JP2008245406A - 表面型永久磁石同期機用ロータとそれを用いた同期機 - Google Patents

Abstract

【課題】磁石トルクとリラクタンストルクを有効に利用することができ、モータの温度上昇の低減、モータの小型・軽量化、高速回転、効率・力率改善ができる。表面型永久磁石モータ用のロータを提供する。
【解決手段】軸方向と直角な断面で見てＴ型をしたＴ型磁石押え突起２３を周方向に複数個表面に形成されたロータ２１であって、１つのＴ型磁石押え突起２３とこれと隣り合うＴ型磁石押え突起２３との間に永久磁石２２が配設され、その両端がＴ型磁石押え突起２３、２３で係止されて成るロー２１タにおいて、
Ｔ型磁石押え突起２３の高さをｂ、永久磁石２２の最大厚さをｄとして、
ｂ≧ｄ／２
の関係にした。
【選択図】 図２

Description

本発明は、界磁磁石としての永久磁石をロータの表面に備える同期モータや同期発電機などの同期機のロータの構造およびこのロータ構造を採用した同期機に関する。

従来、この種の同期機として大きく分けて２種類ある。
以下に同期機の具体例として同期モータを例に説明するが、もちろんこれに限定されるものではなく、同期発電機にも適用できることは言うまでもない。
永久磁石型同期モータのロータの構造には、大きく分けて２種類ある。
〈ＩＰＭ同期モータ〉
１つは、永久磁石をロータ鉄心の内部に埋め込むＩＰＭ（Ｉｎｔｅｒｉｏｒ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔｉｃ）モータ。これはｄ軸方向の磁束がロータ鉄心内を通り易くし、ｑ軸インダクタンスを大きくとり、ｑ軸インダクタンスとｄ軸インダクタンスの差を大きくすることでリラクタンストルク（反作用トルク）を有効利用しようとするものである（特許文献１参照）。
特開平１１−８９１３５号公報

図４は従来のＩＰＭ同期モータのロータを軸方向に直角な断面で切った縦断面図である。
図において、１１はステータ、１２はステータティース、１３はステータスロット、２１はロータ、２２は永久磁石、２４は空隙、３２はｄ軸インダクタンス、３３はｑ軸インダクタンスである。
このとき、モータの出力トルクＴは式（１）である。
Ｔ＝φｍ・Ｉｑ＋Ｐ（Ｌｑ−Ｌｄ）・Ｉｑ・Ｉｄ …（１）
ここで、Ｔはモータの出力トルク、φｍは永久磁石の磁束、Ｉｑは電機子電流のｑ軸軸成分、Ｐは永久磁石の極対数、Ｌｑはｑ軸インダクタンス、Ｌｄはｄ軸インダクタンス、Ｉｄは電機子電流のｄ軸軸成分である。
この場合の電流の流し方は、ｑ軸電流とｄ軸電流の位相差を４５°とすることでリラクタンストルクを有効利用することができる。また、モータ発生トルクとしては、永久磁石の磁束による発生する磁石トルク「φｍ・Ｉｑ」とリラクタンストルク「Ｐ（Ｌｑ−Ｌｄ）・Ｉｑ・Ｉｄ」の２つを利用することができる。

〈ＳＰＭ同期モータ〉
２つめは、ロータの表面に永久磁石を設けるＳＰＭ（Ｓｕｒｆａｃｅ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ）モータで、磁石の磁束方向に対し電流が垂直に流れるように、つまりｄ軸上に流すｑ軸電流を流すことで最もトルクを発生する。
図５は従来のＳＰＭ同期モータのロータを軸方向に直角な断面で切った縦断面図である。
図において、１１はステータ、１２はステータティース、１３はステータスロット、２１はロータ、２２は永久磁石、３１は磁石による磁束である。
このとき、モータの出力トルクＴは式（２）である。
Ｔ＝φｍ・Ｉｑ＝Ｔｍ …（２）
ここで、Ｔはモータの出力トルク、φｍは永久磁石の磁束、Ｉｑは電機子電流のｑ軸軸成分、Ｔｍは永久磁石によるトルクである。
この場合、ｑ軸インダクタンスとｄ軸インダクタンスは同じ値となり、前述のリラクタンストルクの利用はできない。よって、モータ発生トルクとしては、永久磁石の磁束による磁石トルク「φｍ・Ｉｑ」のみとなる。
また、高速領域の電圧飽和を押えるためにｄ軸電流も流すこともあるが、これはリラクタンストルクの利用を考えたものではない。

〈変形ＳＰＭ同期モータ〉
なお、ＳＰＭ同期モータの変形例として、図６のロータが知られている。
図６はＳＰＭ同期モータのロータを軸方向に直角な断面で切った縦断面図である。
図において、１２はステータティース、１３はステータスロット、２１はロータ、２２は永久磁石、２３’はＴ型磁石押え突起である。
ＳＰＭ同期モータの場合、ロータ２１の表面に永久磁石２２を貼り付けるため、近年の高速化や大容量化が進むと永久磁石２２が高速遠心力によってロータから飛散する恐れが生じており、これの飛散防止の対策が必要となってくる。この対策として、図６に示すような改良された変形ＳＰＭ同期モータのロータが出現した。
このロータは、ロータ２１の表面に永久磁石２２とこれと隣接する永久磁石２２との間に図のようなＴ型磁石押え突起２３’をロータ鉄心に形成し、その間に永久磁石２２を設けるようにしたのである。
このようにすることにより、モータが高速化や大容量化が進んでも、永久磁石がロータから飛散する恐れがなくなった。したがってＴ型磁石押え突起２３’は専らロータ表面からの永久磁石の飛散防止の役割のために設けられたものであり、Ｔ型磁石押え突起２３’はあくまでも飛散防止できる範囲内でその寸法は極力小さくしてＳＰＭ同期モータ特性に影響を与えないようにすべきもの考えられていた。

このように変形ＳＰＭ同期モータは、ＳＰＭ同期モータと同じくリラクタンストルクを利用していないので、大きなモータ発生トルクを得ることができなかった。
本発明はこの欠点を解決するためになされたもので、変形ＳＰＭ同期モータにおいてはリラクタンストルクを有効利用できる可能性があることを見出して、リラクタンストルクを有効利用して、大きなモータ発生トルクが得られるモータを提供することを目的としている。

上記課題を解決するため、請求項１記載の表面型永久磁石同期機用ロータの発明は、軸方向と直角な断面で見てＴ型をしたＴ型磁石押え突起を周方向に複数個表面に形成されたロータであって、１つのＴ型磁石押え突起とこれと隣り合うＴ型磁石押え突起との間に永久磁石が配設され、その両端が前記Ｔ型磁石押え突起で係止されて成るロータにおいて、前記Ｔ型磁石押え突起の高さをｂ、前記永久磁石の最大厚さをｄとして、
ｂ≧ｄ／２
の関係にあることを特徴とする。
請求項２記載の表面型永久磁石同期機の発明は、請求項１記載のロータと、前記ロータをその内部空間に空隙を介して配設するステータとから成ることを特徴とする。
請求項３記載の発明は、請求項２記載の表面型永久磁石同期機において、前記Ｔ型磁石押え突起と前記ステータの間の空隙をａ、前記永久磁石の最大厚さ部と前記ステータの間の空隙をｃとして、
ａ＋ｂ＝ｃ＋ｄ
の関係にあることを特徴とする。

上記構成により、ｑ軸とｄ軸のインダクタンスの差を出すことができるようになるので、変形ＳＰＭ同期モータであってもリラクタンストルクを有効利用できるようになり、大きなモータ発生トルクを出力できるモータが得られることとなる。

以下、本発明の実施の形態について図と式を参照して説明する。

図１は本発明に係る変形ＳＰＭ同期モータのロータを軸方向に直角な断面で切った縦断面図である。
図において、１１はステータ、１２はステータティース、１３はステータスロット、２１はロータ、２２は永久磁石、２３は本発明に係るＴ型磁石押え突起である。なお、３１は磁石による磁束である。
永久磁石２２を用いた同期機として、モータを例として説明すると、同期型モータの出力トルクＴは、次式（３）により求められる。
Ｔ＝Ｔｍ＋Ｔｒ …（３）
ここで、Ｔｍは永久磁石の磁束φｍによるトルクであり、Ｔｒはリラクタンストルクである。
また、リラクタンストルクＴｒは、次式（４）により求められる。
Ｔｒ＝Ｐ（Ｌｑ−Ｌｄ）・Ｉｑ・Ｉｄ …（４）
ここで、Ｐは永久磁石の極対数、Ｌｑはｑ軸インダクタンス、Ｌｄはｄ軸インダクタンス、Ｉｑは電機子電流のｑ軸成分、Ｉｄは電機子電流のｄ軸成分である。
この式から、一般に、ｑ軸インダクタンスＬｑが大きく、ｄ軸インダクタンスＬｄが小さければ、リラクタンストルクＴｒを大きくできることが分かる。
尚、永久磁石によるトルクＴｍは、
Ｔｍ＝φｍ・Ｉｑ …（２）
として定まる。
よって、モータの出力トルクは次式（１）および式（５）となる。
Ｔ＝φｍ・Ｉｑ＋Ｐ（Ｌｑ−Ｌｄ）・Ｉｑ・Ｉｄ …（１）
Ｔ＝（φｍ＋Ｐ（Ｌｑ−Ｌｄ）・Ｉｄ）・Ｉｑ …（５）

この効果を出すために、Ｔ型磁石押え突起等の寸法等を本発明により、次のように規定している。
図２は図１のＳＰＭ同期モータのロータ構造の拡大図である。
図２において、Ｔ型磁石押え突起とステータの間の空隙をａ、Ｔ型磁石押え突起の高さをｂ、永久磁石の最大厚さ部とステータの間の空隙をｃ、永久磁石の最大厚さをｄとして、式（６）および式（７）のように決めることで有効なリラクタンストルクを利用できる。
ａ＋ｂ＝ｃ＋ｄ …（６）
ｂ≧ｄ／２ …（７）
この場合、ｄ軸の磁路には永久磁石があるため、ｄ軸インダクタンスは非常に小さい値となる。また、ｑ軸方向には永久磁石を押えるために、ロータ鉄心をＴ型状に形成している。
図３は本発明の変形ＳＰＭ同期モータにおける磁束の流れを説明する図である。図３に示すように磁石による磁束はｑ軸に流れやすくなりｑ軸インダクタンス３３はｄ軸インダクタンスに比べ大きくなり、式（４）のように電流を流すことでリラクタンストルクを利用することができる。

このような構造にすることで、ｑ軸のインダクタンスがｄ軸に比べ若干ではあるが大きくなる。すなわち、ＳＰＭのモータの場合であっても、本発明により大型のＴ型磁石押え突起にすることで、永久磁石の飛散防止の効果が高まると同時にｑ軸とｄ軸のインダクタンスの差を出すことができるようになる。
したがって、例えＳＰＭのモータであっても、ｑ軸電流とｄ軸電流の位相差を４５°とすることでリラクタンストルクを有効利用することができることになる。
以上のように、本発明のロータ構造である図１にてｑ軸電流とｄ軸電流の位相差を４５°とすことで磁石トルクとリラクタンストルクをそれぞれ有効に利用することができ、モータの温度上昇の低減、モータの小型・軽量化、高速回転、効率・力率改善ができる。

本発明に係る変形ＳＰＭ同期モータのロータを軸方向に直角な断面で切った縦断面図である。 図１のロータの部分拡大図である。 本発明の変形ＳＰＭ同期モータにおける磁束の流れを説明する図である。 従来のＩＰＭ同期モータのロータを軸方向に直角な断面で切った縦断面図である。 従来のＳＰＭ同期モータのロータを軸方向に直角な断面で切った縦断面図である。 図５のロータの部分拡大図である。

符号の説明

１１…ステータ
１２…ステータティース
１３…ステータスロット
２１…ロータ
２２…永久磁石
２３…本発明に係るＴ型磁石押え突起
２４…空隙
３１…磁石による磁束
３２…ｄ軸インダクタンス
３３…ｑ軸インダクタンス

Claims (3)

1. 軸方向と直角な断面で見てＴ型をしたＴ型磁石押え突起を周方向に複数個表面に形成されたロータであって、１つのＴ型磁石押え突起とこれと隣り合うＴ型磁石押え突起との間に永久磁石が配設され、その両端が前記Ｔ型磁石押え突起で係止されて成るロータにおいて、
   前記Ｔ型磁石押え突起の高さをｂ、前記永久磁石の最大厚さをｄとして、
   ｂ≧ｄ／２
   の関係にあることを特徴とする表面型永久磁石同期機用ロータ。
2. 請求項１記載のロータと、前記ロータをその内部空間に空隙を介して配設するステータとから成ることを特徴とする表面型永久磁石同期機。
3. 前記Ｔ型磁石押え突起と前記ステータの間の空隙をａ、前記永久磁石の最大厚さ部と前記ステータの間の空隙をｃとして、
   ａ＋ｂ＝ｃ＋ｄ
   の関係にあることを特徴とする請求項２記載の表面型永久磁石同期機。

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