JPH08275419A - 永久磁石式回転機の回転子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 電気特性を低下させることなく遠心力強度を
向上させた永久磁石式回転機の回転子を提供する。 【構成】 鉄心２１に接続部Ａ，Ｂを確保して主磁石用
溝２３と補助磁石用溝２２とを設け、これらの溝２３，
２２に主磁石２６と補助磁石２５とを嵌装して構成した
ものであって、主磁石２６によって各極の主磁束が得ら
れ、しかも補助磁石２５の漏れ磁束によって接続部Ａ，
Ｂを磁気飽和させることにより、接続部Ａ，Ｂを通って
主磁石２６の磁束が漏れるのを防止するというものであ
る。そして鉄心が接続部Ａ，Ｂによって接続された一体
のものであって高い遠心力強度を有するため、他の補強
部材を要せず、従ってエアギャップを小さくして磁束密
度を高めることができ、また有効鉄心長を減少させるこ
とがないというものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は永久磁石式回転機の回転
子に関し、電気特性を低下させることなく遠心力強度向
上を企図したものである。

【０００２】

【従来の技術】図１１は、永久磁石式回転機の全体構成
図である。同図において、１はフレーム、２は固定子鉄
心、３は固定子巻線、４はブラケット、５は回転子鉄
心、６は回転子羽根片、７は回転軸であり、回転子鉄心
５及び回転軸７によって回転子８が構成されている。こ
の永久磁石回転機の回転子８の構造には種々のものが実
用化されているが、代表的なものには、磁石貼付形と磁
石埋込形とがある。

【０００３】図１２は、磁石貼付形の回転子８の断面図
である。同図に示すように、回転軸７の外周には複数の
永久磁石９が貼付され、これらの永久磁石９の外周には
非磁性の補強リング１０が装着されている。このように
磁石貼付形の回転子８は、補強リング１０を装着するこ
とにより遠心力強度を向上させ、高速回転に対応させて
いる。

【０００４】図１３は、磁石埋込形の回転子８の断面図
である。同図に示すように、回転子鉄心５には周方向に
等間隔に四分割されたスリット１１と回転軸７の外周に
空間を形成するスリット１２が設けられ、スリット１
１，１２には永久磁石１３が埋め込まれている。回転子
鉄心５の軸方向の適宜箇所（図１１では２箇所）には回
転子鉄心５の断面形状に合った形状のステンレス板１４
（図１４参照）が挿入され、永久磁石１３はステンレス
板１４に形成されたスリット１５に保持されて遠心力強
度が保たれている。このように磁石埋込形の回転子８
は、ステンレス板１４を挿入することにより遠心力強度
を向上させ、高速回転に対応させている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記従来
技術に係る永久磁石式回転機の回転子８は、永久磁石の
遠心力強度を保つために装着した補強リング１０やステ
ンレス板１４の存在によって、等価的エアギャップを増
大させたり、有効鉄心長の減少等を生じさせたりして、
電気特性的には好ましくないものであった。

【０００６】従って本発明は上記状況に鑑みてなされた
もので、電気特性を低下させることなく遠心力強度を向
上させた永久磁石式回転機の回転子を提供することを目
的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明の第１の構成は、周方向に所定の間隔を有し且つ回転
軸方向に沿って設けられた主磁石用溝と、前記主磁石用
溝間に占位し且つ回転軸方向に沿って設けられた補助磁
石用溝とを有し、表面と前記補助磁石用溝の先端部との
間及び前記主磁石用溝の両端部と前記補助磁石用溝の基
端部との間には接続部が確保されて周方向及び径方向に
一体的に連続した鉄心と、磁極の方向が前記鉄心の径方
向に沿い且つ前記鉄心表面側の磁極が隣同士相異なるよ
うにして前記主磁石用溝に嵌装した永久磁石である主磁
石と、磁極の方向が前記鉄心の周方向に沿い且つ一方の
磁極とこの一方側に占位する主磁石の前記鉄心表面側の
磁極とが同極となるようにして前記補助磁石用溝に嵌装
した永久磁石である補助磁石とを有して構成したことを
特徴とする。

【０００８】また第２の構成は、上記第１の構成におい
て、鉄心の外周部にこの鉄心の周方向に所定の間隔を有
し且つ回転軸方向に沿ってダンパ用溝を設け、これらの
ダンパ溝中に占位する導体部とこれらの導体部の両端を
各々短絡する他の導体部とによって一体的に形成したダ
ンバ巻線を備えたことを特徴とする。

【０００９】また第３の構成は、上記第１又は第２の構
成において、同極となる主磁石及びこれらの主磁石を嵌
装するための主磁石用溝を削除した構成であることを特
徴とする。

【００１０】また第４の構成は、上記第１又は第２の構
成において、主磁石を回転軸方向に２分割して回転軸方
向の一方側からはＳ極となる主磁石及びこれらの主磁石
を嵌装するための主磁石用溝を削除し且つ他方側からは
Ｎ極となる主磁石及びこれらの主磁石を嵌装するための
主磁石用溝を削除した構成であることを特徴とする。

【００１１】また第５の構成は、上記第１、第２、第３
又は第４の構成において、主磁石用溝を鉄心表面側に凸
の円弧状とし、前記主磁石用溝の中央部と前記鉄心表面
との間の鉄心幅と、前記主磁石用溝の両端部と補助磁石
用溝の基端部との間の鉄心幅と、前記補助磁石用溝の先
端部と前記鉄心表面との間の鉄心幅とを略同一の寸法と
したことを特徴とする。

【００１２】また第６の構成は、上記第１、第２、第
３、第４又は第５の構成において、極部のエアギャップ
が極間部のエアギャップよりも小さくなるよう鉄心の外
周部に凹凸を設けたことを特徴とする。

【００１３】

【作用】上記第１、第２、第３、第４、第５又は第６の
構成の本発明によれば、主磁石によって各極の主磁束が
得られ、しかも補助磁石の漏れ磁束が接続部を通ること
によってこの接続部を磁気的に飽和させることにより、
主磁石の磁束が接続部を通って流れるのを防止して主磁
束が低下するのを防止する。また鉄心が周方向及び径方
向に連続した一体のものであるため、遠心力強度が高
く、他の補強部材を要しない。従って鉄心表面が回転子
の表面になり、また有効鉄心長が減少されない。

【００１４】また上記第２の構成の本発明によれば、ダ
ンパ巻線による制動作用を有する。

【００１５】また上記第４の構成の本発明によれば、ハ
イブリッド励磁形回転子として作用する。

【００１６】また上記第５の構成の本発明によれば、主
磁石用溝の中央部と鉄心表面との間の鉄心幅と、主磁石
用溝の両端部と補助磁石用溝の基端部との間の鉄心幅
と、補助磁石用溝の先端部と鉄心表面との間の鉄心幅と
が略同一であるため、ｄ軸磁束とｑ軸磁束の通路の最小
断面が略同一となり、ｄ軸リアクタンスとｑ軸リアクタ
ンスとが略同一となる。

【００１７】また上記第６の構成の本発明によれば、ギ
ャップ磁束分布が方形波状から正弦波状となる。

【００１８】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づき詳細に
説明する。

【００１９】図１は本発明の第１実施例に係る永久磁石
式回転機の回転子を示す断面図、図２は図１に示す回転
子の一極当りの磁束の状態を示す説明図である。

【００２０】図１に示すように、本第１実施例に係る回
転子２７は、鉄心２１に設けられた主磁石用溝２３及び
補助磁石用溝２２に永久磁石である主磁石２６及び補助
磁石２５を各々嵌装して構成されている。

【００２１】即ち、主磁石用溝２３は、断面が鉄心２１
の周方向（以下単に周方向という）に長く且つ緩やかに
湾曲すると共に、回転軸２４の軸方向（以下単に軸方向
という）に沿って形成された瓦形状の溝であって、周方
向に等間隔で８箇所設けられている。そして、これらの
主磁石用溝２３に、これらと同形で磁極の方向が鉄心２
１の径方向（以下単に径方向という）に沿い且つ鉄心表
面側の磁極が相異なる主磁石２６が周方向に交互に占位
するよう各々嵌装されている。

【００２２】また補助磁石用溝２２は、断面が径方向に
長い長方形であると共に、軸方向に沿って形成された直
方体状の溝であって、各主磁石用溝２３間に各々設けら
れている。そして、これらの補助磁石用溝２２に、これ
らと同形で磁極の方向が周方向に沿う補助磁石２５がそ
の一方の磁極とこの一方側に占位する主磁石２６の鉄心
表面側の磁極とが同極となるようにして各々嵌装されて
いる。しかも補助磁石用溝２２の先端部と鉄心２１の表
面との間には接続部Ａが確保され、補助磁石用溝２２の
基端部と主磁石用溝２３の両端部との間には接続部Ｂが
確保されている。

【００２３】従って上記構成の回転子２７は、図２に示
すように（Ｎ極の場合を示す。Ｓ極の場合には磁束の方
向が逆になる。）、各主磁石２６の磁束を主磁束φ₀ と
する８極の回転子であって、しかも磁気特性に優れてい
る。即ち、補助磁石２５の漏れ磁束φ₁ ，φ₂ が接続部
Ａ，Ｂを通ることによってこれらの接続部Ａ，Ｂを磁気
的に飽和することにより、主磁石２６の磁束がこれらの
接続部Ａ，Ｂを通って流れるのを防止するため、主磁石
２６の磁束が有効にエアギャプを通り、主磁束φ₀ の低
下を防止してギャップ磁束密度を高めることができる。
つまり、単に隣極との接続部を確保しただけでは、この
接続部を通って主磁石２６の磁束が流れることにより主
磁束φ₀ が低下してしまうため、かかる主磁束φ₀ の低
下を防止すべく補助磁石２５が各主磁石２６間に設けら
れている。

【００２４】また接続部Ａ，Ｂを確保することによって
鉄心２１を周方向及び径方向に連続する一体のものとし
たため、遠心力に対する強度が高い。従って回転子２７
は、従来のような補強リング１０（図１２）やステンレ
ス板１４（図１１，図１４）のような補強部材を要する
ことなく高速回転が可能である。そして、補強リング１
０やステンレス板１４が不要であることから、鉄心２１
の表面がそのまま回転子２７の表面になるため、エアギ
ャップを小さくして磁束密度を高めることができ、また
有効鉄心長が減少することもない。

【００２５】また主磁石２６及び補助磁石２５が鉄心２
１の内部に嵌装されているため、これらの磁石２６，２
５が破損しても特に問題はない。

【００２６】図３は、本発明の第２実施例に係る永久磁
石式回転機の回転子を示す断面図である。同図に示すよ
うに、本第２実施例に係る回転子２７′は、図１に示す
鉄心２１に代えて鉄心２１′を備えたものであり、この
鉄心２１′は鉄心２１の外周部に多数のダンパ溝２８を
等間隔に設けた形状のものである。そしてアルミダイキ
ャストや、銅バーとエンドリング等により、ダンパ溝２
８中に占位する導体部（銅バー等）とこれらの導体部の
両端を各々短絡する他の導体部（エンドリング等）によ
ってダンパ巻線を構成する。従って上記構成の回転子２
７′は、上記の回転子２７と同様の作用効果を有すると
共に、ダンパ巻線による制動作用をも有する。

【００２７】図４は、本発明の第３実施例に係る永久磁
石式回転機の回転子を示す断面図である。同図に示すよ
うに、本第３実施例に係る回転子２７′′は図１に示す
鉄心２１に代えてこの鉄心２１から同極（図４ではＳ
極）の主磁石用溝２３を削除した形状の鉄心２１′′を
備えると共に同極の主磁石２６を削除した構成ものであ
る。この回転子２７′′は、図４中に矢印で示すような
磁束分布となり、上記の回転子２７と比較して磁束の量
は減少するが、上記の回転子２７と同様の作用効果を有
する永久磁石式の回転子である。

【００２８】図５は、本発明の第４実施例に係る永久磁
石式回転機の回転子を示す斜視図である。同図に示すよ
うに、本第４実施例に係る回転子２７′′′′は図１に
示す回転子２７において、主磁石２６を軸方向に２分割
して軸方向の一方側からはＳ極となる主磁石２６及びこ
れらの主磁石２６を嵌装するための主磁石用溝２３を削
除し（即ち鉄心表面側がＮ極の主磁石２６′′′′を鉄
心２１′′′′の一方側の主磁石用溝２３′′′′に嵌
装し）且つ他方側からはＮ極となる主磁石２６及びこれ
らの主磁石２６を嵌装するための主磁石用溝２３を削除
した（即ち鉄心表面側がＳ極の主磁石２６′′′′を鉄
心２１′′′′の他方側の主磁石用溝２３′′′′に嵌
装した）構成のものである。従って回転子２７′′′′
は主磁石２６′′′′によって、軸方向の一方側にＮ極
のみを有し且つ他方側にＳ極のみを有する。このため上
記構成の回転子２７′′′′は、上記の回転子２７と同
様の作用効果を有すると共に、図５に示すように固定子
（図示せず）に設けた励磁巻線２８に直流電流Ｉを流す
ことによって前記一方側のＮ極間にＳ極を発生させ且つ
前記他方側のＳ極間にＮ極を発生させることにより、ハ
イブリッド励磁形用の回転子として機能する。

【００２９】なお上記の各実施例では、主磁石２６，２
６′′′′及び主磁石用溝２３，２３′′′′が瓦形状
のものであるが、必ずしもこれに限定するものではなく
他の形状のものであってもよい。例えば図６（ａ），
（ｂ）に示すような断面が長方形のもの（２６′，２
３′）や台形のもの（２６′′，２３′′）であっても
よい。また図７に示すように、鉄心２１′′′に端部を
丸くした（Ｒをつけた）主磁石用溝２３′′′及び補助
磁石用溝２２′′′を設け、これらに端部を丸くした主
磁石２６′′′及び補助磁石２５′′′を各々嵌装して
もよい。このように端部にＲを付けることにより、図７
中のａ部やｂ部への応力集中が緩和される。

【００３０】図８は本発明の第５実施例に係る永久磁石
式回転機の回転子を示す断面図、図９は図８に示す回転
子の一極を抽出して示す説明図であって（ａ）はｄ軸磁
束の状態を示し（ｂ）はｑ軸磁束の状態を示す。本第５
実施例に係る回転子３７は、鉄心３１に設けられた主磁
石用溝３３及び補助磁石用溝３２に永久磁石である主磁
石３６及び補助磁石３５を各々嵌装して構成されてい
る。

【００３１】即ち、主磁石用溝３３は、断面が図１に示
す主磁石用溝２３よりも更に大きく湾曲した円弧状の溝
であって、主磁石用溝２３と同様に鉄心３１の周方向
（以下単に周方向という）に等間隔で８箇所設けられて
おり、そしてこれらの主磁石用溝３３に、これらと同形
で磁極の方向が鉄心３１の径方向に沿い且つ鉄心表面側
の磁極が相異なる主磁石３６が周方向に交互に占位する
よう各々嵌装されている。また補助磁石用溝３２は、断
面が図１に示す補助磁石用溝２２よりも少し短い溝であ
って、補助磁石用溝２２と同様に各主磁石用溝３３間に
各々設けられており、そしてこれらの補助磁石用溝３２
に、これらと同形で磁極の方向が周方向に沿う補助磁石
３５がその一方の磁極とこの一方側に占位する主磁石３
６の鉄心表面側の磁極とが同極となるようにして各々嵌
装されている。かくして主磁石用溝３３の中央部と鉄心
３１の表面との間の鉄心幅ｄ₁ と、主磁石用溝３３の両
端部と補助磁石用溝３２の基端部との間の鉄心幅ｄ
₂ と、補助磁石用溝３２の先端部と鉄心３１の表面との
間の鉄心幅ｄ₃ とを略同一で且つ容易に磁気飽和する寸
法をとしている。

【００３２】従って上記構成の回転子３７は、上記の回
転子２７と同様の作用効果を有すると共に、鉄心幅
ｄ₁ ，ｄ₂ ，ｄ₃ を略同一で且つ容易に磁気飽和する寸
法としたことにより、次のような作用効果を有する。

【００３３】即ち、機械的には、各極部の鉄心量が減少
し、回転子３７を高速で回転させた際に鉄心３１の応力
集中部に作用する応力が軽減され、また主磁石３６にか
かる応力が軽減される。電気的には、図９（ａ），
（ｂ）に示すように、電機子電流によるｄ軸磁束φ_d と
ｑ軸磁束φ_q の通路の最小断面の寸法が略同一となり、
またこれらの通路が容易に磁気飽和するため、ｄ軸リア
クタンスとｑ軸リアクタンスとが略同一となり、また小
さな値となる。このため制御性が向上する。

【００３４】図１０は、本発明の第６実施例に係る永久
磁石式回転機の回転子を示す要部断面図である。同図に
示すように、本第６実施例に係る回転子３７′は、図８
に示す鉄心３１に代えて鉄心３１′を備えたものであ
り、この鉄心３１′は極部のエアギャップ（回転子３
７′と固定子３８とのギャップ）δ₀ が極間部のエアギ
ャップδ₁ よりも小さくなるよう鉄心３１の外周部に凹
凸を設けた形状のものである。

【００３５】従って上記構成の回転子３７′は、上記の
回転子３７と同様の作用効果を有すると共に、極部のエ
アギャップδ₀ を極間部のエアギャップδ₁ よりも小さ
くしたことにより、ギャップ磁束分布が方形波状から正
弦波状となる。従って更に磁気特性が向上する。

【００３６】なお、上記の各実施例における回転軸２
４，３４の材質は通常の構造用炭素鋼でよい。また上記
の各実施例では８極の場合について示したが、勿論これ
に限定するものではなく、何極であってもよい。

【００３７】

【発明の効果】以上実施例と共に具体的に説明したよう
に本発明によれば、主磁石によって各極の主磁束が得ら
れ、しかも補助磁石の漏れ磁束によって鉄心の接続部を
磁気飽和させることにより主磁石の磁束が接続部を通っ
て流れるのを防止することができるめ、主磁束の低下を
防止してギャップ磁束密度を高めることができる。また
鉄心が接続部によって接続された一体のものであって高
い遠心力強度を有するため、従来のような補強リングや
ステンレス板といった補強部材を要することなく、高速
回転が可能である。そして前記補強部材が不要であるこ
とから、エアギャップを小さくして磁束密度を高めるこ
とができると共に、有効鉄心長を減少させることがな
い。更には主磁石及び補助磁石が鉄心内部に嵌装されて
いるため、これらの磁石が破損しても特に問題はない。
またダンパ巻線を設けたことによって制動作用を有し、
一方側をＮ極のみとし他方側をＳ極のみとすることによ
ってハイブリッド励磁形の回転子とすることができる。

【００３８】また主磁石を円弧状とし、主磁石用溝の中
央部と鉄心表面との間の鉄心幅と、主磁石用溝の両端部
と補助磁石用溝の基端部との間の鉄心幅と、補助磁石用
溝の先端部と鉄心表面との間の鉄心幅とを略同一の寸法
としたことにより、応力が軽減されると共に、ｄ軸リア
クタンスとｑ軸リアクタンスとが略同一となって制御性
が向上する。

【００３９】また極部のエアギャップを極間部のエアギ
ャップよりも小さくしたことにより、ギャップ磁束分布
が方形波状から正弦波状になり、更に磁気特性が向上す
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例に係る永久磁石式回転機の
回転子を示す断面図である。

【図２】図１に示す回転子の一極当りの磁束の状態を示
す説明図である。

【図３】本発明の第２実施例に係る永久磁石式回転機の
回転子を示す断面図である。

【図４】本発明の第３実施例に係る永久磁石式回転機の
回転子を示す断面図である。

【図５】本発明の第４実施例に係る永久磁石式回転機の
回転子を示す斜視図である。

【図６】主磁石の他の形状例を示す断面図である。

【図７】主磁石及び補助磁石の他の形状例を示す断面図
である。

【図８】本発明の第５実施例に係る永久磁石式回転機の
回転子を示す断面図である。

【図９】図８に示す回転子の一極を抽出して示す説明図
であって（ａ）はｄ軸磁束の状態を示し（ｂ）はｑ軸磁
束の状態を示す。

【図１０】本発明の第６実施例に係る永久磁石式回転機
の回転子を示す断面図である。

【図１１】永久磁石式回転機の全体構成図である。

【図１２】磁石貼付形の回転子を示す断面図である。

【図１３】磁石埋込形の回転子を示す断面図である。

【図１４】ステンレス板の正面図である。

【符号の説明】

２１，２１′，２１′′，２１′′′，２１′′′′，
３１，３１′ 鉄心 ２２，２２′′′，３２ 補助磁石用溝 ２３，２３′，２３′′，２３′′′，２３′′′′，
３３ 主磁石用溝 ２４，３４ 回転軸 ２５，２５′′′，３５ 補助磁石 ２６，２６′，２６′′，２６′′′，２６′′′′，
３６ 主磁石 ２７，２７′，２７′′，２７′′′，３７，３７′
回転子 ２８ 励磁巻線 Ａ，Ｂ 接続部 ｄ₁ ，ｄ₂ ，ｄ₃ 鉄心幅 Ｉ 直流電流 δ₀ ，δ₁ エアギャップ φ₀ 主磁束 φ₁ ，φ₂ 漏れ磁束

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 周方向に所定の間隔を有し且つ回転軸方
   向に沿って設けられた主磁石用溝と、前記主磁石用溝間
   に占位し且つ回転軸方向に沿って設けられた補助磁石用
   溝とを有し、表面と前記補助磁石用溝の先端部との間及
   び前記主磁石用溝の両端部と前記補助磁石用溝の基端部
   との間には接続部が確保されて周方向及び径方向に一体
   的に連続した鉄心と、 磁極の方向が前記鉄心の径方向に沿い且つ前記鉄心表面
   側の磁極が隣同士相異なるようにして前記主磁石用溝に
   嵌装した永久磁石である主磁石と、 磁極の方向が前記鉄心の周方向に沿い且つ一方の磁極と
   この一方側に占位する主磁石の前記鉄心表面側の磁極と
   が同極となるようにして前記補助磁石用溝に嵌装した永
   久磁石である補助磁石とを有して構成したことを特徴と
   する永久磁石式回転機の回転子。
2. 【請求項２】 請求項１に記載する永久磁石式回転機の
   回転子において、 鉄心の外周部にこの鉄心の周方向に所定の間隔を有し且
   つ回転軸方向に沿ってダンパ用溝を設け、これらのダン
   パ溝中に占位する導体部とこれらの導体部の両端を各々
   短絡する他の導体部とによって一体的に形成したダンバ
   巻線を備えたことを特徴とする永久磁石式回転機の回転
   子。
3. 【請求項３】 請求項１又は２に記載する永久磁石式回
   転機の回転子において、 同極となる主磁石及びこれらの主磁石を嵌装するための
   主磁石用溝を削除した構成であることを特徴とする永久
   磁石式回転機の回転子。
4. 【請求項４】 請求項１又は２に記載する永久磁石式回
   転機の回転子において、 主磁石を回転軸方向に２分割して回転軸方向の一方側か
   らはＳ極となる主磁石及びこれらの主磁石を嵌装するた
   めの主磁石用溝を削除し且つ他方側からはＮ極となる主
   磁石及びこれらの主磁石を嵌装するための主磁石用溝を
   削除した構成であることを特徴とする永久磁石式回転機
   の回転子。
5. 【請求項５】 請求項１，２，３又は４に記載する永久
   磁石式回転機の回転子において、 主磁石用溝を鉄心表面側に凸の円弧状とし、前記主磁石
   用溝の中央部と前記鉄心表面との間の鉄心幅と、前記主
   磁石用溝の両端部と補助磁石用溝の基端部との間の鉄心
   幅と、前記補助磁石用溝の先端部と前記鉄心表面との間
   の鉄心幅とを略同一の寸法としたことを特徴とする永久
   磁石式回転機の回転子。
6. 【請求項６】 請求項１，２，３，４又は５に記載する
   永久磁石式回転機の回転子において、 極部のエアギャップが極間部のエアギャップよりも小さ
   くなるよう鉄心の外周部に凹凸を設けたことを特徴とす
   る永久磁石式回転機の回転子。