JP5265615B2 - 永久磁石埋め込み回転子 - Google Patents

Description

本発明は、モータや発電機等の回転電機に用いられる永久磁石埋め込み回転子に係り、特に、固定子に電流を流して発生させた回転磁界と、回転子に埋め込まれた永久磁石との相互作用によって回転子を回転させる同期式の回転電動機に用いられる永久磁石埋め込み回転子に関する。

かご型誘導モータは構造が単純で頑丈なため、信頼性が高く、従来、産業界で最も多用されていた。しかし、近年では、高効率で高トルクが得られる永久磁石を使用した同期モータが省エネルギーの観点から注目を浴びている。このような同期モータの一種である同期式の回転電動機は、固定子のコイルに電流を流すことにより回転磁界を発生させ、この回転磁界を回転子の固定磁界に作用させて、回転子を回転させる構造となっている。固定磁界を発生させるために、回転子の外周面に永久磁石が貼り付けられたＳＰＭモータ（Ｓｕｒｆａｃｅ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ Ｍｏｔｏｒ）や回転子の中に永久磁石を埋め込んだＩＰＭモータ（Ｉｎｔｅｒｉｏｒ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ Ｍｏｔｏｒ）がある。こうした同期モータのみならず、同期発電機も含めた同期回転電機全般について、渦電流損失を低減させ、発熱が少なく、回転効率を向上させることが可能な回転子の構造について研究や開発が進められている。そして、それに関して既に幾つかの発明や考案が開示されている。

例えば、特許文献１には、「同期電動機のロータ構造」という名称で、渦電流損失を低減させて電動機の出力を向上させることが可能なロータ（回転子）構造に関する発明が開示されている。
特許文献１に開示された発明は、ロータコアの外周部分に、磁極の極数よりも多いマグネットが互いに絶縁した状態で配置された構造となっている。
渦電流損失はマグネットの寸法に比例することから、このような構造によれば、マグネットに発生する渦電流損失を減少させることができる。これにより、電動機の出力が向上する。

特許文献２には、「永久磁石型回転電機のロータとその製造方法」という名称で、渦電流損失が極めて小さいシュリンクリングを備えた永久磁石型回転電動機のロータに関する発明が開示されている。
特許文献２に開示された発明であるロータは、中央部が軸方向に傾斜した楔状の回転軸の外周に、同じく傾斜したスペーサ及び永久磁石を配置し、これらの外側に，同じく傾斜した繊維強化プラスチック製のシュリンクリングを外嵌めした構造となっている。
繊維強化プラスチックはステンレスよりも導電率が低いため、このような構造によれば、ステンレス製のシュリンクリングを用いる場合に比べて、渦電流損失を少なくすることができる。

特開平１１−９８７２９号公報 特開平１０−２２５０３２号公報

しかしながら、上述の従来技術である特許文献１に開示された発明においては、マグネットに発生する渦電流損失を低減させることができるものの、ロータコアに対するマグネットの接着面積が小さいため、高速回転時の遠心力によってマグネットが飛散し易いという課題があった。

また、特許文献２に開示された発明においては、マグネットやスペーサを複雑な形状に加工しなければならないため、製造コストが高くなるという課題があった。

本発明は、このような従来の事情に対処してなされたものであり、渦電流損失を低減させて回転効率を向上させるとともに、安価に製造することが可能な永久磁石埋め込み回転子を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１記載の発明は、回転磁界を発生する円筒状の固定子の内部に挿設され回転磁界と同期して回転する永久磁石埋め込み回転子において、磁性金属からなる円柱体と，非磁性材から形成されるスペーサとから構成される回転子コアと、この回転子コアに外挿され，良導電性かつ非磁性の金属である金，銀，銅，アルミニウム又はそれらの中から少なくとも２種選択してなる合金からなる円筒体と、この円筒体の内周面に一方の磁極が当接し，他方の磁極が円柱体に当接するように回転子コアに埋設される永久磁石と、回転子コアの回転中心に嵌入される回転軸と、を備え、永久磁石は、円筒体の周方向に見てＮ極とＳ極が内周面に対して交互に当接するように偶数個配置され、固定子が発生する回転磁界と永久磁石が発生する磁界に基づいて固定子と永久磁石の間に形成される磁束を円筒体が横切ることで円筒体に誘導電流が発生し、この誘導電流と磁束によって発生する力によって回転子を固定子の回転磁界に同期させることを特徴とするものである。
このような構造においては、隣接する永久磁石の磁極同士が円柱体を介して磁気的に接続され、両者の間に磁路が形成され易くなる。これにより、漏れ磁束が大幅に減少し、発熱が少なくなる。また、固定子の磁極と永久磁石の磁極の間に形成される磁路が円筒体によって遮断されないため、永久磁石の磁極と固定子の磁極との間に強力な磁路が形成される。さらに、永久磁石埋め込み回転子の回転が、固定子で作られる回転磁界の回転速度よりも遅い場合、固定子と永久磁石の磁極間を通る磁束を非磁性金属の円筒体が横切ることになるため、円筒体にフレミングの法則に基づく力が作用する。これにより、円筒体が回転磁界に引っ張られ、その結果、永久磁石埋め込み回転子全体が回転する。加えて、例えば、円筒体にステンレスを用いる場合などに比べて渦電流損失が少ないという作用を有する。
さらに、円柱体に当接する永久磁石のＮ極から出た磁束がそのままＳ極に戻るような磁路が形成され難いため、円柱体によって永久磁石の磁極同士が磁気的に接続されるという作用がより有効に発揮される。また、非磁性材のスペーサにより、円筒体に当接する側の永久磁石の磁極同士が近接せず、かつ、磁気的に接続されないという作用を有する。従って、凸極性が増す。

請求項２記載の発明は、請求項１に記載の永久磁石埋め込み回転子において、回転軸は、ステンレスによって形成されることを特徴とするものである。
このような構造の永久磁石埋め込み回転子においては、永久磁石の磁極から円柱体を通って回転軸に至る磁路が形成され難いという作用を有する。

請求項３記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の永久磁石埋め込み回転子において、隣接する１組の永久磁石を第１の永久磁石とし、この第１の永久磁石の円柱体側の磁極に対して、逆の磁極を有する端部をそれぞれ近接させて回転子コアに埋設される平面視矩形状の第２の永久磁石を備えることを特徴とするものである。
このような構造の永久磁石埋め込み回転子においては、第２の永久磁石によって、円柱体に当接する側の第１の永久磁石の磁極間に請求項１記載の発明よりもさらに強力な磁路が形成されるという作用を有する。

本発明の請求項１記載の永久磁石埋め込み回転子によれば、回転磁界による吸着力を高めて、強い回転トルクを発生させることができる。この場合、固定子と回転子との空隙を大きくとることができる。従って、高速回転や長時間運転によって回転子が熱膨張して空隙が変化した場合でも、回転子と固定子の接触等による故障が発生し難い。また、脱調し難くなるため、回転効率が向上する。そして、回転子が回転磁界に同期しない場合でも、回転トルクを発生させて、回転状態を維持することができる。さらに、製造コストを安くすることができる。加えて、渦電流損失を低減させて発熱を抑えることができる。

本発明の請求項２記載の永久磁石埋め込み回転子によれば、漏れ磁束を少なくして永久磁石の磁極と固定子の磁極との間に強力な磁路を形成させることにより、回転磁界による吸着力を高めて、強い回転トルクを発生させることが可能である。

本発明の請求項３記載の永久磁石埋め込み回転子によれば、請求項１記載の発明よりもコンパクトでありながら高効率で、強い回転トルクを発生させることが可能である。

（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ本発明の実施の形態に係る永久磁石埋め込み回転子の実施例１の外観斜視図及び平面図である。 （ａ）及び（ｂ）はそれぞれ実施例１の永久磁石埋め込み回転子とその変形例を示す平面図である。 （ａ）は実施例１の永久磁石埋め込み回転子が単体の場合に発生する磁界を模式的に示した平面図であり、（ｂ）は実施例１の永久磁石埋め込み回転子が固定子の内部に配置された状態を示す平面図である。 （ａ）は実施例１の永久磁石埋め込み回転子の動作を説明するための平面図であり、（ｂ）は同図（ａ）の部分拡大図である。 本発明の実施の形態に係る永久磁石埋め込み回転子の実施例２の平面図である。

本発明の永久磁石埋め込み回転子は、同期モータと同期発電機のどちらにも共通して使用できるが、以下、回転電動機の種類を特に限定することはせずに、その構造や作用・効果について説明する。

実施例１の永久磁石埋め込み回転子について図１乃至図４を用いて説明する（特に、請求項１及び請求項２に対応）。
図１（ａ）及び図１（ｂ）はそれぞれ本発明の実施の形態に係る永久磁石埋め込み回転子の実施例１の外観斜視図及び平面図である。また、図２（ａ）及び図２（ｂ）はそれぞれ本実施例の永久磁石埋め込み回転子とその変形例を示す平面図である。なお、図１（ｂ）では、固定子を破線によって模式的に示している。
図１（ａ）に示すように、本実施例の永久磁石埋め込み回転子（以下、回転子１ａという。）は、平面視して外周面から回転中心に向かって細長い矩形状に，偶数個の挿入溝３が形成された回転子コア２と、金，銀，銅又はアルミニウムあるいはそれらの中から少なくとも２種選択してなる合金等の良導電性を有する非磁性金属からなり，回転子コア２に外挿される円筒体４と、円筒体４の内周面にＮ極とＳ極が交互に当接するように挿入溝３に埋設される永久磁石５ａ，５ｂと、回転子コア２の回転中心に嵌入されるステンレス製の回転軸６とを備えている。また、回転子コア２は、外周面に挿入溝３の一部が形成され，電磁鋼板等の磁性金属からなる円柱体２ａと、合成樹脂やアルミニウム又はセラミック等の非磁性材のスペーサ２ｂとからなる。なお、挿入溝３の深さは永久磁石５ａ，５ｂの長さの半分未満となっている。また、回転子１ａは、図１（ｂ）に示すように、円周方向に複数のコイル８を有し，このコイル８への印加電圧を変化させることで回転磁界を発生させる円筒状の固定子７と同軸上に、かつ、内周面７ａとの間に所定の空隙９が形成されるように配置されている。

本実施例では、図２（ａ）に示すように回転子１ａが６個の永久磁石５ａ，５ｂを備えた構造となっているが、これに限定されるものではない。すなわち、永久磁石５ａ，５ｂの数を図２（ｂ）に示すように４個としても良い。また、２個や８個とすることもできる。ただし、後述するように、適切な磁気回路を形成するためには、永久磁石５ａ，５ｂの数を少なくとも偶数個とする必要がある。さらに、図１及び図２に示した場合とは異なり、円筒体４の内周面に永久磁石５ａのＮ極と永久磁石５ｂのＳ極をそれぞれ当接させた構造としても良い。

次に、回転子１ａの動作について図３及び図４を用いて説明する。
図３（ａ）は回転子１ａが単体の場合に発生する磁界を模式的に示した平面図であり、図３（ｂ）は回転子１ａが固定子７の内部に配置された状態を示す平面図である。図４（ａ）は回転子１ａの動作を説明するための平面図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）の部分拡大図であり、いずれも固定子７の内部に配置された状態の回転子１ａを示している。また、図３（ｂ）と図４（ａ）と図４（ｂ）では、コイル８の磁極と回転子１ａ内の永久磁石５ａ，５ｂとが作る磁路を説明するために、便宜上、コイル８をコイル８ａ，８ｂの２種類に区別して図示している。さらに、図１及び図２に示した構成要素については同一の符号を付して、その説明を省略する。

既に説明したように、回転子１ａでは、磁性金属の円柱体２ａの外周面に設けられた挿入溝３に、永久磁石５ａ，５ｂの一端が嵌合設置されている。これにより、永久磁石５ａ，５ｂの磁極同士が円柱体２ａを介して磁気的に接続され、両者の間に磁路が形成され易くなる。従って、回転子１ａが単体の場合には、図３（ａ）に示すように、永久磁石５ａのＮ極から出た磁束がスペーサ２ｂを通って永久磁石５ａのＳ極に戻る磁路Ｂと、永久磁石５ａのＮ極から出た磁束が永久磁石５ｂのＳ極に入る磁路Ａと、永久磁石５ｂのＮ極から出た磁束が円柱体２ａを通って永久磁石５ａのＳ極に入る磁路Ｄと、永久磁石５ｂのＮ極から出た磁束がスペーサ２ｂを通って永久磁石５ｂのＳ極に戻る磁路Ｃが形成される。なお、永久磁石５ａ，５ｂの間には非磁性材のスペーサ２ｂが配置されているため、磁路Ｂ及び磁路Ｃは、磁路Ａ及び磁路Ｄに比べて形成され難くなっている。

回転子１ａにおいて固定子７のコイル８ａ，８ｂによって磁界が作られると、図３（ｂ）に示すように、永久磁石５ａのＮ極から出た磁束がコイル８ａのＳ極に入る磁路Ｅと、コイル８ａのＮ極から出た磁束がコイル８ｂのＳ極に入る磁路Ｆと、コイル８ｂのＮ極から出た磁束が永久磁石５ｂのＳ極に入る磁路Ｇが形成される。そして、コイル８ａ，８ｂに交流電流を印加して回転磁界を発生させると、回転子１ａは回転磁界に同期して回転する。なお、回転子１ａでは、永久磁石５ａ，５ｂとコイル８ａ，８ｂの間にそれぞれ形成される磁路Ｅ及び磁路Ｇを遮断しないように、良導電性を有する非磁性金属で円筒体４を形成するとともに、永久磁石５ａ，５ｂとコイル８ａ，８ｂの間の磁束が弱まらないように、永久磁石５ａ，５ｂの間に非磁性材のスペーサ２ｂを配置することで円筒体４側の磁極同士を近接させない構造となっている。これにより、回転子１ａの凸極性が増すため、コイル８ａ，８ｂの作る回転磁界による吸着力が強まる。

図４（ａ）に示すように、固定子７によって矢印Ｉの向きに回転する回転磁界が作られ、その回転速度よりも回転子１ａの回転が遅い場合、円筒体４は、永久磁石５ａ，５ｂとコイル８ａ，８ｂの間の磁束（磁路Ｅ及び磁路Ｇ）を矢印Ｉの逆向きに横切ることになる。この場合、フレミングの右手の法則により、紙面に対して垂直な方向に起電力が発生し、円筒体４に誘導電流が流れる。そして、この誘導電流により、円筒体４は、フレミングの左手の法則に基づく力を矢印Ｉの向きに受ける。その結果、回転子１ａは矢印Ｉの向きに回転する。このように、回転子１ａは、固定子７のコイル８ａ，８ｂが作る回転磁界に同期しない場合でも、回転磁界に引っ張られて回転する。これにより、回転状態が維持される。また、回転子１ａでは、円筒体４にはステンレスではなく、金，銀，銅又はアルミニウムあるいはそれらの中から少なくとも２種選択してなる合金等を用いているため、渦電流損失の発生が少ない。なお、永久磁石５ａ，５ｂの磁束密度や円筒体４の材質にもよるが、例えば、円筒体４が銅の場合には、厚さを１ｍｍ〜５ｍｍ程度とすると良い。この場合、磁気飽和し難いため、発熱を大幅に抑えることができる。また、本実施例では、回転軸６をステンレス製としているため、円柱体２ａを通って回転軸６に至る磁路が形成され難い。これにより、漏れ磁束が減少するため、永久磁石５ａ，５ｂとコイル８ａ，８ｂの間にそれぞれ強力な磁路Ｅ及び磁路Ｇが形成される。なお、回転軸６には、ステンレス以外の非磁性金属を使用することもできるが、強度及び材料費を考慮すると、金，銀，銅やアルミニウム等よりもステンレスの方が望ましい。
以上説明したように、回転子１ａを同期電動機に用いることによれば、渦電流損失を低減させて、発熱を抑えることができる。また、回転磁界による吸着力が高まり、強い回転トルクが発生するため、固定子７と回転子１ａとの空隙９を大きくとることができる。従って、高速回転や長時間運転によって回転子１ａが熱膨張して空隙９が変化した場合でも、回転子１ａと固定子７の接触等による故障が発生し難い。さらに、脱調を防いで回転効率を高めることができる。また、回転子１ａが固定子７の回転磁界に同期しない場合でも、回転トルクを発生させて、回転状態を維持することができる。加えて、回転子１ａは構造が簡単であるため、安価に製造することが可能である。

実施例２の永久磁石埋め込み回転子について図５を用いて説明する（特に、請求項３に対応）。
図５は実施例２の永久磁石埋め込み回転子の平面図である。なお、図１乃至図４で示した構成要素については同一の符号を付して、その説明を省略する。
図５に示すように、本実施例の永久磁石埋め込み回転子（以下、回転子１ｂという。）は、実施例１の回転子１ａにおいて、両端にそれぞれ磁極が形成された平面視矩形状の永久磁石５ｃが、永久磁石５ａ，５ｂの円柱体４に当接する側の磁極に対して、それぞれ逆の磁極を近接させるとともに、円柱体４の外周面に埋め込まれるようにして配設された構造となっている。なお、本実施例では、永久磁石５ｃを円柱体４の外周面に埋設しているが、このような構造に限定されるものではなく、例えば、永久磁石５ｃを円柱体４の外周面に当接した状態で配設しても良い。

回転子１ｂにおいて固定子７のコイル８ａ，８ｂによって磁界が作られると、永久磁石５ｂのＮ極から出た磁束が永久磁石５ｃを通った後、永久磁石５ａのＳ極に入る磁路Ｈが形成される。すなわち、永久磁石５ｃによって、円柱体２ａ側の永久磁石５ａ，５ｂの磁極間に、実施例１の場合の磁路Ｄよりも強力な磁路Ｈが形成される。従って、回転子１ｂを同期電動機に用いることによれば、コンパクトでありながら、実施例１の場合よりもさらに高効率で、強い回転トルクを発生させることが可能である。

請求項１乃至請求項３に記載された発明は、同期式の回転電動機の回転子に対して適用可能である。

１ａ，１ｂ…回転子 ２…回転子コア ２ａ…円柱体 ２ｂ…スペーサ ３…挿入溝 ４…円筒体 ５ａ〜５ｃ…永久磁石 ６…回転軸 ７…固定子 ７ａ…内周面 ８…コイル ８ａ，８ｂ…コイル ９…空隙 Ａ〜Ｈ…磁路 Ｉ…矢印

Claims (3)

1. 回転磁界を発生する円筒状の固定子の内部に挿設され前記回転磁界と同期して回転する永久磁石埋め込み回転子において、
   磁性金属からなる円柱体と，非磁性材から形成されるスペーサとから構成される回転子コアと、
   この回転子コアに外挿され，良導電性かつ非磁性の金属である金，銀，銅，アルミニウム又はそれらの中から少なくとも２種選択してなる合金からなる円筒体と、
   この円筒体の内周面に一方の磁極が当接し，他方の磁極が前記円柱体に当接するように前記回転子コアに埋設される永久磁石と、
   前記回転子コアの前記回転中心に嵌入される回転軸と、
   を備え、
   前記永久磁石は、前記円筒体の周方向に見てＮ極とＳ極が前記内周面に対して交互に当接するように偶数個配置され、
   前記固定子が発生する回転磁界と前記永久磁石が発生する磁界に基づいて前記固定子と前記永久磁石の間に形成される磁束を前記円筒体が横切ることで前記円筒体に誘導電流が発生し、この誘導電流と前記磁束によって発生する力によって前記回転子を前記固定子の回転磁界に同期させることを特徴とする永久磁石埋め込み回転子。
2. 前記回転軸は、ステンレスによって形成されることを特徴とする請求項１に記載の永久磁石埋め込み回転子。
3. 隣接する１組の前記永久磁石を第１の永久磁石とし、この第１の永久磁石の前記円柱体側の磁極に対して、逆の磁極を有する端部をそれぞれ近接させて前記回転子コアに埋設される平面視矩形状の第２の永久磁石を備えることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の永久磁石埋め込み回転子。

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