JP3605475B2

JP3605475B2 - 永久磁石同期電動機

Info

Publication number: JP3605475B2
Application number: JP20708696A
Authority: JP
Inventors: 慎一朗川野; 典禎西山; 浩村上
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1996-08-06
Filing date: 1996-08-06
Publication date: 2004-12-22
Anticipated expiration: 2016-08-06
Also published as: JPH1051984A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転磁界を形成するステータと、強磁性体から成るロータコアの内部に界磁用の永久磁石を埋め込んだロータを備えた永久磁石同期電動機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の埋め込み磁石構造の永久磁石同期電動機としては、図５〜図７に示すようなものが知られている。図５〜図７において、１１はロータ、１２は珪素鋼板を積層して構成されたロータコア、１３（１３ａ、１３ｂ、１３ｃ）はロータコア１２に各極数毎に埋め込まれた永久磁石、１４は回転軸が固定される軸穴である。また、１５は珪素鋼板を積層して構成されたステータで、ロータ１１との間に０．５ｍｍ程度のギャップを保って周囲を取り囲むように配設されている。ステータ１５の内周部には複数のスロット１６が等間隔おきに形成され、ステータ巻線（図示せず）が挿入され、これらステータ巻線に電流を流すことにより回転磁界を形成するように構成されている。１７はｄ軸磁束通路、１８はｑ軸磁束通路である。
【０００３】
図５においては、永久磁石１３として平板状永久磁石１３ａがロータ１１の外周部にその外周にほぼ沿うように配設されている。図６においては、ロータ１１の軸芯側に突出するようにロータ外周と逆方向に湾曲する円弧状の永久磁石１３ｂが配設されている。また、図７においては、Ｖ字状の永久磁石１３ｃがそのＶ字の頂点をロータコアの軸芯側に向けて配設されている。
【０００４】
また、上記２種類の磁束通路１７、１８について考えてみると、ｑ軸磁束通路１８は、ロータコアの鉄の部分を通るため磁束が非常に通り易いが、ｄ軸磁束通路１７は透磁率がほぼ空気に等しい永久磁石１３の部分を通るため、磁束が通り難くなっている。したがって、ｑ軸インダクタンスＬｑがｄ軸インダクタンスＬｄに対して大きくなり、ロータに突極性が生じ、界磁用永久磁石によるマグネットトルクに加えてｑ軸、ｄ軸方向のインダクタンスの差を利用するリラクタンストルクを利用することができる。
【０００５】
なお、この永久磁石同期モータの出力トルクＴは、（１）〜（３）式により与えられる。
【０００６】
Ｔ＝Ｔｍ＋Ｔｒ・・・・（１）
Ｔｍ＝ＰφＩｃｏｓ β ・・・・（２）
Ｔｒ＝０．５Ｐ（Ｌｑ−Ｌｄ）Ｉ^２ｓｉｎ２β ・・（３）
ここで、Ｔｍはマグネットトルク、Ｔｒはリラクタンストルク、Ｐは極対数、φは界磁用永久磁石による鎖交磁束、Ｉは電流、βはｑ軸電流を基準とした電流Ｉの位相、Ｌｑはｑ軸インダクタンス、Ｌｄはｄ軸インダクタンスである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図５に示すような構成では、平板状の永久磁石１３ａのステータ側に対向する面の表面積が限られるため、永久磁石１３ａによる鎖交磁束を大きくできず、また永久磁石１３ａとロータコア外周との間のＡ部の面積も小さくｑ軸磁束通路幅が狭いためにｑ軸インダクタンスが小さく、リラクタンストルクが十分に得られないという問題がある。
【０００８】
そこで、図６、図７に示す電動機では、円弧状やＶ字状の永久磁石１３ｂ、１３ｃを用いることによって、ステータ側に対向する面の表面積を大きくして鎖交磁束が増大し、大きなマグネットトルクが得られるようにし、またＡ部面積も大きくなることによってｑ軸インダクタンスが大きくなり、リラクタンストルクも得られるようにしているが、その場合に同一の磁石量で円弧状やＶ字状の永久磁石１３ｂ、１３ｃを構成すると、ステータ側に対向する面の表面積が増加する分、永久磁石１３ｂ、１３ｃの厚さが薄くなるため、鎖交磁束は大きくなってもこれら永久磁石１３ｂ、１３ｃに対してステータ側からｄ軸方向に作用する減磁界に対する耐久性が弱くなり、永久磁石１３ｂ、１３ｃが減磁し、発生トルクが低下して行くという問題があり、実現が不可能である。かくして、減磁耐力を確保するために永久磁石１３ｂ、１３ｃの厚さを厚くせざるを得ず、その結果磁石量が増大するとともにステータ側に対向する面の表面積がその分小さくなり、鎖交磁束の増大・マグネットトルクの向上効果を十分に発揮できない。
【０００９】
また、図６に示す円弧状の永久磁石１３ｂや図７に示す一体成形されたＶ字状の永久磁石１３ｃは、その形状が複雑であるため、磁石の製作コストが高くなり、コスト高になるという問題もある。
【００１０】
本発明は、鎖交磁束を増大して大きなマグネットトルクが得られながら減磁耐力が低下せず、また大きなリラクタンストルクも得られて高トルクの同期電動機を実現でき、しかも低コストで製作できる永久磁石同期電動機を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の永久磁石同期電動機は、回転磁界を形成するステータと強磁性体から成るロータコアの内部に永久磁石を埋め込んだロータとを備えた永久磁石同期電動機において、ロータの各極毎に、一対の平板状の永久磁石をＶ字状に組み合わせた第１の永久磁石をＶ字の頂点をロータコアの軸芯側に向けて埋設するとともに、平板状の永久磁石からなる第２の永久磁石をロータコアの外周部にその外周にほぼ沿うように埋設し、前記第１の永久磁石を構成する一対の平板状の永久磁石がロータの中心と前記Ｖ字の頂点とを結ぶ半径方向線に対し左右対称に配されると共に、前記第２の永久磁石が前記半径方向線に対し垂直方向かつその中央位置が前記半径方向線上にあるように配されていることを特徴とする。本発明によれば、Ｖ字状の第１の永久磁石にてそのステータに対向する表面積を大きくし、鎖交磁束を増大して大きなマグネットトルクを得、かつロータコアの外周部に配設した平板状の第２の永久磁石にて減磁耐力の低下を防止し、また第１と第２の永久磁石の間に形成されるｑ軸磁束通路にてｑ軸インダクタンスが増大するとともに、第２の永久磁石がロータコアの外周にほぼ沿うことによりｄ軸方向の電流による磁束の発生量が減少し、ｄ軸インダクタンスが減少することにより大きなリラクタンストルクを得て高トルクの同期電動機を実現し、しかも第１と第２の永久磁石を全て平板状の永久磁石で構成することにより、低コストで製作できるようにしている。
【００１２】
なお、円弧状やＶ字状の複数の永久磁石を略平行に埋設した構成のロータが、例えば実開平６−６６２７７号公報等で知られているが、上記第２の永久磁石のようにロータコアの外周にほぼ沿うものではないので、ｄ軸方向の電流による磁束の発生量を減少させ、ｄ軸インダクタンスを減少させてリラクタンストルクを向上させる効果が十分に発揮されず、また永久磁石の端部の厚さが薄くなっているので、減磁の恐れがあるという問題があり、また形状も複雑であるのでコスト高になるという問題がある。さらに、永久磁石の両端とロータ外周との間からの磁束の回り込みを防止する手段が講じられていないので、トルク低下を来すという問題がある。
【００１３】
これに対して本発明では、ロータコアに、第１の永久磁石のコータコア外周側の両端及び第２の永久磁石の両端からそれぞれロータコア外周近傍に達する第１と第２の切欠を形成して第１と第２の永久磁石の間を通るｑ軸磁束通路を第１と第２の切欠にてロータコアの外周に臨ませることにより、平板状の永久磁石を用いながら、第１と第２の切欠にてｄ軸磁束の回り込みがブロックされ、それによりｄ軸インダクタンスＬｄが小さくなり、ｑ軸インダクタンスＬｑとの差が大きくなってリラクタンストルクが向上する。
【００１４】
また、第１と第２の永久磁石の間を通るｑ軸磁束通路のロータ外周近傍部での幅を、ロータコア外周での極ピッチ長さをｐとして、ｐ／２０〜ｐ／８に設定することにより、ステータのスロット間のティースを通過したほぼ全磁束が円滑にｑ軸磁束通路に円滑に流れ込むため、ｑ軸インダクタンスが向上してリラクタンストルクが向上する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態について、図１と図３、図４を参照して説明する。
【００１６】
図１において、１はロータであり、珪素鋼板を積層して構成されたロータコア２、ロータコア２内に各極毎に埋設されたＶ字状の第１の永久磁石３と平板状の第２の永久磁石４にて構成されている。第１の永久磁石３は、一対の平板状の永久磁石３ａ、３ｂをＶ字状に組み合わせて構成され、そのＶ字の頂点をロータコア２の軸芯側に向けて埋設されている。第２の永久磁石４は、ロータコア２の外周部にその外周にほぼ沿うように埋設されている。そして図１に示すように、前記第１の永久磁石３を構成する一対の平板状の永久磁石３ａ、３ｂがロータ１の中心と前記Ｖ字の頂点とを結ぶ半径方向線に対し左右対称に配されると共に、前記第２の永久磁石４が前記半径方向線に対し垂直方向かつその中央位置が前記半径方向線上にあるように配されている。５は回転軸が固定される軸穴である。１０は珪素鋼板を積層して構成されたステータで、ロータ１との間に０．５ｍｍ程度のギャップを保って周囲を取り囲むように配設されている。ステータ１０の内周部には２７個のスロット１０ａが等間隔おきに形成され、ステータ巻線（図示せず）が挿入され、２７個のスロット１０ａが等間隔置きに形成され、ステータ巻線（図示せず）が配設され、これらステータ巻線に電流を流すことにより回転磁界を形成するように構成されている。
【００１７】
永久磁石同期電動機は、このロータ１の軸穴５に挿通固定した回転軸（図示せず）を回転自在に支持するとともに、ロータ１の外周を取り囲むように配設されたステータ１０のスロット１０ａに配設されたのステータ巻線に電流を流して回転磁界を形成し、ロータ１を回転駆動するように構成されている。
【００１８】
ステータ巻線に流れる電流による磁束がロータ１内部を通り抜ける通路には、第１と第２の永久磁石３、４を貫通して通り抜けるｄ軸方向の磁束通路６と、主として第１の永久磁石３と第２の永久磁石４との間を通ってｄ軸と電気角が直交する方向にコータコア２を通り抜けるｑ軸方向の磁束通路７とがある。
【００１９】
８は、第１の永久磁石３のコータコア２外周側の両端からロータコア２の外周近傍に達する第１の切欠、９は第２の永久磁石４の両端からロータコア２の外周近傍に達する第２の切欠であり、これら第１と第２の切欠８、９にて第１と第２の永久磁石３、４の間を通るｑ軸磁束通路７をロータコア２の外周に臨ませている。これらの切欠８、９の内部は空気でよいが、ロータ１の強度確保のために樹脂や非磁性体の金属を充填しても構わない。
【００２０】
そして、ロータコア２の半径をｒ、Ｖ字状の第１の永久磁石３のＶ字の頂点までの半径距離をｌとして、ｌ／ｒを変化させたときの鎖交磁束の変化は、図３に示すように、ｌ／ｒが小さくなり、第１の永久磁石３の表面積が増加するのに伴って鎖交磁束が徐々に増加しており、ｌ／ｒが０．４〜０．８のときに大きな鎖交磁束が得られることが分かる。すなわち、０．４＜ｌ／ｒ＜０．８に設定することにより、鎖交磁束を向上してマグネットトルクを向上することができる。なお、図３においてｌ／ｒが０．５〜０．４より小さくなると鎖交磁束が低下しているが、これは磁石量を一定量にしているので、ｌ／ｒが０．５〜０．４より小さくなると第１の永久磁石３の厚さが薄くなり、発生磁束量そのものが低下することによる効果の方が大きくなるためである。図１の図示例では、ｌ／ｒを最大の鎖交磁束が得られる０．４〜０．５に設定している。
【００２１】
また、第１と第２の永久磁石３、４の間を通るｑ軸磁束通路７のロータ外周近傍部での幅ｓは、２７個のスロット１０ａを形成したステータ１０におけるティース幅をｗとして、０．７５ｗ＜ｓ＜１．２５ｗに設定している。即ち、ほぼティース幅ｗと等しい幅に設定している。図４に、ｑ軸磁束通路７の幅ｓを変化させた時のｑ軸インダクタンスＬｑとｄ軸インダクタンスＬｄの差、（Ｌｑ−Ｌｄ）とトルクの変化を示す。図４から明らかなように、幅ｓを変化させた時に、（Ｌｑ−Ｌｄ）はｓ＝ｗの時に最大になるとともにそれから離れるに従って逓減し、トルクは０．７５ｗ〜１．２５ｗの範囲を外れると著しく低下することが分かる。これは、幅ｓを上記のように０．７５ｗ＜ｓ＜１．２５ｗに設定すると、ステータのティースを通過したほぼ全磁束が円滑にｑ軸磁束通路７に円滑に流れ込むことにより、リラクタンストルクが向上するためであると考えられる。
【００２２】
なお、上記説明では２７スロットのステータ１０の場合にそのティース幅ｗによってｑ軸磁束通路７の幅ｓを規定したが、ステータのスロット数が２７以外の場合でもｑ軸磁束通路７の幅ｓを上記幅に設定することにより同様にリラクタンストルクが向上するため、これをロータコア外周での極ピッチ長ｐをパラメータにして設定すると、ｐ／２０〜ｐ／８となる。かくして、スロット数にほぼ関係なく、ｑ軸磁束通路７の幅ｓを、ｐ／２０〜ｐ／８に設定することによりリラクタンストルクが向上し、最大トルクを得ることができる。
【００２３】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について、図２を参照して説明する。なお、上記第１の実施形態と同一の構成要素については同一参照符号を付して説明を省略する。
【００２４】
本実施形態では、Ｖ字状の第１の永久磁石３のＶ字の頂点までの半径距離ｌを、ロータコア２の半径ｒとしてほぼｌ＝０．６ｒに設定しており、それに伴って一対の平板状の永久磁石３ａ、３ｂの開き角が大きくなっている。また、その状態でｑ軸磁束通路７を確保するため、第１の切欠８は第１の永久磁石３の両端からロータコア２の外周近傍に向けて半径方向に長く形成されている。
【００２５】
本実施形態においても、第１の実施形態より多少性能は劣るがほぼ同様の効果が発揮される。
【００２６】
【発明の効果】
本発明の永久磁石同期電動機によれば、以上の説明から明らかなように、Ｖ字状の第１の永久磁石を埋め込んでいるので、ステータに対向する表面積が大きくなって鎖交磁束を増大でき、その結果大きなマグネットトルクが得られ、かつ減磁界が第１の永久磁石に向けて流れるロータコアの外周部に透磁率が低く、磁気抵抗の大きい永久磁石を配設しているので、第１の永久磁石の表面積を大きくしたことによる減磁耐力の低下を防止でき、また第１と第２の永久磁石の間にｑ軸磁束通路が形成されるのでｑ軸インダクタンスが増大するとともに、第２の永久磁石がロータコアの外周にほぼ沿っていてｄ軸方向の電流による磁束の発生量が減少し、ｄ軸インダクタンスが減少するので、大きなリラクタンストルクが得られ、高トルクの同期電動機を実現することができ、しかも第１と第２の永久磁石を全て平板状の永久磁石で構成しているので、低コストにて製作することができる。
【００２７】
また、ロータコアに、第１の永久磁石のコータコア外周側の両端及び第２の永久磁石の両端からそれぞれロータコア外周近傍に達する第１と第２の切欠を形成すると、第１と第２の永久磁石の間を通るｑ軸磁束通路を第１と第２の切欠にてロータコアの外周に臨ませることができ、平板状の永久磁石を用いながらｄ軸磁束の回り込みをブロックしてｄ軸インダクタンスを小さくし、リラクタンストルクを向上できる。
【００２８】
また、第１と第２の永久磁石の間を通るｑ軸磁束通路のロータ外周近傍部での幅を、ロータコア外周での極ピッチ長さをｐとして、ｐ／２０〜ｐ／８に設定すると、ステータのスロット間のティースを通過したほぼ全磁束が円滑にｑ軸磁束通路に円滑に流れ込むため、ｑ軸インダクタンスが向上してリラクタンストルクを向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の永久磁石同期電動機の第１の実施形態の概略構成を示し、（ａ）は断面図、（ｂ）はロータの拡大断面図である。
【図２】本発明の永久磁石同期電動機の第２の実施形態の概略構成を示し、（ａ）は断面図、（ｂ）はロータの拡大断面図である。
【図３】Ｖ字状永久磁石の頂点までの半径距離とロータ半径の比と鎖交磁束量の関係を示すグラフである。
【図４】ｑ軸磁束通路のロータ外周部での幅と、ｑ軸インダクタンスとｄ軸インダクタンスの差及びトルクとの関係を示すグラフである。
【図５】第１の従来例の永久磁石同期電動機の概略構成を示す断面図である。
【図６】第２の従来例の永久磁石同期電動機の概略構成を示す断面図である。
【図７】第３の従来例の永久磁石同期電動機の概略構成を示す断面図である。
【符号の説明】
１ロータ
２ロータコア
３Ｖ字状の第１の永久磁石
３ａ平板状の永久磁石
３ｂ平板状の永久磁石
４平板状の第２の永久磁石
７ｑ軸磁束通路
８第１の切欠
９第２の切欠

Claims

回転磁界を形成するステータと強磁性体から成るロータコアの内部に永久磁石を埋め込んだロータとを備えた永久磁石同期電動機において、ロータの各極毎に、一対の平板状の永久磁石をＶ字状に組み合わせた第１の永久磁石をＶ字の頂点をロータコアの軸芯側に向けて埋設するとともに、平板状の永久磁石からなる第２の永久磁石をロータコアの外周部にその外周にほぼ沿うように埋設し、前記第１の永久磁石を構成する一対の平板状の永久磁石がロータの中心と前記Ｖ字の頂点とを結ぶ半径方向線に対し左右対称に配されると共に、前記第２の永久磁石が前記半径方向線に対し垂直方向かつその中央位置が前記半径方向線上にあるように配されていることを特徴とする永久磁石同期電動機。
ロータコアに、第１の永久磁石のコータコア外周側の両端及び第２の永久磁石の両端からそれぞれロータコア外周近傍に達する第１と第２の切欠を形成し、第１と第２の永久磁石の間を通るｑ軸磁束通路を第１と第２の切欠にてロータコアの外周に臨ませたことを特徴とする請求項１記載の永久磁石同期電動機。
第１と第２の永久磁石の間を通るｑ軸磁束通路のロータ外周近傍部での幅を、ロータコア外周での極ピッチ長さをｐとして、ｐ／２０〜ｐ／８に設定したことを特徴とする請求項１又は２記載の永久磁石同期電動機。