JP2018157752A - 永久磁石式回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】圧粉鉄心による回転電機の高効率化、高トルク化を安価で信頼性の高い手法で実現させる。【解決手段】ラジアルギャップ式回転電機の回転子は軟磁性鉄粉からなる回転子鉄心１と回転子鉄心の略内部に軸と平行に存在する永久磁石７を有する。回転子鉄心は、固定子２と対向する部分における軸方向長さが、回転子鉄心において永久磁石の回転子鉄心との接触部分における軸方向長さより短い。【選択図】図１

Description

本発明は電動機や発電機等の永久磁石式回転子を有した回転電機に関する。

電動機や発電機である回転電機は、市場より軽薄短小化の要求が強く、また最近は地球温暖化対策として、省エネルギー化や高効率化の要求も増加してきている。これを実現するためには、固定子と回転子間のエアギャップの磁束密度を高くする必要がある。そのためには希土類磁石のような高磁気エネルギー磁石を回転子鉄心内部に埋め込んで使用する傾向にある。更に、安価であることも強い要求である。しかし希土類磁石の価格は年々高騰しており、安価に対応するには問題がある。一方回転電機は鉄損を減らして効率を高めるために珪素鋼鈑を軸方向に積層して固定子や回転子を形成する。その場合、一般に珪素鋼鈑積層方式の固定子や回転子は軸と垂直断面形状が軸方向に沿ったどの位置においても同一の断面形状となる２次元形状となる。また固定子や回転子の鉄心部を珪素鋼鈑の積層方式から軟磁性体鉄粉を樹脂皮膜でコーテングした状態で圧縮成形する所謂圧粉鉄心とすることも知られている。圧粉鉄心は鉄損の内の渦流損が珪素鋼鈑より小さく出来ることで、一部の高速回転電機に採用されている。しかし圧粉鉄心は珪素鋼鈑と比較して透磁率が劣るため、一般的には低速領域では高トルク化の妨げとなる。

電動モータドライブの基礎と応用、著者：百目鬼英雄、Ｐ１３１の図６−１２、Ｐ１３４の図６−１５、技術評論社。 一方、関係する従来技術として上記の参考文献がある。

回転電機はラジアルギャップ式とアキシャルギャップ式に大別される。
従来の一般的なラジアルギャップ式の回転電機で回転子に永久磁石を用いるブラシレスＤＣ（以下ＢＬＤＣ）モータは永久磁石が作る界磁と電機子電流が作る回転磁界が常に直交するため、フレミングの左手則、所謂ＩＢＬ則による最大トルクが得られるので、近年使用数量が増加してきている。ＢＬＤＣモータには回転子構造により、磁石が回転子表面に露出したＳＰＭ（Ｓｕｒｆａｃｅ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ）型と磁石が回転子鉄心内部に埋め込まれたＩＰＭ（Ｉｎｔｅｒｉｏｒ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ）型があり、後者は前記のＩＢＬ則によるトルクの他にレラクタンストルクも得られるため、高トルクが必要な用途には更に使用される。レラクタンストルクとは電磁石で鉄を吸引する力で発生するが、ＩＰＭ型では永久磁石以外に鉄が回転子表面に露出するため、このトルクが活用できるものである。ＢＬＤＣモータは一般に固定子鉄心を珪素鋼鈑で積層して構成し、安価と効率を重視する場合は巻き線に集中巻き方式を採用する。その理由はラジアル式の分布巻き方式ではトルク発生に寄与しないコイルエンド部が大きくなり銅損が増大し、効率が低下すること及び集中巻きでは巻き線がシンプルでスロットへの直接巻き込が可能となり、巻き線が安価となるためである。集中巻き方式の場合は実用的に構成すれば主に回転電機のコストの面から固定子のスロット数は４〜１２に制約される。しかし集中巻き式は高調波磁束が発生し易すく、振動騒音が大きくなる欠点がある。特に低振動低騒音が要求される用途には、分布巻き方式も採用されている。
一方、軸方向にエアギャップを有するアキシャルギャップ式回転電機もあるが、エアギャップが平面対向のため面ブレ等の問題があるためラジアルギャップ式ほどエアギャップを小さく出来にくいことがあり、そのためにラジアルギャップ式と比較して、高効率化、高トルク化で劣る。そのため、扁平形状の電動機や起動停止をあまり行わないで定速回転重視の電動機等の特殊な用途以外はラジアルギャップ式より普及していない問題がある。
集中巻き方式のコイルエンドの軸方向高さは分布巻きに比べて小さいので銅損が減少して効率は高くなるが、更に効率を高めるには回転子との対向面積とならないでトルク発生に寄与しないコイルエンドの占める面積部もトルク発生のために活用が求められる。この解決策の一つに固定子巻き線部の極形状を軸方向あるいは回転周方向に飛び出させた所謂オーバーハングとした形状を圧粉鉄心で構成する手法がある。珪素鋼鈑の積層式ではこのオーバーハング構造は一般に困難あるいはコスト高となるため３次元に成形できる圧粉鉄心が有利となる。圧粉鉄心とは軟磁性鉄粉に少量の樹脂をバインダーと鉄粉をコーテングして、渦電流の絶縁のために混合して圧縮成形させたものである。圧粉鉄心は珪素鋼鈑積層式が２次元の単純形状であるのに対して３次元の複雑形状が可能で、更に鉄損の一部の渦電流損が少ない特長がある。上述した圧粉鉄心は磁束密度が珪素鋼鈑より小さいという短所があるが、オーバーハング形状では回転子との対向面積が増加するため高効率化に適したものと言える。
固定子磁極部の回転子との対向部をオーバーハング構造として回転子との対向面積を増加させる手段をとれば高トルク化を図ることが知られている。しかし固定子巻き線がオーバーハング部に邪魔されて巻き線作業が困難となる問題があった。
そこで本発明に係る回転電機は巻き線作業を従来と同じく容易にしながら、しかもエアギャップの磁束密度を安価な磁石の使用で高め、高トルクを発生させるものである。そして、圧粉鉄心を埋め込み磁石式の回転子に活用するものである。

本発明を実現するには以下の手段による。
「手段１」
固定子と回転子を有する回転電機であって、前記回転子は軟磁性鉄粉からなる回転子鉄心と当該回転子鉄心の略内部に軸と平行に存在する永久磁石を有し、前記回転子鉄心は、前記固定子と対向する部分における軸方向長さが、前記回転子鉄心において前記永久磁石の前記回転子鉄心との接触部分における軸方向長さより短いことを手段とするラジアルギャップ式回転電機。
「手段２」
固定子と回転子を有する回転電機であって、前記回転子は軟磁性鉄粉からなる回転子鉄心と当該回転子鉄心とバックヨーク間に軸方向に存在する永久磁石を有し、前記回転子鉄心は、前記固定子と対向する部分の面積が軸方向で前記永久磁石の前記回転子鉄心との接触部分の面積より小さくなることを手段とするアキシャルギャップ式回転電機。

１）固定子巻き線のコイルエンドの軸方向高さ部はトルク発生に寄与しない空間であるがこの空間部を活用して回転子を軸方向に拡張し、回転子鉄心が固定子と対向する軸方向長さより大きい永久磁石から磁束を取り出すことで、回転子鉄心で、固定子対向部長さまで、磁束を凝縮できるので、エアギャップの磁束密度が高くなり、高トルク化、小形化が容易に実現できる。
２）飽和磁束密度が２（Ｔ）の回転子鉄心を使用して、残留磁束密度が１．３（Ｔ）のネオジム希土類磁石を使用すれば、ＳＰＭ式では最大でも空隙磁束密度は１．３（Ｔ）を超えることはできないが、ＩＰＭ式の本発明では、回転子の軸方向を略２／１．３＝１．５４倍に拡張することで、空隙磁束密度を２（Ｔ）近くまで高めることができる。この１・５４倍のスペースはラジアルギャップ式では軸方向に薄型形状ほど容易に得られる。ＢＬＤＣモータの発生トルクは空隙磁束密度に比例するので、この場合、５０％強のトルク増加が期待できる。
３）ラジアル式回転電機では磁石の軸方向長さのみでなく径方向厚みを適度に増加すれば、例えばネオジム磁石をフェライト磁石で代行することも可能で、回転電機のコスト削減にもなる。
４）本発明は、ラジアルギャップ式、アキシャルギャップ式の両方に、有効である。

本発明一例のラジアルギャップ式回転電機の軸を含んだ断面図 図１の回転電機のＡ−Ａ断面図（但し回転子部は軸方向から見た図） 本発明のアキシャルギャップ式の軸を含んだ断面図 図３の回転電機のＡ−Ａ断面図 従来技術のラジアルギャップ式回転電機の軸を含んだ断面図 図５の回転電機のＡ−Ａ断面図 従来のＩＰＭ式回転電機の説明図

以下図面によって説明する。

図１は本発明を適用する回転電機の構成の一例を示したものであり、ラジアルギャップ式回転電機の軸を含んだ断面図である。図２は図１の回転電機のＡ−Ａ断面図である。但し回転子部は軸方向から見た図で示してある。
図１、図２にで、符号１は本発明の回転子鉄心である。回転子鉄心１には軸方向に溝が設けてあり、板状の永久磁石７が埋め込まれている。本図では永久磁石７は４個設けられ、Ｎ極Ｓ極が交互に磁化されて配置されて、４極の回転子とした図で示している。符号２は固定子であり、珪素鋼鈑を積層して構成される。符号３は巻き線部である。本図では６スロットのため、６個の巻き線部となり、集中巻きされた例で示した。符号４は回転軸、符号５はボールベアリング等の軸受け、符号６は固定子２の左右に設けられたブラケットであり、軸受け５を保持して、回転子鉄心１を回転可能に固定子２との間でエアギャップを維持している。
本発明の構成は図１を参照すれば、軟磁性鉄粉からなる回転子鉄心１と回転子鉄心１の略内部に軸と平行に存在する永久磁石７を有し、回転子鉄心１において、固定子２と対向する部分における軸方向長さは、回転子鉄心１の埋め込まれた永久磁石７との接触部分における軸方向長さより短くなるようにしている。即ち、巻き線部３はそのコイルエンドの軸方向高さが突き出ており、この空間部はトルク発生に直接寄与していない。そこでこの軸方向の空間部を利用して軸方向に回転子部長及び磁石長を増大させて、回転子鉄心１が固定子２と対向する軸方向長さより大きい永久磁石７から磁束を取り出し、永久磁石７の半径外側部と回転子鉄心１の接触部から固定子対向部長さまでその軸方向長さを漸次縮小している。このような形状によれば回転子鉄心１の固定子２と対向する部分において磁束を凝縮できるので、エアギャップの磁束密度が高くなり、高トルク化、小形化が容易に実現できるものである。回転子鉄心１は軟磁性鉄分からなる焼結鉄心や樹脂粉で軟磁性鉄分をコーテングして圧縮熱処理した圧粉鉄心であれば容易にしかも安価にその形状を作ることができる。しかしこれを珪素鋼鈑の積層方式で実現させようとすればプレス抜き型を含めて高価で複雑なものとなる。更に軟磁性鉄分構成の場合は磁束透磁率の方向性はなく均一であるが積層式では圧延方向は磁束が通り易いが積層方向には通りづらいという方向性の問題が発生するので本発明には不適当な構成となる。また図１、図２はインナーロータ式で示したが、本発明はアウターロータ式にもそのまま当てはまるものである。以上は電動機のみならず、発電機にも適用するものである。

例えば飽和磁束密度が２（Ｔ）の回転子鉄心を使用して、残留磁束密度が１．３（Ｔ）のネオジム希土類磁石を使用すれば、ＳＰＭ式では永久磁石がエアギャップ表面に露出しているため、最大でも空隙磁束密度は１．３（Ｔ）を超えることはできないが、ＩＰＭ式の本発明では、回転子の軸方向を略、２／１．３＝１．５４倍に拡張することで、空隙磁束密度を２（Ｔ）近くまで高めることができる。この１．５４倍のスペースはラジアルギャップ式では軸方向に薄型形状ほど容易に得られる。これはコイルエンドの軸方向高さは固定子と回転子の対向長に関係なく一定であり、ＢＬＤＣモータの発生トルクは空隙磁束密度に比例するので、この場合、５０％強のトルク増加が期待できる。即ち、モータのサイズは増加することなしで、しかも極めて簡単で実現容易な方法でトルクを５０％も大きく出来るものである。

図１及び図２の永久磁石７は必ずしも板状である必要はない。図２で軸方向から見た永久磁石形状は半径外方向に開いたＵ字型でもＶ字型でもよい。あるいは半径外方向に開いた逆さハの字形状でもよい。但し軸と平行である必要がある。
埋め込み磁石の着磁は半径方向に磁化される。その場合、半径方向の磁石厚みを増加すれば、磁石の起磁力は磁石厚み長に比例するので大きく出来る。
通常ネオジム磁石をそのままの形状でフェライト磁石に置き換えるとトルクは５０％から７０％程度減少するが、本発明を適用すれば、また必要により磁石の半径方向の厚み長を増加させれば、フェライト磁石でもネオジム磁石に近いトルク値が期待できる。仮にフェライト磁石が軸方向長さで１．５倍、半径方向の磁石厚みで２倍、従って体積がネオジム磁石の体積の３倍で同等な値が得られたとしても、磁石のコストはフェライト磁石の方が十分に安価である。

図３は本発明をアキシャルギャップ式回転電機に適用した図であり、軸を含んだ断である。図４は図３の回転電機のＡ−Ａ断面図である。図３、図４を参照して、固定子１１とその巻き線部１２及び回転子を有する回転電機である。前記回転子は軟磁性鉄粉からなる回転子鉄心９と当該回転子鉄心９とバックヨーク１０の間に軸方向に存在する永久磁石８を有している。バックヨーク１０は磁性体で構成されて軸受け１３を介して回転軸４に支持されている。前記回転子鉄心９において、前記固定子１１と対向する部分の面積は軸方向で前記永久磁石８との接触部分の面積より小さくなることを手段として、エアギャップ対向部より大きな面積を有する永久磁石８から集めた磁束を軸方向に漸次その面積を小さく構成した回転子鉄心９にて凝縮してエアギャップの磁束密度を高めたアキシャルギャップ式回転電機である。この場合も、モータサイズを増大しないで、磁束凝縮度の可能な目安は図３で示したように、半径方向で述べれば巻き線部１２の半径方向長まで永久磁石８の半径方向長を大きく出来、エアギャップ対向部の半径方向長との比となる。図３でのこの比率は１．５倍であり、５０％近いトルク増加が可能である。図４で固定子は６スロット、６コイルの集中巻きの例である。回転子の構成の図示は省略したが、Ｎ極Ｓ極が交互に配置された４極であり、図２の回転子構成をアキシャルギャップに展開したものである。

図５は従来技術の例を示したものであり、図６は図５のＡ−Ａ断面図である。固定子及びブラケットの構成は図１と同じであるので説明は省略する。回転子鉄心は珪素鋼鈑の積層方式であり、その溝部には本発明の永久磁石７より軸方向での長さが短い永久磁石１５が埋め込みされている。図５と図１を比較すれば、本発明が簡単な構成で高トルク化できる有効な手段であるかが容易に理解される。尚アキシャルギャップの従来技術の図示は省略する。また参考文献としての非特許文献１（本明細書に添付した図７に相当）を示したが、図７（ａ）及び（ｂ）には埋め込み磁石式のＩＰＭ式回転電機の磁気回路構成が４極の例で示されている。そして磁石幅の中心線がｄ軸で、この軸でＩＢＬ則のトルクを発生させる。そしてｄ軸から４５°隔てた軸がｑ軸であることが示されている。即ちＩＰＭ式ではわずかな幅で回転子表面にできる非磁石部が固定子巻き線ｑ軸からの磁束通過口になり、レラクタンストルクが加算されることになる。また図７（ｃ）にはＳＰＭ式とＩＰＭ式のトルク比較が示されてＩＰＭが高トルク化で有利であることが述べられている。本発明はこのＩＰＭ式の改良進歩を目的としたものである。

本発明の回転子鉄心は軟磁性鉄分からなる鉄心と述べたが、実際の製法は圧縮して適当な温度での熱処理又は燒結によりその強度を確保するものである。更に軟磁性鉄粉に絶縁とバインダーとしての樹脂粉をコーテングして加圧成形後、適度な温度で熱処理した所謂、圧粉鉄心とすれば渦電流損をほぼなくすことで鉄損の少ない回転電機が得られる。更に適量の珪素粉を加えることで、樹脂粉による渦電流損の減少に加えて珪素粉によるヒステリシス損をも減少させることができ、回転電機の効率を更に向上できる。これは冷間あるいは熱間圧延の鋼鈑に３％程度の珪素を加えることで鉄損を軽減する珪素鋼鈑の鉄損軽減原理により圧粉鉄心の場合でも同様な効果が得られるものである。

本発明による回転電機は電動機または発電機に活用でき、安価で堅牢で軽薄短小、高トルク化、高効率化に適した、極めて実用的なものである。従って工業的に大きな貢献が期待される。

１、９、１４、 回転子鉄心
２、１１、 固定子鉄心
３、１２、 巻き線
４、 回転軸
５、１３、 軸受け
６、 ブラケット
７、８、１５、 永久磁石
１０、 バックヨーク

本発明を実現するには以下の手段による。
「手段１」
固定子と回転子を有する回転電機であって、前記回転子は軟磁性鉄粉からなる回転子鉄心と当該回転子鉄心の略内部に軸と平行に存在する永久磁石を有し、前記回転子鉄心は、前記固定子と対向する部分における軸方向長さが、前記回転子鉄心において前記永久磁石の前記回転子鉄心との接触部分における軸方向長さより短く形成され、前記固定子は、巻き線部を有し該巻き線部は集中巻きされていることを手段とするラジアルギャップ式回転電機。

Claims (2)

1. 固定子と回転子を有する回転電機であって、
   前記回転子は軟磁性鉄粉からなる回転子鉄心と当該回転子鉄心の略内部に軸と平行に存在する永久磁石を有し、
   前記回転子鉄心は、前記固定子と対向する部分における軸方向長さが、前記回転子鉄心において前記永久磁石の前記回転子鉄心との接触部分における軸方向長さより短いことを特徴とするラジアルギャップ式回転電機。
2. 固定子と回転子を有する回転電機であって、
   前記回転子は軟磁性鉄粉からなる回転子鉄心と当該回転子鉄心とバックヨーク間に軸方向に存在する永久磁石を有し、
   前記回転子鉄心は、前記固定子と対向する部分の面積が軸方向で前記永久磁石の前記回転子鉄心との接触部分の面積より小さくなることを特徴とするアキシャルギャップ式回転電機。

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