JP2017112693A

JP2017112693A - 回転電機

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Publication number: JP2017112693A
Application number: JP2015244388A
Authority: JP
Inventors: 聡今盛; Satoshi Imamori; 光一郎折田; koichiro Orita
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2015-12-15
Filing date: 2015-12-15
Publication date: 2017-06-22
Anticipated expiration: 2035-12-15
Also published as: CN106953432A; CN106953432B; JP6641966B2

Abstract

【課題】トルク密度の向上による小型化と、コギングトルクの低減による制御性の向上とを両立させることができる回転電機を提供すること。【解決手段】永久磁石を有する回転子３と、回転子３を周方向に囲む環状のヨーク部２１１と、ヨーク部２１１の内周面からヨーク部２１１の径方向の内方に突出する複数のティース部２１２とを含む固定子コア２１を有する固定子２とを備え、ヨーク部２１１は、複数のティース部２１２間に形成されるスロット２４のうち少なくとも１つのスロット２４において、ヨーク部２１１の径方向の厚みが最も薄い箇所を含む外周面の領域に、径方向の外方に突出し、磁路を形成する少なくとも１つの磁路拡張凸部２１３を有する。【選択図】図１

Description

本開示は、回転電機に関し、特にトルク密度を高めるとともにコギングトルクを低減する技術に関する。

半導体製造装置や金属加工機などに用いられる回転電機は、設置可能領域の制限などから小型であることが要求される。さらに、このような回転電機は、精密な回転制御を行うために、高い制御性が求められている。
回転電機を小型化するためには、例えば、ネオジ焼結磁石などの残留磁束密度の高い永久磁石を回転子に用いることで実現することができる。しかし、このような残留磁束密度の高い永久磁石を用いた回転電機は、永久磁石と固定子コアとの相互作用によって、無通電時においてもコギングトルクと呼ばれる一種のトルク脈動が発生し、通電時の制御性に大きな影響を及ぼすことが知られている。

また、回転電機の小型化のためのもう１つの施策として、固定子コアに施される巻線の占積率を高めることが挙げられる。この場合、巻線の占積率を高めることでスロットにより多くの電流を流すことができるようになるためトルク密度が向上し、小型化が可能となる。巻数を増やして巻線の占積率を高めるためには、スロットの外周はなるべく平面などのシンプルな要素で構成されることが好ましい（例えば、特許文献１）。

特開２０１４−２３６５７６号公報

ところで、回転電機をより小型化にするためには、上述の回転子に残留磁束密度の高い永久磁石を用いる施策、及び巻線の占積率を高めるためにスロットの外周を平面にする施策の２つの施策を同時に用いることが考えられる。しかし、これら２つの施策を同時に施した場合、コギングトルクが増大し、回転電機の制御性が大きく悪化することを本発明者らは知見した。
そこで、本発明は、上記の課題に着目してなされたものであり、トルク密度の向上による小型化と、コギングトルクの低減による制御性の向上とを両立させることができる回転電機を提供することを目的としている。

本発明の一態様によれば、永久磁石を有する回転子と、上記回転子を周方向に囲む環状のヨーク部と、上記ヨーク部の内周面から上記ヨーク部の径方向の内方に突出する複数のティース部とを含む固定子コアを有する固定子とを備え、上記ヨーク部は、上記複数のティース部間に形成されるスロットのうち少なくとも１つのスロットにおいて、上記ヨーク部の上記径方向の厚みが最も薄い箇所を含む外周面の領域に、上記径方向の外方に突出し、磁路を形成する少なくとも１つの磁路拡張凸部を有することを特徴とする回転電機が提供される。

本発明の一態様によれば、トルク密度の向上による小型化と、コギングトルクの低減による制御性の向上とを両立させることができる回転電機を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る回転電機を示す断面図である。従来の回転電機を示す断面図である。実施例及び比較例における無負荷の状態において、ヨーク部の厚みが最も薄い箇所での最大磁束密度を示すグラフである。実施例及び比較例におけるコギングトルク波形の解析結果を示すグラフである。本発明の第２実施形態に係る回転電機を示す断面図である。

以下の詳細な説明では、本発明の実施形態の完全な理解を提供するように多くの特定の細部について記載される。しかしながら、かかる特定の細部がなくても１つ以上の実施態様が実施できることは明らかであろう。他にも、図面を簡潔にするために、周知の構造及び装置が略図で示されている。
はじめに、本発明の説明に先立ち、本発明者らが知見した上記のコギングトルクの増大について詳細に説明する。図２には、従来の回転電機１ａの断面図を示す。図２に示す回転電機１ａは、６極９スロットの表面磁石形回転電機であり、固定子２ａと、回転子３ａとを備える。

固定子２ａは、固定子コア２１ａと、巻線２２ａと、モールド部２３ａとを有する。固定子コア２１ａは、図２に示す軸方向に垂直な平面において、略環状のヨーク部２１１ａと、ヨーク部２１１ａの内周面からヨーク部２１１ａの径方向内方に延在する９個のティース部２１２ａとからなる。固定子コア２１ａは、例えば、打ち抜いた電磁鋼板を軸方向に積層させて、カシメや溶接などを用いて固定することで製造される。巻線２２ａは、エナメル線などであり、固定子コア２１ａの各ティース部２１２ａにそれぞれ巻かれる。モールド部２３ａは、固定子コア２１ａを覆って形成される樹脂を含む部材であり、固定子コア２１ａの軸方向に垂直な断面において方形の外周形状を有する。また、固定子２ａは、９個のティース部２１２ａによって、巻線２２ａを巻くための溝である９個のスロット２４ａがヨーク部２１１ａの内側に形成される。

回転子３ａは、シャフト３１ａと、回転子コア３２ａと、６個の永久磁石３３ａとを有する。シャフト３１ａは、回転子３ａの回転軸となる部材である。回転子コア３２ａは、固定子コア２１ａと同様に、打ち抜いた電磁鋼板を軸方向に積層して構成される。６個の永久磁石３３ａは、ネオジ焼結磁石、ネオジボンド磁石、フェライト磁石などの永久磁石である。６個の永久磁石３３ａは、回転子３ａの軸方向に垂直な平面においてリング形状を有し、外周多極に着磁されることで外周面に６つの極を作り出している。

上記構成の回転電機１ａは、スロット２４ａの外周面であるヨーク部２１１ａの内周面のティース部２１２ａを含む領域が、軸方向に垂直な平面において軸心を中心とした弦状に形成される。つまり、ヨーク部２１１ａの内周面は、ティース部２１２ａの根本部分と直角に接続する平面を有する。また、ティース部２１２ａの根元部分に接続された平面は、隣接する他のティース部２１２ａの根元に接続された平面と、この２つのティース部２１２ａの中間位置におけるヨーク部２１１ａの外周の接線と平行な平面を介して接続される。このように、スロット２４ａの外周部分が平面を中心として構成されることで、巻線２２ａの占積率を高めることができる。回転電機１ａでは、このような形状を有することで、導線を整列させて高密度に巻線２２ａを施すことが可能となる。図２に示す従来の回転電機１ａに対する磁界解析を用いたコギングトルクの解析結果を図３の破線（従来例）で示す。図３では、定格トルクの値を１００％として規格化した。コギングトルクのｐ−ｐ（ｐｅａｋｔｏｐｅａｋ）値は、定格トルクの１２％程度にも達しており、従来の回転電機１では占積率の向上により高密度化はできているものの、非常に制御性が悪いことが確認できた。このように、コギングトルクが大きい原因は、磁束の飽和から説明することができる。図２の破線領域で示す、無負荷の状態においてヨーク部２１１ａの径方向の厚みが最も薄い箇所における最大磁束密度を図４の従来例に示す。図４に示すように、従来の回転電機１ａの場合、磁束密度が１．８Ｔを大きく超えていることから、ヨーク部２１１ａの径方向の厚みが最も薄い箇所において、磁気エネルギー脈動が増加することでコギングトルクが増加しているものと推測された。以上のように、本発明者らは、従来の回転電機１ａにおいて、小型化、すなわちトルク密度の向上を図った場合に、コギングトルクが増大し、制御性が大きく悪化してしまう可能性があることを突き止め、本発明をするに至った。

＜第１実施形態＞
図１を参照して、本発明の第１実施形態に係る回転電機１について説明する。第１実施形態に係る回転電機１は、図１に示すように、６極９スロットの表面磁石形回転電機であり、固定子２と、回転子３とを備える。
固定子２は、固定子コア２１と、巻線２２と、モールド部２３とを有する。

固定子コア２１は、図１に示す軸方向に垂直な平面において、ヨーク部２１１と、９個のティース部２１２と、９個の磁路拡張凸部２１３とからなる。ヨーク部２１１及びティース部２１２は、図２に示す従来の回転電機１ａと同様な形状を有する。また、ヨーク部２１１の内側には、９個のティース部２１２によって９個のスロット２４が形成される。９個の磁路拡張凸部２１３は、各スロット２４におけるヨーク部２１１の径方向の厚みが最も薄い箇所を含むヨーク部２１１の外周面の領域に、径方向の外方に突出してそれぞれ形成され、固定子コア２１において磁路を形成する。また、９個の磁路拡張凸部２１３は、同一の形状であり、ヨーク部２１１の外周面に、固定子２の軸方向の全長にわたって形成される。固定子コア２１は、例えば、打ち抜いた電磁鋼板を積層させて、カシメや溶接などを用いて積層方向に固定することで製造される。また、固定子コア２１は、各スロット２４の回転子３側が非解放に形成された閉スロット構造を有している。

巻線２２は、エナメル線などであり、固定子コア２１の各ティース部２１２にそれぞれ巻かれる。
モールド部２３は、固定子コア２１ａを覆って形成される樹脂を含む部材であり、固定子コア２１ａの軸方向に垂直な断面において方形の外周形状を有する。
また、固定子コア２１は、閉スロット構造を有しているため、ヨーク部２１１とティース部２１２とを分割して加工し、ティース部２１２に巻線２２を施した後に、焼きばめによってヨーク部２１１とティース部２１２とを結合させることで形成されることが好ましい。この場合、例えば、図１に示すような略環状の一体形状で電磁鋼板を打ち抜き、打ち抜いた部材をさらに積層させることでヨーク部２１１が成形される。また、図１に示すような複数のティース部２１２が放射状に形成された一体形状で電磁鋼板を打ち抜き、打ち抜いた部材をさらに積層させることでティース部２１２が成形される。さらに、磁路拡張凸部２１３は、電磁鋼板を打ち抜いてヨーク部２１１を成形する際に、ヨーク部２１１にはじめから形成されていてもよく、ヨーク部２１１などの他のコア部材とは別に用意され、後から接着剤などによってヨーク部２１１に結合されてもよい。そして、巻線２２が施された固定子コア２１は、樹脂などでモールド成型されることで、モールド部２３が形成された固定子２が完成する。

回転子３は、従来の回転電機１ａと同様な構成であり、シャフト３１と、回転子コア３２と、６個の永久磁石３３とを有する。シャフト３１は、回転子３の回転軸となる部材である。回転子コア３２は、固定子コア２１と同様に、打ち抜いた電磁鋼板を用いて構成される。６個の永久磁石３３は、ネオジ焼結磁石、ネオジボンド磁石、フェライト磁石などの永久磁石であり、用途に応じて様々なものから選択が可能である。永久磁石３３は、回転子３の軸方向に垂直な平面においてリング形状を有し、着磁によって６つの極をそれぞれ作り出している。

回転電機１は、上記構成の固定子２が回転子３を周方向に囲むように組み合わされることで製造される。
上記構成の回転電機１は、ヨーク部２１１の外周面に磁路拡張凸部２１３が形成されているため、例えば図１の破線で示すヨーク部２１１の径方向の厚みが最も薄い箇所について、従来の回転電機１ａに比べ固定子２としての厚みを厚くすることができる。このため、無負荷の状態において、該領域での最大磁束密度を小さくすることができ、コギングトルクを大幅に低減することができる。

ここで、発明者らは、実施例として、図１に示す第１実施形態に係る回転電機１について、従来例と同様に磁界解析を用いてコギングトルクの解析を行った。実施例では、磁路拡張凸部２１３の有無以外については、従来例と同一の条件とした。図３の実線に、実施例におけるコギングトルクの解析結果を示す。図３に示すように、実施例では、コギングトルクのｐ−ｐ値が定格トルクの３％程度と従来例に比べ大幅に低減することが確認できた。また、図１の破線領域で示すヨーク部２１１の厚みが最も薄い箇所における、無負荷の状態での最大磁束密度の解析結果を図４に示す。図４に示すように、磁路拡張凸部２１３を設けることで、実施例では、従来例で発生していたヨーク部２１１の飽和が大きく解消されていることが確認できた。さらに、実施例では、磁路拡張凸部２１３を設けた場合においても、通電時の定常トルクに悪影響を及ぼすことがないことを確認した。

＜第２実施形態＞
次に、図５を参照して、本発明の第２実施形態に係る回転電機１について説明する。第２実施形態に係る回転電機１は、図５に示すように、８極１２スロットの表面磁石形回転電機あり、固定子２と、回転子３とを備える。
固定子２は、第１実施形態と同様に、固定子コア２１と、巻線２２と、モールド部２３とを有する。固定子コア２１は、図５に示す軸方向に垂直な平面において、ヨーク部２１１と、１２個のティース部２１２と、１２個の磁路拡張凸部２１３とからなる。ヨーク部２１１、ティース部２１２及び磁路拡張凸部２１３の構成等は、第１実施形態と同様である。巻線２２及びモールド部２３についても第１実施形態と同様な構成となる。

また、固定子２は、図５に示すように、方形形状のモールド部２３の外周面に対して、該外周面に最も近くに配される磁路拡張凸部２１３との距離が最小となる位置関係を避けた位置でモールド成型が行われる。つまり、固定子２は、固定子２の中心軸に垂直な平面において、該中心軸を中心に対向して配される６組１２個の磁路拡張凸部２１３について、対向する磁路拡張凸部２１３同士を結ぶ直線がモールド部２３の外周面に対して垂直に交わらないように配される。より好ましくは、固定子２は、モールド部２３の外周面と、該外周面に最も近くに配される磁路拡張凸部２１３との距離が最大となる位置関係でモールド成型が行われる。

固定子２における磁路拡張凸部２１３の配置を上記のようにすることで、磁路拡張凸部２１３を設けたとしても、固定子２の外寸（図５の紙面に対する上下方向及び左右方向の大きさ）を大きくすることなく、モールド部２３の十分な厚みを確保することができる。もしくは、固定子２の外寸を大きくする必要があったとしても、最低限の拡張で済ませることができる。これに対して、モールド部２３の外周面と磁路拡張凸部２１３との距離が最大となるように配した場合、磁路拡張凸部２１３の存在によってモールド部２３の厚みを確保するために、固定子２の外寸を大きくせざるを得なくなる。このように固定子２の外辺であるモールド部２３の外周面と磁路拡張凸部２１３との距離が最大とならないように配置することができるのは、モールド部２３の外周面が軸方向に垂直な平面において４辺からなり、スロット２４の数が４の倍数であるためである。また、３層の巻線２２を施すためにはスロット２４の数は３の倍数である必要があるため、スロット２４の数を１２ｎ（ｎは１以上の自然数）個とすることで、第２実施形態と同様の効果を得ることができる。
回転子３は、シャフト３１と、回転子コア３２と、８個の永久磁石３３とを有する。シャフト３１及び回転子コア３２は、第１実施形態と同様の構成である。８個の永久磁石３３は、第１実施形態と同様な素材からなる永久磁石であり、回転子３の軸方向に垂直な平面においてリング形状を有し、外周多極に着磁されることで外周面に８つの極を作り出している。

＜変形例＞
以上で、特定の実施形態を参照して本発明を説明したが、これら説明によって発明を限定することを意図するものではない。本発明の説明を参照することにより、当業者には、開示された実施形態の種々の変形例とともに本発明の別の実施形態も明らかである。従って、特許請求の範囲は、本発明の範囲及び要旨に含まれるこれらの変形例または実施形態も網羅すると解すべきである

例えば、上記第１及び第２実施形態では、固定子コア２１はヨーク部２１１とティース部２１２とが分割した構造であるとしたが、本発明はかかる例に限定されない。例えば、固定子コア２１は、ヨーク部２１１とティース部２１２とが一体に形成された一体型であってもよい。
また、上記第１及び第２実施形態では、巻線２２は固定子コア２１に直接巻かれる構成としたが、本発明はかかる例に限定されない。例えば、巻線２２は、ティース部２１２にボビンを装着してその上から巻かれる構成であってもよい。

さらに、本発明では、磁路拡張凸部２１３の形状は、磁束の飽和を解消できれば、どのような形状であっても構わない。例えば、上記第１及び第２実施形態では、磁路拡張凸部２１３は、全てのスロット２４に設けられ、同一の形状を有する構成としたが、本発明はかかる例に限定されない。例えば、磁路拡張凸部２１３は、一部のスロット２４には設けられなくてもよく、箇所によって形状が違っていてもよい。また、磁路拡張凸部は、各スロット２４に複数ずつ設けられてもよく、軸方向の全長にわたって設けられなくてもよい。但し、固定子２の磁気的なアンバランスを抑えるためには、同一形状の磁気拡張凸部２１３がヨーク部２１１の周方向に均等に設けられることが好ましく、全てのスロット２４に同一形状の磁路拡張凸部２１３が設けられることがより好ましい。磁気拡張凸部２１３がヨーク部２１１の周方向に均等に設けられる場合とは、例えば、図１に示すようなスロット２４の数が９個の際には、９個のスロット２４に対して２個おきとなる３個のスロット２４に磁路拡張凸部２１３が設けられることをいう。また、例えば、図５に示すようなスロット２４の数が１２個の際には、１２個のスロット２４に対して１，２，３個おきとなる６，４，３個のスロット２４に磁路拡張凸部２１３が設けられることをいう。また、磁路拡張凸部２１３を含むヨーク部２１１の厚みは、ヨーク部２１１及び磁路拡張凸部２１３、永久磁石３３の残留磁束密度、回転電機１の構造などによって決定されることが好ましい。

さらに、上記第１及び第２実施形態では、固定子コア２１は閉スロット構造であるとしたが、本発明はかかる例に限定されない。例えば、固定子コア２１は、各スロット２４の回転子３側が解放して形成された構造であってもよい。
さらに、上記第１実施形態では、モールド部２３は軸方向に垂直な平面において方形形状を有するとしたが、十分な厚みが確保されていれば他の形状であってもよい。また、例えば、モールド部２３は軸方向に垂直な平面において、方形形状の角が面取りされて円弧状となった形状であってもよい。

さらに、上記第１及び第２実施形態では、固定子２は樹脂などからなるモールド部２３を有するとしたが、本発明はかかる例に限定されない。モールド部２３の代わりに、アルミフレームなどを固定子コア２１に焼きばめてもよい。
さらに、上記第１及び第２実施形態では、回転子３は永久磁石３３が表面に設けられる構成としたが、本発明はかかる例に限定されない。例えば、回転子３は、永久磁石が内部に埋め込まれた埋込み磁石形であってもよい。

＜実施形態の効果＞
（１）本発明の一態様に係る回転電機１は、永久磁石を有する回転子３と、回転子３を周方向に囲む環状のヨーク部２１１と、ヨーク部２１１の内周面からヨーク部２１１の径方向の内方に突出する複数のティース部２１２とを含む固定子コア２１を有する固定子２とを備え、ヨーク部２１１は、複数のティース部２１２間に形成されるスロット２４のうち少なくとも１つのスロット２４において、ヨーク部２１１の径方向の厚みが最も薄い箇所を含む外周面の領域に、径方向の外方に突出し、磁路を形成する少なくとも１つの磁路拡張凸部２１３を有する。
上記（１）の構成によれば、スロットの形状を変更することなく、ヨーク部２１１で発生する磁気飽和を解消することができる。このため、トルク密度の向上による小型化と、コギングトルクの低減による制御性の向上とを両立させることができる。

（２）上記（１）の構成において、固定子２は、固定子コア２１を覆うモールド部２３を有する。
上記（２）の構成によれば、固定子２はモールド成型されるため、磁路拡張凸部２１３を有するためにヨーク部２１１の外周面の形状が複雑となる場合においても、製造上の観点から大きな変更なく回転電機１を製造することができる。また、モールド部２３の代わりにアルミフレームなどを用いる場合には、ヨーク部２１１の外周面の形状が複雑であることから、アルミフレームの形状も複雑にする必要があり、製造コストが増加することとなる。一方、上記（２）の構成によれば、アルミフレームなどを用いる場合に比べ製造コストを低減することができる。

（３）上記（２）の構成において、スロット２４の数は、１２ｎ（ｎは１以上の自然数）であり、モールド部２３は、固定コア２１の軸方向に垂直な断面の外周形状が方形であり、モールド部２３の外周面と磁路拡張凸部２１３との距離が最小となる位置関係を避けて設けられる。
上記（３）の構成によれば、ヨーク部２１１の磁気飽和を解消するために十分な大きさの磁路拡張凸部２１３を設けたとしても、固定子２の外寸を大きくする必要がないことから、回転電機１の大型化を避けることができる。

１回転電機
２固定子
２１固定子コア
２１１ヨーク部
２１２ティース部
２１３磁路拡張凸部
２２巻線
２３モールド部
３回転子
３１シャフト
３２回転子コア
３３永久磁石

Claims

永久磁石を有する回転子と、
前記回転子を周方向に囲む環状のヨーク部と、前記ヨーク部の内周面から前記ヨーク部の径方向の内方に突出する複数のティース部とを含む固定子コアを有する固定子と
を備え、
前記ヨーク部は、前記複数のティース部間に形成されるスロットのうち少なくとも１つのスロットにおいて、前記ヨーク部の前記径方向の厚みが最も薄い箇所を含む外周面の領域に、前記径方向の外方に突出し、磁路を形成する少なくとも１つの磁路拡張凸部を有することを特徴とする回転電機。
前記固定子は、前記固定子コアを覆うモールド部を有することを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
前記スロットの数は、１２ｎ（ｎは１以上の自然数）であり、
前記モールド部は、前記固定コアの軸方向に垂直な断面の外周形状が方形であり、前記モールド部の外周面と前記磁路拡張凸部との距離が最小となる位置関係を避けて設けられることを特徴とする請求項２に記載の回転電機。