WO2013008284A1 - 永久磁石型回転電機およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

永久磁石型回転電機において、ロータ（１）の磁極構成をハルバッハ配置とし、磁化が径方向である主磁石（３）を希土類磁石、磁化が周方向である補助磁石（４）をフェライト磁石で構成すると共に、主磁石と前記補助磁石との間に隙間を設けることで、回転電機の出力トルクを低下させることなく、希土類磁石の使用量を削減する。

Description

永久磁石型回転電機およびその製造方法

　この発明は、永久磁石を用いた永久磁石型回転電機およびその製造方法に関するものである。

　永久磁石を使った回転電機では、回転電機の小型化、高出力化、高効率化のために、ロータの磁石にはネオジム系焼結磁石で代表される強い磁力を持った希土類磁石が使われている。
また、ステータへ流れる磁束量を増すために、ロータ上の磁石をハルバッハ(Halbach)配置とした回転電機の例が特許文献１に示されている。この特許文献１に示されるものは、ロータ上の磁極を主磁石、補助磁石で構成し、磁化の向きが径方向の主磁石と、磁化の向きが周方向の補助磁石を交互に配置した構成とし、磁束量を増すために補助磁石の固定子側の面の周方向幅Ｗｓと、該補助磁石の径方向厚さｔとの関係が、０＜Ｗｓ＜１．５ｔとなるようにしている。

　また、特許文献２においても、ハルバッハ配置のロータを有する回転電機が示されており、ここでは、補助磁石の径寸法を主磁石より短くすることで、ロータの仕上げ加工を無くし、組立性を向上した例が示されている。

特開２００７－１４１１０号公報 特開２００５－４５９８４号公報

　ネオジム系焼結磁石をロータに用いることで、回転電機の小型化、高出力化、高効率化が図れる。さらに、磁力を有効に活用するために、ネオジム系焼結磁石をハルバッハ配置とすることが採用されており、使用される代表的なネオジム系焼結磁石には、ネオジムが２７～２８wt％、ディスプロシウムが１～５wt％含まれている。これらの希土類原料は、地球上で，埋蔵量・生産地域も限られていることから，コストが高く、産出量に制限があり供給量が不安定になってきた。そのため、大量に生産する回転電機に使用する場合、回転電機のコストが高くなる、生産量に制限ができてしまう等の問題があった。

　また、特許文献１、２に示されるような、従来のハルバッハ配置のロータで、磁石を設計通りに組み立てるには、磁石形状の仕上がり寸法を高精度に管理する必要がある。
仕上げ加工は研削加工で行われており、高精度に仕上げるためには加工時間が長くなる等の問題があった。また、磁石の防錆のために必用な表面処理の厚さには厳密な管理が必要であり、製作上時間がかかるという課題があった。
　また、ネオジム系焼結磁石は割れやすく、寸法通りにできた磁石を組立てる時に、磁石同士が接触することで、割れや欠けが発生するといった問題があった。

　この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、回転電機の出力トルクを低下させることなく、主磁石の使用重量を少なくでき、高価で調達性に問題があるネオジム系焼結磁石の使用量を低減できる永久磁石型回転電機およびその製造方法を提供することを目的とする。
　また、磁石の加工時間を短縮でき、ロータの組立も容易となり、組立時間も短縮できると共に、組立時の磁石の割れ、欠けが低減できる永久磁石型回転電機およびその製造方法を提供することを目的とする。

　この発明に係る永久磁石型回転電機は、鉄心と巻線からなるステータと、複数の磁極を構成する磁石がロータコアの外周面に配置されたロータ、とを備えた永久磁石型回転電機であって、前記ロータの磁極を、磁化が径方向である主磁石と、磁化が周方向である補助磁石とで構成すると共に、前記主磁石と前記補助磁石との間に隙間を設けたものである。

　また、前記主磁石をネオジム系焼結磁石で構成し、前記補助磁石をフェライト磁石で構成するようにしたものである。

　また、この発明に係る永久磁石型回転電機の製造方法は、ロータの磁極を、磁化が径方向である主磁石と、磁化が周方向である補助磁石とで構成すると共に、前記主磁石と前記補助磁石との間に隙間を設ける永久磁石型回転電機の製造方法であって、ロータコアに前記主磁石を装着し、該主磁石を着磁した後、着磁した補助磁石を前記ロータコアに装着する工程を含むようにしたものである。

　この発明によれば、回転電機の出力トルクを低下させることなく、主磁石の使用重量を少なくでき、高価で調達性に問題があるネオジム系焼結磁石の使用量を低減できる永久磁石型回転電機およびその製造方法を得ることができる。

　また、この発明によれば、使用する磁石の寸法公差を大きくできるため、磁石の加工時間を短縮でき、ロータの組立も容易になり、組立時間を短縮できると共に、組立時の磁石の割れ、欠けが低減できる永久磁石型回転電機およびその製造方法を得ることができる。

　上述した、またその他の、この発明の目的、特徴、効果は、以下の実施の形態における詳細な説明および図面の記載からより明らかとなるであろう。

この発明の実施の形態１に係る永久磁石型回転電機の構成を示す概略断面図である。 この発明の実施の形態１に係る永久磁石型回転電機の磁束の流れの説明図である。 この発明の実施の形態１に係る永久磁石型回転電機の磁束の流れの説明図である。 この発明の実施の形態２におけるロータの構成を示す概略断面図である。 この発明の実施の形態２におけるロータの構成を示す概略断面図である。 この発明の実施の形態３のロータの構成と磁束の流れの説明図である。 この発明の実施の形態３の他のロータの構成を示す概略断面図である。 この発明の実施の形態３のロータの組立手順の説明図である。 主磁石と補助磁石を固定後にロータ磁石を着磁した場合の着磁の状態の説明図である。 この発明の製造方法におけるロータ磁石の着磁の状態の説明図である。 この発明の実施の形態４におけるロータの構成を示す概略断面図である。

　以下、この発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、各図中、同一符号は、同一あるいは相当部分を示すものとする。

実施の形態１．
　図１は、この発明の実施の形態１における永久磁石型回転電機の構成を示す概略断面図、図２、図３は、磁束の流れの説明図である。
図１において、ロータ１は、ロータコア２と、このロータコア２の外周に装着される主磁石３と、補助磁石４で構成されている。磁石内の矢印は磁石の磁化の方向である。
主磁石３の磁化方向は径方向、補助磁石４の磁化方向は周方向を向いている。主磁石３は極性が交互に反転する。補助磁石４の極性は、Ｎ極の主磁石側がＮ、Ｓ極の主磁石側がＳ極である。主磁石３はネオジム系焼結磁石で構成され、補助磁石４はフェライト磁石で構成されている。また、主磁石３と補助磁石４はそれぞれの間にギャップを設けて固定されている。

　５はステータであり、ステータコア６とステータコイル７で構成されている。
磁石の磁力によりロータ１→ステータ５→ロータ１と磁束が流れる。このステータ５に流れ込む磁束量と、ステータコイル７に流れるコイル電流との相互作用で回転トルクを発生する。出力トルクはステータ５に流れ込む磁束量とコイル電流の積に比例する。
コイル電流が一定の条件では、強い磁石を使えば磁束量を増すことができ、出力トルクアップが図れる。一方、出力トルク一定の条件では、強い磁石を使えばコイル電流を少なくすることができ、ステータコイル７の電気抵抗で消費される損失を低減でき、回転電機の効率の向上が図れる。また、出力トルク、コイル電流が一定の条件では、強い磁石を使うことで磁石の小型化ができ、回転電機を小型化できる。

　磁石からでた磁束は全てがステータに達せず、ロータ上の磁石から隣の磁石に流れる磁束がある。（隣の磁石と近接した磁石端部で生じる。）これらは回転電機の出力には寄与しない。
主磁石３と主磁石３の間に、補助磁石４を挿入すると、このリターン磁束を妨げる向きに磁力を発生するため、主磁石端部の磁束がロータコア２にもどらずステータ５に達するため、ステータ５に流れ込む磁束量を増すことができ、主磁石３の磁力を有効に使うことができる。つまり、より磁石を強くした効果あるいは、主磁石の量を少なくしても同等の出力トルクを得ることができる効果がある。

　次に実施の形態１の作用、効果について説明する。
補助磁石４は主磁石３の磁束をステータ５へ流すための補助的な磁力があればよいため、必ずしも主磁石と同等の磁力が必要ではない。本発明ではそのため、補助磁石４は主磁石３に比べ磁力の弱いフェライト磁石で構成している。
主磁石３はネオジム系焼結磁石、残留磁束密度は１．２Ｔ、保磁力１６００ｋＡ／ｍ以上のものを使用した。補助磁石４のフェライト磁石は、残留磁束密度は０．４Ｔ、保磁力は３００ｋＡ／ｍ以上のものを使用した。
また、これらの主磁石３と補助磁石４の間には隙間を設けている。

　図２に、主磁石３のみの場合の磁束の流れの模式図を、図３に主磁石３＋補助磁石４の場合の磁束の流れを模式図で示す。
主磁石３のみの場合、図２に示すように、破線１０で示す磁束はステータに流れこんでいるが（有効磁束）、主磁石３の端部から発生した破線１１の磁束は、ステータに達せずロータに戻っている（無効磁束）。

　主磁石３と補助磁石４がある場合は、図３に示すように、補助磁石４の磁力による点線１２で示す磁束により、磁石端部から発生した磁束もステータに流れ込む。
主磁石３と補助磁石４の間に隙間がある場合は、補助磁石４の磁力が磁化方向の長さ（ロータ周方向の磁石幅に相当）が短くなることにより、磁石長さに比例して磁力が弱くなる。しかし、磁石幅５ｍｍに対して隙間が０．５ｍｍ以下であれば、磁力の低下は１０％程度以下であり、補助磁石による十分なアシスト効果が得られる。

　効果の確認は、次の回転電機で行った。
回転電機は１２スロット、８極で、ロータ外径はΦ４０である。軸方向の磁石の長さ、ステータの長さは３５ｍｍである。
まず、主磁石３のみの場合として、主磁石はかまぼこ型で、断面が弓形をしたセグメント磁石である。磁石幅は９ｍｍ、磁石の高さは２．６ｍｍ、磁石の片部の高さは１．２ｍｍとして回転電機のトルクを求めた。

　次に補助磁石４を併用した場合、主磁石３の形状はかまぼこ型で、磁石幅は８．６ｍｍ、磁石の高さは２．３ｍｍ、磁石の片部の高さは１．２ｍｍである。ロータコア２に接する面は平面で、側面は底面に対して直角の面である。
補助磁石４は断面が台形形状をした磁石である。磁石高さは２ｍｍ、磁石幅は５ｍｍである。主磁石３の側面と補助磁石４の側面の間には間隔があくように補助磁石４の磁石幅は決められている。ギャップの間隔は、０．３ｍｍである。それぞれの磁石はロータコア２に固定されている。

　これらの形状のロータを用いた場合の出力トルクを比較した結果は次の通りである。
　（１）主磁石（ネオジム系焼結磁石）のみ：
　　　ネオジム系焼結磁石使用量１、出力トルク１
　（２）主磁石(ネオジム系焼結磁石)+補助磁石（フェライト磁石）：
　　　ネオジム系焼結磁石使用量０．７７、出力トルク１
　（３）上記（２）と同じ主磁石で補助磁石なし：
　　　ネオジム系焼結磁石使用量０．７７、出力トルク０．９７１

　主磁石３に使用するネオジム系焼結磁石や補助磁石４に用いるフェライト磁石は、磁石の形状寸法には例えば±０．１ｍｍの公差がある。磁石は接着等の方法でロータコア２に固定されているが、ロータコア２への固定の位置誤差が発生する。そのため、従来例のように、隙間なく主磁石３と補助磁石４を配置するには、磁石加工精度を向上すること、磁石の固定の位置精度を高めることが必要である。そのため加工や組立に要する時間が長くかかってしまう。
　これに対し、図１に示す実施の形態１の構成では、主磁石３と補助磁石４の間に隙間を設けており、磁石の寸法公差を下げることができ、磁石の加工時間を短縮できる。
隙間は０．５ｍｍである。また、磁石をロータコアへ固定のときの位置精度を下げることができ、組立時間を短縮できる。

　以上のように、この発明の実施の形態１の永久磁石型回転電機は、鉄心６と巻線７からなるステータ５と、複数の磁極を構成する磁石がロータコア２の外周面にいわゆるハルバッハ配置されたロータ１とを備えた永久磁石型回転電機であって、ロータの磁極を、磁化が径方向である主磁石３と、磁化が周方向である補助磁石４で構成すると共に、主磁石３と補助磁石４との間に隙間を設けたものである。

　また、主磁石３を希土類焼結磁石で、補助磁石４をフェライト磁石で構成したものである。

　このように構成された実施の形態１の永久磁石型回転電機によれば、回転電機の出力を低下させることなく、ネオジム系焼結磁石の使用量を少なくでき、回転電機の供給を安定にでき、且つ、製造コストを低減することができる。
　また、使用する磁石の寸法公差を大きくできるため、磁石の加工時間を短縮でき、ロータの組立も容易になり、組立時間を短縮することができる。

　なお、上記実施の形態１においては、ステータのスロット数１２、ロータの極数８極の例を示したが、本発明はこの極対数に限定されるものでなく、他の極対数でも同様の効果を得られることはいうまでもない。

実施の形態２．
　図４、図５はこの発明の実施の形態２の永久磁石型回転電機のロータの構成を示す概略断面図である。図４において、１５は主磁石３と補助磁石４の隙間に配置された非磁性材料である。なお、その他の構成は実施の形態１と同一であり、説明は省略する。

　図４のロータを組立てる場合、ロータコア２に主磁石３を接着で固定する。補助磁石４は、主磁石３の間に非磁性材の樹脂１５を入れた上でロータコア２に接着されて固定される。
このように構成された実施の形態２のロータは、主磁石３と補助磁石４の間に樹脂が充填されているため、回転電機の組立時に磁石同士が接触することによる割れや欠けを防止することができる。また、ロータコア２への固定力を強くできる。

　なお、実施の形態２の構成は、ロータコア２に主磁石３と補助磁石４を一体モールド成形することでも実現可能である。
即ち、モールド金型に、ロータコア２、主磁石３、補助磁石４を挿入し位置決めした後、モールド樹脂を注入して固めることで容易に実現することができる。
図５は主磁石３と補助磁石４をモールドで一体に成形した例であり、モールド金型内にロータコア２、主磁石３、補助磁石４を配置した後、モールド樹脂１６を充填し固化する工法で製作したものである。
この一体モールド成形した実施の形態２の永久磁石発電機によれば、ロータコア２と主磁石３、補助磁石４の固定力を一層向上させることができる。

実施の形態３．
　図６、図７にこの発明の実施の形態３による永久磁石型回転電機のロータの断面構成と磁石の発生する磁束の流れを示す。
この実施の形態３の永久磁石型回転電機は、補助磁石４とロータコア２の間にもギャップを設けたもので、非磁性体層である樹脂１５が、主磁石３と補助磁石４の間と、補助磁石４とロータコア２の間に充填されている。

　補助磁石４の磁束は、図中の破線で示すように、ロータ外周側の経路とロータ内周側の経路で流れる。外周側の経路は主磁石３の磁束を強めるように働くが、内周側の経路はロスとなる。内周側に非磁性のギャップを設けることで内周側の磁路抵抗を大きくでき、内周側の磁束を下げて外周側への磁束量を増加させることができる。
図６では、ロータコア２の補助磁石４が固定される位置のロータコア２に凹部１７を設けた構成であり、図７は凹部を形成していない例である。

　補助磁石４とロータコア２の間隔は、補助磁石４とステータコア６の間隔より小さい範囲で効果が得られる。上述したスロット数１２、極数８の回転電機で補助磁石４とロータコア２の隙間を０．５ｍｍ設けた場合、出力トルクは約１％向上した。
　補助磁石４はロータの極間位置に相当し、ステータコイル７の発生する磁力の通路となる。そのため、上記の補助磁石４とロータコア２の間隔が広くなりすぎるとステータコイル７の発生する磁力に対して磁気抵抗が増大することになり、出力が低下してしまう。

　次に、上述した実施の形態３のロータの組立手順と着磁の方法について、図８～図１０を参照して説明する。図８はロータの組立手順を示す図である。
まず、主磁石３をロータコア２に固定する。（図８（ａ）参照。）後述するように、この状態で着磁ヨークにロータを挿入し主磁石３を着磁する。
　予め成形した樹脂１５を補助磁石４に固定し、空芯コイルなどを用い補助磁石単体で着磁を行う。その後、主磁石の間に補助磁石を挿入し固定する。（図８（ｂ）参照。）
固定は接着等で行う。着磁済み補助磁石４を挿入する時には主磁石３との反発力、吸引力が働くが、樹脂１５が緩衝材となり磁石の割れ、欠けを防止できる。

　ここで、主磁石３の着磁について、図９、図１０の模式図を参照して説明する。
ロータに主磁石３と補助磁石４を固定後、着磁ヨークで着磁を行った場合、主磁石３の磁石端部や補助磁石４の端部で十分な着磁磁場強度が得られないため、完全な着磁が難しくなる。図９は、主磁石３と補助磁石４をロータコア２に固定後に着磁ヨークで着磁を行った場合の模式図である。図９において、２０は着磁ヨーク、２１はコア、２２はコイルである。着磁ヨーク２０のコイル２２には瞬間的に１０ｋＡ程度のパルス電流が流れ、点線で示す磁束が発生する。この磁束はそれぞれの磁石の配向方向（磁化の方向と同じ）成分しか着磁に寄与しないため、ハッチングしている領域では、着磁に寄与する磁場成分が小さくなる。そのため、より大きな着磁電流を流す必用が生じる。また、量産においては着磁ヨークの寿命が短くなるといった問題が生じる。

　これに対し、図１０の着磁の模式図に示すように、主磁石３のみ固定後、着磁ヨーク２０のコイル２２の位置を図１０のような位置に配置して主磁石３の着磁を行い、また補助磁石４は単体で空芯コイルなどを用いて着磁を行うことによって、主磁石、補助磁石とも容易に完全着磁を行うことができるものである。

　以上のように、この発明の実施の形態３の永久磁石型回転電機およびその製造方法によれば、実施の形態１の効果に加え、主磁石、補助磁石を完全着磁でき、回転電機の更なる出力の向上、効率の向上を図ることができる。また、少ない電流で着磁でき、着磁ヨークの寿命を長くすることができる効果がある。

実施の形態４．
　図１１はこの発明の実施の形態４による永久磁石型回転電機のロータの断面構成を示す。
この実施の形態４においては、主磁石３と補助磁石４とのギャップの間隔が、ロータ外周側が狭く、ロータ内周側が広くなるように構成されている。その他の構成は実施の形態１と同一であり、説明は省略する。

　補助磁石の磁束は、図中の破線で示すようにロータ外周側の経路とロータ内周側の経路で流れる。外周側の経路は主磁石の磁束を強めるように働くが、内周側の経路はロスとなる。この実施の形態４によれば、内周側の磁束は非磁性のギャップを設けることで内周側の磁路抵抗を大きくでき、外周側の磁束は主磁石の磁束を増すように働くため、外周側の磁石幅を広くして、より主磁石の磁束量を増加させることができる。外周側の隙間を０．３ｍｍ、内周側の隙間を０．７ｍｍとすることで約１％の出力トルクの向上が図れた。

　この発明は、永久磁石型同期電動機などの永久磁石型回転電機に用いて好適なものである。

　１　ロータ、２　ロータコア、　３　主磁石、４　補助磁石、
　５　ステータ、６　ステータコア、７　ステータコイル、
　１０、１１、１２　磁束、１５　樹脂（非磁性体層）、
　１６　モールド樹脂、　１７　凹部、２０　着磁ヨーク、
　２１　コア、２２　コイル。

Claims (6)

1. 　鉄心と巻線からなるステータと、複数の磁極を構成する磁石がロータコアの外周面に配置されたロータとを備えた永久磁石型回転電機であって、前記ロータの磁極を、磁化が径方向である主磁石と、磁化が周方向である補助磁石で構成すると共に、前記主磁石と前記補助磁石との間に隙間を設けたこと特徴とする永久磁石型回転電機。
2. 　前記主磁石と前記補助磁石の間の隙間に樹脂が充填されていることを特徴とする請求項１に記載の永久磁石型回転電機。
3. 　前記補助磁石と前記ロータコアの間に非磁性体層を設けたことを特徴とする請求項２に記載の永久磁石型回転電機。
4. 　前記主磁石と前記補助磁石の間の隙間は、ロータ外周側が狭く、内周側が広くなるようにしたことを特徴とする請求項２に記載の永久磁石型回転電機。
5. 　前記主磁石を希土類焼結磁石で、前記補助磁石をフェライト磁石で構成したことを特徴とする請求項1～４のいずれか１項に記載の永久磁石型回転電機。
6. 　請求項１に記載の永久磁石型回転電機の製造方法であって、前記ロータコアに主磁石を装着し、該主磁石を着磁した後、着磁した補助磁石を前記ロータコアに装着する工程を含むことを特徴とする永久磁石型回転電機の製造方法。

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