JPS62217846A - 永久磁石界磁式直流機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は界磁に永久磁石を用いた。いわゆる永久磁石界
磁式直流機に関する。

〔従来技術〕

従来、永久磁石のみで界磁を構成する永久磁石界磁式直
流機では、電機子電流に対する磁束量はほぼ一定である
。このため、直流機の出力特性は分巻特性となり、始動
時の大電流域で十分大きな始動トルクを得ることができ
ないという欠点を有していた。また、永久磁石界磁式直
流機では、電機子反作用起磁力を考慮し、例えば特開昭
５７−１５３５５８号公報に示されるように、軟鉄など
の磁性材からなる補助極を永久磁石と周方向に並置され
て界磁極が構成されるものがある。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、上記従来技術では、始動時に大きな始動
トルクが得られないこととともに、無負時においては永
久磁石で発生する磁束量が多く、このため無負荷回転数
が低くなってしまう。このことから、永久磁石式直流電
動機を例えば自動車のスタータモータとして利用する場
合、エンジン始動後はこの電動機がエンジンの負荷とし
て働くという不具合を生じる。また、始動トルクを大き
くするためには永久磁石の面積を大きくする必要が生じ
、これでは永久磁石材として希土類磁石であるサマリウ
ム・コバルト磁石やネオジウム系の磁石を用いる場合、
値段の高い界磁極となってしまうという欠点を有する。

本発明の目的は上記従来技術の欠点を取り除き、始動時
等の高負荷時に大きなトルクを発生し、しかも無負荷時
の回転数の高い永久界磁式直流機を提供することにある
。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は、界磁を構成する永久磁石の一部に。

永久磁石の可逆透磁率より高い透磁率を有する磁性材料
から成り、かつ界磁極の増磁側端の厚みが減磁側よりも
厚い磁極片を設けた永久磁石界磁式直流機により達成さ
れる。また１本発明によれば、上記磁極片を補助極と一
体にし、補助極として構成することによっても上記目的
を達成できる。

〔作用〕

上記の構成において、磁性材料から成る上記磁極片は増
磁側において電機子鉄心との磁気的空隙が狭くなってい
るため、電機子反作用による増磁作用を有効に利用する
ことができ、これによって界磁極は電機子電流の大きな
始動時又は高負荷時には非常に大きな磁束を磁極片に発
生し、一方。

電機子電流の小さい無負荷又は低負荷時には磁束量が少
なくなる。これにより、永久磁石界磁式直流機の始動ト
ルクを増大するとともに、低負荷時の回転数をも増大さ
せることが可能となる。

さらに補助極を設けたものでも、上記と同様にして始動
トルクを増大させるとともに低負荷時の回転数の増大を
得る。

〔実施例〕

以下、本発明になる永久磁石界磁式直流機の一実施例を
図面に基づき説明する。第１図は、４極機における永久
磁石界磁式電動機の径方向断面図で、第２図は軸方向断
面図である。第１図及び第２図において、シャフト１に
整流子２と電機子鉄心３に巻線４を巻装した電機子から
なる回転子が軸受５ａ、５ｂを介して固定側のエンドブ
ラケット６ａ、６ｂによって支持され、エンドブラケッ
トは円筒状継鉄７に固定される１円筒状継鉄７の内周に
は、例えばフェライト磁石からなる永久磁石８と磁極片
９が配置されている。この永久磁石８は、減磁端側の角
度θ＾部分では径方向の厚みが厚く、減磁側から増磁端
１０までの角度０８部分では、増磁端側に向ってしだい
に径方向厚みが薄く、空隙を介して電機子鉄心３と対向
している。

一方、軟鉄などの高透磁率の磁性材料からなる磁極片９
は、角度ｆｌｌＢ部分の永久磁石８と継鉄７の間に設け
られ、増Ｈ１＠１０で径方向厚みが厚く。

増磁端１０から減磁側へ向うにしたがってしだいに径方
向厚みが薄くなるように構成されている。

従って、磁極片９と電機子鉄心３との磁気的な空隙は増
磁端１０で最も狭く、減磁側へ向うにしたがって広くな
っている。

このようにしてなる本実施例において、電機子コイルが
通電されると、電機子反作用起磁力が界磁極に作用する
。この電機子反作用起磁力は、第３図に示すように、電
機子コイルに紙面の裏から表の方向の電流が流れた場合
、界磁極の磁気中心０−０′から左側では増磁力、右側
では減磁力となる。そのため、永久磁石８に作用する減
磁力は。

減磁端１１で値Ｈａと一番大きいが１本実施例では上記
したようにこの減磁力Ｈａに耐えるように径方向厚みを
厚く構成しているので、磁石の界磁力は減磁することは
ない。一方、永久磁石８と磁極片９の境界部分１２にも
減磁力が作用するが、第３図に示すようにその減磁力は
小さく、シかもこの部分での永久磁石８の径方向厚みが
充分に厚いために、境界部分１２で永久磁石８が減磁す
ることはない。

一方、永久磁石８と継鉄７の間に配置された磁極片９は
、該記したように透磁率の大きい磁性材料で構成されて
いるため、電機子反作用の増磁作用により、電機子電流
の大きい始動時や負荷時に大きな磁束量を発生する。こ
の様子を第４図の磁束分布図に示す０ｍ極片９は、減磁
側の境界部１２から増磁端に向ってしだいにその径方向
の厚みが厚くなっているため、電機子反作用により発生
した磁束を増磁端側１０へと導く。しかも、本実施例で
は、増磁端１０は電機子鉄心３と空隙を介して対向し、
増磁端付近の電機子鉄心３との磁気的空隙も狭いので、
磁極片９の増磁端付近で大きな磁束量を発生する。この
ため、第５図の実線で示すΦＡのカーブのように、電機
子電流の大きい負荷時や始動時では大きな磁束量が得ら
れる。

一方１本実施例において短絡磁束は、磁気中心付近の磁
極片９と電機子鉄心３との磁気的な空隙が拡いため、は
とんど発生しない。

永久磁石８は、該記したように角度０＾では径方向厚み
が厚いが、０８部分では増磁側に向ってしだいに径方向
厚みが薄くなっている。従って、永久磁石８の断面積が
小さくなり、第５図に示すように破線で示す永久磁石の
みの界磁極のものに対し、本実施例では実線のΦ−のカ
ーブを示すように、永久磁石で発生する磁束量は小さく
なる。

このように、本実施例において永久磁石８と磁極片９で
発生する磁束量を加えた界磁極の磁束量は、第５図のΦ
で示すように、電機子電流の小さい無負荷付近では小さ
く、電機子電流の大きい負荷点や始動時には大きな磁束
量が得られる。従って、本実施例を電動機に用いた場合
、第６図に示すように、電機子電流の小さい無負荷では
１回転数が高く、電機子電流の大きい負荷時や始動時に
は大きなモータトルクが得られる。

一方、既述したように本実施例では、永久磁石８の断面
積が小さくなるので、永久磁石の重電を大幅に低減でき
る。また１本実施例における磁極片９は、増磁端で電機
子鉄心と対向しているが、減磁側へ向うにしたがって径
方向厚みが薄くなるために磁気ギャップが拡がりスロッ
トリップルによるうず電流積の発生は少ない。このため
、電機子電流の立上りに対して磁束が遅れることはない
。

以上の説明では、４４Ｉｉの永久磁石界磁式直流機の例
で説明しているが、本発明は２極、６極など多極機に採
用することも可能である。また、電動機で説明している
が１発電機でも何ら本発明の効果は変らない、永久磁石
８の材質はフェライト磁石を用いたが、希土類磁石のサ
マリュウム、コバルト磁石やネオジュウム、鉄、ホウ素
磁石など、特にその材質は限定されるものではない。ま
た、磁極片９の材質は、けい素鋼板を用いて′！！を層
したものや、フェライトコアでも良い。

第７図は、磁気中心０−０′から増磁側のみに′ｆａ極
片９を配置したもので、磁極片９による本発明の増磁効
果は何ら変るものではない。また、第８図は、磁極片９
と永久磁石８の重なり合う線上をＲで構成したもので、
第１図と同様の効果が得られる。第９図は、永久磁石８
と磁極片９の径方向厚みの薄い部分を切り取って、空隙
１３を形成したもので、永久磁石の欠けを防止できると
共に永久磁石と磁極片の製法が容易となる。第１０図は
、永久磁石８と磁極片９の周方向端部の電機子鉄心と対
向する角部を切り取ったものである。このようにするこ
とにより、界磁極と電機子鉄心間の空隙の磁束密度が正
弦波状に分布されるため。

振動や騒音を低減した電動機が得られる。

また、第１図及び第２図では磁極片９及び永久磁石８の
軸方向長さを同一寸法としたが、必ずしも同寸法でなく
て良い、すなわち、電機子鉄心の軸方向長さΩａに対し
て、磁極片９の軸方向長さを第１１図に示すように電機
子反作用の増磁力が分布する約１．２　Ｑ　ａ　　の寸
法とし、永久磁石８の軸方向長さを１．３　Ｑ　ａから
２．ＯＱ　ａの範囲の長さにすれば、電機子電流の大き
い負荷時や始動時において、電機子反作用の減磁力が及
ばない永久磁石８の軸方向端部から多くの磁束が電機子
鉄心３に入射し、さらに大きな磁束量が得られる。

以上の本発明になる実施例によれば、永久磁石の一部に
減磁側に向うにしたがってしだいに径方向厚みを薄くし
た磁性材の磁極片を設けたことにより、電機子反作用の
増磁作用を有効に利用できるので、大電流域で大きな磁
束量が得られる。また、永久磁石の面積が減少したこと
により、永久磁石で発生する磁束量は小さくなる。従っ
て、本界磁極を電動機に用いた場合には、大電流域での
トルクが大きく、低電流域では無負荷回転数の高い直巻
特性が得られ、小型で安価な電動機が得られる。さらに
、永久磁石の重量を低減することができるので、単位重
量当りの値段の高い希土類磁石を用いた場合には、大幅
に磁石の値段を低減することができる。

〔実施例〕

次に１本発明になる永久磁石界磁式直流機の他の実施例
を図面に基づき説明する。第１２図は、４極機におけね
補助極付永久磁石界磁式電動機の径方向断面図で、第１
３図は軸方向断面図である。

第１２図及び第１３図において、シャフト１に整流子２
と電機子鉄心３に巻線４を巻装した電機子からなる回転
子が、軸受５ａ、５ｂを介して固定側のエンドブラケッ
ト６ａ、６ｂによって支持され、エンドブラケットは円
筒状継鉄７に固定される。円筒状継鉄７の内周には、電
機子反作用の増磁作用に働く磁性材料の例えば軟鋼で形
成され、周辺角θ１で構成される補助極８０が継鉄７に
固定され、電機子鉄心３と空隙を介して対向している。

また、上記補助極８０と周方向で接し、しかも継鉄７に
固定された周辺角０２の磁性材料からなる磁極片９が磁
極の減磁側の一部まで配置されている。さらに、継鉄７
の内周には永久磁石８が配置されている。永久磁石８は
、磁極片９下の空隙側に設けられた厚みの薄い磁石１０
１と、減磁側の端部方向に設けられた厚みの厚い磁石１
０２から成っている。同一極における１０１と１０２の
磁石の着磁方向は同一である。また、磁石１０１の径方
向厚みは、磁石１０２の約半分の寸法である。

このようにしてなる本実施例において、電機子コイルが
通電されると、ｔｔｔ機子機作反作用起磁力磁極に作用
する。この電機子反作用起磁力は、第１４図に示すよう
に、ｆ１！機子コイルに紙面の裏から表の方向の電流が
流れた場合、界磁極の磁気中心０−Ｏ′から左側では増
磁力、右側では減磁力となる。永久磁石８に作用する減
磁力は、磁石１０２の端部１１の部分での値がＨａと一
番大きいが、本実施例ではこの減磁力Ｈａに耐えるよう
に磁石厚みをｔの寸法で構成しているため、磁石１０２
は減磁することはない。一般に、減磁力Ｈは以下の（１
）式で表わされ、磁気中心からの角度θに比例し、磁石
の着磁方向厚みｔに反比例する。

ＨＣｃＯ／　ｔ　　　　　　　　　　・−−−−・（１
）磁極片９に積層して配置された磁石１０１には、減磁
側の１２の部分にＨＢの減磁力が作用する。

しかし、磁石１０１の磁気中心からの角度ＯＢは磁石１
０２の角度θ＾の約１／３で構成され、しかもその磁石
厚みｔｌも約半分のため、（１）式から磁石１０１は減
磁することはない。

第１５図に本実施例の磁束分布図を示す。電機子反作用
による増磁作用により、高透磁率材料で構成されている
補助極８０には、大きな磁束量が発生する。また、上記
の補助極と同様に高透磁率材で構成される磁極片９は、
磁束流路の一部となるので継鉄の起磁力消費を低減する
。さらに、電機子反作用による反作用磁束を増磁側へと
導き。

補助極と同様の働きを行う。また、トルクの発生に寄与
しない電機子反作用による短絡磁束は、電機子鉄心３と
磁極片９との間の磁気的な空隙が大きいので、はとんど
発生しない。従って、第１６図の実線で示すように、電
機子電流の大きいｉａｚでは、大きな磁束量を発生する
。また１本実施例に於て、既述したように、永久磁石１
０１の径方向厚みが薄いため、永久磁石８のパーミアン
ス係数は小さくなる。このため、永久磁石で発生する磁
束量は、従来のものに対して少なくなる。従って、第１
６図の実線に示すように、電機子電流の小さい無負荷付
近のｉａｒの点では、界磁極の磁束量が破線で示す従来
技術のものに比べ小さくなる。

このように本実施例における界磁極の磁束量は、該記し
たように公知例のものに対し、無負荷では小さく、電機
子電流の大きい負荷点や始動時では大きな磁束量が得ら
れる。このため、無負荷回転数が高く、しかも負荷時や
始動時に大きなトルクが得られ、スタータ、モータに用
いた場合、電動機がエンジンの負荷になることはない。

また、永久磁石８は該記したように電機子反作用の減磁
界に対する耐力を確保しつつ、しかも磁石１０１の径方
向厚みが薄くなったことにより、体積が小さくなる。従
って、安価で１重量の軽い永久磁石が得られる。

以上の説明では４極機で説明しているが、本発明は、さ
らに２極、６極など多極機に採用してもよい。また、永
久磁石は２分割又は一体製造しても良い、さらに、永久
磁石の材質は、フェライト磁石やサマリュウム、コバル
ト、セリウム、コバルト、ネオジュウム、鉄、ホウ素系
の希土類磁石やプラスチック磁石など特に限定するもの
ではない。また、補助極と磁極片を一体化しても良い。

第１４図において、磁石１０２の角度０＾、磁石厚みｔ
の寸法に対し、磁石１０１のものでは角度θＢは約０＾
／３、厚みｔｌを約ｔ／２の寸法で構成されているが、
θ＾Ｘｔｘ＝ＯａＸｔの関係になるように、磁石１０１
の寸法を選定できる。

すなわち、磁石１０１のｔｌを略ｔ／２とすれば、θＢ
を略０＾／２の角度としても良い。

第１７図の径方向断面図において、補助極９′の径方向
厚みを減磁側に向うにしたがってしだいに薄くする構造
にしても良い。このようにすることにより、永久磁石の
一体ｍ造が容易となり、安価で、しかも組立が簡単にな
る。また、第１７図のものでは、第１２図に対し端部１
２の磁石厚みが厚くなり、さらに減磁耐力が向上すると
共に、増磁効果も大きくなる。

さらに他の変形例を示す第１８図の径方向断面図におい
て、第１２図と異なる構成は、補助極９の減磁側端部１
２の磁石１０２と接する部分の角部を切り落して空隙１
３′を設けたことである。

このようにしたことにより、電機子鉄心３からの磁気的
空隙が拡がりトルク発生に寄与しない反作用磁束の短絡
をさらに防止すると共に、永久磁石の漏洩磁束を減少さ
せることができる。

第１９図に示す径方向断面図のように、磁極片９の断面
形状を三角形状としても本発明の効果は変らない。また
、第２０図に示す径方向断面図のように、増磁側端部か
ら減磁側まで一体に形成された磁極片９′下に薄板の補
助ｊ＠　８０　’　を溶接等で固定しても、第１２図の
ものと同様の効果が得られ、しかも、補助極の継鉄への
固定作業が簡単になる。さらに第２１図に示すように、
補助極８０と磁極片９と周方向で接する永久磁石８の磁
石部分１０１，１０２の端部を切り落して、空隙１３０
を設けても良いことは明らかである。第２２図に示す径
方向断面図は、第１２図と同様に補助極８０と磁極片９
を配置し、永久磁石８′を減磁側端位置のみの配置し、
磁極片下の部分は空隙とした構造で、大幅に磁石重量を
低減できる。

なお、永久磁石８′の形状はＬ形又は台形状としてもそ
の効果は変らない。

第１２図及び第１３図の実施例では、補助極８０と磁極
片９の軸方向長さと永久磁石８の磁石部分１０１，１０
２と同一の軸方向長さにしたが、必ずしも同じでなくて
良い。すなわち、電機子鉄心の軸方向長さＱａに対し、
補助極及び磁極片の軸方向長さを電機子反作用の増磁力
が分布する１、２　Ｑ　ａ　近傍とし、永久磁石８の軸
方向長さを１．３　Ｑ　ａ　　から２．０　ｎ　ａ　　
の範囲の寸法にすれば。

始動時に永久磁石８の軸方向端部から電機子鉄心に多く
の磁束が入射し、大きな磁束量を得ることができる。

以上、本発明になる他の実施例によれば、第１の補助極
と増磁側から減磁側の一部まで配置した磁極片を設けた
ことにより、補助極と磁極片で電機子反作用による増磁
作用を行う。このため、電機子電流の大きい始動時や負
荷時に、大きな磁束量を発生するので、トルクの大きい
電動機が得られる。また、磁極片下に配置される永久磁
石の厚みが薄くなることにより、永久磁石のパーミアン
ス係数が小さくなり、無負荷磁束量の小さい電動機とな
る。このため、電動機の無負荷回転数が高くなり、電動
機の信頼性が向上する。さらに、永久磁石の体積が小さ
くなるため、永久磁石の重量を軽くすることができるの
で、安価な電動機が得られる。

〔発明の効果〕

上記から明らかなように１本発明によれば、始動時等の
高負荷時には磁束を増大し、また低負荷時には磁束を減
少することが可能となり、これにより高負荷時における
出力トルクが大きく、一方低負荷時の回転数を増大する
ことのできる、特に自動車用スタータとして好ましい出
力特性を有する永久磁石界磁式直流機を提供することが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を採用した永久磁石界磁式電
動機の径方向断面図、第２図は第１図の軸方向断面図、
第３図は電機子反作用起磁力の分布を示す図、第４図は
第１図の始動時の磁束分布図、第５図は電機子電流に対
する界磁極の磁束量、第６図は電機子電流に対するトル
クと回転数の特性図、第７図、第８図、第９図、第１０
図及び第１１図は本発明の変形例であり、第１２図は本
発明になる補助極付永久磁石界磁式電動機の径方向断面
図、第１３図は第１２図の軸方向断面図、第１４図は電
機反作用起磁力の分布を示す図、第１５図は第１２図の
始動時の磁束分布図、第１６図は電機子電流に対する界
磁極の磁束量、第１７図、第１８図、第１９図、第２０
図、第２１図及び第２２図は上記実施例の他の変形例で
ある。 ８・・・永久磁石、９・・・磁極片、８０・・・補助極
、７・・・継鉄、１０・・・増磁端、１１・・・減磁端
。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、回転子に電機子鉄心と電機子巻線及び整流子を備え
   、固定子は継鉄と継鉄の内周に永久磁石を配置してなる
   永久磁石界磁式直流機において、上記永久磁石の一部と
   上記継鉄の間に、永久磁石の透磁率より高い透磁率を有
   する材料で構成される磁極片を設けたことを特徴とした
   永久磁石界磁式直流機。 ２、特許請求の範囲の第１項において、上記磁極片は界
   磁極の磁気中心から増磁側か又は増磁端から減磁側の範
   囲に設けたことを特徴とした永久磁石界磁式直流機。 ３、特許請求の範囲の第２項において、上記磁極片は増
   磁端で上記電機子鉄心と対向し、増磁端から減磁方向に
   向つてしだいに径方向厚みを薄くなる如く構成し、上記
   永久磁石は減磁側の一部から増磁側に向つてしだいに径
   方向厚みを薄くしたことを特徴とした永久磁石界磁式直
   流機。 ４、特許請求の範囲の第３項において、上記磁極片の断
   面を略三角形形状とし、上記永久磁石の断面を略台形形
   状としたことを特徴とした永久磁石界磁式直流電動機。 ５、回転子に電機子鉄心と電機子巻線及び整流子を備え
   、固定子は継鉄と継鉄の内周に永久磁石界磁と磁性材か
   らなる補助極とを並置してなる永久磁石界磁式電動機に
   おいて、上記補助極を電機子反作用の減磁側の一部まで
   配置したことを特徴とした永久磁石界磁式直流機。 ６、特許請求の範囲の第５項において、上記補助極は増
   磁側端方向に配置された径方向の厚みの厚い第１の補助
   極と、増磁側から減磁側の一部まで配置した径方向厚み
   の薄い第２の補助極から構成され、永久磁石は前記第２
   補助極下と減磁側端方向に配置したことを特徴とした永
   久磁石界磁式直流機。 ７、特許請求の範囲の第２項において、第６の上記補助
   極の径方向厚みを増磁側から減磁側まで同一寸法の厚み
   としたことを特徴とした永久磁石界磁式直流機。 ８、特許請求の範囲の第２項において、上記第２の補助
   極の径方向厚みを増磁側から減磁側に向うに従つてしだ
   いに薄くしたことを特徴とした永久磁石式直流機。 ９、特許請求の範囲の第２項において、上記永久磁石の
   材質を希土類磁石としたことを特徴とした永久磁石界磁
   式直流機。