JP5784724B2 - 永久磁石型回転電機の製造方法 - Google Patents
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Description
また、ステータへ流れる磁束量を増すために、ロータ上の磁石をハルバッハ(Halbach)配置とした回転電機の例が特許文献1に示されている。この特許文献1に示されるものは、ロータ上の磁極を主磁石、補助磁石で構成し、磁化の向きが径方向の主磁石と、磁化の向きが周方向の補助磁石を交互に配置した構成とし、磁束量を増すために補助磁石の固定子側の面の周方向幅Wsと、該補助磁石の径方向厚さtとの関係が、0<Ws<1.5tとなるようにしている。
仕上げ加工は研削加工で行われており、高精度に仕上げるためには加工時間が長くなる等の問題があった。また、磁石の防錆のために必用な表面処理の厚さには厳密な管理が必要であり、製作上時間がかかるという課題があった。
また、ネオジム系焼結磁石は割れやすく、寸法通りにできた磁石を組立てる時に、磁石同士が接触することで、割れや欠けが発生するといった問題があった。
また、磁石の加工時間を短縮でき、ロータの組立も容易となり、組立時間も短縮できると共に、組立時の磁石の割れ、欠けが低減できる永久磁石型回転電機およびその製造方法を提供することを目的とする。
図1は、この発明の実施の形態1における永久磁石型回転電機の構成を示す概略断面図、図2、図3は、磁束の流れの説明図である。
図1において、ロータ1は、ロータコア2と、このロータコア2の外周に装着される主磁石3と、補助磁石4で構成されている。磁石内の矢印は磁石の磁化の方向である。
主磁石3の磁化方向は径方向、補助磁石4の磁化方向は周方向を向いている。主磁石3は極性が交互に反転する。補助磁石4の極性は、N極の主磁石側がN、S極の主磁石側がS極である。主磁石3はネオジム系焼結磁石で構成され、補助磁石4はフェライト磁石で構成されている。また、主磁石3と補助磁石4はそれぞれの間にギャップを設けて固定されている。
磁石の磁力によりロータ1→ステータ5→ロータ1と磁束が流れる。このステータ5に流れ込む磁束量と、ステータコイル7に流れるコイル電流との相互作用で回転トルクを発生する。出力トルクはステータ5に流れ込む磁束量とコイル電流の積に比例する。
コイル電流が一定の条件では、強い磁石を使えば磁束量を増すことができ、出力トルクアップが図れる。一方、出力トルク一定の条件では、強い磁石を使えばコイル電流を少なくすることができ、ステータコイル7の電気抵抗で消費される損失を低減でき、回転電機の効率の向上が図れる。また、出力トルク、コイル電流が一定の条件では、強い磁石を使うことで磁石の小型化ができ、回転電機を小型化できる。
主磁石3と主磁石3の間に、補助磁石4を挿入すると、このリターン磁束を妨げる向きに磁力を発生するため、主磁石端部の磁束がロータコア2にもどらずステータ5に達するため、ステータ5に流れ込む磁束量を増すことができ、主磁石3の磁力を有効に使うことができる。つまり、より磁石を強くした効果あるいは、主磁石の量を少なくしても同等の出力トルクを得ることができる効果がある。
補助磁石4は主磁石3の磁束をステータ5へ流すための補助的な磁力があればよいため、必ずしも主磁石と同等の磁力が必要ではない。本発明ではそのため、補助磁石4は主磁石3に比べ磁力の弱いフェライト磁石で構成している。
主磁石3はネオジム系焼結磁石、残留磁束密度は1.2T、保磁力1600kA/m以上のものを使用した。補助磁石4のフェライト磁石は、残留磁束密度は0.4T、保磁力は300kA/m以上のものを使用した。
また、これらの主磁石3と補助磁石4の間には隙間を設けている。
主磁石3のみの場合、図2に示すように、破線10で示す磁束はステータに流れこんでいるが(有効磁束)、主磁石3の端部から発生した破線11の磁束は、ステータに達せずロータに戻っている(無効磁束)。
主磁石3と補助磁石4の間に隙間がある場合は、補助磁石4の磁力が磁化方向の長さ(ロータ周方向の磁石幅に相当)が短くなることにより、磁石長さに比例して磁力が弱くなる。しかし、磁石幅5mmに対して隙間が0.5mm以下であれば、磁力の低下は10%程度以下であり、補助磁石による十分なアシスト効果が得られる。
回転電機は12スロット、8極で、ロータ外径はΦ40である。軸方向の磁石の長さ、ステータの長さは35mmである。
まず、主磁石3のみの場合として、主磁石はかまぼこ型で、断面が弓形をしたセグメント磁石である。磁石幅は9mm、磁石の高さは2.6mm、磁石の片部の高さは1.2mmとして回転電機のトルクを求めた。
補助磁石4は断面が台形形状をした磁石である。磁石高さは2mm、磁石幅は5mmである。主磁石3の側面と補助磁石4の側面の間には間隔があくように補助磁石4の磁石幅は決められている。ギャップの間隔は、0.3mmである。それぞれの磁石はロータコア2に固定されている。
(1)主磁石(ネオジム系焼結磁石)のみ:
ネオジム系焼結磁石使用量1、出力トルク1
(2)主磁石(ネオジム系焼結磁石)+補助磁石(フェライト磁石):
ネオジム系焼結磁石使用量0.77、出力トルク1
(3)上記(2)と同じ主磁石で補助磁石なし:
ネオジム系焼結磁石使用量0.77、出力トルク0.971
これに対し、図1に示す実施の形態1の構成では、主磁石3と補助磁石4の間に隙間を設けており、磁石の寸法公差を下げることができ、磁石の加工時間を短縮できる。
隙間は0.5mmである。また、磁石をロータコアへ固定のときの位置精度を下げることができ、組立時間を短縮できる。
また、使用する磁石の寸法公差を大きくできるため、磁石の加工時間を短縮でき、ロータの組立も容易になり、組立時間を短縮することができる。
図4、図5はこの発明の実施の形態2の永久磁石型回転電機のロータの構成を示す概略断面図である。図4において、15は主磁石3と補助磁石4の隙間に配置された非磁性材料である。なお、その他の構成は実施の形態1と同一であり、説明は省略する。
このように構成された実施の形態2のロータは、主磁石3と補助磁石4の間に樹脂が充填されているため、回転電機の組立時に磁石同士が接触することによる割れや欠けを防止することができる。また、ロータコア2への固定力を強くできる。
即ち、モールド金型に、ロータコア2、主磁石3、補助磁石4を挿入し位置決めした後、モールド樹脂を注入して固めることで容易に実現することができる。
図5は主磁石3と補助磁石4をモールドで一体に成形した例であり、モールド金型内にロータコア2、主磁石3、補助磁石4を配置した後、モールド樹脂16を充填し固化する工法で製作したものである。
この一体モールド成形した実施の形態2の永久磁石発電機によれば、ロータコア2と主磁石3、補助磁石4の固定力を一層向上させることができる。
図6、図7にこの発明の実施の形態3による永久磁石型回転電機のロータの断面構成と磁石の発生する磁束の流れを示す。
この実施の形態3の永久磁石型回転電機は、補助磁石4とロータコア2の間にもギャップを設けたもので、非磁性体層である樹脂15が、主磁石3と補助磁石4の間と、補助磁石4とロータコア2の間に充填されている。
図6では、ロータコア2の補助磁石4が固定される位置のロータコア2に凹部17を設けた構成であり、図7は凹部を形成していない例である。
補助磁石4はロータの極間位置に相当し、ステータコイル7の発生する磁力の通路となる。そのため、上記の補助磁石4とロータコア2の間隔が広くなりすぎるとステータコイル7の発生する磁力に対して磁気抵抗が増大することになり、出力が低下してしまう。
まず、主磁石3をロータコア2に固定する。(図8(a)参照。)後述するように、この状態で着磁ヨークにロータを挿入し主磁石3を着磁する。
予め成形した樹脂15を補助磁石4に固定し、空芯コイルなどを用い補助磁石単体で着磁を行う。その後、主磁石の間に補助磁石を挿入し固定する。(図8(b)参照。)
固定は接着等で行う。着磁済み補助磁石4を挿入する時には主磁石3との反発力、吸引力が働くが、樹脂15が緩衝材となり磁石の割れ、欠けを防止できる。
ロータに主磁石3と補助磁石4を固定後、着磁ヨークで着磁を行った場合、主磁石3の磁石端部や補助磁石4の端部で十分な着磁磁場強度が得られないため、完全な着磁が難しくなる。図9は、主磁石3と補助磁石4をロータコア2に固定後に着磁ヨークで着磁を行った場合の模式図である。図9において、20は着磁ヨーク、21はコア、22はコイルである。着磁ヨーク20のコイル22には瞬間的に10kA程度のパルス電流が流れ、点線で示す磁束が発生する。この磁束はそれぞれの磁石の配向方向(磁化の方向と同じ)成分しか着磁に寄与しないため、ハッチングしている領域では、着磁に寄与する磁場成分が小さくなる。そのため、より大きな着磁電流を流す必用が生じる。また、量産においては着磁ヨークの寿命が短くなるといった問題が生じる。
図11はこの発明の実施の形態4による永久磁石型回転電機のロータの断面構成を示す。
この実施の形態4においては、主磁石3と補助磁石4とのギャップの間隔が、ロータ外周側が狭く、ロータ内周側が広くなるように構成されている。その他の構成は実施の形態1と同一であり、説明は省略する。
5 ステータ、6 ステータコア、7 ステータコイル、
10、11、12 磁束、15 樹脂(非磁性体層)、
16 モールド樹脂、 17 凹部、20 着磁ヨーク、
21 コア、22 コイル。
Claims (1)
- 鉄心と巻線からなるステータと、複数の磁極を構成する磁石がロータコアの外周面に配置されたロータとを備えた永久磁石型回転電機であって、前記ロータの磁極を、磁化が径方向である主磁石と、磁化が周方向であり磁力が前記主磁石の磁力より弱い補助磁石とで構成すると共に、前記主磁石と前記補助磁石との間に隙間を設けた永久磁石型回転電機の製造方法であって、前記ロータコアに主磁石を装着し、該主磁石を着磁した後、着磁した補助磁石を前記ロータコアに装着する工程を含むことを特徴とする永久磁石型回転電機の製造方法。
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