JP2010284025A

JP2010284025A - 永久磁石型回転機

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Publication number: JP2010284025A
Application number: JP2009136155A
Authority: JP
Inventors: Hideki Oguchi; 英樹大口; Masao Shudo; 雅夫首藤
Original assignee: Fuji Electric Systems Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2009-06-05
Filing date: 2009-06-05
Publication date: 2010-12-16
Anticipated expiration: 2029-06-05
Also published as: JP5609016B2

Abstract

【課題】漏れ磁束を減少させながらコギングトルクを低く抑えることが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する永久磁石を有する回転子とを備えた永久磁石型回転機であって、前記固定子３は円筒状のヨーク１２の円周方向に等間隔を保って半径方向内方に突出する複数の磁極ティース１３を形成した固定子コア１１を有し、前記磁極ティース１３は先端に円周方向に突出する先細の楔状突出部１３ｂを有し、隣接する磁極ティース１３の前記楔状突出部１３ｂを互いに接触させた。
【選択図】図２

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。
永久磁石型回転機の固定子には、励磁コイルを巻装するスロットが閉じた閉スロットタイプ（例えば、特許文献１参照）と、スロットの回転子側が開口した開スロットタイプ（例えば、特許文献２及び特許文献３参照）とがある。

コギングトルクは、回転子の回転に伴って磁気エネルギーが変化するために発生する。すなわち、回転子の一によって磁気抵抗が変化する。つまり、回転子の回転により磁気抵抗の変化が少なくなるようにすれば、コギングトルクを低減できる。
閉スロットタイプと開スロットタイプとを比較すると、閉スロットタイプの方が磁気抵抗の変化を抑制できるため、コギングトルクを小さくできる。

ところで、永久磁石型回転機のトルクＴは、極対数Ｐｎ、永久磁石の作る鎖交磁束Ψａ、ｄ軸インダクタンスＬｄ、ｑ軸インダクタンスＬｑ、ｄ軸電流ｉｄ、ｑ軸電流ｉｑとすると次式で表される。
Ｔ＝Ｐｎ・Ψａ・ｉｑ＋Ｐｎ（Ｌｄ−Ｌｑ）ｉｄ・ｉｑ …………（１）
この（１）式の右辺第１項が永久磁石の作る磁束と電流の相互作用によって生じるトルク、第２項がリラクタンストルクを現している。

前述した特許文献１のような閉スロットタイプの場合、図８に示すように、固定子１０１の回転子に対向する内径側に励磁コイル１０２を巻装するスロット１０３を閉塞するように隣接する磁極ティース１０４間の内径側を連結するブリッジ１０５が形成されている。この閉スロットタイプでは、スロット１０３が閉塞されているので、固定子内径の円周方向の空気の磁気エネルギーの変化が少なく、コギングトルクが小さくなる。しかし、ブリッジ１０５の磁気抵抗は空気に比べて非常に小さいため、回転子に配設された永久磁石の作る磁束の大部分は磁極ティース１０４及びヨーク１０６で構成される磁路ＭＬ１を通るが、その一部がブリッジ１０５を通じて流れる磁路ＭＬ２を形成してしまう。この磁路ＭＬ２を通る磁束は、回転機のトルク発生に寄与することはない。すなわち、トルクを有効に発生できない漏れ磁束となり、前述した（１）式における右辺第１項のΨａが小さくなるため、トルクを有効に発生できない場合がある。

また、特許文献２に記載されているように、減磁耐力の向上を目的とした開スロットタイプの永久磁石型電動機では、隣り合うティースとティースとの開口部の幅（スロット開口幅Ｌａ）と、固定子と回転子とのエアギャップＬｇの関係を０．３１Ｌｇ＜Ｌａ≦２．０１Ｌｇとし、減磁磁束が固定子に流れないようにして、減磁耐力を向上させている。
近年の永久磁石型回転機の高密度化に伴い、固定子と回転子とのエアギャップは非常に狭くなってきている。このことからも、特許文献２に記載された従来例のスロット開口幅は非常に小さいことが分かる。

コギングトルクの観点からすると、スロット開口幅が狭ければ、閉スロットタイプには及ばないが、コギングトルクは小さくなる。
減磁については、集中巻を採用し、特に１２０°導通の場合、図９（ａ）に示すように、互いに隣接するステータ歯がそれぞれ異なる極を形成する箇所が存在するため、ステータ歯先端部において、高い磁束密度の磁気回路が形成され、局部減磁が発生しやすくなる。減磁界が永久磁石にかかりにくくするには、図９（ｂ）に示すように、ステータ歯先端部において、高い磁束密度の磁気回路が形成される部分から永久磁石を遠ざければよいことが知られている（例えば、非特許文献１参照）。

特許第３１０７１７７号公報特許第３０７６００６号公報特開２００４−９６８０３号公報

「埋込磁石同期モータの設計と制御」平成１３年１０月２５日株式会社オーム社発行

しかしながら、上記非特許文献１に記載された従来例では、漏れ磁束を低減し、減磁耐力を向上させることが開示されているが、特許文献２に記載された従来例に比較するとスロット開口幅が広いため、コギングトルクが非常に大きくなることが予測できる。
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、漏れ磁束を減少させながらコギングトルクを低く抑えることが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する永久磁石を有する回転子とを備えた永久磁石型回転機であって、前記固定子は円筒状のヨークの円周方向に等間隔を保って半径方向内方に突出する複数の磁極ティースを形成した固定子コアを有し、前記磁極ティースは先端に円周方向に突出する先細の楔状突出部を有し、隣接する磁極ティースの前記楔状突出部を互いに接触させ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、前記回転子の永久磁石の磁極数を２ｎ（ｎは正の整数）としたとき、固定子のスロット数を３ｎとし、前記励磁コイルは前記磁極ティースに１つのコイルが巻装された集中巻とされていることを特徴としている。
さらに、本発明の他の形態に係る永久磁石型回転機は、前記楔状突出部は、前記楔状突出部の前記固定子の内周円上の空隙長を１スロットピッチの０．０１７５倍以上で０．０５３倍以下に設定したことを特徴としている。

さらにまた、本発明の他の形態に係る永久磁石型回転機は、前記楔状突出部は、前記固定子の内周円から当該楔状突出部の接触点までの距離を、1スロットピッチの０．０１８倍とし、前記楔状突出部の前記固定子の内周円上の空隙長を１スロットピッチの０．０１７５倍以上で０．０５３倍以下に設定したことを特徴としている。
なおさらに、本発明の他の形態に係る永久磁石型回転機は、上記形態において、前記永久磁石は、磁束密度分布が台形波状に着磁された台形波状着磁領域を有し、該台形波状着磁領域の上底部角度を、電気角１１４度以上１３５度以下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、前記楔状突出部は、前記固定子の内周円から当該楔状突出部の接触点までの距離を、１スロットピッチの０．０４倍以上で０．０６２倍以下に設定し、前記楔状突出部の前記固定子の内周円上の空隙長を１スロットピッチの０．０１８倍以上で０．０４倍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永久磁石型回転機は、前記永久磁石は、磁束密度分布が台形波状に着磁された台形波状着磁領域を有し、該台形波状着磁領域の上底部角度を、電気角１１９度以上１４３度以下に設定したことを特徴としている。

さらにまた、本発明の他の形態に係る永久磁石型回転機は、前記永久磁石はスキューが施されていることを特徴としている。

本発明によれば、固定子の磁極ティースの先端に円周方向に突出する先細の楔状突出部を有し、隣接する磁極ティースの前記楔状突出部を互いに接触させるようにしているので、減磁力を向上して漏れ磁束を低減することができ、且つコギングトルクを小さくすることができるという効果が得られる。

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軸方向端面図である。図１の固定子コアを展開した状態の拡大斜視図である。図１の回転子を示す拡大図である。１スロットピッチに対して固定子内周円から楔状突出部の連結点までの高さを０．０１８倍した場合の永久磁石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。１スロットピッチに対して固定子内周円から楔状突出部の連結点までの高さを０．０４４倍とした場合の永久磁石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。１スロットピッチに対して固定子内周円から楔状突出部の連結点までの高を０．０１６２倍とした場合の永久磁石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。本発明の他の実施形態を示す固定子コアを展開した状態の拡大斜視図である。従来の閉スロットタイプの固定子を示す展開図である。従来の開スロットタイプの固定子を示す展開図であって、（ａ）は減磁対策前の形状を示す、（ｂ）は減磁対策後の形状を示す

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、図２に示すように、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に連接する磁脚部１３ａと、この磁脚部１３ａの先端に円周方向に突出する先細の楔状突出部１３ｂとで構成されている。この楔状突出部１３ｂは図２に拡大して示すように、先端の円周面１３ｃと、磁脚部１３ａとの付け根部１３ｄから傾斜延長する傾斜内面部１３ｅと、先端の円周面１３ｃから傾斜延長して傾斜内面部１３ｅと接する傾斜外面部１３ｆとから構成されている。

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の楔状突出部１３ｂの先端が互いに接触されている。互いに接触されている楔状突出部１３ｂの傾斜外面部１３ｆによって円周面１３ｃより外周側に空隙部１３ｇが形成されている。
各磁極ティース１３にはその磁脚部１３ａに１つの励磁コイル１６が巻装されて集中巻構成とされている。

一方、回転子４は、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、永久磁石２２は、図３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。

そして、磁極ティース１３の楔状突出部１３ｂの円周面１３ｃの延長線上から互いに接触する楔状突出部１３ｂの連結点１３ｈとの高さでなる楔状突出部先端高さすなわち空隙部１３ｇの高さをｈとし、円周面１３ｃの延長線上における隣接する磁極ティース１３間の傾斜外面部１３ｆと円周面１３ｃとの空隙長さをＳとし、隣接するスロット１４間のスロットピッチをＰとする。

本発明者等は、楔状突出部先端高さｈを１スロットピッチＰで除した値ｈ／Ｐと、空隙長さＳを１スロットピッチＰで除した値Ｓ／Ｐとを種々変更し、永久磁石２２の台形波状着磁領域２３の上底部２３ａ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、ｈ／Ｐ及びＳ／Ｐを所定範囲に設定することにより、隣接する楔状突出部を通して流れる漏れ磁束を低減しながら減磁耐力を向上し、コギングトルクを低く抑えることができることを知見した。

すなわち、例えばｈ／Ｐを０．０１８に設定した状態で、Ｓ／Ｐを０．０１８、０．０３５、０．０５３及び０．０８８に設定した場合について、磁界解析シミュレーションを行った結果を図３に示す。この図３では、Ｓ／Ｐ＝０．０８８にした場合には、一点鎖線図示のように、永久磁石２２の上底部角度θｍが電気角１０５度で比較的大きな値のコギングトルクとなり、これより上底部角度θｍが増加するに応じて略電気角１１７度迄の間でコギングトルクが急増し、その後上底部角度θｍが電気角１２８度程度までコギングトルクが一定となり、その後上底部角度θｍの増加に応じてコギングトルクが急増する。

また、Ｓ／Ｐ＝０．０５３に設定した場合には、点線図示のように、永久磁石２２の上底部角度θｍが電気角１０５度でＳ／Ｐ＝０．０８８に設定した場合より低く、その後上底部角度θｍの増加に応じて緩やかにコギングトルクが上昇し、電気角１１４度付近でコギングトルクがピーク値をとった後、上底部角度θｍの増加に応じてコギングトルクか緩やかに減少し、電気角１２６度付近でコギングトルクが最小値をとり、その後上底部角度θｍの増加に応じて比較的緩やかにコギングトルクが増加する。

さらに、Ｓ／Ｐ＝０．０３５に設定した場合には、二点鎖線図示のように、永久磁石２２の上底部角度θｍが電気角１０５度でＳ／Ｐ＝０．０５３に設定した場合より低く、上底部角度θｍの増加に応じてコギングトルクが非常に緩やかに増加し、電気角１１２度付近でコギングトルクがピーク値をとった後に上底部角度θｍの増加に応じて比較的緩やかコギングトルクが減少し、電気角１２４度付近でコギングトルクが最小値をとり、その後上底部角度θｍの増加に応じてコギングトルクが緩やかに増加する。

さらに、Ｓ／Ｐ＝０．０１８に設定した場合では、実線図示のように、永久磁石２２の上底部角度θｍが電気角１０５度でＳ／Ｐ＝０．０８８よりも小さいコギングトルクとなり、その後上底部角度θｍが増加するに応じてコギングトルクが緩やかに増加し、電気角１２０度付近で最小値をとり、その後上底部角度θｍの増加に応じてコギングトルクが比較的緩やかに増加し、その後電気角１３５付近から緩やかにコギングトルクが増加する。

この図３の磁界解析シミュレーション結果から明らかなように、ｈ／Ｐ＝０．０１８では、Ｓ／Ｐ＝０．０８８に設定した場合には、永久磁石２２の上底部角度θｍの増加によるコギングトルクの変動量が大きい。しかしながら、Ｓ／Ｐを０．０５３以下で０．０１８以上の範囲に設定する場合には、コギングトルクの値を小さい値に抑制することができる。しかも、上底部角度θｍを電気角１１４度以上で電気角１３５度以下に設定した場合には、コギングトルクの変動幅を小さくしてコギングトルクの極小点を選択することが可能となり、よりコギングトルクを小さくすることができる。

また、ｈ／Ｐ＝０．０４４に設定した場合及びｈ／Ｐ＝０．０６２に設定した場合には、それぞれ図５及び図６に示すように、Ｓ／Ｐを前述したｈ／Ｐ＝０．０１８に設定した場合と同様に、０．０８８、０．０５３、０．０３５及び０．０１８に設定した場合に、永久磁石２２の上底部角度θｍに対するコギングトルク変化は、Ｓ／Ｐ＝０．０８８に設定した場合には、全体的にコギングトルクが高く、上底部角度θｍの増加に応じてコギングトルクが高くなる。これに対して、Ｓ／Ｐを０．０５３、０．０３５及び０．０１８に設定した場合には、コギングトルクを低く抑えることができるとともに、コギングトルクの変動幅を抑制することができる。しかも、永久磁石２２の上底部角度θｍを電気角１１９度以上で電気角１４３度以下の範囲に設定することにより、コギングトルクの極小点を選択することが可能となり、よりコギングトルクを小さくすることができる。

このように、本発明では、固定子３の磁極ティース１３の先端に円周方向に突出する先細の楔状突出部１３ｂを配設し、隣接する磁極ティース１３の楔状突出部１３ｂの先端を接触させることにより、漏れ磁束を抑制しながらコギングトルクを低減することができる。しかも、楔状突出部１３ｂに傾斜外面部１３ｆを形成して回転子４の永久磁石２２から遠ざけるようにしたので、減磁耐力を高めることができる。

ここで、Ｓ／Ｐを０．０１８以上で０．０５３以下の範囲に設定することにより、ｈ／Ｐの値に関わらずコギングトルクを低減することができる。
また、ｈ／Ｐを０．０１８に設定するとともに、Ｓ／Ｐを０．０１８以上で０．０５３以下の範囲に設定することにより、コギングトルクを低減することができ、さらに回転子４の永久磁石２２に台形波状着磁領域２３を形成し、この台形波状着磁領域２３の上底部角度θｍを電気角１１４度以上で電気角１３５度以下の範囲に設定することにより、コギングトルクを極小点付近に設定することができる。

同様に、ｈ／Ｐを０．０４４及び０．０６２に設定した場合には、Ｓ／Ｐを０．０１８以上で０．０５３以下の範囲に設定することによりコギングトルクを低減することができ、さらに回転子４の永久磁石２２に台形波状着磁領域２３を形成し、この台形波状着磁領域２３の上底部角度θｍを電気角１１９度以上で電気角１４３度以下の範囲に設定することにより、コギングトルクを極小点付近に設定することができる。

なお、上記実施形態においては、固定子３の磁極ティース１３及び回転子４の永久磁石２２にスキューを施さない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及び回転子４の永久磁石２２の何れかにスキューをほどこすことにより、よりコギングトルクを減少させることができる。
また、上記実施形態においては、隣接する磁極ティース１３の楔状突出部１３ｂの鋭角な先端同士を接触させた線接触状態とす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、図７に示すように、楔状突出部１３ｂの先端を切り落とした形状として楔状突出部１３ｂ同士を面接触させるようにしてもよい。この場合、接触面積が広くなると漏れ磁束が増加するので、接触面積をできるだけ小さくした方がコギングトルクを抑制することができる。

さらに、上記実施形態においては、分割した固定子コア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、円筒状のヨーク１２に円周方向に等間隔で磁極ティース１３を形成するようにしてもよい。
さらにまた、上記実施形態においては、回転子４を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、回転子コア２１の表面に永久磁石を埋込んで永久磁石の正面を露出させた埋込磁石型回転子で構成することもできる。

なおさらに、上記実施形態においては、上記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、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…楔状突出部、１３ｃ…円周面、１３ｄ…付け根部、１３ｅ…傾斜内面部、１３ｆ…傾斜外面部、１３ｇ…空隙部、１３ｈ…連結点、１４…スロット、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

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する永久磁石を有する回転子とを備えた永久磁石型回転機であって、
前記固定子は円筒状のヨークの円周方向に等間隔を保って半径方向内方に突出する複数の磁極ティースを形成した固定子コアを有し、前記磁極ティースは先端に円周方向に突出する先細の楔状突出部を有し、隣接する磁極ティースの前記楔状突出部を互いに接触させたことを特徴とする永久磁石型回転機。
前記回転子の永久磁石の磁極数を２ｎ（ｎは正の整数）としたとき、固定子のスロット数を３ｎとし、前記励磁コイルは前記磁極ティースに１つのコイルが巻装された集中巻とされていることを特徴とする請求項１又は２に記載の永久磁石型回転機
前記楔状突出部は、前記楔状突出部の前記固定子の内周円上の空隙長を１スロットピッチの０．０１７５倍以上で０．０５３倍以下に設定したことを特徴とする請求項１又は２に記載の永久磁石型回転機。
前記楔状突出部は、前記固定子の内周円から当該楔状突出部の接触点までの距離を、1スロットピッチの０．０１８倍とし、前記楔状突出部の前記固定子の内周円上の空隙長を１スロットピッチの０．０１７５倍以上で０．０５３倍以下に設定したことを特徴とする請求項１又は２に記載の永久磁石型回転機。
前記永久磁石は、磁束密度分布が台形波状に着磁された台形波状着磁領域を有し、該台形波状着磁領域の上底部角度を、電気角１１４度以上１３５度以下に設定したことを特徴とする請求項４に記載の永久磁石型回転機。
前記楔状突出部は、前記固定子の内周円から当該楔状突出部の接触点までの距離を、１スロットピッチのＯ．０４倍以上で０．０６２倍以下に設定し、前記楔状突出部の前記固定子の内周円上の空隙長を１スロットピッチの０．０１８倍以上で０．０４倍以下に設定したことを特徴とする請求項１又は２に記載の永久磁石型回転機。
前記永久磁石は、磁束密度分布が台形波状に着磁された台形波状着磁領域を有し、該台形波状着磁領域の上底部角度を、電気角１１９度以上１４３度以下に設定したことを特徴とする請求項６に記載の永久磁石型回転機。
前記永久磁石はスキューが施されていることを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項に記載の永久磁石型回転機。