JP2022044204A

JP2022044204A - 回転電機

Info

Publication number: JP2022044204A
Application number: JP2020149723A
Authority: JP
Inventors: 良一高畑; Ryoichi Takahata
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2020-09-07
Filing date: 2020-09-07
Publication date: 2022-03-17
Also published as: CN114157066A

Abstract

【課題】
永久磁石の減磁を抑制するとともに、トルクを向上できる回転電機を提供する。
【解決手段】
固定子鉄心と固定子鉄心に巻装される電機子巻線とを有する固定子と、回転子鉄心と回転子鉄心に埋設される複数の永久磁石と、回転子鉄心に固定される回転シャフトを有する回転子を備える回転電機において、複数の永久磁石は矩形断面を有し、それぞれの永久磁石内の磁束密度が領域ごとに変化しており、矩形断面の長辺に対して垂直であり、かつ、長辺の中間を通る永久磁石の中心軸に対して、永久磁石の磁束の配向方向が傾いている構成とする。
【選択図】図４

Description

本発明は、界磁用の永久磁石を回転子に備える回転電機に関する。

近年、回転電機においては、界磁に永久磁石が用いられ、小形化と高効率化が図られている。永久磁石が用いられる回転電機の小形化と高効率化の手段として、永久磁石の表面積を拡大し、永久磁石の磁束量を増やすことが挙げられる。そして、永久磁石の磁束量を増やすための手段の一つとして、永久磁石の特性や形状、配置を工夫することがある。

回転電機に用いられる永久磁石の特性ならびに形状や配置に関する従来技術として、例えば、特許文献１に記載の技術が知られている。この特許文献１では、回転子に埋設される永久磁石を、１極当たり複数の希土類磁石とし、回転子の回転方向に対して回転進み側と回転遅れ側とで磁束密度が異なる２種類で構成している。このような、永久磁石の形状や配置により、永久磁石に発生する渦電流損を低減し、回転電機の効率を向上することができる。

特開２０１５－５３８０１号公報

しかしながら、上記特許文献１では、複数の永久磁石の端部、すなわち回転子の外周側近傍の角部が、固定子が備える電機子巻線による磁界によって減磁され易いという問題が十分に解決されていない。このため、永久磁石の磁束量が減少し、回転電機のトルク特性の低下を招く恐れがある。

そこで、本発明では、永久磁石の減磁を抑制するとともに、トルク特性を向上できる回転電機を提供する。

本発明は、その一例を挙げるならば、固定子鉄心と固定子鉄心に巻装される電機子巻線とを有する固定子と、回転子鉄心と回転子鉄心に埋設される複数の永久磁石と、回転子鉄心に固定される回転シャフトを有する回転子を備える回転電機において、複数の永久磁石は矩形断面を有し、それぞれの永久磁石内の磁束密度が領域ごとに変化しており、矩形断面の長辺に対して垂直であり、かつ、長辺の中間を通る永久磁石の中心軸に対して、永久磁石の磁束の配向方向が傾いている構成とする。

本発明によれば、永久磁石の減磁を抑制するとともに、トルク特性を向上することができる。

実施例１における回転電機の固定子および回転子の軸方向から見た断面図である。図１に示す回転電機の回転軸を含む平面で切った断面図である。実施例１における回転電機の回転子の軸方向から見た断面図である。図３に示す回転子断面における１磁極分の断面を示す部分断面図である。実施例１における回転電機の総トルク、マグネットトルク、リラクタンストルクの位相関係を示す図である。実施例１における回転電機のトルク特性図である。実施例２における回転電機の回転子の軸方向から見た部分断面図である。実施例３における回転電機の回転子の軸方向から見た部分断面図である。実施例４における回転電機の回転子の軸方向から見た部分断面図である。実施例５における回転電機の回転子の軸方向から見た部分断面図である。

以下、本発明の実施例について、図面を用いて説明する。

なお、以下の実施例では、回転子鉄心に永久磁石が埋設される埋込磁石型の回転電機を用いて説明し、それらは同期電動機として動作する。また、以下の実施例においては、回転子の磁極数が８極、固定子のスロット数が４８である場合を例に説明する。なお、磁極数とスロット数の組み合わせは、８極、４８スロットに限らず、所望のモータ特性に応じて適宜設定できる。また、本実施例では、「軸方向」とは回転子の回転軸方向を示し、「径方向」とは回転子の径方向を示し、「周方向」とは回転子の周方向を示す。

まず、図１、図２を用いて、本実施例における回転電機の全体構成について概略的に説明する。

図１は、本実施例における回転電機の固定子および回転子の軸方向から見た断面図である。図１に示すように、回転電機１は、固定子２と、固定子２の内側に所定のギャップを介して回転可能に配置される回転子３から構成されている。

回転子３には、負荷と機械的に接続される回転軸である回転シャフト１５が固定的に設けられている。

固定子２は、磁性体からなる固定子鉄心６を有する。固定子鉄心６は、コアバック５と、コアバック５から径方向内側へ向けて突出する複数のティース４とからなる。複数のティース４は、その径方向に沿って、外周側でコアバック５によって連結される。また、複数のティース４は、周方向に等間隔に配列されている。周方向に隣り合う二つのティース４間には、回転子３の最外周表面に向かって開口し、三相巻線である電機子巻線（図１では図示せず）が巻装される固定子スロット７が設けられる。

本実施例では、電機子巻線は、複数（本実施例では４８個）のスロットに、分布巻で巻装されている。なお、電機子巻線は、集中巻でもよい。

回転子３は、磁性体からなる回転子鉄心１２と、回転子鉄心１２に周方向に並んで構成される複数の磁極毎に埋設される複数の永久磁石とを有する。回転子３の一つの磁極は、１個の永久磁石１４から構成される。本実施例では、図１に示すように、８個の永久磁石によって、８極の磁極が構成される。永久磁石１４は、回転シャフト１５の軸方向から磁石挿入孔１３に挿入されている。さらに詳細な回転子３の構成については、後述する。

図２は、図１に示す回転電機１の回転軸を含む平面で切った断面図である。なお、図２においては、固定子２および回転子３を支持するケース、フレーム、軸受けなどは図示を省略している。

図２に示すように、固定子鉄心６および回転子鉄心１２は、珪素鋼板などの磁性体からなる薄板３０を複数積層した積層体から構成される。これにより、固定子鉄心６および円柱状の回転子鉄心１２に発生する渦電流損などの鉄損が低減される。複数の薄板３０は、溶接やカシメ等によって、互いに接合されて、一体化されている。固定子スロット７は、軸方向に沿って、固定子鉄心６を貫通する。また、磁石挿入孔１３は、軸方向に沿って、回転子鉄心１２を貫通する。

電機子巻線４０を構成する複数の導体素線は、固定子スロット７を通る部分がコイルサイドを構成し、固定子スロット７から固定子２外へ突出する部分がコイルエンドを構成する。

永久磁石１４は、軸方向の長さが磁石挿入孔１３と同等である一個の板状（長方形断面）の磁石である。本実施例において、永久磁石１４は、希土類磁石（ネオジム磁石）である。

なお、永久磁石１４は、軸方向において、複数に分割されてもよい。また、永久磁石１４として、安価なフェライト製などの永久磁石を用いてもよい。

このような回転電機１においては、固定子２の電機子巻線に三相交流電流を流すと回転磁界が発生する。この回転磁界によって回転子３に働く電磁力により、回転子３が回転する。これにより、回転電機１は、同期電動機として動作する。

次に、図３、図４を用いて、本実施例における回転子の詳細な構成について説明する。

図３は、本実施例における回転電機の回転子の軸方向から見た断面図である。図３に示すように、回転子鉄心１２の最外周表面と、ティース４の内周面との間には、径方向にギャップ長ｇ１の空隙が介在する。

図３に示す回転子断面において、１磁極に対し、１個の磁石挿入孔１３、すなわち、回転シャフト１５の軸方向から見て、径方向に垂直な方向を長手方向とする長方形の断面を有する磁石挿入孔１３が配置されている。各磁石挿入孔には、磁石挿入孔１３に対応する形状のネオジム磁石が挿入されている。

ここで、図３に示すように、一つの磁極において、永久磁石による磁束の方向に、回転子３の回転中心を起点（Ｏ）とするようにｄ軸を定め、電気角でｄ軸と直交する方向に、回転子３の回転中心を起点（Ｏ）とするようにｑ軸を定める。なお、本実施例では、ｄ軸およびｑ軸が回転中心を起点とするので、ｄ軸およびｑ軸の方向は径方向でもある。また、ｑ軸は、隣接する二つの磁極間に介在し、その中央を通る。したがって、ｑ軸としては、ｄ軸を対称軸として、永久磁石１４の右側の図示されたｑ軸と、このｑ軸とは線対称に位置する、永久磁石１４の左側の図示しないｑ軸が存在する。図３に示す回転子３の断面において、永久磁石１４は、径方向を向き、かつ回転子３の回転中心を通る対称軸、すなわちｄ軸に対し、線対称（左右対称）に配置される。

図４は、図３に示す回転子断面における一磁極分の断面を示す部分断面図である。図４に示すように、一つの磁極を構成する永久磁石１４は、磁石挿入孔１３と同様に細長い長方形状であり、その長手方向はｄ軸に対して幾何的に直角方向に伸びている。このような永久磁石の形状および配置によれば、磁極を構成する永久磁石の表面積を所望の値に設定しながら、回転子鉄心１２における磁束の通る断面積が大きくなるのでリラクタンストルクを向上できる。

ここで、埋め込み磁石型回転電機のトルクＴは、以下の式(１)で表される。

ここで、ｐ_ｎ：極対数、φ_ｐｍ：電機子鎖交磁束、Ｉ_ａ：電機子電流、
β：電流位相角、Ｌ_ｄ：直軸インダクタンス、Ｌ_ｑ：横軸インダクタンス。

式(１)の右辺第１項はマグネットトルクであり、式(１)の右辺第２項は回転子の突極性による磁気エネルギーの変化によって発生するリラクタンストルクを表している。

式(１)に示すように、埋め込み型回転電機のトルクを大きくするには、無負荷時の誘導起電力（電機子鎖交磁束）を増やしてマグネットトルクを大きくする、または、インダクタンスＬｑとＬｄとの差を大きくすることが有効である。

特に、埋め込み磁石型回転電機では、使用する永久磁石１４の性能が向上すると電機子鎖交磁束φ_ｐｍが増加するため、マグネットトルクが増加して高トルク化が図れる。

そこで、本実施例における永久磁石１４は、磁束密度が領域ごとに均一ではなく変化させ、配向方向が永久磁石１４の中心軸に対して傾くように構成する。ここで、永久磁石１４の中心軸とは、永久磁石１４の矩形断面の長辺に対して垂直であり、かつ、矩形断面の長辺の中間を通る軸である。

この永久磁石１４の磁力線の強さおよび配向方向を、図４中に、磁石に記す矢印で示す。図４に示すように、回転子３の回転方向を回転軸に対して反時計回りとしたとき、本実施例によると、永久磁石１４の磁束密度が永久磁石１４の中心軸であるｄ軸に対して時計回り方向側（右側）から反時計回り方向側(左側) へ向かうに従い高くしている。すなわち、磁束密度を回転遅れ側よりも回転進み側で高くする。さらに、永久磁石１４の配向方向が永久磁石１４の中心軸に対して反時計回り方向側(左側)に傾いている。すなわち、永久磁石１４の配向方向を回転子３の回転進み側に傾けている。

なお、永久磁石１４において、磁束密度を回転遅れ側よりも回転進み側で高くするように変化させる間隔は均一でなくてもよく、また、その変化の度合いは直線状に変化してもよいし階段状に変化してもよい。また、永久磁石１４において、磁束密度を回転遅れ側よりも回転進み側で高くするように変化させるのは着磁方法を工夫してもよいし、永久磁石１４を磁束密度の異なる複数の磁石で構成して磁束密度を回転遅れ側よりも回転進み側で高くするように変化させてもよい。

これらによって、回転電機のトルクを向上することが可能となる。この理由を、図５を用いて説明する。

図５は、本実施例における回転電機の総トルク、マグネットトルク、リラクタンストルクの位相関係を示す一例である。図５において、縦軸および横軸は、それぞれトルクおよび電流位相角であり、トルクをper unit値（Ｐ．Ｕ．）で示す。なお、比較のために、前述の特許文献１のように、異なる磁束密度の永久磁石を用いた回転電機を比較例として、そのトルク特性を示す。

図５に示すように、比較例の回転電機では、マグネットトルクが最大となる電流位相βが０度である。それに対して、本実施例による回転電機では、マグネットトルクが最大となる電流位相βが３０～４５度の範囲内となっている。これは、図４で示した通り、永久磁石１４の配向方向を回転子３の回転進み側へ傾けるとともに、磁束密度を回転遅れ側よりも回転進み側で高くすることで、マグネットトルクが最大となる電流位相βを調整できるためである。そのため、本実施例の回転電機では総トルクが向上している。さらに、永久磁石１４の配向方向を傾けることで、固定子２が作る磁束による影響、すなわち電機子反作用の影響が抑制され、永久磁石１４の減磁耐力を向上することが可能となる。

図６は、本実施例における回転電機のトルク特性の一例である。図６において、縦軸および横軸は、それぞれトルクおよび電機子電流をper unit値（Ｐ．Ｕ．）で示す。なお、併せて比較例のトルク特性を示す。

図６に示すように、本実施例によれば、比較例に対して回転電機のトルクが向上している。

これらの構成により、高速域におけるトルク特性を低下させることなく、永久磁石の性能を最大化することができ、小形化と高効率化が可能な回転電機を提供することができる。

また、高速域において、高負荷、ならびに電機子巻線を増加して高インダクタンスとなる場合でも、電機子反作用による機内磁束の高調波成分を低減し、力率改善による高トルク化が図られる。また、電機子反作用による永久磁石の減磁による磁束量の低下を抑制できる。

上述のように、本実施例によれば、永久磁石の減磁が抑制されるので、永久磁石の表面積に見合った以上の磁石磁束が得られる。これにより、回転電機のトルクが向上するとともに、回転電機を小型化できる。また、電機子反作用による全鎖交磁束の高調波成分を低減できるので、トルク脈動や電磁騒音の発生を抑制できる。

なお、本実施例は、上述のような磁石磁束の相殺や減磁の影響が希土類磁石に比べて大であるフェライト磁石が適用される回転電機により好適である。

図７は、本実施例における回転電機の回転子の軸方向から見た部分断面図である。なお、この図７は、回転子断面における１磁極分の断面を示す。

図７において、図４と同じ構成には同じ符号を付し、その説明は省略する。図７において、図４と異なる点について以下説明する。

図７に示すように、本実施例においては、図４と異なり、回転子３の一磁極あたり２個の永久磁石を備えている。実施例１の図４のように永久磁石１４を用いる場合、渦電流による熱損失が問題となる。特に、高回転を行う場合、磁石に加わる変動磁場の周波数や変動幅も増加し、それに伴い熱損失も増加する。この渦電流による発熱損失を低減するため、本実施例では、磁石挿入孔１３と埋設される永久磁石１４をそれぞれ分割して、磁石挿入孔１３ａ、１３ｂと、それらに埋設される第１永久磁石１４ａ、第２永久磁石１４ｂとしている。分割された永久磁石１４ａ、１４ｂは同じ磁束密度を有し、個々の磁石に鎖交する磁束が減少する。そのため分割された個々の永久磁石１４ａ、１４ｂの渦電流密度が減少し、総量としての渦電流損失が減少する。なお、分割された永久磁石が異なる磁束密度としてもよい。各磁石の磁束密度に応じ、個々の磁石に鎖交する磁束が減少する効果を有する。

なお、実施例１と同様に、それぞれの永久磁石１４ａ、１４ｂ内の磁束密度は回転遅れ側よりも回転進み側で高くする。また、永久磁石１４ａの磁束密度を、永久磁石１４ｂの磁束密度より高くする。さらに、それぞれの永久磁石１４ａ、１４ｂの配向方向を回転子３の回転進み側に傾けている。

以上のように本実施例によれば、磁石挿入孔１３に埋設される永久磁石１４(１４ａ、１４ｂ)を分割して配置しているので、渦電流による損失を低減することができる。

なお、一磁極あたりの永久磁石数は、２個以上の複数であれば上述の分割の効果が期待でき、個数は適宜選択が可能である。本実施例では、回転子３の一磁極あたり２個の永久磁石を備えているが、それに限定されるものではなく、回転子３の一磁極あたり３個以上の永久磁石を備えている構成でも構わない。

図８は、本実施例における回転電機の回転子の軸方向から見た部分断面図である。なお、この図８は、回転子断面における１磁極分の断面を示す。

図８において、図７と同じ構成には同じ符号を付し、その説明は省略する。図８において、図７と異なる点について以下説明する。

図８に示すように、本実施例では、図７とは異なり、回転子３の一磁極あたり２個の永久磁石を備えるとともに、その２個の永久磁石をｄ軸に対称な略Ｖ字状に配置している。すなわち、回転子３の外周側に対して凹となる略Ｖ字状に配置する。

本実施例では、実施例２の図７の磁石配置と比して、永久磁石１４ａ、１４ｂの矩形断面の長辺の長さ、あるいは、短辺の長さを容易に調整することができる。これにより、永久磁石１４の表面積を拡大することができ、回転子鉄心１２における磁束の通る断面積を調整することができ所望の磁束を得ることができる。よって、回転電機のマグネットトルクが増加して、トルクを向上することが可能となる。

図９は、本実施例である回転電機の回転子の軸方向から見た部分断面図である。なお、この図９は、回転子断面における１磁極分の断面を示す。

図９において、図８と同じ構成には同じ符号を付し、その説明は省略する。図９において、図８と異なる点について以下説明する。

図９に示すように、本実施例では、図８とは異なり、中央部の磁石挿入孔１３ｃおよび中央部の第３永久磁石１４ｃが、回転子３の最外周表面と、側部の第１永久磁石１４ａ、第２永久磁石１４ｂの径方向内側（中心側）の端部との間における、回転子鉄心１２の領域内に位置する。すなわち、回転子３の一磁極が、３個の永久磁石１４ａ、１４ｂ、１４ｃで構成される。具体的には、中央部の磁石挿入孔１３ｃおよび中央部の第３永久磁石１４ｃが、ｄ軸方向すなわち回転子３の径方向に沿って、回転子３の最外周表面と、側部の第１永久磁石１４ａ、第２永久磁石１４ｂの径方向内側の端部との間に位置する。本実施例では、図９に示すように、中央部の磁石挿入孔１３ｃおよび中央部の第３永久磁石１４ｃは、ｄ軸方向において、側部の磁石挿入孔１３ａ、１３ｂの径方向内側の端部よりも径方向外側の端部に近い側に位置する。

なお、本実施例では、永久磁石１４ｃは、１４ａ、１４ｂのどちらかと同等、または他の２つと異なるもの、さらには他の２つよりも大きい磁束密度でもよい。また、３つの永久磁石１４ａ、１４ｂ、１４ｃを同じ磁束密度を有するものとしてもよいし、永久磁石１４ａ、１４ｂの磁束密度を同等とし、永久磁石１４ｃの磁束密度を他の２つと異なるものとしてもよい。第３永久磁石１４ｃの磁束密度を、第１永久磁石１４ａ、第２永久磁石１４ｂと同等、またはさらに大きい磁束密度とすることで、側部の磁束をｄ軸に集め、磁石磁束を有効活用することが可能となる。

本実施例によれば、中央部の磁石挿入孔１３ｃおよび中央部の永久磁石１４ｃを、回転子鉄心の外周側すなわち電機子巻線側に近づけることができるので、各永久磁石を構成する磁性部材が埋め込まれた回転子の外部に複数の巻線を配置して着磁を行なう場合に、永久磁石の着磁が容易になる。また、永久磁石１４の表面積をより拡大することが容易となり、所望の磁束を得ることができる。よって、回転電機のマグネットトルクが増加して、トルクを向上することが可能となる。

図１０は、本実施例における回転電機の回転子の軸方向から見た部分断面図である。この図１０は、回転子断面における１磁極分の断面を示す。

図１０において、図７と同じ構成には同じ符号を付し、その説明は省略する。図１０において、図７と異なる点について以下説明する。

図１０に示すように、本実施例では、図７とは異なり、中央部の磁石挿入孔１３ｃおよび中央部の永久磁石１４ｃが追加されている。すなわち、一磁極が、３個の永久磁石１４ａ、１４ｂ、１４ｃで構成される。

なお、本実施例において、側部の永久磁石１４ａ、１４ｂは、それぞれの磁束の向きが中央部の永久磁石１４ｃに向くように、矩形断面の長辺に対して平行な配向方向（永久磁石の中心軸に対し９０°傾いた配向方向）とすることで、中央部の永久磁石１４ｃに磁束が集中される磁束集中型の配置、すなわちハルバッハ配向等の磁石配置となり、所望の磁束を得ることができる。よって、回転電機のマグネットトルクが増加して、トルクを向上することが可能となる。

以上実施例について説明したが、本発明は前述した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、前述した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。例えば、永久磁石は、フェライト磁石でもよいし、ボンド磁石でもよい。また、固定子鉄心および回転子鉄心は、バルク材料により構成してもよい。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置き換えをすることが可能である。

１：回転電機、２：固定子、３：回転子、４：ティース、５：コアバック、６：固定子鉄心、７：固定子スロット、１２：回転子鉄心、１３：磁石挿入孔、１４：永久磁石、１５：回転シャフト、４０：電機子巻線

Claims

固定子鉄心と該固定子鉄心に巻装される電機子巻線とを有する固定子と、回転子鉄心と該回転子鉄心に埋設される複数の永久磁石と、前記回転子鉄心に固定される回転シャフトを有する回転子を備える回転電機において、
前記複数の永久磁石は矩形断面を有し、それぞれの永久磁石内の磁束密度が領域ごとに変化しており、前記矩形断面の長辺に対して垂直であり、かつ、長辺の中間を通る永久磁石の中心軸に対して、前記永久磁石の磁束の配向方向が傾いていることを特徴とする回転電機。
請求項１に記載の回転電機において、
前記回転子の回転方向を回転軸に対して反時計回りとしたとき、
前記複数の永久磁石は、それぞれ、配向方向が永久磁石の中心軸に対して反時計回り方向側に傾いていることを特徴とする回転電機。
請求項２に記載の回転電機において、
前記複数の永久磁石は、それぞれ、永久磁石の磁束密度を永久磁石の中心軸に対して時計回り方向側から反時計回り方向側へ向かうに従い高くしていることを特徴とする回転電機。
請求項１に記載の回転電機において、
一磁極当たり少なくとも２個以上の永久磁石で構成されることを特徴とする回転電機。
請求項４に記載の回転電機において、
前記回転子の回転方向を回転軸に対して反時計回りとしたとき、
前記一磁極当たり少なくとも２個以上の永久磁石のうち任意の二つの永久磁石について、ｄ軸に対して反時計回り方向側を第１永久磁石、時計回り方向側を第２永久磁石としたとき、
前記第２永久磁石の磁束密度よりも前記第１永久磁石の磁束密度の方が高いことを特徴とする回転電機。
請求項４に記載の回転電機において、
一磁極当たり２個の永久磁石で構成されており、
前記２個の永久磁石を前記回転子の外周側に対して凹でありｄ軸対称の略Ｖ字状に配置することを特徴とする回転電機。
請求項５に記載の回転電機において、
前記複数の永久磁石は、一磁極当たり３個とし、前記回転子の径方向において、前記回転子の最外周面と、前記第１永久磁石と前記第２永久磁石の前記回転子の径方向内側の端部との間に位置する第３永久磁石を有することを特徴とする回転電機。
請求項４に記載の回転電機において、
前記複数の永久磁石は、一磁極当たり３個とし、第１永久磁石と第２永久磁石の間に第３永久磁石を有し、
前記第１永久磁石と前記第２永久磁石の配向方向を永久磁石の矩形断面の長手方向に対して平行とし、前記第３永久磁石に磁束が集まるように配置した磁束集中型であり、
前記第３永久磁石の配向方向は、永久磁石の中心軸に対して反時計回り方向側に傾いていることを特徴とする回転電機。