JP2002369422A - 永久磁石式回転電機 - Google Patents
永久磁石式回転電機Info
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- JP2002369422A JP2002369422A JP2001175172A JP2001175172A JP2002369422A JP 2002369422 A JP2002369422 A JP 2002369422A JP 2001175172 A JP2001175172 A JP 2001175172A JP 2001175172 A JP2001175172 A JP 2001175172A JP 2002369422 A JP2002369422 A JP 2002369422A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】定められた電流、電圧条件において、駆動トル
クを最大にし、小型化あるいは駆動効率向上を可能な永
久磁石式回転電機を提供することにある。 【解決手段】永久磁石回転電機は、複数相の固定子巻線
を有する固定子1と、回転子鉄心の内部に複数個の永久
磁石8を埋め込んで構成され、固定子1と所定のギャッ
プを有する状態で回転可能に配置される回転子6とを有
する。ここで、回転子6の各永久磁石8のギャップ側を
なす二点の角度(極弧度)θが電気角で96度としてい
る。これにより、定められた電流、電圧条件において、
駆動トルクを最大にし、小型化あるいは駆動効率向上を
可能とする。
クを最大にし、小型化あるいは駆動効率向上を可能な永
久磁石式回転電機を提供することにある。 【解決手段】永久磁石回転電機は、複数相の固定子巻線
を有する固定子1と、回転子鉄心の内部に複数個の永久
磁石8を埋め込んで構成され、固定子1と所定のギャッ
プを有する状態で回転可能に配置される回転子6とを有
する。ここで、回転子6の各永久磁石8のギャップ側を
なす二点の角度(極弧度)θが電気角で96度としてい
る。これにより、定められた電流、電圧条件において、
駆動トルクを最大にし、小型化あるいは駆動効率向上を
可能とする。
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、回転子鉄心の内部
に複数個の永久磁石を埋め込んで構成される回転子を備
えた永久磁石式回転電機に関する
に複数個の永久磁石を埋め込んで構成される回転子を備
えた永久磁石式回転電機に関する
【0002】
【従来の技術】従来の永久磁石式回転電機においては、
高トルク化及び高効率化を図ったものとして、例えば、
特開平5-76146号公報に記載されたものが知られ
ている。特開平5-76146号公報に記載された永久
磁石式回転電機においては、固定子は、環状をなす固定
子鉄心に形成された複数個のスロットに三相の固定子巻
線を配置して構成されている。一方、回転子は、回転軸
に回転子鉄心を嵌合固着し、この回転子鉄心に形成され
た収納部に、断面が長方形をなす複数個の永久磁石を軸
方向から挿入して組み込むことによって構成されてい
て、固定子の内部に固定子鉄心の内周部と所定のギャッ
プを存する状態で回転可能に配置されている。また、各
永久磁石は、N極とS極が交互になるように着磁されて
いる。
高トルク化及び高効率化を図ったものとして、例えば、
特開平5-76146号公報に記載されたものが知られ
ている。特開平5-76146号公報に記載された永久
磁石式回転電機においては、固定子は、環状をなす固定
子鉄心に形成された複数個のスロットに三相の固定子巻
線を配置して構成されている。一方、回転子は、回転軸
に回転子鉄心を嵌合固着し、この回転子鉄心に形成され
た収納部に、断面が長方形をなす複数個の永久磁石を軸
方向から挿入して組み込むことによって構成されてい
て、固定子の内部に固定子鉄心の内周部と所定のギャッ
プを存する状態で回転可能に配置されている。また、各
永久磁石は、N極とS極が交互になるように着磁されて
いる。
【0003】このような磁石形状を長方形としたモータ
は、高速回転時に弱め界磁が効き易く、高速回転時にお
ける効率が向上する利点があり、電気自動車用永久磁石
モータなどの高速回転を必要とするモータに用いられて
いる。
は、高速回転時に弱め界磁が効き易く、高速回転時にお
ける効率が向上する利点があり、電気自動車用永久磁石
モータなどの高速回転を必要とするモータに用いられて
いる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】ここで、電気自動車用
の交流駆動システムはモータとインバータ及びバッテリ
からなるが、最も高コストのものはバッテリであり、次
に高コストのものはインバータで、特に電流素子容量に
より左右される。したがって、モータは所定の電圧と電
流条件において、高トルク(高効率)が求められる。
の交流駆動システムはモータとインバータ及びバッテリ
からなるが、最も高コストのものはバッテリであり、次
に高コストのものはインバータで、特に電流素子容量に
より左右される。したがって、モータは所定の電圧と電
流条件において、高トルク(高効率)が求められる。
【0005】従来の永久磁石回転機においては、モータ
体格、モータの外径や積厚で対応していたが、電気自動
車用、特に、エンジンとモータを搭載し、動力結合機に
よって双方を組み合わせることにより燃費を向上させた
所謂ハイブリット電気自動車用モータの場合、エンジン
以外にモータ,インバータ,バッテリ等を搭載する関係
上、小型化に対する要望が大変強く、モータの外径や積
厚を大きくすることなく、高トルクが要求されている。
体格、モータの外径や積厚で対応していたが、電気自動
車用、特に、エンジンとモータを搭載し、動力結合機に
よって双方を組み合わせることにより燃費を向上させた
所謂ハイブリット電気自動車用モータの場合、エンジン
以外にモータ,インバータ,バッテリ等を搭載する関係
上、小型化に対する要望が大変強く、モータの外径や積
厚を大きくすることなく、高トルクが要求されている。
【0006】本発明の目的は、定められた電流、電圧条
件において、駆動トルクを最大にし、小型化あるいは駆
動効率向上を可能な永久磁石式回転電機を提供すること
にある。
件において、駆動トルクを最大にし、小型化あるいは駆
動効率向上を可能な永久磁石式回転電機を提供すること
にある。
【0007】
【課題を解決するための手段】(1)上記目的を達成す
るために、本発明は、複数相の固定子巻線を有する固定
子と、回転子鉄心の内部に複数個の永久磁石を埋め込ん
で構成され、上記固定子と所定のギャップを有する状態
で回転可能に配置される回転子とを有する永久磁石式回
転電機において、上記回転子の各永久磁石のギャップ側
をなす二点の角度(極弧度)が電気角で96度としたも
のである。かかる構成により、定められた電流、電圧条
件において、駆動トルクを最大にし、小型化あるいは駆
動効率向上を可能とし得るものとなる。
るために、本発明は、複数相の固定子巻線を有する固定
子と、回転子鉄心の内部に複数個の永久磁石を埋め込ん
で構成され、上記固定子と所定のギャップを有する状態
で回転可能に配置される回転子とを有する永久磁石式回
転電機において、上記回転子の各永久磁石のギャップ側
をなす二点の角度(極弧度)が電気角で96度としたも
のである。かかる構成により、定められた電流、電圧条
件において、駆動トルクを最大にし、小型化あるいは駆
動効率向上を可能とし得るものとなる。
【0008】
【発明の実施の形態】以下、図1〜図5を用いて、本発
明の一実施形態による永久磁石式回転電機の構成につい
て説明する。
明の一実施形態による永久磁石式回転電機の構成につい
て説明する。
【0009】永久磁石式回転電機においては、モータの
トルクは、次の式(1)で表せる。
トルクは、次の式(1)で表せる。
【0010】 T=ψIq+(Lq−Ld)Iq×Id …(1) ここで、T:モータのトルク、ψ:永久磁石による磁
束、Lq:q軸インダクタンス、Ld:d軸インダクタン
ス、Iq:q軸巻線電流、Id:d軸巻線電流である。な
お、式(1)において、第1項は永久磁石の主磁束によ
るトルクであり、第2項は磁石間の鉄部の補助磁極によ
るリラクタンストルクである。両者は磁石の極弧度に関
し相反する関係にある。
束、Lq:q軸インダクタンス、Ld:d軸インダクタン
ス、Iq:q軸巻線電流、Id:d軸巻線電流である。な
お、式(1)において、第1項は永久磁石の主磁束によ
るトルクであり、第2項は磁石間の鉄部の補助磁極によ
るリラクタンストルクである。両者は磁石の極弧度に関
し相反する関係にある。
【0011】一方、誘起電圧E(相電圧)は、次の式
(2)で表される。
(2)で表される。
【0012】 E=2√2×π×N×kw×f×(D/P)×L×B …(2) ここで、E:誘起電圧(相電圧)、N:1相ターン数、
kw:巻線係数、f:周波数、D:回転子外径、P:極
数、L:ステータコア積厚、B:回転ギャップの磁束密
度である。極弧度を大きくするとギャップの磁束密度B
は大きくなり、誘起電圧Eも増大する。バッテリの電圧
は一定なので、力率を悪化させないためには、誘起電圧
Eには適値が存在する。
kw:巻線係数、f:周波数、D:回転子外径、P:極
数、L:ステータコア積厚、B:回転ギャップの磁束密
度である。極弧度を大きくするとギャップの磁束密度B
は大きくなり、誘起電圧Eも増大する。バッテリの電圧
は一定なので、力率を悪化させないためには、誘起電圧
Eには適値が存在する。
【0013】ここで、図1〜図3を用いて、本実施形態
による永久磁石式回転電機を三相8極/48スロットの
永久磁石式回転電機に適用した場合について説明する。
図1は、本発明の一実施形態による永久磁石式回転電機
を三相8極/48スロットの永久磁石式回転電機に適用
した場合に構成を示す部分側面図である。なお、図1に
おいては、側面形状が円形の回転電機の1/4の部分の
みを図示している。図2は、本発明の一実施形態による
永久磁石式回転電機を三相8極/48スロットの永久磁
石式回転電機に適用した場合において、回転電機の極弧
度を変化させた場合の最大トルクの変化の説明図であ
る。図3は、本発明の一実施形態による永久磁石式回転
電機を三相8極/48スロットの永久磁石式回転電機に
適用した場合における磁束密度分布の説明図である。
による永久磁石式回転電機を三相8極/48スロットの
永久磁石式回転電機に適用した場合について説明する。
図1は、本発明の一実施形態による永久磁石式回転電機
を三相8極/48スロットの永久磁石式回転電機に適用
した場合に構成を示す部分側面図である。なお、図1に
おいては、側面形状が円形の回転電機の1/4の部分の
みを図示している。図2は、本発明の一実施形態による
永久磁石式回転電機を三相8極/48スロットの永久磁
石式回転電機に適用した場合において、回転電機の極弧
度を変化させた場合の最大トルクの変化の説明図であ
る。図3は、本発明の一実施形態による永久磁石式回転
電機を三相8極/48スロットの永久磁石式回転電機に
適用した場合における磁束密度分布の説明図である。
【0014】図1に示すように、固定子1は、固定子鉄
心2と、固定子巻線U1,V1,W1とから構成されて
いる。ほぼ環状をなす固定子鉄心2には、48個のスロ
ット3が形成されている。スロット3には、U相の固定
子巻線U1,V相の固定子巻線V1,並びにW相の固定
子巻線W1を挿入配置されている。固定子鉄心2の内周
部には、各スロット3に対応して、開口部4が形成され
ている。
心2と、固定子巻線U1,V1,W1とから構成されて
いる。ほぼ環状をなす固定子鉄心2には、48個のスロ
ット3が形成されている。スロット3には、U相の固定
子巻線U1,V相の固定子巻線V1,並びにW相の固定
子巻線W1を挿入配置されている。固定子鉄心2の内周
部には、各スロット3に対応して、開口部4が形成され
ている。
【0015】一方、回転子6は、回転子鉄心7と、永久
磁石8と、回転軸9とから構成されている。回転子鉄心
7は、回転軸9に嵌合固着されている。回転子鉄心7
は、硅素鋼板を多数枚積層して構成されている。回転子
鉄心7には、永久磁石8を収納するための孔が形成され
ている。この孔の内部に、ネオジウム製の8個の永久磁
石8a,8bを軸方向から挿入して組込まれている。回
転子6は、固定子1の内部に、固定子鉄心2の内周部と
所定のギャップ5を有する状態で回転可能に配置されて
いる。なお、8個の各永久磁石8a,8bは、図におい
てN極とS極とが交互になるように着磁されている。
磁石8と、回転軸9とから構成されている。回転子鉄心
7は、回転軸9に嵌合固着されている。回転子鉄心7
は、硅素鋼板を多数枚積層して構成されている。回転子
鉄心7には、永久磁石8を収納するための孔が形成され
ている。この孔の内部に、ネオジウム製の8個の永久磁
石8a,8bを軸方向から挿入して組込まれている。回
転子6は、固定子1の内部に、固定子鉄心2の内周部と
所定のギャップ5を有する状態で回転可能に配置されて
いる。なお、8個の各永久磁石8a,8bは、図におい
てN極とS極とが交互になるように着磁されている。
【0016】ここで、本実施形態における特徴は、回転
子鉄心7に形成された永久磁石の収納部の断面がギャッ
プ側をなす中心からの角(極弧度)θを、電気角で96
度としている点にある。
子鉄心7に形成された永久磁石の収納部の断面がギャッ
プ側をなす中心からの角(極弧度)θを、電気角で96
度としている点にある。
【0017】図2は、出力40kW,最大電流400A,
最大回転数15krpmにおける線間誘起電圧実効値400
Vrmsの条件下で、極弧度θを変化させた場合のトルク
の変化を示している。すなわち、定められた電流,電圧
の条件下では、永久磁石の極弧度θに、トルクが最大と
なる最適値が存在する。
最大回転数15krpmにおける線間誘起電圧実効値400
Vrmsの条件下で、極弧度θを変化させた場合のトルク
の変化を示している。すなわち、定められた電流,電圧
の条件下では、永久磁石の極弧度θに、トルクが最大と
なる最適値が存在する。
【0018】ここで、極弧度θを変化させると、ギャッ
プの磁束密度Bが変化し、誘起電圧が変化するので、線
間誘起電圧実効値を400Vrms一定とするため、ター
ン数Nを変化させている。最大電流は400Aなので、
ターン数Nが増加すると、線径が小さくなり電流密度が
増大する。電流密度が増大すると、同一の冷却条件下で
は、出力時間が短くなる。しかし、ここでは、エンジン
とモータを搭載した所謂ハイブリット電気自動車用モー
タを対象としているため、モータ出力時間が短くなって
も、エンジン駆動により走行は可能なので、余り問題は
ないものである。但し、モータ走行時間が短くなること
による燃費の劣化は考慮する必要がある。
プの磁束密度Bが変化し、誘起電圧が変化するので、線
間誘起電圧実効値を400Vrms一定とするため、ター
ン数Nを変化させている。最大電流は400Aなので、
ターン数Nが増加すると、線径が小さくなり電流密度が
増大する。電流密度が増大すると、同一の冷却条件下で
は、出力時間が短くなる。しかし、ここでは、エンジン
とモータを搭載した所謂ハイブリット電気自動車用モー
タを対象としているため、モータ出力時間が短くなって
も、エンジン駆動により走行は可能なので、余り問題は
ないものである。但し、モータ走行時間が短くなること
による燃費の劣化は考慮する必要がある。
【0019】図2に示すように、定められた電流,電圧
の条件下では、永久磁石の極弧度θが96度の場合、最
も高トルクとなり、高効率が可能である。ここで、図3
は、極弧度θを、96度とした場合の磁束密度分布を示
している。
の条件下では、永久磁石の極弧度θが96度の場合、最
も高トルクとなり、高効率が可能である。ここで、図3
は、極弧度θを、96度とした場合の磁束密度分布を示
している。
【0020】次に、図4および図5を用いて、本実施形
態による永久磁石式回転電機を三相12極/72スロッ
トの永久磁石式回転電機に適用した場合について説明す
る。本実施形態における永久磁石式回転電機の構成は、
図1に示したものと同様である。
態による永久磁石式回転電機を三相12極/72スロッ
トの永久磁石式回転電機に適用した場合について説明す
る。本実施形態における永久磁石式回転電機の構成は、
図1に示したものと同様である。
【0021】図4は、本発明の一実施形態による永久磁
石式回転電機を三相12極/72スロットの永久磁石式
回転電機に適用した場合において、回転電機の極弧度を
変化させた場合の最大トルクの変化の説明図である。図
5は、本発明の一実施形態による永久磁石式回転電機を
三相12極/72スロットの永久磁石式回転電機に適用
した場合における磁束密度分布の説明図である。
石式回転電機を三相12極/72スロットの永久磁石式
回転電機に適用した場合において、回転電機の極弧度を
変化させた場合の最大トルクの変化の説明図である。図
5は、本発明の一実施形態による永久磁石式回転電機を
三相12極/72スロットの永久磁石式回転電機に適用
した場合における磁束密度分布の説明図である。
【0022】磁石の極弧度θの汎用性を確認するため、
半径や積厚、出力などが異なるモータについて検討し
た。ここでは、極数12極で、スロット数72のモータ
について、検討を行った。
半径や積厚、出力などが異なるモータについて検討し
た。ここでは、極数12極で、スロット数72のモータ
について、検討を行った。
【0023】図4は、出力40kW,最大電流400A,
最大回転数15krpmにおける線間誘起電圧実効値400
Vrmsの条件下で、極弧度θを変化させた場合のトルク
の変化を示している。すなわち、定められた電流,電圧
の条件下では、永久磁石の極弧度θに、トルクが最大と
なる最適値が存在する。
最大回転数15krpmにおける線間誘起電圧実効値400
Vrmsの条件下で、極弧度θを変化させた場合のトルク
の変化を示している。すなわち、定められた電流,電圧
の条件下では、永久磁石の極弧度θに、トルクが最大と
なる最適値が存在する。
【0024】図4に示すように、定められた電流,電圧
の条件下では、図2と同様に、永久磁石の極弧度θが9
6度の場合、最も高トルクとなり、高効率が可能であ
る。ここで、図5は、極弧度θを、96度とした場合の
磁束密度分布を示している。
の条件下では、図2と同様に、永久磁石の極弧度θが9
6度の場合、最も高トルクとなり、高効率が可能であ
る。ここで、図5は、極弧度θを、96度とした場合の
磁束密度分布を示している。
【0025】なお、本発明は、永久磁石の個数(極数)
は8極や12極以外でもよく、例えば、10極でもよい
ものである。また、固定子のスロット数も48や72個
以外でもよく、例えば、8極/24スロット,8極/7
2スロット,12極/36スロット,12極/108ス
ロット,10極/60スロット,10極/30スロット
などでも、同様に、極弧度θが96度において、最大ト
ルクを示している。
は8極や12極以外でもよく、例えば、10極でもよい
ものである。また、固定子のスロット数も48や72個
以外でもよく、例えば、8極/24スロット,8極/7
2スロット,12極/36スロット,12極/108ス
ロット,10極/60スロット,10極/30スロット
などでも、同様に、極弧度θが96度において、最大ト
ルクを示している。
【0026】さらに、永久磁石8は、ネオジウム磁石以
外でもよいものである。また、永久磁石の形状として
は、図1に示したように、側面形状が長方形のもの以外
に、円弧状のものを用いてもよいものである。そのと
き、円弧状の永久磁石の凸部側が回転子鉄心7の外周側
を向くようにアーク型に配置してもよく、また、円弧状
の永久磁石の凸部側が回転子鉄心7の回転軸方向を向く
ようにU字型に配置してもよいものである。
外でもよいものである。また、永久磁石の形状として
は、図1に示したように、側面形状が長方形のもの以外
に、円弧状のものを用いてもよいものである。そのと
き、円弧状の永久磁石の凸部側が回転子鉄心7の外周側
を向くようにアーク型に配置してもよく、また、円弧状
の永久磁石の凸部側が回転子鉄心7の回転軸方向を向く
ようにU字型に配置してもよいものである。
【0027】また、極弧度θは、永久磁石のギャップ側
をなす二点の角度であるが、永久磁石の製作時の誤差を
考慮すると、極弧度θは、96度±1度の範囲が好適で
あった。また、本実施形態における回転電機としては、
内転型、外転型などの回転電機に限らず、リニアモータ
などにも応用できる。
をなす二点の角度であるが、永久磁石の製作時の誤差を
考慮すると、極弧度θは、96度±1度の範囲が好適で
あった。また、本実施形態における回転電機としては、
内転型、外転型などの回転電機に限らず、リニアモータ
などにも応用できる。
【0028】以上説明したように、本実施形態によれ
ば、磁石の極弧度を最適の約96度とすることにより、
定められた電流,電圧の条件下では、最も高トルクとな
り、高効率化が可能となる。
ば、磁石の極弧度を最適の約96度とすることにより、
定められた電流,電圧の条件下では、最も高トルクとな
り、高効率化が可能となる。
【0029】
【発明の効果】本発明によれば、定められた電流、電圧
条件において、駆動トルクを最大にし、小型化あるいは
駆動効率向上を可能となる。
条件において、駆動トルクを最大にし、小型化あるいは
駆動効率向上を可能となる。
【図1】本発明の一実施形態による永久磁石式回転電機
を三相8極/48スロットの永久磁石式回転電機に適用
した場合に構成を示す部分側面図である。
を三相8極/48スロットの永久磁石式回転電機に適用
した場合に構成を示す部分側面図である。
【図2】本発明の一実施形態による永久磁石式回転電機
を三相8極/48スロットの永久磁石式回転電機に適用
した場合において、回転電機の極弧度を変化させた場合
の最大トルクの変化の説明図である。
を三相8極/48スロットの永久磁石式回転電機に適用
した場合において、回転電機の極弧度を変化させた場合
の最大トルクの変化の説明図である。
【図3】本発明の一実施形態による永久磁石式回転電機
を三相8極/48スロットの永久磁石式回転電機に適用
した場合における磁束密度分布の説明図である。
を三相8極/48スロットの永久磁石式回転電機に適用
した場合における磁束密度分布の説明図である。
【図4】本発明の一実施形態による永久磁石式回転電機
を三相12極/72スロットの永久磁石式回転電機に適
用した場合において、回転電機の極弧度を変化させた場
合の最大トルクの変化の説明図である。
を三相12極/72スロットの永久磁石式回転電機に適
用した場合において、回転電機の極弧度を変化させた場
合の最大トルクの変化の説明図である。
【図5】本発明の一実施形態による永久磁石式回転電機
を三相12極/72スロットの永久磁石式回転電機に適
用した場合における磁束密度分布の説明図である。
を三相12極/72スロットの永久磁石式回転電機に適
用した場合における磁束密度分布の説明図である。
θ…磁石の極弧度 1…固定子 2…固定子鉄心 3…固定子スロット 4…固定子開口部 5…ギャップ部 6…回転子 7…回転子鉄心 8…永久磁石 9…回転軸
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H02K 21/16 H02K 21/16 M (72)発明者 川又 昭一 茨城県日立市大みか町七丁目1番1号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 小泉 修 茨城県ひたちなか市大字高場2520番地 株 式会社日立製作所自動車機器グループ内 (72)発明者 安原 隆 茨城県ひたちなか市大字高場2520番地 株 式会社日立製作所自動車機器グループ内 Fターム(参考) 5H002 AA09 AB07 AC06 AE07 5H621 AA03 BB07 BB10 GA04 GA16 HH01 JK03 5H622 AA03 CA02 CA07 CA10 CA14 CB01 CB05 PP07 PP10
Claims (1)
- 【請求項1】複数相の固定子巻線を有する固定子と、回
転子鉄心の内部に複数個の永久磁石を埋め込んで構成さ
れ、上記固定子と所定のギャップを有する状態で回転可
能に配置される回転子とを有する永久磁石式回転電機に
おいて、 上記回転子の各永久磁石のギャップ側をなす二点の角度
(極弧度)が電気角で96度としたことを特徴とする永
久磁石式回転電機。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2001175172A JP2002369422A (ja) | 2001-06-11 | 2001-06-11 | 永久磁石式回転電機 |
Applications Claiming Priority (1)
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