JP2010035294A - 永久磁石同期電動機 - Google Patents

Abstract

【課題】
低速・大トルク，大電流駆動時に適した固定子構造を適用することにより、大電流時に生じる磁気飽和によるトルク低下、及び電流増に伴う損失，発熱の増大を軽減できる永久磁石同期電動機を提供すること。
【解決手段】
スロットの幅を径方向に対し一定とし、スロット底部をスロット幅の１／２の長さが半径となる円弧状とし、かつティース内周側端部からスロット幅の中心に向かって周方向に伸延する磁極片を設けるように構成する。
【効果】
スロットの漏洩磁束を低減でき、有効磁束として活用できることから、高トルク，高性能な永久磁石同期電動機を提供できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、界磁用の永久磁石を回転子に備えている永久磁石同期電動機に関する。

永久磁石同期電動機は、高残留磁束密度磁石の発展に伴い性能が飛躍的に向上し、あらゆる局面で採用されている。

特に、昨今の環境規制の観点から、自動車用をはじめとする車両用電動機、またエアコン用圧縮機については高エネルギー効率が訴求されており永久磁石同期電動機の適用比率が極めて高い傾向にある。

一方、産業用電動機の分野についても、例に漏れず永久磁石同期電動機の適用比率が拡大している。とりわけ、多極機による低速・大トルク駆動による永久磁石同期電動機を適用した各種加工，成型機が、従来の油圧，空圧システムからの置き換わりが目覚しい。

多極の永久磁石同期電動機を低速・大トルクで駆動させるためには、市場で流通している永久磁石の磁気エネルギー積に限りがあることを考慮した場合、電動機の体格を大きくする、大電流を通電する等の対応を講じる必要がある。

特開２００３−１３４８２３号公報 特開２００３−１３４８２３号公報

多極の永久磁石同期電動機を低速・大トルクで駆動させるため、電動機体格を大きくする場合、電動機が組み込まれる機械側のスペースをより広く確保する必要がある。しかしながら、加工・成型機械に対する昨今のニーズは省スペース化、および搬送，据付の簡便化、すなわち小型化・軽量化であるため、電動機体格の増大によるトルクの向上対策は現実的で無いと言える。

また、電動機への通電電流の増加によるトルク向上対策については、電動機の磁気飽和により、電流に対するトルクの線形性が崩れるため所望のトルクを発生させるための通電電流をより多く通電させる必要がある。この場合、電動機に巻装された電機子巻線に生ずる銅損が顕著となり、電動機の冷却手段を別途設ける必要があり、結果的に省スペース化のニーズに逆行する形となる。

さらに、電動機へ十分な電流を供給するためには、電動機を制御する制御装置の大容量化を図る必要がある。すなわち、電力変換素子の大容量化や各部配電系統の大容量化を図るものである。この場合、使用電力量や制御装置に生じる損失の増大を招くこととなり、〔特許文献１〕に示されているような冷却，廃熱手段を設ける必要が生じ、システム全体の繁雑化やコスト増もさることながら、昨今の省エネ要求に逆行する形となることから、こちらも積極的に採用すべきではない。

本発明の目的は、低速・大トルク，大電流駆動時に適した固定子構造を適用することにより、大電流時に生じる磁気飽和によるトルク低下、及び電流増に伴う損失，発熱の増大を軽減できる永久磁石同期電動機を提供することにある。

上記課題のために本発明は、永久磁石同期電動機において、スロットの幅を径方向に対し一定とし、スロット底部をスロット幅の１／２の長さが半径となる円弧状とし、かつティース内周側端部からスロット幅の中心に向かって周方向に伸延する磁極片を設けるように構成したものである。

また、上記課題のために本発明は永久磁石同期電動機において、スロットの幅を径方向に対し一定とし、スロット底部をスロット幅の１／２の長さが半径となる円弧状とし、かつスロットに対し回転磁界の進み側に隣接するティースの内周側端部には、スロットに対し回転磁界の遅れ側に隣接するティース内周側端部に向かって周方向に伸延する磁極片を設けるように構成したものである。

また、上記課題のために本発明は永久磁石同期電動機において、固定子と、該固定子に対して隙間を介して対向配置され、回転可能に支持された回転子とを有し、前記回転子は、回転子鉄心および該回転子鉄心の内部に形成された永久磁石挿入孔に挿入された複数個の永久磁石とを備えており、前記固定子は、固定子鉄心と、該固定子鉄心に設けられた多数の固定子スロットと、該スロットと隣接するティースと、固定子スロット内に設けられた、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相からなる電機子巻線を有しており、前記スロットは、径方向に対し一定の幅を有していると共に、該スロットの開口幅は該スロットの幅と同一であることを特徴とするものである。

本発明によれば、多極の永久磁石同期電動機を低速・大トルク，大電流通電で駆動する場合に対し、スロットの漏洩磁束を低減でき、有効磁束として活用できることから、高トルク，高性能な永久磁石同期電動機を提供できる。

以下、本発明の一実施例について図面を参照して説明する。

図１は、本発明の第１の実施例による永久磁石同期電動機の固定子スロットの径方向断面拡大図である。また、図２には本発明の第１の実施例による永久磁石同期電動機の電機子巻線配置図を示し、図３に本発明の第１の実施例による永久磁石同期電動機の径方向断面図を、図４には従来技術による固定子スロットの径方向断面拡大図を各々示す。また、図５にはスロット内径方向位置に対するスロット漏洩磁束量の測定結果を、図６には電流位相に対する平均トルクの測定結果を示した。

図３において、回転子８は、シャフト１２上に設けられた回転子鉄心９の内部に、多数の磁石挿入孔１０とその内部に設けられた永久磁石１１を、磁極数が２４極となるように配置して構成している。ここで、永久磁石１１は、希土類を主成分とする平板の焼結磁石であり、磁石挿入孔１０に各々埋設している。

図１および図３において固定子１は、固定子鉄心２に設けられた多数の固定子スロットを設けている（本実施例では５４個）。このスロット３は、径方向に対し一定の幅、すなわちスロット底部の幅寸法をＷｓｂ，スロット内周側幅寸法をＷｓｔとした場合、各々が略等しくなる形状、理想的には同一となる形状としている。また、スロット３の底部３Ａはスロット幅Ｗｓｂの１／２の長さを半径とした円弧状となるように形成している。さらに、スロット内周側には電機子巻線４（底コイル４Ａ，上コイル４Ｂからなる）の脱落防止のために、スロット３に隣接するティース５の内周側端部に磁極片６を設けている。この磁極片６間にスロット開口部７を有しており、このスロット開口部７から銅素線を挿入することで電機子巻線４を形成している。

ここで、スロット３の幅を径方向に一定とした場合、ティース５の幅は固定子内径側にいくに従い細くなるため、磁路断面積が縮小し特性劣化を招く恐れがある。しかしながら、本実施例に示したように毎極毎相のスロット数を０.７５個とすることで、ティース５の幅を十分に確保できることから、特性に悪影響を及ぼす恐れがない。このことは、毎極毎相のスロット数が０.５〜２の範囲であれば、毎極毎相のスロット数が０.７５の場合と同様に特性への悪影響がないことを実験で確認したが、毎極毎相のスロット数が０.５や１.０の場合、トルクの脈動が大となってしまうこと、毎極毎相のスロット数が２.０の場合、ティース５の機械強度が弱くなる傾向になることも明らかとなった。毎極毎相のスロット数が０.７５の場合、永久磁石同期電動機の極数の設定が４の倍数極に限られてしまうデメリットもあるが、特性面から０.７５が好適である。

また、スロット底部３Ａをスロット幅Ｗｓｂの１／２の長さを半径とした円弧状となるように形成することで、低速・大トルク駆動時にティース５に加わるトルクの反力による応力集中を緩和でき、機械強度を向上させている。

図１，図２において、スロット３内には、Ｕ相コイル，Ｖ相コイル，Ｗ相コイル各々の相に対応した電機子巻線４を埋設している。各々のコイルは、前述したようにスロット３内に上コイル４Ｂ，底コイル４Ａのように２層に配置されているが、上コイル４Ｂ，底コイル４Ａは、複数本の絶縁された銅素線（図示せず）を束状にして一本のコイルを形成しており、上コイル４Ｂ，底コイル４Ａにはそれぞれ少なくとも一本以上のコイルを巻装している。ここで、絶縁された銅素線の断面形状は、市場流通性の良い丸銅線を使用するのが望ましいが、方形線を使用しても構成が可能である。

このように永久磁石同期電動機を構成した場合、次のような効果がある。

図５において、従来技術におけるスロット内径方向位置に対するスロット漏洩磁束量は、図中点線で示すように、スロット３の内周側に行くに従い多くなっていることが実験の結果明らかとなった。この理由は、図４に示したように、従来、多極の永久磁石同期電動機を低速・大トルクで駆動する場合、ティース５の磁路断面積を確保し、有効磁束を極力利用する設計思想であったため、スロット底部の幅寸法Ｗｓｂに対しスロット内周側幅寸法Ｗｓｔを小さく設定していた。しかしながら、多極の永久磁石同期電動機を低速・大トルクで駆動する場合、大電流を通電することから、スロット内周側幅寸法Ｗｓｔが小さい場合、この部分でスロット３を横断する漏洩磁束量が増加するためである。

そこで、図１〜図３にて述べた構成の永久磁石同期電動機に対し、同様の試験を実施したところ、図５中の実線で示す特性となり、スロット内径方向位置に対する漏洩磁束量を大幅に低減することができた。この効果は、図１で述べたようにスロット底部の幅寸法Ｗｓｂと、スロット内周側幅寸法Ｗｓｔとを等しくすることで生じる事が分かった。

この理由は、スロット内周側幅寸法Ｗｓｔをより大きくすることにより、スロット内周側の磁気抵抗を大きくできるためである。

その結果、図６に示したように、平均トルクとして約５％以上向上でき、電流位相によってもその傾向は一定であることが確認された。言い換えると、同一トルクを出力するのでれば、電流値を５％以上低減できることとなり、電機子巻線に生じる銅損としては約１０％以上低減できる。

この結果を鑑み、図１に示す固定子構造とすることで、スロットに漏洩する磁束量を低減し有効磁束として利用でき、特性の良好な永久磁石同期電動機を提供できる。

図７は、本発明の第２の実施例に係る永久磁石同期電動機の固定子スロットの径方向断面図を示し、図８には本発明の第２の実施例に係る電機子巻線配置図を示す。

図７，図８において、図１〜図３と同一符号のものは同一の構成要素の部材であることから、重複説明は避ける。

本構成が図１〜図３と異なる点は、磁極片６をスロット３に対し回転方向の進み側のみに設けた点にある。

このように構成すれば、図１〜図３と同様の効果が得られるとともに、大トルク運転時は回転方向に対し進み側にギャップ磁束が傾く傾向にあることから、トルクに寄与する磁束成分が増え、永久磁石同期電動機の性能をより向上させることができる。

図９は、本発明の第３の実施例に係る永久磁石同期電動機の電機子巻線配置図を示し、図１０には本発明の第３の実施例に係る永久磁石同期電動機の径方向断面図を示す。

図９，図１０において、図２，図３と同一符号のものは同一の構成要素の部材であることから、重複説明は避ける。

本構成が図２，図３と異なる点は、毎極毎相のスロット数を１.５としている点にある。

このように構成しても、図２，図３と同様の効果が得られるとともに、永久磁石同期電動機の極数の設定を２の倍数極に設定できるため、毎極毎相のスロット数が０.７５の場合に対し、より設計の自由度が増すなどのメリットがある。

以上、本発明の実施例によれば、多極の永久磁石同期電動機を低速・大トルク，大電流通電で駆動する場合に対し、スロットの漏洩磁束を低減でき、有効磁束として活用できることから、高トルク，高性能な永久磁石同期電動機を提供できる。

本発明の第１の実施例による永久磁石同期電動機の固定子スロットの径方向断面拡大図。 本発明の第１の実施例による永久磁石同期電動機の電機子巻線配置図。 本発明の第１の実施例による永久磁石同期電動機の径方向断面図。 従来技術による固定子スロットの径方向断面拡大図。 スロット内径方向位置に対するスロット漏洩磁束量の測定結果。 電流位相に対する平均トルクの測定結果。 本発明の第２の実施例に係る永久磁石同期電動機の固定子スロットの径方向断面図。 本発明の第２の実施例に係る電機子巻線配置図。 本発明の第３の実施例に係る永久磁石同期電動機の電機子巻線配置図。 本発明の第３の実施例に係る永久磁石同期電動機の径方向断面図。

符号の説明

１ 固定子
２ 固定子鉄心
３ スロット
４ 電機子巻線
５ ティース
６ 磁極片
７ スロット開口部
８ 回転子
９ 回転子鉄心
１０ 磁石挿入孔
１１ 永久磁石
１２ シャフト

Claims (10)

1. 固定子と、該固定子に対して隙間を介して対向配置され、回転可能に支持された回転子と、
   前記回転子は、回転子鉄心および該回転子鉄心の内部に形成された永久磁石挿入孔に挿入された複数個の永久磁石と、
   前記固定子は、固定子鉄心と、該固定子鉄心に設けられた多数の固定子スロットと、
   該スロットと隣接するティースと、固定子スロット内に設けられた、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相からなる電機子巻線を備え、
   前記スロットは、径方向に対し一定の幅を有していると共に、
   該スロットの開口幅は該スロットの幅と略同一であることを特徴とする永久磁石同期電動機。
2. 固定子と、該固定子に対して隙間を介して対向配置され、回転可能に支持された回転子と、
   前記回転子は、回転子鉄心および該回転子鉄心の内部に形成された永久磁石挿入孔に挿入された複数個の永久磁石と、
   前記固定子は、固定子鉄心と、該固定子鉄心に設けられた多数の固定子スロットと、
   該スロットと隣接するティースと、固定子スロット内に設けられた、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相からなる電機子巻線を備え、
   前記スロットは、径方向に対し一定の幅を有していると共に、
   該スロットの両側に隣接する前記ティースは、内周側端部からスロット幅の中心に向かって周方向に伸延する磁極片を有し、
   該スロットの開口部は前記磁極片間に配置されていることを特徴とする永久磁石同期電動機。
3. 固定子と、該固定子に対して隙間を介して対向配置され、回転可能に支持された回転子と、
   前記回転子は、回転子鉄心および該回転子鉄心の内部に形成された永久磁石挿入孔に挿入された複数個の永久磁石と、
   前記固定子は、固定子鉄心と、該固定子鉄心に設けられた多数の固定子スロットと、
   該スロットと隣接するティースと、固定子スロット内に設けられた、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相からなる電機子巻線を備え、
   前記スロットは、径方向に対し一定の幅を有していると共に、該スロットの底部はスロット幅の１／２の長さを半径とする円弧状をしており、
   該スロットの両側に隣接する前記ティースは、内周側端部からスロット幅の中心に向かって周方向に伸延する磁極片を有し、
   該スロットの開口部は前記磁極片間に配置されていることを特徴とする永久磁石同期電動機。
4. 固定子と、該固定子に対して隙間を介して対向配置され、回転可能に支持された回転子と、
   前記回転子は、回転子鉄心および該回転子鉄心の内部に形成された永久磁石挿入孔に挿入された複数個の永久磁石と、
   前記固定子は、固定子鉄心と、該固定子鉄心に設けられた多数の固定子スロットと、
   該スロットと隣接するティースと、固定子スロット内に設けられた、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相からなる電機子巻線を備え、
   前記スロットは、径方向に対し一定の幅を有していると共に、
   該スロットに対し回転磁界の進み側に隣接する前記ティースは、内周側端部から前記スロットに対し回転磁界の遅れ側に隣接するティース内周側端部に向かって周方向に伸延する磁極片を有し、
   該スロットの開口部は前記磁極片とティース端部との間に配置されていることを特徴とする永久磁石同期電動機。
5. 固定子と、該固定子に対して隙間を介して対向配置され、回転可能に支持された回転子と、
   前記回転子は、回転子鉄心および該回転子鉄心の内部に形成された永久磁石挿入孔に挿入された複数個の永久磁石と、
   前記固定子は、固定子鉄心と、該固定子鉄心に設けられた多数の固定子スロットと、
   該スロットと隣接するティースと、固定子スロット内に設けられた、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相からなる電機子巻線を備え、
   前記スロットは、径方向に対し一定の幅を有していると共に、該スロットの底部はスロット幅の１／２の長さを半径とする円弧状をしており、
   該スロットに対し回転磁界の進み側に隣接する前記ティースは、内周側端部から前記スロットに対し回転磁界の遅れ側に隣接するティース内周側端部に向かって周方向に伸延する磁極片を有し、
   該スロットの開口部は前記磁極片とティース端部との間に配置されていることを特徴とする永久磁石同期電動機。
6. 請求項２乃至５記載のうちの１つの永久磁石同期電動機において、
   前記スロット幅に対する該スロット開口幅の比は、１.０未満としたことを特徴とする永久磁石同期電動機。
7. 請求項１乃至５記載のうちの１つの永久磁石同期電動機において、
   前記電機子巻線は、複数本の絶縁された銅素線が束状に構成され、該束状の電機子巻線が前記スロット内に少なくとも１本以上具備したことを特徴とする永久磁石同期電動機。
8. 請求項７の永久磁石同期電動機において、
   前記銅素線の断面形状は円形または方形であることを特徴とする永久磁石同期電動機。
9. 請求項１乃至８記載のうちの１つの永久磁石同期電動機において、
   前記固定子に具備する前記スロット数は、毎極毎相あたり０.５〜２の範囲であることを特徴とする永久磁石同期電動機。
10. 制御対象であるサーボモータと、前記サーボモータに機械的に結合した駆動機構と、
    設定された制御パラメータに従って前記サーボモータを駆動制御する駆動制御装置を有するサーボ駆動システムにおいて、前記サーボモータが請求項１乃至８記載のうちの１つの永久磁石同期電動機であることを特徴とするサーボ駆動システム。

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