JP2019180132A - Rotor core, rotor, and synchronization reluctance rotary electric machine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の実施形態は、回転子鉄心、回転子及び同期リラクタンス回転電機に関する。 Embodiments described herein relate generally to a rotor core, a rotor, and a synchronous reluctance rotating electrical machine.
同期リラクタンス回転電機は、回転子に永久磁石や導体を有しない回転電機である。同期リラクタンス回転電機では、回転子鉄心のq軸磁束の流れに沿った形状の空洞部であるフラックスバリアにより磁束の流路を制御することにより、回転力を発生させている。 A synchronous reluctance rotating electrical machine is a rotating electrical machine that does not have a permanent magnet or a conductor in a rotor. In a synchronous reluctance rotating electrical machine, a rotational force is generated by controlling a flow path of magnetic flux by a flux barrier that is a hollow portion having a shape along the flow of q-axis magnetic flux of a rotor core.
同期リラクタンス回転電機では、遅れ電流の無効成分で磁束を発生させているため、力率が低いことが課題であり、力率が低い回転機ほど電流容量の大きな半導体素子が必要となる。このため、既存設備の置換を鑑みると力率の改善は同期リラクタンス回転電機における最大の課題である。この力率の改善策の一つとして、フラックスバリア端部において回転子鉄心をつなぎとめる外周ブリッジの幅を狭くし、漏れ磁束を低減させることが考えられる。 In a synchronous reluctance rotating electrical machine, a magnetic flux is generated by an ineffective component of a lag current, so a problem is that the power factor is low, and a rotating machine with a low power factor requires a semiconductor element with a large current capacity. For this reason, in view of replacement of existing equipment, improvement of the power factor is the biggest problem in the synchronous reluctance rotating electrical machine. As one of the measures for improving the power factor, it is conceivable to reduce the leakage magnetic flux by narrowing the width of the outer peripheral bridge that connects the rotor core at the end of the flux barrier.
しかし、外周ブリッジをあまり狭くすると、同期リラクタンス回転電機の高速回転駆動時や、同期リラクタンス回転電機が大型である場合に、回転子鉄心の変形や破損を発生させる場合がある。 However, if the outer bridge is made too narrow, the rotor core may be deformed or damaged when the synchronous reluctance rotating electrical machine is driven at high speed or when the synchronous reluctance rotating electrical machine is large.
そこで、機械的強度を強化しつつ力率の低下を抑制することができる回転子鉄心、回転子及びこれを用いて構成される同期リラクタンス回転電機を提供する。 Therefore, there are provided a rotor core, a rotor, and a synchronous reluctance rotating electric machine configured using the same, which can suppress a decrease in power factor while enhancing mechanical strength.
実施形態に係る回転子鉄心は、複数のフラックスバリアと、複数の前記フラックスバリアの少なくとも一つ以上に設けられたブリッジと、を備える。前記フラックスバリアは、円弧中心をその外周部に有する円弧形状に構成された空洞部であり、前記ブリッジは前記フラックスバリアの端部以外の場所に架橋するように配置される。前記ブリッジは、前記円弧中心を通る同一の直線上に位置しないように配置される。 The rotor core according to the embodiment includes a plurality of flux barriers and a bridge provided on at least one of the plurality of flux barriers. The flux barrier is a hollow portion configured in an arc shape having an arc center at an outer peripheral portion thereof, and the bridge is disposed so as to be bridged at a place other than an end portion of the flux barrier. The bridges are arranged so as not to be positioned on the same straight line passing through the arc center.
以下、実施形態について図面に基づいて説明する。以下の説明において、回転中心軸Oに対して平行な方向を軸方向と称する。また、回転中心軸Oの周りを回転中心軸Oに対して同軸に周回する方向を周方向と称する。また、回転中心軸Oに対して直行する方向を径方向と称する。また以下の説明において、同様の要素については同様の符号を付与して説明は省略し、異なる要素について説明する。 Hereinafter, embodiments will be described with reference to the drawings. In the following description, a direction parallel to the rotation center axis O is referred to as an axial direction. A direction in which the periphery of the rotation center axis O is circulated coaxially with the rotation center axis O is referred to as a circumferential direction. A direction perpendicular to the rotation center axis O is referred to as a radial direction. In the following description, similar elements are denoted by the same reference numerals, description thereof is omitted, and different elements are described.
(第1実施形態)
以下に第1実施形態について説明する。図1では、同期リラクタンス回転電機1の1/4セクター、すなわち1/4周角度領域、言い換えれば磁極の一極分を示している。各1/4周角度領域において、固定子3及び回転子4は同一構造を備えている。
(First embodiment)
The first embodiment will be described below. FIG. 1 shows a ¼ sector of the synchronous reluctance rotating
図1に示すように、同期リラクタンス回転電機1は固定子3及び回転子4を備えている。固定子3は固定子鉄心10により構成されている。同期リラクタンス回転電機1においては、固定子鉄心10の外周面が図示しないフレームの内周面に嵌合固定されている。固定子鉄心10の径方向中心は、回転中心軸Oと一致している。
As shown in FIG. 1, the synchronous reluctance rotating
固定子鉄心10は、例えば、軟磁性粉を加圧成型して形成され電磁鋼板を複数枚積層して形成されている。固定子鉄心10の内周面には、回転中心軸Oに向かって突出し、周方向に等間隔で配列された複数のティース11が一体成型されている。各ティース11は、固定子鉄心10の回転中心軸Oに対して点対称に、放射状に配置されている。各ティース11は、断面略矩形状に形成されている。隣接する各ティース11間には、それぞれスロット12が形成されている。これらスロット12を介し、各ティース11には、巻線13が集中巻き方式で巻回されてコイルが形成されている。
The
回転子4は、固定子鉄心10の径方向内側に配置されている。回転子4は径方向内側中心部に軸方向に延びる図示しない回転軸を備えており、回転軸の外周に嵌合固定された略円柱状の回転子鉄心15が備えられている。同期リラクタンス回転電機1において、回転軸は回転中心軸Oの周りに配置された図示しないベアリングにより回転自在に支持される。
The rotor 4 is disposed on the radially inner side of the
回転子鉄心15は、複数の薄板円板状の回転子鋼板15aを回転軸方向に積層することにより形成されている。回転子鋼板15aは、例えば軟磁性粉を略円板状に加圧整形し、貫通孔16、フラックスバリア20等を打ち抜くことにより形成される。以下、回転子鉄心15を中心に説明するが、回転子鉄心15に関する説明は、これを構成する回転子鋼板15aにも当てはまる。第1実施形態においては3つのフラックスバリア20が形成されている例を例示している。
The
回転子鉄心15の外周部15bは径方向で対向する各ティース11との間に、所定のエアギャップが形成されるように設定されている。また、回転子鉄心15の径方向中央には、軸方向に貫通する貫通孔16が形成されている。この貫通孔16に図示しない回転軸が圧入される。
The outer
回転子鉄心15には、1/4周の周角度領域のそれぞれに3層の空洞部であるフラックスバリア20(20a、20b、20c)が径方向に並んで形成されている。以下の説明において、フラックスバリア20a、20b、20cを総称して示す場合は、フラックスバリア20と称する。フラックスバリア20において、回転中心軸Oを基準として径方向最外側に第1フラックスバリア20aが形成され、この第1フラックスバリア20aから径方向内側に向かって順に第2フラックスバリア20b、第3フラックスバリア20cが並んで形成されている。第3フラックスバリア20cが回転中心軸Oを基準として径方向の最も内側に配置されている。
In the
フラックスバリア20は巻線13に通電した際に形成される磁束の流れに沿うように形成されている。これにより、回転子鉄心15には、磁束の流れやすい方向と磁束の流れにくい方向が形成される。
The
フラックスバリア20a、20b、20c以外の領域は磁路21(21a、21b、21c、21d)となっている。磁路21は、各フラックスバリア20間、及び、最外周の第1フラックスバリア20aと外周部15bとの間、最内周の第3フラックスバリア20cと貫通孔16との間に設けられている。
Regions other than the
本実施形態において、1/4周の周角度領域に配置された複数のフラックスバリア20a、20b、20cが形成されている領域をフラックスバリア形成領域200とした場合に、隣接するフラックスバリア形成領域200間は、磁束が流れやすい方向、すなわち、各フラックスバリア形成領域200によって磁束の流れが妨げられない方向となっている。この磁束が流れやすい方向に沿った仮想的な線をq軸と称する。q軸に対して、電気的、磁気的に直行する径方向に延伸する仮想的な線をd軸と称する。d軸はフラックスバリア形成領域200間の中央部の径方向に延伸する線となる。また、d軸に直行する方向をフラックスバリア20の長手方向と称する。各フラックスバリア20は、d軸に沿った径方向において多層構造となる。実施形態の場合、フラックスバリア20は3層構造となっている。また、回転子鉄心15の一極とは、隣接するq軸間の領域を意味する。
In the present embodiment, when a region where a plurality of
ここで、同期リラクタンス回転電機1の運転時に、回転子鉄心15において励起される磁束の方向はd軸方向であり、d軸に対して電気的磁気的に直交する方向がq軸となる。本実施形態では、d軸は、q軸に対して電気的、磁気的に直行する場合に限らず、直行する角度からある程度の角度幅、例えば機械角で10度程度の角度を備えてもよい。実施形態では、d軸とq軸は機械角で45度の角度をなしている。
Here, when the synchronous reluctance rotating
個々のフラックスバリア20は、d軸と交わる個所において最も径方向内側に位置するように、径方向内側すなわち回転中心軸O方向に向かって凸となる略三日月形状又は円弧形状となるように湾曲形成されている。また、各フラックスバリア20は、その長手方向両端が、回転子鉄心15の外周部に位置するように湾曲した円弧形状となっている。各フラックスバリア20は、長手方向両端に近い箇所ほどq軸に沿うような向きに、且つ、長手方向中心に近い箇所ほどd軸と直行するような曲率を有して形成されている。
The
q軸方向において、各フラックスバリア20の長手方向両端と、回転子鉄心15の外周部15bとの間の薄肉部は、それぞれブリッジ(以下、外周ブリッジ)26となっている。また、各フラックスバリア20の中央部には、空洞部であるフラックスバリア20の端部以外の場所に架橋するように構成されたブリッジ(以下、中央ブリッジと称する)27、28、29が形成されている。フラックスバリア20は中央ブリッジ27、28、29により複数に分断される。第1フラックスバリア20aは比較的小さく構成されているため回転子鉄心15の機械的強度をあまり低下させていないと考えられる。そこで、実施形態では中央ブリッジは設けられていないが、中央ブリッジを設ける構成としてもよい。
In the q-axis direction, thin portions between the longitudinal ends of each
各フラックスバリア20に共通する円弧中心は、d軸上であって外周部15bの近傍に位置する略点Pとする。中央ブリッジ27は、第2フラックスバリア20bの中央部であって、点Pを通る略d軸上に位置している。中央ブリッジ27は矩形状に構成されており、中央ブリッジ27が延伸する方向すなわち第2フラックスバリア20bに対する中央ブリッジ33、34、35、36の延伸方向又は架橋方向はd軸方向に略一致するように構成されている。
The arc center common to each
中央ブリッジ27の両側部を構成するブリッジ側部27a、27aは略直線状に構成されており、その直線方向はd軸方向に略一致するように構成されている。略三日月形状又は略円弧形状となるように形成されたフラックスバリア20の共通する円弧中心である略点P方向となる。
The
中央ブリッジ28及び29は、第3フラックスバリア20cに設けられている。中央ブリッジ28と29は、第3フラックスバリア20cを略三等分する位置に配置されている。点Pを通過し、d軸に対してプラスマイナスθ度だけ角度を有した線をL1、L2とすると、中央ブリッジ28と29はそれぞれL1,L2上に位置している。
The
中央ブリッジ28、29は矩形状に構成されており、第3フラックスバリア20cおける中央ブリッジ28、29の延伸方向又は架橋方向はそれぞれL1、L2方向に略一致するように構成されている。中央ブリッジ28及び29の両側部を構成するブリッジ側部28a、28a、29a、29aは略直線状に構成されており、その直線方向は、L1方向、L2方向に略一致するように構成されている。
The
従って、矩形状に構成された中央ブリッジ27、28、29の延伸方向もしくは架橋方向、及び略直線状に構成されたブリッジ側部27a、28a、及び29aの直線方向は、略円弧形状に構成された複数のフラックスバリア20の共通する円弧中心である略点P方向に向いている。また、d軸、L1、L2は重なっていない。従って、中央ブリッジ27、28、29は、いずれも同一線上に位置していない。
Therefore, the extending direction or the bridging direction of the
第1実施形態に係る回転子鉄心15によれば、以下の効果を得る。
フラックスバリア20に中央ブリッジ27、28、29が設けられている。より詳細には、第2フラックスバリア20bに中央ブリッジ27が、第3フラックスバリア20cに中央ブリッジ28、29が設けられている。これにより、機械的強度が低いフラックスバリア20形成領域の機械的強度を向上させることができる。従って、回転子鉄心15及びこれにより構成される回転子4の機械的強度が向上し、変形、破損を抑制することができる。従って、回転子4を用いて構成された同期リラクタンス回転電機1の機械的強度が向上し、破損を抑制することができる。
According to the
また、フラックスバリア20に設けられた中央ブリッジ27、28、29は、d軸と外周部15bの交点である点Pを通過する同一の直線上(すなわち、d軸、L1、L2上)に位置していない。従って、中央ブリッジ27、28、29によって形成される磁路が同一の直線上に位置しないため、回転子鉄心15及びこれを用いて構成された回転子4の磁気抵抗を増大させることができ、中央ブリッジ27、28、29からの漏れ磁束を低減させることができる。従って、回転子鉄心15を用いて形成した回転子4、及びこの回転子4を用いて形成した同期リラクタンス回転電機1のトルク及び力率性能の低下を抑制することができる。
Further, the
また、もし、中央ブリッジ27、28、29が局所的に配置されていたのであれば、フラックスバリア20形成領域の局所的な機械的強度を強化する一方、機械的強度が弱い箇所が発生してしまい、結局、この弱い箇所によって変形、破損が発生してしまうため、回転子鉄心15全体の機械的強度の向上は達成できない。第1実施形態に係る回転子鉄心15の構成によれば、中央ブリッジ27、28、29が略均等に分散して配置されるため、フラックスバリア20形成領域全体の機械的強度を効率的に向上させることができる。従って、回転子鉄心15、回転子4及び同期リラクタンス回転電機1の変形、破損を抑制し、機械的強度を向上させる効果を大きくすることができる。
Also, if the
以上のように、第1実施形態によれば、機械的強度を強化しつつ力率の低下を抑制可能な回転子鉄心15、回転子4及びこれを用いた同期リラクタンス回転電機1を提供することができる。
As described above, according to the first embodiment, it is possible to provide the
(第2実施形態)
次に第2実施形態について図2を参照して説明する。図2は、同期リラクタンス回転電機1の固定子3を省略し、回転子鋼板15aのみを例示したものである。
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 2 illustrates only the
第2実施形態では、回転子鉄心15において、4層のフラックスバリア22(22a、22b、22c、22d)が設けられている。より具体的には、回転子鉄心15の外周側から径方向内側に向かって、フラックスバリア22a、22b、22c、22dの順で4つのフラックスバリア22が設けられている。それぞれのフラックスバリア22は三日月形状もしくは円弧形状を備えており、その共通する円弧中心は略点Pとなる。それぞれのフラックスバリア22の端部には外周ブリッジ26が設けられている。
In the second embodiment, the
フラックスバリア22(22a、22b、22c、22d)以外の領域は磁路23(23a、23b、23c、23d、23e)となっている。磁路23は、各フラックスバリア22間、及び、最外周の第1フラックスバリア23aと外周部15bとの間、径方向最内側の第4フラックスバリア20dと貫通孔16との間に形成されている。
Regions other than the flux barrier 22 (22a, 22b, 22c, 22d) are magnetic paths 23 (23a, 23b, 23c, 23d, 23e). The
各フラックスバリア22には中央ブリッジ30,31、32、33,34、35、36が設けられている。最外周の第1フラックスバリア22aには第1実施形態と同様に中央ブリッジは設けられていない。最外周から2番目に位置する第2フラックスバリア22bには中央部に一つの中央ブリッジ30が設けられている。最外周から3番目の第3フラックスバリア22cには二つの中央ブリッジ31、32が設けられている。最外周から4番目に位置する第4フラックスバリア22dには4つの中央ブリッジ33、34、35、36が設けられている。
Each
回転子鉄心15において、点Pを通り、d軸に対してプラスマイナスθ度の角度を有した直線をQ1、Q2とする。また、点Pを通り、d軸に対してプラスマイナスα度の角度を有した直線をR1、R2とする。また、点Pを通り、d軸に対してプラスマイナスβ度の角度を有した直線をS1、S2とする。この場合、各角度の関係はθ<α<βである。
In the
中央ブリッジ30は、第2フラックスバリア22bの中央部であって、略d軸上に位置している。中央ブリッジ30は矩形状に構成されており、第2フラックスバリア22bに対する中央ブリッジ30の延伸方向又は架橋方向は、はd軸方向に略一致するように構成されている。中央ブリッジ30の両側部を構成するブリッジ側部30a、30aは略直線状に構成されており、その直線方向は、d軸方向に略一致するように構成されている。
The
中央ブリッジ31及び32は、第3フラックスバリア22cに設けられている。中央ブリッジ31と32は、第3フラックスバリア22cを略三等分する位置に配置されている。中央ブリッジ31と32はそれぞれR1、R2上に位置している。
The center bridges 31 and 32 are provided in the
中央ブリッジ31、32は矩形状に構成されており、第3フラックスバリア22cに対する中央ブリッジ31,32の延伸方向又は架橋方向は、はそれぞれR1、R2方向に略一致するように構成されている。中央ブリッジ31の両側部を構成するブリッジ側部31a、31aは略直線状に構成されており、その直線方向はR1方向に略一致するように構成されている。中央ブリッジ32の両側部を構成するブリッジ側部32a、32aは略直線状に構成されており、その直線方向はR2方向に略一致するように構成されている。
The
中央ブリッジ33、34、35、36は、第4フラックスバリア22dに配置されている。中央ブリッジ33はS1上に位置し、中央ブリッジ34はQ1上に位置し、中央ブリッジ35はQ2上に位置し、中央ブリッジ36はS2上に位置している。
The
中央ブリッジ33、34、35、36は矩形状に構成されており、第4フラックスバリア22dに対する中央ブリッジ33、34、35、36の延伸方向又は架橋方向は、それぞれS1、Q1、Q2、S2方向に略一致するように構成されている。
The
中央ブリッジ33の両側部を構成するブリッジ側部33a、33aは略直線状に構成されており、その直線方向はS1方向に略一致するように構成されている。中央ブリッジ34のブリッジ側部34a、34aは略直線状に構成されており、その直線方向はQ1方向に略一致するように構成されている。中央ブリッジ35の両側部を構成するブリッジ側部35a、35aは略直線状に構成されており、その直線方向はQ2方向に略一致するように構成されている。中央ブリッジ36の両側部を構成するブリッジ側部36a、36aは略直線状に構成されており、その直線方向はS2方向に略一致するように構成されている。
The
従って、矩形状に構成された中央ブリッジ30、31、32、33、34、35、36の延伸方向、及び略直線状に構成されたブリッジ側部30a、31a、32a、33a、34a、35a、36a、の直線方向は、略円弧形状に構成されたフラックスバリア20の共通する円弧中心である略点P方向に向いている。また、d軸、Q1、Q2、R1、R2、S1、S2は重なっていない。従って、中央ブリッジ30、31、32、33、34、35、36は、いずれも同一線上に位置していない。
Therefore, the extending direction of the
上記に説明した第2実施形態によれば、第1実施形態と同様の効果を得る。さらに、径方向内側に近い位置のフラックスバリア22であるほど、中央ブリッジ30の数が多くなっている。中央ブリッジ30の数は、中央ブリッジが設けられたフラックスバリア22のうちで最も最外周に位置する第2フラックスバリア22bには一つの中央ブリッジ30が配置され、中央ブリッジ30はフラックスバリア22の中央部に位置するd軸上に配置されている。第2フラックスバリア22bの次に径方向内側に位置する第3フラックスバリア22cには2つの中央ブリッジ31、32が配置され、第3フラックスバリア22cの中央配置を避けて、略均等距離となるように配置されている。さらにその次の径方向内側に位置する第4フラックスバリア22dには、4つの中央ブリッジ34〜36が配置され、第4フラックスバリア22dの中央配置を避けて略均等距離となるように配置されている。
According to the second embodiment described above, the same effects as those of the first embodiment are obtained. Furthermore, the number of
このように、最外周から遠ざかるに従ってすなわち径方向内側に近づくに従ってフラックスバリア22に配置する中央ブリッジ30の数を増加させるとともに、中央ブリッジ30を一つ配置したフラックスバリア22(この場合第2フラックスバリア22b)の径方向内側に位置するフラックスバリア22(この場合フラックスバリア22c、22d)には、偶数個の中央ブリッジ30を配置している。これにより、固定子3の機械的強度を向上させながら、中央ブリッジ30が同一の直線上に配置されることを回避することができる。これにより、中央ブリッジ30〜36によって形成される磁路が同一の直線上に位置しないため、回転子鉄心15すなわちこれを用いて構成された回転子4の磁気抵抗を増大させることができ、中央ブリッジ30〜36からの漏れ磁束を低減させることができる。従って、回転子鉄心15を用いて形成した回転子4、及びこの回転子4を用いて形成した同期リラクタンス回転電機1のトルク及び力率性能を向上させることができる。
As described above, the number of the
以上のように、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 As mentioned above, although several embodiment of this invention was described, these embodiment is shown as an example and is not intending limiting the range of invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.
1…同期リラクタンス回転電機、3…固定子、4…回転子、10…固定子鉄心、15…回転子鉄心、15a…回転子鋼板、15b…外周部、20、20a、20b、20c、22、22a、22b、22c、22d…フラックスバリア、26…端部ブリッジ、27、28、29、30、31、32、33、34、35、36…中央ブリッジ、27a、28a、29a、30a、31a、32a、33a、34a、35a、36a…ブリッジ側部
DESCRIPTION OF
Claims (8)
複数の前記フラックスバリアの少なくとも一つ以上に設けられた一つ又は複数のブリッジと、を備え、
前記フラックスバリアは、共通する円弧中心をその外周部の近傍に有する円弧形状に構成された空洞部であり、
前記ブリッジは前記フラックスバリアの端部以外の場所に架橋するように配置されるものであり、
前記ブリッジは、前記円弧中心を通る同一の直線上に位置しないように配置される、
回転子鉄心。 Multiple flux barriers;
One or more bridges provided on at least one of the plurality of flux barriers,
The flux barrier is a hollow portion configured in an arc shape having a common arc center in the vicinity of the outer peripheral portion thereof,
The bridge is arranged so as to crosslink at a place other than the end of the flux barrier,
The bridge is arranged not to be located on the same straight line passing through the arc center.
Rotor core.
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