(57)【要約】【課題】構造を簡素化し、ステータへの供給磁束を増加する。【解決手段】第１のクローポール鉄心２０と第２のクローポール鉄心３０との間の環形状の空洞に、回転軸方向に磁化した円環状の永久磁石４０を嵌合・固定している。これにより、爪部２２，３２がＮ極またはＳ極となる。さらに、爪部２２，３２の先端に、径方向に磁化された永久磁石５０，６０を備えることにより、漏れ磁束の低減を図っている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
中心部に回転軸が挿通するための穴が形成された円環状をなし、回転軸方向に磁化されて、一方の端面がＮ極またはＳ極のうちの一方の磁極となり、他方の端面がＮ極またはＳ極のうちの他方の磁極となっている永久磁石と、
前記一方の端面に当接する円環板部と、前記円環板部の周縁の複数箇所に配置されており配置個所から回転軸方向に沿い前記他方の端面に向かって伸びる複数の爪部とを備えた第１のクローポール鉄心と、
前記他方の端面に当接する円環板部と、前記円環板部の周縁の複数箇所に配置されており配置個所から回転軸方向に沿い前記一方の端面に向かって伸び、しかも周方向位置は前記第１のクローポール鉄心の爪部の間に位置する複数の爪部とを備えた第２のクローポール鉄心と、
第１のクローポール鉄心の各爪部と第２のクローポール鉄心の円環板部の周面との間にそれぞれ配置されており、径方向に磁化されて、外周側がＮ極またはＳ極のうちの一方の磁極となり、内周側がＮ極またはＳ極のうちの他方の磁極となっている永久磁石と、
第２のクローポール鉄心の各爪部と第１のクローポール鉄心の円環板部の周面との間にそれぞれ配置されており、径方向に磁化されて、外周側がＮ極またはＳ極のうちの他方の磁極となり、内周側がＮ極またはＳ極のうちの一方の磁極となっている永久磁石と、
を有することを特徴とするクローポール型ロータ。
【請求項２】
請求項１において、
回転軸方向に磁化された前記永久磁石及び径方向に磁化された前記各永久磁石は、全てがフェライト磁石であること、または、全てが希土類磁石であることを特徴とするクローポール型ロータ。
【請求項３】
請求項１において、
回転軸方向に磁化された前記永久磁石はフェライト磁石であり、径方向に磁化された前記各永久磁石は希土類磁石であることを特徴とするクローポール型ロータ。
【請求項４】
請求項１のクローポール型ロータまたは請求項２のクローポール型ロータまたは請求項３のクローポール型ロータのいずれかが、回転軸方向に複数個ならんで構成されていることを特徴とする複合クローポール型ロータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はクローポール型ロータに関し、構造を簡素化できると共に、ステータへの供給磁束を増加でき、モータとして組み立てたときに高トルクを発生できるように工夫したものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、高トルクモータの代表格として、ＩＰＭ（Interior Permanent Magnet：埋め込み磁石式）モータがある。ＩＰＭモータでは、ロータにおいてリラクタンストルクとマグネットトルクとを発生させる磁束を磁極に通すように、磁極部に、主として希土類磁石による永久磁石を収納して構成されている。
【０００３】
この種のモータのロータとしては、例えば、ロータ構造の周方向に沿う１／４の部分を表す図１１に示すように、薄板を軸方向に積層したロータコア１と、このロータコア１に所定ピッチで設けた矩形の永久磁石挿入穴２と、この永久磁石挿入穴２に挿入する永久磁石３よりなる永久磁石形同期回転電機のロータにおいて、永久磁石挿入穴２を１極ピッチおきに設け、径方向の磁極を同一とした永久磁石３を挿入し、永久磁石形同期回転電機のロータを構成する。
【０００４】
しかし、従来のモータにおいて、ロータに高トルクを発生させるためには、一般的に永久磁石として希土類磁石が用いられるが、希土類磁石は高価であるという問題がある。
そこで、安価なフェライト磁石に置き換えることが考えられるが、残留磁束密度の小さいフェライト磁石では十分なトルクが発生できず、また、フェライト磁石は保持力が小さいため、特に弱め界磁制御の際に、ステータからの減磁界が加わった時に不可逆減磁となってトルクが更に低下する恐れがあった。
【０００５】
また、ロータに永久磁石を備えたロータとしては、下記特許文献１，２に示すような、クローポール型ロータがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開昭１１―３４１７６３号公報
【特許文献２】特開２０１０―２１３４５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１には、ブラケットに固定された直流界磁巻線を、ギャップを介してクローポール鉄心に内蔵する構造が示されている。
しかしこの構造では、モータ駆動装置とは別に直流電力の供給装置が必要となり、システム全体が大型化する課題がある。また、直流界磁巻線に損失が発生し、効率低下を招くという問題もある。
【０００８】
特許文献２には、クローポール鉄心に、回転軸方向に磁化された界磁用の永久磁石を内蔵し、無極性のクローポール鉄心を備えることで、マグネットトルクとリラクタンストルクを併用する構造が示されている。
しかしこの構造では、回転軸方向に磁化された永久磁石の漏れ磁束を減らすため、クローポール鉄心の爪部を永久磁石から径方向に遠ざける必要があり、ロータの外径寸法が大きくなるという問題がある。また、回転軸方向に磁化された永久磁石の漏れ磁束を減らすため、回転軸方向に磁化された永久磁石の外径を小さくしたとすると、磁束量が減ってマグネットトルクが減る、という問題がある。
【０００９】
本発明は、上記従来技術に鑑み、簡素な構造でステータへの供給磁束を増加できる、クローポール型ロータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決する本発明の構成は、
中心部に回転軸が挿通するための穴が形成された円環状をなし、回転軸方向に磁化されて、一方の端面がＮ極またはＳ極のうちの一方の磁極となり、他方の端面がＮ極またはＳ極のうちの他方の磁極となっている永久磁石と、
前記一方の端面に当接する円環板部と、前記円環板部の周縁の複数箇所に配置されており配置個所から回転軸方向に沿い前記他方の端面に向かって伸びる複数の爪部とを備えた第１のクローポール鉄心と、
前記他方の端面に当接する円環板部と、前記円環板部の周縁の複数箇所に配置されており配置個所から回転軸方向に沿い前記一方の端面に向かって伸び、しかも周方向位置は前記第１のクローポール鉄心の爪部の間に位置する複数の爪部とを備えた第２のクローポール鉄心と、
第１のクローポール鉄心の各爪部と第２のクローポール鉄心の円環板部の周面との間にそれぞれ配置されており、径方向に磁化されて、外周側がＮ極またはＳ極のうちの一方の磁極となり、内周側がＮ極またはＳ極のうちの他方の磁極となっている永久磁石と、
第２のクローポール鉄心の各爪部と第１のクローポール鉄心の円環板部の周面との間にそれぞれ配置されており、径方向に磁化されて、外周側がＮ極またはＳ極のうちの他方の磁極となり、内周側がＮ極またはＳ極のうちの一方の磁極となっている永久磁石と、
を有することを特徴とする。
【００１１】
また本発明の構成は、回転軸方向に磁化された前記永久磁石及び径方向に磁化された前記各永久磁石は、全てがフェライト磁石であること、または、全てが希土類磁石であること、
または、回転軸方向に磁化された前記永久磁石はフェライト磁石であり、径方向に磁化された前記各永久磁石は希土類磁石であることを特徴とする。
【００１２】
また本発明の構成は、前記のいずれかのクローポール型ロータが、回転軸方向に複数個ならんで構成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、回転軸方向に磁化された永久磁石により、第１および第２のクローポール鉄心の爪部をＮ極およびＳ極に磁化でき、しかも、回転軸方向に磁化された永久磁石は円環状の大寸法とすることができるため、ステータへ大量の磁束の供給が可能となる。
【００１４】
また、クローポール鉄心の爪部の先端に、径方向に磁化された永久磁石を配置することで、漏れ磁束を低減するとともに、回転軸方向に磁化された永久磁石の磁束と合わせて、ステータへ供給される磁束量を更に増大させることができ、残留磁束密度の小さいフェライト磁石を用いても、従来の希土類磁石を用いた従来の回転機と同等の磁束量を確保することができる。
【００１５】
また、本発明のクローポール型ロータを、回転軸方向に複数個並べ、回転軸方向に磁化された永久磁石の表面積が最大となるように構成すれば、ステータへ供給できる磁束量を最大化することができる。
【００１６】
また、本発明のクローポール型ロータにおいて、回転軸方向に磁化された永久磁石をフェライト磁石、径方向に磁化された永久磁石を希土類磁石で構成すれば、希土類磁石量は、従来の希土類磁石を用いたＩＰＭモータより４０％削減でき、従来の希土類磁石を用いたＩＰＭモータよりもステータへ大量の磁束の供給が可能となる。
さらに、回転軸方向に磁化された永久磁石も希土類磁石とすれば、より高トルクのクローポール型モータを実現することすることができる。
【００１７】
更に、永久磁石として、樹脂にネオジウム等の希土類磁石の粉末を混合した安価なボンド系磁石を採用した場合には、永久磁石をフェライト磁石とした場合と同様に、磁石コストが低減するので、クローポール型モータのコストを低減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施例に係るクローポール型ロータを示す斜視図。
【図２】本発明の実施例に係るクローポール型ロータを示す分解斜視図。
【図３】クローポール鉄心における漏れ磁束の状態を示し、図３（ａ）は径方向に磁化された磁石が無い場合、図３（ｂ）は径方向に磁化された磁石を備えた場合の状態を示す状態図。
【図４】本発明の実施例に係る２段構成の複合クローポール型ロータを示す構成図。
【図５】第１の検討・比較例を示す構成図であり、図５（ａ）は、全ての永久磁石をフェライト磁石とした２段構成の複合クローポール型ロータを示し、図５（ｂ）は、径方向に磁化された永久磁石をなくした２段構成の複合クローポール型ロータを示す構成図。
【図６】第１の検討・比較例におけるギャップの磁束密度を示す特性図。
【図７】第２の検討・比較例を示す２段構成の複合クローポール型ロータを示す構成図。
【図８】第２の検討・比較例におけるギャップの磁束密度を示す特性図。
【図９】第３の検討・比較例を示す構成図であり、図９（ａ）は、１段構成のクローポール型ロータを示し、図９（ｂ）は、２段構成の複合クローポール型ロータを示す構成図。
【図１０】第３の検討・比較例におけるギャップの磁束密度を示す特性図。
【図１１】永久磁石形同期回転電機の従来のロータを示す構成図。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき詳細に説明する。
【実施例】
【００２０】
図１は本発明の実施例に係るクローポール型ロータ１０を示す斜視図であり、図２はその分解斜視図である。なお、図１，図２において、回転軸方向を細線矢印Ａで示している。また、図２において、各永久磁石の磁化方向を、太線矢印で示している。
【００２１】
このクローポール型ロータ１０は８極のロータであり、第１のクローポール鉄心２０と第２のクローポール鉄心３０との間の環形状の空洞に、界磁用の永久磁石４０を嵌合・固定して構成されている。
【００２２】
永久磁石４０は、中心部に回転軸（図示省略）が挿通する穴４１が形成された円環状をなしている。この永久磁石４０は、回転軸方向に磁化されており、一方の端面（例えば図１，図２において上側のリング状の端面）は、Ｎ極の磁極になっており、他方の端面（例えば図１，図２において下側のリング状の端面）は、Ｓ極の磁極になっている。
【００２３】
第１のクローポール鉄心２０は、円環板部２１と、４つの爪部２２を一体的に備えている。
円環板部２１は、中心部に回転軸（図示省略）が挿通する穴２１ａが形成された円環状をなしており、永久磁石４０の一方の端面（例えば図１，図２において上側のリング状の端面）に当接する。穴２１ａは、永久磁石４０の穴４１に合わせた位置に形成されている。
爪部２２は、円環板部２１の周縁の４箇所に均等間隔を明けて配置されている。４つの各爪部２２は、円環板部２１の周縁の配置位置から、回転軸方向に沿い、永久磁石４０の一方の端面から他方の端面に向かって（下側に向かって）伸びている。しかも、４つの爪部２２は、永久磁石４０の外周面に対して、間隔を明けつつ外周側に位置している。
【００２４】
第２のクローポール鉄心３０は、円環板部３１と、４つの爪部３２を一体的に備えている。
円環板部３１は、中心部に回転軸（図示省略）が挿通する穴３１ａが形成された円環状をなしており、永久磁石４０の他方の端面（例えば図１，図２において下側のリング状の端面）に当接する。穴３１ａは、永久磁石４０の穴４１に合わせた位置に形成されている。
爪部３２は、円環板部３１の周縁の４箇所に均等間隔を明けて配置されている。４つの各爪部３２は、円環板部３１の周縁の配置位置から、回転軸方向に沿い、永久磁石４０の他方の端面から一方の端面に向かって（上側に向かって）伸びている。しかも、４つの爪部３２は、永久磁石４０の外周面に対して、間隔を明けつつ外周側に位置している。
【００２５】
周方向位置に関しては、第１のクローポール鉄心２０の爪部２２の間の位置に、第２のクローポール鉄心３０の爪部３２が位置している。
また、軸方向に関しては、第１のクローポール鉄心２０の爪部２２の先端面（下端面）が、第２のクローポール鉄心３０の円環板部３１の下面の位置にまで伸びており、第２のクローポール鉄心３０の爪部３２の先端面（上端面）が、第１のクローポール鉄心２０の円環板部２１の上面の位置にまで伸びている。
【００２６】
第１のクローポール鉄心２０の爪部２２の先端部（下端部）の内周面と、第２のクローポール鉄心３０の円環板部３１の周面との間には、それぞれ、径方向に磁化された漏れ磁束防止用の永久磁石５０が配置されている。本例では、各永久磁石５０は、外周側がＮ極の磁極になっており、内周側がＳ極の磁極になっている。
詳細は後述するが、永久磁石５０を配置することにより、漏れ磁束を低減させることができる。
【００２７】
第２のクローポール鉄心３０の爪部３２の先端部（上端部）の内周面と、第１のクローポール鉄心２０の円環板部２１の周面との間には、それぞれ、径方向に磁化された漏れ磁束防止用の永久磁石６０が配置されている。本例では、各永久磁石６０は、外周側がＳ極の磁極になっており、内周側がＮ極の磁極になっている。
詳細は後述するが、永久磁石６０を配置することにより、漏れ磁束を低減させることができる。
【００２８】
本実施例では、永久磁石４０，５０，６０として、フェライト磁石を採用することができる。
また、永久磁石４０をフェライト磁石とし、永久磁石５０，６０を希土類磁石とすることもできる。
さらに、永久磁石４０，５０，６０を、全て希土類磁石とすることもできる。
【００２９】
このような構成となっているクローポール型ロータ１０を、三相巻線が巻装されたステータ内に組み込むことにより、クローポール型の永久磁石形同期電動機を実現することができる。
【００３０】
本実施例のクローポール型ロータ１０は、回転軸方向に磁化された永久磁石４０により、第１のクローポール鉄心２０の爪部２２をＮ極に磁化し、第２のクローポール鉄心３０の爪部３２をＳ極に磁化する。回転軸方向に磁化された永久磁石４０は、環形状で径方向に大寸法とすることができるため、ステータへの大量の磁束の供給が可能となる。
【００３１】
また仮に、永久磁石として回転軸方向に磁化された永久磁石４０のみを用い、径方向に磁化された永久磁石５０，６０を用いなかったとすると、図３（ａ）に示すように、クローポール鉄心２０の爪部２２の先端で漏れ磁束φｌが発生し、ステータへ供給される磁束量が減少してしまう。
同様に、クローポール鉄心３０の爪部３２の先端でも、漏れ磁束が発生し、ステータへ供給される磁束量が減少してしまう。
【００３２】
そこで、本実施例では、図３（ｂ）に示すように、クローポール型ロータ１０の爪部２２の先端に、径方向に磁化されて外周側がＮ極となり内周側がＳ極となっている永久磁石５０を配置することで、漏れ磁束φｌを低減するとともに、回転軸方向に磁化された永久磁石４０の磁束と合わせて、ステータへ供給される磁束量を更に増大させることができる。
同様に、クローポール型ロータ１０の爪部３２の先端に、径方向に磁化されて外周側がＳ極となり内周側がＮ極となっている永久磁石６０を配置することで、漏れ磁束を低減するとともに、回転軸方向に磁化された永久磁石４０の磁束と合わせて、ステータへ供給される磁束量を更に増大させることができる。
つまり、永久磁石５０，６０は、永久磁石４０の漏れ磁束φｌを妨げる方向に磁化されている。
この結果、永久磁石４０，５０，６０として、残留磁束密度の小さいフェライト磁石を用いても、図１１の希土類磁石を用いた従来の回転機と同等の磁束量を確保することができる。
【００３３】
更に、クローポール型ロータ１０を、回転軸方向に複数個並べ、回転軸方向に磁化された永久磁石の表面積が最大となるように構成すれば、ステータへ供給できる磁束量を最大化することができる。
例えば、ロータ構造の周方向に沿う１／４の部分を特に抽出した図４に示すものは、２つのクローポール型ロータ１０を、回転軸方向に並べた、２段構成の複合クローポール型ロータである。
【００３４】
８極３６スロットの従来の希土類磁石を用いたＩＰＭモータと、ステータはＩＰＭモータと同じで、ロータを本発明のクローポール型ロータ１０に置き換えた場合の磁界解析を行い、ギャップの磁束密度の検討・比較を行った。
以下に、各種の検討・比較例を示す。
【００３５】
［検討・比較例１］
本発明のクローポール型ロータ１０において、回転軸方向に磁化された永久磁石４０および径方向に磁化された永久磁石５０，６０として、フェライト磁石を用いたときの構成を図５（ａ）に、ギャップの磁束密度の比較を図６に示す。なお、径方向に磁化された永久磁石をなくした場合（図５（ｂ））の解析も行った。なお、図５（ａ），（ｂ）において、フェライト磁石の部分には、符号（ｆ）を付している。
【００３６】
従来の希土類磁石を用いたＩＰＭモータのギャップの磁束密度の最大値は約０．８Ｔに対し、全てフェライト磁石を用いた本発明のクローポール型ロータ１０では約０．７Ｔであり、全てフェライト磁石で構成しても従来の希土類磁石を用いたＩＰＭモータとほぼ同等の磁束密度を得ることができる。
また、本発明のクローポール型ロータの径方向に磁化された永久磁石４０，５０をなくした場合（図５（ｂ）の構成の場合）のギャップの磁束密度の最大値は約０．５Ｔであり、径方向に磁化された永久磁石の有用性が確認できた。
【００３７】
［検討・比較例２］
本発明のクローポール型ロータ１０において、回転軸方向に磁化された永久磁石４０をフェライト磁石、径方向に磁化された永久磁石５０，６０を希土類磁石で構成したときの構成を図７に、ギャップの磁束密度を図８に示す。なお、希土類磁石量は、従来の希土類磁石を用いたＩＰＭモータより４０％削減されている。なお、図７において、フェライト磁石の部分には、符号（ｆ）を付し、希土類磁石の部分には、符号（ｒ）を付している。
【００３８】
この例では、ギャップの磁束密度の最大値は約１．１Ｔであり、本発明のクローポール型ロータ１０は希土類磁石量を減らして、従来の希土類磁石を用いたＩＰＭモータよりも大きな磁束密度を得ることができる。
更には、回転軸方向に磁化された永久磁石４０をも希土類磁石とすれば、より高トルクのクローポール型モータとすることができる。
また、永久磁石として、樹脂にネオジウム等の希土類磁石の粉末を混合した安価なボンド系磁石としても良い。この場合、永久磁石をフェライト磁石とした場合と同様に、磁石コストが低減するので、クローポール型モータのコストを低減させることができる。
【００３９】
［検討・比較例３］
本発明のクローポール型ロータ１０を、回転軸方向の１段構成とした場合（図９（ａ））と、回転軸方向の２段構成とした場合（図９（ｂ））の磁界解析を行い、ギャップの磁束密度の比較を行った。なお、永久磁石は全てフェライト磁石とした。ギャップの磁束密度を図１０に示す。なお、図９（ａ），（ｂ）において、フェライト磁石の部分には、符号（ｆ）を付している。
【００４０】
図１０に示すように、１段構成のギャップの磁束密度の最大値は約０．４Ｔであり、２段構成よりも小さい。２段構成の方が永久磁石の表面積が大きいためであり、モータの軸方向の寸法によって、回転軸方向に並べるロータの個数を適切に選ぶことで、ステータへ供給できる磁束量を最大化できることがわかる。
【符号の説明】
【００４１】
１  ロータコア
２  永久磁石挿入穴
３  永久磁石
１０  クローポール型ロータ
２０  第１のクローポール鉄心
２１  円環板部
２１ａ  穴
２２  爪部
３０  第２のクローポール鉄心
３１  円環板部
３１ａ  穴
３２  爪部
４０  永久磁石
４１  穴
５０，６０  永久磁石
【図１】
2013046508.tif 000003
【図２】
2013046508.tif 000004
【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】
2013046508.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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