JP2014054135A - 永久磁石型回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】分割コア形固定子鉄心を備えた永久磁石型回転電機について、その分割コアの相互間に設定した空隙に起因する磁気エネルギーの不平衡を縮小して低コギングトルク化、低トルクリップル化が実現できるように改良した固定子鉄心の構造を提供する。
【解決手段】周方向に配列した分割コア５の集合体になる固定子鉄心１をフレーム４の内周側に構築するとともに、回転子鉄心２の周面にＮ，Ｓ極の永久磁石３を交互に配列した回転子鉄心２を固定子鉄心１の内周側に配置し、ここで分割コア５は継鉄部５ａに複数のティース部５ｂを形成した電磁鋼板の積層体になり、かつ周方向に配列した分割コア５の相互間に空隙６を設定して各分割コア５をフレーム４に固着したものにおいて、分割コア５の継鉄部５ａに、ラジアル方向に延在する空隙スリット５ｄを形成するものとし、該空隙スリット５ｄを継鉄部５ａの内，外周縁から距離ｂ，ｃを隔てた範囲に形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、風力発電などに適用するインナーロータ形の永久磁石型回転電機に関し、詳しくはコギングトルクの低減化を図る固定子鉄心の構造に係わる。

永久磁石型回転電機には特有の問題としてゴギングトルクがある。このコギングトルクは、電機子コイルの電流無通電の状態において、外力により回転子を回した場合に発生する脈動トルクであって、永久磁石による磁気エネルギーが回転子の位置に応じて変化することに起因して発生する。

上記のコギングトルクは回転電機の制御を行う上で外乱となるためにできるだけ小さく抑えることが望まれ、このコギングトルクの低減手段として、従来より極数とスロット数の選定、固定子鉄心のティース部に疑似スリットを形成する、鉄心あるいは永久磁石にスキューを付すなど、様々なコギングトルク低減法が提案されていることは周知の通りである。

一方、風力発電に適用する直接駆動式の永久磁石型回転電機（発電機）は、その回転速度が非常に低速であることから、商用周波数の電力を発電するために固定子の直径が数ｍにも及ぶ大形構造となる。そのために、固定子鉄心を単体構造で構成すると製作、組立が困難となることから、鉄心を周方向に分割した上で、各分割コアを鋳鉄などで作られた外皮フレームの内周面に配列してボルト締結するようにした分割コア形の固定子鉄心が多く採用されている（例えば、特許文献１参照）。

次に、前記特許文献１を基に設計した永久磁石型回転電機（ＳＰＭ：表面磁石型）の一例を図３に示す。図３において、１は電磁鋼板の積層体で作られた固定子鉄心、２は固定子鉄心１の内周側に空隙を挟んで対向する回転子鉄心、３は回転子鉄心２の周面上に等間隔に配列した永久磁石、４は固定子鉄心１を収納した鉄鋼製（鋳鉄）のフレーム、矢印Ｐは回転子の回転方向である。

ここで、固定子鉄心１は、周方向に分割して前記フレーム４の内周側に固着（ボルト締結構造は省略）した分割コア５の集合体になり、各分割コア５には図示のように扇形の継鉄部５ａ、該継鉄部５ａから内周側に延出する複数のティース部５ｂ、ティース部５ｂの間に画成した固定子コイル（不図示）を収納するスロット５ｃが形成されており、フレーム４の内周面に配列して固着する際には、各分割コア５の相互間に間隔ｄ：１〜２mm程度の空隙６を予め設定した上で、各分割コア５をフレーム４に対して個別にボルト締結するようにしている（特許文献１の図１，図２参照）。なお、前記した分割コア５の相互間に設定した空隙６は、回転電機の運転に伴う振動、電磁力などにより、隣接する分割コア５の端面同士が擦れあって異常な騒音が発生するのを防ぐために設定したもので、特に風力発電機などの大形回転電機では必須である。

特開２０１１−１２０３５０号公報（図１、図２）

ところで、先記した分割コア形の固定子鉄心を採用した永久磁石型回転電機では、分割コア５の相互間に設定した空隙６が要因となってコギングトルクが増大する問題があり、次にその様子を図４（ａ），（ｂ）で説明する。

すなわち、図４（ａ）（ｂ）は回転子の異なる回転位置（ポジション）に対応した永久磁石３の磁束分布図であり、図中の点線矢印が永久磁石３の磁束が通る経路を表している。この図から判るように、図４（ａ）の回転位置では永久磁石３のＮ極から出て隣接するＳ極に戻る磁束は、大別してφ1とφ2で表す二つの異なる経路を通る。ここで磁束φ1は分割コア５のティース部５ｂ→継鉄部５ａ→ティース部５ｂを経由し永久磁石３に戻る。これに対して、磁束φ2は、隣接する分割コア５との間に磁気抵抗の高い空隙６があるために、磁束の大半は空隙６を迂回して継鉄部５ａから外周側のフレーム４を経由して永久磁石３に戻るような磁束経路を辿る。なお、フレーム４を構成している鋳鉄（磁性材）の透磁率は分割コア５の電磁鋼板と比べて低いが、間隙（空隙）６に比べて著しく大である。

一方、図４（ｂ）の回転位置では、隣接する永久磁石３のＮ極から出てＳ極に戻る磁束は分割コア５のティース部５ｂ→継鉄部５ａ→ティース部５ｂを通り（磁束φ1）、空隙６を挟んで隣接する分割コア５との間では、磁束がティース部５ｂの先端を経由する最短の経路を通るので、外周側のフレーム４に迂回することはない。

したがって、図４（ａ）と（ｂ）の磁束分布および経路を比べると、（ａ）図における磁束φ2はその磁束の通る経路が磁束φ1の経路よりも長く、かつその途中で透磁率の低いフレーム４に迂回するのでその経路に沿った磁路の磁気抵抗が大きくなり、よって図４（ａ）と（ｂ）の回転子位置では永久磁石３と分割コア５のティース部５ｂとの間に作用する電磁力の大きさが変化する。

そのために、前記した従来構造の鉄心分割形固定子鉄心１を搭載した永久磁石型回転電機では、回転子２の回転に伴い永久磁石３による磁気エネルギーが時々刻々変化することになってコギングトルクが発生する。なお、このことは磁界解析シミュレーションによっても検証されている。

しかも、前記した磁気エネルギーの不平衡、そしてコギングトルクの発生要因は、周方向に並ぶ分割コア５の相互間に設定した空隙６にあることから、例えば分割コアのティース部に疑似スロットを形成するなどした従来のコギングトルク低減法などでは解消できない分割コア形固定子鉄心の特有な課題である。

そこで、本発明の目的は、先記した分割コア形固定子鉄心を備えた永久磁石型回転電機について、その分割コアの相互間に設定した空隙に起因する磁気エネルギーの不平衡を縮小して低コギングトルク化、低トルクリップル化が実現できるように改良した固定子鉄心の構造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、周方向に配列した分割コアの集合体になる固定子鉄心を鉄製フレームの内周側に構築するとともに、回転子鉄心の周面にＮ極とＳ極の永久磁石を交互に配列した回転子を前記固定子鉄心の内周側に対向配置した永久磁石型回転電機であって、前記分割コアは継鉄部、および該継鉄部から内周側に延出する複数のティース部を形成した電磁鋼板の積層体になり、かつ周方向に配列した分割コアの相互間に空隙を設定して各分割コアの継鉄部を前記フレームの内周面に固着したものにおいて、
前記分割コアの継鉄部に、ラジアル方向に延在する空隙スリットを形成するものとし（請求項１）、具体的には前記空隙スリットを、ティース部相互間のスロットに対応位置して継鉄部の内，外周縁から所定距離を隔てた範囲に形成する（請求項２）。

上記構成において、分割コアの継鉄部に追加形成した空隙スリットの幅および開口長さを分割コア相互間に設定した間隙との関係で適正に設定することにより、図４（ａ），（ｂ）の回転位置に依存する磁気エネルギーの不平衡を縮小してコギングトルクが低減される。

なお、前記の空隙スリットは電磁鋼板から分割コアをプレスで打ち抜く際に、同時に打ち抜き形成できるので、従来と同じ製造工程で簡単に対応できる。

本発明の実施例による分割鉄心形固定子鉄心の分割コア構造と、該分割コアにおける永久磁石の磁束分布および磁束経路を表す図であって、（ａ），（ｂ）はそれぞれ回転子の異なる回転位置に対応した磁束分布を示す図である。 図１における分割コアのティース数を変えた変形実施例の構成図である。 従来の永久磁石型回転電機における分割鉄心形固定子鉄心の構成図である。 図３の分割コアに対応する永久磁石の磁束分布および磁束経路を表す図であって、（ａ），（ｂ）はそれぞれ回転子の異なる回転位置に対応した磁束分布を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を図１（ａ），（ｂ）、および図２に示す実施例に基づいて説明する。なお、実施例の図中において図３，図４に対応する部材には同じ符号を付してその説明は省略する。

まず、図１（ａ），（ｂ）において、分割鉄心形固定子鉄心１は、図３に示した従来構造と同様に、周方向に配列した分割コア５の集合体になり、各分割コア５の相互間に空隙６を設定して鋳鉄製フレーム４の内周側にボルト締結などにより固着されており、この分割コア５に対して図示実施例における各分割コア５の継鉄部５ａには、ラジアル方向に延在する空隙スリット５ｄが新たに追加形成されている。なお、この分割コア５に形成したティース部５ｂの数は図３の分割コアと同様に４本とする。

ここで、前記の空隙スリット５ｄは、図示のように継鉄部５ａの周方向の中央位置でティース部５ｂの間に画成したスロット５ｃの位置に対応してラジアル方向に形成され、そのスリット幅ａは分割コア５の相互間に設定した空隙６にほぼ対応し、またスリット長さは扇形の継鉄部５ａの内，外周縁部に磁束通路域を残して継鉄部５ａの内，外周縁から所定距離ｂ，ｃを隔てた範囲に形成されている。なお、この空隙スリット５ｄの開口位置、およびそのスリット幅ａ、距離ｂ，ｃは、磁界解析シミュレーションなどの手法により検証して回転子の回転位置に関係する磁気エネルギーの不平衡を解消するよう適正に設定するものとし、そのスリット形成方法は電磁鋼板から分割コア５をプレスで打ち抜く際に、同じプレス工程で同時に空隙スリット５ｄを打ち抜くようにする。

次に、図４（ａ），（ｂ）で述べた従来の分割コア５における磁束分布図に対応して、継鉄部５ａに前記空隙スリット５ｄを形成した本発明実施例の分割コア５による永久磁石３の磁束分布を図１（ａ），（ｂ）で説明する。

すなわち、図１（ａ）の回転位置での磁束分布および磁束経路は図４（ａ）と同じであり、この状態では継鉄部５ａに形成した空隙スリット５ｄは磁束φ1，φ2の経路から外れていて磁束に干渉することはない。一方、回転子２の永久磁石３が図１（ａ）の位置から（ｂ）の位置に移動した回転位置では、空隙スリット５ｄを挟んでその両側から継鉄部５ａの内周側に延出するティース部５ｂと対向する永久磁石３のＮ極から出た磁束は、図示のようにティース部５ｂから継鉄部５ａの前記空隙スリット５ｄを迂回してその内周側と外周側の狭隘な継鉄通路（通路幅ｂ，ｃ）を通る磁束φ3とφ4に分流した経路を辿ってＳ極に戻るようになる。

したがって、図１（ｂ）において磁束φ3，φ4が通る磁路の磁気抵抗と図４（ｂ）における磁束φ1が通る磁路の磁気抵抗を比べると、空隙スリット５ｄを形成して継鉄部５ａを局部的に狭めた図１（ｂ）の方が大きくなる。

これにより、図１（ａ）と（ｂ）における磁気エネルギーの差と、図４（ａ）と（ｂ）における磁気エネルギーの差を比較すると、本発明の実施例による方が明らかに磁気エネルギーの変化、したがって磁気エネルギーの不平衡が縮小してコギングトルクが低減される。

なお、図１の実施例では、空隙スリット５ｄの内周側，外周側で継鉄部５ａに通路幅がｂ，ｃの狭隘な磁束通路を形成しているが、磁気解析、機械的強度の確保条件によってはそのいずれか一方の通路を省略して実施することもできる。また、図示実施例では、継鉄部５ａに４本のティース部５ｂを延出形成した分割コア５の集合体で固定子鉄心１を形成しているが、図２の変形実施例で示すように継鉄部５ａに２本のティース部５ｂを形成した分割コア５の集合体で固定子鉄心１を形成し、かつその継鉄部５の中央に空隙スリット５ｄを打ち抜き形成して同様に実施することができる。

そのほか、分割コア形固定子鉄心の磁極数と、回転子の磁極数（永久磁石の配列数）の組合せを変えた様々なスロットコンビネーションの永久磁石型回転電機についても、その磁界解析結果を基に、分割コアの継鉄部に先記実施例と同様な空隙スリットを適切な位置に形成することにより、分割コアの相互間に設定した空隙に起因して発生するコギングトルクの低減化を実現できる。

１ 固定子鉄心
２ 回転子鉄心
３ 永久磁石
４ フレーム
５ 分割コア
５ａ 継鉄部
５ｂ ティース部
５ｃ スロット
５ｄ 空隙スリット
６ 分割コア相互間の空隙

Claims (2)

1. 周方向に配列した分割コアの集合体になる固定子鉄心を鉄製フレームの内周側に構築するとともに、回転子鉄心の周面にＮ極とＳ極の永久磁石を交互に配列した回転子を前記固定子鉄心の内周側に対向配置した永久磁石型回転電機であって、前記分割コアは継鉄部、および該継鉄部から内周側に延出する複数のティース部を形成した電磁鋼板の積層体になり、かつ周方向に配列した分割コアの相互間に空隙を設定して各分割コアの継鉄部を前記フレームの内周面に固着したものにおいて、
   前記分割コアの継鉄部に、ラジアル方向に延在する空隙スリットを形成したことを特徴とする永久磁石型回転電機。
2. 請求項１に記載の永久磁石型回転電機において、分割コアの継鉄部に形成した空隙スリットを、ティース部相互間のスロットに対応位置して継鉄部の内，外周縁から所定距離を隔てた範囲に打ち抜き形成したことを特徴とする永久磁石型回転電機。

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