(57)【要約】【課題】鉄損を低減させて効率を向上させ、且つ回転時のトルク変動を抑制することのできる交流回転電機を提供する。【解決手段】複数の爪状磁極２を備えた一対の回転子コア３，４を互いに対向配置し、各回転子コア３，４のうち、回転子コア４をＳ極に着磁し、回転子コア３をＮ極に着磁し、且つ互いに隣接する爪状磁極２間に永久磁石９を設けることにより、磁極を形成する交流回転電機１において、永久磁石９は、その極性が爪状磁極２に生じる磁束を強める向きに配置され、且つ、発生する磁束の一部が回転子コア３，４の径方向を向く成分を有する。これにより、爪状磁極２の磁気飽和を防止し、鉄損を低減させることができる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
先端部が突起する形状を有する複数の爪状磁極を備えた一対の回転子コアを互いに対向配置し、前記一対の回転子コアのうちの一方をＳ極に着磁し、他方をＮ極に着磁し、且つ互いに隣接する各回転子コアの爪状磁極間に永久磁石を設けることにより、磁極を形成する交流回転電機において、
前記永久磁石は、その極性が前記爪状磁極に生じる磁束を強める向きに配置され、且つ、発生する磁束の少なくとも一部が前記回転子コアの径方向を向く成分を有することを特徴とする交流回転電機。
【請求項２】
前記永久磁石は、同一表面にＳ極、Ｎ極を有する極異方性磁石であり、Ｎ極が前記Ｎ極に着磁される回転子コアの前記爪状磁極の外周部と隣接するように配設され、Ｓ極が前記Ｓ極に着磁される回転子コアの前記爪状磁極の外周部と隣接するように配置されることを特徴とする請求項１に記載の交流回転電機。
【請求項３】
前記永久磁石は、一端側がＳ極とされ他端側がＮ極とされた２つの板状磁石からなり、一方の前記板状磁石のＮ極が、前記Ｎ極に着磁される回転子コアの前記爪状磁極の外周部に隣接して配置され、他方の前記板状磁石のＳ極が、前記Ｓ極に着磁される回転子コアの前記爪状磁極の外周部に隣接して配置されることを特徴とする請求項１に記載の交流回転電機。
【請求項４】
前記各板状磁石の前記爪状磁極の内周側となる面に、各板状磁石間を磁気的に連結する磁路形成手段を備えたことを特徴とする請求項３に記載の交流回転電機。
【請求項５】
互いに隣接する前記爪状突起間の磁束変化が滑らかになるように、前記極異方性の永久磁石の磁束を設定することを特徴とする請求項２に記載の交流回転電機。
【請求項６】
前記極異方性の永久磁石は、断面形状が波形状、Ｖ字溝形状、或いは円弧溝形状のうちのいずれか１つであることを特徴とする請求項５に記載の交流回転電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、交流発電機或いは交流電動機の回転子として用いられる交流回転電機に係り、特に、エネルギー効率を向上させる技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
回転電機の従来例として、例えば、特開２００３−３２４９１６号公報（特許文献１）に記載されたものが知られている。該特許文献１には、複数の爪状磁極を有する２つの回転子コアを対向配置し、該回転子コアの内部に設けられた界磁巻線に電流を流すことにより、一方の回転子コアをＮ極に着磁し、他方の回転子コアをＳ極に着磁して、ルンデル型（ランデル型と称することもある）の回転電機を形成する技術が記載されている。
【０００３】
更に、互いに隣接する爪状磁極間に、極性が同一となる向きとなるように永久磁石を配設し、磁束を強める技術が開示されている。即ち、Ｎ極に着磁された爪状磁極側がＮ極、Ｓ極に着磁された爪状磁極側がＳ極となるように永久磁石を配置して、磁束を強めている。
【特許文献１】特開２００３−３２４９１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述した特許文献１に開示された従来例では、爪状磁極が先端にいく程細くなる形状をなす突起形状となっているので、該爪状磁極の先端部では、磁束が通過する断面積が小さくなり、磁気飽和が発生し、鉄損が大きくなって効率が悪くなるという問題がある。
【０００５】
また、爪状磁極間に設けられる永久磁石は、ルンデル型鉄心の径方向となる磁束成分が存在しないので、換言すれば、永久磁石の磁束は周方向の成分のみであるので、爪状磁極と永久磁石との接続部分で急激な磁束の変化が生じ、回転時にトルク変動が発生して、騒音、振動を引き起こす原因となってしまうという問題があった。
【０００６】
この発明は、このような従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、鉄損を低減させて効率を向上させ、且つ回転時のトルク変動を抑制することのできる交流回転電機を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明は、先端部が突起する形状を有する複数の爪状磁極を備えた一対の回転子コアを互いに対向配置し、前記一対の回転子コアのうちの一方をＳ極に着磁し、他方をＮ極に着磁し、且つ互いに隣接する各回転子コアの爪状磁極間に永久磁石を設けることにより、磁極を形成する交流回転電機において、前記永久磁石は、その極性が前記爪状磁極に生じる磁束を強める向きに配置されることを特徴とする。更に、発生する磁束の少なくとも一部が前記回転子コアの径方向を向く成分を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明に係る交流回転電機では、Ｎ極に着磁される回転子コアが有する爪状磁極と、Ｓ極に着磁される回転子コアが有する爪状磁極との間に配置される永久磁石が、各回転子コアの径方向を向く磁束を発生するので、該永久磁石から爪状磁極内に進入する磁束が著しく低減されるので、爪状磁束の磁気的な飽和を防止することができ、鉄損を低減させることができる。これにより、効率向上を図ることができる。
【０００９】
また、永久磁石が回転子コアの径方向を向く磁束を発生することにより、隣接する爪状磁極間での急激な磁束の変動を抑制することができ、トルク変動に起因する騒音、振動の発生を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の第１の実施形態に係る交流回転電機の構成を示す斜視図である。同図に示すように、この交流回転電機１は、複数の爪状磁極２を有する一対の回転子コア３，４を有しており、各回転子コア３，４が有する爪状磁極２が所定の間隔を持って噛み合うように対向配置されている。
【００１１】
図２は、回転子コア３，４の構成を示す斜視図であり、回転子コア３，４は、中央部に透孔６が形成され、その周囲にセンターコア７が設けられている。そして、このセンターコア７には、界磁巻線８（図１参照）が捲回される。
【００１２】
また、図１に示すように、２つの回転子コア３，４が対向配置された状態で、透孔６内に回転シャフト５が挿通されており、該回転シャフト５と連動して回転子コア３，４が回転する。更に、各回転子コア３，４が有する各爪状磁極２どうしの間の隙間部分には、それぞれ直方体形状をなす永久磁石９が配設されている。
【００１３】
図３は、図１に示す交流回転電機１を、中央部で回転シャフト５と直交する方向で切断した切断面の一部を示している。同図に示す爪状磁極２ａは、回転子コア３側に設けられる爪状磁極であり、界磁巻線８に直流電流を流したときに、Ｎ極に着磁される。また、爪状磁極２ｂは、回転子コア４側に設けられる爪状磁極であり、界磁巻線８に直流電流を流したときに、Ｓ極に着磁される。
【００１４】
各爪状磁極２ａ，２ｂは、外周面が内側の面よりも若干幅広のＬ字溝１３を備えており、このＬ字溝１３部分に永久磁石９を挿入することにより、回転時に永久磁石９に遠心力が作用することによって、永久磁石９が移動することを防止するようにしている。
【００１５】
永久磁石９は、同一の表面（回転子外周方向表面）の各端部にＮ極、及びＳ極を有する極異方性磁石を用いており、図３に示すように、Ｎ極に着磁される爪状磁極２ａ側がＮ極とされ、Ｓ極に着磁される爪状磁極２ｂ側がＳ極とされている。
【００１６】
次に、上述のように構成された本実施形態に係る交流回転電機１の作用について説明する。交流回転電機１を作動させる際には、センターコア７に捲回された界磁巻線８に、スリップリング（図示省略）を用いて直流電流を流す。これにより、回転子コア３がＮ極に着磁され、回転子コア４がＳ極に着磁される。
【００１７】
また、永久磁石９は、同一の表面にＳ極、Ｎ極を有する極異方性磁石を使用しているので、図３に示すように、Ｓ極からＮ極に向かう磁束Φは、Ｕ字形状となり、回転子コア３，４の径方向を向く成分を有することになる。このため、永久磁石９より生じる磁束のうち、爪状磁極２ａ，２ｂに進入する磁束成分は極めて少なくなる。これにより、爪状磁極２ａ，２ｂが磁気的に飽和することを防止することができ、磁気飽和に起因して生じる損失、即ち、鉄損を低減することができる。
【００１８】
また、図４は、横軸を交流回転電機１の外周方向距離、縦軸に磁束を示した特性曲線であり、ｘ１，ｘ２，ｘ３に示す部分が永久磁石９が取り付けられている部分、ｙ１，ｙ２，ｙ３に示す部分が爪状磁極２が存在する部分である。そして、図３に示す爪状磁極２ａが、符号ｙ１の部分に対応し、爪状磁極２ｂが、符号ｙ２の部分に対応し、永久磁石９の部分が符号ｘ２の部分に対応している。
【００１９】
そして、図４の特性曲線から理解されるように、永久磁石９が回転子コア３，４の径方向（交流回転電機１の径方向）に向かう磁束を形成するので、この磁束により、Ｎ極に着磁された爪状磁極２ａからＳ極に着磁された爪状磁極２ｂへ移動する際に、磁束が急激に変化することなく、段階をもって変化することになる。従って、回転時の急激なトルク変動に起因した騒音、振動の発生を抑制することができる。
【００２０】
このようにして、本実施形態に係る交流回転電機１では、各爪状磁極２間に設ける永久磁石９として、同一の表面にＳ極、及びＮ極を有する極異方性磁石を用いているので、永久磁石９より発生する磁束が爪状磁極２内に進入する磁束成分を低減することができ、爪状磁極２に磁気飽和が生じることを防止することができる。これにより、鉄損を低減することができる。
【００２１】
また、爪状磁極２間における急激な磁束変化を緩和することができるので、トルクの急激な変化を抑制し、騒音、振動の発生を防止することができる。
【００２２】
また、爪状磁極２ａ，２ｂに生じる磁束と、永久磁石９により生じる磁束が同一の大きさであるように設定すれば、図５に示すように、永久磁石９の中間部分でＮ極とＳ極とが切り替わるように設定することもできる。なお、図５において、ｘ１１，ｘ１２，ｘ１３に示す部分が永久磁石９が存在する部分、ｙ１１が爪状磁極２ａが存在する部分、ｙ１２が爪状磁極２ｂが存在する部分を示している。
【００２３】
更に、上記した実施形態では、永久磁石９が直方体形状、即ち、長手方向と直交する面での断面が矩形状をなす構成のものを用いる例を挙げて説明したが、断面形状を種々変更することにより、より滑らかに磁束を変化させることができる。
【００２４】
例えば、図６（ａ）に示すように断面が波形状（中央が窪んで両側が円弧状に凸となる形状）、同図（ｂ）に示すＶ字溝形状、或いは同図（ｃ）に示す円弧溝形状とすることにより、爪状磁極２ａと２ｂとの間の磁束分布が滑らかに徐変するように設定することが可能となる。このような構成により、図７（ａ）に示す如くの磁束分布を得ることができ、従来の、回転子コアの径方向を向く磁束成分を有しない場合である同図（ｂ）と比較して、滑らかに磁束の極性を変化させることができる。この結果、トルク変動を抑制し、騒音、振動の発生をより効果的に防止することができる。なお、図７において、ｘ２１，ｘ２２，ｘ２３に示す部分が永久磁石９が存在する部分、ｙ２１が爪状磁極２ａが存在する部分、ｙ２２が爪状磁極２ｂが存在する部分を示している。
【００２５】
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図８は、第２の実施形態の構成を示す説明図であり、上記した第１の実施形態の図３に対応する図である。また、同一構成部分には同一符号を付している。
【００２６】
図８に示すように、本実施形態では、永久磁石９を、２つの板状磁石１１ａ，１１ｂを用いて構成している。即ち、板状磁石１１ａは、Ｎ極に着磁される爪状磁極２ａ側に設けられ、且つ、Ｎ極が外周側を向くように配置されている。また、板状磁石１１ｂは、Ｓ極に着磁される爪状磁極２ｂ側に設けられ、且つ、Ｓ極が外周側を向くように配置されている。
【００２７】
従って、２つの板状磁石１１ａ，１１ｂからなる永久磁石９に生じる磁束は、板状磁石１１ｂのＳ極から板状磁石１１ａのＮ極に向かう方向、即ち、図３に示した磁束Φと同様の方向を向くことになり、永久磁石９から爪状磁極２ａ，２ｂ内に進入する磁束が極めて少なくなる。これにより、上記した第１の実施形態と同様に、爪状磁極２ａ，２ｂが磁気的に飽和することを防止することができる。その結果、鉄損を低減することができ、騒音、振動を防止することができる。
【００２８】
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。図９は、第３の実施形態の構成を示す説明図であり、上記した図３，図８に対応する図である。また、同一構成部分には同一符号を付している。
【００２９】
図９に示すように、この実施形態では、図８に示した板状磁石１１ａ，１１ｂからなる永久磁石９の内側部分に、ヨーク（磁路形成手段）１２を設けている。そして、このような構成によれば、永久磁石９が発生する磁束が増大されるので、より多くの磁束を発生させることができる。また、同一の磁束を発生させるために用いる板状磁石１１ａ，１１ｂの磁気強度を小さいものとすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
交流電動機或いは交流発電機に用いられる回転電機の効率を向上させる上で極めて有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の実施形態に係る交流回転電機の構成を示す斜視図である。
【図２】本発明の実施形態に係る交流回転電機の、回転子コアの構成を示す斜視図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る爪状磁極及び永久磁石の断面図である。
【図４】回転子コアの周方向距離に対する磁束変化を示す特性図である。
【図５】永久磁石により生じる磁束と爪状磁極により生じる磁束とを一致させた場合の周方向距離に対する磁束変化を示す特性図である。
【図６】永久磁石の断面形状を示す説明図である。
【図７】周方向距離に対する磁束変化を示す特性図であり、（ａ）は爪状磁極間の磁束を滑らかに変化させた場合、（ｂ）は径方向に磁束成分を持たない永久磁石を用いた場合を示す。
【図８】本発明の第２の実施形態に係る爪状磁極及び永久磁石の断面図である。
【図９】本発明の第３の実施形態に係る爪状磁極及び永久磁石の断面図である。
【符号の説明】
【００３２】
１  交流回転電機
２  爪状磁極
３，４  回転子コア
５  回転シャフト
６  透孔
７  センターコア
８  界磁巻線
９  永久磁石（極異方性磁石）
１１ａ，１１ｂ  板状磁石
１２  ヨーク（磁路形成手段）
１３  Ｌ字溝
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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