JP2007306735A - Permanent magnet motor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、回転子に永久磁石を有する永久磁石モータに関するものである。 The present invention relates to a permanent magnet motor having a permanent magnet in a rotor.
従来の永久磁石モータの例として、表面磁石同期モータと埋込磁石同期モータがある(例えば、非特許文献1参照)。
図12は、表面磁石同期モータと埋込磁石同期モータの回転子構造を示す従来の永久磁石モータの例を示す図であり、非特許文献1、表1・1に示されているものである。
図12において、表面磁石同期モータは、回転子の外周面に永久磁石を設ける構造であり、永久磁石の透磁率は真空中の透磁率にほぼ等しいため、電機子巻線に対する磁気抵抗が大きいことは、非特許文献1に記述されている通りである。そのため、電機子巻線のインダクタンスが小さく、良好な応答性を有することから、表面磁石同期モータはサーボモータを中心に最もよく用いられている。
一方、埋込磁石同期モータは、マグネットトルクに加えてリラクタンストルクも併用できるため、高トルク化が図れることは、非特許文献1に記述されている通りである。
図13は、従来の埋込磁石同期モータの回転子を構成する電磁鋼板の形状例を示す図であり、特許文献1の図1に示されているものである。
図13において、電磁鋼板5には磁極毎に2つの孔でV字形を形成するような磁石孔6が設けられている。前記電磁鋼板5を複数枚積層し、前記磁石孔6に図示しない永久磁石を挿入することで、回転子7の磁極を形成する。
このように、従来の回転子に永久磁石を有する永久磁石モータは、その用途に応じて、回転子鉄心の外周や内部に永久磁石を用いているのである。
ところで、以上説明した2つの同期モータに無関係であるが、従来より知られている材料として、半硬質磁性材料がある(例えば、非特許文献2参照)。
図14および図15は、従来より知られている半硬質磁性材料のヒステリシス特性の例であり、非特許文献2の図7・2および図7・6に示されているものである。
図14に示す材料の特性によれば、残留磁束密度が1.9T弱であり、保磁力が約3.2kA/mである。また、図15中の(b)に示す材料の特性によれば、残留磁束密度が1.5T弱であり、保磁力が約4kA/mである。これらの値は、従来の永久磁石モータに多く使用されている希土類磁石に比べ、より高い残留磁束密度であるが、非常に減磁し易い永久磁石であると言える。または、強い永久磁石である希土類磁石に対し、半硬質磁性材料は弱い永久磁石の性格を持つ。
図16乃至図18は、従来より知られている半硬質磁性材料に分類される金属材料とその磁気特性の例であり、非特許文献2の表7・1、表7・2、および表7・4に示されているものである。
これらの図に示すように、半硬質磁性材料に分類される金属材料は、様々な磁気特性を有するが、国際単位に換算して、残留磁束密度1.2T以上で保磁力1kA/m以上のものも多いのである。
FIG. 12 is a view showing an example of a conventional permanent magnet motor showing a rotor structure of a surface magnet synchronous motor and an embedded magnet synchronous motor, which is shown in Non-Patent
In FIG. 12, the surface magnet synchronous motor has a structure in which a permanent magnet is provided on the outer peripheral surface of the rotor, and the magnetic permeability of the permanent magnet is almost equal to the magnetic permeability in vacuum, so that the magnetic resistance with respect to the armature winding is large. Is as described in
On the other hand, since the embedded magnet synchronous motor can use reluctance torque in addition to magnet torque, as described in Non-Patent
FIG. 13 is a view showing an example of the shape of a magnetic steel sheet constituting a rotor of a conventional embedded magnet synchronous motor, and is shown in FIG.
In FIG. 13, the
Thus, the permanent magnet motor which has a permanent magnet in the conventional rotor uses the permanent magnet on the outer periphery or the inside of the rotor core according to the use.
By the way, although it is unrelated to two synchronous motors demonstrated above, there exists a semi-hard magnetic material as a conventionally known material (for example, refer nonpatent literature 2).
FIGS. 14 and 15 are examples of hysteresis characteristics of semi-hard magnetic materials that are conventionally known, and are shown in FIGS. 7 and 2 and FIGS. 7 and 6 of Non-Patent Document 2. FIG.
According to the characteristics of the material shown in FIG. 14, the residual magnetic flux density is less than 1.9 T, and the coercive force is about 3.2 kA / m. Further, according to the characteristics of the material shown in FIG. 15B, the residual magnetic flux density is less than 1.5 T, and the coercive force is about 4 kA / m. These values can be said to be a permanent magnet that is very easy to demagnetize, although it has a higher residual magnetic flux density than a rare-earth magnet often used in conventional permanent magnet motors. Alternatively, the semi-hard magnetic material has the characteristics of a weak permanent magnet compared to a rare earth magnet that is a strong permanent magnet.
FIGS. 16 to 18 are examples of metal materials classified into conventionally known semi-hard magnetic materials and their magnetic properties. Tables 7 and 1, Tables 7 and 2 and Table 7 of Non-Patent Document 2 are shown.・ It is shown in 4.
As shown in these figures, metal materials classified as semi-hard magnetic materials have various magnetic properties, but in terms of international units, the residual magnetic flux density is 1.2 T or more and the coercive force is 1 kA / m or more. There are many things.
従来の永久磁石モータである表面磁石同期モータは、回転子の外周面に永久磁石を設ける構造であるため、ギャップ磁束密度が永久磁石の磁気特性に直接制限され、トルクの増大が永久磁石の磁気特性の改良なしでは困難であるという問題があった。
また、従来の永久磁石モータである埋込磁石同期モータは、リラクタンストルクを得るためインダクタンスを一概に小さくできず、電流の急激な変化が制限されるため、表面磁石同期モータ並の高応答性を求め難いという問題があった。
本発明は、このような問題を解決するためになされたもので、半硬質磁性材料を用い、表面磁石同期モータ並の高応答性と、埋込磁石同期モータ以上の高トルク化が図れる永久磁石モータを提供することを目的とするものである。
A conventional surface magnet synchronous motor, which is a conventional permanent magnet motor, has a structure in which a permanent magnet is provided on the outer peripheral surface of a rotor. Therefore, the gap magnetic flux density is directly limited to the magnetic characteristics of the permanent magnet, and the increase in torque is caused by the magnetism of the permanent magnet. There was a problem that it was difficult without improvement of characteristics.
In addition, an embedded magnet synchronous motor, which is a conventional permanent magnet motor, cannot reductance torque in order to obtain reluctance torque, and abrupt changes in current are limited. There was a problem that it was difficult to seek.
The present invention has been made to solve such problems. A permanent magnet that uses a semi-hard magnetic material and has a high responsiveness comparable to that of a surface magnet synchronous motor and a higher torque than that of an embedded magnet synchronous motor. The object is to provide a motor.
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、固定子と、前記固定子に径方向の空隙を介して対向する回転子を有し、前記回転子の回転子本体に永久磁石を有する永久磁石モータにおいて、前記回転子本体が、複数枚の半硬質磁性板材を軸方向に積層して構成され、内部に希土類磁石を設けたことを特徴とするものである。
請求項2に記載の発明は、前記回転子本体を、略円形の半硬質磁性板材を積層して構成することを特徴とするものである。
請求項3に記載の発明は、前記半硬質磁性板材が、積層する各々の積層面に、非導電性の皮膜または表面処理による非導電性の化合層を有することを特徴とするものである。
請求項4に記載の発明は、前記回転子本体が、中央にシャフト孔と、その外側に複数の希土類磁石を挿入する磁石孔を有することを特徴とするものである。
請求項5に記載の発明は、前記希土類磁石が、板状であり板厚方向に着磁されるとともに、前記希土類磁石の回転子の1つの磁極に磁束を供する磁極面の面積の和が、回転子の外周面の1つの磁極分の面積を上回ることを特徴とするものである。
In order to solve the above problems, the present invention is configured as follows.
The invention according to
The invention described in claim 2 is characterized in that the rotor body is formed by stacking substantially circular semi-rigid magnetic plates.
The invention according to
The invention according to
The invention according to
請求項1に記載の発明によると、弱い永久磁石である半硬質磁性板材の積層体で回転子本体を構成し、回転子本体の表面付近の半硬質磁性板材は、磁化が略飽和した領域で用いられるため、表面に永久磁石を用いたものと同様な状態となり、表面磁石同期モータ並の高応答性が得られ、その内部に設ける強い永久磁石である希土類磁石が半硬質磁性板材の磁化をさらに補強するため、埋込磁石同期モータ以上の高トルク化が図れる永久磁石モータを提供できる。
また、請求項2に記載の発明によると、前記積層体は、略円形の半硬質磁性板材を軸方向に積層することで構成されるため、従来の埋込磁石同期モータと同様な工法で回転子を製造でき、新工法による製造コストの増大を必要としない永久磁石モータを提供できる。
また、請求項3に記載の発明によると、前記半硬質磁性板材は、積層する各々の積層面に、非導電性の皮膜または表面処理による非導電性の化合層を有するため、積層した各々の半硬質磁性板材間が非導通となり、渦電流損失の低い永久磁石モータを提供できる。
また、請求項4に記載の発明によると、前記積層体は、中央にシャフトに嵌合する孔と、その外側に複数の希土類磁石を挿入する孔を有するため、希土類磁石の保持が容易で、シャフトに固定し易い永久磁石モータの回転子を提供できる。
また、請求項5に記載の発明によると、前記希土類磁石の回転子の1つの磁極に磁束を供する磁極面の面積の和は、回転子の外周面の1つの磁極分の面積を上回るため、希土類磁石の磁束が回転子外周面に集中し、希土類磁石の磁束密度以上のギャップ磁束密度を得ることで、従来の表面磁石同期モータのみならず、従来の埋込磁石同期モータ以上の高トルク化が図れる永久磁石モータを提供することができる。
According to the first aspect of the present invention, the rotor main body is composed of a laminate of semi-hard magnetic plates that are weak permanent magnets, and the semi-hard magnetic plate near the surface of the rotor main body is in a region where magnetization is substantially saturated. Because it is used, it becomes the same state as that using a permanent magnet on the surface, high responsiveness equivalent to that of a surface magnet synchronous motor is obtained, and a rare earth magnet, which is a strong permanent magnet provided inside, magnetizes the semi-rigid magnetic plate material. In order to further reinforce, it is possible to provide a permanent magnet motor that can achieve higher torque than an embedded magnet synchronous motor.
Further, according to the invention described in claim 2, since the laminated body is formed by laminating substantially circular semi-rigid magnetic plates in the axial direction, the laminated body is rotated by a method similar to that of a conventional embedded magnet synchronous motor. A permanent magnet motor which can manufacture a child and does not require an increase in manufacturing cost by a new construction method can be provided.
According to the invention described in
Further, according to the invention of
According to the invention described in
以下、本発明の実施の形態について、図を参照して説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明の第1実施例における永久磁石モータを示す正断面図である。図2は、図1における回転子本体と希土類磁石の構造を説明する斜視図である。
図1および図2において、永久磁石モータ1は、フレーム2と、前記フレーム2の内面に固定された固定子3と、前記固定子3の内部に回転自在に配置された回転子4とを有している。前記固定子3は、固定子鉄心31と、前記固定子鉄心31に巻装した固定子巻線32とからなっている。
また、前記回転子4は、回転子本体41と、前記回転子本体41と連結したシャフト42と、回転子本体41の内部で、かつ前記シャフト42の外側に略V字状になるように配置された希土類磁石43を有している。
また、前記回転子本体41は、ギャップの磁束の分布を適切に調整した略円形の形状を有する複数枚の半硬質磁性板材411を積層して構成されている。前記半硬質磁性板材411は、中央にシャフト孔412を有するとともに、その外側に複数の希土類磁石43を挿入する径方向に長い磁石孔413を有している。前記磁石孔413は、1つの孔で略V字形に形成されている。前記半硬質磁性板材411は、複数枚を軸方向に積層して回転子本体41を構成した後、磁石穴412に希土類磁石43を挿入し固定するとともに、シャフト孔412にシャフト42を嵌合して固定している。
また、半硬質磁性板材411は、各々の積層面に、非導電性の皮膜を有しており、積層した各々の半硬質磁性板材間を非導通にして渦電流損失を低減している。
前記回転子本体41の磁石孔413に挿入固定する希土類磁石43は、板状であり、板厚方向に着磁するとともに、希土類磁石43の、回転子本体41の1つの磁極に磁束を供する2つの磁極面431,432の面積の和は、回転子本体41の外周面414の1つの磁極分の面積の約1.8倍を有するように設計している。そのため、本実施例の例えば10極を有する回転子4の各々の磁極は、希土類磁石43の磁束が回転子本体41の外周面414に集中し、希土類磁石43の磁束密度以上のギャップ磁束密度を得ることができ、従来の表面磁石同期モータのみならず、従来の埋込磁石同期モータ以上の高トルク化を図ることができる。
FIG. 1 is a front sectional view showing a permanent magnet motor in a first embodiment of the present invention. FIG. 2 is a perspective view for explaining the structure of the rotor body and the rare earth magnet in FIG.
1 and 2, a
The
The rotor body 41 is configured by laminating a plurality of semi-rigid magnetic plates 411 having a substantially circular shape in which the distribution of magnetic flux in the gap is appropriately adjusted. The semi-rigid magnetic plate material 411 has a shaft hole 412 in the center and a long magnet hole 413 in the radial direction for inserting a plurality of rare earth magnets 43 on the outside thereof. The magnet hole 413 is formed in a substantially V shape with one hole. After the semi-rigid magnetic plate material 411 is laminated in the axial direction to form the rotor body 41, the rare earth magnet 43 is inserted and fixed in the magnet hole 412, and the shaft 42 is fitted into the shaft hole 412. Are fixed.
Moreover, the semi-hard magnetic plate material 411 has a non-conductive film on each laminated surface, and the laminated semi-hard magnetic plate materials are made non-conductive to reduce eddy current loss.
The rare earth magnet 43 to be inserted and fixed in the magnet hole 413 of the rotor body 41 is plate-shaped, and is magnetized in the thickness direction, and provides magnetic flux to one magnetic pole of the rotor body 41 of the rare earth magnet 43. The sum of the areas of the two magnetic pole surfaces 431 and 432 is designed to be about 1.8 times the area of one magnetic pole of the outer peripheral surface 414 of the rotor body 41. Therefore, each magnetic pole of the
図3は、第1実施例における回転子の磁極を構成する無負荷状態での磁束のイメージ図であり、希土類磁石の磁束が回転子本体の外周面に集中する様子を示すものである。
図3において、半硬質磁性板材411を複数枚積層して構成された回転子本体41は、各々の磁極に対し略V字形の磁石孔413を有し、その中に板状であり板厚方向に着磁した2枚の希土類磁石43を挿入している。そのため、V字形の内側にS極を向けた磁極の回転子本体41の表面はS極となり、V字形の内側にN極を向けた回転子本体41の表面はN極となる。希土類磁石43の回転子4の1つの磁極に磁束を供する2枚の磁極面431,432の面積の和は、回転子4の外周面の1磁極分の面積の約1.8倍となるように設計しているため、希土類磁石43の磁束が回転子4の外周面に集中し、図15の(b)で示す「冷間圧延後650℃で焼きもどし、さらに30%冷間圧延後650℃で焼きもどした」半硬質磁性板材を用いた本実施例では最大位置で1.5T強のギャップ磁束密度を得ている。
以下、従来の埋込磁石同期モータと、本発明の実施例における永久磁石モータの設計上および特性上の違いを、本実施例と同形状の回転子を用いて説明する。
FIG. 3 is an image diagram of magnetic flux in an unloaded state constituting the magnetic pole of the rotor in the first embodiment, and shows a state where the magnetic flux of the rare earth magnet is concentrated on the outer peripheral surface of the rotor body.
In FIG. 3, a rotor body 41 configured by laminating a plurality of semi-rigid magnetic plates 411 has a substantially V-shaped magnet hole 413 for each magnetic pole, and is plate-shaped and has a plate thickness direction. Two rare earth magnets 43 magnetized are inserted. For this reason, the surface of the rotor main body 41 with the S pole facing the inside of the V shape is the S pole, and the surface of the rotor main body 41 with the N pole facing the inside of the V shape is the N pole. The sum of the areas of the two magnetic pole surfaces 431 and 432 that provide magnetic flux to one magnetic pole of the
Hereinafter, differences in design and characteristics between a conventional embedded magnet synchronous motor and a permanent magnet motor according to an embodiment of the present invention will be described using a rotor having the same shape as that of the present embodiment.
図4は、一般的な電磁鋼板のヒステリシス特性を示すグラフ図である。電磁鋼板は、その材質的特徴として、ヒステリシス損失を低減するため、保磁力が小さくなるよう開発されている。また、半硬質磁性材料に比べて、飽和磁束密度に対する残留磁束密度の大きさが小さなものが多い。
埋込磁石同期モータを想定して、図3で示した回転子4の半硬質磁性板材411の回転子本体41を、図4で示した特性の電磁鋼板の回転子本体に置き換えた場合、回転子本体の磁極の表面付近を代表する電磁鋼板のヒステリシス特性上の動作点は、点(Hd,Bd)となる。この場合、希土類磁石43の起磁力に対し、最も大きな磁気抵抗部位は固定子3と回転子4間のギャップであり、電磁鋼板はヒステリシス特性の磁化が飽和していない領域上に動作点を持つ。また、最大負荷時の電機子反作用下での動作点は、ΔHの減磁界を受け、点(Hs,Bs)となる。固定子巻線のインダクタンスは、固定子巻線の減磁界ΔHに対する磁束密度の変化量ΔBに大きく影響を受けるため、このように比較的ΔB/ΔHが大きい設計では、前記インダクタンスは大きな値となる。リラクタンストルクを利用する埋込磁石同期モータは、電磁鋼板のヒステリシス特性の磁化が略飽和した領域に動作点を設定しないため、固定子巻線のインダクタンスは、概して大きな値となり、サーボモータとしては応答性の悪いモータとなるのである。
FIG. 4 is a graph showing hysteresis characteristics of a general electromagnetic steel sheet. As a material characteristic of the electrical steel sheet, it has been developed to reduce the coercive force in order to reduce hysteresis loss. In addition, the residual magnetic flux density with respect to the saturation magnetic flux density is often smaller than that of the semi-hard magnetic material.
Assuming an embedded magnet synchronous motor, when the rotor body 41 of the semi-rigid magnetic plate 411 of the
一方、図5は、本実施例で使用した半硬質磁性板材411のヒステリシス特性を示すものである。図3で示した回転子本体41の磁極の表面付近を代表する着磁された半硬質磁性板材411のヒステリシス特性上の動作点は、点(Hd,Bd)となる。この場合、希土類磁石43の起磁力に対し、最も大きな磁気抵抗部位は半硬質磁性板材411であり、そのヒステリシス特性の第1象限の磁化が略飽和した領域上に動作点を持つ。また、最大負荷時の電機子反作用下での動作点は、ΔHの減磁界を受け、点(Hs,Bs)となる。
従来の埋込磁石同期モータと本発明の実施例の永久磁石モータの設計上の違いは、埋込磁石同期モータで用いる電磁鋼板のヒステリシス特性上の動作点が第1象限にあるのに対し、本実施例で使用した半硬質磁性板材のヒステリシス特性上の動作点は、モータの全ての運転状態において、第1象限から第2象限にまたがる磁化が略飽和した領域上にあることである。よって、固定子巻線の減磁界ΔHに対する磁束密度の変化量ΔBは、従来の表面磁石同期モータと同様に小さくなり、電機子反作用に対するトルク直線性を向上するとともに、固定子巻線のインダクタンスも表面磁石同期モータ並に小さくなるのである。
また、リラクタンストルクを利用しない点に関しても、埋込磁石同期モータと設計を異にする。
On the other hand, FIG. 5 shows the hysteresis characteristics of the semi-rigid magnetic plate material 411 used in this example. The operating point on the hysteresis characteristic of the magnetized semi-hard magnetic plate 411 representing the vicinity of the surface of the magnetic pole of the rotor body 41 shown in FIG. 3 is a point (Hd, Bd). In this case, the largest magnetoresistive portion with respect to the magnetomotive force of the rare earth magnet 43 is the semi-hard magnetic plate 411, and has an operating point on a region in which the magnetization in the first quadrant of the hysteresis characteristic is substantially saturated. Further, the operating point under the armature reaction at the maximum load is subjected to a demagnetizing field of ΔH and becomes a point (Hs, Bs).
The difference in design between the conventional embedded magnet synchronous motor and the permanent magnet motor of the embodiment of the present invention is that the operating point on the hysteresis characteristic of the electromagnetic steel sheet used in the embedded magnet synchronous motor is in the first quadrant. The operating point on the hysteresis characteristic of the semi-rigid magnetic plate material used in the present example is that the magnetization spanning from the first quadrant to the second quadrant is in a substantially saturated region in all operating states of the motor. Therefore, the amount of change ΔB in the magnetic flux density with respect to the demagnetizing field ΔH of the stator winding is reduced as in the conventional surface magnet synchronous motor, and the torque linearity against the armature reaction is improved and the inductance of the stator winding is also reduced. It is as small as a surface magnet synchronous motor.
Further, the design is different from that of the embedded magnet synchronous motor in that the reluctance torque is not used.
図6は、一般的な電磁鋼板を用いる埋込磁石同期モータの回転子の電機子反作用下での磁束のイメージ図を示すものである。ただし、無負荷状態での磁束のイメージ図は、図3と同じとして説明する。
図6において、電機子反作用下では回転子4の磁束を弱めたり、周方向に歪ませるように磁界が作用する。電磁鋼板415は磁化が略飽和した状態になく、磁束の変化に対し柔軟であるため、その分布状態が変わり易い。また、希土類磁石43の起磁力に対し、固定子3を含めた磁気回路の磁気抵抗も大きくなるため、希土類磁石43の外周側等の洩れ磁束が増大するとともに、磁束密度の動作点が大きく低下することは図4で示した通りである。そのため、トルクの直線性が悪く、最大トルクも小さい。
FIG. 6 shows an image diagram of the magnetic flux under the armature reaction of the rotor of the embedded magnet synchronous motor using a general electromagnetic steel plate. However, the image diagram of the magnetic flux in the no-load state is described as being the same as FIG.
In FIG. 6, under the armature reaction, a magnetic field acts to weaken the magnetic flux of the
一方、図7は、本発明の第1実施例における永久磁石モータの回転子の電機子反作用下での磁束のイメージ図を示すものである。
図7において、電機子反作用下で回転子4の磁束を周方向に歪ませる磁界が作用しても、半硬質磁性板材411は磁化が略飽和した状態にあり、また磁石状態にあるため磁束の変化が起こりにくく、分布状態は変わりにくい。磁束密度の動作点の低下も小さいことは、図5で示した通りである。そのため、トルクの直線性が良く、最大トルクも大きい。
半硬質磁性材料に分類される金属材料は、図16乃至18に示したように多くの種類があるが、本発明での半硬質磁性材料411は、残留磁束密度1.2T以上で保磁力1kA/mから10kA/mの間のものを意図している。これらの材料を用いることで、図5で示したような動作点に設計できる。また、これらに属する材料の多くは、電磁鋼板以上の強度を有するものが多く、モータを高回転で運転することに対しても耐遠心力上有利である。
On the other hand, FIG. 7 shows an image diagram of magnetic flux under the armature reaction of the rotor of the permanent magnet motor in the first embodiment of the present invention.
In FIG. 7, even if a magnetic field that distorts the magnetic flux of the
There are many types of metal materials classified as semi-hard magnetic materials as shown in FIGS. 16 to 18, but the semi-hard magnetic material 411 in the present invention has a residual magnetic flux density of 1.2 T or more and a coercive force of 1 kA. It is intended between / m and 10 kA / m. By using these materials, the operating point as shown in FIG. 5 can be designed. Many of these materials have strengths higher than those of electromagnetic steel plates, and are advantageous in terms of anti-centrifugal force even when the motor is operated at high speed.
以上の結果として、同形状の回転子をもつ従来の埋込磁石同期モータと本発明の実施例の永久磁石モータの特性上の違いを、図8に示す。
図8は、従来の埋込磁石同期モータと本発明の永久磁石モータの負荷電流Iに対するトルクTの特性を比較したグラフ図である。負荷電流の小さな範囲では、希土類磁石の起磁力に対し磁気抵抗の小さい埋込磁石同期モータのギャップ磁束密度の方が高いため、同じ負荷電流に対するトルクの大きさは埋込磁石同期モータの方が優れる。しかし、負荷電流が大きくなると、トルク直線性に優れる本発明の実施例の永久磁石モータが逆転し、最大トルクTphも埋込磁石同期モータの最大トルクTpiに勝るのである。
As a result of the above, FIG. 8 shows the difference in characteristics between a conventional embedded magnet synchronous motor having the same shape rotor and the permanent magnet motor of the embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a graph comparing torque T characteristics with respect to load current I of a conventional embedded magnet synchronous motor and a permanent magnet motor of the present invention. In the small load current range, the gap magnetic flux density of the embedded magnet synchronous motor having a small magnetic resistance relative to the magnetomotive force of the rare earth magnet is higher. Therefore, the magnitude of the torque for the same load current is higher in the embedded magnet synchronous motor. Excellent. However, when the load current increases, the permanent magnet motor of the embodiment of the present invention having excellent torque linearity reverses, and the maximum torque Tph also exceeds the maximum torque Tpi of the embedded magnet synchronous motor.
図9は、一般的な従来の表面磁石同期モータの外周面の希土類磁石のヒステリシス特性を示すものである。
図9において、希土類磁石はそのヒステリシス特性の第2象限の減磁曲線の磁化が略飽和した領域上に動作点(Hd,Bd)を持ち、また、最大負荷時の電機子反作用下での動作点は、ΔHの減磁界を受け、点(Hs,Bs)となる。モータの全ての運転状態において、磁化が略飽和した領域上に動作点があるため、磁束密度の変化量ΔBは小さく、固定子巻線のインダクタンスも小さくなる。
FIG. 9 shows hysteresis characteristics of a rare earth magnet on the outer peripheral surface of a general conventional surface magnet synchronous motor.
In FIG. 9, the rare earth magnet has an operating point (Hd, Bd) on the region where the magnetization of the demagnetization curve in the second quadrant of the hysteresis characteristic is substantially saturated, and operates under the armature reaction at the maximum load. The point receives a demagnetizing field of ΔH and becomes a point (Hs, Bs). In all operating states of the motor, the operating point is in a region where the magnetization is substantially saturated, so that the change amount ΔB of the magnetic flux density is small and the inductance of the stator winding is also small.
以上の結果として、同体格の回転子をもつ従来の表面磁石同期モータと本発明の実施例の永久磁石モータの特性上の違いを、図10に示す。
図10は、従来の表面磁石同期モータと本発明の実施例の永久磁石モータの負荷電流Iに対するトルクTの特性比較である。本発明の実施例の永久磁石モータは希土類磁石の磁束が回転子外周面に集中し、最大位置で1.5T強のギャップ磁束密度を得ているため、同体格の回転子を持つ従来の表面磁石同期モータに比べ、同じ負荷電流に対するトルクの大きさは各段に優れ、最大トルクTphも表面磁石同期モータの最大トルクTpsに勝るのである。
As a result of the above, FIG. 10 shows a difference in characteristics between the conventional surface magnet synchronous motor having the rotor of the same size and the permanent magnet motor of the embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a characteristic comparison of torque T with respect to load current I of a conventional surface magnet synchronous motor and a permanent magnet motor of an embodiment of the present invention. In the permanent magnet motor according to the embodiment of the present invention, the magnetic flux of the rare earth magnet is concentrated on the outer peripheral surface of the rotor, and a gap magnetic flux density of 1.5 T or more is obtained at the maximum position. Compared with the magnet synchronous motor, the magnitude of the torque for the same load current is excellent in each stage, and the maximum torque Tph is also superior to the maximum torque Tps of the surface magnet synchronous motor.
本発明が埋込磁石同期モータや表面磁石同期モータ等の従来の永久磁石モータと異なる部分は、回転子鉄心の外周や内部に1種類の永久磁石を用いるのではなく、弱い永久磁石である半硬質磁性材料の内部に強い永久磁石である希土類磁石を挿入し、回転子を構成した部分である。 The present invention differs from conventional permanent magnet motors such as embedded magnet synchronous motors and surface magnet synchronous motors in that a half permanent magnet is used instead of a single permanent magnet on the outer periphery or inside of the rotor core. This is a portion in which a rare earth magnet, which is a strong permanent magnet, is inserted into a hard magnetic material to constitute a rotor.
図11は、本発明の第2実施例を示す永久磁石モータの回転子の正断面図である。
図11において、回転子4Aは、回転子本体41Aと、前記回転子本体41Aと連結したシャフト42Aと、回転子本体41Aの内部で、かつ前記シャフト42Aの外側に配置された希土類磁石43Aを有している。
また、前記回転子本体41Aは、円形の形状を有する複数枚の半硬質磁性板材411Aを積層して構成されている。前記半硬質磁性板材411Aは、中央にシャフト孔413Aを有するとともに、その外側に、各々の磁極に対し磁極を隔壁するように、放射状に複数の希土類磁石43Aを挿入する磁石孔412Aを有し、かつ、それぞれの磁石孔412A間に設けられた空洞となる中空孔416を有している。前記中空孔416は、前記シャフト側が底辺となる三角形状をしている。また、三角形状は、径方向に長い二等辺三角形であり、各角部は円弧形状に形成されている。
このような構成の半硬質磁性板材411Aは、複数枚を軸方向に積層して回転子本体41Aを構成した後、磁石穴412Aに希土類磁石43Aを挿入して固定するとともに、シャフト孔413Aにシャフト42Aを嵌合して固定している。
また、半硬質磁性板材411Aは、各々の積層面に、非導電性の皮膜を有しており、積層した各々の半硬質磁性板材411A間を非導通にして渦電流損失を低減している。
前記回転子本体41Aは、各々の磁極に対し磁極を隔壁するように径方向に長い1つの磁石孔412Aを有し、その中に板状であり板厚方向に着磁した1枚の希土類磁石43Aを挿入する。そのため、ある磁極の両側の希土類磁石43AがS極を向かい合わせた回転子本体41Aの表面はS極となり、N極を向かい合わせた回転子本体41Aの表面はN極となる。希土類磁石43Aの、回転子本体41Aの1つの磁極に磁束を供する2つの磁極面の面積の和は、回転子の外周面の1つの磁極分の面積の約1.8倍となるように設計している。そのため、本実施例の例えば10極を有する回転子4の各々の磁極は、希土類磁石43Aの磁束が回転子本体41Aの外周面414Aに集中し、希土類磁石43Aの磁束密度以上のギャップ磁束密度を得ることができ、従来の表面磁石同期モータのみならず、従来の埋込磁石同期モータ以上の高トルク化を図ることができる。
また、回転子本体41Aの中空孔415は、希土類磁石43Aの磁束がシャフト側への洩れ磁束となることを防いでいる。
本実施例は,磁極数に対する希土類磁石43Aの数が少ないため、回転子4内の構成が単純化できる。その他説明しない本実施例のモータの特徴は、第1実施例と同様である。
本実施例が第1実施例と異なるところは、各々の磁極に対し略V字形の磁石孔412でなく、磁極を隔壁するように径方向に長い1つの磁石孔412Aを設け、希土類磁石43Aを挿入し、回転子4Aを構成した点である。
FIG. 11 is a front sectional view of a rotor of a permanent magnet motor showing a second embodiment of the present invention.
In FIG. 11, the rotor 4A has a rotor main body 41A, a shaft 42A connected to the rotor main body 41A, and a rare earth magnet 43A disposed inside the rotor main body 41A and outside the shaft 42A. is doing.
The rotor body 41A is configured by laminating a plurality of semi-rigid magnetic plates 411A having a circular shape. The semi-rigid magnetic plate material 411A has a
The semi-rigid magnetic plate material 411A having such a configuration is formed by laminating a plurality of sheets in the axial direction to constitute the rotor main body 41A, and then inserting and fixing the rare earth magnet 43A in the magnet hole 412A, and the shaft in the
Moreover, the semi-hard magnetic plate material 411A has a non-conductive film on each laminated surface, and the laminated semi-hard magnetic plate materials 411A are made non-conductive to reduce eddy current loss.
The rotor main body 41A has one magnet hole 412A which is long in the radial direction so as to partition the magnetic pole with respect to each magnetic pole, and is one plate of the rare earth magnet magnetized in the plate thickness direction. 43A is inserted. Therefore, the surface of the rotor body 41A where the rare earth magnets 43A on both sides of a certain magnetic pole face the south pole is the south pole, and the surface of the rotor body 41A where the north pole faces the north pole is the north pole. The sum of the areas of the two magnetic pole faces that provide magnetic flux to one magnetic pole of the rotor body 41A of the rare earth magnet 43A is designed to be about 1.8 times the area of one magnetic pole on the outer peripheral face of the rotor. is doing. Therefore, each magnetic pole of the
Further, the hollow hole 415 of the rotor main body 41A prevents the magnetic flux of the rare earth magnet 43A from becoming a leakage magnetic flux toward the shaft side.
In this embodiment, since the number of rare earth magnets 43A is small with respect to the number of magnetic poles, the configuration in the
This embodiment is different from the first embodiment in that each magnetic pole is not provided with a substantially V-shaped magnet hole 412, but a single magnet hole 412 A that is long in the radial direction is provided so as to partition the magnetic pole. It is the point which inserted and comprised the rotor 4A.
以上、本発明の永久磁石モータについて説明を行ったが、本構造を同期発電機の回転子として用いた場合、小型化と高負荷に耐える発電機を提供することができる。 The permanent magnet motor of the present invention has been described above, but when this structure is used as a rotor of a synchronous generator, a generator that can withstand downsizing and high loads can be provided.
1 永久磁石モータ
2 フレーム
3 固定子
31 固定子鉄心
32 固定子巻線
4,4A 回転子
41,41A 回転子本体
411,411A 半硬質磁性板材
412,412A シャフト孔
413,413A 磁石孔
414,414A 外周面
415 電磁鋼板
416 中空孔
42,42A シャフト
43,43A 希土類磁石
431,432 磁極面
5 電磁鋼板
6 磁石孔
7 回転子
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記回転子本体が、複数枚の半硬質磁性板材を軸方向に積層して構成され、内部に希土類磁石を設けたことを特徴とする永久磁石モータ。 In a permanent magnet motor having a stator and a rotor facing the stator via a radial gap, and having a permanent magnet in a rotor body of the rotor,
A permanent magnet motor, wherein the rotor body is configured by laminating a plurality of semi-rigid magnetic plates in the axial direction, and a rare earth magnet is provided therein.
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