【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シャフトに永久磁石を取り付けた自己始動永久磁石回転電機の永久磁石回転子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の永久磁石回転電機は、図１０に示すように回転子２に永久磁石１を配置して磁極を形成し、電機子コイル５に電流を通電することで移動磁極を発生させ、回転子２と移動磁極の吸引力で動力を引き出す同期電動機であり、その動作原理により高い運転効率を維持できるという特徴を持っている。
【０００３】
しかしながら、永久磁石回転電機は自ら始動できないので、その始動には通常インバータが使用されている。可変速用途ならまだしも、固定速用途にしかもただ始動するためだけに高価なインバータを使用するのはコスト的にメリットがない。そのため、回転子に、磁石より外周側に始動用の短絡バー３を配置して、始動時には、この短絡バー３に始動電流を誘導して、誘導機のように始動し、その後、同期速度に引き入れ、定速運転時には、永久磁石回転電機として同期トルクで運転するように構成されている。これを一般的に自己始動永久磁石回転電機と呼んでいる。
【０００４】
また、自己始動永久磁石回転電機の磁石は、短絡バーより外周側に配置することは始動性の点から好ましくなく、普通、内周側に配置されている。すなわち、回転子鉄心に溝を明け、ここに磁石を挿入配置する構成が採られている。これを、埋め込み磁石配置という。従って、回転子鉄心には、短絡バーと磁石配置のため、２種類の溝があけられることになる。
【０００５】
ところで、永久磁石回転電機は図１０の断面図に示すように、電機子は鉄心に形成された複数のスロット４の各スロットにコイル５を収納した構成となっており、その界磁空間内に、埋め込み磁石型の磁極を有する永久磁石回転子２が配置されている。また、この回転子２の外周側には、始動電流を流すための短絡バー３が等配に配置された構造を有している。
【０００６】
また、隣り合う磁極、すなわち磁石１の間隔は、磁石磁束を十分に発生させるため、極力狭くするようにしており、磁石をできるだけ多く組み込むような構成になっている。これは、磁石磁束が磁石トルクを発生させるためで、磁石トルクが磁石磁束、従って磁石量に比例するからである。
【０００７】
また、トルクを発生するためには、磁石間隔を広げることも有効である。すなわち、その磁石間に磁束（ｑ軸磁束と呼ぶ）を流すことで、電磁力的なトルクを誘発することができる。ただし、この磁束単独では電磁力トルクを発生することができない。それは前記ｑ軸磁束と直交して流れる磁束（ｄ軸磁束と呼ぶ）との相互作用によってトルクが発生するのであり、この磁束は極力少なくすることで、大きなトルクを発生することができる。このトルクはリラクタンストルクと呼ばれる。
【０００８】
このように、隣り合う極に存する磁石の間隔を広げ、ｑ軸磁束を流すことで、磁石トルクとリラクタンストルクの合成力によって回転子を回すことが可能になる。それぞれの磁束が流れる通路は異なっていて、磁石磁束は磁石から磁石前面に磁極中心に沿ってギャップに向かって流れ、ｄ軸磁束は、磁石磁束の逆方向に流れようとし、ｑ軸磁束は、主に磁石の後ろ側を回り込んで、隣り合う極の磁石の間を抜けて、ギャップに向かって流れることになる。
【０００９】
ところが、磁石間隔を広げてｑ軸磁束の流れるスペースを確保しても、その外周部に等配に設置されている短絡バーが形成されているスロットが、ギャップとして働くことから、その効果を減退することになる。また、磁石を配置するスペースも必然的に狭くなるため、磁石量が減り、磁石トルクも減退する。すなわち、回転子鉄心内に始動用短絡バーと磁石を設置した永久磁石回転子においては、リラクタンストルクを十分活用した構成が取り難い形状であると言える。
【００１０】
また、高いエネルギ密度を有する鋳造・焼結磁石はモータ出力増大に寄与するが、焼結工程、或いは硬く脆い性質から複雑な形状に成形することができず、せいぜい研削・研摩加工で形を整える程度しか成形はできない。コスト的にみると、直方体のような単純な形状、或いは円弧形状を用いる方が好ましい。
【００１１】
一般に、埋め込み磁石型回転子は、磁石を埋め込むために外径をあまり小さくできず、回転子は比較的大きく採る必要がある。特に上記の直方体形状の磁石を採用すると、必要な回転子外径はさらに大きくなる。また、外径の増加を抑えるため、そのしわ寄せで、短絡バーとそのスロット断面形状を小さくすると、始動特性が著しく悪化し、最悪の場合、同期速度に引き入れられず大きな電流が継続して流れ、オーバーヒート状態に陥る恐れがある。したがって、スロット断面形状もある程度の大きさを確保せねばならない。また逆に、磁石量を減らすと、同期引入れを阻害することから、前記問題が同様に発生する。
【００１２】
最近では、埋め込み磁石型回転子の突極構造を活用して、リラクタンストルクを積極的に利用し、トルクＵＰの試みがなされており、より回転子の鉄心量を増やす方向に移行している。その場合、磁石のスペースはさらに小さなものとなる。
【００１３】
このように、自己始動回転電機の回転子形状は、始動特性，同期運転特性，コストメリットを考慮すると、外径を大きくする方向、即ち大型化が好ましいと言える。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
一方、小型化は回転電機に普遍的に求められているテーマであり、限られた回転子寸法の中で始動特性と同期運転特性の向上要求をできるだけ成立させる手段が重要となっている。
【００１５】
本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、その課題は、小型化と特性向上手段との相反する要求を両立させる手段が採れる永久磁石回転子を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を達成するために、本発明の請求項１に記載の発明は、回転子鉄心内に始動用短絡バーと磁石を設置した永久磁石回転子において、１極当り２個以上でかつＶ字状に配置した磁石を持つ回転子鉄心であって、前記Ｖ字状磁石の、極の中で占める範囲が原点から見た角度において各極とも６５〜８５％の比率に収まり、且つその磁石の側面はほぼ短絡バー底面に対向するように配置され、さらにＶ字状磁石群の成す角度が前記原点から見た角度の２倍の範囲に収まるように構成したことを特徴とする。
【００１７】
請求項１によると、磁石極弧比で６５〜８５％の比率を確保することで、リラクタンストルクの発生の元となる磁束（以後、リラクタンス磁束と呼ぶ）がギャップ面に流れ出る部位は確保され、また磁石の側面がほぼ短絡バー底面に対向するように配置されることで、磁石の磁束は、ギャップに流れ出る際、磁石自体に妨げられず、ギャップ面に到達するとともに、ギャップ面では正弦波状により近い分布となる。また、磁石群の成す角度自体も前記磁石極弧比に対し２倍の範囲に収まる配置を採ることで、リラクタンス磁束の流れる部位は、磁石の背面及び前面に確保される。
【００１８】
請求項２に記載の発明は、回転子鉄心内に始動用短絡バーと磁石を設置した永久磁石回転子において、１極当り３個でかつコ字状に配置した磁石を持つ回転子鉄心であって、両側の２個の磁石の、極の中で占める範囲が原点から見た角度において各極とも６５〜８５％の比率に収まり、且つその磁石の側面はほぼ短絡バー底面に対向するように配置され、さらに前記２個の磁石の成す角度が前記原点から見た角度の１．５〜２倍の範囲に収まるように構成したことを特徴とする。
【００１９】
請求項２によると、磁石極弧比で６５〜８５％の比率を確保することで、リラクタンストルクの発生の元となる磁束（以後、リラクタンス磁束と呼ぶ）がギャップ面に流れ出る部位は確保され、また磁石の側面がほぼ短絡バー底面に対向するように配置されることで、磁石の磁束は、ギャップに流れ出る際、磁石自体に妨げられず、ギャップ面に到達するとともに、ギャップ面では正弦波状により近い分布となる。また、２個の磁石の成す角度自体も前記磁石極弧比に対し１．５〜２倍の範囲に収まる配置を採ることで、リラクタンス磁束の流れる部位は、磁石の背面及び前面に確保される。
【００２０】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の永久磁石回転子において、中央に配置する磁石を複数個、横配列したことを特徴とする。
請求項３によると、大きな径を有し、且つ奥行きが狭い回転子では、請求項２で記す磁石極弧比を３枚の磁石で成立させることが不可能な場合がある。即ち、磁石は製造上、寸法上限が存在するためであり、このような場合、中央の磁石を複数揃えて横配置することで、所望の磁石極弧比を得ることができる。また、リラクタンス磁束がギャップ面に流れ出る部位は確保され、磁石磁束はギャップ面では正弦波状により近い分布となる。また、２個の磁石の成す角度自体も前記磁石極弧比に対し１．５〜２倍の範囲に収まる配置をとることができ、リラクタンス磁束の流れる部位は、磁石の背面及び前面に確保される。
【００２１】
請求項４に記載の発明は、請求項２に記載の永久磁石回転子において、中央に配置する磁石に逆円弧形状の磁石を配置したことを特徴とする。
請求項４によると、回転子径が小さくなるなど、直方体磁石を配置した後のスペースが限られている場合、リラクタンス磁束の流れる部位で、特にその妨げとなる個所は中央の磁石の背面であるが、この磁石を逆円弧形状にすることで、リラクタンス磁束の流れるスペースは確保される。
【００２２】
請求項５に記載の発明は、請求項２に記載の永久磁石回転子において、中央に配置する磁石に十分な肉厚を持たせたフェライト磁石を配置したことを特徴とする。
請求項５によると、基本的にはエネルギが強く、耐減磁性能が優れている希土類磁石を想定しているが、本磁石は、密度が大きく、コストも高いという欠点を持っている。中央の磁石は厚さ方向の寸法が比較的自由に取れるため、これに、密度が小さく（軽く）、低コストであるフェライト磁石を厚肉にして採用することで、構造強度（磁石の遠心力による鉄心の破壊防止能力）を落とさず、エネルギと耐減磁性能を高く維持し、且つリラクタンストルクを向上させることができる。
【００２３】
請求項６に記載の発明は、請求項２に記載の永久磁石回転子において、中央に配置する磁石の位置を径方向外側に移動させ、且つ中央の磁石と両側の磁石間には、磁束障壁を設けたことを特徴とする。
【００２４】
請求項６によると、回転子径が小さくなるなど、直方体磁石を配置した後のスペースが限られている場合、或いはキー溝，冷却孔などが存在する場合など、リラクタンス磁束の流れる部位で、特にその妨げとなる個所はシャフトに近い位置に広く存在する中央の磁石の背面であるが、リラクタンス磁束の流れるスペースを確保するために、本磁石を径方向に移動させることで前記妨げは解消される。また、その際、中央磁石と両側に配した磁石の間に空隙を設けることで、磁石磁束の洩れをなくし、ギャップ面に磁束を十分に供給することができる。また、本空隙に磁石を配置することで、より磁石磁束を多く発生させることもできる。
【００２５】
請求項７に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の永久磁石回転子において、予め隣り合う磁石の間に孔をあけ、且つ鉄心に比べ高い強度を有する楔を挿入し固定・配置したことを特徴とする。
【００２６】
請求項７によると、回転子が回転すると、磁石は遠心力を受けるが、この力を引き受け抑える個所が、磁石の間の鉄心部分と両側の磁石と短絡バーとの間のそれの２個所である。そのため、磁石を保持する機械強度を確保するには、磁石と磁石の間の鉄心架橋（以後、ブリッジと呼ぶ）を厚くすることが必要になるが、ブリッジを厚くすることは、そのブリッジを通じて磁石磁束が洩れる量が増え、且つ、リラクタンス磁束の洩れる経路ともなることから、回転電機としての特性減退をもたらすことになる。
従って、この磁石の間の鉄心部分に鉄心に比べ高い強度を有する材質からなる楔を設置することで、この楔がブリッジに加わる力を代わりに担うことにより、ブリッジを厚くする必要はなくなる。
【００２７】
請求項８に記載の発明は、請求項７に記載の永久磁石回転子において、楔として非磁性で、かつ高強度を有する材料を使用したことを特徴とする。
請求項８によると、楔が磁性材料であると、ブリッジと同じような効果により、磁石磁束，リラクタンス磁束の洩れの磁気回路を形成することから、トルク低下などの特性減退を生じる可能性があるが、そのような影響が顕著な場合、楔を非磁性化することにより、特性減退を防ぐことができる。
【００２８】
請求項９に記載の発明は、請求項７に記載の永久磁石回転子において、楔の磁石に対向する部分に突起を設け、前記突起により磁石の固定を兼ね行うことを特徴とする。
請求項９によると、楔自体は、請求項７に記載の通りの作用を有するが、楔の突起は磁石側面を直接或いはブリッジ片を介して間接的に押すことにより、磁石挿入孔の中で磁石が動かないようにし、且つ磁石の遠心力に対する保持力として直接作用させることができる。
【００２９】
請求項１０に記載の発明は、請求項７に記載の永久磁石回転子において、楔は両端部のみ磁性材とし中間部を非磁性体とし、且つそれらを強固に接合したものであることを特徴とする。
【００３０】
請求項１０によると、請求項７の楔或いはアレータイプの楔など楔形状としてはいろいろ考えられるが、その頭部、即ち鉄心に食い込み、荷重を直接受ける部分は磁石に対して対向して存在する。その部分を磁性材とすることで、磁石磁束の流れは妨げられることなく、ギャップ面に到達することができる。また、楔の柄に相当する部分、即ちブリッジに掛かる部分を非磁性材とすることで、磁石磁束の洩れを防止することができる。
【００３１】
請求項１１に記載の発明は、請求項７に記載の永久磁石回転子において、磁石を直接楔にて保持すると共に該楔を磁石背面に存する鉄心或いはシャフトに固定したことを特徴とする。
【００３２】
請求項１１によると、磁石の遠心力による荷重は、直接楔により受け、さらにその荷重は柄を介して、磁石背面の鉄心またはシャフトに負担させるように、楔端部を処置することで、鉄心ブリッジ部には荷重が掛からず、従って幅を狭くすることができ、磁石磁束，リラクタンス磁束の洩れ量を低減することができる。即ち、トルク低下などの特性減退を防止できる。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図を参照して説明する。
図１は、本発明の第１実施形態（請求項１）である４極構造回転子の１極分の横断面図である。
【００３４】
図に示すように、本実施形態の回転子の各極はそれぞれ同じ形状をしていて、磁石挿入溝が２個存在している。この挿入溝には直方体磁石７が設置されている。また、隣り合う極の磁石群は互いに逆方向に磁化され、それぞれ１つの磁極を形成している。異極の磁石の間隔は、ｑ軸磁束が流れるように開けられている。また、１極当り２個の磁石７を使用し、且つＶ字状に配置した構成を持たせている。
【００３５】
図中、磁石挿入溝の内周側エッジからそれぞれ径方向に原点に向かって延長した基準線にて、磁石の存在する領域の角度αと、隣り合う磁極間に相当する部位にあって、磁石が存在しない領域の角度φ−αで分割できる。ここで、φは１極の角度である。前者は磁石磁束が主に流れる領域であり、後者はｑ軸磁束が主に流れる領域となる。
【００３６】
２個の磁石の配置は、磁石極弧比（α／φ）で表わした場合、どの極においても６５〜８５％の比率に収まる範疇で、必ず、その磁石の側面はほぼ短絡バー底面に対向するように配置されている。さらに、２個の磁石の成す角度βも磁石極弧比に対しほぼ２倍の範囲に収まる配置を採るようにしている。このように磁石極弧比で６５〜８５％の比率を確保することで、どのような回転子においても、ｑ軸磁束がほぼギャップ面に流れ出る部位として十分確保されている。また磁石の側面がほぼ短絡バー底面に対向するように配置されることで、磁石磁束，ｑ軸磁束とも、その流れは磁石自体に妨げられず、ギャップ面に到達することができる。
【００３７】
また、本実施形態の磁石配置によると、磁石磁束がギャップ面で形成する磁束分布を正弦波状により近いものとすることができる。磁石磁束は短絡バー用スロット部でほぼ当量分散されるが、その縁部のスロット間に流れる磁石磁束のみ、α角度外に存する電機子ティースに広がって流れる傾向を示し、他のスロット間のそれは、スロットという大きな障壁のためギャップ面で広がることができず、その結果、磁束分布として、正弦波に近い台形波分布が得られる。同期トルクは、基本波磁束のみが寄与し、高次の次数磁束は、リップルトルクと化すことから、極力正弦波分布となることが好ましい。実際、α角度外の構成で製作した永久磁石回転子を用いた回転電機では、α角度を広く採って磁石トルクを多く発揮させようともくろんでも、本角度を保持したそれに対し、発生トルクは大きくはならず、不必要に磁石を使用した結果になり、また、高調波磁束のため、振動・騒音ばかりでなく、トルクリップルによりインバータ制御も不具合を生じた実験結果が得られた。このように、αの設定は、始動用短絡バーと磁石を設置した永久磁石回転子においては、その性能を大きく作用するものである。
【００３８】
また、２個の磁石をＶ字配置にし、その成す角度βをαのほぼ２倍の範囲に収まる配置を採っている。磁石トルクを多くするには磁石磁束を増やす必要があるが、αを大きくする方向では、先に述べたようにトルク増加につながらない。そこで、α角度を維持しながらＶ字形状にして磁石量を増やすことで、磁束分布を変えず、磁束量を増やすことができる。しかしながら、β角度を小さく採って、磁石を増やしすぎると別の問題を生じることになる。即ち、リラクタンストルクの発生の元となるｑ軸磁束の流れを磁石の背面で断ち切ることになって、リラクタンストルクを減退することになる。また、磁石の遠心力も磁石側面とスロットの間の強度的に弱い鉄心部に集中して掛かることになる。即ち、運転時に回転子破損事故を起こす可能性が出てくることになる。このような欠点を防ぐためには、磁石の成す角度βをαのほぼ２倍程度の範囲に抑える必要がある。
【００３９】
上記したように、本実施形態によれば、スロット部を小さくして始動特性を犠牲にする、或いは回転子外径を大きくする、トルクの減退分を回転電機の軸長を伸ばして補充する等の必要がなく、小型化に適する。
【００４０】
図２は、本発明の第２実施形態（請求項２）である４極構造回転子の１極分の横断面図である。
図に示すように、本実施形態では、１極当り３個の直方体磁石７，７Ａ，７を使用し、且つコ字状に配置した構成を持たせている。さらに前記３個の磁石の配置は、磁石極弧比α／φで表わした場合、どの極においても６５〜８５％の比率に収まる範疇で、中央の磁石７Ａの両側に配する磁石７，７の側面はほぼ短絡バーの底面に対向するように配置されている。さらに、両側に配した２個の磁石７，７の成す角度自体も前記磁石極弧比に対し１．５〜２倍の範囲に収まる配置になるように採られている。
【００４１】
磁石極弧比で６５〜８５％の比率を確保することで、図１の第１実施形態で述べたように、ギャップ面での磁石磁束分布として、正弦波に近い台形波分布が得られる。即ち、同期トルクは、基本波磁束のみが寄与し、高次の次数磁束は、リップルトルクと化すことから、極力正弦波分布となることが好ましい。
【００４２】
また、磁石の側面がほぼ短絡バー底面に対向するように配置される点も同様に、磁石の磁束，ｑ軸磁束がギャップに流れ出る際、磁石自体に妨げられないようにするためである。
【００４３】
また、両側に存する２個の磁石７，７の成す角度βも前記磁石極弧比に対し１．５〜２倍の範囲に収まる配置を採ることにより、リラクタンス磁束の流れる部位は、磁石の背面及び前面に確保されることになる。また、磁石の遠心力が磁石側面とスロットの間の強度的に弱い鉄心部に集中して運転時にロータ破損事故を起こさないように設定されている。
【００４４】
これら基本的な作用・効果については、図１の第１実施形態の構成のものと変わらないが、本実施形態では、回転子径がさらに小さくなり、或いは、シャフト径が大きくなるなどによって、スペース的にＶ字磁石の構成が採り難い場合に効果を発揮するものである。即ち、磁石の配置スペースがなくても、Ｖ字磁石と同等のトルクを得たい場合に使用することができる。
【００４５】
本実施形態の変形例（請求項３）は、基本的には図２の第２実施形態と同様な構成である。ただ、アウターロータなどのように、大きな径を有し、且つ奥行きが狭い回転子では、磁石極弧比を３枚の磁石で成立させることが不可能な場合がある。即ち、磁石は製造上、寸法に上限があり、それ以上の磁石は製作不可能な場合がある。例えば、１磁石メーカの例で言うと、磁石幅は最大５９ｍｍしか取れない場合がある。
【００４６】
このような場合、回転子に対しては、中央の磁石７Ａを複数揃えて横配置することで、所定の角度α，βを維持することが可能となる。また、中央に配置する磁石７Ａは、ロータ鉄心の内外径の形状に合わせて、わん曲させながら配置することにより、ｑ軸磁束の磁路を一定幅で確保することも可能である。
【００４７】
本実施形態の変形例では、ｑ軸磁束がギャップ面に流れ出る部位は確保され、磁石磁束はギャップ面では正弦波状により近い分布となる。また、２個の磁石の成す角度自体も磁石極弧比に対し１．５〜２倍の範囲に収まる配置を採ることができ、ｑ軸磁束の流れる部位は、磁石の背面及び前面に確保されることになる。
【００４８】
図３は、本発明の第３実施形態（請求項４）である４極構造回転子の１極分の横断面図である。
図に示すように、本実施形態では図２の第２実施形態の永久磁石回転子において、中央に配置する磁石に逆円弧形状の磁石７Ｂを使用するものである。
【００４９】
回転子径が小さくなるなど、直方体磁石を配置した後部のスペースが限られている場合、ｑ軸磁束の流れる部位で、特にその妨げとなる個所は中央の磁石の背面である。それは、磁石が直方体であるのに対し、回転子内周は、円弧形状になっているためである。即ち、磁石と回転子内周端との距離は、磁石端部に比べて磁石中央が狭く、回転子径が小さくなるほどその差は顕著になり、回転子径によってはｑ軸磁束はこの部分で密度が上がり、最悪飽和に至り、リラクタンストルクを減退させることになる。しかしながら、磁石を逆円弧形状にすると前記差は緩和され、ｑ軸磁束の流れるスペースは確保されることになる。さらに、磁石の使用量は直方体に比べ増えることになり、磁石磁束自体増加することになって、磁石トルクの増加をもたらすことになる。
このように、本実施形態によれば、小型・高出力化に適する永久磁石回転子を提供できる。
【００５０】
図４は、本発明の第４実施形態（請求項５）である４極構造回転子の１極分の横断面図である。
図に示すように、本実施形態では永久磁石回転子において、中央に配置する磁石７Ｃに十分な肉厚を持たせたフェライト磁石を使用する。
【００５１】
本実施形態の磁石は、基本的にはエネルギが強く、耐減磁性能が優れている希土類磁石が好ましいが、磁石は、密度（７．６ｇ／ｃｍ３）が大きく、コストも高いという欠点を持っている。即ち、中央の磁石７Ｃの厚さを増やすと、磁石磁束を増加させることもできるが、磁石の遠心力に対する鉄心の保持力（機械的強度）を強くする必要も生じる。そのため、鉄心のブリッジ部を厚くして磁石を保持する機械強度を確保することになるが、これは逆に、ブリッジを通じて磁石磁束の洩れる量が増え、結局ギャップ面に流れる磁石磁束量を増やすことにならない可能性も出てくる。さらに、ｑ軸磁束の洩れる経路ともなることから、最悪トルク特性の減退をもたらすことにもなり兼ねない。また、性能／コストを考慮しても得策とは言えない。しかしながら、中央の磁石は厚さ方向の寸法が比較的自由に取れるというメリットを活かすこともできる。
【００５２】
本実施形態では、密度が小さく（４．６ｇ／ｃｍ３）、低コストであるフェライト磁石を厚肉にして採用している。密度が小さいことから、磁石を肉厚にしても、ブリッジの厚さを増やす必要がなく、磁石磁束，ｑ軸磁束の洩れを抑えることができる。また、磁石の発生磁束も、厚さを増したことでカバーされており、同様の理由で耐減磁性能も十分備えている。さらにｑ軸磁束の洩れを防ぐだけでなく、磁極中心における磁石厚さ、即ち磁石によるギャップ障壁も向上し、ｑ軸磁束を大きく低減できることから、リラクタンストルクを向上させることができる。これは、エネルギが小さいため、磁石トルクが減退するというフェライトの欠点を、リラクタンストルクでカバーできることを意味する。
このように、本実施形態によれば、小型・高出力化に適する永久磁石回転子を低コストで提供できる。
【００５３】
図５は、本発明の第５実施形態（請求項６）である４極構造回転子の１極分の横断面図である。
図に示すように、本実施形態では、永久磁石回転子において、中央に配置する磁石７Ｄの位置を径方向外側に移動させ、且つ中央の磁石７Ｄと両側の磁石７の間に、空隙障壁１０を設けている。
【００５４】
回転子径が小さくなるなど、直方体磁石を配置した後部のスペースが限られて、どうしてもｑ軸磁束の流路が確保できない場合、或いはキー溝１１，冷却孔などが存在して、磁束の流れの障壁になっている場合など、ｑ軸磁束の流れる部位で、その妨げとなるものが存在する場合がある。そのような個所が問題となるところは、シャフトに近い位置に配置された中央の磁石の背面である。
【００５５】
本実施形態では、障害としてキー溝１１を想定しているが、ｑ軸磁束の流れるスペースを確保するために、中央の磁石７Ｄを径方向外側に移動している。その際、中央の磁石７Ｄと両側の磁石７の間隔が広がり、その部分が磁石磁束，ｑ軸磁束の流路となり、磁束の回り込みが発生して（洩れ磁束となって）、ギャップ面に流れるべき磁束量の減少を招く。
【００５６】
本実施形態では、これに対処するため、中央磁石７Ｄと両側に配した磁石７の間に空隙障壁１０を設けることで、磁石磁束，ｑ軸磁束の洩れをなくし、ギャップ面に磁束を十分に供給している。また、この空隙に磁石を配置することで、より磁石磁束を多く発生させることもできる。
【００５７】
図６は、本発明の第６実施形態（請求項７）である４極構造回転子の１極分の横断面図である。
図に示すように、本実施形態では永久磁石をコ字状配置した回転子を例に挙げているが、Ｖ字状配置の回転子でも同様である。本実施形態は、予め隣り合う磁石７Ｅ，７の間に孔を明け、且つ鉄心の回転子８に比べ高い強度を有する楔１２を挿入している。
【００５８】
回転子８が回転すると、磁石は遠心力を受けるが、この力を引き受け、磁石を保持する要となる鉄心部位は、磁石の間の鉄心部分と両側の磁石と短絡バーとの間の２個所のブリッジである。キャストした短絡バーとエンドリングもある程度の力を分担するが、その材質は普通アルミ材であり、強度は鉄心よりも非常に弱いことから、その効果はそれほど期待できるものではない。
【００５９】
従って、磁石を保持するための機械強度を確保するには、ブリッジを厚くすることが必要になるが、ブリッジを厚くすることは、前述したように、そのブリッジを通じて磁石磁束の洩れる量が増え、且つ、ｑ軸磁束の洩れる経路ともなることから、回転電機としての特性減退をもたらすことになる。
【００６０】
そのため、本実施形態では、この磁石の間の鉄心部分に鉄心に比べ高い強度を有する材質、例えばステンレス，インコネル等から製作した楔１２を設置して、この楔１２に、本来ブリッジに加わる力を代わって担わせるようにしている。楔形状は任意であるが、本実施形態では、コ字状断面形状のものを使用している。また、薄肉のブリッジの両端にそれぞれ配置しているが、ブリッジの中央に配置してもよく、また、ブリッジ自体をなくし、楔のみで構成してもよい。
【００６１】
本実施形態により、隣り合う磁石の間隔を狭めることができ、また、楔，ブリッジを合わせた正味の幅を狭くできることから、ブリッジを通じての磁石磁束，ｑ軸磁束の洩れを減らし、且つ十分な磁石保持強度を有した、信頼性の高い、小型・高出力化に適う永久磁石回転子を提供できる。
【００６２】
本実施形態の変形例（請求項８）として、ブリッジ部に設置した楔の材質として、非磁性であり、且つ高強度を有する材料を使用する。楔が磁性材料であると、ブリッジと同じような効果により、磁石磁束，リラクタンス磁束の洩れの磁気回路を形成することから、トルク低下などの特性減退を生じる可能性があるが、そのような影響が顕著な場合、楔を非磁性化することにより特性減退を防ぐことができる。
特に、回転子径が大きい場合、また、高速回転用途に使用する場合、本変形例を採用することで、特性減退の防止効果が期待できる。
【００６３】
図７は、本発明の第７実施形態（請求項９）である回転子の磁石近傍を拡大して示した部分図であり、同図（ａ）は、楔で磁石を直接加圧する方法、同図（ｂ）はブリッジを介して間接的に加圧する方法を示したものである。
【００６４】
図に示すように、本実施形態は、図６の永久磁石回転子において、楔１２の磁石に対向する部分に突起１３を設けることで、楔１２自体は、第６実施形態に記載の通りの作用を発揮させ、且つ突起１３により磁石の固定を兼ね行うものである。
【００６５】
同図（ａ）では、楔１２の突起１３は磁石側面を直接加圧している。磁石は遠心力を受け、鉄心前面部を押すことになるが、楔１２は、その鉄心の破損を防止するだけでなく、磁石側面を突起により直接摩擦などで拘束することになる。また、同図（ｂ）では、ブリッジの中央に楔１２を装着するための溝を予めプレスなどにより形成しておき、その中に楔を加圧挿入することで装着している。加圧装着時には、ブリッジは突起１３により変形し、磁石を加圧することになる。
【００６６】
これにより、磁石を磁石挿入孔の中で位置決め・固定し、且つ磁石の遠心力に対する保持力として直接作用させることができる。即ち、従来、接着剤で磁石を固定することで行っていた磁石位置決めの代替方法であって、接着剤の枯れなどによる位置決めの狂いが防止できるだけでなく、接着剤の材料費，接着工程の廃止など、コスト面での向上も図れる。
【００６７】
図８は、本発明の第８実施形態（請求項１０）である４極構造回転子の１極分の横断面図である。
図に示すように、本実施形態では、図６の永久磁石回転子において、楔１４の材質として楔頭部（両端部）１５のみ磁性材とし、楔柄部（中間部）１６を非磁性体とし、且つそれらを強固に接合した複合楔を使用するものである。
【００６８】
楔形状としては図６のようなコの字タイプ或いはアレータイプの楔などいろいろ考えられるが、本実施形態ではアレータイプの楔を用いている。
大型回転子、或いは高速回転用途においては、磁石の遠心力は非常に大きなものになるが、そのため楔も、磁石の保持力を増す必要から大きくせざるを得ない。しかしながら、楔の頭部、即ち鉄心に食い込み、荷重を直接受ける部分は、その効果を発揮するため、磁石に対向して存在することから、楔が非磁性であれば、磁石磁束の流れを大きく阻害することになる。即ち、磁石トルクが減退してしまう。また、楔が磁性材であると、楔の柄に相当する部分、即ちブリッジに掛かる部分は磁石磁束，ｑ軸磁束の洩れ量を増やしてしまい、同様にトルクを減退してしまうことになる。
【００６９】
しかしながら、楔の頭部１５を磁性材で構成し、柄の部分１６を非磁性材で構成した本実施形態の楔１４では、頭部においては磁石磁束の流れを妨げず、また、柄の部分では磁石磁束，ｑ軸磁束の洩れを防止することができる。
従って、本実施形態は、回転電機の大型化，高速化に対しても高出力化に適う永久磁石回転子を提供できる。
【００７０】
図９は、本発明の第９実施形態（請求項１１）である４極構造回転子の１極分の横断面図である。
図に示すように、本実施形態では、楔１７に直接、磁石７前面を当接し、前記楔１７の端部は磁石背面に存する鉄心に埋め込む或いはシャフトに固定するものである。磁石の遠心力による荷重は、直接楔１７により受け、さらにその荷重は柄１９を介して、磁石背面の鉄心またはシャフトに負担させるように、楔端部を処置することで、鉄心ブリッジ部には荷重が掛からず、従って幅を狭くすることができ、磁石磁束，リラクタンス磁束の洩れ量を低減することができる。これによりトルク低下などの特性減退を防止できる。
【００７１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によると、磁石トルク，リラクタンストルクを誘発する主要な磁束の流れを十分確保でき、また磁石磁束は、ギャップ面上において正弦波に近い分布となるので、高いエネルギ密度を有し、トルクリップルの少ない制御性の高い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実施形態の永久磁石回転子の１極分の横断面図。
【図２】本発明の第２実施形態の永久磁石回転子の１極分の横断面図。
【図３】本発明の第３実施形態の永久磁石回転子の１極分の横断面図。
【図４】本発明の第４実施形態の永久磁石回転子の１極分の横断面図。
【図５】本発明の第５実施形態の永久磁石回転子の１極分の横断面図。
【図６】本発明の第６実施形態の永久磁石回転子の１極分の横断面図。
【図７】本発明の第７実施形態の回転子の磁石近傍の拡大断面図であり、同図（ａ）は楔で磁石を直接加圧する方法を示す図、同図（ｂ）はブリッジを介して磁石を間接的に加圧する方法を示す図。
【図８】本発明の第８実施形態の永久磁石回転子の１極分の横断面図。
【図９】本発明の第９実施形態の永久磁石回転子の１極分の横断面図。
【図１０】従来の永久磁石回転電機の横断面図。
【符号の説明】
１，７，７Ａ，７Ｂ，７Ｃ，７Ｄ，７Ｅ，７Ｆ…磁石、２，８…回転子鉄心、３，９…短絡バー、４…スロット、５…コイル、１０…空隙障壁、１１…キー溝、１２…楔、１３…突起、１４，１７…楔、１５，１８…楔頭部、１６，１９…楔柄部、φ…１極の占める角度、α…磁石の存する角度、β…磁石の成す角度。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a permanent magnet rotor of a self-starting permanent magnet rotating electric machine having a permanent magnet attached to a shaft.
[0002]
[Prior art]
A conventional permanent magnet rotating electric machine forms a magnetic pole by arranging a permanent magnet 1 on a rotor 2 as shown in FIG. 10 and energizing an armature coil 5 to generate a moving magnetic pole. It is a synchronous motor that draws power by the attractive force of the moving magnetic pole, and has the feature that it can maintain high operating efficiency by its operating principle.
[0003]
However, since a permanent magnet rotating electric machine cannot start by itself, an inverter is usually used for the start. Even for variable speed applications, there is no cost advantage to using an expensive inverter for fixed speed applications and just to start. Therefore, a short-circuit bar 3 for starting is arranged on the rotor on the outer peripheral side of the magnet, and at the time of starting, a starting current is induced in the short-circuit bar 3 to start like an induction machine. At the time of pull-in and constant speed operation, the permanent magnet rotating electric machine is configured to operate with a synchronous torque. This is generally called a self-starting permanent magnet rotating electric machine.
[0004]
Further, it is not preferable from the viewpoint of startability that the magnet of the self-starting permanent magnet rotating electric machine is arranged on the outer periphery side of the short-circuit bar, and is usually arranged on the inner periphery side. That is, a configuration is adopted in which a groove is formed in the rotor core, and a magnet is inserted and arranged therein. This is called an embedded magnet arrangement. Therefore, two kinds of grooves are formed in the rotor core due to the arrangement of the short bar and the magnet.
[0005]
By the way, as shown in the cross-sectional view of FIG. 10, the permanent magnet rotating electric machine has a configuration in which the armature has a coil 5 housed in each of a plurality of slots 4 formed in an iron core. And a permanent magnet rotor 2 having an embedded magnet type magnetic pole. Further, on the outer peripheral side of the rotor 2, there is a structure in which short-circuit bars 3 for passing a starting current are arranged evenly.
[0006]
In addition, the interval between adjacent magnetic poles, that is, the magnet 1 is made as small as possible in order to generate a sufficient magnet magnetic flux, so that the magnet is incorporated as much as possible. This is because the magnet flux generates the magnet torque, and the magnet torque is proportional to the magnet flux, and thus the magnet amount.
[0007]
In order to generate torque, it is also effective to increase the magnet interval. That is, an electromagnetic torque can be induced by flowing a magnetic flux (referred to as q-axis magnetic flux) between the magnets. However, this magnetic flux alone cannot generate an electromagnetic force torque. That is, a torque is generated by an interaction with a magnetic flux (referred to as a d-axis magnetic flux) flowing orthogonally to the q-axis magnetic flux, and a large torque can be generated by minimizing the magnetic flux. This torque is called reluctance torque.
[0008]
As described above, by widening the gap between the magnets existing in the adjacent poles and flowing the q-axis magnetic flux, it becomes possible to rotate the rotor by the combined force of the magnet torque and the reluctance torque. The paths through which the respective magnetic fluxes flow are different, the magnet magnetic flux flows from the magnet to the front of the magnet along the pole center toward the gap, the d-axis magnetic flux tends to flow in the opposite direction of the magnet magnetic flux, and the q-axis magnetic flux It will flow around mainly behind the magnets, pass between the magnets of adjacent poles, and flow toward the gap.
[0009]
However, even if the space for the q-axis magnetic flux is secured by widening the magnet interval, the effect is reduced because the slots in which the short-circuit bars arranged evenly on the outer periphery function as gaps. Will do. In addition, since the space for disposing the magnet is inevitably narrowed, the magnet amount is reduced, and the magnet torque is also reduced. That is, it can be said that a permanent magnet rotor in which a starting short-circuit bar and a magnet are provided in the rotor core has a configuration that makes it difficult to take a configuration that makes full use of reluctance torque.
[0010]
Cast / sintered magnets with high energy density contribute to an increase in motor output, but cannot be formed into a complex shape due to the sintering process or hard and brittle nature, and at best are shaped by grinding and polishing. It can only be molded to a degree. In terms of cost, it is preferable to use a simple shape such as a rectangular parallelepiped or an arc shape.
[0011]
Generally, an embedded magnet type rotor cannot have a very small outer diameter in order to embed a magnet, and the rotor needs to be relatively large. In particular, when the above-described rectangular parallelepiped magnet is employed, the required rotor outer diameter is further increased. Also, if the short-circuit bar and its slot cross-sectional shape are reduced due to the wrinkling to suppress the increase in the outer diameter, the starting characteristics are significantly deteriorated, and in the worst case, a large current continues to flow without being drawn into the synchronous speed, There is a risk of overheating. Therefore, the slot cross-section must have a certain size. Conversely, when the amount of magnets is reduced, synchronous pull-in is obstructed, and the above-described problem similarly occurs.
[0012]
Recently, reluctance torque has been positively utilized by utilizing the salient pole structure of the embedded magnet type rotor, and an attempt has been made to increase the torque, and the trend has been to increase the amount of iron core of the rotor. In that case, the space for the magnet is even smaller.
[0013]
As described above, it can be said that the shape of the rotor of the self-starting rotary electric machine is preferably in the direction of increasing the outer diameter, that is, increasing in size, in consideration of the starting characteristics, the synchronous operation characteristics, and cost advantages.
[0014]
[Problems to be solved by the invention]
On the other hand, miniaturization is a theme that is universally required for rotating electric machines, and it is important to have means for satisfying the requirements for improving the starting characteristics and the synchronous operation characteristics as much as possible within a limited rotor size.
[0015]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a permanent magnet rotor that can employ means for satisfying conflicting demands for downsizing and characteristic improvement means.
[0016]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, an invention according to claim 1 of the present invention is directed to a permanent magnet rotor having a starting short-circuit bar and a magnet installed in a rotor iron core, in which two or more magnets per pole and a V-shape are provided. A rotor core having magnets arranged in a shape, wherein the range of the V-shaped magnet occupied by the poles is within a ratio of 65 to 85% for each pole at an angle viewed from the origin, and the magnet The side surface is disposed so as to substantially face the bottom surface of the short-circuit bar, and the angle formed by the V-shaped magnet group is set to be within a range of twice the angle as viewed from the origin.
[0017]
According to the first aspect, by securing a ratio of 65 to 85% in terms of the magnet pole arc ratio, a portion where a magnetic flux that is a source of reluctance torque (hereinafter referred to as a reluctance magnetic flux) flows out to the gap surface is secured, Also, by arranging the side of the magnet so that it almost faces the bottom surface of the short-circuit bar, the magnetic flux of the magnet does not hinder the magnet itself when flowing out into the gap, and reaches the gap surface, and has a sinusoidal shape on the gap surface. The distribution is close. Further, by adopting an arrangement in which the angle formed by the magnet group itself is within a range twice as large as the magnet pole arc ratio, portions where the reluctance magnetic flux flows are secured on the back and front surfaces of the magnet.
[0018]
According to a second aspect of the present invention, there is provided a permanent magnet rotor in which a starting short-circuit bar and a magnet are provided in a rotor core, the rotor core having three magnets per pole and U-shaped magnets. Thus, the range occupied by the poles of the two magnets on both sides falls within a ratio of 65 to 85% for each pole at an angle viewed from the origin, and the side surfaces of the magnets substantially face the bottom surface of the short-circuit bar. And an angle formed by the two magnets falls within a range of 1.5 to 2 times an angle as viewed from the origin.
[0019]
According to the second aspect, by securing a ratio of 65 to 85% in terms of the magnet pole arc ratio, a portion where a magnetic flux that is a source of reluctance torque (hereinafter, referred to as a reluctance magnetic flux) flows to the gap surface is secured, Also, by arranging the side of the magnet so that it almost faces the bottom surface of the short-circuit bar, the magnetic flux of the magnet does not hinder the magnet itself when flowing out into the gap, and reaches the gap surface, and has a sinusoidal shape on the gap surface. The distribution is close. In addition, by adopting an arrangement in which the angle formed by the two magnets falls within the range of 1.5 to 2 times the magnet pole arc ratio, the sites where the reluctance magnetic flux flows are secured on the back and front surfaces of the magnets. .
[0020]
According to a third aspect of the present invention, in the permanent magnet rotor according to the second aspect, a plurality of magnets arranged at the center are laterally arranged.
According to the third aspect, in a rotor having a large diameter and a small depth, it may not be possible to achieve the magnet pole arc ratio described in the second aspect with three magnets. That is, the magnet has a dimensional upper limit in manufacturing. In such a case, a desired magnet pole ratio can be obtained by arranging a plurality of central magnets side by side. Further, a portion where the reluctance magnetic flux flows out to the gap surface is secured, and the magnetic flux of the magnet has a distribution closer to a sine wave shape on the gap surface. Also, the angle formed by the two magnets can be arranged so as to fall within the range of 1.5 to 2 times the magnet pole arc ratio, and the sites where the reluctance magnetic flux flows are secured on the back and front surfaces of the magnets. You.
[0021]
According to a fourth aspect of the present invention, in the permanent magnet rotor according to the second aspect, an inverted arc-shaped magnet is arranged in the center magnet.
According to the fourth aspect, when the space after disposing the rectangular parallelepiped magnet is limited, for example, when the rotor diameter is small, the location where the reluctance magnetic flux flows, particularly the obstructing location is the back surface of the central magnet. However, by forming this magnet in an inverted arc shape, a space for the reluctance magnetic flux to flow is secured.
[0022]
According to a fifth aspect of the present invention, there is provided the permanent magnet rotor according to the second aspect, wherein a ferrite magnet having a sufficient thickness is arranged in the center magnet.
According to the fifth aspect, basically, a rare-earth magnet having high energy and excellent demagnetization resistance is assumed. However, this magnet has disadvantages of high density and high cost. Since the center magnet can be relatively freely dimensioned in the thickness direction, a thick ferrite magnet with low density (light weight) and low cost is used to increase the structural strength (centrifugal force of the magnet). ), Energy and demagnetization resistance can be maintained high, and reluctance torque can be improved.
[0023]
According to a sixth aspect of the present invention, in the permanent magnet rotor according to the second aspect, the position of the center magnet is moved radially outward, and a magnetic flux barrier is provided between the center magnet and the magnets on both sides. Is provided.
[0024]
According to the sixth aspect, particularly in a portion where the reluctance magnetic flux flows, such as when the space after disposing the rectangular parallelepiped magnet is limited, such as when the rotor diameter is small, or when there are key grooves, cooling holes, etc. The obstructing point is the rear surface of the central magnet that exists widely near the shaft, but the obstruction is eliminated by moving this magnet in the radial direction in order to secure the space where the reluctance magnetic flux flows. . Further, at this time, by providing a gap between the center magnet and the magnets arranged on both sides, leakage of the magnet magnetic flux can be eliminated, and the magnetic flux can be sufficiently supplied to the gap surface. In addition, by arranging a magnet in the space, more magnet magnetic flux can be generated.
[0025]
According to a seventh aspect of the present invention, in the permanent magnet rotor according to the first or second aspect, a hole is previously formed between adjacent magnets, and a wedge having a higher strength than an iron core is inserted and fixed. It is characterized by being arranged.
[0026]
According to claim 7, when the rotor rotates, the magnet receives a centrifugal force, and the point of receiving this force is reduced at the iron core between the magnets and at two points between the magnets on both sides and the short-circuit bar. is there. Therefore, in order to secure the mechanical strength for holding the magnet, it is necessary to increase the thickness of the iron core bridge between the magnets (hereinafter, referred to as a bridge). Since the amount of leakage of the magnetic flux increases and also serves as a path through which the reluctance magnetic flux leaks, the characteristics of the rotating electric machine are reduced.
Therefore, by providing a wedge made of a material having higher strength than the iron core in the iron core portion between the magnets, the wedge bears the force applied to the bridge instead, so that the bridge does not need to be thickened.
[0027]
According to an eighth aspect of the present invention, in the permanent magnet rotor according to the seventh aspect, a non-magnetic material having high strength is used as the wedge.
According to the eighth aspect, when the wedge is made of a magnetic material, a magnetic circuit for leaking magnet magnetic flux and reluctance magnetic flux is formed by the same effect as that of the bridge. However, when such an effect is remarkable, the deterioration of characteristics can be prevented by demagnetizing the wedge.
[0028]
According to a ninth aspect of the present invention, in the permanent magnet rotor according to the seventh aspect, a projection is provided on a portion of the wedge facing the magnet, and the projection also serves to fix the magnet.
According to claim 9, the wedge itself has the function as described in claim 7, but the projection of the wedge pushes the magnet side surface directly or indirectly through a bridge piece, so that it can be inserted into the magnet insertion hole. The magnet can be kept stationary and can act directly as a holding force against the centrifugal force of the magnet.
[0029]
According to a tenth aspect of the present invention, in the permanent magnet rotor according to the seventh aspect, the wedge is made of a magnetic material only at both end portions, a non-magnetic material at the intermediate portion, and they are firmly joined. And
[0030]
According to the tenth aspect, various wedge shapes such as the wedge or the array-type wedge of the seventh aspect are conceivable, but the head portion, that is, the portion that bites into the iron core and directly receives the load exists opposite to the magnet. . By making that portion a magnetic material, the flow of the magnet magnetic flux can reach the gap surface without being obstructed. In addition, by using a non-magnetic material for a portion corresponding to the handle of the wedge, that is, a portion that bridges the bridge, leakage of magnet magnetic flux can be prevented.
[0031]
According to an eleventh aspect of the present invention, in the permanent magnet rotor according to the seventh aspect, the magnet is directly held by a wedge, and the wedge is fixed to an iron core or a shaft located on the back surface of the magnet.
[0032]
According to the eleventh aspect, the load due to the centrifugal force of the magnet is directly received by the wedge, and the load is treated via the handle to the core or the shaft on the back surface of the magnet to treat the end of the wedge. No load is applied to the bridge portion, so that the width can be narrowed, and the leakage amount of the magnetic flux and the reluctance magnetic flux can be reduced. That is, it is possible to prevent the characteristics from decreasing such as a decrease in torque.
[0033]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a cross-sectional view of one pole of a four-pole rotor according to a first embodiment (claim 1) of the present invention.
[0034]
As shown in the figure, each pole of the rotor of this embodiment has the same shape, and there are two magnet insertion grooves. A rectangular parallelepiped magnet 7 is installed in this insertion groove. Further, the magnet groups of adjacent poles are magnetized in opposite directions to each other to form one magnetic pole. The gap between the magnets having different polarities is set so that the q-axis magnetic flux flows. Further, two magnets 7 are used for each pole, and the magnets 7 are arranged in a V-shape.
[0035]
In the figure, the reference line extending radially from the inner peripheral edge of the magnet insertion groove toward the origin in the direction corresponding to the angle α of the region where the magnet exists and the portion corresponding to between the adjacent magnetic poles, Can be divided by an angle φ-α of a region where no exists. Here, φ is the angle of one pole. The former is a region where the magnet magnetic flux mainly flows, and the latter is a region where the q-axis magnetic flux mainly flows.
[0036]
The arrangement of the two magnets, when expressed by the magnet pole arc ratio (α / φ), always falls within the range of 65 to 85% at any pole, and the side surfaces of the magnets almost face the short-circuit bar bottom surface. It is arranged to be. Further, the arrangement is such that the angle β formed by the two magnets is within a range approximately twice as large as the magnet pole arc ratio. By securing the magnet pole arc ratio of 65 to 85% in this manner, the q-axis magnetic flux is sufficiently ensured as a portion almost flowing out to the gap surface in any rotor. In addition, since the side surface of the magnet is disposed so as to substantially face the bottom surface of the short-circuit bar, both the magnet flux and the q-axis flux can reach the gap surface without being hindered by the magnet itself.
[0037]
Further, according to the magnet arrangement of the present embodiment, the magnetic flux distribution formed on the gap surface by the magnet magnetic flux can be made closer to a sine wave. The magnet magnetic flux is almost equivalently dispersed at the slot portion for the short-circuit bar, but only the magnet magnetic flux flowing between the slots at the edge thereof tends to spread and flow to the armature teeth existing outside the α angle, and that between the other slots is Because of the large barrier of the slot, it cannot spread on the gap surface. As a result, a trapezoidal wave distribution close to a sine wave is obtained as the magnetic flux distribution. Since only the fundamental magnetic flux contributes to the synchronous torque and the higher-order magnetic flux becomes ripple torque, it is preferable that the synchronous torque has a sinusoidal distribution as much as possible. In fact, in a rotating electric machine using a permanent magnet rotor manufactured with a configuration outside the α angle, the torque generated is large compared to that maintaining this angle even if the α angle is widened and the magnet torque is exerted. The result was that the magnet was used unnecessarily, and the harmonic flux caused not only vibration / noise but also an inverter control failure due to torque ripple. As described above, the setting of α greatly affects the performance of the permanent magnet rotor provided with the starting short-circuit bar and the magnet.
[0038]
In addition, the two magnets are arranged in a V-shape, and the angle β formed between the two magnets is approximately twice as large as α. To increase the magnet torque, it is necessary to increase the magnet magnetic flux. However, increasing α does not lead to an increase in torque as described above. Therefore, by increasing the amount of magnets in a V-shape while maintaining the α angle, the amount of magnetic flux can be increased without changing the magnetic flux distribution. However, taking a small β angle and increasing the number of magnets causes another problem. That is, the flow of the q-axis magnetic flux that is the source of the reluctance torque is cut off at the back of the magnet, and the reluctance torque is reduced. In addition, the centrifugal force of the magnet is also concentrated on the weakly core portion between the magnet side surface and the slot. That is, there is a possibility that a rotor damage accident may occur during operation. In order to prevent such a drawback, it is necessary to limit the angle β formed by the magnet to a range of about twice α.
[0039]
As described above, according to the present embodiment, the slot portion is reduced to sacrifice the starting characteristics, or the outer diameter of the rotor is increased, and the decrease in torque is supplemented by extending the shaft length of the rotating electric machine. It is suitable for miniaturization because there is no need.
[0040]
FIG. 2 is a cross-sectional view of one pole of a four-pole rotor according to a second embodiment (claim 2) of the present invention.
As shown in the drawing, in the present embodiment, three rectangular parallelepiped magnets 7, 7A, 7 are used per pole, and a configuration in which the magnets are arranged in a U-shape is provided. Further, when the three magnets are arranged by magnet pole arc ratio α / φ, the magnets 7, 7 arranged on both sides of the center magnet 7 </ b> A are within the range of 65 to 85% in any pole. Is disposed so as to substantially face the bottom surface of the short-circuit bar. Further, the angle itself formed by the two magnets 7, 7 arranged on both sides is adopted so as to be arranged within a range of 1.5 to 2 times the magnet pole arc ratio.
[0041]
By ensuring a magnet pole arc ratio of 65 to 85%, a trapezoidal wave distribution close to a sine wave can be obtained as the magnet magnetic flux distribution on the gap surface, as described in the first embodiment of FIG. That is, since only the fundamental magnetic flux contributes to the synchronous torque, and the higher-order magnetic flux is converted into ripple torque, it is preferable that the sinusoidal distribution is as much as possible.
[0042]
Similarly, the point that the side surface of the magnet is disposed so as to substantially face the bottom surface of the short-circuit bar is also to prevent the magnetic flux of the magnet and the q-axis magnetic flux from being hindered by the magnet itself when flowing into the gap.
[0043]
Also, by adopting an arrangement in which the angle β formed by the two magnets 7, 7 present on both sides is within the range of 1.5 to 2 times the magnet pole ratio, the portion where the reluctance magnetic flux flows is located on the back of the magnet. And the front side. In addition, the centrifugal force of the magnet is set so as not to concentrate on the weakly core portion between the side surface of the magnet and the slot, so that the rotor may not be damaged during operation.
[0044]
Although these basic operations and effects are the same as those of the configuration of the first embodiment shown in FIG. 1, in the present embodiment, the rotor diameter is further reduced or the shaft diameter is increased, so that the space is reduced. This is effective when the configuration of the V-shaped magnet is difficult to adopt. That is, it can be used when it is desired to obtain a torque equivalent to that of the V-shaped magnet even if there is no space for arranging the magnet.
[0045]
A modification (claim 3) of the present embodiment has basically the same configuration as the second embodiment of FIG. However, in a rotor having a large diameter and a small depth, such as an outer rotor, it may not be possible to establish the magnet pole arc ratio with three magnets. That is, the size of the magnet has an upper limit in manufacturing, and there is a case where a magnet larger than the upper limit cannot be manufactured. For example, in the case of a single magnet maker, the maximum magnet width may be only 59 mm.
[0046]
In such a case, by arranging a plurality of central magnets 7A side by side with respect to the rotor, predetermined angles α and β can be maintained. Also, the magnet 7A disposed at the center can be provided with a constant width of the magnetic path of the q-axis magnetic flux by arranging it while bending it in accordance with the shape of the inner and outer diameters of the rotor core.
[0047]
In the modified example of the present embodiment, a portion where the q-axis magnetic flux flows out to the gap surface is secured, and the magnet magnetic flux has a distribution closer to a sine wave shape on the gap surface. In addition, the angle itself formed by the two magnets can be arranged to fall within the range of 1.5 to 2 times the magnet pole arc ratio, and the portions where the q-axis magnetic flux flows are secured on the back and front surfaces of the magnets. Will be.
[0048]
FIG. 3 is a cross-sectional view of one pole of a four-pole rotor according to a third embodiment (claim 4) of the present invention.
As shown in the drawing, in the present embodiment, in the permanent magnet rotor of the second embodiment of FIG. 2, an inverted arc-shaped magnet 7B is used as a magnet arranged at the center.
[0049]
If the space behind the rectangular parallelepiped magnet is limited, such as when the rotor diameter is reduced, the location where the q-axis magnetic flux flows, particularly the obstructing location is the back surface of the central magnet. This is because the inner periphery of the rotor has an arc shape while the magnet is a rectangular parallelepiped. That is, the distance between the magnet and the inner peripheral end of the rotor is smaller at the center of the magnet than at the end of the magnet, and the difference becomes more pronounced as the rotor diameter becomes smaller. Depending on the rotor diameter, the q-axis magnetic flux is generated at this portion. Density increases, leading to worst case saturation, reducing reluctance torque. However, when the magnet is formed in an inverted arc shape, the difference is reduced, and a space for the q-axis magnetic flux is secured. Further, the amount of the magnet used increases as compared with the rectangular parallelepiped, and the magnet magnetic flux itself increases, resulting in an increase in the magnet torque.
As described above, according to the present embodiment, it is possible to provide a permanent magnet rotor suitable for downsizing and high output.
[0050]
FIG. 4 is a cross-sectional view of one pole of a four-pole rotor according to a fourth embodiment (claim 5) of the present invention.
As shown in the drawing, in the present embodiment, in the permanent magnet rotor, a ferrite magnet in which the magnet 7C disposed at the center has a sufficient thickness is used.
[0051]
The magnet of the present embodiment is preferably a rare-earth magnet having basically high energy and excellent demagnetization resistance, but the magnet has a density (7.6 g / cm). 3 ) Has the disadvantage of being large and costly. That is, when the thickness of the central magnet 7C is increased, the magnetic flux of the magnet can be increased, but the holding force (mechanical strength) of the iron core against the centrifugal force of the magnet also needs to be increased. Therefore, thickening the bridge portion of the iron core and securing the mechanical strength to hold the magnet is required.However, conversely, the amount of leakage of the magnet flux through the bridge increases, and eventually the amount of the magnet flux flowing to the gap surface increases. There is a possibility that it will not be. In addition, since it becomes a path through which the q-axis magnetic flux leaks, the worst case torque characteristic may be reduced. Also, it is not a good idea to consider performance / cost. However, the center magnet can also take advantage of the relatively free dimension in the thickness direction.
[0052]
In the present embodiment, the density is small (4.6 g / cm 3 ), Thick ferrite magnets are used. Since the density is small, even if the magnet is thick, it is not necessary to increase the thickness of the bridge, and it is possible to suppress leakage of the magnet magnetic flux and the q-axis magnetic flux. Further, the generated magnetic flux of the magnet is also covered by the increased thickness, and for the same reason, has sufficient demagnetization resistance. Further, not only leakage of the q-axis magnetic flux is prevented, but also the thickness of the magnet at the center of the magnetic pole, that is, the gap barrier by the magnet is improved, and the q-axis magnetic flux can be greatly reduced, so that the reluctance torque can be improved. This means that the defect of ferrite, in which the magnet torque is reduced due to the low energy, can be covered by the reluctance torque.
As described above, according to the present embodiment, it is possible to provide a permanent magnet rotor suitable for miniaturization and high output at low cost.
[0053]
FIG. 5 is a cross-sectional view of one pole of a four-pole rotor according to a fifth embodiment (claim 6) of the present invention.
As shown in the figure, in the present embodiment, in the permanent magnet rotor, the position of the magnet 7D disposed at the center is moved radially outward, and the gap barrier 10 is disposed between the magnet 7D at the center and the magnets 7 on both sides. Is provided.
[0054]
If the space behind the rectangular magnet is limited due to a decrease in the rotor diameter or the like, the flow path of the q-axis magnetic flux cannot be secured, or the keyway 11, cooling holes, etc. In some cases, such as a barrier, there is a portion where the q-axis magnetic flux flows, which obstructs the flow. Where such a point is of concern is the back of the central magnet located close to the shaft.
[0055]
In the present embodiment, the keyway 11 is assumed as an obstacle, but the center magnet 7D is moved radially outward to secure a space for the q-axis magnetic flux to flow. At this time, the space between the center magnet 7D and the magnets 7 on both sides is widened, and that part becomes a flow path for the magnet magnetic flux and the q-axis magnetic flux, and the magnetic flux wraps around (as leakage magnetic flux) and flows to the gap surface. This leads to a decrease in the amount of magnetic flux to be produced.
[0056]
In the present embodiment, in order to cope with this, the air gap barrier 10 is provided between the center magnet 7D and the magnets 7 arranged on both sides, thereby eliminating leakage of the magnet magnetic flux and the q-axis magnetic flux, and sufficiently supplying the magnetic flux to the gap surface. Supplying. Further, by arranging a magnet in this gap, more magnetic flux can be generated.
[0057]
FIG. 6 is a cross-sectional view of one pole of a four-pole rotor according to a sixth embodiment (claim 7) of the present invention.
As shown in the figure, in the present embodiment, a rotor having permanent magnets arranged in a U-shape is taken as an example, but the same applies to a rotor having a V-shaped arrangement. In the present embodiment, a hole is formed between adjacent magnets 7E and 7 in advance, and a wedge 12 having a higher strength than the rotor 8 of the iron core is inserted.
[0058]
When the rotor 8 rotates, the magnet receives a centrifugal force. The core, which receives the force and holds the magnet, has two core portions between the magnet and the magnets on both sides and the short-circuit bar. It is a bridge. Although the cast shorting bar and end ring also share some force, the effect is not very promising, since the material is usually aluminum and the strength is much weaker than the iron core.
[0059]
Therefore, in order to secure the mechanical strength for holding the magnet, it is necessary to increase the thickness of the bridge, but as described above, increasing the thickness of the bridge increases the amount of leakage of the magnetic flux through the bridge, In addition, since it also serves as a path through which the q-axis magnetic flux leaks, the characteristics of the rotating electric machine deteriorate.
[0060]
For this reason, in the present embodiment, a wedge 12 made of a material having a higher strength than the iron core, for example, stainless steel, inconel, or the like, is installed in the iron core between the magnets, and the force originally applied to the bridge is applied to the wedge 12. I'm trying to do it instead. The wedge shape is arbitrary, but in the present embodiment, a U-shaped cross-sectional shape is used. In addition, although they are arranged at both ends of the thin bridge, they may be arranged at the center of the bridge. Alternatively, the bridge itself may be omitted and only the wedge may be used.
[0061]
According to the present embodiment, the distance between the adjacent magnets can be reduced, and the net width including the wedge and the bridge can be reduced, so that leakage of the magnet magnetic flux and the q-axis magnetic flux through the bridge can be reduced, and sufficient magnets can be obtained. It is possible to provide a permanent magnet rotor having a holding strength, high reliability, suitable for miniaturization and high output.
[0062]
As a modified example (claim 8) of the present embodiment, a non-magnetic and high-strength material is used as the material of the wedge installed in the bridge portion. If the wedge is made of a magnetic material, it may form a magnetic circuit for leakage of magnet magnetic flux and reluctance magnetic flux due to the same effect as a bridge. When the wedge is remarkable, the characteristic can be prevented from deteriorating by making the wedge nonmagnetic.
In particular, when the diameter of the rotor is large, or when the rotor is used for high-speed rotation, the effect of preventing the deterioration of characteristics can be expected by adopting this modification.
[0063]
FIG. 7 is an enlarged partial view showing the vicinity of a magnet of a rotor according to a seventh embodiment (Claim 9) of the present invention. FIG. 7A shows a method of directly pressing a magnet with a wedge. FIG. 2B shows a method of indirectly applying pressure via a bridge.
[0064]
As shown in the drawing, in the present embodiment, in the permanent magnet rotor shown in FIG. 6, a projection 13 is provided on a portion of the wedge 12 facing the magnet, so that the wedge 12 itself is as described in the sixth embodiment. The function is exerted, and the projection 13 also serves to fix the magnet.
[0065]
In FIG. 2A, the protrusion 13 of the wedge 12 directly presses the side surface of the magnet. The magnet receives the centrifugal force and pushes the front surface of the iron core. However, the wedge 12 not only prevents the iron core from being damaged, but also directly restrains the side surface of the magnet by the protrusion by friction or the like. In FIG. 2B, a groove for mounting the wedge 12 is formed in the center of the bridge in advance by pressing or the like, and the wedge 12 is mounted by pressing the wedge into the groove. At the time of press-fitting, the bridge is deformed by the protrusion 13 and presses the magnet.
[0066]
Thus, the magnet can be positioned and fixed in the magnet insertion hole, and can directly act as a holding force against the centrifugal force of the magnet. In other words, this is an alternative method of magnet positioning, which has conventionally been performed by fixing a magnet with an adhesive, which not only prevents misalignment due to the withdrawal of the adhesive, but also eliminates the cost of the adhesive material and the bonding process. For example, cost can be improved.
[0067]
FIG. 8 is a cross-sectional view of one pole of a four-pole rotor according to an eighth embodiment (claim 10) of the present invention.
As shown in the drawing, in the present embodiment, in the permanent magnet rotor of FIG. 6, only the wedge head (both ends) 15 is made of a magnetic material and the wedge handle (intermediate portion) 16 is made of a non-magnetic material. And a composite wedge in which they are firmly joined.
[0068]
As the wedge shape, various shapes such as a U-shape type or an array type wedge as shown in FIG. 6 can be considered. In the present embodiment, an array type wedge is used.
In a large rotor or a high-speed rotation application, the centrifugal force of the magnet becomes very large. Therefore, the wedge has to be increased because the holding force of the magnet needs to be increased. However, the head of the wedge, that is, the part that bites into the iron core and receives the load directly exerts its effect, and is present opposite to the magnet. It will hinder. That is, the magnet torque decreases. If the wedge is made of a magnetic material, the portion corresponding to the handle of the wedge, that is, the portion on the bridge increases the amount of leakage of the magnet magnetic flux and the q-axis magnetic flux, and similarly decreases the torque.
[0069]
However, in the wedge 14 of the present embodiment in which the wedge head 15 is made of a magnetic material and the handle portion 16 is made of a non-magnetic material, the flow of the magnet magnetic flux is not hindered at the head, and Thus, leakage of the magnet magnetic flux and the q-axis magnetic flux can be prevented.
Therefore, the present embodiment can provide a permanent magnet rotor suitable for increasing the output even when the rotating electric machine is increased in size and speed.
[0070]
FIG. 9 is a cross-sectional view of one pole of a four-pole rotor according to a ninth embodiment (claim 11) of the present invention.
As shown in the figure, in the present embodiment, the front surface of the magnet 7 is directly in contact with the wedge 17, and the end of the wedge 17 is embedded in an iron core located on the back surface of the magnet or fixed to a shaft. The load due to the centrifugal force of the magnet is directly received by the wedge 17, and the load is applied to the iron core or shaft on the back of the magnet via the handle 19 so that the end of the wedge is treated. Since no load is applied, the width can be narrowed, and the leakage amount of the magnetic flux and the reluctance magnetic flux can be reduced. Thereby, it is possible to prevent a decrease in characteristics such as a decrease in torque.
[0071]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the flow of the main magnetic flux that induces the magnet torque and the reluctance torque can be sufficiently ensured, and the magnet magnetic flux has a distribution close to a sine wave on the gap surface. And a rotating electric machine with little torque ripple and high controllability can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of one pole of a permanent magnet rotor according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a transverse sectional view of one pole of a permanent magnet rotor according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a cross-sectional view of one pole of a permanent magnet rotor according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a cross-sectional view of one pole of a permanent magnet rotor according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a cross-sectional view of one pole of a permanent magnet rotor according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a cross-sectional view of one pole of a permanent magnet rotor according to a sixth embodiment of the present invention.
FIGS. 7A and 7B are enlarged sectional views of the vicinity of a magnet of a rotor according to a seventh embodiment of the present invention, wherein FIG. 7A shows a method of directly pressing a magnet with a wedge, and FIG. The figure which shows the method of indirectly pressurizing a magnet through a through-hole.
FIG. 8 is a cross-sectional view of one pole of a permanent magnet rotor according to an eighth embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a cross-sectional view of one pole of a permanent magnet rotor according to a ninth embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a cross-sectional view of a conventional permanent magnet rotating electric machine.
[Explanation of symbols]
1, 7, 7A, 7B, 7C, 7D, 7E, 7F: magnet, 2, 8: rotor core, 3, 9: short-circuit bar, 4: slot, 5: coil, 10: gap barrier, 11: keyway , 12 ... wedge, 13 ... protrusion, 14, 17 ... wedge, 15, 18 ... wedge head, 16, 19 ... wedge handle, φ ... angle occupied by one pole, α ... angle with magnet, β ... magnet Angle to make.