JP2013132149A - Rotary electric machine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は回転電機に関し、特に永久磁石が界磁子コアに埋設される回転電機に関する。 The present invention relates to a rotating electrical machine, and more particularly to a rotating electrical machine in which a permanent magnet is embedded in a field element core.
非特許文献1は、界磁子と電機子とを備える電動機について記載している。界磁子と電機子とは例えば回転軸を中心とした径方向でエアギャップを介して互いに対面し、当該回転軸を中心として互いに相対的に回転する。非特許文献1では、界磁子は界磁子用コアと、界磁子用コアの外周面に取り付けられる永久磁石とを有する。電機子は、環状のバックヨークと、複数のティースと、複数の巻線とを備えている。ティースはバックヨークから界磁子へと向って延在し巻線が巻回される延在部と、界磁子側で延在部から周方向に広がる鍔部とを有している。
Non-Patent
またマグネットトルクのみならずリラクタンストルクを利用できる電動機として、非特許文献2のように、永久磁石が界磁子コアに埋設される電動機が提案されている。リラクタンストルクは、いわゆるd軸インダクタンスとq軸インダクタンスとの差が大きいほど、大きい。 Further, as an electric motor that can use not only magnet torque but also reluctance torque, as in Non-Patent Document 2, an electric motor in which a permanent magnet is embedded in a field element core has been proposed. The reluctance torque increases as the difference between the so-called d-axis inductance and q-axis inductance increases.
なお非特許文献1,2のいずれにおいても、電機子のティースの数(スロット数)が界磁子の磁極の数(極数)よりも多い電動機について考察されている。
In both
また、本発明に関連する技術として特許文献1が挙げられており、特許文献1でもスロット数が極数よりも多い。
Further,
しかしながら、特許文献1及び非特許文献1,2のいずれにおいても、ティースの鍔部における磁束密度に対してなんら考察が行われていない。これは次の理由による。即ち、特許文献1及び非特許文献1,2においてはスロット数が極数よりも多い。このような回転電機においては、界磁子の磁極面の周方向における幅が周方向におけるティースの中心同士の間の距離より広い。したがってq軸の磁束はティースの延在部を流れやすく、鍔部の磁束密度に対する考察が惹起されない。
However, in any of
一方、極数とスロット数との比が4対3である場合、界磁子の磁極面の周方向における幅が、周方向におけるティースの中心同士の間の距離よりも狭い。したがって永久磁石の何れかの極からその隣の極に入る磁束がティース鍔部を流れやすい。 On the other hand, when the ratio of the number of poles to the number of slots is 4 to 3, the width of the magnetic pole surface of the field element in the circumferential direction is narrower than the distance between the centers of the teeth in the circumferential direction. Therefore, the magnetic flux that enters the adjacent pole from one of the poles of the permanent magnet tends to flow through the teeth ridge.
図11,12は、電機子に生じるヒステリシス損を示す。図11,12の例示では等高線100〜105を用いてヒステリシス損の分布を示しており、符号の数字が高いほど等高線は高いヒステリシス損を示す。図11は4極、6スロットの回転電機におけるヒステリシス損の一例を示し、図12は8極、6スロットの回転電機におけるヒステリシス損を示す。なお図11,12の例示では極数を判別できるように永久磁石も示されている。
11 and 12 show hysteresis loss occurring in the armature. 11 and 12, the
図13,14はそれぞれ図11,12の電機子の一部を拡大した図である。図11,13の例示では、ティースの鍔部においてヒステリシス損が等高線104よりも高い部分はほとんどなく、むしろティースの周方向における中央付近でヒステリシス損が最も高い等高線105が示されている。一方、図12,14の例示では、ティースの鍔部においてヒステリシス損が等高線104よりも高くなることが分かる。
13 and 14 are enlarged views of a part of the armature of FIGS. 11 and 12, respectively. In the illustrations of FIGS. 11 and 13, there are almost no portions where the hysteresis loss is higher than the
図11,12においては同じ電機子が採用されており、極数とスロット数との比以外の条件は互いに同一である。このように図11,12において同じ電機子が採用されることから、図11,12で示されるヒステリシス損の相違は、おおよそ磁束密度の相違と見なすことができる。即ち、図12に例示するように、8極、6スロットである回転電機においては、ティースの鍔部において磁束密度が高まる。言い換えると、ティースの鍔部で磁束密度が高まって磁束飽和が生じている、と理解することができ、これは、永久磁石の何れかの極からその隣の極に入る磁束がティース鍔部を流れやすいことに起因すると考えられる。 11 and 12, the same armature is employed, and conditions other than the ratio between the number of poles and the number of slots are the same. Since the same armature is employed in FIGS. 11 and 12 as described above, the difference in hysteresis loss shown in FIGS. 11 and 12 can be regarded as a difference in magnetic flux density. That is, as illustrated in FIG. 12, in a rotating electric machine having 8 poles and 6 slots, the magnetic flux density is increased at the heel portion of the teeth. In other words, it can be understood that the magnetic flux density is increased at the heel portion of the teeth, and magnetic flux saturation occurs. This is because the magnetic flux entering from one pole of the permanent magnet to the adjacent pole makes the teeth heel portion It is thought that it originates in being easy to flow.
このようにティースの鍔部を含むq軸の磁束が流れる磁路において磁束飽和が生じると、q軸インダクタンスが低下し、ひいてはリラクタンストルクが低下する。 When magnetic flux saturation occurs in the magnetic path through which the q-axis magnetic flux including the teeth of the teeth flows in this way, the q-axis inductance is lowered, and consequently the reluctance torque is lowered.
そこで、本発明は、リラクタンストルクの低下を抑制できる回転電機を提供することを目的とする。 Then, an object of this invention is to provide the rotary electric machine which can suppress the fall of a reluctance torque.
本発明にかかる回転電機の第1の態様は、回転軸(P)を中心として回転するシャフトに固定される界磁子(1)と、前記界磁子に対して前記回転軸とは反対側でエアギャップを介して前記界磁子と対向する電機子(3)とを備え、前記界磁子は、回転軸(P)の周りに環状に配置される複数の永久磁石(11)と、前記永久磁石が格納される磁石格納孔(12)と、前記永久磁石によって4n(nは自然数)個の磁極が形成され前記エアギャップを介して前記電機子と対向する外周面(14)とを有する界磁子用コア(30)とを備え、前記電機子は、前記回転軸を中心として放射状に配置される3n個のティース(33)と、前記ティースの、前記界磁子とは反対側の一端同士を連結するバックヨーク(31)と、前記ティースに巻回される巻線(35)とを備え、前記ティースの各々は、前記一端から前記径方向に延在する延在部(331)と、前記延在部の前記界磁子側の一端に設けられ、前記延在部から前記周方向に延在する鍔部(332)とを有し、前記周方向で隣り合う前記磁極の二者の間の境界が前記ティースの一つの前記周方向における中心と前記周方向にて一致する位置関係で、前記電機子および前記界磁子が互いに対向した状態において、前記ティースの前記一つに属する前記鍔部の前記巻線側の表面(333)と、前記磁石格納孔との間の距離(dx)は、前記表面のうち前記延在部とは反対側の端部(334)において最小値(d0)を採る。 A first aspect of a rotating electrical machine according to the present invention includes a field element (1) fixed to a shaft that rotates about a rotation axis (P), and a side opposite to the rotation axis with respect to the field element. And an armature (3) facing the field element via an air gap, the field element includes a plurality of permanent magnets (11) arranged in a ring around the rotation axis (P), A magnet housing hole (12) in which the permanent magnet is housed, and an outer peripheral surface (14) facing the armature through the air gap in which 4n (n is a natural number) magnetic poles are formed by the permanent magnet. A field element core (30) having 3n teeth (33) arranged radially about the rotation axis, and the teeth opposite to the field element. A back yoke (31) for connecting one ends of the teeth and a winding (35) wound around the teeth. An extending part (331) extending in the radial direction from the end, and a flange part (332) provided at one end of the extending part on the field element side and extending in the circumferential direction from the extending part The armature and the field magnets have a positional relationship in which a boundary between two of the magnetic poles adjacent to each other in the circumferential direction coincides with a center in the circumferential direction of one of the teeth in the circumferential direction. In a state where the child faces each other, the distance (dx) between the winding side surface (333) of the flange portion belonging to the one of the teeth and the magnet storage hole is the surface of the surface The minimum value (d0) is taken at the end (334) on the opposite side to the extension.
本発明にかかる回転電機の第2の態様は、第1の態様にかかる回転電機であって、前記界磁子用コア(10)は、前記永久磁石(20)の、前記回転軸(P)を中心とした周方向における両側から、前記外周面(111)へ向かって延在する非磁性体(13)を更に有し、前記鍔部の前記表面と前記非磁性体との間の距離は前記最小値以上である。 A second aspect of the rotating electrical machine according to the present invention is the rotating electrical machine according to the first aspect, wherein the field element core (10) includes the rotating shaft (P) of the permanent magnet (20). A non-magnetic body (13) extending from both sides in the circumferential direction centering on the outer peripheral surface (111), and the distance between the surface of the flange and the non-magnetic body is It is not less than the minimum value.
本発明にかかる回転電機の第3の態様は、第1または第2の態様にかかる回転電機であって、前記鍔部(332)の前記表面(333)は前記回転軸(P)に沿って見て直線形状を有する。 A third aspect of the rotating electrical machine according to the present invention is the rotating electrical machine according to the first or second aspect, wherein the surface (333) of the flange (332) extends along the rotational axis (P). It has a straight line shape when viewed.
本発明にかかる回転電機の第4の態様は、第2の態様にかかる回転電機であって、前記鍔部(332)の前記表面(333)は前記回転軸(P)に沿って見て直線形状を有し、前記状態において、前記鍔部(332)の前記表面(333)と前記延在部(331)との交点(335)にて、前記表面と前記磁石格納孔(12)及び前記非磁性体(13)の一組との間の距離は、前記最小値(d0)と同じ値を採る。 A fourth aspect of the rotating electrical machine according to the present invention is the rotating electrical machine according to the second aspect, wherein the surface (333) of the flange portion (332) is a straight line when viewed along the rotational axis (P). In the state, in the state, at the intersection (335) of the surface (333) of the flange (332) and the extension (331), the surface, the magnet storage hole (12) and the The distance between the set of nonmagnetic bodies (13) takes the same value as the minimum value (d0).
本発明にかかる回転電機の第5の態様は、第1または第2の態様にかかる回転電機であって、前記鍔部(332)の前記表面(333)は、前記回転軸(P)に沿って見て、前記巻線(35)側に膨らむ曲線に沿う形状を有する。 A fifth aspect of the rotating electrical machine according to the present invention is the rotating electrical machine according to the first or second aspect, wherein the surface (333) of the flange portion (332) extends along the rotational axis (P). As seen, it has a shape along a curve that swells toward the winding (35).
本発明にかかる回転電機の第6の態様は、第2の態様にかかる回転電機であって、前記鍔部(332)の表面(333)は、前記回転軸(P)に沿って見て、前記巻線(35)側に膨らむ円弧に沿う形状を有し、前記回転軸(P)に沿って見て、前記非磁性体(13)は、自身と隣り合う前記永久磁石(12)側において前記外周面(14)に向かって延在する第1表面(13a)と、前記第1表面と繋がって前記外周面側で前記周方向に沿って延在する第2表面(13d)とを有し、前記状態において、前記円弧の中心は前記第1表面と前記第2表面との交点(13f)に位置する。 A sixth aspect of the rotating electrical machine according to the present invention is the rotating electrical machine according to the second aspect, wherein the surface (333) of the flange portion (332) is viewed along the rotational axis (P), The non-magnetic body (13) has a shape along an arc that swells to the winding (35) side, and the non-magnetic body (13) is on the side of the permanent magnet (12) adjacent to the winding (35). A first surface (13a) extending toward the outer peripheral surface (14); and a second surface (13d) connected to the first surface and extending along the circumferential direction on the outer peripheral surface side. In this state, the center of the arc is located at the intersection (13f) between the first surface and the second surface.
本発明にかかる回転電機の第7の態様は、第1から第6の何れか一つの態様にかかる回転電機であって、前記巻線(35)と前記ティース(33)との間及び前記巻線(35)と前記バックヨーク(31)との間に介在する介在部(361)と、前記鍔部(332)と前記巻線との間の前記介在部から、前記延在部(331)とは反対側に延在し、前記巻線を支持する非磁性の支持部(361)とを有するインシュレータ(36)を更に備える。 A seventh aspect of the rotating electrical machine according to the present invention is the rotating electrical machine according to any one of the first to sixth aspects, and is provided between the winding (35) and the teeth (33) and the winding. From the interposition part (361) interposed between the wire (35) and the back yoke (31), and from the interposition part between the flange part (332) and the winding, the extension part (331) And an insulator (36) having a nonmagnetic support portion (361) that extends to the opposite side of the coil and supports the winding.
本発明にかかる回転電機の第1の態様によれば、本回転電機において、極数が4n個でありスロット数(=ティースの数)が3n個である。このような回転電機においては鍔部において磁束密度が高まりやすい。なぜなら、極数がスロット数よりも多いので、永久磁石の端がティースの鍔部と対面しやすく、ひいては永久磁石の何れかの極からその隣の極に入る磁束がティース鍔部を流れやすいからである。 According to the first aspect of the rotating electrical machine of the present invention, in the rotating electrical machine, the number of poles is 4n and the number of slots (= the number of teeth) is 3n. In such a rotating electrical machine, the magnetic flux density tends to increase at the heel. Because the number of poles is larger than the number of slots, the end of the permanent magnet is likely to face the hook of the teeth, and as a result, the magnetic flux that enters the adjacent pole from one of the poles of the permanent magnet easily flows through the teeth hook. It is.
一方で、本回転電機によれば、鍔部の巻線側の表面と磁石格納孔との間の距離は、当該表面のうち延在部とは反対側の端部において最小値を採る。当該表面と当該磁石格納孔とで規定される磁路はq軸の磁束が流れる磁路となるところ、当該距離が当該端部において最小値を採ることで、この磁路の幅の確保に資することができる。ひいてはティースの鍔部における磁束飽和を抑制することできる。磁束飽和が生じるとq軸のインダクタンスが低下し、以てリラクタンストルクが低下するところ、本回転電機によれば、このようなリラクタンストルクの低下を抑制することができる。 On the other hand, according to this rotating electrical machine, the distance between the surface of the flange on the winding side and the magnet storage hole takes the minimum value at the end of the surface opposite to the extending portion. The magnetic path defined by the surface and the magnet housing hole is a magnetic path through which the q-axis magnetic flux flows, and the distance takes the minimum value at the end, thereby contributing to securing the width of the magnetic path. be able to. As a result, the magnetic flux saturation in the heel part of the teeth can be suppressed. When magnetic flux saturation occurs, the q-axis inductance decreases, and the reluctance torque decreases. According to this rotating electrical machine, such a decrease in reluctance torque can be suppressed.
本発明にかかる回転電機の第2の態様によれば、非磁性体があっても、q軸の磁路の幅の確保に資することができる。 According to the 2nd aspect of the rotary electric machine concerning this invention, even if there exists a nonmagnetic material, it can contribute to ensuring of the width | variety of a q-axis magnetic path.
本発明にかかる回転電機の第3の態様によれば、製造が容易であり、しかも巻線側に突出しないので巻線が巻回される面積(スロット面積)の低減を抑制できる。 According to the 3rd aspect of the rotary electric machine concerning this invention, manufacture is easy, and since it does not protrude to the coil | winding side, reduction of the area (slot area) around which a coil | winding is wound can be suppressed.
本発明にかかる回転電機の第4の態様によれば、q軸磁路を確保しつつも、スロット面積を大きくできる。 According to the 4th aspect of the rotary electric machine concerning this invention, a slot area can be enlarged, ensuring a q-axis magnetic path.
本発明にかかる回転電機の第5の態様によれば、第1の態様にかかる回転電機の実現に資する。 According to the 5th aspect of the rotary electric machine concerning this invention, it contributes to realization of the rotary electric machine concerning a 1st aspect.
本発明にかかる回転電機の第6の態様によれば、第5の態様にかかる回転電機の実現に資する。 The sixth aspect of the rotating electrical machine according to the present invention contributes to the realization of the rotating electrical machine according to the fifth aspect.
本発明にかかる回転電機の第7の態様によれば、回転軸に沿って見て、巻線を巻回できる面積を増大できる。 According to the seventh aspect of the rotating electrical machine of the present invention, the area in which the winding can be wound can be increased as viewed along the rotation axis.
図1に例示するように、本回転電機は界磁子1と電機子3とを備える。なお図1では、回転軸Pに垂直な所定の断面における回転電機の概念的な構成の一例が示されている。以下で参照する他の図面でも当該断面における構成が示される。また以下では、回転軸Pを中心とした径方向を単に径方向と呼び、回転軸Pを中心とした周方向を単に周方向と呼び、回転軸Pに沿う方向を軸方向と呼ぶ。
As illustrated in FIG. 1, the rotating electrical machine includes a
界磁子1は回転軸Pを中心として回転するシャフト(不図示)に固定される。電機子3は界磁子1に対して回転軸Pとは反対側でエアギャップを介して界磁子1と対向する。
The
界磁子1は界磁子用コア10と永久磁石11とを備えている。界磁子用コア10は軟磁性体(例えば鉄)で形成される。界磁子用コア10は外周面14を有しており、外周面14は径方向においてエアギャップを介して電機子3と対向する。界磁子用コア10は例えば回転軸Pを中心とした略円柱状の形状を有している。よって図1の例示では外周面14は略円形状を有している。
The
界磁子用コア10には複数の磁石格納孔12が形成される。各磁石格納孔12には永久磁石11が格納される。複数の永久磁石11は例えば希土類磁石(例えばネオジム、鉄およびホウ素を主成分とした希土類磁石)であって、回転軸Pの周りで環状に配置される。また図1の例示では、各永久磁石11は直方体状の板状形状を有している。各永久磁石11は、周方向における自身の中央において、その厚み方向が径方向に沿う姿勢で配置される。なお各永久磁石11は必ずしも図1に示す形状を採用する必要はない。各永久磁石11は、例えば軸方向に見て、回転軸Pとは反対側(以下、外周側とも呼ぶ)若しくは回転軸P側(以下、内周側とも呼ぶ)へと開口するV字形状、又は外周側若しくは内周側へと開口する円弧状の形状を有していてもよい。
A plurality of magnet storage holes 12 are formed in the
複数の永久磁石11は外周面14に4n(nは自然数)個の磁極面を形成する。4n個の磁極面の極性は周方向において交互に異なる。図1の例示では、8個の永久磁石11が設けられており、これら8個の永久磁石11が外周面14に8個の磁極面を形成する。これは、永久磁石11の外周面14側の表面(磁極面)の極性が周方向で交互に異なるように、永久磁石11が配置されることで実現される。
The plurality of
また図1の例示では、8個の永久磁石11の各々が外周面14に一つの磁極面を形成しているが、例えば一つの磁極面が複数の永久磁石11によって形成されていてもよい。言い換えれば、図1における永久磁石11の各々が複数の永久磁石に分割されていてもよい。
In the illustration of FIG. 1, each of the eight
図1の例示では、界磁子用コア10は磁極面の各々を形成する永久磁石11の周方向における両側において非磁性体13を有している。非磁性体13は永久磁石11の両側から外周面14に向って延在する。非磁性体13は、永久磁石11の外周側の表面と内周側の表面との間で磁束が短絡することを抑制する。非磁性体13は例えば空隙によって形成される。非磁性体13が空隙で形成される場合であれば、非磁性体13として所定の非磁性材料を採用する場合に比べて製造コストを低減できる。
In the illustration of FIG. 1, the
図2〜4はそれぞれ非磁性体13の概念的な例を示している。図2〜4の例示では、界磁子1のうち一の磁極に相当する部分のみが示されている。図2の例示では、非磁性体13は表面13a〜13dを有している。表面13bは、磁石格納孔12の内周側の表面12bと連続しており、表面12bと略平行に延在する。なお、表面13bが表面12bよりも外周側に位置するように表面13b,12bの間に段差が形成されてもよい。これによって当該段差は永久磁石11の周方向におけるストッパとして機能することができる。表面13cは、表面12bとは反対側における表面13bの端から略径方向に延在する。表面13dは表面13cの外周側の端から略周方向に延在する。表面13aは永久磁石11の周方向における中心(磁極中心)側における表面13dの端から、磁石格納孔12の外周側の表面12aへと延在し、表面12aに至る。なお表面13aは、非磁性体13と隣り合う永久磁石11側において、外周面14に向って延在する、とも把握でき、表面13dは表面13aと繋がって外周面14側で周方向に沿って延在する、とも把握できる。また図2の例示では、表面13a〜13dは軸方向に沿って見て直線である。
2 to 4 show conceptual examples of the
なお図1,2の例示では、磁極面の境界(極間)側において隣り合う非磁性体13同士の間(表面13c同士の間)には界磁子用コア10の一部が介在している。このコア部にはいわゆるq軸の磁束の一部が通るのでq軸のインダクタンスを向上することができる。ひいてはリラクタンストルクを向上することができる。
In the illustrations of FIGS. 1 and 2, a part of the
また図1,2の例示では、界磁子用コア10のうち永久磁石11に対して外周側のコア部と、非磁性体13同士の間のコア部とが外周側において互いに連結される。これにより、たとえ非磁性体13が空隙で形成されたとしても界磁子用コア10の強度を向上することができる。なお非磁性体13と外周面14との間のコア部の径方向における幅は、当該コア部が容易に磁束飽和する程度に狭いことが望ましい。当該コア部を経由して永久磁石11の外周側の表面と内周側の表面との間で磁束が短絡することを抑制することができるからである。
In the illustrations of FIGS. 1 and 2, the core portion on the outer peripheral side of the
図3の例示では、図2の界磁子1と比較して、非磁性体13が磁石格納孔12と周方向で離間している。言い換えれば、非磁性体13と磁石格納孔12との間に界磁子用コア10の一部が介在している。これにより、たとえ非磁性体13が空隙で形成されたとしても界磁子用コア10の強度を向上することができる。
In the illustration of FIG. 3, the
図4の例示では、図2の界磁子1と比較して、非磁性体13が表面13eを更に備えている。表面13eは表面12aと表面13aとを繋ぐ表面である。表面13aは図2の表面13aと比べてより外周面14に沿っている。言い換えれば、表面13aに沿う直線と外周面14とがなす角度のうち小さいほうの角度は、図4の例示のほうが小さい。表面13eは表面13aの磁極中心側の端から表面12aへと延在して、表面12aへと至る。表面13eに沿う直線と外周面14とがなす角度のうち小さいほうの角度は、表面13aのそれよりも大きい。
In the illustration of FIG. 4, compared with the
もちろん、非磁性体13の形状は上述した例に限るものではなく、永久磁石11の外周側の磁極面と内周側の磁極面との間で磁束が短絡することを抑制することが可能な任意の形状を有していればよい。
Of course, the shape of the
再び図1を参照して、電機子3はバックヨーク31と3n個のティース33と電機子巻線35とを備えている。バックヨーク31は軟磁性体(例えば鉄)で形成され、例えば回転軸Pを中心とした環状の形状を有している。3n個のティース33は軟磁性体(例えば鉄)で形成され、回転軸Pを中心として放射状に配置されている。バックヨーク31は界磁子1とは反対側で3n個のティース33の一端同士を磁気的に連結する。
Referring again to FIG. 1, the
電機子巻線35は径方向を軸としてティース33に例えば集中巻きで巻回される。なお本願では特に断らない限り、電機子巻線は、これを構成する導線の一本一本を指すのではなく、導線が一纏まりに巻回された態様を指す。これは図面においても同様である。また、巻き始め及び巻き終わりの引き出し線、及びそれらの結線も図面においては省略した。
The armature winding 35 is wound around the
かかる回転電機において、電機子巻線35に適切に電流を流すことで、電機子3は界磁子1へと回転磁界を印加することができる。これにより例えば界磁子1は当該回転磁界に応じて回転する。換言すれば、界磁子1が回転子として機能し、電機子3は固定子として機能する。
In such a rotating electric machine, the
次に、図5も参照して、ティース33の形状について更に詳細に説明する。図5は、一つのティース33とこれと対面する界磁子1の一部とを模式的に示している。
Next, the shape of the
ティース33は延在部331と鍔部332とを有している。延在部331はバックヨーク31から回転軸Pへと径方向に沿って界磁子1側へと延在し、電機子巻線35が巻回される。鍔部332はバックヨーク31とは反対側で延在部331と連続している。鍔部332は延在部331から周方向の互いに反対側に延在する。鍔部332によって例えば電機子巻線35の巻崩れを抑制できる。
The
ティース33の界磁子1との対向面は、延在部331の界磁子1側の面と鍔部332の界磁子1側の面とによって形成され、図の例示では回転軸Pを中心とした円弧に沿う形状を有している。
The surface of the
さてティース33の形状、より詳細には鍔部332の電機子巻線35側の表面333の形状を特定するために、次の位置関係で界磁子1と電機子3とが対向する状態を考慮する。即ち図5に例示するように、ティース33の一つの周方向における中心(以下、ティース中心と呼ぶ)と、周方向における磁極面の境界(以下、極間と呼ぶ)の一つとが、周方向において一致する状態を考慮する。この状態において鍔部332の電機子巻線35側の表面333と、磁石格納孔12との間の距離dxは、表面333のうち延在部331とは反対側の端部334において最小値d0を採る。
Now, in order to specify the shape of the
これにより、表面333と磁石格納孔12との間の距離を最小値d0以上に確保することができる。さて表面333と磁石格納孔12との間の部分はq軸の磁束の一部が流れる磁路として機能する。図2の例示ではこのq軸の磁束の一部の一例が太線の矢印で示されている。表面333と磁石格納孔12との間の磁路の幅を最小値d0以上に確保することができるので、ティース33の鍔部332における磁束飽和を抑制することができる。ひいてはq軸インダクタンスの低下を抑制してリラクタンストルクの低下を抑制することができる。
Thereby, the distance between the
なお図5に例示するように非磁性体13が設けられる場合には、鍔部332の表面333と、非磁性体13及び磁石格納孔12の一組との間の距離dxが端部334側で最小値を採ることが望ましい。換言すれば、表面333と非磁性体13との間の距離も最小値d0以上であることが望ましい。非磁性体13と表面333との間の部分もq軸の磁束が流れる磁路として機能するところ、この部分においてもq軸の磁束が流れる磁路の幅を確保することができるからである。
When the
なお既に上述したようにスロット数が極数以上である回転電機においては、ティースの鍔部の磁束飽和を抑制しようとする必要性が非常に小さい。よって、従来ではティースの鍔部の磁束密度を抑制しようとする指向はなかった。一方、本実施の形態のように極数とスロット数との比が4対3である本回転電機において、上述の関係を満たすティースを採用することで、従来は着目されていないティースの鍔部の磁束密度を低減することができ、本回転電機において問題となるティースの鍔部における磁束飽和を抑制できるのである。 As described above, in a rotating electrical machine having the number of slots equal to or greater than the number of poles, there is very little need to suppress magnetic flux saturation in the heel portion of the teeth. Therefore, there has been no conventional direction to suppress the magnetic flux density at the heel portion of the teeth. On the other hand, in this rotating electrical machine in which the ratio of the number of poles to the number of slots is 4 to 3 as in the present embodiment, by using the teeth that satisfy the above-described relationship, the hips of the teeth that have not been focused on conventionally The magnetic flux density of the teeth can be reduced, and magnetic flux saturation at the heel portion of the teeth, which is a problem in this rotating electrical machine, can be suppressed.
また図5の例示では、鍔部332の表面333は軸方向に沿って見て直線形状を有している。よって製造が容易であり、また電機子巻線35側に突出しないので、軸方向に見て、電機子巻線35が巻回される面積(以下、スロット面積と呼ぶ)を低減させにくい。したがって、例えば同じ巻数で巻線を巻回する場合に巻線としてより太い導線を採用することができる。よって銅損の発生を抑制できる。
In the illustration of FIG. 5, the
また表面333と延在部331との交点335においても、表面333と、磁石格納孔12および非磁性体13の一組との間の距離dxが最小値d0を採ることが望ましい。これは次の理由による。即ち、例えば交点335がよりバックヨーク31側に存在すれば、鍔部332が空間的に電機子巻線35側に広がり、スロット面積を低減させる。よって、交点335においても距離dxが最小値d0を採ることで、d軸の磁路の幅の確保に資すると共に、スロット面積の確保にも資することができる。したがって銅損を抑制することができる。
Also at the
図6の例示では、ティース33の延在部331の周方向における幅W1が距離D1よりも小さい。距離D1は、周方向で互いに隣り合う磁石格納孔12に属する表面12aの周方向における端同士の極間側の間の距離である。この場合、表面333と非磁性体13との距離を最小値d0以上にするためには、交点335がよりバックヨーク31側に位置するように表面333の傾斜を決定する必要がある。なぜなら、非磁性体13と外周面14との距離は、極間側に向うに従って小さくなるからである。図6の例示では、表面333と非磁性体13の表面13aとが互いに平行である。これにより、設計に際して表面333を容易に決定することができる。
In the illustration of FIG. 6, the width W1 in the circumferential direction of the extending
図7の例示では、幅W1が距離D1よりも大きい。この場合、交点335がバックヨーク31から離れていても、距離dxが端部334において最小値を採る表面333を採用することができる。これは、図6と比較して、交点335が周方向において非磁性体13と離れるので、その分、交点335を界磁子1側に近づけても交点335と非磁性体13との間の距離を最小値d0以上に確保できるからである。
In the illustration of FIG. 7, the width W1 is larger than the distance D1. In this case, even if the
図7の例示では、表面333は磁石格納孔12の表面12aと平行である。ただし、図7の例示においても交点335と非磁性体13との間の距離は最小値d0以上である。よってq軸の磁路の幅を確保することができる。しかも表面333と表面12aとが平行であればスロット面積が比較的広いので好適である。
In the illustration of FIG. 7, the
図8の例示にかかる回転電機は、表面333の傾斜という点を除いて図7の回転電機と同一である。図8の例示では、表面333が表面13aと平行である。これによっても、表面333と非磁性体13との距離及び表面333と磁石格納孔12との距離は最小値d0以上であるので、q軸の磁路を確保できる。
The rotating electrical machine according to the example of FIG. 8 is the same as the rotating electrical machine of FIG. 7 except that the
なお端部334の位置を固定した表面333の傾斜は、図7の表面333と図8の表面333との間で設定されてもよい。これによって、スロット面積が図8のスロット面積よりも低減することを回避できる。
In addition, the inclination of the
図9の例示では、軸方向に沿って見て、表面333は電機子巻線35側に膨らむ曲線に沿う形状を有している。これによっても、表面333の端部334において距離dxが最小値d0を採ることで、q軸の磁束が流れる磁路の幅を確保することができる。また表面333が直線形状を有する場合に比して、当該磁路の幅をより広く確保することができる。
In the illustration of FIG. 9, the
また図9の例示では、表面333は軸方向に沿って見て円弧に沿う形状を有しており、当該円弧の中心は表面13aと表面13dとの交点13fに位置している。これによれば、設計の際に円弧を決定しやすい。
In the illustration of FIG. 9, the
図10に例示するように、電機子3は、インシュレータ36を更に備えていても良い。インシュレータ36は絶縁性を有し、介在部361と支持部362とを有している。介在部361は軸方向から見た電機子巻線35とティース33との間及び電機子巻線35とバックヨーク31との間に介在する。これにより、電機子巻線35からティース33又はバックヨーク31へと電流が漏れることを抑制できる。また支持部362は介在部361のうち電機子巻線35と鍔部332との間の部分から延在部331とは反対側に延在する。これによって、電機子巻線35が鍔部332の端部334よりも周方向外側まで巻回されたとしても、支持部362が径方向で電機子巻線35を支持することができる。したがって、軸方向に沿って見て電機子巻線35が占める面積を増大することができ、ひいては銅損を低減することができる。
As illustrated in FIG. 10, the
なお支持部362は非磁性であり、軟磁性体であるティースと区別される。したがって例えば支持部362と磁石格納孔12との間の距離は最小値d0よりも小さくても構わない。
The
またインシュレータ36は図10の電機子3に限らず、図2の電機子3が有していても良い。ただし、図10に例示するように、表面333が表面13a,13dの交点を中心とした円弧形状を有していれば、スロット面積が比較的小さい。よって、インシュレータ36を設けることによるスロット面積の拡大量は大きい。
Further, the
1 界磁子
3 電機子
10 界磁子用コア
11 永久磁石
12 磁石格納孔
13 非磁性体
13a,333 表面
31 バックヨーク
33 ティース
35 電機子巻線
331 延在部
332 鍔部
36 インシュレータ
361 介在部
362 支持部
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記界磁子に対して前記回転軸とは反対側でエアギャップを介して前記界磁子と対向する電機子(3)と
を備え、
前記界磁子は、
回転軸(P)の周りに環状に配置される複数の永久磁石(11)と、
前記永久磁石が格納される磁石格納孔(12)と、前記永久磁石によって4n(nは自然数)個の磁極が形成され前記エアギャップを介して前記電機子と対向する外周面(14)とを有する界磁子用コア(30)と
を備え、
前記電機子は、
前記回転軸を中心として放射状に配置される3n個のティース(33)と、
前記ティースの、前記界磁子とは反対側の一端同士を連結するバックヨーク(31)と、
前記ティースに巻回される巻線(35)と
を備え、
前記ティースの各々は、
前記一端から前記径方向に延在する延在部(331)と、
前記延在部の前記界磁子側の一端に設けられ、前記延在部から前記周方向に延在する鍔部(332)と
を有し、
前記周方向で隣り合う前記磁極の二者の間の境界が前記ティースの一つの前記周方向における中心と前記周方向にて一致する位置関係で、前記電機子および前記界磁子が互いに対向した状態において、前記ティースの前記一つに属する前記鍔部の前記巻線側の表面(333)と、前記磁石格納孔との間の距離(dx)は、前記表面のうち前記延在部とは反対側の端部(334)において最小値(d0)を採る、回転電機。 A field element (1) fixed to a shaft that rotates about a rotation axis (P);
An armature (3) facing the field element via an air gap on the side opposite to the rotation axis with respect to the field element,
The field element is
A plurality of permanent magnets (11) arranged in a ring around the rotation axis (P);
A magnet housing hole (12) in which the permanent magnet is housed, and an outer peripheral surface (14) facing the armature through the air gap in which 4n (n is a natural number) magnetic poles are formed by the permanent magnet. A field element core (30) having
The armature is
3n teeth (33) arranged radially about the rotation axis;
A back yoke (31) for connecting one end of the teeth opposite to the field element;
A winding (35) wound around the teeth,
Each of the teeth is
An extending portion (331) extending in the radial direction from the one end;
Provided at one end of the extending portion on the field element side, and having a flange portion (332) extending in the circumferential direction from the extending portion,
The armature and the field element face each other in a positional relationship in which the boundary between the two magnetic poles adjacent in the circumferential direction coincides with the circumferential center of one of the teeth in the circumferential direction. In the state, the distance (dx) between the winding side surface (333) of the flange portion belonging to the one of the teeth and the magnet storage hole is the extension portion of the surface. A rotating electrical machine having a minimum value (d0) at the end (334) on the opposite side.
前記鍔部の前記表面と前記非磁性体との間の距離は前記最小値以上である、請求項1に記載の回転電機。 The field element core (10) is a non-magnetic material that extends from both sides of the permanent magnet (20) in the circumferential direction around the rotation axis (P) toward the outer peripheral surface (111). (13)
The rotating electrical machine according to claim 1, wherein a distance between the surface of the flange and the nonmagnetic material is equal to or greater than the minimum value.
前記状態において、前記鍔部(332)の前記表面(333)と前記延在部(331)との交点(335)にて、前記表面と前記磁石格納孔(12)及び前記非磁性体(13)の一組との間の距離は、前記最小値(d0)と同じ値を採る、請求項2に記載の回転電機。 The surface (333) of the flange (332) has a linear shape as viewed along the rotation axis (P),
In the state, at the intersection (335) of the surface (333) of the flange portion (332) and the extending portion (331), the surface, the magnet storage hole (12), and the non-magnetic body (13) The distance between the pair of the rotating electrical machine according to claim 2 takes the same value as the minimum value (d0).
前記回転軸(P)に沿って見て、前記非磁性体(13)は、自身と隣り合う前記永久磁石(12)側において前記外周面(14)に向かって延在する第1表面(13a)と、前記第1表面と繋がって前記外周面側で前記周方向に沿って延在する第2表面(13d)とを有し、
前記状態において、前記円弧の中心は前記第1表面と前記第2表面との交点(13f)に位置する、請求項2に記載の回転電機。 The surface (333) of the flange (332) has a shape along an arc that swells toward the winding (35) when viewed along the rotation axis (P),
As viewed along the rotational axis (P), the non-magnetic body (13) is a first surface (13a) extending toward the outer peripheral surface (14) on the side of the permanent magnet (12) adjacent to the non-magnetic body (13). And a second surface (13d) connected to the first surface and extending along the circumferential direction on the outer peripheral surface side,
3. The rotating electrical machine according to claim 2, wherein in the state, the center of the circular arc is located at an intersection (13 f) between the first surface and the second surface.
前記鍔部(332)と前記巻線との間の前記介在部から、前記延在部(331)とは反対側に延在し、前記巻線を支持する非磁性の支持部(361)と
を有するインシュレータ(36)を更に備える、請求項1から6の何れか一つに記載の回転電機。 An interposition part (361) interposed between the winding (35) and the teeth (33) and between the winding (35) and the back yoke (31);
A nonmagnetic support portion (361) extending from the interposition portion between the flange portion (332) and the winding to the opposite side of the extension portion (331) and supporting the winding; The rotating electrical machine according to any one of claims 1 to 6, further comprising an insulator (36) having:
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