JP3683455B2

JP3683455B2 - 永久磁石式モータ

Info

Publication number: JP3683455B2
Application number: JP36844399A
Authority: JP
Inventors: 一晃瀧澤; 重光圷; 弘明篠木; 智之伊藤; 祐司斉藤; 一近藤
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1999-12-24
Filing date: 1999-12-24
Publication date: 2005-08-17
Anticipated expiration: 2019-12-24
Also published as: JP2001186698A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、界磁として永久磁石を用いる永久磁石式モータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば鉄等の磁性体からなる略円筒状の回転子の外周部に、周方向に所定の間隔を置いて複数の永久磁石を配置して、固定子に巻回された巻線に通電電流として交番電流を通電することで固定子側に回転磁界を発生させ、この回転磁界と永久磁石との間に発生する吸引／反発力、つまり磁石トルクにより回転子を回転させる永久磁石式モータが知られている。
こうした永久磁石式モータでは、永久磁石の量を増加することによって通電電流当たりの磁石トルク量、つまり磁石トルク定数を増加させることができるが、一方で、回転子の回転数当たりの逆起電圧、つまり逆起電圧定数も比例して増大し、この逆起電圧が通電電流の供給電圧と等しくなると、通電電流がゼロになると共に、磁石トルクもゼロになる。
【０００３】
また、これに関して、磁石界磁量を等価的に弱めるような弱め界磁電流を通電することによって、逆起電圧が通電電流の供給電圧を超えるような領域まで運転可能な回転数を拡大する制御として、いわゆる弱め界磁制御が知られている。ただし、逆起電圧が通電電流の供給電圧を超えるような領域では、弱め界磁電流は回転トルクの増大には寄与しない。
従って、磁石トルクを増大させると高い回転トルクを発生可能であるが、逆起電圧定数が大きくなり、比較的小さな回転数にて逆起電圧が通電電流の供給電圧と等しくなるため、弱め界磁電流を増大させる必要があり、回転数が高い領域では永久磁石式モータの損失が増加してしまうという問題がある。
【０００４】
このような問題に対して、例えば実開昭５６−１４９５８４号公報に開示された永久磁石式モータのように、回転子の外周部に、永久磁石を周方向の両側から挟み込むような磁性体からなる突極を設けて、磁石トルクに加えてリラクタンストルクを併用した永久磁石式モータが知られている。リラクタンストルクは、回転磁界と突極との間に発生する吸引力に起因する回転トルクであり、逆起電圧を発生させることがないため、弱め界磁電流を増大させること無く、高い回転数領域でのモータの損失を増大させること無しに、永久磁石式モータの回転トルクを増大させることができる。
このリラクタンストルクは、例えば応用電気工学全書１電気機器［Ｉ］（森北出版１９７３年）に開示されているように、直軸電機子反作用リアクタンスと横軸電機子反作用リアクタンスとの差が大きくなるのに伴って増大することが知られている。ここで、直軸電機子反作用リアクタンスとは、磁束が回転子本体を介して隣り合う突極同士を貫通するような磁路に対する磁気抵抗であり、横軸電機子反作用リアクタンスとは、磁束が回転子本体を介して隣り合う永久磁石同士を貫通するような磁路に対する磁気抵抗である。
さらに、直軸電機子反作用リアクタンスと横軸電機子反作用リアクタンスとの差は、突極の周方向の幅を調整することで変化させることができ、この差が最大となるのは、例えば電気学会研究会資料ＳＰＣ−８８−１６（１９８８年）や、特開平７−１４３３６９１９号公報に開示された永久磁石式モータのように、突極の幅を、回転子の一極が占める角度（電気角での１８０°）の１／２の角度、すなわち電気角での９０°に設定した場合であることが知られている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記従来技術による永久磁石式モータでは、回転数が高い領域で永久磁石式モータの損失が増加してしまうことを防ぐために、回転子の周方向において、永久磁石の磁石幅及び突極の幅を共に電気角での９０°に設定することで、リラクタンストルクを最大限に利用して、弱め界磁電流が増大することを防止することができる。
ただし、リラクタンストルクは回転磁界と突極との間に発生する吸引力のみを利用するだけであるから、永久磁石の磁石幅及び突極の幅が同一であれば、磁石トルクよりも小さな回転トルクを発生させることになる。従って、所定の回転トルクを発生させるためには、回転子及び固定子の回転軸線方向の長さを長くすることが必要となる場合がある。
しかしながら、この場合、固定子に巻回される巻線の長さも長くなり、巻線抵抗が増大することによって交番電流の通電時に銅損が増加すると共に、回転子及び固定子の体積が増大することによって鉄損が増大して、永久磁石式モータの損失が増加してしまうという問題が生じる。
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、回転数が高い領域において損失の増大を抑制することが可能な永久磁石式モータを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決して係る目的を達成するために、請求項１に記載の本発明の永久磁石式モータは、複数の永久磁石（例えば、後述する実施の形態での永久磁石１５）を有する回転子（例えば、後述する実施の形態での回転子１２）と、この回転子を回転させる回転磁界を発生する固定子（例えば、後述する実施の形態での固定子１１）とを備え、弱め界磁電流を含む通電電流により制御される永久磁石式モータ（例えば、後述する実施の形態での永久磁石式モータ１０）であって、前記回転子の周方向において、前記永久磁石の磁石幅Ｍと、隣り合う前記永久磁石間の間隔Ｒとの比率Ｍ：Ｒが、略３：２に設定されていることを特徴としている。
【０００７】
上記構成の永久磁石式モータによれば、発生可能な最大回転トルクは不変のまま、銅損と鉄損とを加算してなる総損失を最小にすることができる。すなわち、例えば磁石幅Ｍと隣り合う永久磁石間の間隔Ｒとが等しくなるように形成された永久磁石式モータに比べて、永久磁石の割合が増大することで、逆起電圧定数が増大するため、弱め界磁電流を含む通電電流は増大するが、磁束が鎖交する磁性体の体積が減少するため、結果として鉄損は減少する。一方、固定子に巻回される巻線の長さが短くなることで巻線抵抗は減少するが、弱め界磁電流を含んだ通電電流が増大するため、結果として銅損は増大する。これらの鉄損の減少と銅損の増加に伴って、総損失が最小となる場合は、（永久磁石の磁石幅Ｍ）：（隣り合う前記永久磁石に挟み込まれる幅Ｒ）が略３：２となる場合である。
このように、永久磁石式モータの総損失が最も小さくなるように設定することで、永久磁石式モータの発熱を抑制して、所定の冷却限界以下で永久磁石式モータを作動させることができる。
しかも、永久磁石式モータの最大トルクは不変のまま、運転可能な回転数領域を高回転側へと最大限に拡大することができる。すなわち、永久磁石式モータの運転可能な回転数領域が低くなってしまうこと無しに、最大トルクを増大させることができると共に、最大トルクが減少してしまうこと無しに、運転可能な回転数領域を高くすることが可能となる。
【０００８】
さらに、請求項２に記載の本発明の永久磁石式モータは、前記回転子は前記固定子に向かって突出する突極部（例えば、後述する実施の形態での突極１４）を備えており、前記永久磁石は前記突極部に対して周方向に隣接して配置されると共に、前記永久磁石の外周部（例えば、後述する実施の形態での外周面１５Ａ）は前記固定子に向かって露出しており、前記回転子の周方向において、前記永久磁石の磁石幅Ｍと、前記突極部の幅Ｔとの比率Ｍ：Ｔが、略３：２に設定されていることを特徴としている。
【０００９】
上記構成の永久磁石式モータによれば、永久磁石式モータの総損失を最小にして、最大トルク及び運転可能な回転数領域を高くすることができ、例えば発生可能な最大回転トルクは不変のまま、運転可能な回転数領域を高回転側へと最大限に拡大することができると共に、固定子からの回転磁界と永久磁石の界磁磁束との相互作用を増大させて、より一層、永久磁石式モータの効率を向上させることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の永久磁石式モータの一実施形態について添付図面を参照しながら説明する。図１は本発明の一実施形態に係る永久磁石式モータ１０の固定子１１の一部を破断して示す要部斜視図であり、図２は図１に示す永久磁石式モータ１０の回転子１２の略１／２円の平面図である。
本実施の形態による永久磁石式モータ１０は、いわゆる永久磁石式の交流同期モータをなすものであって、略円筒状の固定子１１と、この固定子１１の内部に配置されて回転軸線Ｏ周りに回転可能とされた略円柱状の回転子１２とを備えて構成されている。
略円筒状の固定子１１は、例えば、珪素鋼板からなる複数の略円環板状の磁性体及び電気的絶縁材が、回転軸線Ｏと同軸に交互に積層されて形成されており、その内周面上から径方向内側に向かって突出すると共に、回転軸線Ｏ方向に沿って伸びる複数のティース１３，…，１３を備えている。そして、これらのティース１３，…，１３は、固定子１１の周方向に所定間隔をおいて配置されており、各ティース１３には固定子コイル（図示略）がその中心軸を径方向に向けて巻回されている。
【００１１】
略円柱状の回転子１２は、例えば、珪素鋼板からなる複数の略円板状の磁性体及び電気的絶縁材が、回転軸線Ｏと同軸に交互に積層されて形成されている。
回転子１２は、その外周面上から径方向外側に向かって突出すると共に、回転軸線Ｏ方向に沿って伸びる複数の突極１４，…，１４を備えている。
そして、これらの突極１４，…，１４は周方向に所定間隔をおいて配置されており、隣り合う突極１４，１４の間に挟み込まれるようにして、回転軸線Ｏ方向に沿って伸びる略長方形板状の永久磁石１５が装着されており、この永久磁石１５の外周面１５Ａは固定子１１の内周面に向かって露出している。
【００１２】
なお、突極１４には、その外周部から周方向の外側に向かって突出する２つの爪部１６，１６が設けられており、隣り合う突極１４，１４の間で対向する２つの爪部１６，１６は、永久磁石１５の外周面１５Ａの周方向両端部に当接して、永久磁石１５を内周側に向かって押さえつけるようになっている。
また、突極１４の外周面１４Ａ及び永久磁石１５の外周面１５Ａは、例えば回転軸線Ｏを中心とする所定の同一外径を有しており、両外周面１４Ａ，１５Ａは、固定子１１のティース１３の内周面に対して所定の間隔をおいて近接配置されている。そして、永久磁石１５は、例えば径方向に磁化されており、周方向に所定の間隔をおいて配置された複数の永久磁石１５，…，１５は、隣り合う永久磁石１５，１５の磁化方向が互いに反対方向となるように、すなわち外周側がＮ極とされた永久磁石１５には、外周側がＳ極とされた他の永久磁石１５が隣接するように配置されている。
【００１３】
図２に示すように、回転子１２の周方向で回転軸線Ｏに対して、回転子１２の一極が占める角度θ_D、すなわち電気角での１８０°に対して、永久磁石１５の磁石幅Ｍが占める角度θ_Mは、θ_M／θ_Dが約０．６となるように設定され、突極１４の幅Ｔが占める角度θ_Tは、θ_T／θ_Dが約０．４となるように設定されている。
すなわち、（永久磁石１５の磁石幅Ｍ）：（突極１４の幅Ｔ）が略３：２となるように設定されている。
なお、回転子１２の一極が占める角度θ_Dは、隣り合う永久磁石１５，１５の各中心位置と、回転軸線Ｏとを結ぶ２つの直線のなす角であり、θ_D＝θ_M＋θ_Tである。
【００１４】
本実施の形態による永久磁石式モータ１０によれば、発生可能な最大回転トルクを不変とした場合、例えば磁石幅Ｍと突極１４の幅Ｔとが等しくなるように形成された永久磁石式モータに比べて、固定子１１に巻回される巻線の長さが短くなることで巻線抵抗は減少するが、永久磁石１５の割合が増大することで逆起電圧定数が増大するため、弱め界磁電流を含んだ通電電流が増大して、結果として銅損は増大する。しかしながら、磁束が鎖交する磁性体の体積が減少することで鉄損は減少して、銅損と鉄損の加算された総損出としては最小値を示すようになる。
このように、永久磁石式モータ１０の総損失が最小となるように設定することで、永久磁石式モータ１０の発熱を抑制して、所定の冷却限界以下で永久磁石式モータ１０を作動させることができる。しかも、永久磁石式モータ１０の最大トルクを増大させても運転可能な回転数領域が低くなることを防ぐと共に、運転可能な回転数領域を高くしても発生可能な最大トルクが減少してしまうことを防ぐことができ、例えば発生可能な最大トルクは不変のまま、運転可能な回転数領域を高回転側へと最大限に拡大することができる。
さらに、永久磁石１５の外周面１５Ａを固定子１１に対して露出して配置することで、固定子１１からの回転磁界と永久磁石１５の界磁磁束との相互作用を増大させて、永久磁石式モータ１０を低損失、かつ高効率にて運転することができる。
【００１５】
なお、本実施形態においては、永久磁石１５の外周面１５Ａが固定子１１の内周面に向かって露出しているとしたが、これに限定されず、図３に示す本実施形態の変形例に係る永久磁石式モータの回転子２２の略１／２円の平面図のように、回転子２２の外周部近傍において、複数の永久磁石１５，…，１５が周方向に所定の間隔をおいて埋め込まれていても良い。
すなわち、略円柱状の回転子２２は、例えば珪素鋼板からなる複数の略円板状の磁性体及び電気的絶縁体が回転軸線Ｏ方向に沿って交互に積層されて形成されている。そして、回転子２２の内部であって外周部近傍には、回転軸線Ｏ方向に沿って伸びる複数の磁石装着孔２３，…，２３が周方向に所定の間隔をおいて貫設されており、この磁石装着孔２３に永久磁石１５が装着されている。
【００１６】
そして、回転子２２の周方向で回転軸線Ｏに対して、回転子２２の一極が占める角度θ_D、すなわち電気角での１８０°に対して、永久磁石１５の磁石幅Ｍが占める角度θ_Mは、θ_M／θ_Dが約０．６となるように設定され、隣り合う永久磁石１５，１５に挟み込まれる回転子２２の挟込部２２ａの幅Ｒが占める角度θ_Rは、θ_R／θ_Dが約０．４となるように設定されている。なお、θ_D＝θ_M＋θ_Rである。
すなわち、（永久磁石１５の磁石幅Ｍ）：（挟込部２２ａの幅Ｒ）が略３：２となるように設定されている。
【００１７】
次に、上述した実施の形態による永久磁石式モータ１０の作動時での総損失を算出した結果について添付図面を参照しながら説明する。
ここで、図４は、後述する実施例１にて永久磁石式モータ１０に所定の回転トルクを発生させる場合に、（θ_M／θ_D）の値に応じて変化する回転子１２及び固定子１１の積み厚、すなわち回転軸線Ｏ方向の長さを示すグラフ図であり、図５は、後述する実施例１にて所定の回転数及び出力を得る場合に、（θ_M／θ_D）の値に応じて変化する通電電流の大きさを示すグラフ図であり、図６は、後述する実施例１にて所定の回転数及び出力を得る場合に、（θ_M／θ_D）の値に応じて変化する銅損及び鉄損を示すグラフ図であり、図７は、後述する実施例１及び実施例２にて所定の回転数及び出力を得る場合に、（θ_M／θ_D）の値に応じて変化する総損失を示すグラフ図である。
【００１８】
なお、以下において、実施例１では、回転子の外径を約１４０ｍｍとし、極数を１０極とし、最大トルク約２４０Ｎｍとし、突極１４及び永久磁石１５の径方向の厚さを約５ｍｍとして、（永久磁石１５の磁石幅Ｍが占める角度θ_M）／（回転子２２の一極が占める角度θ_D）の値に応じて変化する回転子１２及び固定子１１の積み厚（ｍｍ）、すなわち回転軸線Ｏ方向の長さと、固定子１１に巻回される巻線の巻線抵抗（ｍΩ）とを算出した。さらに、回転数が１１０００ｒｐｍ（最高回転数）での出力を５０ｋＷとした場合の通電電流（Ａ）と、銅損（Ｗ）及び鉄損（Ｗ）からなる総損出（Ｗ）とを算出した。結果を表１に示した。
【００１９】
【表１】

【００２０】
また、実施例２では、回転子の外径を約１４０ｍｍとし、極数を１０極とし、最大トルク約１６０Ｎｍとし、突極１４及び永久磁石１５の径方向の厚さを約５ｍｍとして、（永久磁石１５の磁石幅Ｍが占める角度θ_M）／（回転子２２の一極が占める角度θ_D）の値に応じて変化する回転子１２及び固定子１１の積み厚（ｍｍ）と、固定子１１に巻回される巻線の巻線抵抗（ｍΩ）とを算出した。さらに、回転数が１５０００ｒｐｍ（最高回転数）での出力を３５ｋＷとした場合の通電電流（Ａ）と、銅損（Ｗ）及び鉄損（Ｗ）からなる総損出（Ｗ）を算出した。結果を表２に示した。
【００２１】
【表２】

【００２２】
先ず、図４に示すように、回転子１２の一極分に対して永久磁石１５の占める割合が増大すると、単位積み厚当たりの回転トルクが増大することから、所定の回転トルクを発生させるのに必要な積み厚が減少する。
また、図５に示すように、回転子１２の一極分に対して永久磁石１５の占める割合が増大すると、逆起電圧定数が増大するために、弱め界磁電流を含む通電電流は増加する。
さらに、図６に示すように、回転子１２の一極分に対して永久磁石１５の占める割合が増大すると、弱め界磁電流を含む通電電流は増大するが、磁束が鎖交する磁性体の体積が減少するため、結果として鉄損は減少する。
一方、銅損の場合には、固定子１１に巻回される巻線の長さが短くなることで巻線抵抗は減少するが、弱め界磁電流を含んだ通電電流が増大するため、結果として銅損は増大する。
従って、図７に示すように、回転子１２の一極分に対して永久磁石１５の占める割合が増大すると、鉄損の減少と、銅損の増加とに伴って、総損失が最小値となる位置が現れる。この位置は、θ_M／θ_Dが約０．６となる位置であって、突極１４の幅Ｔが占める角度θ_Tに対しては、θ_T／θ_Dが約０．４となり、（永久磁石１５の磁石幅Ｍ）：（突極１４の幅Ｔ）が略３：２となる位置である。
【００２３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の永久磁石式モータによれば、永久磁石式モータの総損失を最小化することができ、永久磁石式モータの発熱を抑制して効率を向上させることができる。しかも、永久磁石式モータの最大トルクを増大させても運転可能な回転数領域が低くなることを防ぐと共に、運転可能な回転数領域を高くしても発生可能な最大トルクが減少してしまうことを防ぐことができ、例えば発生可能な最大トルクは不変のまま、運転可能な回転数領域を高回転側へと最大限に拡大することができる。
さらに、請求項２に記載の本発明の永久磁石式モータによれば、永久磁石式モータの総損失を最小化して、発生可能な最大トルク及び運転可能な回転領域を高くすることができることに加えて、固定子からの回転磁界と永久磁石の界磁磁束との相互作用を増大させて、より一層、永久磁石式モータの効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る永久磁石式モータの固定子の一部を破断して示す要部斜視図である。
【図２】図１に示す永久磁石式モータの回転子の略１／２円の平面図である。
【図３】本実施形態の変形例に係る永久磁石式モータの回転子の略１／２円の平面図である。
【図４】実施例１にて永久磁石式モータに所定の回転トルクを発生させる場合に、（θ_M／θ_D）の値に応じて変化する回転子及び固定子の積み厚を示すグラフ図である。
【図５】実施例１にて所定の回転数及び出力を得る場合に、（θ_M／θ_D）の値に応じて変化する通電電流の大きさを示すグラフ図である。
【図６】実施例１にて所定の回転数及び出力を得る場合に、（θ_M／θ_D）の値に応じて変化する銅損及び鉄損を示すグラフ図である。
【図７】実施例１及び実施例２にて所定の回転数及び出力を得る場合に、（θ_M／θ_D）の値に応じて変化する総損失を示すグラフ図である。
【符号の説明】
１０永久磁石式モータ
１１固定子
１２回転子
１４突極（突極部）
１５永久磁石

Claims

複数の永久磁石を有する回転子と、この回転子を回転させる回転磁界を発生する固定子とを備え、弱め界磁電流を含む通電電流により制御される永久磁石式モータであって、
前記回転子の周方向において、前記永久磁石の磁石幅Ｍと、隣り合う前記永久磁石間の間隔Ｒとの比率Ｍ：Ｒが、略３：２に設定されていることを特徴とする永久磁石式モータ。
前記回転子は前記固定子に向かって突出する突極部を備えており、
前記永久磁石は前記突極部に対して周方向に隣接して配置されると共に、前記永久磁石の外周部は前記固定子に向かって露出しており、
前記回転子の周方向において、前記永久磁石の磁石幅Ｍと、前記突極部の幅Ｔとの比率Ｍ：Ｔが、略３：２に設定されていることを特徴とする請求項１に記載の永久磁石式モータ。