JP2019187199A - 永久磁石回転子および回転電気機械 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】ロータコア11と、ロータコア11に埋設され、磁極を構成する複数の永久磁石16,17,18とを有する永久磁石回転子10において、複数の永久磁石16,17,18は、それぞれロータコア11の内周側に向かって凸の弧形状を有し、ロータコア11の外周側から内周側に向かって、2層以上の層状に配列されており、各永久磁石16,17,18の弧形状の開角および/または残留磁束密度は、所定の関係性を満たす。
【選択図】図2
Description
前記ロータコアの回転中心から前記1層目、2層目、3層目に配置された前記永久磁石の弧形状の焦点の平均位置までの距離をRθ、前記ロータコアの回転中心から前記ロータコアの外周までの距離をR、前記磁極の数をnとし、θr=180°/nとして、
Rθ<R(1+cosθr)/2cosθrである場合に、θM3<θM2<θM1。
Rθ≧R(1+cosθr)/2cosθrである場合に、θM3≦θM1<θM2。
Rθ<R(1+cosθr)/2cosθrである場合に、Br3<Br2<Br1。
Rθ≧R(1+cosθr)/2cosθrである場合に、Br3≦Br1<Br2。
前記ロータコアの回転中心から前記1層目、2層目、3層目に配置された前記永久磁石の弧形状の焦点の平均位置までの距離をRθ、前記ロータコアの回転中心から前記ロータコアの外周までの距離をR、前記磁極の数をnとし、θr=180°/nとして、
Rθ<R(1+cosθr)/2cosθrである場合に、Br3<Br2<Br1。
Rθ≧R(1+cosθr)/2cosθrである場合に、Br3≦Br1<Br2。
本発明の一実施形態にかかる回転電気機械の概略を、図1に示す。回転電気機械1は、本発明の一実施形態にかかる永久磁石回転子10を有している。本明細書においては、回転電気機械1がモータである場合を中心に説明するが、発電機である場合にも、同様の構成を適用することができる。
上記のように、ロータ(永久磁石回転子)10は、ロータコア11と、永久磁石16,17,18とを有している。ロータ10の構成を、図1,2に示す。図2は、ロータ10の磁極1つ分を示したものであり、永久磁石16,17,18の極性を磁極ごとに交互に変えながら、複数(ここでは8個)の磁極を回転対称に連続的に配置したものが、図1のようなロータ10の全体構造となる。なお、以下では、「周方向」「内周」「外周」「径方向」等、回転体における方向を示す語は、特記しないかぎり、ロータコア11についての方向を指すものとする。
本実施形態にかかるロータ10においては、弧形状の永久磁石16,17,18を複数層で配置し、かつ各層を構成する永久磁石16,17,18の形状および配置、残留磁束密度が、所定の関係性を満たすように規定することにより、モータ1のステータ30とロータ10の間に設けられたエアギャップ50に、永久磁石16,17,18によって形成される磁束密度分布の波形において、高調波成分を低減することができる。後の実施例で示すように、複数層の弧形状の永久磁石16,17,18を所定の配置とすることで、高調波成分を低減しうる永久磁石の配置として提唱されてきた、V字配置や▽配置等を採用する場合よりも、高調波成分低減を効果的に達成することができる。
本実施形態にかかるロータ10においては、3層の永久磁石16,17,18の弧形状の開角θM1,θM2,θM3が、所定の関係を有している。ここで、第一層16、第二層17、第三層18を構成する永久磁石のそれぞれの開角θM1,θM2,θM3とは、永久磁石16,17,18の弧形状を円弧に近似した際の、円弧の中心角を指す。つまり、各永久磁石16,17,18の弧形状を円弧に近似して、各円弧の中心(焦点)c1,c2,c3と、各永久磁石16,17,18の長手方向両端縁とを直線で結んだ際に、2本の直線がなす角度を指す。
Rθ<R0である場合には、式(1)の関係を満たす。
θM3<θM2<θM1 (1)
Rθ≧R0である場合には、式(2)の関係を満たす。
θM3≦θM1<θM2 (2)
θM2<θM1 (3)
上記のように、永久磁石16,17,18のそれぞれが発生する磁束は、その永久磁石の残留磁束密度と断面積の積によって表されるので、全永久磁磁石16,17,18の残留磁束密度Br1,Br2,Br3が相互に等しい場合に、永久磁石16,17,18の断面積を定める開角θM1,θM2,θM3の関係を上記式(1)および式(2)によって規定しておくことで、エアギャップ50における磁束密度分布の高調波成分を低減することができる。また、各永久磁石16,17,18の残留磁束密度Br1,Br2,Br3が、任意の関係性をとって相互に異なっている場合にも、開角θM1,θM2,θM3の関係を式(1)および式(2)によって規定しておくことで、式(1)および式(2)を満たさない場合と比較して、エアギャップ50における磁束密度分布の高調波成分を低減することができる。
Rθ<R0である場合には、式(4)の関係を満たす。
Br3<Br2<Br1 (4)
Rθ≧R0である場合には、式(5)の関係を満たす。
Br3≦Br1<Br2 (5)
Br2<Br1 (6)
図2に示した実施形態にかかるロータ10においては、3層の永久磁石16,17,18の焦点、つまり略円弧形状の中心c1,c2,c3が、回転子d軸に沿って、相互に異なる位置に設けられている。具体的には、第一層の永久磁石16の中心c1、第二層の永久磁石17の中心c2、第三の永久磁石18の中心c3が、この順に、回転子d軸上で、ロータコア11の外周側から内周側に向かって、相互に離れた位置に配置されている。
・永久磁石の厚み
3層の永久磁石16,17,18の具体的な寸法は、特に限定されるものではない。しかし、3層の永久磁石16,17,18の厚み(ロータコア11の外周側の端縁と内周側の端縁の間の寸法)は、第一層の永久磁石16の厚みをT1、第二層の永久磁石17の厚みをT2、第三層の永久磁石18の厚みをT3とした場合に、T1≦T2≦T3の関係を満たすことが好ましい。T1≦T2<T3、またT1<T2<T3の関係を満たすと、より好ましい。
永久磁石が3層で設けられる場合に、第一層の永久磁石16と第二層の永久磁石17の間の距離L1と、第二層の永久磁石17と第三層の永久磁石18の間の距離L2は、相互に等しくてもよいが、L1の方がL2より大きくなっている形態が好ましい(L1>L2)。これは、層間距離L1およびL2が、それぞれ、図3に示す第一層の永久磁石16と第二層の永久磁石17の中心角θ1とθ2の差、および第二層の永久磁石17と第三層の永久磁石18の中心角θ2とθ3の差によって定まるからである。後に説明するように、中心角θ1,θ2,θ3は、階段状の磁束密度分布波形の段差の機械角(α,β,γ)におおむね対応するものであり、エアギャップ50に形成される磁束密度分布の波形を正弦波に近づけるためには、θ1とθ2の間の差の方が、θ2とθ3の間の差よりも大きいことが好ましい。この場合に、L1>L2となる。
永久磁石16,17,18は、ラジアル配向の磁化方向を有していることが好ましい。つまり、永久磁石16,17,18のそれぞれの磁化方向が、焦点から放射状に広がっているとよい。さらに、永久磁石16,17,18のそれぞれについて、磁化方向の焦点が、形状の焦点、つまり弧形状の焦点(中心)c1,c2,c3と一致していることが好ましい。これらの場合には、モータ1の出力トルクを高く維持しつつ、エアギャップ50における磁束密度分布波形の高調波成分を低減しやすくなる。さらに、コイルの界磁磁束による磁石への逆磁界に対し、ラジアル配向とした磁石磁化方向と逆磁界が90度に近い角度で交差することから、磁石の減磁耐力が向上する。永久磁石16,17,18の磁化方向は、製造時の結晶方向制御により、制御することができる。
上記のように、本実施形態にかかるロータ10においては、エアギャップ50の磁束密度分布の波形において、高調波成分を低減する観点から、永久磁石16,17,18の形状や配置、残留磁束密度等の構成パラメータを規定している。磁束密度分布の波形において、高調波成分を効果的に低減するためには、永久磁石16,17,18の構成パラメータを適切に設定することに加え、永久磁石16,17,18の構成パラメータと、磁束密度分布の波形の相関を正確に評価することも、重要となる。
B1=φ1/(R・θ1・L)
B2=φ2/(R・(θ2−θ1)・L)
B3=φ3/(R・(θ3−θ2)・L)
本発明の実施形態にかかるロータにおいては、弧形状の永久磁石を複数層で配置して、さらに、開角等、永久磁石の構成パラメータについて、層間での関係性を規定することによって、エアギャップに形成される磁束密度分布の波形において、高調波成分の低減を達成している。ここでは、正弦波に近い目標波形を想定して、その目標波形を再現する磁束密度分布を与えうる永久磁石の構成パラメータを例示することで、磁束密度分布波形と永久磁石の構成パラメータの関係の検討について、説明する。
上記のように、ロータコアに3層の永久磁石を埋設する場合には、磁束密度の波形が、3段の階段状になる。そこで、基本波の正弦波にある程度近い階段状の波形として、図4に示す初期波形を想定する。ここでは、波形を規定する波形パラメータを、(α,β,γ,A,B)=(35°,57°,79°,0.73,0.39)としている。
・α:25°〜45°
・β:55°〜65°
・γ:75°〜85°
・A:0.58〜0.78
・B:0.25〜0.45
次に、上記(1−1)で得られた適正領域の波形パラメータによって表現される正弦波に近い磁束密度分布波形を与えるような、永久磁石の構成パラメータを見積もる。
次に、永久磁石の弧形状の中心の位置と、各層の永久磁石の開角の関係性との相関について、確認した。
Rθ<R0である場合:θM3<θM2<θM1 (1)
Rθ≧R0である場合:θM3≦θM1<θM2 (2)
上記のように、本発明の実施形態にかかるロータにおいては、弧形状の永久磁石を複数層で配置し、かつ、永久磁石の構成パラメータを適切に規定することで、エアギャップに形成される磁束密度分布の波形において、高調波成分の低減を達成している。一方、これまでに、磁束密度分布波形の高調波成分を低減するためのロータコアの構成として、種々の形態が提唱されている。そこで、各形態による高調波成分低減の効果について、比較を行う。
・(a)一層V字配置1:厚みの大きい平板状永久磁石を一層のV字形に配置している。さらにロータコアにフラックスバリアを設けている。ロータコアの外周面には凹部を設けている。
・(b)一層V字配置2:上記(a)のモデルで、ロータコアの外周面に凹部を設けない形態としている。
・(c)一層V字配置3:厚みの小さい平板状永久磁石を一層のV字形に配置している。フラックスバリアおよびロータコア外周の凹部は設けていない。
・(d)二層V字配置:上記(c)の永久磁石の外周側に、V字配置の平板状永久磁石を追加し、2層のV字形配置としている。
・(e)▽配置:上記(c)のV字形配置をとる2つの永久磁石の間の位置に、2つの永久磁石の間を渡すように、永久磁石を1つ追加し、3つの永久磁石が三角形の配置をとるようにしている。
・(f)三層円弧配置:上記本発明の実施形態にかかる配置としている。磁束密度は全永久磁石において同じとしている。
各モデルにおける永久磁石の量は、永久磁石磁束の磁束鎖交数が、モデル間でほぼ同じになるように設定している。
10 ロータ(永久磁石回転子)
11 ロータコア
11a ロータコアの外周面
11b 凹部
12 中空部
13 第一層のスロット
14 第二層のスロット
15 第三層のスロット
16 第一層の永久磁石
17 第二層の永久磁石
18 第三層の永久磁石
20 フラックスバリア
21 ブリッジ
22 空隙
30 ステータ(固定子)
50 エアギャップ
c 各永久磁石の中心(焦点)
c1 第一層の永久磁石の中心(焦点)
c2 第二層の永久磁石の中心(焦点)
c3 第三層の永久磁石の中心(焦点)
d’ 回転子d軸
q’ 回転子d軸に対して電気角で90°隔てた軸(q’軸)
L1,L2 層間の距離
θM1 第一層の開角
θM2 第二層の開角
θM3 第三層の開角
Claims (9)
- ロータコアと、前記ロータコアに埋設され、磁極を構成する複数の永久磁石とを有する永久磁石回転子において、
前記複数の永久磁石は、それぞれ前記ロータコアの内周側に向かって凸の弧形状を有し、前記ロータコアの外周側から内周側に向かって、3層以上の層状に配列されており、
前記ロータコアの外周側から1層目、2層目、3層目に配置された前記永久磁石の前記弧形状の開角を、それぞれθM1、θM2、θM3として、θM1、θM2、θM3が、以下の関係を満たすことを特徴とする永久磁石回転子。
前記ロータコアの回転中心から前記1層目、2層目、3層目に配置された前記永久磁石の弧形状の焦点の平均位置までの距離をRθ、前記ロータコアの回転中心から前記ロータコアの外周までの距離をR、前記磁極の数をnとし、θr=180°/nとして、
Rθ<R(1+cosθr)/2cosθrである場合に、θM3<θM2<θM1。
Rθ≧R(1+cosθr)/2cosθrである場合に、θM3≦θM1<θM2。 - 前記ロータコアの外周側から1層目、2層目、3層目に配置された前記永久磁石の残留磁束密度を、それぞれBr1、Br2、Br3として、Br1、Br2、Br3が、以下の関係を満たすことを特徴とする請求項1に記載の永久磁石回転子。
Rθ<R(1+cosθr)/2cosθrである場合に、Br3<Br2<Br1。
Rθ≧R(1+cosθr)/2cosθrである場合に、Br3≦Br1<Br2。 - ロータコアと、前記ロータコアに埋設され、磁極を構成する複数の永久磁石とを有する永久磁石回転子において、
前記複数の永久磁石は、それぞれ前記ロータコアの内周側に向かって凸の弧形状を有し、前記ロータコアの外周側から内周側に向かって、3層以上の層状に配列されており、
前記ロータコアの外周側から1層目、2層目、3層目に配置された前記永久磁石の残留磁束密度を、それぞれBr1、Br2、Br3として、Br1、Br2、Br3が、以下の関係を満たすことを特徴とする永久磁石回転子。
前記ロータコアの回転中心から前記1層目、2層目、3層目に配置された前記永久磁石の弧形状の焦点の平均位置までの距離をRθ、前記ロータコアの回転中心から前記ロータコアの外周までの距離をR、前記磁極の数をnとし、θr=180°/nとして、
Rθ<R(1+cosθr)/2cosθrである場合に、Br3<Br2<Br1。
Rθ≧R(1+cosθr)/2cosθrである場合に、Br3≦Br1<Br2。 - ロータコアと、前記ロータコアに埋設され、磁極を構成する複数の永久磁石とを有する永久磁石回転子において、
前記複数の永久磁石は、それぞれ前記ロータコアの内周側に向かって凸の弧形状を有し、前記ロータコアの外周側から内周側に向かって、2層の層状に配列されており、
前記ロータコアの外周側から1層目および2層目に配置された前記永久磁石の前記弧形状の開角を、それぞれθM1およびθM2として、
θM2<θM1であることを特徴とする永久磁石回転子。 - 前記ロータコアの外周側から1層目および2層目に配置された前記永久磁石の残留磁束密度を、それぞれBr1およびBr2として、
Br2<Br1であることを特徴とする請求項4に記載の永久磁石回転子。 - 前記複数の永久磁石の前記弧形状の焦点が、前記ロータコアの外周側に配置された永久磁石から内周側に配置された永久磁石の順に、前記ロータコアの外周側から内周側に向かって、相互に離れて配置されていることを特徴とする請求項1から5のいずれか1項に記載の永久磁石回転子。
- 前記複数の永久磁石は、金属磁石よりなることを特徴とする請求項1から6のいずれか1項に記載の永久磁石回転子。
- 請求項1から7のいずれか1項に記載の永久磁石回転子と、
前記永久磁石回転子との間にエアギャップを有して配置された固定子とを有することを特徴とする回転電気機械。 - 前記複数の永久磁石によって前記エアギャップに形成される磁束密度分布の波形において、全高調波歪み率が23%以下であることを特徴とする請求項8に記載の回転電気機械。
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