JP2004297990A

JP2004297990A - 永久磁石型同期電動機

Info

Publication number: JP2004297990A
Application number: JP2003145421A
Authority: JP
Inventors: Mitsunori Kamo; 光則加茂
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2003-02-12
Filing date: 2003-05-22
Publication date: 2004-10-21

Abstract

【課題】外部にリアクトルを追加することなく、巻線インダクタンスが従来と比較して格段に大きく、高周波鉄損の小さい永久磁石型同期電動機を提供する。
【解決手段】周方向ティース部ごとに分割された積層鉄心から構成された固定子鉄心３を有する固定子１と、永久磁石１７が装着された回転子１６により構成された永久磁石型同期電動機において、固定子鉄心３は、回転子の永久磁石１７と対向する固定子鉄心中央部４と、永久磁石１７と対向しない固定子鉄心端部５を持ち、固定子鉄心中央部４のティース先端部の形状は隣接するティース先端部との間に空隙を有し、固定子鉄心端部５のティース先端部の形状は隣接するティース先端部と密着させる。固定子鉄心中央部４は本来の電動機特性を発揮することになり、固定子鉄心端部５では、巻線９が作る磁束が密着したティース先端部のところで短絡するために、この部分はリアクトルとして動作することになる。
【選択図】図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、永久磁石型同期電動機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
産業用に使用される電動機として、図８，９に示すような永久磁石型同期電動機がよく知られている（例えば非特許文献１参照）。図８は永久磁石型同期電動機の横断面図を、図９は縦断面図を示している。
図８，９において、１は固定子、２はフレーム、３は固定子鉄心、８は絶縁材、９は電機子巻線、１０はティース、１１はティース先端部、１３はスロット、１４はブラケット、１５は軸受である。１６は回転子、１７は永久磁石、１８はシャフトである。
【０００３】
固定子鉄心３は電磁鋼板などの薄板材を多数枚積層して形成され、通常金属製のフレーム２内に収められる。固定子鉄心３の内側は放射状のティース１０となっている。ティース１０とティース１０の間の空間をスロット１３と称し、そのスロット１３の内周面は、絶縁材８で覆われている。スロット１３内に絶縁被覆電線を用いて巻装された電機子巻線９が収められている。
一方、固定子１の内側には、シャフト１８の外周表面に永久磁石１７が装着された回転子１６が設置される。回転子１６は、軸受１５を装着したブラケット１４により、両側から支えられている。
前記の電機子巻線９に三相交流電流を流すことにより固定子１の内側に回転磁界が発生し、この回転磁界と永久磁石１７が発生する磁界との相互作用により回転子１６を回転させる。
【０００４】
近年、固定子鉄心の構造として、分割鉄心構造が使われることが多い（例えば特開平９−１８２３４２号公報（特許文献１）参照）。図８，９も分割鉄心構造による固定子鉄心の一例である。図８は、周方向ティースごとに分割する方法である。分割鉄心構造を採用する理由は、スロット１３内における巻線占積率を高めるためである。永久磁石型同期電動機の性能を上げるには、巻線占積率を高くすることが特に有効であるからである。図８において、ほぼＴ字形をした積層分割鉄心に、予め絶縁材を介して、絶縁被覆電線を巻装し、その後、各分割鉄心を組み合わせて、円筒状の固定子鉄心３を形成する。このように分割鉄心構造により形成された固定子１は、分割をしていない一体型の固定子鉄心のままで電機子巻線を巻装する場合と比較して、巻線占積率を極めて高くすることができる。
ここで、ティース先端部１１の形状について説明する。ティース先端部１１の形状は、通常、鳩の尻尾のような形状とすることが多い。これは、磁石の発生する磁束を有効に集めるためである。ただし、隣接するティース先端部１１同士は通常密着させず、すこし隙間を持たせることが多い。これは、完全に密着させてしまうと、その部分が、磁束の短絡経路となり、磁石で発生した磁束が固定子鉄心３と鎖交せずに、隣の磁極に直接短絡する磁束が多くなるためである。
【０００５】
図１０は、永久磁石型同期電動機の従来の技術の他の例を示す横断面図である。図中の番号は、図８とほぼ共通であるために、同一のものは同一の符号を付して説明を省略し、異なるもののみについて説明する。図１０において、６はティース部鉄心、７は外周部鉄心、１２はティース連結部である。
図１０も分割鉄心構造による固定子鉄心の一例であるが、図８とは異なる方式の分割である。即ち、図１０の固定子鉄心３は、内周側にティース連結部１２を持つ放射状のティース部鉄心６と円筒状の外周部鉄心７の２つに分割する方式である。ティース連結部１２はティースがバラバラにならないようにするために設けるものであるが、通常この連結部の厚みは必要とする機械強度を満たす最低限の厚みとする。なぜならば、このティース連結部１２の厚みが必要以上に厚すぎると、前述したことと同様に、この部分が磁束の短絡経路となり、磁石の磁束が隣の磁極に短絡してしまうからである。
【０００６】
図１０に示す永久磁石型同期電動機の製造手順は以下のようになる。
予め、絶縁材に絶縁被覆電線を巻装してなる空芯コイルを、放射状のティース部鉄心６の外側から順次挿入していく。すべてのティースの空芯コイルを挿入し終わった後、ティース部鉄心６の外側に、円筒状の外周部鉄心７を焼きバメ、または圧入する。以上のようにして形成された固定子鉄心３を、フレーム２内に装着して固定子１を構成する。このように、空芯コイルをティース部鉄心６の外側から装着していくために、スロット内の巻線占積率を極めて高くすることができる。
次に、固定子鉄心の積層厚みと磁石の長さの関係について説明する。図９に示すように従来の技術では通常、固定子鉄心３の積層厚みと永久磁石１７の長さとはほぼ同じ長さとしていることが多い。これは、固定子鉄心３の積層厚みより永久磁石１７の長さが短いと、永久磁石１７の対向していない固定子鉄心３の部分が無駄となるからである。一方、固定子鉄心３の積層厚みより永久磁石１７の長さが長いと、固定子鉄心３と対向しない部分の永久磁石１７の部分が無駄になるからである。
【０００７】
最後に、分割鉄心を構成するそれぞれの電磁鋼板の形状について説明する。通常、固定子鉄心３の鉄心はプレス加工にて製作するために、鉄心の積厚方向に対してすべて同じ形状の電磁鋼板で構成されている。これは図８の周方向ティースごとの分割方式でも、図１０の２分割方式でもどちらに対しても当てはまることである。
このように、従来の永久磁石型同期電動機では、固定子鉄心の積層厚みと磁石の長さとはほぼ同じ長さとしている。また、固定子鉄心は、鉄心の積層方向に対してすべて同じ形状の電磁鋼板で構成されている。
【０００８】
【特許文献１】
特開平９−１８２３４２号公報
【非特許文献１】
雑誌「日経メカニカル」、１９９４年３月２１日号、ｐ．３６−４９
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来技術による永久磁石型同期電動機では、固定子鉄心の積層厚みと磁石の長さとはほぼ同じ長さとしている。また、固定子鉄心は、鉄心の積層方向に対してすべて同じ形状の電磁鋼板で構成されている。そのために次に述べるような問題があった。
すなわち、一般的に電動機が大容量化すると、巻線を構成する絶縁被覆電線の線径を太くし、巻回数を減らすために電機子巻線のインダクタンスが小さくなり、この巻線インダクタンスが小さいことが電動機を駆動する際に障害となる。通常、永久磁石型同期電動機は、ＰＷＭ駆動されるドライバ装置により駆動される。この際、巻線インダクタンスが小さいと電気的時定数が小さいために電流リップルが大きくなり、その結果として、電流リップルに起因する高周波鉄損が大きくなる。そのことにより、電動機の定格出力が低く抑えられるという問題があった。また、高周波鉄損は主として永久磁石に発生するために、永久磁石の温度が異常に高くなるために磁石が減磁しやすいという問題もあった。
巻線インダクタンスを大きくするためには、電動機とは別個に外部にリアクトルを追加することがもっとも簡単な方法である。しかしながら、リアクトルを設置するための空間が必要になるとともに、電動機との接続も煩雑なものとなる。そこで、本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、外部にリアクトルを追加することなく、巻線インダクタンスが従来と比較して格段に大きく、高周波鉄損の小さい永久磁石型同期電動機を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したものである。
請求項１に記載の発明は、周方向ティース部ごとに分割された積層鉄心から構成された固定子鉄心を有する固定子と、永久磁石が装着された回転子により構成された永久磁石型同期電動機において、前記固定子鉄心は、前記回転子の永久磁石と対向する固定子鉄心中央部と、永久磁石と対向しない固定子鉄心端部を持ち、前記固定子鉄心中央部のティース先端部の形状は隣接するティース先端部との間に空隙を有し、前記固定子鉄心端部のティース先端部の形状は隣接するティース先端部と密着していることを特徴とするものである。
請求項１に係る発明においては、以上のような構成になっているため、固定子鉄心中央部は本来の電動機特性を発揮することになり、固定子鉄心端部では、巻線が作る磁束が上記の密着したティース先端部のところで短絡するために、この部分はリアクトルとして動作することになる。したがって、電動機の外部に別途にリアクトルを追加することなく、巻線インダクタンスを格段に大きくすることができる。
巻線インダクタンスが大きくなることにより、電流リップルを小さく抑えることができ、電流リップルに起因する高周波鉄損を大幅に低減でき、電動機の定格出力を上げることができる。また、高周波鉄損による磁石の発熱が抑えられ、磁石の耐減磁性能も向上させることができる。
【００１１】
請求項２に記載の発明は、内周側が薄肉連結部にて連結された放射状のティース部鉄心と円筒状の外周部鉄心の２分割鉄心構造から構成された固定子鉄心を有する固定子と、永久磁石が装着された回転子により構成された永久磁石型同期電動機において、前記固定子鉄心は、前記回転子の永久磁石と対向する固定子鉄心中央部と、永久磁石と対向しない固定子鉄心端部を持ち、前記固定子鉄心端部のティース部鉄心の薄肉連結部の厚みが、前記固定子鉄心中央部のティース部鉄心の薄肉連結部の厚みよりも厚いことを特徴とするものである。
請求項２に係る発明においては、以上のような構成になっているため、固定子鉄心中央部は本来の電動機特性を発揮することになり、固定子鉄心端部では、巻線が作る磁束が上記の厚くしたティース連結部のところで短絡するために、この部分はリアクトルとして動作することになる。したがって、電動機の外部に別途にリアクトルを追加することなく、巻線インダクタンスを格段に大きくすることができる。
巻線インダクタンスが大きくなることにより、電流リップルを小さく抑えることができ、電流リップルに起因する高周波鉄損を大幅に低減でき、電動機の定格出力を上げることができる。また、高周波鉄損による磁石の発熱が抑えられ、磁石の耐減磁性能も向上させることができる。
【００１２】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の永久磁石型同期電動機において、前記固定子鉄心端部のティースの内周面にくぼみを有することを特徴とするものである。
請求項３に係る発明においては、以上のような構成になっているため、くぼみを有していない場合と比較して、永久磁石端部からの漏れ磁束を格段に小さくできる。したがって、巻線と鎖交する有効磁束の減少を抑えることができ、トルクの低下を抑えることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の永久磁石型同期電動機の実施の形態を図に基づいて説明する。
（第１実施形態）
最初に、本発明の永久磁石型同期電動機の第１実施形態について説明する。
図１，２，３は、第１実施形態に係る永久磁石型同期電動機を示すもので、図１は固定子鉄心中央部での横断面図を、図２は固定子鉄心端部での横断面図を、図３は縦断面図を示す。
図１，２，３において、１は固定子、２はフレーム、３は固定子鉄心、４は固定子鉄心中央部、５は固定子鉄心端部、８は絶縁材、９は電機子巻線、１０はティース、１１はティース先端部、１３はスロット、１４はブラケット、１５は軸受、１６は回転子、１７は永久磁石、１８はシャフト、２０は短絡磁束の流れ、２１は有効磁束、２２は漏れ磁束である。
【００１４】
以下、図にしたがって具体的に各部の働きについて説明する。
固定子鉄心３は周方向ティースごとに分割された構造となっており、各分割鉄心は、電磁鋼板などの薄板材を多数枚積層して形成されている。各分割鉄心はほぼＴ字形をしており、予め絶縁材８を介して、絶縁被覆電線を巻装し、その後、各分割鉄心を組み合わせて、円筒状の固定子鉄心３を形成する。その後、固定子鉄心３は、フレーム２内に収められる。
一方、固定子１の内側には、シャフト１８の外周表面に永久磁石１７が装着された回転子１６が設置される。回転子１６は、軸受１５を装着したブラケット１４により、両側から支えられている。
【００１５】
前記の電機子巻線９に三相交流電流を流すことにより固定子１の内側に回転磁界が発生し、この回転磁界と永久磁石１７が発生する磁界との相互作用により回転子１６を回転させる。
永久磁石１７の長さは、固定子鉄心３の積層厚みよりも端部を短くする。すなわち、固定子鉄心中央部４は永久磁石１７と対向しているが、固定子鉄心端部５は永久磁石１７と対向していない。
ティース先端部１１の形状については、図１に示すように、固定子鉄心中央部４におけるティース先端部１１の形状は、隣接するティース先端部１１間で、空隙を持たせている。一方、図２に示すように、固定子鉄心端部５におけるティース先端部１１の形状は、隣接ティース先端部１１同士が完全に密着するようにしている。
【００１６】
本第１実施形態は、以上のような構成をしているので、固定子鉄心中央部４は本来の電動機特性を発揮することになり、固定子鉄心端部５では、巻線が作る磁束が上記の密着したティース先端部１１のところで、短絡磁束の流れ２０のように短絡するために、この部分はリアクトルとして動作することになる。したがって、電動機の外部に別途にリアクトルを追加することなく、巻線インダクタンスを格段に大きくすることができる。
【００１７】
（第２実施形態）
次に、本発明の永久磁石型同期電動機の第２実施形態について説明する。
図４，５は、第２実施形態に係る永久磁石型同期電動機の構成を示すもので、図４は固定子鉄心中央部での横断面図を、図５は固定子鉄心端部での横断面図を示す。
図４，５において、１は固定子、２はフレーム、３は固定子鉄心、６はティース部鉄心、７は外周部鉄心、８は絶縁材、９は電機子巻線、１２はティース連結部、１３はスロット、１４はブラケット、１５は軸受、１６は回転子、１７は永久磁石、１８はシャフト、２０は短絡磁束の流れである。
【００１８】
以下、図にしたがって具体的に各部の働きについて説明する。
固定子鉄心３は内周側に連結部を持つ放射状のティース部鉄心６と円筒状の外周部鉄心７の二つに分割されている。固定子１の製造手順は以下のようになる。予め、絶縁材に絶縁被覆電線を巻装してなる空芯コイルを、放射状のティース部鉄心６の外側から、順次挿入していく。すべてのティースの空芯コイルを挿入し終わった後、ティース部鉄心６の外側に、円筒状の外周部鉄心７を焼きバメ、または圧入する。以上のようにして形成された固定子鉄心３を、フレーム２内に装着して固定子１を構成する。
一方、固定子１の内側には、シャフト１８の外周表面に永久磁石１７が装着された回転子１６が設置される。回転子１６は、軸受１５を装着した、ブラケット１４により、両側から支えられている。
【００１９】
前記の電機子巻線９に三相交流電流を流すことにより固定子１の内側に回転磁界が発生し、この回転磁界と永久磁石１７が発生する磁界との相互作用により回転子１６を回転させる。
永久磁石１７の長さは、固定子鉄心３の積層厚みよりも端部を短くする。すなわち、第１実施形態の図３と同様に、図４に示した構成の固定子鉄心中央部４は永久磁石１７と対向しているが、図５に示した構成の固定子鉄心端部５は永久磁石１７と対向していない。
ティース先端部の形状については、図４に示すように、固定子鉄心中央部４におけるティース連結部の厚みは、必要とする機械強度を満たす最低限の厚みとしている。一方、図５に示すように、固定子鉄心端部５におけるティース連結部の形状は、上記の固定子鉄心中央部４におけるティース連結部の厚みよりも厚くしている。
【００２０】
本第２実施形態は、以上のような構成をしているので、第１実施形態の永久磁石型同期電動機と同様に、固定子鉄心中央部は本来の電動機特性を発揮することになり、固定子鉄心端部では、巻線が作る磁束が上記の厚くしたティース連結部のところで、短絡磁束の流れ２０のように短絡するために、この部分はリアクトルとして動作することになる。したがって、電動機の外部に別途にリアクトルを追加することなく、巻線インダクタンスを格段に大きくすることができる。
【００２１】
（第３実施形態）
次に、本発明の永久磁石型同期電動機の第３実施形態について説明する。
図６，７は、第３実施形態に係る永久磁石型同期電動機の構成を示すもので、図６は固定子鉄心端部での横断面図を、図７は縦断面図を示す。固定子鉄心中央部での横断面図は、図１と同じであるため省略する。
図６，７において、１は固定子、２はフレーム、３は固定子鉄心、４は固定子鉄心中央部、５は固定子鉄心端部、８は絶縁材、９は電機子巻線、１０はティース、１１はティース先端部、１３はスロット、１４はブラケット、１５は軸受である。１６は回転子、１７は永久磁石、１８はシャフト、１９はくぼみ、２０は短絡磁束の流れ、２１は有効磁束、２２は漏れ磁束である。
第３実施形態は、固定子鉄心端部のティースの内周面にくぼみ１９を有していること以外は、第１実施形態と全く同じである。
【００２２】
この第３実施形態は、第１実施形態と同様に、固定子鉄心中央部４は本来の電動機特性を発揮することになり、固定子鉄心端部５では、巻線が作る磁束が上記の密着したティース先端部１１のところで、短絡磁束の流れ２０のように短絡するために、この部分はリアクトルとして動作することになる。したがって、電動機の外部に別途にリアクトルを追加することなく、巻線インダクタンスを格段に大きくすることができる。
さらに、固定子鉄心端部５のティースの内周面にくぼみ１９を有しているため、くぼみ１９を有していない第１実施形態と比較して、固定子鉄心端部５のパーミアンスが小さくなり、永久磁石１７端部からの漏れ磁束２２を格段に小さくできる。このくぼみ１９は、前述の短絡磁束の流れ２０の経路には影響を与えないため、リアクトルの効果には悪影響を与えない。
なお、第３実施形態は、第１実施形態と同様の周方向ティース部ごとの分割方式について説明したが、第２実施形態の２分割方式に対しても実施できることは勿論である。
【００２３】
【発明の効果】
以上述べたように、請求項１に記載の永久磁石型同期電動機よれば、周方向ティース部ごとに分割された積層鉄心から構成された固定子鉄心を有する固定子と、永久磁石が装着された回転子により構成された永久磁石型同期電動機において、前記固定子鉄心は、前記回転子の永久磁石と対向する固定子鉄心中央部と、前記永久磁石と対向しない固定子鉄心端部を持ち、前記固定子鉄心中央部のティース先端部の形状は隣接するティース先端部との間に空隙を有し、前記固定子鉄心端部のティース先端部の形状は隣接するティース先端部と密着している構成としたことにより、固定子鉄心中央部は本来の電動機特性を発揮することになり、固定子鉄心端部では、巻線が作る磁束が上記の密着したティース先端部のところで短絡するために、この部分はリアクトルとして動作することになる。したがって、電動機の外部に別途にリアクトルを追加することなく、巻線インダクタンスを格段に大きくすることができる。
また、巻線インダクタンスが大きくなることにより、電流リップルを小さく抑えることができ、電流リップルに起因する高周波鉄損を大幅に低減でき、電動機の定格出力を上げることができるという効果がある。また、高周波鉄損による磁石の発熱が抑えられ、磁石の耐減磁性能が向上する。
【００２４】
請求項２に記載の永久磁石型同期電動機によれば、内周側が薄肉連結部にて連結された放射状のティース部鉄心と円筒状の外周部鉄心の２分割鉄心構造から構成された固定子鉄心を有する固定子と、永久磁石が装着された回転子により構成された永久磁石型同期電動機において、前記固定子鉄心は、前記回転子の永久磁石と対向する固定子鉄心中央部と、前記永久磁石と対向しない固定子鉄心端部を持ち、前記固定子鉄心端部のティース部鉄心の薄肉連結部の厚みが、前記固定子鉄心中央部のティース部鉄心の薄肉連結部の厚みよりも厚くなるように構成したので、固定子鉄心中央部は本来の電動機特性を発揮することになり、固定子鉄心端部では、巻線が作る磁束が上記の厚くしたティース連結部のところで短絡するために、この部分はリアクトルとして動作することになる。したがって、電動機の外部に別途にリアクトルを追加することなく、巻線インダクタンスを格段に大きくすることができる。
また、巻線インダクタンスが大きくなることにより、電流リップルを小さく抑えることができ、電流リップルに起因する高周波鉄損を大幅に低減でき、電動機の定格出力を上げることができるという効果がある。また、高周波鉄損による磁石の発熱が抑えられ、磁石の耐減磁性能が向上する。
【００２５】
請求項３に記載の永久磁石型同期電動機によれば、請求項１または２に記載の発明による効果に加えて、固定子鉄心端部のティースの内周面にくぼみを有しているため、くぼみを有していない場合と比較して、永久磁石端部からの漏れ磁束を格段に小さくできるという効果がある。したがって、巻線と鎖交する有効磁束の減少を抑えることができ、トルクの低下を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態を示す固定子鉄心中央部での横断面図である。
【図２】本発明の第１実施形態を示す固定子鉄心端部での横断面図である。
【図３】本発明の第１実施形態を示す縦断面図である。
【図４】本発明の第２実施形態を示す固定子鉄心中央部での横断面図である。
【図５】本発明の第２実施形態を示す固定子鉄心端部での横断面図である。
【図６】本発明の第３実施形態を示す固定子鉄心端部での横断面図である。
【図７】本発明の第３実施形態を示す縦断面図である。
【図８】従来の永久磁石型同期電動機を示す横断面図である。
【図９】従来の永久磁石型同期電動機を示す縦断面図である。
【図１０】他の従来の永久磁石型同期電動機を示す横断面図である。
【符号の説明】
１：固定子
２：フレーム
３：固定子鉄心
４：固定子鉄心中央部
５：固定子鉄心端部
６：ティース部鉄心
７：外周部鉄心
８：絶縁材
９：電機子巻線
１０：ティース
１１：ティース先端部
１２：ティース連結部
１３：スロット
１４：ブラケット
１５：軸受
１６：回転子
１７：永久磁石
１８：シャフト
１９：くぼみ
２０：短絡磁束の流れ
２１：有効磁束
２２：漏れ磁束

Claims

周方向ティース部ごとに分割された積層鉄心から構成された固定子鉄心を有する固定子と、永久磁石が装着された回転子により構成された永久磁石型同期電動機において、
前記固定子鉄心は、前記回転子の永久磁石と対向する固定子鉄心中央部と、前記永久磁石と対向しない固定子鉄心端部を持ち、
前記固定子鉄心中央部のティース先端部の形状は隣接するティース先端部との間に空隙を有し、
前記固定子鉄心端部のティース先端部の形状は隣接するティース先端部と密着していることを特徴とする永久磁石型同期電動機。
内周側が薄肉連結部にて連結された放射状のティース部鉄心と円筒状の外周部鉄心の２分割鉄心構造から構成された固定子鉄心を有する固定子と、永久磁石が装着された回転子により構成された永久磁石型同期電動機において、
前記固定子鉄心は、前記回転子の永久磁石と対向する固定子鉄心中央部と、前記永久磁石と対向しない固定子鉄心端部を持ち、
前記固定子鉄心端部のティース部鉄心の薄肉連結部の厚みが、前記固定子鉄心中央部のティース部鉄心の薄肉連結部の厚みよりも厚いことを特徴とする永久磁石型同期電動機。
前記固定子鉄心端部のティースの内周面にくぼみを有することを特徴とする請求項１または２に記載の永久磁石型同期電動機。