JP2021010284A - Outer rotation type surface magnet rotating electric machine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、外転型表面磁石回転電機に関する。 The present invention relates to an abduction type surface magnet rotating electric machine.
電気・機械エネルギー変換装置である回転電機は、さまざまな機器に内蔵されており、機器の小型化に伴い、回転電機の小型化も求められている。回転電機の小型化の手段の一つとして、外転型永久磁石回転電機が用いられている。外転型永久磁石回転電機は、コイルを取り付けた固定子の外周側に、永久磁石を取り付けた回転子を配置した構成である。外転型永久磁石回転電機は、内転型永久磁石回転電機に比べ、回転子−固定子間間隙(ギャップ)の半径が大きくなり、回転子が外側にあるため1極分の周長が長くなることから、径方向から見て面積の大きな磁石を配置できるという特徴がある。これにより、高出力化でき、回転電機の小型化が可能となる。 The rotary electric machine, which is an electric / mechanical energy conversion device, is built in various devices, and as the devices are miniaturized, the rotary electric machine is also required to be miniaturized. An abduction type permanent magnet rotary electric machine is used as one of the means for miniaturizing the rotary electric machine. The abduction type permanent magnet rotating electric machine has a configuration in which a rotor with a permanent magnet is arranged on the outer peripheral side of a stator to which a coil is attached. Compared to the adduction type permanent magnet rotary electric machine, the abduction type permanent magnet rotary electric machine has a larger radius of the gap between the rotor and the stator, and the circumference of one pole is longer because the rotor is on the outside. Therefore, there is a feature that a magnet having a large area when viewed from the radial direction can be arranged. As a result, the output can be increased and the rotary electric machine can be miniaturized.
外転型永久磁石回転電機は、磁石の外周側に回転子鉄芯があるため、遠心力に対する磁石の保持の問題が少ないため、表面磁石型が用いられることが多い。表面磁石型により、回転子コア内の磁束の短絡が少なくなるため、有効磁束を増加でき、高出力化できる。 Since the abduction type permanent magnet rotating electric machine has a rotor iron core on the outer peripheral side of the magnet, there is little problem of holding the magnet against centrifugal force, so that the surface magnet type is often used. Since the surface magnet type reduces short circuits of magnetic flux in the rotor core, the effective magnetic flux can be increased and the output can be increased.
回転電機の課題の一つとして、トルクリプル低減がある。トルクリプルはトルクの脈動のことである。トルクリプルは駆動装置の振動や騒音の原因となる。 One of the issues of rotary electric machines is reduction of torque ripple. Torque ripple is the pulsation of torque. Torque ripple causes vibration and noise of the drive unit.
トルクリプルの低減に関しては、特許文献1に記載された技術がある。回転電機のロータは、周方向に所定の間隔で形成された複数の磁石挿入孔を有する略円環状のロータコアと、磁石挿入孔に挿入される永久磁石とを備える。ロータコアは電磁鋼板を多数積層して形成され、ロータコアの磁石挿入孔よりも外周側には、永久磁石によって構成される各磁極部の略d軸上に孔部を備えることを特徴としている。
Regarding the reduction of torque ripple, there is a technique described in
また、トルクリプルの低減に関しては、特許文献2に記載された技術がある。円筒形状を有する多極着磁した磁石及び該磁石の径方向一方側の面に当接して設けられるバックヨークを有する磁石保持部と、前記磁石の他方側の面に相対向位置する磁界発生部とを具備し、前記磁石保持部及び前記磁界発生部の何れか一方が回転自在に設けられたスピンドルモータにおいて、前記バックヨークは前記磁石と当接する側の面に、前記磁石の隣り合う磁極の境界線に沿って凹部を設けることを特徴としている。
Further, regarding the reduction of torque ripple, there is a technique described in
特許文献1では、磁石に対しギャップ側に空隙を設けることでトルクリプルを低減している。しかし、表面磁石型では、磁石がギャップに面しているため、適応が困難である。
In
特許文献2では、磁石端部の外形側に溝(非磁性部)を設けることでトルクリプルを低減している。しかし、非磁性部により磁気抵抗が増加するため、磁石端部の磁束を有効に利用できなくなる。また、磁石に何らかの理由で衝撃が加わった場合、磁石を保持する部材が少ないため、磁石が破損する可能性が高くなる。
In
本発明の目的は、磁石破損や磁気抵抗の増加のデメリットを低減するとともに、トルクリプルを低減する外転型表面磁石回転電機を提供することにある。 An object of the present invention is to provide an abduction type surface magnet rotating electric machine that reduces the demerits of magnet breakage and increase in magnetic resistance and reduces torque ripple.
本発明の好ましい一例は、回転子コアと、前記回転子コアの内径側に配置された永久磁石とを有する回転子と、前記回転子の内径側に間隙を介して配置される固定子コアと、前記固定子コアに取り付けられたコイルとを有する固定子とを有し、前記回転子コアは、前記永久磁石を取付けた面の外径側に、1極あたり複数の空隙を有する外転型表面磁石回転電機である。 A preferred example of the present invention is a rotor having a rotor core, a permanent magnet arranged on the inner diameter side of the rotor core, and a stator core arranged on the inner diameter side of the rotor via a gap. The rotor core has a stator having a coil attached to the stator core, and the rotor core is an abduction type having a plurality of voids per pole on the outer diameter side of the surface to which the permanent magnet is attached. It is a surface magnet rotating electric machine.
本発明によれば、磁石破損や磁気抵抗の増加のデメリットを低減するとともに、トルクリプルの低減が可能となる。 According to the present invention, it is possible to reduce the demerits of magnet breakage and increase in magnetic resistance, and also to reduce torque ripple.
以下、図面に基づいて実施例を説明する。 Hereinafter, examples will be described with reference to the drawings.
図1に、本発明の外転型表面磁石回転電機の実施例1を示す。図1は、外転型表面磁石回転電機の径方向の断面図である。径方向は、図1の中心から外周方向をいう。本実施例の外転型表面磁石回転電機1は、回転子コア2と永久磁石3により構成された回転子4と、回転子4の内径側に所定の間隙を設けて配置され、固定子コア5とコイル6により構成された固定子7を備える。
FIG. 1 shows Example 1 of the abduction type surface magnet rotary electric machine of the present invention. FIG. 1 is a radial sectional view of an abduction type surface magnet rotating electric machine. The radial direction refers to the outer peripheral direction from the center of FIG. The abduction type surface magnet rotating
ここで、永久磁石3は、回転子コア2の表面に配置される表面磁石型とすることが望ましい。これにより、永久磁石3を回転子コア2の表面に配置することにより回転子内で磁石磁束が短絡する漏れ磁束を低減でき、有効磁束が増加するため、高出力化できる。
Here, it is desirable that the
また、コイル6は、集中巻により固定子コア5に取り付けられることが望ましい。これにより、コイル6の軸方向端部の長さが短くなり、外転型表面磁石回転電機1の軸方向長さが短くなり、小型化できる。さらに、固定子コア5のコイル6が配置される部分(スロット8)はオープンスロットとすることが望ましい。これにより、コイル6の挿入が容易となり、組み立て性が向上する。
Further, it is desirable that the
さらに、固定子コア5の間隙側付近(ティース先端)の曲率半径は、固定子7の半径より小さな半径を持たせることが望ましい。これにより、周方向の磁気抵抗の変化率が低減でき、トルクリプルが低減できる。
Further, it is desirable that the radius of curvature near the gap side (tip of the tooth) of the
ここで、回転子コア2の永久磁石3を取付けた取付け面の外径側に、空隙9を設けている。図2は、空隙9付近の拡大図を示す。空隙を設けることで、固定子側から見た磁気抵抗の変化が平準化され、磁束に重畳する高調波成分が低減し、トルクリプルを低減できる。図2では、空隙9は磁石当たり2つ配置している。
Here, a
空隙9が1つの場合、最適なトルクリプル低減を得られる空隙位置にするために空隙が大きくなる可能性がある。空隙9は非磁性部であるため、磁石から見ると磁気抵抗となる。空隙が多くなると磁気抵抗も大きくなるため電気特性が低下する。一方、互いに接触しない空隙が2つ以上形成された場合は、空隙間は磁性体であり磁束が通ることができ、電気特性の低下を少なくできる。
When there is only one
また、凹みや溝ではなく空隙とすることで、磁石の配置部の形状は一定となるため、製造方法を変える必要がなく、また衝撃による磁石破損のリスクも従来通りであるため、簡単に本構造を適用することができる。 In addition, by using voids instead of dents and grooves, the shape of the magnet placement part becomes constant, so there is no need to change the manufacturing method, and the risk of magnet damage due to impact is the same as before, so this book is easy. The structure can be applied.
なお、図1は40極48スロットの外転型表面磁石回転電機を示したが、この形状に限定するものではなく、他のスロットコンビネーションでも同様の効果を得られる。また、外転型回転電機が両回転する場合には、2つの空隙位置は、図2のように永久磁石3の中心軸に対し対称であることが望ましい。
Although FIG. 1 shows an abduction type surface magnet rotary electric machine having 40 poles and 48 slots, the shape is not limited to this, and the same effect can be obtained with other slot combinations. Further, when the abduction type rotary electric machine rotates both times, it is desirable that the positions of the two gaps are symmetrical with respect to the central axis of the
さらに、空隙には空気が充填されている必要はなく、樹脂等の非磁性体でもよい。空隙の形状に関して、図2では半円形状としたが、円形や三角形、台形等でも良く、形状を限定するものではない。加えて、空隙の大きさや形状は1つの磁極内で統一する必要はなく、また磁極ごとに空隙の大きさ形状、位置を変えてもよい。また、永久磁石3は、1極あたり1つ以上配置し、隣接する磁極の永久磁石と略一定の空間を持って周方向に配置されるようにしてよい。
Further, the voids do not need to be filled with air and may be a non-magnetic material such as resin. Regarding the shape of the void, although it is a semicircular shape in FIG. 2, it may be circular, triangular, trapezoidal, or the like, and the shape is not limited. In addition, the size and shape of the gap need not be unified within one magnetic pole, and the size and shape of the gap may be changed for each magnetic pole. Further, one or more
実施例1によれば、永久磁石3を取付けた回転子コア2の取付け面の外径側であって回転子コア2内に、空隙9を配置しており、磁石を保持する部材に影響を与えず、磁石が破損する可能性が低減できる。さらに、磁気抵抗の増加のデメリットを低減しつつ、トルクリプルの低減が可能となる。
According to the first embodiment, the
図3は、実施例2となる外転型表面磁石回転電機を示す図である。実施例1では1極当たりの空隙の数を2つとして検討していたが、空隙の数を2つ以上としてもよい。図4は、空隙数に対する6次トルクリプルを示す。6次トルクリプルは、基本波周波数の6の倍数の脈動である。 FIG. 3 is a diagram showing an abduction type surface magnet rotating electric machine according to a second embodiment. In Example 1, the number of voids per pole was considered to be two, but the number of voids may be two or more. FIG. 4 shows the sixth torque ripple with respect to the number of voids. The sixth torque ripple is a pulsation that is a multiple of 6 of the fundamental frequency.
なお、前述したように空隙位置によりトルクリプル低減効果は異なる。そのため、最適化手法により同じ基準で空隙位置、大きさを規定した。図4から、空隙数を2から4にすることで、トルクリプルが下がり、トルクリプルの低減効果が大きく増加することがわかる。 As described above, the torque ripple reduction effect differs depending on the position of the gap. Therefore, the void position and size were defined by the same standard by the optimization method. From FIG. 4, it can be seen that by changing the number of voids from 2 to 4, the torque ripple is reduced and the effect of reducing the torque ripple is greatly increased.
しかし、空隙数を4から6としてもトルクリプル低減効果は変化が小さい。空隙を増加すると加工数が増加し、コストが増加する可能性があるため、妄りに増加することは不適切である。よって、空隙数は4とすることが好ましい。 However, even if the number of voids is set to 4 to 6, the effect of reducing torque ripple is small. Increasing the voids increases the number of processes and may increase the cost, so it is inappropriate to increase the number of voids. Therefore, the number of voids is preferably 4.
実施例2によれば、1極当たりの空隙数を4とすることにより、トルクリプルを低減する効果を大きくすることができる。 According to the second embodiment, by setting the number of voids per pole to 4, the effect of reducing torque ripple can be increased.
図5は、実施例3の外転型表面磁石回転電機を示す図である。実施例2では6次のトルクリプルの低減効果を検討したが、回転電機の不整によるトルクリプル低減効果を検討する。 FIG. 5 is a diagram showing an abduction type surface magnet rotating electric machine of the third embodiment. In the second embodiment, the effect of reducing the sixth-order torque ripple was examined, but the effect of reducing the torque ripple due to the irregularity of the rotating electric machine is examined.
10極12スロットの外転型表面磁石回転電機の場合、回転電機の不整により2次、2.4次のトルクリプルが発生する。図5に示すように、永久磁石3の中央部と空隙までの最短距離をW1、永久磁石3の端部と空隙との最短距離をW2とする。
In the case of a 10-pole, 12-slot abduction type surface magnet rotating electric machine, secondary and 2.4th-order torque ripples are generated due to irregularities in the rotating electric machine. As shown in FIG. 5, the shortest distance between the central portion of the
図6にW1>W2とした場合のトルクリプルと、W1<W2とした場合のトルクリプルの比較を示す。なお、空隙が複数ある場合は最も大きな空隙を対象とし、同サイズの空隙が複数ある場合は最も磁石中心に近い空隙を対象とする。 FIG. 6 shows a comparison between torque ripple when W1> W2 and torque ripple when W1 <W2. When there are a plurality of voids, the largest void is targeted, and when there are a plurality of voids of the same size, the void closest to the center of the magnet is targeted.
図6に示されたように、W1<W2の場合のほうが回転電機の不整によるトルクリプルを低減する効果が大きいことがわかる。よって、回転電機の不整によるトルクリプルを低減するには、W1<W2とすることが好ましい。 As shown in FIG. 6, it can be seen that the effect of reducing torque ripple due to irregularity of the rotating electric machine is greater when W1 <W2. Therefore, in order to reduce torque ripple due to irregularity of the rotating electric machine, it is preferable that W1 <W2.
実施例3によれば、永久磁石と空隙との位置関係を調節することにより、トルクリプルを低減する効果を大きくすることができる。 According to the third embodiment, the effect of reducing the torque ripple can be increased by adjusting the positional relationship between the permanent magnet and the void.
図7は、実施例4の外転型表面磁石回転電機を示す図である。図7は、軸方向の断面図であり、径方向1/2分記載している。なお、図7におけるハッチング部は回転する構造物であることを示している。回転子4は回転子フレーム10に配置され、固定子7は固定子フレーム11に配置される。
FIG. 7 is a diagram showing an abduction type surface magnet rotating electric machine of the fourth embodiment. FIG. 7 is a cross-sectional view in the axial direction, which is shown for 1/2 minute in the radial direction. It should be noted that the hatched portion in FIG. 7 shows that it is a rotating structure. The rotor 4 is arranged in the
回転子フレーム10はシャフト12に接続され、軸受け13を介して固定子フレーム11と接続される。軸方向は、シャフト12の長手方向である。ここで、シャフトを保持するため、補助軸受け14を設けてもよい。
The
実施例1〜3にて示した空隙にヒートパイプ等の高熱伝導部材15を配置し、高熱伝導部材15の回転子4の外部に延伸している。永久磁石は使用温度が制限されており、高温になると不可逆減磁により性能が劣化する。また、永久磁石の温度は一定ではなく軸方向に分布を持つ。
A high thermal
よって、永久磁石の温度の最も高い部分のみが不可逆減磁する可能性があるため、磁石温度は均一であることが望ましい。 Therefore, it is desirable that the magnet temperature is uniform because only the portion having the highest temperature of the permanent magnet may be irreversibly demagnetized.
そこで、実施例4によれば、空隙に高熱伝導部材15を設けることで、永久磁石の軸方向の熱抵抗が下がり、磁石温度を均一化させることができる。
Therefore, according to the fourth embodiment, by providing the high thermal
また、高熱伝導部材15の端部にフィン等をつけることで、放熱面積が増加し、さらに回転による周速により熱伝達率が向上し、効果的に磁石温度を低減することが可能となる。
Further, by attaching fins or the like to the ends of the high thermal
なお、図7ではシャフトが回転する構造を示したが、回転子フレーム10とシャフト12の間に軸受けを接続したシャフトが回転しない構造でも同等の効果が得られる。
Although the structure in which the shaft rotates is shown in FIG. 7, the same effect can be obtained even in a structure in which the shaft in which the bearing is connected between the
図8は、実施例4の外転型表面磁石回転電機をエレベータ用巻上機に適応した実施例6を示す図である。なお、図8は、径方向断面の1/2分のみ記載しており、回転部にはハッチングしている。 FIG. 8 is a diagram showing a sixth embodiment in which the abduction type surface magnet rotary electric machine of the fourth embodiment is applied to a hoisting machine for an elevator. Note that FIG. 8 shows only 1/2 of the radial cross section, and the rotating portion is hatched.
図8に示すように、かごにつながるロープ16を巻き上げる動力として外転型表面磁石回転電機1を備え、エレベータ巻上機用ロープ16を巻きつけるシーブ17と、回転を機械的にとめるブレーキ18が取り付けられる。
As shown in FIG. 8, an abduction type surface magnet rotating
実施例5によれば外転型表面磁石回転電機のトルク脈動を低減しているため、エレベータの乗り心地を改善できる。 According to the fifth embodiment, since the torque pulsation of the abduction type surface magnet rotating electric machine is reduced, the riding comfort of the elevator can be improved.
1…外転型表面磁石回転電機、2…回転子コア、3…永久磁石、4…回転子、5…固定子コア、6…コイル、7…固定子、8…スロット、9…空隙、10…回転子フレーム、11…固定子フレーム、12…シャフト、13…軸受け、14…補助軸受け、15…高熱伝導部材、16…ロープ、17…シーブ、18…ブレーキ 1 ... Abduction type surface magnet rotary electric machine, 2 ... Rotor core, 3 ... Permanent magnet, 4 ... Rotor, 5 ... Stator core, 6 ... Coil, 7 ... Stator, 8 ... Slot, 9 ... Void, 10 ... Rotor frame, 11 ... Stator frame, 12 ... Shaft, 13 ... Bearing, 14 ... Auxiliary bearing, 15 ... High heat conductive member, 16 ... Rope, 17 ... Sheave, 18 ... Brake
Claims (12)
前記回転子の内径側に間隙を介して配置される固定子コアと、前記固定子コアに取り付けられたコイルとを有する固定子とを有し、
前記回転子コアは、前記永久磁石を取付けた面の外径側に、1極あたり複数の空隙を有することを特徴とする外転型表面磁石回転電機。 A rotor having a rotor core and a permanent magnet arranged on the inner diameter side of the rotor core,
It has a stator core arranged on the inner diameter side of the rotor via a gap, and a stator having a coil attached to the stator core.
The rotor core is an abduction type surface magnet rotating electric machine characterized by having a plurality of voids per pole on the outer diameter side of the surface to which the permanent magnet is attached.
前記永久磁石は、1極あたり1つ以上配置され、隣接する磁極の前記永久磁石と略一定の空間を持って周方向に配置されることを特徴とする外転型表面磁石回転電機。 In the abduction type surface magnet rotating electric machine according to claim 1.
An abduction type surface magnet rotating electric machine, characterized in that one or more permanent magnets are arranged per pole and arranged in the circumferential direction with a substantially constant space with the permanent magnets of adjacent magnetic poles.
前記空隙がそれぞれ接していないことを特徴とする外転型表面磁石回転電機。 In the abduction type surface magnet rotating electric machine according to claim 1.
An abduction type surface magnet rotating electric machine characterized in that the voids are not in contact with each other.
1極当たりの前記空隙が前記永久磁石の中心に対して対称に配置されていることを特徴とする外転型表面磁石回転電機。 In the abduction type surface magnet rotating electric machine according to claim 1.
An abduction type surface magnet rotating electric machine characterized in that the voids per pole are arranged symmetrically with respect to the center of the permanent magnet.
前記空隙に、非磁性体が充填されていることを特徴とする外転型表面磁石回転電機。 In the abduction type surface magnet rotating electric machine according to claim 1.
An abduction type surface magnet rotating electric machine characterized in that the voids are filled with a non-magnetic material.
1極当たりの前記空隙の数が4つであることを特徴とする外転型表面磁石回転電機。 In the abduction type surface magnet rotating electric machine according to claim 1.
An abduction type surface magnet rotating electric machine characterized in that the number of the voids per pole is four.
前記永久磁石の中央と前記空隙との距離をW1、前記永久磁石の端部と前記空隙との距離をW2とした場合に、W1<W2となることを特徴とする外転型表面磁石回転電機。 In the abduction type surface magnet rotating electric machine according to claim 1.
An abduction type surface magnet rotating electric machine characterized in that W1 <W2 when the distance between the center of the permanent magnet and the void is W1 and the distance between the end of the permanent magnet and the void is W2. ..
前記空隙にヒートパイプ等の高熱伝導部材を配置したことを特徴とする外転型表面磁石回転電機。 In the abduction type surface magnet rotating electric machine according to claim 1.
An abduction type surface magnet rotating electric machine characterized in that a high heat conductive member such as a heat pipe is arranged in the gap.
前記空隙は、半円、円形、もしくは台形の形状を有することを特徴とする外転型表面磁石回転電機。 In the abduction type surface magnet rotating electric machine according to claim 1.
An abduction type surface magnet rotating electric machine characterized in that the void has a semicircular, circular, or trapezoidal shape.
前記固定子コアの前記間隙側の曲率半径は、前記固定子の半径より小さいことを特徴とする外転型表面磁石回転電機。 In the abduction type surface magnet rotating electric machine according to claim 1.
An abduction type surface magnet rotating electric machine, characterized in that the radius of curvature of the stator core on the gap side is smaller than the radius of the stator.
前記固定子コアのスロットに前記コイルが配置されたことを特徴とする外転型表面磁石回転電機。 In the abduction type surface magnet rotating electric machine according to claim 1.
An abduction type surface magnet rotating electric machine characterized in that the coil is arranged in a slot of the stator core.
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