JP4908178B2 - 回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、回転子鉄心の外周部に永久磁石を埋設して磁極を構成した回転子を備えた回転電機に関する。

回転電機、例えば、回転子鉄心の外周部に磁極としての永久磁石を埋設した永久磁石形の回転子を備えた同期電動機においては、固定子および回転子から発生する磁界が固定子および回転子間のギャップで理想的な正弦波分布とならないこと、および、上記磁界により鉄心磁気飽和が生ずることなどにより、回転子が回転する際に、固定子と回転子との間のギャップにおける磁束分布密度が滑らかなものとはならないために、回転子にトルク脈動が発生する。このトルク脈動は，同期電動機における運転時の振動、騒音の発生の原因となるので、その発生を極力抑制する必要がある。

このため従来では、回転子鉄心を軸方向に複数のブロックに分割して、各ブロックを周方向にずらして結合することにより、多段スキュー構造とした回転子が提示されている(特許文献１参照。)
特開２００４−２４８４２２号公報

図１１は、上記特許文献１の技術を三相の同期電動機に適用した従来例を示す。すなわち、回転子１００は、軸方向に等しい厚み寸法を有する４個のブロック１０１、１０２、１０３、１０４に分割されている。そして、これらのブロック１０１、１０２、１０３、１０４は、これらの外周部に埋設された永久磁石(磁極)１０１ａ、１０２ａ、１０３ａ、１０４ａの中心線をＬ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４としたとき、これらが等しい角度αを存して回転子１００の回転方向Ｘにずれるように構成されている。この結果、中心線Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４の軌跡は、図１１に示すようにそれぞれ角度αだけ順次ずれるようになるので、多段スキューとなって誘導電動機における回転子のスキューの効果と類似した効果を得ることができる。

本発明者の検証によると、上記従来例によれば、トルク脈動の高周波成分の奇数次、偶数次にかかわらず満遍なく減少させることができる。しかしながら、トルク脈動の高調波成分は、後述するように、奇数次特に１次および３次成分が大部分であるので、上記従来のように、三相同期電動機の回転子１００を４つに分割してその中心線Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４を等しい角度αだけずらした構成では、上述したようなトルク脈動の高調波成分の奇数次、偶数次の成分を満遍なく減少させるだけで、主たる１次および３次の高調波成分を減少させるには有効ではない。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、トルク脈動の高調波成分の奇数次、特に、１次、３次成分の減少を図ることができる回転電機を提供することにある。

本発明の回転電機は、スロット数がＮの固定子鉄心に三相のコイルが巻装されてなる固定子と、この固定子の界磁空間に配置され、回転子鉄心の外周部に永久磁石が等間隔に埋設されることによりＰ個の磁極が構成された回転子とを具備し、前記スロット数Ｎと磁極数Ｐとの比Ｎ／Ｐが４．５に設定され、前記回転子は、互いに等しい厚みの４ブロックに分割されて、そのうちの中央の２つのブロックは、磁極が設定された基準位置に位置するように構成され、その両端のブロックのうちの一方のブロックは、磁極が前記基準位置より反回転方向に所定角度θだけずれた位置に位置するように構成され、該両端のブロックのうちの他方のブロックは、磁極が前記基準位置より回転方向に所定角度θだけずれた位置に位置するように構成されて、前記所定角度θは、３６０／（Ｐ×６）度に設定されていることを特徴とする。

このような構成によれば、回転子の中央の２つのブロックの中心線の軌跡は、同一直線状に位置し、これに対して、両端のブロックのうちの一方のブロックの中心線の軌跡は、反回転方向側に所定角度θだけずれるとともに、他方のブロックの中心線の軌跡は、回転方向側に所定角度θだけずれるようになるので、段階的なスキュー構造になって、誘導電動機における回転子のスキューと同様の効果を得ることができ、特に、トルク脈動の１次、３次の高調波成分の減少を図ることができる。

本発明によれば、三相の回転電機において、トルク脈動の高調波成分の奇数次、特に、１次、３次成分の減少を図ることができて、振動、騒音を減少させることができる、という効果を奏する。

以下、本発明を三相の同期電動機に適用した第１の実施例につき、図１ないし図９を参照して説明する。
図３に示すように、三相の同期電動機１は、固定子２と回転子３とを備えている。固定子２は、円環状の多数の鉄心材たる珪素鋼鈑を積層してなる固定子鉄心４に三相の固定子コイル(図示せず)を卷装して構成されており、その固定子鉄心４には、固定子コイルを収納するためのＮ個例えば７２個のスロット５が形成されている。回転子３は、円環状の多数の鉄心材たる珪素鋼鈑を積層してなる回転子鉄心６を有する。回転子鉄心６の外周部には、直線状をなすＰ個例えば１６個の磁石挿入孔部７が等間隔に全周にわたって形成されており、各磁石挿入孔部７には、磁極としての平板状の永久磁石８が挿入されて接着、充填材などにより固定されている（図４参照）。したがって、磁極としての永久磁石８もＰ個例えば１６個である。そして、回転子鉄心６の内周部には、１８０度の間隔を存して、２個のキー９、９が形成されており、これらのキー９、９は、回転子鉄心６の内周部に嵌込み固定される回転軸の外周部のキー溝（いずれも図示せず）に係合するようになっている。

しかして、本実施例では、回転子鉄心６（回転子３）において、回転子鉄心６の中心Ｏとキー９の中心を通る中心線を基準線（基準位置）Ｌｓに設定されている。そして、回転子３は、固定子２の界磁空間内に配置されて、その回転軸は、図示しない機枠の軸受に支承され、もって、スロット数７２（Ｎ個）および磁極数１６（Ｐ個）の三相同期電動機１が構成される。

さて、回転子３（回転子鉄心６）は、図１および図２に示すように、軸方向に等しい厚み寸法の４個のブロック１０、１１、１１、１２に分割されている。
まず、ブロック１０においては、図５に示すように、１６個の磁極を構成する永久磁石８は、符号８ａで示されており、そのうちの基準と設定された永久磁石８ａは、符号８ａｓで示されている。そして、ブロック１０おいて、磁極を形成する永久磁石８ａは、中心Ｏと基準の永久磁石８ａｓの中心を通る中心線Ｌａが前記基準線Ｌｓより回転方向Ｘとは反対方向（反時計方向）に所定角度θ（機械角）だけずれるように構成されている。

ブロック１１においては、図６に示すように、１６個の磁極を構成する永久磁石８は、符号８bで示されており、そのうちの基準と設定された永久磁石８ｂは、符号８ｂｓで示されている。そして、ブロック１1において、磁極を構成する永久磁石８ｂは、中心Ｏと基準の永久磁石８ｂｓの中心を通る中心線Ｌｂが前記基準線Ｌｓと一致するように構成されている。

そして、ブロック１２においては、図７に示すように、１６個の磁極を構成する永久磁石８は、符号８ｃで示されており、そのうちの基準と設定された永久磁石８ｃは、符号８ｃｓで示されている。そして、ブロック１２において、磁極を構成する永久磁石８ｃは、中心Ｏと基準の永久磁石８ｃｓの中心を通る中心線Ｌｃが前記基準線Ｌｓより回転方向Ｘ（時計方向）に所定角度θだけずれるように構成されている。

以上のように、回転子３においては、中央の２つのブロック１１、１１は、永久磁石８ｂ、８ｂが設定された基準位置に位置するように構成され、その両端の一方のブロック１０は、永久磁石８ａが前記基準位置より回転方向Ｘと反対方向に所定角度θだけずれた位置に位置するように構成され、該両端の他方のブロック１２は、永久磁石８ｃが前記基準位置より回転方向Ｘに所定角度θだけずれた位置に位置するように構成されている、この結果、ブロック１０、１１、１１、１２の中心線Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｂ、Ｌｃの軌跡は、図１に一点鎖線で示すようになる。すなわち、ブロック１１、１１の中心線Ｌｂ、Ｌｂの軌跡は、直線状をなして同一直線上に位置し、ブロック１０の中心線Ｌａの軌跡は、直線状をなして中心線Ｌｂ、Ｌｂの軌跡に対し回転方向Ｘとは反対方向に所定角度θだけずれた位置に位置し、ブロック１２の中心線Ｌｃの軌跡は、直線状をなして中心線Ｌｂ、Ｌｂの軌跡に対し回転方向Ｘに所定角度θだけずれた位置に位置し、以上により、段階的なスキューが構成されるようになる。

しかして、本実施例においては、スロット数Ｎと磁極数Ｐとの比Ｎ／Ｐが、Ｎ／Ｐ＝７２／１６＝４．５に設定されている。このように設定すると、永久磁石埋設形の同期電動機において、駆動中における誘起電圧の歪を抑制して、これを正弦波にすることが可能で、低振動、低装音にすることができる、ということが知られている（例えば、特開２００５−１３０６２７号公報参照）。

さらに、本実施例においては、所定角度θは、
θ＝３６０／（Ｐ×Φ×２）［ｄｅｇ］
に設定されている。ここで、Φは同期電動機１の相数で、この実施例では３（三相）である。

図１２は、従来の同期電動機（図１１に回転子１００のみ図示）における１００％負荷時のトルク波形のＤＦＴ（離散的フーリエ変換）を示し、実験条件は本実施例と同じである。この図１２により、トルク脈動の高調波成分の分布がわかる。この図１２から明らかなように、三相同期電動機においては、トルク脈動は、奇数次の高調波成分、特に、１次および３次の成分が支配的であり、従来例のようにトルク脈動の高調波成分の奇数次、偶数次を万遍に低減させる構成では、図１２から明らかなように、トルク脈動の主たる高調波成分である１次および３次の成分を低減させるには有効ではない。

さて、本実施例のようなスロット数Ｎ（＝７２）および磁極数Ｐ（＝１６）の三相（Φ＝３）の同期電動機１においては、トルク波形は、機械角で３６０／（Ｐ×Φ）＝３６０／（Ｐ×３）度（ｄｅｇ）毎に周期性（トルク脈動）をもつ。そこで、本実施例では、図１に示す回転子１の段階的なスキューにより、トルク脈動における高調波成分の奇数次、特に、１次および３次の成分を二段階に渡って低減させる。そして、図１２から明らかなように、トルク脈動は高調波成分の１次、３次成分が支配的であり、偶数次の成分は全体として小さな割合であるので、本実施例では偶数次の逓減は従来と同様である。

まず、所定角度θを、θ＝３６０／（Ｐ×Φ×２）＝３６０／（Ｐ×６）度（トルク脈動の半周期）としてブロック１０、１１をずらすことにより、ブロック１０に対してブロック１１がトルク波形において電気角で１８０度の位相ずれを発生させる。これにより、トルク脈動の高調波成分の１次、３次分を含む奇数次成分を低減させる。さらに、ブロック１１、１２をθ＝３６０／（Ｐ×６）度ずらすことにより、ブロック１１に対してブロック１２がトルク波形において電気角で１８０度の位相ずれを発生させる。そして、ブロック１０、１１のなすブロックと、ブロック１１、１２のなすブロックとは、θ＝３６０／（Ｐ×６）度ずれていることにより、トルク波形が電気角で１８０度の位相ずれを発生させる。これにより、前述同様にトルク脈動の高調波成分の１次、３次分を含む奇数次成分を低減させる。

以上の結果、本実施例の同期電動機１の１００％負荷時のトルク波形は、図８に示すようになり、また、そのトルク波形のＤＦＴは、図９に示すようになる。この図９から明らかなように、従来例の図１２に比し、高調波成分の各次の成分が減少し、特に、１次、３次の成分が著しく減少し、この結果、図８に示すようにトルク波形は脈動が少なく安定していることがわかる。

このように本実施例によれば、同期電動機１のスロット数Ｎと磁極数Ｐとの比Ｎ／Ｐが４．５に設定され、回転子３が４個のブロック１０、１１、１１、１２に分割され、そのうちの中央の２つのブロック１１、１１の中心線Ｌｂ、Ｌｂの軌跡は、同一直線状に位置し、これに対して、一端のブロック１０の中心線Ｌａの軌跡は，反回転方向Ｘと反対方向側に所定角度θだけずれるとともに、他端のブロック１２の中心線Ｌｃの軌跡は、回転方向Ｘ側に所定角度θだけずれるようにしたので、これらの中心線Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｂ、Ｌｃの軌跡は、段階的なスキューとなって誘導電動機における回転子のスキューと同様の効果を得ることができ、特に、トルク脈動の１次、３次の高調波成分の減少を図ることができて、振動、騒音を減少させることができる。

図１０は本発明の第２の実施例であり、上記第１の実施例と同一部分には同一符号を付して示し、以下、異なる部分について説明する。
第１の実施例では、磁極を構成する各永久磁石８に対応する回転子鉄心６の外周面は、図３および図４に示すように、中心Ｏを中心とする同一半径の連続した円上に位置するようになっていて、固定子２と回転子3との間のギャップは略一定である。

これに対して、この第２の実施例では、図１０に示すように、回転子鉄心６の磁極たる各永久磁石８（８ａ、８ｂ、８ｃ）に対応する外周面は、固定子鉄心４の等しい半径の内周面に対してその永久磁石８の両端部に向かうにしたがって順次離間する独立した小円弧状をなす独立円弧面６ａに形成されている。

このような第２の実施例によれば、回転子鉄心３の各永久磁石８と対応する外周面が独立円弧面６ａに形成されているので、この独立円弧面６ａと固定子鉄心４の内周面とがなすギャップの磁界を機械的に正弦波分布とすることができ、一層、トルク脈動を減少させることができる。

なお、本発明は上記しかつ図面に示す実施例に限定されるものではなく、次のような変形、拡張が可能である。
上記実施例では、回転子鉄心６において、その中心Ｏとキー９の中心とによって基準線（基準位置）Ｌｓを設定するようにしたが、その他の手段によって基準位置を設定するようにしてもよい。

上記実施例では、スロット数７２および磁極数１６の同期電動機１としてが、これに限らず、スロット数をＮおよび磁極数をＰとした場合に比Ｎ／Ｐが４．５に設定される同期電動機であればよい。

また、上記実施例は、本発明を三相の同期電動機に適用した場合であるが、これに限らず、同期発電機にも適用し得るばかりでなく、永久磁石埋設形の三相の回転電機全般に適用することができる。

本発明の第１の実施例を示す回転子の部分拡大展開図 回転子の側面図 固定子コイルおよび回転軸を除去した状態の同期電動機の正面図 図３の部分拡大図 図２のＡ−Ａに沿う断面図 図２のＢ−Ｂに沿う断面図 図２のＣ−Ｃに沿う断面図 トルク波形図 トルク波形図のＤＦＴ 本発明の第２の実施例を示す図４相当図 従来例を示す図１相当図 従来例を示す図９相当図

符号の説明

図面中、１は同期電動機、２は固定子、３は回転子、４は固定子鉄心、５はスロット、６は回転子鉄心、６ａは独立円弧面、８（８ａ、８ｂ、８ｃ）は永久磁石（磁極）、９はキー、１０、１１、１２はブロック、Ｌｓは基準線、Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃは中心線を示す。

Claims (2)

1. スロット数がＮの固定子鉄心に三相の固定子コイルが巻装されてなる固定子と、
   この固定子の界磁空間に配置され、回転子鉄心の外周部に永久磁石が等間隔に埋設されることによりＰ個の磁極が構成された回転子とを具備し、
   前記スロット数Ｎと磁極数Ｐとの比Ｎ／Ｐが４．５に設定され、
   前記回転子は、互いに等しい厚みの４ブロックに分割されて、そのうちの中央の２つのブロックは、磁極が設定された基準位置に位置するように構成され、その両端のブロックのうちの一方のブロックは、磁極が前記基準位置より反回転方向に所定角度θだけずれた位置に位置するように構成され、該両端のブロックのうちの他方のブロックは、磁極が前記基準位置より回転方向に所定角度θだけずれた位置に位置するように構成されて、前記所定角度θは、３６０／（Ｐ×６）度に設定されていることを特徴とする回転電機。
2. 回転子鉄心の磁極に対応する外周面は、固定子鉄心の内周面に対してその磁極の両端部に向かうにしたがって離間する小円弧状に構成されていることを特徴とする請求項１記載の回転電機。

Images