JP2022042710A - Rotary electric machine - Google Patents
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Abstract
Description
本開示は、永久磁石を用いた回転電機に関する。 The present disclosure relates to a rotary electric machine using a permanent magnet.
モータや発電機等永久磁石を用いた回転電機の小型高出力化は、分野や時代に関わらず普遍のニーズである。例えば、現状の自動車等で用いられる外径300mmの小型の回転電機では、発生するトルクは200Nm程度である。 Increasing the size and output of rotating electric machines using permanent magnets such as motors and generators is a universal need regardless of field or era. For example, in a small rotary electric machine having an outer diameter of 300 mm used in the current automobiles and the like, the generated torque is about 200 Nm.
このような小型高出力の回転電機として、特許文献1及び特許文献2には、ロータである界磁回転子に、ハルバッハ配列と言われる磁束密度の集中効果を発揮する特殊な永久磁石の配列を採用するものが記載されている。 As such a compact high-output rotary electric machine, Patent Document 1 and Patent Document 2 provide a field rotor, which is a rotor, with an arrangement of special permanent magnets called a Halbach array, which exerts a concentration effect of magnetic flux density. What to adopt is described.
特許文献1に記載される界磁回転子は、並行着磁された複数個の永久磁石を主磁極磁石及びヨーク磁石としてハルバッハ配列されている環状の永久磁石を有する。また、特許文献2に記載される界磁回転子は、一つの永久磁石にハルバッハ配列の効果を有するように極異方性界磁を行った環状の永久磁石を有する。これら特許文献1及び特許文献2に記載される環状の永久磁石を用いる界磁回転子は、ハルバッハ配列により径方向の外側に集中された高い磁束を有する効果がある。 The field rotor described in Patent Document 1 has an annular permanent magnet arranged in a Halbach array with a plurality of parallel magnetized permanent magnets as main magnetic pole magnets and yoke magnets. Further, the field rotor described in Patent Document 2 has an annular permanent magnet in which a polar anisotropic field is applied so as to have the effect of a Halbach array on one permanent magnet. The field rotors using the annular permanent magnets described in Patent Documents 1 and 2 have the effect of having a high magnetic flux concentrated outward in the radial direction due to the Halbach array.
しかし、特許文献1及び特許文献2に記載される環状の永久磁石を用いる界磁回転子は、鉄心を有していない。よって、電機子の巻線通電時に、鉄心による磁気的鉄心吸着力(以下、リラクタンストルクという)によるトルク加算効果がない。
よって、例えば、現状の自動車等で用いられる外径300mmの小型の回転電機の発生するトルク(200Nm程度)に対して、15%向上を目標とするトルク230Nmを達成することができない。
However, the field rotor using the annular permanent magnet described in Patent Document 1 and Patent Document 2 does not have an iron core. Therefore, when the armature is energized, there is no torque addition effect due to the magnetic core attraction force (hereinafter referred to as reluctance torque) by the iron core.
Therefore, for example, it is not possible to achieve the torque of 230 Nm, which is the target of 15% improvement, with respect to the torque (about 200 Nm) generated by a small rotary electric machine having an outer diameter of 300 mm used in the current automobiles and the like.
そこで、本開示は上記の問題点を解決するためになされたものであり、ハルバッハ配列された永久磁石による径方向の外側に集中された高い磁束によるトルクに加えて、電機子の巻線通電時に発生する磁束による鉄心のリラクタンストルクによるトルク加算効果を有するものである。これにより、高いトルクを発生する回転電機を提供することを目的とする。 Therefore, the present disclosure has been made to solve the above-mentioned problems, and in addition to the torque due to the high magnetic flux concentrated outward in the radial direction due to the permanent magnets arranged in Halbach, when the armature winding is energized. It has a torque addition effect due to the reluctance torque of the iron core due to the generated magnetic flux. It is an object of the present invention to provide a rotary electric machine that generates high torque.
上記課題を解決するためになされた本開示の一形態は、周方向に複数のティースを備えた固定鉄心と、前記ティースの間に三相に巻装された巻線と、を有する電機子と、周方向に複数のスポークを備えた回転鉄心と、前記スポークの間に交互に配された第1永久磁石及び第2永久磁石と、を有する界磁回転子と、を有し、前記界磁回転子の外周が、前記電機子の内周と所定寸法の空隙長を持って離間した回転電機において、前記第1永久磁石は、周方向の両端にS極、径方向の外側にN極を備え、前記第2永久磁石は、周方向の両端にN極、径方向の外側にS極を備え、隣接する前記第1永久磁石と前記第2永久磁石の間を流れる第1磁束と、前記電機子に通電時、前記スポークと前記スポークに対向する前記ティースの間を流れる第2磁束と、を有することを特徴とする。 One embodiment of the present disclosure made to solve the above problems is an armature having a fixed iron core having a plurality of teeth in the circumferential direction and windings wound in three phases between the teeth. , A field rotor having a rotating iron core having a plurality of spokes in the circumferential direction, and first permanent magnets and second permanent magnets alternately arranged between the spokes. In a rotary electric machine in which the outer circumference of the rotor is separated from the inner circumference of the armature with a gap length of a predetermined dimension, the first permanent magnet has S poles at both ends in the circumferential direction and N poles on the outer side in the radial direction. The second permanent magnet is provided with N poles at both ends in the circumferential direction and S poles on the outer side in the radial direction, and has a first magnetic flux flowing between the adjacent first permanent magnet and the second permanent magnet, and the said. It is characterized by having a second magnetic flux flowing between the spoke and the tooth facing the spoke when the armature is energized.
この態様によれば、第1永久磁石は、周方向の両端にS極、径方向の外側にN極を備え、第2永久磁石は、周方向の両端にN極、径方向の外側にS極を備え、隣接する第1永久磁石と第2永久磁石の間を流れる第1磁束と、巻線に通電時、スポークとスポークに対向するティースの間を流れる第2磁束とを有している。即ち、界磁回転子は、ハルバッハ配列を有する第1永久磁石及び第2永久磁石に加えて、鉄心であるスポークが設けられた環状の形状をしている。 According to this aspect, the first permanent magnet has S poles at both ends in the circumferential direction and N poles on the outside in the radial direction, and the second permanent magnet has N poles on both ends in the circumferential direction and S on the outside in the radial direction. It has poles and has a first magnetic flux flowing between adjacent first and second permanent magnets and a second magnetic flux flowing between the spokes and the teeth facing the spokes when the windings are energized. .. That is, the field rotor has an annular shape provided with spokes, which are iron cores, in addition to the first permanent magnet and the second permanent magnet having a Halbach array.
これにより、回転電機は、界磁回転子にハルバッハ配列された第1永久磁石及び第2永久磁石の間を流れる第1磁束を有するので、電機子の通電により界磁回転子にローレンツ力が作用しトルクが発生する。加えて回転電機は、電機子の通電によりスポークとスポークに対向するティースの間を流れる第2磁束を有するので、界磁回転子のスポークが鉄心として作用するリラクタンストルクが発生する。即ち、回転電機は、第1磁束により発生するトルク及び第2磁束により発生するトルクを有し、トルク加算効果がある。例えば、自動車等で用いられる外径300mmの小型の回転電機では、解析により発生するトルクを234Nmとすることができる。外径300mmの小型の回転電機の発生トルクは、通常200Nm程度である。よって、本態様によれば、目標とする15%(230Nm)を達成する17%(234Nm)のトルクが発生できる。 As a result, the rotating electric machine has a first magnetic flux flowing between the first permanent magnets and the second permanent magnets arranged in Halbach on the field rotor, so that the Lorentz force acts on the field rotor by energizing the armature. And torque is generated. In addition, since the rotary electric machine has a second magnetic flux flowing between the spokes and the teeth facing the spokes due to the energization of the armature, a relaxation torque in which the spokes of the field rotor act as an iron core is generated. That is, the rotary electric machine has a torque generated by the first magnetic flux and a torque generated by the second magnetic flux, and has a torque addition effect. For example, in a small rotary electric machine having an outer diameter of 300 mm used in an automobile or the like, the torque generated by the analysis can be set to 234 Nm. The torque generated by a small rotary electric machine having an outer diameter of 300 mm is usually about 200 Nm. Therefore, according to this aspect, a torque of 17% (234 Nm) that achieves the target 15% (230 Nm) can be generated.
上記の態様においては、前記スポークの周方向の幅は、前記ティースの最小幅又はティース先端の幅の1/2より大きく、前記ティースの最小幅又は前記ティース先端の幅の2倍より小さいこと、が好ましい。 In the above embodiment, the width of the spoke in the circumferential direction is larger than the minimum width of the teeth or 1/2 the width of the tip of the teeth and smaller than the minimum width of the teeth or twice the width of the tip of the teeth. Is preferable.
この態様によれば、スポークの周方向の幅は、ティースの最小幅又はティース先端の幅の1/2より大きく、ティースの最小幅又はティース先端の幅の2倍より小さい。ここで、巻線に通電時に発生する第2磁束は、スポークとスポークに対向するティース及びティース先端の間を流れる。よって、スポークの周方向の幅は、ティースの最小幅又はティース先端の幅の1/2より大きく、ティースの最小幅又はティース先端の幅の2倍より小さくすることにより、第2磁束をスポークとスポークに対向するティースの間にバランス良く流すことができる。また、スポークの周方向の幅を、ティースの最小幅又はティース先端の幅の2倍より小さくすることにより、第1永久磁石及び第2永久磁石の大きさを必要以上に小さくすることが無い。よって、ハルバッハ配列された第1永久磁石及び第2永久磁石による第1磁束の大きさを維持することができる。 According to this aspect, the width of the spokes in the circumferential direction is larger than the minimum width of the teeth or 1/2 the width of the tip of the teeth and smaller than the minimum width of the teeth or twice the width of the tip of the teeth. Here, the second magnetic flux generated when the winding is energized flows between the spokes and the teeth facing the spokes and the tip of the teeth. Therefore, the width in the circumferential direction of the spoke is larger than the minimum width of the teeth or 1/2 of the width of the tip of the teeth, and smaller than the minimum width of the teeth or twice the width of the tip of the teeth, so that the second magnetic flux is referred to as the spoke. It can be flowed in a well-balanced manner between the teeth facing the spokes. Further, by making the width of the spokes in the circumferential direction smaller than the minimum width of the teeth or twice the width of the tip of the teeth, the sizes of the first permanent magnet and the second permanent magnet are not made smaller than necessary. Therefore, the magnitude of the first magnetic flux due to the Halbach-arranged first permanent magnets and second permanent magnets can be maintained.
上記の態様においては、前記スポークは、N磁極とS磁極の中間極性であること、が好ましい。 In the above aspect, it is preferable that the spoke has an intermediate polarity between the N magnetic pole and the S magnetic pole.
この態様によれば、スポークは、N磁極とS磁極の中間極性である。通常、磁性体は永久磁石に近接すると、近接した永久磁石のN磁極又はS磁極に磁化される。しかし、本態様では、磁性体であるスポークは、第1永久磁石のS磁極と第2永久磁石のN磁極の間に配されている。よって、スポークの外周では、第1永久磁石のS磁極からの磁束と第2永久磁石からのN磁極の磁束が互いに相殺され、スポークの電機子から見た磁極極性はN磁極でもS磁極でもない中間極性となる。一方、通電時は、スポークに対向する電機子のティース先端の磁極極性は、N磁極又はS磁極である。よって、第2磁束はスポーク,すなわち中間極性の鉄心に作用してリラクタンストルクを生じることができる。 According to this aspect, the spokes have an intermediate polarity between the N pole and the S pole. Normally, when a magnetic material is in close proximity to a permanent magnet, it is magnetized to the N or S magnetic poles of the adjacent permanent magnets. However, in this embodiment, the spokes, which are magnetic materials, are arranged between the S magnetic pole of the first permanent magnet and the N magnetic pole of the second permanent magnet. Therefore, on the outer periphery of the spoke, the magnetic flux from the S magnetic pole of the first permanent magnet and the magnetic flux of the N magnetic pole from the second permanent magnet cancel each other out, and the polarity of the magnetic pole seen from the armature of the spoke is neither the N magnetic pole nor the S magnetic pole. It has an intermediate polarity. On the other hand, when energized, the polarity of the pole of the tip of the armature facing the spoke is N pole or S pole. Therefore, the second magnetic flux can act on the spokes, that is, the iron cores having intermediate polarities to generate reluctance torque.
上記の態様においては、前記第1永久磁石及び前記第2永久磁石に対応する前記界磁回転子の外周の前記スポーク側の両端部が、前記第1永久磁石及び前記第2永久磁石に対応する前記界磁回転子の外周の中央部に対して径方向内側にオフセットしていること、が好ましい。 In the above aspect, both ends of the outer periphery of the field rotor corresponding to the first permanent magnet and the second permanent magnet on the spoke side correspond to the first permanent magnet and the second permanent magnet. It is preferable that the field rotor is offset radially inward with respect to the central portion of the outer periphery.
この態様によれば、第1永久磁石及び第2永久磁石に対応する界磁回転子の外周のスポーク側の両端部が、第1永久磁石及び第2永久磁石に対応する界磁回転子の外周の中央部に対して、径方向内側にオフセットしている。
即ち、界磁回転子と電機子との空隙長は、第1永久磁石及び第2永久磁石のスポーク側の両端部が中央部に比べて広くなっている。界磁回転子と電機子との空隙長に狭いところと広いところがあると第1磁束及び第2磁束は狭いところに集中する。よって、第1永久磁石及び第2永久磁石対応する界磁回転子の外周を流れる磁束を、オフセットの無い中央部に集中させることができ、発生するトルクの振幅を小さくすることができる。
例えば、第1永久磁石及び第2永久磁石に対応する界磁回転子の外周が、第1永久磁石及び第2永久磁石を覆うブリッジの場合、ブリッジのスポーク側の両端部のオフセットの比率として、ブリッジのスポーク側の両端部をそれぞれ16%オフセットし、オフセットの無い中央部を68%として、発生するトルクを解析した。その結果、オフセットの無い場合に比べて平均トルクは同じ234Nmとなるが、トルクの振幅を68Nm(200Nm~268Nm)から、28Nm(220Nm~248Nm)と、約59%小さくすることができた。
According to this aspect, both ends of the outer periphery of the field rotor corresponding to the first permanent magnet and the second permanent magnet on the spoke side are the outer periphery of the field rotor corresponding to the first permanent magnet and the second permanent magnet. It is offset inward in the radial direction with respect to the central part of the magnet.
That is, the gap length between the field rotor and the armature is wider at both ends of the first permanent magnet and the second permanent magnet on the spoke side than at the central portion. If the gap length between the field rotor and the armature is narrow and wide, the first magnetic flux and the second magnetic flux are concentrated in the narrow space. Therefore, the magnetic flux flowing around the outer periphery of the field rotor corresponding to the first permanent magnet and the second permanent magnet can be concentrated in the central portion without offset, and the amplitude of the generated torque can be reduced.
For example, in the case where the outer circumference of the field rotor corresponding to the first permanent magnet and the second permanent magnet is a bridge covering the first permanent magnet and the second permanent magnet, the offset ratio of both ends on the spoke side of the bridge is set. The generated torque was analyzed by offsetting both ends of the bridge on the spoke side by 16% and setting the central portion without offset to 68%. As a result, the average torque is the same as 234 Nm as compared with the case without offset, but the torque amplitude can be reduced from 68 Nm (200 Nm to 268 Nm) to 28 Nm (220 Nm to 248 Nm) by about 59%.
上記の態様においては、前記第1永久磁石は、2個のヨーク磁石と、前記ヨーク磁石の間に第1磁極磁石と、を有する永久磁石であること、前記第2永久磁石は、2個のヨーク磁石と、前記ヨーク磁石の間に第2磁極磁石と、を有する永久磁石であること、が好ましい。 In the above embodiment, the first permanent magnet is a permanent magnet having two yoke magnets and a first magnetic pole magnet between the yoke magnets, and the second permanent magnet has two yoke magnets. It is preferable that the magnet is a permanent magnet having a yoke magnet and a second magnetic pole magnet between the yoke magnets.
この態様によれば、第1永久磁石は、2個のヨーク磁石と、ヨーク磁石の間に第1磁極磁石と、を有する永久磁石である。また、第2永久磁石は、2個のヨーク磁石と、ヨーク磁石の間に第2磁極磁石と、を有する永久磁石である。即ち、この態様の永久磁石は3分割され小さくなっているので、着磁が容易で低コストとなる。本態様の回転鉄心は、径方向に複数のスポークによる第1永久磁石及び第2永久磁石を嵌合する開孔部を有する。よって、3分割された永久磁石を、各開孔部へ容易に組付けることができる。
また、3個の永久磁石をハルバッハ配列とする場合、永久磁石の磁力による反発力が働く。本態様の回転鉄心は、径方向に複数のスポークと、スポークの内側の端部を接続するハブと、スポークの外側の端部を接続するブリッジを有することができる。よって、第1永久磁石及び第2永久磁石と嵌合する開孔部により、3分割された永久磁石を、強固に固定することができる。
According to this aspect, the first permanent magnet is a permanent magnet having two yoke magnets and a first magnetic pole magnet between the yoke magnets. The second permanent magnet is a permanent magnet having two yoke magnets and a second magnetic pole magnet between the yoke magnets. That is, since the permanent magnet of this embodiment is divided into three parts and reduced in size, magnetization is easy and the cost is low. The rotating core of this embodiment has an opening for fitting a first permanent magnet and a second permanent magnet with a plurality of spokes in the radial direction. Therefore, the permanent magnet divided into three can be easily assembled to each opening.
Further, when the three permanent magnets are arranged in a Halbach array, the repulsive force due to the magnetic force of the permanent magnets acts. The rotating core of this embodiment may have a plurality of spokes radially, a hub connecting the inner ends of the spokes, and a bridge connecting the outer ends of the spokes. Therefore, the permanent magnet divided into three can be firmly fixed by the opening portion fitted with the first permanent magnet and the second permanent magnet.
本開示により、永久磁石のハルバッハ配列により径方向の外側に集中された高い磁束によるトルクに加えて、電機子の巻線通電時発生する磁束よる鉄心のリラクタンストルクによるトルク加算効果を有する。よって、高いトルクを発生する回転電機を提供することができる。 According to the present disclosure, in addition to the torque due to the high magnetic flux concentrated outward in the radial direction due to the Halbach array of permanent magnets, there is a torque addition effect due to the reluctance torque of the iron core due to the magnetic flux generated when the armature winding is energized. Therefore, it is possible to provide a rotary electric machine that generates a high torque.
以下、本開示の実施形態である回転電機1について図を用いて示す。なお、実施形態は単なる開示にすぎず、本開示を何ら限定するものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形が可能であることはもちろんである。 Hereinafter, the rotary electric machine 1 according to the embodiment of the present disclosure will be shown with reference to the drawings. It should be noted that the embodiment is merely a disclosure and does not limit the present disclosure in any way, and it goes without saying that various improvements and modifications can be made without departing from the gist thereof.
<回転電機の用途と構成>
本開示の回転電機1の界磁回転子20は、ハルバッハ配列された第1永久磁石30及び第2永久磁石32に加えて、鉄心であるスポーク24を有する環状の形状をしている。よって、回転電機1は、ハルバッハ配列された第1永久磁石30及び第2永久磁石32に発生する第1磁束42によるトルクに加えて、電機子10に通電時に発生する第2磁束44により、鉄心によるリラクタンストルクによるトルク加算効果を有する。よって、回転電機1は、高出力であり小型化も可能である。軽量高出力の強く望まれる自動車、ドローン等に適用価値が高い。
<Applications and configurations of rotary electric machines>
The
(第1実施形態)
本開示の第1実施形態である回転電機1について、図1から図5を参照しながら説明する。図1に、第1実施形態の回転電機1の磁気回路構造を示す。電機子10は、固定鉄心12に巻線18が巻装されている。固定鉄心12は、径方向R1に複数のティース13を有する。隣接するティース13の間には、スロット16が開孔され巻線18が巻装されている。ティース13の先端にはティース先端14がある。
界磁回転子20は、回転鉄心22と第1永久磁石30及び第2永久磁石32を有する。回転鉄心22は、径方向R1に複数のスポーク24と、スポーク24の内側の端部を接続するハブ28と、スポーク24の外側の端部を接続する複数のブリッジ26とを備える。ここで、ハブ28は一体の円筒形状である。一方、ブリッジ26はスポーク24の径方向R1の端部に接続されている。
電機子10と界磁回転子20は、界磁回転子20の外周であるブリッジ26及びスポーク24の外周が、電機子10の内周であるティース先端14と所定寸法の空隙長5を持って離間している。
界磁回転子20のハブ28の内側は、回転軸(図示しない)に接続されている。回転軸は回転軸方向Zの周方向R2に回転する。
(First Embodiment)
The rotary electric machine 1 according to the first embodiment of the present disclosure will be described with reference to FIGS. 1 to 5. FIG. 1 shows the magnetic circuit structure of the rotary electric machine 1 of the first embodiment. The
The
The
The inside of the
回転鉄心22は、径方向R1のスポーク24と、スポーク24の内側の端部を接続するハブ28と、スポーク24の外側の端部を接続するブリッジ26による開孔部を複数有する。この開孔部に、即ち、スポーク24の間に第1永久磁石30及び第2永久磁石32が交互に配されている。第1永久磁石30及び第2永久磁石32は、配された開孔部のスポーク24、ハブ28、及びブリッジ26と嵌合している。
尚、ブリッジ26は、スポーク24の先端を繋げて第1永久磁石30及び第2永久磁石32の全体を覆っているが、分離しても良い。例えば、スポーク24から対向する2つの突起部を設けて第1永久磁石30及び第2永久磁石32を勘合させて固定してもよい。この場合、界磁回転子20の外周は、スポーク24、突起部、第1永久磁石30及び第2永久磁石32より構成される。
第1永久磁石30は、周方向R2の両端にS極、径方向R1の外側にN極を備える。第2永久磁石32は、周方向R2の両端にN極、径方向R1の外側にS極を備える。よって、回転電機1は、隣接された第1永久磁石30及び第2永久磁石32がハルバッハ配列されているので、この間を循環する第1磁束を有する。
界磁回転子20は、ハルバッハ配列を有する第1永久磁石30及び第2永久磁石32に加えて鉄心であるスポーク24が設けられた環状の形状をしている。よって、回転電機1は、電機子10に通電時に発生する第2磁束44を有する。
また、図1に示す回転電機1は、第1永久磁石30及び第2永久磁石32を合わせて16個有する16極である。
The
The
The first
The
Further, the rotary electric machine 1 shown in FIG. 1 is a 16-pole machine having a total of 16 first
<第1磁束及び第2磁束の流れ>
図2に、第1磁束及び第2磁束の流れの模式図を示す。尚、図2において固定鉄心12のティース13及び巻線18は、以下の説明に要する箇所のみを図示している。
第1永久磁石30は、磁石内磁界30aが周方向R2の両端のS極から径方向R1の外側にN極に向く略円弧状に着磁されている。一方、第2永久磁石32は、磁石内磁界32aが径方向R1の外側のS極から周方向R2の両端のN極に向く略円弧状に着磁されている。尚、磁石内磁界30a及び磁石内磁界32aの方向は、S極からN極である。即ち、第1永久磁石30は磁石内磁界30a、第2永久磁石32は磁石内磁界32aと、それぞれ極異方性着磁されている。極異方性着磁された第1永久磁石30と第2永久磁石32は、ハルバッハ配列により磁束を径方向R1の外側へ集中させる効果を有する。よって、隣接する第1永久磁石30と第2永久磁石32の間には、磁石内磁界30a及び磁石内磁界32aと同じ方向の径方向R1の外側に循環する第1磁束42が流れる。
<Flow of first magnetic flux and second magnetic flux>
FIG. 2 shows a schematic diagram of the flow of the first magnetic flux and the second magnetic flux. In FIG. 2, the
The first
一方、鉄心であるスポーク24を流れる第2磁束44は、電機子10の巻線18に通電時に発生する。図2に、通電する巻線18の位置を示す。通電する巻線18の位置を、第1永久磁石30の中央より回転方向R2の後方とし、通電方向を紙面の上方から下方とする。磁界は、通電する巻線18を含む第1磁束42と同じ方向に発生する。よって、この磁界による第2磁束44は、第1磁束42内にあり、循環方向は第1磁束42と同方向になる(紙面に向かって時計回り)。
同様に、通電する巻線18の位置を、第2永久磁石32の中央より回転方向R2の後方とし、通電方向を紙面の下方から上方とする。磁界は、通電する巻線18を含む第1磁束42と同じ方向に発生する。よって、この磁界による第2磁束44は、第1磁束42内にあり、循環方向は第1磁束42と同方向になる(紙面に向かって反時計回り)。
加えて、第2磁束44は、回転鉄心22のスポーク24と固定鉄心12のスポーク24に対向するティース13の間を流れる。また、第2磁束44は、巻線18に通電時に発生に対向する磁界の方向、即ち、第1磁束42と同方向へ流れる。よって、回転電機1の中の第2磁束44の循環を、スポーク24を起点として考える。
On the other hand, the second
Similarly, the position of the winding 18 to be energized is set to the rear of the rotation direction R2 from the center of the second
In addition, the second
第1に、紙面に向かって反時計回りに循環する第2磁束44を、第2永久磁石32の回転方向R2の後方に位置するスポーク24を起点として説明する。まず、第2磁束44は、スポーク24に対向するティース13に向かって流れる。
次に、第2磁束44は、固定鉄心12の円弧部19において、第1磁束42と同方向へ流れる。この際、第2磁束44は、第1磁束42と合流し磁束40となる。次に、第1磁束42及び第2磁束44は、第2永久磁石32のS極に対向するティース13を流れる。 次に、第1磁束42及び第2磁束44は、前記ティース13から、対向する第2永久磁石32のS極に向かって流れる。次に、第1磁束42及び第2磁束44は、第2永久磁石32のS極から、第2永久磁石32の内部をN極、即ち、起点であるスポーク24に向かって流れる。
よって、第2磁束44は、スポーク24の内部を径方向R1の外側へ流れ循環する。一方、第1磁束42は、スポーク24の内部を貫通して、隣接する第1永久磁石30のS極に流れ、第1永久磁石30の内部をN極に向けて流れる。次に、第1永久磁石30のN極に対向する固定鉄心12のティース13を流れ、固定鉄心12の円弧部19にて、第2磁束44と合流し循環する。よって、第2磁束44は、第1磁束42の内側を第1磁束42と同じ方向に循環する。
First, the second
Next, the second
Therefore, the second
第2に、紙面に向かって時計回りに循環する第2磁束44を説明する。まず、第1永久磁石30の回転方向R2の後方に位置するスポーク24を起点として、第1磁束42と第2磁束44は、隣接する第1永久磁石30の内部を、S極からN極へ流れる。
次に、第1磁束42と第2磁束44は、第1永久磁石30の内部のN極から、対向する固定鉄心12のティース13に流れる。次に、固定鉄心12の円弧部19において、第1磁束42と第2磁束44は分流する。
分流した第2磁束44は、起点のスポーク24に対向するティース13に流れ、起点のスポーク24へ戻り循環する。分流した第1磁束42は、回転方向R2の後方に隣接する第2永久磁石のS極に対向するティース13に流れ、第2永久磁石の内部をS極からN極に流れ、起点のスポーク24へ戻り循環する。よって、第1の場合と同様に、第2磁束44は、第1磁束42の内側を第1磁束42と同じ方向に循環する。
以上、回転電機1の通電時(回転時)の磁束40は、第1磁束42の内側に第2磁束44が混在して循環している。
Secondly, the second
Next, the first
The divided second
As described above, the
<永久磁石>
第1永久磁石30及び第2永久磁石32は、焼結金属磁石又はプラスチック磁石を用いる。
焼結金属磁石としては、例えば、信越化学(株)のN36Zが使われる。これは、焼結ネオジム磁石であり、残留磁束密度1.1[T]、保磁力875[kA/m]である。焼結金属磁石の渦電流を左右する電気抵抗率(抵抗比)は、1.4[μΩ・m]である。プラスチック磁石に比べ高コストである。
プラスチック磁石としては、例えば、NEOMAX-P6 (NEOMAX(株))が使われる。プラマグボンド磁石であり、残留磁束密度0.5[T]、保磁力630[kA/m]である。渦電流を左右する電気抵抗率(抵抗比)は、50[μΩ・m]である。プラスチック磁石は、プラスチック材料を基材として、磁性体材料(例えば、希土類系磁石材料など)を混合している。プラスチック材料にはラバー材料も含まれる。
上記以外の材料であっても、特徴の類似する材料を用いることができるのはいうまでもない。
<Permanent magnet>
As the first
As the sintered metal magnet, for example, N36Z manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd. is used. This is a sintered neodymium magnet, which has a residual magnetic flux density of 1.1 [T] and a coercive force of 875 [kA / m]. The resistivity (resistivity ratio) that influences the eddy current of the sintered metal magnet is 1.4 [μΩ · m]. It is more expensive than plastic magnets.
As the plastic magnet, for example, NEOMAX-P6 (NEOMAX Co., Ltd.) is used. It is a plastic mag-bonded magnet with a residual magnetic flux density of 0.5 [T] and a coercive force of 630 [kA / m]. The electrical resistivity (resistance ratio) that influences the eddy current is 50 [μΩ · m]. The plastic magnet uses a plastic material as a base material and mixes a magnetic material (for example, a rare earth magnet material). Rubber materials are also included in plastic materials.
Needless to say, even if the material is other than the above, a material having similar characteristics can be used.
<積層鉄心>
固定鉄心12及び回転鉄心22は、積層鉄心として磁性体である鉄を基材とした鋼板材料が用いられる。
固定鉄心12には、例えば、49%コバルト鋼板であるVACOFLUX50 (VAC社、独)が使われる。主な仕様は、板厚が0.2mm、磁気飽和密度が2.35[T]、引張強度が720[MPa]である。
回転鉄心22には、アモルファスを母相とする金属、例えば、アモルファス鋼板である2605HB1M (日立金属(株))が使われる。主な仕様は、鉄損が0.17W/kg (1.3[T]、[50Hz])、引張強度が2100MPa、磁気飽和密度が1.5[T]である。また例えば、回転鉄心22には、アモルファス金属の一種であるが、その母相中に鉄のナノ結晶を高密度に分散したナノ結晶合金のNANOMET(R)((株)東北マグネットインスティテュート)が使われる。鉄損が約0.3W/kg (1.5[T]、[50Hz])、磁気飽和密度が1.8[T]である。また、例えば、回転鉄心22には、普通珪素鋼板である 35H300 (日本製鐵(株))が使われる。主な仕様は、鉄損が3W/kg(1.3[T]、[50Hz])、引張強度が509MPa、磁気飽和密度が2[T]である。また回転子鉄心22には、高張力珪素鋼板である 35HXT780T (日本製鐵(株))が使われる。主な特長となる仕様は、引張強度が822MPaと強く、前記の磁極群や磁石群を支えるのに好適な耐久性をもたせた設計ができる。
上記以外の材料であっても、特徴の類似する材料を用いることができるのはいうまでもない。
尚、固定鉄心12及び回転鉄心22は、通常上述の鋼板を用いてそれぞれの形状にプレスにより一体として加工し、これらを積層させて製造される。よって、回転鉄心22の第1永久磁石30及び第2永久磁石32の挿入される開孔部の機械的強度を大きくすることができる。
<Laminated iron core>
As the fixed
For the fixed
For the
Needless to say, even if the material is other than the above, a material having similar characteristics can be used.
The fixed
<解析手段>
本開示に用いた解析条件は以下である。過渡磁場解析に用いたFinite Element Analysis解析(以下、FEA解析と記す)は、ムラタソフトウェア(株)製のFemtetである。回転機械1のFEA解析のモデルは、電機子10の固定鉄心12の径は、300mm、内側に空隙長5の長さ1mmを持って界磁回転子20を設置している。界磁回転子20の極数は16極である。電機子20は、固定鉄心12のスロット16の巻線18が三相巻線である。スロット16の数は96個であり、三相巻線は1相1極あたり2つのスロット16を有する分布巻線である。巻線18は平角導体であり複数本がスロット16に巻装されている。電機子20の固定鉄心12は、49%コバルト鋼板VACOFLUX50である。界磁回転子20の回転鉄心はアモルファス鋼板2605HB1Mである。永久磁石は、焼結ネオジム磁石である。回転数は3000rpm、入力電流は240[A]である。
<Analysis means>
The analysis conditions used in this disclosure are as follows. The Finite Element Analysis analysis (hereinafter referred to as FEA analysis) used for the transient magnetic field analysis is Femtet manufactured by Murata Software Co., Ltd. In the FEA analysis model of the rotating machine 1, the
図3に、第1実施形態の回転電機1の部分構造を示す。第1永久磁石30に対して、電機子10にはティース13及び巻線18が3個配されている。同様に、第2永久磁石32に対して、電機子10にはティース13及び巻線18が3個配されている。よって、回転電機1は、ティース13及び巻線18が48個配されている。
FIG. 3 shows a partial structure of the rotary electric machine 1 of the first embodiment. Three
<FEA解析の結果>
図4に、回転電機1の1/4の範囲について、磁束40の流れのFEA解析の結果を示す。図4(a)に、2個の第1永久磁石30(30-1、30-2)、3個の第2永久磁石32(32-1、32-2、32-3)、5個のスポーク24(24-1、・・・、24-5)、14個のティース13(13-1、・・・、13-14)の配置を表す。
第1永久磁石30-2と隣接する第2永久磁石32-2.30-3での磁束40の流れを説明する。第1永久磁石30-2のN極を起点とする。第1永久磁石30-2のN極の周弧から、電機子10へ流れる磁束40は、2個のティース13-9、13-10へ流れる。
ティース13-9からの磁束40は、固定鉄心12の円弧部19を流れ、ティース13-6、13-11、13-12に流れる。
反時計方向(回転方向R2)のティース13-6への流れは、第2永久磁石32-2のS極へ流れる。次に、第2永久磁石32-2のS極からスポーク24-3を貫通して、隣接する起点の第1永久磁石30―2のN極へ戻り循環する。これは第1磁束42である。
時計方向のティース13-11への流れは、ティース13-11に対向するスポーク24-4へ流れ、起点の第1永久磁石30-2のN極へ戻り循環する。これは第2磁束44である。
時計方向のティース13-12への流れは、第2永久磁石32-3のS極へ流れる。次に、第2永久磁石32-3のS極からスポーク24-4を貫通して、隣接する起点の第1永久磁石30―2のN極へ戻りと循環する。これは第1磁束42である。
ティース13-10からの磁束40は、固定鉄心12の円弧部19を流れ、ティース13-11に流れ、ティース13-11に対向するスポーク24-4へ流れ、起点の第1永久磁石30-2へ戻り循環する。これは第2磁束である。
以上より、回転電機1の回転時(通電時)の磁束40は、第1磁束42の内側に第2磁束44が混在して循環している。
<Results of FEA analysis>
FIG. 4 shows the result of FEA analysis of the flow of the
The flow of the
The
The flow in the counterclockwise direction (rotational direction R2) to the teeth 13-6 flows to the S pole of the second permanent magnet 32-2. Next, it circulates from the S pole of the second permanent magnet 32-2 through the spokes 24-3 and returns to the N pole of the first permanent magnet 30-2 as an adjacent starting point. This is the first
The flow to the teeth 13-11 in the clockwise direction flows to the spokes 24-4 facing the teeth 13-11, and returns to the north pole of the first permanent magnet 30-2 as the starting point and circulates. This is the second
The flow to the teeth 13-12 in the clockwise direction flows to the S pole of the second permanent magnet 32-3. Next, it circulates from the S pole of the second permanent magnet 32-3 through the spokes 24-4 and returns to the N pole of the first permanent magnet 30-2 as an adjacent starting point. This is the first
The
From the above, the
図4(b)は、磁束40の表示を増やしたFEA解析の図である。第1永久磁石30-2、スポーク24-4、第2永久磁石32-3において、第1永久磁石30-2と第2永久磁石32-3で循環している第1磁束42がある。また、第1永久磁石30-2とスポーク24-4には、第1磁束42と同じ方向に循環している第2磁束44がある。第2磁束44は、第1磁束42の内部にある。これは、図4(a)と同様である。また、図1に示す回転電機1は、第1磁束を16個、第2磁束を16個有する。
以上より、図2で説明した第1磁束42及び第2磁束42の流れが、FEA解析の結果とほぼ一致する。
FIG. 4B is a diagram of FEA analysis in which the display of the
From the above, the flows of the first
第1実施形態の回転電機1は、界磁回転子20にハルバッハ配列された第1永久磁石30及び第2永久磁石32の間を流れる第1磁束42を有するので、電機子10の通電により界磁回転子20にローレンツ力が作用しトルクが発生する。加えて回転電機1は、電機子10の通電によりスポーク24とスポーク24に対向するティース13の間を流れる第2磁束44を有するので、界磁回転子20にスポーク24が鉄心として作用するリラクタンストルクが発生する。即ち、回転電機は、第1磁束42により発生するトルク及び第2磁束42により発生するトルクを有し、トルク加算効果がある。
例えば、自動車等で用いられる外径300mmの小型の回転電機1では、FEA解析により、図5に示すように発生するトルクを234Nmとすることができる。即ち、図5は回転角度に対する平均トルクが234Nmを示している。トルクの振幅は、68Nm(最小値200Nm~最大値268Nm)である。
自動車等で用いられる外径300mmの小型の回転電機のトルクは、通常200Nm程度である。よって、第1実施形態の回転電機1によれば、目標とするトルクが15%(トルク230Nm)を達成する17%(トルク234Nm)とトルクを大きくできる。
Since the rotary electric machine 1 of the first embodiment has a first
For example, in a small rotary electric machine 1 having an outer diameter of 300 mm used in an automobile or the like, the torque generated as shown in FIG. 5 can be set to 234 Nm by FEA analysis. That is, FIG. 5 shows an average torque of 234 Nm with respect to the rotation angle. The torque amplitude is 68 Nm (
The torque of a small rotary electric machine having an outer diameter of 300 mm used in an automobile or the like is usually about 200 Nm. Therefore, according to the rotary electric machine 1 of the first embodiment, the torque can be increased to 17% (torque 234 Nm), which achieves the target torque of 15% (torque 230 Nm).
<比較例>
比較例として、図12に、例えば、特許文献1に示されるハルバッハ配列の永久磁石の界磁回転子120を有する回転電機101の磁気回路構造を示す。電機子110の固定鉄心112は、ティース113を48個有している。界磁回転子120は、第1磁極磁石137、第2磁極磁石138、ヨーク磁石139から構成される。第1磁極磁石137は、並行着磁され磁石内磁界を径方向R1の外向きに有する。第2磁極磁石138は、並行着磁され磁石内磁界を径方向R1の内向きに有する。ヨーク磁石139は、並行着磁され磁石内磁界を周方向R2に有する。第1磁極磁石137と第2磁極磁石138は、ヨーク磁石139を介して交互に配される。また、ヨーク磁石139は、その界磁方向を第1磁極磁石137に向くように配される。界磁回転子120は、第1磁極磁石137及び第2磁極磁石138を合計16個配された16極の回転電機101である。回転電機101は、界磁回転子120の外側に、第1磁極磁石137から出て第2磁極磁石138に戻る第1磁束142を有する。
<Comparison example>
As a comparative example, FIG. 12 shows, for example, the magnetic circuit structure of a rotary electric machine 101 having a
図13に、図12に示す回転電機101の第1磁束142の流れのFEA解析を示す。計算条件は、図4(a)と同じである。例えば、第1磁極磁石137-2から両サイドのヨーク磁石139-2、139-3、及び第2磁極磁石138-1、138-2に循環する第1磁束142を見る。まず、第1磁束142は、第1磁極磁石137-2のN極に対向するティース113-6、113-7を流れる。
ティース113-6からの第1磁束142は、反時計方向(回転方向R2)とその反対方向の時計方向の2つに分てる。反時計方向の第1磁束142は、固定鉄心112の円弧部119を流れティース113-3、次に、第2磁極磁石138-1、次に、ヨーク磁石139-2を経て第1磁極磁石137-2に戻る。時計方向の第1磁束142は、固定鉄心112の円弧部119を流れティース113-9、次に、第2磁極磁石138-2、次に、ヨーク磁石139-3を経て第1磁極磁石137-2に戻り循環する。
ティース113-7からの時計方向の第1磁束142は、固定鉄心112の円弧部119を流れティース113-8、次に、第2磁極磁石138-2、次に、ヨーク磁石139-3を経て第1磁極磁石137-2に戻り循環する。
FIG. 13 shows an FEA analysis of the flow of the first magnetic flux 142 of the rotary electric machine 101 shown in FIG. The calculation conditions are the same as in FIG. 4 (a). For example, we see the first magnetic flux 142 circulating from the first magnetic pole magnet 137-2 to the yoke magnets 139-2 and 139-3 on both sides and the second magnetic pole magnets 138-1 and 138-2. First, the first magnetic flux 142 flows through the teeth 113-6 and 113-7 facing the north pole of the first magnetic pole magnet 137-2.
The first magnetic flux 142 from the teeth 113-6 is divided into two directions, a counterclockwise direction (rotational direction R2) and a clockwise direction opposite to the counterclockwise direction (rotational direction R2). The first magnetic flux 142 in the counterclockwise direction flows through the arc portion 119 of the fixed iron core 112, passes through the teeth 113-3, then the second magnetic pole magnet 138-1, and then the yoke magnet 139-2, and then the first
The first magnetic flux 142 in the clockwise direction from the teeth 113-7 flows through the arc portion 119 of the fixed iron core 112, passes through the teeth 113-8, then the second magnetic pole magnet 138-2, and then the yoke magnet 139-3. It returns to the first magnetic flux magnet 137-2 and circulates.
比較例であるハルバッハ配列の永久磁石の界磁回転子120を有する回転電機101のトルクとして、例えば、自動車等で用いられる外径300mmの小型の回転電機のトルクのFEA解析は、220Nmである。解析条件は、図5と同じである。これは、ハルバッハ配列を用いない通常の自動車等で用いられる外径300mmの小型の回転電機のトルクの200Nm程度に対して約10%向上する。
しかし、第1実施形態の回転電機1のトルクは234Nmであり、比較例の回転電機101のトルク220Nmより、約6.4%大きい。これは、第1実施形態は、比較例に比べて永久磁石が相対的に小さくなり第1磁束42は小さくなるが、鉄心であるスポーク24を有することで第2磁束44によるリラクタンストルクによるトルク加算効果を有するからである。
The FEA analysis of the torque of the rotary electric machine 101 having the
However, the torque of the rotary electric machine 1 of the first embodiment is 234 Nm, which is about 6.4% larger than the torque of 220 Nm of the rotary electric machine 101 of the comparative example. This is because, in the first embodiment, the permanent magnet is relatively small and the first
(第2実施形態)
第2実施形態は、鉄心であるスポーク24の幅24wとスポーク24の磁極極性に関する。図6に、第2実施形態のティース部の構造を示す。図6(a)はティース13が48個の場合であり、図6(b)は ティース13が96個の場合である。
尚、図6に示すように、電機子10の内周と界磁回転子20の外周は、所定寸法の空隙長5を持って離間している。界磁回転子20の外周は、ブリッジ26及びスポーク24の外周で構成される。電機子10の内周は、一定の隙間を有して配されるティース先端14で構成される。電機子10の内周のティース先端14の幅14aは、磁束40(第1磁束42と第2磁束44)が流れ易いように大きい。一方、ティース13のスロット16には巻線18が配されるので、ティース13の幅は径方向R1の内側が狭くなっている。よって、ティース13とティース先端14の接続部がティース13の最小幅13aとなる。
(Second Embodiment)
The second embodiment relates to the
As shown in FIG. 6, the inner circumference of the
まず、鉄心であるスポーク24の幅24wについて説明する。図6(a)に示すティース13が48個の場合、スポーク24の幅24wは、ティース13の最小幅13a又はティース先端14の幅14aより小さい。図6(b)に ティース13が96個の場合、スポーク24の幅24wは、ティース13の最小幅13a又はティース先端14の幅14aより大きい。
ここで、巻線18に通電時に発生する第2磁束44は、スポーク24とスポーク24に対向するティース13及びティース先端14の間を流れる。よって、スポーク24の周方向の幅24wは、ティース13の最小幅13a又はティース先端14の幅14aの1/2より大きく、ティース13の最小幅13a又はティース先端14の幅14aの2倍より小さくすることにより、第2磁束44をスポーク24とスポーク24に対向するティース13の間にバランス良く流すことができる。
また、スポーク24の周方向の幅24wを、ティース13の最小幅13a又はティース先端14の幅14aより小さくすることにより、第1永久磁石30及び第2永久磁石32の大きさを、必要以上に小さくすることが無い。よって、ハルバッハ配列された第1永久磁石及び第2永久磁石による第1磁束42の大きさを維持することができる。
First, the
Here, the second
Further, by making the
次に、鉄心であるスポーク24の磁極極性は、N磁極とS磁極の中間極性である。
通常、磁性体は永久磁石と近接すると、近接した永久磁石のN磁極又はS磁極に磁化される。しかし、第2実施形態では、磁性体であるスポーク24は、第1永久磁石30のS磁極と第2永久磁石32のN磁極の間に配されている。よって、スポーク24の外周では、第1永久磁石30のS磁極からの磁束と第2永久磁石32からのN磁極の磁束が互いに相殺され、スポーク24の電機子から見た磁極極性はN磁極でもS磁極でもない中間極性となる。一方、通電時は、スポーク24に対向する電機子10のティース先端14の磁極極性は、N磁極又はS磁極である。よって、第2磁束44はスポーク24,すなわち中間極性の鉄心に作用してリラクタンストルクを生じることができる。
Next, the polarity of the
Normally, when a magnetic material is in close proximity to a permanent magnet, it is magnetized to the N or S magnetic poles of the adjacent permanent magnets. However, in the second embodiment, the
(第3実施形態)
第3実施形態は、第1実施形態の図5に示す発生トルクの振幅を小さくすることに関する。図4で示すように第1永久磁石30の周弧(N磁極)及び第2永久磁石32の周弧(S磁極)は、電機子10と磁束40(第1磁束42と第2磁束44)を、周弧の全域で流している。ここで、スポーク24側の両端部の周弧を流れる磁束40は、近くにある鉄心であるスポーク24へショートカットするのでリラクタンストルク即ちトルクの振幅を大きくしている。
(Third Embodiment)
The third embodiment relates to reducing the amplitude of the generated torque shown in FIG. 5 of the first embodiment. As shown in FIG. 4, the circumferential arc (N magnetic pole) of the first
第3実施形態は、第1永久磁石30及び第2永久磁石32に対応する界磁回転子20の外周のスポーク24側の両端部が、第1永久磁石30及び第2永久磁石32に対応する界磁回転子20の外周の中央部に対して径方向R1内側にオフセットしている。
即ち、界磁回転子29と電機子10との空隙長5は、第1永久磁石30及び第2永久磁石32のスポーク24側の両端部が中央部に比べて広くなっている。界磁回転子20と電機子10との空隙長5に狭いところと広いところがあると磁束40(第1磁束42及び第2磁束44)は狭いところに集中する。よって、第1永久磁石30及び第2永久磁石32に対応する界磁回転子20の外周を流れる磁束40をオフセットの無い中央部に集中させることができ、発生するトルクの振幅を小さくすることができる。
例えば、第1永久磁石及び第2永久磁石に対応する界磁回転子の外周が、第1永久磁石及び第2永久磁石を覆うブリッジ26である場合、ブリッジ26のスポーク24側の両端部は、径方向R1の内側に空隙であるオフセット部26aを有している。よって、ブリッジ26のスポーク24側の両端部は、オフセット部26aの無い中央部に比べて、界磁回転子20と電機子10との空隙長5が広くなっている。界磁回転子20と電機子10との空隙長5に狭いところと広いところがあると、磁束40(第1磁束42及び第2磁束44)は狭いところに集中する。よって、第1永久磁石30及び第2永久磁石32を覆うブリッジ26を流れる磁束40をオフセット部26aの無い中央部に集中させることができ、発生するトルクの振幅を小さくすることができる。
In the third embodiment, both ends of the outer periphery of the
That is, the
For example, when the outer periphery of the field rotor corresponding to the first permanent magnet and the second permanent magnet is the
図7に、第3実施形態のブリッジ26を有する回転電機1の部分構造を示す。第1永久磁石30に対して、電機子10にはティース13及び巻線18が6個配されている。同様に、第2永久磁石32に対して、電機子10にはティース13及び巻線18が6個配されている。よって、回転電機1は、ティース13及び巻線18が96個配されている。
FIG. 7 shows a partial structure of the rotary electric machine 1 having the
図8に、実施例としてFEA解析に用いたブリッジ26のオフセット部26aの構造を示す。1極当たりのオフセット部26aの比率を算出する。回転電機1は16極なので、一極は22.5°(機械角、以下同じ)である。スポーク24は4°である。よって、第1永久磁石30を覆うブリッジの幅は18.5°である。
ブリッジの両端のオフセット部26aの幅は3°、オフセット26aの無い中央部は12.5°となる。よって、オフセット部26aの比率は、(3°×2))/18.5°=32%(オフセット部26a当たり16%)である。オフセット部26aの形状は略三角形である。オフセット部26aの径方向R1の高さは、ブリッジ26のオフセット部26aの無い中央部からスポーク24に向かって徐々に高さを増しスポーク24との端面で2mmとした。
例えば、固定鉄心12の径が300mmの場合、オフセット部26aの幅7mmである。よって、オフセット部26aの大きさは、底辺7mm、高さ2mmの略直角三角形である。尚、スポーク24の幅24は9.6mmである。
FIG. 8 shows the structure of the offset
The width of the offset
For example, when the diameter of the fixed
図5に対応する第3実施形態のトルク のFEA解析の結果を図9に示す。平均トルクは同じ234Nmとなるが、トルクの振幅を68Nm(200Nm~268Nm)から、28Nm(220Nm~248Nm)と、約59%小さくすることができた。 The result of FEA analysis of the torque of the third embodiment corresponding to FIG. 5 is shown in FIG. The average torque is the same, 234 Nm, but the torque amplitude can be reduced by about 59% from 68 Nm (200 Nm to 268 Nm) to 28 Nm (220 Nm to 248 Nm).
図10に、ティース13に対向するスポーク24の近傍の第2永久磁石32から第1永久磁石30への第1磁束42流れの模式図を示す。図10(a)はオフセットの有る場合、図10(b)はオフセットが無い場合である。両図において、第2永久磁石32のS極の中央部から第1永久磁石30のN極の中央部への第1磁束42の流れ、及びティース13から対向するスポーク24を経て第1永久磁石30のN極への流れは同じである。しかし、ティース13に対向するスポーク24の近傍の第2永久磁石32から第1永久磁石30への第1磁束42の流れは、オフセットの有無により異なる。
図10(b)のオフセット無しの場合、スポーク24の近傍の第2永久磁石32に流入した第1磁束42は、スポーク24を貫通して第1永久磁石30へ流れる。よって、第1磁束42は、第2永久磁石32のS極の周弧全体から、第1永久磁石32のN極の周弧全体へ流れる。
一方、図10(a)のオフセット有りの場合、スポーク24の近傍の第1磁束42は、オフセット部26aのため空隙長さ5が大きくなっているため、空隙長さ5の狭い第2永久磁石32のS極のオフセット部26aの無い中央部へ流入する。第2永久磁石32のS極の中央部に流入した第1磁束42は、スポーク24を貫通して第1永久磁石30のN極のオフセット部26aの無い中央部へ流入する。よって、第1磁束42は、第2永久磁石32のS極のオフセット部26aの無い中央部から、第1永久磁石32のN極のオフセット部26aの無い中央部へ流れる。即ち、第1磁束42の流れる幅が、オフセット部26aにより小さくなっている。このことにより、トルクの振幅が小さくなったと推定する。
以上、トルクの振幅が小さくできる第3実施形態の回転電機1は、輸送機器だけでなく計測装置でも使用することができる。計測装置の回転電機1は、一定のトルクの安定性が必要である。よって、トルクの振幅が小さい回転電機1により、トルクの安定性が確保でき計測装置の計測制度が向上できる。
FIG. 10 shows a schematic diagram of the flow of the first
In the case of no offset in FIG. 10B, the first
On the other hand, in the case of the offset in FIG. 10A, the first
As described above, the rotary electric machine 1 of the third embodiment, which can reduce the torque amplitude, can be used not only in the transportation equipment but also in the measuring device. The rotary electric machine 1 of the measuring device needs to have a certain torque stability. Therefore, the torque stability can be ensured and the measurement system of the measuring device can be improved by the rotary electric machine 1 having a small torque amplitude.
第1永久磁石及び第2永久磁石を覆うブリッジ26の径方向R1の幅26aは、1.5mm~2mmである。よって、第1永久磁石30及び第2永久磁石32の両端部にはオフセットに対応した面取りを施している。
The
(第4実施形態)
第4実施形態は、第1永久磁石30は、2個のヨーク磁石39と、ヨーク磁石39の間に第1磁極磁石37と、を有する永久磁石である。また、第2永久磁石32は、2個のヨーク磁石39と、ヨーク磁石39の間に第2磁極磁石38と、を有する永久磁石である。
(Fourth Embodiment)
In the fourth embodiment, the first
図11は、第4実施形態の永久磁石を示す。図11(a)は、第1永久磁石30に対応する永久磁石を示す。第1磁極磁石37及びヨーク磁石39は、平行着磁されている。第1磁極磁石37は、径方向R1外向きに磁石内磁界37aを有する。ヨーク磁石39は周方向R2に磁極内磁界39aを有する。この第1永久磁石30は、左右の2個のヨーク磁石39の間に第1磁極磁石37が配され、ヨーク磁石39の磁石内磁界37aは、第1磁極磁石37に向かって互いに対向するように配される。また、図11(b)は、第2永久磁石32に対応する永久磁石を示す。第2磁極磁石38及びヨーク磁石39は、平行着磁されている。第2磁極磁石38は、径方向R1内向きに磁石内磁界38aを有する。この第2永久磁石32は、左右の2個のヨーク磁石39の間に第2磁極磁石38が配され、ヨーク磁石39の磁石内磁界37aは、第1磁極磁石37に向かって互いに対向しないように配される。
FIG. 11 shows a permanent magnet according to a fourth embodiment. FIG. 11A shows a permanent magnet corresponding to the first
第4実施形態は、第1永久磁石及び第2永久磁石が、それぞれ並行着磁された3個の永久磁石から構成される。即ち、3分割されているので永久磁石が小さくなっている。小さい永久磁石にすることで、着磁が容易で低コストとすることができる。また、回転鉄心22は、径方向に複数のスポークによる第1永久磁石及び第2永久磁石を嵌合する開孔部を有する。よって、3分割された永久磁石を、各開孔部へ容易に組付けることができる。
また、3個の永久磁石をハルバッハ配列とする場合、永久磁石の磁力による反発力が働く。第4実施形態の回転鉄心22は、径方向に複数のスポーク24と、スポーク24の内側の端部を接続するハブ28と、スポーク24の外側の端部を接続するブリッジ26を有することができる。よって、第1永久磁石30及び第2永久磁石32と嵌合する開孔部により、3分割された永久磁石を、強固に固定することができる。
In the fourth embodiment, the first permanent magnet and the second permanent magnet are each composed of three permanent magnets magnetized in parallel. That is, since it is divided into three parts, the permanent magnet is small. By using a small permanent magnet, magnetization is easy and the cost can be reduced. Further, the rotating
Further, when the three permanent magnets are arranged in a Halbach array, the repulsive force due to the magnetic force of the permanent magnets acts. The
第1磁極磁石37と第2磁極磁石38は同じ大きさである。一方、ヨーク磁石39の周方向R2の大きさは、第1磁極磁石37又は第2磁極磁石38の周方向R2の大きさの1/2とした。ヨーク磁石39の磁石内磁界39aは、第1永久磁石30と第2永久磁石32が隣接することで、2倍とすることができる。この2倍の磁石内磁界39aを、第1磁極磁石37の磁石内磁界37a又は第2磁極磁石38の磁石内磁界38aと同等の大きさとすることで、磁石内磁界のバランスを良くして、ハルバッハ配列による磁束を径方向R1の外側へ集中させる効果を高めることができる。尚、ヨーク磁石39は、開孔部への挿入方向を逆にすることで磁石内磁界39aの向きを変えることができる。
The first
1 回転電機 5 空隙長(電機子と界磁回転子の間)
10 電機子 12 固定鉄心
13 ティース 13a ティースの最小幅
14 ティース先端 14a ティース先端の幅
16 スロット 18 巻線
19 円弧部 20 界磁回転子
22 回転鉄心 24 スポーク
24a 幅(スポークの周方向) 26 ブリッジ
26a オフセット部 28 ハブ
30 第1永久磁石 30a 磁石内磁界(第1永久磁石)
32 第2永久磁石 32a 磁石内磁界(第2永久磁石)
37 第1磁極磁石 38 第2磁極磁石
39 ヨーク磁石 40 磁束
42 第1磁束 44 第2磁束
Z 回転軸方向 R1 径方向
R2 周方向(回転方向)
1
10
32 Second
37 1st
Claims (5)
周方向に複数のスポークを備えた回転鉄心と、
前記スポークの間に交互に配された第1永久磁石及び第2永久磁石と、を有する界磁回転子と、を有し、
前記界磁回転子の外周が、前記電機子の内周と所定寸法の空隙長を持って離間した回転電機において、
前記第1永久磁石は、周方向の両端にS極、径方向の外側にN極を備え、
前記第2永久磁石は、周方向の両端にN極、径方向の外側にS極を備え、
隣接する前記第1永久磁石と前記第2永久磁石の間を流れる第1磁束と、
前記電機子に通電時、前記スポークと前記スポークに対向する前記ティースの間を流れる第2磁束と、を有することを特徴とする回転電機。 An armature having a fixed iron core with a plurality of teeth in the circumferential direction, and windings wound in three phases between the teeth.
A rotating iron core with multiple spokes in the circumferential direction,
It has a field rotor having first permanent magnets and second permanent magnets arranged alternately between the spokes.
In a rotary electric machine in which the outer circumference of the field rotor is separated from the inner circumference of the armature with a gap length of a predetermined dimension.
The first permanent magnet has S poles at both ends in the circumferential direction and N poles on the outside in the radial direction.
The second permanent magnet has N poles at both ends in the circumferential direction and S poles on the outside in the radial direction.
The first magnetic flux flowing between the adjacent first permanent magnet and the second permanent magnet,
A rotary electric machine characterized by having a second magnetic flux flowing between the spokes and the teeth facing the spokes when the armature is energized.
前記スポークの周方向の幅は、前記ティースの最小幅又はティース先端の幅の1/2より大きく、前記ティースの最小幅又は前記ティース先端の幅の2倍より小さいことを特徴とする回転電機。 In the rotary electric machine of claim 1,
A rotary electric machine characterized in that the width of the spokes in the circumferential direction is larger than the minimum width of the teeth or 1/2 the width of the tip of the teeth and smaller than the minimum width of the teeth or twice the width of the tip of the teeth.
前記スポークは、N磁極とS磁極の中間極性であることを特徴とする回転電機。 In the rotary electric machine of claim 1 or claim 2.
The spoke is a rotary electric machine characterized by having an intermediate polarity between an N magnetic pole and an S magnetic pole.
前記第1永久磁石及び前記第2永久磁石に対応する前記界磁回転子の外周の前記スポーク側の両端部が、前記第1永久磁石及び前記第2永久磁石に対応する前記界磁回転子の外周の中央部に対して径方向内側にオフセットしていることを特徴とする回転電機。 In the rotary electric machine according to any one of claims 1 to 3.
Both ends of the outer periphery of the outer periphery of the field rotor corresponding to the first permanent magnet and the second permanent magnet on the spoke side are of the field rotor corresponding to the first permanent magnet and the second permanent magnet. A rotating electric machine characterized by being offset inward in the radial direction with respect to the central part of the outer circumference.
前記第1永久磁石は、2個のヨーク磁石と、前記ヨーク磁石の間に第1磁極磁石と、を有する永久磁石であること、
前記第2永久磁石は、2個のヨーク磁石と、前記ヨーク磁石の間に第2磁極磁石と、を有する永久磁石であること、を特徴とする回転電機。
In the rotary electric machine according to any one of claims 1 to 4.
The first permanent magnet is a permanent magnet having two yoke magnets and a first magnetic pole magnet between the yoke magnets.
The second permanent magnet is a permanent magnet having two yoke magnets and a second magnetic pole magnet between the yoke magnets.
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