束回路部ＭＣ１を構成するコア材５よりもロータ回転軸側に磁気障壁を介して配置されたコア材７によって磁気的に結合されており、これらのコア材３Ｎ，３Ｓ及びコア材７によって、無負荷時（ステータコイルへの非通電時）に、磁石磁束の主磁束成分とは逆方向に流れてロータ内部を循環する短絡磁束が流れる短絡回路部ＭＣ２が形成されている。

ここで、主磁束回路部ＭＣ１と短絡回路部ＭＣ２との間は、各永久磁石１，２を２つの磁石部１ａ，１ｂ、２ａ，２ｂに分割するコア材３Ｎ，３Ｓから見てトルク発生方向における後方側よりも前方側において、両者の間の磁気抵抗が低くされていることが望ましい。さらには、短絡回路部ＭＣ２が、コア材３Ｎ，３Ｓから見てトルク発生方向における前方側の位置にて、主磁束回路部ＭＣ１と磁気的に結合されていることが望ましい。具体的には、Ｎ極永久磁石１側では、短絡回路部ＭＣ２を構成するコア材３Ｎと主磁束回路部ＭＣ１を構成するコア材６Ｎとが、トルク発生方向における前方側にて磁気的に結合され、Ｓ極永久磁石１側では、短絡回路部ＭＣ２を構成するコア材３Ｎと主磁束回路部ＭＣ１を構成するコア材６Ｎとが、トルク発生方向における前方側にて磁気的に結合される。なお、ここでトルク発生方向とは、埋込磁石型同期電動機としてのトルク（力）が発生する方向であり、埋込磁石型動機電動機をモータとして駆動に用いる場合はロータ回転方向と一致した方向、埋込磁石型動機電動機をジェネレータとして電力回生に用いる場合はロータ回転方向と逆向きの方向である。

本発明を適用した強め界磁ロータでは、以上のように、隣り合うＮ極永久磁石１とＳ極永久磁石２のｄ軸間を結合するように短絡回路部ＭＣ２が設けられているので、無負荷時には磁石磁束の多くを短絡磁束としてロータ内部で循環させてステータコアにおける磁束変動を有効に抑制することができ、有負荷時には、少ない強め界磁電流で短絡磁束を効率よく主磁束成分に変換して多くの磁石磁束をステータコイルに鎖交させることができる。また、短絡回路部ＭＣ２がコア材３Ｎ，３Ｓのトルク発生方向前方側にて主磁束回路部ＭＣ１と磁気的に結合されることにより、無負荷時にはより多くの磁石磁束を短絡磁束としてロータ内部で循環させることができる。

図２は、本発明を適用した強め界磁ロータの無負荷時における磁石磁束の流れを説明する模式図である。無負荷時においては、図２に示すように、磁石磁束の多くが短絡磁束となり短絡回路部ＭＣ２を通ってロータ内部で循環する。これにより、ステータコア側に流れる磁石磁束（主磁束成分）が相対的に低減され、ステータコア側での磁束変動に起因する鉄損が低減される。

図３は、本発明を適用した強め界磁ロータの有負荷時における作用を説明する模式図である。有負荷時においては、図３に示すように、強め界磁領域に位置する磁石部１ａからの短絡磁束が、強め界磁電流の通電により生じる磁界の作用でステータコア２０側に吸引されて、主磁束に変換される。また、弱め界磁領域に位置する磁石部１ｂからの短絡磁束についても、コア材６Ｎとコア材３Ｎとの間に磁気障壁が設けられているために短絡回路部ＭＣ２には流れず、ステータコア２０側へと流れる。これにより、主磁束回路部ＭＣ１を通過する多くの磁石磁束をステータコイルに鎖交させることができ、短絡のないロータを用いた場合と同等の最大トルクを実現することが可能となる。なお、ここで強め界磁領域とは、ステータコイルへの通電により発生する磁束が磁石磁束を強める方向に作用する領域であり、弱め界磁領域とは、ステータコイルへの通電により発生する磁束が磁石磁束を弱める方向に作用する領域である。

埋込磁石型同期電動機の構成が全節巻き（スロット数／極数／相数＝１以上の整数）の場合は、ロータの磁極を形成する各永久磁石１，２に対して、ステータの電流位相は同じになる。本発明を適用した強め界磁ロータでは、このようにステータの電流位相が同じ状態で、Ｎ極永久磁石１の強め界磁領域に位置する磁石部１ａとＳ極永久磁石２の強め界磁領域に位置する磁石部２ａとが短絡回路部ＭＣ２により接続されることになるので、Ｎ極永久磁石１の強め界磁領域における短絡回路部ＭＣ２上の点Ａを通過する短絡磁束を弱める方向に電流を流すと、Ｓ極永久磁石２の強め界磁領域における短絡回路部ＭＣ２上の点Ｂを通過する短絡磁束も同様に弱めることが可能となる。そして、電流負荷を上げると、点Ａと点Ｂとで磁気ポテンシャルが同位となるため、短絡回路部ＭＣ２に磁束は流れなくなる。

図４は、ステータコイルに通電するｄ軸電流とステータコイルに鎖交する磁石磁束の主磁束成分の磁束量との関係を示す図であり、（ａ）は従来の一般的な強め界磁ロータ（前記特許文献１にて開示される構成のロータ）を用いた場合、（ｂ）は本発明を適用した強め界磁ロータを用いた場合をそれぞれ示している。なお、図中の実線で示すグラフは高負荷時における磁束量変化、破線で示すグラフは中負荷時における磁束量変化、一点鎖線で示すグラフは低負荷時における磁束量変化をそれぞれ示している。

埋込磁石型同期電動機におけるトルク出力は、Torque＝Ｐ×（Ψａ×ｉｑ＋（Ｌｄ−Ｌｑ）×ｉｄ×ｉｑ）で求めることができ、この式の中で左項のΨａ×ｉｑがマグネットトルク、右項の（Ｌｄ−Ｌｑ）×ｉｄ×ｉｑがリラクタンストルクである。なお、Ψａは鎖交磁束、Ｌｄはｄ軸インダクタンス、Ｌｑはｑ軸インダクタンス、ｉｄはｄ軸電流、ｉｑはｑ軸電流、Ｐは極対数である。強め界磁ロータは、上述したように、Ｌｄ＞Ｌｑとなる順突極性を有する構成とされているため、リラクタンストルクはｄ軸電流ｉｄがプラスのとき（β角がマイナスのとき）に発生することになる。ここで、従来の一般的な強め界磁ロータを用いた場合には、図４（ａ）に示すように、ステータコイルに鎖交する磁石磁束は、埋込磁石型同期電動機の運転状況に関わらず一定となる。つまり、従来の一般的な強め界磁ロータでは、ステータコイルに通電するｄ軸電流の大小や弱め界磁制御、強め界磁制御に関わらず、ステータコイルに鎖交する磁石磁束の主磁束成分の磁束量が同一の値を示す。これに対して、本発明を適用した強め界磁ロータを用いた場合には、図４（ｂ）に示すように、ステータコイルに鎖交する磁石磁束がステータコイルに通電するｄ軸電流に応じて変化し、強め界磁電流が流れることでステータコイルに鎖交する磁石磁束の主磁束成分の磁束量が大きくなる。これは、ステータコイルへの通電により発生する磁界の作用により、ロータ内部で循環していた短絡磁束が主磁束成分に変換されたことによるものである。

図５は、β角（ｑ軸方向を０°としたときのステータの位相角[degE]）と埋込磁石型同期電動機のトルク出力との関係を示す図であり、（ａ）は従来の一般的な強め界磁ロータを用いた場合、（ｂ）は本発明を適用した強め界磁ロータを用いた場合をそれぞれ示している。なお、図中の実線で示すグラフはマグネットトルクを示し、破線で示すグラフはリラクタンストルクを示し、一点鎖線で示すグラフは総合トルクを示している。

従来の一般的な強め界磁ロータを用いた場合には、図５（ａ）に示すように、β角＝０度のときにマグネットトルクが最大となり、その他のβ角では、β角に応じてマグネットトルクが円弧を描くように低下していく。これに対して、本発明を適用した強め界磁ロータを用いた場合には、β角が２０度以下の領域においてロータ内部で循環していた短絡磁束が急激に主磁束成分へと変換され始めるため、図５（ｂ）に示すように、マグネットトルクを急激に増加させることができる。また、β角が２０度以下の領域においては磁石磁束が低下するため、従来の一般的な強め界磁ロータと比べてトルクの落ち込みが大きい。すなわち、少ない弱め界磁電流（β角）で磁石磁束を低下させることができるため、弱め界磁電流の通電による銅損を低減させることができる。

以上のことから、本発明を適用した強め界磁ロータを用いた埋込磁石型同期電動機は、従来の一般的な強め界磁ロータを用いた場合と比較して、最大負荷領域、無負荷若しくは低負荷領域、高速回転領域のそれぞれにおいて、以下のような特性が得られる。

最大負荷領域：ステータコイルに強め界磁電流を通電することによってロータにおける短絡磁束が主磁束成分に変換され、従来の一般的な強め界磁ロータを用いた場合と同等の磁石磁束が得られるため、従来の一般的な強め界磁ロータを用いた場合と同等の最大トルクを得ることができる。

無負荷若しくは低負荷領域：ロータにおける磁石磁束の多くが短絡磁束となってロータ内部で循環するため、ステータコアを流れる磁石磁束が低減され、ステータコアにおける磁束変動に起因するステータ鉄損が低減される。

高速回転領域：高速回転領域においてステータコイルに生じる誘起電圧を許容値以下に抑えるために弱め界磁制御が必要となる場合に、少ない弱め界磁電流で誘起電圧を許容値以下に抑えることができるため、弱め界磁電流の通電による銅損が低減される。

図６は、本発明を適用した強め界磁ロータを用いた埋込磁石型同期電動機における以上の特性をまとめたものである。本発明を適用した強め界磁ロータを用いた埋込磁石型同期電動機では、図６中のＡの領域において、従来の一般的な強め界磁ロータを用いた埋込磁石型同期電動機と同等の効率が得られ、図６中のＢの領域においては、従来の一般的な強め界磁ロータを用いた埋込磁石型同期電動機よりも効率が向上することになる。

さらに、本発明を適用した強め界磁ロータを用いた埋込磁石型同期電動機においては、以下の理由により、永久磁石の減磁に対する耐力を向上させることができる。

すなわち、本発明を適用した強め界磁ロータを用いた埋込磁石型同期電動機では、上述したように、弱め界磁制御時に磁石磁束が低下することで、少ない弱め界磁電流で誘起電圧を許容値以下に抑えることができるため、永久磁石に反磁界を印加することによる減磁を有効に抑制することができ、減磁耐力が向上する。

また、通常、β角の基準となる位置は無負荷誘起電圧がピークとなる位相を指し、一般的な埋込磁石型同期電動機では、各永久磁石の磁石中心軸であるｄ軸が電気角９０度の位置、隣り合う異極の永久磁石間のｑ軸が電気角０度の位置となる。しかしながら、本発明を適用した強め界磁ロータを用いた埋込磁石型同期電動機では、無負荷時においてトルク発生方向の前方の磁石磁束がロータ内部で循環する短絡磁束となって誘起電圧に変換されないため、誘起電圧のピーク位相は幾何学的に決まる位相よりも若干遅角する。ここで、例えば、β角が０度の位相が幾何学的なｑ軸の位置から２０度Ｅ遅角したとすると、Ｂ角０度の位相でステータコイルに通電することは一般的な埋込磁石型同期電動機では強め界磁制御を行っている状態となり、強め界磁側の永久磁石には強め界磁電流が作用することになる。また、β角の最大であるβ角９０度の場合においても、一般的な埋込磁石型動機電動機においてはベータ角７０度の位相が９０度となるため、弱め界磁側の永久磁石には少ない弱め界磁電流しか作用しないことになる。これにより、電動機の駆動領域全体のパーミアン係数が上昇するため、永久磁石の減磁に対する耐力が向上する。

以上、本発明の基本原理について説明したが、次に、本発明を適用した強め界磁ロータの具体的な実施例について説明する。

［第１実施例］
まず、本発明の第１実施例について説明する。図７は、本発明の第１実施例としての強め界磁ロータの平面図である。

第１実施例の強め界磁ロータは、図７に示すように、電磁鋼板により構成される円盤状のロータコア１０を備え、このロータコア１０の内部に磁極を形成するＮ極永久磁石１とＳ極永久磁石２とが埋め込まれている。なお、本実施例では、Ｎ極永久磁石１とＳ極永久磁石２とを、ロータコア１０の周方向に沿って交互に３つずつ、等間隔に配置した例を例示している。

磁極を形成する各永久磁石１，２の磁石中心軸（ｄ軸）付近には、ロータコア１０を構成する電磁鋼板（コア材）が延在されている。各永久磁石１，２は、ｄ軸付近にこの電磁鋼板が介在することによってそれぞれ２つの磁石部１ａ，１ｂ、２ａ，２ｂに分割され、ｄ軸方向における磁気抵抗が低減されている。また、隣り合うＮ極永久磁石１とＳ極永久磁石２の磁石端部間の領域には、電磁鋼板に打ち抜き加工することで形成した半円形状の空気層４が設けられ、ｑ軸方向における磁気抵抗の増大が図られている。

Ｎ極永久磁石１の磁石部１ａとこれに隣接するＳ極永久磁石２の磁石部２ｂ、及び、Ｎ極永久磁石１の磁石部１ｂとこれに隣接するＳ極永久磁石２の磁石部２ａは、それぞれロータコア１０を構成する電磁鋼板によって磁気的に結合されており、これらの間の磁路が主磁束回路部ＭＣ１とされている。また、Ｎ極永久磁石１を２つの磁石部１ａ，１ｂに分割するコア材（ｄ軸付近に延在される電磁鋼板）とＳ極永久磁石２を２つの磁石部２ａ，２ｂに分割するコア材（ｄ軸付近に延在される電磁鋼板）とが、ロータコア１０を構成する電磁鋼板によって磁気的に結合されており、これらの間の磁路が短絡回路部ＭＣ２とされている。

主磁束回路部ＭＣ１と短絡回路部ＭＣ２は、電磁鋼板に打ち抜き加工することで形成した円弧状の空隙部１１によって分離されている。すなわち、ロータコア１０を構成する電磁鋼板に磁気障壁となる空隙部１１が設けられることによって、隣り合う異極の永久磁石１，２間の磁路が、主磁束回路部ＭＣ１と短絡回路部ＭＣ２とに分離されている。なお、主磁束回路部ＭＣ１は、上述したように、ステータコイルに鎖交する磁石磁束の主磁束成分が流れる磁路であり、短絡回路部ＭＣ２は、無負荷時において主磁束成分とは逆方向に流れてロータ内部で循環する短絡磁束が流れる磁路である。

以上のように構成される第１実施例の強め界磁ロータでは、これを用いた埋込磁石型同期電動機の無負荷時、つまりステータコイルに電流を流していないときには、Ｓ極永久磁石２からＮ極永久磁石１へと向かって主磁束回路部ＭＣ１内を磁石磁束が流れ、空隙部１１を通り抜けた磁石磁束の多くが、Ｎ極永久磁石１からＳ極永久磁石２へと向かって短絡回路部ＭＣ２内を主磁束回路部ＭＣ１とは逆向きに流れ、再度、主磁束回路部ＭＣ１内に流入してロータ内部で循環する。このように、無負荷時においては磁石磁束の多くがロータ内部で循環する短絡磁束となるため、ステータ側から見た磁石磁束、つまりステータコイルに鎖交する主磁束成分は低減される。

ここで、ステータコイルに対して通電を行うと、Ｎ極永久磁石１のトルク発生方向の前方側に配置されている磁石部１ａには強め界磁磁束が作用し、トルク発生方向の後方側に配置されている磁石部１ｂには弱め界磁磁束が作用することになる。このうち、強め界磁磁束が作用する磁石部１ａからの磁石磁束は強め界磁磁束によって磁束が強められているためステータ側へと吸引され、磁束の流れが弱め方向となる短絡回路部ＭＣ２には磁束が流れない。また、弱め界磁磁束が作用する磁石部１ａからの磁石磁束は、磁気障壁となる空隙部１１が介在することで短絡回路部ＭＣ２には流れにくくなっている。これらによって、ステータコイルに通電する電流の強さに応じてロータ内部で循環する短絡磁束が低減され、結果として、ステータコイルに鎖交する磁石磁束の主磁束成分が増加することになる。

以上のように、第１実施例の強め界磁ロータを用いた埋込磁石型同期電動機では、ステータコイルへの通電を行っていない無負荷時においては、磁石磁束の多くが短絡磁束となってロータ内部で循環するため、ステータコイルに鎖交する主磁束成分の磁束量が低減される。よって、磁石磁束の主磁束成分がステータコアを流れることによって発生するステータ鉄損を低減することができる。この効果は、特に低負荷・高速領域における電動機の効率を改善する上で有効となる。

また、第１実施例の強め界磁ロータを用いた埋込磁石型同期電動機では、ステータコイルへの通電を行うことで、ロータ内部で循環していた短絡磁束をステータコイルに鎖交する主磁束成分へと効率よく変換することができるので、最大電流を通電したときには磁石磁束が短絡していない状態と同等の高トルクを出力することが可能である。すなわち、第１実施例の強め界磁ロータを用いた埋込磁石型同期電動機は、低負荷・高速領域の効率を改善しながら、高トルク領域の効率を、磁石磁束の短絡のない電動機と同等とすることができる。

［第２実施例］
次に、本発明の第２実施例について説明する。図８は、本発明の第２実施例としての強め界磁ロータの平面図である。

第２実施例の強め界磁ロータは、基本的な構造については第１実施例の強め界磁ロータと同様であるが、主磁束回路部ＭＣ１と短絡回路部ＭＣ２とが、各永久磁石１，２のｄ軸付近に延在された電磁鋼板（コア材）から見てトルク発生方向の前方側の位置にて、磁気的に結合されている。すなわち、第２実施例の強め界磁ロータでは、図８に示すように、主磁束回路部ＭＣ１と短絡回路部ＭＣ２との間の磁気障壁となる円弧状の空隙部１１が、各永久磁石１，２のｄ軸付近に介在するコア材から見てトルク発生方向の後方側ではロータコア１０の最外周付近まで延在するが、トルク発生方向の前方側においては、磁石部１ａ，２ａの端部付近で途切れるように形成されている。つまり、各永久磁石１，２のｄ軸付近に介在するコア材から見てトルク発生方向の前方側には、空隙部１１による磁気障壁が設けられておらず、主磁束回路部ＭＣ１と短絡回路部ＭＣ２とがこの位置にて磁気的に結合されている。なお、本実施例の強め界磁ロータは、トルク発生方向が反転しない電動機に用いることを前提としている。

以上のように構成される第２実施例の強め界磁ロータでは、第１実施例の強め界磁ロータと同様に、ステータコイルに通電していない無負荷時には、磁石磁束の多くがロータ内部で循環する短絡磁束となるためにステータコイルに鎖交する主磁束成分が低減される。一方、ステータコイルに通電すると、通電電流の強さに応じてロータ内部で循環する短絡磁束がステータコイルに鎖交する主磁束成分へと変換され、主磁束成分が増加する。したがって、第２実施例の強め界磁ロータを用いた埋込磁石型同期電動機では、第１実施例の強め界磁ロータを用いた場合と同様に、低負荷・高速領域の効率を改善しながら、高トルク領域の効率を、磁石磁束の短絡のない電動機と同等とすることができる。

特に、第２実施例の強め界磁ロータは、主磁束回路部ＭＣ１と短絡回路部ＭＣ２とが各永久磁石１，２のｄ軸付近に介在するコア材から見てトルク発生方向の前方側にて磁気的に結合されているので、第１実施例の強め界磁ロータと比較して、無負荷時の磁石磁束をより多く短絡させることが可能となる。したがって、第２実施例の強め界磁ロータを用いた埋込磁石型同期電動機では、第１実施例の強め界磁ロータを用いた場合と比較して、低負荷・高速領域の効率をより向上させることができる。

さらに、第２実施例の強め界磁ロータでは、磁石磁束が通過する磁路（主磁束回路部ＭＣ１及び短絡回路部ＭＣ２）が回転非対称となることによって誘起電圧のピーク位相は幾何学的に決まる位相よりも若干遅角するため、上述した理由によって、永久磁石１，２の減磁耐力が向上する。

ここで、第２実施例の強め界磁ロータから円弧状の空隙部１１を除去した構成の強め界磁ロータを、参考例として説明する。

この参考例の強め界磁ロータでは、図９に示すように、第２実施例の強め界磁ロータにおいて主磁束回路部ＭＣ１と短絡回路部ＭＣ２との間の磁気障壁として設けられていた空隙部１１が除去されているため、各永久磁石１，２の短絡磁束は、各永久磁石１，２を２つの磁石部１ａ，１ｂ、２ａ，２ｂに分割するコア材を通って同一磁石内の２つの磁石部間で短絡する。すなわち、第２実施例の強め界磁ロータでは、隣り合う異極の永久磁石１，２のｄ軸付近に各々配置されたコア材同士を接続するように短絡磁束が流れる短絡回路部ＭＣ２が設けられていたが、参考例の強め界磁ロータでは、各磁極を形成する永久磁石１，２ごとに短絡回路部ＭＣ２が設けられている。

このように構成される参考例の強め界磁ロータでは、短絡回路部ＭＣ２の構成が第２実施例の強め界磁ロータとは異なっているものの、無負荷時に磁石磁束の多くを短絡磁束としてロータ内部で循環させることができる。また、強め界磁電流の通電により短絡磁束を主磁束に変換する効果も、第２実施例の強め界磁ロータと同様に得ることができる。ただし、通電により短絡磁束を主磁束に変換する効率は低下するため、第２実施例の強め界磁ロータと比較してトルクが低下することになる。なお、参考例の強め界磁ロータは、円弧状の空隙部１１が設けられていない分、第２実施例の強め界磁ロータよりも回転強度が向上する。

［第３実施例］
次に、本発明の第３実施例について説明する。図１０は、本発明の第３実施例としての強め界磁ロータの平面図であり、図１１は、図１０におけるＡ部の拡大図、図１２は、図１０におけるＺ−Ｚ断面図である。

第３実施例の強め界磁ロータは、磁極を形成する各永久磁石１，２のｄ軸付近に配置されるコア材の構成が、上述した第１実施例及び第２実施例とは異なっている。すなわち、第１実施例の強め界磁ロータや第２実施例の強め界磁ロータでは、ロータコア１０を構成する電磁鋼板を各永久磁石１，２のｄ軸付近に延在させて、この電磁鋼板により各永久磁石１，２を２つの磁石部１ａ，１ｂ、２ａ，２ｂに分割する構成としていたが、第３実施例の強め界磁ロータでは、図１０に示すように、各永久磁石１，２のｄ軸付近に、ロータコア１０を構成する電磁鋼板とは別部品となる磁性体１２をロータコア１０の周方向に移動可能に設け、この可動磁性体１２とロータ内径側の電磁鋼板とで短絡回路部ＭＣ２が構成されるようにしている。

具体的には、各永久磁石１，２のｄ軸付近には、円弧状の空隙部１１と連続して形成された空間が設けられ、この空間内に可動磁性体１２が配置される。可動磁性体１２が配置される空間のロータ周方向における開口長さは可動磁性体１２よりも大きく、可動磁性体１２が空間内部でロータ周方向に移動して空間を画成する一方の電磁鋼板（主磁束回路部ＭＣ１を構成する電磁鋼板）の壁面に当接すると、空間を画成する他方の電磁鋼板と可動磁性体１２との間には、磁気障壁となる空隙が形成されるようになっている。また、可動磁性体１２が周方向の一方に移動したときと他方に移動したときとで、主磁束回路部ＭＣ１を構成する電磁鋼板の壁面と可動磁性体１２との接触面積が大きく変わらないようにするため、図１１に示すように、短絡回路部ＭＣ２を構成する電磁鋼板の外径部（図１１におけるＸ部）は凸の円弧形状とされ、この外径部Ｘ上を摺動する可動磁性体１２の摺動面は凹の円弧形状とされている。また、可動磁性体１２が短絡回路部ＭＣ２を構成する電磁鋼板の外形部Ｘ上を摺動して周方向における一方あるいは他方の電磁鋼板の壁面に当接した際に、より大きな接触面積が得られるようにするために、可動磁性体１２は、外径部の周方向寸法Ｗ１が内径部の周方向寸法Ｗ２よりも小さく（Ｗ１＜Ｗ２）されている。

可動磁性体１２が配置される空間の軸方向両端部は、図１２に示すように、ロータコア１０（電磁鋼板）の軸方向両端に配置された一対のエンドリング１３により閉塞され、これにより可動磁性体１２の脱落が防止されている。一対のエンドリング１３は、ロータコア１０とともにロータ回転軸１４に対して固定して設けられ、電磁鋼板の積層体を両側から挟みこむことでロータコア１０を一体化している。そして、ロータコア１０に設けられた空間内で、可動磁性体１２がロータ周方向に移動可能とされている。つまり、第３実施例の強め界磁ロータでは、主磁束回路部ＭＣ１がロータ回転軸１４に対して固定され、このロータ回転軸１４に対して短絡回路部ＭＣ２の一部をなす可動磁性体１２（コア材）の位置が変位できる構造であり、主磁束回路部ＭＣ１に対する可動磁性体１２の相対位置が、埋込磁石型同期電動機の運転状況に応じて可変とされている。

以上のように構成される第３実施例の強め界磁ロータでは、ステータコイルに通電していない無負荷時には、可動磁性体１２が永久磁石１，２の磁石磁束に吸引されることによってロータ回転方向の前方側または後方側に位置することになる。これにより、主磁束回路部ＭＣ１と短絡回路部ＭＣ２とが磁気的に結合され、第２実施例の強め界磁ロータと同様に、磁石磁束の多くがロータ内部で循環する短絡磁束となるためにステータコイルに鎖交する主磁束成分が低減される。

また、ステータコイルへの通電により電磁力が発生すると、可動磁性体１２がその電磁力に吸引されて、図１３（ａ）あるいは図１３（ｂ）に示すように、トルク発生方向の前方側に変位する。これにより、主磁束回路部ＭＣ１と短絡回路部ＭＣ２とがトルク発生方向の前方側にて磁気的に結合され、第２実施例の強め界磁ロータと同等の構成となる。また、トルク発生方向が反転した場合も同様の作用で可動磁性体１２が反対方向へ変位するため、トルク発生方向に関わらず、つまり、埋込磁石型同期電動機の運転状況が駆動時であるか回生時であるかに関わらず、ロータ内部で循環する短絡磁束をステータコイルに鎖交する主磁束成分へと変換して、主磁束成分を増加させることができる。したがって、第３実施例の強め界磁ロータを用いた埋込磁石型同期電動機は、モータとして駆動に用いる場合とジェネレータとして電力回生に用いる場合の双方において、低負荷・高速領域の効率を大幅に改善しながら、高トルク領域の効率を、磁石磁束の短絡のない電動機と同等とすることができる。なお、弱め界磁制御を行う際には、可動磁性体１２がトルク発生方向の後方側へと変位することになるが、弱め界磁領域ではトルク発生方向による効率の差がほとんど発生しないため、効率低下には繋がらない。

なお、第３実施例の強め界磁ロータでは、上述したように、無負荷時に可動磁性体１２が主磁束回路部ＭＣ１を構成する電磁鋼板に接触することで主磁束回路部ＭＣ１と短絡回路部ＭＣ２とが磁気的に結合されることになるが、磁石磁束の吸引力が均衡した中立位置で可動磁性体１２が停止した状態となると、無負荷時に主磁束回路部ＭＣ１と短絡回路部ＭＣ２とが結合されずに短絡磁束が減少することになる。このような問題を回避するには、可動磁性体１２が配置される空間を画成する一方の電磁鋼板（主磁束回路部ＭＣ１を構成する電磁鋼板）の壁面と空間内に配置された可動磁性体１２との間の隙間に、例えばバネなどの弾性体を配設し、無負荷時には、可動磁性体１２がこの弾性体に付勢されることで、空間を画成する他方の電磁鋼板（主磁束回路部ＭＣ１を構成する電磁鋼板）の壁面に必ず当接する構成としておくことが有効である。

［第４実施例］
次に、本発明の第４実施例について説明する。図１４は、本発明の第４実施例としての強め界磁ロータの平面図であり、図１５は、図１４におけるＺ’−Ｚ’断面図である。

第４実施例の強め界磁ロータは、第３実施例の強め界磁ロータと同様に短絡回路部ＭＣ２の一部を可動磁性体１２で構成し、さらに、各永久磁石１，２ごとに設けられた複数の可動磁性体１２を連結一体化したものである。すなわち、第４実施例の強め界磁ロータでは、図１４に示すように、各永久磁石１，２のｄ軸付近にそれぞれ可動磁性体１２が配設されており、この可動磁性体１２とロータ内径側の電磁鋼板とで短絡回路部ＭＣ２が構成されている。各永久磁石１，２ごとに設けられた複数の可動磁性体１２は、図１５に示すように、それぞれ軸方向両端部が一対のエンドリング１３を貫通して外側に突出するように設けられている。そして、エンドリング１３の外側に配置された一対の締結リング１５に各可動磁性体１２の軸方向両端部が固定されることで、各永久磁石１，２ごとに設けられた複数の可動磁性体１２が連結一体化されている。

複数の可動磁性体１２を連結一体化する締結リング１５は、ベアリング１６を介してロータ回転軸１４に対して移動可能に取り付けられ、これにより、複数の可動磁性体１２が一体となってロータ周方向に移動できるようにしている。なお、第４実施例の強め界磁ロータにおいても、第３実施例の強め界磁ロータと同様に、主磁束回路部ＭＣ１はロータ回転軸１４に対して固定されており、このロータ回転軸１４に対して短絡回路部ＭＣ２の一部をなす可動磁性体１２（コア材）の位置が変位できる構造であり、主磁束回路部ＭＣ１に対する可動磁性体１２の相対位置が、埋込磁石型同期電動機の運転状況に応じて可変とされている。

以上のように構成される第４実施例の強め界磁ロータでは、ステータコイルへの通電により電磁力が発生すると、第３実施例の強め界磁ロータと同様に可動磁性体１２がその電磁力に吸引されてトルク発生方向の前方側に変位する。このとき、各永久磁石１，２ごとに設けられた複数の可動磁性体１２が締結リング１５により連結一体化されているので、これら複数の可動磁性体１２が同期してトルク発生方向の前方側に変位することになる。ここで、各永久磁石１，２ごとに設けられた複数の可動磁性体１２が変位するタイミングにずれが生じる場合は、コア周方向における磁石磁束の分布にバラつきが発生し、これによって並列接続されているステータコイルの鎖交磁束間に差が発生する場合がある。そして、並列接続されているステータコイルの鎖交磁束間に差が発生してしまうと、ステータ内部での循環電流が発生し、効率悪化に繋がる虞がある。これに対して、第４実施例の強め界磁ロータでは、各永久磁石１，２ごとに設けられた複数の可動磁性体１２が同期してトルク発生方向の前方側に変位するように構成されているので、変位するタイミングがずれる場合に懸念される上記の問題点を有効に回避することができる。

［第５実施例］
次に、本発明の第５実施例について説明する。図１６は、本発明の第５実施例としての強め界磁ロータの平面図であり、図１７は、永久磁石１，２が埋め込まれたロータコアの電磁鋼板で構成される部分（以下、ロータ部品Ａという。）のみを抜き出して示した平面図であり、図１８は、図１６におけるＺ’’−Ｚ’’断面図である。

第５実施例の強め界磁ロータは、各永久磁石１，２のｄ軸付近に配置されるコア材（以下、磁束短絡部材２０という。）をロータ回転軸１４に固定し、このロータ回転軸１４に対して主磁束回路部ＭＣ１の位置が変位する構造とすることで、主磁束回路部ＭＣ１に対する磁束短絡部材２０の相対位置が、埋込磁石型同期電動機の運転状況に応じて可変するようにしたものである。

第５実施例の強め界磁ロータでは、ロータコアの主磁束回路部ＭＣ１に相当する部分のみを電磁鋼板で構成し、図１７に示すようなロータ部品Ａとしている。そして、図１６に示すように、ロータ部品Ａに埋め込まれた各永久磁石１，２のｄ軸付近に、短絡回路部ＭＣ２を構成する磁束短絡部材２０を各々配置している。

各永久磁石１，２ごとに設けられた複数の磁束短絡部材２０は、図１８に示すように、それぞれ軸方向両端部が一対の磁性体リング２１に固定され、この磁性体リング２１によって連結一体化されている。一対の磁性体リング２１はロータ回転軸１４に対して固定されており、これにより、各永久磁石１，２ごとに設けられた複数の磁束短絡部材２０がロータ回転軸１４に対して固定された構造となっている。また、一対の磁性体リング２１は磁性体で構成されているので、複数の磁束短絡部材２０は、この磁性体リング２１を介して相互に磁気的に結合されている。

ロータ部品Ａの内径側には、複数の円筒状ローラ２２が配設されている。これら複数の円筒状ローラ２２は、ロータ回転軸１４の周面に形成されたスプライン溝２３内に転動可能に収容され、これら円筒状ローラ２２がスプライン溝２３内で転動することによって、ロータ回転軸１４に対してロータ部品Ａ（つまりは主磁束回路ＭＣ１）の位置が変位できる構造となっている。なお、ロータ部品Ａの軸方向両端部と一対の磁性体リング２１の内面側との間には転動体２４が設けられており、これによりロータ部品Ａの軸方向への変位が抑制されている。

以上のように構成される第５実施例の強め界磁ロータでは、ステータコイルに通電していない無負荷時には、ロータ部品Ａが磁束短絡部材２０と接触する位置に変位することで、ロータ部品Ａの主磁束回路部ＭＣ１をＳ極側からＮ極側へと流れる磁石磁束の多くが、Ｎ極側の磁束短絡部材２０に流入する。Ｎ極側の磁束短絡部材２０に流入した磁石磁束は、磁束短絡部材２０をその軸方向端部に向かって流れた後、軸方向端部に設けられた磁性体リング２１を経由して、隣接するＳ極側の磁束短絡部材２０に流入する。Ｓ極側の磁束短絡部材２０に流入した磁石磁束は、磁束短絡部材２０をその軸方向の中央部に向かって流れる過程で、磁束短絡部材２０に接触しているロータ部品Ａに流入し、再度、主磁束回路部ＭＣ１を流れてロータ内部で循環する。つまり、第５実施例の強め界磁ロータにおいても、ステータコイルに通電していない無負荷時には、磁石磁束の多くがロータ内部で循環する短絡磁束となり、ステータコイルに鎖交する主磁束成分が低減される。なお、第５実施例の強め界磁ロータにおける短絡回路部ＭＣ２は、相互に磁気的に結合されたＮ極側及びＳ極側の磁束短絡部材２０と円盤部材２１とで構成された３次元の磁路となる。

また、ステータコイルへの通電時には、ロータ部品Ａにその電磁力が作用することによって、ロータ部品Ａがロータ回転軸１４に固定されている磁束短絡部材２０に対して相対的にトルク発生方向の後方側に変位する。これにより、第３実施例や第４実施例の強め界磁ロータと同様に、主磁束回路部ＭＣ１と短絡回路部ＭＣ２とがトルク発生方向の前方側にて磁気的に結合されることになり、ロータ内部で循環する短絡磁束がステータコイルに鎖交する主磁束成分へと変換されて、主磁束成分が増加する。また、トルク発生方向が反転した場合も同様の作用でロータ部品Ａが反対方向へ変位するため、埋込磁石型同期電動機の運転状況が駆動時であるか回生時であるかに関わらず、ロータ内部で循環する短絡磁束をステータコイルに鎖交する主磁束成分へと変換して、主磁束成分を増加させることができる。したがって、第５実施例の強め界磁ロータを用いた埋込磁石型同期電動機は、第３実施例や第４実施例の強め界磁ロータを用いた場合と同様に、駆動に用いる場合と電力回生に用いる場合の双方において、低負荷・高速領域の効率を大幅に改善しながら、高トルク領域の効率を、磁石磁束の短絡のない電動機と同等とすることができる。

なお、短絡回路部ＭＣ２を構成する磁束短絡部材２０は、軸方向の端部ほど通過する磁石磁束が多くなるので、軸方向の端部付近で磁気飽和を生じさせないために、図１９に示すように、軸方向中央部の外径寸法Ｌ１よりも軸方向両端部の外径寸法Ｌ２を大きくし、軸方向両端部の断面積が軸方向中央部の断面積よりも大きくなるように形成することが望ましい。また、磁束短絡部材２０は遠心力に対して軸方向両端部で支持される構造であるので、軸方向両端部の断面積を軸方向中央部の断面積よりも大きくすることは、遠心力に対する機械的強度を確保する上でも有効である。

以上、第１〜第５実施例の強め界磁ロータについて具体的に説明したが、これらの各実施例は本発明の適用例を例示したものであり、本発明の技術的範囲が上記の各実施例として開示した内容に限定されるものではなく、この開示から容易に導きうる様々な変形、変更、代替技術なども含まれることは勿論である。

１ Ｎ極永久磁石
１ａ，１ｂ 磁石部
２ Ｓ極永久磁石
２ａ，２ｂ 磁石部
３Ｎ，３Ｓ コア材
４ 空気層
５ コア材
６Ｎ，６Ｓ コア材
７ コア材
１０ ロータコア
１１ 空隙部
１２ 可動磁性体
１３ エンドリング
１４ ロータ回転軸
１５ 締結リング
２０ 磁束短絡部材
２１ 磁性体リング
ＭＣ１ 主磁束回路部
ＭＣ２ 短絡回路部

Claims (5)

1. 磁極を形成する複数の永久磁石がコア周方向に沿って交互に極性を変えて並ぶようにコア内部に埋め込まれ、隣り合う異極の永久磁石の間に非磁性部が設けられているとともに、各磁極の永久磁石が磁石中心軸付近に配置されたコア材により２つの磁石部に分割された構造の埋込磁石型同期電動機のロータにおいて、
   一の磁極の永久磁石の中心軸付近から、隣接する他の磁極の永久磁石の中心軸付近に向かうように、ロータの円周とは逆方向に凸となる円弧状に形成された磁気障壁が形成され、
   前記磁気障壁は、永久磁石の中心軸付近において、コア材のトルク発生方向の前方が、後方よりも、コア材の最外周部側に延在していることを特徴とする埋込磁石型同期電動機のロータ。
2. 磁極を形成する複数の永久磁石がコア周方向に沿って交互に極性を変えて並ぶようにコア内部に埋め込まれ、隣り合う異極の永久磁石の間に非磁性部が設けられているとともに、各磁極の永久磁石が磁石中心軸付近に配置されたコア材により２つの磁石部に分割された構造の埋込磁石型同期電動機のロータにおいて、
   一の磁極の永久磁石の中心軸付近から、隣接する他の磁極の永久磁石の中心軸付近に向かうように、ロータの円周とは逆方向に凸となる円弧状に形成された磁気障壁が形成され、
   前記磁石中心軸付近に形成された２つの磁気障壁の先端部には、この２つの磁気障壁を跨ぐように、可動磁性体が設けられ、該可動磁性体は、周方向に移動可能であることを特徴とする埋込磁石型同期電動機のロータ。
3. 各磁石中心軸付近に設けられた全ての可動磁性体は、連結一体化されていることを特徴とする請求項２に記載の埋込磁石型同期電動機のロータ。
4. ロータの回転中心となるロータ回転軸と、
   前記ロータ回転軸の外周に形成された複数のスプライン溝と、
   磁極を形成する複数の永久磁石がコア周方向に沿って交互に極性を変えて並ぶようにコア内部に埋め込まれ、隣り合う異極の永久磁石の間に非磁性部が設けられているとともに、各磁極の永久磁石が磁石中心軸付近にて分割された構造を有するロータ部品と、
   前記各スプライン溝にそれぞれ設けられ、前記ロータ回転軸に対して、前記ロータ部品を微少角度だけ回転移動可能に連接する円筒状ローラと、
   前記ロータ回転軸に固定され、前記磁石中央部付近に設けられた磁束短絡部材と、
   を備えたことを特徴とする埋込磁石型同期電動機のロータ。
5. 前記複数の磁束短絡部材は、ロータ回転軸方向の端部の断面積が中央部の断面積よりも大きいことを特徴とする請求項４に記載の埋込磁石型同期電動機のロータ。

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