JP2010284026A

JP2010284026A - 永久磁石型回転機

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Publication number: JP2010284026A
Application number: JP2009136156A
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: JP5453935B2

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、前記永久磁石は磁束密度分布が台形波状とされた台形波状着磁領域を有し、前記台形波状着磁領域の上底部幅を軸方向中央部に対して軸方向両端部側を広くして、低コギングトルク化を図った。
【選択図】図５

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を低減するために、従来、ロータに永久磁石が用いられているブラシレスモータであって、前記永久磁石の着磁が台形波着磁とされ、前記台形波着磁における着磁傾斜範囲αがスロット間隔角度をθ_Tとしたときに０．３７５θ_T≒α≒０．４２５θ_Tの範囲に設定したブラシレスモータが知られている（例えば、特許文献１参照）。

すなわち、例えば６極９スロットの永久磁石型回転機においては、スロット間隔角度θ_Tは３６０÷９＝４０ｄｅｇとなり、前記傾斜範囲αは１５〜１７ｄｅｇとなる。つまり、６極の場合１極当たり３６０÷６＝６０ｄｅｇとなり、台形波状着磁領域の着磁傾斜範囲αで挟まれる上底部幅βは６０−α×２で求められ、
２６ｄｅｇ≦β≦３０ｄｅｇ
の範囲となる。

永久磁石の総磁束量が少ないと、回転機内を流れる磁束が少なくなり、コギングトルクもちいさくなるが、回転機の出力トルクは磁束と電流の外積で求まるため、同一トルクを出力する場合、永久磁石の総磁束量が少ないと駆動源から多くの電流を流す必要がある。総磁束量は誘起電圧が反映されることを考慮すると、着磁上底部幅βを半分までしか使用しない場合、誘起電圧を十分に発生できない可能性が高い。

また、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一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２参照）。

すなわち、図６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７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２００４−１２９４８７号公報特開２００２−２５２９４１号公報

しかしながら、上記特許文献２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７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７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、前記永久磁石は磁束密度分布が台形波状とされた台形波状着磁領域を有し、前記台形波状着磁領域の上底部幅を軸方向中央部に対して軸方向両端部側を広く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、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、前記永久磁石は磁束密度分布が台形波状とされた台形波状着磁領域を有し、前記永久磁石の軸方向端部側における残留磁束密度を、軸方向中央部における残留磁束密度より大きくしたことを特徴としている。

本発明によれば、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、前記永久磁石は磁束密度分布が台形波状とされた台形波状着磁領域を有し、前記台形波状着磁領域の上底部幅を軸方向中央部に対して軸方向両端部側を広くしたので、軸方向のコギングトルクの総和を低減することができるという効果が得られる。

同様に、永久磁石の軸方向端部側における残留磁束密度を、軸方向中央部における残留磁束密度より大きくすることにより、軸方向のコギングトルクの総和を低減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式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。回転子の永久磁石の着磁状態を示す拡大図である。従来例の磁界解析シミュレーション結果を示す回転子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表す特性線図である。回転子回転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式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。この永久磁石式同期回転機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。
さらに、永久磁石２２は、図３に示すように、台形波状着磁領域２３が形成されている。この台形波状着磁領域２３は、所定幅βの一定の着磁領域となる上底部２３ａと、この上底部２３ａの両側の幅αの傾斜着磁領域２３ｂとで構成されている。

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前述した従来例の回転子回転角度と、前述した図６に示す帯状領域Ａ〜Ｅにおける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、前述した図７に示す総和が零となる理想的なコギングトルクとはならず、図４に示すように、回転子４の軸方向の上端側の帯状領域Ａについて回転子角度３〜４〔ｄｅｇ〕付近でコギングトルクが中央部の帯状領域Ｂ〜Ｄに比較して低下し、同様に、下端側の帯状領域Ｅについて回転子角度１６〜１７〔ｄｅｇ〕付近でコギングトルクが中央部の帯状領域Ｂ〜Ｄに比較して低下していることが知見された。この原因は、回転子４の上端側及び下端側では、漏れ磁束の影響などの要因により、回転子４の軸方向両端部と中央部とでは磁束密度分布が異なることによるものと考えられる。

このため、本実施形態では、回転子４の上端側及び下端側の帯状領域Ａ及びＥについて、永久磁石２２の台形波状着磁領域２３の上底部２３ａの幅βを中央部の帯状領域Ｂ〜Ｄにおける上底部２３ａの幅βに対して広くするようにしている。
すなわち、中央部については上底部幅βｃを、
２６ｄｅｇ≦βｃ≦３０ｄｅｇ
の範囲に設定するが、上端部の帯状領域Ａ及び下端部の帯状領域Ｅについては上底部幅βｅを設定した中央部の上底部幅βｃよりも例えば１．３倍広くしている。すなわち、帯状領域Ａ及びＥにおける磁束密度の低下を補償し、帯状領域Ａ及びＥの磁束密度を中央部の帯状領域Ｂ〜Ｄの磁束密度と略等しくして軸方向で磁束密度を平均化するように上底部幅βｅを設定している。

このように、回転子４の永久磁石２２における軸方向の両端部の帯状領域Ａ及びＥについて台形波状着磁領域２３の上底部２３の幅βｅを軸方向の中央部の帯状領域Ｂ〜Ｄにおける台形波状着磁領域２３の上底部２３の幅βｃより１．３倍広くした状態で、前述した磁界解析シミュレーションを行った結果を図５に示す。

この図５から明らかなように、前述した従来例のように、永久磁石２２の台形波状着磁領域２３の上底部２３ａの両端と回転子コア２１の中心点とを結ぶ線の角度でなる上底部角度を例えば４１〔ｄｅｇ〕で一定にして上底部幅βｅ及びβｃを一定とした場合には、特性曲線Ｌ０で示すように、回転子回転角度〔ｄｅｇ〕に対するコギングトルクの変動幅Ｗ０は大きな値となるが、本実施形態のように軸方向の両端における永久磁石２２の台形波状着磁領域２３の上程部幅βｅを中央部の上底部幅βｃに対して広くした場合には、特性曲線Ｌ１で示すように、特性曲線Ｌ０に比較してコギングトルクの変動幅Ｗ１を小さくすることができ、低コギングトルク化を図ることができた。

次に、本発明の第２の実施形態を説明する。
この第２の実施形態では、永久磁石２２の軸方向の両端側における台形波状着磁領域２３の上底部幅βｅを中央部における上底部幅βｃより広く設定する場合に代えて、永久磁石２２の軸方向の両端側における帯状領域Ａ及びＥの残留磁束密度を中央部における帯状領域Ｂ〜Ｄにおける残留磁束密度より大きくするようにしたものである。

この第２の実施形態でも、永久磁石２２の残留磁束密度を、軸方向両端部を軸方向中央部に比較して大きくすることにより、軸方向両端部側における漏れ磁束の影響を抑制して、磁束密度を軸方向で平均化することにより、低コギングトルク化を図ることができる。
なお、上記第１または第２の実施形態においては、永久磁石２２の軸方向端部側における上底部幅βｅを広くするかまたは残留磁束密度を大きく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、永久磁石２２の軸方向の両端部側における上程部幅βｅを中央部における上底部幅βｃより広くするとともに、軸方向の両端部側における残留磁束密度を中央部の残留磁束密度より大きくすることにより、漏れ磁束の影響を抑制するようにしてもよい。

また、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。
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…永久磁石式同期回転機、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、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、
前記永久磁石は磁束密度分布が台形波状とされた台形波状着磁領域を有し、
前記台形波状着磁領域の上底部幅を軸方向中央部に対して軸方向両端部側を広くしたことを特徴とする永久磁石型回転機。
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、
前記永久磁石は磁束密度分布が台形波状とされた台形波状着磁領域を有し、
前記永久磁石の軸方向端部側における残留磁束密度を、軸方向中央部における残留磁束密度より大きくしたことを特徴とする永久磁石型回転機。