JP2018098859A - 多層フラックスバリア型リラクタンスモータの回転子 - Google Patents

Abstract

【課題】多層フラックスバリア型リラクタンスモータのトルクリップルを低減する。【解決手段】回転子コア１１内の第１のスリット１２ａ内に第１の永久磁石１３ａを配置し、第１のスリット１２ａより外側の第２のスリット１２ｂ内に第２の永久磁石１３ｂを配置する。第１の永久磁石１３ａの磁束密度をＢｉ、回転子の回転方向の幅をＷｉとし、第２の永久磁石１３ｂの磁束密度をＢｏ、幅をＷｏとしたとき、Ｂｉ×Ｗｉ＞Ｂｏ×Ｗｏの関係を有するようにする。【選択図】図１

Description

本発明は、多層フラックスバリア型リラクタンスモータの回転子に関する。

電動機の回転子の構造には様々なものがあり、例えば、内部に複数のスリットを配置することによって複数の磁路を形成する多層フラックスバリア型リラクタンスモータの回転子が知られている。以下に、その回転子の構造について、図４を用いて説明する。

図４は、従来の多層フラックスバリア型リラクタンスモータにおける回転子構造の断面の一例を示す図である。回転子５０の回転子コア５１には複数のスリット５２が形成され、いくつかのスリット５２内には永久磁石５３が存在する。この複数個存在する永久磁石５３には全て同じ材質が採用される。また、隣接するスリット５２の間には磁路５４が形成される。なお、回転子５０の径方向外側には、図示しない固定子が配置される。固定子は概略円筒形を有し、円筒形の内周面に周方向に沿って複数の極歯が配列される。極歯の間の空間はスロットと呼ばれ、巻線がスロットを通過しつつ極歯に巻回されて磁極が形成される。

図５は、図４の回転子５０の一部を拡大し、永久磁石５３から発生する磁束線５５を示した図である。図５において、永久磁石５３は２個存在し、２個とも径方向外側の向きに着磁されている。また、永久磁石５３には全て同じ材質が採用されるので、残留磁束密度は全て等しい。２個の永久磁石５３をフル着磁した場合、永久磁石の幅（回転子の回転方向の寸法）が等しいため、永久磁石５３から発生する磁束は磁束線５５に示すように、径方向内側に位置する永久磁石から発生したほぼ全ての磁束が径方向外側に位置する永久磁石に流れ込み、径方向外側に位置する永久磁石の直ぐ径方向外側に位置する磁路５４ａを通過して固定子に流れ込む。

特開２０１５−３３２３９号公報

上述したように、従来の多層フラックスバリア型リラクタンスモータの回転子では、永久磁石５３から発生する磁束が、複数個ある磁路５４のうち特定の磁路５４ａだけを通過する。

このように特定の磁路に磁束が集中すると、回転子５０が回転した際に回転子５０から発生する磁束、すなわち固定子の極歯を通過する磁束に多くの高調波が含まれる。参考に、従来の多層フラックスバリア型リラクタンスモータにおける固定子の極歯を通過する磁束波形を図６に示す。図６において横軸は回転子５０の回転角を電気角で示している。電気角とは、回転子５０の磁極２個分の角度（３６０°÷モータ磁極数×２）を１周期（３６０°）として定義した角度であり、例えば、図４のように極数が８の回転子５０では軸の回転角９０°で電気角３６０°となる。なお、固定子極歯通過磁束波形は図６に示すように電気角３６０°で１周期となる。

図６において、実線は従来の多層フラックスバリア型リラクタンスモータの固定子極歯通過磁束波形を、破線は高調波の少ない理想的な固定子極歯通過磁束波形を示す。破線で示す理想的な固定子極歯通過磁束波形には、高調波として３次高調波が含まれている。これは多層フラックスバリア型リラクタンスモータの回転子における磁束密度分布に起因するものである。多層フラックスバリア型リラクタンスモータの回転子の磁束密度分布について図５を用いて説明する。図５において永久磁石５３から出た磁束は永久磁石５３よりも径方向外側に位置するスリット５２により磁極中心部への流れを妨げられるため、磁極中心部の磁束密度が低くなる。このため固定子極歯通過磁束波形は基本波の極値付近を凹ませた波形、つまり基本波に３次高調波を足し合わせた波形となる。この固定子極歯通過磁束の３次高調波は固定子巻線を鎖交することになる。しかし、固定子巻線は互いに電気角１２０°ずらしたＵ相、Ｖ相、Ｗ相のスター結線で構成されるため、線間電圧は３次高調波を含まない基本波のみの正弦波となる。よって、一般的な正弦波電流駆動すれば電圧、電流とも高調波を含まないためトルクリップルと呼ばれるトルクの脈動が発生しない。

この理想的な固定子極歯通過磁束波形に対し、図６の実線で示す従来の多層フラックスバリア型リラクタンスモータの固定子極歯通過磁束波形は３次高調波だけでなく、それ以外の高調波を多く含むため、トルクリップルが大きく発生してしまう。

トルクリップルの大きいモータを、例えば工作機械の軸に使用した場合、切削面に筋目が現れる等の不具合が生じる。

本発明に係る多層フラックスバリア型リラクタンスモータの回転子は、複数のスリットにより互いに隔てられ、並行して延びる複数条の磁路を有する回転子コアと、第１のスリット内に配置され、磁極の方向が磁路と直交する方向に向いている第１の永久磁石と、第１のスリットより回転子の径方向において外側に位置する第２のスリット内に配置され、磁極の方向が磁路と直交する方向に向いている第２の永久磁石と、を有し、第１の永久磁石は、磁束密度がＢｉ、回転子回転方向の幅がＷｉであり、第２の永久磁石は、磁束密度が、第１の永久磁石の磁束密度Ｂｉと異なるＢｏ、回転子回転方向の幅がＷｏであり、第１および第２の永久磁石の磁束密度Ｂi，Ｂｏと幅Ｗｉ，Ｗｏが、
Ｂｉ×Ｗｉ＞Ｂｏ×Ｗｏ
の関係を有する。

また、第１および第２の永久磁石の幅Ｗｉ，Ｗｏを等しくすることができる。

本発明に係る他の態様の多層フラックスバリア型リラクタンスモータの回転子は、複数のスリットにより互いに隔てられ、並行して延びる複数条の磁路を有する回転子コアと、第１のスリット内に配置され、磁極の方向が磁路と直交する方向に向いている第１の永久磁石と、第１のスリットより回転子の径方向において外側に位置する第２のスリット内に配置され、磁極の方向が磁路と直交する方向に向いている第２の永久磁石と、第２の永久磁石の、回転子の径方向内側または外側に隣接して配置され、磁束の通過の障害となる磁束障壁と、を有する。

磁束障壁は非磁性材料で形成することができる。また、磁束障壁は回転子コアに形成された空隙とすることができる。

本発明によれば、多層フラックスバリア型リラクタンスモータのトルクリップルを低減できる。

本実施形態における回転子の断面の一部を拡大した図である。 本実施形態における固定子の極歯を通過する磁束波形である。 本実施形態における回転子の断面の一部を拡大した図である。 従来の多層フラックスバリア型リラクタンスモータにおける回転子構造の断面の一例を示す図である。 図４の回転子の一部を拡大し、永久磁石から発生する磁束線を示した図である。 従来の多層フラックスバリア型リラクタンスモータにおける固定子の極歯を通過する磁束波形である。

［第１の実施形態］
以下、本発明を具体化した多層フラックスバリア型リラクタンスモータの回転子の第１の実施形態を図面に従って説明する。図１は、本実施形態における回転子１０の断面の一部を拡大した図である。一般的に、回転子は、軸線直交断面が軸線方向において一様であるので、磁路、スリット、磁石等の形状について軸線直交断面における形状に関して説明する。回転子１０の回転子コア１１は、珪素鋼板などの軟磁性材料で構成される板材を回転軸線方向に積層して形成される。回転子１０は、空隙であるスリット１２によって互いに隔てられた複数の磁路１４を有する。複数の磁路１４は、回転子コア１１の表面の一部の領域から、この領域と離れた別の領域に並行して延びている。このように磁路１４が設けられることにより、回転子コア１１には、周方向にリラクタンスの異なる領域が交互に形成される。また、回転子１０は、スリット１２内に設けられた永久磁石１３を有する。スリット１２ａ内に永久磁石１３ａが配置され、スリット１２ａより外側のスリット１２ｂに永久磁石１３ｂが配置されている。永久磁石１３ａ，１３ｂはそれぞれ、１個の永久磁石から構成されてもよいし、また複数の永久磁石をスリットの延びる方向に沿って並べた構成としてもよい。この回転子１０においては、スリット１２ａは回転子半径方向において最も内側のスリットであり、スリット１２ｂは次に内側のスリットである。永久磁石１３ａと永久磁石１３ｂは材質が異なり、径方向外側に配置される永久磁石１３ｂには径方向内側に配置される永久磁石１３ａよりも残留磁束密度の小さい材質が選定される。また、永久磁石１３ｂの幅（回転子１０の回転方向の寸法）および長さ（回転子１０の回転軸線方向の寸法）は、永久磁石１３ａの幅および長さとそれぞれ等しい。永久磁石１３ａ，１３ｂはフル着磁されている。なお、回転子１０の径方向外側には、図示しない固定子が配置される。固定子は概略円筒形を有し、円筒形の内周面に周方向に沿って複数の極歯が配列されている。極歯の間の空間はスロットと呼ばれ、巻線がスロットを通過しつつ極歯に巻回されて磁極が形成される。

図１を用いて、本構造における永久磁石から発生する磁束の流れ方について説明する。図１において永久磁石１３ａ，１３ｂはともに径方向外側の向きに着磁されており、磁束線１５は永久磁石１３ａ，１３ｂから発生する磁束の経路を示している。前述した通り永久磁石１３ｂには永久磁石１３ａよりも残留磁束密度の小さい材質が選定され、永久磁石１３ｂの幅は永久磁石１３ａの幅と等しい。永久磁石１３ｂの材質は、永久磁石１３ａに比べその残留磁束密度が小さく、このため永久磁石１３ａ，１３ｂを最も強く着磁した場合には、永久磁石１３ｂの磁束密度Ｂｏは、永久磁石１３ａの磁束密度Ｂｉより小さくなる（Ｂｉ＞Ｂｏ）。また、永久磁石から発生する磁束の量は永久磁石の幅Ｗに比例する。永久磁石から発生する磁束の量は磁束密度Ｂ×幅Ｗに比例する。永久磁石１３ａの幅をＷｉ、回転子軸線方向の長さをＬとすると、永久磁石１３ａの発生する磁束の量はＢｉ×Ｗｉ×Ｌである。また、永久磁石１３ｂの幅をＷｏとすると、発生する磁束の量はＢｏ×Ｗｏ×Ｌである。前述のように２個の永久磁石の磁束密度はＢｉ＞Ｂｏであり、幅はＷｉ＝Ｗｏであるので、永久磁石１３ｂの発生する磁束の量は、永久磁石１３ａのそれよりも少ない。なお、前述のように、回転子の軸直交断面の形状は、回転軸線方向において一様であるので、永久磁石１３ａ，１３ｂの長さＬは等しい。

本実施形態では、永久磁石１３ｂの磁束密度Ｂｏを永久磁石１３ａの磁束密度Ｂｉの５０％に設定している。また、磁束の経路を示す磁束線１５の本数は磁束の相対的な量を示しており、永久磁石１３ａから発生する磁束線を８本とすると、永久磁石１３ｂから発生する磁束線はその５０％である４本となる。このため永久磁石１３ａから発生した磁束線８本のうち、４本は永久磁石１３ｂに流れ込み、残りの４本は永久磁石１３ａの直ぐ径方向外側に位置する磁路１４ａを通って固定子に流れ込む。なお、磁路１４ａは、永久磁石１３ａの位置から左右に延びているため磁束は２本ずつ左右に分かれ、磁路１本あたり２本通過することになる。同様に永久磁石１３ｂから発生する磁束線４本は、永久磁石１３ｂの直ぐ径方向外側に位置する磁路１４ｂを通って固定子に流れ込む。磁路１４ｂは永久磁石１３ｂの位置から左右に分かれているため磁束は磁路１本あたり２本通過することになる。このように永久磁石から発生した磁束は磁路４本に分散して通過する。

磁束が特定の磁路に集中せずに分散して流れると、回転子１０が回転した際に回転子１０から発生する磁束は周方向に分散され、固定子の極歯を通過する磁束波形は滑らかとなって、高調波が少なくなる。本実施形態における固定子の極歯を通過する磁束波形を図２に示す。図２と従来の多層フラックスバリア型リラクタンスモータにおける固定子の極歯を通過する磁束波形を示す図６とを比較すると図２は滑らかで高調波が少ないことがわかる。このように固定子の極歯を通過する磁束波形が滑らかで高調波が少ないとトルクリップルが小さくなる。

なお、本実施形態では１極当たり径方向に同じ幅、長さの２個の永久磁石を配置した回転子を例に説明したが、１極当たりの永久磁石の個数は２個に限定されるものではない。例えば、径方向に３個以上かつ回転子の回転方向に２個以上配置されても、径方向内側に配置される各永久磁石の（磁束密度×幅）の総和よりも径方向外側に配置される各永久磁石の（磁束密度×幅）の総和が小さくなるようにすれば同様にトルクリップルを低減できる。また、径方向に３個の永久磁石を配列する場合、つまり３本以上スリット内に永久磁石が配置される場合、径方向外側の永久磁石ほど（磁束密度×幅）の総和が小さくなるようにすることができる。

また、本実施例では径方向外側に配置される永久磁石の磁束密度を径方向内側に配置される永久磁石の５０％とし、幅を等しくした場合を例に説明したが、この関係に限定されるものではなく、径方向外側に配置される永久磁石の磁束密度×幅が径方向内側に配置される永久磁石の磁束密度×幅よりも僅かでも小さければ同様にトルクリップルを低減できる。

［第２の実施形態］
以下、本発明を具体化した多層フラックスバリア型リラクタンスモータの回転子の第２の実施形態を図面に従って説明する。図３は、本実施形態における回転子２０の断面の一部を拡大した図である。なお、第１の実施形態と同様の構成については同様の符号を付し、その説明については第１の実施形態と同様のため省略する。第１の実施形態と異なる点は、永久磁石２３ａ，２３ｂの材料の残留磁束密度が等しいこと、および永久磁石２３ｂの径方向内側に非磁性材料または空隙からなる磁束障壁２６が配置されている点である。

この磁束障壁２６は、永久磁石２３ｂから発生する磁束の磁路の磁気抵抗を増加させる効果があり、これによって永久磁石２３ｂから発生する磁束量は永久磁石２３ａに対して少なくなる。図３は、永久磁石２３ｂから発生する磁束量が永久磁石２３ａの５０％となるように、磁束障壁２６の厚みを決めた場合の磁束線図を示している。具体的には、磁束障壁２６を空隙により構成した場合、永久磁石２３ａ，２３ｂおよび磁束障壁の２６の幅および厚さ（回転子半径方向の寸法）を等しくする。永久磁石２３ａから発生する磁束線を８本とすると、８本のうち、４本は永久磁石２３ｂに流れ込み、残りの４本は永久磁石２３ａの直ぐ径方向外側に位置する磁路１４ａを通って固定子に流れ込む。なお、磁路１４ａは永久磁石２３ａの位置から左右に延びているため磁束は２本ずつ左右に分かれ、磁路１本あたり２本通過することになる。同様に永久磁石２３ｂから発生する磁束線４本は、永久磁石２３ｂの直ぐ径方向外側に位置する磁路１４ｂを通って固定子に流れ込む。磁路１４ｂは永久磁石２３ｂの位置から左右に分かれているため磁束は磁路１本あたり２本通過することになる。このように永久磁石から発生した磁束は磁路４本に分散して通過する。

磁束が特定の磁路に集中せずに分散して流れると、第１の実施形態で説明した効果と同じくトルクリップルを小さくできる。

なお、本実施形態では磁束障壁２６を永久磁石２３ｂの径方向内側に配置した場合について説明したが、磁束障壁２６の配置は永久磁石２３ｂの径方向内側に限定されるものではなく、永久磁石２３ｂの径方向外側に配置してもトルクリップルを低減できる。

また、本実施形態では１極当たり２個の永久磁石を有する回転子を例に説明したが、１極当たりの永久磁石の個数は２個に限定されるものではなく、３個以上であっても、径方向外側に配置される磁石の直ぐ径方向内側または外側に磁束障壁２６を配置すればトルクリップルを低減できる。

また、本実施形態では径方向外側に配置される永久磁石から発生する磁束量が径方向内側に配置される永久磁石の５０％となるように磁束障壁２６の断面形状を決めた場合について説明したが、磁束障壁２６の断面形状はこれに限定されるものではなく、任意の断面形状でもトルクリップルを低減できる。

また、本実施形態では永久磁石の断面形状が全て同じ場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、永久磁石の断面形状が異なっても径方向外側に配置される永久磁石の直ぐ径方向内側または外側に磁束障壁２６が配置されれば同様にトルクリップルを低減できる。

１０，２０ 回転子、１１ 回転子コア、１２ スリット、１３，２３ 永久磁石、１４ 磁路、１５ 磁束線、２６ 磁束障壁。

Claims (5)

1. 多層フラックスバリア型リラクタンスモータの回転子であって、
   複数のスリットにより互いに隔てられ、並行して延びる複数条の磁路を有する回転子コアと、
   第１のスリット内に配置され、磁極の方向が磁路と直交する方向に向いている第１の永久磁石と、
   第１のスリットより回転子の径方向において外側に位置する第２のスリット内に配置され、磁極の方向が磁路と直交する方向に向いている第２の永久磁石と、
   を有し、
   第１の永久磁石は、磁束密度がＢｉ、回転子回転方向の幅がＷｉであり、
   第２の永久磁石は、磁束密度が、第１の永久磁石の磁束密度Ｂｉと異なるＢｏ、回転子回転方向の幅がＷｏであり、
   第１および第２の永久磁石の磁束密度Ｂi，Ｂｏと幅Ｗｉ，Ｗｏが、
   Ｂｉ×Ｗｉ＞Ｂｏ×Ｗｏ
   の関係を有する、
   ことを特徴とする多層フラックスバリア型リラクタンスモータの回転子。
2. 第１および第２の永久磁石の幅Ｗｉ，Ｗｏが等しいことを特徴とする請求項１に記載の多層フラックスバリア型リラクタンスモータの回転子。
3. 多層フラックスバリア型リラクタンスモータの回転子であって、
   複数のスリットにより互いに隔てられ、並行して延びる複数条の磁路を有する回転子コアと、
   第１のスリット内に配置され、磁極の方向が磁路と直交する方向に向いている第１の永久磁石と、
   第１のスリットより回転子の径方向において外側に位置する第２のスリット内に配置され、磁極の方向が磁路と直交する方向に向いている第２の永久磁石と、
   第２の永久磁石の、回転子の径方向内側または外側に隣接して配置され、磁束の通過の障害となる磁束障壁と、
   を有することを特徴とする多層フラックスバリア型リラクタンスモータの回転子。
4. 磁束障壁が非磁性材料で形成された請求項３に記載の多層フラックスバリア型リラクタンスモータの回転子。
5. 磁束障壁が回転子コアに形成された空隙である請求項３に記載の多層フラックスバリア型リラクタンスモータの回転子。
   

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