JP2016021820A

JP2016021820A - 埋め込み型永久磁石回転機

Info

Publication number: JP2016021820A
Application number: JP2014144653A
Authority: JP
Inventors: 一五十嵐; Hajime Igarashi; 孝洋佐藤; Takahiro Sato; 慎矢高橋; Shinya Takahashi
Original assignee: Meidensha Corp; Hokkaido University NUC; Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Meidensha Corp; Hokkaido University NUC; Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2014-07-15
Filing date: 2014-07-15
Publication date: 2016-02-04

Abstract

【課題】平均トルクの増大及びトルクリプルを低減した回転機を提供する。【解決手段】回転子２における永久磁石４間に磁気的な空隙となる極間フラックスバリア５を設けると共に回転子２における永久磁石４の径方向外側に磁気的な空隙となる磁石上部フラックスバリア６を設け、極間フラックスバリア５は、半径方向に延びる径方向フラックスバリア５ａと、周方向に延びる周方向フラックスバリア５ｂとからなり、径方向フラックスバリア５ａは、各々の永久磁石間の漏れ磁束を低減しステータコアと鎖交する有効磁束を増加させ、周方向フラックスバリア５ｂは、固定子巻線からの磁束によってリラクタンストルクの磁路を形成し且つ同一磁極内の漏れ磁束を低減させ、一方、磁石上部フラックスバリア６は、マグネットトルクを減衰させることなく固定子巻線から発生する磁束の位相を調整する。【選択図】図１

Description

本発明は、埋め込み型永久磁石回転機に関する。詳しくは、埋め込み型永久磁石回転機（ＩＰＭ型回転機）において、回転子の磁極間にバリアによる磁極間の漏れ磁束低減効果と、回転子の磁石上部にバリアを設けることによる平均トルクの増大効果とを奏し、リラクタンストルクの位相をマグネットトルクの位相と逆位相とすることによって、トルクリプルを低減した回転機に関する。

特許文献１（特開２００１‐１２８４００）では、磁極間にスリットを配置することで、磁極間の漏れ磁束が低減するため、ステータ側に流れる磁束量が増え平均トルクが大きくなる。
また、特許文献１には、回転子の外周面と永久磁石との間に、磁路の一部を遮断する空隙を設けると、磁束抵抗が増えることが記載され、空隙としては溝若しくは孔とすることが望ましく、円形、角形、又は長方形、楕円形であっても良いと記載されている。

特開２００１‐１２８４００

しかし、特許文献１では、磁束量が増えることによって、トルク脈動も比例して大きくなる。このため、平均トルクに比例してトルクリプルも増加する問題がある。
また、従来は、平均トルクを大きくしながらトルクリプルを低減させるためには、回転子または固定子をスキューすることが一般的であるが、回転子または固定子をスキューするとモータ構造が複雑になる問題がある。

上記課題を解決する本発明の請求項１に係る埋め込み型永久磁石回転機は、回転子に複数の永久磁石を埋め込んだ埋め込み型永久磁石回転機において、前記回転子における前記永久磁石間に磁気的な空隙となる極間フラックスバリアを設けると共に前記回転子における前記永久磁石の径方向外側に磁気的な空隙となる磁石上部フラックスバリアを設け、前記極間フラックスバリアは、半径方向に延びる径方向フラックスバリアと、周方向に延びる周方向フラックスバリアとからなり、前記径方向フラックスバリアは、各々の永久磁石間の漏れ磁束を低減しステータコアと鎖交する有効磁束を増加させ、前記周方向フラックスバリアは、固定子巻線からの磁束によってリラクタンストルクの磁路を形成し且つ同一磁極内の漏れ磁束を低減させ、一方、前記磁石上部フラックスバリアは、マグネットトルクを減衰させることなく固定子巻線から発生する磁束の位相を調整すること特徴とする。

上記課題を解決する本発明の請求項２に係る埋め込み型永久磁石回転機は、請求項１記載の埋め込み型永久磁石回転機において、前記極間フラックスバリアと前記磁石上部フラックスバリアは、リラクタンストルクの位相とマグネットトルクの位相とを、逆位相となる形状とすること特徴とする。

上記課題を解決する本発明の請求項３に係る埋め込み型永久磁石回転機の回転子は、請求項１記載の埋め込み型永久磁石回転機において、前記極間フラックスバリアと前記磁石上部フラックスバリアは、トルクリプルを低減する形状とすること特徴とする。

本発明によって、
（１）永久磁石の量を増やすことなく平均トルクを増加させることができる。
（２）平均トルクに比例して大きくなるトルクリプルを低減できる。
これによって、スキューなど従来のトルクリプル対策を省略できる。

本発明の一実施例に係る埋め込み型永久磁石回転機の全体図（断面図）である。図１中の部分拡大図である。磁石端部の磁束の流れを示す説明図であり、図３（ａ）は永久磁石端部の循環する漏れ磁束を、図３（ｂ）は固定子側に通る磁束を示す。マグネットトルク及びリラクタンストルクを示すグラフであり、図４（ａ）は極間フラックスバリア及び磁石上部フラックスバリア（半円弧）を配置した場合、図４（ｂ）は極間フラックスバリアのみを配置した場合を各々示す。

以下、本発明について、図面に示す実施例を参照して詳細に説明する。

本発明の一実施例に係る埋め込み型永久磁石回転機の全体図を図１に示す。
図１に示すように、ステータコア（固定子）１の径方向内周にはロータコア（回転子）２が回転自在に配置されており、ロータコア２は、径方向中心部に軸方向に貫通するシャフト３を有する。

ロータコア２には、矩形状断面の磁石挿入口２ａが円環状に複数（図示例では、８個）配置され、各磁石挿入口２ａには、永久磁石４が夫々埋め込まれている。ｄ軸及びｑ軸は、図示の通りである。
また、ステータコア１は、ロータコア２の径方向外周に位置するスロット１ａを円環状に複数有し、これらスロット１ａに固定子巻線（図示省略）を巻き回したティース１ｂと有し、これらのティース１ｂの径方向外周側に各々のティース１ｂを磁気的に接続するコアを有する。

更に、ロータコア２においては、複数の永久磁石４間にロータ周方向の表面に沿ってロータコア２を軸方向に貫通する極間フラックスバリア（以下、逆Ｔ字型フラックスバリアと言う）５と、各々の永久磁石４の上部（径方向外周側）に磁石上部フラックスバリア６とが配置されている。
逆Ｔ字型フラックスバリア５および磁石上部フラックスバリア６は、空孔やアルミ充填など磁気的な空隙特性、つまり、ロータコア２を構成する電磁鋼板に比較して磁束を通しにくい特性を有するものである。

図１の部分拡大図を図２に示す。
図２に示すように、逆Ｔ字型フラックスバリア５は、ロータコア２の外周面から径方向内側に延びる径方向フラックスバリア（図中ハッチングを入れて示す）５ａと、ロータコア２の内部において径方向フラックスバリア５ａの周方向両側に各々の永久磁石４の周方向端面に対向する位置に向かって延びる周方向フラックスバリア５ｂとから構成される。

一方、磁石上部フラックスバリア６は、円弧側を外周側に向け、直線側を内周側に向けた半円弧状をなすものである。
そして、磁石上部フラックスバリア６は、永久磁石４の周方向幅Ａに対する相対的な周方向幅ａの比率（ａ／Ａ、周方向比率と言う）が比較的小さく、且つ、ロータコア２の永久磁石４より外周側の径方向寸法Ｂに対する径方向の寸法ｂの相対的な比率（ｂ／Ｂ、径方向比率と言う）が比較的大きい。
従って、以下の関係を有する。
（ａ／Ａ）≦（ｂ／Ｂ）

上記構成を有する本実施例の埋め込み型永久磁石型回転機によれば、以下の作用・効果を奏する。
逆Ｔ字フラックスバリア５の径方向フラックスバリア５ａは、各々の永久磁石４間の漏れ磁束を低減して、従来漏れ磁束となっていた磁石磁束がステータコアを鎖交する有効磁束となることでマグネットトルクを増加させる作用がある。

また、図４（ａ）に破線で示すように、ロータコア２内において、逆Ｔ字フラックスバリア５に隣接する永久磁石４の外周側の一方角部近傍から永久磁石４の上部（永久磁石外周側のロータコア）を通り、この永久磁石４の反対側の逆Ｔ字フラックスバリア５に隣接する永久磁石４の外周側の他方角部近傍までが、固定子巻線からの磁束の磁路となり、埋め込み型永久磁石回転機のリラクタンストルクを発生させる。

この際、磁石上部フラックスバリア６は、永久磁石４の周方向幅Ａに対する相対的な周方向幅ａの周方向比率（ａ／Ａ）が比較的小さいため、永久磁石４からロータコア表面に発生するマグネットトルクを損なうことが少ない。
且つ、磁石上部フラックスバリア６は、ロータコア２の永久磁石４より外周側の径方向寸法Ｂに対する径方向の寸法ｂの相対的な径方向比率（ｂ／Ｂ）が比較的大きいため、固定子巻線から発生する磁束の位相が調整されて、言い換えると、固定子巻線から発生する磁束が影響を受けて、図４（ａ）に示すように、マグネットトルクの位相に対してリラクタンストルクの位相が逆位相となる。

図４（ｂ）は逆Ｔ字フラックスバリア５のみを配置した場合を示す。
図４（ｂ）に破線で示すように、逆Ｔ字フラックスバリア５のみを配置した場合は、固定子巻線から発生する磁束が影響を受けないため、マグネットトルクの位相に対してリラクタンストルクの位相が逆位相とはなっていない。

図４（ｂ）に示すように、逆Ｔ字フラックスバリア５のみを配置した埋め込み型永久磁石回転機では、リラクタンストルクの位相がマグネットトルクの位相と逆相とはならないため、図４（ａ）に示す逆Ｔ字フラックスバリア５と磁石上部フラックスバリア６を備えた埋め込み型永久磁石回転機と比べるとトルク脈動が大きい。

これに対し、本発明においては、磁石上部フラックスバリア６を半円弧状とした為、リラクタンスの磁束経路を調整し、リラクタンストルクの位相とマグネットトルクとが逆位相となる。これにより、トルク脈動を低減している。つまり、マグネットトルクとリラクタンストルクを合成した合成トルクにおいて、下式に示すように、トルクリプルの値が改善することが判る。
（トルク最大値−トルク最小値）／平均トルク

一方、逆Ｔ字フラックスバリア５の周方向フラックスバリア５ｂは、同一磁極内の漏れ磁束（永久磁石４の短側面を介して表面と裏面で起こる磁気短絡）を低減する。
即ち、逆Ｔ字フラックスバリア５が無い場合、図３（ａ）に破線で示すように、永久磁石４の端部において磁束が磁石端部付近のコアを通って、循環する漏れ磁束が生じる。これに対し、逆Ｔ字フラックスバリア５を設けることによって、図３（ｂ）に破線で示すように、磁石磁束が固定子側を通るようになるため、マグネットトルクが増加する。

また、径方向フラックスバリア５ａによる、隣接する永久磁石４間の漏れ磁束低減のための磁気障壁としての機能と、周方向フラックスバリア５ｂによる、固定子巻線から発生する磁束の磁路となってリラクタンストルクを発生させる機能を両立させるため、周方向フラックスバリア５ｂの径方向外周側の辺によって形成されるロータコア２が、磁極の周方向端部へ向かって細くなっている。
更に、周方向フラックスバリア５ｂの径方向外周側の辺の位置は、漏れ磁束によるマグネットトルクの低下抑制と磁路確保によるリラクタンストルクの増加との相反する特性の兼ね合いで適宜設定される。

また、永久磁極４間の漏れ磁束を減らすため、本実施例では逆Ｔ字フラックスバリア５の径方向フラックスバリア５ａによって、隣接する磁極間を切り離しているが、つまり、径方向フラックスバリア５ａがロータコア２の外周面から見える状態であるが、必ずしもこれに限るものではない。
例えば、固定子巻線から発生する磁束量が多い場合、逆Ｔ字フラックスバリア５で隣接する磁極間を切り離さず、回転子（ロータコア）で磁気飽和が起こることによって漏れ磁束が減る場合には、隣接する磁極間を切り離ない逆Ｔ字フラックスバリア５の形状でもよい。
つまり、径方向フラックスバリア５ａがロータコア２の外周面から見えない形状としても良い。

本実施例では、磁石上部フラックスバリア６は半円弧形状としたが、周方向比率（ａ／Ａ）、径方向比率（ｂ／Ｂ）の関係が合えば、必ずしもこれに限るものではない。
即ち、リラクタンストルクの位相をマグネットトルクの逆位相となるように、永久磁石４の上部のロータコアで形成される磁路とそこに流れる固定子巻線から発生する磁束量によって、適切な形状を選択できればよく、磁極数、磁石の周方向幅および永久磁石の保持力などによって、永久磁石上部のフラックスバリアでリラクタンストルクの位相を調整できるものであればよい。

例えば、磁石上部フラックスバリア６は、外周側を外に凸の円弧状とし、内周側を角型とした扇形状としても良い。更には、外周側を外に凸の円弧状とし、内周側を内に凸とした円弧状とし、外周側よりも内周側の曲率半径が大きなお椀型形状としても良い。

また、逆Ｔ字型フラックスバリア５および磁石上部フラックスバリア６は、磁気的な空隙特性を有するものであるが、固定子側のスリットの大きさや磁石の保持力、温度など条件によって、特性が変化する。また、逆Ｔ字型フラックスバリア５と固定子側のティースとの位置関係や、電流の位相と大きさにも影響を受ける。
そのため、フラックスバリアにおける絶縁効果はあくまでも、電磁鋼板と空気の比透磁率（線形）の差から、磁束は電磁鋼板を通ると考えた場合にフラックスバリアによって、磁極間絶縁できるのであって、必ずしも磁極間絶縁は絶対的なものではない。

本発明は、埋め込み型永久磁石回転機において、回転子の磁極間にバリアによる磁極間の漏れ磁束低減効果と、回転子の磁石上部にバリアを設けることによる平均トルクの増大効果とを奏し、リラクタンストルクの位相をマグネットトルクの位相と逆位相とすることによって、トルクリプルを低減した回転機として広く産業上利用可能なものである。

１ステータコア（固定子）
２ロータコア（回転子）
３シャフト
４永久磁石
５極間フラックスバリア（逆Ｔ字型フラックスバリア）
６磁石上部フラックスバリア

Claims

回転子に複数の永久磁石を埋め込んだ埋め込み型永久磁石回転機において、
前記回転子における前記永久磁石間に磁気的な空隙となる極間フラックスバリアを設けると共に前記回転子における前記永久磁石の径方向外側に磁気的な空隙となる磁石上部フラックスバリアを設け、
前記極間フラックスバリアは、半径方向に延びる径方向フラックスバリアと、周方向に延びる周方向フラックスバリアとからなり、
前記径方向フラックスバリアは、各々の永久磁石間の漏れ磁束を低減しステータコアと鎖交する有効磁束を増加させ、
前記周方向フラックスバリアは、固定子巻線からの磁束によってリラクタンストルクの磁路を形成し且つ同一磁極内の漏れ磁束を低減させ、
一方、前記磁石上部フラックスバリアは、マグネットトルクを減衰させることなく固定子巻線から発生する磁束の位相を調整する
ことを特徴とする埋め込み型永久磁石回転機。
請求項１記載の埋め込み型永久磁石回転機において、前記極間フラックスバリアと前記磁石上部フラックスバリアは、リラクタンストルクの位相とマグネットトルクの位相とを、逆位相となる形状とすること特徴とする埋め込み型永久磁石回転機。
請求項１記載の埋め込み型永久磁石回転機において、前記極間フラックスバリアと前記磁石上部フラックスバリアは、トルクリプルを低減する形状とすること特徴とする埋め込み型永久磁石回転機。