JP4323940B2 - 励磁機、界磁機およびそれを用いた同期機 - Google Patents

Description

本発明は、電流を通じることにより移動磁界を発生させる励磁機、永久磁石により直流磁場を発生させる界磁機、および、それを用いた同期機に関する。
具体的には、例えば、励磁機としてのステータ、界磁機としてのロータ、およびそれを用いた永久磁石同期機に関する。

永久磁石同期機は、ステータ（固定子）に電流を流すことにより発生する磁場が、ロータ（回転子）に埋め込まれた永久磁石に働いて、ロータが回転する同期機であって、保守性、制御性、耐環境性に優れ、高効率、高力率運転が可能な電動機として産業・民生家電分野を問わず広く用いられている。この場合、電気エネルギーを同期機に流して、回転駆動力を得るようにするのが同期電動機であり、逆に、同期機を回転させて電気エネルギーを同期機より取り出す場合は、同期発電機となる。ここでは、両者を想定し、あわせて、同期機としている、両者の構造は基本的には同じなので、以下詳細説明では、同期電動機の例を中心に説明する。

図７および図８は、従来の同期機の断面を示しており、ヨーク１およびティース２からなるステータ７の中心に、ロータ８が配置されている。
ロータ８には永久磁石９が埋め込まれており、ステータ７に三相交流を流すことにより発生する磁場が、この永久磁石９に働くことによりロータ８が回転する。
従来、同期機のステータは、鉄損を低減するために無方向性電磁鋼板（ＮＯ）を積層することにより作られていた。

無方向性電磁鋼板は、鋼板表面のどの方向にも一様な比透磁率を有する鋼板であって、比較的鉄損の小さい材料として広く用いられているが、長時間連続運転する同期機のステータに用いる材料としては十分な磁気特性が得られていなかった。
同期機に用いられる電磁鋼板の種類については、特開平７−６７２７２号公報に、ステータのティースとヨークとを分割する構造とし、ヨークには円周方向を磁化容易方向とする方向性電磁鋼板（ＧＯ）を用い、ティースには径方向を磁化容易方向とする方向性電磁鋼板を用いることにより鉄損を低減する方法が開示されている。

しかし、この従来技術は、図７に示すように、ヨークとティースの接合部が周方向を磁化容易方向とする方向性電磁鋼板としているので、ヨークからティースへの磁束の流れがスムーズでなく、この部分に磁気抵抗の大きい回転磁界が発生するため鉄損を低下させてしまうという問題点があった。
また、移動磁界を発生させる従来のコイルは、ティースに巻き付けており、そのため、ティース同士の間隔（ｄ）を狭めることができなかったので、ステータからロータに流れる磁束（Ｂ）を大きくすることができなかった。
さらに、従来の永久磁石９は、図７に示すようにロータの周方向に配置されており、この永久磁石は磁気抵抗が大きいため、ティース２とロータ８との実効ギャップ（Ｇａｐ）を大きくしてしまい、その結果、ステータからロータに流れる磁束（Ｂ）が低減するという問題点があった。

ここに、実効ギャップ（Ｇａｐ）とは、下記（Ａ）式で定義され、ティース先端部とロータ表面との間隔（ｇ）に永久磁石によるギャップ（ｇ´）を加えた実質的なギャップをいう。
Ｇａｐ＝ｇ＋ｇ´・・・・・（Ａ）
ここに、Ｇａｐ：実効ギャップ、
ｇ ：ティース先端部とロータ表面との間隔、
ｇ´ ：永久磁石によるギャップ
なお、永久磁石を磁性体に埋め込むことにより、上記ｇ´をなくすことができるが、永久磁石を埋め込むために製造工程が増えるので製造コストが上昇するという問題点があった。

また、特開２０００−７８７８０公報には、ティース部に方向性電磁鋼板を用い、ヨーク部に透磁率の方向性の小さい磁性材（低炭素鋼鋼管や無方向性電磁鋼板など）を用いる方法が開示されている。
しかし、この従来技術は、ヨークとティースの接合部も透磁率の方向性の小さい磁性材を用いているので、ヨークからティースへの磁束の流れがスムーズでなく、この部分に磁気抵抗の大きい回転磁界が発生するため鉄損を低下させてしまうという問題点があった。
さらに、特開平７−５９２８０公報には、永久磁石の励磁方向を界磁機（ロータ）の周方向とする同期電動機が開示されている。 しかし、この従来技術は、永久磁石の磁極面に略垂直に複数のスリットを設けることにより、磁束をガイドするものであり、本発明のように、二方向性電磁鋼板を利用することは全く開示されていない。
さらに、特開２００１−１２８３９５公報には、積層方向鋼板を二方向性電磁鋼板とし、前記鉄心本体における磁化容易方向が、埋め込まれた永久磁石のＮ極およびＳ極の方向と一致する回転子を有する回転電機が開示されている。
しかし、永久磁石と回転子外径間の距離が異なるため、回転子から出力される磁束密度分布を均一にすることが難しく、さらに磁性体中に永久磁石を埋め込まなければならないため、構造が複雑になり製造が困難であるという問題点があった。

特開平７−６７２７２号公報 特開２０００−７８７８０号公報 特開平７−５９２８０号公報 特開２００１−１２８３９５号公報

本発明は、前記のような従来技術の問題点を解決し、ヨークが周方向に分割されている励磁機（ステータ）および界磁機（ロータ）の磁気抵抗と鉄損を低減し磁束（Ｂ）を増大することができる励磁機、界磁機およびそれを用いた同期機を提供することを課題とする。
なお、本発明において、「径方向に配置して積層」とは鋼板の板面法線方向を略径方向にして積層することを示し、「周方向に配置して積層」とは鋼板の板面法線方向を略周方向にして積層することを示し、「軸方向に配置して積層」とは鋼板の板面法線方向を略軸方向にして積層することを示す。

本発明は、ヨークとティースとの接合部や永久磁石の間に鋼板を用いることにより、ヨークが周方向に分割されている励磁機（ステータ）および界磁機（ロータ）の磁気抵抗と鉄損を低減し磁束（Ｂ）を増大することができる励磁機、界磁機およびそれを用いた同期機を提供するものであり、その要旨は特許請求の範囲に記載した通りの下記内容である。

（１）電流を通じることにより移動磁界を発生させる励磁機であって、前記励磁機は、一方向性電磁鋼板を積層したヨークおよびティースを有しており、
前記励磁機を構成するヨークとティースは分割されており、さらに、ヨークは周方向に分割されており、
該ヨークを構成する一方向性電磁鋼板の磁化容易方向を前記励磁機の周方向とし、
前記ティースを構成する一方向性電磁鋼板の磁化容易方向を前記励磁機の径方向とし、
前記ヨークとティースとの接合部を磁化容易方向が前記励磁機の周方向及び径方向である二方向性電磁鋼板とし、前記ヨークは、前記励磁機の径方向に配置して積層し、前記ティースは、前記励磁機の周方向に配置して積層し、前記ヨークとティースとの接合部は、前記励磁機の軸方向に配置して積層することを特徴とする励磁機。
（２）前記ティース先端部とロータ表面との間隔をｇ、ティース先端部同士の間隔をｄ、ティース根本部同士の間隔をＬとして、次式を満足することを特徴とする請求項１に記載の励磁機。
ｇ≦ｄ≦Ｌ
（３）前記移動磁界を発生させる励磁コイルを、前記ヨークに巻き付けることを特徴とする（１）または（２）に記載の励磁機。
（４）（１）乃至（３）のいずれか一項に記載の励磁機を有することを特徴とする同期機。
（５）（１）乃至（３）のいずれか一項に記載の励磁機と、
永久磁石により直流磁場を発生させる界磁機であって、前記永久磁石の励磁方向を前記界磁機の周方向とし、該永久磁石の間の領域は、磁化容易方向が前記界磁機の周方向および径方向である二方向性電磁鋼板を積層して構成する界磁機と、を有することを特徴とする同期機。

本発明によれば、ヨークとティースとの接合部や永久磁石の間に二方向性電磁鋼板を用いることにより、ヨークが周方向に分割されている励磁機（ステータ）および界磁機（ロータ）の磁気抵抗と鉄損を低減し磁束（Ｂ）を増大することができる励磁機、界磁機およびそれを用いた同期機を提供することができ、産業上有用な著しい効果を奏する。

本発明の実施の形態を、図１乃至図６を用いて詳細に説明する。
＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の第１の実施形態であるステータ（励磁機）の構造を示す図である。
図１において、１はヨーク、２はティース、３はヨークとティースの接合部、４は励磁コイル、８はロータを示す。
ステータは、外周部分のヨーク１と、ティース２とから主に構成され、ヨーク１とティース２がロータ８の周囲に円周状に配置されている。

ヨーク１はステータ（励磁機）の周方向に分割されており、さらに、ヨーク１とティース２は分割されている。ヨーク１を構成する方向性電磁鋼板の磁化容易方向を前記励磁機の周方向とし、ティース２を構成する方向性電磁鋼板の磁化容易方向を前記励磁機の径方向とする。 磁束の流れる方向と方向性電磁鋼板の磁化容易方向とを合わせることにより磁束の流れをスムーズにし磁束（Ｂ）を強化することができる。
ここに、方向性電磁鋼板は、磁化容易方向が特定の方向である電磁鋼板であり、磁化容易方向については無方向性電磁鋼板より優れた軟磁気特性を有する。
例えば、図４に示すように、方向性電磁鋼板は、圧延方向の比透磁率μ_Rが、非圧延方向の比透磁率μ_Tに比べて著しく大きくなっており、圧延方向に磁束を流し易い性質を持っている。

また、ヨーク１とティース２との接合部３を鋼板とする。なお、接合部３の鋼板には、アモルファス軟磁性鋼板を含む。
接合部３は、一方向性電磁鋼板以外の電磁鋼板が好ましく、さらには、磁化容易方向がステータ（励磁機）の周方向および径方向である二方向性電磁鋼板が一層好ましい。
ここでに、電磁鋼板は、一般の鋼板と比べて優れた軟磁気特性を有するため、一般の鋼板と比べて磁束を流し易い性質を持っている。
その中で一方向性電磁鋼板は、圧延方向の比透磁率は大きく、極めて優れた軟磁気特性を有するものの、圧延方向と垂直な方向の比透磁率は、無方向性電磁鋼板より小さな比透磁率であり、圧延方向と垂直な方向に磁束を流し難い性質を持っている。
ここに、二方向性電磁鋼板は、磁化容易方向が二方向である電磁鋼板であり、磁化容易方向については無方向性電磁鋼板より優れた軟磁気特性を有する。 例えば、図５に示すように、二方向性電磁鋼板は、圧延方向の比透磁率μ_Rおよび圧延方向と垂直方向の比透磁率μ_Tが、その他の方向に比べて著しく大きくなっており、圧延方向およびその垂直方向に磁束を流し易い性質を持っている。
ヨーク１とティース２との接合部３では、磁束を垂直に曲げる必要があるため、磁化容易方向がステータ（励磁機）の周方向および径方向である二方向性電磁鋼板を用いることにより、磁束の流れをスムーズにし、その結果、磁束（Ｂ）を強化することができるうえ、磁束が交差する部分に生じる磁気抵抗の大きい回転磁界の発生を防止することができ、ステータ（励磁機）における鉄損を低減することができる。

また、本実施形態における励磁コイルは、図１に示すように、ヨーク１に巻き付けることが好ましい。
励磁コイルをヨーク１に巻き付けることによって、ティース２の先端同士の間隔（ｄ）を小さくすることができ、ティース２とロータ８（界磁機）の向き合う面積が広がるので、それだけ、ティース２からロータ８（界磁機）に流れる磁束（Ｂ）を大きく、かつ、周方向（θ）に連続にすることができる。 ティース２の先端同士の間隔（ｄ）は下記（Ｂ）式の範囲が好ましい。
ｇ≦ｄ≦Ｌ・・・・（Ｂ）
ここに、ｇ：ティース先端部とロータ表面との間隔、
ｄ：ティース先端部同士の間隔、
Ｌ：ティース根元部同士の間隔

ｄをｇ以上とするのは、ｄがｇ未満の場合には、磁束（Ｂ）がティース間に流れてしまいロータ側に流れなくなるからである。
また、ｄをＬ以下とするのは、ｄがＬ超の場合には、ティース先端部とロータ表面が対向する面積が小さくなるため、磁束（Ｂ）が小さくなるからである。
なお、従来の励磁コイルをティースに巻き付ける方法として、例えば一つ飛ばしのティースにコイルを巻き付ける分布巻き、ティースにコイルを巻き付ける集中巻きがあり、本発明の好ましい実施形態であるヨークに励磁コイルを巻き付ける胴巻きとの比較を表１に示す。

表１に示すように、分布巻きは、例えば一つ飛ばしのティースに励磁コイルを巻き付けるため、コイルエンド部が大きくなるので、ティース先端部同士の間隔（ｄ）は他の巻き方に比べて大きくなる。

また、励磁コイルをティースに集中して巻き付ける集中巻きの場合には、励磁コイルに供給する電流の位相差を小さくできず、移動磁界（Ｂ）の歪成分である空間高調波が大きくなるため、インバータを通常の３φより大きい６〜１２φとすることにより、同期機の回転を円滑化する必要がある。
一方、本発明の好ましい実施形態である胴巻きは、コイルエンドが小さいのでティース先端部同士の間隔（ｄ）を小さくすることにより、ティースからロータに流れる磁束（Ｂ）を増加させることができるうえ、励磁コイルに供給する電流の位相差を小さくできるので、移動磁界（Ｂ）の歪成分である空間高調波が小さいので、インバータは通常の３φでよい。 従来は、図７および図８に示すように、ヨークとティースが同じ方向に積層されていたため、磁束がヨークとティースとの境界部を通過するときに、同じ平面内で、磁束の向きが変ることから、この部分に磁気抵抗の大きい回転磁界が発生し、これによって、鉄損が著しく増加していた。
ここに、回転磁界とは、図９に示すように、例えば、Ｘ―Ｙ平面内の位置によって磁気特性が曲線的に変化する磁界をいい、図１０に示すような、直線的に変化する交番磁界と異なる磁界である。
発明者らは、種々の形態のステータについて鉄損を測定したところ、この回転磁界は、平面内で磁束の方向が変化する場所で発生しやすいことを見出した。
そこで、この回転磁界の発生を防止するためには、磁束の方向を同一平面内で変化させなければよいことに想到した。、ヨーク１とティース２の積層方向を異なる方向とすることによって、平面内での磁束の方向転換を少なくしたところ、回転磁界の発生が抑制され、鉄損を著しく低減することができた。
具体的には、図１１に示すようにヨーク１は、前記励磁機の径方向に配置して積層し、ティース２は、前記励磁機の軸方向に配置して積層すればよい。また、図１２に示すように、ヨーク１は、前記励磁機の径方向に配置して積層し、ティース２は、前記励磁機の周方向に配置して積層してもよいし、図１３に示すように、ヨーク１は、前記励磁機の軸方向に配置して積層し、ティース２は、前記励磁機の周方向に配置して積層してもよい。

なお、本実施形態では励磁機をステータとし、界磁機をロータとしたが、ロータに電流を流すことによって、励磁機をロータとし、界磁機をステータとすることもできる。

＜第２の実施形態＞
図２は、本発明の第２の実施形態であるステータ（励磁機）の構造を示す図である。
図２において、１はヨーク、２はティース、３はヨークとティースの接合部、４は励磁コイル、８はロータを示す。
本実施形態においては、励磁コイル４は、ティース２に巻き付けられている。励磁コイル４をティース２に巻き付ける方が、第１の実施形態のようにヨーク１に巻き付けるより製造工程が簡略化でき、製造コストを低減することができる。
本実施形態は、励磁コイル４の巻き付け方法以外については、第１の実施形態と同様であるので省略する。

＜第３の実施形態＞
図３は、本発明の第３の実施形態であるロータ（界磁機）の構造を示す図である。
図３において、２はティース、５は永久磁石の間の領域、６は回転軸、８はロータ、９は永久磁石を示す。ヨーク１とティース２とヨークとティースの接合部３は、同一方向に積層されている。
本実施形態では、永久磁石９が発生させる直流磁場の方向はＮ→Ｓなので、永久磁石９の励磁方向はロータ（界磁機）の周方向となる。 その結果、永久磁石の厚みは磁気的なギャップとして働かないので、実効ギャップ（Ｇａｐ）は、図３に示すティース２の先端部とロータ８の表面とのギャップ（ｇ）そのものとなり小さくできるので、磁気抵抗および鉄損を低減することができる。

また、永久磁石の間の領域５は、磁化容易方向がロータ（界磁機）の周方向および径方向である二方向性電磁鋼板を積層して構成する。 磁化容易方向がロータ（界磁機）の周方向および径方向である二方向性電磁鋼板を用いることにより、ロータ（界磁機）内の磁束の流れがスムーズになるので、鉄損を低減することができる。
なお、回転軸６は、例えば、ＳＵＳなどの非磁性体を用いることが好ましい。 図６は、図３に示す２極６個の励磁コイル（Ｕ、−Ｖ、Ｗ、−Ｕ、Ｖ、-Ｗ）に、π／３ずつ位相をずらした正弦波の電流を流したときの移動磁界のできる様子を示す図である。

図６の上側の図は、横軸を時間（ｔ）縦軸を電流（Ａ）としたときの正弦波を示す。
図６の下側の表は、各時間ごとに励磁コイルに流れる電流の正負を示しており、表中に矢印で示す位置と時間によって、磁束（Ｂ）の向きが逆転する。
このようにして、位相をずらした正弦波によって、移動磁界を形成することができる。
なお、本実施形態では界磁機をロータとし、励磁機をステータとしたが、ステータに永久磁石を組み込むことによって、界磁機をステータとし、励磁機をロータとすることもできる。

＜第１〜第３共通の実施形態＞
前記第１または第２の実施形態に示すステータ（励磁機）を、電動機（同期機）に適用することによって、鉄損が少なく出力トルクが大きい電動機（同期機）を提供することができる。
さらに、第３の実施形態に示すロータ（界磁機）を、電動機（同期機）に適用することによって、さらに鉄損が少なく出力トルクが大きい電動機（同期機）を提供することができる。

本発明の第１の実施形態であるステータ（励磁機）の構造を示す図である。 本発明の第２の実施形態であるステータ（励磁機）の構造を示す図である。 本発明の第３の実施形態であるロータ（界磁機）の構造を示す図である。 本発明に用いる方向性電磁鋼板の比透磁率（μ）の特性を示す図である。 本発明に用いる二方向性電磁鋼板の比透磁率（μ）の特性を示す図である。 図３に示す２極６個の励磁コイル（Ｕ、−Ｖ、Ｗ、−Ｕ、Ｖ、-Ｗ）に、π／３ずつ位相をずらした正弦波の電流を流したときの移動磁界のできる様子を示す図である。 従来の同期機の断面図である。 従来の同期機の断面図である。 回転磁界の説明図である。 交番磁界の説明図である。 本発明の第１の実施形態である励磁機の第１番目の構造を示す図である。 本発明の第１の実施形態である励磁機の第２番目の構造を示す図である。 本発明の第１の実施形態である励磁機の第３番目の構造を示す図である。

符号の説明

１ ヨーク
２ ティース
３ ヨークとティースの接合部
４ 励磁コイル
５ 永久磁石の間の領域
６ 回転軸
７ ステータ（励磁機）
８ ロータ（界磁機）
９ 永久磁石

Claims (5)

1. 電流を通じることにより移動磁界を発生させる励磁機であって、前記励磁機は、一方向性電磁鋼板を積層したヨークおよびティースを有しており、
   前記励磁機を構成するヨークとティースは分割されており、さらに、ヨークは周方向に分割されており、
   該ヨークを構成する一方向性電磁鋼板の磁化容易方向を前記励磁機の周方向とし、前記ティースを構成する一方向性電磁鋼板の磁化容易方向を前記励磁機の径方向とし、
   前記ヨークとティースとの接合部を磁化容易方向が前記励磁機の周方向及び径方向である二方向性電磁鋼板とし、
   前記ヨークは、前記励磁機の径方向に配置して積層し、前記ティースは、前記励磁機の周方向に配置して積層し、前記ヨークとティースとの接合部は、前記励磁機の軸方向に配置して積層することを特徴とする励磁機。
2. 前記ティース先端部とロータ表面との間隔をｇ、ティース先端部同士の間隔をｄ、ティース根本部同士の間隔をＬとして、次式を満足することを特徴とする請求項１に記載の励磁機。
   ｇ≦ｄ≦Ｌ
3. 前記移動磁界を発生させる励磁コイルを、前記ヨークに巻き付けることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の励磁機。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の励磁機を有することを特徴とする同期機。
5. 請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の励磁機と、
   永久磁石により直流磁場を発生させる界磁機であって、前記永久磁石の励磁方向を前記界磁機の周方向とし、該永久磁石の間の領域は、磁化容易方向が前記界磁機の周方向および径方向である二方向性電磁鋼板を積層して構成する界磁機と、を有することを特徴とする同期機。

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