JPH11332144A - ２極永久磁石形回転子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】２極の永久磁石形回転電機において、弓形の磁
石を使用せず、漏れ磁束の少ない機械強度の高い回転子
構造を提供することにある。 【解決手段】１極あたりの永久磁石を３分割とし、さら
に断面形状を台形磁石を回転子鉄心内に配置する構造と
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は永久磁石を有する回
転電機の回転子で、特に回転子内部に永久磁石を有する
回転電機の回転子の構造に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】回転子に永久磁石を有する回転電機にお
いて、その回転子構造は一般に回転子表面に永久磁石を
張り付ける表面磁石構造と回転子内部に埋め込んだ埋込
磁石構造に分類することができる。 高速で回転する回
転電機においては、永久磁石の遠心力からの保護を考え
ると埋込磁石構造の方が有利と言える。しかしながら、
磁石を回転子内部に埋め込むと固定子と鎖交しない漏れ
磁束が増大し、磁石の利用率が下がり、大型で割高な傾
向になる。

【０００３】このため、回転子の外径を小さくし、慣性
量を小さく要求される回転電機では表面磁石構造の方が
実現が容易である。この構造においては磁石の保持方法
が最大の課題となり、ＳＵＳ３０４などの非磁性の金属
製リングで保持、低飽和磁束密度の磁性リング（ＳＵＳ
６３０など）で保持またはガラスバインド線などで保持
する方法など多くの考案がなされている。これらの場
合、磁石の断面形状は弓形がほとんどであり、磁石の加
工精度は高いものが要求される。

【０００４】このように加工精度を要求すると磁石が高
価になるため、特殊用途の回転電機には採用できるが、
汎用性の高い回転電機には採用が難しい。さらに、磁石
の製作段階で専用の金型が必要となるので、廉価な回転
電機にはさらに採用が困難になってくる。

【０００５】これに反して埋込磁石構造では、永久磁石
が回転子の中にあるため、磁石の寸法余裕は比較的取り
やすい。また、ｄ軸のリアクタンスとｑ軸のリアクタン
スが異なるため生ずるリラクタンストルクが発生するの
で、このトルクの利用により回転電機の小形化には有利
になる。したがって、埋込磁石構造によって増大した漏
れ磁束をこのリラクタンストルクで補うことができると
言える。

【０００６】高速回転になると磁石の遠心力に対する保
持方法に加えて、磁石そのものの応力が高くならない対
策を施す必要が生じてくる。希土類磁石は焼桔金属に属
するので、圧縮応力は比較的高くとれるが、曲げには弱
くこの点を考慮しないと、回転子内部で磁石が破損する
ことになる。磁石断面での巾寸法を大きくすると磁石の
曲げ応力が高くなるので、曲げ応力を下げるには磁石の
巾寸法を小さくすればよいことになる。あるいは、回転
子そのものの剛性を高くして、磁石の曲げを回転子が保
持できる構造にすることである。一般に回転子の剛性を
高くしようとすると回転子外周付近の半径方向の厚みが
厚くなり、磁束の漏れが増大し、好ましくない。また、
漏れ磁束を少なくしようと半径方向の厚みを薄くする
と、鉄心自身の応力も高くなり、磁石の応力も高くなる
ので、鉄心および磁石の強度と漏れ磁束との間にはトレ
ードオフの関係が生ずる。

【０００７】特に２極機の場合は、埋込磁石構造で弓形
の磁石を使用しないとすれば、磁石を分割しないと配置
できない。分割数や磁石の形状は種々考えられるが、そ
れらの善し悪しはギャップ中の磁束密度分布により判断
できる。一般には磁束密度分布の基本波分の大小により
判断され、その大きさが大きい方がよいと判断される。
最良の磁束密度分布はｄ軸で磁束密度が最大値を示し、
正弦波分布している分布であり、このことから磁石をｄ
軸中心部分のところで分割するのは好ましくないと言え
る。

【０００８】図２は２極の場合で磁石を１極当たり２分
割とした場合の上半分の回転子構造を示したもので、磁
石の着磁は図中の磁束φａで示すように磁石の巾方向に
対して鉛直方向としている。図３はその磁束密度分布を
示したもので、磁束密度はｄ軸よりすこしずれたところ
で最大値となっていることがわかる。このように磁石を
ｄ軸部分で分割すると磁束がｄ軸付近に集中しなくな
り、その基本波分は小さくなってしまう。

【０００９】また、漏れ磁束を少なくしようと回転子各
部の寸法を小さくすると応力値が高くなり、機械的強度
が不足する。そこで、分割数を適切に選択し、寸法と形
状の適正化を図れば漏れ磁束が少なく、かつ応力値も適
度で機械的強度が十分な回転子構造を提供することがで
きる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】２極機構造で弓形でな
い磁石を用い、永久磁石の遠心力に対する対策を簡単に
行なうことができ、漏れ磁束を少なくし磁束を有効に使
え、機械的強度が十分備わった埋込磁石構造の回転子を
提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】１極当たり３個の同一寸
法の台形永久磁石を回転子鉄心内に配置した構成とす
る。

【００１２】回転子は内径部分にキー溝を有しない構造
とし、外周には２箇所の円形の切り欠きを持つ構成す
る。

【００１３】

【発明に実施の形態】以下、本発明の一実施例を図面に
基づいて詳述する。図１は本発明を示した回転子断面図
である。永久磁石１ａは主磁束φａを発生する磁石であ
り、永久磁石１ｂは永久磁石１ａと同じ形状で、主磁束
φａも同じであるが、着磁の方向が反対向きとなってい
る磁石である。それぞれの磁石の断面形状は台形であ
り、幅方向には分割しないが、長さ方向には分割して製
作してもよい。図１は内径部にキー溝を有しない場合を
示しているが、キー溝を有する構造であっても差し支え
ない。

【００１４】１極当たりの磁石の分割数を３個とし、該
磁石の１個の中心をｄ軸に合わせ、残りの２個を該ｄ軸
の左右対称に配置する。各極３個の磁石はそれぞれ同一
寸法の大きさであり、着磁量も同一である。このように
配置することにより、ｄ軸上には主磁束φａが通るの
で、図３に示すような磁束密度の落ち込みは防ぐことが
できる。

【００１５】図４は起磁力一定として、その磁束密度分
布も一定と仮定した場合、磁石巾を０度から９０度まで
変化させた時の基本波磁束密度の実効値を示したもので
ある。同図から磁石の巾を大きくすれば基本波磁束密度
は大きくなるが、７０度を超えたあたりから飽和してく
ることがわかる。すなわち、磁石を大量に使っても基本
波磁束密度に寄与する率が減少してくると言える。図５
は図４の説明用であり、磁束密度は１００００ガウス一
定と仮定しており、その分布は矩形波状をしている。こ
の矩形波を積分することにより、この矩形波の基本波分
を算出することができる。図４の磁束密度は図５の基本
波磁束密度分布の振幅値を実効値に換算したものであ
る。図４の角度指数は磁石巾の最適値を求めるための指
数であり、この指数が大きいほど良くなる。この指数か
ら最大値は６０度から７０度程度の範囲であり、磁石巾
を選定する場合はこの角度を採用するのが適当である。

【００１６】この角度を２極機に適用すると、図１の角
度θが６０度から７０度となる。このことから、磁石の
形状として弓形を使わないとして、磁石を分割するとす
れば３分割が最も適当であると言える。

【００１７】図１の円形の切り欠き５は軸３と鉄心２を
締め代を大きくすると鉄心外周部に高い応力が発生する
ので、それを緩和する効果を持たせるために設けたもの
である。また、漏れ磁束防止穴４は磁石の端部での漏れ
を減少させるために設けたものである。ともに設けなく
てもよい場合もある。

【００１８】鉄心の強度を保つために、適当な厚さを確
保する必要がある。本発明においては磁石を３分割にし
たため、その厚さ確保は自由度があり、適切な設計をす
ることができる。

【００１９】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、１
極分の磁石を３分割の台形形状にし、さらに円形の切り
欠きを外周に設けることにより、機械的強度が十分備わ
り漏れ磁束の少ない２極永久磁石形回転子を提供でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本発明の一実施例を示す２極機の回転子
断面図である。

【図２】図２は磁石の２分割例を示す２極機の回転子断
面図である。

【図３】図３は図２の磁束密度分布例を示したものであ
る。

【図４】図４は磁石の巾と基本波磁束密度の関係を示す
図である。

【図５】図５は図４の説明用図であり、算定の条件を示
したものである。

【符号の説明】

１ａ、１ｂ 永久磁石 ２ 鉄心 ３ 軸 ４ 漏れ磁束防止穴 ５ 円形切り欠き

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 けい素鋼板を積層してなる回転子鉄心内
   部に台形で且つ同一形状の複数の永久磁石を有し、該回
   転子磁極の１極分磁石を３等分に分割し、形状を台形と
   し、外周側を内周側より長辺としたことを特徴とする２
   極永久磁石形回転子。
2. 【請求項２】 回転子内径のキー溝をなくし、さらに回
   転子外周に２個の円形切り欠きを、極と極間に有するこ
   とを特徴とする請求項１記載の２極永久磁石形回転子。