(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
界磁用の永久磁石を配した回転子の磁極数と１歯の周りを巻き回す集中巻きにより巻き回されてなる固定子巻線のスロット数との比率が２対３である１２０度通電方式の回転電機であって、強磁性体からなる回転子コアの内部に板状の界磁用永久磁石を配して外周面に対称４極の磁極を形成した内部磁石型回転子を具備し、前記内部磁石型回転子は磁路を構成する回転子コアに機械角で９０度間隔で永久磁石からなる突部を設けた構造であり、前記界磁用永久磁石の断面積を前記突部を構成する永久磁石の断面積よりも大とし、前記界磁用永久磁石と前記突部を構成する永久磁石は異極同士が対向しており、前記回転子の１磁極の磁束を電気角で４０〜１００度に集中することを特徴とする回転電機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、界磁用の永久磁石を配した回転子（以後、永久磁石式回転子という）を備えた１２０度通電方式の回転電機（モータ、発電機等）に関する。
【０００２】
【従来の技術】
まず１２０度通電方式の永久磁石式回転子を有するモータのトルク発生原理から説明する。
内部抵抗ｒの電動機に電圧Ve(V)を印加し、電流Ｉが流れ、電動機が回転数Ｒ(rad)で回転しており、電動機内部で逆起電圧e(V)が発生している場合の電圧方程式は以下の通りである。
Ｖｅ＝Ｉｒ＋ｅ      （１）
ここで、電動機の機械的出力をＷoとすると、次式が成り立つ。
Ｗｏ＝ｅ・Ｉ        （２）
この数式は、多数の巻き線を有する電動機において、例えば１つの巻き線Ａを取り出して考えた場合に機械的出力、逆起電圧、電流を巻き線Ａ単体に当てはめて考えても同様に成立する。
一方、巻き線Ａに鎖交する磁束をΦ、巻き線Ａに発生する逆起電圧をｅAとすると、次式が成り立つ。
ｅA＝−（ｄФ／ｄｔ）          （３）
また、出力Ｗｏは出力トルクと角速度で表され、その関係式は次式である。
Ｗｏ＝トルク（Ｎｍ）ｘ角速度（ｒａｄ）
よって、巻き線Ａによって発生するトルクをＴ（Ｎｍ）、角速度をＲ（ｒａｄ）とした場合に瞬間的に発生するトルク、回転数は鎖交磁束量および電流で次式のように表される。
Ｔ・Ｒ＝ｅ・Ｉ＝−（ｄФ／ｄｔ）・Ｉ      （４）
また、時間を回転角radに変換して考えるとき、角速度は角度の時間微分であるため、次式が成り立つ。
(ｄФ／ｄｔ)＝(ｄФ／drad)・(drad／ｄｔ)＝(ｄФ／drad)・Ｒ  （５）
この式（４）を式（５）に代入することにより、巻き線Ａが発生するトルクは次式で表せる。
Ｔ＝−（ｄФ／drad）・Ｉ      （６）
今、三相スター結線を有する、いわゆる１２０度通電方式を採用した電動機を考えると、巻き線Ａの通電期間、電気角で表すと1/6πから5/6πの間ではほぼ電流は一定であると考えて良い。この一定の電流をＩｃとする。
このため、巻き線Ａの通電期間で発生トルクＴを積分すると、次の関係式が導かれる。
【０００３】
【数１】
0004032325.tif 000002
【０００４】
すなわち、１つの巻き線が１通電期間に出すトルクの積分値は通電開始時点の鎖交磁束量と通電終了時点の鎖交磁束量との差に比例することが明らかになった。
【０００５】
この概念を、固定子スロット数と回転子磁極数との比率が３：２であり、かつ巻き線が固定子歯に集中巻きされた１２０度通電方式の電動機に当てはめてみる。
図６に回転子５０の磁極数が４極、固定子９５が６スロットの従来の回転電機の要部断面図を示す。図７は図６の電動機における１２０度通電方法を説明する図である。回転子５０は、永久磁石１００が外周面に配置された表面磁石型の回転子である。１２０度通電方式を採用しているため、固定子歯のある１つ（図７のＡ）に注目すると、固定子歯Ａの中心と回転子５０の永久磁石１００の磁極中心とが電気角で３０度（機械角で１５度）の角度をなした時点で通電が開始される。
通電後、回転子５０が回転して図７の固定子歯Ｂの中心と前記永久磁石１００の磁極に隣り合う永久磁石の磁極の中心とが電気角で−３０度（機械角で−１５度）の角度をなした時点で通電が停止される。なお、実際には回転子５０が回転しているが、説明のために図７では便宜的に固定子９５の歯が回転子５０に対して相対回転した状態で示した。
前記の固定子歯Ａの位置にある場合には、永久磁石１００の１磁極の範囲内に固定子歯Ａのギャップ対向面Ａ１がすべて入っており、固定子歯Ａの中心がこの位置よりも前記回転子５０の磁極の中心側に移動したとしても、この固定子歯Ａ内部の磁束量増加はあまり望めない。前記固定子歯Ｂの位置にある場合でも、このことは同様である。
なお、１２０度通電方式は、限られた通電期間で有効に出力トルクを発生することができる合理的かつ有効な通電方法であるといえる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図７からわかるように、固定子歯Ａの通電開始位置から離れた位置の、図７においてＣで表した電気角で６０度分の永久磁石１００の磁極から発生する磁束は有効に利用されていない。すなわち、固定子９５の歯に巻かれた巻き線に回転子５０の磁極と反発する電流が流れた場合には前記巻き線と前記磁極のＣ部分から発生する磁束とは鎖交しない。よって、前記Ｃで表わした電気角の磁極部分からの磁束はトルク発生には寄与しない。
このように回転子の全角度にわたって永久磁石を配置する回転子構造は永久磁石からの発生磁束を十分に活用しているとはいえず、高価な永久磁石の使用量増加により回転電機のコストを増大させる問題がある。
なお、前記図６、図７の従来の回転電機において回転子の永久磁石１００の１磁極（極弧率）が１８０度の場合には、固定子９５の歯と回転子５０の磁極との間のギャップ９８における磁束密度をｂ２とすると、固定子９５の歯に集中巻きされているｎターンの巻き線を鎖交する磁束量の角度当たりの変化量は、前記巻き線が巻かれている歯が前記巻き線通電開始時点において前記回転子５０の磁極に対する対向面積が減少すること、および前記巻き線通電開始時点において対向していない回転子５０の磁極に対する対向面積が増加することが加わり、
(磁束密度ｂ２)×(軸方向長さ)×(ギャップ直径)×π／2π×2×ｎ（単位はWb/rad）  （８）で表される。
【０００７】
いわゆる分布巻線を採用しているモータにおいては、例えば特開平９−９５３７のように、永久磁石式回転子の磁束を電気角で１２０度に集中することが提案されている。しかし、従来の表面磁石型磁石回転子においては図８に示すように両端が平行であるアーク状の永久磁石２００を表面に配する場合が多く、実質的に永久磁石２００の磁極幅は電気角で１４０度近くまで下がっている場合が多かった。すなわち電気角で１２０度に磁極を制限しても回転子１５０の永久磁石２００の有効利用が十分ではなく、回転電機の構成部品として高価な永久磁石の発する磁束が十分に活用されていなかった。
【０００８】
したがって、本発明の課題は、永久磁石式回転子を備えた回転電機において、回転子の永久磁石の使用量を節約した場合でも従来と略同様の磁束量（トルク）が得られ、回転電機の高性能化を図ることである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決した本発明は、界磁用の永久磁石を配した回転子の磁極数と１歯の周りを巻き回す集中巻きにより巻き回されてなる固定子巻線のスロット数との比率が２対３である１２０度通電方式の回転電機であって、強磁性体からなる回転子コアの内部に板状の永久磁石を配して外周面に対称４極の磁極を形成した内部磁石型回転子を具備し、前記内部磁石型回転子は磁路を構成する回転子コアに機械角で９０度間隔で永久磁石からなる突部を設けた構造であり、前記界磁用永久磁石の断面積を前記突部を構成する永久磁石の断面積よりも大とし、前記界磁用永久磁石と前記突部を構成する永久磁石は異極同士が対向しており、前記回転子の１磁極の磁束を電気角で４０〜１００度に集中することを特徴とする回転電機である。
【００１０】
本発明及び参考例の回転電機に備えられる永久磁石式回転子としては、例えば回転子表面に界磁用永久磁石を配置する表面磁石型、回転子の高速回転時の遠心力により表面磁石型回転子の界磁用永久磁石が表面から剥離すること等を防止するために前記界磁用永久磁石のギャップ側に金属（合金）あるいはプラスチックやゴムで形成した円筒状のカバー（キャン）を設けたカバー付きの表面磁石型回転子、強磁性体を主とした回転子コアの内部に界磁用永久磁石を配設する内部磁石型回転子の構成等を採用できる。
このうち、本発明の回転電機に備えられる永久磁石式回転子としては内部磁石型回転子の構造であって、界磁用永久磁石の１磁極の断面積を前記内部磁石型回転子の１磁極（１突極）の角度（電気角で４０〜１００度）に相当する断面積よりも大とした場合である。
【００１１】
本発明には公知の永久磁石を用いることができる。例えば、Ｒ2Ｔ14Ｂ金属間化合物（ＲはＮｄおよび／またはＤｙを主体とし、かつＹを含む希土類元素の１種または２種以上、ＴはＦｅまたはＦｅとＣｏ）を主相としたＲ−Ｔ−Ｂ系希土類磁石、Ｒ’Ｃｏ5、Ｒ’Ｔ17また（Ｒ’はＳｍを主体とし、かつＹを含む希土類元素の１種または２種以上、ＴはＣｏ，Ｆｅ．Ｃｕを必ず含みさらにＺｒ，Ｈｆ．Ｔｉの１種または２種以上を含む）を主相とするＲ’−Ｃｏ系希土類磁石、フェライト磁石およびこれらの磁石粉末をバインダーで結着したボンド磁石等を用いることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、参考例の態様を説明する。図１（ａ）に参考例の回転電機の１様態を示す要部断面図を、図１（ｂ）に１２０度通電を説明する図を示す、以下、角度は特に説明を加えない場合には電気角を意味する。図１において、永久磁石の極弧率、すなわち永久磁石１の回転方向の１磁極角度を電気角で６０度としている。よって、通電開始時点の固定子歯１０は回転子５の永久磁石の磁極全面に対向しており、反時計方向に回転するに従い両者の対向面積が減少する。図１（ｂ）の位置から回転子が６０度反時計方向に回転した時点で、固定子歯１０の中心は隣り合う永久磁石１，２の磁極間の中心に位置し、固定子歯１０の対向先端１０ａは回転子５のいずれの磁極とも対向しない位置にある。さらに回転子５が回転するに従い、固定子歯１０は回転子５の永久磁石２の磁極に対向し始める。
図１の参考例の回転電機においては、固定子歯集中巻きされているｎターンの巻き線を鎖交する磁束量の角度当たりの変化量は、ｂ1をギャップ７における磁束密度とすると、式（８）と同様にして、
（磁束密度ｂ1）×（軸方向長さ）×（ギャップ直径）×π／２π×ｎ（単位はＷｂ/ｒａｄ）（９）で表される。
次に、上記従来の式（８）と参考例の図１の場合の式（９）との比較から、巻き線を鎖交する磁束量の角度当たりの変化量、すなわちそれと比例関係にあるトルクの大きさは、式（９）（図１）は式（８）（図６、図７）の略半分となる。次に、図１の回転電機の永久磁石の総使用量は、従来の図６、図７の回転電機の総使用量に対し、３分の１に抑えることができる。よって、図１と図６、図７の回転電機において、前記巻き線を鎖交する磁束量の角度当たりの変化量（トルク）の値および永久磁石の総使用量の比較から、図１の構成によれば、図６、図７の構成に比較して、永久磁石重量当たりの発生トルクを１．５倍に増加することができる。
【００１３】
なお、図１の回転電機の場合、瞬間的ではあるが固定子歯が隣り合う回転子の磁極のいずれとも対向しない状態の回転角度があるため、回転トルク発生に脈動を生ずることが考えられる。特に、固定子の歯同士で巻き線が発生する磁界が回り込むことを防ぎ、かつ巻き線のスロットへの挿入を容易にするために、固定子歯の先端同士はある程度の間隔を置いて形成されるのが一般的である。この場合は回転トルクの脈動がさらに顕著になる。
回転トルクの脈動を抑え、回転電機の回転を滑らかにするために、回転子の永久磁石の１磁極の角度（極弧率）を大きくすることが有効である。回転子と対向する固定子歯の先端の幅寸法に対し、その幅寸法の約半分の開口部を設けることが広く行われており、その場合に固定子歯の先端は角度で表すと８０度となる。また、その場合のスロットの開口角度は約４０度となることから、回転子の１磁極の角度（極弧率）は最大で１００度を確保することがよい。
近年、巻き線技術の向上によって、前記開口の形成比率を低くすることが可能となり、スロットの開口角度が約１０度の固定子も広く採用されてきている。よって、回転子の１磁極の角度（極弧率）を最大で８０度に抑えればトルク変動をより小さく抑えることが可能であり、さらに望ましい。
なお、参考例の回転電機には、例えば図２に示すように回転子２０に磁化容易軸方向が揃った永久磁石２１を配置したもの、図３（ａ）に示すように回転子２５に磁化容易軸方向が広がった永久磁石２６を配置したものを配置することができる。特に、図３（ａ）の場合には、永久磁石２６の１磁極幅を６０度よりも小さく絞り、永久磁石２６の磁化容易軸方向を回転子２５の半径が大きくなるに従い、図３（ｂ）に示すように外側に広がるような角度（永久磁石２６の中心からその外周面２６ａと端面２６ｂとが交差する位置Ｐまでの領域において広がり角度θが機械角で４５度以下）にすることにより、永久磁石２６の１磁極を６０度未満（例えば、４０度以上、あるいは５０度以上）にすることができる。また、図示のように、固定子歯２８の先端の両端２８ａに磁束が集中する傾向にあることも回転子２５の１磁極を４０度以上に設定できる理由の１つである。
【００１４】
図４に参考例の回転電機の他の様態を示す。
図４の回転電機では、強磁性体からなる回転子コア４２の内部に板状の永久磁石４１を配して外周面に対称４極の磁極を形成した内部磁石型回転子４０を備えている。この回転子４０は磁路を構成する回転子コア４２に機械角で９０度間隔で突部（突極）４３を設けた構造である。固定子の歯４８と回転子４０の前記突部（突極）４３と間のエアギャップ４６の厚みを調整して、電気角で６０度の範囲で前記突部（突極）４３に永久磁石４１からの磁束を集中させる構成とした。図４の構成によれば、各永久磁石４１の断面積（ハッチした部分）を各突極４３の断面積（ダブルハッチした部分）よりも大きくすることにより、回転子４０の１磁極（突極４３）の角度を電気角で４０〜１００度にして界磁用永久磁石の使用量を減らした場合、１磁極角度（極弧率）１８０度の従来の回転電機と略同等のトルクを発生できる実用性に富むものである。
【００１５】
（従来例、参考例）
図８の従来例の回転電機および図１、図４の参考例の回転電機において、各々について任意の固定子歯に鎖交する磁束量と回転子の回転角度（機械角）との相関データを測定し正規化した結果を図５に示す。なお、図８の従来例の回転電機では１磁極の極弧幅を機械角で７２度、電気角で１４４度とした。この理由は、図８に示された両端面が平行な扇形の永久磁石２００を配して対称４極の回転子１５０を構成した場合、その実質的な磁極幅が機械角で９０度ということはあり得ず、機械角で正味７０度前後のものが多用されていることを考慮したためである。
図５は、前記参考例および従来例の回転電機における１固定子歯を通る磁束量を、前記従来例の回転電機の通電開始角における磁束量対比で正規化している。内部磁石型回転子でかつ電気角６０度に回転子の１磁極内の磁束を集中させた図４の参考例の回転電機（◆）では、固定子歯の通電開始角度および終了角度において、図８の従来例の回転電機（△）とほぼ同等な磁束量を示した。かつ、通電部分での磁束量変化のカーブも従来例（△）に比べて直線的であるので、トルクリップルの小さい回転電機（モータ、発電機）を実現できるという利点がある。
表面磁石型回転子の構成でかつ１磁極幅を６０度とした図１の参考例の回転電機の場合（■）、従来例（△）に比べて通電開始角度および終了角度において従来例（△）に対して約６６％と２／３の磁束量を得ることができた。式（８）と式（９）との比較によれば、磁束量が略半分に低下するはずであったが、この相違は１磁極幅が機械角で９０度とされていたためと判断される。
【００１６】
図９に本発明の回転電機の態様を示す。
図９の回転電機では、強磁性体からなる回転子コア２４２の内部に板状の永久磁石２４１を配置し、かつ回転子コア２４２の外周面に等間隔で永久磁石２４３を配置することで、対称４極の磁極を形成した内部磁石型回転子２４０を備えている。この回転子２４０は磁路を構成する回転子コア２４２の外周面に機械角で９０度間隔で永久磁石からなる突部（突極）２４３を設けた構造である。永久磁石２４１と突部を構成する永久磁石２４３は異極同士が対向している。固定子の歯２４８と回転子２４０の前記突部（突極）２４３との間のエアギャップ２４６の厚みを調整して、電気角で６０度の範囲で前記突部（突極）２４３に永久磁石２４１からの磁束を集中させる構成とした。図９の構成によれば、各板状永久磁石２４１の断面積を各突極を構成する略かまぼこ形の永久磁石２４３の断面積よりも大きくし、かつ各突極２４３が永久磁石からなるので、図４の回転電機に比べてエアギャップ２４６における磁束密度分布を大にすることができ、回転電機の高性能化に好適である。
【００１７】
【発明の効果】
界磁用の永久磁石を配した回転子の磁極数と１歯の周りを巻き回す集中巻きにより巻き回されてなる固定子巻線のスロット数との比率が２対３である１２０度通電方式の回転電機であって、強磁性体からなる回転子コアの内部に板状の界磁用永久磁石を配して外周面に対称４極の磁極を形成した内部磁石型回転子を具備し、前記内部磁石型回転子は磁路を構成する回転子コアに機械角で９０度間隔で永久磁石からなる突部を設けた構造であり、前記界磁用永久磁石の断面積を前記突部を構成する永久磁石の断面積よりも大とし、前記界磁用永久磁石と前記突部を構成する永久磁石は異極同士が対向しており、前記回転子の１磁極の磁束を電気角で４０〜１００度に集中することを特徴とする回転電機は、少ない界磁用永久磁石の使用量でかつ略同様の磁束量（トルク）を確保でき、更に回転電機の高性能化が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】参考例の回転電機の一態様を示す要部断面図
（ａ）、１２０度通電方法を説明する図（ｂ）である。
【図２】参考例に用いる永久磁石の磁化容易軸の配向の一例を示す図である。
【図３】参考例に用いる永久磁石の磁化容易軸の配向の他の例を示す図（ａ）、図（ａ）の永久磁石を配した回転電機の一例を示す要部断面図（ｂ）である。
【図４】参考例の回転電機の態様を示す要部断面図である。
【図５】固定子の歯部を通過する磁束量と回転子の回転角度の相関の一例を示す図である。
【図６】従来の回転電機を示す要部断面図である。
【図７】図６の１２０度通電方法を説明する図である。
【図８】従来の回転電機を示す要部断面図である・
【図９】本発明の態様を示す要部断面図である。
【図１】
0004032325.tif 000003
【図２】
0004032325.tif 000004
【図３】
0004032325.tif 000005
【図４】
0004032325.tif 000006
【図５】
0004032325.tif 000007
【図６】
0004032325.tif 000008
【図７】
0004032325.tif 000009
【図８】
0004032325.tif 000010
【図９】
0004032325.tif 000011