JP2009131070A - 磁石式同期機 - Google Patents

Abstract

【課題】弱め磁束制御能力に優れた表面磁石式同期機を提供すること。
【解決手段】軟磁性の突極部１０Bを永久磁石３の周方向中央部に設けてｄ軸インダクタンスＬｄを増大し、電源電圧制限下で−ｄ軸電流Ｉｄによる弱め磁束制御効果を増大させる。
【選択図】図２

Description

本発明は、磁石式同期機に関し、詳しくは磁石式同期機の弱め磁束特性に優れたロータ構造に関する。

磁石式同期機として、表面磁石式同期機（ＳＰＭ）と埋込磁石型同期期（ＩＰＭ）とが知られている。

永久磁石を軟磁性のロータコア内に埋設した埋込磁石型同期期（ＩＰＭ）には種々の磁石配置形式が提案されている。たとえば、一つのロータ磁極を構成するために径方向同一極性に磁化されて周方向に並べられた一対の永久磁石の間に位置して、ロータコアがｄ軸磁気通路をもつIPMが知られている。

表面磁石式同期機としては、電気角πごとに極性交互に永久磁石が固定され、各永久磁石の間に非磁性領域又は軟磁性領域（ｑ軸突極）をもつタイプと、円筒状の永久磁石を軟磁性のロータコアの表面に嵌着するタイプとがある。この種の表面磁石式同期機としては、たとえば下記の特許文献１のものが知られている。

磁石同期機を高速回転で使用する場合、磁石磁束がステータコイルに逆起電力を発生させる。このため必要な電動トルク確保には非常に高い電源電圧をステータコイルに印加する必要が生じる。この問題を解決するため従来の磁石同期機ではステータコイルに−ｄ軸電流を通電してｄ軸電流磁束Φiｄを磁石磁束Φｍを弱める向きに形成して全体として磁石磁束量を減らす弱め磁束制御を行っている。

しかしながら、従来のＳＰＭでは、−ｄ軸磁束の通路であるｄ軸磁路には実質的に真空透磁率をもつ永久磁石が介在しているため、ｄ軸インダクタンスＬｄが小さいため、磁石磁束Φｍを有効に減らすには−ｄ軸電流Iｄを多量に通電する必要がある。しかし、このような−ｄ軸電流Ｉｄの顕著な増加は、電源電圧の増大及び電力損失の増大を招くため、実際には困難である。
特開２００５−２０８７６号公報

（発明の目的）
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、高速回転時における弱め磁束制御能力を向上した磁石式同期機を提供することをその目的としている。

（発明の要約）
上記目的を達成するために、この発明は、永久磁石が軟磁性のロータコアの周面に固定されてなるロータと、前記ロータの前記周面に小さいギャップを挟んで対面するステータコアのスロットにステータコイルを巻装してなるステータとを有し、前記永久磁石は、ロータ磁極として径方向に磁化されて周方向極性交互に配置される磁石式同期機において、１つのロータ磁極を構成する前記永久磁石の周方向中央部に位置して前記ロータコアの周面から前記ギャップへ向けて突出する軟磁性の突極部を有することをその特徴としている。

本発明によれば、一つのロータ磁極をなす永久磁石を薄くすることによりあるいはそれを貫通してステータコア側に向けて突出する突極部はｄ軸インダクタンスＬｄを増大させるため、高速回転時において−ｄ軸電流Ｉｄを通電して−ｄ軸電流磁束Φｉｄを増大させ、合成ｄ軸磁束（磁石磁束Φｍとｄ軸電流磁束Φｉｄとの和）を減らす弱め磁束制御を電源電圧の増大なしに小さい−ｄ軸電流量で実現することができる。

好適な態様において、永久磁石は、突極部に接する部位にて他の部位よりも径方向に薄く形成されている。このようにすれば、突極部を通過するｄ軸磁路部分のインダクタンスを増大させることができるため、弱め磁束制御効果を向上することができる。

好適な態様において、永久磁石は、突極部が径方向に貫通する孔又は溝を有する。このようにすれば、突極部を通過するｄ軸磁路部分には被透磁率が１とみなせる永久磁石が存在しないためｄ軸インダクタンスを大幅に増大させることができる。これにより、弱め磁束制御効果を大幅に向上することができる。

好適な態様において、１つのロータ磁極を構成する前記永久磁石は、前記突極部の周方向両側に個別に隣接する２つの小永久磁石片を含む。このようにすれば、ロータの軸方向すべてにわたって突極部を設けることができるので、突極部によるｄ軸インダクタンスＬｄの増加効果を向上させることができる。

好適な態様において、突極部は、永久磁石からなる１つのロータ磁極の周方向中央部に形成されている。これにより、効率よくｄ軸電流磁束Φｉｄを磁石磁束Φｍと逆方向に形成することができる。

好適な態様において、突極部は、永久磁石からなる１つのロータ磁極に互いに所定の周方向幅だけ離れて複数形成されている。このようにすれば、ロータ周面における磁束の周方向分布のアンバランスを減らせるため、それによるトルクリップルを減らすことができる。

本発明の表面磁石式同期機の好適実施形態を図面を参照して説明する。もちろん、本発明は下記の実施例に限定されるものではなく、本発明の技術思想を他の公知の技術要素又はそれに相当する技術要素を組み合わせて実現してもよいことは当然である。なお、下記の実施形態ではインナーロータ構造を説明するがアウターロータ構造への変更は当然可能である。

（実施形態１）
実施形態１の磁石同期機について以下に説明する。図１は実施形態１の磁石式同期機の径模式部分（１／４）断面図である。ハッチングは省略する。

（全体構造）
１はロータ、２はロータコア、３は永久磁石、４は回転軸、５はステータ、６はステータコア、７はステータコイルである。

ステータ５は、従来の磁石界磁同期機と同じく、積層電磁鋼板からなるステータコア６と、このステータコア６のスロット８に巻装されたステータコイル７とからなり、ステータコア６は図略のハウジングの内周面に固定されている。９はスロット８に隣接して径方向内側へ突出するステータコア６のティースである。

このハウジングに回転自在に支承された回転軸４には、軟磁性のロータコア２が嵌着、固定され、ロータコア２の外周面には円筒状の永久磁石３が固定されている。ロータ１は１２極をもち、円筒状の永久磁石３は、１ロータ磁極ごとに（言い換えれば周方向３０度ごとに）極性交互に径方向に磁化されている。円筒状の永久磁石３のうち周方向３０度の同一極性部分をロータ磁極と称する。このＳＰＭの上記構造及び動作は従来のＳＰＭと同じであるため、これ以上の説明は省略する。

（突極部１０）
ロータコア２の外周面には、各ロータ磁極の周方向中央部に位置して軟磁性の突極部１０がロータコア２と一体に形成されている。この実施形態では、突極部１０は、永久磁石３の径方向厚さの５０〜８０％の径方向高さと、ロータ磁極の周方向占有幅（この実施形態では３０度）の３０〜７０％の周方向幅と、永久磁石３及びロータコア２の軸方向長と等しい軸方向長とをもつが、これらは適宜変更可能である。永久磁石３の内周面には、各突極部１０が嵌入する凹部１１が形成されている。

（実施例効果）
すなわち、この実施形態では、永久磁石３からなる各ロータ磁極部はその周方向中央部にて径方向に薄くなっており、その分だけ、ｄ軸インダクタンスＬｄが増大し、ｄ軸磁気抵抗が減少している。したがって、高速回転時にｄ軸電流磁束Φｉｄを負方向（磁石磁束Φｍと逆向き）に増大させ、全体としてのｄ軸磁束Φｄ（＝磁石磁束Φｍーｄ軸電流磁束Φｉｄ）を減らす弱め磁束制御を行う場合に、上記したｄ軸インダクタンスＬｄが増大した分だけ、−ｄ軸電流Ｉｄの増大を回避することができる。言い換えれば、電源電圧制限範囲にて弱め磁束制御効果を大幅に増大することができる。この効果をシミュレーション結果を示す図５を参照して説明する。

図５は、図１に示す突極部１０をもつ実施例１のロータコア（凸部タイプと称する）と、突極部１０を持たない従来のロータコア（従来タイプと称する）との回転数とトルクとの関係を示す特性図である。従来のロータ形状を図４に模式図示する。Aは、−ｄ軸電流Ｉｄを流さない場合の従来タイプの回転数−トルク特性を示す特性線、Bは、−ｄ軸電流Ｉｄを流さない場合の凸部タイプの回転数−トルク特性を示す特性線、Cは、−ｄ軸電流Ｉｄを−７０A流した場合の従来タイプの回転数−トルク特性を示す特性線、Dは、−ｄ軸電流Ｉｄを−７０A流した場合の凸部タイプの回転数−トルク特性を示す特性線である。なお、永久磁石３の厚さは３ｍｍ、ロータ１の外径はφ４５ｍｍ、永久磁石はネオジウム焼結磁石、突極部１０の周方向幅は５ｍｍ（周方向占有角度は１２．７度相当）とした。その他の条件は同じとした。

なお、図１、図４は１２極３０スロットの例を示すが、図５のシミュレーションは１０極６０スロットの場合の結果を示す
図５において、弱め磁束制御を行う場合に、同一電源電圧にて凸部タイプは従来タイプよりも大幅に高速回転域まで電動トルクを発生することができる。これは、等しい−ｄ軸電流Ｉｄにより合成ｄ軸磁束を良好に減少することができ、それによるステータコイルの逆起電圧を抑制してその分だけトルク電流成分であるｑ軸電流Iqを確保できたためである。

（実施形態２）
実施形態２の磁石同期機について以下に説明する。図２は実施形態２の磁石式同期機の径模式部分（１／４）断面図である。ハッチングは省略する。

この実施形態は、図１に示す実施形態１の突極部１０をロータ１の周面に露出するまで高くすることにより貫通型の突極部１０Bとしたものである。当然、永久磁石３には、凹部１１の代わりに突極部１０Bが貫通する貫通孔１２が形成されている。もしくは、貫通孔１２の代わりに、一つのロータ磁極を、同一極性を有してこの突極部１０Bの両側に隣接する一対の小永久磁石片で構成してもよい。

このようにすれば、実施例１に比較してｄ軸インダクタンスＬｄが更に大幅に増大する（ｄ軸磁気抵抗が減少する）ので、上記した弱め磁束制御効果を一層向上することができる。

（実施形態３）
実施形態３の磁石同期機について以下に説明する。図３は実施形態２の磁石式同期機の径模式部分（１／４）断面図である。ハッチングは省略する。

この実施形態は、図２に示す実施形態２の貫通型の突極部１０Bを１ロータ磁極当たり２つ設けたものである。ただし、図３に示すこの実施形態の突極部１０Bの周方向幅は、図２に示す突極部１０Bの周方向幅の半分にしている。互いに隣接する２つの突極部１０Bの間の周方向幅は適宜設定することができるが、突極部１０Bの周方向幅と同程度とすることができる。

この効果のシミュレーション結果を図６に示す。図６において、Eは、−ｄ軸電流Ｉｄを−７０A流した場合の従来タイプの回転数−トルク特性を示す特性線、Fは、−ｄ軸電流Ｉｄを−７０A流した場合の凸部タイプの回転数−トルク特性を示す特性線である。なお、図６のシミレーション条件は、突極部１０Bが電磁ギャップにまで達しており、永久磁石３の厚さは３ｍｍ、ロータ１の外径はφ４５ｍｍ、永久磁石はネオジウム焼結磁石、突極部１０Ｂの周方向幅は各１ｍｍとした。その他の条件は同じである。

なお、図３、図4は１２極３０スロットの例を示すが、図6のシミュレーションは１０極６０スロットの場合の結果を示す。

このようにすれば、実施例２と同様の弱め磁束制御向上効果を奏するとともに、ロータ１の外周面とステータの内周面との間の電磁ギャップにおける周方向磁束分布の急変を低減することができるため、トルクリップルを低減することができることがわかった。

なお、この実施形態においても、突極部１０Bの軸方向長をロータコア２や永久磁石３の軸方向長とすることができる他、突極部１０Bの軸方向長をロータコア２や永久磁石３の軸方向長よりも短くして、永久磁石３に突極部１０Bが嵌入される貫通孔を設けても良い。

実施形態１の表面磁石式同期機の径方向模式部分断面図である。 実施形態２の表面磁石式同期機の径方向模式部分断面図である。 実施形態３の表面磁石式同期機の径方向模式部分断面図である。 従来の表面磁石式同期機の径方向模式断面図である。 図１、図４の表面磁石型同期機のトルク−回転数特性のシミュレーション結果を示す図である。 図３、図４の表面磁石型同期機のトルク−回転数特性のシミュレーション結果を示す図である。

符号の説明

１ ロータ
２ ロータコア
３ 永久磁石
４ 回転軸
５ ステータ
６ ステータコア
７ ステータコイル
８ スロット
１０，１０B 突極部
１１ 凹部
１２ 貫通孔

Claims (6)

1. 永久磁石が軟磁性のロータコアの周面に固定されてなるロータと、前記ロータの前記周面に小さいギャップを挟んで対面するステータコアのスロットにステータコイルを巻装してなるステータとを有し、前記永久磁石は、ロータ磁極として径方向に磁化されて周方向極性交互に配置される磁石式同期機において、
   １つのロータ磁極を構成する前記永久磁石の周方向中央部に位置して前記ロータコアの周面から前記ギャップへ向けて突出する軟磁性の突極部を有することを特徴とする磁石式同期機。
2. 請求項１記載の磁石式同期機において、
   前記永久磁石は、前記突極部に接する部位にて他の部位よりも径方向に薄く形成されている磁石式同期機。
3. 請求項１記載の磁石式同期機において、
   前記永久磁石は、前記突極部が径方向に貫通する孔又は溝を有する磁石式同期機。
4. 請求項１記載の磁石式同期機において、
   １つのロータ磁極を構成する前記永久磁石は、前記突極部の周方向両側に個別に隣接する２つの小永久磁石片を含む磁石式同期機。
5. 請求項３又は４記載の磁石式同期機において、
   前記突極部は、前記永久磁石からなる１つのロータ磁極の周方向中央部に形成されている磁石式同期機。
6. 請求項３又は４記載の磁石式同期機において、
   前記突極部は、前記永久磁石からなる１つのロータ磁極に互いに所定の周方向幅だけ離れて複数形成されている磁石式同期機。