JP2002272030A - 永久磁石を埋設した回転子および回転電機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】回転子鉄心内に?複数個の永久磁石を埋設し，
各極を構成する永久磁石が回転子鉄心の分割片で分割さ
れている回転子において，永久磁石の磁束が漏れ難い回
転電機の回転子を提供すること。 【解決手段】永久磁石式回転電機の回転子鉄心6内に複
数個の永久磁石4を埋設し，各極を構成する永久磁石4が
回転子鉄心6の分割片6cで分割されている回転子2におい
て，回転子鉄心6に埋設された各々の永久磁石4の周方向
中央部から分割片6cに近づくに従い，永久磁石4の外周
側と回転子鉄心外周との距離が漸次大きくなるように永
久磁石4を形成する。埋込み磁石型のため永久磁石が減
磁し難くなるとともに，各極を構成する永久磁石が複数
の分割片で分割されていても回転子鉄心外周部が薄いた
め，鉄心外周部が飽和して永久磁石の磁束が漏れるのを
抑制し，回転電機の出力低下を防ぐことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は，回転子鉄心内に永
久磁石を埋設した回転電機の回転子に関するものであ
り，特に，超高速で回転可能な埋込み磁石型の永久磁石
式回転電機に関する。

【０００２】

【従来の技術】高速回転時には永久磁石に大きな遠心力
が作用するため，高速回転向けの永久磁石式回転電機で
は，永久磁石の保持方法が重要となる。一般に，高速回
転向けの永久磁石式回転電機には，表面磁石型回転子が
用いられる。表面磁石型回転子の構造を図4を用いて説
明する。

【０００３】表面磁石型の回転子2には，回転子鉄心6の
外周に筒状の永久磁石4を設け，高強度の非磁性リング
８で永久磁石4を保持している。しかし，非磁性リング8
で永久磁石4を保持するため，磁気的ギャップ長が長く
なり，磁気抵抗が大きくなるので永久磁石内の反磁界が
大きくなり，高温時に減磁し易くなる。

【０００４】一方，埋込み磁石型回転子は，回転子鉄心
内に永久磁石を埋込むため，磁気的ギャップ長が短く，
永久磁石が減磁し難いが，高速回転には不向きである。
その理由を，図5を用いて説明する。例えば，2極機の場
合，埋込み磁石型の回転子2は，遠心力により永久磁石4
が飛散しないように，回転子鉄心6に永久磁石4を挿入す
るための孔を設け，この孔に２個の永久磁石4を埋込
む。したがって，回転子鉄心6の内周部6aと外周部6bを
連結する2箇所の分割片6cに応力が集中するため高速回
転ができない。

【０００５】そこで，これらの問題点を解決するため
に，特開平11-113196号公報に記載されているように，
回転子の構造を埋込み磁石型とするとともに，各極を構
成する永久磁石を回転子の周方向に沿って分割すること
により，分割片の数を増やして，応力を分散させ，高速
回転を可能にする方法が提案されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術(特開平1
1-113196号公報)では，高速回転を可能とするため，各
極を構成する永久磁石を分割片に分割し，回転子鉄心の
外周部と永久磁石を多数の分割片で支えている。

【０００７】このため，回転速度が速くなるほど，分割
片の数（永久磁石の分割数）を増やせばよいが，分割片
の数を増加するほど永久磁石の磁束が分割片を通じて漏
れてしまい，固定子の電機子巻線と鎖交しなくなって，
回転電機の出力が低下する。

【０００８】本発明の目的は，高温時の減磁および高速
回転時の出力低下の防止に効果がある永久磁石を埋設し
た回転子を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は，回転子鉄心内
に複数個の永久磁石を埋設し，各極を構成する永久磁石
が回転子鉄心の分割片に分割されている回転子におい
て，回転子鉄心に埋設された各々の永久磁石の周方向中
央部から分割片端部に近づくに従い，永久磁石の外周側
と回転子鉄心外周との距離が漸次大きくなるように永久
磁石を形成する。

【００１０】上記のように回転子を構成すれば，回転子
鉄心内に永久磁石を埋込むため減磁し難くなるととも
に，各極を構成する永久磁石が複数の分割片に分割され
ていても回転子鉄心外周部が薄くなって飽和し易くなる
ため永久磁石の磁束が漏れ難くなり，出力低下を防ぐこ
とができる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下，本発明の実施例を図面を用
いて詳細に説明する。図1に本発明の一実施例を示す埋
込み磁石型の永久磁石式回転電機，図2に埋込み磁石型
永久磁石式回転電機の従来構造，図3に無負荷時端子電
圧波形の磁界解析結果について示す。

【００１２】なお，ここでは2極機で，1極あたりの永久
磁石分割数4の場合について図示しているが，極数には
限定がないとともに，1極あたりの永久磁石は複数個に
分割されていればよい。

【００１３】前述のように，表面磁石型回転子の場合，
永久磁石が高温時に減磁し易くなるという問題があるた
め，この点を考慮すると埋込み磁石型にすればよい。し
かし，埋込み磁石型回転子の場合，回転子鉄心の外周部
6bと永久磁石4を，回転子鉄心の内周部6aと外周部6bを
連結する分割片6cで保持するため，回転数に合わせて分
割片6cの数を増やさなければならない。

【００１４】分割片6cの数を増やす（各極を構成する永
久磁石4の分割数を増やす）と，埋込み磁石型回転子の
場合，永久磁石4の周り（回転子鉄心の外周部6b，内周
部6aおよび分割片6c）が鉄心であるために，永久磁石4
の磁束が分割片6cを通って回り込み，固定子1の電機子
巻線に鎖交しなくなる。

【００１５】そこで，埋込み磁石型回転子では，永久磁
石の磁束が漏れ難い構造，すなわち永久磁石4周りの回
転子鉄心6を飽和させて漏れ磁束を減少させる構造にす
る（永久磁石4周りの回転子鉄心6を薄くする）必要があ
る。

【００１６】従来の埋込み磁石型回転子の永久磁石断面
形状は，図2に示したように，回転子外周と永久磁石外
周が同心であり，永久磁石外周側から回転子外周までの
径方向距離が一定となる。前述のように埋込み磁石型回
転子の場合は分割片6cに応力が集中するため，永久磁石
4を埋設する場所は分割片6c近傍の機械強度を考慮して
決定される。

【００１７】したがって，従来構造のように永久磁石外
周側から回転子外周までの径方向距離が一定の場合は，
永久磁石4の周方向中央部で機械強度に余裕があり，分
割片6c近傍の回転子鉄心外周部厚みH1に対して永久磁石
4の周方向中央部の回転子鉄心外周部厚みH2は薄くてよ
いことを見い出した。

【００１８】すなわち，高速回転向けの埋込み磁石型回
転子2では，図1に示したように，各永久磁石4の周方向
中央から分割片6cに近づくに従い，永久磁石4の外周側
と回転子鉄心外周との距離が漸次大きくなるように永久
磁石4を形成すればよい。このような形状にすれば，回
転子鉄心外周部6bが薄くなって飽和し易くなるため，永
久磁石4の磁束が漏れ難くなる。

【００１９】また，永久磁石4を分割片6cで分割する
と，分割片6cの分だけ永久磁石4の表面積が減少し，永
久磁石4から発生する磁束が少なくなる。各永久磁石4の
周方向中央から分割片6cに近づくに従い，永久磁石4の
外周側と回転子鉄心外周との距離が漸次大きくなるよう
に永久磁石4を形成すれば，回転子外周と永久磁石外周
が同心である場合より，永久磁石4の表面積を大きくす
ることができるため，永久磁石の磁束が減少するのを抑
制できる。

【００２０】図3に無負荷時端子電圧波形の磁界解析結
果を示す。図中の従来構造とは永久磁石外周側から回転
子外周までの径方向距離を一定とした場合（図2）であ
り，本発明構造とは各永久磁石4の周方向中央から分割
片6cに近づくに従って永久磁石4の外周側と回転子鉄心
外周との距離が漸次大きくなるようにした場合（図1に
おいてH2/H1=1/2となるように回転子鉄心外周部6bの厚
みを変化させた場合）である。また，図中の電圧値は，
従来構造の誘起電圧の最大値を基準（1.0）として相対
値表示している。

【００２１】この結果から，本ケースでは10％程度端子
電圧が大きくなっており，各永久磁石4の周方向中央か
ら分割片6cに近づくに従って永久磁石4の外周側と回転
子鉄心外周との距離を漸次大きくなるようにすれば，電
機子巻線に鎖交する磁束が増加して電機子巻線の端子電
圧を大きくすることが可能である。

【００２２】したがって，各極を構成する永久磁石4が
複数の分割片6cで分割されていても，電機子巻線に鎖交
する磁束を減少させることなく，出力低下を防ぐことが
できる。

【００２３】

【発明の効果】上述のように，本発明によれば，永久磁
石が減磁し難くなるとともに，各極の永久磁石が複数の
分割片で分割されていても永久磁石の磁束が漏れ難いと
共に，回転電機の出力低下を防ぐことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す回転電機の断面構造図
である。

【図２】従来回転電機の断面構造図である。

【図３】本発明に関わる無負荷誘起電圧波形である。

【図４】本発明に関わる回転電機の従来断面構造図であ
る。

【図５】本発明に関わる回転電機の従来断面構造図であ
る。

【符号の説明】

1…固定子，2…回転子，3…固定子スロット，4…永久磁
石，5…シャフト，6…回転子鉄心，6a…回転子鉄心内周
部，6b…回転子鉄心外周部，6c…分割片，7…固定子鉄
心，8…保持リング。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 菊地 聡 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 高橋 身佳 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内 Ｆターム(参考） 5H002 AA02 AB07 AC06 AE08 5H621 AA03 GA01 GA12 GA15 HH01 HH09 JK05 5H622 AA04 CA02 CA07 CA14 CB04 CB05 PP11

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 回転子鉄心内に複数個の永久磁石を埋設
   し，各極を構成する前記永久磁石が分割片により分割さ
   れている回転子において，前記回転子鉄心に埋設された
   各々の永久磁石の周方向厚みが中央部から前記分割片に
   近づくに従い，前記永久磁石の外周側と前記回転子鉄心
   外周との距離が漸次大きくなるように前記永久磁石を形
   成したことを特徴とする回転電機の回転子。
2. 【請求項２】 回転子鉄心内に複数個の永久磁石を埋設
   し，各極を構成する前記永久磁石が分割片に分割されて
   いる回転子において，前記永久磁石より外周部の回転子
   鉄心の径方向厚みが，前記永久磁石の周方向の中央部か
   ら前記分割片に近づくに従って漸次厚くなるように前記
   永久磁石の挿入孔を設け，前記挿入孔に前記永久磁石を
   埋設したことを特徴とする回転電機の回転子。
3. 【請求項３】 回転子鉄心内に複数個の永久磁石を埋設
   し，各極を構成する前記永久磁石が前記回転子鉄心の分
   割片で分割されていると共に，前記永久磁石の径方向厚
   みがその端部へゆくに従って小さくなり，かつ外周方向
   に凸形状とした回転子を具備することを特徴とする回転
   電機。
4. 【請求項４】 回転子鉄心内に複数個の永久磁石を埋設
   し，各極を構成する前記永久磁石が前記回転子鉄心の分
   割片で分割されている回転子を備えた回転電機におい
   て，前記回転子鉄心に埋設された各々の永久磁石の周方
   向中央部から前記分割片に近づくに従い，前記永久磁石
   の外周側と前記回転子鉄心外周との距離が漸次大きくな
   るように永久磁石を形成した回転子を具備することを特
   徴とする回転電機。
5. 【請求項５】 回転子鉄心内に複数個の永久磁石を埋設
   し，各極を構成する前記永久磁石が前記回転子鉄心の分
   割片で分割されている回転子を備えた回転電機におい
   て，前記永久磁石より外周部の回転子鉄心の径方向厚み
   が，前記永久磁石の周方向の中央部から前記分割片に近
   づくに従って漸次厚くなるように前記永久磁石の挿入孔
   を設け，前記挿入孔に前記永久磁石を埋設した回転子を
   具備することを特徴とする回転電機。