JP2015033239A

JP2015033239A - 回転子

Info

Publication number: JP2015033239A
Application number: JP2013161582A
Authority: JP
Inventors: 孝典横地; Takanori Yokochi
Original assignee: Okuma Corp; Okuma Machinery Works Ltd
Current assignee: Okuma Corp
Priority date: 2013-08-02
Filing date: 2013-08-02
Publication date: 2015-02-16

Abstract

【課題】電動機の特性を向上させるために、回転子内にできるだけ磁束密度が高い永久磁石を内蔵したいが、磁束密度が高い永久磁石は減磁耐量が低いため磁石は減磁しやすくなってしまう。また、減磁耐量を高くした永久磁石は重希土類を多く含むため、材料の調達リスクが存在する。したがって、できるだけ磁束密度が高い永久磁石を内蔵した上で、減磁しにくい回転子構造を形成した。【解決手段】回転子内の永久磁石のうち最も外側に存在するものの外側で隣り合っている磁路の幅が、磁路の更に外側にあるスリットを無くさない範囲で、永久磁石内の磁束密度が減磁曲線内における可逆範囲となるような幅で、他の部分の磁路よりも幅が大きくなっている構造の回転子を提供する。【選択図】図１

Description

本発明は、多層フラックスバリア型リラクタンスモータの回転子に関する。

電動機の回転子の構造には様々なものがある。例えば、内部に複数のスリットを配置することによって複数の磁路を形成している多層フラックスバリア型リラクタンスモータの回転子が知られている。以下に、その回転子の構造について、図４，５を用いて説明する。

図４は、従来の多層フラックスバリア型リラクタンスモータにおける回転子構造の断面の一例を示す図である。図４に示されるように、回転子１には複数のスリット２が形成されている。そして、それらのスリット２のうち、いくつかのスリット２内に永久磁石３が存在している構造となっている。

図５は、図４の回転子１の一部を拡大した図である。図５において、スリット２同士の間には磁路４が複数存在する。また、回転子１の径方向外側にある固定子（図示せず）内に巻かれている巻線のうち、Ｗｄで示される位置にある巻線に電流が通電されると、磁路４内にΦＬ１で示される方向に磁束が発生し、それによって回転子１に磁極を形成する。この磁束は、回転子１の磁極を作るために必要である。しかし、これでは回転子１に磁極が形成されただけであるので、電動機にトルクを発生させるために、Ｗｑで示される位置の巻線にも電流が通電され、フレミング左手の法則により電動機に回転方向の力が発生し、電動機のトルクとなることは公知である。Ｗｑで示される位置の巻線に電流が通電される場合、ΦＬ２で示されるような、磁路４と直交する方向に磁束は発生しようとする。この磁束は電動機のトルク発生を阻害し、電動機の効率を低下させる働きがあるため、ΦＬ２で示される方向の磁束はできるだけ少ない方がよい。

永久磁石３がスリット２内に配置される場合、永久磁石３はΦＬ２で示される方向の磁束をキャンセルする目的で配置されるため、磁石３の磁束はΦＭで示される方向となるように配置される。これにより、電動機の効率低下の要因となる磁束ΦＬ２をできるだけ小さくし、電動機の特性を向上させている。以上のように、永久磁石３が内蔵された電動機の回転子１においては、永久磁石３の磁束の方向が、磁路と直交し、電動機のトルクを発生する際にできる磁束をキャンセルする方向を向くように永久磁石３が配置されている。

前述したとおり、電動機がトルクを発生する場合、回転子１内では回転子１に磁極を作るための磁路４に沿ったΦＬ１で示される磁束の他に、磁路４と直交するΦＬ２で示される磁束も同時に発生している。磁束ΦＬ２の磁界の強さは、Ｗｑで示される巻線に通電される電流の大きさに比例するため、通電される電流値が小さい場合は、磁束ΦＬ２は反対方向を向いている永久磁石３による磁束ΦＭの磁界の強さより小さくなり、磁束ΦＭによってキャンセルされる。しかし、固定子巻線に通電される電流が大きい場合には、磁束ΦＬ２の磁界の強さの方が、永久磁石３による磁束ΦＭの磁界の強さよりも大きくなり、キャンセルされずに両者の磁界の強さの差の分だけ、ΦＬ２と同じ方向に磁束が残る。このようにして発生した磁束をΦＬ３とする。磁束ΦＬ３は、磁束ΦＬ２と同じ方向を向いているため、永久磁石３内ではもともと永久磁石３が持っている磁束と反対の向きに磁束がかかることになる。これを逆界磁と呼ぶ。

回転子１内で永久磁石３に逆界磁がかかると、それに伴い永久磁石３内の磁束密度が低下して行き、永久磁石３の減磁曲線上での動作点が移動する。このことについて、図７を用いて説明する。図７は、永久磁石３の使用温度の上限温度における減磁曲線である。縦軸Ｂは磁束密度を示し、上方に向けて磁束密度が大きくなる。一方、横軸Ｈは磁界の強さを示し、左方に向けて磁界の強さが小さくなる。通常、永久磁石３に逆界磁がかからない場合、永久磁石３は減磁曲線上においてＰｒで示される動作点にあり、Ｂｒ（図７では１．２２Ｔ）という磁束密度を持っている。その上で永久磁石３に逆界磁がかかると、Ｈで示される逆界磁の磁界の強さにしたがって、破線で示されるように永久磁石３の動作点が減磁曲線上を左下に移動していく。ここで、減磁曲線が直線であるＰａで示される点より右側、すなわちＰｒからＰａの間を可逆領域と呼ぶことにする。逆界磁がかかって動作点がＰｂで示される点に移動した場合、永久磁石３にはＨｂ（図７では−３５０ｋＡ／ｍ）で示される磁界がかかっており、永久磁石３内における磁束密度はＢｂ（図７では０．７５Ｔ）に変化しているということになる。図に示されるようにＰｂがＰａより右側にある場合は、可逆領域であるため、永久磁石３にかかっていた逆界磁が無くなると永久磁石３の動作点は減磁曲線上を右上のほうに戻っていき、もとのＰｒで示される点に戻る。この状態は、永久磁石３が減磁していない状態である。

一方、逆界磁による磁界の強さが大きい場合には、状況が異なってくる。これについて、図８を用いて説明する。図８は、図７と同様に永久磁石３の使用温度の上限温度における減磁曲線である。逆界磁による磁界の強さが大きく、Ｈｃ（図８では−６５０ｋＡ／ｍ）で示される値である場合、動作点は図７の場合と同様に減磁曲線に沿って移動していくが、可逆領域を外れて動作点がＰｃで示される点まで移動する。この場合、逆界磁が無くなると動作点は減磁曲線上を戻るのではなく、減磁曲線の直線部分と平行であって、Ｐｃで示される点を通る一点鎖線で示される直線上を右上の方向に進んでいき、Ｐｓで示される点に到達する。Ｐｓで示される点における磁束密度Ｂｓ（図８では１．１２Ｔ）は、Ｂｒ（図８では１．２２Ｔ）よりも小さくなっており、この後、この永久磁石３は動作点が一点鎖線上でしか動くことができなくなる。これが、永久磁石３の減磁という現象である。

永久磁石３の減磁は、以上のように永久磁石３に対して大きな逆界磁の磁束がかかった場合に発生する。永久磁石３が減磁すると、これまでキャンセルできていたΦＬ２で示される磁束をキャンセルできなくなるため、モータの発生トルクが低下してしまう。したがって、モータを設計する場合、トルク発生に寄与するＷｑの位置に通電する電流が、少なくとも最大トルクを発生する場合に通電される電流であっても永久磁石３が減磁しないように設計される。減磁しないように設計するということは、前述の減磁曲線上で、逆界磁がかかっても可逆領域で推移できるというのがひとつの条件となるが、そのためには可逆領域が広くなるような永久磁石３を選定する必要がある。

永久磁石３の材質には、永久磁石３が発生する磁束密度が高い材質や減磁しにくさを示す一つの基準である減磁耐量が高い材質といったさまざまな材質があり、その各特長は永久磁石３を構成する化学物質の割合で決まる。具体的には、希土類磁石の場合にはジスプロシウムやテルビウムに代表される重希土類物質の割合が高くなると、減磁耐量が高く減磁しにくい永久磁石３になり、低くすると減磁耐量が低く減磁し易い永久磁石３になる。前記のようにモータを設計する際に永久磁石３を選定する場合、磁束ΦＬ２をできるだけ多くキャンセルできるように磁束密度が高く、さらに逆界磁がかかった場合でも減磁しにくい永久磁石３の材質が求められる。しかし、一般的には、減磁耐量が高くなると磁束密度は低くなる傾向があるため、モータ設計する際には減磁しない範囲でできるだけ高い磁束密度の永久磁石３を選択することになる。

一方、重希土類は産出地が世界的に見て極めて偏在していることがわかっており、将来的に見て調達のリスクが高いことが知られている。そこで、永久磁石３を選択する場合、重希土類を含まないか、もしくはできるだけ含有量を少なくした永久磁石３を選定したい。しかし、前述のとおり、重希土類の含有量を少なくすると、永久磁石３の減磁耐量が低くなって減磁しやすくなってしまう。

以上のことから、本発明の目的は、多層フラックスバリア型リラクタンスモータの回転子において、できるだけ減磁耐量が低く磁束密度が高い永久磁石を内蔵しても、減磁しにくい回転子構造を形成することにある。

前記課題を解決するために、本発明においては、多層フラックスバリア型リラクタンスモータの回転子が、珪素鋼板もしくは軟磁性材料で構成される回転子内に、空隙部分であるスリットが間隔を空けて複数形成されることで、それらの前記スリットの間に配置される磁路と、前記スリット内にあって、磁極の方向が前記磁路と直角方向を向いている永久磁石とを有し、前記磁路のうち、径方向の最も外側に存在する前記永久磁石の外側で隣り合っている磁路の幅が、前記磁路の更に外側にあるスリットを無くさない範囲で、前記永久磁石内の磁束密度が減磁曲線内における可逆範囲となるような幅であり、他の部分の磁路よりも幅が大きくなっていることを特徴とする。

本発明を用いることにより、回転子内に減磁耐量が低く減磁しやすい永久磁石を内蔵しても、永久磁石が減磁しにくく発生トルクが大きい構造の電動機を提供することができる。これは、言い換えれば、前述したような重希土類の含有量が少ないもしくは含まない永久磁石を使うことができるようになり、将来的に見て重希土類の調達リスクにも対応できる。

本発明における多層フラックスバリア型リラクタンスモータの回転子の一例を示す図である。本発明における回転子の一例を示す図の拡大図である。本発明における回転子の一例を示す図である。従来の多層フラックスバリア型リラクタンスモータにおける回転子構造の断面の一例を示す図である。図４の回転子の一部を拡大した図である。従来における回転子の一例を示す図の拡大図である。磁石の減磁を説明するための減磁曲線の一例である。磁石の減磁を説明するための減磁曲線の一例である。

以下、本発明に係る多層フラックスバリア型リラクタンスモータの回転子の実施形態について、図を用いて説明する。図１は、本発明における多層フラックスバリア型リラクタンスモータの回転子の一例を示す図である。図１における回転子を構成する部分のうち、背景技術において示した図４及び図５と同一の要素については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。

図１において、本発明における実施の一例について説明する前に、逆界磁による磁束が永久磁石に対してどのようにかかっているかについて、回転子内の永久磁石付近を拡大した図６を用いて説明する。図６は、従来における回転子の一例を示す図の拡大図である。

図６において、逆界磁による磁束ΦＬ３が、複数ある永久磁石３の中で最も径方向外側にある永久磁石３の外側に、この永久磁石３に隣接するように設けられた磁路４１に入った場合、磁束ΦＬ３は、まず磁束ΦＬ４となって、磁路４１に沿って周方向にそれぞれ反対方向に向かうように２分割される。その後、それぞれの磁束ΦＬ４が磁束ΦＬ５と磁束ΦＬ６に分かれる。磁束Φ５はさらに磁路４に沿って通過していく。一方、磁束Φ６は、磁路４１と、この磁路４１より径方向内側にある磁路４とをつなぐつなぎ部を通過していく。

この時、磁路４１を通過できる磁束量は磁路の太さＭＰ０、すなわち径方向における磁路の幅ＭＰ０によって決定されることについて、以下に説明する。磁路４は珪素鋼板から成っているが、珪素鋼板のＢ−Ｈ曲線を考えた場合、磁界の強さＨが大きくなっていくと、磁束密度Ｂが大きくなっていくが、材料によってその値は異なるものの、およそ磁束密度２［Ｔ］を超えた辺りから、磁界の強さＨが大きくなっても磁束密度Ｂはほとんど上がらなくなる。これを、磁束が飽和した状態という。磁束密度は、磁界の強さによって発生する磁束の本数を磁束が鎖交する断面積で除したものであるため、磁束が磁路を通過する場合、通過できる磁束量は磁路の幅によって決まるということができる。

したがって、図６において磁路４１を磁束ΦＬ４が通過する場合、磁路４１を通過できる磁束量は磁路４１の幅であるＭＰ０で決まるため、逆界磁による磁束ΦＬ３と磁路４１の幅ＭＰ０とによって、磁束ΦＬ４は一意的に決まる。磁束ΦＬ４は、図６に示される通り周方向に２分割されるので、磁束ΦＬ３が磁束ΦＬ４の２倍の値より大きい場合には、その差となる磁束ΦＬ７が磁束ΦＬ３と同方向に残ってしまうことになる。すなわち、磁束ΦＬ７は以下の式で表わされる。
ΦＬ７＝ΦＬ３−２×ΦＬ４（式１）
磁束ΦＬ７が永久磁石３に直接逆界磁となってかかることになり、これが永久磁石３の減磁の原因となる。以上が、回転子１に逆界磁がかかった場合に、永久磁石３とその外側の磁路４でどのように磁束が流れているかの説明である。

本発明においては、複数ある永久磁石３の中で最も径方向外側にある永久磁石３の外側に隣り合う磁路４２について、永久磁石３と隣り合っていない磁路４部分の太さＭＰ０と比べて、永久磁石３と隣り合っている部分のみについて、ＭＰ１＞ＭＰ０となるＭＰ１の太さとする。

このように、磁路４の一部分、それも永久磁石３と隣り合う部分のみ磁路４を太くすることによって逆界磁の磁束がどのように変化するかについて、以下に説明する。

図２は、図６と同様に回転子１内の永久磁石３付近を拡大した図である。図６の場合と同様に逆界磁による磁束ΦＬ３が、複数ある永久磁石３の中で最も径方向外側にある永久磁石３の外側で隣り合う磁路４２に入った場合、磁路４２の幅ＭＰ１はＭＰ０よりも大きいので、磁路４２を通過できる磁束量も図６の場合の磁束ΦＬ４よりも大きいΦＬ４１となる。磁束ΦＬ４１は、その後図６の場合の磁束ΦＬ５よりも大きいΦＬ５１と図６の場合と同じ量であるΦＬ６とに分かれる。ここで、ΦＬ４１＞ΦＬ４であるので、以下の式が成り立つ。
ΦＬ７１＝ΦＬ３−２×ΦＬ４１（式２）
ΦＬ３がΦＬ４１に分かれて残った磁束ΦＬ７１はΦＬ７よりも小さくなる。以上のように、磁路４２の一部分、それも永久磁石３と隣り合う部分のみ磁路４２を太くすることによって、逆界磁の磁束のうち、磁路４２に沿って通過する磁束量が増え、結果的に永久磁石３にかかる逆界磁の磁束量が減少することになる。

次に、ＭＰ１とＭＰ０の関係について述べる。ここまで、ＭＰ１＞ＭＰ０として永久磁石３に隣り合う磁路４２の幅を大きくすることによって、永久磁石３が減磁しにくくなると述べてきた。では、ＭＰ１はＭＰ０に対してどれほど大きくすればよいのかといえば、大きくすればするほど逆界磁による磁束のうち、磁路４２に沿って通過する量が増えていくため、ＭＰ１はＭＰ０に対してできるだけ大きくしたい。しかし、本発明における多層フラックスバリア型リラクタンスモータの回転子１は、スリット２と磁路４から構成されているのでＭＰ１をあまりに大きくしてしまうとスリット２が無くなってしまう。スリット２が無くなってしまうと、磁束の漏れが大きくなってしまい逆界磁の磁束量がΦＬ３よりも大きくなってしまうのでスリット２を無くすことはできない。したがって、ＭＰ１を大きくしていくのはスリット２が無くならない範囲でということになるが、実際にはそこまで大きくしなくても良い。

ＭＰ１をどの程度まで大きくするのが適当かについて、図８の例をもとにして説明を行う。図８において、逆界磁がかかった場合の動作点が可逆領域であるＰａで示される点を越えると永久磁石が減磁してしまうことは前述したが、このとき、永久磁石内の磁束密度がＢａを超えてＢｃまで小さくなってしまっていることがわかる。これは、逆界磁の磁束によって永久磁石がもともともっている磁束密度Ｂｒが低下してしまったことによるものであり、永久磁石が減磁しないようにするためには永久磁石内の磁束密度がＢａより低くならなければ良い。本発明においては、前述の通り、ＭＰ１を大きくすることによって永久磁石にかかる逆界磁の磁束を減少させるため、永久磁石内の磁束密度がＢａより大きくなるようにＭＰ１を決定すれば良い。具体的には、有限要素法等による磁場解析によって、ＭＰ０＝ＭＰ１となる場合の永久磁石内の磁束密度を求め、そこからＭＰ１を大きくしていった場合に永久磁石内の磁束密度がＢａより大きくなるようなＭＰ１の大きさを求めていけばよい。

以上が、本発明における実施の一例である。なお、本発明の実施形態における説明では、磁路の幅を太くするＭＰ１で示される磁路の太さを、一定であるかのように説明したが、例えば図３に示されるように太さが外側に向けて次第に太くなっていくような形状や、その他の例も考えられる。

１回転子、２スリット、３永久磁石、４磁路。

Claims

多層フラックスバリア型リラクタンスモータの回転子において、
珪素鋼板もしくは軟磁性材料で構成される回転子内に、空隙部分であるスリットが間隔を空けて複数形成されることで、それらの前記スリットの間に配置される磁路と、
前記スリット内にあって、磁極の方向が前記磁路と直角方向を向いている永久磁石と、
を有し、
前記磁路のうち、径方向の最も外側に存在する前記永久磁石の外側で隣り合っている磁路の幅が、前記磁路の更に外側にあるスリットを無くさない範囲で、前記永久磁石内の磁束密度が減磁曲線内における可逆範囲となるような幅であり、他の部分の磁路よりも幅が大きくなっていることを特徴とする多層フラックスバリア型リラクタンスモータの回転子。