JP6781536B2 - 永久磁石式回転子および永久磁石式回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、永久磁石式回転子およびこれを有する永久磁石式回転電機に関する。

永久磁石式回転電機は、回転子および固定子を有している。回転子のロータシャフトの径方向外側に設けられた回転子鉄心には、それぞれの周方向領域において磁気障壁としてのフラックスバリアが形成されている。また、フラックスバリアの周方向の中央領域には、永久磁石が設けられている。永久磁石は、軸方向の断面が円弧に沿った形状のもの（特許文献１参照）、あるいは、矩形のもの（特許文献２参照）などがある。

図４は、従来の永久磁石式回転電機の回転軸に垂直な部分断面図であり、周方向の４分の１の範囲を示している。また、図５は、従来の永久磁石式回転電機の例における回転子鉄心に形成された貫通孔および永久磁石の一部を示す軸方向に垂直な断面図である。図４および図５に示す永久磁石式回転電機４５では、回転子１０のロータシャフト１１の径方向外側に設けられた回転子鉄心１２のそれぞれの周方向領域において形成された磁気障壁としてのフラックスバリアは、各周方向領域において、径方向外側にフラックスバリア３１ａが設けられ、径方向内側にフラックスバリア３１ｂが設けられている。

径方向外側のフラックスバリア３１ａの周方向の中央には、永久磁石４１ａが設けられ、径方向内側のフラックスバリア３１ｂの周方向の中央には永久磁石４１ｂが設けられている。永久磁石４１ａと永久磁石４１ｂは、同一の材料であり、たとえば、フェライト磁石、あるいは希土類磁石などである。

永久磁石４１ａは、長手方向、すなわち周方向に、ブリッジ４２ａを挟んで２分割されている。また、永久磁石４１ｂは、同様に、長手方向、すなわち周方向に、ブリッジ４２ｂを挟んで２分割されている。ブリッジ４２ａおよびブリッジ４２ｂは、それぞれ永久磁石４１ａ、４１ｂを設けるために回転子鉄心１２に形成された切欠き部による構造強度の低下を補うために設けられている。したがって、ブリッジ４２ａおよびブリッジ４２ｂは、それぞれ永久磁石４１ａ、４１ｂの磁石厚さと同じ長さを有する。

特開２００２−１１９０２７号公報 特開２００６−１２１７６５号公報

図４に示すように、フラックスバリア３１ａ、３１ｂを、ｑ軸磁束の流れに沿うような、ほぼ楕円の弧状とすることで、リラクタンストルクを最大化できることは従来から知られている。しかしながら、電機子反作用によって生ずる逆磁界は一般的に径方向の内側に向かうにつれて小さくなる。従来技術では、径方向の内側と外側とで同一の磁石を用いているため、減磁耐力が一様にならない。すなわち、径方向外側に配された永久磁石の減磁耐力を確保すると、径方向外側に配された永久磁石の減磁耐力が過剰となる。特に、径方向外側の減磁耐力を確保するために、強い保磁力の磁石（Ｄｙ含有量の大きなネオジム磁石など）を使用すると、このような磁石はコストが高いため、コストを十分に低減することができなかった。

本発明は上記のような問題を解決するためになされたものであり、永久磁石式回転電機において永久磁石の減磁耐力を確保しながら低コスト化を図ることを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明に係る永久磁石式回転電機は、回転可能に軸支されたロータシャフトと、ｄ軸の周方向の両側に隣接する一対のｑ軸間において前記ロータシャフトの軸方向に垂直な断面が周方向に広がり且つ前記ロータシャフトに向かって凸な曲面状で前記軸方向に延びたフラックスバリアを径方向に複数有し、前記フラックスバリアのそれぞれの周方向中央に永久磁石用空間が形成されて、前記ロータシャフトに固定されて、前記軸方向に積層された複数の鋼製の平板からなる積層板を有する回転子鉄心と、径方向に複数配されたそれぞれの前記永久磁石用空間内に１つずつ配置され、径方向外側から径方向内側に向かって、減磁耐力は単調に減少している複数の永久磁石と、前記回転子鉄心の外周に前記回転子鉄心と間隔をあけて配設されて互いに周方向に間隔をあけて配列されて前記軸方向に延びて半径方向の内側に向かって突出する複数の固定子ティースが形成された固定子鉄心と、前記複数の固定子ティースに巻回された電機子巻線と、を具備し、前記永久磁石用空間は、前記フラックスバリアの径方向の幅より薄く周方向に広がり前記軸方向に延びた平板状の空間であり、前記積層板には、それぞれの前記フラックスバリアにおいて、前記回転子鉄心の外周表面との間に形成されたブリッジの他に、前記永久磁石用空間を挟んだ両側の周方向の領域内に前記フラックスバリアのそれぞれの径方向外側の部分と径方向内側の部分を結ぶブリッジが形成されている、ことを特徴とする。

また、本発明に係る永久磁石式回転子は、回転可能に軸支されたロータシャフトと、ｄ軸の周方向の両側に隣接する一対のｑ軸間において前記ロータシャフトの軸方向に垂直な断面が周方向に広がり且つ前記ロータシャフトに向かって凸な曲面状で前記軸方向に延びたフラックスバリアを径方向に複数有し、前記フラックスバリアのそれぞれの周方向中央に永久磁石用空間が形成されて、前記ロータシャフトに固定されて、前記軸方向に積層された複数の鋼製の平板からなる積層板を有する回転子鉄心と、径方向に複数配されたそれぞれの前記永久磁石用空間内に１つずつ配置され、径方向外側から径方向内側に向かって、減磁耐力は単調に減少している複数の永久磁石と、を備え、前記永久磁石用空間は、前記フラックスバリアの径方向の幅より薄く周方向に広がり前記軸方向に延びた平板状の空間であり、前記積層板には、それぞれの前記フラックスバリアにおいて、前記回転子鉄心の外周表面との間に形成されたブリッジの他に、前記永久磁石用空間を挟んだ両側の周方向の領域内に前記フラックスバリアのそれぞれの径方向外側の部分と径方向内側の部分を結ぶブリッジが形成されている、ことを特徴とする。

本発明によれば、永久磁石式回転電機において永久磁石の減磁耐力を確保しながら低コスト化を図ることができる。

実施形態に係る永久磁石式回転電機の軸方向に垂直な部分断面図である。 実施形態に係る永久磁石式回転電機に形成された貫通孔を示す軸方向に垂直な部分断面図である。 永久磁石の磁気履歴特性の例を示す図である。 従来の永久磁石式回転電機の例の軸方向に垂直な部分断面図である。 従来の永久磁石式回転電機の例における回転子鉄心に形成された貫通孔および永久磁石の一部を示す軸方向に垂直な断面図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る永久磁石式回転子および永久磁石式回転電機について説明する。ここで、互いに同一または類似の部分には、共通の符号を付して、重複説明は省略する。

［第１の実施形態］
図１は、実施形態に係る永久磁石式回転電機の軸方向に垂直な部分断面図であり、永久磁石式回転電機１００の４分の１セクターすなわち、４分の１周の周角度領域分のみを示している。この場合の永久磁石式回転電機１００は、４極子である。永久磁石式回転電機１００は、回転子１０および固定子２０を有する。

回転子１０は、ロータシャフト１１および回転子鉄心１２を有する。ロータシャフト１１は、回転軸の方向（軸方向）に延びている。回転子鉄心１２は、ロータシャフト１１の径方向外側の周囲に配されており、軸方向に積層された複数の鋼製の平板からなる積層板を有する。回転子鉄心１２の外形は円筒状である。

図２は、実施形態に係る永久磁石式回転電機に形成された貫通孔を示す軸方向に垂直な部分断面図である。回転子鉄心１２のそれぞれの周角度領域において、径方向に２つ形成された貫通孔１３ａ、１３ｂのそれぞれを示している。それぞれの貫通孔１３ａ、１３ｂは、回転軸中心に向かって凸な曲面状に周方向に広がって軸方向に延びている。２つの貫通孔１３ａ、１３ｂは互いに並列に形成されている。それぞれの貫通孔１３ａ、１３ｂの中央の領域は、それぞれの領域に対応した断面積を有する永久磁石５１ａ、５１ｂ（図１）が設けられる永久磁石用空間１４ａ、１４ｂである。貫通孔１３ａにおいて、永久磁石用空間１４ａを挟んだ両側の領域は、それぞれフラックスバリア３１ａが形成されている領域である。また、貫通孔１３ｂにおいて、永久磁石用空間１４ｂを挟んだ両側の空隙領域は、それぞれフラックスバリア３１ｂが形成されている領域である。

径方向外側のフラックスバリア３１ａのそれぞれには、フラックスバリア３１ａを挟んで、回転子鉄心１２のうちフラックスバリア３１ａの径方向内側の部分と、回転子鉄心１２のうちフラックスバリア３１ａの径方向外側の部分とを結ぶブリッジ５２ａが形成されている。すなわち、回転子鉄心１２は、この部分でつながっている。

同様に、径方向内側の永久磁石５１ｂの両側のフラックスバリア３１ｂのそれぞれには、フラックスバリア３１ｂを挟んで、回転子鉄心１２のうちフラックスバリア３１ｂの径方向内側の部分と、回転子鉄心１２のうちフラックスバリア３１ｂの径方向外側の部分とを結ぶブリッジ５２ｂが形成されている。すなわち、回転子鉄心１２は、この部分でつながっている。

なお、フラックスバリアおよび永久磁石は、径方向に２列の場合を説明したが、これには限定されない。フラックスバリアおよび永久磁石は、径方向に３列以上であってもよい。

従来方式では、図５に示したようにブリッジは永久磁石の幅と同じ長さであった。本実施形態においては、ブリッジはフラックスバリアの幅と同じ長さを有しており、永久磁石の幅より長くなっている。このように、ブリッジ部分を長くすることでブリッジ部分の磁気抵抗が増大する。この結果、漏れ磁束を低減させることができる。また、磁石の両側にブリッジを設けることで、磁石を分割する必要が無くなる。

図１に示すように、永久磁石用空間１４ａ、１４ｂにそれぞれ設置されている永久磁石５１ａ、５１ｂは、平板状であり、周方向および軸方向に延びている。永久磁石５１ａと永久磁石５１ｂは、互いに平行で径方向に間隔をあけて並んでいる。また、径方向には、径方向内側の永久磁石５１ｂと外側の永久磁石５１ａが、同じ極性を有するように配列されている。すなわち、内側の永久磁石５１ｂおよび外側の永久磁石５１ａは、いずれも、径方向内側の面がＮ極、外側の面がＳ極という第１の配列または、いずれも、径方向内側の面がＳ極、外側の面がＮ極という第２の配列のいずれかである。また、周方向に互いに隣接する周角度領域の永久磁石同士は、一方が、第１の配列の場合は、他方は第２の配列となっている。

固定子２０は、固定子鉄心２１および電機子巻線２４を有する。固定子鉄心２１は、軸方向に積層された平板である積層板を有する。積層板の径方向内側には、回転子１０の径方向外側にギャップ２５を介して対向して、軸方向に延びた複数の固定子スロット２３が形成されている。すなわち、固定子鉄心２１の径方向内側には、内側に向かって突出する複数の固定子ティース２２が形成されている。それぞれの固定子ティース２２には、電機子巻線２４が巻回されている。

それぞれの周角度領域の周方向両端の径方向はｑ軸方向、それぞれの周角度領域の周方向中央の径方向はｄ軸方向となっている。また、図１において永久磁石５１ａ、５１ｂによる磁束φ１を２点鎖線で示している。

図１では、磁束φ１としては、時計回り方向の磁束と、反時計回りの磁束とが示されている。たとえば、時計回りの磁束φ１は、図１の図示されていない右側の周領域に設けられた永久磁石との間で、時計回りの閉じた磁束線を形成している。また、反時計回りの磁束φ１は、図１の図示されていない左側の周領域に設けられた永久磁石との間で、反時計回りの閉じた磁束線を形成している。径方向には、磁束φ１はｄ軸に沿って形成される。

一方、固定子鉄心２１に生ずる回転磁界によるリラクタンス成分の磁束φ２は、回転子鉄心１２に形成され磁気抵抗となるフラックスバリア３１ａ、３１ｂを通らず、フラックスバリア３１ａ、３１ｂ間の回転子鉄心１２の通路に沿って形成される。したがって、径方向には、磁束φ２はｑ軸に沿って形成される。

リラクタンス成分磁束φ２による磁界は、固定子２０から見て遠い側、すなわち径方向内側ほど小さくなる。この磁束φ２による磁界は、永久磁石５１ａ、５１ｂに対して減磁効果を与える逆磁界となり得る。したがって、径方向外側の永久磁石５１ａに作用する逆磁界の強さは、径方向内側の永久磁石５１ｂに作用する逆磁界の強さより大きくなる。

図３は、永久磁石の磁気履歴特性の例を示す図である。横軸は磁場Ｈの強さ、縦軸は磁束密度Ｂであり、実線で示すヒステリシス特性を有するＢ−Ｈ曲線のうち第２象限の部分、すなわち減磁曲線は、磁場が逆方向に掛かった場合の磁場の強さに対する合計の磁束密度の関係を示している。磁束密度をゼロとする磁場の強さ、すなわち横軸との交点である保持力Ｈ_ＣＢは、減磁効果に対する永久磁石の耐力である減磁耐力に対応しているので、これらを、減磁耐力と総称する。

また、Ｂ＝μ_０Ｈ＋Ｊ（μ_０は真空の透磁率）の関係から求めた磁気分極Ｊを縦軸にとると、磁気分極Ｊと磁場の強さＨとの関係を示すＪ−Ｈ曲線が、図３の破線のように得られる。このＪ−Ｈ曲線のうち第２象限の部分である減磁曲線と横軸との交点である固有保持力Ｈ_ＣＪは、磁石材料に固有の値であり、磁石材料の磁石としての減磁耐力の指標である。一方、保持力Ｈ_ＣＢは、磁石材料とともに磁石の形状にも依存する。

以上のことから、逆磁界が大きい場所では、保持力Ｈ_ＣＢあるいは固有保持力Ｈ_ＣＪが大きな、すなわち減磁耐力が大きな永久磁石を使用する必要がある。逆に、逆磁界が小さな場所では、それに応じた保持力Ｈ_ＣＢあるいは固有保持力Ｈ_ＣＪの物を使用すればよい。

本実施形態においては、径方向外側、径方向内側それぞれにおいて、必要とされる減磁耐力を満足するような保持力Ｈ_ＣＢあるいは固有保持力Ｈ_ＣＪを有する永久磁石を用いる。すなわち、径方向外側の永久磁石５１ａの必要なレベルに対する裕度を、径方向内側の永久磁石５１ｂ必要なレベルに対する裕度と同程度にしている。具体的には、径方向内側の永久磁石５１ｂの保持力Ｈ_ＣＢあるいは固有保持力Ｈ_ＣＪを、径方向外側の永久磁石５１ａの保持力Ｈ_ＣＢあるいは固有保持力Ｈ_ＣＪより小さくしている。

すなわち、永久磁石の減磁耐力は、径方向外側の永久磁石５１ａに比べて、径方向内側の永久磁石５１ｂの方が小さくなっている。なお、永久磁石が径方向に３列以上ある場合も同様である。基本的には、減磁耐力は、最も外側の永久磁石から最も内側の永久磁石に至るまでに単調減少する。たとえば、径方向最外をＡ、その内側をＢ、Ｂの内側をＣ、径方向最内をＤとする４つの永久磁石がある場合で説明する。それぞれの減磁耐力を、Ｙ_Ａ、Ｙ_Ｂ、Ｙ_Ｃ、Ｙ_Ｄとする。単調減少の場合の例としては、Ｙ_Ａ＞Ｙ_Ｂ＞Ｙ_Ｃ＞Ｙ_Ｄ、Ｙ_Ａ＞Ｙ_Ｂ＝Ｙ_Ｃ＝Ｙ_Ｄ、Ｙ_Ａ＝Ｙ_Ｂ＞Ｙ_Ｃ＝Ｙ_Ｄ、Ｙ_Ａ＝Ｙ_Ｂ＝Ｙ_Ｃ＞Ｙ_Ｄ、Ｙ_Ａ＞Ｙ_Ｂ＞Ｙ_Ｃ＝Ｙ_Ｄ、Ｙ_Ａ＞Ｙ_Ｂ＝Ｙ_Ｃ＞Ｙ_Ｄ、Ｙ_Ａ＝Ｙ_Ｂ＞Ｙ_Ｃ＞Ｙ_Ｄという場合がある。

永久磁石の固有保持力Ｈ_ＣＪを変える方法としては、永久磁石の材料の種類を変える方法がある。また、永久磁石の保持力Ｈ_ＣＢを変える方法としては、永久磁石の形状を変える方法がある。

永久磁石の材料の種類としては、Ｄｙの含有量の多いネオジム磁石、Ｄｙの含有量の少ないネオジム磁石、あるいはフェライト磁石などがある。これらの中では、Ｄｙ（ジスプロシウム）の含有量の多いネオジム磁石の固有保持力Ｈ_ＣＪが最も大きいが相対的に高価である。また、フェライト磁石の固有保持力Ｈ_ＣＪが最も小さいが相対的に安価である。したがって、少なくとも、最内層の永久磁石をフェライト磁石にし、その外側も、可能な範囲でフェライト磁石にすることにより、コスト低減を図ることができる。

また、永久磁石の厚さを変えることでもＨ_ＣＢを調整することができる。一般に、磁石幅を広く、厚さを薄くした方が、少ない磁石量で多くの磁束を取り出すことができる。しかしながら、厚さを薄くするとＨ_ＣＢが減少するため、ある一定以上の厚みは必要となる。そこで、逆磁界が大きい径方向外側の永久磁石５１ａでは、逆磁界の大きさに合わせて磁石厚みを厚くし、その分幅を狭くする。逆に、逆磁界が小さい径方向内側の永久磁石５１ｂでは、減磁しない程度に磁石厚みを薄くし、幅を広くする。幅を広くすることで磁束量を増やし、磁石トルクを有効に活用できる。

従来技術では、径方向内側、径方向外側ともに同一種類の磁石を用いていたため、径方向外側での減磁耐力を満足するように永久磁石を選定すると、径方向内側においては減磁耐力が過剰となっていた。本実施形態においては、配置する場所によって永久磁石の種類を変えること、磁石厚さと幅を適切に選定すること、磁気抵抗をできる限り大きくしたブリッジを用いることによって、それぞれに必要な減磁耐力を確保しながら、従来の永久磁石式回転電機と同等の特性を保ちつつ、コスト低減を図ることができる。

［その他の実施形態］
以上、本発明の実施形態を説明したが、実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。さらに、実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。

実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１０…回転子、１１…ロータシャフト、１２…回転子鉄心、１３ａ、１３ｂ…貫通孔、１４ａ、１４ｂ…永久磁石用空間、２０…固定子、２１…固定子鉄心、２２…固定子ティース、２３…固定子スロット、２４…電機子巻線、２５…ギャップ、３１ａ、３１ｂ…フラックスバリア、４１ａ、４１ｂ…永久磁石、４２ａ、４２ｂ…ブリッジ、４５…永久磁石式回転電機、５１ａ、５１ｂ…永久磁石、５２ａ、５２ｂ…ブリッジ、１００…永久磁石式回転電機

Claims (5)

1. 回転可能に軸支されたロータシャフトと、
   ｄ軸の周方向の両側に隣接する一対のｑ軸間において前記ロータシャフトの軸方向に垂直な断面が周方向に広がり且つ前記ロータシャフトに向かって凸な曲面状で前記軸方向に延びたフラックスバリアを径方向に複数有し、前記フラックスバリアのそれぞれの周方向中央に永久磁石用空間が形成されて、前記ロータシャフトに固定されて、前記軸方向に積層された複数の鋼製の平板からなる積層板を有する回転子鉄心と、
   径方向に複数配されたそれぞれの前記永久磁石用空間内に１つずつ配置され、径方向外側から径方向内側に向かって、減磁耐力は単調に減少している複数の永久磁石と、
   前記回転子鉄心の外周に前記回転子鉄心と間隔をあけて配設されて互いに周方向に間隔をあけて配列されて前記軸方向に延びて半径方向の内側に向かって突出する複数の固定子ティースが形成された固定子鉄心と、
   前記複数の固定子ティースに巻回された電機子巻線と、
   を具備し、
   前記永久磁石用空間は、前記フラックスバリアの径方向の幅より薄く周方向に広がり前記軸方向に延びた平板状の空間であり、
   前記積層板には、それぞれの前記フラックスバリアにおいて、前記回転子鉄心の外周表面との間に形成されたブリッジの他に、前記永久磁石用空間を挟んだ両側の周方向の領域内に前記フラックスバリアのそれぞれの径方向外側の部分と径方向内側の部分を結ぶブリッジが形成されている、
   ことを特徴とする永久磁石式回転電機。
2. 前記複数の永久磁石は、互いに異なる材料を有することを特徴とする請求項１に記載の永久磁石式回転電機。
3. 前記複数の永久磁石は、少なくとも径方向の最内層のフェライト磁石を含むことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の永久磁石式回転電機。
4. 前記径方向外側に配された永久磁石の径方向の幅は、前記径方向内側に配された永久磁石の径方向の幅より大きく、前記径方向外側に配された永久磁石の周方向の幅は、前記径方向内側に配された永久磁石の周方向の幅より小さいことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の永久磁石式回転電機。
5. 回転可能に軸支されたロータシャフトと、
   ｄ軸の周方向の両側に隣接する一対のｑ軸間において前記ロータシャフトの軸方向に垂直な断面が周方向に広がり且つ前記ロータシャフトに向かって凸な曲面状で前記軸方向に延びたフラックスバリアを径方向に複数有し、前記フラックスバリアのそれぞれの周方向中央に永久磁石用空間が形成されて、前記ロータシャフトに固定されて、前記軸方向に積層された複数の鋼製の平板からなる積層板を有する回転子鉄心と、
   径方向に複数配されたそれぞれの前記永久磁石用空間内に１つずつ配置され、径方向外側から径方向内側に向かって、減磁耐力は単調に減少している複数の永久磁石と、
   を備え、
   前記永久磁石用空間は、前記フラックスバリアの径方向の幅より薄く周方向に広がり前記軸方向に延びた平板状の空間であり、
   前記積層板には、それぞれの前記フラックスバリアにおいて、前記回転子鉄心の外周表面との間に形成されたブリッジの他に、前記永久磁石用空間を挟んだ両側の周方向の領域内に前記フラックスバリアのそれぞれの径方向外側の部分と径方向内側の部分を結ぶブリッジが形成されている、
   ことを特徴とする永久磁石式回転子。

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