JP4855747B2 - 永久磁石型リラクタンス回転電機 - Google Patents

Description

本発明は回転子に永久磁石を配置することにより磁気的突極性を持たせると共に、電磁騒音低減特性を有せしめた永久磁石型リラクタンス回転電機に関する。

リラクタンス回転電機、例えばリラクタンスモータでは、回転子の外周に磁束が通り易い磁気的凸部（ｄ軸）と磁束が通り難い磁気的凹部（ｑ軸）とが極数と同数形成されている。このモータは磁気的凸部では電機子との間の空隙磁束密度が高く、磁気抵抗の大きい磁気的凹部では空隙磁束密度が低く、このような磁束密度の変化によってリラクタンストルクが発生する。

また、回転子に永久磁石を埋め込み磁気的突極性を持たせた永久磁石型リラクタンスモータでは、リラクタンストルクに加え永久磁石と電機子磁極との間の磁気吸引力及び磁気反発力によるトルクが発生し、総じて大きなトルクが得られ、回転電機の体積当たりの出力密度を高くすることができる（例えば特許文献１及び２参照）。なお、高調波成分によるトルクリップル、振動、騒音を低減するために回転子鉄心を複数に分割し、分割鉄心間にスキューを与えるようにした対策が知られている（例えば特許文献３）。
特開２００１−３３９９２２号公報（特に図１参照） 特開２００１−３３９９１９号公報 特開２００５−５１８９７号公報

通常、回転電機の小型化を図ると、すなわち出力密度を大きくすると、空隙の磁束が増加し、固定子との間の電磁力が増加する傾向にある。この電磁力は固定子鉄心のティースに力を及ぼし、そのうちの高調波成分が固定子鉄心を振動させ騒音、すなわち磁気騒音を発生する。この磁気騒音は電磁力が増加するほど大きくなる。そのため従来では、防音材、吸音材などにより外部への振動伝達系を途中で遮断する機械的方法が採られていた。また、誘導電動機ではスロット組み合わせ数を選定したり、斜向スロットの採用などが知られている。

本発明は電磁力による騒音それ自体の発生量を抑制できる永久磁石型リラクタンス回転電機を提供することを目的とする。

第1の発明の永久磁石型リラクタンス回転電機では、回転子鉄心に磁気的凸部を形成するために１極につき２個の永久磁石を円周方向に所定間隔を存して埋め込んでなる回転子を有し、前記各永久磁石の一端が前記回転子鉄心の外周との間に薄肉なチップ部を形成するように外周側に寄り他端が中心側に寄る配置となし、前記２個の永久磁石により形成される２個のチップ部の内端間の開角θを電気角で８８±８度、または、１２８±８度に設定してなる。

第２の発明の永久磁石型リラクタンス回転電機では、前記永久磁石の互いに異なる極性に対応した前記２個のチップの外端間の開角αと固定子鉄心のスロットピッチτsとの関係を［２．５＋３／２（ｎ−１）＜α／τs＜３．０＋３／２（ｎ−１）（但し、ｎは１を除く自然数）］に設定してなる。

このように、２個のチップ部の内端間の開角θを、また、外端間の開角αを上記のように設定することにより回転子鉄心と固定子鉄心のティースとの間に働く電磁力が非常に低減され、高調波成分による電磁騒音が低下される。この結果、出力密度を大きくすることができるから小型化が可能となる。

＜第１の実施例＞
以下、本発明の第１の実施例を図１〜図４を参照して説明する。永久磁石型リラクタンス回転電機の一例である永久磁石型リラクタンスモータ１は、図１に示すように固定子２と回転子３からなり、その固定子鉄心４の内周にティース５を間欠的に形成することによりスロット６が形成され、これに固定子巻線７が配置されている。回転子３は、図３に示すように、積層された多数の珪素鋼板からなる回転子鉄心８とロータ軸９とからなり、その積層状態が端版１０により保持される。

図１及び図２に示すように、回転子鉄心８の１つの磁気的凸部を形成する区域に軸直角断面形状が矩形の1対の磁石保持孔１１、１２が略Ｖ字配置に形成されている。これら各磁石保持孔１１、１２は一方の端板１０側から他方のそれの間で鉄心中を軸方向に連続して延びると共に、図1に示すように、各磁石保持孔１１、１２の一端１１ａ、１２ａが回転子鉄心８の外周に十分接近しており、これにより各磁石保持孔１１、１２の一端１１ａ、１２ａと鉄心外周面との間に薄肉なチップ部８ａが形成される。したがって、各磁石保持孔１１、１２の各他端１１ｂ、１２ｂが回転子鉄心８の回転中心寄りになる。また、１対の磁石保持孔１１、１２の配置間隔の略中間の外周寄りに非磁性部として空孔８ｂが軸方向全長に渡り形成されている。

１極分の前記１対の磁石保持孔１１、１２には夫々縦断面矩形の永久磁石１３、１４が挿入され、抜けないように前記端板１０により保持される。当然ながら、永久磁石の１３、１４はその一端が回転子鉄心８の外周に接近し、他端が中心よりの配置になる。前記永久磁石の挿入状態では、各前記磁石保持孔１１、１２内の前記回転子鉄心３の外周側に前記チップ部８ａに隣接する空間１１ｃ、１２ｃが残るようにしてある。前記回転子鉄心８にはこのような磁気的凸部構造が８極分形成されている。図２に示すように、１つの極に対応する前記１対の永久磁石１３、１４の極性はその回転子鉄心８の外周面を向く側が互いに同一極性となるように、且つ隣の磁気的凸部とは反対極性になるように設定されている。
この構造において、１つの磁気的凸部をなす永久磁石保持孔１１，１２により回転子鉄心８の外周に形成された前記１対のチップ部８ａの円周方向間隔、特に円周方向で対向する端部間の間隔、すなわち、内端間の開角であるチップ内端開角θがこの実施例では8極であることに対応して機械角で２２±２度の範囲に設定されている。ここでチップ内端開角θをその幾何学的描写である図１に従い具体的に述べると、一つの前記磁気的凸部を介して対向する１対の前記チップ部８ａのそれぞれの円周方向両端のうち前記磁気的凸部を介して対向する各端Ｐ１、Ｐ２を基点としたとき、そのうち前記磁気的凸部を介して対向する基点間（Ｐ１からＰ２までの間）の開角がチップ内端開角θであり、前記磁気的凹部を介して対向する基点間（Ｐ２からＰ１までの間）の開角が後述するチップ外端開角αである。

図４は、横軸にチップ内端開角θ（機械角）を取り、縦軸に回転子鉄心８と固定子鉄心４のティース５との間に作用する電磁力Ｆを取り示した電磁力特性曲線図である。これは、発明者らがこの曲線中、各プロット点に対応するチップ内端開角を持つ構造について電磁力を計算で求め、これら各プロット点を結び曲線化したものである。計算の対象とした電磁力は固定子巻線７に印加する電源周波数に対して１２次の高調波成分であるが、この実施例では８極であることから、回転周波数（機械周波数）に対してはその極対数倍、すなわち４８次成分である。
この特性曲線から明らかなように、電磁力が２２度付近で最も小さく、次いで、３２度付近で小さいことが判明された。実用的にこの値に２度を加減した値でも差し支えないことが分かった。これらチップ内端開角の値を電気角で表すと夫々、８８±８度、または、１２８±８度となる。

＜第２の実施例＞
図６は、横軸にチップ外端開角α（機械角）と固定子鉄心４のスロットピッチτs（機械角）との比（α／τs）取り、縦軸に回転子鉄心８と固定子鉄心４のティース５との間に作用する電磁力Ｆを取り示した電磁力特性曲線図である。ここで、チップ外端開角αとは、図５に示すように、前記永久磁石１３，１４の互いに異なる極性Ｎ、Ｓに対応した円周方向で対向する前記２個のチップ８ａ、８ａの前記基点Ｐ２からＰ１までの間の開角αをいう。
図６に示す電磁力特性曲線は、発明者らがこの曲線中、各プロット点に対応するα／τs比をもつ構造について電磁力を計算で求め、これら各プロット点を結び曲線化したものである。この特性曲線から明らかなように、［２．５＋３／２（ｎ−１）＜α／τs＜３．０＋３／２（ｎ−１）（但し、ｎは１を除く自然数）］の範囲の構造を持つモータが電磁騒音の発生量が低いことが分かった。このため、図５に示す第２実施例のリラクタンスモータ１５はこの式を満たすα及びτsを有する構造に設定してある。

なお、上記各実施例では、回転子鉄心８に非磁性部として空孔８ｂを形成しているが、図７に示すように非磁性部を設けない構造でも本発明は成り立つ。図５および図７には、図１と同一部分には同一符号を付した。

本発明の第１の実施例におけるモータの固定子及び回転子の一部拡大軸直角断面図 同回転子の鉄心部分の軸直角断面図 同回転子の横断面図 図１に示すモータの電磁力特性曲線図 本発明の第２の実施例を示す図１相当図 図５に示すモータの電磁力特性曲線図 本発明の変形例を示す図２相当図

符号の説明

図面中、１はモータ（回転電機）、２は固定子、３は回転子、４は固定子鉄心、５はティース、６はスロット、７は固定子巻線、８は回転子鉄心、８ａはチップ部、８ｂは空孔（非磁性部）、１１は磁石保持孔、１２は磁石保持孔、１３は永久磁石、１４は永久磁石、１５はモータ（回転電機）である。

Claims (5)

1. 固定子鉄心と回転子鉄心を有しこの回転子鉄心に磁気的凸部及び磁気的凹部を円周方向に交互に形成するために鉄心中を軸方向に連続する１極につき２個の磁石保持孔を円周方向に所定間隔を存するように且つ夫々の一端が前記回転子鉄心の外周との間に薄肉なチップ部を形成するように外周寄りに他端が中心側に寄る略Ｖ字配置に形成し、これら各磁石保持孔にその孔内の前記回転子鉄心外周側に前記チップ部に隣接する空間を残して永久磁石を挿入してなり、前記磁気的凸部を前記回転子鉄心の外周側を向く側の極性が互いに同一である１対の前記永久磁石により形成しその前記磁気的凸部間を磁気的凹部とする回転電機において、一つの前記磁気的凸部を介して対向する１対の前記チップ部のそれぞれの円周方向両端のうち前記磁気的凸部を介して対向する各端を基点としそのうち前記磁気的凸部を介して対向する基点間の開角をチップ内端開角θとし前記磁気的凹部を介して対向する基点間の開角をチップ外端開角としたとき、前記チップ内端開角θを電気角で８８±８度、または、１２８±８度に設定してなる永久磁石型リラクタンス回転電機。
2. 前記回転子の極数を８とし、前記１対チップ内端開角θを機械角で２２±２度、または、３２±２度に設定してなる請求項１に記載の永久磁石型リラクタンス回転電機。
3. 前記回転子鉄心の前記回転鉄心の外周側を向く極性が同一の前記１対の永久磁石の配置位置のほぼ中間の外周寄りに非磁性部を設けてなる請求項１または２に記載の永久磁石型リラクタンス回転電機。
4. 固定子鉄心と回転子鉄心を有しこの回転子鉄心に磁気的凸部及び磁気的凹部を円周方向に交互に形成するために鉄心中を軸方向に連続する１極につき２個の磁石保持孔を円周方向に所定間隔を存するように且つ夫々の一端が前記回転子鉄心の外周との間に薄肉なチップ部を形成するように外周寄りに他端が中心側に寄る略Ｖ字配置に形成し、これら各磁石保持孔にその孔内の前記回転子鉄心外周側に前記チップ部に隣接する空間を残して永久磁石を挿入してなり、前記磁気的凸部を前記回転子鉄心の外周側を向く側の極性が互いに同一である１対の前記永久磁石により形成しその前記磁気的凸部間を磁気的凹部とする回転電機において、一つの前記磁気的凸部を介して対向する１対の前記チップ部のそれぞれの円周方向両端のうち前記磁気的凸部を介して対向する各端を基点としそのうち前記磁気的凸部を介して対向する基点間の開角をチップ内端開角θとし前記磁気的凹部を介して対向する基点間の開角をチップ外端開角αとしたとき、このチップ外端開角αと前記固定子鉄心のスロットピッチτsとの関係を［２．５＋３／２（ｎ−１）＜α／τs＜３．０＋３／２（ｎ−１）（但し、ｎは１を除く自然数）］に設定してなる永久磁石型リラクタンス回転電機。
5. 前記回転子鉄心の1極に対応する前記回転鉄心の外周側を向く極性が同一の前記１対の永久磁石の配置位置のほぼ中間の外周寄りに非磁性部を設けてなる請求項４に記載の永久磁石型リラクタンス回転電機。

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