JP5585691B2

JP5585691B2 - 界磁子

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Publication number: JP5585691B2
Application number: JP2013126735A
Authority: JP
Inventors: 桂治青田; 義仁三箇; 昭雄山際
Original assignee: Daikin Industries Ltd
Current assignee: Daikin Industries Ltd
Priority date: 2013-06-17
Filing date: 2013-06-17
Publication date: 2014-09-10
Anticipated expiration: 2028-05-08
Also published as: JP2013179837A

Description

本発明は、界磁子に関し、特に埋め込み型の界磁子に関する。

特許文献１にはコギングトルクを低減できる埋め込み型の回転子が記載されている。当該回転子は、回転子コアと、当該回転子コアに埋め込み配置される４つの永久磁石とを有している。これらの永久磁石は回転軸を中心に環状に配置されている。そして、回転子コアの外周形状は、回転軸を中心とした周方向における永久磁石の両端側での径が、永久磁石の中央側における径よりも小さい、いわゆる花弁型の形状を有している。

これによって磁束密度分布の磁界分布を改善して磁束密度分布を正弦波分布に近づけている。

なお、本件に関連する技術は特許文献２〜４に開示されている。

特開２００３−８８０１５号公報特開２００７−３００７９６号公報特開２００４−１０４９６２号公報特開２００３−１４３８１６号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術では、永久磁石の両端側で、回転子と、回転軸に垂直な方向で回転子と対面する固定子との間の間隙（エアギャップ）が大きい。よって、永久磁石の中央側でのみエアギャップを測定して、回転子と固定子とを固定する場合がある。

そこで、本発明は、コギングトルクを低減しつつも、永久磁石の両端でエアギャップの測定を容易にできる界磁子を提供することを目的とする。

本発明に係る界磁子の第１の態様は、複数の界磁磁石(20,21,22)と、所定の軸(P)の周りで露出する外周(10)と、各々に少なくとも一つの前記界磁磁石が貫挿され、前記軸の周りで環状に配置される複数の界磁磁石貫挿孔(30,31,33)とを有する界磁子コア(1)とを備え、各々の前記界磁磁石貫挿孔に貫挿される前記少なくとも一つの前記界磁磁石は単一の極性の磁極面を前記外周に向けて配置され、前記軸を中心とした周方向(D)において相互に隣り合う一対の前記界磁磁石貫挿孔の、一方に貫挿される前記少なくとも一つの前記界磁磁石が前記外周に向ける前記磁極面と、他方に貫挿される前記少なくとも一つの前記界磁磁石が前記外周に向ける前記磁極面とは、相互に極性が異なり、前記一方の前記界磁磁石貫挿孔の前記周方向における中央が位置する前記周方向の第１位置(101)と、前記一方の前記界磁磁石貫挿孔と前記他方の前記界磁磁石貫挿孔との間の前記周方向における中央が位置する前記周方向の第２位置(102)との間で、前記軸と前記外周との間の距離(R)は、前記周方向に沿って前記第１位置から前記第２位置に向かうに従って単調非増加で減少し、続けて単調非減少で増大し、各々の前記界磁磁石貫挿孔(30)は、前記周方向(D)における両端で前記界磁磁石(21,22)よりも前記外周(10)側に前記外周(10)へと向かう方向及び前記外周に沿って前記第１位置(101)へと向かう方向に延在する空隙部(33)を有し、前記第１位置(101)から前記第２位置(102)の間で前記距離(R)が減少から増大に転じる前記外周(10)上の点(11)が、前記周方向における前記空隙部の前記第１位置側の端(331)よりも、前記周方向において前記第２位置側に位置し、前記周方向の同じ位置において、前記周方向における前記距離の増大率は、前記空隙部の前記軸を中心とした径方向の幅の前記周方向における増大率よりも小さい。

本発明に係る界磁子の第２の態様は、第１の態様に係る界磁子であって、一の前記界磁磁石貫挿孔(30)に貫挿される前記少なくとも一つの前記界磁磁石の、前記周方向における両端同士を結ぶ直線に対して、前記周方向(D)における前記一の前記界磁磁石貫挿孔の前記中央は前記軸(P)側に位置する。

本発明に係る界磁子の第３の態様は、第１又は第２の態様に係る界磁子であって、前記界磁磁石(20)の保磁力は、前記界磁磁石貫挿孔(30)の前記中央側よりも、前記界磁磁石貫挿孔の前記周方向における端部側で大きい。

本発明に係る界磁子の第４の態様は、第１乃至第３の何れか一つの態様に係る界磁子であって、前記界磁磁石(20)のエネルギー積は、前記界磁磁石貫挿孔(30)の前記中央側よりも、前記界磁磁石貫挿孔の前記周方向における端部側で大きい。

本発明に係る界磁子の第５の態様は、第１乃至第４の何れか一つの態様に係る界磁子であって、一の前記界磁磁石貫挿孔(30)に複数の前記界磁磁石(20)が貫挿され、当該複数の前記界磁磁石同士は前記周方向(D)又は前記軸(P)に平行な方向で隣り合っている。

本発明に係る界磁子の第１の態様によれば、一の界磁磁石貫挿孔に貫挿される少なくとも一つの界磁磁石は、当該界磁磁石貫挿孔の外周側の界磁子コアを、界磁子の一つの磁極として機能させる。そして周方向において相互に隣り合う界磁磁石貫挿孔がそれぞれの外周側の界磁子コアに機能させる磁極同士は、相互に極性が異なる。第１位置は当該磁極の中心（磁極中心）であり、第２位置は当該磁極同士の間（磁極間）である。そして第１位置から第２位置に向かうに従って軸と外周との間の距離が減少している。当該距離の減少に起因して磁気抵抗が増大するので、界磁磁石によって外周の表面に生じる磁束密度の波形を、磁極間で最小、磁極中心で最大となる正弦波に近づけることができる。

しかも、磁極間において再び当該距離が増大している。但し磁極間では磁束密度が小さいので、磁気抵抗が減少しても磁束密度の波形に与える影響は小さい。よって回転軸に平行な方向で界磁子と対向する電機子を設けた場合に、磁束密度の波形を正弦波に近づけつつも、磁極間において界磁子と電機子との間の間隙（エアギャップ）を低減できる。従って、当該磁極間での界磁子と電機子との間の距離を容易に測定できる。ひいては界磁子と電機子との間の距離を測定する位置を増加させることができ、界磁子と電機子との間の相対位置を精度よく固定できる。

さらに、第１位置から第２位置に向かうに従って距離が減少する領域では、距離の減少に起因して磁気抵抗が増大し、続けて第２位置に向かうに従って距離が増大する領域では空隙部に起因して磁気抵抗を増大させることができる。通常、外周に生じる磁束密度を正弦波に近づけるためには、第１位置に近い程、磁気抵抗の増大を小さくする。第３の態様に係る界磁子によれば、第１位置に近い位置では距離の減少に基づいて磁気抵抗を調整できるので、細かな磁気抵抗の調整を可能にできる。

本発明に係る界磁子の第２の態様によれば、一つの磁極において界磁磁石が外周側に向かうに従って磁極中心から磁極間へと向かって傾斜しているので、第１位置側の磁束密度を向上でき、以って更に磁束密度を正弦波に近づけることができる。

本発明に係る界磁子の第３の態様によれば、減磁耐力を向上できる。

本発明に係る界磁子の第４の態様によれば、周方向における外周の中央で高い磁束密度を生じさせることができる。

本発明に係る界磁子の第５の態様によれば、界磁磁石表面を流れる渦電流を低減できる。通常、界磁磁石の温度上昇に伴って減磁しやすくなる。よって、渦電流を低減することでジュール熱を低減でき、以て減磁耐力を向上できる。

実施の形態に係る界磁子の概略的な断面図である。実施の形態に係る界磁子の他の一例の概略的な断面図である。従来の界磁子の概略的な断面図である。

図１は、本発明に係る実施の形態の界磁子の概略的な断面図である。図１は回転軸Ｐに垂直な断面における界磁子の概略構成を示している。本界磁子は、界磁子コア１と、複数の界磁磁石２０とを備えている。

界磁子コア１は、回転軸Ｐの周りで露出する外周１０と、回転軸Ｐの周りで環状に配置される複数の界磁磁石貫挿孔３０と、空隙部３２と、シャフト孔４０と、ボルト又はピン用の孔５０とを有している。

シャフト孔４０は回転軸Ｐを含む領域に、回転軸Ｐと平行な方向に界磁子コア１を貫通して設けられている。ただし、必ずしもシャフト孔４０は必要ではない。例えば回転軸Ｐに平行な方向における界磁子コア１の両端に端板を設け、当該端板にシャフトが取り付けられた態様であれば、シャフト孔４０は不要である。

孔５０は例えば回転軸Ｐの周りで環状に配置され、回転軸Ｐについて平行な方向に界磁子コア１を貫通している。当該孔５０にはピン又はボルトが挿入される。例えば界磁子コア１を両側から端板で挟み、孔５０を介して全体をピン又はボルトで固定する。但し、例えば界磁子コア１と端板とを溶接で固定する態様であれば孔５０は必ずしも必要ではない。

複数の界磁磁石貫挿孔３０は回転軸Ｐの周りに環状に配置されている。界磁磁石貫挿孔３０の各々には少なくとも一つの界磁磁石が貫挿される。図１においては、界磁磁石貫挿孔３０の各々に２つの界磁磁石２１，２２がそれぞれ貫挿されている態様が例示されている。界磁磁石２１，２２は外周１０側の界磁子コア１を磁極として機能させる。なお、以下の説明において、一の界磁磁石貫挿孔３０に貫挿される界磁磁石２１，２２の一組を界磁磁石２０と呼称する。

界磁磁石２０の磁極面は、単一の磁極を外周側に向けて配置される。ここでは各々の界磁磁石貫挿孔３０に貫挿される界磁磁石２１，２２同士が同じ極性の磁極面を外周１０に向けて配置されている。回転軸Ｐを中心とした周方向Ｄにおいて隣り合う一対の界磁磁石貫挿孔３０の、一方に貫挿される界磁磁石２１，２２が外周１０に向ける磁極面と、他方に貫挿される磁極面とは、相互に極性が異なっている。よって、周方向Ｄにおいて相互に隣り合う界磁磁石貫挿孔３０がそれぞれの外周１０側の界磁子コア１に機能させる磁極同士は、相互に極性が異なる。

また界磁磁石貫挿孔３０はその周方向の端部に空隙部３１を有していてもよい。空隙部３１は界磁磁石２０の両端よりも外周側に配置されている。空隙部３１は必須要件ではないが、これによって界磁磁石２０の漏れ磁束を低減することができる。

空隙部３２は周方向において空隙部３１と離間して、空隙部３１に対して、周方向Ｄにおける界磁磁石貫挿孔３０の中央側（後述する極中心１０１側）で外周１０に沿って配置されている。なお、空隙部３２も必須の要件ではない。空隙部３２の機能については後に詳述する。

回転軸Ｐと外周１０との間の径Ｒは周方向Ｄに応じて一定ではない。径Ｒは、周方向Ｄにおける界磁磁石貫挿孔３０の中央（以下、極中心１０１と呼ぶ）と、周方向Ｄにおいて隣り合う界磁磁石貫挿孔３０同士の間の中央（以下、極間１０２と呼ぶ）との、周方向Ｄにおける間の領域で、周方向Ｄに沿って極中心１０１から極間１０２に向かうに従って単調非増加で減少し、続けて単調非減少で増大している。

そして、界磁子に対して、回転軸Ｐを中心とした径方向で対向するように電機子を配置することで回転電機を構成することができる。本界磁子においては、極中心１０１から極間１０２に向かうに従って径Ｒが単調非増加で減少している。よって極中心１０１から極間１０２に向かうに従って界磁子と電機子との間の距離（エアギャップ）が大きくなる。従って極中心１０１から極間１０２に向かうに従って磁気抵抗が増大し、以て界磁磁石２０が生じさせる磁束密度の波形を正弦波に近づけることができる。

一方、極間１０２側において再び径Ｒが増大している。但し、極間１０２側では界磁磁石２０が生じさせる磁束密度が小さいので、極間１０２側でエアギャップが減少して磁気抵抗が減少しても、当該磁気抵抗が磁束密度の波形に与える影響は小さい。これによって、磁束密度の波形を正弦波に近づけつつも、極間１０２側において界磁子と電機子との間の距離を容易に測定できる。ひいては界磁子と電機子との間の距離を測定する位置を増加させることができ、界磁子と電機子との間の相対位置を精度よく固定できる。

次に空隙部３２について詳述する。空隙部３２は極中心１０１に向かうに従って、回転軸Ｐを中心とした径方向における幅が狭まる形状を有している。そして、径Ｒが周方向Ｄにおいて減少から増大に転じる外周１０上の点１１は、周方向Ｄにおける極中心１０１側の空隙部３２の一端３２１よりも極間１０２側に位置している。また、回転軸Ｐを中心とした角度をθとすると、周方向Ｄにおける径Ｒの増大率ｄＲ／ｄθは、周方向Ｄの同じ位置における空隙部３２の径方向の幅Ｈの増大率ｄＨ／ｄθよりも小さい。

径Ｒが極中心１０１から極間１０２に向かうに従って単調非増加で減少することによって、極中心１０１から極間１０２に向かうに従って磁気抵抗を増大させる。続けて径Ｒが増大する領域では空隙部３２によって磁気抵抗を増大させることができる。よって、径Ｒが増大する領域であっても磁気抵抗を増大させることができるので、磁束密度を更に正弦波に近づけることができる。

また、空隙部３２によって径Ｒを低減させることなく磁気抵抗を増大させることができるので、界磁子と電機子との間の距離が増大しない。よって、空隙部３２が存する位置においても当該距離の測定を容易にできる。

なお、極中心１０１から極間１０２へと向かって磁気抵抗を微細に調整するという観点では、空隙部３２を設けるよりも径Ｒを周方向に依存して減少させることが好ましい。なぜなら、空隙部３２の一端３２１側では、実際には丸みを帯びており、径方向における空隙部３２の幅が小さい領域では当該幅の微細な調整に限界があるからである。また、例えば空隙部３２を打ち抜きによって形成する場合、一端３２１側が鋭利な形状になるほど、打ち抜き部材の耐久性に問題が生じる。

一方、極中心１０１から周方向Ｄに応じて連続的に径Ｒを微細に調整することは、空隙部３２の幅を調整することに比べて実現容易である。例えば外周１０を削ればよいからである。また例えば打ち抜きで形成する場合であっても、外周１０は鈍角で連続するので、打ち抜き部材の耐久性に問題が生じにくい。

本実施の形態では、極中心１０１側から極間１０２へと向かうに従って一旦は径Ｒを減少させて磁気抵抗を増大させ、かつ空隙部３２によって磁気抵抗を増大させている。よって、極中心１０１側で磁気抵抗の微細な調整を行いつつも、極間１０２側での径Ｒの低減を防止できる。また、空隙部３２の一端３２１側の先端形状の角度を小さくする必要がないので、空隙部３２を容易に形成できる。空隙部３２を打ち抜きによって形成する場合であれば、打ち抜き部材の耐久性を向上できる。

また本実施の形態では、周方向Ｄにおける界磁磁石貫挿孔３０の中央は、界磁磁石２０の周方向Ｄにおける両端同士を結ぶ直線に対して、回転軸Ｐ側に位置している。即ち、界磁磁石２１，２２はＶ字形状に配置されている。これによって、界磁磁石２１，２２が生じさせる磁束密度を極中心１０１側に集中させることができる。よって、磁束密度の波形を更に正弦波に近づけることができる。またこの場合、極中心１０１側において、界磁磁石２０が生じさせる磁束密度を磁気抵抗によって低減させて正弦波に近づける必要がない。よって、径Ｒが極中心１０１から周方向における所定の領域（図１において極中心１０１から点１２までの領域、但し、点１２は点１１に対して極中心１０１側に位置する）で一定にすることができ、以て界磁磁石２０が生じさせる磁束密度を有効に活用することができる。

なお、図１に示した界磁子においては、空隙部３１，３２が相互に離間されている態様が示されているが、必ずしもこれに限らない。図２は実施の形態に係る界磁子の他の一例を示す概念的な断面図である。図２は回転軸Ｐに垂直な断面における界磁子の概略構成を示している。

図１に示す界磁子と比較して、界磁子コア１は空隙部３１，３２の替わりに空隙部３３を有している。空隙部３３は周方向Ｄにおける界磁磁石２０の両端から、外周１０へと向かう方向及び外周１０に沿って極中心１０１へと向かう方向に延在している。空隙部３３は、その径方向の幅が極中心１０１へと向かうに従って狭まる形状を有している。

径Ｒが減少から増大に転じる点１１は、周方向Ｄにおける空隙部３３の極中心１０１側の一端３３１よりも極間１０２側に位置している。また、周方向Ｄにおける径Ｒの増大率は、周方向Ｄの同じ位置における空隙部３３の径方向の幅の増大率よりも小さい。

このような構成の界磁子であっても、図１に示す界磁子と同様の効果を招来することができる。

ただし、図１に示すように、空隙部３１，３２の間に界磁子コア１が存在することによって、界磁子コア１の強度を向上することができる。なお、空隙部３１，３２の間の界磁子コア１はブリッジと把握できる。

図３は、従来の界磁子と電機子とを有する電動機において、界磁磁石に逆磁界が生じたときの、磁束線及び界磁磁石内部の磁束密度を示している。但し、後述する界磁磁石７０のうち、図１において右側に位置する界磁磁石７０のみ、その内部の磁束密度が示され、他の界磁磁石７０については磁束線が示されている。従来の界磁子は、例えば界磁子コア７と、界磁磁石７０とを備えている。界磁磁石７０は平板状の形状を有し、回転軸Ｐの周りで環状に配置されている。電機子は、回転軸Ｐとは反対側から当該界磁子と対向するように配置される。電機子は、回転軸Ｐ側に突出するティース６１を有する電機子コア６を備えている。なお、ティース６１に巻回される電機子巻線については図示を省略している。

図３においては、一の界磁磁石７０が一のティース６１と正面で対向したときの、磁束線と、界磁磁石７０の内部の磁束密度を示している。また、磁束の方向をブロック矢印で示している。当該一の界磁磁石７０には逆磁界が印加されている。そして、周方向Ｄにおける当該一の界磁磁石７０の一端側における磁束密度が拡大して示されている。磁束密度の高低が等高線８０１〜８０３で示されている。等高線８０１〜８０３はこの順で磁束密度が小さいことを示している。

等高線８０３で示される領域において、磁束密度が低減していることが分かる。つまり、当該一端において界磁磁石７０が減磁しやすい。なお、界磁磁石７０の他端についても同様である。

よって、本実施の形態にかかる界磁子においては、界磁磁石２０の保磁力は周方向Ｄにおける界磁磁石貫挿孔３０の中央よりも界磁磁石貫挿孔３０の端部側で大きいことが望ましい。これによって、界磁磁石２０の端部側で減磁耐力を向上できる。

また、界磁磁石２０のエネルギー積は、界磁磁石貫挿孔３０の中央側よりも、界磁磁石貫挿孔３０の端部側で大きいことが望ましい。これによって、周方向Ｄにおける外周１０の中央で高い磁束密度を生じさせることができる。

なお、図１，２においては、一の界磁磁石貫挿孔３０には２の界磁磁石２１，２２が貫挿され、界磁磁石２１，２２同士は周方向Ｄに平行な方向で隣り合っている。界磁磁石２１，２２の相互間には絶縁体（空気）が介在するので、界磁磁石２０を流れる渦電流を低減できる。通常、界磁磁石はその温度上昇に伴って減磁しやすくなる。よって、渦電流を低減することでジュール熱を低減でき、以て減磁耐力を向上できる。なお、界磁磁石２１，２２は回転軸Ｐに平行な方向に隣り合っていても良い。また、一の界磁磁石貫挿孔３０に３つ以上の界磁磁石が貫挿されていてもよい。

１界磁コア
１０外周
１１点
１０１極中心
１０２極間
２０，２１，２２界磁磁石
３０界磁磁石貫挿孔
３１，３２，３３空隙
３２１，３３１一端
Ｐ回転軸
Ｄ周方向

Claims

複数の界磁磁石(20,21,22)と、
所定の軸(P)の周りで露出する外周(10)と、各々に少なくとも一つの前記界磁磁石が貫挿され、前記軸の周りで環状に配置される複数の界磁磁石貫挿孔(30,31,33)とを有する界磁子コア(1)と
を備え、
各々の前記界磁磁石貫挿孔に貫挿される前記少なくとも一つの前記界磁磁石は単一の極性の磁極面を前記外周に向けて配置され、
前記軸を中心とした周方向(D)において相互に隣り合う一対の前記界磁磁石貫挿孔の、一方に貫挿される前記少なくとも一つの前記界磁磁石が前記外周に向ける前記磁極面と、他方に貫挿される前記少なくとも一つの前記界磁磁石が前記外周に向ける前記磁極面とは、相互に極性が異なり、
前記一方の前記界磁磁石貫挿孔の前記周方向における中央が位置する前記周方向の第１位置(101)と、前記一方の前記界磁磁石貫挿孔と前記他方の前記界磁磁石貫挿孔との間の前記周方向における中央が位置する前記周方向の第２位置(102)との間で、前記軸と前記外周との間の距離(R)は、前記周方向に沿って前記第１位置から前記第２位置に向かうに従って単調非増加で減少し、続けて単調非減少で増大し、
各々の前記界磁磁石貫挿孔(30)は、前記周方向(D)における両端で前記界磁磁石(21,22)よりも前記外周(10)側に前記外周(10)へと向かう方向及び前記外周に沿って前記第１位置(101)へと向かう方向に延在する空隙部(33)を有し、
前記第１位置(101)から前記第２位置(102)の間で前記距離(R)が減少から増大に転じる前記外周(10)上の点(11)が、前記周方向における前記空隙部の前記第１位置側の端(331)よりも、前記周方向において前記第２位置側に位置し、
前記周方向の同じ位置において、前記周方向における前記距離の増大率は、前記空隙部の前記軸を中心とした径方向の幅の前記周方向における増大率よりも小さい、界磁子。
一の前記界磁磁石貫挿孔(30)に貫挿される前記少なくとも一つの前記界磁磁石の、前記周方向における両端同士を結ぶ直線に対して、前記周方向(D)における前記一の前記界磁磁石貫挿孔の前記中央は前記軸(P)側に位置する、請求項１に記載の界磁子。
前記界磁磁石(20)の保磁力は、前記界磁磁石貫挿孔(30)の前記中央側よりも、前記界磁磁石貫挿孔の前記周方向における端部側で大きい、請求項１又は２に記載の界磁子。
前記界磁磁石(20)のエネルギー積は、前記界磁磁石貫挿孔(30)の前記中央側よりも、前記界磁磁石貫挿孔の前記周方向における端部側で大きい、請求項１乃至３の何れか一つに記載の界磁子。
一の前記界磁磁石貫挿孔(30)に複数の前記界磁磁石(20)が貫挿され、当該複数の前記界磁磁石同士は前記周方向(D)又は前記軸(P)に平行な方向で隣り合っている、請求項１乃至４の何れか一つに記載の界磁子。