(57)【要約】【課題】着磁後の永久磁石を回転子内に埋め込み可能にして着磁不足を解消するとともに、固定子と回転子の吸引力を小さくして、回転子を引き抜き易くした永久磁石回転電機を得る。【解決手段】固定子１の内側に位置する回転子５は、回転子鉄心６の外周側に等角ピッチで形成された複数の収納穴７と、複数の収納穴７の各々に埋め込まれた永久磁石８とを備えている。複数の収納穴７は、３個で１極分として１極当たり凹字形状を成す３分割配置からなり、１極当たりの永久磁石８ａ〜８ｃの磁化方向は、回転子５の表面に対して集まる方向に設定され、隣接する他の１極当たりの永久磁石８ａ〜８ｃの磁化方向は、回転子５の表面から同心円状に広がる方向に設定される。各凹字形状の中央部の永久磁石８ｂは、保持台座１０により一体的に保持される。保持台座１０は、中央部の収納穴７ｂに保持され、永久磁石８ｂとともに回転子鉄心６に対して着脱可能に構成される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定子と、前記固定子の内側に位置する回転子とからなる永久磁石回転電機であって、
前記固定子は、
円筒形状の固定子鉄心と、
前記固定子鉄心の内周側に等角ピッチで形成された複数のティースおよびスロットと、
前記ティースに巻回されて前記スロットに収納された固定子コイルとを備え、
前記回転子は、
回転位置により磁気抵抗が異なる回転子鉄心と、
前記回転子鉄心の外周側に等角ピッチで形成された複数の収納穴と、
前記複数の収納穴の各々に埋め込まれた永久磁石とを備え、
前記複数の収納穴は、３個で１極分として１極当たり凹字形状を成す３分割配置からなり、
前記１極当たりの３個の永久磁石の磁化方向は、前記回転子の表面に対して集まる方向に設定され、
前記１極に隣接する他の１極当たりの３個の永久磁石の磁化方向は、前記回転子の表面から同心円状に広がる方向に設定され、
複数極の各々における前記凹字形状の中央部の永久磁石は、保持部材により一体的に保持され、
前記保持部材は、前記凹字形状を成す中央部の収納穴に保持され、前記中央部の永久磁石とともに前記回転子鉄心に対して着脱可能に構成されたことを特徴とする永久磁石回転電機。
【請求項２】
前記保持部材の両端部には、内側に付勢力を発生するテーパ部が設けられており、
前記凹字形状の中央部の永久磁石は、前記保持部材に対して前記テーパ部を介した嵌め合いにより固定されることを特徴とする請求項１に記載の永久磁石回転電機。
【請求項３】
前記凹字形状の中央部の永久磁石の外周部は、前記保持部材との間に介在された保護カバーおよびスペーサにより被覆されることを特徴とする請求項２に記載の永久磁石回転電機。
【請求項４】
前記１極当たりの３個の永久磁石の相互に隣接する側面部には、非磁性材が設けられたことを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の永久磁石回転電機。
【請求項５】
前記凹字形状の両端部の２個の永久磁石は、未着磁の状態で前記回転子鉄心に埋め込まれた後に、前記固定子コイルによって後着磁され、
前記凹字形状の中央部の永久磁石は、あらかじめ着磁された状態で前記回転子鉄心に埋め込まれることを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の永久磁石回転電機。
【請求項６】
前記凹字形状の両端部の２個の永久磁石は、前記凹字形状の中央部の永久磁石が前記回転子鉄心に埋め込まれた後に、前記固定子コイルによって後着磁されることを特徴とする請求項５に記載の永久磁石回転電機。
【請求項７】
前記凹字形状の中央部の永久磁石は、前記凹字形状の両端部の２個の永久磁石が前記固定子コイルによって後着磁された後に、前記回転子鉄心に埋め込まれることを特徴とする請求項５に記載の永久磁石回転電機。
【請求項８】
前記固定子に対する前記回転子の着脱時において、
前記凹字形状の中央部の永久磁石および前記保持部材は、前記回転子鉄心から抜き取られ、
前記凹字形状を成す中央部の収納穴に磁性材料が挿入されることを特徴とする請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載の永久磁石回転電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、永久磁石を用いた永久磁石回転電機に関し、特に車両用または鉄道用の大型の永久磁石回転電機に適した新規な回転子構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の車両または鉄道などに適用される大型の永久磁石回転電機においては、回転子として、回転子鉄心に対して永久磁石を凹字形状に埋め込んだ構造のものが提案されている（たとえば、特許文献１参照）。
【０００３】
このような回転子構造を実現する場合には、回転子の組立方法として、着磁前の永久磁石をあらかじめ回転子鉄心に埋め込み、固定子側の固定子コイルを用いて、永久磁石を後着磁することになる。これにより、永久磁石回転電機を容易に組み立てることができる。
【０００４】
ところで、回転子における永久磁石の保持構造には、様々の形態あり、回転子（回転子鉄心）内に永久磁石を埋め込む構造がよく知られている。
しかし、大型の永久磁石回転電機においては、回転子の外径がφ２００ｍｍ以上（たとえば、φ３００ｍｍ程度）あり、かつ回転速度が数１０００［回転／ｍｉｎ］に達するので、遠心力に対抗して永久磁石を保持することが容易ではない。
【０００５】
したがって、リラクタンストルクの活用と永久磁石の保持との観点から、永久磁石をＶ字状に配置する回転子構造も提案されている（たとえば、特許文献２参照）。
この場合、大型の永久磁石回転電機における遠心力強度の問題から、１極の各永久磁石を３分割以上の凹字配置にする必要があるが、１極分の複数の永久磁石の中央部位置が回転子表面から遠くなるので、後着磁における完全着磁が達成しにくくなる。
【０００６】
また、特に鉄道用の永久磁石回転電機の場合には、比較的頻繁に行われる軸受交換やメンテナンスの際に、回転子を固定子から引き抜く必要があるが、固定子と回転子との吸引力が大きいことから、引き抜きにくくなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−２２３５３８号公報
【特許文献２】特開２００７−１０４８８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従来の永久磁石回転電機では、特に大型の永久磁石回転電機の回転子内に永久磁石を埋め込み配置する際に、特許文献２のようにＶ字配置する構造が提案されているが、固定子コイルを用いた後着磁が不完全になり、出力トルクが低下するという課題があった。
また、固定子と回転子との吸引力が大きいことから、回転子を引き抜くことが難しいので、特に鉄道用の永久磁石回転電機の軸受交換やメンテナンスを容易に行うことができないという課題があった。
【０００９】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、着磁後の永久磁石を回転子内に埋め込み可能にして着磁不足を解消するとともに、固定子と回転子の吸引力を小さくして、回転子を引き抜き易くした永久磁石回転電機を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この発明に係る永久磁石回転電機は、固定子と、固定子の内側に位置する回転子とからなる永久磁石回転電機であって、固定子は、円筒形状の固定子鉄心と、固定子鉄心の内周側に等角ピッチで形成された複数のティースおよびスロットと、ティースに巻回されてスロットに収納された固定子コイルとを備え、回転子は、回転位置により磁気抵抗が異なる回転子鉄心と、回転子鉄心の外周側に等角ピッチで形成された複数の収納穴と、複数の収納穴の各々に埋め込まれた永久磁石とを備え、複数の収納穴は、３個で１極分として１極当たり凹字形状を成す３分割配置からなり、１極当たりの３個の永久磁石の磁化方向は、回転子の表面に対して集まる方向に設定され、１極に隣接する他の１極当たりの３個の永久磁石の磁化方向は、回転子の表面から同心円状に広がる方向に設定され、複数極の各々における凹字形状の中央部の永久磁石は、保持部材により一体的に保持され、保持部材は、凹字形状を成す中央部の収納穴に保持され、中央部の永久磁石とともに回転子鉄心に対して着脱可能に構成されたものである。
【発明の効果】
【００１１】
この発明によれば、後着磁しにくい中央部の永久磁石を、着磁した後に回転子に埋め込むことにより、永久磁石の着磁不足の発生を回避することができ、出力トルクの低下を防ぐことができる。
また、中央部の永久磁石を回転子に対して着脱可能に構成することにより、回転子の着脱時に、磁束を回転子内部でループさせて回転子表面に磁束が漏れないようにし、固定子鉄心と回転子の吸引力を小さくするとともに、回転子の着脱を容易にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】この発明の実施の形態１に係る永久磁石回転電機の概略構成を示す断面図である。
【図２】図１内の回転子の中央部の永久磁石を保持部材とともに拡大して示す断面図である。
【図３】図１内の回転子の通常動作時の磁束状態を断面図で示す説明図である。
【図４】図１内の回転子の着脱時の磁束状態を断面図で示す説明図である。
【図５】この発明の実施の形態２に係る永久磁石回転電機の組立時における中央部の永久磁石の配置状態を断面図で示す説明図である。
【図６】この発明の実施の形態２に係る永久磁石回転電機の回転子の両端部の永久磁石の着磁時の状態を示す断面図である。
【図７】この発明の実施の形態３に係る永久磁石回転電機の組立時における両端部の永久磁石の着磁動作を断面図で示す説明図である。
【図８】この発明の実施の形態４に係る永久磁石回転電機の回転子の中央部の永久磁石を保持部材とともに拡大して示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る永久磁石回転電機１００の構成を示す断面図であり、図２は図１内の回転子５の中央部の永久磁石８ｂを保持部材とともに拡大して示す断面図である。
【００１４】
図１において、永久磁石回転電機１００は、固定子コイル４を有する固定子１と、永久磁石８を有して固定子１内で回転する回転子５とにより構成されている。
固定子１は、円筒状の固定子鉄心２を備えており、固定子鉄心２には、周方向に等角ピッチで配列された複数（３６個）のティース３およびスロット３ａが形成されている。
【００１５】
隣接する２つのティース３の間に形成されるスロット３ａは、回転子鉄心２の内周側に開口している。ティース３には、固定子コイル４が巻回されており、スロット３ａの各々には、スロット３ａの溝方向を軸方向として、固定子コイル４の導体線が収納されている。
【００１６】
回転子５は、たとえば所定枚数の磁性鋼板を積層して一体化されて作製されており、外周面を円筒面とする回転子鉄心６と、回転子鉄心６に形成された複数（１８個）の収納穴７（７ａ、７ｂ、７ｃ）と、各収納穴７内に収納された永久磁石８（８ａ、８ｂ、８ｃ）とを備えている。
【００１７】
３個の収納穴７ａ、７ｂ、７ｃは、１極分の収納穴組を構成しており、各極の収納穴７の組は、回転子鉄心６の外周部に沿って等角ピッチで配列するように形成されている。
すなわち、回転子鉄心６に形成される収納穴７は、具体的には、中央の１つの収納穴７ｂの両端部に２つの収納穴７ａ、７ｃが配置され、これと同一構成の収納穴７が、回転子５の表面に向かって、凹字形状（弓状）に６組配置されている。
【００１８】
また、各収納穴７ａ、７ｂ、７ｃの隣接する相互間には、出力トルクに寄与しない磁束成分が各永久磁石８ａ、８ｂ、８ｃから漏洩するのを回避するために、非磁性材（接着剤または空洞など）が設けられている。
【００１９】
図２において、中央部の永久磁石８ｂには、保持部材として、永久磁石８ｂと一体構成の保持台座１０が設けられている。
保持台座１０の両端部には、内側に付勢力を発生するテーパ部１０ａが設けられており、永久磁石８ｂは、テーパ部１０ａを介して保持台座１０に固定されている。
【００２０】
永久磁石８ｂと保持台座１０との間には、スペーサ１１が介在されている。
また、保持台座１０は、回転子鉄心６の収納穴７ｂに対し、テーパ部１０ａを介して保持され、スペーサ１１で固定される。
なお、スペーサ１１は磁性体であることが望ましい。
【００２１】
３つの永久磁石８ａ、８ｂ、８ｃからなる１つの組の磁束の向きは、回転子５の表面に向かって収束するような方向に着磁されている。
一方、上記１極分の組に隣接する他の１極分の組の永久磁石８ａ、８ｂ、８ｃは、磁束の向きが回転子５の表面から同心円状に広がる方向に着磁されている。
【００２２】
次に、図１および図２とともに、図３および図４を参照しながら、固定子１から回転子５を引き抜く際の動作について説明する。
図３は回転子５の通常動作時の磁束状態を断面図で示す説明図であり、図４は回転子５の着脱時の磁束状態を断面図で示す説明図である。
【００２３】
まず、図３のように、通常の出力トルクを発生させるための配置においては、回転子５の磁束１２は、回転子３の表面から固定子１側に発生している。
一方、回転子５を固定子１から引き抜く際には、回転子５および固定子１を固定具（図示しないピンなど）によりあらかじめ固定した状態で、凹字形状の中央部の永久磁石８ｂおよび保持台座１０を、永久磁石保持用治具などを用いて引き抜く。
【００２４】
その後、図４のように、収納穴７ｂ内に、収納穴７ｂと同一形状の磁性材料（鉄など）９を挿入する。
これにより、磁性材料９の挿入後（図４）においては、回転子５の内部で磁束１２が閉じることになり、回転子５の表面に磁束１２が漏れることは、ほとんどなくなる。
したがって、固定子１側への漏れ磁束が発生しないことから、回転子鉄心６と固定子鉄心２との磁気吸引力がほとんどなくなり、回転子５を容易に引き抜くことができる。
【００２５】
以上のように、この発明の実施の形態１（図１〜図４）に係る永久磁石回転電機１００は、固定子１と、固定子１の内側に位置する回転子５とからなり、固定子１は、円筒形状の固定子鉄心２と、固定子鉄心２の内周側に等角ピッチで形成された複数のティース３およびスロット３ａと、ティース３に巻回されてスロット３ａに収納された固定子コイル４とを備えている。
【００２６】
回転子５は、回転位置により磁気抵抗が異なる回転子鉄心６と、回転子鉄心６の外周側に等角ピッチで形成された複数の収納穴７（７ａ、７ｂ、７ｃ）と、複数の収納穴７の各々に埋め込まれた永久磁石８（８ａ、８ｂ、８ｃ）とを備えている。
【００２７】
複数の収納穴７は、３個で１極分として１極当たり凹字形状を成す３分割配置からなり、１極当たりの３個の永久磁石８ａ、８ｂ、８ｃの磁化方向は、回転子５の表面に対して集まる方向に設定され、１極に隣接する他の１極当たりの３個の永久磁石８ａ、８ｂ、８ｃの磁化方向は、回転子１の表面から同心円状に広がる方向に設定されている。
【００２８】
複数極の各々における凹字形状の中央部の永久磁石８ｂは、保持台座１０（保持部材）により一体的に保持され、保持台座１０は、凹字形状を成す中央部の収納穴７ｂに保持され、中央部の永久磁石８ｂとともに回転子鉄心６に対して着脱可能に構成されている。
保持台座１０の両端には、内側に付勢力を発生するテーパ部１０ａが設けられており、凹字形状の中央部の永久磁石８ｂは、保持台座１０に対してテーパ部１０ａを介した嵌め合いにより固定されている。
【００２９】
このように、中央部の永久磁石８ｂを保持台座１０で固定することにより、回転子鉄心６からの着脱を容易に行うことができる。
また、永久磁石８ｂを保持台座１０で固定できるので、組立も容易となる。
また、永久磁石８ｂを保持台座１０のテーパ部１０ａで嵌め合い固定することにより、永久磁石８ｂの固定が容易で、かつ保持台座１０および永久磁石８ｂを同時に着脱しやすい構成を実現することができる。
【００３０】
また、１極当たりの３個の永久磁石８ａ〜８ｃの相互に隣接する側面部には、非磁性材（空隙など）が設けられているので、通常動作中において、出力トルクに寄与しない磁束成分が各永久磁石８ａ〜８ｃから漏洩するのを回避することができ、必要な出力トルクを確保することができる。
【００３１】
さらに、固定子１に対する回転子５の着脱時において、中央部の永久磁石８ｂおよび保持台座１０は、回転子鉄心６から抜き取られ、凹字形状を成す中央部の収納穴７ｂに、永久磁石８ｂに代えて、図４のように磁性材料９（鉄など）が挿入される。
【００３２】
このとき、回転子５に対して着脱される永久磁石８ｂは、テーパ部１０ａを介して保持台座１０に一体的に固定されるとともに、くさび形状を有する保持台座１０を回転子鉄心６にくさび固定することにより、回転子鉄心６に対して着脱自在に固定される。
したがって、永久磁石８ｂの着脱時には、永久磁石８ｂを保持台座１０とともに回転子鉄心６の収納穴７ｂから引き抜き、代わりに磁性材料９（鉄など）を挿入する。
【００３３】
このように、回転子５の着脱時に、永久磁石８ｂを磁性材料９に置き換えて、磁束１２を回転子５の内部で閉ループさせることにより、回転子５の表面に磁束１２が漏れなくなるので、固定子鉄心２と回転子５との吸引力を低減させて、回転子５の着脱を容易にすることができる。
したがって、容易に回転子鉄心６を固定子１から引き抜くことができるので、永久磁石回転電機１００のメンテナンス性を向上させることができる。
【００３４】
実施の形態２．
なお、上記実施の形態１では、永久磁石回転電機１００の組立時における回転子鉄心６への各永久磁石８ａ〜８ｃの埋め込み動作および着磁動作について言及しなかったが、以下の図５および図６のように行うことが望ましい。
【００３５】
図５はこの発明の実施の形態２に係る永久磁石回転電機１００の組立時における中央部の永久磁石８ａの配置状態を断面図で示す説明図であり、各永久磁石８ａの磁極方向を矢印で示している。
図６はこの発明の実施の形態２に係る永久磁石回転電機１００の回転子５の両端部の永久磁石８ａ、８ｃの着磁時の磁束状態を断面図で示す説明図である。
【００３６】
永久磁石回転電機１００の組立時において、まず、各磁極の凹字形状の両端部の永久磁石８ａ、８ｃを未着磁の状態で回転子鉄心６に埋め込んだ後、図５に示すように、あらかじめ矢印方向に着磁済みの永久磁石８ｂを、回転子鉄心６に埋め込む。
【００３７】
このとき、着磁済みの中央部の永久磁石８ａの数は、両端部の永久磁石８ａ、８ｃの数よりも少ないので、永久磁石８ａの組立作業は工数が少なく容易である。
次に、図６に示すように、固定子鉄心２のティース３に巻回された固定子コイル４を励磁駆動して、永久磁石８ａ、８ｃを着磁するための磁束１３を発生させ、両端部の永久磁石８ａ、８ｃを着磁する。
【００３８】
以上のように、この発明の実施の形態２（図５、図６）によれば、永久磁石回転電機１００の組立時において、凹字形状の両端部の２個の永久磁石８ａ、８ｃは、未着磁の状態で回転子鉄心６に埋め込まれた後に、固定子コイル４によって後着磁される。
【００３９】
一方、後着磁を施しにくい凹字形状の中央部の永久磁石８ｂは、あらかじめ着磁された状態で回転子鉄心６に埋め込まれる
このように、両端部の永久磁石８ａ、８ｃを埋め込んだ後、固定子コイル４によって後着磁することにより、永久磁石回転電機１００の組立性を容易にすることができる。
【００４０】
また、両端部の永久磁石８ａ、８ｃは、中央部の永久磁石８ｂが回転子鉄心６に埋め込まれた後に、固定子コイル４による後着磁が実行されることから、着磁後の永久磁石８ｂを埋め込む時点では、両端部の永久磁石８ａ、８ｃが未着磁の状態なので、永久磁石８ｂに対して反発力が発生することがなく、永久磁石８ｂの挿入を容易にすることができる。
【００４１】
実施の形態３．
なお、上記実施の形態２では、中央部の永久磁石８ｂが回転子鉄心６に埋め込まれた後に、両端部の永久磁石８ａ、８ｃを後着磁したが、逆に、図７に示すように、両端部の永久磁石８ａ、８ｃが後着磁された後に、中央部の永久磁石８ｂを回転子鉄心６に埋め込んでもよい。
【００４２】
図７はこの発明の実施の形態３に係る永久磁石回転電機１００Ａの組立時における永久磁石８ａ、８ｃの着磁動作を断面図で示す説明図であり、前述（図１、図６参照）と同様のものについては、前述と同一符号を付して詳述を省略する。
【００４３】
図７において、まず、両端部の永久磁石８ａ、８ｃを未着磁の状態で回転子鉄心６に挿入後に、収納穴７ｂに永久磁石８ｂが埋め込まれる前に、ティース３に巻回された固定子コイル４を励磁駆動して磁束１３を発生させ、永久磁石８ａ、８ｃを着磁する。
【００４４】
その後、前述（図５）のように、着磁済みの中央部の永久磁石８ｂおよび保持台座１０を収納穴７ｂに挿入する。
この場合、着磁された永久磁石８ｂが、永久磁石８ａ、８ｃの着磁処理後に埋め込まれるので、固定子コイル４から発生する磁束１３（逆磁界方向）の影響を受けなくてすみ、永久磁石８ｂの磁力が低減することを回避することができる。
【００４５】
実施の形態４．
なお、上記実施の形態１（図２）では、保持台座１０のテーパ部１０ａおよびスペーサ１１により、中央部の永久磁石８ｂを一体的に固定したが、図８に示すように、さらに、永久磁石８ｂの外周部を覆う保護カバー１３を設けることが望ましい。
【００４６】
図８はこの発明の実施の形態４に係る永久磁石８ｂの保持部材を示す断面図であり、前述（図２参照）と同様のものについては、前述と同一符号を付して詳述を省略する。
図８において、保持台座１０に固定された永久磁石８ｂの外周部には、永久磁石８ｂを完全に囲うような保護カバー１３が設けられている。
【００４７】
このように、永久磁石８ｂの外周部と保持台座１０との間に、スペーサ１１に加えて保護カバー１３を設けることにより、回転子５の回転中での遠心力に対抗して永久磁石８ｂが確実に保持されるうえ、仮に永久磁石８ｂが破損した場合にも、保護カバー１４により、破片の飛散を防止することができる。
【００４８】
なお、上記実施の形態１〜４では、鉄道車両などに適用される大型の永久磁石回転電機の場合について説明したが、これに限定されることはなく、他の永久磁石回転電機への適用も可能であることは言うまでもない。
【符号の説明】
【００４９】
１  固定子、２  固定子鉄心、３  ティース、３ａ  スロット、４  固定子コイル、５  回転子  ６  回転子鉄心、７、７ａ、７ｂ、７ｃ  収納穴、８、８ａ、８ｂ、８ｃ  永久磁石、９  磁性材料、１０  保持台座（保持部材）、１０ａ  テーパ部、１１  スペーサ、１２、１３  磁束、１４  保護カバー、１００、１００Ａ  永久磁石回転電機。
【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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