JP2010233308A - Synchronous motor - Google Patents
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Description
本発明は、同期電動機に関する。 The present invention relates to a synchronous motor.
従来、トルク密度を向上させた同期電動機が知られている。この同期電動機では、固定子と回転子との空隙、又は、回転子内の空隙を円周方向に対して不均一に設け、磁石トルクが最大となる電流位相と、リラクタンストルクとが最大となる電流位相を近づけることにより、トルク密度を向上させている(例えば特許文献1及び2参照)。
Conventionally, a synchronous motor with improved torque density is known. In this synchronous motor, the gap between the stator and the rotor, or the gap in the rotor is unevenly provided in the circumferential direction, and the current phase at which the magnet torque is maximized and the reluctance torque are maximized. The torque density is improved by bringing the current phase closer (see, for example,
しかし、従来の同期電動機の場合、空隙が円周方向に不均一に設けられているため、回転子の回転方向、力行、及び回生によって、回転数対トルク特性が異なってしまうため、トルク密度の向上につながらない可能性があった。 However, in the case of the conventional synchronous motor, since the air gaps are unevenly provided in the circumferential direction, the rotational speed vs. torque characteristics differ depending on the rotation direction, power running, and regeneration of the rotor. There was a possibility that it did not lead to improvement.
本発明はこのような従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、トルク密度を向上させることが可能な同期電動機を提供することにある。 The present invention has been made to solve such a conventional problem, and an object of the present invention is to provide a synchronous motor capable of improving torque density.
本発明の同期電動機は、磁束発生部材を有する回転子と、電流磁界を回転させることができるように電流が与えられる固定子と、を備えた同期電動機であって、前記回転子と前記固定子との間の空隙において、前記回転子から前記固定子に向かう磁束を発生させるN極磁束発生部材と、前記固定子から前記回転子に向かう磁束を発生させるS極磁束発生部材と、を有し、前記N極磁束発生部材から発生する磁束の回転子回転方向の幅と、前記S極磁束発生部材から発生する磁束の回転子回転方向の幅とが異なっていることを特徴とする。 A synchronous motor according to the present invention is a synchronous motor including a rotor having a magnetic flux generation member and a stator to which a current is applied so that a current magnetic field can be rotated. The rotor and the stator An N-pole magnetic flux generating member that generates a magnetic flux from the rotor toward the stator, and an S-pole magnetic flux generating member that generates a magnetic flux from the stator toward the rotor. The width of the magnetic flux generated from the N-pole magnetic flux generation member in the rotor rotation direction is different from the width of the magnetic flux generated from the S-pole magnetic flux generation member in the rotor rotation direction.
本発明によれば、N極磁束発生部材から発生する磁束の回転子回転方向の幅と、S極磁束発生部材から発生する磁束の回転子回転方向の幅とが異なっている。このため、N極磁束発生部材から発生する磁束の回転子回転方向の幅と、S極磁束発生部材から発生する磁束の回転子回転方向の幅とが同じ場合と比較して、基本波磁束密度が高くなり、通電した際に得られるトルクが大きくなる。従って、トルク密度を向上させることができる。 According to the present invention, the width of the magnetic flux generated from the N-pole magnetic flux generation member in the rotor rotation direction is different from the width of the magnetic flux generated from the S-pole magnetic flux generation member in the rotor rotation direction. For this reason, compared with the case where the width | variety of the rotor rotation direction of the magnetic flux which generate | occur | produces from a N pole magnetic flux generation member and the width | variety of the rotor rotation direction of the magnetic flux which generate | occur | produces from a S pole magnetic flux generation member are the same, fundamental wave magnetic flux density Increases, and the torque obtained when energized increases. Therefore, torque density can be improved.
以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において同一又は同様の要素には同一の符号を付して説明を省略する。 DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the invention will be described with reference to the drawings. In addition, in each figure, the same code | symbol is attached | subjected to the same or similar element, and description is abbreviate | omitted.
図1は、本実施形態の同期電動機を示す構成図であり、電動機の回転軸方向に対して垂直な平面で切ったときの断面を示している。図1に示すように、同期電動機1は、固定子2と、固定子巻線3と、回転子4と、第1永久磁石(N極磁束発生部材)5と、第2永久磁石(S極磁束発生部材)6と、シャフト7とを備え、固定子2に電流磁界を回転させることができるように電流が与えられることにより、磁束発生部材5,6を有する回転子を回転させるものである。
FIG. 1 is a configuration diagram showing the synchronous motor of the present embodiment, and shows a cross section when cut along a plane perpendicular to the rotation axis direction of the motor. As shown in FIG. 1, the
固定子2は、磁性体の電磁鋼板が積層されて構成されたものである。固定子巻線3は、固定子2の突極部に巻回されており、通電さることにより磁束を発生させるものである。回転子4は、磁性体の電磁鋼板が積層されて構成されたものであり、固定子2とは一定の空隙だけ離れて配置され回転する構成となっている。第1永久磁石5は、回転子4のスリットに埋め込まれ、固定子2側にN極を有する磁石である。第2永久磁石6は、回転子4のスリットに埋め込まれ、固定子2側にS極を有する磁石である。シャフト7は、図示しない軸受で支持されており、回転子4と共に回転するものである。
The
特に、本実施形態において第1永久磁石5の回転方向幅がwnであるのに対し、第2永久磁石6の回転方向幅はwsとなっており、異なっている。これにより、両者の磁束幅が異なることとなる。なお、wn>wsであり、両磁石5,6の磁気特性、及び半径方向と軸方向の寸法は同一である。
In particular, in the present embodiment, the rotation width of the first
次に、本実施形態に係る同期電動機1のトルク密度向上について説明する。図2は、本実施形態に係る同期電動機1のギャップ磁束密度波形を示すグラフである。第1永久磁石5は第2永久磁石6と比べると幅が広いため発生する磁束も多く、その磁束が幅の狭い永久磁石6に集中して通るため、ギャップ磁束密度は永久磁石6付近の方が高くなる。このため、図2に示すように波形に隔たりが生じる。
Next, improvement in torque density of the
図3は、第1永久磁石5と第2永久磁石6との幅が同一の場合におけるギャップ磁束密度波形を示すグラフである。第1永久磁石5と第2永久磁石6との幅wn,wsが同一の場合、両者の永久磁石5,6が発生する磁束も同一のため、ギャップ磁束密度も両永久磁石付近で同一の波高値を示すこととなる。
FIG. 3 is a graph showing a gap magnetic flux density waveform when the widths of the first
図4は、第1永久磁石5と第2永久磁石6との幅の比を変化させたときのギャップ磁束密度実効値を示す第1のグラフである。なお、図4に示すグラフでは、磁気飽和の影響を無視した場合の特性を示している。また、図4ではwn+ws=C(Cは一定の値)をいう条件としている。第1永久磁石5と第2永久磁石6との幅wn,wsを変化させた場合、第2永久磁石6の回転方向幅wsに対する第1永久磁石5の回転方向幅wnの比が大きくなるほど、ギャップ磁束密度実効値が高くなる傾向にある。このため、同じ実効値の電流を通電した場合、より大きなトルクを得ることができ、トルク密度やモータ効率の向上が見込める。
FIG. 4 is a first graph showing the effective value of the gap magnetic flux density when the width ratio between the first
図5は、第1永久磁石5と第2永久磁石6との幅の比を変化させたときのギャップ磁束密度実効値を示す第2のグラフである。なお、図5に示すグラフでは、磁気飽和の影響を考慮した場合の特性を示している。また、図5ではwn+ws=C(Cは一定の値)をいう条件としている。図4に示したように、第2永久磁石6の回転方向幅wsに対する第1永久磁石5の回転方向幅wnの比が大きくなるほど、ギャップ磁束密度実効値が高くなる傾向にある。しかし、幅が短くなった方の永久磁石6付近の磁束密度が高くなるので、電磁鋼板の磁気飽和が発生してしまう。このため、電磁鋼板の飽和磁束密度以上に磁束を集中させてもギャップ磁束密度は増加せず、図5に示すように、第1永久磁石5の回転方向幅wnと第2永久磁石6の回転方向幅wsとの比には最適値が存在する。すなわち、Wn:Ws=4:1程度とすることが最適といえる。このような理由から、本実施形態では、第1永久磁石5及び第2永久磁石6により発生する磁束が固定子2又は回転子4を構成する磁性体を通過する磁束密度は、磁性体の飽和磁束密度を超えないようにされている。これにより、磁気飽和による基本波磁束密度の低下を抑えることができ、より一層トルク密度を向上させることができる。
FIG. 5 is a second graph showing the effective value of the gap magnetic flux density when the ratio of the widths of the first
なお、本実施形態では、第1永久磁石5の方が第2永久磁石6よりも回転方向幅が大きくなっているが、これに限らず、第2永久磁石6の方が回転方向幅が大きくなっていてもよい。また、本実施形態では第1永久磁石5と第2永久磁石6の磁気特性を同一としたが、異なる特性の永久磁石を使用してもよい。例えば幅の広い方の永久磁石に安価な磁石を使用することで材料コストを低減できる。
In the present embodiment, the first
このようにして、本実施形態に係る同期電動機1によれば、第1永久磁石5から発生する磁束の回転子回転方向の幅と、第2永久磁石6から発生する磁束の回転子回転方向の幅とが異なっている。このため、第1永久磁石5から発生する磁束の回転子回転方向の幅と、第2永久磁石6から発生する磁束の回転子回転方向の幅とが同じ場合と比較して、基本波磁束密度が高くなり、通電した際に得られるトルクが大きくなる。従って、トルク密度を向上させることができる。
Thus, according to the
また、磁性体を通過する磁束密度は磁性体の飽和磁束密度を超えないため、磁気飽和による基本波磁束密度の低下を抑えることができ、より一層トルク密度を向上させることができる。 Moreover, since the magnetic flux density which passes a magnetic body does not exceed the saturation magnetic flux density of a magnetic body, the fall of the fundamental wave magnetic flux density by magnetic saturation can be suppressed, and a torque density can be improved further.
また、第1永久磁石5と第2永久磁石6とは磁気特性が異なるため、一方の磁束発生部材を安価なものにするなど可能となり、コスト低減につなげることができる。
In addition, since the first
次に、本発明の第2実施形態を説明する。第2実施形態に係る同期電動機は第1実施形態のものと同様であるが、一部構成が異なっている。以下、第1実施形態との相違点を説明する。 Next, a second embodiment of the present invention will be described. The synchronous motor according to the second embodiment is the same as that of the first embodiment, but a part of the configuration is different. Hereinafter, differences from the first embodiment will be described.
図6は、第2実施形態に係る同期電動機1aを示す構成図であり、電動機の回転軸方向に対して垂直な平面で切ったときの断面を示している。図6に示すように、第1永久磁石5が平板形状とされているのに対し、第2永久磁石6は第1部材6aと第2部材6bとによって構成されてV字形状となっている。
FIG. 6 is a configuration diagram showing the synchronous motor 1a according to the second embodiment, and shows a cross section when cut along a plane perpendicular to the rotation axis direction of the motor. As shown in FIG. 6, the first
このように配置形状を異ならせることによっても、図5に示したようなN極磁極幅wnとS極磁極幅wsに差を設けることが可能となり、第1実施形態と同様の効果が得られる。なお、永久磁石5,6a,6bは全て同一形状となっていることが望ましい。これにより、製造コストの低減も見込めるためである。さらに、第1永久磁石5をV字形状とし、第2永久磁石6を平板形状としてもよい。
Also by making the arrangement shapes different in this way, it becomes possible to provide a difference between the N-pole magnetic pole width wn and the S-pole magnetic pole width ws as shown in FIG. 5, and the same effect as in the first embodiment can be obtained. . It is desirable that the
このようにして、第2実施形態に係る同期電動機1aによれば、第1実施形態と同様に、トルク密度を向上させることができる。 Thus, according to the synchronous motor 1a according to the second embodiment, the torque density can be improved as in the first embodiment.
さらに、第2実施形態によれば、第1永久磁石5と第2永久磁石6とは、一方が平板形状であり、他方がV字形状となっている。このため、例えば第1永久磁石5と第2永久磁石6とを、1種類の形状且つ1種類の磁気特性としたとしても、トルク密度を向上させることができ、トルク密度の向上にあたり製造コストを抑えることができる。
Furthermore, according to the second embodiment, one of the first
次に、本発明の第3実施形態を説明する。第3実施形態に係る同期電動機は第1実施形態のものと同様であるが、一部構成が異なっている。以下、第1実施形態との相違点を説明する。 Next, a third embodiment of the present invention will be described. The synchronous motor according to the third embodiment is the same as that of the first embodiment, but a part of the configuration is different. Hereinafter, differences from the first embodiment will be described.
図7は、第3実施形態に係る同期電動機1bを示す構成図であり、電動機の回転軸方向に対して垂直な平面で切ったときの断面を示している。図7に示すように、第1永久磁石5と第2永久磁石6とは、それぞれの外周端部から、固定子2と回転子4との空隙までの距離であるブリッジ幅が、異なっている。具体的に、第1永久磁石5の外周端部から空隙までの半径方向距離はtnであり、第2永久磁石6の外周端部から空隙までの半径方向距離はtsであり、tn>tsとなっている。
FIG. 7: is a block diagram which shows the
永久磁石5,6から空隙までの距離tn,tsが異なることにより、空隙側を通過せず回転子4内で短絡する磁束の量が、永久磁石5と永久磁石6で差が生じるため、ギャップ磁束密度の波高値や永久磁石付近のギャップ磁束密度の波高値に差が生じ、第1実施形態例と同様の効果が得られる。更に、永久磁石5と永久磁石6に異なる特性の磁石を用いた場合、半径方向距離の大きい方に密度の高い永久磁石を配置することで、回転強度の向上も見込める。
Since the distances tn and ts from the
さらに、第3実施形態では、固定子2に巻き回された巻線3に対し電気角周波数の電流を通電するのに加えて、電気角周波数の2倍以上の高周波数電流を通電するようになっている。これにより、一層トルクを向上させることができるからである。
Furthermore, in the third embodiment, in addition to passing an electric angular frequency current to the winding 3 wound around the
なお、上記の高周波数とは、固定子2と回転子4との空隙の磁束密度の高周波成分のうち、最大となる周波数と同一であることが望ましい。トルク向上について最大化を図ることができるからである。
The high frequency is preferably the same as the highest frequency among the high frequency components of the magnetic flux density in the gap between the
このようにして、第3実施形態に係る同期電動機1bによれば、第1実施形態と同様に、トルク密度を向上させることができる。
Thus, according to the
また、第1永久磁石5と第2永久磁石6とは、それぞれの外周端部から、固定子2と回転子4との空隙までの距離が、異なっている。このため、例えば密度の高い磁束発生部材側のブリッジ幅を厚くすることで、トルク密度を向上させつつ、回転子の回転強度を向上させることができる。
Further, the first
また、固定子2に巻き回された巻線3に、電気角周波数の電流に加えて、電気角周波数の2倍以上の高周波数電流を通電するため、一層トルクを向上させることができる。
In addition to the electrical angular frequency current, a high frequency current that is twice or more the electrical angular frequency is supplied to the winding 3 wound around the
また、高周波数とは、固定子と回転子との空隙の磁束密度の高周波成分のうち、最大となる周波数と同一であるため、トルク向上について最大化を図ることができる。 Moreover, since the high frequency is the same as the highest frequency among the high frequency components of the magnetic flux density in the gap between the stator and the rotor, the torque improvement can be maximized.
以上、実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限られるもので
はなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、変更を加えてもよい。
As described above, the present invention has been described based on the embodiment, but the present invention is not limited to the above embodiment, and may be modified without departing from the gist of the present invention.
1,1a,1b…同期電動機
2…固定子
3…固定子巻線
4…回転子
5…第1永久磁石(N極磁束発生部材)
6…第2永久磁石(S極磁束発生部材)
7…シャフト
DESCRIPTION OF
6 ... 2nd permanent magnet (S pole magnetic flux generating member)
7 ... Shaft
Claims (7)
前記回転子と前記固定子との間の空隙において、前記回転子から前記固定子に向かう磁束を発生させるN極磁束発生部材と、前記固定子から前記回転子に向かう磁束を発生させるS極磁束発生部材と、を有し、
前記N極磁束発生部材から発生する磁束の回転子回転方向の幅と、前記S極磁束発生部材から発生する磁束の回転子回転方向の幅とが異なっている
ことを特徴とする同期電動機。 A synchronous motor comprising a rotor having a magnetic flux generating member and a stator to which a current is applied so that a current magnetic field can be rotated,
In the gap between the rotor and the stator, an N-pole magnetic flux generating member that generates a magnetic flux from the rotor to the stator, and an S-pole magnetic flux that generates a magnetic flux from the stator to the rotor A generating member,
A synchronous motor, wherein a width of a magnetic flux generated from the N-pole magnetic flux generation member in a rotor rotation direction is different from a width of a magnetic flux generated from the S-pole magnetic flux generation member in a rotor rotation direction.
ことを特徴とする請求項1に記載の同期電動機。 The magnetic flux density at which the magnetic flux generated by the N-pole magnetic flux generating member and the S-pole magnetic flux generating member passes through the magnetic body constituting the stator or the rotor does not exceed the saturation magnetic flux density of the magnetic body. The synchronous motor according to claim 1.
ことを特徴とする請求項1又は請求項2のいずれかに記載の同期電動機。 One of the N-pole magnetic flux generating member and the S-pole magnetic flux generating member has a flat plate shape and the other has a V-shape. Synchronous motor.
ことを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の同期電動機。 The N-pole magnetic flux generation member and the S-pole magnetic flux generation member have different bridge widths, which are distances from the respective outer peripheral ends to the gap between the stator and the rotor. The synchronous motor according to any one of claims 1 to 3.
ことを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の同期電動機。 The synchronous motor according to any one of claims 1 to 4, wherein the N-pole magnetic flux generation member and the S-pole magnetic flux generation member have different magnetic characteristics.
ことを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の同期電動機。 The high-frequency current more than twice the electrical angular frequency is passed in addition to passing a current of electrical angular frequency to the winding wound around the stator. 6. The synchronous motor according to any one of items 5.
ことを特徴とする請求項6に記載の同期電動機。 The synchronous motor according to claim 6, wherein the high frequency is the same as a maximum frequency among high frequency components of a magnetic flux density in a gap between the stator and the rotor.
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