JP2016131491A - 永久磁石同期機 - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明は、リブの強度を確保しつつ、漏れ磁束を低減することを目的とする。【解決手段】径方向内側に凸となるよう構成され、永久磁石が配設される磁石収容孔と、磁石収容孔の径方向外周側に位置する回転子鉄心と、回転子鉄心の極間側、且つ、磁石収容孔の径方向外周側に位置するリブと、磁石収容孔及びリブの極間側に位置する連結部と、を備え、リブは、連結部側に位置する連結部側リブと、回転子鉄心側に位置する回転子鉄心側リブと、連結部側リブ及び回転子鉄心側リブの間に位置する中央リブと、から構成され、連結部側リブの幅は中央リブの幅より広く、永久磁石と回転子鉄心との間の遠心力方向における隙間は、永久磁石とリブとの間の遠心力方向における隙間より狭く、永久磁石は１極につき周方向に分割されることなく一体で構成され、リブは前記磁石収容孔側の形状が直線となる部分と曲線となる部分を有している。【選択図】 図２
Description
本発明は永久磁石同期機に関するものである。
永久磁石同期機では、回転子に永久磁石を埋設するInterior Permanent Magnet（以下「ＩＰＭ」という。）構造が広く採用されている。ＩＰＭ構造の永久磁石同期機に埋設する永久磁石に、安価でかつ安定調達が可能なフェライト磁石が採用され始めている。
しかしながら、永久磁石の性能は残留磁束密度と保持力という２つの物理量で表され、フェライト磁石の残留磁束密度及び保持力は、ネオジウム磁石の約１／３である。従って、現在広く使用されているネオジウム磁石をフェライト磁石に置き換えた場合、著しい性能の低下を招くことになる。
特許文献１は、記永久磁石を埋め込む収容孔が略凹字状であって、回転子外周面側を広く回転子内径側に向い狭くした収容孔を有する永久磁石埋め込み回転子を開示している。特許文献１によれば、磁石磁束の発生面積を大きくするとともに、永久磁石の径方向外周部の鉄心断面積を大きくすることで、リラクタンストルクを積極的に活用して性能の向上を図っている。
ＩＰＭ構造の永久磁石同期機は、回転子で永久磁石を保持するために、リブと呼ばれる継鉄部を永久磁石収容孔の外周側に設けられている。
回転子が回転すると、永久磁石及び回転子鉄心に遠心力が働く。この遠心力が曲げモーメントとなってリブに作用する。従って、回転時に破断及び変形しない強度をリブに持たせるために、リブの幅を広くする必要がある。
一方、永久磁石の磁束には、リブへと漏れて、トルクを発生させない漏れ磁束が存在する。この漏れ磁束の量はリブが磁気飽和するまで増大する。言い換えると、リブが磁気飽和を引き起こす磁束が漏れ磁束となる。永久磁石にフェライト磁石のような残留磁束密度の低い磁石を採用した場合、リブが磁気飽和を引き起こすまでに比較的大きな割合の漏れ磁束が必要となり、相対的に主磁束が減少する。そのため、リブへの漏れ磁束の割合を減らすためには、リブの幅を狭くする必要がある。
つまり、リブの強度を確保するためにリブの幅を広くすることと、リブへの漏れ磁束の割合を減らすためにリブの幅を狭くすることとは相反する関係にある。そのため、特許文献１の回転子の構造では、リブの強度を確保するためにリブの幅を広くしなければならず、漏れ磁束が増加する。
本発明は、リブの強度を確保しつつ、漏れ磁束を低減することを目的とする。
本発明の永久磁石同期機は、径方向内側に凸となるよう構成され、永久磁石が配設される磁石収容孔と、前記磁石収容孔の径方向外周側に位置する回転子鉄心と、前記回転子鉄心の極間側、且つ、前記磁石収容孔の径方向外周側に位置するリブと、前記磁石収容孔及び前記リブの極間側に位置する連結部と、を備え、前記リブは、前記連結部側に位置する連結部側リブと、前記回転子鉄心側に位置する回転子鉄心側リブと、前記連結部側リブ及び前記回転子鉄心側リブの間に位置する中央リブと、から構成され、前記連結部側リブの幅は前記中央リブの幅より広く、前記永久磁石と前記回転子鉄心との間の遠心力方向における隙間は、前記永久磁石と前記リブとの間の遠心力方向における隙間より狭く、前記永久磁石は１極につき周方向に分割されることなく一体で構成され、前記リブは前記磁石収容孔側の形状が直線となる部分と曲線となる部分を有している。
本発明によれば、リブの強度を確保しつつ、漏れ磁束を低減することができる。
以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。
図１は、本発明の第１の実施例における永久磁石同期機の全体図である。永久磁石同期機は回転子１と固定子３０とから構成される。回転子１は、径方向内側に凸となるよう構成された永久磁石収容孔４と、永久磁石収容孔４の径方向外周側に位置する回転子鉄心２と、回転子鉄心２の極間側で、且つ、永久磁石収容孔４の径方向外周側に位置するリブ６を有している。
図２は、本発明の第１の実施例における永久磁石同期機の１極分の部分断面図である。永久磁石収容孔４には永久磁石３が配設される。永久磁石収容孔４と隣の極の永久磁石収容孔４とは、連結部１１で連結される。
通常、永久磁石３から発生する磁束は、回転子鉄心２を透過し、回転子１と固定子３０との間の空間（以下「ギャップ３１」という。）３１を介して固定子３０へ透過して、トルクを発生させる。このトルクの発生に寄与する磁束は主磁束または有効磁束と呼ばれる。
一方、リブ６に隣接する永久磁石の磁束は、ギャップ３１と比較して磁気抵抗が相対的に小さいリブ６へと漏れて、トルクを発生させない。このため、トルクの発生に寄与しない磁束は漏れ磁束と呼ばれる。
リブ６が漏れ磁束９によって磁気飽和するとギャップ３１と同程度の磁気抵抗となる。すなわち、漏れ磁束９が一定の水準に達すると残りの磁束はギャップ３１を透過する主磁束１０となる。
永久磁石３は、１極につき周方向に分割されることなく一体で構成され、１極につき周方向に少なくとも２ヶ所の屈曲点４２ａ、４２ｂを有する。側部４１ａ、４１ｂは、屈曲点４２ａ、４２ｂを始端として磁化方向に対して垂直方向かつ極の端部側に向けて伸びる。
ここで、永久磁石収容孔４の極間側の端部において、極中央側の永久磁石収容孔４の外周側端部から回転子１の端までの長さ（以下「リブ６ｂの幅」という。）Ｌ１、極間側の永久磁石収容孔４の外周側端部から回転子１の外周側端までの長さ（以下「リブ６ｃの幅」という。）Ｌ２、リブ６の直線方向の中点における永久磁石収容孔４の外周側端部から回転子１の外周側端までの長さ（以下「リブ６ａの幅」という。）Ｌ０とする。
回転子１が回転すると、永久磁石３及び回転子鉄心２に遠心力が働く。この遠心力に対し、両端に位置する連結部１１が支点、両端に位置するリブ６が梁として機能する。リブ６ｃはリブ６ａ、６ｂに比べて支点である連結部１１に近いため、リブ６ｃに加わる曲げモーメントはリブ６ａ、６ｂに比べて大きい。従って、図４に示すようにリブ６ｃでの応力集中はリブ６ａよりも大きい。
本実施例では、リブ６に作用する曲げモーメントの分布に応じて、リブ６ｃの幅Ｌ２をリブ６ａの幅Ｌ０よりも広くすることで、リブ６ｃの剛性をリブ６ａよりも高めている。
一方、リブ６ｂは回転子鉄心２と連結する位置にあるため、幅が急激に変化する。そのため、リブ６ｂ付近に応力が集中し、局所的に高い応力が加わる。従って、図４に示すようにリブ６ｂでの応力集中はリブ６ａよりも大きい。
そこで、本実施例では、リブ６ｂの幅Ｌ１をリブ６ａの幅Ｌ０よりも広くしているため、リブ６の形状が急激に変化することを防止し、応力集中を避けている。
このように、リブ６に作用する力に応じてリブ６の幅を調節することで、必要以上にリブ６の全体の幅を広げることを避け、リブ６の幅を一律にするよりも漏れ磁束の割合を低減することができる。
なお、リブ６ｂの幅Ｌ１をリブ６ａの幅Ｌ０よりも広くすることと、リブ６ｃの幅Ｌ２をリブ６ａの幅Ｌ０よりも広くすることのどちらか一方のみを採用してもよい。
さらに、本実施例で採用した径方向内側に凸となる永久磁石収容孔４は、直線形状の磁石収容孔に比べて、回転子鉄心２の径方向における幅は大きい。そのため、回転子鉄心２とリブ６との間では径方向における幅が急激に変化するので、６ｂ付近により応力が集中する。従って、本実施例では、リブ６ｂの幅Ｌ１をリブ６ｃの幅Ｌ２よりも広くし、リブ６の直線方向の中点から極中央側までのリブ６の面積Ａ１をリブ６の直線方向の中点から極間側までのリブ６の面積Ａ２よりも大きくしている。
さらに、永久磁石収容孔４の極間側の端部において、極中央側を半径Ｒ１の円弧とし、極間側を半径Ｒ２の円弧とすることで、曲げモーメント及び応力集中に応じてリブ６の幅を調節している。
また、半径Ｒ１と半径Ｒ２の合計値を磁石の磁化方向厚みＴ２よりも小さくすることで、リブ６に直線部分を設け、リブ６ａへの応力集中を避けている。
また、回転子１には、回転子鉄心２の径方向外周側に突出部１２が設けられている。突出部１２を設けることで、リブ６ｂの幅Ｌ１をさらに広げることができ、応力が集中するリブ６ｂの剛性を高めている。突出部１２の径方向外周側の幅はリブ６ｂの幅Ｌ１の半分以下としており、突出部１２を設けたことにより、リブ６ｂに応力が集中するのを避けている。
また、突出部１２を設けることで、鉄心断面積が大きくなり、リラクタンストルクを増加させることもできる。
なお、さらなるリラクタンストルクの増加を図るために、突出部１２の径方向外周側の幅をリブ６ｂの幅Ｌ１の半分以上にしてもよい。
また、回転子鉄心２は、軸方向に積み重ねた積層鋼板、圧粉磁心、又は、アモルファス金属などで構成される。
また、永久磁石３の側部４１ａ、４１ｂは磁化方向に対して垂直方向かつ極の端部側に向けて伸びる構造である場合について説明したが、径方向内側に凸となるよう湾曲させる湾曲構造としてもよい。又は、側部４１ａ、４１ｂは径方向内側に凸となるよう複数の側部で構成するようにしてもよい。
また、永久磁石３の屈曲点４２と回転子鉄心２との接触点４５、４６は、円弧で構成してもよいし、折れ線状に構成しても良い。
また、永久磁石３としてフェライト磁石を例に挙げているが、フェライト磁石のみに限定されるものではない。
また、内転型回転子について説明したが、外転型回転子にも適用可能である。
図３は、本発明の第２の実施例による永久磁石同期機の１極分の部分断面図である。
極の中央部４０における磁化方向クリアランス８ａの幅Ｔ１は、側部４１ａ、４１ｂにおける磁化方向クリアランス８ｂの幅Ｔ２よりも広い。
永久磁石３には遠心力が働き、曲げモーメントとなってリブ６に作用する。磁化方向クリアランス８ａの幅Ｔ１を磁化方向クリアランス８ｂの幅Ｔ２よりも広くすることで、永久磁石３の中央部４０に働く遠心力は、側部４１ａ、４１ｂを介して回転子鉄心２に働く。
側部４１ａ、４１ｂは中央部４０よりも連結部１１に近い位置にある。そのため、永久磁石３の中央部４０の遠心力によるリブ６に働く曲げモーメントを弱めることができる。従って、リブ６の強度に余裕ができるため、リブ幅を狭くして、リブ６への漏れ磁束の割合を低減することができる。
さらに、永久磁石３の側部４１ａ、４１ｂの直線長さＷ２を中央部４０の直線長さＷ１よりも長くすることで、連結部１１に近い場所に位置する永久磁石３の割合を増やすことができる。そのため、永久磁石３の遠心力によるリブ６に働く曲げモーメントを弱めることができ、リブ幅を狭くしてリブ６への漏れ磁束の割合を低減することができる。
なお、磁化方向クリアランス８ａの幅Ｔ１を磁化方向クリアランス８ｂの幅Ｔ２よりも広くすることと、永久磁石３の側部４１ａ、４１ｂの直線長さＷ２を中央部４０の直線長さＷ１よりも長くすることとは併用せずに、どちらかのみを採用する構造としてもよい。
以上説明したとおり、本発明の永久磁石同期機は、径方向内側に凸となるよう構成され、永久磁石が配設される磁石収容孔と、磁石収容孔の径方向外周側に位置する回転子鉄心と、回転子鉄心の極間側、且つ、磁石収容孔の径方向外周側に位置するリブと、磁石収容孔及びリブの極間側に位置する連結部と、を備え、リブは、連結部側に位置する連結部側リブと、回転子鉄心側に位置する回転子鉄心側リブと、連結部側リブ及び回転子鉄心側リブの間に位置する中央リブと、から構成され、連結部側リブの幅は中央リブの幅より広い。
また、本発明の永久磁石同期機は、回転子鉄心側リブの幅は中央リブの幅より広い。
また、本発明の永久磁石同期機は、回転子鉄心側リブの幅は連結部側リブの幅よりも広い。
また、本発明の永久磁石同期機は、磁石収容孔の極間側端部において、極中央側の形状を半径Ｒ１の円弧とし、極間側の形状を半径Ｒ２の円弧とし、半径Ｒ１と半径Ｒ２の合計値が永久磁石の磁化方向厚みよりも小さい。
また、本発明の永久磁石同期機は、回転子鉄心側リブ及び回転子鉄心の径方向外径側に位置する突出部を備える。
また、本発明の永久磁石同期機は、永久磁石は、中央部と、中央部の両端に位置する側部と、を有し、中央部の磁化方向のクリアランスが側部の磁化方向のクリアランスよりも大きい。
また、本発明の永久磁石同期機は、永久磁石は、中央部と、中央部の両端に位置する側部と、を有し、側部の磁化方向と垂直方向の長さが中央部の直線長さよりも長い。
１ 回転子
２ 回転子鉄心
３ 永久磁石
４ 永久磁石挿入孔
５ シャフト孔
６ リブ
７ 極間側端部クリアランス
８ 磁化方向クリアランス
９ 漏れ磁束
１０ 主磁束
１１ 連結部
３０ 固定子
３１ ギャップ
４１ 側部
４２ 屈曲点
４５、４６ 屈曲点４２と回転子鉄心２との接触点
７１ 遠心力７０の作用点
７２ 応力集中部７３から作用点７１までの距離
７３ 応力集中部
２ 回転子鉄心
３ 永久磁石
４ 永久磁石挿入孔
５ シャフト孔
６ リブ
７ 極間側端部クリアランス
８ 磁化方向クリアランス
９ 漏れ磁束
１０ 主磁束
１１ 連結部
３０ 固定子
３１ ギャップ
４１ 側部
４２ 屈曲点
４５、４６ 屈曲点４２と回転子鉄心２との接触点
７１ 遠心力７０の作用点
７２ 応力集中部７３から作用点７１までの距離
７３ 応力集中部
Claims (9)
- 径方向内側に凸となるよう構成され、永久磁石が配設される磁石収容孔と、
前記磁石収容孔の径方向外周側に位置する回転子鉄心と、
前記回転子鉄心の極間側、且つ、前記磁石収容孔の径方向外周側に位置するリブと、
前記磁石収容孔及び前記リブの極間側に位置する連結部と、を備え、
前記リブは、
前記連結部側に位置する連結部側リブと、
前記回転子鉄心側に位置する回転子鉄心側リブと、
前記連結部側リブ及び前記回転子鉄心側リブの間に位置する中央リブと、
から構成され、
前記連結部側リブの幅は前記中央リブの幅より広く、
前記永久磁石と前記回転子鉄心との間の遠心力方向における隙間は、前記永久磁石と前記リブとの間の遠心力方向における隙間より狭く、
前記永久磁石は１極につき周方向に分割されることなく一体で構成され、
前記リブは前記磁石収容孔側の形状が直線となる部分と曲線となる部分を有している永久磁石同期機。 - 前記回転子鉄心側リブの幅は前記中央リブの幅より広いことを特徴とする請求項１に記載の永久磁石同期機。
- 前記連結部側リブ及び前記回転子鉄心側リブは円弧形状であることを特徴とする請求項１に記載の永久磁石同期機。
- 前記永久磁石は少なくとも２箇所の屈曲点を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の永久磁石同期機。
- 前記回転子鉄心側リブの幅は前記連結部側リブの幅よりも広いことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の永久磁石同期機。
- 前記磁石収容孔の前記リブ側の面において、極中央側の形状を半径Ｒ１の円弧とし、極間側の形状を半径Ｒ２の円弧とし、
半径Ｒ１と半径Ｒ２の合計値が前記永久磁石の磁化方向厚みよりも小さいことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の永久磁石同期機。 - 前記回転子鉄心側リブ及び前記回転子鉄心の径方向外径側に位置する突出部を備えることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の永久磁石同期機。
- 前記永久磁石は、中央部と、前記中央部の両端に位置する側部と、を有し、
前記中央部の磁化方向における前記永久磁石と前記回転子鉄心との間の隙間は、前記側部の磁化方向における前記永久磁石と前記回転子鉄心との間の隙間よりも大きいことを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の永久磁石同期機。 - 前記永久磁石は、中央部と、前記中央部の両端に位置する側部と、を有し、
前記側部の磁化方向に対して垂直となる方向の長さが前記中央部の磁化方向に対して垂直となる方向の長さよりも長いことを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の永久磁石同期機。
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