JP2004236495A - 励磁機およびそれを用いた同期機 - Google Patents

Abstract

【課題】 ヨークが周方向に分割されている励磁機（ステータ）の磁気抵抗と鉄損を低減し磁束（Ｂ）を増大することができる励磁機およびそれを用いた同期機を提供する。
【解決手段】 電流を通じることにより移動磁界を発生させる励磁機であって、前記励磁機は、ヨークおよびティースを有しており、該ヨークが前記励磁機の周方向に分割されており、該ヨークとティースとは、方向性電磁鋼板を異なる方向に積層して構成することを特徴とする励磁機およびそれを用いた同期機。
【選択図】図１

Description

本発明は、電流を通じることにより移動磁界を発生させる励磁機およびそれを用いた同期機に関する。
具体的には、例えば、励磁機としてのステータおよびそれを用いた永久磁石同期機に関する。

永久磁石同期機は、ステータ（固定子）に電流を流すことにより発生する磁場が、ロータ（回転子）に埋め込まれた永久磁石に働いて、ロータが回転する同期機であって、保守性、制御性、耐環境性に優れ、高効率、高力率運転が可能な電動機として産業・民生家電分野を問わず広く用いられている。この場合、電気エネルギーを同期機に流して、回転駆動力を得るようにするのが同期電動機であり、逆に、同期機を回転させて電気エネルギーを同期機より取り出す場合は、同期発電機となる。ここでは、両者を想定し、あわせて、同期機としている、両者の構造は基本的には同じなので、以下詳細説明では、同期電動機の例を中心に説明する。

図１０および図１１は、従来の同期機の断面を示しており、ヨーク１およびティース２からなるステータ７の中心に、ロータ８が配置されている。
ロータ８には永久磁石９が埋め込まれており、ステータ７に三相交流を流すことにより発生する磁場が、この永久磁石９に働くことによりロータ８が回転する。

従来、同期機のステータは、鉄損を低減するために無方向性電磁鋼板（ＮＯ）を積層することにより作られていた。
無方向性電磁鋼板は、鋼板表面のどの方向にも一様な比透磁率を有する鋼板であって、比較的鉄損の小さい材料として広く用いられているが、長時間連続運転する同期機のステータに用いる材料としては十分な磁気特性が得られていなかった。

同期機に用いられる電磁鋼板の種類については、特開平７−６７２７２号公報に、ステータのティースとヨークとを分割する構造とし、ヨークには円周方向を磁化容易方向とする方向性電磁鋼板（ＧＯ）を用い、ティースには径方向を磁化容易方向とする方向性電磁鋼板を用いることにより鉄損を低減する方法が開示されている。 しかし、この従来技術は、図１０に示すように、ヨークとティースとを構成する方向性電磁鋼板の積層方向が同じ方向なので、ヨークからティースへの磁束の流れがスムーズでなく、この部分に磁気抵抗の大きい回転磁界が発生するため鉄損を増加させてしまうという問題点があった。

また、この従来技術に開示されているステータを通過する磁束は、分割されたヨーク同士の境界線およびヨークとティースとの境界線の双方を通過するので、この境界線による磁気抵抗のため鉄損が増加するという問題点もあった。 また、特開２０００−７８７８０公報には、ティース部に方向性電磁鋼板を用い、ヨーク部に透磁率の方向性の小さい磁性材（低炭素鋼鋼板や無方向性電磁鋼板など）を用いる方法が開示されている。 しかし、この従来技術は、ヨークとティースの接合部も透磁率の方向性の小さい磁性材を用いているので、ヨークからティースへの磁束の流れがスムーズでなく、この部分に磁気抵抗の大きい回転磁界が発生するため鉄損を増加させてしまうという問題点があった。

特開平７−６７２７２号公報 特開２０００−７８７８０号公報

本発明は、前記のような従来技術の問題点を解決し、ヨークが周方向に分割されている励磁機（ステータ）の磁気抵抗と鉄損を低減し、磁束（Ｂ）を増大することができる励磁機およびそれを用いた同期機を提供することを課題とする。

本発明は、ヨークとティースとを構成する方向性電磁鋼板の積層方向異なる方向とし、また、ヨークとティースとの２本の境界線の交点をヨークの外周上または外側とすることにより、ヨークが周方向に分割されている励磁機（ステータ）の磁気抵抗と鉄損を低減し磁束（Ｂ）を増大することができる励磁機およびそれを用いた同期機を提供するものであり、その要旨は特許請求の範囲に記載した通りの下記内容である。

・ 電流を通じることにより移動磁界を発生させる励磁機であって、前記励磁機は、ヨークおよびティースを有しており、該ヨークが前記励磁機の周方向に分割されており、 該ヨークとティースとは、方向性電磁鋼板を異なる方向に積層して構成することを特徴とする励磁機。
・ 前記ヨークは、方向性電磁鋼板を前記励磁機の周方向に配置して積層し、
前記ティースは、方向性電磁鋼板を前記励磁機の径方向に配置して積層することを特徴とする（１）に記載の励磁機。
（３）電流を通じることにより移動磁界を発生させる励磁機であって、前記励磁機は、方向性電磁鋼板を積層したヨークおよびティースを有しており、該ヨークが前記励磁機の周方向に分割されており、
該ヨークを構成する方向性電磁鋼板の磁化容易方向を前記励磁機の周方向とし、前記ティースを構成する方向性電磁鋼板の磁化容易方向を前記励磁機の径方向とし、かつ、前記ヨークとティースとの２本の境界線の交点が、前記ヨークの外周または外周より外側に位置することを特徴とする励磁機。
（４）（３）に記載の条件を満足することを特徴とする（１）または（２）に記載の励磁機。
（５）前記ヨークとティースとの境界線と、前記ヨークの内周とがなす角（θ）が、３０deg≦θ≦６０degであることを特徴とする（１）乃至（４）に記載の励磁機。
（６）（１）乃至（５）に記載の励磁機を有することを特徴とする同期機。

本発明によれば、ヨークとティースとを構成する方向性電磁鋼板の積層方向異なる方向とし、また、ヨークとティースとの２本の境界線の交点をヨークの外周上または外側とすることにより、ヨークが周方向に分割されている励磁機（ステータ）の磁気抵抗と鉄損を低減し磁束（Ｂ）を増大することができる励磁機およびそれを用いた同期機を提供することができ、産業上有用な著しい効果を奏する。

本発明を実施するための形態を、図１乃至図６を用いて詳細に説明する。
＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の第１の実施形態であるステータ（励磁機）の構造を示す図である。
図１において、１はヨーク、２はティース、３はヨークとヨークとの境界線、４はヨークとティースとの境界線を示す。
ステータは、外周部分のヨーク１と、ティース２とから主に構成され、ヨーク１とティース２がロータの周囲に円周状に配置され、該ヨークが前記励磁機の周方向に分割されている。
本発明においては、ヨーク１とティース２とは、方向性電磁鋼板を異なる方向に積層して構成する。
従来は、図１０に示すように、ヨークとティースとが、同じ方向に積層されていたため、磁束がヨークとティースとの境界部を通過するときに、同じ平面内で磁束の向きが変ることから、この部分に磁気抵抗の大きい回転磁界が発生し、これによって、鉄損が著しく増加していた。
ここに、回転磁界とは、図９に示すように、例えば、ｘ-ｙ平面内の位置によって磁気特性が曲線的に変化する磁界をいい、図８に示すような、直線的に変化する交番磁界と反対の概念である。

発明者らは、種々の形態のステータについて鉄損を測定したところ、この回転磁界は、平面内で磁束の方向が変化する場所で発生し易く、図１に示す、ヨークとヨークの境界線３と、ヨークとティースとの境界線４とが交差する点（３つの境界線が交差する３重点）が最も発生し易いことを見出した。
そこで、この回転磁界の発生を防止するためには、磁束の方向平面内で変化させなければよいことに想到し、ヨーク１とティース２の積層方向を異なる方向とすることによって、平面内での磁束の方向転換を少なくしたところ、回転磁界の発生が抑制され、鉄損を著しく低減することができた。
具体的には、図１に示すように、ヨーク１を構成する方向性電磁鋼板をステータの周方向に配置して積層し、ティース２を構成する方向性電磁鋼板をステータの径方向に配置して積層することが好ましい。
ここに、図１に示すように、ヨークとティースとの２本の境界線が交差する点とヨークの外周との距離をｄとするとき、本実施形態はｄ＞０の場合を示す。
なお、本実施形態におけるヨークは、方向性電磁鋼板を前記励磁機の周方向に配置して積層し、ティースは、方向性電磁鋼板を前記励磁機の径方向に配置して積層しているが、積層の向きをそれぞれ逆転させてもよい。
なお、本実施形態におけるヨークならびにティースの鋼板の積層方向は、図１に示すようにヨーク鋼板面法線方向を軸方向かつティース鋼板面法線方向を周方向としているが、さらに、図１２に示すように、ヨーク鋼板面法線方向を径方向かつティース鋼板面法線方向を軸方向としても、また、図１３に示すようにヨーク鋼板面法線方向を径方向かつティース鋼板面法線方向を周方向としてもよい。

また、ヨーク１はステータ（励磁機）の周方向に分割されており、ヨーク１を構成する方向性電磁鋼板の磁化容易方向を前記励磁機の周方向とし、ティース２を構成する方向性電磁鋼板の磁化容易方向を前記励磁機の径方向とすることが好ましい。 磁束の流れる方向と方向性電磁鋼板の磁化容易方向とを合わせることにより磁束の流れをスムーズにし磁束（Ｂ）を強化することができる。 ここに、方向性電磁鋼板は、磁化容易方向が特定の方向である電磁鋼板であり、磁化容易方向については無方向性電磁鋼板より優れた磁気特性を有する。例えば、図７に示すように、方向性電磁鋼板は、圧延方向の比透磁率μ_Rが、非圧延方向の比透磁率μ_Tに比べて著しく大きくなっており、圧延方向に磁束を流し易い性質を持っている。

方向性電磁鋼板を用いることにより、磁束の流れをスムーズにし、その結果、磁束（Ｂ）を強化することができるうえ、磁束が交差する部分に生じる磁気抵抗の大きい回転磁界の発生を防止することができ、ステータ（励磁機）における鉄損を低減することができる。
なお、本実施形態では励磁機をステータとしたが、ロータに電流を流すことによって、励磁機をロータとすることもできる。

＜第２の実施形態＞
図２は、本発明の第２の実施形態であるステータ（励磁機）の構造を示す図である。
図２において、１はヨーク、２はティース、３はヨークとヨークとの境界線、４はヨークとティースとの境界線を示す。
本実施形態においては、ヨークとヨークとの境界線３と、ヨークとティースとの境界線４とは交差しないが、ヨークとティースとの境界線において磁束が直角に曲がるので、ヨークとティースとを構成する方向性電磁鋼板の積層方向を変えることによって回転磁界の発生を防止し、鉄損を著しく低減することができる。 具体的には、図２に示すように、ヨーク１を構成する方向性電磁鋼板をステータの周方向に配置して積層し、ティース２を構成する方向性電磁鋼板をステータの径方向に配置して積層することが好ましい。
なお、方向性電磁鋼板の磁化容易方向、ヨークおよびティースに使用する方向性電磁鋼板の積層方向、および本発明の励磁機をロータに適用できる点ついては、第１の実施形態と同様であるので省略する。

＜第３の実施形態＞
図３および図４は、本発明の第３の実施形態であるステータ（励磁機）の構造を示す図である。
図３および図４において、１はヨーク、２はティース、４はヨークとティースとの境界線を示す。
図３は、ヨークとティースとの２本の境界線の交点がヨークの外周の外側に位置している実施形態を示す。従って、ヨーク１とティース２との２本の境界線の交点と、ヨーク１の外周面との距離ｄは、ｄ＜０となる。

この場合、ヨークとヨークとの境界線がなく、また、ヨークとティースとを構成する方向性電磁鋼板の積層方向は異なる方向としているので、平面内で磁束の方向が変る点がなく、回転磁界の発生が防止できるので、最も鉄損を低減することができる。
具体的には、図３に示すように、ヨーク１を構成する方向性電磁鋼板をステータの周方向に配置して積層し、ティース２を構成する方向性電磁鋼板をステータの径方向に配置して積層することが好ましい。
図４は、ヨークとティースとの２本の境界線の交点がヨークの外周上に位置している実施形態を示す。従って、ヨーク１とティース２との２本の境界線の交点と、ヨーク１の外周面との距離ｄは、ｄ＝０となる。
この場合も、図３と同様に、回転磁界の発生を防止することができ、鉄損を著しく低減することができる。
なお、本実施形態においては、ヨーク１とティース２とを構成する方向性電磁鋼板の積層方向は異なる方向としたが、この積層方向を同じ向きにしてもよく、ヨークとティースとの２本の境界線の交点をヨークの外周上またはヨークの外側に位置することによる鉄損の低減効果は失われず、本発明の範囲に含まれる。
なお、方向性電磁鋼板の磁化容易方向、ヨークおよびティースに使用する方向性電磁鋼板の積層方向、および本発明の励磁機をロータに適用できる点ついては、第1の実施形態と同様であるので省略する。

＜第１〜第３共通の実施形態＞
図５は、本発明の第１乃至第３の実施形態に共通するステータ（励磁機）の構造を示す図である。
図５において、１はヨーク、２はティース、４はヨークとティースとの境界線を示す。 本実施形態においては、図５に示すように、ヨークとティースとの境界線４とヨークの内周とのなす角(θ)を、３０deg≦θ≦６０degの範囲内にする。その限定理由は以下の通りである。

図６は、方向性電磁鋼板の磁束の方向と鉄損との関係を示す図である。
図６の横軸は、磁束の方向（deg）であり、図５のα、βに相当する。
図６の縦軸は、鉄損（w/kg）を例示するものであり、この例では、無方向性電磁鋼板（ＮＯ）は、磁束の方向が変っても鉄損は大きく変化しないが、方向性電磁鋼板（ＧＯ）では、磁束の方向が変ると鉄損が著しく大きくなるので、磁束の方向（α、β）は６０deg以下にすることが好ましい。
図５において、幾何学的に以下の関係が成り立つ。
α＝９０−θ
β＝θ
このα、βを６０deg以下にするためには、
０≦α＝９０−θ≦６０、および、
０≦β＝θ≦６０が必要条件となる。
従って、３０≦θ≦６０の範囲が好ましい範囲である。
また、前記第１乃至第３の実施形態に示すステータ（励磁機）を、電動機（同期機）に適用することによって、鉄損が少なく出力トルクが大きい電動機（同期機）を提供することができる。

本発明の第１の実施形態であるステータ（励磁機）の構造を示す図である。 本発明の第２の実施形態であるステータ（励磁機）の構造を示す図である。 本発明の第３の実施形態であるステータ（励磁機）の構造を示す図である。 本発明の第３の実施形態であるステータ（励磁機）の構造を示す図である。 本発明の第１乃至第３の実施形態に共通するステータ（励磁機）の構造を示す図である。 方向性電磁鋼板の磁束の方向と鉄損との関係を示す図である。 本発明に用いる方向性電磁鋼板の比透磁率（μ）の特性を示す図である。 交番磁界の説明図である。 回転磁界の説明図である。 従来の同期機の断面図である。 従来の同期機の断面図である。 本発明の第１の実施形態における第１のステータ（励磁機）の構造を示す図である。 本発明の第１の実施形態における第２のステータ（励磁機）の構造を示す図である。

符号の説明

１ ヨーク
２ ティース
３ ヨークとヨークとの境界線
４ ヨークとティースとの境界線
７ ステータ（励磁機）
８ ロータ（界磁機）
９ 永久磁石

Claims (6)

1. 電流を通じることにより移動磁界を発生させる励磁機であって、前記励磁機は、ヨークおよびティースを有しており、該ヨークが前記励磁機の周方向に分割されており、
   該ヨークとティースとは、方向性電磁鋼板を異なる方向に積層して構成することを特徴とする励磁機。
2. 前記ヨークは、方向性電磁鋼板を前記励磁機の周方向に配置して積層し、
   前記ティースは、方向性電磁鋼板を前記励磁機の径方向に配置して積層することを特徴とする請求項１に記載の励磁機。
3. 電流を通じることにより移動磁界を発生させる励磁機であって、前記励磁機は、方向性電磁鋼板を積層したヨークおよびティースを有しており、該ヨークが前記励磁機の周方向に分割されており、
   該ヨークを構成する方向性電磁鋼板の磁化容易方向を前記励磁機の周方向とし、前記ティースを構成する方向性電磁鋼板の磁化容易方向を前記励磁機の径方向とし、
   かつ、前記ヨークとティースとの２本の境界線の交点が、前記ヨークの外周または外周より外側に位置することを特徴とする励磁機。
4. 請求項３に記載の条件を満足することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の励磁機。
5. 前記ヨークとティースとの境界線と、前記ヨークの内周とがなす角（θ）が、３０deg≦θ≦６０degであることを特徴とする請求項１乃至請求項４に記載の励磁機。
6. 請求項１乃至請求項５に記載の励磁機を有することを特徴とする同期機。
   

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