JP5891089B2 - 永久磁石同期機 - Google Patents

Description

本発明は、回転子コアに永久磁石を埋設した永久磁石同期機に関するものである。

永久磁石同期機では、回転子コアに永久磁石を埋設するＩＰＭ（Interior Permanent Magnet）構造が広く採用されている。永久磁石材として、ネオジム磁石に代表される希土類磁石を使用することで、小形・高出力・高効率な回転機を得ることができるが、希土類磁石は材料コストが高く、また保持力向上を目的としてディスプロシウム（Ｄｙ）やテルビウム（Ｔｂ）のような希少価値の高い重希土類を添加する必要があることから、調達保全の観点で課題がある。したがって、フェライト磁石に代表される安価でかつ安定供給が可能な永久磁石を使用することが望ましい。しかしながら、一般に永久磁石の性能は残留磁束密度と保持力という２つの物理量で表され、たとえばフェライト磁石の場合は、ネオジム磁石に対して残留磁束密度、保持力がそれぞれ約１／３となる。このため、単純な磁石材の置き換えでは、回転機の著しい性能低下を招くことになる。ネオジム磁石同期機と同程度の性能を実現するためには、回転機の体格を増加したり、フェライト磁石の磁化方向厚みを増加したり、フェライト磁石の磁束発生面の表面積を拡大する必要がある。

特許文献１では、回転子の同一断面上に、フェライト磁石とともにネオジム磁石を埋設する技術に関して述べており、このような構成とすることで、フェライト磁石による磁束量の低下をある程度カバーすることができる。なお、特許文献１では「フェライト磁石のみで構成した回転機では十分なリラクタンストルクが得られない」旨の記載があるが、フェライト磁石のみで構成した回転機でも、図９に示すような構成とすることで、ｑ軸インダクタンスの増加を図ることが可能となり、大きなリラクタンストルクを得ることができる。図９はフェライト磁石で構成される６極の内転型回転子の１極分について、回転軸に垂直な断面を示しており、周方向における中央部分が両端部に対して回転子外周面から離れるように、すなわち回転子の中心側に凸となるように湾曲した永久磁石３が回転軸方向（以下、単に軸方向という）に埋設され、永久磁石３の外周側に配置されたコア部分がｑ軸の磁気回路として作用するため、ｑ軸インダクタンスが増加する。

特許第３８３２５３０号公報

ＩＰＭ構造においては、磁石保持のためにリブと呼ばれる継鉄部を設ける構造が必須となる。通常、永久磁石から発生する磁束は、その大半が回転子コアを透過しギャップを介して固定子コアへと透過しており、これらはトルク発生に寄与することから、主磁束または有効磁束と呼ばれる。一方で、リブに隣接する永久磁石の磁束は、ギャップと比較して磁気抵抗が相対的に小さいリブへと漏れてしまい、トルク発生に寄与しないため、漏れ磁束と呼ばれる。図１０は、前述の図９に示す永久磁石３の周方向端部拡大図であり、主磁束と漏れ磁束の様子を模式的に表したものである。以下では、本発明が解決しようとする課題について、図１０を用いて説明する。

一般にリブ６は幅狭となるよう構成されるため、漏れ磁束８によって磁気飽和が起こりやすい。当該部分が磁気飽和するとギャップと同程度の磁気抵抗となる、すなわち、漏れ磁束８が一定の水準に達すると残りの磁束はギャップを透過する主磁束９となる。永久磁石３としてネオジム磁石を使用する場合は、当該磁石の残留磁束密度が高いため、リブ６の磁気飽和が起こりやすく、磁石の発生磁束量全体に占める漏れ磁束８の割合は小さい。しかし、永久磁石３としてフェライト磁石のような残留磁束密度の低い磁石を使用する場合、リブ６の磁気飽和を引き起こすためには、比較的大きな割合の漏れ磁束８が必要となり、相対的に主磁束９が減少することになる。このように、フェライト磁石同期機では、もともと残留磁束密度が低いことに加え、リブの漏れ磁束の割合が大きくなるため、より一層のトルクの低下や、モータ効率の低下を招くといった課題がある。

特許文献１では、このような課題についての配慮がなく、開示されたいずれの構成においても、フェライト磁石とリブとの隣接面では大きな漏れ磁束が発生し、トルクの低下や、モータ効率の低下を招いている。例えば、図７は特許文献１に開示された内転型回転子の一構成例であるが、１極の周方向端部を拡大すると、当該部分の磁束の様子は図８のように表される。すなわち、フェライト磁石３と隣接するリブ６ｂでは、ネオジム磁石７の漏れ磁束８ｂ、フェライト磁石３の漏れ磁束８ｃに加えて、フェライト磁石３のＮ極から発生してネオジム磁石７のＳ極に流入する漏れ磁束８ｄが発生する。漏れ磁束８ｄは結果的にはネオジム磁石７を透過してギャップ方向に流れるが、フェライト磁石の主磁束９ｂが通る経路に対して、磁気抵抗がより大きな経路を通るため、本来フェライト磁石３が発生しうる主磁束量に対して減少してしまう課題がある。

本発明の目的は、リブへの漏れ磁束を少なくして永久磁石が発生する主磁束を多くすることにより、トルクおよび効率を向上することが可能な永久磁石同期機を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明の永久磁石同期機は、複数極を構成するよう配設された永久磁石を保持するためのリブが形成された回転子を有する永久磁石同期機において、１極を構成する前記永久磁石は、フェライト磁石である第１の永久磁石と、前記第１の永久磁石に対して保持力の高いネオジム磁石である第２の永久磁石とで構成され、前記第１の永久磁石の周方向両端部の少なくとも一方の端部との間に磁性体を介すことなく前記第２の永久磁石を配置し、以て前記第１の永久磁石の前記端部と前記リブとの間に前記第２の永久磁石を配置し、前記第１の永久磁石には、前記回転子の回転軸に垂直な断面上で、前記第１の永久磁石の両端部が外周側に向かう略凹型形状となるように、少なくとも２箇所の屈曲点を有する。

このとき、前記第１の永久磁石は、前記回転子の回転軸に垂直な断面上で、磁極面が前記回転軸側に凸となるように、曲がっているとよい。

また、前記第２の永久磁石の磁化方向幅は、前記第１の永久磁石の磁化方向幅よりも小さいとよい。

また、前記第２の永久磁石の体積は、前記第１の永久磁石の体積よりも小さいとよい。

また、前記第２の永久磁石を、前記第１の永久磁石の周方向端部のうち、回転進み方向端部にのみ配置するとよい。

本発明によれば、保持力の高い第２の永久磁石でリブを磁気飽和させることにより、第１の永久磁石が発生する磁束の一部がリブへの漏れ磁束となることを防ぎ、トルク発生に寄与する主磁束を多くすることができる。これにより、永久磁石同期機のトルクおよび効率が向上する。

本発明の第１の実施例による永久磁石同期機の部分断面図。 本発明の第１の実施例による永久磁石同期機の部分断面図の拡大図。 本発明の第２の実施例による永久磁石同期機の部分断面図。 本発明の第３の実施例による永久磁石同期機の部分断面図。 本発明の第３の実施例による永久磁石同期機の部分断面図の拡大図。 本発明の第３の実施例による永久磁石同期機の部分断面図。 特許文献１で開示された永久磁石同期機の部分断面図。 特許文献１で開示された永久磁石同期機の部分断面図の拡大図。 永久磁石同期機の部分断面図。 永久磁石同期機の部分断面図の拡大図。

以下、本発明の一実施例について図面を参照して説明する。以下の説明では、同一の構成要素には同一の記号を付してある。それらの名称および機能は同じであり、重複説明は避ける。また、保持力の異なる複数の磁石に関する説明において、保持力の低い第１の永久磁石としてフェライト磁石を、保持力の高い第２の永久磁石としてネオジム磁石を例に挙げているが、本発明の効果は両者の組み合わせに限定されるものではない。また、以下の説明では６極機を対象としているが、本発明の効果は６極機に限定されるものではなく、他の極数にも適用可能である。

尚、本明細書において、「横断面」は回転子の回転軸に垂直な断面を表し、「縦断面」とは回転子の回転軸に沿う断面を表す。

図１に本発明の第１の実施例による永久磁石同期機の回転子１の部分断面図を示す。本図は横断面図である。図１において、複数極を構成するよう配設された永久磁石と、この永久磁石を保持するためのリブ６とで構成される内転型回転子１を有する永久磁石同期機において、永久磁石は保持力の異なる複数の磁石で構成され、保持力の低い第１の永久磁石３は、その磁極面が回転軸に垂直な断面に少なくとも１箇所の屈曲部を有する屈曲面を成しており、第１の永久磁石３の周方向端部には磁性体を介すことなく保持力の高い第２の永久磁石７を配置するとともに、第２の永久磁石７の、第１の永久磁石３側の側面とは反対側の側面が、リブ６と隣接するように配置する。

回転子鉄心２は軸方向に積み重ねた積層鋼板で構成しても良いし、圧粉磁心などで構成しても良いし、アモルファス金属などで構成しても良い。回転子１の内部には、磁石挿入孔４に埋設した第１の永久磁石３および第２の永久磁石７が６極となるよう配置されており、図１では２極分のみを示している。第１の永久磁石３には、フェライト磁石やＳｍＦｅＮ磁石のような保持力の低い永久磁石を使用し、第２の永久磁石７にはネオジム磁石やＳｍＣｏ磁石のような保持力の高い磁石を使用する。ただし、第１の永久磁石３よりも第２の永久磁石７の保持力が高ければよいので、第１の永久磁石３にフェライト磁石を使用し、第２の永久磁石７にＳｍＦｅＮ磁石を使用する構成としてもよい。第１の永久磁石３は２箇所の屈曲部を有しており、このような磁石形状とすることで、磁石挿入孔４の内部で第１の永久磁石３が動かないよう保持できるので、永久磁石のガタつきによる騒音を解消でき、また永久磁石材の割れを防ぐことができる。一般にフェライト磁石の寸法公差はネオジム磁石と比較して大きいため、磁石挿入孔と永久磁石との空隙が大きくなる傾向がある。特に、平板やＵ字形状の磁石の場合は、周方向および径方向の移動自由度が大きくガタつきの問題が顕著となるので、図１に示すように屈曲点を設ける構成が望ましい。また、前記のように屈曲点を設ける形状とすることで、第１の永久磁石３の外周側に配置されたコア部分がｑ軸の磁気回路として作用するため、ｑ軸インダクタンスが増加し、リラクタンストルクが増加するメリットがある。第１の永久磁石３と第２の永久磁石７の間の空隙１１には、樹脂などの非磁性体を充填して前記磁石を保持してもよいし、空隙のままでもよい。また、空隙１１を設けずに、永久磁石３と永久磁石７とを接合した構成としてもよい。また、二色成形技術を用いて第１の永久磁石３と第２の永久磁石７とを一体構成としたものを磁石挿入孔４に挿入してもよい。第２の永久磁石７は、第１の永久磁石３の磁化方向厚みと同等となるように構成してもよいし、それ以下の厚みであってもよい。また、第２の永久磁石７の磁束流出面の幅は、リブ６を磁気飽和させるのに十分な磁束量を確保できる大きさであればよく、それ以上大きくした場合には、その増加分に比例して主磁束成分が増加するので、要求仕様に合わせて適宜調整すればよい。

図２は、前述の図１に示す第１の永久磁石３の周方向端部拡大図であり、主磁束と漏れ磁束の様子を模式的に表したものである。図２において、リブ６は第２の永久磁石７による漏れ磁束８によって磁気飽和状態となるため、ギャップと同程度の磁気抵抗となる、すなわち、第２の永久磁石７の残りの磁束はギャップを透過する主磁束９ａとなる。一方で、第１の永久磁石３においては、リブ６が既に磁気飽和しているため漏れ磁束は発生せず、ほぼ全ての磁束が主磁束９ｂとなる。

以上のように、第１の永久磁石３と第２の永久磁石７とを磁性体を介すことなく隣接させることで、第１の永久磁石３の漏れ磁束を大幅に低減し、相対的に主磁束成分を増加することが可能となるので、トルクおよび効率を向上することが可能となる。

第１の永久磁石３と第２の永久磁石７とを磁性体を介すことなく配置するために、第１の永久磁石３と第２の永久磁石７とを挿入する磁石挿入孔４は、以下のように形成されている。磁性体で形成された回転子鉄心２には、その横断面上において、第１の永久磁石３と第２の永久磁石７とが、一つの閉じた曲線または折れ線によって囲まれている。この曲線または折れ線は一つの周を成しており、磁石挿入孔４の側面（周面）を表す。一つの周を成して構成された磁石挿入孔４の内側には、第１の永久磁石３と第２の永久磁石７とが挿入されるが、第１の永久磁石３の周方向の端部は第２の永久磁石７に接していてもよいし、離れていてもよい。第１の永久磁石３の周方向の端部を第２の永久磁石７から離す場合には、第１の永久磁石３と第２の永久磁石７との間に空隙を設けても良いし、第１の永久磁石３と第２の永久磁石７との間の空隙を非磁性体（回転子鉄心２を構成する磁性体に対して極端に透磁率の低い材料）で埋めたり、第１の永久磁石３と第２の永久磁石７との間に非磁性体を介在させてもよい。

図３に本発明の第２の実施例による永久磁石同期機の部分断面図を示す。図３は図１と同様に２極分の横断面図を示している。図３において、図１と同一構成要素には同一符号を付け、重複説明は避ける。図３の構成が図１と異なる点は、第２の永久磁石７の磁化方向厚みＷ７が第１の永久磁石３の磁化方向厚みＷ３よりも小さくなるよう構成している点である。一般に、磁石の減磁耐力は保持力と磁化方向厚みとの積に比例するので、前記のような構成としても、異なる磁石材においても同等の減磁耐力を確保することができる。例えば、ネオジム磁石の保持力はフェライト磁石の約３倍なので、フェライト磁石に対して１／３倍の磁化方向厚みとすることで、両者の減磁耐力は同等となる。図１のような構成では、第２の永久磁石７の減磁耐力が過剰スペックとなるが、図３に示す構成とすることで、第１の永久磁石３と同等の減磁耐力にすることができ、ネオジム磁石など保持力の高い永久磁石７の使用量を大幅に削減することが可能となる。

また、一般に保持力が高く磁化方向厚みが大きい永久磁石は着磁性が悪くなる傾向にあるため、図３のような構成とすることで、第２の永久磁石７の着磁性を第１の永久磁石３の着磁性と同等程度に改善にすることが可能となる。

以上のように、第２の永久磁石７の磁化方向厚みを第１の永久磁石３の磁化方向厚みよりも小さくすることで、第２の永久磁石７の使用量を大幅に削減しながら、両磁石の減磁耐力を確保し、また着磁性を確保するとともに、第１の永久磁石３の漏れ磁束を大幅に低減し、相対的に主磁束成分を増加することが可能となるので、トルクおよび効率を向上することが可能となる。

図４に本発明の第３の実施例による永久磁石同期機の部分断面図を示す。図４は図１と同様に２極分の横断面図を示している。図４において、図１と同一構成要素には同一符号を付け、重複説明は避ける。図４の構成が図１と大きく異なる点は、第１の永久磁石３の周方向端部のうち、回転進み方向端部にのみ、第２の永久磁石７を設けている点である。第１の永久磁石３の周方向端部のうち、回転進み方向端部には磁性体を介すことなく保持力の高い第２の永久磁石７を配置するとともに、第２の永久磁石７の断面のうち、第１の永久磁石３と隣接する面とは反対側の面は、空隙１２を挟んでリブ６ａと隣接するよう配置している。この空隙１２を設けることにより、第２の永久磁石７の減磁耐力が向上する。また、第１の永久磁石３の周方向端部のうち他方の端部は、空隙１３を挟んでリブ６ｂと隣接している。

図５は、図４に示す第１の永久磁石３の周方向端部のうち、回転進み方向端部の拡大図であり、主磁束と漏れ磁束の様子を模式的に表したものである。図５において、リブ６ａおよびリブ６ｂは、第２の永久磁石７および第１の永久磁石３ｂの漏れ磁束８によって磁気飽和状態となるため、ギャップと同程度の磁気抵抗となる、すなわち、第２の永久磁石７および第１の永久磁石３ｂの残りの磁束はギャップを透過する主磁束９ａとなる。一方で、第１の永久磁石３ａにおいては、リブ６が既に磁気飽和しているため漏れ磁束は発生せず、ほぼ全ての磁束が主磁束９ｂとなる。

したがって、図５のような構成とした場合においても、第１の永久磁石３の漏れ磁束を大幅に低減し、相対的に主磁束成分を増加することが可能となるので、トルクおよび効率を向上することが可能となる。また、図１〜３では１極につき第２の永久磁石７を２ヶ所に挿入する必要があったが、図５のような構成とすることで１ヵ所に減らすことができ、部品点数の削減および作業工程の簡略化を図ることが可能となる。

なお、図６に示すように、第２の永久磁石７の磁化方向厚みが第１の永久磁石３のそれよりも小さくなるよう構成した場合においても、第１の永久磁石３の漏れ磁束を大幅に低減し、相対的に主磁束成分を増加することが可能となるので、トルクおよび効率を向上することが可能となる。また、第２の永久磁石７の使用量を大幅に削減しながら、第２の永久磁石７の減磁耐力と第１の永久磁石３の減磁耐力とが同等程度になるよう確保でき、また着磁性も両磁石で同等程度に確保できる。さらに、図５の構成では、極間に磁束集中部１０が形成されるため、当該部分における磁気飽和により主磁束９ａの低下を招く問題がある。これに対し、図６のような構成では、極間の磁束集中部１０の磁路幅を拡大できるので、当該部分が磁気飽和することなく、主磁束の低下を回避できる。

上記の各実施例では、第１の永久磁石３は、その磁極面が回転軸に垂直な断面に少なくとも１箇所の屈曲部を有する屈曲面を成す形状としたが、緩やかな曲線形状でも良い。さらには、第１の永久磁石３は磁極面が平らな平板状のものであっても、漏れ磁束の低減効果を得ることができる。上記の各実施例では、薄肉部で形成されたリブ６の周方向長さを長くしているので、第２の永久磁石７による磁気飽和の効果を得ることが容易になる。

１ 回転子
２ 回転子鉄心
３ 第１の永久磁石
４ 永久磁石挿入孔
５ シャフト孔
６ リブ
７ 第２の永久磁石
８ 漏れ磁束
９ 主磁束
１０ 極間磁束集中部

Claims (5)

1. 複数極を構成するよう配設された永久磁石を保持するためのリブが形成された回転子を有する永久磁石同期機において、
   １極を構成する前記永久磁石は、フェライト磁石である第１の永久磁石と、前記第１の永久磁石に対して保持力の高いネオジム磁石である第２の永久磁石とで構成され、
   前記第１の永久磁石の周方向両端部の少なくとも一方の端部との間に磁性体を介すことなく前記第２の永久磁石を配置し、以て前記第１の永久磁石の前記端部と前記リブとの間に前記第２の永久磁石を配置し、
   前記第１の永久磁石は、前記回転子の回転軸に垂直な断面上で、前記第１の永久磁石の両端部が外周側に向かう略凹型形状となるように、少なくとも２箇所の屈曲点を有することを特徴とする永久磁石同期機。
2. 請求項１に記載の永久磁石同期機において、
   前記第１の永久磁石は、前記回転子の回転軸に垂直な断面上で、磁極面が前記回転軸側に凸となるように、曲がっていることを特徴とする永久磁石同期機。
3. 請求項２に記載の永久磁石同期機において、
   前記第２の永久磁石の磁化方向幅は、前記第１の永久磁石の磁化方向幅よりも小さいことを特徴とする永久磁石同期機。
4. 請求項２又は３に記載の永久磁石同期機において、
   前記第２の永久磁石の体積は、前記第１の永久磁石の体積よりも小さいことを特徴とする永久磁石同期機。
5. 請求項２乃至４のいずれか１項に記載の永久磁石同期機において、
   前記第２の永久磁石を、前記第１の永久磁石の周方向端部のうち、回転進み方向端部にのみ配置したことを特徴とする永久磁石同期機。