JP2015095954A - 永久磁石式回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】 低コストでコギングトルクを低く抑えることができる永久磁石式回転電機を提供する。
【解決手段】 固定子コア１１と、固定子コア１１に巻装された励磁コイル１４とを有する固定子１０と、固定子コア１１と所定の間隔を隔てて対向して回転自在に配置された回転子コア２１と、回転子コア２１に設けられた複数の磁石スロット２３と、複数の磁石スロット２３の各々の内部に個別に配設された複数の永久磁石２４とを有する回転子２０とを備える埋込磁石形同期回転電機（永久磁石式回転電機）１であって、磁石スロット２３の固定子コア１１側の一端と永久磁石２４との間に、比透磁率が“１”より大きく回転子コア２１の比透磁率より小さい弱磁性材２５が設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、永久磁石式回転電機に関し、特に、励磁コイルを巻装した固定子と、回転子コアの磁石スロットに永久磁石が設けられた回転子とを有する永久磁石式回転電機に適用して有効な技術に関するものである。

埋込磁石形の永久磁石式回転電機は、回転子内部に永久磁石を埋め込み、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電機である。永久磁石は、回転子の回転子コアに設けられた磁石スロットの内部に埋め込まれている。

この種の永久磁石式回転電機では、コギングトルクと呼ばれる一種のトルク脈動が発生することが知られている。永久磁石式回転電機においてコギングトルクが大きい場合は、回転電機の制御性能が悪化したり、雑音が発生したりするといった問題が生じる。
コギングトルクは、回転子の回転に伴って磁気エネルギが変化するために発生する。即ち、回転子の位置によって磁気抵抗が変化するので、回転子の回転により磁気抵抗の変化が少なくなるようにすれば、コギングトルクを低減することができる。

そこで、構造の工夫によりコギングトルクを低減する技術が、例えば特許文献１に開示されている。この技術は、回転子の回転子コアにスキューを施す、即ち、回転子コアを積層方向に複数分割し、これら分割した物を所定の角度ずらして回転子コアを構成することにより、コギングトルクを小さくするというものである。
また、特許文献２には、固定子コアにスキューを施す技術が開示されているが、この技術のように固定子コアにスキューを施すことにより、コギングトルクを小さくすることもできる。

特開平１０−８００７９号公報 特開２０１２−１９６０３３号公報

しかしながら、特許文献１及び特許文献２のように、回転子コアや固定子コアにスキューを施しても十分にコギングトルクが低減できないケースが存在する。しかも、スキューを施すための余分な工程が必要であり、コスト高騰化の面で問題がある。
そこで、本発明者は、一般的な永久磁石式回転電機では、回転子コアの磁石スロットの内部において、磁石スロットの端と永久磁石との間に空洞部が設けられていることに着目し、本発明をなした。

本発明の目的は、低コストでコギングトルクを低く抑えることができる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、本発明の一態様に係る永久磁石式回転電機は、固定子コアと、前記固定子コアに巻装された励磁コイルとを有する固定子と、前記固定子コアと所定の間隔を隔てて対向して回転自在に配置された回転子コアと、前記回転子コアに設けられた複数の磁石スロットと、前記複数の磁石スロットの各々の内部に個別に設けられた複数の永久磁石とを有する回転子とを備える永久磁石式回転電機であって、前記磁石スロットの前記固定子コア側の一端と前記永久磁石との間に、比透磁率が“１”より大きく前記回転子コアの比透磁率より小さい弱磁性材が設けられている。

この本発明の一態様に係る永久磁石式回転電機によれば、永久磁石からの磁束が弱磁性材に漏れるため、回転子の回転による磁気抵抗の変化が少なくなるので、コギングトルクを低く抑えることができる。また、回転子コアの磁石スロットの内部に永久磁石を設ける際、永久磁石と共に弱磁性材を設けることができるので、製造工程の増加や回転電機の形状の大幅な変更を招かずに済む。この結果、本発明の一態様に係る永久磁石式回転電機によれば、低コストでコギングトルクを低く抑えることができる。

また、本発明の一態様に係る永久磁石式回転電機において、前記励磁コイルの巻線は平角線であり、前記弱磁性材は、比透磁率が“４．５”以下であることが好ましい。
この本発明の一態様に係る永久磁石式回転電機によれば、コギングトルクを低く抑えることができると共に、無負荷誘起電圧の低下を最小限に抑えることができる。
また、本発明の一態様に係る永久磁石式回転電機において、前記弱磁性材は、バインダと軟磁性粉末とを混合した材料からなることが好ましい。
また、本発明の一態様に係る永久磁石式回転電機において、前記弱磁性材は、棒状に加工されたオーステナイト系ステンレスであることが好ましい。

本発明によれば、低コストでコギングトルクを低く抑えることができる永久磁石式回転電機を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る永久磁石式回転電機の概略構成を示す断面図である。 図１の回転子を抽出して示す断面図である。 磁石スロットに埋め込む弱磁性材の比透磁率と、コギングトルク及び無負荷誘起電圧との関係を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態を詳細に説明する。なお、発明の一実施形態を説明するための全図において、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
本実施形態では、永久磁石式回転電機として、４極２４スロットの埋込磁石形同期回転電機に本発明を適用した例について、図１乃至図３を用いて説明する。

なお、本発明は、極数やスロット数、その他各部分の寸法などによって何ら制約を受けるものではなない。
本実施形態の埋込磁石形同期回転電機１は、円筒状フレーム２と、この円筒状フレーム２の内周側に配置された固定子１０と、この固定子１０の内周側に所定のエアギャップＧを介して対向する回転子２０とを備えている。回転子２０は、その中心部に嵌挿された回転軸３に支持されて回転自在に配置されている。

固定子１０は、固定子コア１１と、この固定子コア１１の内周面側に円周方向に等間隔で形成された２４個のスロット１２及び２４個の磁極ティース１３とを有している。各磁極ティース１３には、スロット１２内に巻装された励磁コイル１４が巻回されている。
ここで、励磁コイル１４の巻き方については大別すると集中巻と分布巻とに分けられる。本発明は集中巻及び分布巻の両者において効果を発揮するものであり、図１において巻方を限定するものではない。

回転子２０は、積層鉄心で形成された回転子コア２１と、この回転子コア２１に設けられた４つの磁極２２とを有している。この場合の回転子コア２１の比透磁率は、通常１０００〜１００００程度である。
４つの磁極２２の各々は、回転子コア２１の周方向に９０°の間隔を隔てて配置されている。４つの磁極２２の各々は、回転子コア２１の軸方向の両端まで（互いに反対側に位置する２つの側面に亘って）貫通する貫通孔からなる一対の磁石スロット２３（２３ａ，２３ｂ）と、これら一対のスロット２３ａ，２３ｂに挿入されて接着材又は充填材によって固定された永久磁石２４とを有している。永久磁石２４は、回転子２０の隣接する磁極２２間において極性が異なるように配置されている。

一対の磁石スロット２３ａ，２３ｂ及び永久磁石２４は、回転子コア２１の軸方向に沿って長尺状で形成され、回転子コア２１の軸方向と直交する断面形状(開口形状)が矩形状で形成されている。永久磁石２４は、例えば希土類磁石粉を焼結して形成された部材である。
一対の磁石スロット２３ａ，２３ｂは、回転子コア２１の軸方向に沿う長手方向と直交する短手方向（図１及び図２の断面に沿う方向）の端部同士が回転子コア２１の回転中心側に凸となるようにＶ字状に形成されている。これに応じて、一対の磁石スロット２３ａ，２３ｂにそれぞれ挿入された永久磁石２４も、回転子コア２１の軸方向に沿う長手方向と直交する短手方向の端部同士が回転子コア２１の回転中心側に凸となるようにＶ字状に配置されている。

一対の磁石スロット２３ａ，２３ｂは、その短手方向に互いに反対側に位置する両端（一端及び他端）おいて、一端が固定子コア１１側に位置し、他端が回転子コア２１の回転中心側に位置している。これに応じて、一対の磁石スロット２３ａ，２３ｂにそれぞれ挿入された永久磁石２４も、その短手方向に互いに反対側に位置する両端（一端及び他端）おいて、一端が固定子コア１１側に位置し、他端が回転子コア２１の回転中心側に位置している。

永久磁石２４の短手方向の幅は、一対の磁石スロット２３ａ，２３ｂの短手方向の幅よりも小さな寸法になっている。これは、一対の磁石スロット２３ａ，２３ｂの各々に永久磁石２４を挿入し易くするためである。したがって、一般的な埋込磁石形同期回転電機１では、本実施形態の図面を参照すれば、回転子コア２１の磁石スロット２３の内部において、永久磁石２４の短手方向の両端側（一端側及び他端側）に空洞部、即ち、永久磁石２４が無い領域を有している。本発明は、この永久磁石２４が無い領域を積極的に活用するものである。本実施形態の埋込磁石形同期回転電機１では、永久磁石２４の一端側（固定子コア１１側）、即ち、一対の磁石スロット２３ａ，２３ｂの一端（固定子コア１１側）と永久磁石２４との間に、比透磁率μｓが“１”よりも大きく回転子コア２１の比透磁率よりも小さい弱磁性材２５を埋め込んで設けている。一方、永久磁石２４の他端側（回転子コア２１の回転中心側）、即ち、一対の磁石スロット２３ａ，２３ｂの他端（回転子コア２１の回転中心側）と永久磁石２４との間には、空洞部２６が設けられている。この空洞部２６には、比透磁率が“１”である空気が設けられている。

このように構成された本実施形態の埋込磁石形同期回転電機１は、複数の永久磁石２４が発生する磁束と励磁コイル１４に流れる電流との相互作用により回転子に回転トルクが発生する。
本実施形態の埋込磁石形同期回転電機１は、回転子２０の各磁極２２における永久磁石２４間の円周方向の中央部と回転軸３の軸心とを結ぶ線がｄ軸となる。また、回転子２０の隣接する磁極２２間において極性の異なる永久磁石２４間と回転軸３の軸心とを結ぶ線がｑ軸となる。このため、ｄ軸方向の磁束の磁路にはエアギャップＧと同じ磁気抵抗の大きな永久磁石２４が存在し、磁束は通りにくいが、ｑ軸方向の磁束は回転子コア２１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Ｌ_ｄとｑ軸インダクタンスＬ_ｑとがＬ_ｄ＜Ｌ_ｑの突極性を有する。このため、電機子巻線の自己インダクタンス及び相互インダクタンスは回転角の２倍で変化し、さらに永久磁石２４の電機子鎖交磁束も回転子２０の回転角の余弦で変化する。

したがって、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、マグネットトルクは、永久磁石２４の電機子鎖交磁束のみの変化によりエネルギ変換が行われて発生するトルクである。また、リラクタンストルクは電機子自己及び相互インダクタンスの変化に応じてエアギャップＧに貯えられた磁気エネルギが機械エネルギに変換されて発生するトルクである。

ところで、コギングトルクは、回転子２０の回転に伴う磁気エネルギの変化によって発生するため、回転子２０の位置によって磁気抵抗が変化する。つまり、回転子２０の回転により磁気抵抗の変化が少なくなるようにすれば、コギングトルクを低減することができる。
そこで、本実施形態の埋込磁石形同期回転電機１は、磁石スロット２３の固定子コア１１側の一端と、この磁石スロット２３内の永久磁石２４との間に、比透磁率μｓが“１”より大きく回転子コア２１の比透磁率より小さい弱磁性材２５を設けた構成になっている。

したがって、本実施形態の埋込磁石形同期回転電機１によれば、永久磁石２４からの磁束が、比透磁率μｓが“１”より大きく回転子コア２１の比透磁率より小さい弱磁性材２５に漏れるため、回転子２０の回転による磁気抵抗の変化が少なくなるので、コギングトルクを低く抑えることができる。
弱磁性材２５は、樹脂、接着材などのバインダと軟磁性粉末とを所望の比透磁率μｓになるような比率（好ましくは１＜μｓ≦４．５）で混合し、磁石スロット２３に練り込む、若しくは成形後に固化したものを差し込むことで容易に形成することができる。バインダに用いる具体的な材料としては、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、フェノール樹脂などが挙げられる。また、軟磁性粉末に用いる具体的な材料としては、Ｆｅ，Ｆｅ−Ｓｉ，Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ，Ｆｅ−Ｎｉ，Ｆｅ−Ｃｏ，Ｆｅ−Ｓｉ−Ｂ系などの軟磁性アモルファス、Ｍｎ−Ｚｎ系などのソフトフェライトなどが挙げられる。

また、弱磁性材２５は、棒状に加工されたオーステナイト系ステンレスを差し込むことによって容易に形成することができる。オーステナイト系ステンレスは加工歪によって比透磁率が僅かに増加することが知られており、これを用いることができる。この場合、加工条件にもよるが、弱磁性材２５の部材全体での平均的な比透磁率μｓは、約１＜μｓ≦３程度になる。

回転子２０の磁石スロット２３は、鉄板を積層して回転子コア２１を形成する前に鉄板にプレス機で打ち抜くことにより形成、又は鉄板を積層して回転子コア２１を形成した後にプレス機で打ち抜くことにより形成される。また、永久磁石２４は、磁石スロット２３を有する回転子コア２１を形成した後、この回転子コア２１の磁石スロット２３に挿入され、接着材又は充填材によって固定される。

したがって、回転子コア２１の磁石スロット２３に永久磁石２４を挿入して設ける際、磁石スロット２３に弱磁性材２５を練り込む、若しくは差し込むことにより、永久磁石２４と共に弱磁性材２５を容易に埋め込むことができるので、従来のように回転子コアや固定子コアにスキューを施す場合と比較して製造工程数の増加や回転電機の形状の大幅な変更を招かずに済む。この結果、本実施形態の埋込磁石形同期回転電機１によれば、低コストでコギングトルクを低く抑えることができる。

ここで、埋込磁石形同期回転電機１では、回転子２０の隣接する磁極２２間において極性の異なる永久磁石２４間のブリッジ部分２１ａが回転子コア２１と同じ材料（鉄心）で形成されている。このように、ブリッジ部分２１ａが回転子コア２１と同じ材料（鉄心）で形成されている場合は、このブリッジ部分２１ａに磁束が大量に漏れてしまい、無負荷誘起電圧が低下してしまう。そこで、一般的な埋込磁石形同期回転電機では、本実施形態の図面を参照すれば、磁石スロット２３の一端（固定子１０側）と永久磁石２４との間に空洞部を設け、この空洞部に比透磁率が約“１”である空気を設けるようにすることで、ブリッジ部分２１ａへの磁束の漏れを抑制し、無負荷誘起電圧の低下を抑制することができる。しかしながら、磁石スロット２３の一端と永久磁石２４との間の空洞部の比透磁率を“１”にしてしまうと、今度はコギングトルクが増加してしまう。

そこで、磁石スロット２３に埋め込む弱磁性材２５の比透磁率μｓと、コギングトルク及び無負荷誘起電圧との関係について説明する。
埋込磁石形同期回転電機１のトルクＴは、極対数Ｐ_ｎ，磁石のつくる鎖交磁束Ψ_ａ，ｄ軸インダクタンスＬ_ｄ，ｑ軸インダクタンスＬ_ｑ，ｄ軸電流ｉ_ｄ，ｑ軸電流ｉ_ｑとすると次式となる。

Ｔ＝Ｐ_ｎΨ_ａｉ_ｑ＋Ｐ_ｎ(Ｌ_ｄ−Ｌ_ｑ)ｉ_ｄｉ_ｑ ……（１）
上記の（１）式において、第１項は永久磁石２４がつくる磁束と電流の相互作用によって生じるトルク、すなわちマグネットトルクを表し、第２項はリラクタンストルクを表している。また、Ψ_ａと無負荷誘起電圧は比例する関係にある。
上記の（１）式における第１項のΨ_ａが小さくなると、マグネットトルクが低下し、同一トルクを得るための電流が増加することは明らかである。

よって、電磁界解析によりコギングトルクと無負荷誘起電圧を求め、磁石スロットに埋める弱磁性材２５の適切な比透磁率μｓを導出した。
図３に解析結果を示す。ただし、図２において、磁石スロット２３の一端側（固定子コア側）の弱磁性材２５の比透磁率μｓのみを変化させ、磁石スロット２３の他端側（回転子コアの中心軸側）の空洞部２６は比透磁率μｓを“１”に固定した。

図３より、磁石スロット２３の一端側（固定子コア１１側）を埋める弱磁性材２５の比透磁率μｓが大きくなると、コギングトルクが低下することがわかる。同時に無負荷誘起電圧も低下している。
図３より、磁石スロット２３の一端側を埋める弱磁性材２５の比透磁率μｓを“３”とすると、コギングトルクは約３０％低減しているものの、無負荷誘起電圧の低下は約１５％にとどまっている。

無負荷誘起電圧が低下した場合、電流量を増やすことで所望のトルクを確保することができる。しかしながら、単純に電流量を増やすと銅損が増加して発熱し、絶縁の許容限界を超えてしまうなどの問題が発生する。
そこで、回転電機の形状を大幅に変更することなく、銅損を抑える方法として、一般的に励磁コイル１４の巻線として使用される丸線を平角線に変更するという手法が考えられる。平角線は占積率９０％程度で巻くことが可能であるので、丸線の場合の占積率７０％と比較して巻線抵抗を９／７倍まで落とすことができる。これは、発生する銅損を増やさないという条件下では、電流を√(９／７)倍まで増やすことができるということを意味する。

磁石スロット２３に弱磁性材２５を挿入することで無負荷誘起電圧がｋ倍になったと仮定すると、上記の（１）式よりマグネットトルクは無負荷誘起電圧と電流量の絶対値に比例するため、「弱磁性材挿入＋巻線変更」でマグネットトルクは√(９／７)ｋ倍になり、上記の（１）式よりリラクタンストルクは電流量の絶対値の二乗に比例するため、リラクタンストルクは９／７倍となる。

ここで、本実施形態の埋込磁石形同期回転電機１におけるマグネットトルクとリラクタンストルクとの比率を８：２とすると、合計トルクが「弱磁性材挿入＋巻線変更」の前と同じになるためには、下記の（２）式により、ｋ＝０．８１８９が許容限界である。
√(９／７)ｋ×０．８＋(９／７)×０．２＝１ ……（２）
つまり、無負荷誘起電圧は１８％の低下まで許容できる。この考え方では弱磁性材２５の比透磁率μｓは、図３より“３．５”付近まで許容できるということになる。

上記の説明では、マグネットトルクとリラクタンストルクとの比率を８：２としているが、マグネットトルクとリラクタンストルクとの比率は９：１から７：３の範囲が一般的である。上記の（２）式によると、比率が９：１のときのｋは約０．８５、比率が７：３のときのｋは約０．７７となり、図３での比透磁率μｓはそれぞれ“３”、“４．５”となる。

したがって、磁石スロット２３の一端（固定子コア１１側の端）と永久磁石２４との間に埋め込まれる弱磁性材２５の比透磁率μｓは“４．５”を上限とすることが好ましく、このように弱磁性材２５の比透磁率μｓを“１”より大きく“４．５”以下（１＜μｓ≦４．５）とすることで、コギングトルクを低く抑えることができると共に、無負荷誘起電圧の低下を最小限に抑えることができる。

なお、埋込磁石形同期回転電機１は、ｄ軸で磁束が通り難い方がリラクタンスストルクを稼げるが、磁石スロット２３の内部において、磁石スロット２３の他端（回転子コア２１の回転軸側）と永久磁石２４との間に弱磁性材２５を埋め込むとｄ軸で磁束が通り易くなるので、磁石スロット２３の他端（回転子コア２１の回転軸側）と永久磁石２４との間には弱磁性材２５を埋め込まない方が好ましい。

以上説明したように、本実施形態の埋込磁石形同期回転電機１によれば、以下の効果が得られる。
（１）本実施形態の埋込磁石形同期回転電機１は、磁石スロット２３の固定子コア１１側の一端と永久磁石２４との間に、比透磁率が“１”より大きく回転子コア２１の比透磁率より小さい弱磁性材２５が設けられている。

したがって、本実施形態の埋込磁石形同期回転電機１によれば、永久磁石２４からの磁束が弱磁性材２５に漏れるため、回転子２０の回転による磁気抵抗の変化が少なくなるので、コギングトルクを低く抑えることができる。また、回転子コア２１の磁石スロット２３の内部に永久磁石２４を埋め込む際、永久磁石２４と共に弱磁性材２５を埋め込むことができるので、従来のように回転子コアや固定子コアにスキューを施す場合と比較して製造工程の増加や回転電機の形状の大幅な変更を招かずに済む。この結果、本実施形態の埋込磁石形同期回転電機１によれば、低コストでコギングトルクを低く抑えることができる。

（２）本実施形態の埋込磁石形同期回転電機１において、励磁コイル１４の巻線は平角線とし、弱磁性材２５の比透磁率は“４．５”以下とすることで、コギングトルクを低く抑えることができると共に、無負荷誘起電圧の低下を最小限に抑えることができる。
以上説明したように、本発明に係る永久磁石式回転電機は、低コストでコギングトルクを低く抑えることができるという効果を有し、励磁コイルを巻装した固定子と、磁石スロットの内部に永久磁石が設けられた回転子とを有する永久磁石式回転電機に有用である。

１…埋込磁石形同期回転電機１（永久磁石式回転電機）、２…円筒状フレーム、３…回転軸
１０…固定子、１１…固定子コア、１２…スロット、１３…磁性ティース、１４…励磁コイル
２０…回転子、２１…回転子コア、２１ａ…ブリッジ部分、２２…磁極、２３…磁石スロット、２４…永久磁石、２５…弱磁性材、２６…空洞部

Claims (4)

1. 固定子コアと、前記固定子コアに巻装された励磁コイルとを有する固定子と、
   前記固定子コアと所定の間隔を隔てて対向して回転自在に配置された回転子コアと、前記回転子コアに設けられた複数の磁石スロットと、前記複数の磁石スロット各々の内部に個別に配設された複数の永久磁石とを有する回転子とを備える永久磁石式回転電機であって、
   前記磁石スロットの前記固定子コア側の一端と前記永久磁石との間に、比透磁率が“１”より大きく前記回転子コアの比透磁率より小さい弱磁性材が設けられていることを特徴とする永久磁石式回転電機。
2. 請求項１に記載の永久磁石式回転電機において、
   前記励磁コイルの巻線は平角線であり、
   前記弱磁性材は、比透磁率が“４．５”以下であることを特徴とする永久磁石式回転電機。
3. 請求項１又は請求項２に記載の永久磁石式回転電機において、
   前記弱磁性材は、バインダと軟磁性粉末とを混合した材料からなることを特徴とする永久磁石式回転電機。
4. 請求項１又は請求項２に記載の永久磁石式回転電機において、
   前記弱磁性材は、棒状に加工されたオーステナイト系ステンレスであることを特徴とする永久磁石式回転電機。

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