JP5895429B2

JP5895429B2 - 埋込磁石形回転電機

Info

Publication number: JP5895429B2
Application number: JP2011219228A
Authority: JP
Inventors: 英樹大口; 敏治持田
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2011-10-03
Filing date: 2011-10-03
Publication date: 2016-03-30
Anticipated expiration: 2031-10-03
Also published as: JP2013081284A

Description

本発明は、ロータに永久磁石を埋め込んだ埋込磁石形回転電機に関する。

埋込磁石形回転電機として、図６に示す装置が挙げられる。
この埋込磁石形回転電機１は、円筒状フレーム２と、この円筒状フレーム２の内周側に配置したステータ３と、このステータ３の内周側に所定のエアギャップＧを設けて対向するロータ４とで構成されており、ロータ４は、円筒状フレーム２に配設した一対の軸受（（不図示））によって回転自在に支持された回転軸６の外周に装着されている。

ステータ３は、複数のステータ鋼板（不図示）を積層し、これら複数のステータ鋼板の内周面側に、円周方向に等間隔に複数のステータスロット９が形成されて複数のティース１０が設けられ、各ティース１０のステータスロット９内に励磁コイル１１が巻装されている。
ロータ４は、複数のロータ鋼板（不図示）を積層して形成したロータコア１３と、ロータコア１３の周方向に所定間隔をあけて設けた複数の磁極部１４ａ〜１４ｆとを備えている。

周方向に隣り合う磁極部どうし（例えば磁極部１４ｃ，磁極部１４ｄ）は、サイドブリッジ１８を間に設けて形成した一対のロータスロット１５ａ，１５ｂと、各ロータスロット１５ａ，１５ｂ内に固定された横断面長方形状の永久磁石１６ａ，１６ｂとを備えており、一対のロータスロット１５ａ，１５ｂは、センターブリッジ１７を間に設けてロータコア１３の周方向に長方形状に開口している。

そして、周方向に隣り合う磁極部どうしは、例えば磁極部１４ｃの永久磁石１６ａ，１６ｂがＳ極であり、磁極部１４ｄの永久磁石１６ａ，１６ｂがＮ極となるように、サイドブリッジ１８を介して異極性となるように配置されている。また、回転軸６は、ロータ４に形成した軸穴４ａに締まりばめで嵌合されている。
この埋込磁石形回転電機１は、磁極部１４ａ〜１４ｆの永久磁石１６ａ，１６ｂが発生する磁束をステータ３の励磁コイル１１との鎖交磁束量に応じて発生するマグネットトルクに加え、ロータコア１３の磁気抵抗を利用したリラクタンストルクを利用した回転電機であり、小型で高出力高効率の回転電機として広く用いられている。

ところで、図６の埋込磁石形回転電機１は、回転時に、一対のロータスロット１５ａ，１５ｂのセンターブリッジ１７側に寄った内壁角部に応力が集中しやすく、高速回転時にはロータコア１３が遠心力（応力）に耐えられないという問題がある。
そこで、例えば特許文献１に示す埋込磁石形回転電機は、図７に示すように、磁極部を構成する一対のロータスロット１５ａ，１５ｂのセンターブリッジ１７に寄る側（回転軸６の軸心を通過する径方向の磁極部中心線Ｃ側）を円弧形状の内壁１５ｃ，１５ｄとすることで、高速回転時であってもロータスロット１５ａ，１５ｂの内壁に発生する応力集中を抑制し、遠心力に耐え得る構造としている。

特開２００２−３４１８５号公報

ところで、埋込磁石形回転電機は、永久磁石の鎖交磁束を増加させて誘起電圧を高める必要がある。しかし、図７で示した特許文献１の埋込磁石形回転電機は、ロータスロット１５ａ，１５ｂ内に、磁石幅Ｈが小さい横断面長方形状の永久磁石１６ａ，１６ｂを固定しているので鎖交磁束が増加せず、誘起電圧を高めることが困難である。
そこで、本発明は、高速回転時であってもロータコアの耐久性を向上させることができると同時に、永久磁石の鎖交磁束を増大させて誘起電圧を高めることができる埋込磁石形回転電機を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明の請求項１記載の埋込磁石形回転電機は、励磁コイルを巻装したステータと、このステータと所定の空隙を隔てて対向して回転するロータとを備え、前記ロータは、円板形状のロータコアと、このロータコアに周方向に所定間隔をあけて設けた複数の磁極部とを有し、前記複数の磁極部の夫々は、前記ロータコアの軸方向に貫通し、当該ロータコアの周方向に離間して形成した一対のロータスロットと、これらロータスロット内に固定され、周方向に隣り合う磁極部どうしが異極性となるように配置した永久磁石とを有してなる埋込磁石形回転電機において、前記一対のロータスロットは、前記ロータコアの回転中心を通過する径方向の磁極部中心線に対して周方向に対称に形成されており、これら一対のロータスロットの前記磁極部中心線側のスロット内壁を、当該磁極部中心線に向かって膨らむ膨らみ部として形成し、前記一対のロータスロット内に固定した前記永久磁石は、前記膨らみ部に向けて突出する凸部を設けており、前記一対のロータスロットの前記膨らみ部は、外径側が内径側と比較して前記磁極部中心線に向って膨らんでいる段差状に形成され、前記一対の永久磁石の前記凸部は、前記一対のロータスロットの前記膨らみ部に面接触状態で当接するように、前記磁極部中心線に向って段差状に形成されている。

この発明によると、一対のロータスロットの膨らみ部が外径側が内径側と比較して磁極部中心線に向って膨らんでいる段差状に形成され、一対の永久磁石の凸部が一対のロータスロットの膨らみ部に面接触状態で当接するように磁極部中心線に向って段差状に形成されているので、回転時においてロータスロットに発生する応力集中を抑制することができる。
また、一対のロータスロット内に固定した永久磁石は、膨らみ部に向けて突出する凸部を設けていることから、横断面長方形状の永久磁石と比較して磁石幅が大きくなり電機子鎖交磁束が増加する。
さらに、電機子鎖交磁束が増加すると誘起電圧が高まり、同一マグネットトルクを得る場合にはｑ軸電流を低減できるので、ステータの励磁コイルで生じる銅損を低減することができる。

本発明に係る埋込磁石形回転電機によれば、一対のロータスロットの磁極部中心線側のスロット内壁を磁極部中心線に向かって膨らむ膨らみ部として形成しているので、回転時においてロータスロットに発生する応力集中を抑制することができ、高速回転時であってもロータコアの耐久性を向上させることができる。
また、一対のロータスロット内に固定した永久磁石は、膨らみ部に向けて突出する凸部を設けているので、横断面長方形状の永久磁石と比較して磁石幅が大きくなり電機子鎖交磁束が増加するので、誘起電圧を高めることができる。
また、誘起電圧が高まることで、同一マグネットトルクを得る場合には、ｑ軸電流を低減できるので、ステータの励磁コイルで生じる銅損を低減することができる。

本発明に係る埋込磁石形回転電機の第１実施形態のロータの要部を示す図である。本発明に係る埋込磁石形回転電機の第２実施形態のロータの要部を示す図である。本発明に係る埋込磁石形回転電機の第３実施形態のロータの要部を示す図である。従来の埋込磁石形回転電機と、第１及び第２実施形態のロータを備えた埋込磁石形回転電機とが発生する誘起電圧を示すグラフである。比較例のロータを備えた埋込磁石形回転電機と、第３実施形態のロータを備えた埋込磁石形回転電機とが発生する誘起電圧を示すグラフである。従来の埋込磁石形回転電機を示す断面図である。従来の埋込磁石形回転電機のロータ要部を示す図である。比較例としての埋込磁石形回転電機のロータ要部を示す図である。

以下、本発明を実施するための形態（以下、実施形態という。）を、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図６及び図７で示した構成と同一構成部分には、同一符号を付してその説明は省略する。
図１は、本発明に係る埋込磁石形回転電機の第１実施形態のロータ２０の一部を示すものである。このロータ２０は、図６で示した構造と同様にステータ３の内周側に所定のエアギャップを設けて配置されており、複数のロータ鋼板（不図示）を積層して形成したロータコア１３と、ロータコア１３の周方向に所定間隔をあけて設けた８極の磁極部２１とを備えている。

磁極部２１は、図７で示した構造と同一構造のセンターブリッジ１７を間に設けてロータコア１３の周方向に延在して開口する一対のロータスロット１５ａ，１５ｂと、これらロータスロット１５ａ，１５ｂ内に固定された一対の永久磁石２４ａ，２４ｂとを備えている。一対の永久磁石２４ａ，２４ｂは、ネオジム磁石やフェライト磁石等により構成され、同極のものが配置されている。

ここで、回転軸６の軸心Ｏを通過して磁極部２１の中間部の径方向に延在する線を磁極部中心線Ｃとすると、一対のロータスロット１５ａ，１５ｂは磁極部中心線Ｃに対して周方向に対称に形成されており、一対のロータスロット１５ａ，１５ｂの磁極部中心線Ｃ側の内壁は、磁極部中心線Ｃに向かって膨らんだ円弧形状に形成されている（以下、円弧内壁１５ｃ，１５ｄと称する）。

また、本実施形態の一対の永久磁石２４ａ，２４ｂは、磁極部中心線Ｃ側の幅方向端部の形状が円弧内壁１５ｃ，１５ｄに対して相似形の凸部として形成されている。すなわち、一対の永久磁石２４ａ，２４ｂの磁極部中心線Ｃ側の幅方向端部の形状は、円弧内壁１５ｃ，１５ｄに面接触状態で当接するように、磁極部中心線Ｃに向かって円弧形状に突出して形成されている（以下、円弧凸部２４ｃ，２４ｄと称する）。
本実施形態に係る埋込磁石形回転電機のトルクＴは、以下の式で表される。

上記（１）式において、第１項が永久磁石の作る磁束によるマグネットトルク、第２項がリラクタンストルクとなる。
本発明の着眼点は、永久磁石による電機子鎖交磁束Ψ_mの増加、すなわち誘起電圧ν_emfを高めることにある。ここで、電機子鎖交磁束Ψ_m及び誘起電圧ν_emfの関係は、以下の式で表される。ただし、ある周波数ｆにおける誘起電圧ν_emfとする。

したがって、同一のマグネットトルクを得る場合には、電機子鎖交磁束Ψ_mが高いほどｑ軸電流ｉ_qを低減することができる。
次に、本実施形態の効果について説明する。
本実施形態のロータ２０は、一対のロータスロット１５ａ，１５ｂの磁極部中心線Ｃ側の内壁を円弧内壁１５ｃ，１５ｄとしたので、回転時においてロータスロット１５ａ，１５ｂの円弧内壁１５ｃ，１５ｄに発生する応力集中を抑制することができ、高速回転時であってもロータコア１３の耐久性を向上させることができる。

また、本実施形態の永久磁石２４ａ，２４ｂは、円弧凸部２４ｃ，２４ｄを設けたことで、図７で示した永久磁石１６ａ，１６ｂと比較して磁石幅が大きくなる（永久磁石１６ａ，１６ｂの磁石幅Ｈ＜永久磁石２４ａ，２４ｂの磁石幅Ｈ１）。このような本実施形態のロータ２０を備えた埋込磁石形回転電機は、一対のロータスロット１５ａ，１５ｂ内に磁石幅Ｈ１が大きい一対の永久磁石２４ａ，２４ｂを固定しているので、図７で示した従来の埋込磁石形回転電機と比較して電機子鎖交磁束が増加し、誘起電圧を高めることができる。
また、本実施形態のロータ２０を備えた埋込磁石形回転電機は、誘起電圧を高めることでｑ軸電流ｉ_qが低減するので、ステータ３の励磁コイル１１で生じる銅損を低減することができる。

次に、図２は、本発明に係る埋込磁石形回転電機の第２実施形態のロータ２５の一部を示すものである。なお、第１実施形態の構造と同一構成部分には、同一符号を付してその説明は省略する。
本実施形態のロータ２５は、複数のロータ鋼板（不図示）を積層して形成したロータコア１３と、ロータコア１３の周方向に所定間隔をあけて設けた８極の磁極部２６とを備えている。

磁極部２６は、センターブリッジ１７を間に設けてロータコア１３の周方向に延在して開口する一対のロータスロット１５ａ，１５ｂと、これらロータスロット１５ａ，１５ｂ内に固定された一対の永久磁石２７ａ，２７ｂとを備えている。一対の永久磁石２７ａ，２７ｂは、ネオジム磁石やフェライト磁石等により構成され、同極のものが配置されている。
本実施形態の一対の永久磁石２７ａ，２７ｂは、磁極部中心線Ｃ側の幅方向端部の形状が、磁極部中心線Ｃに向かって台形形状に突出して形成されている（以下、台形凸部２７ｃ，２７ｄと称する）。

次に、本実施形態の効果について説明する。
本実施形態のロータ２５も、一対のロータスロット１５ａ，１５ｂの磁極部中心線Ｃ側の内壁を円弧内壁１５ｃ，１５ｄとしたので、回転時においてロータスロット１５ａ，１５ｂの円弧内壁１５ｃ，１５ｄに発生する応力集中を抑制することができ、高速回転時であってもロータコア１３の耐久性を向上させることができる。

また、本実施形態の永久磁石２７ａ，２７ｂは、台形凸部２７ｃ，２７ｄを設けたことで、図７で示した永久磁石１６ａ，１６ｂと比較して磁石幅が大きくなる（永久磁石１６ａ，１６ｂの磁石幅Ｈ＜永久磁石２７ａ，２７ｂの磁石幅Ｈ２＜図１の永久磁石２４ａ，２４ｂの磁石幅Ｈ１）。このような本実施形態のロータ２５を備えた埋込磁石形回転電機は、一対のロータスロット１５ａ，１５ｂ内に磁石幅Ｈ２の一対の永久磁石２７ａ，２７ｂを固定しているので、図７で示した従来の埋込磁石形回転電機と比較して電機子鎖交磁束が増加する。一方、本実施形態の一対の永久磁石２７ａ，２７ｂの磁石幅Ｈ２は、図１で示した第１実施形態の永久磁石２４ａ，２４ｂの磁石幅Ｈ１と比較して小さいので、電機子鎖交磁束が小さい。

したがって、図４に示すように、本実施形態のロータ２５を備えた埋込磁石形回転電機は、第１実施形態のロータ２０を備えた装置より誘起電圧が小さいが、従来の装置より誘起電圧を高めることができる。そして、図４によると、従来の装置と比較して第１実施形態は誘起電圧が約５７ポイント増加し、第２実施形態は誘起電圧が約４９ポイント増加し、同一マグネットトルクを得る場合には、ｑ軸電流ｉ_qを約半分に低減できるので、ステータ３の励磁コイル１１で生じる銅損を大幅に低減することができる。
さらに、本実施形態の永久磁石２７ａ，２７ｂは、第１実施形態の永久磁石２４ａ，２４ｂの円弧凸部２４ｃ，２４ｄと比較して製造が容易な台形凸部２７ｃ，２７ｄを備えているので、磁石幅Ｈ２が大きい永久磁石を、製造コストを低減させて製造することができる。

次に、図３は、本発明に係る埋込磁石形回転電機の第３実施形態のロータ３０の一部を示すものである。
このロータ３０は、複数のロータ鋼板（不図示）を積層して形成したロータコア１３と、ロータコア１３の周方向に所定間隔をあけて設けた８極の磁極部３１とを備えている。
磁極部３１は、ブリッジ３２を間に設けてロータコア１３の周方向に延在して開口する一対のロータスロット３３ａ，３３ｂと、これらロータスロット３３ａ，３３ｂ内に固定された一対の永久磁石３４ａ，３４ｂとを備えている。一対の永久磁石３４ａ，３４ｂは、同極のものが配置されている。

一対のロータスロット３３ａ，３３ｂは磁極部中心線Ｃに対して周方向に対称に形成されており、一対のロータスロット３３ａ，３３ｂの磁極部中心線Ｃ側の内壁は、外径側が内径側と比較して磁極部中心線Ｃに向かって膨らんで段差形状に形成されている（以下、段差内壁３３ｃ，３３ｄと称する）。

また、本実施形態の一対の永久磁石３４ａ，３４ｂは、磁極部中心線Ｃ側の幅方向端部の形状が段差内壁３３ｃ，３３ｄに対して相似形に形成されている。すなわち、一対の永久磁石３４ａ，３４ｂの磁極部中心線Ｃ側の幅方向端部の形状は、段差内壁３３ｃ，３３ｄに面接触状態で当接するように、磁極部中心線Ｃに向かって段差状に突出して形成されている（以下、段差凸部３４ｃ，３４ｄと称する）。
ここで、本実施形態との比較のために、図８に比較例としたロータ３５の一部を示す。
このロータ３５は、複数のロータ鋼板（不図示）を積層して形成したロータコア１３と、ロータコア１３の周方向に所定間隔をあけて設けた８極の磁極部３６とを備えている。

磁極部３６は、図３で示した磁極部中心線Ｃ側の内壁に段差内壁３３ｃ，３３ｄを形成した一対のロータスロット３３ａ，３３ｂと、これらロータスロット３３ａ，３３ｂ内に固定された横断面長方形状の一対の永久磁石３７ａ，３７ｂとを備えており、一対の永久磁石３７ａ，３７ｂは、同極のものが配置されている。
なお、本発明に係る膨らみ部が段差内壁３３ｃ，３３ｄに対応し、本発明に係る凸部が段差凸部３４ｃ，３４ｄに対応している。

次に、本実施形態の効果について説明する。
図３で示す本実施形態のロータ３０は、一対のロータスロット３３ａ，３３ｂの磁極部中心線Ｃ側の内壁の一部（外径側）が磁極部中心線Ｃに向かって膨らんだ形状の段差内壁３３ｃ，３３ｄとしており、図６で示した内壁角部を有するロータスロット１５ａ，１５ｂと比較して回転時に発生する応力集中を抑制することができるので、高速回転時であってもロータ３０の耐久性を向上させることができる。

また、本実施形態の永久磁石３４ａ，３４ｂは、段差凸部３４ｃ，３４ｄを設けたことで、図８で示した比較例の永久磁石３７ａ，３７ｂと比較して磁石幅が大きくなる（永久磁石３７ａ，３７ｂの磁石幅Ｈ３＜永久磁石３４ａ，３４ｂの磁石幅Ｈ４）。このような本実施形態のロータ３０を備えた埋込磁石形回転電機は、一対のロータスロット３３ａ，３３ｂ内に磁石幅Ｈ４が大きい一対の永久磁石３４ａ，３４ｂを固定しているので、図８で示した比較例のロータ３５を備えた埋込磁石形回転電機と比較して電機子鎖交磁束が増加する。

したがって、図５に示すように、本実施形態のロータ３０を備えた埋込磁石形回転電機は、図８で示した比較例のロータ３５を備えた装置より誘起電圧を高めることができる。
また、本実施形態のロータ３０を備えた埋込磁石形回転電機は、誘起電圧を高めることでｑ軸電流ｉ_qが低減するので、ステータ３の励磁コイル１１で生じる銅損を低減することができる。
なお、上述した各実施形態の埋込磁石形回転電機を構成するステータ３の励磁コイル１１の巻き方としては集中巻、分布巻がある。

また、上述した各実施形態では、一対の永久磁石２４ａ，２４ｂ（或いは、永久磁石２７ａ，２７ｂ、永久磁石３４ａ，３４ｂ）がロータコア１３の周方向に延在するように埋設された構造を示したが、これら一対の永久磁石がＶ字状、Ｕ字状等に埋設した形状であっても良い。
また、上述した実施形態のロータ２０，２５，３０は８極の磁極部を備えているが、本発明の要旨が８極の電磁部に限定するものではない。
さらには、一対の永久磁石２４ａ，２４ｂ（或いは、永久磁石２７ａ，２７ｂ、永久磁石３４ａ，３４ｂ）を、ネオジム磁石やフェライト磁石で構成したが、これらに限定するものではない。

２…円筒状フレーム、３…ステータ、４…ロータ、６…回転軸、１１…励磁コイル、１３…ロータコア、１５ａ，１５ｂ，３３ａ，３３ｂ…ロータスロット、１５ｃ，１５ｄ…円弧内壁、１７，３２…ブリッジ、２０，２５，３０…ロータ、２１，２６，３１…磁極部、２４ａ，２４ｂ，２７ａ，２７ｂ，３４ａ，３４ｂ…永久磁石、２４ｃ，２４ｄ…円弧凸部、２７ｃ，２７ｄ…台形凸部、３３ｃ，３３ｄ…段差内壁、３４ｃ，３４ｄ…段差凸部

Claims

励磁コイルを巻装したステータと、このステータと所定の空隙を隔てて対向して回転するロータとを備え、
前記ロータは、円板形状のロータコアと、このロータコアに周方向に所定間隔をあけて設けた複数の磁極部とを有し、前記複数の磁極部の夫々は、前記ロータコアの軸方向に貫通し、当該ロータコアの周方向に離間して形成した一対のロータスロットと、これらロータスロット内に固定され、周方向に隣り合う磁極部どうしが異極性となるように配置した永久磁石とを有してなる埋込磁石形回転電機において、
前記一対のロータスロットは、前記ロータコアの回転中心を通過する径方向の磁極部中心線に対して周方向に対称に形成されており、これら一対のロータスロットの前記磁極部中心線側のスロット内壁を、当該磁極部中心線に向かって膨らむ膨らみ部として形成し、前記一対のロータスロット内に固定した前記永久磁石は、前記膨らみ部に向けて突出する凸部を設けており、
前記一対のロータスロットの前記膨らみ部は、外径側が内径側と比較して前記磁極部中心線に向って膨らんでいる段差状に形成され、
前記一対の永久磁石の前記凸部は、前記一対のロータスロットの前記膨らみ部に面接触状態で当接するように、前記磁極部中心線に向って段差状に形成されていることを特徴とする埋込磁石形回転電機。