JP2016092974A - Rotor structure of ipm motor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、IPMモータのロータ構造に関し、特に、ロータ内に設けられる各磁石のうち、一対の磁石で1つの極である一対極を構成すると共にV字型配置として、従来よりも高いトルクが得られるようにするための新規な改良に関する。 The present invention relates to a rotor structure of an IPM motor, and in particular, among magnets provided in a rotor, a pair of magnets constitutes a single pole that is one pole, and as a V-shaped arrangement, a higher torque than conventional is provided. It relates to a new improvement to be obtained.
従来、用いられていたモータのロータ構造としては、文献名は特に示していないが、第1従来構成としては、図4から図6で示されるように、回転軸2に設けられたロータ10のロータヨーク1の外周に複数のセグメント磁石3が間隔子4を介して円周上に貼着配設されている構成である。
また、第2従来例としては、図7から図9で示されるように、回転軸2に嵌合されたロータ10のロータヨーク1の外周にリング磁石3Aが嵌め込まれ、このリング磁石3Aは所定角度間隔毎にN極とS極が着磁して形成されている。
The name of the literature is not particularly shown as a conventional rotor structure of the motor, but as a first conventional configuration, as shown in FIGS. 4 to 6, the rotor 10 provided on the rotary shaft 2 has a structure. A plurality of
Further, as a second conventional example, as shown in FIGS. 7 to 9, a ring magnet 3A is fitted on the outer periphery of the
前述の図4及び図7で示される第1、第2従来構成のロータ10は、いわゆる、周知のSPM(Surfacial Permanent Magnet) 構造に属するもので、前述のSPM構造以外の構造としては、図10及び図11に示されるように、例えば、特許文献1に開示されている周知のIPM(Internal Permanent Magnet) 構造が用いられ、複数の磁石3が回転軸2に保持されたロータヨーク1内に埋設されており、1つの磁石3によって1つの磁極であるN極又はS極が形成されている。また、前記ロータ10は、ステータ11の内側に回転自在に配設されている。
The rotor 10 having the first and second conventional configurations shown in FIGS. 4 and 7 belongs to a so-called well-known SPM (Surfacial Permanent Magnet) structure. As a structure other than the SPM structure, FIG. 11, for example, a well-known IPM (Internal Permanent Magnet) structure disclosed in
従来のモータのロータ構造は、以上のように構成されていたため、次のような課題が存在していた。
すなわち、セグメント磁石をロータ表面に貼り付ける構造では、磁石の飛散防止対策が必要であり、このためにギャップが広くなり、そのため、同一磁石体積に対して、大きなトルク定数を得ることが難しくなっていた。また、磁石の形状を整形する方法としてワイヤーカット等の手法がとられる場合には、同一体積の方形の磁石部材から取り出す、使用できる磁石の量は少なくなってしまうため、使用できる磁石の割に価格が高くなるというデメリットがあった。
一方、リング磁石では、磁石の飛散防止対策をとる必要がないために、ギャップを狭くすることができるが、磁石単体のコストと製造コストが高く、高コストとなるデメリットがあった。
Since the conventional rotor structure of the motor is configured as described above, the following problems exist.
That is, in the structure in which the segment magnet is attached to the rotor surface, it is necessary to take measures to prevent scattering of the magnet, and for this reason, the gap becomes wide, so it is difficult to obtain a large torque constant for the same magnet volume. It was. In addition, when a method such as wire cutting is used as a method of shaping the shape of the magnet, the amount of usable magnets that can be taken out from a rectangular magnet member of the same volume will be reduced, so that it can be used for the usable magnets. There was a disadvantage that the price was high.
On the other hand, in the case of a ring magnet, since it is not necessary to take measures to prevent scattering of the magnet, the gap can be narrowed, but there is a demerit that the cost and the manufacturing cost of the magnet alone are high and the cost is high.
また、一般的にヨーク(ステータ、及びロータ)の飽和を考慮しないトルク特性の計算において、モータのトルク定数は、ギャップパーミアンス〔Lm/(Lm+Lg)但し、Lm:磁石の厚さ(磁路内に占める磁石の長さ)Lg:ギャップ長(磁路内のギャップの長さ)〕と、磁石の表面積(磁路の断面積)に比例することが知られているが、このうちSPMにおける磁石の表面積は、
2×π×Rr×lm/Np〔(但し、Rr:ロータ外半径、lm:ロータの軸方向厚さ(積厚)、Np:極数)〕
より大きくすることは構造的に不可能である。
In general, in the calculation of torque characteristics without considering saturation of the yoke (stator and rotor), the torque constant of the motor is the gap permeance [Lm / (Lm + Lg) where Lm: magnet thickness (in the magnetic path) It is known that it is proportional to the length of the magnet (Lg: gap length (the length of the gap in the magnetic path))] and the surface area of the magnet (the cross-sectional area of the magnetic path). The surface area is
2 × π × Rr × lm / Np (where Rr: outer radius of rotor, lm: axial thickness of rotor (product thickness), Np: number of poles)]
It is structurally impossible to make it larger.
また、前述の図10及び図11で示した従来構成においては、本発明の構成と類似の磁石の配置構造が示されているが、1つの磁石が1つの磁極を構成しているのみで、本発明のようにトルクアップを目的とするものではなく、ロータヨーク1の外周に突出して形成されている突出部12の周方向の幅の大きさを調整することによって、ステータ11の歯部13との磁気的結合度を調整し、コギングトルクの調整を行う構成で、本発明のように、トルクアップを目的とする構成とは別異のものである。
Further, in the conventional configuration shown in FIG. 10 and FIG. 11, the magnet arrangement structure similar to the configuration of the present invention is shown, but only one magnet constitutes one magnetic pole, It is not intended to increase the torque as in the present invention, but by adjusting the circumferential width of the protrusion 12 formed to protrude from the outer periphery of the
本発明は、以上のような課題を解決するためになされたもので、特に、ロータ内に設けられる各磁石のうち、一対で1つの極である一対極を構成すると共にV字型配置として、従来よりも高いトルクが得られるようにしたIPMモータのロータ構造を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and in particular, among each magnet provided in the rotor, a pair of one pole, which is one pole, constitutes a V-shaped arrangement, An object of the present invention is to provide a rotor structure of an IPM motor that can obtain a higher torque than before.
本発明によるIPMモータのロータ構造は、回転軸に設けられ磁性材よりなるロータヨークと、前記ロータヨーク内に所定の角度間隔で半径方向に沿って設けられた偶数個の磁石と、を有し、前記各磁石は一対の前記磁石で1つの極である一対極を構成し、前記一対極は軸方向から見た場合、V字型に配置されている構成であり、また、前記回転軸は、非磁性材で形成されている構成である。 A rotor structure of an IPM motor according to the present invention includes a rotor yoke made of a magnetic material provided on a rotating shaft, and an even number of magnets provided in the rotor yoke along a radial direction at predetermined angular intervals, Each magnet constitutes a pair of poles, which is one pole, and the pair of poles is arranged in a V shape when viewed from the axial direction. It is the structure formed with the magnetic material.
本発明によるIPMモータのロータ構造は、以上のように構成されているため、次のような効果を得ることができる。
すなわち、回転軸に設けられ磁性材よりなるロータヨークと、前記ロータヨーク内に所定の角度間隔で半径方向に沿って設けられた偶数個の磁石と、を有し、前記各磁石は一対の前記磁石で1つの極である一対極を構成し、前記一対極は軸方向から見た場合、V字型に配置されている構成よりなることにより、高トルク定数及び低価格を実現することができる。
また、前記回転軸は、非磁性材で形成されていることにより、磁石の軸側において、ロータ内で回り、トルクに寄与しない磁束が発生するが、このロータ内で回る磁束を極力低減させることができる。また、回転軸に直接ロータヨークを設けることができるため、ロータの組立てが容易となる。
Since the rotor structure of the IPM motor according to the present invention is configured as described above, the following effects can be obtained.
That is, a rotor yoke made of a magnetic material provided on a rotating shaft, and an even number of magnets provided in the rotor yoke along a radial direction at a predetermined angular interval, each magnet being a pair of the magnets A pair of poles, which are one pole, is configured, and when the pair of poles is viewed from the axial direction, a high torque constant and a low price can be realized by being configured in a V shape.
In addition, since the rotating shaft is formed of a non-magnetic material, a magnetic flux that does not contribute to torque is generated on the magnet shaft side and does not contribute to torque. However, the magnetic flux rotating in the rotor is reduced as much as possible. Can do. Further, since the rotor yoke can be directly provided on the rotating shaft, the assembly of the rotor is facilitated.
本発明によるIPMモータのロータ構造は、ロータ内に設けられる各磁石のうち、一対の磁石で1つの極である一対極を構成すると共にV字型配置として、従来よりも高いトルクが得られることである。 In the rotor structure of the IPM motor according to the present invention, among the magnets provided in the rotor, a pair of magnets constitutes a single pole, which is one pole, and a V-shaped arrangement provides higher torque than before. It is.
以下、図面と共に本発明によるIPMモータのロータ構造の好適な実施の形態について説明する。
尚、従来例と同一又は同等部分には同一符号を付して説明する。
図1において、符号1で示されるものは、例えば、オーステナイト系のステンレス等の非磁性材からなる回転軸2の外周に嵌め込まれた円筒状のロータヨークであり、前記ロータヨーク1内には、所定の角度間隔で半径方向に向けて複数の溝20が形成されている。
Hereinafter, preferred embodiments of a rotor structure of an IPM motor according to the present invention will be described with reference to the drawings.
In addition, the same code | symbol is attached | subjected and demonstrated to a part the same as that of a prior art example, or an equivalent part.
In FIG. 1, what is indicated by
前記各溝20は、前記ロータヨーク1の軸方向に沿って長手状に形成されており、前記各溝20内には長手板状をなす磁石3が挿入されて固定されている。
前記各磁石3の前記ロータヨーク1における半径方向に沿う長さLmaは、前記ロータヨーク1の半径方向の肉厚と一致している。
Each
The length Lma of each
前記ロータヨーク1、磁石3及び回転軸2によってロータ10が形成されており、前記各磁石3は、図1の構成では10個埋設されているが、互いに直接隣接する一対の磁石3によって1つの極をなす一対極30が形成されている。
すなわち、前記一対極30によってN極又はS極を構成していることにより、図1のロータ10の構成の場合には、5個の一対極30による5対極が形成され、その磁束線図は図2に、その磁束密度は図3に示されている。
A rotor 10 is formed by the
That is, by forming the N pole or the S pole by the pair of poles 30, in the case of the configuration of the rotor 10 of FIG. 1, five pairs of poles are formed by the five pairs of poles 30. In FIG. 2, the magnetic flux density is shown in FIG.
前記各一対極30を構成する前記各一対の磁石3は、図1の軸方向から見た平面図又は側面図においては、互いにV字型の形状となるように構成されている。
The pair of
前記ロータ10の外側には、所定角度間隔で内方に突出する複数の突出磁極13を有するステータ11が設けられ、前記各突出磁極13には、ステータ巻線11Aが巻回して設けられている。
前記ロータ10のロータヨーク1及び各磁石3の外端は、前記各突出磁極13の内端に対して、わずかな隙間Gを介して回転自在に設けられている。
A
The
次に、本発明によるIPMモータの、ギャップパーミアンスと磁石3の表面積(磁路の断面積)は、前述の段落0006でも述べている関係を有し、
Lmb/(Lmb+Lg)[但し、Lmb:磁石の径方向と直交する方向の長さ=磁路と平行な長さ、Lg:ギャップ長(磁路内のギャップの長さ)〕
Lma×lm〔但し、Lma:磁石の径方向の長さ=磁路と直交する長さ、lm:ロータの軸方向厚さ(積厚)〕
で与えられる。
Next, the gap permeance and the surface area of the magnet 3 (the cross-sectional area of the magnetic path) of the IPM motor according to the present invention have the relationship described in the above paragraph 0006,
Lmb / (Lmb + Lg) [where Lmb: length in the direction perpendicular to the radial direction of the magnet = length parallel to the magnetic path, Lg: gap length (gap length in the magnetic path)]
Lma × lm [where Lma: length in the radial direction of the magnet = length perpendicular to the magnetic path, lm: axial thickness of the rotor (stack thickness)]
Given in.
ここで、前記Lmbの最大値はロータ極数が多くなるにつれ小さくなるが、前記Lmaの最大値は、(ロータの外半径−軸の半径)で与えられ、ロータ極数には依存していない。従って、ロータの外径がある程度大きく、極数が多いモータにおいては、SPMで可能な磁石の表面積を大きく上回ることが可能である。
また、トルク定数に比例するパラメータである前述のギャップパーミアンスと磁石表面積の内、ギャップパーミアンスは磁石30の厚みに比例して大きくなる訳ではないが(厚みがギャップに比してある程度大きくなると、磁石の量を増やしても(Lmbを大きくしても)、ギャップパーミアンスはそれほど大きくならない)、磁石30の表面積は、磁石30の径方向の長さLmaを大きくすると、比例して磁石表面積、すなわちトルク定数も大きくなる。従って、このLmaを極力長くとることが、モータのトルク定数を大きくすることになる。
従って、本発明による磁石配置は、すなわち、1つの極を一対の前記磁石30ので形成する一対極30で構成すると共にV字型に配設しているため、この磁路断面内の磁石表面積を最も大きくなることができる構造である。
Here, the maximum value of Lmb decreases as the number of rotor poles increases, but the maximum value of Lma is given by (rotor outer radius−axis radius) and does not depend on the number of rotor poles. . Accordingly, in a motor having a large outer diameter of the rotor and a large number of poles, it is possible to greatly exceed the surface area of the magnet that can be achieved by SPM.
Of the gap permeance and the magnet surface area, which are parameters proportional to the torque constant, the gap permeance does not increase in proportion to the thickness of the magnet 30 (if the thickness increases to some extent compared to the gap, Even if the amount of magnet is increased (Lmb is increased), the gap permeance does not increase so much), the surface area of the magnet 30 is proportionally increased when the radial length Lma of the magnet 30 is increased. The constant also increases. Therefore, taking this Lma as long as possible increases the torque constant of the motor.
Therefore, in the magnet arrangement according to the present invention, since one pole is composed of the pair of magnets 30 formed by the pair of magnets 30 and arranged in a V shape, the magnet surface area in the magnetic path cross section is reduced. The structure that can be the largest.
また、IPMモータの場合、主に磁石30の軸側において、ロータ10内で回り、トルクに寄与しない磁束が発生するが、このロータ10内で回る磁束を極力減らすために、本発明においては、回転軸2は非磁性材(例えば、オーステナイト系のステンレス等)を用いて構成している。回転軸2に磁性材を利用する場合には、図示していないが、ロータ10内で回る磁束を極力低減するための空気穴等をロータヨーク1の内端側に設ける方法も考えられる。
以上により、ロータ10の外径から回転軸2までの距離が長い比較的大型のモータ、及び極数の多いモータにおいては、本発明によるロータ構造を持つIPMが最も高トルク定数を実現することができる。
In the case of an IPM motor, a magnetic flux that does not contribute to torque is generated in the rotor 10 mainly on the shaft side of the magnet 30, but in order to reduce the magnetic flux that rotates in the rotor 10 as much as possible, in the present invention, The rotating shaft 2 is made of a nonmagnetic material (for example, austenitic stainless steel). When using a magnetic material for the rotating shaft 2, although not shown, a method of providing an air hole or the like on the inner end side of the
As described above, in a relatively large motor having a long distance from the outer diameter of the rotor 10 to the rotating shaft 2 and a motor having a large number of poles, the IPM having the rotor structure according to the present invention can achieve the highest torque constant. it can.
次に、本発明によるIPMモータのロータ構造における前記磁石30の配置によるトルク定数の優劣を比較するため、SPM(セグメント磁石)、SPM(リング磁石)及びIPM(本発明構成)の3つのモータのステータ11の形状は全て同一であり、磁石30の体積も同一としてある。
この3つのモータの理論的な誘起電圧波形を図13に示す。
図13に示した誘起電圧波形から得られる3つのモータのトルク定数の比較結果を図12に示している。
前述の各図は有限要素法により求めた解析結果(モータ形状のもつ理論値)である。
この結果が示すように本発明によるIPMモータは他のSPMモータと同一磁石体積であるにも関わらず、SPMのセグメント磁石のモータと比べて約39〔%〕、SPMのリング磁石と比べて約26〔%〕も大きいトルク定数を持っていることが明らかとなった。
従って、図12、図13の特性比較結果からも、前述の3つのモータの中で、本発明によるロータ構造をもつIPMモータが、最もトルク定数が高く、磁石の形状からも最も低価格となるものである。
Next, in order to compare the superiority and inferiority of the torque constant due to the arrangement of the magnet 30 in the rotor structure of the IPM motor according to the present invention, the three motors of SPM (segment magnet), SPM (ring magnet) and IPM (structure of the present invention) are compared. The shape of the
The theoretical induced voltage waveforms of these three motors are shown in FIG.
FIG. 12 shows a comparison result of torque constants of the three motors obtained from the induced voltage waveform shown in FIG.
Each figure mentioned above is the analysis result (theoretical value which a motor shape has) calculated | required by the finite element method.
As shown by this result, the IPM motor according to the present invention has about 39% of the SPM segment magnet motor and about the SPM ring magnet even though it has the same magnet volume as the other SPM motor. It was revealed that the torque constant was as large as 26 [%].
Therefore, also from the characteristic comparison results of FIGS. 12 and 13, the IPM motor having the rotor structure according to the present invention has the highest torque constant among the above three motors, and the lowest price from the shape of the magnet. Is.
尚、前述の本発明によるIPMモータのロータ構造の要旨とするところは、以下の通りである。
すなわち、回転軸2に設けられ磁性材よりなるロータヨーク1と、前記ロータヨーク1内に所定の角度間隔で半径方向に沿って設けられた偶数個の磁石3と、を有し、前記各磁石3は一対の前記磁石3で1つの極である一対極30を構成し、前記一対極30は軸方向から見た場合、V字型に配置されている構成であり、また、前記回転軸2は、非磁性材で形成されている構成である。
The gist of the rotor structure of the IPM motor according to the present invention is as follows.
That is, it has a
本発明によるIPMモータのロータ構造は、ロータ内に設けられる各磁石のうち、一対の磁石で1つの極である一対極を構成すると共にV字型配置として、従来よりも高いトルクを得ることができる。 In the rotor structure of the IPM motor according to the present invention, among the magnets provided in the rotor, a pair of magnets forms a single pole, which is one pole, and as a V-shaped arrangement, a higher torque than before can be obtained. it can.
1 ロータヨーク
2 回転軸
3 磁石
10 ロータ
11 ステータ
11A ステータ巻線
13 突出磁極
20 溝
30 一対極
G 隙間
DESCRIPTION OF
Claims (2)
前記各磁石(3)は一対の前記磁石(3)で1つの極である一対極(30)を構成し、前記一対極(30)は軸方向から見た場合、V字型に配置されている構成よりなることを特徴とするIPMモータのロータ構造。 A rotor yoke (1) made of a magnetic material provided on the rotating shaft (2), and an even number of magnets (3) provided in the rotor yoke (1) along the radial direction at predetermined angular intervals. ,
Each of the magnets (3) is a pair of magnets (3) that constitutes one pole (30) as one pole, and the pair of poles (30) are arranged in a V shape when viewed from the axial direction. A rotor structure for an IPM motor, characterized in that
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