JP2012029524A - 永久磁石式回転機 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】コイル7が巻回された固定子2と、該固定子の内側に空隙を隔てて回転自在に配設された回転子鉄心12を有する回転子3とを備え、前記回転子鉄心12は、円周方向に等間隔で、外周側に開いたV字形状の磁石挿入孔13a,13bが軸方向に形成され、該磁石挿入孔に永久磁石14が挿入された永久磁石式回転機であって、前記永久磁石14は軸直角方向の断面形状が長方形に形成され、前記磁石挿入孔に挿入した前記永久磁石の外周端側に第1のフラックスバリア15a,15bを形成するとともに、当該永久磁石の外周端側における前記磁極側に減磁耐性を向上させる第2のフラックスバリア16a,16bを形成した。
【選択図】図1
Description
この埋込磁石式回転機は、回転子内部に永久磁石を埋込み、永久磁石から発生する磁束が固定子に巻回した励磁コイルとの鎖交磁束量に応じて発生するマグネットトルクに加えて、回転子鉄心の磁気抵抗を利用したリラクタンストルクを利用した回転機であり、小型高出力高効率回転機として広く用いられている。
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、製作容易性を確保して製作費の増加を抑制しつつ、永久磁石の減磁耐性を向上することができる永久磁石式回転機を提供することを目的としている。
この構成によると、第1のフラックスバリアによって、磁極間側への漏れ磁束を低減することができるとともに、磁石挿入孔及び第1のフラックスバリア間に回転子鉄心部が介在しているので、回転子鉄心の遠心力強度を確保することができる。
この構成によると、第1のフラックスバリアと磁石挿入孔との間に補助フラックスバリアが形成され、この補助フラックスバリアでも漏れ磁束を低減できるので、永久磁石の磁極間側の漏れ磁束をより低減することができ、磁極間側の永久磁石端部の減磁を抑制することができる。
この構成によると、磁極間側の永久磁石の漏れ磁束をより低減することができ、磁極間側の永久磁石端部の減磁を抑制することができる。
この構成によれば、第1のフラックスバリアに形成した段部で、永久磁石の磁極間側の端面を保持して位置決めを行うことができ、回転子鉄心の遠心力強度を確保することができる。
この構成によれば、第2のフラックスバリアによって、無負荷誘起電圧の低下を抑制して減磁耐性を向上させることができる。
この構成によれば、第2のフラックスバリアが回転子鉄心の外周面側に凸となる形状とされているので、永久磁石で発生する磁束は、磁気抵抗の大きい回転子鉄心内側へとは向かわず、回転子鉄心の外周面へと向かうようになり、磁極間側の永久磁石端部の減磁をより抑制できる。
図1は本発明に係る永久磁石式回転機の第1の実施形態を示す断面図である。この図1において、永久磁石式回転機1はインナーロータ形の埋込磁石式同期回転機で構成されている。
この永久磁石式回転機1は、円筒状の固定子2と、この固定子2の内周側に所定の空隙を介して対向して回転自在に配置された回転子3とを備えている。ここで、回転子3はその中心部に嵌挿された回転軸3aに支持されて回転自在に配置されている。
そして、一対の磁石挿入孔13a,13bのそれぞれは、軸直角方向の断面形状が長方形状に形成されている。これに応じて、磁石挿入孔13a,13bに挿入される永久磁石14も軸直角方向の断面形状が長方形状に形成されている。ここで、永久磁石14間の外周側開角θが図2に示すように例えば160°程度に設定されている。
そして、磁石挿入孔13a,13bの回転子鉄心12の外周面側端面すなわち磁極間側端面に連通して、第1のフラックスバリア15a,15bが形成されているとともに、磁石挿入孔13a,13bの外周面側における磁極11a〜11f側の減磁が起こり易い部分に第2のフラックスバリア16a,16bが形成され、さらに磁石挿入孔13a,13bの回転軸3a側の端面に第3のフラックスバリア17a,17bが形成されている。
さらに、第3のフラックスバリア17a,17bは、図2で拡大図示するように、磁石挿入孔13a,13bの回転子鉄心12の回転軸3a側端面に連通して磁石挿入孔13a,13bの磁極側長辺に連接する内周面25と、その内側端部から回転軸3aの中心に向かって延長する内周面26と、その回転軸3a側端部から磁石挿入孔13a,13bの回転軸3a側の長辺に沿って磁石挿入孔13a,13bの内側端面に達する内周面27とで台形孔形状に形成されている。ここで、内周面27と磁石挿入孔13a,13bの回転軸3a側の長辺との間に内周面27が外周面側となる磁石位置決め用段部28が形成されている。また、隣接する第3のフラックスバリア17a及び17b間には回転子鉄心12が介在されている。
また、回転子3の隣接する磁極11a及び11b、11b及び11c、11c及び11d、11d及び11e、11及び11f、11f及び11a間における異なる極性の永久磁石14間と回転軸3aの軸心とを結ぶ線がq軸となる。
したがって、d軸方向の磁束の磁路には空隙Gと同じ磁気抵抗の大きな永久磁石14が存在し、磁束は通りにくいが、q軸方向の磁束は回転子鉄心12を通ることができるため、この方向の磁気抵抗は小さくなり、d軸インダクタンスLdとq軸インダクタンスLqとがLd<Lqの突極性を有する。
T=Pn(Φiq+(Ld−Lq)idiq)
ただし、Pn:極対数,Φ:電機子鎖交磁束,iq:q軸電流,id:d軸電流,Lq:q軸インダクタンス,Ld:d軸インダクタンスである。
このトルクの一般式より、q軸電流iqに比例するマグネットトルクの項とq軸電流iqとd軸電流idの積に比例するリラクタンストルクの項が存在する。したがって,負のd軸電流を通電することにより、マグネットトルクにリラクタンストルクを加算した高トルク化を図ることができる。
ここで、磁界解析によって、第2のフラックスバリア16a,16bを追加する前後における定格電流に対して5倍の電流を通電後の無負荷誘起電圧を算出し、通電前の無負荷誘起電圧に対する低下率すなわち無負荷誘起電圧低下率を求めると、図3に示すようになる。この図3から明らかなように、第2のフラックスバリア16a,16bの追加していない比較例1では無負荷誘起電圧低下率は3.5%となる。一方、第2のフラックスバリア16a,16bを追加した本実施形態の実施例では、無負荷誘起電圧低下率を0.7ポイント改善した。
この図4から明らかなように、実施例及び比較例2はともにスキュー角を設けない場合ではコギングトルクが実施例では15.1%、比較例2では17.0%になり、この状態からスキュー角を大きくするに従ってコギングトルクが低下する。そして、スキュー角9°で両者のコギングトルクがともに1.7%となり、スキュー角10°でコギングトルク1%を下回るコギングトルクとなる実施例では0.2%、比較例2では0.1%となっており、実施例でも比較例と同等のコギングトルク抑制効果を発揮することができる。また、さらにスキュー角を11°にすると、コギングトルクが実施例及び比較例2でともに1.3%となり、1%を超えることになる。このことから、コギングトルクを例えば1%以下にするためには、スキュー角を10°付近に設定することが望ましい。
さらに、上記第1の実施形態のように、第1のフラックスバリア15a,15b及び第3のフラックスバリア17a,17bに磁石位置決め用段部24及び28を形成することにより、これら磁石位置決め用段部24及び28によって永久磁石14の位置決めを正確に行うことができるとともに、回転子3を高速回転させたときの遠心力強度を確保することができる。
また、上記第1の実施形態においては、磁石位置決め用段部24及び28を形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14に掛かる遠心力が小さい場合には、磁石位置決め用段部24及び28を省略することができる。
この第2の実施形態では、前述した第1の実施形態における第1のフラックスバリアの配置及び形状を変更するようにしたものである。
すなわち、第2の実施形態では、図6に示すように、第1のフラックスバリア31a,31bが磁石挿入孔13a,13bの回転子鉄心12の外周面側端面に対して所定距離だけ外周面側に離れた位置つまり磁石挿入孔13a,13bに対して回転子鉄心12を介在させた位置に細長い長方形孔形状に形成されている。
そして、磁石挿入孔13a,13bと第1のフラックスバリア31a,31bとが分離されて間に回転子鉄心12が介在するので、回転子3を高速回転させた場合の回転子鉄心12の遠心力強度を向上させることができる。
この第3の実施形態は、第2のフラックスバリア16a,16bの形状を変更したものである。
すなわち、第3の実施形態では、図8に示すように、前述した第2の実施形態における第2のフラックスバリア16a,16bが、磁石挿入孔13a,13bの中央より端部から回転子鉄心12の外周面側すなわち磁極間側の端面に行くに従い磁石挿入孔13a,13bの側面からの距離が徐々に長くなり、回転子鉄心12の外周面との距離が徐々に短くなる三角孔形状に形成されている。
また、上記第3の実施形態においては、第2のフラックスバリア16a,16bの磁極側内周面が平面状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、二次曲面に形成するようにしてもよい。
Claims (7)
- コイルが巻回された複数のティースとヨークとを有する固定子と、該固定子の内側に空隙を隔てて回転自在に配設された回転子鉄心を有する回転子とを備え、
前記回転子鉄心は、円周方向に等間隔で、外周側に開いたV字形状の磁石挿入孔が軸方向に形成され、該磁石挿入孔にV字形状の内側同士が同極性となって磁極を形成し、且つ円周方向に隣接する磁極が異極性となるように永久磁石が挿入された構成を有する永久磁石式回転機であって、
前記永久磁石は軸直角方向の断面形状が長方形に形成され、
前記磁石挿入孔に挿通した前記永久磁石の外周端側に第1のフラックスバリアを形成するとともに、当該永久磁石の外周端側における前記磁極側に減磁耐性を向上させる第2のフラックスバリアを形成した
ことを特徴とする永久磁石式回転機。 - 前記第1のフラックスバリアは、前記磁石挿入孔の円周方向端面に、所定距離離れて対向形成されていることを特徴とする請求項1に記載の永久磁石式回転機。
- 前記第1のフラックスバリアは、前記磁石挿入孔と前記永久磁石の円周方向端面を挟む側面の少なくとも一方で連通する補助フラックスバリアを備えていることを特徴とする請求項2に記載の永久磁石式回転機。
- 前記第1のフラックスバリアは、前記回転子鉄心の外周面に所定間隔を保って沿う内周面を有する三角孔形状及び台形孔形状の何れか一方の形状に形成されていることを特徴とする請求項1に記載の永久磁石式回転機。
- 前記第1のフラックスバリアの前記永久磁石の外周方向端面に対向する位置に当該永久磁石の外周方向の位置決めを行う段部が形成されていることを特徴とする請求項4に記載の永久磁石式回転機。
- 前記第2のフラックスバリアは、前記永久磁石の外周方向端面から所定距離内方側に当該永久磁石の側面に沿って扁平な断面長方形状に形成されていることを特徴とする請求項1乃至5の何れか1項に記載の永久磁石式回転機。
- 前記第2のフラックスバリアは、前記永久磁石の中央部側端部から外周方向端面に向かうに従い永久磁石の側面からの距離が長くなる三角孔形状及び台形孔形状の何れか一方の形状に形成されていることを特徴とする請求項1乃至5の何れか1項に記載の永久磁石式回転機。
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