JP2006115684A - 回転電機の磁気回路構造 - Google Patents

Abstract

【課題】無負荷時のモータ鉄損の低減及びコギングトルクの低減を実現することができる回転電機の磁気回路構造を提供する。
【解決手段】回転方向に沿い交互に極性を変えて複数の永久磁石を配置したロータと、電気子コイルが巻かれ、ロータとの間にエアギャップを有して配置されたステータを有する回転電機の磁気回路構造において、無負荷時に、エアギャップｇ及び電機子コイル１４と鎖交する永久磁石磁束より、エアギャップｇ又は電機子コイル１４と鎖交しない永久磁石磁束の方を大きくする。
【選択図】図３

Description

この発明は、回転電機の磁気回路構造に関し、特に、永久磁石モータとして用いられる回転電機の磁気回路構造に関する。

従来、モータに備えられた複数の永久磁石が、ロータ円周方向に永久磁石の円弧長と等しい円弧長の間隔をもって配列され、永久磁石の間の少なくとも一部に、軟磁性材料からなり、永久磁石の厚さと等しい厚さを有する突極を有する永久磁石モータが知られている。（特許文献１参照）。

この永久磁石モータにより、発生トルクを確保しつつ、永久磁石の使用量を減少させることができ、また逆起電力も低減させることができる。
特開平７−３３６９１９号公報

しかしながら、上述した永久磁石モータは、通常の逆突極性のＩＰＭ（Ｉｎｔｅｒｉｏｒ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ）構造を有するものであり、磁束は常に静止した磁性材料（ステータティース）と鎖交している。このため、無負荷時のコギングトルクの発生やモータ鉄損の発生が避けられなかった。

つまり、従来の永久磁石モータは、電機子電流が通電しない状態（トルク＝０）においても、磁石から発生した磁束が静止している磁性材料と鎖交するような構成を有していたため、次のような状況が生じることになる。
１．無負荷時にモータ鉄損が発生しフリクションとなっていた。
２．無負荷でもモータ鉄損のためにモータ温度が上昇してしまい動作点を広くすることができなかった。
３．特に大トルクを実現するような永久磁石モータでは、磁束（磁石磁束）を大きくしているためにコギングトルクも大きくなりそれに伴う振動が発生する。

また、高回転時に、コントローラやインバータの故障により供給電流が停止した場合には、回転を伴っていることから誘起電圧が発生し、インバータを構成するパワーデバイスやその他の電気部品の許容耐圧を越えてしまって破壊することがあった。加えて、通常は逆凸極性であるためトルクを増大するには界磁を弱めるが、このことは永久磁石に対しては反磁界となり、ＮｅＦｅＢｒ系の磁石では永久減磁する可能性があった。
この発明の目的は、無負荷時のモータ鉄損の低減及びコギングトルクの低減を実現することができる回転電機の磁気回路構造を提供することである。

上記目的を達成するため、この発明に係る回転電機の磁気回路構造は、回転方向に沿い交互に極性を変えて複数の永久磁石を配置したロータと、電気子コイルが巻かれ、前記ロータとの間にエアギャップを有して配置されたステータを有する回転電機の磁気回路構造において、無負荷時に、前記エアギャップ及び前記電機子コイルと鎖交する永久磁石磁束より、前記エアギャップ又は前記電機子コイルと鎖交しない永久磁石磁束の方を大きくする。

この発明に係る回転電機の磁気回路構造により、電機子コイルに電流を流さない無負荷状態では、永久磁石からの磁束はステータと殆ど鎖交せずに永久磁石の両端の磁性材料を介して漏れ出すことになり、電機子コイルを通過する永久磁石磁束が少ないので、コギングトルクも小さくなる。つまり、無負荷時のモータ鉄損の低減及びコギングトルクの低減を実現することができる。

図１は、この発明に係る回転電機の磁気回路構造における動作原理を説明する簡易等価磁気回路である。図１に示す簡易等価磁気回路において、次の式（１）〜（４）が成立する。
φｍ＝φｌ＋φｇ…（１）
φｒ＝Ｂｒ・αｍ…（２）
Ｆｅ−Ｒｍ・φｍ＝Ｒｍ（φｒ−φｍ）＝Ｒｇ・φｇ−Ｎｉ…（３）
Ｒｍ（φｒ−φｍ）＝φｌ・Ｒｌ…（４）

ここで、φｍは永久磁石磁束、φｌは漏れ磁束、φｇはエアギャップ磁束、Ｒｌは磁石端の漏れ磁気抵抗、Ｎｉは電機子コイルによる起磁力、φｒは永久磁石に磁界がない場合の磁束、Ｂｒは永久磁石の残留磁束密度、αｍは磁石断面積、Ｆｅは永久磁石による起磁力、Ｒｍは永久磁石の磁気抵抗、Ｒｇはエアギャップ磁気抵抗である。

上記式（１）〜（４）を、φｇとφｌについて解けば、

が得られることになる。

式（５）は、第一項が永久磁石の残留磁束密度Ｂｒで決まる項、第二項が電機子コイルによる起磁力で決まる項である。通電していないと第一項のみとなるが、通電するとエアギャップ磁束φｇが増加し、これによって、式（６）から漏れ磁束φｌが減少する。従って、無負荷の場合は、漏れ磁束φｌを大きくとることにより、逆に、エアギャップ磁束φｇを小さくすることができる。

磁性体を形成する際に実際に用いられる電磁鋼板は、磁界の強さを大きくして行くとある強さを超えた時点で飽和してしまい、それ以上の磁束を流すことができなくなる。この特性を簡単に表現すると、次式となる。

式（７）から、最終的に、エアギャップ磁束φｇは、ティース電磁鋼板が飽和していない状態では式（８）となり、電機子コイル電流と共に線型に増加する。

一方、電機子コイル電流を大きくすれば、上述した飽和によって一定値に近づく。この値であるエアギャップ磁束φｇ、即ち、ティース磁束は、電磁鋼板の飽和磁束密度をＢｍａｘ、ティース断面積をαｔとすれば、Ｂｍａｘ×αｔとなる。このときの電流とエアギャップ磁束密度の関係は、図２に示すようになる。図２は、電機子コイル電流とティース磁束の関係をグラフで示す説明図であり、ｉは電機子コイル電流、φはティース磁束である。一般的には、磁束密度が飽和領域にあっても、式（７）のように完全な一定値になるわけではなく、磁束密度と磁界の比が真空の透字率μ_０ に漸近するため、傾きを持つことになる。

以下、上述した状態を実現するための具体的な例について説明する。この例においては、ディスク型のロータを備える所謂アキシャルギャップ型モータ、或いはラジアルギャップ型モータのいずれでもよい。

図３は、この発明の第１実施の形態に係る回転電機の磁気回路構造を説明するロータとステータの部分断面図である。図３に示すように、回転電機１０は、ロータ１１とステータ１２の間にエアギャップｇを有している。磁性材料からなるロータ１１には、異なった極性（Ｎ極とＳ極）を有する永久磁石１３ａ，１３ｂがロータ回転方向に沿って交互に埋め込まれており、ステータ１２のティース１２ａには電機子コイル１４が巻かれている。つまり、回転電機１０は、ロータ（回転子）１１に装着した永久磁石１３ａ，１３ｂが回転してできる回転磁界と同期させて電機子コイル１４に通電し、トルクを発生させる永久磁石型同期モータである。

この回転電機１０のＮ極またはＳ極は、それぞれ２つの永久磁石から構成されており、同一極の永久磁石（１３ａ，１３ａ又は１３ｂ，１３ｂ）の距離は、ステータティース幅とほぼ同じに、異なった極の永久磁石（１３ａ，１３ｂ又は１３ａ，１３ｂ）の距離は、ステータティース幅より狭く、即ち、同一極の永久磁石の距離より狭く配置されている。なお、同一極を形成する永久磁石は２つに限らず３個以上でもよい。このように、同一極を形成する永久磁石の数を複数とすれば、磁石の表面積を大きくすることができるので、主磁束を少ない体積で増加させることができる。

図４は、電機子コイルに電流を流さない状態の永久磁石からの磁束を模式的に示す図３と同様の部分断面図であり、図５は、電機子コイルに電流を流した状態の永久磁石からの磁束を模式的に示す図３と同様の部分断面図である。回転電機１０において、電機子コイル１４に電流を流さない無負荷状態では、永久磁石１３ａ，１３ｂからの磁束はステータ１２と殆ど鎖交せず、永久磁石１３ａ，１３ｂの両端に位置する磁性材料（ロータ１１）を介して漏れ出す。即ち、エアギャップｇ又は電機子コイル１４と鎖交しない永久磁石磁束（漏洩磁束ａ）となっている（図４参照）。つまり、無負荷時、電機子コイル１４を通過する主磁束ｂが少ないので、コギングトルクも小さくなりモータ鉄損も少なくなる。

一方、電機子コイル１４に正のｄ軸電流を（着磁方向に）通電した負荷状態では、永久磁石１３ａ，１３ｂの漏洩磁束ａが激減し、殆どがステータ１２のティース１２ａと鎖交して、電機子コイル１４を通過する。即ち、エアギャップｇ及び電機子コイル１４と鎖交する永久磁石磁束（主磁束ｂ）となって、界磁を強める電流となる（図５参照）。この状態でｑ軸電流を重畳すればロータ１２にトルクが発生する。

このように、電機子コイル１４に通電して複数の永久磁石１３ａ，１３ｂの動作点を増磁方向に移動させ、エアギャップｇ又は電機子コイル１４と鎖交しない永久磁石磁束を低減させる。つまり、有負荷時の磁束を向上させるために、永久磁石の着磁方向と同一方向になるように電機子コイル１４に通電することで、主磁気回路の磁束を増加させることができ、また、温度上昇に伴う永久減磁を回避することができる。

図６は、この発明の第２実施の形態に係る回転電機の磁気回路構造を説明するロータとステータの部分断面図である。図６に示すように、回転電機２０は、Ｎ極またはＳ極を形成する同一極の二つの永久磁石（１３ａ，１３ａ又は１３ｂ，１３ｂ）の距離を、ステータ１２のティース１２ａの幅よりも狭くしている。その他の構成及び作用は、回転電機１０（図３参照）と同様である。

回転電機１０におけるロータ１２のレイアウトでは、Ｎ極またはＳ極を形成する同一極の二つの永久磁石（１３ａ，１３ａ又は１３ｂ，１３ｂ）の距離がステータティース幅とほぼ同等であることから、ｄ軸インダクタンスがｑ軸インダクタンスよりも小さく、即ち逆凸極性となる。このため、正のｄ軸電流通電状態でｑ軸電流を重畳するとトルクが下がってしまう。

つまり、モータトルクは、磁石トルクとリラクタンストルクの和であり、リラクタンストルクＴは、Ｔ＝（Ｌｄ−Ｌｑ）ｉｄ×ｉｑで表される。ここで、Ｌｄはｄ軸インダクタンス、Ｌｑはｑ軸インダクタンス、ｉｄはｄ軸電気子電流、ｉｑはｑ軸電気子電流である。回転電機１０におけるロータ１２のレイアウト（図３参照）では、ｄ軸電流の抵抗Ｒｄはｑ軸電流の抵抗Ｒｑより大きくなり（Ｒｄ＞Ｒｑ）、ｄ軸インダクタンスＬｄはｑ軸インダクタンスＬｑより小さくなって（Ｌｄ＜Ｌｑ）、リラクタンストルクＴが負の方向に働く。

そこで、Ｎ極またはＳ極を形成する同一極の二つの永久磁石（１３ａ，１３ａ又は１３ｂ，１３ｂ）の距離を、ステータ１２のティース１２ａの幅よりも狭くして、即ち、各永久磁石１３ａ，１３ｂの距離が同一極間より異なった極間の方が長くなる（図６参照）ようにして、ｄ軸インダクタンスＬｄがｑ軸インダクタンスＬｑより大きくなるようにすれば、順凸極性となる。

つまり、ｑ軸電流の抵抗Ｒｑが大きくなっているので、ｄ軸電流の抵抗Ｒｄがｑ軸電流の抵抗Ｒｑより小さく（Ｒｄ＜Ｒｑ）なり、ｄ軸インダクタンスＬｄはｑ軸インダクタンスＬｑより大きく（Ｌｄ＞Ｌｑ）なって、リラクタンストルクＴは正の方向に働く。この結果、正のｄ軸電流通電状態でｑ軸電流を重畳しても、ｄ軸電流のリラクタンストルクＴを利用することができるので、トルクが低減することはなく効率が向上する。

このように、電機子コイル１４の直軸インダクタンスを横軸インダクタンスよりも大きくすることにより、ｄ軸インダクタンスＬｄをｑ軸インダクタンスＬｑより大きく（Ｌｄ＞Ｌｑ）することができ、界磁強めに伴うリラクタンストルクを利用することができる。
なお、各永久磁石１３ａ，１３ｂの距離が同一極間より異なった極間の方が長くなる（図６参照）ようにすれば、電機子コイル１４の直軸インダクタンスを横軸インダクタンスよりも大きくすることを、簡単、且つ、容易に実現することができる。

図７は、この発明の第３実施の形態に係る回転電機の磁気回路構造を説明するロータとステータの断面図である。図７に示すように、回転電機２５は、ステータ２６、ロータ２７及び永久磁石２８ａ，２８ｂで構成されている３相８極のラジアルギャップ型永久磁石モータである。ステータ２６のティース２６ａには、図示しない電機子コイル（巻線）が巻回されている。

図７において、ロータ２７に装着した永久磁石２８ａ，２８ｂは、１極対分を示しており、その他は、図示した状態を繰り返して配置されている。この永久磁石２８ａ，２８ｂは、ロータ２７表面に放射状に並設されており、エアギャップｇ面に対し、直交することなく任意の角度を有して配置されている。これにより、永久磁石２８ａ，２８ｂを、エアギャップｇ面に対し直交配置する場合に比べ、磁石断面積を大きくすることができ、永久磁石２８ａ，２８ｂによる磁束を大きくすることができる。

電機子コイルに電流を通電しない状態では、永久磁石２８ａ，２８ｂの磁束が磁石両端Ａ，Ａ´で漏れることにより、ステータ２６を貫通する磁束は、電機子コイルに電流を通電した状態に比べ小さくなる。この結果、無負荷時の誘起電圧を低減することができ、また、コギングトルクも同様に低減することができる。

また、各永久磁石２８ａ，２８ｂの距離を、同一極間より異なった極間の方が長くなるようにすることで、順凸極性となり、磁石の漏れを低減し、これをステータ２６へ導くための電流の位相とトルクを発生させるための電流の位相を合致させることができる。このため、永久磁石２８ａ，２８ｂの磁束をステータ２６へと貫通させながら、より大きなトルクを発生することができる。

図８は、この発明の第４実施の形態に係る回転電機の磁気回路構造を説明し、（ａ）はロータとステータの断面図、（ｂ）はロータの平面図である。図８に示すように、回転電機３０は、ステータ３１、ロータ３２及び永久磁石３３ａ，３３ｂで構成されている３相８極のアキシャルギャップ型永久磁石モータである。ステータ３１は、ヨーク３１ａに対し略垂直に突設されて略等間離間して１２本配置されたティース３１ｂを有しており、ティース３１ｂには、図示しない電機子コイル（巻線）が巻回されている。

図８において、ロータ３２に装着した永久磁石３３ａ，３３ｂは、１極対分を示しており、その他は、図示した状態を繰り返して配置されている。この永久磁石３３ａ，３３ｂは、ロータ３２表面に放射状に並設されており、ロータ３２外周縁に対し、直交することなく任意の角度を有して配置されている。これにより、永久磁石３３ａ，３３ｂの磁石断面積を、ロータ３２外周縁に対し直交配置する場合に比べ、大きくすることができ、永久磁石３３ａ，３３ｂによる磁束を大きくすることができる。

電機子コイルに電流を通電しない状態では、永久磁石３３ａ，３３ｂの磁束が磁石両端Ａ，Ａ´（図８（ａ）参照）及びＢ，Ｂ´（図８（ｂ）参照）で漏れることにより、ステータ３１へ貫通する磁束は、電機子コイルに電流を通電したときに比べて小さくなる。この結果、無負荷時の誘起電圧を低減することができ、また、コギングトルクも同様に小さくすることができる。

この発明に係る回転電機の磁気回路構造における動作原理を説明する簡易等価磁気回路である。 電機子コイル電流とティース磁束の関係をグラフで示す説明図である。 この発明の第１実施の形態に係る回転電機の磁気回路構造を説明するロータとステータの部分断面図である。 電機子コイルに電流を流さない状態の永久磁石からの磁束を模式的に示す図３と同様の部分断面図である。 電機子コイルに電流を流した状態の永久磁石からの磁束を模式的に示す図３と同様の部分断面図である。 この発明の第２実施の形態に係る回転電機の磁気回路構造を説明するロータとステータの部分断面図である。 この発明の第３実施の形態に係る回転電機の磁気回路構造を説明するロータとステータの断面図である。 この発明の第４実施の形態に係る回転電機の磁気回路構造を説明し、（ａ）はロータとステータの断面図、（ｂ）はロータの平面図である。

符号の説明

１０，２０，２５，３０ 回転電機
１１，２７，３２ ロータ
１２，２６，３１ ステータ
１２ａ，２６ａ，３１ｂ ティース
１３ａ，１３ｂ，２８ａ，２８ｂ，３３ａ，３３ｂ 永久磁石
１４ 電機子コイル
３１ａ ヨーク
ｇ エアギャップ
ａ 漏洩磁束
ｂ 主磁束

Claims (5)

1. 回転方向に沿い交互に極性を変えて複数の永久磁石を配置したロータと、電気子コイルが巻かれ、前記ロータとの間にエアギャップを有して配置されたステータを有する回転電機の磁気回路構造において、
   無負荷時に、前記エアギャップ及び前記電機子コイルと鎖交する永久磁石磁束より、前記エアギャップ又は前記電機子コイルと鎖交しない永久磁石磁束の方が大きい回転電機の磁気回路構造。
2. 前記電機子コイルに通電して前記複数の永久磁石の動作点を増磁方向に移動させ、前記エアギャップ又は前記電機子コイルと鎖交しない永久磁石磁束を低減する請求項１に記載の回転電機の磁気回路構造。
3. 前記各永久磁石は、２個以上の永久磁石により同一極を形成する請求項１または２に記載の回転電機の磁気回路構造。
4. 前記電機子コイルの直軸インダクタンスが横軸インダクタンスよりも大きい請求項３に記載の回転電機の磁気回路構造。
5. 前記各永久磁石の距離が、同一極間より異なった極間の方が長い請求項４に記載の回転電機の磁気回路構造。

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