JP2002010541A - 同期電動機のロータ - Google Patents
同期電動機のロータInfo
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Abstract
タンスを小さくできるロータを提供する。 【解決手段】 同期電動機のロータの各1極分Lの外形
形状Fを双曲線関数の曲線で構成する。各1極分の頂点
部aは従来の円弧で形成した外形形状と概略同じである
ことから、このロータで同期電動機を構成したときに出
力トルクの低下はない。一方、この頂点部aに続く側面
部bは、従来の円弧で形成した外形形状よりも内側(中
心側)になることから、ギャップが大きくなり、インダ
クタンスを小さくすることができる。
Description
し、特に同期電動機のロータ構造に関する発明である。
ロータの各1極分の外形中央部の形状とステータとのギ
ャップで決定される。このギャップが小さいほどトルク
は大きくなる。また、同期電動機のインダクタンスは、
ロータの各1極分の外形側面部(ロータ1極分における
外形形状における円周方向の終端部と頂点部との間の領
域)の形状とステータとのギャップで決定され、ギャッ
プが大きいほどインダクタンスは小さい。また、インダ
クタンスが小さくなると、高速回転時での逆起電力が小
さくなり、高速回転時のトルク(出力)が増加するとい
うメリットがある。さらに、インダクタンスが小さくな
る分、省エネにもなる。
に示すように、外形形状を円または円弧を繋げた形状と
していた。図7は、同期電動機のロータの外形形状を円
にした従来例の断面形状説明図である。ロータ表面に磁
石1が取り付けられる、この1極分の外形形状は円弧で
構成され、この円弧が極数分連接され外形が円を形成し
ている。なお、符号2はこのロータのシャフトである。
この図7に示す例では、ロータ外形形状は、ロータの中
心軸(シャフト2の中心軸)を中心とした円上に各1極
分の磁石表面形状の円弧が重なるように配置され、ロー
タ外形形状が円となっている。
でトルクを増大させるには、各極の円弧が連接されて形
成される外形の円の半径を大きくして、ステータ内周面
とのギャップを小さくすることが考えられる。しかし、
この方法であると各1極分の頂点部aに続く外形側面部
bのギャップも小さくなりインダクタンスが増加し、同
期電動機の高速でのトルク(出力)が落ちる結果となっ
ていた。逆に、インダクタンスを小さくするためには、
円弧の半径を小さくし、外形側面部bのギャップを大き
くすることが考えられるが、こうすると外形頂点部aの
ギャップが大きくなりトルクが落ちる結果となってい
た。
とステータ内周面間のギャップを小さくしてトルクを増
大させる方法として、図8に示すような、1極分の外形
形状Fの円弧の中心をロータの中心からオフセットする
方法がある。図8に示す従来例は、ロータのコア3内に
磁石1が埋め込まれた例で、ロータの各1極分の外形形
状Fは円弧をなしている。かつ、この円弧の中心はロー
タの中心軸からオフセットした位置にある。この中心が
ロータ中心よりもオフセットした位置にある1極分の円
弧を極数分だけ連接してロータ外形形状を構成してい
る。この図8に示すタイプであると、ロータの各1極分
の外形形状Fの頂点部aとステータの内周面とのギャッ
プを他の外形形状部分より小さくすることができる。し
かし、この方法によっても同期電動機の出力トルクを大
きくし、かつインダクタンスを小さくすることは困難で
ある。
の同期電動機におけるトルクとインダクタンスの関係を
改善しようとするもので、トルクを増大させ、インダク
タンスを減少させることのできるロータを得ることを課
題とする。
決するために、同期電動機のロータの1極分の外形形状
を、双曲線関数の曲線を主体とした形状で構成した。ロ
ータの1極分の外形形状の全部を、双曲線関数の曲線で
構成するか、その一部を双曲線関数の曲線で構成する。
特に、ロータの1極分の外形形状の中央付近は少なから
ず双曲線関数の曲線で構成する。具体的には、ロータの
1極分の外形形状の中央を通りロータの中心軸に直交す
る線上で、ロータの中心軸若しくはある点からの距離を
R、前記線とのなす角をθとしたとき、双曲線関数をR
=A−B・(ec θ+e-c θ)とする(A、B、C、は
定数eは自然対数または定数)。若しくは、ロータの1
極分の外形形状の中央を通りロータの中心軸に直交する
線をX軸、該X軸及びロータ中心軸と直交する線をY軸
とし、このX軸とY軸との交点を原点としたXY座標系
において、双曲線関数をx=A−B(eCy+e-C y)と
する(A、B、C、は定数eは自然対数または定数)。
また上述した各外形形状を満たす点列とその点列間を直
線または曲線で結んだ形状で構成する。
機のロータの第1の実施形態の説明図で、ロータシャフ
トに対して垂直の断面図を示している。シャフト2に固
着されたロータコア3内に磁石1が埋め込まれた例を示
している。このロータの1極分Lの外形形状Fは双曲線
関数で構成されている。この双曲線関数の曲線で形成さ
れた1極分の外形形状が極数分連接されてロータ外形形
状をなしている。
の断面図である。この第2の実施形態も磁石埋め込み型
のロータであり、図1に示す第1の実施形態と相違する
点は、1極分を形成する外形形状の一部すなわち中央付
近(頂点部a及び側面部b)が双曲線関数の曲線で構成
され、次の極との接続部分である終端部cは双曲線関数
の曲線上にはない構成となっている。図3は、本発明の
第3の実施形態のロータの断面図である。この第3の実
施形態は、シャフト2に固着されたロータコア3の外面
に双曲線関数の表面曲線の磁石1を貼り付けてロータを
形成するものである。
の断面図である。この第4の実施形態は、ロータコア3
内に磁石1を放射状に配置したもので、このロータも1
極分を構成する外形形状Fが双曲線関数の曲線で構成さ
れている。図5は、本発明の第5の実施形態のロータの
断面図である。この第5の実施形態は、同期電動機をリ
ラクタンスモータで構成したときのロータであり、この
ロータにおいても、1極分の外形形状Fは双曲線関数の
曲線で構成されている。
れるロータ1極分の外形形状について説明する。図6
は、この1極分の外形形状の説明図である。ロータの中
心軸(シャフト2の中心軸)を通り該中心軸と直交し、
1極分の外形形状の中央点を通る線をX軸、該X軸とロ
ータ中心線との交点を原点Oとし、該原点Oを通りX軸
及びロータ中心軸と直交する線をY軸とする(原点Oは
XY座標系の原点となる)。
1極分外形形状の周方向両端とを結ぶ線とX軸との角度
θが±22度程度である。そして、この図6では、ロー
タの1極分の外形形状Fを本発明の双曲線関数の曲線1
0で構成したときと、円弧11で構成したとき及び(1
/cos)の曲線12で構成したときの3つの線を示し
ている。
曲線関数の一般式は次の1式で表される。 R=A−B・cosh(Cθ)=A−B・(eC θ+e-C θ)/2・・・(1) 上記1式において、Rは原点Oまでの距離、θはX軸か
らの回転角である。また、Aは原点Oから同期電動機の
ステータ内周面までの距離(ステータ内周面の半径)に
基づいて決められる値、Bはギャップに基づいて決めら
れる値で、ロータ1極分の頂点(1極分の中間点)とス
テータ内周面間の距離(ギャップ)に基づいて決められ
る値である。また、Cは、双曲線の屈曲度を決める値で
ある。
線関数)に対して、出力トルクとインダクタンスをFE
M解析して求めた所、結果は次の通りである。
で1極分の外形形状を構成すると、トルクは円弧11や
1/cosの曲線12で形成するときと比べ僅か低下す
るが殆ど変わりはない。一方、インダクタンスは格段に
低下している。このことは、インダクタンスが同一なら
ば、発生トルクを増大させることができ、また、発生ト
ルクが同一ならば、インダクタンスを低下させることが
できることを意味する。さらに、従来の円弧で外形形状
を形成する場合と比較し、発生トルクを増大させ、イン
ダクタンスも低下させることのできる同期電動機を、こ
の双曲線関数の曲線で各1極分の外形形状を構成するこ
とによって得ることができることを意味している。
符号aで示す頂点部は、どの曲線も同一であり差異は格
別ない。しかし、この頂点部aに続く外形側面部b(ロ
ータ1極分における周方向で頂点部aに続く部分)で
は、双曲線関数の曲線10は円弧11より内側(原点
側)で、その分ステータ内周面とのギャップを大きくし
ている。その結果、各1極分の外形形状を円弧11で形
成した従来例の場合と、本発明の双曲線関数の曲線10
で形成した場合を比較し、出力トルクが同一で(中央部
が同一でギャップに格別差異がない)、インダクタンス
を格段に低下させているものと推定される。
形成した場合には外形側面部bが、円弧11よりも外側
になっていることから、インダクタンスが増加している
ものと推定される。
部(頂点部aとそれに続く側面部b)は、トルクとイン
ダクタンスの関係で、その形状が重要であるが、1極分
と次の1極分の接合部分である、1極分を構成するロー
タ周方向の終端部cは、ロータの特性として格別重要性
はないことから、双曲線関数の曲線で構成しなくてもよ
く、または、トルクやインダクタンスに影響を与えない
範囲で、任意の形状としてもよい。この例が図2〜図5
に示す第2〜第5の実施形態である。
を双曲線関数の曲線で構成することにより、高トルクで
低インダクタンスの同期電動機を得ることができる。こ
の双曲線関数を特定する上述した定数A、B、Cは、実
験等によって最適値を得るようにすればよいが、定数A
は、上述したようにステータ内周面の半径に基づいて決
めればよく(上記実験例ではA=ステータ内周面の半径
とした)、定数Bはギャップに基づいて決めればよい
(上記実験例ではB=ギャップ/2とした)。また定数
Cは、双曲線関数の曲線の曲がり状態を決めるものであ
り、上述したように、終端部cを除いた頂点部a及び側
面部bの形状を特定するものである。頂点部aは、円弧
11とほぼ同じ線上にあり、外形側面部bでは、円弧1
1よりも内側になるようにするものである。この内側に
なる度合いはこの定数Cによって決まる。そこで、実験
を行って、または、複数の実験とその実験結果に基づい
てシミュレーション等を行い、トルクが大きくインダク
タンスが小さくなる最適値を得るようにこの定数Cの値
を求める。
座標系に基づいて、次の2式によって双曲線関数による
各1極分の外形形状の曲線を求めてもよい。
あり(1式におけるA、B、Cとは異なる値)、Aはス
テータ内周面の半径、Bはギャップに基づいて求めら
れ、Cは外形形状の曲線の曲がり度合い、すなわち、頂
点部aに続く側面部bの状態を最適値にするものとして
求められる点は1式と同じである。
各1極分の外形形状を加工する際には、この双曲線関数
で得られた点列を直線若しくは曲線で結ぶ形状を加工す
ることによって得る。
ータ構造のロータを用いることによって、従来のロータ
を用いた同期電動機と比べ、出力トルクが同じであれ
ば、インダクタンスを小さくすることができ、インダク
タンスを同じとすれば、出力トルクを増大させることが
できる。特に、インダクタンスが小さくなれば、同期電
動機の制御性がよくなり、かつ省エネルギーともなる。
図である。
図である。
図である。
図である。
図である。
ているロータ形状の説明図である。
をロータ中心からオフセツトした点を中心とした円弧で
形成したロータの従来例の説明図である。
Claims (6)
- 【請求項1】 同期電動機のロータにおいて、ロータの
1極分の外形形状を、双曲線関数の曲線を主体とした形
状で構成したことを特徴とする同期電動機のロータ。 - 【請求項2】 同期電動機のロータにおいて、ロータの
1極分の外形形状の全部または一部を、双曲線関数の曲
線で構成したことを特徴とする同期電動機のロータ。 - 【請求項3】 同期電動機のロータにおいて、ロータの
1極分の外形形状の少なくとも中央付近を、双曲線関数
の曲線で構成したことを特徴とする同期電動機のロー
タ。 - 【請求項4】 ロータの1極分の外形形状の中央を通り
ロータの中心軸に直交する線上で、ロータの中心軸若し
くはある点からの距離をR、前記線とのなす角をθとし
たとき、前記双曲線関数をR=A−B・(eC θ+e-C
θ)とした(A、B、C、は定数eは自然対数または定
数)請求項1乃至3の内いずれか1項記載の同期電動機
のロータ。 - 【請求項5】 ロータの1極分の外形形状の中央を通り
ロータの中心軸に直交する線をX軸、該X軸及びロータ
中心軸と直交する線をY軸とし、このX軸とY軸との交
点を原点としたXY座標系において、前記双曲線関数を
X=A−B(eCY+e-CY)とした(A、B、Cは定
数、eは自然対数または定数)請求項1乃至3の内いず
れか1項記載の同期電動機のロータ。 - 【請求項6】 請求項1乃至5のいずれか1項記載の外
形形状を満たす点列とその点列間を直線または曲線で結
んだ形状で構成される同期電動機のロータ。
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