JP3681459B2 - Synchronous motor - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の永久磁石を埋め込んだロータを備え、マグネットトルク及びリラクタンストルクを利用する同期電動機に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
鉄などの高透磁率材料からなるロータコアに、半径方向に間隔を置いた2層の永久磁石を回転方向に複数組埋め込むことによりリラクタンストルクの有効利用を図り、マグネットトルクのみならずリラクタンストルクをも併せ利用するようにした同期電動機は、特願平7−134023号において先に提案されている。
【0003】
このように、ロータ外周側に位置する永久磁石とロータ内周側に位置する永久磁石が間隔を置いて2層に埋設されたロータにおいては、ステータ側の巻線群によって生じる回転磁界と永久磁石の磁界との間で発生するマグネットトルク及び回転磁界による磁路が内外の永久磁石の間隔部分等に形成されることより発生するリラクタンストルクとの合成トルクで回転する。
【0004】
上記従来の同期電動機では、図5に示すように外層側及び内層側の永久磁石17、18の端とロータ13外周との間の間隔、即ち永久磁石の端部におけるロータコア16の厚さは両方の永久磁石について同じに設定されている。その厚さは薄い程洩れ磁束が少なくなるため高トルクが得られて好ましいが、あまり薄くするとロータ回転時の遠心力によってロータコアが破壊する恐れがあるため、高速回転時に十分な強度を確保できる範囲でできるだけ薄く設定されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の構成では洩れ磁束Pを一層少なくして高トルクを得ながらさらに高速回転を実現することができないという問題があった。
【0006】
そこで、ロータの高速回転時に作用する応力状態を詳細に分析したところ、外層側の永久磁石の端よりも内層側の永久磁石の端の方が大きな応力が作用し、特にその曲率中心から遠い方の角部近傍に大きな応力が集中することが判明した。
【0007】
本発明は、永久磁石の端部におけるロータコアの厚さを高速回転時に作用する応力に応じて必要最小限に設定することにより、高トルクを維持しつつ高速回転時における強度を十分に確保できる同期電動機を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明の同期電動機は、高透磁率材料から成るロータコアにロータコア中心側が凸の円弧状の永久磁石をほぼ並行させてロータコアの半径方向外側と内側の2層に埋め込んだロータと、ロータの周囲にあって回転磁界を発生するステータとを備え、これらの永久磁石の端がロータ外周の近くまで延び、マグネットトルク及びリラクタンストルクを利用する同期電動機において、内層側の永久磁石の端とロータコア外周との間の厚さを、外層側の永久磁石の端とロータコア外周との間の厚さより大きくすることにより、洩れ磁束を殆ど大きくすることなく、高速回転時の遠心力によってより大きな応力が作用する部分の強度を大きくし、高トルクを維持しつつ高速回転時における強度を十分に確保できるようにしている。
【0009】
ここで、外層側の永久磁石の端とロータコア外周との間の間隔をda、内層側の永久磁石の端とロータコア外周との間の間隔をdb、ロータコアの半径をrとして、dbをdaの1.1倍より大きくすることによって効果を発揮するが2倍以上ではdaの部分の強度が相対的に弱くなるため効果が無く、またdaはrの1/100以上ないと全体として高速回転時の強度が得られず、またdbがrの4/100以上になると洩れ磁束が大きくなるので好ましくない。
【0010】
また、外層側及び内層側の永久磁石の端部の両角を円弧に形成して角部での応力集中を緩和するとともに、そのうち特に大きな応力が作用する内層側の永久磁石の曲率中心から遠い方の角の円弧の曲率半径を他の円弧よりも大きくすることにより、応力が極大となる部分の応力集中を緩和してさらに高速回転時の強度を高くできる。
【0011】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態について、図1〜図4を参照して説明する。
【0012】
図1において、1は同期電動機で、ステータ2とロータ3にて構成されている。ステータ2には複数のティース4が設けられるとともに、各ティース4、4間のスロット5には巻線(図示せず)が配されていて、それらの巻線群に電流が与えられることで回転磁界を発生するように構成されている。
【0013】
ロータ3は、ステータ2の巻線群によって生じる回転磁界の磁束が通り易い高透磁率材料の鉄材から成るロータコア6と、ロータコア6にロータ3の極に対応して周方向に等間隔に配設された4組の永久磁石7、8とを備えている。これら永久磁石7、8はロータコア6中心側が凸の円弧状のもので、ロータコア6の半径方向に間隔をおいてほぼ並行させて外層側と内層側の2層に埋設されており、各々の端7a、8aはロータコア6の外周の近くまで延びている。各組の永久磁石7、8はS極とN極が周方向に交互となるように配設され、かつ層関係にある永久磁石7と8はその外周側の極性が同一となるように配設されている。
【0014】
そして、外層側の永久磁石7の端7aとロータコア6の外周との間の間隔をda、内層側の永久磁石8の端8aとロータコア6の外周との間の間隔をdb、ロータコア6の半径をrとして、da>r/100、db<4r/100、1.1da<db<2daに設定されている。また、図3に示すように、外層側及び内層側の永久磁石7、8の端7a、8bの両角はR1 〜R4 の円弧に形成されており、さらに内層側の永久磁石8の曲率中心から遠い方の角の円弧R4 は、他の角の円弧R1 〜R3 よりも曲率半径の大きい円弧に形成されている。
【0015】
以上の構成において、内層側の永久磁石8の端8aとロータコア6の外周との間の厚さdbを、外層側の永久磁石7の端7aとロータコア6の外周との間の厚さdaより大きくしているので、高速回転時の遠心力によって特に大きな応力が作用する図2のA点での強度が大きくなり、高速回転時におけるロータコア6の強度を十分に確保できる。また、このようにdbをdaよりも大きくしても、図4に示すように、強度は大きくなっても洩れ磁束は殆ど大きくならず、高トルクを維持することができる。かくして、高トルクを維持しながら、高速回転時の強度を確保することができる。
【0016】
なお、上記効果を得るにはdbはdaの1.1倍より大きくする必要があるが、逆に2倍以上にすると外層側の永久磁石7の端7aにおける強度が相対的に弱くなるため効果が無くなる。又、daは高速回転時の所要の強度を得るにはrの1/100より大きくする必要があり、またdbが4/100以上になると洩れ磁束が大きくなるので好ましくない。
【0017】
また、外層側及び内層側の永久磁石7、8の端部7a、8aの両角を円弧R1 〜R4 に形成しているので、永久磁石7、8の角部での応力集中が緩和されて必要な強度を安定的に確保でき、特にそのうち大きな応力が作用する内層側の永久磁石8の曲率中心から遠い方の角の円弧R4 は、その曲率半径を他の円弧R1 〜R3 よりも大きくしているので、応力が極大となる部分の応力集中を特に緩和でき、さらに高速回転時の強度を高くできる。
【0018】
【発明の効果】
本発明の同期電動機によれば、以上の説明から明らかなように、内層側の永久磁石の端とロータコア外周との間の厚さを、外層側の永久磁石の端とロータコア外周との間の厚さより大きくすることにより、洩れ磁束を殆ど大きくすることなく、高速回転時の遠心力によってより大きな応力が作用する部分の強度を大きくすることができ、高トルクを維持しつつ高速回転時における強度を十分に確保することができる。
【0019】
また、外層側の永久磁石の端とロータコア外周との間の厚さをda、内層側の永久磁石の端とロータコア外周との間の厚さをdb、ロータコアの半径をrとして、da>r/100、db<4r/100、1.1da<db<2daとすることにより、外層側及び内層側の永久磁石の端とロータコア外周との間の厚さを可及的に小さくして洩れ磁束を小さくしながら高速回転時における強度を十分に確保することができる。
【0020】
また、外層側及び内層側の永久磁石の端部の両角を円弧に形成して角部での応力集中を緩和するとともに、そのうち特に大きな応力が作用する内層側の永久磁石の曲率中心から遠い方の角の円弧の曲率半径を他の円弧よりも大きくすることにより、応力が極大となる部分の応力集中を緩和してさらに高速回転時の強度を高くできる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の同期電動機の一実施形態の概略構成を示す断面図である。
【図2】同実施形態のロータの部分拡大断面図である。
【図3】図2の部分拡大断面図である。
【図4】外層側の永久磁石の端とロータ本体外周との間の厚さと、内層側の永久磁石の端とロータ本体外周との間の厚さの比を変化させた時のロータ本体の強度と洩れ磁束の変化を示すグラフである。
【図5】従来例のロータの部分拡大断面図である。
【符号の説明】
1 同期電動機
2 ステータ
3 ロータ
6 ロータコア
7 外層側の永久磁石
7a 永久磁石7の端
8 内層側の永久磁石
8a 永久磁石8の端[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a synchronous motor including a rotor in which a plurality of permanent magnets are embedded and using magnet torque and reluctance torque.
[0002]
[Prior art]
By embedding multiple sets of two-layer permanent magnets spaced in the radial direction into the rotor core made of a high permeability material such as iron in the rotational direction, effective use of the reluctance torque is achieved. A synchronous motor used in combination has been previously proposed in Japanese Patent Application No. 7-134023.
[0003]
Thus, in the rotor in which the permanent magnet located on the rotor outer circumferential side and the permanent magnet located on the rotor inner circumferential side are embedded in two layers at an interval, the rotating magnetic field generated by the winding group on the stator side and the permanent magnet The magnetic torque generated between the magnetic field and the magnetic field generated by the rotating magnetic field is formed in a space between the inner and outer permanent magnets and the like, and the reluctance torque generated thereby is rotated.
[0004]
In the above conventional synchronous motor, as shown in FIG. 5, the distance between the end of the
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, the above-described conventional configuration has a problem that it is not possible to realize further high-speed rotation while obtaining a high torque by further reducing the leakage magnetic flux P.
[0006]
Therefore, a detailed analysis of the state of stress acting at the time of high-speed rotation of the rotor revealed that the end of the permanent magnet on the inner layer side is more stressed than the end of the permanent magnet on the outer layer side, especially the one far from the center of curvature. It was found that a large stress was concentrated in the vicinity of the corner.
[0007]
According to the present invention, the thickness of the rotor core at the end of the permanent magnet is set to the minimum necessary according to the stress acting at the time of high speed rotation, so that the strength at the time of high speed rotation can be sufficiently secured while maintaining high torque. An object is to provide an electric motor.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The synchronous motor according to the present invention includes a rotor core made of a high magnetic permeability material and an arc-shaped permanent magnet having a convex center side on the rotor core, which is embedded in two layers on the outer side and the inner side in the radial direction of the rotor core. e Bei a stator for generating a rotating magnetic field there, extend the end of the permanent magnet close to the rotor outer periphery, in a synchronous motor utilizing a magnet torque and reluctance torque, the end and the rotor core outer circumference of the inner layer side of the permanent magnet By making the thickness between the outer layers larger than the thickness between the end of the permanent magnet on the outer layer side and the outer periphery of the rotor core, a greater stress is applied by centrifugal force during high-speed rotation without almost increasing the leakage flux. The strength of the portion is increased so that sufficient strength can be secured during high-speed rotation while maintaining high torque.
[0009]
Here, the distance between the end of the outer permanent magnet and the outer periphery of the rotor core is da, the distance between the end of the inner permanent magnet and the outer periphery of the rotor core is db, the radius of the rotor core is r, and db is da. The effect is exhibited by making it larger than 1.1 times, but if it is 2 times or more, the strength of the portion of da becomes relatively weak, so there is no effect, and if da is not more than 1/100 of r, as a whole at high speed rotation Is not obtained, and if db is 4/100 or more of r, the leakage flux increases, which is not preferable.
[0010]
In addition, both corners of the outer layer side and inner layer side permanent magnets are formed into circular arcs to relieve stress concentration at the corners, and the farther from the center of curvature of the inner layer side permanent magnet to which particularly large stress acts. By making the radius of curvature of the arc at the corner larger than that of the other arcs, the stress concentration at the portion where the stress becomes maximum can be relaxed, and the strength during high-speed rotation can be further increased.
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
[0012]
In FIG. 1,
[0013]
The
[0014]
The distance between the
[0015]
In the above-described configuration, the thickness db between the
[0016]
In order to obtain the above effect, db needs to be larger than 1.1 times da, but conversely, if it is made twice or more, the strength at the
[0017]
Moreover, since both corners of the
[0018]
【The invention's effect】
According to the synchronous motor of the present invention, as is clear from the above description, the thickness between the end of the inner permanent magnet and the outer periphery of the rotor core is set between the end of the outer permanent magnet and the outer periphery of the rotor core. By making it larger than the thickness, it is possible to increase the strength of the part where a greater stress is applied by centrifugal force during high-speed rotation without increasing the leakage flux, and the strength during high-speed rotation while maintaining high torque. Can be secured sufficiently.
[0019]
Furthermore, da> r is the thickness between the end of the permanent magnet on the outer layer side and the outer periphery of the rotor core, db is the thickness between the end of the permanent magnet on the inner layer side and the outer periphery of the rotor core, and r is the radius of the rotor core. / 100, db <4r / 100, 1.1da <db <2da, thereby reducing the thickness between the outer layer side and the end of the permanent magnet on the outer layer side and the outer periphery of the rotor core as much as possible. It is possible to ensure sufficient strength during high-speed rotation while reducing the height.
[0020]
In addition, both corners of the outer layer side and inner layer side permanent magnets are formed into circular arcs to relieve stress concentration at the corners, and the farther from the center of curvature of the inner layer side permanent magnet to which particularly large stress acts. By making the radius of curvature of the arc at the corner larger than that of the other arcs, the stress concentration at the portion where the stress becomes maximum can be relaxed, and the strength during high-speed rotation can be further increased.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of an embodiment of a synchronous motor according to the present invention.
FIG. 2 is a partially enlarged cross-sectional view of the rotor of the same embodiment.
3 is a partially enlarged cross-sectional view of FIG.
FIG. 4 shows the rotor body when the ratio of the thickness between the end of the permanent magnet on the outer layer side and the outer periphery of the rotor body and the thickness between the end of the permanent magnet on the inner layer side and the outer periphery of the rotor body is changed. It is a graph which shows the change of intensity and leakage magnetic flux.
FIG. 5 is a partially enlarged sectional view of a conventional rotor.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
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