JP5901436B2 - 永久磁石同期機 - Google Patents

Description

本発明は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、回転子に永久磁石を埋設するInterior Permanent Magnet（以下「ＩＰＭ」という。）構造が広く採用されている。ＩＰＭ構造の永久磁石同期機に埋設する永久磁石に、安価でかつ安定調達が可能なフェライト磁石が採用され始めている。

しかしながら、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、フェライト磁石の残留磁束密度及び保持力は、ネオジウム磁石の約１／３である。従って、現在広く使用されているネオジウム磁石をフェライト磁石に置き換えた場合、著しい性能の低下を招くことになる。

特許文献１は、永久磁石を埋め込む収容孔が径方向内側に凸状である永久磁石埋め込み回転子を開示している。特許文献１によれば、磁石磁束の発生面積を大きくするとともに、永久磁石の径方向外側の鉄心断面積を大きくすることで、リラクタンストルクを積極的に活用して性能の向上を図ることができる。

特許第３５０７６８０号公報

特許文献１の径方向内側に凸状である永久磁石収容孔の形状では、回転子の回転による遠心力、急加速及び急停止による慣性力によって、永久磁石が永久磁石収容孔内を移動する。そして、遠心力及び慣性力を永久磁石の極間側端部で集中して受け、永久磁石の破断及び材料特性の劣化を招くおそれがある。

本発明は、永久磁石の破断及び材料特性の劣化を抑制する永久磁石同期機を提供することを目的とする。

本願発明の永久磁石同期は、回転子と固定子から構成される永久磁石同期機であって、前記回転子は、径方向内側に凸となるよう構成される永久磁石と、前記永久磁石が配設される磁石収容孔と、前記磁石収容孔の径方向外側に位置する回転子鉄心と、前記回転子鉄心の極間側、且つ、前記磁石収容孔の径方向外側に位置するリブと、を備え、前記永久磁石同期機の運転停止中における前記永久磁石と前記回転子鉄心との間の径方向における隙間は、前記永久磁石同期機の運転停止中における前記永久磁石と前記リブとの間の径方向における隙間より狭く、前記永久磁石同期機の運転停止中における前記永久磁石と前記回転子鉄心との間の遠心力方向における隙間は、前記永久磁石同期機の運転停止中における前記永久磁石と前記リブとの間の遠心力方向における隙間より狭い。

本発明によれば、永久磁石の破断及び材料特性の劣化を抑制することができる。

本発明の第１の実施例による永久磁石同期機の全体図。 本発明の第１の実施例による永久磁石同期機の１極分の部分断面図。 本発明の第１の実施例による永久磁石同期機の１極分の部分断面図。 本発明の第１の実施例の他形態による永久磁石同期機の１極分の部分断面図。 本発明の第２の実施例による永久磁石同期機の１極分の部分断面図。 本発明の第２の実施例による永久磁石同期機の１極分の部分断面図。

以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。

図１は、本発明の第１の実施例における永久磁石同期機の全体図である。永久磁石同期機は回転子１と固定子３０から構成される。回転子１は、径方向内側に凸となるよう構成された永久磁石収容孔４と、永久磁石収容孔４の径方向外側に位置する回転子鉄心２と、回転子鉄心２の極間側で、且つ、永久磁石収容孔４の径方向外側に位置するリブ６を有している。

図２は、本発明の第１の実施例における永久磁石同期機の１極分の部分断面図である。永久磁石収容孔４には永久磁石３が配設される。永久磁石収容孔４と隣の極の永久磁石収容孔４とは、連結部１１で連結される。また、永久磁石３は１極につき周方向に少なくとも２箇所の屈曲点４２を有する。屈曲点４２の間には磁化方向に対して垂直に伸びる中央部４０が設けられている。また、屈曲点４２を始端として極の端部側に向けて伸びる少なくとも２つの側部４１が設けられている。

このような永久磁石３の形状は、Ｕ字形状と同様に磁石磁束発生面の表面積を大きくすることができるとともに、永久磁石３の径方向外側の鉄心断面積が大きくなるのでリラクタンストルクを積極的に活用することができる。

しかし、永久磁石３には、回転子１の回転による遠心力、急加速及び急停止による慣性力が働く。この遠心力や慣性力によって、永久磁石３は永久磁石収容孔４内部で移動する。

フェライト磁石は焼成工程で成形体にうねりが発生するため、このうねり部分に相当する厚みを切削加工で除去する影響により、寸法公差が数百μｍと大きくなる。フェライト磁石はうねりが大きく、希土類磁石の場合よりも数倍大きなクリアランスが生じるケースが珍しくない。また、フェライト磁石は希土類磁石に比べ残留磁束密度が低く、回転子鉄心２との磁気吸引力が弱い。そのため、フェライト磁石は希土類磁石に比べて永久磁石収容孔４内部で移動しやすく、永久磁石の破断及び材料特性の劣化を引き起こしやすい。

そこで、本実施例では、極間側端部クリアランスの径方向における幅Ｔ１を中央部４０と径方向外側の回転子鉄心２ａとの間の径方向における隙間Ｔ３、又は、側部４１と径方向外側の回転子鉄心２ａとの間の径方向における隙間Ｔ２より長くしている。

この構成により、永久磁石３の極間側端部がリブ６と接触する前に、中央部４０又は側部４１が回転子鉄心２に接触するため、永久磁石３の極間側端部がリブ６に接触するのを回避することができる。従って、特定箇所に集中して遠心力が加わることを回避して、永久磁石３の破断および材料特性の劣化を確実に防止することができる。

また、永久磁石３は、回転子１の急加速及び急停止による慣性力によって回転方向に移動する。隙間Ｔ３が隙間Ｔ２より狭い場合、遠心力によって中央部４０と回転子鉄心２は接触するが、側部４１と回転子鉄心２は接触するとは限らない。つまり、急加速及び急停止による慣性力によって側部４１と回転子鉄心２が接触したり離れたりする可能性がある。

そこで、本実施例では中央部４０と径方向外側の回転子鉄心２ａとの間の径方向における隙間Ｔ３を、側部４１と径方向外側の回転子鉄心２ａとの間の径方向における隙間Ｔ２よりも長くしている。この構成によれば、遠心力によって側部４１が径方向外側の回転子鉄心２ａへの接触を維持でき、慣性力によって側部４１と回転子鉄心２が接触したり離れたりすることを防止することができる。

このように、側部４１と回転子鉄心２とを面接触させて遠心力や慣性力を分散させることで、特定箇所に集中して遠心力や慣性力が加わることを回避することができる。そのため、永久磁石３の破断及び材料特性の劣化を抑制することができる。

なお、側部４１を直線形状にすることで、側部４１と回転子鉄心２との磁気吸引力を一様にすることができるため、側部４１と回転子鉄心２とをより確実に面接触させることができる。

図３に示すように、永久磁石３の極間側の端部の長さをリブ６の長さよりも短くし、角を削る構成にしてもよい。この構成によれば、永久磁石３の極間側の端部の角がリブ６に接触するのをより確実に回避することができる。

さらに、図３に示すように、永久磁石３の極間側の端部に、中央部４０の磁化方向５０に対して垂直となる面４４を設けてもよい。中央部４０の磁化方向５０に対して垂直となる面４４を底にして永久磁石３を置くことができ、永久磁石３を加工しやすくすることができる。

また、中央部４０の磁化方向５０に対して平行となる面４３を設けてもよい。

さらに、永久磁石３が永久磁石収容孔４との接触面上をスライドして移動するのを屈曲点４２によって阻止することができる。なお、本実施例では永久磁石３が２箇所の屈曲点４２を有する場合について説明したが、永久磁石３のスライドを阻止する構造であれば、１箇所の屈曲点４２のみ有する構造や、屈曲点４２を有さずに突起や摩擦等によってスライドを阻止する構造であってもよい。

また、永久磁石３の極間側の端部を円弧形状で構成することによって、遠心力や慣性力を分散させることができる。

また、屈曲点４２と回転子鉄心２との接触点４５及び接触点４６を円弧形状で構成することによって、遠心力や慣性力を分散させることができる。

さらに、屈曲点４２と回転子鉄心２との接触点４５における径方向外側の回転子鉄心２ａの円弧の半径を永久磁石３の円弧の半径より大きくすることで、屈曲点４２と回転子鉄心２との接触点４５における永久磁石３と回転子鉄心２との接触を回避することができる。

また、屈曲点４２と回転子鉄心２との接触点４６における径方向内側の回転子鉄心２ｂの円弧の半径を永久磁石３の円弧の半径より小さくすることで、屈曲点４２と回転子鉄心２との接触点４６における永久磁石３と回転子鉄心２との接触を回避することができる。

以上のように、永久磁石収容孔４内のフェライト磁石のガタつきを抑えることができ、騒音発生を抑制するとともに、磁石の破断および材料特性の劣化を防止することが可能となる。

なお、図４に示すように、永久磁石３を径方向外側の回転子鉄心２ａと径方向内側の回転子鉄心２ｂを別々に構成する分割コアであっても、同様の効果を得ることができる。

径方向外側の回転子鉄心２ａと永久磁石３の接触面、及び、径方向内側の回転子鉄心２ｂと永久磁石３の接触面をそれぞれ接着剤で接着固定する方法や、径方向外側の回転子鉄心２ａと径方向内側の回転子鉄心２ｂの断面の一部に軸方向に貫通するボルト穴を設けるとともに、軸方向端部に肉厚の当て板を構造部材として設け、ボルト穴を通るボルトで回転子鉄心２と永久磁石３が一体となるよう締結する方法などが挙げられる。このような構成とすることで、構造体として設けられていたリブ６を削除できるため、永久磁石３からリブ６への漏れ磁束を低減して、トルク及び永久磁石同期機の効率を向上させることができる。

なお、１極あたりの永久磁石３を周方向に分割して構成することも可能であるが、隣接する磁石の間に生じるクリアランス及び永久磁石の寸法公差に相当する分の磁束発生面積が消失するため、結果的に性能低下を招く。このため、永久磁石３は周方向に分割することなく一体で構成することが望ましい。

また、永久磁石３の屈曲点４２の間には、磁化方向に対して垂直に伸びる直線部分を設けているが、径方向内側に凸となるよう湾曲しても良いし、径方向内側に凸となるよう複数の直線部分で構成してもよい。

また、永久磁石３には、フェライト磁石のような保持力、残留磁束密度が比較的低い永久磁石を使用する。

また、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。

また、本発明は、内転型回転子に限定されるものではなく、外転型回転子にも適用が可能である。

図５に本発明の第２の実施例による永久磁石同期機の１極分の部分断面図を示す。中央部４０の磁化方向に対して垂直方向における中央部４０の長さＷ１は、側部４１の磁化方向に対して垂直方向における側部４１の長さＷ２よりも長い。この構成により、永久磁石３に働く回転方向の慣性力を低減することができる。

原理について、図６を用いて詳しく説明する。回転子１の急停止・脱調時には、図６に示すように永久磁石３に回転方向の力である慣性力６０が印加される。このとき、慣性力６０が最も集中するのは屈曲点４２と回転子鉄心２との接触点４５であり、屈曲点４２と回転子鉄心２との接触点４５での応力の大きさは、屈曲点４２と回転子鉄心２との接触点４５から慣性力６０の作用点までの距離と、慣性力６０との積、すなわち曲げモーメントで表すことができる。

つまり、屈曲点４２と回転子鉄心２との接触点４５から慣性力６０の作用点までの距離の合計値を短くすることで、屈曲点４２と回転子鉄心２との接触点４５に加わる曲げモーメントを低減することができる。

したがって、図５に示すように、Ｗ２の長さをＷ１よりも小さくし、曲げモーメントを極力小さくすることで、屈曲点４２と回転子鉄心２との接触点４５への応力集中を低減でき、永久磁石３の破断および材料特性の劣化を抑制することができる。

以上説明したように、本願発明の永久磁石同期機は、回転子と固定子から構成される永久磁石同期機であって、回転子は、径方向内側に凸となるよう構成される永久磁石３と、永久磁石３が配設される永久磁石収容孔４と、永久磁石収容孔４の径方向外側に位置する径方向外側の回転子鉄心２ａと、径方向外側の回転子鉄心２ａの極間側、且つ、永久磁石収容孔４の径方向外側に位置するリブ６と、を備え、永久磁石３は中央部４０と、中央部４０の両端に位置する側部４１と、を有し、中央部４０と永久磁石収容孔４との間の径方向における隙間は側部４１とリブ６との間の径方向における隙間より狭い。

また、本願発明の永久磁石同期機は、側部４１と永久磁石収容孔４との間の径方向における隙間は、側部４１とリブ６との間の径方向における隙間より狭い。

また、本願発明の永久磁石同期機は、永久磁石３は少なくとも２箇所の屈曲点４２を有し、中央部４０は２箇所の屈曲点４２の間に位置する。

また、本願発明の永久磁石同期機は、中央部４０と永久磁石収容孔４との間の径方向における隙間は、側部４１と永久磁石収容孔４との間の径方向における隙間より狭い。

また、本願発明の永久磁石同期機は、側部４１及び永久磁石収容孔４は、側部４１の磁化方向に対して垂直なリブ面を有し、側部４１のリブ面は永久磁石収容孔４のリブ面より小さい。

また、本願発明の永久磁石同期機は、側部４１は中央部４０の磁化方向に対して垂直な面を有する。

また、本願発明の永久磁石同期機は、永久磁石３は、中央部４０と側部４１とを接続する円弧部を有し、永久磁石収容孔４は、円弧部を収容する円弧収容部を有し、円弧部の径方向外側の径は円弧収容部の径方向外側の径よりも小さい。

また、本願発明の永久磁石同期機は、中央部４０の磁化方向に対して垂直方向における中央部４０の長さＷ１は、側部４１の磁化方向に対して垂直方向における側部４１の長さＷ２よりも長い。

１ 回転子
２ａ 径方向外側の回転子鉄心
２ｂ 径方向内側の回転子鉄心
３ 永久磁石
４ 永久磁石収容孔
５ シャフト孔
６ リブ
１１ 連結部
３０ 固定子
４０ 中央部
４１ 側部
４２ 屈曲点
４３ 中央部４０の磁化方向５０に対して平行となる面
４４ 中央部４０の磁化方向５０に対して垂直となる面
４５、４６ 屈曲点４２と回転子鉄心２との接触点
５０ 極の中央部の磁化方向
６０ 慣性力

Claims (7)

1. 回転子と固定子から構成される永久磁石同期機であって、前記回転子は、
   径方向内側に凸となるよう構成される永久磁石と、
   前記永久磁石が配設される磁石収容孔と、
   前記磁石収容孔の径方向外側に位置する回転子鉄心と、
   前記回転子鉄心の極間側、且つ、前記磁石収容孔の径方向外側に位置するリブと、を備え、
   前記永久磁石同期機の運転停止中における前記永久磁石と前記回転子鉄心との間の径方向における隙間は、前記永久磁石同期機の運転停止中における前記永久磁石と前記リブとの間の径方向における隙間より狭く、
   前記永久磁石同期機の運転停止中における前記永久磁石と前記回転子鉄心との間の遠心力方向における隙間は、前記永久磁石同期機の運転停止中における前記永久磁石と前記リブとの間の遠心力方向における隙間より狭い永久磁石同期機。
2. 回転子と固定子から構成される永久磁石同期機であって、前記回転子は、
   径方向内側に凸となるよう構成される永久磁石と、
   前記永久磁石が配設される磁石収容孔と、
   前記磁石収容孔の径方向外側に位置する回転子鉄心と、
   前記回転子鉄心の極間側、且つ、前記磁石収容孔の径方向外側に位置するリブと、を備え、
   前記永久磁石は中央部と、前記中央部の両端に位置する側部と、を有し、
   前記永久磁石同期機の運転停止中における前記中央部と前記磁石収容孔との間の径方向における隙間は、前記永久磁石同期機の運転停止中における前記側部と前記リブとの間の径方向における隙間より狭く、
   前記永久磁石同期機の運転停止中における前記永久磁石と前記回転子鉄心との間の遠心力方向における隙間は、前記永久磁石同期機の運転停止中における前記永久磁石と前記リブとの間の遠心力方向における隙間より狭い永久磁石同期機。
3. 回転子と固定子から構成される永久磁石同期機であって、前記回転子は、
   径方向内側に凸となるよう構成される永久磁石と、
   前記永久磁石が配設される磁石収容孔と、
   前記磁石収容孔の径方向外側に位置する回転子鉄心と、
   前記回転子鉄心の極間側、且つ、前記磁石収容孔の径方向外側に位置するリブと、を備え、
   前記永久磁石は中央部と、前記中央部の両端に位置する側部と、を有し、
   前記永久磁石同期機の運転停止中における前記側部と前記磁石収容孔との間の径方向における隙間は、前記永久磁石同期機の運転停止中における前記側部と前記リブとの間の径方向における隙間より狭く、
   前記永久磁石同期機の運転停止中における前記永久磁石と前記回転子鉄心との間の遠心力方向における隙間は、前記永久磁石同期機の運転停止中における前記永久磁石と前記リブとの間の遠心力方向における隙間より狭い永久磁石同期機。
4. 前記永久磁石は少なくとも２箇所の屈曲点を有し、
   前記中央部は前記２箇所の屈曲点の間に位置することを特徴とする請求項２に記載の永久磁石同期機。
5. 前記中央部と前記磁石収容孔との間の径方向における隙間は、前記側部と前記磁石収容孔との間の径方向における隙間より広いことを特徴とする請求項２乃至４のいずれかに記載の永久磁石同期機。
6. 前記側部は前記中央部の磁化方向に対して垂直な面を有することを特徴とする請求項２乃至５のいずれかに記載の永久磁石同期機。
7. 前記中央部の磁化方向に対して垂直方向における前記中央部の長さは、前記側部の磁化方向に対して垂直方向における前記側部の長さよりも長いことを特徴とする請求項２乃至６のいずれかに記載の永久磁石同期機。