JP2019103347A - Electric rotary machine - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、固定子と回転子との間に働くトルクの脈動を低減し、滑らかな回転を得ることができる回転電機に関するものである。 The present invention relates to a rotating electrical machine capable of achieving smooth rotation by reducing the pulsation of torque acting between a stator and a rotor.
回転電機として、固定子鉄心と巻線を有する固定子と、回転子鉄心の外周面に磁石を貼り付けた表面磁石型の回転子とを有する回転電機が知られている。このような回転電機においては、磁石と固定子鉄心との間に発生し、それぞれが互いに引き合う力は、常に一定とはならず、回転子の回転角度に応じて変動することが知られている。この回転子に発生するトルクの脈動を低減するため、様々な手法が採用されている。 As a rotating electrical machine, there is known a rotating electrical machine having a stator having a stator core and a winding, and a surface magnet type rotor having a magnet attached to the outer peripheral surface of the rotor core. In such a rotating electrical machine, it is known that the forces generated between the magnet and the stator core and attracting each other are not always constant, but vary according to the rotation angle of the rotor. . In order to reduce the pulsation of the torque generated in the rotor, various methods are employed.
代表的な例として、回転子の磁石をスキューさせる技術が知られている。また、特許文献1においては、ロータ磁石のうち円周方向に連続した複数の磁極を1個の磁石群として、すべてのロータ磁石を、それぞれ同数のロータ磁石を含む偶数個の磁石群により分割し、ロータ上のすべてのロータ磁石が円周方向に均等に配置された状態から、円周方向に隣り合った磁石群同士を、円周方向において互いに反対向きに同角度だけ移動させた回転電機が提案されている。
As a representative example, techniques for skewing the magnets of the rotor are known. Further, in
また、特許文献2においては、リラクタンス型の突極磁極を持つ回転子において、その突極磁極部を非対称にすることで、発生するトルクの脈動を低減させるものが提案されている。
Further,
特許文献1に記載の回転電機においては、隣接した磁石を互いに近づける向きに貼り付けるため、隣接した磁石が当たるまで以上に磁石を近づけることができず、周方向に貼り付けられた磁石の位置を大きくずらし、トルク脈動を大きく低減させることが難しいといった課題がある。
In the rotating electrical machine described in
特許文献2に記載の回転電機においては、周方向の一部に磁石が偏在することにより、磁石と固定子鉄心が引き合う力の合力が半径方向の力として発生し、回転子の軸受の寿命を早めたり、異音や振動の原因となることが課題となる。また、表面磁石型の回転電機に関して、具体的にトルク脈動を低減させる手法が示されていない。
In the rotating electrical machine described in
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、回転子のトルク脈動を低減し、スムーズに回転する回転電機を得ることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object thereof is to reduce the torque pulsation of the rotor and to obtain a rotating electrical machine that rotates smoothly.
この発明に係る回転電機は、
固定子と前記固定子の内側に回転可能に支持された回転子とからなる回転電機において、
前記固定子は、固定子鉄心と前記固定子鉄心に巻装されたコイルとからなり、
前記固定子鉄心は、環状のヨーク部と、前記ヨーク部の内周面に、周方向に等間隔を開けて設けられ、径方向内側に突出する複数のティース部とからなり、
前記回転子は、回転子鉄心と、前記回転子鉄心の周方向にそれぞれ間隔を隔てて、前記回転子鉄心の軸方向に延在するように配置された4・N(Nは、2以上の自然数)個の磁極を構成する磁石とからなり、
前記回転子の断面における前記回転子の軸心を中心として、
任意の前記磁石の周方向中央の磁極中心と、前記磁石から周方向の一方にN個離れた磁石の磁極中心とがなす角度は、90度未満であり、
前記任意の磁石の周方向中央の磁極中心と、前記磁石から周方向の他方にN個離れた磁石の磁極中心とがなす角度は、90度より大であるものである。
The rotating electric machine according to the present invention is
In a rotating electrical machine comprising a stator and a rotor rotatably supported inside the stator,
The stator comprises a stator core and a coil wound around the stator core,
The stator core includes an annular yoke portion, and a plurality of teeth portions provided on the inner circumferential surface of the yoke portion at equal intervals in the circumferential direction and projecting radially inwards.
The rotor is disposed so as to extend in the axial direction of the rotor core at intervals from the rotor core and in the circumferential direction of the rotor core, and N is 2 or more A natural number) consisting of magnets that make up each magnetic pole,
Centering on the axis of the rotor in the cross section of the rotor,
The angle between the magnetic pole center at the circumferential direction of any of the magnets and the magnetic pole centers of the N magnets away from the magnet in one circumferential direction is less than 90 degrees,
The angle between the magnetic pole center at the circumferential direction center of the arbitrary magnet and the magnetic pole centers of the N magnets spaced apart from the magnet in the other circumferential direction is larger than 90 degrees.
この発明に係る回転電機によれば、
前記回転子は、回転子鉄心と、前記回転子鉄心の周方向にそれぞれ間隔を隔てて、前記回転子鉄心の軸方向に延在するように配置された4・N(Nは、2以上の自然数)個の磁極を構成する磁石とからなり、
前記回転子の断面における前記回転子の軸心を中心として、
任意の前記磁石の周方向中央の磁極中心と、前記磁石から周方向の一方にN個離れた磁石の磁極中心とがなす角度は、90度未満であり、
前記任意の磁石の周方向中央の磁極中心と、前記磁石から周方向の他方にN個離れた磁石の磁極中心とがなす角度は、90度より大なので、回転電機のトルク脈動を小さくすることができる。
According to the rotating electrical machine of the present invention,
The rotor is disposed so as to extend in the axial direction of the rotor core at intervals from the rotor core and in the circumferential direction of the rotor core, and N is 2 or more A natural number) consisting of magnets that make up each magnetic pole,
Centering on the axis of the rotor in the cross section of the rotor,
The angle between the magnetic pole center at the circumferential direction of any of the magnets and the magnetic pole centers of the N magnets away from the magnet in one circumferential direction is less than 90 degrees,
The torque pulsation of the rotating electrical machine is reduced because the angle between the magnetic pole center in the circumferential direction of the arbitrary magnet and the magnetic pole centers of the N magnets spaced apart from the magnet in the other circumferential direction is greater than 90 degrees. Can.
また、本発明が対象とする回転電機の固定子は、軸対称(180度の回転対称)であるため、回転子の磁石の配置を、回転軸に対して対称な組のみで構成すると、当該対称な組を構成する2つの磁石と固定子との間に働く力は打ち消し合う。このため、相互に半径方向に引き合う力が発生せず、回転電機の寿命を延長できる。 In addition, since the stator of the rotating electrical machine targeted by the present invention is axially symmetric (rotational symmetry of 180 degrees), when the arrangement of the magnets of the rotor is configured by only a set symmetrical with respect to the rotational axis, The forces acting between the two magnets forming the symmetrical set and the stator cancel each other out. As a result, no mutually attractive forces are generated in the radial direction, and the life of the rotating electrical machine can be extended.
実施の形態1.
以下、この発明の実施の形態1に係る回転電機を図を用いて説明する。
本明細書中で、特に断り無く「軸方向」、「周方向」、「径方向」、「外周面」、というときは、それぞれ、回転子の「軸方向」、「周方向」、「径方向」、「外周面」をいうものとする。
Hereinafter, a rotary electric machine according to
In the present specification, the terms "axial direction", "circumferential direction", "radial direction" and "peripheral surface" are referred to respectively as "axial direction", "circumferential direction" and "diameter" of the rotor, unless otherwise noted. It shall mean "direction" and "peripheral surface".
図1は、回転電機100の軸方向に垂直な断面模式図である。
回転電機100は、固定子2と固定子2の内側に回転可能に支持された回転子3とからなる。固定子2は、固定子鉄心21とコイル22とからなり、固定子鉄心21は、環状のヨーク部21aと、ヨーク部21aの内周面に、周方向に等間隔を開けて設けられ、径方向内側に突出するティース部21bとからなる。コイル22は、ティース部21bの周囲に巻装されている。
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view perpendicular to the axial direction of the rotary
The rotary
回転子3は、回転子3の中央に存在する円筒状の回転子鉄心31と、回転子鉄心31の外周面に、回転子鉄心31の周方向にそれぞれ間隔を隔てて、回転子鉄心31の軸方向に延在するように配置された4・N(Nは、2以上の自然数、本実施の形態ではN=3)個の磁石32とからなる。4・N個の磁石32は、その磁極が、回転子鉄心31の周方向に交互に配置されるよう、周方向に隣り合う磁石32の極が互いに反転するように設けられる。なお、磁石32の数が4・N個ということは、回転子の中心軸を中心として90度につきN個(3個)の磁石32が配置されていることを表す。
The
固定子鉄心21は、ケイ素を多く含む0.1〜0.5mmの厚みの電磁鋼板を積層して作られる。電磁鋼板同士は、積層方向に抜き加締めや溶接、接着などで接続され、積層間には絶縁層を有しており、渦電流の発生を抑制して固定子2の発熱による回転トルクの損失を低減できるものである。固定子2のコイル22は、U相,V相、W相の3つの相で構成され、周方向に隣り合うティース部21bに、U相,V相、W相の順に巻装され、これらと同じ構成を周方向に6組分繰り返している。
The
今、図1の、矢印Aが示す方向を0度とし、0度の位置に磁極中心(周方向の中央)が配置されている磁石32をNo.1とし、そこから図の周方向左側に向かって、No.2、No.3・・No.12の順に、12個の磁石32が配置されている。回転子鉄心31の周方向に隣り合う磁石32の周方向端部間の間隔は、場所によって、不均等となっており、No.1とNo.12の磁石32の中心間の間隔及びNo.6とNo.7の周方向端部間の間隔が、その他の隣り合う2つの磁石32の周方向端部間の間隔より大きい。
Now, assuming that the direction indicated by the arrow A in FIG. 1 is 0 degrees, the
図2は、磁石32の配置関係を示す図であり、図1の回転子3の各磁石32の磁石番号と、12個の磁石を周方向に均等に配置したと仮定した場合の各磁石32の磁極中心の配置角度(図2では、均等角度と表記)と、本実施の形態における各磁石32の磁極中心の配置角度(図2では、実角度と表記)と、12個の磁石を周方向に均等に配置したと仮定した場合からの各磁石32の磁極中心の角度ずれの大きさと、回転子3の断面における回転子3の軸心Oを中心として、それぞれの磁石32の磁極中心とそこからN個分左に離れた(この場合N=3)磁石32の磁極中心とがなす角度を示す図である。図において表記した角度は、小数点以下第3位を四捨五入したものである。
FIG. 2 is a view showing an arrangement relationship of the
一般に、回転子鉄心31の表面に磁石を周方向に均等に配置した場合、極数である4・N(本実施の形態では12)と、スロットSの数である2・M(本実施の形態では18、(Mは、自然数))の最小公倍数L(本実施の形態では36)により、360度を除した角度を周期とするトルク脈動が発生することが知られている。
Generally, when magnets are uniformly arranged on the surface of
本実施の形態では、360/36=10度の周期で発生するトルク脈動を、各磁石32と固定子2との間に生じる吸引力同士で打ち消すために、各磁石32について次の様な配置を行っている。
In this embodiment, in order to cancel out the torque pulsations generated in the cycle of 360/36 = 10 degrees by the attraction forces generated between the
すなわち、各磁石32について、回転子3の断面における回転子3の軸心Oを中心として、それぞれの磁石32の磁極中心と、N個分左に離れた磁石32の磁極中心とがなす角度を、磁石を周方向に均等に配置したと仮定した角度から360/L度の半分(本実施の形態では5度)ずらしている。
That is, for each
図2において、磁石番号1から磁石番号6番の間、ならびに磁石番号7番から磁石番号11番の間の隣りあう磁石32の磁極中心がなす角度は、(90−5)/3=28.33度としている。この数式の中で、”5”は、トルク脈動の周期の半分の角度である5度を示す。また、磁石番号6と磁石番号7の磁極中心のなす角度、ならびに磁石番号12番と磁石番号1番の角度は38.33度であり、磁石番号1番と磁石番号7番のそれぞれの磁石32の磁極中心がなす角度は180度となっている。これらの状態を言い換えると、周方向に2・N個離れた磁石32の磁極中心は180度の位置になるように設定され、周方向に2・N個の連続した磁石32の隣り合う磁極中心間の間隔は同一である。
In FIG. 2, the angle between the magnetic pole centers of
このように各磁石32を配置すると、No.1の磁石32と、左にN個離れたNo.4の磁石32のそれぞれの磁極中心がなす角度C1は85度となる。同様に、図2の「左にN個離れた磁石の磁極中心間の角度」は、全て、各磁石を周方向に均等に配置したと仮定した場合の90度から、プラス5度又は、マイナス5度となるように配置されている。なお、特定の磁石32に注目すると、左右の一方へN個離れた磁石32との磁極中心間の角度がプラス5度である95度の場合は、他方へN個離れた磁石32との磁極中心間の角度は、マイナス5度である85度となる。なお、図2に示すように、磁石番号1からN個単位で、上述のプラス5度、マイナス5度が入れ替わる。
When the
このように磁石32の配置を設定することにより、周方向両側にN個離れた磁石32間において、互いに発生する磁力によるトルクを打ち消し合うため、上述の周期で発生するトルク脈動を発生しにくくすることができる。
By setting the arrangement of the
次に、周方向に均等に磁石を配置した場合と、本実施の形態のように磁石32を配置した場合の双方について、回転子と固定子との間に発生するトルク脈動(無負荷時)を電磁界解析を用いて比較する。
Next, torque pulsation generated between the rotor and the stator (at no load) in both the case where the magnets are arranged uniformly in the circumferential direction and the case where the
図3は、周方向に均等に磁石を配置した場合の、無負荷時の回転電機のトルクを示すグラフである。図3のグラフの横軸は、回転子の回転角度(機械角)を表し、縦軸は、回転子と固定子の間に発生するトルクの大きさを示している。回転電機に負荷は接続されていないので、トルクは、トルク脈動の成分だけである。横軸に平行な破線は、脈動するトルクの上限値と下限値を表しており、両破線の間に記した曲線が、脈動するトルクの変遷を表している。縦軸の単位は、相対的なものであり、図3と、次に説明する図4とでは、同じ単位としている。 FIG. 3 is a graph showing the torque of the rotating electrical machine at no load when the magnets are evenly arranged in the circumferential direction. The horizontal axis of the graph of FIG. 3 represents the rotational angle (mechanical angle) of the rotor, and the vertical axis represents the magnitude of the torque generated between the rotor and the stator. Since no load is connected to the rotating electrical machine, torque is only a component of torque pulsation. The broken line parallel to the horizontal axis represents the upper limit value and the lower limit value of the pulsating torque, and the curve drawn between the two broken lines represents the transition of the pulsating torque. The units on the vertical axis are relative units, and are the same units in FIG. 3 and FIG. 4 described next.
図3に示すように、回転子と固定子の間に脈動するトルクは、概ね10度の周期で変動しており、またその変動幅(トルク脈動の幅)は、概ね0.19であることがわかる。 As shown in FIG. 3, the pulsating torque between the rotor and the stator fluctuates in a cycle of approximately 10 degrees, and the fluctuation width (the width of the torque pulsation) is approximately 0.19. I understand.
図4は、上述のように、磁石32を不均等に配置した場合の、無負荷時の回転電機100のトルクを示すグラフである。図4のグラフの横軸は、回転子3の回転角度(機械角)を表し、縦軸は、回転子3と固定子2との間に発生するトルクの大きさを示している。回転電機100に負荷は接続されていないので、トルクは、トルク脈動の成分だけである。横軸に平行な破線は、脈動するトルクの上限値と下限値を表しており、両破線の間に記した曲線が、脈動するトルクの変遷を表している。
FIG. 4 is a graph showing the torque of the rotating
図4に示すように、回転子3と固定子2との間に脈動するトルクは、概ね20度の周期で変動しており、またその変動幅(トルク脈動の幅)は、プラスマイナス合わせて0.06であることがわかる。
As shown in FIG. 4, the torque pulsating between the
図3と図4とを比較することにより、図3では10度の周期であったトルク脈動の周期が20度となり、変動幅は、0.19から0.06へと減少し、トルク脈動を68%減少させている効果を確認できる。 By comparing FIG. 3 and FIG. 4, the cycle of the torque pulsation which is a cycle of 10 degrees in FIG. 3 becomes 20 degrees, the fluctuation range decreases from 0.19 to 0.06, and the torque pulsation is reduced. You can see the effect of a 68% decrease.
次に、周方向に均等に磁石を配置した場合と、本実施の形態のように磁石32を配置した場合の双方について、回転子と固定子との間に発生するトルク脈動(定格負荷時)を、固定子コイルに三相交流を印加して、電磁界解析を用いて比較する。
Next, torque pulsation generated between the rotor and the stator (during rated load) both in the case where magnets are uniformly arranged in the circumferential direction and in the case where
図5は、周方向に均等に磁石を配置した場合の、定格負荷時の回転電機のトルクを示すグラフである。図5のグラフの横軸は、回転子の回転角度(機械角)を表し、縦軸は、回転子と固定子の間に発生するトルクの大きさを示している。横軸に平行な破線は、脈動するトルクの上限値と下限値を表しており、両破線の間に記した曲線が、脈動するトルクの変遷を表している。縦軸の単位は、相対的なものであり、図5と、次に説明する図6とでは、同じ単位としている。 FIG. 5 is a graph showing the torque of the rotating electrical machine at rated load when the magnets are arranged evenly in the circumferential direction. The horizontal axis of the graph of FIG. 5 represents the rotation angle (mechanical angle) of the rotor, and the vertical axis represents the magnitude of the torque generated between the rotor and the stator. The broken line parallel to the horizontal axis represents the upper limit value and the lower limit value of the pulsating torque, and the curve drawn between the two broken lines represents the transition of the pulsating torque. The units of the vertical axis are relative units, and are the same units in FIG. 5 and FIG. 6 described next.
図5に示すように、回転子と固定子の間に脈動するトルクは、概ね10度の周期で1.76から1.95の間で変動し、トルクの変動幅は、概ね0.19であることがわかる。 As shown in FIG. 5, the pulsating torque between the rotor and the stator fluctuates between 1.76 and 1.95 in a cycle of approximately 10 degrees, and the fluctuation range of the torque is approximately 0.19. I understand that there is.
図6は、上述した、磁石32を不均等に配置した場合の、定格負荷時の回転電機100のトルクを示すグラフである。図6のグラフの横軸は、回転子3の回転角度(機械角)を表し、縦軸は、回転子3と固定子2との間に発生するトルクの大きさを示している。横軸に平行な破線は、脈動するトルクの上限値と下限値を表しており、両破線の間に記した曲線が、脈動するトルクの変遷を表している。
FIG. 6 is a graph showing the torque of the rotary
図6に示すように、回転子と固定子の間に脈動するトルクは、概ね20度の周期で1.70から1.84の間で変動し、トルクの変動幅は、概ね0.14であることがわかる。
図5と図6を比較することにより、図5では10度の周期であったトルク脈動の周期が20度となり、変動幅は0.19から0.14へと減少し、トルク脈動を26%減少させている効果を確認できる。
As shown in FIG. 6, the torque pulsating between the rotor and the stator fluctuates between 1.70 and 1.84 in a cycle of approximately 20 degrees, and the fluctuation range of the torque is approximately 0.14. I understand that there is.
By comparing FIG. 5 and FIG. 6, the cycle of the torque pulsation which is a cycle of 10 degrees in FIG. 5 becomes 20 degrees, the fluctuation range decreases from 0.19 to 0.14, and the torque pulsation is 26% You can see the decreasing effect.
これまでの説明では、周方向に2・N個離れた磁石32の磁極中心が180度の位置になるように設定した。また、周方向に2・N個の連続した磁石32の隣り合う磁極中心間の間隔は同一とした。このように配置することで、固定子鉄心を通らないで周方向に隣り合う磁石32へ流れる磁束を減らすことができ、回転電機100のトルク定数をより大きくすることができる。
In the above description, the magnetic pole centers of the
また、これまでの説明では、周方向にN個離れた2つの磁石32の磁極中心間の角度を、磁石を周方向に均等に配置した場合に比べて360/L度の半分ずつずらすこととして説明したが、厳密に180/L度でなくとも、180/L度に近づけることで、同様の効果を得ることができる。
In the above description, the angle between the magnetic pole centers of the two
図7は、磁石32の配置の他の例を示す図である。
90度単位の範囲に配置するN個の磁石32のそれぞれの磁極中心間の角度を図3のように設定しても、N個離れた磁石32の磁極中心間の角度は、磁石を均等に配置したと仮定した場合の90度から、プラス5度又は、マイナス5度とすることができる。なお、これまで、磁石32は、回転子鉄心31の表面に配置した例を用いて説明したが、回転子鉄心内に埋め込まれていても良い。
FIG. 7 is a view showing another example of the arrangement of the
Even if the angle between the magnetic pole centers of the
この発明の実施の形態1に係る回転電機100によれば、回転電機100のトルク脈動を小さくすることができる。また、回転電機100の固定子2は、軸対称(180度の回転対称)であるため、回転子3の磁石32の配置を、回転軸に対して対称な組のみで構成すると、当該対称な組を構成する2つの磁石32と固定子2との間に働く力は打ち消し合う。このため、相互に半径方向に引き合う力が発生せず、回転電機100の寿命を延長できる。
According to rotary
実施の形態2.
以下、この発明の実施の形態2に係る回転電機200を実施の形態1と異なるところを中心に説明する。
Second Embodiment
Hereinafter, a rotary
図8は、回転電機200の軸方向に垂直な断面模式図である。実施の形態1で説明した回転電機100と本実施の形態に係る回転電機200とは、固定子202のスロットS2の数と、回転子203の磁石232の数が異なる。
回転電機200は、固定子202と固定子202の内側に回転可能に支持された回転子203とからなる。
固定子202は、固定子鉄心221とコイル222とからなり、固定子鉄心221は、環状のヨーク部221aと、ヨーク部221aの内周面に、周方向に間隔を開けて設けられ、径方向内側に突出するティース部221bとからなる。コイル222は、ティース部221bの周囲に巻装されている。
FIG. 8 is a schematic cross-sectional view perpendicular to the axial direction of the rotary
The rotary
The
回転子203は、回転子203の中央に存在する円筒状の回転子鉄心231と、回転子鉄心231の外周面に、回転子鉄心231の周方向にそれぞれ間隔を隔てて、回転子鉄心231の軸方向に延在するように配置された4・N(Nは、2以上の自然数、本実施の形態ではN=10)個の磁石232とからなる。4・N個の磁石232は、その磁極が、回転子鉄心231の周方向に交互に配置されるよう、周方向に隣り合う磁石232の極が互いに異なるように設けられる。なお、磁石232の数が4・N個ということは、回転子の中心軸を中心として90度につきN個(10個)の磁石232が配置されていることを表す。
The
固定子鉄心221は、ケイ素を多く含む0.1〜0.5mmの厚みの電磁鋼板を積層して作られる。電磁鋼板同士は、積層方向に抜き加締めや溶接、接着などで接続され、積層間には絶縁層を有しており、渦電流の発生を抑制して固定子202の発熱による回転トルクの損失を低減できるものである。固定子202のコイル222は、U相,V相、W相の3相で構成され、周方向に隣り合うティース部221bに、U+、U−、U+、V+、V−、V+、W+、W−、W+の順に繰り返し巻装され、これらと同じ構成を周方向に4組繰り返している。なお、U+とU−は同じ相の電流を流すが、巻線の向きが異なることにより発生する固定子の磁界の向きが異なる。V+とV−、ならびにW+とW−も同じ関係にある。
The
今、図8の、矢印Bが示す方向を0度とし、0度の位置に磁極中心(周方向の中央)が配置されている磁石232をNo.1とし、そこから図の周方向左側に向かって、No.2、No.3・・No.40の順に、40個の磁石232が配置されている。回転子鉄心231の周方向に隣り合う磁石232の周方向端部間の間隔は、場所によって、不均等となっている。
Now, assuming that the direction indicated by the arrow B in FIG. 8 is 0 degrees, the
図9、図10は、磁石232の配置関係を示す図であり、図8の回転子203の各磁石232の磁石番号と、40個の磁石を周方向に均等に配置したと仮定した場合の各磁石の磁極中心の配置角度と、本実施の形態における各磁石232の配置角度と、40個の磁石を周方向に均等に配置したと仮定した場合からの各磁石232の磁極中心の角度ずれの大きさと、左に隣り合う磁石232の磁極中心間の角度と、回転子3の断面における回転子3の軸心Oを中心として、それぞれの磁石232の磁極中心とそこからN個分左に離れた(この場合N=10)磁石232の磁極中心とがなす角度を示す図である。
9 and 10 are diagrams showing the arrangement relationship of the
本実施の形態では、極数4・Nが40、スロット数2・Mが36なのでN=10、M=18であり、4・Nと2・Mの最小公倍数L=360となる。よって、360/360=1度の周期のトルク脈動が発生しやすいと言える。
In this embodiment, since the number of
そこで、本実施の形態では、1度の周期で発生するトルク脈動を、各磁石232と固定子202との間に生じる吸引力同士で打ち消すために、各磁石232について次の様な配置を行っている。
Therefore, in the present embodiment, in order to cancel the torque pulsation generated in a cycle of 1 degree by the attraction forces generated between each
すなわち、各磁石232について、それぞれの磁石232の磁極中心と、N個分(N=10)左右に離れた磁石232の磁石232の磁極中心を、磁石を周方向に均等に配置したと仮定した角度から1度の半分である0.5度ずらしている。
That is, for each
例えば、図9、図10に示すように、磁石番号1の磁石232と、磁石番号1から左へN個分(N=10)離れた磁石番号11の磁石232の磁極中心がなす角は、89.5度となっており、磁石を周方向に均等に配置したと仮定した場合の磁極中心間の角度から、トルク脈動の周期の半分の角度である0.5度小さいことがわかる。同様に、磁石番号11の磁石232と、左へN個離れた磁石番号21の磁石232の磁極中心がなす角度は90.5度となっており、トルク脈動の周期の半分の角度である0.5度大きいことが分かる。
For example, as shown in FIGS. 9 and 10, the angle between the
この関係は、全ての磁石232に関して成り立っている。
このとき、回転子203の断面における回転子203の軸心Oを中心として、
周方向に隣り合う二つの磁石232の磁極中心がなす角度は、
磁石番号10番の磁石232と磁石番号11番の磁石232の磁極中心間は、8.5度
磁石番号20番の磁石232と磁石番号21番の磁石232の磁極中心間は、9.5度
磁石番号30番の磁石232と磁石番号31番の磁石232の磁極中心間は、8.5度
磁石番号40番の磁石232と磁石番号1番の磁石232の磁極中心間は、9.5度
その他の隣り合う磁石232の磁極中心間の角度は9度
となっている。
これは、回転子203の中心に対して対称な2箇所において、隣り合う二つの磁石232のそれぞれの磁極中心がなす角度が最も小さく、この2箇所から、それぞれ90度の位置にある2箇所において、隣り合う二つの磁石232のそれぞれの磁極中心がなす角度が最も大きく、その他の隣り合う二つの磁石232のそれぞれの磁極中心がなす角度は、360÷磁極の数に等しいことを示している。
This relationship holds for all the
At this time, with the axis O of the
The angle between the magnetic pole centers of two circumferentially
The magnetic pole centers of the
This is because the angle formed by the magnetic pole centers of the two
次に、周方向に均等に磁石を配置した場合と、本実施の形態のように磁石232を配置した場合の双方について、回転子と固定子との間に発生するトルク脈動(無負荷時)を電磁界解析を用いて比較する。
Next, torque pulsation generated between the rotor and the stator (at no load) in both of the case where the magnets are equally disposed in the circumferential direction and the case where the
図11は、周方向に均等に磁石を配置した場合の、無負荷時の回転電機のトルクを示すグラフである。図11のグラフの横軸は、回転子の回転角度(機械角)を表し、縦軸は、回転子と固定子の間に発生するトルクの大きさを示している。回転電機に負荷は接続されていないので、トルクは、トルク脈動の成分だけである。横軸に平行な破線は、脈動するトルクの上限値と下限値を表しており、両破線の間に記した曲線が、脈動するトルクの変遷を表している。縦軸の単位は、相対的なものであり、図11と、次に説明する図12とでは、同じ単位としている。 FIG. 11 is a graph showing the torque of the rotating electrical machine at no load when the magnets are arranged uniformly in the circumferential direction. The horizontal axis of the graph of FIG. 11 represents the rotation angle (mechanical angle) of the rotor, and the vertical axis represents the magnitude of the torque generated between the rotor and the stator. Since no load is connected to the rotating electrical machine, torque is only a component of torque pulsation. The broken line parallel to the horizontal axis represents the upper limit value and the lower limit value of the pulsating torque, and the curve drawn between the two broken lines represents the transition of the pulsating torque. The units on the vertical axis are relative units, and are the same units in FIG. 11 and FIG. 12 described next.
図11に示すように、回転子と固定子の間に脈動するトルクは、概ね1度の周期で変動しており、またその変動幅(トルク脈動の幅)は、概ね1.80であることがわかる。尚トルクの変動は周期的に発生するため、図11では、回転子203が機械角で10度回転した範囲のみを記載している。
As shown in FIG. 11, the torque pulsating between the rotor and the stator fluctuates in a cycle of approximately one degree, and the fluctuation range (the width of the torque pulsation) is approximately 1.80. I understand. In addition, since the fluctuation | variation of a torque generate | occur | produces periodically, in FIG. 11, only the range which the
図12は、上述のように、磁石232を不均等に配置した場合の、無負荷時の回転電機200のトルクを示すグラフである。図12のグラフの横軸は、回転子203の回転角度(機械角)を表し、縦軸は、回転子203と固定子202との間に発生するトルクの大きさを示している。回転電機200に負荷は接続されていないので、トルクは、トルク脈動の成分だけである。横軸に平行な破線は、脈動するトルクの上限値と下限値を表しており、両破線の間に記した曲線が、脈動するトルクの変遷を表している。
FIG. 12 is a graph showing the torque of the rotating
図12では、磁石を周方向に均等に配置していた際の1度周期のトルク脈動が見られなくなり、トルクの変動幅は1.80から0.18へと減少し、トルク脈動を90%減少させている効果を確認できる。 In FIG. 12, the torque pulsation of 1 degree cycle when the magnets are evenly arranged in the circumferential direction disappears, the fluctuation range of torque decreases from 1.80 to 0.18, and the torque pulsation is 90%. You can see the decreasing effect.
この発明の実施の形態2に係る回転電機によれば、実施の形態1と同様の効果を奏する。また、磁石232の数及び、コイル222の数が実施の形態1よりも多い回転電機に適用することにより、よりトルク脈動の少ない回転電機200を提供することができる。
According to the rotating electrical machine according to the second embodiment of the present invention, the same effect as that of the first embodiment can be obtained. Further, by applying the present invention to a rotating electrical machine in which the number of
尚、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。 In the present invention, within the scope of the invention, each embodiment can be freely combined, or each embodiment can be appropriately modified or omitted.
100,200 回転電機、2,202 固定子、21,221 固定子鉄心、
21a,221a ヨーク部、21b,221b ティース部、22,222 コイル、3,203 回転子、31,231 回転子鉄心、32,232 磁石、
L 最小公倍数。
100,200 electric rotating machines, 2, 202 stators, 21, 221 stator cores,
21a, 221a yoke portion, 21b, 221b teeth portion, 22, 222 coil, 3, 203 rotor, 31, 231 rotor core, 32, 232 magnet,
L Least common multiple.
Claims (5)
前記固定子は、固定子鉄心と前記固定子鉄心に巻装されたコイルとからなり、
前記固定子鉄心は、環状のヨーク部と、前記ヨーク部の内周面に、周方向に等間隔を開けて設けられ、径方向内側に突出する複数のティース部とからなり、
前記回転子は、回転子鉄心と、前記回転子鉄心の周方向にそれぞれ間隔を隔てて、前記回転子鉄心の軸方向に延在するように配置された4・N(Nは、2以上の自然数)個の磁極を構成する磁石とからなり、
前記回転子の断面における前記回転子の軸心を中心として、
任意の前記磁石の周方向中央の磁極中心と、前記磁石から周方向の一方にN個離れた磁石の磁極中心とがなす角度は、90度未満であり、
前記任意の磁石の周方向中央の磁極中心と、前記磁石から周方向の他方にN個離れた磁石の磁極中心とがなす角度は、90度より大である回転電機。 In a rotating electrical machine comprising a stator and a rotor rotatably supported inside the stator,
The stator comprises a stator core and a coil wound around the stator core,
The stator core includes an annular yoke portion, and a plurality of teeth portions provided on the inner circumferential surface of the yoke portion at equal intervals in the circumferential direction and projecting radially inwards.
The rotor is disposed so as to extend in the axial direction of the rotor core at intervals from the rotor core and in the circumferential direction of the rotor core, and N is 2 or more A natural number) consisting of magnets that make up each magnetic pole,
Centering on the axis of the rotor in the cross section of the rotor,
The angle between the magnetic pole center at the circumferential direction of any of the magnets and the magnetic pole centers of the N magnets away from the magnet in one circumferential direction is less than 90 degrees,
The rotating electrical machine, wherein an angle formed by a magnetic pole center at the circumferential direction center of the arbitrary magnet and a magnetic pole center of N magnets spaced apart from the magnet in the other circumferential direction is larger than 90 degrees.
任意の前記磁石から周方向の前記一方にN個離れた磁石の磁極中心と、
前記任意の磁石から周方向の前記他方にN個離れた磁石の磁極中心とがなす角度は、180度である請求項1又は請求項2に記載の回転電機。 Centering on the axis of the rotor in the cross section of the rotor,
A magnetic pole center of a magnet spaced N apart from the arbitrary magnet in the circumferential direction,
The rotating electrical machine according to claim 1 or 2, wherein an angle between the arbitrary magnet and the magnetic pole center of the N magnets spaced apart from each other in the circumferential direction is 180 degrees.
前記2箇所から、それぞれ90度の位置にある2箇所において、隣り合う二つの前記磁石のそれぞれの磁極中心がなす角度が最も大きく、
その他の隣り合う二つの前記磁石のそれぞれの磁極中心がなす角度は、
360÷回転子の極数
に等しい請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の回転電機。 At two points symmetrical with respect to the center of the rotor, the angle between the magnetic pole centers of two adjacent magnets is the smallest,
The angle formed by the magnetic pole centers of the two adjacent magnets is the largest at the two positions located at 90 degrees from the two positions,
The angle between the magnetic pole centers of the other two adjacent magnets is
The rotating electrical machine according to any one of claims 1 to 3, which is equal to the number of poles of a 360 ÷ rotor.
前記回転子の断面における前記回転子の軸心を中心として、
任意の前記磁石の磁極中心と、前記磁石から周方向の一方にN個離れた磁石の磁極中心とがなす角度は、(90−360/L/2)度であり、
前記任意の磁石の前記磁極中心と、前記磁石から周方向の他方にN個離れた磁石の磁極中心とがなす角度は、(90+360/L/2)度である請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の回転電機。 When the least common multiple of the number of magnetic poles of the rotor and the number of slots of the stator is L,
Centering on the axis of the rotor in the cross section of the rotor,
The angle formed by the magnetic pole center of any of the magnets and the magnetic pole centers of N magnets spaced apart from the magnet in one circumferential direction is (90-360 / L / 2) degrees,
The angle between the magnetic pole center of the arbitrary magnet and the magnetic pole centers of N magnets spaced apart from the magnet in the other circumferential direction is (90 + 360 / L / 2) degrees. The rotating electrical machine according to any one of the items.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2017234889A JP2019103347A (en) | 2017-12-07 | 2017-12-07 | Electric rotary machine |
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Family Applications (1)
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JP2017234889A Pending JP2019103347A (en) | 2017-12-07 | 2017-12-07 | Electric rotary machine |
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-
2017
- 2017-12-07 JP JP2017234889A patent/JP2019103347A/en active Pending
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