JP2010279156A - 永久磁石型回転機 - Google Patents

Abstract

【課題】低コギングトルク化を実現可能な永久磁石型回転機を提供する。
【解決手段】励磁コイル１６を巻装した固定子３と、該固定子３と所定の空隙を隔てて対向して回転し、異なる極性の永久磁石２２を隣接させた回転子コア２１を有する回転子４とを備えた永久磁石型回転機であって、前記永久磁石２２及び固定子３の一方に、軸方向の一端から他端に行くに従い周方向に滑らかにスキューが施され、該スキューのスキュー角度θｓを、前記回転子３の機械角一回転を前記永久磁石２２の磁極数と前記固定子スロット１４のスロット数の最小公倍数で除算した値の理論スキュー角度θｓｔより大きな角度に設定した。
【選択図】図４

Description

本発明は、固定子と所定の空隙を有して対向して回転し表面に永久磁石を配設した回転子コアを有する回転子とを備えた永久磁石型回転機に関する。

この種の永久磁石型回転機ではコギングトルクと呼ばれる一種のトルク脈動が発生することが良く知られている。永久磁石型回転機においてコギングトルクが大きい場合、回転機の制御性能を悪化させたり、騒音を発生したりといった問題が生じる。
このコギングトルクの発生は、回転子と固定子間に働く静的な磁気吸引力が回転位置により異なることによるものであり、その脈動回数は、回転子一回転に対して永久磁石の磁極数と固定子のスロット数の最小公倍数の値となることが知られている（例えば、非特許文献１参照）。

また、コギングトルクの大きさは、永久磁石の作る磁束により発生する全磁気エネルギーを回転角度で微分した値となり、例えば回転子の回転に伴って磁気抵抗が変化するような場合、その磁気抵抗の変化に従い全磁気エネルギーも変化するためコギングトルクが発生する。
このようなコギングトルクを低減するために、複数の永久磁石を周方向に不均等に配置し、ステータは同一相のコイルが周方向に隣接しないようにし、各永久磁石の均等配置位置からのずらし角すなわちスキュー角を、ロータ１回転あたりのコギング数がスロット数Ｓとポール数Ｐの最小公倍数の整数倍に設定することにより、回転子に備える永久磁石を軸方向の一端から他端に向かって周方向にスキューし、発生するコギングトルクを相互に打ち消し合うようにした永久磁石型回転電機が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

すなわち、図７に示すように、回転子１００にスキュー配置した永久磁石１０１を軸方向の上端側から均等幅の帯状領域Ａ〜Ｅに５分割したとき、各帯状領域Ａ〜Ｅに発生する理想的なコギングトルク波形は図８に示すようになる。この場合、モータに発生するコギングトルクは、各帯状領域Ａ〜Ｅで発生するコギングトルクの総和であり、この場合コギングトルクは各帯状領域Ａ〜Ｅで打ち消し合い零となる。

特開２００２−２５２９４１号公報

「外部応力印加時のＰＭモータのコギングトルクに関する実験検討」電気学会回転機研究会論文ＲＭ−０３−１５２

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、スキュー角を、ロータ１回転あたりのコギング数がスロット数Ｓとポール数Ｐの最小公倍数の整数倍に設定しているので、図８に示すように理論的にはコギングトルクを打ち消すことができるものであるが、回転子の軸方向の端部における漏れ磁束の影響などの要因により、回転子の軸方向端部と中央部とでは磁束密度分布が異なるため前述した図８に示すような理想的な波形とならず、コギングトルクを完全に打ち消すことはできない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、低コギングトルク化を実現可能な永久磁石型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、本発明の一の形態に係る永久磁石型回転機は、励磁コイルを巻装した固定子と、該固定子と所定の空隙を隔てて対向して回転し、異なる極性の永久磁石を隣接させた回転子コアを有する回転子とを備えた永久磁石型回転機であって、前記永久磁石及び固定子の一方に、軸方向の一端から他端に行くに従い周方向に滑らかにスキューが施され、該スキューのスキュー角度を、前記回転子の機械角一回転を前記永久磁石の磁極数と前記固定子スロット数の最小公倍数で除算した値の理論スキュー角度より大きな角度に設定したことを特徴としている。

また、本発明の他の形態に係る永久磁石型回転機は、前記スキュー角度を、前記理論スキュー角度より大きく、当該理論スキュー角度の２割増し以上で４割増し以下に設定したことを特徴としている。
さらに、本発明の他の形態に係る回転機は、前記永久磁石を台形波状の着磁領域を形成するように着磁し、前記着磁領域の上底部角度θａを電気角で、１３２°≦θａ≦１５６°の範囲に設定したことを特徴としている。

本発明によれば、回転子の永久磁石及び固定子の一方のスキュー角度を、回転子の機械角一回転を永久磁石の磁極数と固定子スロット数との最小公倍数で除算した値の理論スキュー角度より大きな角度に設定することにより、スキュー角度を理論スキュー角度に設定する場合に比較してコギングトルクを低減することができるという効果が得られる。
ここで、スキュー角度は理論スキュー角度の２割増し以上で４割増し以下に設定することがコギングトルクを効果的に抑制する上でより好ましく、スキュー角度の上記設定に合わせて、永久磁石の台形波状着磁領域の上底部角度θａを電気角で１３２°≦θａ≦１５６°の範囲に設定することにより、よりコギングトルクを低減することができる。

本発明の一実施形態を示す永久磁石型同期回転機を示す断面図である。 図１の回転子を示す斜視図である。 回転子のスキュー角を示す展開図である。 スキュー角度とコギングトルクとの関係を示す特性線図である。 回転子の永久磁石の着磁状態を示す拡大図である。 着磁領域の上底部角度とコギングトルクとの関係を示す特性線図である。 従来例の回転子を示す正面図である。 従来例の回転子の回転角度と軸方向の分割領域におけるコギングトルクとの関係を示特性線図である。

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は本発明を永久磁石型同期回転機に適用した場合の第１の実施形態を示す断面図である。この図１において、永久磁石型同期回転機１は表面磁石型同期回転機で構成されている。この永久磁石型同期回転機１は、円筒状フレーム２を有する。この円筒状フレーム２の内周側には円筒状の積層鋼板で形成された固定子３が固定され、この固定子３の内周側には所定の空隙を介して対向する積層鋼板で形成された回転子４が配置されている。この回転子４は回転軸５に支持されて回転自在に配置されている。

固定子３は、円筒状フレーム２の内周側に円周方向に９分割された固定子コア１１を円周方向に連結して配置した構成を有する。各固定子コア１１は、外周面が円筒面に形成され、内周面が９角筒内面とされたヨーク１２と、このヨーク１２の内周面の円周方向の中央部から半径方向に突出形成された磁極ティース１３とから構成されている。
磁極ティース１３は、ヨーク１２に連接する一定幅Ｔｗの磁脚部１３ａと、この磁脚部１３ａの先端から円周方向に突出する楔状の鍔部１３ｂとで構成されている。

そして、隣接する固定子コア１１のヨーク１２及び磁極ティース１３とでスロット１４が形成され、隣接する磁極ティース１３の鍔部１３ｂ間にスロット開口部１５が形成されている。
磁極ティース１３にはその磁脚部１３ａに励磁コイル１６が集中巻されている。
一方、回転子４は、図２及び図３に示すように、円筒状の回転子コア２１の外周面となる表面に円周方向に隣接する磁極が異極性となるように例えば６極構成の永久磁石２２が配設された構成を有する。ここで、永久磁石２２は希土類磁石で構成されている。

また、各永久磁石２２は、回転子コア２１の軸方向の上端から下端に行くに従い周方向に滑らかに平面から見て時計方向にずれるスキューが施されている。このスキューのスキュー角度θｓは、回転子の機械角一回転を永久磁石２２の磁極数Ｐと固定子３のスロット数Ｓとの最小公倍数で除算した値でなる理論スキュー角度θｓｔより大きな角度に設定されている。本実施形態では、６極９スロット構成を有するので、理論スキュー角度θｓｔは、θｓｔ＝３６０／１８＝２０［度］となる。

ここで、永久磁石２２のスキュー角度θｓの設定は、本発明者等が６極９スロット構成の永久磁石型同期回転機を対象としてスキュー角度とコギングトルクとの関係について磁界解析シミュレーションを行ったところ、図４に示すように、スキュー角度θｓが１８度から増加させたときに、コギングトルクはスキュー角度θｓの増加によって徐々に減少することになり、理論スキュー角度θｓｔを超えても減少傾向を継続し、スキュー角度θｓが２６度近傍でコギングトルクが最小値をとり、その後スキュー角度θｓが増加するとコギングトルクも増加する。そして、スキュー角度θｓが２８度を超えると永久磁石２２の製造容易性が低下する。

この図４から明らかなように、従来例では、スキュー角度θｓを理論スキュー角度θｓｔに設定することにより、図８に示すように、軸方向に所定数に分割した帯状領域Ａ〜Ｅのコギングトルクが打ち消しあって、その総和が零となる筈である。しかしながら、実際上は、回転子の軸方向の端部における漏れ磁束の影響などの要因により、回転子の軸方向端部と中央部とでは磁束密度分布が異なるために、理論スキュー角度θｓｔでコギングトルクが最小とはならず、コギングトルクを抑制するためには理論スキュー角度θｓｔより大きな角度に設定する必要がある。

そして、永久磁石２２の製造容易性を考慮すると、理論スキュー角度θｓｔの４割増しの角度すなわち１．４θｓまでの範囲内に設定することが好ましい。
より好ましくは、コギングトルクが最小値となるスキュー角度θｓｍｉｎ＝２５．６［度］を含む両側の理論スキュー角度θｓｔの２割増しの角度１．２θｓｔ＝２４［度］以上で、４割増しの角度１．４θｓｔ＝２８［度］以下の範囲に設定することにより、コギングトルクを最小値に近い値に抑制することができる。

このように、上記第１の実施形態によると、永久磁石型同期回転機１が表面永久磁石型回転機の構成を有するので、回転子４の永久磁石２２の円周方向の中央部がｄ軸と隣接する永久磁石２２間がｑ軸となって、励磁コイル１６に通電してｄ−ｑ軸電流制御することにより、回転子４を回転駆動することができる。
このとき、上述したように、回転子４の永久磁石２２のスキュー角度θｓを理論スキュー角度θｓｔより大きな角度に設定することにより、スキュー角度θｓを理論スキュー角度θｓｔに設定した場合に比較して低コギングトルク化を図ることができる。

そして、永久磁石２２の製造容易性を考慮すると、スキュー角度θｓは理論スキュー角度θｓｔの４割増しの１．４θｓｔ以下に設定することが好ましく、より低コギングトルク化を図るにはスキュー角度θｓを理論スキュー角度θｓｔの２割増しの１．２θｓｔ以上で４割増しの１．４θｓに設定することが好ましい。

次に、本発明の第２の実施形態を図５について説明する。
この第２の実施形態においては、前述した第１の実施形態に加えて回転子の永久磁石の上底部角度を所定範囲に設定することにより、コギングトルクをより低減することを可能としたものである。
すなわち、第２の実施形態においては、永久磁石型同期回転機１の構成は、前述した第１の実施形態と全く同一の６極９スロットの構成を有するが、永久磁石２２が、図５に示すように、ハッチング図示の台形波状に着磁された台形波状着磁領域２３を有しており、回転子コア２１の中心から台形波状着磁領域２３の上底部２３ａの円周方向の端部を通る線間の角度が上底部角度θｍとして設定され、この上底部角度θｍの両側の着磁傾斜部の角度がθａとして設定されている。

本発明者等は、前述した第１の実施形態の構成を有する永久磁石型同期回転機１の回転子４における永久磁石２２の台形波状着磁の上底部角度θｍを種々変更して磁界解析シミュレーションを行った結果、上底部角度θｍが、所定範囲内にあるときにコギングトルクをより低下させることができることを知見した。
すなわち、図５に示す回転子４の永久磁石２２におけるハッチング図示の台形波状着磁領域２３の上底部２３ａの回転子コア２１の中心からの角度である上底部角度θｍとコギングトルクとの磁界解析シミュレーション結果は図６のようになる。

この図６では、上底部角度θｍが電気角１２３°から上底部角度θｍが増加するにつれてコギングトルクが減少し、上底部角度θｍが電気角１３２°を超えると上底部角度θｍの増加に応じたコギングトルクの減少量が増加し、電気角が約１４４°でコギングトルクが最小値となり、その後上底部角度θｍの増加に応じてコギングトルクが増加する。
このため、上底部角度θｍを電機角１３２度以上で１５６度以下（１３２°≦θａ≦１５６°）に設定することにより、より低コギングトルク化を図ることができることを見出した。

したがって、第２の実施形態では、永久磁石２２の台形波状着磁領域２３の上底部２３ａの角度θｍが電機角１３２度以上で１５６度以下（１３２°≦θａ≦１５６°）に設定されている。
このように、上底部角度θｍを設定することにより、前述した第１の実施形態による低コギングトルク化に加えて、上底部角度θを上記範囲に設定することによるコギングトルクの更なる低減化を図ることができ、永久磁石型同期回転機１の全体のコギングトルクをより低減することができる。

なお、上記第１及び第２の実施形態においては、固定子３のスロット１４が開口部１５を有するオープンスロット形式である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、開口部１５を有しない閉じたスロットのクローズスロット形式を適用することもできる。
また、上記第１及び第２の実施形態においては、回転子４を回転子コア２１の表面に配置した表面磁石型回転子で構成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、永久磁石２２を回転子コア２１の表面に、永久磁石２２の表面が露出する状態で埋込んだ埋込磁石型回転子とすることもできる。

さらに、上記第１及び第２の実施形態においては、回転子４の永久磁石２２にスキューを施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、固定子３の磁極ティース１３にスキューを施すようにしてもよい。この場合もスキュー角θｓを理論スキュー角度θｓｔより大きくこの理論スキュー角度θｓｔの４割増しのスキュー角度１．４θｓｔ以下の範囲に設定し、より好ましくは理論スキュー角度θｓｔの２割増しのスキュー角度１．２θｓｔ以上で４割増しのスキュー角度１．４θｓｔの範囲に設定する。

さらにまた、上記第１及び第２の実施形態においては、分割型の固定子コア１１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、ヨーク１２を円筒状に形成し、その内周面から円周方向に等間隔で半径方向に突出する磁極ティース１３を一体に形成するようにしてもよい。
なおさらに、上記第１及び第２の実施形態においては、本発明を固定子３の磁極ティース１３及びスロット１４を９個とし、回転子４の永久磁石２２の極数を６とする回転機に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、永久磁石２２の極数を２ｎ（ｎは正の整数）としたときに、スロット数を３ｎとする回転機に本発明を適用することができる。

１…永久磁石型同期回転機、３…固定子、４…回転子、５…回転軸、１１…固定子コア、１２…ヨーク、１３…磁極ティース、１３ａ…磁脚部、１３ｂ…鍔部、１４…スロット、１５…開口部、１６…励磁コイル、２１…回転子コア、２２…永久磁石、２３…台形波状着磁領域、２３ａ…上底部

Claims (3)

1. 励磁コイルを巻装した固定子と、該固定子と所定の空隙を隔てて対向して回転し、異なる極性の永久磁石を隣接させた回転子コアを有する回転子とを備えた永久磁石型回転機であって、
   前記永久磁石及び固定子の一方に、軸方向の一端から他端に行くに従い周方向に滑らかにスキューが施され、
   該スキューのスキュー角度を、前記回転子の機械角一回転を前記永久磁石の磁極数と前記固定子スロット数の最小公倍数で除算した値の理論スキュー角度より大きな角度に設定したことを特徴とする永久磁石型回転機。
2. 前記スキュー角度を、前記理論スキュー角度より大きく、当該理論スキュー角度の２割増し以上で４割増し以下に設定したことを特徴とする請求項１に記載の永久磁石型回転機。
3. 前記永久磁石を台形波状の着磁領域を形成するように着磁し、前記着磁領域の上底部角度θａを電気角で、
   １３２°≦θａ≦１５６°
   の範囲に設定したことを特徴とする請求項２に記載の永久磁石型回転機。

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