JP2022128155A - Magnetic wedge and rotating electric machine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は回転電機に用いられる磁性楔、その磁性楔を用いた回転電機に関する。 The present invention relates to a magnetic wedge used in a rotating electrical machine and a rotating electrical machine using the magnetic wedge.
一般的なラジアルギャップ型回転電機では、固定子(以下ステータ)と回転子(以下ロータ)とを同軸にして配し、ロータ周りのステータに、コイルを巻き回した複数のティースを、周方向等間隔に配している。また、ティースのロータ側先端には、隣り合うティースの先端を接続するよう、磁性楔を配することがある。なおこの場合、磁性楔は、コイル部品等とは異なり、磁性楔自体にはコイルを巻き回さずに用いられる。 In a typical radial gap type electric rotating machine, a stator (hereafter referred to as stator) and a rotor (hereafter referred to as rotor) are arranged coaxially, and multiple teeth with coils wound around the rotor are arranged in the circumferential direction. arranged at intervals. Also, a magnetic wedge may be arranged at the rotor-side tip of each tooth so as to connect the tips of adjacent teeth. In this case, the magnetic wedge is used without winding a coil around the magnetic wedge itself, unlike the coil component or the like.
このような磁性楔を配することで、ロータからコイルに到達する磁束を磁気シールドでき、コイルの渦電流損失を抑制することができる。また、磁性楔を配することで、ステータとロータとの間のギャップ内磁束分布(特に周方向の磁束分布)をなだらかにし、ロータの回転を滑らかにするだけでなく、ロータに生じる渦電流損失も低減することができる。このような磁性楔のメリットは、磁性楔の透磁率が高いほど、あるいは磁性楔が厚いほど顕著となる。 By arranging such a magnetic wedge, magnetic flux reaching the coil from the rotor can be magnetically shielded, and eddy current loss in the coil can be suppressed. In addition, by arranging a magnetic wedge, the magnetic flux distribution in the gap between the stator and rotor (especially the magnetic flux distribution in the circumferential direction) is smoothed, not only smoothing the rotation of the rotor, but also reducing the eddy current loss that occurs in the rotor. can also be reduced. Such merits of the magnetic wedge become more conspicuous as the magnetic wedge has a higher magnetic permeability or a thicker magnetic wedge.
特許文献1および2には電磁鋼板の積層体もしくは強磁性金属粉末の圧粉体からなる磁性楔が開示されている。
磁性楔の存在により、ティースからロータへ流れるべき磁束の一部が、磁性楔を経由してティース間で短絡してしまい、ロータへ流れる磁束が減少して回転電機のトルクが低下するという副作用がある。このような副作用も、磁性楔の透磁率が高いほど、あるいは磁性楔が厚いほど顕著となる。つまり、磁性楔のメリット(低損失化、即ち高効率化)と副作用(トルク低下)は、磁性楔の透磁率または厚さをパラメータとするトレードオフの関係にある。このため、従来の磁性楔では比透磁率を3~5程度に抑えて過度のトルク低下を回避しつつ、ある程度の効率向上に甘んじている状態であり、その効果は限定的であった。 Due to the presence of the magnetic wedges, part of the magnetic flux that should flow from the teeth to the rotor is short-circuited between the teeth via the magnetic wedges. be. Such a side effect becomes more conspicuous as the magnetic permeability of the magnetic wedge is higher or as the magnetic wedge is thicker. In other words, the advantage of the magnetic wedge (lower loss, ie, higher efficiency) and the side effect (lower torque) are in a trade-off relationship with the magnetic permeability or thickness of the magnetic wedge as a parameter. For this reason, the conventional magnetic wedge suppresses the relative magnetic permeability to about 3 to 5 to avoid an excessive decrease in torque, while at the same time being satisfied with improving the efficiency to some extent, and its effect is limited.
そこで本発明では、磁性楔における上記のトレードオフ関係を超えて、回転電機の効率とトルクを高いレベルで両方とも向上させ得る磁性楔を提供する。 Therefore, the present invention provides a magnetic wedge that can improve both the efficiency and the torque of a rotating electric machine to a high level beyond the above trade-off relationship in the magnetic wedge.
本発明の磁性楔は、回転電機用の磁性楔であって、互いに相対的に透磁率が異なる高透磁率部分と低透磁率部分とを有し、前記低透磁率部分の透磁率が前記高透磁率部分の透磁率よりも低く、前記高透磁率部分は前記磁性楔の幅方向の中央部に位置し、前記低透磁率部分は前記磁性楔の幅方向の両端側に位置することを特徴とする。 A magnetic wedge of the present invention is a magnetic wedge for a rotating electric machine, and has a high magnetic permeability portion and a low magnetic permeability portion having relatively different magnetic permeability, and the magnetic permeability of the low magnetic permeability portion is the high magnetic permeability. The magnetic permeability is lower than that of the magnetic permeability portion, and the high magnetic permeability portion is positioned at the central portion in the width direction of the magnetic wedge, and the low magnetic permeability portion is positioned at both end sides of the magnetic wedge in the width direction. and
また、前記磁性楔において、前記高透磁率部分には、軟磁性粒子と、前記軟磁性粒子の間に電気絶縁性の物質とを含むことが好ましい。 In the magnetic wedge, the high magnetic permeability portion preferably includes soft magnetic particles and an electrically insulating substance between the soft magnetic particles.
また、前記磁性楔において、前記軟磁性粒子が、Feよりも酸化しやすい元素Mを含有する複数のFe基軟磁性合金粒子であって、前記高透磁率部分は、前記Fe基軟磁性合金粒子が、前記元素Mを含む酸化物相で結着されていることが好ましい。 Further, in the magnetic wedge, the soft magnetic particles are a plurality of Fe-based soft magnetic alloy particles containing an element M that is more easily oxidized than Fe, and the high magnetic permeability portion is the Fe-based soft magnetic alloy particles is preferably bound by an oxide phase containing the element M.
また、前記磁性楔において、前記元素Mが、Al、Si、Cr、Zr、Hfの少なくとも一種であることが好ましい。 Moreover, in the magnetic wedge, the element M is preferably at least one of Al, Si, Cr, Zr, and Hf.
また、前記磁性楔において、前記低透磁率部分が非強磁性であることが好ましい。 Also, in the magnetic wedge, the low magnetic permeability portion is preferably non-ferromagnetic.
また、本発明の回転電機は、上記のいずれかの磁性楔を用いている。 Further, a rotating electric machine of the present invention uses any one of the magnetic wedges described above.
本発明によれば、回転電機の効率とトルクを高いレベルで両立させ得る磁性楔を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the magnetic wedge which can make the efficiency and torque of a rotary electric machine compatible at a high level can be provided.
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。 BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(第1実施形態)
図1に磁性楔100の斜視図を示す。磁性楔100は、回転電機用の磁性楔であって、互いに相対的に透磁率が異なる高透磁率部分と低透磁率部分とを有し、前記低透磁率部分の透磁率が前記高透磁率部分の透磁率よりも低く、前記高透磁率部分は前記磁性楔の幅方向の中央部に位置し、前記低透磁率部分は前記磁性楔の幅方向の両端側に位置している。、本実施形態では、全体として、長手方向に垂直な断面が凸形状となっている。そして、磁性楔100の幅方向(隣り合うティース同士を結ぶ、磁路方向。回転電機の回転方向(固定子の周方向)) の一端から逆側の一端に向かって、第一の低透磁率部分21、高透磁率部分10、第二の低透磁率部分22の順で形成されている。なお、「高透磁率部分」「低透磁率部分」の文言は、両部分の透磁率の大きさの相対的な関係を示すものである。
(First embodiment)
FIG. 1 shows a perspective view of a
高透磁率部分10は、磁性楔100の幅方向の略中央で、凸形状の突出部分の範囲内に位置しており、磁性楔100の長手方向に沿って細長く形成されている。また、高透磁率部分10は、磁性楔100を厚さ方向(幅方向(隣り合うティース同士を結ぶ方向)に垂直な方向。)に貫通するように配置されている。また、図1に示した磁性楔100では、高透磁率部分の断面が長方形になっているが、これに限らず、台形などの種々の形状を適用することができる。なお、磁性楔100の概略寸法は、例えば、長手方向が10mmから300mm、幅方向が2mmから20mm、厚みが1から5mmである。
The high
高透磁率部分10は、軟磁性粒子、例えば、鉄粉またはFe基軟磁性合金粉末のいずれか、あるいはその両方と、電気絶縁性の物質からなる複合材(コンポジット材)とすることができる。コンポジット材は、軟磁性粒子間に電気絶縁性の物質を存在させて、軟磁性粒子同士を結着させるとともに、粒子間を電気的に隔絶したものであり、磁性楔100の電気抵抗を高めることによって、磁性楔100に生じる渦電流損失を抑制することができる。
The high
軟磁性粒子の平均粒径は、粒径を小さくすることで電気抵抗を高め、渦電流損失の低減することができ、粒径を大きくすることで、高透磁率部分の透磁率が高くなって磁性楔の効果を強めることが可能となる。これらの観点から、軟磁性粒子の平均粒径は、200μm以下が好ましく、100μm以下がより好ましく、50μm以下がさらに好ましく、2μm以上が好ましく、5μm以上がより好ましく、10μm以上がさらに好ましい。 As for the average particle size of the soft magnetic particles, decreasing the particle size can increase electrical resistance and reduce eddy current loss. It becomes possible to strengthen the effect of the magnetic wedge. From these viewpoints, the average particle size of the soft magnetic particles is preferably 200 µm or less, more preferably 100 µm or less, even more preferably 50 µm or less, preferably 2 µm or more, more preferably 5 µm or more, and even more preferably 10 µm or more.
電気絶縁性の物質としては、有機物、無機物のいずれも使用可能であり、例えば、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリイミド、ポリフェニレンサルファイド、ポリアミド、ポリアミドイミド、シリコン樹脂、コロイダルシリカ、低融点ガラスなどが使用可能である。これらを使用した場合、強磁性粉末とこれらの電気絶縁性物質を混合後、トランスファー成形、射出成形、ホットプレス等の方法で作製できる。 Both organic and inorganic substances can be used as electrically insulating substances. For example, epoxy resin, phenolic resin, polyimide, polyphenylene sulfide, polyamide, polyamide-imide, silicon resin, colloidal silica, and low-melting-point glass can be used. is. When these are used, they can be produced by transfer molding, injection molding, hot pressing, etc. after mixing the ferromagnetic powder and these electrically insulating substances.
また、高透磁率部分10の一形態として、上記強磁性粒子がFeより酸化しやすい元素Mを含むFe基合金であり、軟磁性粒子間に元素Mの酸化物相を生成させて粒子同士を結着した形態とすることも可能である。この形態の高透磁率部分10の作製方法としては、軟磁性粒子をプレス成形後、酸素が存在する雰囲気で熱処理することにより、元素Mの酸化物相を粒界に成長させることができる、この形態であれば、粒界の電気絶縁性物質の割合を最小化することができ、高密度となるので、高強度、高透磁率となって、より好適である。元素Mとしては、Al、Si、Cr、Zr、Hfなどの一種あるは二種以上を使用することができる。ここで、「Feよりも酸化しやすい元素M」とは、酸化物の標準生成ギブズエネルギーが、Fe2O3よりも低い元素を意味している。
Further, as one form of the high
低透磁率部分21,22は、上記の電気絶縁性物質を使用して形成することができる。低透磁率部分と高透磁率部分を別々に作製して、それらを図1の形態になるように、接着や溶着等で一体化させることができる。また、二色成形法などで低透磁率材料と高透磁率材料を一体成形することも可能である。高透磁率部分10に含まれる電気絶縁性物質と、低透磁率部分を形成する電気絶縁性物質が同じであっても良いし、別材料であっても良い。また、磁性楔100の強度を向上させるために、ガラスファイバーやガラスクロスをその内部に埋め込むことも可能である。
The low
また、高透磁率部分10として、Feより酸化しやすい元素Mを含むFe基合金粒子を使用し、その粒子間に元素Mの酸化物相を成長させた場合は、低透磁率部分21,22を以下のようにして形成しても良い。すなわち、低透磁率部分21,22は、上記のFe基合金より透磁率が低い低透磁率金属粒子で構成される。ここで低透磁率金属粒子は、Feよりも酸化しやすい元素Mを含有する。当該低透磁率金属粒子は元素Mの単体であっても、M主体の合金であっても、上記Fe基合金と同じ合金系であっても良い。同じ合金系の場合は、上記高透磁率部分を構成するFe基合金粒子のFe組成量よりも、Fe組成量を減らすなどして、低透磁率の合金粒子を得ることができる。ここまで低透磁率部分21,22が、上記のFe基合金より透磁率が低い低透磁率金属粒子で構成される場合について記載したが、非磁性であっても構わない。
これらの高透磁率部分と低透磁率部分を金型内にセットしてプレス(サイジング)することにより、一体化した成形体を作製し、これを酸素存在下で熱処理することにより、粒子間に元素Mの酸化物相を生成させ、粒子間と、低透磁率部と高透磁率部の境界部をも強固に結着することができる。
Further, when Fe-based alloy particles containing an element M, which is more easily oxidized than Fe, are used as the high
By setting these high magnetic permeability portion and low magnetic permeability portion in a mold and pressing (sizing), an integrated molded body is produced, and by heat-treating this in the presence of oxygen, An oxide phase of the element M can be generated to strongly bond between particles and the boundary between the low magnetic permeability portion and the high magnetic permeability portion.
図2は、この構成における高透磁率部分10と、低透磁率部分21(22)の境界を拡大して示した模式図である。高透磁率部分10は、複数のFe基軟磁性合金粒子で構成され、より具体的には、Feよりも酸化しやすい元素Mを含有する複数のFe基軟磁性合金粒子1の圧密体である。そして、圧密体の粒子間に、空隙2と、Fe基軟磁性合金粒子1同士を結着するFe基軟磁性合金粒子の表面酸化物相3とを有している。かかる表面酸化物相は元素Mを含む酸化物相である。
また、低透磁率部分21または22は、Fe基軟磁性合金粒子1より透磁率が低い複数の低透磁率金属粒子4で構成される。ここで低透磁率金属粒子4は、Feよりも酸化しやすい元素Mを含有することを特徴とする。そして、低透磁率金属粒子4の粒子間に空隙2と、低透磁率金属粒子4同士を結着する表面酸化物相5とを有している。かかる表面酸化物相は元素Mを含む酸化物相である。
さらに、Fe基軟磁性合金粒子1と低透磁率金属粒子4とが隣接する場所においては、表面酸化物相6が形成されている。表面酸化物相6は、Fe基軟磁性合金粒子1の表面酸化物相3と低透磁率金属粒子4の表面酸化物相5が接合して一体化したものであって、隣接する粒子により成分が異なる相となる。ただし、Fe基軟磁性合金粒子1と低透磁率金属粒子4に、同じ元素Mを含有することで、表面酸化物相6を、元素Mを主体とする、より均質な表面酸化物相6にすることができる。これにより、Fe基軟磁性合金粒子1および低透磁率金属粒子4の粒子間を強固に結着することができる。
FIG. 2 is a schematic diagram showing an enlarged boundary between the high
Also, the low
Furthermore, surface oxide phases 6 are formed at locations where the Fe-based soft
(第2実施形態)
次に、本発明の第2実施形態の磁性楔200について説明する。本実施形態の磁性楔200と第1実施形態の磁性楔100とは、形状だけが異なる。また、第1実施形態と同じ構成は、作用効果が同じなので、同じ記号を付して説明を省略する。
(Second embodiment)
Next, a
磁性楔は後述のようにステータのティースに形成された突起や溝に嵌合されて取り付けられる。したがって、この嵌合形態によって、磁性楔の断面は種々の形状をとることができる。第一の実施形態では磁性楔の両端に段差を設けた形状で説明したが、例えば図3に示したように、磁性楔200の両端がテーパー状になっていても良い。このような形状であれば、ステータに形成された溝の角部への応力集中を緩和できるので好適である。また、図3に示した磁性楔200では、高透磁率部分の断面が長方形になっているが、これに限らず、台形などの種々の形状を適用することができる。
The magnetic wedges are attached by being fitted into projections and grooves formed on the teeth of the stator as described later. Therefore, the cross-section of the magnetic wedge can take various shapes depending on this fitting configuration. In the first embodiment, the magnetic wedge has a stepped shape at both ends, but the
(第3実施形態)
次に、本発明の第3実施形態である、回転電機300について説明する。
図4は、回転電機300の模式図であり、回転電機300の回転軸に垂直な断面構造を示している。回転電機300は、ラジアルギャップ型回転電機であり、ステータ35とロータ32を同軸にして配している。そして、ステータ35には、コイル33を巻き回した複数のティース34を、周方向に等間隔に配している。
(Third embodiment)
Next, a rotating electric machine 300, which is a third embodiment of the present invention, will be described.
FIG. 4 is a schematic diagram of the rotating electric machine 300 and shows a cross-sectional structure perpendicular to the rotating shaft of the rotating electric machine 300. As shown in FIG. The rotating electric machine 300 is a radial gap type rotating electric machine, in which a
本実施形態の回転電機300では、ティース34のロータ32側先端に、隣り合うティース34の先端を接続するよう、第1実施形態の磁気楔100、あるいは、第2実施形態の磁気楔200を配している。
In the rotary electric machine 300 of the present embodiment, the
ここで、ティース34の比透磁率と飽和磁束密度は、通常、磁性楔100または200のそれらよりも高く設計される。これにより、磁性楔100または200に達したロータ32からの磁束は、磁性楔100または200を経由してティース34に流入し、コイルに達する磁束が抑制されて、コイルに生じる渦電流損失を低減することができる。また、回転電機の駆動時において、コイル電流により生じたティース34内の磁束は、大部分がギャップを隔ててロータ32に流入するものの、一部は磁性楔に誘引されて周方向に広がるようになる。これにより、ステータ35とロータ32との間のギャップ内磁束分布がなだらかになり、例えばロータ32に永久磁石を配置した回転電機では、コギングを抑制することができ、さらにロータ32に発生する渦電流損を低減することができる。また、例えばロータ32にかご形導体を配置した誘導型回転電機では、二次銅損を低減することができる。以上のように本発明による磁性楔100または200を回転電機に配することで、損失を低減し、高効率・高性能の回転電機300にすることができる。
Here, the relative magnetic permeability and saturation magnetic flux density of the
(高透磁率部分の磁気特性)
高透磁率部分に、Feより酸化しやすい元素であるAlおよびCrを含むFe-Al-Cr合金粒子を用いた場合の第1実施形態の実施例を以下に示す。
(Magnetic properties of high permeability part)
Examples of the first embodiment in which Fe--Al--Cr alloy particles containing Al and Cr, which are elements that are more easily oxidized than Fe, are used in the high magnetic permeability portion are shown below.
(磁気特性測定用試料の作製)
高圧水アトマイズ法により、Fe-5%Al-4%Cr(質量%)の合金粉末(Fe基軟磁性粉末)を作製した。作製した粉末の平均粒径(メジアン径)は12μmであった。この合金粉末にポリビニルアルコール(PVA)とイオン交換水を加えてスラリーを作製し、スプレードライヤーで噴霧乾燥を行って造粒粉を得た。原料粉末を100質量部とするとPVA添加量は0.75質量部である。得られた造粒粉に0.4質量部の割合でステアリン酸亜鉛を添加し、混合した。得られた混合粉を金型に充填し、室温にて成形圧力0.9GPaでプレス成形した。作製した成形体に、大気中750℃×1時間の熱処理を施して磁気特性評価用試料を得た。作製した磁気測定用試料の形状は、直流磁化曲線測定用として10mm×10mm×厚さ1.5mmの平板形状、および、鉄損測定用試料として外径13.4mm×内径7.7mm×厚さ2.0mmのリング形状である。
(Preparation of sample for magnetic property measurement)
An Fe-5%Al-4%Cr (mass %) alloy powder (Fe-based soft magnetic powder) was produced by a high-pressure water atomization method. The average particle diameter (median diameter) of the produced powder was 12 μm. Polyvinyl alcohol (PVA) and ion-exchanged water were added to this alloy powder to prepare slurry, which was spray-dried with a spray dryer to obtain granulated powder. When the raw material powder is 100 parts by mass, the amount of PVA added is 0.75 parts by mass. 0.4 parts by mass of zinc stearate was added to the obtained granulated powder and mixed. The obtained mixed powder was filled in a mold and press-molded at room temperature with a molding pressure of 0.9 GPa. The formed body was subjected to heat treatment at 750° C. for 1 hour in air to obtain a sample for evaluation of magnetic properties. The shape of the prepared magnetic measurement sample was a flat plate shape of 10 mm × 10 mm × 1.5 mm thickness for DC magnetization curve measurement, and an outer diameter 13.4 mm × inner diameter 7.7 mm × thickness for iron loss measurement sample. It has a ring shape of 2.0 mm.
(高透磁率部分の断面組織)
上記のように作製した高透磁率部分について、走査電子顕微鏡(SEM/EDX)を用いて断面観察を行い、同時に各構成元素の分布を調べた。結果を図4に示す。図5(a)はSEM像であり、図5(b)~(e)はそれぞれ、Fe(鉄)、Al(アルミニウム)、Cr(クロム)、O(酸素)の分布を示すマッピング像である。明るい色調ほど対象元素が多いことを示す。図5から、Fe基軟磁性粒子間の粒界にはアルミニウムと酸素が多く、酸化物相が形成されていることがわかる。さらに、各軟磁性粒子同士がこの酸化物相を介して結合している様子がわかる。
(Cross-sectional structure of high permeability part)
The cross-sectional observation of the high magnetic permeability portion produced as described above was performed using a scanning electron microscope (SEM/EDX), and at the same time, the distribution of each constituent element was examined. The results are shown in FIG. FIG. 5(a) is an SEM image, and FIGS. 5(b) to 5(e) are mapping images showing distributions of Fe (iron), Al (aluminum), Cr (chromium), and O (oxygen), respectively. . Brighter colors indicate more target elements. From FIG. 5, it can be seen that there are many aluminum and oxygen at the grain boundaries between the Fe-based soft magnetic particles, and an oxide phase is formed. Furthermore, it can be seen that the soft magnetic particles are bonded to each other via this oxide phase.
(直流磁化曲線)
試料の直流磁化曲線(B-H曲線)は直流自記磁束計(東栄工業製TRF-5AH)を用いて、上記の10mm角試料を電磁石の磁極に挟み、最大印加磁界500kA/mで測定した。室温での測定結果を図6に示す。印加磁界160kA/mにおける磁束密度の値は1.60T、比透磁率μは8.0であった。後述のモータ特性シミュレーションでは、高透磁率部分のB-H曲線としてこの実測値を用いた。
(DC magnetization curve)
The DC magnetization curve (BH curve) of the sample was measured using a DC self-recording magnetometer (TRF-5AH manufactured by Toei Kogyo Co., Ltd.) by sandwiching the above 10 mm square sample between the magnetic poles of an electromagnet and applying a maximum magnetic field of 500 kA/m. FIG. 6 shows the measurement results at room temperature. The magnetic flux density was 1.60 T and the relative magnetic permeability μ was 8.0 at an applied magnetic field of 160 kA/m. In the motor characteristic simulation described later, this measured value was used as the BH curve of the high magnetic permeability portion.
(鉄損)
上記のリング試料に、ポリウレタン被覆銅線を用いて一次巻線と二次巻線を施した。巻き回数は一次側、二次側とも50ターンとした。この試料を、大電流バイポーラ電源を備えたB-Hアナライザ(IFG社製BH-550)に接続して鉄損Pcvを測定した。測定条件は、周波数f=50Hz~1kHz、最大磁束密度Bm=0.05~1.55Tである。なお、一次巻線のジュール熱による試料温度上昇を防ぐために、冷媒温度を23℃に維持した冷却槽に試料を浸漬して鉄損を測定した。冷媒にはシリコンオイルを使用した。測定結果を図7に示す。図中の白丸が測定値である。図のようにBmの高い領域では磁気飽和に近づくためPcvが徐々に飽和する傾向を示している。次項のモータ特性評価では、高透磁率部分の鉄損としてこの実測値を用いた。なお、実測で測定できたのはBm=1.55Tまでであったが、モータ内部で磁性楔は電磁鋼板の飽和磁束密度に相当する2T程度まで磁化される可能性がある。そこで、1.55Tを超える高Bm側のPcv値については、測定結果を最小二乗法で以下の式に当てはめ、この式の外挿値を使用した。
Pcv=6.9f/(1+(1.28/Bm)2)
ここでPcvの単位はkW/m3、Bmの単位はT、fの単位はHzである。図6中の実線がこの式の計算値である。
(iron loss)
A primary winding and a secondary winding were applied to the above ring samples using polyurethane-coated copper wire. The number of windings was 50 on both the primary and secondary sides. This sample was connected to a BH analyzer (BH-550 manufactured by IFG) equipped with a large-current bipolar power source to measure iron loss Pcv. The measurement conditions are frequency f=50 Hz to 1 kHz and maximum magnetic flux density Bm=0.05 to 1.55T. In order to prevent the sample temperature from rising due to the Joule heat of the primary winding, the sample was immersed in a cooling bath in which the coolant temperature was kept at 23° C., and the iron loss was measured. Silicone oil was used as the coolant. The measurement results are shown in FIG. White circles in the figure are measured values. As shown in the figure, Pcv tends to gradually saturate in the region where Bm is high because it approaches magnetic saturation. In the evaluation of the motor characteristics described in the next section, this measured value was used as the core loss of the high magnetic permeability portion. It should be noted that although it was possible to actually measure up to Bm=1.55T, there is a possibility that the magnetic wedge inside the motor will be magnetized up to about 2T, which corresponds to the saturation magnetic flux density of the magnetic steel sheet. Therefore, for the Pcv value on the high Bm side exceeding 1.55 T, the measurement results were applied to the following formula by the method of least squares, and the extrapolated value of this formula was used.
Pcv=6.9f/(1+(1.28/Bm) 2 )
Here, the unit of Pcv is kW/m 3 , the unit of Bm is T, and the unit of f is Hz. The solid line in FIG. 6 is the calculated value of this formula.
(回転電機特性評価)
誘導型回転電機に実施例もしくは比較例の磁性楔を設置した場合の特性(効率とトルク)を有限要素法による二次元電磁界シミュレーションを用いて算出した。その際、各磁性楔の高透磁率部分の磁気特性として上述のB-H曲線と鉄損値を計算に取り入れた。
電磁界シミュレーションに供した誘導型回転電機の諸元は以下の通りである。
ステータ:直径450mm×高さ162mm
極数:4
スロット数:36
ロータおよびステータ材質:電磁鋼板(50A1000)
回転電機出力:150kW
回転数:1425rpm
(Rotating electric machine characteristic evaluation)
Characteristics (efficiency and torque) when the magnetic wedges of Examples or Comparative Examples are installed in an induction rotating electric machine were calculated using a two-dimensional electromagnetic field simulation based on the finite element method. At that time, the above-mentioned BH curve and core loss value were incorporated into the calculation as the magnetic properties of the high magnetic permeability portion of each magnetic wedge.
The specifications of the induction type rotary electric machine subjected to the electromagnetic field simulation are as follows.
Stator: diameter 450 mm x height 162 mm
Number of poles: 4
Number of slots: 36
Rotor and stator material: electromagnetic steel plate (50A1000)
Rotating electric machine output: 150 kW
Rotation speed: 1425 rpm
図8に、本評価で使用した磁性楔100の設置位置を示す。磁性楔100の断面はT字型であり、磁性楔100の幅(回転電機の周方向の長さ)は、コイル33側で12.0mm、ロータ32側で7.0mmである。磁性楔100の幅方向中央における厚さ(回転電機の径方向の長さ)は3.0mmであり、段差部の厚さは1.5mmである。
FIG. 8 shows the installation position of the
(実施例)
実施例の磁性楔100の断面模式図を図9に示す。実施例は、幅方向中央部に位置する高透磁率部分10と、その両側に位置する低透磁率部分21、22からなる。高透磁率部分10の磁気特性は上述の通りであり、高透磁率部分の幅xは0<x<12mmの範囲にある。また、低透磁率部分21、22は非磁性として、比透磁率を1に固定した。
(Example)
FIG. 9 shows a schematic cross-sectional view of the
(比較例)
比較例の磁性楔100の断面模式図を図10に示す。比較例は、ロータ側に位置する高透磁率部分10と、コイル側に位置する低透磁率部分21からなる。高透磁率部分10の磁気特性は上述の通りであり、高透磁率部分の厚さyは0≦y≦3mmの範囲にある。また、低透磁率部分21は非磁性として、比透磁率を1に固定した。この比較例において、y=0は磁性楔100の全体が非磁性体となり、y=3mmのときは磁性楔100の全体が高透磁率部分となる。
(Comparative example)
FIG. 10 shows a schematic cross-sectional view of a
(回転電機特性評価結果)
実施例の磁性楔を用いた回転電機の効率とトルクを表1に、比較例の磁性楔を用いた場合の回転電機の効率とトルクを表2にそれぞれ示す。また、図11は横軸に回転電機の効率、縦軸にトルクをとって表1および表2の結果を図示したものである。図11においては、グラフ上で右上に位置するものほど、効率もトルクも高く、良好な特性と言うことができる。
まず比較例の磁性楔の結果に着目すると、全体が非磁性の比較例1が最もトルクが高い一方、効率は最低である。高透磁率部分を増やしていくと(比較例2~4)、効率は向上してくもののトルクは低下していく。全体が高透磁率部分の比較例5で、比較例の中では最高効率が得られるものの、トルクは最低となる。比較例における以上のようなトレードオフの関係を図11中に点線で示した。
一方、実施例の計算結果のプロット点は、いずれも上記点線の右上に位置しており、比較例に比べて高トルクと高効率を両立した優れた特性を示した。従来から使用されている磁性楔は比較例5のような全体が高透磁率部分からなる磁性楔である。この比較例5と比較すると、実施例はトルクと効率の両方とも上回っていることから、従来の磁性楔では実現できなかった優れた特性の回転電機を提供することができる。
(Rotating electric machine characteristic evaluation results)
Table 1 shows the efficiency and torque of the rotating electric machine using the magnetic wedge of the example, and Table 2 shows the efficiency and torque of the rotating electric machine using the magnetic wedge of the comparative example. FIG. 11 shows the results of Tables 1 and 2, with the efficiency of the rotary electric machine on the horizontal axis and the torque on the vertical axis. In FIG. 11, it can be said that the higher the upper right position on the graph, the higher the efficiency and torque, and the better the characteristics.
First, focusing on the results of the magnetic wedges of the comparative examples, the completely non-magnetic comparative example 1 has the highest torque, but the lowest efficiency. As the high permeability portion is increased (Comparative Examples 2 to 4), the efficiency is improved but the torque is decreased. Comparative Example 5, which has a high magnetic permeability portion as a whole, has the highest efficiency among the comparative examples, but the lowest torque. The trade-off relationship as described above in the comparative example is indicated by a dotted line in FIG.
On the other hand, all of the plotted points of the calculation results of the example are located on the upper right side of the above dotted line, showing excellent characteristics of both high torque and high efficiency compared to the comparative example. A magnetic wedge that has been conventionally used is a magnetic wedge as in Comparative Example 5 which is entirely composed of a high magnetic permeability portion. Compared to this comparative example 5, the example is superior in both torque and efficiency, so it is possible to provide a rotating electrical machine with excellent characteristics that could not be achieved with conventional magnetic wedges.
以上、本発明について、上記実施形態を用いて説明してきたが、本発明の技術範囲は、上記実施形態に限定されない。特許請求の範囲に記載されている技術範囲にて、内容を変更できるものである。 Although the present invention has been described above using the above embodiments, the technical scope of the present invention is not limited to the above embodiments. The contents can be changed within the technical scope described in the claims.
1:Fe基軟磁性粒子
2:空隙
3:表面酸化物相
4:低透磁率金属粒子
5:表面酸化物相
6:表面酸化物相
10:高透磁率部分
21、22:低透磁率部分
31:ギャップ
32:ロータ
33:コイル
34:ティース
35:ステータ
100、200:磁性楔
300:回転電機
1: Fe-based soft magnetic particles 2: voids 3: surface oxide phase 4: low-permeability metal particles 5: surface oxide phase 6: surface oxide phase 10: high-
Claims (6)
互いに相対的に透磁率が異なる高透磁率部分と低透磁率部分とを有し、
前記低透磁率部分の透磁率が前記高透磁率部分の透磁率よりも低く、
前記高透磁率部分は前記磁性楔の幅方向の中央部に位置し、
前記低透磁率部分は前記磁性楔の幅方向の両端側に位置すること、
を特徴とする磁性楔。 A magnetic wedge for a rotating electric machine,
Having a high magnetic permeability portion and a low magnetic permeability portion having relatively different magnetic permeability,
the magnetic permeability of the low magnetic permeability portion is lower than the magnetic permeability of the high magnetic permeability portion;
The high magnetic permeability portion is located in the central portion of the magnetic wedge in the width direction,
the low magnetic permeability portions are positioned on both widthwise end sides of the magnetic wedge;
A magnetic wedge characterized by:
A rotating electrical machine using the magnetic wedge according to any one of claims 1 to 5.
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