JP7047337B2 - 永久磁石式回転電機 - Google Patents

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本発明は、永久磁石式回転電機に関する。
永久磁石式回転電機の出力Pは、以下の(1)式で表される。
P∝T・N ……(1)
ここで、T:出力トルク、N:回転数である。
このため、低速(低回転数)で大出力を得ようとすると、出力トルクTを増加する必要がある。永久磁石式回転電機のトルク発生原理には、マグネットトルクTmとリラクタンストルクとがある。このうち、マグネットトルクTmは、次の(2)式で表される。
Tm∝Φ・iq ……(2)
ここで、Φ:磁石起因で電機子巻線に鎖交する磁束、iq:q軸電流である。
つまり、マグネットトルクTmを増加させるには、Φあるいはiqのいずれかを増加させる必要がある。一方、永久磁石式回転電機が回転中に生じる誘起電圧eは、次の(3)式で表せる。
e=n・dΦ/dt ……(3)
ここで、n:巻線ターン数である。
インバータなどの電源により永久磁石式回転電機を駆動するには、通常この誘起電圧eを上回る電圧を印加する必要がある。これは特に高速域において問題となる。高速域ではdΦ/dtが高まるため、これに応じた電圧を印加する必要があるが、一般にインバータなどの電源が供給できる電圧には上限がある。一方、弱めの界磁電流を流すことによって誘起電圧eを抑える方法もあるが、その分だけインバータやモータの損失が増加する。
ここで、一般的な永久磁石式回転電機の設計の一部について述べると、前述のとおり低速における出力を増加させる手段として、Φを増加する方法がある。低速での出力増加のためにΦを増やしたモータを制作すると、高速において前述したように誘起電圧の上昇を招き、電源が供給できる電圧を超過してしまう。一方、弱めの界磁電流を流す方法もあるが、損失が増加してしまう。また、低速での出力増加のために、iqを増加する方法も考えられるが、この場合、インバータなどの電源の大型化を招くことになる。
このように、一般的な永久磁石式回転電機の設計においては、低速での大出力化を図ろうとすると、高速での誘起電圧の上昇を招き、電源が供給できる電圧を超過してしまうという相反関係がある。
この問題を解決するために、従来、例えば、特許文献1に示すハイブリッド励磁形永久磁石同期回転機が提案されている。
特許文献1に示すハイブリッド励磁形永久磁石同期回転機は、いわゆるコンシクエントポール型ロータを2段構成とし、直流励磁巻線に流す電流による磁束によって永久磁石による界磁磁束を補うものである。直流励磁巻線に流す電流の向きを制御することにより、直流励磁電流による磁束の向きを制御し、永久磁石による界磁磁束を増磁あるいは減磁することができる。また、直流励磁巻線に流す電流の大きさを制御することにより、直流励磁電流による磁束の大きさを制御し、永久磁石による界磁磁束の増磁量あるいは減磁量を制御することができる。
この特許文献1に示すハイブリッド励磁形永久磁石同期回転機によれば、モータ製作後に直流励磁電流による磁束によって永久磁石による界磁磁束を増磁あるいは減磁するので、磁石起因で電機子巻線に鎖交する磁束(界磁磁束)Φを必要以上に増やしたモータを制作する必要はなく、低速での大出力化を図れるとともに、高速での誘起電圧の上昇を回避することができる。
特開平6-351206号公報
しかしながら、この従来の特許文献1に示したハイブリッド励磁形永久磁石同期回転機においては、以下の問題点があった。
即ち、永久磁石による界磁磁束が小さいため、所定の目標値にまで界磁磁束を直流励磁電流による磁束によって増磁する場合に増磁量が大きくなってしまうという問題がある。直流励磁電流による増磁量を大きくしようとすると、増磁の際の直流励磁電流を大きくする必要があり、大電流を流す大きな規模の電源が必要となる。そして、直流励磁巻線に流す電流が大きければ大きい程、ジュール熱による損失が大きくなるため、冷却を強化する必要がある。一方、電源や冷却設備のためのスペースやコストを減らした場合には、直流励磁電流による増磁量を大きくすることができず、出力トルクを減らさざるを得なくなる。
従って、本発明はこの従来の問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、永久磁石による界磁磁束を所定の目標値にまで直流励磁電流による磁束によって増磁する場合に増磁量を小さくすることができ、増磁の際の直流励磁電流を小さくすることができる永久磁石式回転電機を提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明の一態様に係る永久磁石式回転電機は、固定子巻線を固定子鉄心に巻装した固定子と、該固定子の前記固定子鉄心の内周側又は外周側に回転自在に配置された回転子であって、少なくとも回転子コアの周方向に一方の極性の第1永久磁石と他方の極性の第2永久磁石とを交互に配置した第1異極磁石配置部と、前記回転子コアの周方向に一方の極性の第3永久磁石と前記回転子コアに形成された鉄心部である他方の極性の第1鉄極とを交互に配置した第1コンシクエントポール部とを備え、一方の極性の前記第1永久磁石及び前記第3永久磁石が前記回転子コアの軸方向に整列するように配置されるとともに、他方の極性の前記第2永久磁石及び前記第1鉄極が前記回転子コアの軸方向に整列するように配置された回転子と、前記固定子の前記固定子鉄心に設けられ、直流励磁電流による磁束により前記第1永久磁石乃至前記第3永久磁石による界磁磁束を増磁あるいは減磁する直流励磁巻線とを備えていることを要旨とする。
本発明に係る永久磁石式回転電機によれば、永久磁石による界磁磁束を所定の目標値にまで直流励磁電流による磁束によって増磁する場合に増磁量を小さくすることができ、増磁の際の直流励磁電流を小さくすることができる永久磁石式回転電機を提供できる。
本発明の第1実施形態に係る永久磁石式回転電機の概略構成を示す斜視図である。 図1に示す永久磁石式回転電機における回転子及び固定子の一部分を示す斜視図である。 磁束の流れを説明するための図である。 本発明の第2実施形態に係る永久磁石式回転電機における回転子及び固定子の一部分を示す斜視図である。 本発明の第3実施形態に係る永久磁石式回転電機における回転子及び固定子の一部分を示す斜視図である。 本発明の第4実施形態に係る永久磁石式回転電機における回転子及び固定子の一部分を示す斜視図である。 本発明の第5実施形態に係る永久磁石式回転電機における回転子及び固定子の一部分を示す斜視図である。 本発明の第6実施形態に係る永久磁石式回転電機における回転子及び固定子の一部分を示す斜視図である。 参考例に係る永久磁石式回転電機における回転子及び固定子の一部分を示す斜視図である。
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
(第1実施形態)
先ず、本発明の第1実施形態に係る永久磁石式回転電機について、図1乃至図3を参照して説明する。
本発明の第1実施形態に係る永久磁石式回転電機は、図1に示されており、永久磁石式回転電機1は、8極の表面磁石型(SPM: Surface Permanent Magnet)の同期電動機である。なお、本発明は、極数、その他の各部分の寸法などによって何ら制約を受けるものではない。
図1及び図2に示す永久磁石式回転電機1は、固定子10と、固定子10の固定子鉄心11の内周側に回転自在に配置された回転子20とを備えている。
ここで、固定子10は、円筒形鉄製フレーム13の内周面に固定された円筒状の固定子鉄心11を備えている。固定子鉄心11には、固定子鉄心11の軸方向に延びる複数の固定子巻線12が巻装されている。
また、回転子20は、回転軸27に固定された回転子コア21を備えている。
回転軸27は、鉄製であり、その中心軸線が固定子鉄心11の中心軸線と一致するように配置され、回転軸27の軸線方向の両側がモータハウジングに図示しない軸受を介して回転可能に支持されている。従って、回転子20は、回転軸27の中心軸線を中心に回転可能となっている。
回転子コア21は、円筒状(外形が円形)に形成され、積層鉄心で構成される。回転子コア21の中心には回転子コア21の軸方向に貫通する軸孔22が形成され、この軸孔22に回転軸27が挿入固定される。
そして、回転子コア21の外周面には、第1異極磁石配置部23、第1コンシクエントポール部25、第2コンシクエントポール部26及び第2異極磁石配置部24が回転子コア21の軸方向の一端側から他端側にかけてその順番で配置されている。
第1異極磁石配置部23は、回転子コア21の外周面において回転子コア21の周方向に一方の極性であるN極の第1永久磁石23aと他方の極性であるS極の第2永久磁石23bとを交互に配置している。本実施形態においては、8極であるから、N極の第1永久磁石23aは4個、S極の第2永久磁石23bも4個配置されている。
また、第1コンシクエントポール部25は、回転子コア21の外周面において回転子コアの周方向に一方の極性であるN極の第3永久磁石25aと回転子コア21の外周面から突出形成された鉄心部である他方の極性であるS極の第1鉄極25bとを交互に配置している。本実施形態においては、8極であるから、N極の第3永久磁石25aは4個、S極の第1鉄極25bも4個配置されている。
ここで、一方の極性のN極の第1永久磁石23a及び第3永久磁石25aは、回転子コア21の軸方向に整列するように配置されるとともに、矩形状の磁石板として一体に形成されている。また、他方の極性のS極の第2永久磁石23b及び第1鉄極25bは、回転子コア21の軸方向に整列するように配置されて、全体として矩形状に形成されている。第1永久磁石23a及び第3永久磁石25aを合わせた面積と、第2永久磁石23b及び第1鉄極25bを合わせた面積とは同じである。
更に、第2コンシクエントポール部26は、回転子コア21の軸方向において第1コンシクエントポール部25に対して所定間隔離れて配置され、回転子コア21の外周面において回転子コア21の周方向に他方の極性であるS極の第6永久磁石26aと回転子コア21の外周面から突出形成された鉄心部である一方の極性であるN極の第2鉄極26bとを交互に配置している。本実施形態においては、8極であるから、N極の第2鉄極26bは4個、S極の第6永久磁石26aも4個配置されている。
また、第2異極磁石配置部24は、回転子コア21の外周面において回転子コア21の周方向に一方の極性であるN極の第4永久磁石24aと他方の極性であるS極の第5永久磁石24bとを交互に配置している。本実施形態においては、8極であるから、N極の第4永久磁石24aは4個、S極の第5永久磁石24bも4個配置されている。
そして、一方の極性のN極の第4永久磁石24a及び第2鉄極26bは、第1永久磁石23a及び第3永久磁石25aとともに回転子コア21の軸方向に整列するように配置されて、全体として矩形状に形成されている。また、他方のS極の第5永久磁石24b及び第6永久磁石26aは、第2永久磁石23b及び第1鉄極25bとともに回転子コア21の軸方向に整列するように配置されるとともに、矩形状の磁石板として一体に形成されている。第5永久磁石24b及び第6永久磁石26aを合わせた面積と、第4永久磁石24a及び第2鉄極26bを合わせた面積とは同じである。
なお、図1及び図2に示す永久磁石式回転電機1は、前述したように、表面磁石型の同期電動機であるから、一方の極性のN極の第1永久磁石23a、第3永久磁石25a及び第4永久磁石24aと、他方の極性のS極の第2永久磁石23b、第5永久磁石24b及び第6永久磁石26aとが回転子コア21の表面に貼り付けられている。
また、固定子10の固定子鉄心11の軸方向中央部の内周面には、そこを流れる直流励磁電流IDCによる磁束により第1永久磁石23a乃至第6永久磁石26aによる界磁磁束を増磁あるいは減磁するリング状の直流励磁巻線30が設けられている。
第1永久磁石23a乃至前記第6永久磁石26aによる界磁磁束の増磁あるいは減磁は次のようになされる。
<直流励磁電流IDCが0の場合>
直流励磁巻線30に流れる直流励磁電流IDCが0の場合、直流励磁電流IDCによる磁束は存在せず、第1永久磁石23a乃至前記第6永久磁石26aによる界磁磁束のみとなる。つまり、N極の第1永久磁石23a、第3永久磁石25a及び第4永久磁石24aからの磁束は、回転子20と固定子10との間のギャップ→固定子鉄心11→ギャップ→S極の第2永久磁石23b、第5永久磁石24b及び第6永久磁石26a→回転子コア21→N極の第1永久磁石23a、第3永久磁石25a及び第4永久磁石24aからなる経路を辿る。この状態を回転子コア21の表面での磁束としてみると、図3(b)に示すようになり、N極の第1永久磁石23a、第3永久磁石25a及び第4永久磁石24aからの磁束は、固定子鉄心11を通りS極の第2永久磁石23b、第5永久磁石24b及び第6永久磁石26aに至り、回転子コア21を通りN極の第1永久磁石23a、第3永久磁石25a及び第4永久磁石24aに至る。したがって、回転子20の回転によって固定子巻線12を構成する各コイルは、N極またはS極のどちらか一方の極の磁束を切ることになり、この結果、固定子巻線12には回転数と極数とによって定まる周波数の交流電圧が誘起される。
<直流励磁電流IDCによる磁束が第1永久磁石23a乃至前記第6永久磁石26aによる界磁磁束と同一方向となる場合(直流励磁電流IDC>0の場合)>
この場合、第1永久磁石23a乃至前記第6永久磁石26aによる界磁磁束の磁束量は、直流励磁電流IDCが0の場合と変わりはない。一方、直流励磁電流IDCによる磁束は、磁気抵抗が小さな経路を通り、固定子鉄心11→ギャップ→第2鉄極26b→回転子コア21→第1鉄極25b→ギャップ→固定子鉄心11を通る。第1永久磁石23a乃至前記第6永久磁石26aによる界磁磁束と直流励磁電流IDCによる磁束の回転子コア21の表面での合成磁束をみると、図3(a)に示すように、第1鉄極25bから出た磁束が回転子コア21の軸方向に整列しているS極の第2永久磁石23b、第5永久磁石24b及び第6永久磁石26aへ至り、N極の第1永久磁石23a、第3永久磁石25a及び第4永久磁石24aから出た磁束が回転子コア21の軸方向に整列している第2鉄極26bへ至ることになる。従って、固定子巻線12を構成する軸方向に沿って延びる各コイルには、永久磁石による磁束と鉄極経由の磁束が逆向きに鎖交する。つまり、直流励磁電流IDCの大きさによって、誘起電圧を小さくでき、その大きさによっては誘起電圧を0とすることができる。このように、第1永久磁石23a乃至前記第6永久磁石26aによる界磁磁束と同一方向の磁束を作ることによって、等価的に界磁磁束を弱める、すなわち減磁することができる。
<直流励磁電流IDCによる磁束が第1永久磁石23a乃至前記第6永久磁石26aによる界磁磁束と反対方向となる場合(直流励磁電流IDC<0の場合)>
この場合、第1永久磁石23a乃至前記第6永久磁石26aによる界磁磁束の磁束量は、直流励磁電流IDCが0の場合と変わりはない。一方、直流励磁電流IDCによる磁束は、磁気抵抗が小さな経路を通り、固定子鉄心11→ギャップ→第1鉄極25b→回転子コア21→第2鉄極26b→ギャップ→固定子鉄心11を通る。第1永久磁石23a乃至前記第6永久磁石26aによる界磁磁束と直流励磁電流IDCによる磁束の回転子コア21の表面での合成磁束をみると、図3(c)に示すように、N極の第1永久磁石23a、第3永久磁石25a及び第4永久磁石24aから出た磁束が第1鉄極25bへ至り、また、第2鉄極26bから出た磁束がS極の第2永久磁石23b、第5永久磁石24b及び第6永久磁石26aへ至ることになる。従って、固定子巻線12を構成する軸方向に沿って延びる各コイルには、永久磁石による磁束と鉄極経由の磁束が同じ向きに鎖交する。つまり、直流励磁電流IDCの大きさによって、誘起電圧を大きくすることができる。第1永久磁石23a乃至前記第6永久磁石26aによる界磁磁束と反対方向の磁束を作ることによって、等価的に界磁磁束を強める、すなわち増磁することができる。
以上の結果、直流励磁電流IDCの向きと大きさを連続的に変化させることにより、界磁磁束を増磁→0→減磁の範囲で連続的に変化でき、最大回転数の増減を連続的に変化させることができる。
ここで、本実施形態に係る永久磁石式回転電機1では、回転子20が、第1異極磁石配置部23と、第1コンシクエントポール部25と、第2コンシクエントポール部26と、第2異極磁石配置部24とを備えている。そして、一方の極性であるN極の第1永久磁石23a、第3永久磁石25a、第4永久磁石24a及び第2鉄極26bが回転子コア21の軸方向に整列するように配置されるとともに、他方の極性であるS極の第2永久磁石23b、第5永久磁石24b、第6永久磁石26a及び第1鉄極25bが回転子コア21の軸方向に整列するように配置されている。このため、永久磁石による界磁磁束を一方の極性であるN極の第1永久磁石23a、第3永久磁石25a、第4永久磁石24a及び他方の極性であるS極の第2永久磁石23b、第5永久磁石24b、第6永久磁石26aによる界磁磁束とするので、コンシクエントポール部を単純に2段配置する場合よりも永久磁石の面積が大きく永久磁石の量が増えるので、永久磁石による界磁磁束自体を強くすることができる。このため、永久磁石による界磁磁束を所定の目標値にまで直流励磁電流IDCによる磁束によって増磁する場合に増磁量を小さくすることができ、増磁の際の直流励磁電流を小さくすることができる。
以下、本実施形態に係る永久磁石式回転電機1が、コンシクエントポール部を単純に2段配置した図9に示す参考例に係る永久磁石式回転電機101に対し、永久磁石による界磁磁束を所定の目標値にまで直流励磁電流IDCによる磁束によって増磁する場合に増磁量を小さくすることができる点について説明する。
図9に示す永久磁石式回転電機101は、コンシクエントポール部を単純に2段配置した回転子120を備える8極の表面磁石型同期電動機であり、固定子110と、固定子110の固定子鉄心111の内周側に回転自在に配置された回転子120とを備えている。
ここで、固定子110は、円筒状の固定子鉄心111を備えている。固定子鉄心111には、固定子鉄心111の軸方向に延びる複数の固定子巻線112が巻装されている。
また、回転子120は、回転軸(図示せず)に固定された回転子コア121を備えている。
回転子コア121は、円筒状(外形が円形)に形成され、積層鉄心で構成される。回転子コア121の中心には回転子コア121の軸方向に貫通する軸孔122が形成され、この軸孔122に回転軸が挿入固定される。
そして、回転子コア121の外周面には、第1コンシクエントポール部123及び第2コンシクエントポール部124が回転子コア121の軸方向の一端側から他端側にかけてその順番で配置されている。
第1コンシクエントポール部123は、回転子コア121の外周面において回転子コアの周方向に一方の極性であるN極の第1永久磁石123aと回転子コア121の外周面から突出形成された鉄心部である他方の極性であるS極の第1鉄極123bとを交互に配置している。この参考例においては、8極であるから、N極の第1永久磁石123aは4個、S極の第1鉄極123bも4個配置されている。そして、第1永久磁石123aの形状及び大きさは、第1実施形態に係る永久磁石式回転電機1において、一体の矩形状の磁石板として形成された第1永久磁石23a及び第3永久磁石25aの形状及び大きさと同一である。また、第1鉄極123bの形状及び大きさは、第1実施形態に係る永久磁石式回転電機1において、第2永久磁石23b及び第1鉄極25bを合わせた形状及び大きさと同一である。
また、第2コンシクエントポール部124は、回転子コア121の軸方向において第1コンシクエントポール部123に対して所定間隔離れて配置され、回転子コア121の外周面において回転子コア121の周方向に他方の極性であるS極の第2永久磁石124aと回転子コア121の外周面から突出形成された鉄心部である一方の極性であるN極の第2鉄極124bとを交互に配置している。本実施形態においては、8極であるから、N極の第2鉄極124bは4個、S極の第2永久磁石124aも4個配置されている。そして、第2永久磁石124aの形状及び大きさは、第1実施形態に係る永久磁石式回転電機1において、一体の矩形状の磁石板として形成された第5永久磁石24b及び第6永久磁石26aの形状及び大きさと同一である。また、第2鉄極124bの形状及び大きさは、第1実施形態に係る永久磁石式回転電機1において、第4永久磁石24a及び第2鉄極26bを合わせた形状及び大きさと同一である。
また、固定子110の固定子鉄心111の軸方向中央部の内周面には、そこを流れる直流励磁電流IDCによる磁束により第1永久磁石123a及び第2永久磁石124aによる界磁磁束を増磁あるいは減磁するリング状の直流励磁巻線30が設けられている。
この参考例に係る永久磁石式回転電機101において、永久磁石による界磁磁束を直流励磁電流IDCによる磁束により増磁する場合、永久磁石による界磁磁束を一方の極性であるN極の第1永久磁石123a及び他方の極性であるS極の第2永久磁石124aによる界磁磁束とするので、第1実施形態に係る永久磁石式回転電機1と比べて、永久磁石による界磁磁束自体が弱い。第1実施形態に係る永久磁石式回転電機1の場合、第1異極磁石配置部23の第2永久磁石23b及び第2異極磁石配置部24の第4永久磁石24aの分だけ永久磁石の面積が大きく永久磁石の量が多いからである。このため、永久磁石による界磁磁束を所定の目標値にまで直流励磁電流IDCによる磁束によって増磁する場合に増磁量を小さくすることができない。
これに対して、第1実施形態に係る永久磁石式回転電機1によれば、回転子20が、第1異極磁石配置部23と、第1コンシクエントポール部25と、第2コンシクエントポール部26と、第2異極磁石配置部24とを備えている。そして、一方の極性であるN極の第1永久磁石23a、第3永久磁石25a、第4永久磁石24a及び第2鉄極26bが回転子コア21の軸方向に整列するように配置されるとともに、他方の極性であるS極の第2永久磁石23b、第5永久磁石24b、第6永久磁石26a及び第1鉄極25bが回転子コア21の軸方向に整列するように配置されている。このため、永久磁石による界磁磁束を一方の極性であるN極の第1永久磁石23a、第3永久磁石25a、第4永久磁石24a及び他方の極性であるS極の第2永久磁石23b、第5永久磁石24b、第6永久磁石26aによる界磁磁束とするので、参考例に係る永久磁石式回転電機101と比べて、第1異極磁石配置部23の第2永久磁石23b及び第2異極磁石配置部24の第4永久磁石24aの分だけ永久磁石の面積が大きく、永久磁石の量が増えるので、永久磁石による界磁磁束自体を強くすることができる。これにより、永久磁石による界磁磁束を所定の目標値にまで直流励磁電流IDCによる磁束によって増磁する場合に増磁量を小さくすることができ、増磁の際の直流励磁電流を小さくすることができる。
(第2実施形態)
次に、本発明の第2実施形態に係る永久磁石式回転電機について図4を参照して説明する。図4において、図2に示す部材と同一の部材については同一の符号を付し、その説明を省略することがある。
図4に示す第2実施形態に永久磁石式回転電機1は、基本構成は図1及び図2に示す第1実施形態に係る永久磁石式回転電機1と同様であるが、第1永久磁石23a乃至第6永久磁石26aのそれぞれの形状が、第1実施形態に係る永久磁石式回転電機1における第1永久磁石23a乃至第6永久磁石26aのそれぞれの形状と相違している。
即ち、第1実施形態に係る永久磁石式回転電機1における第1永久磁石23a及び第3永久磁石25aは、矩形状に一体に形成され、第5永久磁石24b及び第6永久磁石26aも矩形状に一体に形成されている。そして、第2永久磁石23bは、一体に形成された第1永久磁石23a及び第3永久磁石25aの半分程度の面積の矩形状に形成され、第4永久磁石24aも一体に形成された第5永久磁石24b及び第6永久磁石26aの半分程度の面積の矩形状に形成されている。
これに対して、図4に示す第2実施形態に係る永久磁石式回転電機1においては、第1永久磁石23a乃至第6永久磁石26aのそれぞれの形状が個別に統一された寸法の矩形状に形成されている。
これにより、第1永久磁石23a乃至第6永久磁石26aのそれぞれの形状を同一とすることができる。
なお、図4に示す永久磁石式回転電機1は、図1及び図2に示す永久磁石式回転電機1と同様に、表面磁石型の同期電動機であるから、一方の極性のN極の第1永久磁石23a、第3永久磁石25a及び第4永久磁石24aと、他方の極性のS極の第2永久磁石23b、第5永久磁石24b及び第6永久磁石26aとが回転子コア21の表面に貼り付けられている。
(第3実施形態)
次に、本発明の第3実施形態に係る永久磁石式回転電機について図5を参照して説明する。図5において、図2に示す部材と同一の部材については同一の符号を付し、その説明を省略することがある。
図5に示す第3実施形態に永久磁石式回転電機1は、基本構成は図1及び図2に示す第1実施形態に係る永久磁石式回転電機1と同様であるが、第1コンシクエントポール部25、第2コンシクエントポール部26及び第2異極磁石配置部24の配置順が、第1実施形態に係る永久磁石式回転電機1における第1コンシクエントポール部25、第2コンシクエントポール部26及び第2異極磁石配置部24の配置順と異なっている。
即ち、図1及び図2に示す第1実施形態に係る永久磁石式回転電機1においては、回転子コア21の軸方向の一端側から他端側にかけて第1異極磁石配置部23、第1コンシクエントポール部25、第2コンシクエントポール部26、及び第2異極磁石配置部24の順に配置されている。
これに対して、図5に示す第3実施形態に永久磁石式回転電機1においては、回転子コア21の軸方向の一端側から他端側にかけて第1異極磁石配置部23、第2異極磁石配置部24、第1コンシクエントポール部25及び第2コンシクエントポール部26の順に配置されている。
そして、第1異極磁石配置部23の第1永久磁石23a及び第2異極磁石配置部24の第4永久磁石24aが一体の矩形状に形成されるとともに、第1異極磁石配置部23の第2永久磁石23b及び第2異極磁石配置部24の第5永久磁石24bが一体の矩形状に形成されている。
なお、図5に示す永久磁石式回転電機1は、図1及び図2に示す永久磁石式回転電機1と同様に、表面磁石型の同期電動機であるから、一方の極性のN極の第1永久磁石23a、第3永久磁石25a及び第4永久磁石24aと、他方の極性のS極の第2永久磁石23b、第5永久磁石24b及び第6永久磁石26aとが回転子コア21の表面に貼り付けられている。
(第4実施形態)
次に、本発明の第4実施形態に係る永久磁石式回転電機について図6を参照して説明する。図6において、図2に示す部材と同一の部材については同一の符号を付し、その説明を省略することがある。
図6に示す第4実施形態に永久磁石式回転電機1は、基本構成は図1及び図2に示す第1実施形態に係る永久磁石式回転電機1と同様であるが、第1異極磁石配置部23、第1コンシクエントポール部25、第2コンシクエントポール部26及び第2異極磁石配置部24の配置順が、第1実施形態に係る永久磁石式回転電機1における第1異極磁石配置部23、第1コンシクエントポール部25、第2コンシクエントポール部26及び第2異極磁石配置部24の配置順と異なっている。
即ち、図1及び図2に示す第1実施形態に係る永久磁石式回転電機1においては、回転子コア21の軸方向の一端側から他端側にかけて第1異極磁石配置部23、第1コンシクエントポール部25、第2コンシクエントポール部26、及び第2異極磁石配置部24の順に配置されている。
これに対して、図6に示す第4実施形態に係る永久磁石式回転電機1においては、回転子コア21の軸方向の一端側から他端側にかけて第1コンシクエントポール部25、第1異極磁石配置部23、第2異極磁石配置部24及び第2コンシクエントポール部26の順に配置されている。
そして、一方の極性のN極である第1コンシクエントポール部25の第3永久磁石25a、第1異極磁石配置部23の第1永久磁石23a及び第2異極磁石配置部24の第4永久磁石24aが一体の矩形状に形成され、他方の極性のS極である第1異極磁石配置部23の第2永久磁石23b、第2異極磁石配置部24の第5永久磁石24b及び第2コンシクエントポール部26の第6永久磁石26aが一体の矩形状に形成されている。
これにより、永久磁石の総数を第1実施形態の場合に比べて減らすことができ、場合により製造コストを安価なものとすることができる。
なお、図6に示す永久磁石式回転電機1は、図1及び図2に示す永久磁石式回転電機1と同様に、表面磁石型の同期電動機であるから、一方の極性のN極の第1永久磁石23a、第3永久磁石25a及び第4永久磁石24aと、他方の極性のS極の第2永久磁石23b、第5永久磁石24b及び第6永久磁石26aとが回転子コア21の表面に貼り付けられている。
(第5実施形態)
次に、本発明の第5実施形態に係る永久磁石式回転電機について図7を参照して説明する。図7において、図6に示す部材と同一の部材については同一の符号を付し、その説明を省略することがある。
図7に示す第5実施形態に永久磁石式回転電機1は、基本構成は図6に示す第4実施形態に係る永久磁石式回転電機1と同様であるが、埋め込み磁石型(IPM: Interior Permanent Magnet)の同期電動機である点で相違している。
具体的に述べると、図6に示す第4実施形態に係る永久磁石式回転電機1においては、一体の矩形状に形成された一方の極性のN極の第3永久磁石25a、第1永久磁石23a及び第4永久磁石24aと、一体の矩形状に形成された他方の極性のS極の第2永久磁石23b、第5永久磁石24b及び第6永久磁石26aとが回転子コア21の表面に貼り付けられている。
これに対して、図7に示す第5実施形態に係る永久磁石式回転電機1においては、一体の矩形状に形成された一方の極性のN極の第3永久磁石25a、第1永久磁石23a及び第4永久磁石24aと、一体の矩形状に形成された他方の極性のS極の第2永久磁石23b、第5永久磁石24b及び第6永久磁石26aとが回転子コア21に内蔵されている。
これによっても、第4実施形態に係る永久磁石式回転電機1と同様に、永久磁石の総数を第1実施形態の場合に比べて減らすことができ、場合により製造コストを安価なものとすることができる。
また、第1永久磁石23a乃至第6永久磁石26aが回転子コア21に内蔵されているので、リラクタンストルクを利用し易くなり、出力トルクの増大を容易に図ることができる。
(第6実施形態)
次に、本発明の第6実施形態に係る永久磁石式回転電機について図8を参照して説明する。図8において、図2に示す部材と同一の部材については同一の符号を付し、その説明を省略することがある。
図8に示す第6実施形態に永久磁石式回転電機1は、基本構成は図1及び図2に示す第1実施形態に係る永久磁石式回転電機1と同様であるが、直流励磁巻線30の配置の仕方が第1実施形態に係る永久磁石式回転電機1と異なっている。
即ち、図1及び図2に示す第1実施形態に係る永久磁石式回転電機1のリング状の直流励磁巻線30は、固定子10の固定子鉄心11の軸方向中央部の内周面に配置されている。
これに対して、図8に示す第6実施形態に永久磁石式回転電機1のリング状の直流励磁巻線30は、固定子鉄心11の軸方向中央部の外周面に配置されている。
これにより、直流励磁巻線30の冷却を容易に行うことができる。
以上、本発明の実施形態について説明してきたが、本発明はこれに限定されずに種々の変更、改良を行うことができる。
例えば、第1乃至第6実施形態に係る永久磁石式回転電機1においては、回転子20は、固定子10の固定子鉄心11の内周側に回転自在に配置されたインナーロータタイプであるが、回転子20を固定子鉄心11の外周側に回転自在に配置したアウターロータタイプであってもよい。
また、第1乃至第6実施形態に係る永久磁石式回転電機1においては、回転子20は、第1異極磁石配置部23と、第1コンシクエントポール部25と、第2コンシクエントポール部26と、第2異極磁石配置部24とを備えている構成としたが、少なくも第1異極磁石配置部23と、第1コンシクエントポール部25とを備えていればよく、第1異極磁石配置部23及び第1コンシクエントポール部25のみで構成したり、あるいは、異極磁石配置部及びコンシクエントポール部のそれぞれを3つ以上備えた構成としてもよい。
回転子20を第1異極磁石配置部23及び第1コンシクエントポール部25のみで構成する場合、回転子コア21の周方向に一方の極性であるN極の第1永久磁石23aと他方の極性であるS極の第2永久磁石23bとを交互に配置した第1異極磁石配置部23と、回転子コア21の周方向に一方の極性である第3永久磁石25aと回転子コア21に形成された鉄心部である他方の極性であるS極の第1鉄極25bとを交互に配置した第1コンシクエントポール部25とを備える構成とする。
そして、一方の極性であるN極の第1永久磁石23a及び第3永久磁石25aを回転子コア21の軸方向に整列するように配置するとともに、他方の極性であるS極の第2永久磁石23b及び第1鉄極25bを回転子コア21の軸方向に整列するように配置し、直流励磁巻線30は、直流励磁電流IDCによる磁束により第1永久磁石23a乃至第3永久磁石25aによる界磁磁束を増磁あるいは減磁する構成とする。
そして、この場合にあっても、第1異極磁石配置部23をコンシクエントポール部とする場合と比べて第1永久磁石23aの分だけ永久磁石の面積を大きくでき、永久磁石による界磁磁束自体を強くすることができる。これにより、永久磁石による界磁磁束を所定の目標値にまで直流励磁電流IDCによる磁束によって増磁する場合に増磁量を小さくすることができ、増磁の際の直流励磁電流を小さくすることができる。
なお、永久磁石式回転電機1において、回転子20を、第1異極磁石配置部23及び第1コンシクエントポール部25のみで構成した場合、一方の極性の第1永久磁石23a及び第3永久磁石25aと、他方の極性の第2永久磁石23bとが回転子コア21の表面に貼り付けられた表面磁石型としても、あるいは、一方の極性の第1永久磁石23a及び第3永久磁石25aと、他方の極性の第2永久磁石23bとが回転子コア21に内蔵されている埋め込み磁石型としてもよい。
また、第1乃至第6実施形態に係る永久磁石式回転電機1において、回転子コア21は、積層鉄心で構成されているが、一体の鉄心で構成されていてもよい。回転子コア21を一体の鉄心で構成することにより、第1永久磁石23a乃至第6永久磁石26aによる界磁磁束を回転子コア21の軸方向に流れやすくすることができる。
また、第1乃至第3実施形態に係る永久磁石式回転電機1は、表面磁石型の同期電動機であるが、埋め込み磁石型の同期電動機であってもよい。即ち、第1乃至第3実施形態に係る永久磁石式回転電機1において、一方の極性の第1永久磁石23a、第3永久磁石25a及び第4永久磁石24aと、他方の極性の第2永久磁石23b、第5永久磁石24b及び第6永久磁石26aとを回転子コア21に内蔵するようにしてもよい。
また、第1乃至第6実施形態に係る永久磁石式回転電機1において、第1永久磁石23a乃至第6永久磁石26aの各々の面積と、第1鉄極25b、第2鉄極26bの各々の面積とが同じてあっても異なってもよい。
また、第1乃至第6実施形態に係る永久磁石式回転電機1において、第1永久磁石23a及び第3永久磁石25aを合わせた面積と、第2永久磁石23b及び第1鉄極25bを合わせた面積とが異なってもよいし、第5永久磁石24b及び第6永久磁石26aを合わせた面積と、第4永久磁石24a及び第2鉄極26bを合わせた面積とが異なってもよい。
また、第1乃至第6実施形態に係る永久磁石式回転電機1において、固定子10は1段で説明されているが、複数段であってもよい。
1 永久磁石式回転電機
10 固定子
11 固定子鉄心
12 固定子巻線
20 回転子
21 回転子コア
22 軸孔
23 第1異極磁石配置部
23a 第1永久磁石
23b 第2永久磁石
24 第2異極磁石配置部
24a 第4永久磁石
24b 第5永久磁石
25 第1コンシクエントポール部
25a 第3永久磁石
25b 第1鉄極
26 第2コンシクエントポール部
26a 第6永久磁石
26b 第2鉄極
30 直流励磁巻線

Claims (7)

  1. 固定子巻線を固定子鉄心に巻装した固定子と、
    該固定子の前記固定子鉄心の内周側又は外周側に回転自在に配置された回転子であって、少なくとも回転子コアの周方向に一方の極性の第1永久磁石と他方の極性の第2永久磁石とを交互に配置した第1異極磁石配置部と、前記回転子コアの周方向に一方の極性の第3永久磁石と前記回転子コアに形成された鉄心部である他方の極性の第1鉄極とを交互に配置した第1コンシクエントポール部とを備え、一方の極性の前記第1永久磁石及び前記第3永久磁石が前記回転子コアの軸方向に整列するように配置されるとともに、他方の極性の前記第2永久磁石及び前記第1鉄極が前記回転子コアの軸方向に整列するように配置された回転子と、
    前記固定子の前記固定子鉄心に設けられ、直流励磁電流による磁束により前記第1永久磁石乃至前記第3永久磁石による界磁磁束を増磁あるいは減磁する直流励磁巻線とを備え、
    前記回転子コアの周方向に一方の極性の第4永久磁石と他方の極性の第5永久磁石とを交互に配置した第2異極磁石配置部を備えるとともに、前記回転子コアの周方向に他方の極性の第6永久磁石と前記回転子コアに形成された鉄心部である一方の極性の第2鉄極とを交互に配置した第2コンシクエントポール部を備え、
    一方の極性の前記第1永久磁石、前記第3永久磁石、前記第4永久磁石、及び前記第2鉄極が前記回転子コアの軸方向に整列するように配置されるとともに、他方の極性の前記第2永久磁石、前記第1鉄極、前記第5永久磁石及び前記第6永久磁石が前記回転子コアの軸方向に整列するように配置されており、
    前記直流励磁巻線は、直流励磁電流による磁束により前記第1永久磁石乃至前記第6永久磁石による界磁磁束を増磁あるいは減磁することを特徴とする永久磁石式回転電機。
  2. 前記回転子コアの軸方向の一端側から他端側にかけて前記第1異極磁石配置部、前記第1コンシクエントポール部、前記第2コンシクエントポール部、前記第2異極磁石配置部の順に配置され、前記第1異極磁石配置部の前記第1永久磁石及び前記第1コンシクエントポール部の前記第3永久磁石が一体で形成されるとともに、前記第2コンシクエントポール部の前記第6永久磁石及び前記第2異極磁石配置部の前記第5永久磁石が一体で形成されていることを特徴とする請求項に記載の永久磁石式回転電機。
  3. 前記第1永久磁石乃至前記第6永久磁石のそれぞれが個別に統一された寸法で形成されていることを特徴とする請求項に記載の永久磁石式回転電機。
  4. 前記回転子コアの軸方向の一端側から他端側にかけて前記第1異極磁石配置部、前記第2異極磁石配置部、前記第1コンシクエントポール部、前記第2コンシクエントポール部の順に配置され、前記第1異極磁石配置部の前記第1永久磁石及び前記第2異極磁石配置部の前記第4永久磁石が一体で形成されるとともに、前記第1異極磁石配置部の前記第2永久磁石及び前記第2異極磁石配置部の前記第5永久磁石が一体で形成されていることを特徴とする請求項に記載の永久磁石式回転電機。
  5. 前記回転子コアの軸方向の一端側から他端側にかけて前記第1コンシクエントポール部、前記第1異極磁石配置部、前記第2異極磁石配置部、前記第2コンシクエントポール部の順に配置され、前記第1コンシクエントポール部の前記第3永久磁石、前記第1異極磁石配置部の前記第1永久磁石及び前記第2異極磁石配置部の前記第4永久磁石が一体に形成され、前記第1異極磁石配置部の前記第2永久磁石、前記第2異極磁石配置部の前記第5永久磁石及び前記第2コンシクエントポール部の前記第6永久磁石が一体に形成されていることを特徴とする請求項に記載の永久磁石式回転電機。
  6. 前記直流励磁巻線が、前記固定子鉄心の外周面に配置されていることを特徴とする請求項1乃至5のうちいずれか一項に記載の永久磁石式回転電機。
  7. 前記回転子コアが一体の鉄心で構成されていることを特徴とする請求項1乃至6のうちいずれか一項に記載の永久磁石式回転電機。
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