JP2010045870A

JP2010045870A - 回転機

Info

Publication number: JP2010045870A
Application number: JP2008206180A
Authority: JP
Inventors: Hideki Oguchi; 英樹大口; Akihide Mashita; 明秀真下; Hideo Hirose; 英男廣瀬
Original assignee: Fuji Electric Systems Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2008-08-08
Filing date: 2008-08-08
Publication date: 2010-02-25

Abstract

【課題】製造コストの大幅な増加を抑制しながら渦電流損失を低減することができる回転機を提供する。
【解決手段】
固定子用コアプレートを積層して構成される固定子コアと該固定子コアに巻装した励磁コイルとを有する固定子と、該固定子と所定の空隙を隔てて対向し、回転子用コアプレートを積層して構成される回転子コアと該回転子コアに形成された複数の磁極とを有する回転子とを備え、前記固定子用コアプレートの板厚を前記回転子用コアプレートの板厚よりも薄く設定した。
【選択図】図１

Description

本発明は、固定子と所定の空隙を有して対向して回転する回転子とを備えた回転機に関する。

最近、環境問題、省資源、省エネルギの観点から、回転機の効率化に注目が集まっている。従来、交流可変速機として誘導電動機が広く用いられており、簡易構造で堅固であり、インバータによる駆動システムも完成度が高い。しかしながら、誘導電動機は駆動原理的にスリップを必要とするため、２次側導体に損失が発生し効率低下を招く。
誘導電動機に対し、同じ交流可変速機として用いられる同期電動機は上述のスリップを必要とせず、特に同期電動機の一つである永久磁石式回転機は界磁に回転子の永久磁石を用いるため励磁損失を発生せず、高効率駆動可能であるため、誘導電動機に変わり主流となり得る回転機として期待が集まっている。

永久磁石式回転機では、固定子を構成する固定子コア及び回転子を構成する回転子コアが共に０．３ｍｍ〜０．５ｍｍの高透磁率の硅素鋼板を積層して構成されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００２−２３８１９０号公報（段落番号「００３３」及び「００５５」参照）

しかしながら、上記特許文献１に記載された従来例にあっては、回転子コア及び固定子コアを構成する硅素鋼板の板厚が共に０．３ｍｍ〜０．５ｍｍと記載され、両者の板厚を異ならせることについては言及しておらず、回転子コア及び固定子コアを形成する硅素鋼板の板厚は等しく設定されているものと推定される。
例えば電磁鋼板を打ち抜いて形成されるコアプレートに、図６に示すように、磁束が流れると、その磁束を打ち消す方向の磁束を発生しようとする作用が働き、渦電流が流れ、渦電流により損失が発生する。この渦電流損失を低減するための１つの施策として、渦電流の流れる経路を短くする方法がある。

また、渦電流損失Ｆｅは下記（１）式で表すことができる。
Ｆｅ＝ｋｅ（ｔｆＢｍ）²／ρ …………（１）
ここで、ｋｅは比例定数、ｔは板厚、ｆは周波数、Ｂｍは最大磁束密度、ρは抵抗率である。
したがって、渦電流損失Ｆｅは板厚ｔの二乗に比例するため、板厚ｔを薄くすることが渦電流損失Ｆｅの低減に効果があることが分かる。

渦電流損失を低減させるため、回転機には薄い板状の電磁鋼板がよく用いられる。現状ラインナップされている電磁鋼板のうち、回転機に使用される電磁鋼板の板厚ｔは０．１ｍｍ、０．２ｍｍ、０．３５ｍｍ、０．５ｍｍである。電磁鋼板の価格は、板厚が薄いほど効果となる。
永久磁石式回転機においては、通常は固定子コアと回転子コアには同一の厚みの電磁鋼板を打ち抜いたコアプレートを積層するのが一般的であり、数ｋＷ以上の回転機においては、板厚は電磁鋼板を積層する際の製造の手間を考慮して０．５ｍｍがよく用いられる。

単に、渦電流損失の低減を目的として極端に薄い電磁鋼板例えば０．１ｍｍ未満の板厚の電磁鋼板を用いると、低損失化は十分に図れる一方、電磁鋼板の価格が非常に高くなるために回転機のコストアップを招く。さらに厚い板を使用して回転機を製造する場合に比較して、積層枚数の増加及び極薄電磁鋼板を所望形状に成形加工するために高度な加工技術、設備を必要とするため、回転機の製造コストは増加してしまうという未解決の課題がある。
そこで、本発明は上記従来例の未解決の課題に着目してなされたものであり、製造コストの大幅な増加を抑制しながら渦電流損失を低減することができる回転機を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、請求項１に係る回転機は、固定子用コアプレートを積層して構成される固定子コアと該固定子コアに巻装した励磁コイルとを有する固定子と、該固定子と所定の空隙を隔てて対向し、回転子用コアプレートを積層して構成される回転子コアと該回転子コアに形成された複数の磁極とを有する回転子とを備え、前記固定子用コアプレートの板厚を前記回転子用コアプレートの板厚よりも薄く設定したことを特徴としている。

また、請求項２に係る回転機は、請求項１に係る発明において、前記回転子用コアプレートの板厚を０．５ｍｍとし、前記固定子用コアプレートの板厚を０．５ｍｍ未満で且つ０．１ｍｍ以上の範囲に設定したことを特徴としている。
また、請求項３に係る回転機は、請求項１又は２に係る発明において、前記回転子は永久磁石式回転機の埋込磁石構造を有することを特徴としている。
また、請求項４に係る回転機は、請求項１又は２に係る発明において、前記回転子は永久磁石式回転機の表面磁石構造を有することを特徴としている。

請求項１に係る発明によれば、固定子コアに生じる渦電流損失に比較して回転子コアに生じる渦電流損失が小さいことに着目し、渦電流損失が大きい固定子コアのコアプレートの板厚を、回転子コアのコアプレートの板厚より薄くすることにより、大幅なコストアップを抑制しながら渦電流損失を低減することができるという効果が得られる。

また、請求項２に係る発明によれば、回転子コアを構成する回転子用コアプレートの板厚を０．５ｍｍとし、固定子コアを構成する固定子用コアプレートの板厚を０．５ｍｍ未満で且つ０．１ｍｍ以上とすることにより、コストアップを確実に抑制しながら渦電流損失を低減することができるという効果が得られる。ここで、固定子用コアプレートの板厚を０．１ｍｍ未満に設定すると、渦電流損失低減効果はより大きくなるものの、積層枚数の増加及び極薄のコアプレートを所望形状に成形加工するために高度な加工技術及び設備を必要とするため回転機の製造コストが大幅に増加することになり好ましくない。

また、請求項３に係る発明によれば、回転子を永久磁石式回転機の埋込磁石構造とすることにより、誘導電動機に比較して効率を向上させた回転機を得ることができる。
また、請求項４に係る発明によれば、回転子を永久磁石式回転機の表面磁石構造とすることにより、誘導電動機に比較して効率を向上させた回転機を得ることができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明を適用し得る永久磁石形回転機の上半部を断面とした側面図、図２は図１のＡ−Ａ線上の断面図である。図１において、永久磁石式回転機１は埋込磁石（ＩＰＭ：ＩｎｔｅｒｉｏｒＰｅｒｍａｎｅｎｔＭａｇｎｅｔ）構造を有する永久磁石式回転機で構成されている。この永久磁石式回転機１は、外周面にフィンを形成した円筒状フレーム２を有する。この円筒状フレーム２の内周側には固定子３が配置され、この固定子３の内周側には所定のエアギャップＧを介して対向する回転子４が配置されている。この回転子４はフレーム２に配設された一対の軸受５ａ及び５ｂによって回転自在に支持された回転軸６に装着されている。

固定子３は、図２に示すように、高透磁率の鋼板を打ち抜いた固定子用コアプレート７が積層されて形成された固定子コア８を有し、この固定子コア８には、外周面側にヨーク部８ａが形成されているとともに、内周面側に円周方向に等間隔で１２個のスロット８ｂが形成されて１２個のティース８ｃが形成されている。各ティース８ｃには図１に示すようにスロット８ｂ内に巻装された励磁コイル９が巻回されている。ここで、固定子コア８のヨーク部８ａの厚みを厚くすることで磁束密度を低下させて回転機効率を向上させることができる。また、励磁コイル９の巻き方については大別すると集中巻と分布巻とに分けられる。本発明は集中巻及び分布巻の両者において効果を発揮するものであり、図２によって巻き方が限定されるものではない。

一方、回転子４は、図２に示すように、高透磁率の鋼板を打ち抜いた回転子用コアプレート１１が積層されて形成された４つの磁極１２を有する回転子コア１３を備えている。この回転子コア１３は、軸方向に貫通して形成された複数例えば４個のスロット１４と、これらスロット１４内に周方向に隣り合う磁極１２が異極性となるように挿入した永久磁石１５とを備えている。ここで、永久磁石１５は希土類磁石で構成されている。

そして、本実施形態では、固定子用コアプレート７の板厚が回転子用コアプレート１１の板厚よりも薄く設定されている。具体的には、回転子用コアプレート１１の板厚が０．５ｍｍに設定され、固定子用コアプレート７の板厚が０．５ｍｍ未満で且つ０．１ｍｍ以上の範囲内に設定し、好ましくは電磁鋼板で市販されている板厚０．３５ｍｍ又は０．２ｍｍに設定する。

このように、固定子用コアプレート７の板厚ｔ〔ｍｍ〕を０．５＞ｔ≧０．１の範囲内に設定する理由は、以下の通りである。
固定子コア８及び回転子コア１３に生じる渦電流損失は、回転機を駆動するインバータのキャリア高調波の次数別に表すと図３（ａ）及び（ｂ）に示すように、固定子３の渦電流損失の方が回転子４の渦電流損失より大きくなることが知られている（「キャリア高調波を考慮したＩＰＭモータの鉄損解析」電気学会論文誌Ｄ、１２５巻７号、２００５年参照）。

一方、電磁鋼板を打ち抜いて形成される固定子用コアプレート７の板厚に対する渦電流損失の関係は、図４に示すように、固定子用コアプレート７の板厚を回転子用コアプレート１１の板厚と等しい０．５ｍｍであるときの渦電流損失を１００％として規格化したとき、渦電流損失が５％程度となり、大きな渦電流損失低減効果を発揮する。
ところで、固定子用コアプレート７の板厚を０．１ｍｍ未満とした場合には、さらなる渦電流損失低減効果を発揮することができるものであるが、固定子用コアプレート７の板厚が０．１ｍｍ未満となると、所定厚みの固定子コア８を形成するために必要とする積層枚数が増加して固定子コア８を形成するための工数が増加すると共に、極薄電磁鋼板を所望形状に成形加工するために高度な加工技術、設備を必要とするため、回転機の製造コストが大幅に増加してしまうことになり、固定子コアプレート７の板厚の下限値は０．１ｍｍに設定する。

このため、市販の電磁鋼板の厚みを考慮すると、回転子用コアプレート１１の板厚を０．５ｍｍとしたとき、固定子用コアプレート７の板厚を０．３５又は０．２に設定することが製造コストの面からより好ましく、製造コスト面から判断する固定子用コアプレート１の板厚ｔを０．３５に設定することにより、製造コストを低減しながら板厚ｔを０．５ｍｍとしたときの渦電流損失に対して渦電流損失を約５０％低減することができる。
したがって、固定子用コアプレート７の板厚ｔは、使用する電磁鋼板のコストと、渦電流損失低減効果との兼ね合いによって０．１ｍｍ≦ｔ＜０．５ｍｍの範囲内で所望の板厚を設定すればよい。

上記実施形態によると、永久磁石式回転機１が埋込永久磁石式回転電機の構成を有するので、回転子４の磁極１２における永久磁石１５間の円周方向の中央部と回転軸６の軸心とを結ぶ線がｄ軸となる。また、回転子４の隣接する磁極１２間における異なる磁極の永久磁石１５間と回転軸６の軸心とを結ぶ線がｑ軸となる。このため、ｄ軸方向の磁束の磁路にはエアギャップＧと同じ磁気抵抗の大きな永久磁石１５が存在し、磁束は通りにくいが、ｑ軸方向の磁束は回転子コア１３を通ることができるため、この方向の磁気抵抗は小さくなり、ｄ軸インダクタンスＬｄとｑ軸インダクタンスＬｑとがＬｄ＜Ｌｑの突極性を有する。このため、電機子巻線の自己インダクタンス及び相互インダクタンスは回転角の２倍で変化し、さらに永久磁石の電機子鎖交磁束も回転子４の回転角の余弦で変化する。

したがって、マグネットトルクにリラクタンストルクを加算した高トルク化を図ることができる。ここでマグネットトルクは、永久磁石の電機子鎖交磁束のみの変化によりエネルギ変換が行なわれて発生するトルクである。また、リラクタンストルクは電機子自己及び相互インダクタンスの変化に応じてエアギャップＧに貯えられた磁気エネルギが機械エネルギに変換されて発生するトルクである。

そして、前述したように、永久磁石式回転機１においては、回転子４の渦電流損失が固定子３の渦電流損失に比較して小さいので、回転子４の回転子コア１３を形成する回転子用コアプレート１１の板厚ｔを０．５ｍｍに設定しても、渦電流損失は小さく抑制することができる。しかも、使用する電磁鋼板のコストは板厚が薄くなる程高くなるので、回転子用コアプレート１１の板厚ｔとして０．５ｍｍを選択することにより、固定子３を構成する場合の製造コストを抑制することができる。

一方、固定子用コアプレート７については、固定子３の渦電流損失が回転子４の渦電流損失より大きいので、回転子用コアプレート７の板厚より薄い板厚を選択することにより、固定子３の渦電流損失を低減させることができる。
そして、固定子用コアプレート７の板厚ｔの下限値は前述したように固定子コア８を形成する工数増や極薄電磁鋼板を所望形状に成形加工するために高度な加工技術、設備を必要とするため、回転機の製造コストが大幅に増加してしまうことを考慮して０．１ｍｍに設定する。好ましくは電磁鋼板の市販品の板厚である０．３５ｍｍ又は０．２ｍｍを、電磁鋼板価格と固定子３の渦電流損失の低減効果との兼ね合いによって選択する。

このように、上記実施形態によると、固定子コア８を構成する電磁鋼板から打ち抜いて形成する固定子用コアプレートの板厚を回転子コア１３を構成する同様に電磁鋼板から打ち抜いて形成する回転子用コアプレート１１の板厚未満に設定することにより、固定子３の渦電流損失を低減させることができる。
具体的には、回転子用コアプレート１１の板厚ｔを電磁鋼板の市販品の板厚である０．５ｍｍに設定し、固定子用コアプレート７の板厚ｔ〔ｍｍ〕を０．５＞ｔ≧０．１の範囲内に設定することにより、固定子３の渦電流損失を低減しながら大幅な製造コストのアップを抑制することができる。

なお、上記実施形態においては、永久磁石式回転機１として、埋込磁石構造の永久磁石式回転機を適用した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、図５に示すように、回転子４の回転子コア１３の外周面に円周方向に複数例えば４つの永久磁石３１を等間隔で配置した構成を有する表面磁石（ＳＰＭ：ＳｕｒｆａｃｅＰｅｒｍａｎｅｎｔＭａｇｎｅｔ）構造の永久磁石式回転機にも本発明を適用することができ、さらには他の固定子３及び回転子４をコアプレートを積層して構成する他の回転機に本発明を適用することができる。
さらに、上記実施形態においては、回転子４の磁極１１の数を４極とし、固定子３のティース８ｃを１２個とした場合について説明した。しかしながら、上記構成に限定されるものではなく、回転子４の磁極数及び固定子３のティース数は任意に設定することができる。

本発明を埋込磁石構造の永久磁石式回転に適用した場合の一実施形態を示す上半部を断面とした側面図永久磁石式回転電機を示す断面図である。図１のＡ−Ａ線上の断面図である。固定子及び回転子のキャリア高調波の次数に対する渦電流損失を示す特性線図である。固定子用コアプレートの板厚と渦電流損失との関係を示す特性線図である。表面磁石構造の永久磁石式回転機を示す断面図である。固定子用コアプレートの磁束による渦電流損失を説明する図である。

符号の説明

１…永久磁石式回転機
２…円筒状フレーム
３…固定子
Ｇ…エアギャップ
４…回転子
６…回転軸
７…固定子用コアプレート
８…固定子コア
８ａ…ヨーク部
８ｂ…スロット
８ｃ…ティース
９…励磁コイル
１１…回転子用コアプレート
１２…磁極
１３…回転子コア
１４…スロット
１５…永久磁石

Claims

固定子用コアプレートを積層して構成される固定子コアと該固定子コアに巻装した励磁コイルとを有する固定子と、該固定子と所定の空隙を隔てて対向し、回転子用コアプレートを積層して構成される回転子コアと該回転子コアに形成された複数の磁極とを有する回転子とを備え、
前記固定子用コアプレートの板厚を前記回転子用コアプレートの板厚よりも薄く設定したことを特徴とする回転機。
前記回転子用コアプレートの板厚を０．５ｍｍとし、前記固定子用コアプレートの板厚を０．５ｍｍ未満で且つ０．１ｍｍ以上の範囲に設定したことを特徴とする請求項１に記載の回転機。
前記回転子は永久磁石式回転機の埋込磁石構造を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の回転機。
前記回転子は永久磁石式回転機の表面磁石構造を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の回転機。