JP2013179759A - 永久磁石式回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】固定子の外径,内径およびコイルスロットの開口面積などに応じて変化する銅損と鉄損との関係に着目し、機体の設計にあたってその諸元寸法を適正に規定して低損失，高トルク化が容易達成できるようした最適設計の永久磁石式回転電機を得る。
【解決手段】、固定子コア１にヨーク５，ティース６，およびコイルスロット７を形成しコイル８を巻装した固定子１と、空隙を隔てて対向する回転子２からなり、回転子コアには所定の極数に対応する永久磁石１０を周方向に配列，嵌挿したＩＰＭ形の永久磁石式回転電機において，固定子１の外径から算出される軸方向と垂直方向の機体断面積をＡ、固定子コアに形成したコイルスロットの開口面積の総和をＢ、固定子外径をＣ、固定子内径をＤとし、機体の設計指標ＥをＥ＝（Ａ／Ｂ）＋1.2(Ｄ／Ｃ）と定義した上で、前記設計指標Ｅの値が0.94≦Ｅ≦1.02の範囲に収まるように機体の諸元寸法を設定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、永久磁石式回転電機に関し、詳しくは低損失，高トルク特性の実現化を図る最適設計技術に係わる。

周知のように、永久磁石式回転電機には、表面磁石形（ＳＰＭ形），埋込磁石形（ＩＰＭ形）の二種類のタイプがある。
ここで、ＩＰＭ形回転電機は、固定子に空隙を隔てて対向する回転子のコア内部に複数の永久磁石を周方向に配列して埋設し、永久磁石から発生する磁束が固定子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、回転子における磁気回路の突極性によるリラクタンストルクも利用するようにした回転電機であり、小形高出力の回転電機として現在では各種用途に広く採用されている。

次に、ＩＰＭ形回転電機の構成例として、回転子の磁極数が４極，固定子のコイルスロット数が１２スロットである永久磁石式回転電機の略示断面図（回転軸と垂直方向の断面図）を図１に示す。図において、１は固定子、２は回転子、３は回転軸、４は外囲フレームである。また、５は固定子コアのヨーク、６はヨーク５の内周側に沿って配列形成したティース、７はティース６の相互間に形成したコイルスロット、８はコイルスロット７に収容してティース６に巻装した固定子コイル、９は回転子コアの周方向に配列して軸方向に穿設した磁石スロット、１０は磁石スロット９に嵌挿した永久磁石であり、図示構造ではは各磁極あたり２個の永久磁石１０（同極性）を図示のように回転軸３の中心に向けてＶ字状に組み合わせ、周方向に隣り合う磁極の間では永久磁石１０が交互に異極性となるように配置されている。

一方、前記のＩＰＭ形回転電機の運転時に発生する損失は、大別して鉄損，銅損，磁石損，機械損である。このうち、鉄損と銅損に着目すると、鉄損は主に電磁鋼板内の磁束量とその変化に応じて生ずる渦電流損とヒステリシス損であり、銅損は固定子１のコイルスロット７に収めてティース６に巻装した固定子コイル８に発生するジュール損である。

ここで、固定子１のコアに形成したコイルスロット７の開口面積と損失の関係に着目すると、同体格の機体についてコイルスロット７が占める開口面積の総和を大きくすると銅損は減少する（太い導体を素線として所定巻回数のコイル８を巻装できる）ものの、コイルスロット７の開口面積を広げた分だけ磁束が通る磁路（ティース６，ヨーク５）の幅が縮小するために、磁路の磁束密度が高くなって鉄損が増加する。

このように永久磁石式回転電機に発生する鉄損の増加（減少）量，および銅損の増加（減少）量は固定子コアに形成したコイルスロット７の開口面積によって変わることから、機体の設計に当たっては鉄損，銅損の合計損失が最小となるコイルスロットの最適な開口面積が存在する。

ところで、機体の形状を決定する固定子コアの外径，内径，ティース幅等の諸元をパラメータとして固定子コアに形成するコイルスロットの開口面積を考えた場合に、機体の設計で取り得るコイルスロットの開口面積は、図１における固定子１の外径寸法Ｃ，内径寸法Ｄによって制限される。すなわち、同体格の機体についてコイルスロットの開口面積を大きく取るように固定子１の内径Ｄを小さくすると、空隙ｇを隔てて固定子１の内周側に対向する回転子２の経寸法，表面積が必然的に小さくなって回転電機の出力トルクが減少するため、所要の出力を得るには固定子コイル８に流す電流を増加するか、もしくは回転子２に設けた永久磁石１０の磁石量を増加して磁束密度を高くする必要があるが、その結果として前記した銅損と鉄損の割合が変化することになり、固定子コアの内径Ｄに応じて最適なコイルスロット７の総面積も変化する。

一方、永久磁石式回転電機における損失低減策として、次記のように固定子コアの形状を変更したり、電磁鋼板の加工方法を工夫することで鉄損を低減するようにした施策が従来提案されている（例えば、特許文献１，特許文献２参照）。

すなわち、特許文献１では、固定子のヨークに対してその幅方向に延在するスリットを設け、ティースを経由してヨークに流れる磁束の偏りを抑制して磁路の磁気飽和を緩和するようにしている。

また、特許文献２では、電磁鋼板の積層体になる固定子コアにエッチング加工法を採用してティース,コイルスロットを形成し、一般的なパンチング加工に伴う電磁鋼板の残留歪に起因する磁気特性の低下を抑制して鉄損を低減するようにしている。

特開２００８−２２６３１号公報 特開２０１０−１１５０９５号公報

ところで、前記した特許文献１，特許文献２は、いずれも永久磁石式回転電機に発生する各種損失のうち、鉄損に着目してその損失低減を図るもので、先述のように銅損と鉄損の合計損失を同時に低減するという観点からすると必ずしも最適な施策とは言えない。

また、昨今では回転電機の省エネ化推進が重要テーマになっており、永久磁石式回転電機についてもＩＥＣ規格の４ＩEクラス（スーパープレミアム効率）に準拠した高効率化が目標に挙げられている。

そこで、本発明の目的は、回転電機の機体形状を決定する固定子の外径,内径およびコイルスロットの開口面積などのパラメータに応じて変化する銅損と鉄損との関係に着目し、機体の設計にあたってその諸元寸法を最適に規定して低損失，高トルク化が容易に達成できるようにした永久磁石式回転電機を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明によれば、固定子コアにヨーク，複数のティース，およびティースの相互間にコイルスロットを形成し、該コイルスロットにコイルを収めて巻装した固定子と、該固定子に空隙を隔てて対向する回転子からなり、回転子コアには所定の極数に対応する複数の永久磁石を周方向に配列して軸方向に貫通する磁石スロットに挿入した埋込磁石形の永久磁石式回転電機において，
前記固定子の外径から算出される軸方向と垂直方向の機体断面積をＡ、固定子コアに形成したコイルスロットの開口面積の総和をＢ、固定子外径をＣ、固定子内径をＤとして、機体の設計指標ＥをＥ＝（Ｂ／Ａ）＋1.2(Ｄ／Ｃ）と定義した上で、
前記設計指標Ｅの値が0.94≦Ｅ≦1.02の範囲に収まるように機体の諸元寸法を設定するものとする。

上記のように、永久磁石式回転電機の新規設計に際して、固定子の外径,内径およびコイルスロットの開口面積などをパラメータとして定義した設計指標Ｅ＝（Ａ／Ｂ）＋1.2(Ｄ／Ｃ）の値が0.94≦Ｅ≦1.02の範囲に収まるように諸元寸法を設定して回転電機の機体を設計することにより、小形体格で銅損，鉄損の合計損失を最小化した高効率，高出力の永久磁石式回転電機を得ることかできる。

本発明の実施例に係わる永久磁石式回転電機の略示断面図である。 図１の永久磁石式回転電機について、固定子コアの内径／外径比、およびコイルスロット総面積／モータ断面積比をパラメータとして解析，算出した銅損と鉄損の合計損失が最小となる相間関係をグラフ化して表した図である。 図２における条件１の設計モデルについて、損失算出結果と設計指標値との相間関係を表す図である。 図２における条件２の設計モデルについて、損失算出結果と設計指標値との相間関係を表す図である。

以下、本発明による永久磁石式回転電機の最適効率化を図る機体設計の手法について説明する。
まず、図１のＩＰＭ形永久磁石式回転電機について、銅損，鉄損の合計損失が最小となる最適な設計条件を見出すべく、発明者は磁極数，コイルスロット数の組み合わせを様々に変えた設計モデルを想定し、その固定子１の外径，内径、およびコイルスロット７の開口総面積の諸元をパラメータとして、各設計モデルにおける銅損，鉄損を解析し、その算出結果を基に図２のようにグラフ化した相間関係の図表を得た。

図２において、横軸は固定子１の内径／外径比、縦軸はコイルスロット７の総面積／機体断面積比を表しており、ここで磁極数，コイルスロット数の組み合わせを変えた条件１〜条件４（例えば、条件１は磁極数：６，コイルスロット数：３６、条件２は磁極数：８，コイルスロット数：４８）の機体モデルについて、その固定子の内径，コイルスロットの総面積を様々に変えて発生する銅損，鉄損を解析し、その損失算出値が最小となる固定子の内径／外径比、およびコイルスロットの総面積／モータ断面積比を図の上にプロットしてグラフ化したものである。そして、その相関関係をそれぞれ直線近似法にて数式化して次記の数式（１）を得た。

ｙ＋1.2ｘ≒１・・・・（１）
但し、y：コイルスロット総面積[mm²]／モータ断面積[mm²]，
x：固定子内径[mm]／固定子外径[mm]
回転電機の機体断面積＝π×（（固定子外径）／２）²
これにより、上記手法で求めた数式（１）を基に、（ｙ＋1.2ｘ）の値が略１となるようにｙ（モータ断面積に対するコイルスロット総面積の比率），およびｘ（固定子外径に対する固定子内径の比率）の諸元寸法を規定すれば、銅損と鉄損の合計損失が最小となる最適設計の機体を得ることができる。

また、発明者は前記式のy＋1.2ｘを設計指標Ｅと定義した上で、前記条件１，２の設計モデルについて得た損失算出結果を基に、図３，図４に示す損失算出値と設計指標Ｅの値との相間関係を検証した。図３は先記した設計条件１、図４は設計条件２に対応する検証結果を表し、いずれの場合でも機体の諸元寸法が前記した設計指標Ｅの値が0.94≦E≦1.02の範囲内にあれば銅損と鉄損の合計損失が十分に低減されているのが確認できた。なお、図３，図４における縦軸の損失〔ｐ．ｕ〕は単位法（Per Unit 単位系）で表しており、鉄損，銅損およびその他の損失を考慮しても、ＩＥＣ規格のＩＥ４クラスを十分に満足できる損失値にて規格化している。

以上の説明で明らかなように、前記の設計指標値Ｅが、0.94≦Ｅ≦1.02の範囲に収まるようにｙとｘを規定、つまり固定子内径，コイルスロット総面積などの諸元を設定して回転電機の機体を設計することにより、損失が最小となる最適設計の永久磁石式回転電機を得ることができる。すなわち、永久磁石式回転電機を新規に設計する場合の設計手順として、まず所望の基本仕様（出力，回転数等）に応じて固定子１のコア外径Ｃ，内径Ｄを決定する。次に、先記数式（ｙ＋1.2ｘ≒１）を設計支援の指標として、所定の磁極数，コイルスロット数に合わせてティース６の周方向幅，コイルスロット７の開口幅，およびヨーク５の径方向幅などを調整し、前記設計指標Ｅの値が本発明の請求項１で定めた最適範囲（0.94≦Ｅ≦1.02）に収まるようにコイルスロットの総面積を設定する。

これにより、機体の新規設計に多くの時間と手間を掛けずに銅損，鉄損の合計損失を最小に抑えたに最適設計の永久磁石式回転電機を簡単に得ることができる。

１ 固定子
２ 回転子
３ 回転軸
５ ヨーク
６ ティース
７ コイルスロット
８ 固定子コイル
９ 磁石スロット
１０ 永久磁石

Claims (1)

1. 固定子コアにヨーク，複数のティース，およびティースの相互間にコイルスロットを形成し、該コイルスロットにコイルを収めて巻装した固定子と、該固定子に空隙を隔てて対向する回転子からなり、回転子コアには所定の極数に対応する複数の永久磁石を周方向に配列して軸方向に貫通する磁石スロットに挿入した埋込磁石形の永久磁石式回転電機において，
   前記固定子の外径から算出される軸方向と垂直方向の機体断面積をＡ、固定子コアに形成したコイルスロットの開口面積の総和をＢ、固定子外径をＣ、固定子内径をＤとして、機体の設計指標ＥをＥ＝（Ｂ／Ａ）＋1.2(Ｄ／Ｃ）と定義した上で、
   前記設計指標Ｅの値が0.94≦Ｅ≦1.02の範囲に収まるように機体の諸元寸法を設定したことを特徴とする永久磁石式回転電機。