JP6196864B2 - 永久磁石回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、ロータ（回転子）に永久磁石を埋設した永久磁石回転電機に関し、特にロータの回転軸から放射状に伸びるスポーク状に埋め込まれる永久磁石を備えた永久磁石回転電機に関する。

永久磁石をスポーク状にロータに埋め込んだラジアルタイプのロータをもつ回転電機は、マグネットトルクとリラクタンストルクで駆動される複合トルクモータとして優れた構造である。この種回転電機は、特許文献１および２に示される。

特許文献１には、永久磁石が放射状に延びてロータコア（回転子鉄心）に挟持されたラジアルタイプのロータ構造が示されている。永久磁石は、ロータの回転に伴う遠心力により、ロータからラジアル方向に抜け出て行こうとする力が働く。これを防止するため、永久磁石はロータコアのスロットに挟持されるように構成される。

永久磁石をロータコアに挟持する回転電機の想定される構造を図８、図９に示す。回転電機は、巻線１３が巻装された積層鉄心（コア）からなる複数のティース１２を有するステータ（固定子）１１と、上記ティース１２の内側と隙間をもって対向する外周を有し、内周側が回転軸（図示せず）に固定された環状の積層鉄心からなるロータ１４を備え、ロータ１４には、複数本の永久磁石１５が放射状に延びるように埋め込まれている。

永久磁石１５は、側面１５ａ、１５ｂが平行な直方体の形状を有し、側面１５ａがＳ極、側面１５ｂがＮ極に磁化されており、半径方向外側端面１５ｃが両側においてロータ１４の外周付近に設けた突起１４ｂに係止されている。永久磁石１５は、この突起１４ｂによって半径方向内側に押さえ付けられ、遠心力による永久磁石の抜けが防止される。図９で、ＦＣが永久磁石に作用する遠心力で、Ｆｒがロータコアの反力を示している。

しかしながら、上記構成では永久磁石１５の半径方向先端面１４ｃで磁性体の突起１４ｂを介した磁束漏れφＬが生じるため、永久磁石１５からステータのティース１２に流す磁束が減少する。また、突起１４ｂの介在により、永久磁石１５の半径方向先端面１４ｃとティース１２の距離が長くなるので、永久磁石１５からティース１２に流す磁束が減少する。さらに、突起１４ｂの介在により、永久磁石１５の放射方向の長さ１５Ｌが短くなって永久磁石１５の発生磁束が減少し、また、同じ磁束を発生させるためには永久磁石１５の寸法を大きくする必要がある。さらに、積層鉄心からなるロータ１４に突起１４ｂを設けるために特殊な形状が必要となりコストアップになる。

したがって、引用文献１に示される構造では、小型で大きなマグネットトルクを有する回転電機を得ることが困難である。

特許文献２には、永久磁石の抜けを防止すると共に永久磁石とロータを一体化した後にも永久磁石の磁化を可能とした回転機ロータが示されている。このロータでは、永久磁石の半径方向先端面からロータの外周面に至る空間に、非磁性体の本体部が埋め込まれ、この本体部により永久磁石と磁性材料のロータを一体構成している。

特開平４−２５５４３９号公報 特開２００１−１３６６９０号公報

しかしながら、特許文献２の回転機ロータでは、永久磁石の半径方向先端面からステータの内周面までの間に非磁性体の本体部で埋められていて永久磁石からステータまでの磁路が長くなるため、永久磁石からステータに流れる磁束が減少する。さらに、非磁性体の介在により、永久磁石の半径方向の長さが短くなって永久磁石の発生磁束が減少し、また、同じ磁束を発生させるためには永久磁石の寸法を大きくする必要がある。さらに、積層鉄心からなるロータに非磁性体の本体部を設けるために特殊な形状となりコストアップになる。

本発明は上記従来技術の問題点にかんがみ、ロータの永久磁石とステータをできるだけ接近させることで、コンパクトな構成で大きなトルクを得ると共に、永久磁石の安定的な抜け止めを施した永久磁石回転電機を提供するものである。

上記目的を達成するために、本発明は、巻線が巻装された鉄心からなるステータと、
このステータに隙間をもって外周が離間し、内周側が回転軸に固定された鉄心を有するロータを備え、
前記ロータは回転中心から放射状に延びる複数の永久磁石を内蔵し、
前記永久磁石は、外周側の端面が前記ロータの外周面に沿うように位置し、かつ永久磁石の周方向の断面幅が前記ロータの半径方向内側に沿って大きくなるように形成され、
前記鉄心は、その外周側の端面が前記ロータの外周面に沿うように位置し、前記永久磁石との境目で前記ロータの外周面より回転軸側に連続的に変形した凹部を有することを特徴とする。

前記永久磁石は、周方向の断面がロータの半径方向中央部において大きくなるように、断面が樽型に形成されても良く、カマボコ型に形成されても良く、さらに、前記永久磁石は、放射状に沿って断面が円弧状に形成されても良い。

また、上記目的を達成するために本発明は、巻線が巻装された鉄心を有するステータと、
このステータに隙間をもって外周が離間し、内周側が回転軸に固定された鉄心を有するロータを備え、
前記ロータは回転中心から放射状に延びる複数の永久磁石を内蔵し、
前記永久磁石は、外周側の端面が前記ロータの外周面に沿うように位置し、かつ放射状に沿った断面の両側面がそれぞれ中心位置が異なる断面が円弧状に形成され、
前記鉄心は、その外周側の端面が前記ロータの外周面に沿うように位置し、前記永久磁石との境目で前記ロータの外周面より回転軸側に連続的に変形した凹部を有することを特徴とする。

本発明によれば、より多くの磁束を永久磁石からステータに流すことで、コンパクトな構成で高トルク化を図るとともに、永久磁石の安定的な抜け止めを図ることができる。

本発明実施例１の永久磁石回転電機の径方向の断面図である。 同じく断面の要部拡大図である。 本発明実施例１の変形例の断面の要部拡大図である。 同じく径方向断面と軸方向断面の説明図である。 同じく軸方向断面の詳細図である。 本発明実施例２の永久磁石回転電機の径方向の断面図である。 同じく断面の要部拡大図である。 本発明実施例３の永久磁石回転電機の断面の要部拡大図である。 想定される従来技術の永久磁石回転電機の径方向の断面図である。 同じく断面の要部拡大図である。

以下本発明の実施例について図面を用いて説明する。

（実施例１）
まず、図１、図２を用いて実施例１の構造を説明する。図１は、永久磁石回転電機の径方向の断面図で、図２は同じく断面の要部拡大図である。

本実施例の永久磁石回転電機は、１２極の電機子巻線３を有するステータ（固定子）１と、円筒形のロータ（回転子）２により構成されている。ステータ１は電磁鋼板を積層した積層鉄心で構成され、内側周方向に１２個のティース１ａを一体に形成し、各ティース１ａには巻線３が巻装されている。

ロータ２は電磁鋼板を積層した環状の積層鉄心４で構成され、外周が前記ステータのティース１ａに対して所定隙間で対向し、内周側が回転軸（後述）に固定されている。ロータ２には、１つの磁極に１つのフェライト磁石からなる永久磁石５が積層鉄心４に挟まれるように埋設されている。各永久磁石５の極性は図示のように磁化されている。なお、ロータ２は積層鉄心ではなく、焼結材のようなブロック状の鉄心で構成しても良い。

上記構成において、永久磁石回転電機は、図１に示すように、破線矢印で示す電機子巻線３が発生する磁束φｄによるリラクタンストルクと、実線矢印で示す永久磁石５が発生する磁束φｑによるマグネットトルクとの複合トルクにより、ロータ２が回転駆動される。

図２によりロータ２の構造を説明する。ロータ２は円弧状の外周面４ａをもつ積層鉄心４と、円弧状の外周側端面５ｃを持つ永久磁石５で構成される。積層鉄心４には永久磁石５と同一形状のスロット（図示せず）が設けられ、このスロットに各永久磁石５が嵌めこまれた状態で固定される。永久磁石５は、ロータ２の回転中心からスポーク状に放射方向に延びるように配置される。

永久磁石５は、両側面５ａ、５ｂ、ロータの外周側端面５ｃ、ロータの内周側端面５ｄとで構成される。外周側端面５ｃは積層鉄心４の外周面（ロータの外周面）４ａとほぼ同一の円弧状を有している。永久磁石５は、外周側端面５ｃが積層鉄心４の外周面（ロータの外周面）４ａに沿うように位置している。

図２では、永久磁石５の外周側端面５ｃと、積層鉄心４の外周面（ロータの外周面）４ａがほぼ同一面となるように位置し、両者の境目に凹凸が生じないように積層鉄心４に固定される。このように、永久磁石５の外周側端面５ｃと、積層鉄心４の外周面（ロータの外周面）４ａをほぼ同一面とすることにより、外周側端面５ｃをステータのティース１ａに最も接近させることができるので、永久磁石５からティース１ａまでの磁路が短くなり、永久磁石からステータに流れる磁束が減少することがない。さらに、外周側端面５ｃをロータの外周面４ａまで延ばすことで永久磁石５の放射方向の長さ寸法を長くできるので、永久磁石の発生磁束を増加できる。また、同じ磁束を発生させる場合は、軸長を短くできるので、ロータを小型化できる。

さらに、永久磁石５の外周側端面５ｃを円弧状にすれば、端面５ｃと積層鉄心４の外周面４ａが同一面とすることができ、両者の境目は凹凸が生じないように形成されるので、ロータ２の回転において風切り音が生じることなく回転抵抗が少なくなる。

図３は本実施例の変形例を示す。永久磁石５は外周側端面５ｃがロータの外周面２ａに沿うように位置しているが、積層鉄心４の外周面４ａが、前記永久磁石との境目で、ロータの外周面２ａより回転軸側に変形した凹部Ａを有している。このような形状にすることにより、積層鉄心４と永久磁石５との境目での磁束の変化が緩和されるので、トルクリップルを緩和することができる。

永久磁石５は、両側面５ａ、５ｂの中央部が外側に膨らんだ断面が樽型形状に形成されている。すなわち、永久磁石５の周方向の断面幅が、前記端面５ｃからロータの半径方向内側に向かって中央部まで大きくなり、中央部から内周側端面５ｄに向かって小さくなるように形成されている。具体的には、図２で、永久磁石５の前記外周側端面５ｃの幅をａ、両側面中央部の幅をｂ、前記内周側端面５ｄの幅をｃとすると、ａ＜ｂ、ｂ＞ｃとなるように形成される。そして、幅ａからｂへの拡大は、急激に拡大することなく連続的に滑らかに拡大し、幅ｂから幅ｃへの縮小も急激に縮小することなく連続的に滑らかに縮小している。

このように中央部が外側に膨らんだ断面樽型形状の永久磁石によれば、外周側端面５ｃから両側面５ａ、５ｂの中央部に至る部分の、永久磁石５と積層鉄心４との接触面において、永久磁石５に加わる遠心力Ｆｃと、これに対抗する積層鉄心４の反力Ｆｒが作用し、永久磁石５の抜け止めが施される。そして、上記のように永久磁石の断面積が端面５ｃから中央部まで連続的に滑らかに拡大しているため、上記作用点は、永久磁石５と積層鉄心４との全接触面に分散される。上記作用点は、端面５ｃから中央部までの永久磁石５の長さの約半分の長さにわたって分散するため、各作用点に働く力はかなり小さくなる。

従って、永久磁石５と積層鉄心４は局部的な力が加わることが無いので、互いに損傷を受けることがなく、遠心力が作用する永久磁石に対し、長期間、安定的な抜け止めを施すことができる。

また、前記樽型形状の永久磁石は、中央部より外周側端面５ｃに向かって幅が狭まっていて、積層鉄心４の外周側の幅Ｗ１を大きくすることができるので、磁束φｑを増加させても磁気飽和を起こすことがなく、大きなリラクタンストルクを得ることができる。さらに、永久磁石の中央部より内周側端面５ｄにわたって幅が狭まっていて、積層鉄心４の内周側の幅Ｗ２をより大きくすることができるので、通過磁束の飽和が起こり難く、ロータを組み上げた状態で永久磁石を磁化するに際し、磁化効率が良くなる。

図４は径方向断面と軸方向断面の説明図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）のＢ−Ｂ線に沿った断面を示し、上半分は永久磁石５の断面を示し、下半分は積層鉄心４の断面を示している。

図５は軸方向断面の詳細を示しており、６はロータ２の積層鉄心４の両端を支持する側板、７は側板６と積層鉄心４を貫通して側板６を介して積層鉄心４を締め付けるボルト、８はロータ２の内周側が側板６を介して固定される回転軸である。なお、図１、図２ではボルト７は図示省略されている。

（実施例２）
次に、図６、図７を用いて実施例２の構造を説明する。図６は、永久磁石回転電機の径方向の断面図で、図７は断面の要部拡大図である。

実施例２は、永久磁石５の外周側端面５ｃと、外周面（ロータの外周面）４ａが同一面となる構成は実施例１と同じである。実施例１と異なる点は、永久磁石５の両側面５ａ、５ｂの一方が中央部で外側に膨らんで、断面がカマボコ型（状）に形成されている点である。図では、側面５ａが直線（平面）に形成され、側面５ｂが膨らんだ形状に形成されている。図７で、永久磁石５の前記外周側端面５ｃの幅をａ、中央部の幅をｂ、前記内周側端面５ｄの幅をｃとすると、ａ＜ｂ、ｂ＞ｃとなるように形成される。そして、幅ａからｂへの側面５ｂの拡大は、急激に拡大することなく連続的に滑らかに拡大し、幅ｂから幅ｃへの側面５ｂの縮小も急激に縮小することなく連続的に滑らかに縮小している。

本実施例２では、永久磁石５に加わる遠心力Ｆｃと、これに対抗する積層鉄心４の反力Ｆｒは、永久磁石５の外周側端面５ｃから一方の側面５ｂの中央部に至る部分に作用する。そして、実施例１と同様に、永久磁石の断面幅が端面５ｃから中央部まで連続的に滑らかに拡大しているため、上記作用点は、上記端面５ｃから中央部までの部分に連続的に分散して生じ、各作用点に働く力はかなり小さくなる。

従って、永久磁石５と積層鉄心４は局部的な力が加わることが無いので、互いに損傷を受けることがなく、遠心力が作用する永久磁石に対し、長期間、安定的な抜け止めを施すことができる。

実施例２では、側面５ａが直線（平面）で、側面５ｂのみが膨らんだ形状に形成されているため、永久磁石５に加わる遠心力Ｆｃと、これに対抗する積層鉄心４の反力Ｆｒが、側面５ｂのみでしか作用しないが、側面５ａの直線（平面）の形成部分の加工性が良いので、加工コストを低減することができる。

また、実施例１と同様に、カマボコ型形状の永久磁石によれば、中央部より外周側端面５ｃの幅が狭まっていて、積層鉄心４の外周側の幅Ｗ１を大きくすることができるので、磁束φｑを増加させても磁気飽和を起こすことがなく、大きなリラクタンストルクを得ることができる。さらに、永久磁石の中央部より内周側端面５ｄにわたって幅が狭まっていて、積層鉄心４の内周側の幅Ｗ２をより大きくすることができるので、通過磁束の飽和が起こり難く、ロータを組み上げた状態で永久磁石を磁化するに際し、磁化効率が良くなる。

（実施例３）
次に、図８を用いて実施例３の構造を説明する。図８は、永久磁石回転電機の断面の要部拡大図である。

実施例３は、永久磁石５の外周側端面５ｃと、外周面（ロータの外周面）４ａが同一面となるように位置する構成は実施例１、２と同じである。前記実施例と異なる点は、永久磁石５の両側面５ａ、５ｂの中央部がともに湾曲して、断面が円弧状に形成されている点である。図８では、側面５ａの中央部が凹状で、側面５ｂの中央部が凸状に変形するように形成されている。そして、これらの変形は、連続的に滑らかに変化するように形成されている。

図８で永久磁石５の周方向の断面幅がｄで示されるが、幅ｄは中央部で両端（外周側端面５ｃの幅ａ、内周側端面５ｄの幅ｃ）の幅より大きく設定されても良く、また、外周側端面５ｃから内周側端面５ｄまでの断面幅の全体を同一幅に設定されても良い。

本実施例３の中央部が湾曲した円弧状の永久磁石では、永久磁石５に加わる遠心力Ｆｃと、これに対抗する積層鉄心４の反力Ｆｒは、永久磁石５の外周側端面５ｃから一方の側面５ｂの中央部の凸状の頂部までの傾斜部分と、他方の側面５ａの中央部の凹状の底部から内周側端面５ｄまでの傾斜部分とに作用する。

そして、前記各傾部分は連続的に滑らかに変化しているため、上記作用点は、永久磁石５の側面５ａの傾斜部分と積層鉄心４との接触面、および永久磁石５の側面５ｂの傾斜部分と積層鉄心４との接触面に分散される。このように、上記作用点は、永久磁石５の一方の側面の永久磁石５の約半分の長さと、永久磁石５他方の側面の永久磁石５の約半分の長さとの分散されるため、各作用点に働く力はかなり小さくなる。

従って、永久磁石５と積層鉄心４は局部的な力が加わることが無いので、互いに損傷を受けることがなく、遠心力が作用する永久磁石に対し、長期間、安定的な抜け止めを施すことができる。

永久磁石５は、両側面５ａ、５ｂを同一曲率半径に設定した場合、遠心力により、積層鉄心４のスロット内で移動する恐れがある。これを防止するには、永久磁石５を円弧状に形成するに際し、両側面５ａ、５ｂのそれぞれの円弧の中心位置が異なるように成形すれば良い。すなわち、図８に示すように、永久磁石５の側面５ａの半径Ｒ１の円弧の中心位置と、側面５ｂの半径Ｒ２の円弧の中心位置を異ならせる。半径Ｒ１とＲ２は同一であっても、異なっても良い。

このように、１つの永久磁石５の両側面をそれぞれ中心位置が異なる円弧に形成すれば、両側面の移動軌跡が異なるので永久磁石５は移動できず、抜け止めを施すことができる。

また、永久磁石５の両側面は円弧で形成されるため滑らかに変形しているので、永久磁石５に加わる遠心力Ｆｃと、積層鉄心４の反力Ｆｒとの作用点は分散させることができる。従って、永久磁石５と積層鉄心４には局部的な力が加わることが無く、互いに損傷を受けることがなく、遠心力が作用する永久磁石に対し、長期間、安定的な抜け止めを施すことができる。

以上説明したように、各実施例の永久磁石回転電機によれば、ロータの永久磁石とステータをできるだけ接近させることと、永久磁石の安定的な抜け止めの構成により、永久磁石からステータにより大きな磁束を流すことで、コンパクトな構成で大きなトルクを得ると共に、安定的な永久磁石の抜け止めが施され、長期間にわたり高性能な運転を安全に継続することができる。

１…ステータ、１ａ…ティース、２…ロータ、２ａ…ロータの外周面、３…巻線、電機子巻線、４…鉄心、積層鉄心、４ａ…積層鉄心の外周面４ａ、５…永久磁石、５ａ、５ｂ永久磁石の側面、５ｃ…永久磁石の外周側端面、５ｄ…永久磁石の内周側端面、８…回転軸、Ａ…凹部、ａ、ｂ、ｃ…永久磁石の断面幅、Ｆｃ…永久磁石に加わる遠心力、Ｆｒ…積層鉄心４の反力、Ｒ１、Ｒ２…永久磁石の曲率半径、Ｗ１…外周側の積層鉄心の幅、Ｗ２…内周側の積層鉄心の幅。

Claims (4)

1. 巻線が巻装された鉄心からなるステータと、
   このステータに隙間をもって外周が離間し、内周側が回転軸に固定された鉄心を有するロータを備え、
   前記ロータは回転中心から放射状に延びる複数の永久磁石を内蔵し、
   前記永久磁石は、外周側の端面が前記ロータの外周面に沿うように位置し、かつ永久磁石の周方向の断面幅が前記ロータの半径方向内側に沿って大きくなるように形成され、
   前記鉄心は、その外周側の端面が前記ロータの外周面に沿うように位置し、前記永久磁石との境目で前記ロータの外周面より回転軸側に連続的に変形した凹部を有することを特徴とする永久磁石回転電機。
2. 請求項１に記載の永久磁石回転電機において、
   前記永久磁石は、周方向の断面が前記ロータの半径方向中央部において大きくなるように、断面がカマボコ型に形成されたことを特徴とする永久磁石回転電機。
3. 請求項１に記載の永久磁石回転電機において、
   前記永久磁石は、放射状に沿って断面が円弧状に形成されたことを特徴とする永久磁石回転電機。
4. 巻線が巻装された鉄心を有するステータと、
   このステータに隙間をもって外周が離間し、内周側が回転軸に固定された鉄心を有するロータを備え、
   前記ロータは回転中心から放射状に延びる複数の永久磁石を内蔵し、
   前記永久磁石は、外周側の端面が前記ロータの外周面に沿うように位置し、かつ放射状に沿った断面の両側面がそれぞれ中心位置が異なる円弧状に形成され、
   前記鉄心は、その外周側の端面が前記ロータの外周面に沿うように位置し、前記永久磁石との境目で前記ロータの外周面より回転軸側に連続的に変形した凹部を有することを特徴とする永久磁石回転電機。

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