JPH11308831A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 永久磁石式回転子を備えた回転電機におい
て、回転子の永久磁石の使用量を節約した場合でも従来
と略同等の磁束量（トルク）が得られる回転電機を提供
する。 【解決手段】 界磁用の永久磁石を配した回転子の磁極
数と１歯の周りを巻き回す集中巻により巻回されてなる
固定子巻線のスロット数との比率が２対３である１２０
度通電方式の回転電機であって、前記回転子の１磁極の
磁束を電気角で４０〜１００度に集中することを特徴と
する回転電機。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、界磁用の永久磁石
を配した回転子（以後、永久磁石式回転子という）を備
えた１２０度通電方式の回転電機（モータ、発電機等）
に関する。

【０００２】

【従来の技術】まず１２０度通電方式の永久磁石式回転
子を有するモータのトルク発生原理から説明する。内部
抵抗ｒの電動機に電圧Ve(V)を印加し、電流Ｉが流れ、
電動機が回転数Ｒ(rad)で回転しており、電動機内部で
逆起電圧e(V)が発生している場合の電圧方程式は以下の
通りである。 Ｖｅ＝Ｉｒ＋ｅ （１） ここで、電動機の機械的出力をＷoとすると、次式が成
り立つ。 Ｗｏ＝ｅ・Ｉ （２） この数式は、多数の巻き線を有する電動機において、例
えば１つの巻き線Ａを取り出して考えた場合に機械的出
力、逆起電圧、電流を巻き線Ａ単体に当てはめて考えて
も同様に成立する。一方、巻き線Ａに鎖交する磁束を
Φ、巻き線Ａに発生する逆起電圧をｅ_Aとすると、次式
が成り立つ。 ｅ_A＝−（ｄФ／ｄｔ） （３） また、出力Ｗｏは出力トルクと角速度で表され、その関
係式は次式である。 Ｗｏ＝トルク（Ｎｍ）ｘ角速度（ｒａｄ） よって、巻き線Ａによって発生するトルクをＴ（Ｎ
ｍ）、角速度をＲ（ｒａｄ）とした場合に瞬間的に発生
するトルク、回転数は鎖交磁束量および電流で次式のよ
うに表される。 Ｔ・Ｒ＝ｅ・Ｉ＝−（ｄФ／ｄｔ）・Ｉ （４） また、時間を回転角radに変換して考えるとき、角速度
は角度の時間微分であるため、次式が成り立つ。 (ｄФ／ｄｔ)＝(ｄФ／drad)・(drad／ｄｔ)＝(ｄФ／drad)・Ｒ （５） この式（４）を式（５）に代入することにより、巻き線
Ａが発生するトルクは次式で表せる。 Ｔ＝−（ｄФ／drad）・Ｉ （６） 今、三相スター結線を有する、いわゆる１２０度通電方
式を採用した電動機を考えると、巻き線Ａの通電期間、
電気角で表すと1/6πから5/6πの間ではほぼ電流は一定
であると考えて良い。この一定の電流をＩｃとする。こ
のため、巻き線Ａの通電期間で発生トルクＴを積分する
と、次の関係式が導かれる。

【０００３】

【数１】

【０００４】すなわち、１つの巻き線が１通電期間に出
すトルクの積分値は通電開始時点の鎖交磁束量と通電終
了時点の鎖交磁束量との差に比例することが明らかにな
った。

【０００５】この概念を、固定子スロット数と回転子磁
極数との比率が３：２であり、かつ巻き線が固定子歯に
集中巻きされた１２０度通電方式の電動機に当てはめて
みる。図６に回転子５０の磁極数が４極、固定子９５が
６スロットの従来の回転電機の要部断面図を示す。図７
は図６の電動機における１２０度通電方法を説明する図
である。回転子５０は、永久磁石１００が外周面に配置
された表面磁石型の回転子である。１２０度通電方式を
採用しているため、固定子歯のある１つ（図７のＡ）に
注目すると、固定子歯Ａの中心と回転子５０の永久磁石
１００の磁極中心とが電気角で３０度（機械角で１５
度）の角度をなした時点で通電が開始される。通電後、
回転子５０が回転して図７の固定子歯Ｂの中心と前記永
久磁石１００の磁極に隣り合う永久磁石の磁極の中心と
が電気角で−３０度（機械角で−１５度）の角度をなし
た時点で通電が停止される。なお、実際には回転子５０
が回転しているが、説明のために図７では便宜的に固定
子９５の歯が回転子５０に対して相対回転した状態で示
した。前記の固定子歯Ａの位置にある場合には、永久磁
石１００の１磁極の範囲内に固定子歯Ａのギャップ対向
面Ａ１がすべて入っており、固定子歯Ａの中心がこの位
置よりも前記回転子５０の磁極の中心側に移動したとし
ても、この固定子歯Ａ内部の磁束量増加はあまり望めな
い。前記固定子歯Ｂの位置にある場合でも、このことは
同様である。なお、１２０度通電方式は、限られた通電
期間で有効に出力トルクを発生することができる合理的
かつ有効な通電方法であるといえる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、図７からわか
るように、固定子歯Ａの通電開始位置から離れた位置
の、図７においてＣで表した電気角で６０度分の永久磁
石１００の磁極から発生する磁束は有効に利用されてい
ない。すなわち、固定子９５の歯に巻かれた巻き線に回
転子５０の磁極と反発する電流が流れた場合には前記巻
き線と前記磁極のＣ部分から発生する磁束とは鎖交しな
い。よって、前記Ｃで表わした電気角の磁極部分からの
磁束はトルク発生には寄与しない。このように回転子の
全角度にわたって永久磁石を配置する回転子構造は永久
磁石からの発生磁束を十分に活用しているとはいえず、
高価な永久磁石の使用量増加により回転電機のコストを
増大させる問題がある。なお、前記図６、図７の従来の
回転電機において回転子の永久磁石１００の１磁極（極
弧率）が１８０度の場合には、固定子９５の歯と回転子
５０の磁極との間のギャップ９８における磁束密度をｂ
２とすると、固定子９５の歯に集中巻きされているｎタ
ーンの巻き線を鎖交する磁束量の角度当たりの変化量
は、前記巻き線が巻かれている歯が前記巻き線通電開始
時点において前記回転子５０の磁極に対する対向面積が
減少すること、および前記巻き線通電開始時点において
対向していない回転子５０の磁極に対する対向面積が増
加することが加わり、 (磁束密度ｂ２)×(軸方向長さ)×(ギャップ直径)×π／
2π×2×ｎ（単位はWb/rad） （８）で表される。

【０００７】いわゆる分布巻線を採用しているモータに
おいては、例えば特開平９−９５３７のように、永久磁
石式回転子の磁束を電気角で１２０度に集中することが
提案されている。しかし、従来の表面磁石型磁石回転子
においては図８に示すように両端が平行であるアーク状
の永久磁石２００を表面に配する場合が多く、実質的に
永久磁石２００の磁極幅は電気角で１４０度近くまで下
がっている場合が多かった。すなわち電気角で１２０度
に磁極を制限しても回転子１５０の永久磁石２００の有
効利用が十分ではなく、回転電機の構成部品として高価
な永久磁石の発する磁束が十分に活用されていなかっ
た。

【０００８】したがって、本発明の課題は、永久磁石式
回転子を備えた回転電機において、回転子の永久磁石の
使用量を節約した場合でも従来と略同等の磁束量（トル
ク）が得られる回転電機を提供することである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決した本発
明は、界磁用の永久磁石を配した回転子の磁極数と１歯
の周りを巻き回す集中巻により巻回されてなる固定子巻
線のスロット数との比率が２対３であり、かつ前記固定
子巻線に１２０度通電方式で通電する方式の回転電機で
あって、前記回転子の１磁極内の磁束を電気角で４０〜
１００度に集中する回転電機である。前記回転子の１磁
極内の磁束を電気角で５０〜８０度に集中することがさ
らに好ましい。

【００１０】本発明の回転電機に備えられる永久磁石式
回転子としては、例えば回転子表面に界磁用永久磁石を
配置する表面磁石型、回転子の高速回転時の遠心力によ
り表面磁石型回転子の界磁用永久磁石が表面から剥離す
ること等を防止するために前記界磁用永久磁石のギャッ
プ側に金属（合金）あるいはプラスチックやゴムで形成
した円筒状のカバー（キャン）を設けたカバー付きの表
面磁石型回転子、強磁性体を主とした回転子コアの内部
に界磁用永久磁石を配設する内部磁石型回転子の構成等
を採用できる。このうち、より好ましいのは内部磁石型
回転子の構造であって、界磁用永久磁石の１磁極の断面
積を前記内部磁石型回転子の１磁極（１突極）の角度
（電気角で４０〜１００度）に相当する断面積よりも大
とした場合である。

【００１１】本発明には公知の永久磁石を用いることが
できる。例えば、Ｒ₂Ｔ₁₄Ｂ金属間化合物（ＲはＮｄおよ
び／またはＤｙを主体とし、かつＹを含む希土類元素の
１種または２種以上、ＴはＦｅまたはＦｅとＣｏ）を主
相としたＲ−Ｔ−Ｂ系希土類磁石、Ｒ’Ｃｏ₅、Ｒ’Ｔ
₁₇また（Ｒ’はＳｍを主体とし、かつＹを含む希土類元
素の１種または２種以上、ＴはＣｏ，Ｆｅ．Ｃｕを必ず
含みさらにＺｒ，Ｈｆ．Ｔｉの１種または２種以上を含
む）を主相とするＲ’−Ｃｏ系希土類磁石、フェライト
磁石およびこれらの磁石粉末をバインダーで結着したボ
ンド磁石等を用いることができる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の具体的な態様を説
明する。図１（ａ）に本発明の回転電機の一態様を示す
要部断面図を、図１（ｂ）に１２０度通電を説明する図
を示す。以下、角度は特に説明を加えない場合は電気角
を意味する。図１において、永久磁石１の極弧率、すな
わち永久磁石１の回転方向の１磁極角度を電気角で６０
度としている。よって、通電開始時点の固定子歯１０は
回転子５の永久磁石１の磁極全面に対向しており、反時
計方向に回転するに従い両者の対向面積が減少する。図
１（ｂ）の位置から回転子が６０度反時計方向に回転し
た時点で、固定子歯１０の中心は隣り合う永久磁石１、
２の磁極間の中心に位置し、固定子歯１０の対向先端１
０ａは回転子５のいずれの磁極とも対向しない位置にあ
る。さらに回転子５が回転するに従い、固定子歯１０回
転子５の永久磁石２の磁極に対向し始める。図１の本発
明の回転電機においては、固定子歯に集中巻きされてい
るｎターンの巻き線を鎖交する磁束量の角度当たりの変
化量は、ｂ１をギャップ７における磁束密度とすると、
式（８）と同様にして、 (磁束密度ｂ１)×(軸方向長さ)×(ギャップ直径)×π／
2π×ｎ (単位はWb/rad) (9) で表される。 次に、上記従来の式（８）と本発明の図１の場合の式
（９）との比較から、巻き線を鎖交する磁束量の角度当
たりの変化量、すなわちそれと比例関係にあるトルクの
大きさは、式（９）（図１）は式（８）（図６、図７）
の略半分となる。次に、図１の回転電機の永久磁石の総
使用量は、従来の図６、図７の回転電機の永久磁石の総
使用量に対し、３分の１に抑えることができる。よっ
て、図１と図６、図７の回転電機において、前記巻き線
を鎖交する磁束量の角度当たりの変化量（トルク）の値
および永久磁石の総使用量の比較から、図１の構成によ
れば、図６、図７の構成に比較して、永久磁石重量当た
りの発生トルクを１．５倍に増加することができる。

【００１３】なお、図１の回転電機の場合、瞬間的では
あるが固定子歯が隣り合う回転子の磁極のいずれとも対
向しない状態の回転角度があるため、回転トルク発生に
脈動を生ずることが考えられる。特に、固定子の歯同士
で巻き線が発生する磁界が回り込むことを防ぎ、かつ巻
き線のスロットへの挿入を容易にするために、固定子歯
の先端同士はある程度の間隔を置いて形成されるのが一
般的である。この場合は回転トルクの脈動がさらに顕著
になる。回転トルクの脈動を抑え、回転電機の回転を滑
らかにするために、回転子の永久磁石の１磁極の角度
（極弧率）を大きくすることが有効である。回転子と対
向する固定子歯の先端の幅寸法に対し、その幅寸法の約
半分の開口部を設けることが広く行われており、その場
合に固定子歯の先端は角度で表すと８０度となる。ま
た、その場合のスロットの開口角度は約４０度となるこ
とから、回転子の１磁極の角度（極弧率）は最大で１０
０度を確保することがよい。近年、巻き線技術の向上に
よって、前記開口の形成比率を低くすることが可能とな
り、スロットの開口角度が約１０度の固定子も広く採用
されてきている。よって、回転子の１磁極の角度（極弧
率）を最大で８０度に抑えればトルク変動をより小さく
抑えることが可能であり、さらに望ましい。なお、本発
明の回転電機には、例えば図２に示すように回転子２０
に磁化容易軸方向が揃った永久磁石２１を配置したも
の、図３（ａ）に示すように回転子２５に磁化容易軸方
向が広がった永久磁石２６を配置したものを配置するこ
とができる。特に、図３（ａ）の場合には、永久磁石２
６の１磁極幅を６０度よりも小さく絞り、永久磁石２６
の磁化容易軸方向を回転子２５の半径が大きくなるに従
い、図３（ｂ）に示すように外側に広がるような角度
（永久磁石２６の中心からその外周面２６ａと端面２６
ｂとが交差する位置Ｐまでの領域において広がり角度θ
が機械角で４５度以下）にすることにより、永久磁石２
６の１磁極を６０度未満（例えば、４０度以上、あるい
は５０度以上）にすることができる。また、図示のよう
に、固定子歯２８の先端の両端２８ａに磁束が集中する
傾向にあることも回転子２５の１磁極を４０度以上に設
定できる理由の１つである。

【００１４】図４に本発明の回転電機の他の態様を示
す。図４の回転電機では、強磁性体からなる回転子コア
４２の内部に板状の永久磁石４１を配して外周面に対称
４極の磁極を形成した内部磁石型回転子４０を備えてい
る。この回転子４０は磁路を構成する回転子コア４２に
機械角で９０度間隔で突部（突極）４３を設けた構造で
ある。固定子の歯４８と回転子４０の前記突部（突極）
４３と間のエアギャップ４６の厚みを調整して、電気角
で６０度の範囲で前記突部（突極）４３に永久磁石４１
からの磁束を集中させる構成とした。図４の構成によれ
ば、各永久磁石４１の断面積（ハッチした部分）を各突
極４３の断面積（ダブルハッチした部分）よりも大きく
することにより、回転子４０の１磁極（突極４３）の角
度を電気角で４０〜１００度にして界磁用永久磁石の使
用量を減らした場合、１磁極角度（極弧率）１８０度の
従来の回転電機と略同等のトルクを発生できる実用性に
富むものである。

【００１５】（実施例）図８の比較例の回転電機および
図１、図４の本発明の回転電機において、各々について
任意の固定子歯に鎖交する磁束量と回転子の回転角度
（機械角）との相関データを測定し正規化した結果を図
５に示す。なお、図８の比較例の回転電機では１磁極の
極弧幅を機械角で７２度、電気角で１４４度とした。こ
の理由は、図８に示された両端面が平行な扇形の永久磁
石２００を配して対称４極の回転子１５０を構成した場
合、その実質的な磁極幅が機械角で９０度ということは
あり得ず、機械角で正味７０度前後のものが多用されて
いることを考慮したためである。図５は、前記本発明お
よび比較例の回転電機における１固定子歯を通る磁束量
を、前記比較例の回転電機の通電開始角における磁束量
対比で正規化している。内部磁石型回転子でかつ電気角
６０度に回転子の１磁極内の磁束を集中させた図４の実
施例の回転電機（◆）では、固定子歯の通電開始角度お
よび終了角度において、図８の比較例の回転電機（△）
とほぼ同等な磁束量を示した。かつ、通電部分での磁束
量変化のカーブも比較例（△）に比べて直線的であるの
で、トルクリップルの小さい回転電機（モータ、発電
機）を実現できるという別の利点もある。表面磁石型回
転子の構成でかつ１磁極幅を６０度とした図１の実施例
の回転電機の場合（■）、比較例（△）に比べて通電開
始角度および終了角度において比較例（△）に対して約
６６％と２／３の磁束量を得ることができた。式（８）
と式（９）との比較によれば、磁束量が略半分に低下す
るはずであったが、この相違は１磁極幅が機械角で９０
度とされていたためと判断される。

【００１６】図９に本発明の回転電機のさらに他の態様
を示す。図９の回転電機では、強磁性体からなる回転子
コア２４２の内部に板状の永久磁石２４１を配置し、か
つ回転子コア２４２の外周面に等間隔で永久磁石２４３
を配置することで、対称４極の磁極を形成した内部磁石
型回転子２４０を備えている。この回転子２４０は磁路
を構成する回転子コア２４２の外周面に機械角で９０度
間隔で永久磁石からなる突部（突極）２４３を設けた構
造である。固定子の歯２４８と回転子２４０の前記突部
（突極）２４３との間のエアギャップ２４６の厚みを調
整して、電気角で６０度の範囲で前記突部（突極）２４
３に永久磁石２４１からの磁束を集中させる構成とし
た。図９の構成によれば、各板状永久磁石２４１の断面
積を各突極を構成する略かまぼこ形の永久磁石２４３の
断面積よりも大きくし、かつ各突極２４３が永久磁石か
らなるので、図４の回転電機に比べてエアギャップ２４
６における磁束密度分布を大にすることができ、回転電
機の高性能化に好適である。

【００１７】

【発明の効果】１磁極の磁束を４０〜１００度の狭い角
度範囲に集中させた永久磁石式回転子を配した本発明の
回転電機は、１磁極の磁束を１００度を越えた大きな角
度範囲に集中させる方式の永久磁石式回転子を配した従
来の回転電機に比べて、少ない界磁用永久磁石の使用量
でかつ略同等の磁束量（トルク）を確保することができ
る実用性に富むものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の回転電機の一態様を示す要部断面図
（ａ）、１２０度通電方法を説明する図（ｂ）である。

【図２】本発明に用いる永久磁石の磁化容易軸の配向の
一例を示す図である。

【図３】本発明に用いる永久磁石の磁化容易軸の配向の
他の例を示す図（ａ）、図（ａ）の永久磁石を配した回
転電機の一例を示す要部断面図（ｂ）である。

【図４】本発明の回転電機の他の態様を示す要部断面図
である。

【図５】固定子の歯部を通過する磁束量と回転子の回転
角度の相関の一例を示す図である。

【図６】従来の回転電機を示す要部断面図である。

【図７】図６の１２０度通電方法を説明する図である。

【図８】従来の回転電機を示す要部断面図である。

【図９】本発明のさらに他の態様を示す要部断面図であ
る。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 界磁用の永久磁石を配した回転子の磁極
   数と１歯の周りを巻き回す集中巻により巻回されてなる
   固定子巻線のスロット数との比率が２対３である１２０
   度通電方式の回転電機であって、前記回転子の１磁極の
   磁束を電気角で４０〜１００度に集中することを特徴と
   する回転電機。
2. 【請求項２】 前記回転子の１磁極の磁束を電気角で５
   ０〜８０度に集中する請求項１に記載の回転電機。