JP2008178294A - Rotor of permanent-magnet rotating electric machine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、永久磁石を有する回転電機の回転子で、特に回転子の鉄心に磁石を埋め込んだ、埋め込み磁石型回転子に関わるものである。 The present invention relates to a rotor of a rotating electrical machine having a permanent magnet, and particularly to an embedded magnet type rotor in which a magnet is embedded in an iron core of a rotor.
従来技術として特開2002−44887号公報があり、Nd−Fe−B焼結磁石を回転子鉄心に埋め込み、回転子を構成した例がある。磁石は平視一文字状の平板形状で、回転子外周にほぼ内接し、略多角形状となるように配列されている。更に、磁石は回転子周方向の全周に渡り配置してあり、磁極は複数個で均等に分割した磁石で構成されている。 There exists Unexamined-Japanese-Patent No. 2002-44887 as a prior art, and there exists an example which embedded the Nd-Fe-B sintered magnet in the rotor core, and comprised the rotor. The magnet has a flat plate shape that is a single letter in plain view, and is arranged so as to be substantially inscribed on the outer periphery of the rotor and to have a substantially polygonal shape. Further, the magnets are arranged over the entire circumference in the rotor circumferential direction, and the magnetic poles are composed of a plurality of equally divided magnets.
上記従来技術においては、回転子鉄心の外周円に内接するように、その全周に渡り磁石を均等に配列しているため、磁束分布が大きく分散し、良好な磁束分布を得ることができず、誘導起電力波形の歪み率が大きく、誘導起電力の基本波実効値が低下することにより回転電機効率が低下していた。また、コギングトルクが大きくなり、電動機運転時の起動電流が増大してスムーズな始動が難しかった。さらに、回転子全周に渡って磁石を配置するため、磁石使用量が増えコスト高を招くという不具合があった。 In the above prior art, the magnets are evenly arranged over the entire circumference so as to be inscribed in the outer circumference of the rotor core, so that the magnetic flux distribution is greatly dispersed and a good magnetic flux distribution cannot be obtained. Since the distortion rate of the induced electromotive force waveform is large and the fundamental effective value of the induced electromotive force is lowered, the rotating electrical machine efficiency is lowered. In addition, the cogging torque is increased, the starting current during motor operation is increased, and smooth starting is difficult. Furthermore, since magnets are arranged over the entire circumference of the rotor, there is a problem that the amount of magnets used increases and costs increase.
そこで本発明の目的は、以上のような不具合を解消し、高効率・高性能でかつ安価な永久磁石式回転電機を提供することにある。 SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to provide a permanent magnet type rotating electrical machine that eliminates the above-described problems and has high efficiency, high performance, and low cost.
上記目的を達成するために、本発明は、複数の電機子巻線を施した固定子の内周に配置した永久磁石を有する回転子において、磁極一極あたり、少なくとも3個以上の磁石から構成され、かつ磁極一極を形成する磁石群の電気角に占める合計角度を150度〜165度の範囲となるように設定する。これにより、磁束が磁極中心に集中するので良好な磁束分布を得ることができると共に、誘導起電力の基本波実効値が高められるので回転電機効率が向上する。さらに、磁石群は磁極中心位置に集中配置するので、磁石使用量が少なくなり、安価な永久磁石式回転電機を提供できる。 In order to achieve the above object, the present invention comprises a rotor having permanent magnets arranged on the inner periphery of a stator having a plurality of armature windings, and is composed of at least three magnets per pole. The total angle of the electrical angle of the magnet group forming one magnetic pole is set to be in the range of 150 to 165 degrees. Thereby, since the magnetic flux is concentrated at the magnetic pole center, a good magnetic flux distribution can be obtained, and the fundamental wave effective value of the induced electromotive force can be increased, so that the rotating electrical machine efficiency is improved. Further, since the magnet group is centrally arranged at the magnetic pole center position, the amount of magnets used is reduced, and an inexpensive permanent magnet type rotating electrical machine can be provided.
また、磁極端部側に配置される磁石の配向が磁極中心位置方向に向かうように傾斜配置することで、誘導起電力波形の歪み率とコギングトルクが低減され、回転起動時に必要な電流値を小さくできると同時にスムーズな回転始動を得ることができるようになる。さらにその傾斜角度を2度〜6度の範囲とすれば、誘導起電力を効果的に高めることができるため、回転電機の高性能化も実現できる。 In addition, by arranging the magnets arranged at the magnetic pole end side so that the orientation of the magnet is directed toward the magnetic pole center position, the distortion rate of the induced electromotive force waveform and the cogging torque are reduced, and the current value required at the start of rotation is reduced. At the same time, it is possible to obtain a smooth rotation start. Furthermore, if the inclination angle is in the range of 2 to 6 degrees, the induced electromotive force can be effectively increased, so that high performance of the rotating electrical machine can be realized.
さらに、磁石が収納されるスロット形状を各磁石間にスリットが形成される形状とすれば、各磁石間に発生する漏れ磁束が低減され、磁石の利用効率を高めることができる。ここで、前記スリット部に磁石固定材を封入すれば回転子の信頼性も向上可能となる。加えて以上の磁石形状を平板形状とすることで、磁石コストを低減することができる。 Furthermore, if the slot shape in which the magnet is accommodated is a shape in which a slit is formed between the magnets, the leakage magnetic flux generated between the magnets is reduced, and the use efficiency of the magnets can be increased. Here, if the magnet fixing material is enclosed in the slit portion, the reliability of the rotor can be improved. In addition, the magnet cost can be reduced by making the above magnet shape into a flat plate shape.
本発明によれば、高性能で高効率かつ安価な永久磁石式回転電機を得ることが可能となる。 According to the present invention, it is possible to obtain a high-performance, high-efficiency, and inexpensive permanent magnet type rotating electrical machine.
本発明に係る回転電機の実施の形態について、図面を用いて以下2極の例で説明する。 Embodiments of a rotating electrical machine according to the present invention will be described below using a two-pole example with reference to the drawings.
図1には、本発明に係る回転電機の一実施形態である永久磁石式回転電機の回転子構造を示す。回転子1は、回転子鉄心2,磁石が収納されるスロット3,N極側永久磁石10,S極側永久磁石11,回転軸20および磁石10,11の外周側に複数の制動巻線4を備えている。回転子鉄心2は所定の形状に打ち抜かれた薄鉄板を複数積層して形成された円筒状積層鉄心である。
FIG. 1 shows a rotor structure of a permanent magnet type rotating electrical machine that is an embodiment of the rotating electrical machine according to the present invention. The
N極側永久磁石10とS極側永久磁石11は磁束Φfを発生する磁石であり、一磁極あたり3分割されている。これら磁石は2つの磁極を構成するように、回転子鉄心2の外周側表面部近傍に設置されたスロット3内に配置され、各スロット3は磁極中心位置方向に集中するように配置される。ここで、一磁極を構成する磁石群の電気角に占める合計角度を磁石の周方向角度θ1とすれば、磁石の周方向角度θ1を適正な値に設定することにより、回転電機諸特性を格段に改善できることがわかった。以下、その詳細について述べる。
The N-pole side
図2に発電機運転をした場合の無負荷誘導起電力,無負荷誘導起電力波形の歪み率およびコギングトルクの各特性に対する磁石の周方向角度θ1の関係を示した。なお図7に示すように、従来技術は一磁極を構成する磁石群が均等配置されており、かつ一磁極あたりの磁石の周方向角度θ1はほぼ180度に近い値となる。そこで、図2では従来技術による磁石の周方向角度θ1を175度とし、磁石の周方向角度θ1を135度〜175度の範囲で検討すると共に、磁石の周方向角度θ1を変更した場合の各結果は磁石の周方向角度θ1が175度の場合を基準として表記している。 FIG. 2 shows the relationship of the circumferential angle θ 1 of the magnet to the characteristics of the no-load induced electromotive force, the distortion factor of the no-load induced electromotive force waveform, and the cogging torque when the generator is operated. As shown in FIG. 7, in the prior art, magnet groups constituting one magnetic pole are evenly arranged, and the circumferential angle θ 1 of the magnet per one magnetic pole is a value close to approximately 180 degrees. Therefore, in FIG. 2 the circumferential angle theta 1 of the magnet according to the prior art and 175 degrees, the circumferential angle theta 1 of the magnet as well as discussed in the range of 135 degrees to 175 degrees, changing the circumferential angle theta 1 of the magnet In each case, the results are shown based on the case where the circumferential angle θ 1 of the magnet is 175 degrees.
図2において、永久磁石式回転電機の効率と密接に関係する無負荷誘導起電力が従来技術よりも大きく、かつ発電機機能として重要な無負荷誘導起電力波形の歪み率および回転電機の振動や騒音に影響を与えるコギングトルクが共に従来技術よりも小さくなる磁石の周方向角度θ1は、150度から175度未満の範囲となっている。しかしながら、無負荷誘導起電力波形の歪み率およびコギングトルクは磁石の周方向角度θ1が165度を越えると急激に増大していることがわかる。したがって、機械振動や騒音を少なくしたい場合は、磁石の周方向角度θ1における上限を165度とすることが妥当といえる。よって、本発明においては磁石の周方向角度θ1の最適な範囲として150度から165度の範囲を採用した。 In FIG. 2, the no-load induced electromotive force closely related to the efficiency of the permanent magnet type rotating electric machine is larger than that of the prior art, and the distortion factor of the no-load induced electromotive force waveform important as a generator function and the vibration of the rotating electric machine The circumferential angle θ 1 of the magnet in which the cogging torque that affects the noise is smaller than that in the prior art is in the range of 150 degrees to less than 175 degrees. However, it can be seen that the distortion rate and cogging torque of the no-load induced electromotive force waveform increase rapidly when the circumferential angle θ 1 of the magnet exceeds 165 degrees. Therefore, when it is desired to reduce mechanical vibration and noise, it can be said that the upper limit in the circumferential angle θ 1 of the magnet is 165 degrees. Therefore, in the present invention, the range of 150 to 165 degrees is adopted as the optimum range of the circumferential angle θ 1 of the magnet.
図3には、本発明に係る回転電機の他の実施形態である永久磁石式回転電機の回転子1の構造を示す。回転子1は、回転子鉄心2,磁石が収納されるスロット3,N極側永久磁石10(10a,10b,10c),S極側永久磁石11(11a,11b,11c),回転軸20および磁石10,11の外周側に複数の制動巻線4を備えている。回転子鉄心2は所定の形状に打ち抜かれた薄鉄板を複数積層して形成された円筒状積層鉄心である。
In FIG. 3, the structure of the
N極側永久磁石10とS極側永久磁石11は磁束Φfを発生する磁石であり、一磁極あたり3分割されている。これら磁石群のうち、磁極端部に位置する磁石10a,10c,11a,11cは、磁極中心位置方向に向かうように傾斜して配置する。ここで、図3に示すように磁石が磁極中心位置方向に向かう角度、すなわち回転軸中心と磁石中心の2点を通る直線上の回転子鉄心2における外周表面上の点Psを接点とした接線L1(=L2)と磁石がなす角度を磁石の傾斜角度θ2とすれば、磁石の傾斜角度θ2を適正な値に設定することにより回転電機諸特性を格段に改善できることがわかった。以下、その詳細について述べる。
The N-pole side
図4に発電機運転をした場合の無負荷誘導起電力,無負荷誘導起電力波形の歪み率およびコギングトルクの各特性に対する磁石の傾斜角度θ2の関係を示した。ここで従来技術は磁石の傾斜角度θ2が0.0度であることから、磁石の傾斜角度θ2を変更した場合の各結果は、磁石の傾斜角度θ2が0.0度の場合を基準として表記している。なお、磁石を傾斜する角度の符号は磁極中心位置方向に傾斜する向きを正とした。 FIG. 4 shows the relationship of the inclination angle θ 2 of the magnet with respect to the characteristics of the no-load induced electromotive force, the distortion rate of the no-load induced electromotive force waveform, and the cogging torque when the generator is operated. Here, since the conventional technology has a magnet tilt angle θ 2 of 0.0 degrees, each result when the magnet tilt angle θ 2 is changed is the case where the magnet tilt angle θ 2 is 0.0 degrees. It is written as a standard. In addition, the sign of the angle at which the magnet is tilted is positive for the direction tilted toward the magnetic pole center position.
図4に示すように、磁石の傾斜角度θ2を−2.5度から10.0の範囲で検討したところ、無負荷誘導起電力は0.0度<θ2<10.0度の角度範囲で大きくなった。また、無負荷誘導起電力波形の歪み率およびコギングトルクは、0.0度を除いた−2.5度から10.0度の全検討範囲で小さくなっていることがわかった。これより、磁石の傾斜角度θ2が0.0度の基準特性に対して、無負荷誘導起電力が大きく、かつ無負荷誘導起電力波形の歪み率およびコギングトルクが小さくなる条件を同時に満たす磁石の傾斜角度θ2は、0.0度<θ2<10.0度の範囲であることがわかる。つまり、磁極端部側に配置した磁石を少なからず正方向に傾斜すれば、傾斜しない場合に対して回転電機の諸特性を改善できることになる。さらに図4からは、永久磁石式回転電機の効率と密接に関係する無負荷誘導起電力が、磁石の傾斜角度θ2を2度から6度の範囲に設定した場合にほぼ最大となっていることがわかる。したがって、本発明では以上の点を鑑み、磁石の傾斜角度θ2の最適な範囲として2.0度から6.0度の範囲を採用した。 As shown in FIG. 4, when the inclination angle θ 2 of the magnet was examined in the range of −2.5 ° to 10.0 °, the no-load induced electromotive force was an angle of 0.0 ° <θ 2 <10.0 °. Increased in range. Further, it was found that the distortion rate and the cogging torque of the no-load induced electromotive force waveform are small in the entire examination range from −2.5 degrees to 10.0 degrees excluding 0.0 degrees. As a result, a magnet that simultaneously satisfies the condition that the no-load induced electromotive force is large and the distortion factor of the no-load induced electromotive force waveform and the cogging torque are small with respect to the reference characteristic of the magnet inclination angle θ 2 of 0.0 degrees. It can be seen that the inclination angle θ 2 is in the range of 0.0 degrees <θ 2 <10.0 degrees. That is, if the magnet arranged on the magnetic pole end side is tilted in a positive direction, it is possible to improve various characteristics of the rotating electrical machine as compared with the case where the magnet is not tilted. Further, FIG. 4 shows that the no-load induced electromotive force closely related to the efficiency of the permanent magnet type rotating electrical machine is almost the maximum when the inclination angle θ 2 of the magnet is set in the range of 2 degrees to 6 degrees. I understand that. Accordingly, in the present invention, in view of the above points, the range of 2.0 degrees to 6.0 degrees is adopted as the optimum range of the magnet inclination angle θ 2 .
以上、磁石周方向角度θ1,磁石傾斜角度θ2のどちらか一方でも、本実施例の角度範囲の条件を満足していれば、回転電機の諸特性が向上できる。また、磁石周方向角度θ1と磁石傾斜角度θ2の両方を、前記の角度範囲となるように設定すれば、相乗作用によって回転電機の諸特性を更に向上できることは言うまでもない。また、図5に示すように、図1および図3に記載した制動巻線4がない場合でも本発明の効果が損なわれることはない。この場合、制動巻線分の製造コストを低減できるため、さらに安価で回転電機を提供できる利点がある。なお、図2および図4では発電機動作時の特性を示したが、電動機動作においても本発明の効果を享受できる。電動機動作時においては、コギングトルクや誘導起電力波形の歪み率が低減されていることで起動時の起動電流や振動を小さくできるという効果がある。 As described above, if any one of the magnet circumferential angle θ 1 and the magnet inclination angle θ 2 satisfies the angle range condition of this embodiment, various characteristics of the rotating electrical machine can be improved. Needless to say, if both the magnet circumferential angle θ 1 and the magnet inclination angle θ 2 are set to be within the above-mentioned angle range, various characteristics of the rotating electrical machine can be further improved by synergistic action. Further, as shown in FIG. 5, the effect of the present invention is not impaired even when the braking winding 4 described in FIGS. 1 and 3 is not provided. In this case, since the manufacturing cost for the braking winding can be reduced, there is an advantage that a rotating electric machine can be provided at lower cost. 2 and 4 show the characteristics during the generator operation, the effects of the present invention can also be enjoyed in the motor operation. When the motor is in operation, the starting current and vibration at the time of starting can be reduced by reducing the distortion rate of the cogging torque and the induced electromotive force waveform.
図6は本発明の他の実施例を示す回転子構造の説明図であり、スロット3に磁石10,11を収納した際に、各磁石10,11間にスリット15が形成されるスロット3の形状とした一実施例である。スリット15は、空気(空洞)のままでも各磁石10,11間に発生する漏れ磁束が低減し、磁石の利用効率が高められる効果を有するが、さらに樹脂や接着剤等の磁石固定材を封入すれば磁石10,11と回転子鉄心2との隙間まで磁石固定材が浸透することにより、磁石10,11と回転子鉄心2との固定をしっかりできるため、特に高速回転により遠心力が大きくなる場合の回転子鉄心2の変形や磁石10,11の飛散防止に有効であり、回転子1の信頼性を向上できる。なお、図6では制動巻線を記載していないが、制動巻線が存在する場合でも本実施例の効果が有効であることは言うまでもない。
FIG. 6 is an explanatory view of a rotor structure showing another embodiment of the present invention. When the
以上、本発明の各実施例においては、磁石形状として平板形状を採用した場合を例とした。平板状磁石は磁石の製造加工が容易であり、さらに磁石を製造する際の母材利用率(歩留まり)が向上するため、円弧状の磁石を用いる場合よりも磁石の加工コストならびに材料コストを抑制できる効果がある。 As mentioned above, in each Example of this invention, the case where the flat shape was employ | adopted as a magnet shape was made into the example. Flat magnets are easy to manufacture and improve the base material utilization rate (yield) when manufacturing magnets, so magnet processing costs and material costs are lower than when arc-shaped magnets are used. There is an effect that can be done.
1…回転子、2…回転子鉄心、3…スロット、4…制動巻線、10…N極側永久磁石、11…S極側永久磁石、15…スリット部、20…回転軸。
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記固定子の内側で回転可能に回転軸に固定される回転子鉄心と、
前記回転子鉄心内に設けられたスロット内に収納される略平行着磁された平板形状の複
数の磁石とを備え、
一磁極を構成する前記複数の磁石のうち、磁極端部側に配置される磁石の配向が磁極中
心位置方向に向かうように当該磁石を配置し、
磁極数が2極であって、
一磁極を構成する前記複数の磁石が、少なくとも3つであることを特徴とする回転電機。 A stator with a plurality of windings;
A rotor core fixed to a rotation shaft so as to be rotatable inside the stator;
A plurality of substantially parallel magnetized plate-shaped magnets housed in slots provided in the rotor core;
Among the plurality of magnets constituting one magnetic pole, the magnet is arranged such that the orientation of the magnet arranged on the magnetic pole end side is directed to the magnetic pole center position direction,
There are two poles,
The rotating electrical machine characterized in that the plurality of magnets constituting one magnetic pole is at least three.
前記回転軸中心と当該磁石中心の2点を通る直線上の前記回転子鉄心における外周表面の点を接点とした接線と、が、
回転軸中心と磁極中心の2点を通る直線上かつ回転子鉄心の径方向外側向きと、前記磁石の配向とが一致する方向に、2度〜6度の角度を有することを特徴とする請求項1に記載の回転電機。 Among the plurality of magnets constituting the one magnetic pole, the long side of the magnet disposed on the magnetic pole end side,
A tangent line with a point on the outer peripheral surface of the rotor core on a straight line passing through the center of the rotation axis and the two points of the magnet center as a contact point,
An angle of 2 degrees to 6 degrees is formed on a straight line passing through two points of the rotation axis center and the magnetic pole center and in a direction in which the radially outward direction of the rotor core coincides with the orientation of the magnet. Item 2. The rotating electrical machine according to Item 1.
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