(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ヨーク内周面に周方向一定間隔を隔てて極性交互に配設される永久磁石からなると共に各磁極面が電機子に対面して形成される複数の主磁極と、
前記主磁極間に配設され隣接する前記主磁極の電機子側の前記磁極面の極性と同極性の一対の磁極面を周方向両端面に有する永久磁石からなる副磁極と、を備える回転電機において、
前記副磁極の残留磁束密度を、前記回転電機運転時の最大電機子反作用による前記副磁極の不可逆減磁発生後の残留磁束密度が所定の値以上となるような値に設定したことを特徴とする回転電機。
【請求項２】
前記副磁極の残留磁束密度を、前記主磁極の磁束密度より大きい値に設定したことを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
【請求項３】
前記最大電機子反作用は回転電機始動時における拘束電流によるものであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の回転電機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、永久磁石界磁型の回転電機に関し、特に副磁極付きの永久磁石界磁型の回転電機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
この種の回転電機として、特公昭５７−１２３８０号公報に開示された技術が知られている。この公報に開示された回転電機は、各主磁極の極間に、隣接する主磁極の電機子側の磁極面の極性と同極性の一対の磁極面を周方向両端面に有する永久磁石からなる副磁極を配置して、主磁極間における漏れ磁束を抑え、主磁極からギャップを介して電機子に到る有効磁束を増すものである。この技術によって、回転電機の外形寸法を変えることなく、出力を増大することができる。また、この技術を用いることによって、回転電機の出力を変えることなく、外形寸法を小型化することができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
回転電機の運転中においては、電機子に電流が流れ、電機子反作用による磁束分布が発生する。図６には、回転電機の界磁および電機子の展開図および、それに対応する電機子反作用による磁束分布を示す。この磁束分布は、図６に示すように、三角波状を成しており、隣り合う主磁極間、すなわち副磁極位置において最大となる。図６より明らかなように、副磁極に作用する磁束は、主磁極に作用する磁束よりΔＨだけ大きい。つまり電機子反作用の影響は副磁極が最も強く受ける。副磁極には、それ自身の磁化方向とは異なる電機子反作用による大きい磁束が作用して、副磁極が減磁される。電機子反作用が大きい場合には、副磁極に不可逆減磁が発生してしまう。副磁極に不可逆減磁が発生した場合には、電機子反作用が取り除かれても副磁極の磁束密度は低下したままで元に戻らない。従って、副磁極が果たすべき主磁極間における漏れ磁束の抑制機能が低下し、回転電機の出力が低下する恐れがある。
【０００４】
本発明は、上記のような点に鑑みなされたものであり、副磁極の磁気特性を適切に選定するという容易な手段により、最大電機子反作用発生時における副磁極の不可逆減磁を防止し、副磁極が果たしている主磁極間の漏れ磁束抑制機能を維持して、出力低下の起きない信頼性の高い回転電機を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成する為、以下の技術的手段を採用する。
【０００７】
本発明の請求項１に記載の回転電機は、副磁極石の磁束密度を、回転電機運転時の最大電機子反作用による副磁極の不可逆減磁発生後の磁束密度が所定の値以上となるような値に設定した。これにより、回転電機運転中の最大電機子反作用による副磁極の不可逆減磁発生後においても、副磁極は、主磁極間の漏れ磁束抑制機能上必要あるいはそれ以上の磁束密度に保持されるので、回転電機の出力を安定して維持することができる。特に、本発明の請求項２のように、副磁極の磁束密度を、主磁極の磁束密度より大きい値に設定することにより、主磁極に副磁極よりも安価な材質を用いることができるので、回転電機のコスト上昇を抑えつつ、副磁極が果たしている主磁極間の漏れ磁束抑制機能を安定して維持することができる。
【０００８】
本発明の請求項３に記載の回転電機は、請求項１または請求項２に記載の回転電機における最大電機子反作用は、回転電機始動時における拘束電流によるものである。一般に、回転電機の最大電機子電流は回転電機始動時における拘束電流である。これにより、回転電機運転中の最大電機子反作用による副磁極の機能低下を確実に防止することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態による回転電機１を、エンジンの始動用電動機に適用した場合を例に図面に基づいて説明する。
【００１０】
図４は、本発明の第１の実施形態による回転電機１の構成を示す。
【００１１】
回転電機１は、筒状のヨーク２内に設けられており、ヨーク２内で回転自在に設けられた電機子６と、ヨーク２の内側に固定された界磁磁極３を備える。
【００１２】
電機子６は、ヨーク２内で回転自在に支持されたシャフト７、このシャフト７に固定されたコア８、電機子コイル（図示せず）、正極ブラシ（図示せず）および負極ブラシ（図示せず）が摺接する整流子（図示せず）から構成される。
【００１３】
界磁磁極３は、電機子コイルが発生する磁束に作用する磁束を生じさせる複数（第１の実施形態では６個）の主磁極４ａ〜４ｆ、この主磁極４ａ〜４ｆの極間に配置されて主磁極４ａ〜４ｆの有効磁束を増大させる複数（第１の実施形態では６個）の副磁極５ａ〜５ｆから構成される。
【００１４】
主磁極４ａ〜４ｆは、ヨーク２から電機子６に向かう方向に磁極方向を持つ永久磁石で、図４に示すように、電機子６側の極性が、空間的に６０°ずつずれるように、Ｎ極とＳ極が交互に位置するように等間隔で配置されている。つまり、主磁極４ａの電機子６側の極性がＳ極であると、主磁極４ｃ、４ｅの電機子６側の極性がＳ極で、主磁極４ｂ、４ｄ、４ｆの極性がＮ極である。
【００１５】
副磁極５ａ〜５ｆは、隣接する２個の主磁極（４ａと４ｂ、４ｂと４ｃ、４ｃと４ｄ、４ｄと４ｅ、４ｅと４ｆ、４ｆと４ａ）の極間に配置され、両側の主磁極に向かう方向に磁極方向を持ち、隣接する主磁極の側面の極性に対して同一極性が対向する永久磁石である。つまり、主磁極３ａと主磁極３ｂの間に、主磁極４ａ側にＳ極が向き、主磁極４ｂ側にＮ極が向く副磁極５ａを配置した場合、主磁極４ｂと主磁極４ｃ間に、主磁極４ｂにＮが向き、主磁極４ｃにＳが向く副磁極５ｂが、主磁極４ｃと主磁極４ｄの間に、主磁極４ｃ側にＳ極が向き、主磁極４ｄ側にＮ極が向く副磁極５ｃが、主磁極４ｄと主磁極４ｅ間に、主磁極４ｄにＮが向き、主磁極４ｅにＳが向く副磁極５ｄが、主磁極４ｅと主磁極４ｆの間に、主磁極４ｅ側にＳ極が向き、主磁極４ｆ側にＮ極が向く副磁極５ｅが、主磁極４ｆ主磁極と４ａ間に、主磁極４ｆにＮが向き、主磁極４ａにＳが向く副磁極５ｆが配置されている。
【００１６】
次に、本発明の第１の実施形態による回転電機１の運転中における副磁極５ａ〜５ｆの磁気特性の変動および材質の選定について説明する。
【００１７】
図２には、回転電機１の副磁極５ａ〜５ｆのＢ−Ｈ特性を示す。縦軸は磁束密度Ｂ、横軸は磁界の強さＨである。Ｈ＝０の時の磁束密度Ｂｒは、副磁極５ａ〜５ｆ単体の残留磁束密度である。副磁極５ａ〜５ｆの動作点Ａは、Ｂ−Ｈ特性とパーミアンス線Ｐとの交点である。Ｂ−Ｈ特性は、動作点Ａから図２の左方へ直線的に変化し、屈曲点Ｃにおいてその傾きが変化し、屈曲点Ｃから左方は傾きがより急になる。さらに、図２に示すＢ−Ｈ特性は、副磁極５ａ〜５ｆの機能、つまり、主磁極４ａ〜４ｆの漏れ磁束抑制機能を維持する上で必要且つ十分なものである。
【００１８】
先ず、本発明の第１の実施形態による回転電機１の運転中における副磁極５ａ〜５ｆの磁気特性の変動について説明する。
【００１９】
電機子反作用が無い場合、副磁極５ａ〜５ｆの動作点Ａにおける磁束密度はＢ0である。次に、回転電機１が運転され、電機子反作用により逆磁界−Ｈ1が作用すると、パーミアンス線Ｐは図の左方へ平行移動するので、副磁極５ａ〜５ｆの動作点は点Ｄとなる。さらに、電機子反作用による逆磁界−Ｈ1がなくなると、副磁極５ａ〜５ｆの動作点は点ＤからＢ−Ｈ特性上を再び点Ａへ戻る。すなわち、不可逆減磁は発生しない。
【００２０】
最大電機子反作用による逆磁界−Ｈ2が作用すると、パーミアンス線Ｐは図の左方へ平行移動し、副磁極５ａ〜５ｆの動作点は屈曲点Ｃを通り過ぎて点Ｅとなる。この場合、逆磁界−Ｈ2がなくなっても、副磁極５ａ〜５ｆの動作点は点Ａへは戻らずに、線分ＣＡと平行な線分ＥＡ’上を図の右方へ点Ａ’まで戻る。点Ａ’は、パーミアンス線Ｐと線分ＥＡ’との交点である。この時の磁束密度はＢ1であり、Ｂ0より小さくなる。すなわち、副磁極５ａ〜５ｆにおいて不可逆減磁が生じており、Ｂ0−Ｂ1が、電機子反作用による逆磁界−Ｈ2による不逆減磁量となる。不可逆減磁発生後の副磁極５ａ〜５ｆのＢ−Ｈ特性は曲線Ａ’ＥＴとなるので、副磁極５ａ〜５ｆの機能、つまり、主磁極４ａ〜４ｆの漏れ磁束抑制機能を維持することができない。
【００２１】
次に、副磁極５ａ〜５ｆの材質の選定について説明する。
【００２２】
図１には、２種類の異なる永久磁石材料Ｘ、およびＹを用いた場合における、回転電機１の副磁極５ａ〜５ｆのＢ−Ｈ特性を示す。永久磁石材料ＹのＢ−Ｈ特性は、図２に示したＢ−Ｈ特性と同一である。
【００２３】
図１に示すとおり、永久磁石材料ＸのＢ−Ｈ特性における屈曲点Ｆは、永久磁石材料ＹのＢ−Ｈ特性における屈曲点Ｃより図の左方にあり、永久磁石材料Ｘの保磁力は、永久磁石材料Ｙの保磁力より大きい。
【００２４】
回転電機１の最大電機子反作用により逆磁界−Ｈ2が作用すると、永久磁石材料Ｘによる副磁極５ａ〜５ｆの動作点は図１中の点Ｇとなる。この点Ｇは、屈曲点Ｆより右側、つまりＢ−Ｈ特性が直線状の部分にあるので、逆磁界−Ｈ2がなくなると、副磁極５ａ〜５ｆの動作点は点Ａへ戻る。すなわち、不可逆減磁は発生しない。従って、副磁極５ａ〜５ｆ材料に、より保磁力の大きい永久磁石材料Ｘを採用することにより、最大電機子反作用による逆磁界−Ｈ2が作用した場合において、副磁極５ａ〜５ｆの不可逆減磁を防止することができる。
【００２５】
ここで、最大電機子反作用について簡単に説明する。一般に、回転電機１における電機子反作用の大きさは、電機子コイル（図示せず）に流れる電流の大きさに比例する。エンジン始動用電動機の場合には、電機子コイル（図示せず）に流れる最大電流は、キースイッチがＯＮされて、回転電機１に通電され、且つ電機子が回転していない時の電流（いわゆる拘束電流）となる。ところで拘束電流は、バッテリ（図示せず）の容量が大きいほど、また温度が低いほど大きくなる。従って、回転電機１における最大電機子反作用は、最低使用温度条件下において、使用する可能性があるバッテリの中で最大容量のものと組合わせた時の拘束電流により最大となる。この値を基にして、副磁極５ａ〜５ｆの磁気特性を算定すればよい。
【００２６】
以上説明した、本発明の第１の実施形態による回転電機１においては、副磁極５ａ〜５ｆ材料に、最大電機子反作用による逆磁界を受けても不可逆減磁を起こさないような、保磁力の大きい永久磁石材料Ｘを採用することにより、副磁極５ａ〜５ｆの不可逆減磁を防止し、副磁極５ａ〜５ｆの主磁極４ａ〜４ｆの漏れ磁束抑制機能を維持して、回転電機１の出力低下を防止することができた。
【００２７】
一方、主磁極４ａ〜４ｆに作用する最大電機子反作用による逆磁界の大きさは、図６に示すように、副磁極５ａ〜５ｆに作用する最大電機子反作用による逆磁界の大きさより小さい。従って、主磁極４ａ〜４ｆに、副磁極５ａ〜５ｆに用いた永久磁石材料Ｘより保磁力の小さい安価な材料を用いても、主磁極４ａ〜４ｆが最大電機子反作用による逆磁界を受けて不可逆減磁を起こすことを防止ができる。この場合は、コスト上昇を抑えつつ、副磁極５ａ〜５ｆの不可逆減磁を防止し、副磁極５ａ〜５ｆの主磁極４ａ〜４ｆの漏れ磁束抑制機能を維持して、回転電機１の出力低下を防止することができる。
【００２８】
（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態の回転電機１においては、副磁極５ａ〜５ｆの材質の選定方法が第１の実施形態と異なっている。すなわち、第１の実施形態においては、永久磁石材料の保磁力に着目して選定したが、第２の実施形態では磁束密度に着目して選定している。
【００２９】
以下に、副磁極５ａ〜５ｆの材質の選定について説明する。
【００３０】
図３には、２種類の異なる永久磁石材料Ｗ、およびＹを用いた場合における、回転電機１の副磁極５ａ〜５ｆのＢ−Ｈ特性を示す。永久磁石材料ＹのＢ−Ｈ特性は、図２に示したＢ−Ｈ特性と同一である。
【００３１】
図３に示すように、保磁力は、永久磁石材料Ｗと永久磁石材料Ｙは同じである。しかし、磁束密度関しては、永久磁石材料Ｗは永久磁石材料Ｙより大きい。電機子反作用が無い場合、副磁極５ａ〜５ｆの動作点は点Ｊであり、その時の磁束密度はＢ2である。また、永久磁石材料ＷのＢ−Ｈ特性における屈曲点Ｋは、永久磁石材料ＹのＢ−Ｈ特性における屈曲点Ｃより図の右方にある。
【００３２】
ここで、回転電機１の最大電機子反作用により逆磁界−Ｈ2が作用すると、永久磁石材料Ｗによる副磁極５ａ〜５ｆの動作点は、図３に示すように、屈曲点Ｋを通り過ぎて点Ｌとなる。従って、逆磁界−Ｈ2がなくなっても、副磁極５ａ〜５ｆの動作点は点Ｊへは戻らずに、線分ＫＪと平行な線分ＬＭ上を図の右方へ点Ｍまで戻る。点Ｍは、パーミアンス線Ｐと線分ＬＭとの交点である。この時の磁束密度はＢ3であり、Ｂ2より小さくなる。すなわち、副磁極５ａ〜５ｆにおいて不可逆減磁が発生し、Ｂ2−Ｂ3が、最大電機子反作用による逆磁界−Ｈ2による不可逆減磁量となる。しかし、不可逆減磁発生後においても、副磁極５ａ〜５ｆのＢ−Ｈ特性は曲線ＭＬＴとなり、副磁極５ａ〜５ｆの主磁極４ａ〜４ｆの漏れ磁束抑制機能を維持するための必要十分条件である曲線ＡＣＴを上回るので、副磁極５ａ〜５ｆは主磁極４ａ〜４ｆの漏れ磁束抑制機能を維持できる。以後は、最大電機子反作用による逆磁界−Ｈ２を何回受けても、副磁極５ａ〜５ｆのＢ−Ｈ特性は曲線ＭＬＴで安定する。
【００３３】
以上説明した、本発明の第２の実施形態による回転電機１においては、副磁極５ａ〜５ｆ材料に、最大電機子反作用による不可逆減磁発生後においても磁束密度が所定の値以上となるような、磁束密度の大きい永久磁石材料Ｗを採用することにより、副磁極５ａ〜５ｆの主磁極４ａ〜４ｆの漏れ磁束抑制機能を維持して、回転電機１の出力低下を防止することができる。
【００３４】
一方、主磁極４ａ〜４ｆに作用する最大電機子反作用による逆磁界の大きさは、図６に示すように、副磁極５ａ〜５ｆに作用する最大電機子反作用による逆磁界の大きさより小さい。従って、主磁極４ａ〜４ｆに、副磁極５ａ〜５ｆに用いた永久磁石材料Ｗより磁束密度の小さい安価な材料を用いても、最大電機子反作用による不可逆減磁発生後における主磁極４ａ〜４ｆの磁束密度を所定の値以上とすることができる。この場合は、コスト上昇を抑えつつ、副磁極５ａ〜５ｆの主磁極４ａ〜４ｆの漏れ磁束抑制機能を維持して、回転電機１の出力低下を防止することができる。
【００３５】
また、本発明の第１の実施形態、または第２の実施形態の回転電機１において、図５に示すように、主磁極４ａ〜４ｆと副磁極５ａ〜５ｆの間に軟磁性体９ａ〜９ｆ（たとえば軟鉄）を挿入した構成としたものであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態による回転電機１の副磁極５ａ〜５ｆにおいて、２種類の異なる永久磁石材料Ｘ、およびＹを用いた場合における、それぞれのＢ−Ｈ特性を示す。
【図２】本発明の第１の実施形態による回転電機１の副磁極５ａ〜５ｆのＢ−Ｈ特性を示す線図である。
【図３】本発明の第２の実施形態による回転電機１の副磁極５ａ〜５ｆにおいて、２種類の異なる永久磁石材料Ｗ、およびＹを用いた場合における、それぞれのＢ−Ｈ特性を示す。
【図４】本発明の第１の実施形態による回転電機１の模式径方向断面図である。
【図５】第１の実施形態、または第２の実施形態の変形例による回転電機１の変形例の模式径方向断面図である。
【図６】一般的な永久磁石界磁型の回転電機における、界磁および電機子の展開図および、それに対応する電機子反作用による磁束分布を示す説明図である。
【符号の説明】
１  回転電機
２  ヨーク
３  界磁磁極
４ａ〜４ｆ  主磁極
５ａ〜５ｆ  副磁極
６  電機子
７  シャフト
８  コア
９ａ〜９ｆ  軟磁性体
Ａ  動作点
Ａ’  動作点
Ｂ  磁束密度
Ｂ0〜Ｂ3  磁束密度
Ｂｒ  残留磁束密度
Ｃ  屈曲点
Ｄ  動作点
Ｅ  動作点
Ｆ  屈曲点
Ｇ  動作点
Ｈ  磁界の強さ、磁束
Ｊ  動作点
Ｋ  屈曲点
Ｌ  動作点
Ｍ  動作点
Ｐ  パーミアンス線
Ｗ  永久磁石
Ｘ  永久磁石
Ｙ  永久磁石
【図１】
0003690261.tif 000002
【図２】
0003690261.tif 000003
【図３】
0003690261.tif 000004
【図４】
0003690261.tif 000005
【図５】
0003690261.tif 000006
【図６】
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