JP3656685B2 - 永久磁石形回転機における界磁磁極の構成方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、界磁に永久磁石を用いた電動機や発電機等の永久磁石形回転機に適用される界磁磁極の構成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、界磁に永久磁石を用いた永久磁石電動機（永久磁石同期電動機）では、図９に示すように、鉄心３０の中心線の左右両側の磁石ＭＧを同一直線上ではなく、前記中心線に対し互いに若干の角度傾けて配置している（これを「スキュー」という）。これは、回転子の回転に伴って発生するいわゆるコギングトルクの低減や、軸方向のスラスト力を相殺させるためであり、スキューの態様としては、図９に示したＶ字形の他に、Ｎ字形、Ｗ字形、稲妻形等がある。ここで、図９は、鉄心３０に永久磁石ＭＧが取り付けられた回転子をその外側から半径方向に沿って眺めた状態を示している。
なお、上述したような磁石の配置によりコギングトルクの低減作用や軸方向スラスト力の相殺作用が最も効果的に働くのは、左右一対の磁石から構成される各磁極間の磁束密度が均一な場合である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら実際問題として、個々の磁石の起磁力には製作上、ばらつきがあるため、これらの磁石によって構成された各磁極間には磁束密度のアンバランスがある。このため従来では、磁極をスキューさせて配置しても、コギングトルクの低減や軸方向スラスト力の相殺が十分ではなかった。
【０００４】
そこで本発明は、各磁極間の磁束密度をできるだけバランスさせてコギングトルクの低減や軸方向スラスト力の相殺が有効に達成されるようにした永久磁石形回転機における界磁磁極の構成方法を提供しようとするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１記載の発明は、永久磁石を有する磁極をスキューして界磁を構成した永久磁石形回転機において、
複数個の磁石を４群に分類して同一個数の磁石からなる第１群〜第４群を構成し、これらの各群ごとにオープンフラックス量の大きさにより磁石を順に並べ替えると共に、各群につき同一個数の磁石からなるグループを複数構成する手順１と、
各群につき、各グループを構成する磁石をグループごとに所定順位だけ順次シフトさせ、全グループを横に並べた際に各グループの同一順位にある磁石のフラックス量が均等になるように操作する手順２と、
各群につき、各グループの同一順位にある磁石のフラックス量を計算する手順３と、
各群につき、各グループを回転機の軸方向に沿って並び替える手順４と、
手順４を経た第１群及び第３群について、磁石のフラックス量の大小の序列が互いに逆になるように第１群及び第３群を横に並べ、これらの第１群及び第３群に跨る横方向一列の磁石をＮ極の磁極を構成する磁石として選択する手順５と、手順４を経た第２群及び第４群について、磁石のフラックス量の大小の序列が互いに逆になるように第２群及び第４群を横に並べ、これらの第２群及び第４群に跨る横方向一列の磁石をＳ極の磁極を構成する磁石として選択する手順６と、手順５により構成されたＮ極の磁極、及び、手順６により構成されたＳ極の磁極のそれぞれについて、Ｎ極の中で磁束密度の二乗値が最も大きい磁極とＳ極の中で磁束密度の二乗値が最も小さい磁極とを組み合わせて一つの磁極ペアを構成し、次いで、Ｎ極の中で磁束密度の二乗値がその次に大きい磁極とＳ極の中で磁束密度の二乗値がその次に小さい磁極とを順次組み合わせて磁極ペアを構成していき、これらの磁極ペアごとの磁束密度の二乗値の合算値の大きさ順に磁極ペアを軸対称で円周上に配置する手順７と、
により界磁磁極を構成することを特徴とする。
【０００６】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の界磁磁極の構成方法において、永久磁石形回転機が回転界磁形の永久磁石同期電動機であることを特徴とする。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。なお、以下の実施形態は回転界磁形の永久磁石同期電動機に本発明を適用した場合のものである。
図１は、回転子４０における磁極の配置及びスキュー形状を示している。図において、５はＮ極またはＳ極に着磁された磁石であり、６個の磁石５を並べて１個の磁極を構成している。１０Ｎ，２０ＮはＮ極の磁極、１０Ｓ，２０ＳはＳ極の磁極であり、磁極１０Ｎ，２０Ｎ、及び磁極１０Ｓ，２０Ｓは鉄心３０の中心線に対して同一角度だけ傾けられており、平面から見てほぼＶ字形のスキュー形状となっている。ここで、便宜的に磁極１０Ｎ，１０Ｓの形状を形状Ｂ、磁極２０Ｎ，２０Ｓの形状を形状Ａとする。
なお、スキュー形状はＮ字形、Ｗ字形等であっても良い。
また、Ｎ極の磁極１０Ｎ，２０ＮとＳ極の磁極１０Ｓ，２０Ｓとは、回転方向に沿って交互に配置されている。
【０００８】
本実施形態では、左右一対のＮ極の磁極１０Ｎ，２０Ｎを一つの磁極、同じく左右一対のＳ極の磁極１０Ｓ，２０Ｓを一つの磁極と考えると、回転方向に沿ってＮ極、Ｓ極合計で３２の磁極を備えており、磁石５の総数は（６＋６）×３２＝３８４となる。
これらの個々の磁石の起磁力にはばらつきがあるので、各磁極の磁束密度にもばらつきが生じ、その結果、コギングトルクの低減や軸方向スラスト力の相殺が不十分になる。
そこでこの実施形態では、各磁極の磁束密度がアンバランスにならないように、磁石５を適正に配置して図１に示すごとき磁極を構成するようにした。
【０００９】
すなわち、まず手順１として、３８４個のすべての磁石を以下の４群に分類する。
（１）第１群：Ｎ極で形状Ａのもの……６個×１６＝９６個
（２）第２群：Ｓ極で形状Ａのもの……６個×１６＝９６個
（３）第３群：Ｎ極で形状Ｂのもの……６個×１６＝９６個
（４）第４群：Ｓ極で形状Ｂのもの……６個×１６＝９６個
次に、各群の磁石について、それぞれオープンフラックス量の大きい順に並べ、１６個を１グループとしてそれぞれ６グループ（Ａ〜Ｆグループ）に分類する。この様子を示したのが図２である。
【００１０】
次いで、手順２として、各群ごとに各グループ単位で磁石のシャフリングを行う。具体的には、各グループの磁石の順位をシフトする。
磁石のシフト量は、（１グループ当たりの磁石数）／（一群当たりのグループ数）すなわち１６／６≒２．７により、２個または３個が考えられるが、次の手順３において、各グループの同列（同一順位）にある６個の磁石のトータルフラックス量（または平均フラックス量）のばらつきが小さいのはシフト量が３個の場合であるため、ここではシフト量を３個とした。
【００１１】
図３は手順２における第１群でのシャフリングの様子を示しており、ＡグループとＢグループとの間、ＢグループとＣグループとの間、……というように、磁石５の順位を３個ずつシフトさせている。なお、理解を容易にするために、各グループ内の１６番目の磁石と１番目の磁石との境界線を太線で示してある。
この手順２は、他の第２群〜第４群に対しても同様に行う。
【００１２】
手順３として、手順２でシャフリングした各グループの同列にある６個の磁石を一組として、各組のトータルフラックス量（または平均フラックス量）を計算する。図４は、第１群を対象として手順３を適用した様子を示している。
このとき、各組のトータルフラックス量（または平均フラックス量）が大幅に相違するようであれば手順２に戻り、磁石５のシフト量を適宜変更する。そして、各組のトータルフラックス量（または平均フラックス量）のばらつきが少ない方を採用する。
この手順３も、他の第２群〜第４群に対して同様に行う。
【００１３】
手順４として、各グループ間で軸方向（図１に示した回転子４０の軸方向）にシャフリングを行う。図５は第１群に対して軸方向のシャフリングを行った様子を示しており、シャフリング前にＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆの順であったものが、シャフリング後はＡ，Ｆ，Ｂ，Ｅ，Ｃ，Ｄの順に変更されている。具体的なシャフリングの手順は、例えば、Ａはそのままの位置に据え置き、残るＢ〜Ｆの中でもともと最右端にあったＦをＡの右側に置き、次にもともと最左端にあったＢをＦの右側に置き、以下同様にしてもともとＦの左側にあったＥをＢの右側に置き、もともとＢの右側にあったＣをＥの右側に置き、最後にＤを最右端に移動させる。
ここでは、シャフリング後の最も右のグループ（グループＤ）の磁石を鉄心の中心線側に配置するが、最も左のグループの磁石を鉄心の中心線側に配置するようにしても良い。
この手順４も、他の第２群〜第４群に対して同様に行う。
以上までの操作で、各群ともにＡ〜Ｆグループに属する６個の磁石からなる組が１６組できる。
【００１４】
次に、Ｎ極については第１群と第３群、Ｓ極については第２群と第４群というように、Ｎ極、Ｓ極に分けて考える。
以下、手順５として、Ｎ極である第１群と第３群の場合を図６に基づいて説明する。
まず、横方向の６個１組の磁石について、第１群はトータルフラックス量（または平均フラックス量）の大きい順に、第３群はトータルフラックス量（または平均フラックス量）の小さい順に、横方向の６個１組の磁石を並べ替え、第１群と第３群の横方向に対応する一組ずつを選択して１極分の磁極（Ｎ極）を構成する。なお、図６では並べ替えの基準をトータルフラックス量の大小にとっている。
図６において、太線で囲まれた第１群の６個及び第３群の６個の磁石が１極分のＮ極を構成し、例えば図１における磁極１０Ｎ，２０Ｎ（両者で１極とする）に相当する。
【００１５】
手順６として、上述したＮ極と同様の手順で、Ｓ極について第２群と第４群の磁石を対象として１極分の磁極（Ｓ極）を構成する。
すなわち、第２群はトータルフラックス量（または平均フラックス量）の大きい順に、第４群はトータルフラックス量（または平均フラックス量）の小さい順に、横方向の６個１組の磁石を並べ替え、第２群と第４群の横方向に対応する一組ずつを選択して１極分のＳ極を構成する。これにより、例えば図１における磁極１０Ｓ，２０Ｓ（両者で１極とする）からなる１極分のＳ極が構成される。
こうして選択されたＮ極、Ｓ極の磁極を、各群のＤグループが隣り合うように向きを変えてＮ極、Ｓ極を交互に配置すると、図７のようになる。
【００１６】
更に、手順７として、Ｎ極、Ｓ極合わせて３２個の磁極を回転子の外周面上に振り分ける。
図８は回転子４０の外周面上の磁極の配置を示しており、円周上での磁束密度にアンバランスがあると、磁束密度の二乗の差が偏心力となってしまう。そこで、Ｎ極、Ｓ極は円周に沿って交互に配置されるため、まず各磁極につき磁束密度の二乗を計算し、Ｎ極の中でその値が最も大きい磁極とＳ極の中でその値が最も小さい磁極とを組み合わせて１個の磁極ペアとし、以下、順番に組み合わせて１６個の磁極ペアを作る。
次に、各磁極ペアごとに磁束密度の二乗を合算してその値が大きい順に１６個の磁極ペアを並び替え、これらを第１ペア〜第１６ペアとして図８のごとく軸対称で鉄心３０の外周面に順に配置していくことにより、回転子４０が構成される。
【００１７】
なお、上記実施形態では本発明を永久磁石同期電動機の回転子に適用した場合を説明したが、本発明は上記電動機における固定子や永久磁石同期発電機の回転子、固定子にも適用可能である。
【００１８】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の磁極構成及び磁極の配置方法をとることにより、個々の磁石の起磁力のばらつきに起因する磁極間の磁束密度のアンバランスをなくすことができ、この種の回転機におけるコギングトルクの低減や、軸方向のスラスト力の相殺をより効果的に行わせることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態の回転子における磁極の配置及びスキュー形状を示した図である。
【図２】磁石の分類状態を示す図である。
【図３】磁石のシャフリング状態を示す図である。
【図４】トータルフラックス量（または平均フラックス量）の計算過程を示す図である。
【図５】各グループ間での軸方向のシャフリング状態を示す図である。
【図６】各グループから磁極構成磁石を選択する方法を示す図である。
【図７】手順６までの操作により構成された磁極配置の説明図である。
【図８】１６個の磁極ペアを外周面上に配置した回転子の説明図である。
【図９】従来技術の説明図である。
【符号の説明】
５ 磁石
１０Ｎ，１０Ｓ，２０Ｎ，２０Ｓ 磁極
３０ 鉄心
４０ 回転子

Claims (2)

1. 永久磁石を有する磁極をスキューして界磁を構成した永久磁石形回転機において、
   複数個の磁石を４群に分類して同一個数の磁石からなる第１群〜第４群を構成し、これらの各群ごとにオープンフラックス量の大きさにより磁石を順に並べ替えると共に、各群につき同一個数の磁石からなるグループを複数構成する手順１と、
   各群につき、各グループを構成する磁石をグループごとに所定順位だけ順次シフトさせ、全グループを横に並べた際に各グループの同一順位にある磁石のフラックス量が均等になるように操作する手順２と、
   各群につき、各グループの同一順位にある磁石のフラックス量を計算する手順３と、
   各群につき、各グループを回転機の軸方向に沿って並び替える手順４と、
   手順４を経た第１群及び第３群について、磁石のフラックス量の大小の序列が互いに逆になるように第１群及び第３群を横に並べ、これらの第１群及び第３群に跨る横方向一列の磁石をＮ極の磁極を構成する磁石として選択する手順５と、手順４を経た第２群及び第４群について、磁石のフラックス量の大小の序列が互いに逆になるように第２群及び第４群を横に並べ、これらの第２群及び第４群に跨る横方向一列の磁石をＳ極の磁極を構成する磁石として選択する手順６と、手順５により構成されたＮ極の磁極、及び、手順６により構成されたＳ極の磁極のそれぞれについて、Ｎ極の中で磁束密度の二乗値が最も大きい磁極とＳ極の中で磁束密度の二乗値が最も小さい磁極とを組み合わせて一つの磁極ペアを構成し、次いで、Ｎ極の中で磁束密度の二乗値がその次に大きい磁極とＳ極の中で磁束密度の二乗値がその次に小さい磁極とを順次組み合わせて磁極ペアを構成していき、これらの磁極ペアごとの磁束密度の二乗値の合算値の大きさ順に磁極ペアを軸対称で円周上に配置する手順７と、
   により界磁磁極を構成することを特徴とする、永久磁石形回転機における界磁磁極の構成方法。
2. 請求項１記載の永久磁石形回転機における界磁磁極の構成方法において、
   永久磁石形回転機が回転界磁形の永久磁石同期電動機であることを特徴とする、永久磁石形回転機における界磁磁極の構成方法。

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