(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定子巻線(18)を装備した固定子(10)と該固定子内に回転可能に装着された回転子(20)とを備えた回転電機であって、前記回転子が、交互に極性の異なる複数の磁石(22N,22S; 122N,122S; 222N,222S)に、各磁石と結合した磁気抵抗部材(24a,24b; 124a,124b; 224a,224b)をそれぞれ並置してなる一連の磁石配列を備え、個々の磁石とそれに結合した磁気抵抗部材とで回転子の単位磁極が構成されているものにおいて、少なくとも幾つかの単位磁極が、一つの回転方向に関して後方にのみ第１の磁気抵抗部材(24a; 124a; 224a)を結合した第１の磁石(22S; 122S; 222S)と、前記回転方向に関して前方にのみ前記第１の磁気抵抗部材とは別の第２の磁気抵抗部材(24b; 124b; 224b)を結合した第２の磁石(22N; 122N; 222N)とを交互に有し、これらの磁石が楔形の形状を有すると共に隣り合う二つの磁石で一方の磁石の楔形の先端部が他方の磁石の楔形の尾端部に揃えられていることを特徴とする回転電機。
【請求項２】
回転子(20)が、前記回転方向に関し、第n番目の単位磁極と第n+1番目の単位磁極に属する一対の隣接した磁石(22N,22S; 122N,122S; 222N,222S)を有し、且つこれら一対の磁石が、第n+1番目の単位磁極と第n+2番目の単位磁極に属する一対の隣接した磁気抵抗部材(24a,24b; 124a,124b; 224a,224b)で交互配置となっていることを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
【請求項３】
磁石(22N,22S; 222N,222S)が磁束を径方向に生じる磁石であることを特徴とする請求項１又は２のいずれか１項に記載の回転電機。
【請求項４】
磁石(22N,22S; 222N,222S)が回転子の表面に装着されていることを特徴とする請求項３に記載の回転電機。
【請求項５】
磁石(22N,22S; 222N,222S)が回転子の周面に埋め込まれていることを特徴とする請求項３に記載の回転電機。
【請求項６】
同一単位磁極の磁石(22N; 22S)とそれに結合された磁気抵抗部材(24a; 24b)とが周方向に関して同等の寸法(KA.PP; KR.PP)を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の回転電機。
【請求項７】
第１と第２の磁気抵抗部材がほぼ楔形の形状を有し、隣り合う二つの磁気抵抗部材で一方の磁気抵抗部材の楔形の先端部が他方の磁気抵抗部材の楔形の尾端部に揃えられていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の回転電機。
【請求項８】
回転子の各単位磁極が、回転子を構成する二つの填め合い部品(201, 202)の交互差込形磁極爪部(211, 212)によって形成されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の回転電機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、一般的には回転電気機械、特別には永久磁石回転子を有する同期回転電機に関するものである。
【０００２】
回転子の表面に一列の永久磁石を配置し、或いは回転子の表面下に永久磁石を埋め込んで、Ｓ極とＮ極を適切に分布配置した形式の回転電機は公知である。
【０００３】
この種の回転電機では、永久磁石による励磁であることから、特に低負荷状態で動作する際に、磁束を減衰させる機構、即ち、固定子巻線との磁気的な働きに寄与しない磁束を循環させる手段を備える必要がある。
【０００４】
図１は、この問題に対し、交互に配列したＳ極の磁石22SとＮ極の磁石22Nとを有する回転子20による従来の解決策の一例を示している。この従来の解決策は、隣接磁石の各対の磁石間に、固定子の磁極との相互作用で所要の磁束減衰効果を生じる磁束減衰部24を配置することからなっている。
【０００５】
図２は、上記の回転子と固定子の作動位置関係を示す展開図で、固定子10はスロット14で分けられた歯部16を有し、スロット内には固定子巻線18が収容されている。固定子の磁束F1は上記二つの磁石で生じており、またこれを減衰させるような逆向きの反磁束FDが存在している。この図では固定子の磁束と反磁束はあまり分離されておらず、このような互いに逆向きの固定子磁束と反磁束の部分的な重なり合いがこの回転電気の磁束減衰能力を制限している。
【０００６】
本発明の主な課題は係る欠点を解消することにある。
【０００７】
本発明の別の課題は、動作時にトルクに影響するリップルを低減することにある。
【０００８】
これらの課題を達成するため、本発明は、固定子巻線を装備した固定子と該固定子内に回転可能に装着された回転子とを備えた回転電機、特に自動車用の発電機又は発電機兼用始動電動機としての回転電機を提供するものであり、この回転電機は、前記回転子が交互に極性の異なる複数の磁石に各磁石と結合した磁気抵抗部材をそれぞれ並置してなる一連の磁石配列を備え、個々の磁石とそれに結合した磁気抵抗部材とで回転子の単位磁極を構成しており、特に、少なくとも幾つかの単位磁極は、一つの回転方向に関して後方に磁気抵抗部材を結合した磁石と前方に磁気抵抗部材を結合した磁石とを交互に有している。
【０００９】
本発明による回転電気において、限定を意図しないその他の好ましい特徴は以下の通りである。
【００１０】
回転子が、前記回転方向に関し、第n番目の単位磁極と第n+1番目の単位磁極に属する一対の隣接した磁石を有し、且つこれら一対の磁石が、第n+1番目の単位磁極と第n+2番目の単位磁極に属する一対の隣接した磁気抵抗部材で交互配置となっているもの。
【００１１】
磁石が磁束を径方向に生じる磁石であるもの。
【００１２】
磁石が回転子の表面に装着されているもの。
【００１３】
磁石が回転子の周面に埋め込まれているもの。
【００１４】
同一単位磁極の磁石とそれに結合された磁気抵抗部材とが周方向に関して同等の寸法を有するもの。
【００１５】
磁石がほぼ楔形の形状を有し、隣り合う二つの磁石で一方の磁石の楔形の先端部が他方の磁石の楔形の尾端部に揃えられているもの。
【００１６】
回転子の各単位磁極が、回転子を構成する二つの填め合い部品の交互差込形磁極爪部によって形成されているもの。
【００１７】
本発明の上記以外の特徴と利点は以下に詳述する本発明の幾つかの実施形態から明らかであるが、これらの実施形態は、添付図面に示す通り、本発明の技術的範囲を限定する意図を持たない単なる例示のためのものである。
【００１８】
図３は本発明の第１実施形態による回転電気の模式展開図であり、この回転電気は標準的な構成の外部固定子10を備え、そのヨーク12には、固定子磁極を構成する歯部16によって対構成に分けられた複数のスロット14が形成されている。スロット14には、単相もしくは多相の固定子巻線18が収容されている。
【００１９】
回転子20は、径方向磁束を生じる二つの永久磁石22N,22Sと、二つの可変磁気抵抗部材24a,24bとを外周に備えている。これら二つの永久磁石は互いに隣接し、両磁気抵抗部材24a,24bも同様である。実際には、回転子の外周上で周方向の一方に順に一対の永久磁石22N,22Sが隣接して並び、次いで一対の磁気抵抗部材24a,24bが隣接して並び、更にその次に別の一対の永久磁石が隣接して並び、以下同様に交互の配置となっている。
【００２０】
回転子の極ピッチPPは、回転の接線方向（これは図３では左から右へ向かう方向である）における磁石の寸法によって定まり、例えばこれは、接線方向における隣接の磁気抵抗部材24bの寸法を加えた磁石22Nの寸法である（Ｎ極）。同様に、磁石22Sと隣接の磁気抵抗部材24aとの合計寸法により他の極ピッチも同一寸法に定められている（Ｓ極）。このように、本発明においては、或る単位磁極は一つの回転方向において永久磁石部分とその前方にのみ隣接する可変磁気抵抗部材部分とからなり、次の単位磁極は上記回転方向において可変磁気抵抗部材部分とその後方にのみ隣接する永久磁石部分とからなっている。
【００２１】
極ピッチ内における永久磁石と磁気抵抗部材との相対寸法比は係数KAとKRで与えられ、これら係数は共に１未満であってKA＋KR＝１である。
【００２２】
この回転電機では、以上のような回転子の構成、特に第n番目と第n+1番目の二つの連続する単位磁極に対応する永久磁石の並置グループ化と、第n+1番目と第n+2番目の二つの連続する単位磁極に対応する磁気抵抗部材の並置グループ化とによって磁束減衰特性が改善されている。また、この構成は動作時のトルクに影響するリップルを低減する利点があることも判明している。
【００２３】
図４は、平常動作時において固定子巻線により生じる磁化磁束、すなわち、この場合は永久磁石によって固定子の磁極内に生じた磁束FAと同じ向きに流れる磁束FMが、永久磁石の磁束に対して明確に分離されることを示している。これによる直接的な結果として、図４に示した磁化磁束とは逆向きとなる磁束減衰用の反磁束FDも図５に示すように永久磁石の磁束FAに対して明確に分離される。この場合、係数KRを或る値に定めると、永久磁石による磁束FAが大きな阻害要因とならなくなるので反磁束FDを増加させることが可能である。
【００２４】
係数KA及びKRは、設計段階で回転電気の磁束減衰能力を設定するために予め選ぶことが可能である。係数KRとKAを同等、即ちKRとKAを共に0.5近傍に選ぶと、広幅の磁束減衰域が得られる。
【００２５】
本発明による回転電気は上記以外の利点も有しており、特に二つの永久磁石を共通のスロット内に一緒にグループ化できることからヨーク及び回転子を形成する積層板の切断または打ち抜きを単純化することができ、また、永久磁石22N及び22Sも、本来の位置にＮ極の部分である磁石22NとＳ極の部分である磁石22Sとを連続的に着磁した単一ブロックの形で作ることができる。
【００２６】
図６は本発明による回転電気の要部を示しており、この回転電気では回転子の磁極は２対である。従って回転子はその外周に２対の永久磁石22N,22Sと２対の磁気抵抗部材24a,24bを一対ずつ交互の配置で備えている。固定子は三相固定子である。
【００２７】
勿論、いかなる対数の永久磁石と磁気抵抗部材との交互配置で回転子を構成することもできる。
【００２８】
図７は本発明の変形態様を示しており、この場合、磁石22N及び22Sは表面上ではなく回転子のヨーク内に埋め込まれている。
【００２９】
図８及び図９は軸方向に楔形をした軸方向磁束発生形磁石を有する回転子を示している。即ち、Ｎ極磁石122Nは直角三角形状の全体形状を有し、その直角二辺の長辺は回転軸心と平行で、短辺は回転子の軸方向端面と同一面内で磁極面を形成している。Ｓ極磁石も同様であり、これらＮ極磁石122NとＳ極磁石122Sは、一方の磁石の楔形の先端部が他方の磁石の楔形の尾端部に揃えられている。また、Ｎ極磁石122Nの前記長辺はＳ極磁石122Sの同様の長辺と隣接し、これら磁石の短辺が回転子の互いに反対側の端面でそれぞれ磁極を形成している。可変磁気抵抗部材124a,124bも同様な楔形で同様に配置され、それぞれの斜辺が両楔形磁石の各斜辺に沿って延在している。
【００３０】
先の実施形態と同様に、いかなる対数の永久磁石122N,122Sと対応する対数の磁気抵抗部材との交互配置としても良いことは述べるまでもない。
【００３１】
このような回転子構造は、特に軸方向磁束過励磁又は減衰励磁形固定子巻線との組み合わせに好適である。
【００３２】
図１０及び図１１は本発明を爪形磁極回転子に適用した例を示している。
【００３３】
この爪形磁極回転子は二つの軸方向の填め合い部品によって構成されており、第１の填め合い部品201は、ほぼ三角形状の複数の磁極爪部211からなる第１の列を備え、第２の填め合い部品202は、対抗する向きに同様のほぼ三角形状の複数の磁極爪部212からなる第２の列を備えている。両填め合い部品は互いの爪部が交互の差込状態となるように填め合わされる。
【００３４】
この場合、第１の列の各磁極爪部211は、或る一つの回転方向（図１０において左から右へ向かう方向）に関して可変磁気抵抗部材224bとそれに後続してＮ極を形成する磁石222Nとを備え、また第２の列の各磁極爪部212は、上記と同じ回転方向に関してＳ極を形成する磁石222Sとそれに後続する可変磁気抵抗部材224aとを備えている。従って、複数の磁石と複数の可変磁気抵抗部材によるこのような構成は、図３〜図６に示した構成と同等である。
【００３５】
本発明は以上の説明及び図面に示した実施形態に限定されるものではなく、本発明の理念の範疇で当業者に可能なあらゆる変形及び改変も本発明に包含されることは述べるまでもない。
【００３６】
特に、永久磁石と可変磁気抵抗部材との相対寸法は、既に述べたように必要とする磁束減衰能力に応じて種々に変えることが可能である。
【００３７】
本発明は、特に自動車用の発電機および発電機／始動電動機兼用回転電機に好適である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  交互に配列したＳ極磁石とＮ極磁石とを有する回転子による従来の解決策の一例を示す模式図である。
【図２】   上記従来例における回転子と固定子の作動位置関係を模式的に示す展開図である。
【図３】  本発明による回転電気の基本的な第１実施形態における固定子と回転子の各一部を模式的に示す展開図である。
【図４】  図３に示す回転電気の平常動作時における作動の様子を模式的に示す展開図である。
【図５】  図３に示す回転電気の磁束減衰状態における作動の様子を模式的に示す展開図である。
【図６】  本発明による回転電気の部分的な模式断面図である。
【図７】  本発明の変形態様による回転電気の一部を模式的に示す断面図である。
【図８】  本発明による回転電気の第２実施形態における回転子の模式展開図である。
【図９】  図８の展開図に対応する模式的な回転子の斜視図である。
【図１０】  本発明による回転電気の第３実施形態における回転子の模式展開図である。
【図１１】  図１０の展開図に対応する模式的な回転子の斜視図である。
【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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【図１０】
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【図１１】
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