JP2011109734A - Rotating machine - Google Patents

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Takahiko Murayama
隆彦 村山
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a rotating machine obtaining a high power by reducing leakage magnetic flux of a segment-shaped permanent magnet. <P>SOLUTION: A permanent magnet synchronous motor A includes a rotor 1 in which a plurality of segment-shaped permanent magnets 1b are buried along an outer peripheral surface 1a1 and a stator disposed opposite to the outer peripheral surface 1a1. The rotor 1 includes a pair of air layers 1c at a position sandwiching a passage path where the magnetic flux toward the outer peripheral surface 1a1 from the permanent magnet 1b passes through a rotor core 1a in the rotor core 1a between the permanent magnet 1b and the outer peripheral surface 1a1. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、電動機や発電機等の回転機に関するものである。   The present invention relates to a rotating machine such as an electric motor or a generator.

特許文献1には、回転機の一形態として永久磁石同期モータ(電動機)が開示されている。この永久磁石同期モータでは、ロータ内に複数の永久磁石を挿入配置し、極を形成させる。そして、ロータを取り囲むように配置したステータ側の電機子巻線に通電して、回転磁界を形成することで、ロータを回転駆動させている。   Patent Document 1 discloses a permanent magnet synchronous motor (electric motor) as one form of a rotating machine. In this permanent magnet synchronous motor, a plurality of permanent magnets are inserted and arranged in the rotor to form poles. Then, the rotor is driven to rotate by energizing the armature winding on the stator side arranged so as to surround the rotor to form a rotating magnetic field.

特開2000−228838号公報JP 2000-228838 A

ところで、上記永久磁石同期モータのロータ内に挿入される永久磁石としては、コストの観点から、ブロック形状(棒形状)の永久磁石が一般的に用いられている。しかしながら、ブロック形状の永久磁石は、ロータの外周面に沿って挿入配置すると、永久磁石と外周面との間に厚みが生まれて磁気抵抗が大きくなり、結果出力が小さくなる。そこで、出力の観点から、永久磁石と外周面との間の厚みを小さくできるセグメント形状(C形状、瓦形状)の永久磁石を用いることがなされている。
しかしながら、セグメント形状の永久磁石は、ロータの外周面に対向する面が円弧状になっており、ブロック形状の永久磁石と比べて磁束が広がり易く、ステータ側に向かわずにロータ内に回り込む所謂漏れ磁束が生まれ易いという問題がある。
By the way, as a permanent magnet inserted into the rotor of the permanent magnet synchronous motor, a block-shaped (bar-shaped) permanent magnet is generally used from the viewpoint of cost. However, if the block-shaped permanent magnet is inserted and disposed along the outer peripheral surface of the rotor, a thickness is generated between the permanent magnet and the outer peripheral surface, and the magnetic resistance increases, resulting in a smaller output. Therefore, from the viewpoint of output, a segment-shaped (C-shaped, roof-shaped) permanent magnet that can reduce the thickness between the permanent magnet and the outer peripheral surface is used.
However, the segment-shaped permanent magnet has an arc-shaped surface facing the outer peripheral surface of the rotor, so that the magnetic flux tends to spread more easily than the block-shaped permanent magnet, and so-called leakage that goes into the rotor without going to the stator side. There is a problem that magnetic flux is easily born.

また、上記永久磁石同期モータでは、ステータから出力される誘導起電力(EMF:Electro Motive Force)の波形に基づいてロータの位置を検出するセンサレス制御方式を採用するものが存在する。この方式では、ステータから出力される誘導起電力の波形に応じて電機子巻線に供給される電流の制御が行われるため、永久磁石同期モータのステータから出力される誘導起電力の波形は、できるだけ基本波のみを含む正弦波であることが望ましい。
しかしながら、漏れ磁束が生じると、ステータから出力される誘導起電力に高調波成分(基本波より高周波数の成分)が多く含まれ、誘導起電力の波形が台形波化してしまう。そして、誘導起電力に基づくロータの位置検出において、この誘導起電力の波形の台形波化が、精度の高いロータ位置の検出を行うことの妨げになっているという問題がある。
Some permanent magnet synchronous motors employ a sensorless control system that detects the position of a rotor based on a waveform of an electromotive force (EMF) output from a stator. In this method, since the current supplied to the armature winding is controlled according to the waveform of the induced electromotive force output from the stator, the waveform of the induced electromotive force output from the stator of the permanent magnet synchronous motor is A sine wave including only the fundamental wave as much as possible is desirable.
However, when leakage magnetic flux occurs, the induced electromotive force output from the stator includes many harmonic components (components having a higher frequency than the fundamental wave), and the waveform of the induced electromotive force becomes trapezoidal. And in detecting the position of the rotor based on the induced electromotive force, there is a problem that the trapezoidal wave shape of the waveform of the induced electromotive force hinders detection of the rotor position with high accuracy.

本発明は、上述した問題に鑑みてなされたものであり、セグメント形状の永久磁石の漏れ磁束を低減して高出力を得ることができる回転機を提供することを目的とする。また、第2の目的として、精度の高いロータの位置検出を行うことができる回転機を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object thereof is to provide a rotating machine that can obtain a high output by reducing the leakage magnetic flux of a segment-shaped permanent magnet. Another object of the present invention is to provide a rotating machine capable of detecting the position of the rotor with high accuracy.

上記の課題を解決するために、本発明は、セグメント形状の永久磁石が外周面に沿って複数埋設されたロータと、上記外周面に対向するように配置されたステータとを有する回転機であって、上記ロータは、上記永久磁石と上記外周面との間のロータコアにおいて、上記永久磁石から上記外周面に向かう磁束が上記ロータコアを通過する通過路を挟んだ位置に、一対の非磁性層を有するという構成を採用する。
この構成を採用することによって、本発明では、低い透磁率を有する非磁性層を、セグメント形状の永久磁石からロータ外周面に向かう磁束の通過路を挟むように配置することで、その通過路から逸れる磁束を磁気的に阻止して漏れ磁束を低減させて、ステータ側に磁束を多く流すことができる。
In order to solve the above problems, the present invention is a rotating machine having a rotor in which a plurality of segment-shaped permanent magnets are embedded along an outer peripheral surface, and a stator disposed so as to face the outer peripheral surface. In the rotor core between the permanent magnet and the outer peripheral surface, the rotor has a pair of nonmagnetic layers at a position sandwiching a passage where the magnetic flux from the permanent magnet toward the outer peripheral surface passes through the rotor core. The structure of having is adopted.
By adopting this configuration, in the present invention, the nonmagnetic layer having a low magnetic permeability is arranged so as to sandwich the passage of magnetic flux from the segment-shaped permanent magnet toward the outer peripheral surface of the rotor. Magnetic flux can be prevented to escape and leakage magnetic flux can be reduced, so that a large amount of magnetic flux can flow to the stator side.

また、本発明においては、上記一対の非磁性層は、それぞれ矩形状を有しており、上記外周面側の端部が互いに近接するように所定角度傾いているという構成を採用する。
この構成を採用することによって、本発明では、外周面側の非磁性層の間が狭くなるので、セグメント形状の永久磁石からロータ外周面に向かう磁束を集中させてステータ側に流すことができるため、高出力を得ることができる。また、永久磁石側の非磁性層の間が広くなるので、セグメント形状の永久磁石からロータ外周面に向かう磁束をより多く、ステータ側に流すことができる。
In the present invention, the pair of nonmagnetic layers each have a rectangular shape, and employ a configuration in which the end portions on the outer peripheral surface side are inclined at a predetermined angle so as to be close to each other.
By adopting this configuration, in the present invention, the gap between the nonmagnetic layers on the outer peripheral surface side is narrowed, so that the magnetic flux from the segment-shaped permanent magnet toward the rotor outer peripheral surface can be concentrated and flowed to the stator side. High output can be obtained. Further, since the space between the nonmagnetic layers on the permanent magnet side is widened, more magnetic flux from the segment-shaped permanent magnet toward the outer peripheral surface of the rotor can flow to the stator side.

また、本発明においては、上記ステータから出力される誘導起電力の周波数分析に基づいて、上記誘導起電力の高調波成分の電圧が最も低くなる傾きに上記角度が設定されているという構成を採用する。
この構成を採用することによって、本発明では、誘導起電力の周波数分析によって高調波成分の電圧が最も低くなる傾き角度に非磁性層を傾けて、出力される誘導起電力の波形を正弦波化させることで、精度の高いロータの位置検出を行う。
Further, in the present invention, based on the frequency analysis of the induced electromotive force output from the stator, a configuration is adopted in which the angle is set to a slope at which the voltage of the harmonic component of the induced electromotive force is lowest. To do.
By adopting this configuration, in the present invention, the non-magnetic layer is tilted at a tilt angle at which the voltage of the harmonic component is the lowest by frequency analysis of the induced electromotive force, and the waveform of the output induced electromotive force is converted into a sine wave By doing so, the position of the rotor is detected with high accuracy.

また、本発明においては、上記非磁性層は、空気層を有するという構成を採用する。
この構成を採用することによって、本発明では、ロータコアにスリットを設けて空気層を形成することで、非磁性層をコスト安で形成することが可能となる。
In the present invention, the nonmagnetic layer has an air layer.
By adopting this configuration, in the present invention, it is possible to form the nonmagnetic layer at low cost by providing a slit in the rotor core to form an air layer.

また、本発明においては、電動機あるいは発電機である先に記載の回転機を採用する。   In the present invention, the above-described rotating machine which is an electric motor or a generator is employed.

本発明によれば、セグメント形状の永久磁石が外周面に沿って複数埋設されたロータと、上記外周面に対向するように配置されたステータとを有する回転機であって、上記ロータは、上記永久磁石と上記外周面との間のロータコアにおいて、上記永久磁石から上記外周面に向かう磁束が上記ロータコアを通過する通過路を挟んだ位置に、一対の非磁性層を有するという構成を採用し、低い透磁率を有する非磁性層を、セグメント形状の永久磁石からロータ外周面に向かう磁束の通過路を挟むように配置することで、その通過路から逸れる磁束を磁気的に阻止して漏れ磁束を低減させて、ステータ側に磁束を多く流すことができる。
したがって、本発明では、セグメント形状の永久磁石の漏れ磁束を低減して高出力を得ることができる。また、高周波の電圧成分がなくなるため、高周波の電流成分がなくなり、鉄損を低減できる。
According to the present invention, there is provided a rotating machine including a rotor in which a plurality of segment-shaped permanent magnets are embedded along an outer peripheral surface, and a stator disposed so as to face the outer peripheral surface. In the rotor core between the permanent magnet and the outer peripheral surface, a configuration is adopted in which a pair of nonmagnetic layers is provided at a position sandwiching a passage where the magnetic flux from the permanent magnet toward the outer peripheral surface passes through the rotor core, By disposing a nonmagnetic layer having a low magnetic permeability so as to sandwich the passage of magnetic flux from the segment-shaped permanent magnet toward the outer peripheral surface of the rotor, magnetic flux that deviates from the passage is magnetically blocked to prevent leakage flux. It is possible to reduce the amount of magnetic flux that flows to the stator side.
Therefore, in the present invention, the leakage magnetic flux of the segment-shaped permanent magnet can be reduced to obtain a high output. Further, since there is no high frequency voltage component, there is no high frequency current component, and iron loss can be reduced.

本実施形態に係る永久磁石同期モータによって構成される永久磁石同期モータ制御装置の機能構成を示す機能ブロック図である。It is a functional block diagram which shows the function structure of the permanent magnet synchronous motor control apparatus comprised by the permanent magnet synchronous motor which concerns on this embodiment. 本実施形態に係る永久磁石同期モータの回転中心軸に直交する横断面図である。It is a cross-sectional view orthogonal to the rotation center axis of the permanent magnet synchronous motor according to the present embodiment. 本実施形態に係る永久磁石同期モータのロータの構成を示す部分拡大図である。It is the elements on larger scale which show the structure of the rotor of the permanent magnet synchronous motor which concerns on this embodiment. 第2実施形態に係る永久磁石同期モータのロータの構成を示す部分拡大図である。It is the elements on larger scale which show the structure of the rotor of the permanent magnet synchronous motor which concerns on 2nd Embodiment. 第2実施形態に係る永久磁石同期モータの誘導起電力の波形を示す図である。It is a figure which shows the waveform of the induced electromotive force of the permanent magnet synchronous motor which concerns on 2nd Embodiment.

以下、本発明の実施形態の回転機について図面を参照して説明する。なお、以下の説明では、本実施形態の回転機として、IPM(Interior Permanent Magnet:内部磁石埋込)型の永久磁石同期モータ(電動機)を適用した場合を例示して説明する。   Hereinafter, a rotating machine according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description, an IPM (Interior Permanent Magnet) type permanent magnet synchronous motor (electric motor) is applied as an example of the rotating machine of this embodiment.

(第1実施形態)
図1は、本実施形態に係る永久磁石同期モータAによって構成される永久磁石同期モータ制御装置の機能構成を示す機能ブロック図である。
図1に示すように、永久磁石同期モータ制御装置は、永久磁石同期モータA、直流電源B、インバータC、誘導起電力(EMF:electromotive force)検出部D及びモータ制御部Eから構成されている。
(First embodiment)
FIG. 1 is a functional block diagram showing a functional configuration of a permanent magnet synchronous motor control device configured by a permanent magnet synchronous motor A according to the present embodiment.
As shown in FIG. 1, the permanent magnet synchronous motor control device includes a permanent magnet synchronous motor A, a DC power supply B, an inverter C, an induced electromotive force (EMF) detection unit D, and a motor control unit E. .

直流電源Bは、1つあるいは複数のバッテリを直列接続したものであり、所定の直流電源電圧をインバータCへ出力する。
インバータCは、モータ制御部Eから供給されるインバータ制御信号に基づいて直流電源Bから供給される直流電圧をスイッチングすることによって、U相、V相及びW相からなる3相のモータ駆動信号を生成して永久磁石同期モータAに供給する。
誘導起電力検出部Dは、永久磁石同期モータAのU相から出力される誘導起電力を検出するものであり、検出した誘導起電力をモータ制御部Eへ出力する。
The DC power supply B is one in which one or a plurality of batteries are connected in series, and outputs a predetermined DC power supply voltage to the inverter C.
The inverter C switches the DC voltage supplied from the DC power source B based on the inverter control signal supplied from the motor control unit E, thereby generating a three-phase motor drive signal composed of the U phase, the V phase, and the W phase. It is generated and supplied to the permanent magnet synchronous motor A.
The induced electromotive force detection unit D detects an induced electromotive force output from the U phase of the permanent magnet synchronous motor A, and outputs the detected induced electromotive force to the motor control unit E.

モータ制御部Eは、CPU(Central Processing Unit)、ROM(Read Only Memory)及びRAM(Random Access Memory)から構成される内部メモリ並びに上記インバータC及び誘導起電力検出部Dと信号の入出力をそれぞれ行うインタフェース回路等から構成されており、上記ROMに記憶された制御プログラム及び誘導起電力検出部Dが検出した誘導起電力に基づいてインバータCへインバータ制御信号を出力することによって、永久磁石同期モータAの動作を制御する。   The motor control unit E inputs and outputs signals to and from the internal memory composed of a CPU (Central Processing Unit), ROM (Read Only Memory) and RAM (Random Access Memory), and the inverter C and the induced electromotive force detection unit D. Permanent magnet synchronous motor comprising an interface circuit and the like, and outputting an inverter control signal to the inverter C based on the control program stored in the ROM and the induced electromotive force detected by the induced electromotive force detection unit D Control the operation of A.

図2は、本実施形態に係る永久磁石同期モータAの回転中心軸Pに直交する横断面図である。
永久磁石同期モータAは、ロータ1と、ステータ2とを有する。ロータ1は、円筒状のロータコア1aと4枚の永久磁石1bとを有する。ステータ2は、略円筒形状のステータコア2aと当該ステータコア2aに巻回された巻線(電機子巻線)2bとを有する。
FIG. 2 is a cross-sectional view orthogonal to the rotation center axis P of the permanent magnet synchronous motor A according to this embodiment.
The permanent magnet synchronous motor A has a rotor 1 and a stator 2. The rotor 1 has a cylindrical rotor core 1a and four permanent magnets 1b. The stator 2 has a substantially cylindrical stator core 2a and a winding (armature winding) 2b wound around the stator core 2a.

ステータコア2aは、複数の金属製のコアプレートが積層されて構成されており、円環状に形成されたヨーク2a1から内周側に突設されたティース2a2を等角度間隔に備えている。そして、このティース2a2の先端部は、全体として略円管状の内周面を形成している。
巻線2bは、ティース2a2に複数巻回されており、モールド剤がティース2a2に対する巻線2bの位置を固定している。また、この巻線2bは、U相巻線、V相巻線及びW相巻線の3相の巻線から構成されており、インバータCから供給される3相に応じたモータ駆動信号によって磁極の向きが切り替わる。このような構成のステータ2は、内周面が所定の隙間を介してロータ1の外周面1a1に対向している。
The stator core 2a is configured by laminating a plurality of metal core plates, and includes teeth 2a2 protruding from the yoke 2a1 formed in an annular shape toward the inner periphery at equal angular intervals. And the front-end | tip part of this teeth 2a2 forms the substantially circumferential inner peripheral surface as a whole.
A plurality of windings 2b are wound around the teeth 2a2, and the molding agent fixes the position of the winding 2b with respect to the teeth 2a2. The winding 2b is composed of a U-phase winding, a V-phase winding, and a W-phase winding, and a magnetic pole is generated by a motor drive signal corresponding to the three phases supplied from the inverter C. The direction of is switched. In the stator 2 having such a configuration, the inner peripheral surface faces the outer peripheral surface 1a1 of the rotor 1 through a predetermined gap.

ロータ1は、円筒状のロータコア1aと4枚の永久磁石1bとによって構成されている。そして、ロータコア1aは、中空円盤形状の鋼鈑を複数枚積層した積層鋼板であり、その中心軸上に設けられた貫通孔に回転軸3が圧入・固定されている。
永久磁石1bは、セグメント形状(C形状、瓦形状)に形成されており、ロータコア1aの外周側にN極の極性を持つ永久磁石1bとS極の極性を持つ永久磁石1bとがそれぞれ2枚ずつ、ロータコア1aの外周面1a1に沿って埋設されている。具体的には、ロータコア1aの外周面1a1側にN極の極性を向けた永久磁石1bとS極の極性を向けた永久磁石1bとが交互に並ぶように埋設されている。
The rotor 1 includes a cylindrical rotor core 1a and four permanent magnets 1b. The rotor core 1a is a laminated steel plate in which a plurality of hollow disk-shaped steel plates are laminated, and the rotary shaft 3 is press-fitted and fixed in a through hole provided on the central axis.
The permanent magnet 1b is formed in a segment shape (C shape, roof tile shape), and there are two permanent magnets 1b having an N-polarity and an S-polarity permanent magnet 1b on the outer peripheral side of the rotor core 1a. Each of them is embedded along the outer peripheral surface 1a1 of the rotor core 1a. Specifically, permanent magnets 1b having the polarity of the N pole and permanent magnets 1b having the polarity of the S pole are embedded alternately on the outer peripheral surface 1a1 side of the rotor core 1a.

図3は、本実施形態に係る永久磁石同期モータAのロータ1の構成を示す部分拡大図である。
ロータコア1aには、セグメント形状の永久磁石1bによる磁束の短絡を防ぐことを主目的として、空気層(非磁性層)1cが設けられている。
空気層1cは、ロータ1の軸方向に向かって直線的に延在する中空空間であり、永久磁石1bと外周面1a1との間のロータコア1aにおいて、永久磁石1bから外周面1a1に向かう磁束がロータコア1aを通過する通過路を挟んだ位置に対となって設けられている。本実施形態の一対の空気層1cは、それぞれ矩形状を有しており、セグメント形状の永久磁石1bの中心部接線と直交する方向に沿って、それぞれ平行となるように配置されている。
FIG. 3 is a partially enlarged view showing the configuration of the rotor 1 of the permanent magnet synchronous motor A according to the present embodiment.
The rotor core 1a is provided with an air layer (non-magnetic layer) 1c mainly for the purpose of preventing a short circuit of magnetic flux by the segment-shaped permanent magnet 1b.
The air layer 1c is a hollow space extending linearly in the axial direction of the rotor 1, and in the rotor core 1a between the permanent magnet 1b and the outer peripheral surface 1a1, a magnetic flux from the permanent magnet 1b toward the outer peripheral surface 1a1 is generated. It is provided as a pair at a position sandwiching a passage that passes through the rotor core 1a. Each of the pair of air layers 1c of the present embodiment has a rectangular shape, and is arranged so as to be parallel to each other along a direction perpendicular to the central tangent of the segment-shaped permanent magnet 1b.

続いて、このように構成された永久磁石同期モータAの動作について説明する。
まず、モータ制御部Eは、永久磁石同期モータ起動指示を受け付けると、インバータ制御信号を出力することによってインバータCにモータ駆動信号を永久磁石同期モータAへ出力させる。
永久磁石同期モータAでは、インバータCから供給されるモータ駆動信号を巻線2bが受け取ると、ステータコア2a、巻線2b及び永久磁石1bによって磁気回路が形成され、ロータ1が回転を開始する。
Next, the operation of the permanent magnet synchronous motor A configured as described above will be described.
First, upon receiving a permanent magnet synchronous motor start instruction, the motor control unit E causes the inverter C to output a motor drive signal to the permanent magnet synchronous motor A by outputting an inverter control signal.
In the permanent magnet synchronous motor A, when the winding 2b receives the motor drive signal supplied from the inverter C, a magnetic circuit is formed by the stator core 2a, the winding 2b, and the permanent magnet 1b, and the rotor 1 starts rotating.

この際、誘導起電力検出部Dは、ロータ1の回転によって、巻線2bのU相巻線に発生する誘導起電力を検出し、検出した誘導起電力をモータ制御部Eへ出力する。
モータ制御部Eは、永久磁石同期モータAの巻線2bのU相巻線に発生した誘導起電力が誘導起電力検出部Dから入力されると、その誘導起電力の波形に基づいてロータ1の回転位置を判定し、判定したロータ1の回転位置に応じたインバータ制御信号をインバータCへ出力することによって、インバータCにロータ1の回転位置に応じたU相、V相及びW相の各モータ駆動信号を永久磁石同期モータAへ出力させる。
At this time, the induced electromotive force detection unit D detects the induced electromotive force generated in the U-phase winding of the winding 2 b by the rotation of the rotor 1, and outputs the detected induced electromotive force to the motor control unit E.
When the induced electromotive force generated in the U-phase winding of the winding 2b of the permanent magnet synchronous motor A is input from the induced electromotive force detection unit D, the motor control unit E receives the rotor 1 based on the induced electromotive force waveform. And the inverter control signal corresponding to the determined rotational position of the rotor 1 is output to the inverter C, whereby each of the U phase, V phase and W phase corresponding to the rotational position of the rotor 1 is transmitted to the inverter C. A motor drive signal is output to the permanent magnet synchronous motor A.

本実施形態のロータ1には、図3に示すように、空気層1cが設けられている。空気層1c(空気)は、ロータコア1aより低い透磁率を有する非磁性体であるため、永久磁石1bと外周面1a1との間のロータコア1aにおいて、所定の間隔をあけて一対の空気層1cを設けることによって、セグメント形状の永久磁石1bからの磁束(図3中、実線矢印で示す)が、一対の空気層1cの間を通って巻線2bの方向へ向かっていく。このため、永久磁石1bの端部の磁束が、巻線1bの方向へ向かわずに隣の永久磁石1bまた隣の永久磁石1bとの間を通過してロータコア1aの内部方向へ向かう、すなわち漏れ磁束(図3中、点線矢印で示す)になってしまうことを防止することが可能となる。   As shown in FIG. 3, the rotor 1 of the present embodiment is provided with an air layer 1 c. Since the air layer 1c (air) is a nonmagnetic material having a lower magnetic permeability than the rotor core 1a, the pair of air layers 1c are separated from each other at a predetermined interval in the rotor core 1a between the permanent magnet 1b and the outer peripheral surface 1a1. By providing the magnetic flux from the segment-shaped permanent magnet 1b (indicated by solid arrows in FIG. 3), the magnetic flux travels between the pair of air layers 1c in the direction of the winding 2b. For this reason, the magnetic flux at the end of the permanent magnet 1b does not go in the direction of the winding 1b but passes between the adjacent permanent magnet 1b or the adjacent permanent magnet 1b and goes in the inner direction of the rotor core 1a. It is possible to prevent the magnetic flux (indicated by a dotted arrow in FIG. 3) from being generated.

したがって、上述の本実施形態によれば、セグメント形状の永久磁石1bが外周面1a1に沿って複数埋設されたロータ1と、外周面1a1に対向するように配置されたステータ2とを有する永久磁石同期モータAであって、ロータ1は、永久磁石1bと外周面1a1との間のロータコア1aにおいて、永久磁石1bから外周面1a1に向かう磁束がロータコア1aを通過する通過路を挟んだ位置に、一対の空気層1cを有するという構成を採用し、低い透磁率を有する空気層1cを、セグメント形状の永久磁石1bからロータ1の外周面1a1に向かう磁束の通過路を挟むように配置することで、その通過路から逸れる磁束を磁気的に阻止して漏れ磁束を低減させて、ステータ2側に磁束を多く流すことができる。
したがって、本実施形態では、セグメント形状の永久磁石1bの漏れ磁束を低減して高トルクを得ることができる永久磁石同期モータAが得られる。また、電圧の高周波の成分がなくなるため、電流の高周波成分がなくなり、鉄損を低減できる。
Therefore, according to the above-described embodiment, the permanent magnet having the rotor 1 in which a plurality of segment-shaped permanent magnets 1b are embedded along the outer peripheral surface 1a1 and the stator 2 disposed so as to face the outer peripheral surface 1a1. In the synchronous motor A, the rotor 1 has a rotor core 1a between the permanent magnet 1b and the outer peripheral surface 1a1 at a position sandwiching a passage where the magnetic flux from the permanent magnet 1b toward the outer peripheral surface 1a1 passes through the rotor core 1a. By adopting a configuration having a pair of air layers 1c, the air layer 1c having a low magnetic permeability is arranged so as to sandwich a passage of magnetic flux from the segment-shaped permanent magnet 1b toward the outer peripheral surface 1a1 of the rotor 1. The magnetic flux deviating from the passage can be magnetically blocked to reduce the leakage magnetic flux, so that a large amount of magnetic flux can flow to the stator 2 side.
Therefore, in this embodiment, the permanent magnet synchronous motor A which can reduce the leakage magnetic flux of the segment-shaped permanent magnet 1b and can obtain a high torque is obtained. Further, since the high frequency component of the voltage is eliminated, the high frequency component of the current is eliminated, and iron loss can be reduced.

(第2実施形態)
次に、本発明の第2実施形態について説明する。以下の説明において、上述の実施形態と同一又は同等の構成部分については同一の符号を付し、その説明を簡略若しくは省略する。
図4は、第2実施形態に係る永久磁石同期モータAのロータ1の構成を示す部分拡大図である。
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment of the present invention will be described. In the following description, the same or equivalent components as those of the above-described embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is simplified or omitted.
FIG. 4 is a partially enlarged view showing the configuration of the rotor 1 of the permanent magnet synchronous motor A according to the second embodiment.

第2実施形態における一対の空気層1cは、外周面1a1側の端部が互いに近接するように所定角度傾いている。
この構成によれば、外周面1a1側の空気層1cの間が狭くなるので、永久磁石1bの磁束(図4中、実線矢印で示す)は、ロータコア1aの外周側の一対の空気層1cの端部の間に集中して巻線2bの方向へ向い、隣の永久磁石1bまた隣の永久磁石1bとの間を通過してロータコア1aの内部方向へ向かう漏れ磁束(図4中、点線矢印で示す)が低減する。また、永久磁石1bから外周面1a1に向かう磁束を集中させてステータ2側に流すことができるため、トルクを効果的に伝達することができる。また、永久磁石1b側の空気層1cの間が広くなるので、セグメント形状の永久磁石1bから外周面1a1に向かう磁束をより多く、ステータ2側に流すことができる。
The pair of air layers 1c in the second embodiment are inclined at a predetermined angle so that the end portions on the outer peripheral surface 1a1 side are close to each other.
According to this configuration, since the space between the air layers 1c on the outer peripheral surface 1a1 side is narrowed, the magnetic flux of the permanent magnet 1b (indicated by solid arrows in FIG. 4) is generated between the pair of air layers 1c on the outer peripheral side of the rotor core 1a. Leakage magnetic flux concentrated in the direction of the winding 2b and concentrated between the end portions, passing between the adjacent permanent magnet 1b or the adjacent permanent magnet 1b and moving toward the inner direction of the rotor core 1a (indicated by a dotted arrow in FIG. 4) Is reduced). Moreover, since the magnetic flux which goes to the outer peripheral surface 1a1 from the permanent magnet 1b can be concentrated and it can be made to flow to the stator 2, the torque can be transmitted effectively. Moreover, since the space between the air layers 1c on the permanent magnet 1b side is widened, more magnetic flux from the segment-shaped permanent magnet 1b toward the outer peripheral surface 1a1 can be flowed to the stator 2 side.

この空気層1cの角度(セグメント形状の永久磁石1bの中心部接線と直交する方向に対する傾き)は、ステータ2から出力される誘導起電力の周波数分析に基づいて、誘導起電力の高調波成分の電圧が最も低くなる角度に設定されている。
図5は、第2実施形態に係る永久磁石同期モータAの誘導起電力の波形を示す図である。なお、図5における実線の波形は、空気層1cの外周面1a1側の端部を互いに近接するように配置した場合(第2実施形態)の誘導起電力の波形を示し、図5における破線の波形は、空気層1cを傾けずに平行に配置した場合(第1実施形態)の誘導起電力の波形を示す。
図5に示すように、第1実施形態の巻線2bから発生する誘導起電力の波形は、正弦波形ではなく台形波形となっている。この誘導起電力の波形が台形波形になってしまう原因は、誘導起電力に基本波だけではなく、高調波が含まれるためである。
一方、図5に示すように、第2実施形態の巻線2bから発生する誘導起電力の波形は、正弦波形になる。これは、磁束が集中して漏れ磁束がより低減されるため、高調波成分が低減して、誘導起電力が、ほぼ基本波のみによって構成されるためである。
The angle of the air layer 1c (inclination with respect to the direction perpendicular to the tangent to the central portion of the segment-shaped permanent magnet 1b) is based on the frequency analysis of the induced electromotive force output from the stator 2 and the harmonic component of the induced electromotive force. The angle at which the voltage is lowest is set.
FIG. 5 is a diagram showing a waveform of the induced electromotive force of the permanent magnet synchronous motor A according to the second embodiment. The waveform of the solid line in FIG. 5 shows the waveform of the induced electromotive force when the end portions on the outer peripheral surface 1a1 side of the air layer 1c are arranged close to each other (second embodiment), and the broken line in FIG. The waveform indicates the waveform of the induced electromotive force when the air layer 1c is arranged in parallel without being inclined (first embodiment).
As shown in FIG. 5, the waveform of the induced electromotive force generated from the winding 2b of the first embodiment is not a sine waveform but a trapezoidal waveform. The reason why the waveform of the induced electromotive force becomes a trapezoidal waveform is that the induced electromotive force includes not only the fundamental wave but also harmonics.
On the other hand, as shown in FIG. 5, the waveform of the induced electromotive force generated from the winding 2b of the second embodiment is a sine waveform. This is because the magnetic flux is concentrated and the leakage magnetic flux is further reduced, so that the harmonic component is reduced, and the induced electromotive force is constituted only by the fundamental wave.

永久磁石同期モータAから発生する誘導起電力を正弦波化させるように配置された空気層1cの最適な傾き角度は、永久磁石1bの幅、ロータコア1aの外径及び空気層1cの厚さ等の各要因によって変化するため、巻線2bから発生する誘導起電力を高速フーリエ変換(FFT:Fast Fourier Transform)処理によって周波数分析を行い、高調波成分の電圧が最も低くなる傾き角度に設定している。なお、測定の結果、空気層1cを約10度傾けると、誘導起電力の波形が、正弦波化する。しかし、45度以上傾けると歪みが生じ、90度では0度(第1実施形態)と同じ形態となる。   The optimum inclination angle of the air layer 1c arranged so as to sine-wave the induced electromotive force generated from the permanent magnet synchronous motor A is the width of the permanent magnet 1b, the outer diameter of the rotor core 1a, the thickness of the air layer 1c, and the like. Therefore, the induced electromotive force generated from the winding 2b is subjected to frequency analysis by fast Fourier transform (FFT) processing, and the inclination angle at which the voltage of the harmonic component becomes the lowest is set. Yes. As a result of the measurement, when the air layer 1c is tilted by about 10 degrees, the waveform of the induced electromotive force becomes a sine wave. However, distortion occurs when tilted 45 degrees or more, and 90 degrees is the same form as 0 degrees (first embodiment).

以上のように、第2実施形態に係る永久磁石同期モータAでは、各永久磁石1bのロータコア1aの外周面1a1側に設けられた矩形状の空気層1cを、外周側の端部が接近するように傾けて配置し、高速フーリエ変換(FFT:Fast Fourier Transform)処理による誘導起電力の周波数分析によって高調波の電力が最も低くなる傾き角度に空気層1cを傾けることによって、永久磁石同期モータAから出力される誘導起電力の波形が正弦波化するため、従来よりも簡単に精度の高いロータ1の位置検出を行うことが出来る。   As described above, in the permanent magnet synchronous motor A according to the second embodiment, the end on the outer peripheral side approaches the rectangular air layer 1c provided on the outer peripheral surface 1a1 side of the rotor core 1a of each permanent magnet 1b. The permanent magnet synchronous motor A is arranged by inclining the air layer 1c to an inclination angle at which the harmonic power becomes the lowest by frequency analysis of induced electromotive force by fast Fourier transform (FFT) processing. Since the waveform of the induced electromotive force output from the sine wave becomes a sine wave, the position of the rotor 1 can be detected more easily and accurately than in the past.

さらに、空気層1cをロータコア1aの外周側の端部に接近するように傾けて配置することによって、隣の永久磁石1bまた隣の永久磁石1bとの間を通過してロータコア1aの内部方向へ向かう漏れ磁束が永久磁石1bの磁束から低減するため、トルクを増大させることが出来る。   Furthermore, by arranging the air layer 1c so as to approach the end on the outer peripheral side of the rotor core 1a, the air layer 1c passes between the adjacent permanent magnet 1b or the adjacent permanent magnet 1b toward the inner direction of the rotor core 1a. Since the leakage magnetic flux toward the head is reduced from the magnetic flux of the permanent magnet 1b, the torque can be increased.

以上、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。   As mentioned above, although preferred embodiment of this invention was described referring drawings, this invention is not limited to the said embodiment. Various shapes, combinations, and the like of the constituent members shown in the above-described embodiments are examples, and various modifications can be made based on design requirements and the like without departing from the gist of the present invention.

例えば、上記実施形態では、ロータ1に空気層1cを設けたが、本発明はこれに限定されない。空気層1cは、磁束の短絡を防ぐことを主目的としたものであり、透磁率の低い非磁性体であれば空気以外であってもよい。例えば、空気層1c及び1dの代わりに樹脂を圧入することによって樹脂層を形成するようにしてもよい。
更に、回転バランスを修正するために樹脂圧入量を調整するが、樹脂層の量は本発明の主旨から逸脱しない範囲において種々変更可能である。
For example, in the above embodiment, the air layer 1c is provided in the rotor 1, but the present invention is not limited to this. The air layer 1c is mainly intended to prevent a short circuit of magnetic flux, and may be other than air as long as it is a non-magnetic material having a low magnetic permeability. For example, the resin layer may be formed by press-fitting a resin instead of the air layers 1c and 1d.
Furthermore, the amount of resin press-fit is adjusted to correct the rotational balance, but the amount of the resin layer can be variously changed without departing from the gist of the present invention.

また、例えば、上記実施形態では、図2〜図4で一般的なセグメント型の永久磁石1bの形状を示して説明しているが、本発明は、この形状のセグメント型の永久磁石1bに限定されない。永久磁石1bの端部の形状は、製造工程の都合上、様々な形状となり得えるため、例えば永久磁石1bの端部の形状が先細りであっても多角形であっても本発明を適用でき、同様の作用効果が得られる。   Further, for example, in the above embodiment, the shape of a general segment type permanent magnet 1b is shown and described in FIGS. 2 to 4, but the present invention is limited to the segment type permanent magnet 1b of this shape. Not. Since the shape of the end of the permanent magnet 1b can be various for convenience of the manufacturing process, for example, the present invention can be applied regardless of whether the shape of the end of the permanent magnet 1b is tapered or polygonal. The same effect can be obtained.

また、例えば、上記実施形態では、永久磁石同期モータ(電動機)に本発明を適用した場合を例示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、発電機に適用する構成であってもよい。   Moreover, for example, in the above-described embodiment, the case where the present invention is applied to a permanent magnet synchronous motor (electric motor) is illustrated, but the present invention is not limited to this, and may be configured to be applied to a generator. Good.

A…永久磁石同期モータ(回転機)、1…ロータ、1a…ロータコア、1a1…外周面、1b…永久磁石、1c…空気層(非磁性層)、2…ステータ   A ... Permanent magnet synchronous motor (rotary machine), 1 ... Rotor, 1a ... Rotor core, 1a1 ... Outer peripheral surface, 1b ... Permanent magnet, 1c ... Air layer (nonmagnetic layer), 2 ... Stator

Claims (5)

セグメント形状の永久磁石が外周面に沿って複数埋設されたロータと、前記外周面に対向するように配置されたステータとを有する回転機であって、
前記ロータは、前記永久磁石と前記外周面との間のロータコアにおいて、前記永久磁石から前記外周面に向かう磁束が前記ロータコアを通過する通過路を挟んだ位置に、一対の非磁性層を有することを特徴とする回転機。
A rotary machine having a rotor in which a plurality of segment-shaped permanent magnets are embedded along an outer peripheral surface, and a stator disposed so as to face the outer peripheral surface,
The rotor has a pair of non-magnetic layers in a position between the permanent magnet and the outer peripheral surface at a position where a magnetic flux from the permanent magnet toward the outer peripheral surface passes through the rotor core. Rotating machine characterized by
前記一対の非磁性層は、それぞれ矩形状を有しており、前記外周面側の端部が互いに近接するように所定角度傾いていることを特徴とする請求項1に記載の回転機。   2. The rotating machine according to claim 1, wherein each of the pair of nonmagnetic layers has a rectangular shape, and is inclined at a predetermined angle so that end portions on the outer peripheral surface side are close to each other. 前記一対の非磁性層は、前記ステータから出力される誘導起電力の周波数分析に基づいて、前記誘導起電力の高調波成分の電圧が最も低くなる傾きに前記角度が設定されていることを特徴とする請求項2に記載の回転機。   In the pair of nonmagnetic layers, the angle is set to an inclination at which the voltage of the harmonic component of the induced electromotive force is lowest based on frequency analysis of the induced electromotive force output from the stator. The rotating machine according to claim 2. 前記非磁性層は、空気層を有することを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の回転機。   The rotating machine according to claim 1, wherein the nonmagnetic layer includes an air layer. 電動機あるいは発電機であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の回転機。   It is an electric motor or a generator, The rotating machine as described in any one of Claims 1-4 characterized by the above-mentioned.
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