JP2024029631A - 回転子 - Google Patents

Abstract

【課題】トルクリプルが抑制された同期電動機の回転子を提供する。【解決手段】同期電動機の回転子３であって、複数の極と、回転子３の外周部３３に位置する複数の第一溝部３４と、を備える。複数の第一溝部３４の数をＣ１、複数の極対数をＰ、任意の自然数をＮとすると、Ｃ１＝Ｐ×６Ｎを満たす。【選択図】図４

Description

本発明は、同期電動機の回転子に関する。

電動機のトルクリプルは，制御性能の悪化や振動・騒音の増加などさまざまな問題を引き起こすため，いくつかの抑制手段が提案されている。例えば、特許文献１に、トルクリプルを低減するために、ロータコアの外周面に切欠き溝を設けた同期電動機の回転子が開示されている。

特開２０２１－０７２７３３

特許文献１に開示されている回転子は、ロータコアの外周面に設けられた切欠き溝によって、トルクリプルを抑制する。
しかしながら、特許文献１に開示されている回転子は、切欠き溝の構成にいくつかの制約があり，複雑な形状を有している。これを一般的な回転子の構成に適応しようとすると、同技術が条件を満たして成立し、効果を発揮することは難しい。
さらに特許文献１に開示されている回転子は、特許文献１の図７に示すように、マグネットトルクのトルクリプルを抑制する。しかし、特許文献１の図６に示すように、リラクタンストルクのトルクリプルを抑制できない。したがって、マグネットトルクとリラクタンストルクの和である、モータの全トルクのトルクリプルを抑制する技術が求められる。

本発明は、トルクリプルが抑制された同期電動機の回転子を提供することを目的とする。

本発明の一側面に係る同期電動機の回転子は、
複数の極と、
前記回転子の外周部に位置する複数の第一溝部と、
を備え、
前記複数の第一溝部の数をＣ１、前記複数の極対数をＰ、任意の自然数をＮとすると、
Ｃ１＝Ｐ×６Ｎ
を満たす。

本発明によれば、回転子の外周部に１極対当たり６Ｎ個（Ｎは任意の自然数）の溝部を設けて、６Ｎ回のパーミアンス変動を与えることにより、高調波成分の振幅を低減することで、トルクリプルの脈動を低減することができる。

参考例に係る同期電動機の水平方向断面図である。 参考例に係る同期電動機の回転子の水平方向断面図である。 参考例に係る同期電動機の回転子におけるトルク波形を示す図である。 第１実施形態に係る同期電動機の回転子の水平方向断面図である。 第１実施形態の変形例に係る同期電動機の回転子の水平方向断面図である。 第１実施形態に係る同期電動機の回転子におけるトルク波形を示す図である。 第２実施形態に係る同期電動機の回転子の模式図である。 図７に示す回転子のうち、第一コアシートを含む領域におけるトルク波形を示す図である。 図７に示す回転子のうち、第一コアシートを含む領域におけるトルク波形を示す図である。 第２実施形態に係る回転子を備えた同期電動機におけるトルクの合成波形を示す図である。 第３実施形態に係る同期電動機の回転子の模式図である。 図１１に示す回転子のうち、第一コアシートを含む領域におけるトルク波形を示す図である。 図１１に示す回転子のうち、第一コアシートを含む領域におけるトルク波形を示す図である。 第３実施形態に係る回転子を備えた同期電動機におけるトルクの合成波形を示す図である。 第４実施形態に係る同期電動機の模式図である。 図１５に示す同期電動機のうち、第一コアシートを含む領域におけるトルク波形を示す図である。 図１５に示す同期電動機のうち、第二コアシートを含む領域におけるトルク波形を示す図である。 第４実施形態に係る同期電動機におけるトルクの合成波形を示す図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。尚、実施形態の説明において既に説明された部材と同一の参照番号を有する部材については、説明の便宜上、その説明は省略する。また、本図面に示された各部材の寸法は、説明の便宜上、実際の各部材の寸法とは異なる場合がある。

図１は、参考例に係る同期電動機１０の水平方向断面図である。
図１に示すように、同期電動機１０は、円筒状のハウジング１に固定された固定子２と、固定子２に対して相対的に回転可能な回転子３００と、を備えている。

固定子２は、回転軸方向に複数の電磁鋼板が積層されて形成されたリング形状のステータコア２１を備えている。ステータコア２１は、内周面側に複数のステータコイル２２を有している。複数のステータコイル２２は、環状に配置されており、外部から交流電流が印加される構成となっている。

回転子３００は、回転軸方向に複数の電磁鋼板が積層されて形成されたロータコア２３１を備えている。ロータコア２３１は円筒状に形成されており、その径方向中央部には、シャフト取付孔３１ａが形成されている。シャフト取付孔３１ａには図示しない駆動シャフトが固定され、駆動シャフトはハウジング１によって回転可能に支承されている。

回転子３００は、ロータコア２３１に４個のロータ磁石２０３ａ～２０３ｄを有する。ロータ磁石２０３ａ～２０３ｄは、永久磁石で構成されている。ロータ磁石２０３ａ～２０３ｄがスロット内部に埋め込まれていることで、ロータ磁石２０３ａ～２０３ｄが強固に固定されている。ロータ磁石２０３ａ～２０３ｄは、それぞれ極性の異なる１極を構成している。

本実施形態に係る同期電動機１００の回転子３の詳細を説明するために、比較対象として、図２、３を用いて、参考例に係る同期電動機１０の回転子３００について説明する。
図２は、参考例に係る同期電動機１０の回転子３００の水平方向断面図である。図２に示すように、ロータコア２３１の外周部３３および内周部３５は、回転中心Ｏを中心とした円形状を有する。
ロータ磁石２０３ａ～２０３ｄは、それぞれ円柱状に形成されており、大きさ、材質および組成が略同一である。また、ロータ磁石２０３ａ～２０３ｄは、回転中心Ｏを中心とした円周上に、当該円周の各接線に沿って等間隔に配置されている。したがって、それぞれのロータ磁石２０３ａ～２０３ｄに起因するステータコイルに対する起磁力は略同一である。また、ロータ磁石２０３ａ～２０３ｄの各々の両端部には、径方向外側に延びる空隙部３２ａ～３２ｄが設けられている。

図３は、参考例に係る同期電動機１０の回転子３００におけるトルク波形を示す図であり、横軸に角度を、縦軸にトルクを示す。図３に示す符号Ｔ１は、トルク波形のトルクリプルの大きさを表す。なお、図３のトルク波形の測定に用いられた回転子３００を含む同期電動機１０は、１０極１２スロット、集中巻線のＩＰＭＳＭ（埋め込み磁石同期電動機）構造である。

一般的に、電動機において、トルクの６次高調波リプル成分が発生することが知られており、６次高調波リプル成分はモータ制御性の悪化や振動・騒音の要因となり得る。
トルクリプルの発生要因は、主に（１）電機子の回転磁界に重畳する高調波である回転磁界高調波、（２）回転子の磁石起磁力（形状，配置）などにより発生する起磁力高調波である界磁起磁力高調波、（３）電機子巻線の配置に起因する高調波である相帯高調波、（４）電機子の巻線スロットに起因するギャップのパーミアンス変動による高調波であるスロット高調波、の４つの磁束密度高調波成分である。このうち（１）～（３）は、主にギャップ磁束密度の５次または７次高調波成分として現れることが知られている。また、トルクの６次高調波リプル成分は、ギャップ磁束密度の５次または７次高調波成分に起因していることが知られている。

ここで発明者は、回転子の外周部に１極対当たり６Ｎ個（Ｎは任意の自然数）の溝部を設けて、６Ｎ回のパーミアンス変動を与えることで、６次高調波リプル成分を抑制することを検討した。６Ｎ回のパーミアンス変動を与えることにより、トルクの６次高調波リプル成分の要因である、ギャップ磁束密度の５次または７次高調波、およびその倍数次高調波の、振幅および位相を変化させる。これらの高調波成分の振幅を低減することで、トルクリプルの脈動を低減することが可能となる。またこれらの高調波成分の位相を反転させることで，トルクリプルの位相を変転させることが可能である。
［第１実施形態］

以下、図４～６を用いて、第１実施形態の同期電動機１００の回転子３について詳細に説明する。
図４は、第１実施形態の同期電動機１００の回転子３の水平方向断面図である。
図４に示すように、ロータコア３１は、図２に示す参考例に係る同期電動機のロータコア２３１と異なり、外周部３３に複数の第一溝部３４を有する。複数の第一溝部３４の各々は、円弧形状の凸部３４ａと凹部３４ｂから構成される。なお、凸部３４ａの形状は円弧形状に限定されず、のこぎり形状や台形形状であってもよい。
図４の例示では、空隙部３２ａ～３２ｄのうち、隣接する２つの空隙部の間に、凹部３４ｂが配置されている構成となっている。第１実施形態の変形例として、図５に示すように、隣接する２つの空隙部の間に、凸部３４ａが配置されている構成であってもよい。

複数の第一溝部３４の数をＣ１、ロータ磁石３ａ～３ｄの極対数をＰ、任意の自然数をＮとすると、回転子３はＣ１＝Ｐ×６Ｎを満たすように構成されている。図４の例示では、ロータ磁石３ａ～３ｄの極対数Ｐは２、複数の第一溝部の数Ｃ１は１２であるため、上記式を満たす。ロータ磁石３ａ～３ｄの極対数Ｐが２の場合、上式より、複数の第一溝部の数Ｃ１は１２の倍数であればよい。上記構成により、回転子における磁束密度波形を変化させて、磁束密度波形の高調波成分を低減することができる。

図６は、第１実施形態に係る同期電動機１００の回転子３におけるトルク波形を示す図であり、横軸に角度を、縦軸にトルクを示す。なお、図６のトルク波形の測定に用いられた回転子３を含む同期電動機１００は、１０極１２スロット、集中巻線のＩＰＭＳＭ（埋め込み磁石同期電動機）構造である。

図６に示すように、第１実施形態に係る同期電動機１００の回転子３におけるトルクリプルＴ２は、回転子３の外周部３３に１極対当たり６Ｎ個の溝部を設けて、６Ｎ回のパーミアンス変動を与えることで、図３に示す参考例に係る同期電動機１０の回転子３００のトルクリプルＴ１と比較して１／２以下に低減される。したがって、振動・騒音が低減するなど電動機の性能を改善することできる。
［第２実施形態］

以下、図７～１０を用いて、第２実施形態の同期電動機１００の回転子３’について詳細に説明する。
図７は、第２実施形態の同期電動機１００の回転子３’の模式図である。回転子３’は、参考例に係る同期電動機１０の回転子３００と第１実施形態の同期電動機１００の回転子３を組み合わせた構成である。
回転子３’のロータコアは、複数の第一コアシート３１Ａ、３１Ｂが回転軸方向Ｌに積層された構成である。軸方向に隣り合う第一コアシート３１Ａ、３１Ｂを軸方向から透視的に見たときに、少なくとも一部の第一コアシート（図７の例示では、第一コアシート３１Ａ）の外周部３３には複数の第一溝部３４が設けられている。

複数の第一溝部３４の数をＣ１、ロータ磁石３ａ～３ｄの極対数をＰ、任意の自然数をＮとすると、回転子３’のうち、第一コアシート３１Ａを含む領域は、Ｃ１＝Ｐ×６Ｎを満たすように構成されている。図７の例示では、ロータ磁石３ａ～３ｄの極対数Ｐは２、複数の第一溝部の数Ｃ１は１２であるため、上記式を満たす。ロータ磁石３ａ～３ｄの極対数Ｐが２の場合、上式より、複数の第一溝部の数Ｃ１は１２の倍数であればよい。上記構成により、第一コアシート３１Ａを含む領域における磁束密度波形の位相を変化させている。

図８は、図７に示す回転子３’のうち、第一コアシート３１Ａを含む領域におけるトルク波形を示す図である。図９は、図７に示す回転子３’のうち、第一コアシート３１Ｂを含む領域におけるトルク波形を示す図である。図８、９は、横軸に角度を、縦軸にトルクを示す。
図８、９を比較すると、第一コアシート３１Ａを含む領域におけるトルク波形の位相と第一コアシート３１Ｂを含む領域におけるトルク波形の位相が、互いに反転している。第一コアシート３１Ａを含む領域において、回転子３の外周部３３に１極対当たり６Ｎ個の第一溝部３４を設けて、６Ｎ回のパーミアンス変動を与えることで、磁束密度波形の位相を変化させているためである。

図１０は、図７に示す第２実施形態に係る回転子３’を備えた同期電動機全体におけるトルク波形を示す図であり、横軸に角度を、縦軸にトルクを示す。図１０に示すトルク波形は、図８に示すトルク波形と図９に示すトルク波形の合成波形である。なお、図１０のトルク波形の測定に用いられた回転子３’を含む同期電動機は、４極２４スロット、分布巻線のＩＰＭＳＭ構造である。

図８に示すトルク波形の位相と図９に示すトルク波形の位相が、互いに反転しているため、同期電動機全体としては２つのトルクが合成されることで、リプルが相殺され、トルクリプルＴ３の高調波成分が低減される。したがって、振動・騒音が低減など電動機の性能を改善することできる。
［第３実施形態］

以下、図１１～１４を用いて、第３実施形態の同期電動機１００の回転子３’’について詳細に説明する。
図１１は、第３実施形態の同期電動機１００の回転子３’’の模式図である。回転子３’’は、第２実施形態の同期電動機１００の回転子３’からロータ磁石３ａ～３ｄを取り除いた構成である。ロータ磁石３ａ～３ｄがあった元の空間には、空気が入っている。
回転子３’のロータコアは、第２実施形態と同様に、複数の第一コアシート３１Ａ、３１Ｂが回転軸方向Ｌに積層された構成である。軸方向に隣り合う第一コアシート３１Ａ、３１Ｂを軸方向から透視的に見たときに、少なくとも一部の第一コアシート（図１１の例示では、第一コアシート３１Ａ）の外周部３３には複数の第一溝部３４が設けられている。

図１２は、図１１に示す回転子３’’のうち、第一コアシート３１Ａを含む領域におけるトルク波形を示す図である。図１３は、図１１に示す回転子３’のうち、第一コアシート３１Ｂを含む領域におけるトルク波形を示す図である。図１２、１３は、横軸に角度を、縦軸にトルクを示す。
図１２、１３を比較すると、第２実施形態と同様に、第一コアシート３１Ａを含む領域におけるトルク波形の位相と第一コアシート３１Ｂを含む領域におけるトルク波形の位相が、互いに反転している。第一コアシート３１Ａを含む領域において、回転子３の外周部３３に１極対当たり６Ｎ個の第一溝部３４を設けて、６Ｎ回のパーミアンス変動を与えることで、磁束密度波形の位相を変化させているためである。

図１４は、図１１に示す第３実施形態に係る回転子３’’を備えた同期電動機全体におけるトルク波形を示す図であり、横軸に角度を、縦軸にトルクを示す。図１４に示すトルク波形は、図１２に示すトルク波形と図１３に示すトルク波形の合成波形である。なお、図１４のトルク波形の測定に用いられた回転子３’’を含む同期電動機は、４極２４スロット、分布巻線のシンクロナスリラクタンスモータ（Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｒｅｌｕｃｔａｎｃｅ Ｍｏｔｏｒ：ＳｙｎＲＭ）である。

図１２に示すトルク波形の位相と図１３に示すトルク波形の位相が、互いに反転しているため、同期電動機全体としては２つのトルクが合成されることで、リプルが相殺され、トルクリプルＴ３の高調波成分が低減される。したがって、本実施形態のように、同期電動機の回転子からロータ磁石を取り除いた構成，すなわちリラクタンストルクであってもリプルの抑制が可能であり、振動・騒音が低減など電動機の性能を改善することができる。
［第４実施形態］

以下、図１５～１８を用いて、第４実施形態の同期電動機１００’について詳細に説明する。
図１５は、第４実施形態の同期電動機１００’の模式図である。第４実施形態の同期電動機１００’は、回転子３’’’と固定子２’を有する。
回転子３’’’のロータコアは、複数の第一コアシート３１Ａ、３１Ｂが回転軸方向Ｌに積層されている。軸方向に隣り合う第一コアシート３１Ａ、３１Ｂを軸方向から透視的に見たときに、一方の第一コアシート（図１５の例示では、第一コアシート３１Ａ）の外周部３３には複数の第一溝部３４が設けられている。複数の第一溝部３４の数をＣ１、ロータ磁石３ａ～３ｄの極対数をＰ、任意の自然数をＮ_１とすると、一方の第一コアシートはＣ１＝Ｐ×６Ｎ_１を満たすように構成されている。

また、固定子２’のステータコアは、複数の第二コアシート２１Ａ、２１Ｂが回転軸方向Ｌに積層されている。軸方向に隣り合う第二コアシート２１Ａ、２１Ｂを軸方向から透視的に見たときに、他方の第一コアシート（図１５の例示では、第二コアシート２１Ｂ）の内周部２３には複数の第二溝部２４が設けられている。第二溝部２４は、第一溝部３４と同様に、凸部と凹部から構成される。したがって、他方の第一コアシートの内径は部分的に凹んだ形状となっている。複数の第二溝部２４の数をＣ２、ロータ磁石３ａ～３ｄの極対数をＰ、任意の自然数をＮ_２とすると、他方の第一コアシートはＣ２＝Ｐ×６Ｎ_２を満たすように構成されている。

図１６は、図１５に示す同期電動機１００’のうち、第一コアシート３１Ａを含む領域におけるトルク波形を示す図である。図１７は、図１５に示す同期電動機１００’のうち、第二コアシート２１Ｂを含む領域におけるトルク波形を示す図である。図１６、１７は、横軸に角度を、縦軸にトルクを示す。
図１６、１７を比較すると、第一コアシート３１Ａを含む領域におけるトルク波形の位相と第二コアシート２１Ｂを含む領域におけるトルク波形の位相が、互いに反転している。

図１８は、図１５に示す第４実施形態に係る同期電動機１００’全体におけるトルクリプルＴ４を示す図であり、横軸に角度を、縦軸にトルクを示す。図１８に示すトルクリプル波形は、図１６に示すトルク波形と図１７に示すトルク波形の合成波形である。
第２実施形態、第３実施形態と同様に、図１６に示すトルク波形の位相と図１７に示すトルク波形の位相が、互いに反転しているため、同期電動機全体としては２つのトルクが合成されることで、リプルが相殺され、トルクリプルＴ３の高調波成分が低減される。したがって、振動・騒音が低減するなど電動機の性能を改善することできる。

以上、本発明の実施形態について説明をしたが、本発明の技術的範囲が本実施形態の説明によって限定的に解釈されるべきではないのは言うまでもない。本実施形態は単なる一例であって、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内において、様々な実施形態の変更が可能であることが当業者によって理解されるところである。本発明の技術的範囲は特許請求の範囲に記載された発明の範囲及びその均等の範囲に基づいて定められるべきである。

本発明の実施形態では、同期電動機の回転子として説明しているが、同期発電機の回転子にも適用が可能である。

１０、１００ 同期電動機
１ ハウジング
２、２’ 固定子
３、３’、３’’、３’’’、３００ 回転子
３ａ～３ｄ ロータ磁石
２１ ステータコア
２２ ステータコイル
２３ 内周部
２４ 第二溝部
３１、２３１ ロータコア
３１ａ シャフト取付孔
３３ 外周部
３４ 第一溝部
３４ａ 凸部
３４ｂ 凹部
Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４ トルクリプル
Ｏ 回転中心

Claims (4)

1. 同期電動機の回転子であって、
   複数の極と、
   前記回転子の外周部に位置する複数の第一溝部と、
   を備え、
   前記複数の第一溝部の数をＣ１、前記複数の極対数をＰ、任意の自然数をＮとすると、
   Ｃ１＝Ｐ×６Ｎ
   を満たすことを特徴とする、回転子。
2. 前記回転子は複数の第一コアシートが軸方向に積層されて構成されており、
   軸方向に隣り合う前記第一コアシートを前記軸方向から透視的に見たときに、少なくとも一部の前記第一コアシートの外周部には複数の前記第一溝部が設けられている、請求項１に記載の回転子。
3. 請求項１または２に記載の回転子と、
   固定子と、を備えるモータまたは発電機。
4. 請求項３に記載のモータまたは発電機であって、
   前記回転子は複数の第一コアシートが軸方向に積層されて構成されており、
   前記固定子は複数の第二コアシートが軸方向に積層されて構成されており、
   軸方向に隣り合う、一方の前記第一コアシートおよび前記第二コアシートと、他方の前記第一コアシートおよび前記第二コアシートを、前記軸方向から透視的に見たときに、一方の前記第一コアシートの外周部には複数の前記第一溝部が設けられていて、他方の前記第二コアシートの内周部には複数の第二溝部が設けられていて、
   他方の前記第二コアシートにおいて、前記複数の第二溝部の数をＣ２、前記複数の極対数をＰ、Ｎを任意の自然数とすると、
   Ｃ２＝Ｐ×６Ｎ
   を満たす、モータまたは発電機。

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