JP2010154583A - 永久磁石同期電動機 - Google Patents

Abstract

【課題】永久磁石同期電動機において、大電流駆動時に生じる回転子の磁気飽和によるトルク低下、及び電流増に伴う損失、発熱の増加を軽減でき、正転時の電機子磁束のみを増加することができる永久磁石同期電動機を提供する。
【解決手段】永久磁石同期電動機において、永久磁石をd軸に対して対称な形状とし、永久磁石の回転方向の進み側、遅れ側にあるq軸鉄心の外周面にカット部を形成し、かつ永久磁石の回転方向の遅れ側にあるq軸鉄心に空孔を設ける。
【選択図】図３

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し、特に多極の低速・大トルク、大電流で駆動される永久磁石式回転電機に関する。

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、あらゆる分野で採用されている。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、産業用同期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、成型機において従来の油圧、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。

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、電動機体格の増加によるトルクの向上対策は現実的で無い。

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り、電力変換素子の大容量化や各部配電系統の大容量化をもたらす。この場合、使用電力量や制御装置に生じる損失の増加を招くこととなり、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、昨今の省エネ訴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新規な回転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、発熱の増加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。

特開2003-134823号公報

本発明は上記目的を達成するために、複数のスロットおよびティースとを有する固定子鉄心と前記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する固定子と、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の永久磁石とを備えた回転子とを有し、前記回転子は前記固定子の内周側にギャップを介して対向配置され回転可能に支持された永久磁石同期電動機において、前記回転子の磁極中心軸をd軸、磁極中心軸から電気角で90°ずれた軸をq軸とすると、q軸に流れる磁束量を正転時に増加させ逆転時に減少させる磁束制御手段を前記回転子鉄心に設けたことを特徴とする。

また、前記磁束制御手段はd軸に対して正転方向にあるq軸鉄心の磁気抵抗を減少させ、d軸に対して逆転方向にあるq軸鉄心の磁気抵抗を減少させることを特徴とする。

また、前記磁束制御手段は回転方向の進み側にあるq軸鉄心の磁気抵抗を減少させ、回転方向の遅れ側にあるq軸鉄心の磁気抵抗を増加させることを特徴とする。

さらに、前記磁束制御手段は、回転方向の遅れ側にあるq軸鉄心にのみ設けられた空孔を有することを特徴とする。

さらに、前記永久磁石はd軸に対して対称な形状であるとともに、前記磁束制御手段は、前記永久磁石の回転方向の遅れ側にあるq軸鉄心にのみ設けられた空孔を有することを特徴とする。

さらに、前記永久磁石はd軸に対して対称な形状であるとともに、前記磁束制御手段は、前記永久磁石の回転方向の進み側及び遅れ側にあるq軸鉄心の外周面に形成されたカット部と、前記永久磁石の回転方向の遅れ側にあるq軸鉄心にのみ設けられた空孔を有することを特徴とする。

さらに、前記永久磁石はd軸に対して対称な形状であるとともに、前記磁束制御手段は、前記永久磁石の回転方向の遅れ側にあるq軸鉄心の外周面に形成されたカット部を有することを特徴とする。

さらに、前記永久磁石はd軸に対して対称な形状であるとともに、前記磁束制御手段は、前記永久磁石の回転方向の遅れ側にあるq軸鉄心の外周面に形成されたカット部と、q軸鉄心に設けられた空孔を有することを特徴とする。

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おいて正転時の電機子磁束のみを増加することができ、すなわち有効磁束を増加できることから、高トルクかつ高性能な永久磁石同期電動機を提供することができる。

始めに、本発明の基本構成について説明する。図１は本発明の永久磁石同期電動機の概略構成を示す模式図、図２は上記永久磁石同期電動機の横断面を示す模式図である。図１、図２において、永久磁石同期電動機Ｍのシャフト１０を有する回転子２０は回転子鉄心３０を有し、回転子鉄心３０の外周には永久磁石４０が挿入されている。回転子２０に対向して、ティース５０と固定子スロット６０及び電機子巻線７０を有する固定子鉄心８０が設けられている。９０はシャフト１０の一端に設けられた位置検出器である。１００は永久磁石同期電動機のハウジングである。以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。

図３は、本発明の第１の実施例による永久磁石同期電動機の回転子の磁極部における半径方向断面図である。また、図４は回転子構成を示す断面図である。図５は従来技術によるq軸磁束の模式図、図６は実施例１によるq軸磁束の模式図を各々示す。また、図７は正転時における電流位相に対する平均トルクの測定結果を示すグラフ、図８は逆転時における電流位相に対する平均トルクの測定結果を示すグラフである。

図３、図４において、回転子１は、シャフト７上に設けられた回転子鉄心２の内部に、多数の磁石挿入孔３とその内部に設けられた永久磁石４を、磁極数が２４極となるように配置して構成している。また、永久磁石４は希土類を主成分し、回転子鉄心２外周円にほぼ沿って形成された円弧状外周を持つカマボコ形の焼結磁石であり、永久磁石４の磁極軸をd軸とし、d軸から電気角で90°隔たった位置をq軸とした場合、永久磁石４はd軸に対し左右対称となるよう磁石挿入孔３に各々埋設されている。

また、回転子１の回転方向を図示した半時計方向とすると、回転方向に対し遅れ側に位置するq軸鉄心の永久磁石に隣接した部分に空孔５を設けている。同時に、q軸鉄心の外周部にはカット部６を設けている。また、空孔５を配置する半径方向位置は、永久磁石４の厚さ方向のＣ-Ｃ中心線よりも外周側に配置している。

このように永久磁石同期電動機を構成した場合、永久磁石４の断面形状をカマボコ型に形成すると回転子外周面において表面積が大きく取れることから、永久磁石４の磁束をより多く利用できる。また、q軸鉄心の外周部に配備したカット部６を設けることで、極性の異なる隣り合う永久磁石４間に漏洩する磁束を遮断でき、より多くの磁石磁束を利用できる。

図５、図６において固定子から流入する電機子磁束φaは、回転方向に対し進み側にあるq軸鉄心に流入する。図５に示す従来例の場合、空孔５は回転方向に対し進み側、遅れ側いずれにも配置されていたことから、正転時の電機子磁束は、空孔５に妨げられる磁気回路となる。一方、図６の構成とした場合は、従来技術での電機子磁束をφa1、本発明での電機子磁束をφa2とした場合にφa1<φa2となる磁界解析結果を得た。すなわち回転方向の進み側のq軸鉄心には空孔５を設けていないため電機子磁束を増加させることができた。

上記磁界解析結果を検証するため、電流位相に対する平均トルクの変化を実測した結果、図７、図８のグラフに示す結果を得た。図７において、正転時のトルク特性は従来技術に対し最大で約5％以上向上でき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あれば電流値を5%以上低減できることとなり、電機子巻線(図示せず)に生じる銅損としては約10%以上低減できる。このことにより、実施例１が平均トルク向上に対し大きく寄与できることが分かった。

一方、図８より、逆転時のトルク特性は従来技術では、正転、逆転時とも変化は見られないが、本発明では従来技術に対し若干下回る結果となった。これは、実施例１の構造において、逆転時には空孔５がq軸鉄心上に存在し電機子磁束を妨げる磁気回路構成となるためである。この場合、逆転時の磁束量を低減できるため、モータの誘導起電力を低減でき、運転可能な回転数を向上できるメリットがある。

この様な特徴を持つ実施例１の使途の例としてプレス機がある。すなわち、打抜、成型時(正転運転時)には大きなトルクを活用し、打抜き後は高回転で金型を初期位置に速やかに戻すことができ、タクトタイムを削減できる効果がある。また、同様にエレベータ用途にも使用できる。つまり、乗りかごを吊り上げる場合(正転時)は大きなトルクを必要とし、巻下げの場合は重力を利用できるため必要以上のトルクは使用せず、高速で移動させることができる。同様に巻上げ機などの建設機械においても活用できることは言うまでもない。

上記の通り、図３に示す回転子構造とすることで正転時のトルク特性を向上させることができ、特性の良好な永久磁石同期電動機を提供できる。

図９は、本発明の第２の実施例に係る永久磁石同期電動機の回転子の磁極部における半径方向断面図を示す。以下の実施例において、実施例１と同一構成要素には同一符号を付け、重複説明は避ける。本構成が図１、図２と異なる点は、カット部１０６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２と同様の効果が得られるとともに、トルクに寄与する磁束成分をより増やすことができ、永久磁石同期電動機の性能を更に向上させることができる。

図１０は、本発明の第３の実施例に係る永久磁石同期電動機の回転子の磁極部における半径方向断面図を示す。本構成が図１、図２と異なる点は、カット部を排除した点にある。

このように構成すれば、図１、図２に対し、永久磁石４間に漏洩する磁束が増え、トルク特性としては低下するが、運転可能な最高回転数と回転子の機械強度を向上させることができる。

図１１は、本発明の第４の実施例に係る永久磁石同期電動機の回転子の磁極部における半径方向断面図を示す。本構成が図３、図４と異なる点は、カット部を排除し、空孔１０５の形状を方形状に拡大して構成した点にある。

このように構成すれば、永久磁石４間の漏洩磁束を極力防ぎながら、q軸鉄心に流入する電機子磁束をさらに増やすことができ、トルクに寄与する磁束成分をより増やすことができ、永久磁石同期電動機の性能を更に向上させることができる。

図１２は、本発明の第５の実施例に係る永久磁石同期電動機の回転子の磁極部における半径方向断面図を示す本構成が図１１と異なる点は、空孔２０５の断面積をさらに拡大した点にある。この場合も空孔２０５の中心位置は、永久磁石４の半径方向中心線に対し外周側に設ける。

このように構成すれば、図１１と同様の効果が得られるとともに、逆転時の磁束量をより低減できることから、逆転時における最大回転数を増やすことができる。

図１３は、本発明の第６の実施例に係る永久磁石同期電動機の回転子の磁極部における半径方向断面図を示す。本構成が図３、図４と異なる点は、磁石挿入孔１０３と永久磁石１０４の断面形状を方形とした点にある。

このように構成しても、図３、図４と同様の効果が得られるとともに、永久磁石１０４を単純なダイシング等で成形できるため、加工工数を大幅に削減できコストメリットに寄与できる。

図１４は、本発明の第７の実施例に係る永久磁石同期電動機の回転子の磁極部における半径方向断面図を示す。本構成が図９と異なる点は、永久磁石４の断面形状を方形とした点にある。

このように構成しても、図９とほぼ同様の効果が得られるとともに、永久磁石１０４の加工工数を大幅に削減できるため、コストメリットに寄与できる。

図１５は、本発明の第８の実施例に係る永久磁石同期電動機の回転子の磁極部における半径方向断面図を示す。本構成が図１１と異なる点は、永久磁石１０４の断面形状を方形とした点にある。

このように構成しても、図１１と同様の効果が得られるとともに、永久磁石１０４の加工工数を削減できるため、コストメリットに寄与できる。

図１６は、本発明の第９の実施例に係る永久磁石同期電動機の回転子の磁極部における半径方向断面図を示す。本構成が図１２と異なる点は、永久磁石１０４の断面形状を方形とした点にある。

このように構成しても、図１２と同様の効果が得られるとともに、永久磁石１０４の加工工数を削減できるため、コストメリットに寄与できる。

図１７は、本発明の第１０の実施例に係るサーボ駆動システムを示す模式図である。本発明の永久磁石同期電動機を用いたサーボモータ１１０により、ボールスクリュー１２０を介して加工装置１３０を駆動する。１４０はサーボモータ１１０の回転軸に設けたエンコーダ、１５０はサーボモータ１１０を駆動制御する駆動制御装置である。

以上、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、正転時の電機子磁束、すなわち有効磁束を増加できることから、高トルク、高性能な永久磁石同期電動機を提供できる。

本発明の永久磁石同期電動機の基本構成を示す模式図である。 本発明の永久磁石同期電動機の横断面を示す模式図である。 本発明の実施例１による回転子磁極部における半径方向の部分断面図である。 本発明の実施例１による回転子を示す断面図である。 従来例におけるq軸磁束の模式図である。 本発明の実施例１によるq軸磁束の模式図である。 正転時における電流位相に対する平均トルクを示すグラフである。 逆転時における電流位相に対する平均トルクを示すグラフである。 本発明の実施例２に係る回転子磁極部における部分断面図である。 本発明の実施例３に係る回転子磁極部における部分断面図である。 本発明の実施例４に係る回転子磁極部における部分断面図である。 本発明の実施例５に係る回転子磁極部における部分断面図である。 本発明の実施例６に係る回転子磁極部における部分断面図である。 本発明の実施例７に係る回転子磁極部における部分断面図である。 本発明の実施例８に係る回転子磁極部における部分断面図である。 本発明の実施例９に係る回転子磁極部における部分断面図である。 本発明の実施例１０に係るサーボ駆動システムを示す模式図である。

符号の説明

１…回転子、２…回転子鉄心、３、１０３…磁石挿入孔、４、１０４…永久磁石、５、１０５、２０５…空孔、６、１０６…カット部、７…シャフト

Claims (14)

1. 複数のスロットおよびティースとを有する固定子鉄心と前記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する固定子と、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の永久磁石とを備えた回転子とを有し、前記回転子は前記固定子の内周側にギャップを介して対向配置され回転可能に支持された永久磁石同期電動機において、
   前記回転子の磁極中心軸をd軸、磁極中心軸から電気角で90°ずれた軸をq軸とすると、q軸に流れる磁束量を正転時に増加させ逆転時に減少させる磁束制御手段を前記回転子鉄心に設けたことを特徴とする永久磁石同期電動機。
2. 請求項１に記載の永久磁石同期電動機において、前記磁束制御手段はd軸に対して正転方向にあるq軸鉄心の磁気抵抗を減少させ、d軸に対して逆転方向にあるq軸鉄心の磁気抵抗を増加させることを特徴とする永久磁石同期電動機。
3. 請求項１に記載の永久磁石同期電動機において、前記磁束制御手段は回転方向の進み側にあるq軸鉄心の磁気抵抗を減少させ、回転方向の遅れ側にあるq軸鉄心の磁気抵抗を増加させることを特徴とする永久磁石同期電動機。
4. 請求項３に記載の永久磁石同期電動機において、前記磁束制御手段は、回転方向の遅れ側にあるq軸鉄心にのみ設けられた空孔を有することを特徴とする永久磁石同期電動機。
5. 請求項３に記載の永久磁石同期電動機において、前記永久磁石はd軸に対して対称な形状であるとともに、前記磁束制御手段は、前記永久磁石の回転方向の遅れ側にあるq軸鉄心にのみ設けられた空孔を有することを特徴とする永久磁石同期電動機。
6. 請求項３に記載の永久磁石同期電動機において、前記永久磁石はd軸に対して対称な形状であるとともに、前記磁束制御手段は、前記永久磁石の回転方向の進み側及び遅れ側にあるq軸鉄心の外周面に形成されたカット部と、前記永久磁石の回転方向の遅れ側にあるq軸鉄心にのみ設けられた空孔を有することを特徴とする永久磁石同期電動機。
7. 請求項３に記載の永久磁石同期電動機において、前記永久磁石はd軸に対して対称な形状であるとともに、前記磁束制御手段は、前記永久磁石の回転方向の遅れ側にあるq軸鉄心の外周面に形成されたカット部を有することを特徴とする永久磁石同期電動機。
8. 請求項３に記載の永久磁石同期電動機において、前記永久磁石はd軸に対して対称な形状であるとともに、前記磁束制御手段は、前記永久磁石の回転方向の遅れ側にあるq軸鉄心の外周面に形成されたカット部と、q軸鉄心に設けられた空孔を有することを特徴とする永久磁石同期電動機。
9. 請求項４、５、６、８のいずれか１項に記載の永久磁石同期電動機において、前記空孔の半径方向断面形状は方形であることを特徴とする永久磁石同期電動機。
10. 請求項４、５、６、８のいずれか１項に記載の永久磁石同期電動機において、前記空孔の半径方向断面形状は円形であることを特徴とする永久磁石同期電動機。
11. 請求項４、５、６、８のいずれか１項に記載の永久磁石同期電動機において、前記空孔の中心部は前記永久磁石の厚さ方向の中央部よりも外周側に位置し、前期空孔の半径方向長さは、前記永久磁石の厚さ未満としたことを特徴とする永久磁石同期電動機。
12. 請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の永久磁石同期電動機において、前記永久磁石の半径方向断面形状はカマボコ形であることを特徴とする永久磁石同期電動機。
13. 請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の永久磁石同期電動機において、前記永久磁石の半径方向断面形状は方形であることを特徴とする永久磁石同期電動機。
14. 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１３のいずれか１項に記載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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