(57)【要約】【課題】回転子に内挿された永久磁石の磁力を利用して電動機の発生トルクを向上させる回転子を提供する。【解決手段】周方向に沿って複数の極が形成されたフラックスバリア型リラクタンスモータの回転子１は、各極ごとに設けられた複数のスリット２と、磁極の向きが前記スリット２と略直交方向となるように、各スリット２内に部分的に挿入された永久磁石３と、最も径方向内側に挿入された永久磁石３よりも径方向内側に配された可動子用スリット９と、磁性材料からなり、前記空隙部内に挿入される可動子であって、前記可動子用スリット９内を前記周方向に移動可能な可動子８と、を備え、最も径方向内側のスリット２のうち前記永久磁石３が挿入された箇所の径方向内側の辺と、前記可動子用スリット９および前記可動子８それぞれの径方向内側の辺および径方向外側の辺と、は同心の円弧状である。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
周方向に沿って複数の極が形成されたフラックスバリア型リラクタンスモータの回転子であって、
各極ごとに設けられた複数のスリットであって、径方向に並列に並んで、互いの間に磁路を形成する複数のスリットと、
磁極の向きが前記スリットと略直交方向となるように、各スリット内に部分的に挿入された永久磁石と、
最も径方向内側に挿入された永久磁石よりも径方向内側に配され、周方向に幅を持つ空隙部と、
磁性材料からなり、前記空隙部内に挿入される可動子であって、前記空隙部の径方向両側面に接しながら、前記空隙部内を前記周方向に移動可能な可動子と、
を備え、
最も径方向内側のスリットのうち前記永久磁石が挿入された箇所の径方向内側の辺と、前記空隙部および前記可動子それぞれの径方向内側の辺および径方向外側の辺と、は同心の円弧状である、
ことを特徴とするフラックスバリア型リラクタンスモータの回転子。
【請求項２】
周方向に沿って複数の極が形成されたフラックスバリア型リラクタンスモータの回転子であって、
各極ごとに設けられた複数のスリットであって、径方向に並列に並んで、互いの間に磁路を形成する複数のスリットと、
各スリット内に部分的に挿入され、その磁極の向きが前記スリットと略直交方向である永久磁石と、
最も径方向内側に挿入された永久磁石よりも径方向内側に配され、周方向に幅を持つ空隙部と、
磁性材料からなり、前記空隙部内に挿入される可動子であって、前記空隙部内を、前記周方向に移動可能な可動子と、
を備え、
最も径方向内側のスリットのうち前記永久磁石が挿入された箇所の径方向内側の辺は、直線形であり、
最も径方向内側のスリットのうち前記永久磁石が挿入された箇所の径方向内側の辺と、前記空隙部および前記可動子それぞれの径方向内側の辺および径方向外側の辺と、は互いに平行な直線形である、
ことを特徴とするフラックスバリア型リラクタンスモータの回転子。
【請求項３】
請求項１または２に記載のフラックスバリア型リラクタンスモータの回転子であって、
前記可動子の周方向の幅は、前記空隙部の周方向の幅の半分以下である、ことを特徴とするフラックスバリア型リラクタンスモータの回転子。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項に記載のフラックスバリア型リラクタンスモータの回転子であって、
前記最も径方向内側のスリットの径方向内側の辺と、前記空隙部の径方向外側の辺と、の間隔の径方向幅は、当該間隔を通過する界磁磁束量を、当該間隔の断面積で除した値が、飽和磁束密度以上になる値である、ことを特徴とするフラックスバリア型リラクタンスモータの回転子。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１項に記載のフラックスバリア型リラクタンスモータの回転子であって、
前記可動子の周方向端部は、前記空隙部の周方向端部と同一形状である、ことを特徴とするフラックスバリア型リラクタンスモータの回転子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、永久磁石が内挿された多層フラックスバリア型リラクタンスモータの回転子に関する。
【背景技術】
【０００２】
電動機の回転子の構造には、様々なものがある。多層フラックスバリア型リラクタンスモータの回転子は、コアの内部に複数のスリットを配置することによって複数の磁路を形成し、前記スリット内に永久磁石を内挿している。この多層フラックスバリア型リラクタンスモータの回転子の構造について以下に説明する。
【０００３】
図６は、従来の多層フラックスバリア型リラクタンスモータにおける回転子構造の断面の一例を示す図である。図６において回転子１は複数の積層された珪素鋼板から成っている。各珪素鋼板には、複数のスリット２が配置されており、各スリット２の間に磁路４が存在している構造となっている。より具体的に説明すると、回転子１には、複数の極（図示例では四極）が周方向に沿って形成されており、各極ごとに複数（図示例では５個）のスリット２が形成されている。一つの極を構成する複数のスリット２は、径方向に並列に並んでおり、各スリット２は、外側に向かって開いた略円弧状、または、略Ｕ字状である。複数あるスリット２には、永久磁石３が部分的に挿入されている。永久磁石３は、スリット２のうち、外周から遠く、内周に近い部分に挿入されている。また、永久磁石３の磁極は、漏れ磁束をキャンセルできる様に磁路に対して垂直方向を向いている。
【０００４】
回転子１の外側には固定子５が存在する。固定子５内のスロット６には巻線が巻かれ、巻線に通電される電流によって、電動機にトルクが発生することは公知である。回転子１の中心部には出力軸７があり、電動機で発生したトルクを外部に伝える。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
スリット２内に永久磁石３を内挿している回転子１内においては、図７に示されるように磁束が流れる。図７は、図６の回転子１の一部を拡大した図である。図７において、トルクを発生するためのトルク電流は固定子においてＩｑで示される位置の巻線に通電される。該電動機においては、トルク電流の方向は、常に一定であり、図７においてＩｑで示される位置の巻線では紙面に対して手前側から向こう側方向に電流が流れている。さらに、磁路４に沿った磁束を形成するために、Ｉｄ１及びＩｄ２の位置の巻線には界磁電流が通電される。図７においては、回転子１に対して反時計方向の回転トルクを発生させるために、Ｉｄ１の位置の巻線には紙面に対して向こう側から手前側方向に、Ｉｄ２の巻線の位置には紙面に対して手前側から向こう側方向へ、それぞれ電流が通電される。これにより、Ｉｄ１及びＩｄ２で示される巻線の周りには、巻線の位置を中心として右ネジの法則に従って図中斜線付きの矢印で示される方向に磁束が形成され、Ｉｑで示される巻線にフレミング左手の法則にしたがって時計回り方向の力が発生し、作用反作用の法則により、回転子１には反時計回り方向の回転トルクが発生する。
【０００６】
次に、スリット２内に内挿する永久磁石３の磁極方向について説明する。Ｉｑの位置に通電したトルク電流は、前述の通り常に一定方向であり、紙面に対して手前側から向こう側方向であるが、このＩｑの位置の巻線の周りにも右ネジの法則にしたがって磁束が形成される。ただし、この場合の磁束の方向は、スリット２に対して垂直な方向であるため、磁気抵抗が大きく磁束が形成されづらい。それでも、実際にはこの方向にも界磁磁束よりは小さいものの磁束が形成される。この磁束を漏れ磁束と呼ぶ。漏れ磁束は、図７においてＩｄ１の位置の巻線に対して内から外へ、Ｉｄ２の位置の巻線に対して外から内へ鎖交するため、フレミング左手の法則により回転子１には、時計回り方向の回転トルクが発生する。これはトルク電流による発生するトルクを打ち消す方向であるため、回転子としての発生トルクは低下してしまう。これを、電機子反作用と呼ぶ。この電機子反作用を低減するために、永久磁石３は、図７に示されるように左側のスリットに内挿される永久磁石は回転子１の径方向に対して外側がＳ極、内側がＮ極となり、右側のスリットは外側がＮ極、内側がＳ極となるように、漏れ磁束を打ち消す方向に配置される。
【０００７】
以上のような方向に内挿された永久磁石３は、前記漏れ磁束分をキャンセルするだけの起磁力を持っていれば十分である。すなわち、トルク電流の大きさは、電動機に発生させようとするトルク指令によって増減する。したがって、永久磁石３が持つ起磁力は、想定されるトルク電流の最大値を通電した場合に発生する漏れ磁束と同等となるように決められる。仮に、それよりも大きい起磁力を持った永久磁石３を内挿すると、回転方向によっては電機子反作用がかえって大きくなってしまう。
【０００８】
また、永久磁石３から出た磁束は、図８に示されるように回転子１の内径側では隣の永久磁石３に入るような経路をとるため、永久磁石３の磁束が回転子表面に到達し、界磁磁束が増える事はない。したがって、回転子１に形成される磁極の強さは界磁電流の大きさで決まり、電動機に発生するトルクの大きさは磁極の強さとトルク電流の大きさで決まる、という点については図６から永久磁石３を除いた通常のシンクロナスリラクタンスモータと同等である。ただし、通常のリラクタンスモータに比べると漏れ磁束が低減されるため、力率は向上する。
【０００９】
しかしながら、永久磁石を回転子に内挿しているにもかかわらず、永久磁石の磁力を電動機のトルクに活用できないのは、エネルギーの観点から考えると非常に非効率である。そこで、本発明では、回転子に内挿された永久磁石の磁力を利用して電動機の発生トルクを向上させる回転子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】
本発明の回転子は、周方向に沿って複数の極が形成されたフラックスバリア型リラクタンスモータの回転子であって、各極ごとに設けられた複数のスリットであって、径方向に並列に並んで、互いの間に磁路を形成する複数のスリットと、磁極の向きが前記スリットと略直交方向となるように、各スリット内に部分的に挿入された永久磁石と、最も径方向内側に挿入された永久磁石よりも径方向内側に配され、周方向に幅を持つ空隙部と、磁性材料からなり、前記空隙部内に挿入される可動子であって、前記空隙部の径方向両側面に接しながら、前記空隙部内を前記周方向に移動可能な可動子と、を備え、最も径方向内側のスリットのうち前記永久磁石が挿入された箇所の径方向内側の辺と、前記空隙部および前記可動子それぞれの径方向内側の辺および径方向外側の辺と、は同心の円弧状または互いに平行な直線形状である、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明を用いることにより、界磁磁束を増やして発生トルクを上昇させられるため、同等のトルクを発生するための界磁電流が少なくて済み、電動機の力率が向上するだけでなく、通電電流に対する発生トルクを示す電動機のトルク定数が上昇する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明における電動機の一例を示す図である。
【図２】本発明の回転子における可動部及び可動部用スリットの位置を示す図の一例である。
【図３】本発明の回転子における通電電流と磁束の流れを示す図の一例である。
【図４】本発明の回転子における通電電流と磁束の流れを示す図の一例である。
【図５】本発明の回転子における可動部及び可動部用スリットの位置を示す図の一例である。
【図６】従来における電動機の一例を示す図である。
【図７】従来の回転子における通電電流と磁束の流れを示す図である。
【図８】従来の回転子における永久磁石による磁束の流れを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１に本発明を実施するための一例を示す。図１における回転子１を構成する部分のうち、背景技術を示す図６と同一の要素については同一の符号を付し、説明を省略する。なお、以下の説明において、「周方向」および「径方向」とは、いずれも、回転子の周方向および径方向を意味する。また、「内側辺」とは、スリットや可動子の外形を構成する辺のうち、径方向内側の辺であり、「外側辺」とは、スリットや可動子の外形を構成する辺のうち、径方向外側の辺のことである。
【００１４】
図１の回転子１の一部を拡大したものを図２に示す。図２において、径方向に並んだ複数のスリット２の内部には、永久磁石３が部分的に挿入されている。最も径方向内側に位置するスリット２（以下「最内側スリット２」と呼ぶ）にも、永久磁石３が部分的に挿入されている。この最内側スリット２に挿入された永久磁石３よりも径方向内側位置には、当該最内側スリット２から一定の距離を開けて空隙部が形成されている。以下では、この空隙部を「可動子用スリット９」と呼ぶ。可動子用スリット９は、周方向に幅を有したスリットである。この可動子用スリット９の内側辺と外側辺は、共に円弧状または共に直線形状のいずれかでなければならない。図２では永久磁石が入っている最内側スリット２の内側辺が円弧形状となっているため、可動子用スリット９の内側辺と外側辺が円弧形状である場合を示している。共に円弧形状である場合は、最内側スリット２の内側辺と、可動子用スリット９の内側辺および外側辺と、は、全て、同一の点を中心とする同心円弧である。また、可動子用スリット９の内側辺と外側辺を結ぶ直線は、いずれも図中Ｃで示された円弧の中心点を通る。可動子用スリット９の径方向幅については、永久磁石３の径方向幅以上である必要がある。
【００１５】
可動子用スリット９の内部には、可動子８が設置される。可動子８の内側辺および外側辺も、可動子用スリット９の内側辺および外側辺等と同心の円弧状となっている。また、可動子８の内側辺および外側辺を結ぶ直線も、中心Ｃを通る形状をしている。換言すれば、可動子８の周方向端部の形状は、可動子用スリット９の周方向端部の形状とほぼ同じとなっている。さらに、可動子８の径方向幅は、可動子用スリット９の径方向幅よりも僅かに小さく、可動子８は、可動子用スリット９の径方向両側の側面にほぼ接しながら、可動子用スリット９内を動くことが可能となっている。また、可動子８が、可動子用スリット９の周方向端面に当たった時、可動子８の周方向端面は、可動子用スリット９の周方向端面に隙間無く接することができる。
【００１６】
可動子８の周方向幅は、可動子用スリット９の周方向幅よりも小さくある必要があり、図では可動子８の周方向幅が、可動子用スリット９の周方向幅のちょうど半分となる場合が示されている。また、可動子８が、可動子用スリット９内を動き易くするために、可動子用スリット９と可動子８が接する面（それぞれの径方向両側側面）は、摩擦が少なくなるような構造となっている。可動子８は、磁性体によって形成される。具体的には、鉄製のブロックであったり、回転子と同じく珪素鋼板を積層した構造であったりするものが考えられるが、磁性体であれば特に限定はしない。ただし、積層方向の長さは、回転子１の積層長と等しいか、わずかに短くなっていることが必要である。
【００１７】
次に、図中Ｗｄで示される、最内側スリット２の内側辺と可動子用スリット９の外側辺との間隔の径方向幅について説明する。前述した通り、該構造における回転子１では、界磁電流を通電することにより界磁磁束を回転子１内に励磁するが、励磁される界磁磁束の磁界の強さは、界磁電流の大きさで決まる。電動機に所望のトルクを発生させる場合、トルク電流と界磁電流は電動機のトルク定数が高くなる条件で制御されるため、いずれの電流も必要なトルクが決まる事によって一意的に決まる。したがって、電動機の最大トルクがわかっていれば、界磁電流の最大値も決まる。界磁電流の最大値が決まれば、界磁磁束の磁界の強さの最大値も決まるので、それをもとにＷｄを決定する事ができる。すなわち、回転子１を形成する珪素鋼板の材料が持つ透磁率をμとした時、回転子１にＨで示される磁界の強さをもった磁束が通過するとき、その部分の磁束密度Ｂは、次の式で示されることは公知である。
Ｂ＝μ×Ｈ
【００１８】
したがって、Ｗｄで示される部分を通過する磁束について、透磁率μと磁界の強さＨがわかっているので、磁束密度を求めることができる。珪素鋼板は、一般的に磁界の強さが大きくなっていくと磁束密度も高くなっていくが、一定値以上になると磁束密度がほとんど上がらなくなる。これを磁束の飽和と呼ぶが、飽和する磁束密度は珪素鋼板の材料の種類によって異なる。図２において、回転子１を構成する珪素鋼板の材料がわかっていれば飽和する磁束密度がわかるので、界磁磁束の磁界の強さの最大値から、Ｗｄで示される部分を通過する磁束量を求め、それを断面積（径方向幅Ｗｄ×ロータの軸方向長さ）で除した時に求められる磁束密度が、前記飽和する磁束密度となるようにＷｄの値を求めればよい事になる。以上のようにして、最内側スリット２と可動子用スリット９の間隔であるＷｄを求めることができる。
【００１９】
以上のような構造を持った回転子１において、トルクを発生する場合の界磁磁束の流れ及び本発明に関わる可動子８の動き及び可動子８移動後の永久磁石３による磁束の流れについて、図３を用いて以下に説明する。図３は、図２で示される回転子１に対して反時計方向のトルクを発生させる場合の界磁磁束の流れを示した図である。前述した場合と同様に、Ｉｄ１で示される位置の巻線に紙面向こう側から手前側方向へ、Ｉｄ２で示される位置の巻線に紙面手前側から向こう側方向へ、それぞれ界磁電流が通電されることにより、図中斜線付きの矢印で示される方向に界磁磁束が励磁される。その上で、Ｉｑで示される位置の巻線に紙面手前側から向こう側方向へトルク電流を通電することにより、フレミング左手の法則により巻線が時計方向に力を受け、作用反作用の法則により回転子１には反時計方向にトルクが発生する。なお、この場合、最内側スリット２と可動子用スリット９の間では、界磁磁束によって磁束が飽和している状態となっているので、永久磁石３による磁束は界磁磁束が通過している磁路４を通過することができない。
【００２０】
回転子１にトルクが発生すると、可動子８はトルクの発生方向とは逆方向に慣性力を受ける。前述の通り、可動子８は、可動子用スリット９内で自由に動けるため、慣性力を受けた方向に移動して行き、可動子用スリット９の側面に当たる。図４は、可動子８が移動した後の回転子１を示した図である。この場合、磁性体である可動子８が時計方向に移動し、可動子８は、可動子用スリット９の径方向側面に隙間無く接するため、この部分だけ磁路４の幅が大きくなっている。したがって、図４において左側の永久磁石３のＮ極から出た磁束が磁路４を通過できるようになる。この磁束は、従来技術を示す図８のような場合では、右側の永久磁石３のＳ極に磁束が流れていってしまっていたが、本発明を示す図４のような場合においては、右側の永久磁石３につながる磁路４がスリットになってしまっているため、右側の永久磁石３には入らず、図に示されるように界磁磁束と一緒になって回転子の外径に到達する。このことによって、Ｉｑと向かい合う磁路４である磁極中心の界磁磁束が増加することになる。磁極中心の界磁磁束が増加するということは、トルク電流が通電されるＩｑで示された巻線部分の磁束密度が大きくなることになるため、フレミング左手の法則により、巻線に発生する力が増加し、結果的に回転子１に発生するトルクが増加する。なお、磁極中心部分の磁路４の幅については、磁束が飽和しないように、従来技術の場合に比べて大きくしておく必要がある。幅を大きくする割合は、永久磁石３から流れてくる磁束量をもとに計算すればよい。
【００２１】
以上が、本発明において発生トルクを増加させる原理についての説明である。なお、前記とは逆方向である時計方向にトルクを発生する場合については、可動子８は反時計方向に慣性力を受けて移動するため、永久磁石３からの磁束の流れは図４と逆方向になる。この場合には界磁電流を図４と逆方向に通電し、界磁磁束も図４と逆方向に流れているため、時計方向に発生するトルクが増加する。
【００２２】
以上のように界磁磁束を増やして発生トルクを上昇させるということは、同等のトルクを発生するための界磁電流が少なくて済む、ということである。界磁電流を少なくできる、ということは電動機の力率が向上するだけでなく、界磁電流とトルク電流を合成した総電流が減る、ということになるため、同等のトルクを発生するための電流が少なくなり、すなわち、トルク定数が上昇するということになる。
【００２３】
なお、本発明において、図３では可動子８の周方向幅が可動子用スリット９の周方向幅の半分の場合を示した。仮に可動子用スリット９の幅の半分よりも大きい場合を考えると、永久磁石３から出た磁束の一部が、隣の磁極方向に流れてしまう可能性がある。そうなった場合、各磁極に形成される磁束は逆方向に磁束によってキャンセルされて減少してしまうため、可動子８の周方向幅は可動子用スリット９の周方向幅の半分以下であったほうが良い。一方、可動子８の周方向幅が可動子用スリット９の周方向幅の半分よりも小さい場合については、永久磁石３から出た磁束の一部が、隣の磁極方向に流れてしまうことは無いものの、あまりにも小さいと界磁磁束を増やす事ができなくなるため、ある程度の周方向幅は必要である。増やしたい界磁磁束の量と磁極部分の磁路４をどれだけ太くできるかの兼ね合いから、どの程度の周方向幅が必要か求めて決定する必要がある。
【００２４】
さらに、回転子１の中心には出力軸７があるが、通常、軸は鉄をはじめとした磁性材料で形成される場合が多いが、本発明のように永久磁石３の磁束を回転子外形まで到達させるためには、出力軸７の材料はステンレスをはじめとする非磁性材料であることが望ましい。また、中空とすることも一つの方法である。
【００２５】
また、ここまでは、最も内側にある永久磁石３の内側辺が円周である場合について説明してきたが、該部分が直線であってもよい。その場合には、図５に示すような可動子及び可動子用スリットの形状になる。すなわち、最内側スリット２の永久磁石が挿入されている箇所の内側辺と、可動子用スリット９および可動子８それぞれの内側辺および外側辺と、は、互いに平行な直線形状となる。また、可動子用スリット９の内側と外側を結ぶ部分の形状については、図では垂直線で示されているが、特に形状は問わない。ただし、可動子８が両側面に当たった時に隙間無く接することができるよう、可動子８の周方向端部と可動子用スリット９の周方向端部は同一形状である必要がある。
【符号の説明】
【００２６】
１  回転子、２  スリット、２  最内側スリット、３  永久磁石、４  磁路、５  固定子、６  スロット、７  出力軸、８  可動子、９  可動子用スリット。
【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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