JP2010161832A - 永久磁石式回転電機 - 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高性能な永久磁石式回転電機を提供する。
【解決手段】回転子鉄心の永久磁石挿入孔の外側の磁極鉄心に、久磁石磁束と固定子側磁束が回転子鉄心磁極部で傾斜するのを抑制する複数のスリットを設け、スリットを設ける範囲を磁極鉄心上において、電気角で２２度から８２度の範囲内とする。
【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式回転電機に関し、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。

永久磁石式回転電機は、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求められており、永久磁石式回転電機の適用比率が極めて高い傾向にある。

一方、産業用の回転電機の分野についても、同じく永久磁石式回転電機の適用比率が拡大している。とりわけ、低速・大トルク駆動による永久磁石式回転電機を適用した各種加工、成形機が、従来の油圧、空圧システムから置き換わってきている。多極の永久磁石式回転電機を低速・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、永久磁石式回転電機の体格を大きくする、または大電流を通電する等の対応を講じる必要がある。

多極の永久磁石式回転電機を低速・大トルクで駆動させるため、回転電機の体格を大きくする場合、回転電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・成形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、すなわち小形化・軽量化であるため、永久磁石式回転電機の体格増大によるトルクの向上対策は現実的でない。

また、回転電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、回転電機内部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電流をより多く通電させる必要がある。この場合、回転電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こととなる。

さらに、回転電機へ十分な電流を供給するためには、回転電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。この場合には使用電力量や制御装置の損失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る。従って、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ためこちらも積極的に採用することはできない。

一方、加工・成形機械では、加工する位置でトルクが大きく異なると、加工・成形に必要なトルクが得られなくなる場合があるため、回転電機のトルク脈動を小さくしなければならない。

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を軽減するとともに、トルク脈動を抑制できる永久磁石式回転電機を提供することにある。

特開２００３−１３４８２３号公報

本発明は、上記課題を解決するために、固定子と回転子とを有する永久磁石式回転電機であって、前記固定子は固定子鉄心に設けられた複数の固定子スロットおよびティースと前記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、前記回転子は回転子鉄心内部の永久磁石挿入孔に挿入された複数の永久磁石を備えた永久磁石式回転電機において、前記回転子鉄心の永久磁石挿入孔外側の磁極鉄心に複数の空隙部を設け、前記回転子鉄心の磁極鉄心における前記空隙部を、磁極鉄心の中央軸を中心として電気角で２２度から８２度の範囲内に設けたことを特徴とする。

また、前記回転子鉄心の磁極鉄心における前記空隙部を、磁極鉄心の中央軸を中心として電気角で２３度から７０度の範囲内に設けたことを特徴とする。

また、前記永久磁石を一文字状に形成したことを特徴とする。

また、前記空隙部は前記回転子鉄心の磁極鉄心の外周側に開口したスリットからなることを特徴とする。

また、前記空隙部は前記回転子鉄心の磁極鉄心の外周部に設けた空孔部からなることを特徴とする。

また、前記回転子鉄心に設けた隣接する空隙部の間隔をＷｐとし、空隙部の幅をＷｓとしたとき、２≦Ｗｐ／Ｗｓ≦４となる様に構成したことを特徴とする。

さらに、前記永久磁石の磁束軸をｄ軸とし、ｄ軸と電気角で９０度隔たった軸をｑ軸としたとき、前記スリットを前記ｄ軸側に傾斜させたことを特徴とする。

さらに、前記永久磁石の磁束軸をｄ軸とし、ｄ軸と電気角で９０度隔たった軸をｑ軸としたとき、前記スリットを前記ｑ軸側に傾斜させたことを特徴とする。

さらに、前記スリットを互いに平行に設置したことを特徴とする。

さらに、制御対象であるサーボモータと、該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上述した永久磁石式回転電機であることを特徴とする。

本発明によれば、多極の永久磁石式回転電機を低速・大トルク、大電流通電で駆動する場合に対し、永久磁石の磁束と固定子側の磁束が回転子鉄心の磁極部で磁極鉄心の中央軸側に傾斜するのを抑制し、各磁束についてトルク生成に十分な位相差を確保できると共に、磁束の空間高調波成分の増大を抑制してトルク脈動を抑制することができ、高トルクを有する高性能な永久磁石式回転電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であり、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１５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に一定のギャップ長をもって対向する、ティース５０とスロット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エンコーダ、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詳細に説明する。

図３は、本発明の実施例１による永久磁石式回転電機の回転子１極分の半径方向断面を示す模式図である。また、図４は実施例１による永久磁石式回転電機の４極分の電機子巻線配置を示す模式図である。図５は実施例１による永久磁石式回転電機の半径方向断面を示す模式図を、図６は従来例の永久磁石式回転電機の回転子１極分の半径方向断面を示す模式図を示す。

図３および図５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、一文字形状の磁石挿入孔１０とその内部に挿入された永久磁石１１を、磁極数が１６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一文字状の平板焼結磁石であり、磁石挿入孔１０に各々埋設されている。

図３において、永久磁石１１より外径側にある回転子鉄心が磁極鉄心１３である。回転子軸心Oを通る磁極鉄心１３の中央軸をｄ軸とし、ｄ軸より電気角で９０度隔たった位置をｑ軸とする。また、磁極鉄心１３中には複数の磁極スリット１４ａ〜１４ｉを形成している。

図４および図５において、固定子１は、固定子鉄心２に３６個のスロット３を設けている。スロット３内周側には底コイル４Ａ、上コイル４Ｂからなる電機子巻線４の脱落防止のために、ティース５の内周側端部に磁極片６を設けている。一対の磁極片６間にスロット開口部７を有し、スロット開口部７から銅素線を挿入して電機子巻線４を形成する。

実施例１に示すように毎極毎相のスロット数を０．７５（＝３６スロット／１６極／３相）個とすれば、トルクの脈動を毎極毎相のスロット数が１．０の場合に対して小さくできるため、特性面からは好適である。

図４および図５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。各コイルの上コイル４Ｂ、底コイル４Ａは、複数本の絶縁された銅素線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。絶縁された銅素線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良い。
〔平均トルク〕
実施例１は、磁極鉄心１３中に設けたスリット１４と回転子鉄心の形状に特徴を有する。図３において、スリット１４ａ〜１４ｉは、回転子鉄心９の外径側で開放されていると共に、外径側でｄ軸方向に傾斜させている。スリット１４ａ〜１４ｉは、ｄ軸に対して対称に配置している。各スリット１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ、１４ｅ、１４ｆ、１４ｇ、１４ｈ、１４ｉの間は不等間隔となっている。

また、スリット１４の幅をＷｓ、スリット１４間の磁極鉄心１３の幅をＷｐとしたとき、ＷｓがＷｐより大きいと磁極鉄心１３の磁気飽和が大きくなって出力が低下すること、ＷｓがＷｐに対して小さすぎるとスリット１４を設置した効果がなくなることから、２≦Ｗｐ／Ｗｓ≦４の様に設定することが好適である。

更に、回転子鉄心９のｑ軸鉄心寄りを凹部状にしてｑ軸側のギャップ長をｄ軸側のギャップ長より大きく設定し、永久磁石１１の磁束をｄ軸側に集めると共に固定子１の電機子巻線４に電流が流れたときに発生する電機子磁束の影響を小さくしている。このように永久磁石式回転電機を構成した場合の効果について説明する。

図７は、スリット設置範囲αに対する平均トルクの測定結果を示すグラフであり、図６の従来例に示すスリットの無い磁極鉄心の平均トルクを基準にして相対値表示している。なお図７はＷｐ／Ｗｓ＝２．７のときの結果を示し、αはｄ軸から最も離れたスリット（図中１４ａと１４ｉ）の外径側側面間の電機角である。

図７に示すように、スリット１４の設置範囲αを広げるとトルクは大きくなる。この理由は以下のように考えられる。図６に示す従来例では、大トルクを得るため大電流を電機子巻線４に通電すると電機子磁束が大きくなり機内に磁気飽和が生じる。一文字状の永久磁石１１を回転子鉄心９に埋設した永久磁石式回転電機では、永久磁石より外周の磁極鉄心（磁極部）１３がｄ軸よりほど厚くなるため、電機子電流が作る磁束がｄ軸側に傾斜する。このため永久磁石１１磁束と電機子電流磁束の位相差が小さくなりトルクが低下してしまう。実施例１は上記電機子電流が作る磁束の傾きを補正してトルク低下を防止するものである。
〔脈動トルク〕
図８は、スリットの設置範囲と脈動トルクの関係の測定結果を示すグラフであり、図６に示す従来例のトルク脈動を基準にして相対値表示している。この結果が示すように、スリット１４の設置範囲αが、２３°≦α≦７０°のときに、スリットが無い場合よりもトルク脈動が小さくなっている。この理由は以下のように考えられる。

スリット１４によって磁束の流れが変わり平均トルクは向上するが、磁束の流れの変化に伴って磁束の空間的な分布が異なってくる。すなわちスリットを設けた範囲によって空間高調波磁束の大きさが変わるがこの空間高調波磁束がトルク脈動の原因である。したがって、空間高調波磁束の増加を抑制するための手段がスリット１４の設置範囲を２３°≦α≦７０°とすることである。
〔トルク脈動比〕
図９は、スリット設置範囲を変えたときの平均トルクに対するトルク脈動の比を示すグラフであり、図６の従来例の平均トルクに対するトルク脈動の比を基準にして相対値表示している。すなわち、図７のスリット設置範囲αに対するトルク測定結果と、図８のスリット設置範囲αに対するトルク脈動測定結果からトルク脈動比を求めたものである。この結果が示すように、スリット１４の設置範囲αが、２２°≦α≦８２°のときに、スリットが無い場合よりもトルク脈動／平均トルクが小さくなっている。

加工・成形機械では、トルク脈動の値を指定される場合と、平均トルクに対するトルク脈動の比を指定される場合がある。したがって、平均トルクに対するトルク脈動の比を指定される場合には、スリット１４の設置範囲αが２２°≦α≦８２°のときに平均トルクを向上できると共に、平均トルクに対するトルク脈動の比をスリットが無い構造のときと同等以下にできる。

その結果、図７に示したように平均トルクを向上できる。言い換えると、同一トルクを出力するのであれば通電電流値を低減できることとなり、電機子巻線に生じる銅損を小さくできる。

この結果に鑑み、図３に示す回転子構造とすることで、永久磁石の磁束と固定子側の磁束が、回転子鉄心の磁極部で傾斜するのを抑制し、各々の磁束の位相差を確保すると共に、磁束の空間高調波成分が増大するのを抑制することができる。よって、トルクが増大すると同時に脈動トルクが低減するので、高性能な永久磁石式回転電機を提供できる。

図１０は、本発明の実施例２に係る永久磁石式回転電機の電機子巻線配置図を示したものである。以下の実施例において、すでに説明した図面と同一構成要素には同一符号を付け、重複説明は避ける。実施例２が実施例１と異なるのは毎極毎相のスロット数を１．５としている点にある。ここで、実施例２に示したように毎極毎相のスロット数を１．５個とすることで、毎極毎相のスロット数が０．７５の場合と同様にトルクの脈動を毎極毎相のスロット数が１．０の場合に対して小さくできるため、特性面から毎極毎相のスロット数１．５は好適である。

このように構成しても、実施例１と同様の効果が得られるとともに、永久磁石式回転電機の極数の設定を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。

図１１は、本発明の実施例３に係る永久磁石式回転電機の回転子１極分の半径方向断面を示す模式図である。実施例３が実施例１と異なるのは、スリット１５ａ〜１５ｉが回転子鉄心９内に閉塞されている点にある。このように構成しても、スリット１５ａ〜１５ｉによって永久磁石１１の磁束と固定子側の磁束が回転子鉄心９の磁極部でｄ軸側に傾斜するのを抑制し、各々の磁束の位相差を広げることができると共に、磁束の空間高調波成分が増大するのを抑制することができるため、実施例１と同様の効果が得られる。

図１２は、本発明の実施例４に係る永久磁石式回転電機の回転子１極分の半径方向断面図である。実施例４が実施例１と異なるのはスリット１６ａ〜１６ｉが全て互に平行に設けられている点にある。このように構成しても、スリット１６ａ〜１６ｉによって永久磁石１１の磁束と固定子側の磁束が回転子鉄心９の磁極部でｄ軸側に傾斜するのを抑制し、各々の磁束の位相差を確保すると共に、磁束の空間高調波成分が増大するのを抑制することができるため、実施例１と同様の効果が得られる。

図１３は、本発明の実施例５に係る永久磁石式回転電機の回転子１極分の半径方向断面図である。実施例５が実施例１と異なる点は、スリット１７ａ〜１７ｉの外径側をｑ軸側に傾斜させて設けている点にある。

このように構成しても、スリット１７ａ〜１７ｉによって永久磁石１１の磁束と固定子側の磁束が、回転子鉄心９の磁極部でｄ軸側に傾斜するのを抑制し、各々の磁束の位相差を確保すると共に、磁束の空間高調波成分が増大するのを抑制することができるため、実施例１と同様の効果が得られる。

図１４は、本発明の実施例６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。サーボモータ１１０により、脈動の少ない大トルクを加工装置に提供して装置性能を向上することができる。

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。

以上、本発明によれば、多極の永久磁石式回転電機を低速・大トルク、大電流通電で駆動する場合に対し、永久磁石の磁束と固定子側の磁束が、回転子鉄心の磁極部で傾斜するのを抑制し、各々の磁束の位相差を広げることができると共に、磁束の空間高調波成分が増大するのを抑制することができるから、高トルク、高性能な永久磁石式回転電機を提供できる。

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における回転子１極分の半径方向断面を示す模式図である。 本発明の実施例１における電機子巻線配置を示す模式図である。 本発明の実施例１における半径方向断面を示す模式図である。 従来例による回転子１極分の半径方向断面を示す模式図である。 本発明の実施例１のスリット設置範囲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１のスリット設置範囲に対するトルク脈動を示すグラフである。 本発明の実施例１の平均トルクに対するトルク脈動比を示すグラフである。 本発明の実施例２の電機子巻線配置を示す模式図である。 本発明の実施例３における回転子１極分の半径方向断面を示す模式図である。 本発明の実施例４における回転子１極分の半径方向断面を示す模式図である。 本発明の実施例５における回転子１極分の半径方向断面を示す模式図である。 本発明の実施例６におけるサーボ駆動システムを示す模式図である。

１…固定子、２、８０…固定子鉄心、３、６０…スロット、４、７０…電機子巻線、５、５０…ティース、６…磁極片、７…スロット開口部、８、２０…回転子、９、３０…回転子鉄心、１０…磁石挿入孔、１１、４０…永久磁石、１２、１５…シャフト、１３…磁極鉄心、１４、１５、１６、１７…スリット

Claims (15)

1. 固定子と回転子とを有する永久磁石式回転電機であって、前記固定子は固定子鉄心に設けられた複数の固定子スロットおよびティースと前記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、前記回転子は回転子鉄心内部の永久磁石挿入孔に挿入された複数の永久磁石を備えた永久磁石式回転電機において、
   前記回転子鉄心の永久磁石挿入孔外側の磁極鉄心に複数の空隙部を設け、前記回転子鉄心の磁極鉄心における前記空隙部を、磁極鉄心の中央軸を中心として電気角で２２度から８２度の範囲内に設けたことを特徴とする永久磁石式回転電機。
2. 請求項１に記載の永久磁石式回転電機において、前記回転子鉄心の磁極鉄心における前記空隙部を、磁極鉄心の中央軸を中心として電気角で２３度から７０度の範囲内に設けたことを特徴とする永久磁石式回転電機。
3. 請求項１または２に記載の永久磁石式回転電機において、前記永久磁石を一文字状に形成したことを特徴とする永久磁石式回転電機。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の永久磁石式回転電機において、前記空隙部は前記回転子鉄心の磁極鉄心の外周側に開口したスリットからなることを特徴とする永久磁石式回転電機。
5. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の永久磁石式回転電機において、前記空隙部は前記回転子鉄心の磁極鉄心の外周部に設けた空孔部からなることを特徴とする永久磁石式回転電機。
6. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の永久磁石式回転電機において、前記回転子鉄心に設けた隣接する空隙部の間隔をＷｐとし、空隙部の幅をＷｓとしたとき、２≦Ｗｐ／Ｗｓ≦４となる様に構成したことを特徴とする永久磁石式回転電機。
7. 請求項４に記載の永久磁石式回転電機において、前記永久磁石の磁束軸をｄ軸とし、ｄ軸と電気角で９０度隔たった軸をｑ軸としたとき、前記スリットを前記ｄ軸側に傾斜させたことを特徴とする永久磁石式回転電機。
8. 請求項４に記載の永久磁石式回転電機において、前記永久磁石の磁束軸をｄ軸とし、ｄ軸と電気角で９０度隔たった軸をｑ軸としたとき、前記スリットを前記ｑ軸側に傾斜させたことを特徴とする永久磁石式回転電機。
9. 請求項４に記載の永久磁石式回転電機において、前記スリットを互いに平行に設置したことを特徴とする永久磁石式回転電機。
10. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の永久磁石式回転電機において、前記空隙部を不等間隔で設けたことを特徴とする永久磁石式回転電機。
11. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の永久磁石式回転電機において、前記永久磁石の磁束軸をｄ軸とし、ｄ軸と電気角で９０度隔たった軸をｑ軸としたとき、前記複数の空隙部を前記ｄ軸に対して対称に設けたことを特徴とする永久磁石式回転電機。
12. 請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の永久磁石式回転電機において、前記回転子鉄心の外周面の極間に凹部を形成したことを特徴とする永久磁石式回転電機。
13. 請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の永久磁石式回転電機において、前記固定子のスロット数を、毎極毎相あたり０．５〜２の範囲としたことを特徴とする永久磁石式回転電機。
14. 請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の永久磁石式回転電機において、前記固定子のスロット数を、毎極毎相あたり０．７５又は１．５としたことを特徴とする永久磁石式回転電機。
15. 制御対象であるサーボモータと、該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１４のいずれか１項に記載の永久磁石式回転電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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