JP2009207296A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】トルク脈動の２以上の次数の高調波成分の減少を図ることができる回転電機を提供する。
【解決手段】回転子３は、回転子鉄心６の外周部に磁極たる８個の永久磁石８（８ａ、８ｂ、８ｃ）が埋設されて構成されている。回転子鉄心６は、等しい厚みの３個のブロック１０、１１、１２に分割され、ブロック１１は、磁極が設定された基準位置になるように構成され、ブロック１０は、磁極が前記基準位置より回転方向Ｘと反対方向に角度Θ度だけずれた位置になるように構成され、ブロック１２は、磁極が前記基準位置より回転方向Ｘに角度Θ度だけずれた位置になるように構成されている。前記角度Θは、電気角における基本次数１次に対して打ち消したい次数をｎ×１およびｎ×２（ｎは整数）とすると、（３６０／ｎ／３）度に設定される。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転子鉄心の外周部に永久磁石を配設して磁極を構成した回転子を備えた回転電機に関する。

回転電機、例えば、回転子鉄心の外周部に磁極としての永久磁石を埋設した永久磁石形の回転子を備えた同期電動機においては、固定子および回転子から発生する磁界が固定子および回転子間のギャップで理想的な正弦波分布とならないこと、および、上記磁界により鉄心磁気飽和が生ずることなどにより、回転子が回転する際に、固定子と回転子との間のギャップにおける磁束分布密度が滑らかなものとはならないために、回転子にトルク脈動が発生する。このトルク脈動は，同期電動機における運転時の振動、騒音の発生の原因となるので、その発生を極力抑制する必要がある。

このため従来では、回転子鉄心を軸方向に複数のブロックに分割して、各ブロックを周方向にずらして結合することにより、段階的スキュー構造とした回転子が提示されている(たとえば特許文献１参照）。
特開２００４−２４８４２２号公報

図１６および図１７は、上記特許文献１の技術を三相の同期電動機に適用した従来例を示す。すなわち、回転子１００は、軸方向に等しい厚み寸法を有する２個のブロック１０１、１０２に分割されている。そして、これらのブロック１０１、１０２は、これらの外周部に埋設された永久磁石(磁極)１０１ａ、１０２ａの中心線をＬ１、Ｌ２としたとき、中心線Ｌ２が中心線Ｌ１に対して角度β（電気角）を存して回転子１００の回転方向Ｘにずれるように構成されている。この結果、中心線Ｌ１、Ｌ２の軌跡は、図１７に示すように角度βだけずれるようになるので、段階的スキューとなって誘導電動機における回転子のスキューの効果と類似した効果を得ることができる。

ところが、本発明者の検証によると、上記従来例によれば、角度βを設定することよりトルク脈動の高調波成分の特定次数は減少させることができるが、２以上の次数の高調波成分を減少させるには有効ではない、という結果が得られた。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、段階的スキュー構造であってもトルク脈動の高調波成分の２以上の次数の成分の減少を図ることができる回転電機を提供することにある。

請求項１の発明の回転電機は、固定子鉄心に固定子巻線が巻装されてなる固定子と、この固定子の界磁空間に配置され、回転子鉄心の外周部に磁極形成用の永久磁石が配設されてなる回転子とを具備し、前記回転子鉄心は、軸方向に互いに略等しい厚み寸法を有するｍ個（ｍは３以上の整数）のブロックに分割され、電気角における基本次数１次に対して打ち消したい次数をｎ×１、ｎ×２、……ｎ×（ｍ−１）（ｎは整数）とすると、ｍ個のブロックは、夫々の磁極が電気角でΘ（＝３６０／ｎ／ｍ）度順次ずれた位置に位置するように構成されていることを特徴とする。

請求項２の発明の回転電機は、回転子鉄心は、軸方向に互いに略等しい厚み寸法を有する３個のブロックに分割され、電気角における基本次数１次に対して打ち消したい次数をｎ×１およびｎ×２とすると、３分割されたブロックのうちの中央のブロックは、磁極が設定された基準位置に位置するように構成され、その両端のブロックのうちの一方のブロックは、磁極が前記基準位置より反回転方向に電気角でΘ（＝３６０／ｎ／３）度だけずれた位置に位置するように構成され、他方のブロックは、磁極が前記基準位置より回転方向に電気角でΘ（＝３６０／ｎ／３）度だけずれた位置に位置するように構成されていることを特徴とする。

請求項１の発明の回転電機によれば、回転子鉄心のｍ個のブロックにおいて、各磁極の中心線の軌跡は、角度Θだけ順次ずれるようになるので、段階的なスキュー構造になって、誘導電動機における回転子のスキューと同様の効果を得ることができ、特に、トルク脈動の２以上の次数たるｎ×１、ｎ×２、……ｎ×（ｍ−１）次の高調波成分の減少を図ることができる。

請求項２の発明の回転電機によれば、回転子の中央のブロックにおける磁極の中心線の軌跡に対して、両端のブロックのうちの一方のブロックにおける磁極の中心線の軌跡は、反回転方向側に所定角度Θだけずれるとともに、他方のブロックにおける磁極の中心線の軌跡は、回転方向側に所定角度Θだけずれるようになるので、段階的なスキュー構造になって、誘導電動機における回転子のスキューと同様の効果を得ることができ、特に、トルク脈動の２の次数たる１×ｎ次および２×ｎ次の高調波成分の減少を図ることができる。

以下、本発明を三相の同期電動機に適用した第１の実施例につき、図１ないし図６を参照して説明する。
図２に示すように、三相の同期電動機１は、固定子２と回転子３とを備えている。固定子２は、円環状の多数の鉄心材たる珪素鋼鈑を積層してなる固定子鉄心４に三相の固定子巻線４Ｕ、４Ｖ、４Ｗを卷装して構成されており、その固定子鉄心４には、固定子巻線４Ｕ、４Ｖ、４Ｗを収納するためのＮ個例えば４８個のスロット５が形成されている。

回転子３は、円環状の多数の鉄心材たる珪素鋼鈑を積層してなる回転子鉄心６を有する。回転子鉄心６の外周部には、直線状をなすＰ個例えば８個の磁石挿入孔部７が等間隔に全周にわたって形成されており、各磁石挿入孔部７には、磁極としての平板状の永久磁石８が挿入されて接着、充填材などにより固定されている。したがって、磁極としての永久磁石８もＰ個例えば８個である。そして、回転子鉄心６の内周部には、１８０度の間隔を存して、２個のキー９ａ、９ｂが形成されており、これらのキー９ａ、９ｂは、回転子鉄心６の内周部に嵌込み固定される回転軸の外周部のキー溝（いずれも図示せず）に係合するようになっている。

しかして、本実施例では、回転子鉄心６（回転子３）において、回転子鉄心６の中心Ｏとキー９ａ、９ｂの中心を通る中心線を基準線（基準位置）Ｌｓに設定されている。そして、回転子３は、固定子２の界磁空間内に配置されて、その回転軸は、図示しない機枠の軸受に支承され、もって、スロット数４８（Ｎ個）および磁極数８（Ｐ個），毎極毎相２スロットの三相同期電動機１が構成される。

さて、回転子鉄心６（永久磁石８も含む）は、図１および図３に示すように、軸方向に互いに等しい厚み寸法の複数個たとえば３個のブロック１０、１１、１２に分割されている。

まず、ブロック１０においては、図４に示すように、８個の磁極を構成する永久磁石８は、符号８ａで示されており、そのうちの基準と設定された永久磁石８ａは、符号８ａｓで示されている。そして、ブロック１０おいて、磁極を形成する永久磁石８ａは、中心Ｏと基準の永久磁石８ａｓの中心を通る中心線Ｌａが前記基準線Ｌｓより回転方向Ｘとは反対方向（反時計方向）に角度Θ（電気角）だけずれるように構成されている。

ブロック１１においては、図５に示すように、８個の磁極を構成する永久磁石８は、符号８bで示されており、そのうちの基準と設定された永久磁石８ｂは、符号８ｂｓで示されている。そして、ブロック１1において、磁極を構成する永久磁石８ｂは、中心Ｏと基準の永久磁石８ｂｓの中心を通る中心線Ｌｂが前記基準線Ｌｓと一致するように構成されている。

そして、ブロック１２においては、図６に示すように、８個の磁極を構成する永久磁石８は、符号８ｃで示されており、そのうちの基準と設定された永久磁石８ｃは、符号８ｃｓで示されている。そして、ブロック１２において、磁極を構成する永久磁石８ｃは、中心Ｏと基準の永久磁石８ｃｓの中心を通る中心線Ｌｃが前記基準線Ｌｓより回転方向Ｘ（時計方向）に角度Θだけずれるように構成されている。

この場合、図４および図６に示すように、ロック１２は、ブロック１０に対して表裏反転（基準線Ｌｓを中心に１８０回転）させた形態になるので、２つのブロック１０、１０を構成してその１つのブロック１０を表裏反転することによりブロック１２を構成できる。したがって、ブロック１０、１１、１２を構成するにあたっては、ブロック１０を構成するための鉄心材とブロック１１を構成するための鉄心材との２種類の鉄心材を製作するだけでよい。

以上のように、回転子鉄心６（回転子３）においては、中央のブロック１１は、永久磁石８ｂが設定された基準位置に位置するように構成され、その両端の一方のブロック１０は、永久磁石８ａが前記基準位置より回転方向Ｘと反対方向に角度Θだけずれた位置に位置するように構成され、該両端の他方のブロック１２は、永久磁石８ｃが前記基準位置より回転方向Ｘに所定角度Θだけずれた位置に位置するように構成されている、この結果、ブロック１０、１１、１２の中心線Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃの軌跡は、図１に一点鎖線で示すようになる。すなわち、ブロック１１の中心線Ｌｂの軌跡は、直線状をなし、ブロック１０の中心線Ｌａの軌跡は、直線状をなして中心線Ｌｂの軌跡に対し回転方向Ｘとは反対方向に所定角度Θだけずれた位置に位置し、ブロック１２の中心線Ｌｃの軌跡は、直線状をなして中心線Ｌｂの軌跡に対し回転方向Ｘに所定角度Θだけずれた位置に位置し、以上により、段階的なスキューが構成されるようになる。

しかして、本実施例においては、回転子鉄心６の分割数を３とし、電気角における基本次数１次に対して打ち消したいトルク脈動の高調波成分の次数をｎ×１、ｎ×２（ｎは整数）とすると、角度Θは（３６０／ｎ／３）度に設定されている。

ここで、図３（図１）において、中央のブロック１１の発生するトルクをＴ^０、左側のブロック１０の発生するトルクをＴ^＋、右側のブロック１２の発生するトルクをＴ⁻とすると、これらはそれぞれ以下のように表される。

ただし、Ｔ_０は平均トルク、Ｔ_ｎはｎ次成分のトルクの振幅値、Ｔ_２ｎは２ｎ次成分のトルクの振幅値、α_ｎはｎ次成分のトルクの位相、α_２ｎは２ｎ次成分のトルクの位相、θは回転角度（電気角）を示す。

そして、上記（１）〜（３）式から、回転子３のトルクＴは、
Ｔ＝（Ｔ^０＋Ｔ^＋＋Ｔ⁻）／３＝Ｔ_０ …………（４）
となる。すなわち、トルク脈動のｎ次および２ｎ次の２つの次数の高調波成分が打ち消されたことになる。なお、ｎを６（ｎ＝６）に設定すれば、この種の同期電動機１に顕著なトルク脈動の６次および１２次の高調波成分が打ち消されるようになり、このときの角度Θは、
Θ＝３６０／ｎ／３＝３６０／６／３＝２０（度） …………（５）
である。

このように本実施例によれば、回転子３の回転子鉄心６が３個のブロック１０、１１、１２に分割され、中央のブロック１１の中心線Ｌｂの軌跡に対して、一端のブロック１０の中心線Ｌａの軌跡は反回転方向Ｘと反対方向側に角度Θ（＝３６０／ｎ／３）度だけずれるとともに、他端のブロック１２の中心線Ｌｃの軌跡は回転方向Ｘ側に角度Θ度だけずれるようにしたので、これらの中心線Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃの軌跡は、段階的なスキューとなって誘導電動機における回転子のスキューと同様の効果を得ることができ、特に、トルク脈動のｎ次および２ｎ次の高調波成分を打ち消すことができて、ｎ次成分および２ｎ次成分のトルク脈動による振動、騒音を減少させることができる。この場合、ｎを６に設定して角度Θを２０度にすれば、トルク脈動の６次および１２次の高調波成分を打ち消すことができる。

図７および図８は本発明の第２の実施例であり、上記第１の実施例と同一部分には同一符号を付して示し、以下、異なる部分について説明する。
この第２の実施例においては、第１の実施例の回転子３における回転子鉄心６の３個のブロック１０、１１、１２がそれぞれ更に２分割されて６個のブロック１０ａ、１０ａ、１１ａ、１１ａ、１２ａ、１２ａに構成されている。そして、これらの６個のブロック１０ａ、１０ａ、１１ａ、１１ａ、１２ａ、１２ａは、図７において左側から右方に向かって（図８において上側から下方に向かって）１０ａ、１１ａ、１２ａ、１２ａ、１１ａ、１０ａの順序で配置されている。

この第２の実施例においても、トルク脈動のｎ次および２ｎ次の高調波成分を打ち消すことができる原理は第１の実施例と同じであり、第１の実施例と同様の効果を奏する。
図９および図１０は本発明の第３の実施例であり、上記第２の実施例と同一部分には同一符号を付して示し、以下、異なる部分について説明する。

この第３の実施例においては、第２の実施例と同様に、回転子３における回転子鉄心６は、６個のブロック１０ａ、１０ａ、１１ａ、１１ａ、１２ａ、１２ａに分割して構成されている。そして、これらの６個のブロック１０ａ、１０ａ、１１ａ、１１ａ、１２ａ、１２ａは、図９において左側から右方に向かって（図１０において上側から下方に向かって）１０ａ、１１ａ、１２ａ、１０ａ、１１ａ、１２ａの順序で配置されている。

この第３の実施例においても、トルク脈動のｎ次および２ｎ次の高調波成分を打ち消すことができる原理は第１の実施例と同じであり、第１の実施例と同様の効果を奏する。
図１１ないし図１５は本発明の第４の実施例であり、上記第１および第２の実施例と同一部分には同一符号を付して示し、以下、異なる部分について説明する。

この第４の実施例においては、第２の実施例と同様に、回転子３における回転子鉄心６は、一応６個のブロック１０ａ、１０ａ、１１ａ、１１ａ、１２ａ、１２ａに分割して構成されている。ただし、これらの６個のブロック１０ａ、１０ａ、１１ａ、１１ａ、１２ａ、１２ａうち、一方の群のブロック１０ａ、１１ａ、１２ａは、図４、５、６に示すブロック１０、１１、１２と同一の構成であるが、他方の群のブロック１０ａ、１１ａ、１２ａは、図１２、１３、１４に示すように、図４、５、６に示すブロック１０、１１、１２を上下反転（図４、５、６に示す平面において１８０度回転）させたブロック１０ｂ、１１ｂ、１２ｂとして構成されている。そして、これらの６個のブロック１０ａ、１０ｂ、１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂは、図１１において左側から右方に向かって（図１５において上側から下方に向かって）同順序で配置されている。したがって、この第４の実施例によっても、第１の実施例と同様の効果を奏する。

ところで、回転子鉄心６を構成する円環状の珪素鋼板は、圧延処理された長尺な珪素鋼板を打ち抜いて形成されるのであるが、圧延処理に起因して圧延方向および圧延方向と直角な方向に厚み寸法の偏差が生じることが知られている。ここで、図４、５、６のブロック１０，１１、１２を構成する珪素鋼鈑の圧延方向が同図の左側から右方向であったとすると、第４の実施例のように、ブロック１０ａ、１１ａ、１２ａは、図４、５、６に示すブロック１０、１１、１２と同一の構成とし、ブロック１０ｂ、１１ｂ、１２ｂは、図４、５、６に示すブロック１０、１１、１２を上下反転して構成すれば、上記厚み寸法の偏差を吸収することができて、回転子鉄心６を全体として均一な厚みとすることができる。

なお、第１の実施例では、回転子３の回転子鉄心６を軸方向に等しい厚み寸法を有する３個のブロック１０、１１、１２に分割するようにしたが、厳密に等しい厚み寸法にする必要はなく、略等しい厚み寸法にすればよい。第２ないし第４の実施例においても同様である。

また、第１の実施例では、回転子３の回転子鉄心６を軸方向に等しい厚み寸法を有する３個のブロック１０、１１、１２に分割するよいにしたが、これに限定されるものではない。たとえば、回転子の回転子鉄心を、軸方向に互いに略等しい厚み寸法を有するｍ個（ｍは３以上の整数）のブロックに分割し、電気角における基本次数１次に対して打ち消したい次数をｎ×１、ｎ×２、……ｎ×（ｍ−１）（ｎは整数）とすると、ｍ個のブロックそ、それぞれの磁極が電気角で角度Θ（＝３６０／ｎ／ｍ）度順次ずれた位置に位置するように構成する。

このような構成とすれば、第１の実施例と同様の原理に基づき、前述したようなトルク脈動のｎ×１、ｎ×２、……ｎ×（ｍ−１）次の高調波成分を打ち消すことができ、振動、騒音を減少させることができる。

その他、本発明は上記しかつ図面に示す実施例に限定されるものではなく、次のような変形、拡張が可能である。
上記実施例では、回転子鉄心６において、その中心Ｏとキー９ａ、９ｂの中心とによって基準線（基準位置）Ｌｓを設定するようにしたが、その他の手段によって基準位置を設定するようにしてもよい。

上記実施例では、回転子鉄心６の外周部に永久磁石８を埋設するようにしたが、回転子鉄心の外周部の周面に永久磁石を貼着するようにしてもよい。
上記実施例では、スロット数４８および磁極数８の同期電動機１としてが、これに限定されない。

また、上記実施例は、本発明を三相の同期電動機に適用した場合であるが、これに限らず、同期発電機にも適用し得るばかりでなく、永久磁石形の回転電機全般に適用することができる。

本発明の第１の実施例を示す回転子の部分拡大展開図 回転軸を除去した状態の同期電動機の正面図 回転子の側面図 図３のＡ−Ａに沿う断面図 図３のＢ−Ｂに沿う断面図 図３のＣ−Ｃに沿う断面図 本発明の第２の実施例を示す図３相当図 図１相当図 本発明の第３の実施例を示す図３相当図 図１相当図 本発明の第４の実施例を示す図３相当図 図１１のＤ−Ｄに沿う断面図 図１１のＥ−Ｅに沿う断面図 図１１のＦ−Ｆに沿う断面図 図１相当図 従来例を示す図３相当図 図１相当図

符号の説明

図面中、１は同期電動機（回転電機）、２は固定子、３は回転子、４は固定子鉄心、４Ｕ、４Ｖ、４Ｗは固定子巻線、５はスロット、６は回転子鉄心、７磁石挿入孔部．８（８ａ、８ｂ、８ｃ）は永久磁石（磁極）、９ａ、９ｂはキー、１０、１１、１２（１０ａ、１０ｂ、１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂ）はブロック、Ｌｓは基準線、Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃは中心線を示す。

Claims (3)

1. 固定子鉄心に固定子巻線が巻装されてなる固定子と、
   この固定子の界磁空間に配置され、回転子鉄心の外周部に磁極形成用の永久磁石が配設されてなる回転子とを具備し、
   前記回転子鉄心は、軸方向に互いに略等しい厚み寸法を有するｍ個（ｍは３以上の整数）のブロックに分割され、電気角における基本次数１次に対して打ち消したい次数をｎ×１、ｎ×２、……ｎ×（ｍ−１）（ｎは整数）とすると、ｍ個のブロックは、それぞれの磁極が電気角でΘ（＝３６０／ｎ／ｍ）度順次ずれた位置に位置するように構成されていることを特徴とする回転電機。
2. 回転子鉄心は、軸方向に互いに略等しい厚み寸法を有する３個のブロックに分割され、電気角における基本次数１次に対して打ち消したい次数をｎ×１およびｎ×２とすると、３分割されたブロックのうちの中央のブロックは、磁極が設定された基準位置に位置するように構成され、その両端のブロックのうちの一方のブロックは、磁極が前記基準位置より反回転方向に電気角でΘ（＝３６０／ｎ／３）度だけずれた位置に位置するように構成され、他方のブロックは、磁極が前記基準位置より回転方向に電気角でΘ（＝３６０／ｎ／３）度だけずれた位置に位置するように構成されていることを特徴とする請求項１記載の回転電機。
3. 回転子鉄心は、各ブロックが更に２つに分割されて合計６ブロックに分割されていることを特著とする請求項２記載の回転電機。

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