JP2005328629A - 同期機 - Google Patents

Abstract

【課題】ティース先端部における磁束の方向の磁化容易方向に対する傾斜を軽減し、回転磁界の発生を抑えることにより、鋼材の磁気特性を改善して鉄損を低減することができる同期機を提供する。
【解決手段】ヨークとティースからなるステータとロータとを有する同期機であって、前記ティース先端部に切り欠きを有することを特徴とする同期機。
好ましくは、前記切り欠きは、前記ロータの進行方向に対して、入口側と出口側の両方に設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、ヨークとティースからなるステータとロータとを有する同期機に関する。具体的には、ステータに配置される積層体に電磁鋼板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）にある銅コイルに電流を流すことにより発生する移動磁場と、ロータ（回転子）に埋め込まれた永久磁石より発生する磁場との相互作用により、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モータとして産業・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、ロータを別の駆動源で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。

ヨークとティースからなるステータとロータとを有する同期機に関しては従来から種々の提案がなされており、例えば、特開２００４−５６９０６号公報や、特開２００４−５６９０７号公報に、ヨークとティースとを備えたステータを複数枚、厚さ方向に積層・固定して用いる同期機であって、前記ヨークが周方向に分割されている同期機が提案されている。
しかし、特開２００４−５６９０６号公報や、特開２００４−５６９０７号公報に開示されている従来の同期機のティースの先端部は、まっすぐになっている。
また、通常の電動機では、ティース幅とスロット幅とは同じ程度であり、磁性体のないスロット部分では磁束がステータからロータに流れにくい。磁束がロータに流れないと、ステータとロータとの磁気結合がよくないので、電磁トルクの低下、出力の低下および効率の低下を招くという問題点があり、これを回避するために、ティース先端部は、出っ張っている形状になっている。

本発明者は、図５に示すような、従来のティース形状について磁束の流れを解析した結果、以下の知見を得るに至った。
まず、ロータから出た磁束は、まずティースの先端部に集中してステータに入り、また、ロータの磁束がティースから抜けるときも、ティースの反対側の先端部から抜ける。
図５に示すように、ティース３の先端部に集中した磁束は、ティース３の軸方向に対して斜めになっており、ロータ５からの磁束が通る間、磁束の向きが変化して、ティース３の先端部には、磁束方向の傾斜および回転磁界が発生することがわかった。
また、このときの鉄損分布を解析すると図４に示すように、ティース３の先端部に薄く表示された鉄損の大きい領域が存在することが確認された。
このように、ティース先端部における磁束の方向が磁化容易方向に対して傾き、回転磁界が発生すると、鋼材の磁気特性が劣化し、鉄損が増大するという問題点があった。
特開２００４−５６９０６号公報 特開２００４−５６９０７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、ティース先端部における磁束の方向の磁化容易方向に対する傾斜を軽減し、回転磁界の発生を抑えることにより、鋼材の磁気特性を改善して鉄損を低減することができる同期機を提供することを課題とする。

本発明は、ティース先端部に切り欠きを設けて、ティース先端部における磁束の方向の磁化容易方向に対する傾斜を軽減し、回転磁界の発生を抑えることにより、鋼材の磁気特性を改善して鉄損を低減することができる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。
（１）ヨークとティースからなるステータとロータとを有する同期機であって、
前記ティース先端部に切り欠きを有することを特徴とする同期機。
（２）前記切り欠きは、前記ロータの進行方向に対して、入口側と出口側の両方にあることを特徴とする（１）に記載の同期機。
（３）前記同期機が電動機の場合には、前記切り欠きは、前記ロータの進行方向に対して、入口側の切り欠きが出口側の切り欠きより大きいことを特徴とする（２）に記載の同期機。
（４）前記同期機が発電機の場合には、前記切り欠きは、前記ロータの進行方向に対して、出口側の切り欠きが入口側の切り欠きより大きいことを特徴とする（２）に記載の同期機。
（５）前記ヨークおよびティースが方向性電磁鋼板からなり、該ヨークの磁化容易方向を前記ステータの周方向とし、該ティースの磁化容易方向を前記ステータの径方向とすることを特徴とする（１）乃至（４）に記載の同期機。
（６） 前記ロータは、突極形状であることを特徴とする（１）乃至（５）に記載の同期機。
（７）前記ロータの表面に、永久磁石が配置されていることを特徴とする（１）乃至（６）に記載の同期機。

本発明によれば、ティース先端部に切り欠きを設けて、ティース先端部における磁束の方向の磁化容易方向に対する傾斜を軽減し、回転磁界の発生を抑えることにより、鋼材の磁気特性を改善して鉄損を低減することができる同期機を提供することができ、鉄損の少ない高効率モータを実現することができるなど産業上有用な著しい効果を奏する。

発明を実施するための最良の形態について、図１乃至図３を用いて詳細に説明する。
図１は、本発明の同期機の実施形態を例示する図である。
図１において、１はステータ、２はヨーク、３はティース、４は切り欠き、５はロータ、６は永久磁石を示す。ここでは、電流が流れるステータにある銅コイルは省いている。
本発明は、ヨーク２とティース３からなるステータ１とロータ５とを有する同期機である。
図１に示すように、本発明は、前記ティース３の先端部に切り欠き４を有することを特徴とする。
ロータ５の磁束が、ティース３の先端部に入ろうとするとき、ティース３の先端部には、切り欠き４があるので、ティース先端角部に磁束は集中しないで、もう少し回転が進んでから、磁束がティースに入ろうとする。
そのときは既に、ロータ５の磁束はティース３の先端角部だけに集中しないで、ティース３全体に入るので、そこで磁束方向の傾斜およびそれに伴う回転磁界は抑えられる。
このように、磁束方向の傾斜および回転磁界が抑えられることにより、ステータ１の鉄損を低減することができる。
なお、切り欠き４を設けることにより磁束の流路が狭くなるため、ロータ５とステータ１の間を流れる磁束は減少するが、本発明者の解析の結果、この磁束の減少を考慮しても、切り欠き４をティース３の先端部に設けることによる鉄損の減少による効果の方が大きいことがわかった。

また、磁束の集中は、ティース３先端の２箇所の角部で発生するので、図１の例に示すように、前記切り欠き４は、ロータ５の進行方向に対して、入口側と出口側の両方にあることが好ましい。
また、同期機が電動機の場合には、磁束の流れに対してロータ５が遅れて回転するためロータ５の進行方向に対して入口側の方が磁束が集中するので、切り欠き４は図２に示すように、ロータ５の進行方向に対して入口側の切り欠きを出口側の切り欠きより大きくすることが好ましい。
一方、同期機が発電機の場合には、磁束の流れに対してロータ５が先行して回転するためロータ５の進行方向に対して出口側の方が磁束が集中するので、切り欠き４は、ロータ５の進行方向に対して、出口側の切り欠きを入口側の切り欠きより大きくすることが好ましい。

さらに、前記ヨーク２およびティース３が方向性電磁鋼板（ＧＯ）からなり、図１の矢印で示すように、ヨーク２の磁化容易方向をステータ１の周方向とし、ティース３の磁化容易方向をステータ１の径方向とすることが好ましい。
ヨーク２の磁化容易方向をステータ１の周方向とし、ティース３の磁化容易方向をステータ１の径方向とすることにより、ティース３を流れる磁束を隣接するティース３に流れにくくし、ロータ５に流れる磁束を多くすることができるうえ、方向性電磁鋼板（ＧＯ）は磁束方向の傾斜の影響を受けやすい性質を有することから、磁束の傾斜軽減による鉄損の低減効果が無方向性電磁鋼板（ＮＯ）に比べて大きいので、ステータ１における鉄損を効果的に低減することができる。

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。
また、図１に示すように、前記ロータ５は突極形状であり、ロータ５の表面に、永久磁石６が配置されていることが好ましい。
図１に示すような突極形状のロータは、磁束の波形が曲線状ではなく矩形状になるので、磁束の集中が発生し易いため、本発明の磁束方向の傾斜を軽減することによる鉄損の低減効果が著しく現れるからである。
また、ロータ５の表面に、永久磁石６を配置することによって、埋め込み式の永久磁石に比べてロータが製造し易いうえ、磁束がロータの表面に集中するので本発明の鉄損の低減効果が著しく現れるからである。

本発明の同期機について、二次元ベクトル磁気特性を用いて下記条件の電動機にて解析した結果を以下に示す。
・電流周波数：５０Hz
・負荷角（機械角）：７．５°
（電気角）：３０°
・ロータ回転：あり
・コイル巻線：集中巻き
・磁石強度：０．５（Ｔ）
図３は、本発明の同期機に用いるステータの鉄損分布を示す図である。
図３に示すように、ティース３の先端部の切り欠き４の周辺部の色が濃く表示されており、従来のまっすぐな形状のティースの場合に認められたティース先端部の鉄損が大きな領域がなくなっていることが認められ、ティース全体で従来に比べ、磁束の減少分を考慮しても、鉄損を約１５％低減することができることが確認された。

本発明の同期機の実施形態を例示する図である。 本発明の同期機に用いるステータの詳細図である。 本発明の同期機に用いるステータの鉄損分布を示す図である。 従来の同期機に用いるステータの鉄損分布を示す図である。 従来の同期機の磁束の流れを示す図である。

符号の説明

１ ステータ
２ ヨーク
３ ティース
４ 切り欠き
５ ロータ
６ 永久磁石

Claims (7)

1. ヨークとティースからなるステータとロータとを有する同期機であって、
   前記ティース先端部に切り欠きを有することを特徴とする同期機。
2. 前記切り欠きは、前記ロータの進行方向に対して、入口側と出口側の両方にあることを特徴とする請求項１に記載の同期機。
3. 前記同期機が電動機の場合には、前記切り欠きは、前記ロータの進行方向に対して、入口側の切り欠きが出口側の切り欠きより大きいことを特徴とする請求項２に記載の同期機。
4. 前記同期機が発電機の場合には、前記切り欠きは、前記ロータの進行方向に対して、出口側の切り欠きが入口側の切り欠きより大きいことを特徴とする請求項２に記載の同期機。
5. 前記ヨークおよびティースが方向性電磁鋼板からなり、該ヨークの磁化容易方向を前記ステータの周方向とし、該ティースの磁化容易方向を前記ステータの径方向とすることを特徴とする請求項１乃至請求項４に記載の同期機。
6. 前記ロータは、突極形状であることを特徴とする請求項１乃至請求項５に記載の同期機。
7. 前記ロータの表面に、永久磁石が配置されていることを特徴とする請求項１乃至請求項６に記載の同期機。
   

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