JPH10271727A

JPH10271727A - 永久磁石式回転電機

Info

Publication number: JPH10271727A
Application number: JP9075176A
Authority: JP
Inventors: Kazuto Sakai; 和人堺
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1997-03-27
Filing date: 1997-03-27
Publication date: 1998-10-09
Anticipated expiration: 2017-03-27
Also published as: JP3507653B2

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明の目的は、出力となる永久磁石の主磁
束の低下を防ぐとともに、ｑ軸インダクタンスを小さく
することができ、高力率・高効率を実現できる永久磁石
式回転電機を提供することにある。【解決手段】本発明は、電機子コイルを有する固定子
と、外周部に磁極を形成する永久磁石12が配置され、各
磁極の中心軸に沿って非磁性部14を設けた鉄心13と非磁
性の回転軸15とを備えた回転子11とからなる永久磁石式
回転電機を提供するものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は新規の界磁構成によ
り低インダクタンスとして、高効率を実現する永久磁石
回転電機に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の永久磁石回転電機は代表的な物と
して、図16に示すような回転子１の鉄心３に永久磁石２
を貼り付ける表面型の回転電機、図17に示すような永久
磁石２を回転子鉄心３内に埋め込んだ構造の埋め込み型
回転電機、図18で示すような磁性リング６で永久磁石２
を覆った磁性リング型回転電機がある。

【０００３】表面型の回転電機は永久磁石の比透磁率が
ほぼ１であり、空気と同一とみなせるので、ｄ軸、ｑ軸
のインダクタンスは等しくなる。また、永久磁石も磁気
的なエアギャップとなるのでインダクタンスは極めて小
となる。

【０００４】埋め込み型の回転電機はｄ軸方向に永久磁
石があるので前記と同様な理由でｄ軸インダクタンスが
小となる。一方、永久磁石の外周表面にポールピースと
同様な磁性材があり、ｑ軸磁束は永久磁石ではなく、前
記ポールピース状の磁性材を横切るのでｑ軸インダクタ
ンスが大となる。

【０００５】磁性リング型回転電機では、永久磁石の表
面に磁性材があるので、電機子コイルが作る磁束がリン
グ６内も通ることになるのでインダクタンスは高くな
る。また、磁性リングは円周状に均一の厚さであるの
で、局部的な磁気飽和を無視するとｄ軸、ｑ軸インダク
タンスは同一となる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】つぎに前述の従来機に
おける技術課題について述べる。永久磁石電動機は高出
力・高効率で運転するため、図19に示すようにｄ軸電流
を零としてｑ軸電流で駆動し、出力Ｔは界磁の鎖交磁束
とｑ軸電流の積（Ｋφｆ・Ｉｑ）で生じる。

【０００７】このとき、力率は図19のcos αで表され
る。表面型回転電機はインダクタンス（Ｌｄ＝Ｌｑ）が
誘導電圧Ｅと比較して著しく小であるのでα＝０とな
り、力率はほぼ１となる。埋め込み型は、ｑ軸インダク
タンスが特に大となるのでαが大きくなり、力率はかな
り悪化する。すなわち、ｄ軸電流を零で運転する場合、
低力率により効率はかなり悪くなる。磁性リング方式で
は埋め込み型程ではないが、表面型よりもｑ軸インダク
タンスが大きくなるので、設計によっては力率が悪くな
り、効率が低下する。

【０００８】そこで、本発明は高力率・高効率を得るた
めに、ｑ軸インダクタンスを小とすることができる回転
子構造を持つ永久磁石回転電機を提供することを目的と
する。

【０００９】

【課題を解決するための手段】請求項１対応の発明は、
電機子コイルを有する固定子と、外周部に磁極を形成す
る永久磁石が配置され、各磁極の中心軸に沿って非磁性
部を設けた鉄心と非磁性の回転軸とを備えた回転子とか
らなる永久磁石式回転電機を提供する。

【００１０】請求項１の発明によれば、非磁性部により
鉄心が磁気的に分離され、非磁性部が磁極中心部に沿っ
て設けられているため、ｄ軸方向のインダクタンスは変
わらないが、非磁性部を磁束が横断することになるｑ軸
方向のインダクタンスは著しく小さくなる。

【００１１】請求項２対応の発明は、請求項１の発明に
おいて、前記非磁性部を、前記鉄心の外周面に溝状の空
間を形成するスリットとしたものである。これにより、
鉄心を一体で構成することができる。

【００１２】請求項３対応の発明は、請求項１の発明に
おいて、前記非磁性部を、前記鉄心の内部に中空状の空
間を形成するスリットとしたものである。これにより、
鉄心の強度があがる。

【００１３】請求項４対応の発明は、請求項１の発明に
おいて、前記永久磁石の外周面に磁性リングを設けたも
のである。これにより出力を低下させずに高速回転が可
能となる。

【００１４】請求項５対応の発明は、請求項４の発明に
おいて、磁性リングを１．０〜１．６Ｔで磁気飽和する
低飽和磁束密度磁性材としたものである。請求項６対応
の発明は、請求項１の発明において、前記永久磁石を、
前記鉄心の内部に形成された穴に挿入したものである。
これにより、構造が簡素となり、製作が容易になる。

【００１５】請求項７対応の発明は、請求項１の発明に
おいて、前記磁極を複数の永久磁石で構成し、これら永
久磁石の磁極面を前記固定子側に向けてジグザグ状に配
置するとともに、各永久磁石を前記鉄心の内部に挿入し
たものである。これにより、同一径の回転子において、
磁束の発生する磁石の表面積を大きくとることができ、
出力を大きくすることができる。

【００１６】請求項８対応の発明は、請求項１の発明に
おいて、前記磁極を複数の永久磁石で構成し、これら永
久磁石の磁極面を前記固定子側に向けて断面Ｗ字状に配
置するとともに、各永久磁石を前記鉄心の内部に挿入し
たものである。これにより、磁極端部に磁束が集中せ
ず、エアギャップ磁束を矩形波分布にすることができ
る。

【００１７】請求項９対応の発明は、請求項１の発明に
おいて、前記磁極を複数の永久磁石で構成し、これら永
久磁石の磁極面を前記固定子側に向けて断面逆Ｗ字状に
配置するとともに、各永久磁石を前記鉄心の内部に挿入
したものである。これにより、磁極中心に磁束が集中し
て、エアギャップ磁束を正弦波分布にすることができ
る。

【００１８】請求項10対応の発明は、前記磁極を複数の
永久磁石で構成し、これら永久磁石の磁極面を前記固定
子側に向けて配置するとともに、前記複数の永久磁石の
内、前記磁極中心部の磁石を磁極端部の極間側の磁石よ
り高エネルギー積の特性の磁石とし、前記磁極端部の極
間側の磁石を磁極中心部の磁石より温度特性の良い磁石
としたものである。これにより、永久磁石の端部で不可
逆減磁することなく、出力を増加させることができる。

【００１９】

【発明の実施の形態】

（第１の実施の形態）図１は本発明の第１の実施の形態
の永久磁石回転電機の回転子11の径方向断面図である。
回転子は次の特徴ある構成から成る。Ｓ45Ｃ、積層した
珪素鋼板等の磁性材から成る回転子鉄心13の表面に磁極
を構成するＮｄＦｅＢ永久磁石12を配置し、鉄心13に各
磁極の中心軸に沿ってＳＵＳ304 、アルミニウム等の非
磁性材14を挟み込む構成とする。そしてＳＵＳ304 の非
磁性材の回転軸15と鉄心13が結合されている。非磁性部
分により鉄心は磁気的に分離される。図２はｄ軸の電機
子電流が作るｄ軸方向の磁束を示している。磁極中心軸
に沿って非磁性部分が設けられているが、磁束は非磁性
部を中心として対称に分布するため非磁性部分の影響を
ほとんどうけることはない。したがって、永久磁石12が
発生する磁束が減少することはない。また、ｄ軸のイン
ダクタンスは小とならないので、非磁性材14を設けても
負のｄ軸電流による電機子反作用による弱め界磁の効果
が低下することもない。次に、図３はｑ軸の電機子電流
が作るｑ軸方向の磁束を示している。電機子コイルが作
るｑ軸方向の磁束は磁極中心軸に沿って設けられている
非磁性材14を横切るようになるので、磁束量は小さくな
る。すなわち、ｄ軸のインダクタンスは変わらないが、
非磁性材14を磁束が横断することになるｑ軸方向のイン
ダクタンスは、著しく小となる。また、非磁性材14の部
分は穴として空気でも同様な効果が得られる。

【００２０】（第２の実施の形態）図４は本発明の第２
の実施の形態の永久磁石回転電機の回転子11ａの径方向
断面図である。鉄心13ａの表面に磁極を構成する永久磁
石12を配置し、鉄心13ａの外周面に各磁極の中心軸に沿
って溝状の空間を形成するスリット14ａがあり、このス
リット14ａは永久磁石12側で開口となり、回転軸15側で
閉じた構成である。この鉄心13ａは非磁性材の回転軸15
と結合されて回転子を構成する。

【００２１】このような構成によれば、スリット14ａに
より非磁性部が形成されるのでｑ軸インダクタンスが著
しく小となる。また、スリット14ａ端部の連結部分は漏
れ磁束を抑制するために細くして磁気飽和させている。
本発明では非磁性部がスリット状になって端部でつなが
っているため、鉄心13ａが連結されて一体で作ることが
できる利点がある。

【００２２】（第３の実施の形態）図５は本発明の第３
の実施の形態の永久磁石回転電機の回転子11ｂの径方向
断面図である。鉄心13ｂの表面に磁極を構成する永久磁
石12を配置する。この鉄心13ｂの内部に各磁極の中心軸
に沿って中空状の空間を形成するスリット14ｂがあり、
このスリット14ｂは永久磁石12側と回転軸15側の両端で
閉じた構成である。鉄心13ｂは非磁性材の回転軸15と結
合されて回転子11ｂを構成する。

【００２３】このような構成によれば、スリット14ｂに
より非磁性部分が形成されるのでｑ軸インダクタンスが
著しく小となる。また、スリット14ｂ端部の連結部分は
漏れ磁束を抑制するために細くして磁気飽和させてい
る。本実施形態では非磁性部分が中空状のスリットにな
って両端部でつながっているため、鉄心13ｂを強度的に
堅牢とすることができる。

【００２４】（第４の実施の形態）図６は本発明の第４
の実施の形態の永久磁石回転電機の回転子11ｃの径方向
断面図である。回転子11ｃは次の特徴ある構成から成
る。Ｓ45Ｃ、積層した珪素鋼板等の磁性材から成る回転
子鉄心13の表面に磁極を構成するＮｄＦｅＢ永久磁石12
を配置し、この鉄心13に各磁極の中心軸に沿ってＳＵＳ
304 、アルミニウム等の非磁性材14があり、そして非磁
性材14（ＳＵＳ304 ）の回転軸15と鉄心13が結合されて
いる。さらに永久磁石12の外周部には高強度で低透磁率
の磁性材であるＳＵＳ630 （１．０〜１．６Ｔ）、また
は、積層した高張力の珪素鋼板等の磁性リング16ｃを設
けている。高速回転する回転電機、偏平で外径の大きな
回転電機では、回転子11ｃの外周速は早くなるため高遠
心力が作用して永久磁石12が飛散する。本実施形態で
は、磁性リング16ｃで覆うことによりリング16が磁気的
なエアギャップにならないので、出力を低下させずに永
久磁石12を保持できる。しかし、磁性リング16内を電機
子コイルの作る磁束が通るため漏れインダクタンスは大
きくなる。本実施形態では、非磁性部分が磁極中心軸に
沿って設けられているため、ｄ軸方向のインダクタンス
は変わらないが、非磁性部分を磁束が横断することにな
るｑ軸方向のインダクタンスは、著しく小となる。した
がって、永久磁石12を強固に保持でき、かつ、全体のイ
ンダクタンスの増加を抑制することができる。

【００２５】本実施形態では、非磁性部としてアルミニ
ウム等の非磁性材14を各磁極の中心軸に沿って設けてい
るが、図７に示すように、鉄心の外周面に各磁極の中心
軸に沿ってスリット14ａを設けるようにしても良いし、
図８に示すように、鉄心の内部に各磁極の中心軸に沿っ
て中空状のスリット14ｂを設けるようにしても良い。

【００２６】（第５の実施の形態）図９は本発明の第５
の実施の形態の永久磁石回転電機の回転子11ｄの径方向
断面図である。回転子11ｄは次の特徴ある構成からな
る。回転子の鉄心13ｄを構成する珪素鋼板は、磁極とな
る永久磁石12ｄとほぼ同一の形状の穴を磁極数だけ設
け、さらに各磁極の中心軸に沿って鉄心13ｄにスリット
14ｄを設ける。また、鉄心13ｄには、永久磁石12ｄで構
成された各磁極端部17間に、穴18（スリット）が設けら
れる。この珪素鋼板を軸方向に積層する。積層した珪素
鋼板の鉄心13ｄの穴に各磁極のＮｄＦｅＢ永久磁石12ｄ
を挿入する。そして、この鉄心13ｄと非磁性材の回転軸
15は結合されて回転子11ｄを形成する。一体となった鉄
心内に永久磁石12ｄを配置するため構造が簡素となり、
製作が容易となり、永久磁石12ｄの固定も同時に可能と
なる。さらに、問題となるインダクタンスについては次
のようになる。ｄ軸の電機子電流が作るｄ軸方向の磁束
を図10に示す。磁極中心軸に沿ってスリット14ｄの非磁
性部分が設けられているが、磁束は非磁性部を中心とし
て対称に分布するため非磁性部分の影響をほとんど設け
ることはない。次に図11はｑ軸の電機子電流が作るｑ軸
方向の磁束を示している。電機子コイルが作るｑ軸方向
の磁束は磁極中心軸に沿って設けられている非磁性部分
を横切るようになるので、磁束量は小さくなる。すなわ
ち、ｄ軸のインダクタンスは変わらないが、非磁性部分
を磁束が横断することになるｑ軸方向のインダクタンス
は、著しく小となる。また、磁石の幅が狭い場合は、図
に示すように穴18を設けているので、磁極間の漏れ磁束
を低減できる。

【００２７】（第６の実施の形態）図12は本発明の第６
の実施の形態の永久磁石回転電機の回転子の径方向断面
図である。回転子１は次の特徴ある構成からなる。回転
子11ｅの磁極となる永久磁石19は、その磁極間を固定子
側に向けてジクザク状に配置された複数の磁石19ａ，19
ｂ，19ｃ，19ｄで一つの磁極を構成する。実施例では４
個のＮｄＦｅＢ永久磁石19ａ，19ｂ，19ｃ，19ｄを回転
軸15から見て断面Ｗ状に配置して一極を形成する。回転
子11ｅの鉄心13ｅを構成する珪素鋼板は、これらの磁石
19ａ，19ｂ，19ｃ，19ｄを埋め込めるように磁石19ａ，
19ｂ，19ｃ，19ｄとほぼ同一の形状の穴を形成する。さ
らに、各磁極の中心軸に沿ってスリット14ｅも形成す
る。そして、前記鉄心13ｅは非磁性材の回転軸15と結合
された回転子11ｅからなる。一つの磁極を構成する複数
の磁石19ａ，19ｂ，19ｃ，19ｄをＷ状に配置することに
より、同一径の回転子において、磁束の発生する永久磁
石19の表面積を大きく取ることができる。すなわち、出
力を大きくできる。さらに、図14に示すように各磁極の
中心軸のスリット14ｅを横断するようにｑ軸の磁束が通
るため、ｑ軸のインダクタンスは小となる。ｄ軸の磁束
は図13に示すようにスリット14ｅに沿って対称に分布す
るためｄ軸インダクタンスはスリット14ｅの影響をほと
んど受けない。従って、本発明では高出力、高力率、高
効率を実現できる。また、磁石を断面Ｗ字状に配置する
ことにより、磁極の周辺端部に磁束が集中して、エアギ
ャップ磁束を矩形波分布にすることができる。

【００２８】（第７の実施の形態）図15は本発明の第７
の実施の形態の永久磁石回転電機の回転子11ｆの径方向
断面図である。本実施形態では、第６の実施の形態の永
久磁石19の配置を次のように変更する。４個の永久磁石
20ａ，20ｂ，20ｃ，20ｄで一極を形成し、図15に示すよ
うに永久磁石20ａ，20ｂ，20ｃ，20ｄを回転軸15から見
て逆のＷに配置する。これにより磁極の中心部に磁束を
集中することになるので、エアギャップを正弦波分布に
することができる。インダクタンスは各磁極の中心軸の
スリット14ｅを横断するようにｑ軸の磁束が通るためｑ
軸のインダクタンスは小となる。

【００２９】（第８の実施の形態）第８の実施の形態の
永久磁石回転電機では、図15に示す一極を形成する複数
の分割磁石20ａ，20ｂ，20ｃ，20ｄで、磁極中心部の磁
石20ｂ，20ｃは温度特性は悪いが高エネルギー積の特性
のＮｄＦｅＢ磁石とし、磁極の端の極間側の磁石20ａ，
20ｄはエネルギー積は低下するが温度特性の良好なＳｍ
２Ｃｏ17磁石を配置する。これにより、次の作用があ
る。高エネルギー積であるＮｄＦｅＢ磁石は高温で減磁
界が作用すると不可逆減磁する。一方、エネルギー積の
低いＳｍ２Ｃｏ17磁石は高温でも減磁界に対して特性は
劣化しない特徴がある。コイルにｑ軸電流を流したとき
に生じる電機子反作用は、永久磁石の端部で大きな減磁
界を発生するが、本発明では端部には減磁界に強い磁石
を配置しているので不可逆減磁することはなく、また、
磁極中心には高エネルギー積のＮｄＦｅＢ磁石20ｂ，20
ｃが配置されているので回転電機の出力が増加する。

【００３０】

【発明の効果】本発明によれば、出力となる永久磁石の
主磁束の低下を防ぐとともに、ｑ軸インダクタンスを小
さくすることができるので、高力率・高効率を実現でき
る永久磁石回転電機を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態の永久磁石回転電機
の回転子の径方向断面図。

【図２】本発明の第１の実施の形態の永久磁石回転電機
の回転子において、ｄ軸の電機子の磁束の流れを示した
径方向断面図。

【図３】本発明の第１の実施の形態の永久磁石回転電機
の回転子において、ｄ軸の電機子の磁束の流れを示した
径方向断面図。

【図４】本発明の第２の実施の形態の永久磁石回転電機
の回転子の径方向断面図。

【図５】本発明の第３の実施の形態の永久磁石回転電機
の回転子の径方向断面図。

【図６】本発明の第４の実施の形態の永久磁石回転電機
の回転子の径方向断面図。

【図７】本発明の第４の実施の形態の永久磁石回転電機
の回転子の径方向断面図。

【図８】本発明の第４の実施の形態の永久磁石回転電機
の回転子の径方向断面図。

【図９】本発明の第５の実施の形態の永久磁石回転電機
の回転子の径方向断面図。

【図１０】本発明の第５の実施の形態の永久磁石回転電
機の回転子において、ｄ軸の電機子の磁束の流れを示し
た径方向断面図。

【図１１】本発明の第５の実施の形態の永久磁石回転電
機の回転子において、ｑ軸の電機子の磁束の流れを示し
た径方向断面図。

【図１２】本発明の第６の実施の形態の永久磁石回転電
機の回転子の径方向断面図。

【図１３】本発明の第６の実施の形態の永久磁石回転電
機の回転子において、ｄ軸の電機子の磁束の流れを示し
た径方向断面図。

【図１４】本発明の第５の実施の形態の永久磁石回転電
機の回転子において、ｑ軸の電機子の磁束の流れを示し
た径方向断面図。

【図１５】本発明の第７の実施の形態の永久磁石回転電
機の回転子の径方向断面図。

【図１６】従来の表面貼り付け型の永久磁石回転電機の
回転子の径方向断面図。

【図１７】従来の埋め込み型の永久磁石回転電機の回転
子の径方向断面図。

【図１８】従来の磁性リングの永久磁石回転電機の回転
子の径方向断面図。

【図１９】永久磁石電動機のベクトル図。

【符号の説明】

11…回転子、12…永久磁石、13…鉄心、14…非磁性材、
14ａ…スリット、15…回転軸、16ｃ…磁性リング、19
ａ，19ｂ，19ｃ，19ｄ…永久磁石。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電機子コイルを有する固定子と、外周部
に磁極を形成する永久磁石が配置され、各磁極の中心軸
に沿って非磁性部を設けた鉄心と非磁性の回転軸とを備
えた回転子とからなることを特徴とする永久磁石式回転
電機。
【請求項２】前記非磁性部は、前記鉄心の外周面に溝
状の空間を形成するスリットであることを特徴とする請
求項１記載の永久磁石式回転電機。
【請求項３】前記非磁性部は、前記鉄心の内部に中空
状の空間を形成するスリットであることを特徴とする請
求項１記載の永久磁石式回転電機。
【請求項４】前記永久磁石の外周面に磁性リングを設
けたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載
の永久磁石式回転電機。
【請求項５】前記磁性リングは、１．０〜１．６Ｔで
磁気飽和する低飽和磁束密度磁性材であることを特徴と
する請求項４記載の永久磁石式回転電機。
【請求項６】前記永久磁石は、前記鉄心の内部に形成
された穴に挿入されていることを特徴とする請求項１記
載の永久磁石式回転電機。
【請求項７】前記磁極を複数の永久磁石で構成し、こ
れら永久磁石の磁極面を前記固定子側に向けてジグザグ
状に配置するとともに、各永久磁石を前記鉄心の内部に
挿入したことを特徴とする請求項１記載の永久磁石式回
転電機。
【請求項８】前記磁極を複数の永久磁石で構成し、こ
れら永久磁石の磁極面を前記固定子側に向けて断面Ｗ字
状に配置するとともに、各永久磁石を前記鉄心の内部に
挿入したことを特徴とする請求項１記載の永久磁石式回
転電機。
【請求項９】前記磁極を複数の永久磁石で構成し、こ
れら永久磁石の磁極面を前記固定子側に向けて断面逆Ｗ
字状に配置するとともに、各永久磁石を前記鉄心の内部
に挿入したことを特徴とする請求項１記載の永久磁石式
回転電機。
【請求項１０】前記磁極を複数の永久磁石で構成し、
これら永久磁石の磁極面を前記固定子側に向けて配置す
るとともに、前記複数の永久磁石の内、前記磁極中心部
の磁石を磁極端部の極間側の磁石より高エネルギー積の
特性の磁石とし、前記磁極端部の極間側の磁石を磁極中
心部の磁石より温度特性の良い磁石としたことを特徴と
する請求項１記載の永久磁石式回転電機。