JP4984241B2 - 永久磁石式回転機 - Google Patents

Description

本発明は、永久磁石式回転機に関し、特に、漏れ磁束及びコギングトルクを低減することが可能な永久磁石式回転機に関する。

永久磁石式回転機では、永久磁石に減磁界が作用することにより、永久磁石が減磁するという問題がある。非特許文献１には、コイルに集中巻方式を採用し、更に電流波形の導通角を１２０度とした場合、互いに隣接するステータ歯（ティース）がそれぞれ異なる極を形成する箇所が存在するため、ステータ歯の先端部において高い磁束密度の磁気回路が形成され、局部減磁が発生しやすくなることが記載されている。
武田洋次、松井信行、森本茂雄、本田幸夫著、「埋込磁石同期モータの設計と制御」、２００１年１０月２５日出版、オーム社

上記問題を解決するために、特許文献１では、ステータ（固定子）のティースの先端部の間隔Ｌａと、ステータとロータ（回転子）との間のエアギャップＬｇとの関係を０．３Ｌｇ＜Ｌａ≦２．０Ｌｇと設定することにより、ステータに減磁磁束が流れないようになり、減磁耐力が向上することが記載されている。
しかしながら、特許文献２では、特許文献１のように隣接するティースの先端部の間隔を狭くすると減磁耐力は向上するが、ティース間での漏れ磁束が大きくなってしまうことが記載されている。永久磁石式回転機におけるトルクは、磁束と電流によって決定されるため、漏れ磁束が大きくなると設計通りのトルクを得ることができなくなる。特許文献２では、隣接するティースの楔部の端部の間の距離（スロットオープニング）ｄと、隣接するティースの中心間の距離（１スロットピッチ）ｐとの関係を０．１≦ｄ／ｐ≦０．３と設定することにより、漏れ磁束を低減して、コイルインダクタンスを低減させ、永久磁石式回転機の回転数を向上させている。ここで、例えばステータとロータとの間のエアギャップを０．２５ｍｍ、１スロットピッチを１６．５ｍｍ、ｄ／ｐ＝０．１とすると、スロットオープニングｄは１．６５ｍｍとなる。すなわち、特許文献２のスロットオープニングｄは、特許文献１におけるステータのティースの先端部の間隔Ｌａと比較するとかなり大きく設定されていることになる。
特許第３０７６００６号公報 特開２００４−９６８０３号公報

ところで、永久磁石式回転機では、コギングトルクと呼ばれる一種のトルク脈動が発生することが知られている。永久磁石式回転機においてコギングトルクが大きい場合、回転機の制御性能を悪化させたり、騒音を発生させるという問題が生じる。一般的に、永久磁石式回転機では、スロットオープニングを小さくすると回転機に発生するコギングトルクが小さくなるが、隣接するティース間での漏れ磁束が大きくなる。すなわち、特許文献１のように、減磁耐力を向上させるために隣接するティースの楔部の端部の間の距離を小さくすると、コギングトルクは低減されるが、漏れ磁束が増加し、回転機のトルクが設計通りに出力できない。
しかしながら、特許文献２のように、隣接するティースの楔部の端部の間の距離を大きくすると、漏れ磁束は少なくなり、トルクは設計値どおりに出力できるが、コギングトルクが大きくなるという問題がある。

本発明はこのような実情に鑑みてなされたものであって、その目的は、隣接するティースの楔形部の先端部の間を流れる漏れ磁束を低減し、且つコギングトルクの発生を低減するような永久磁石式回転機を提供することである。

上記従来技術の有する課題を解決するために、請求項１の本発明では、永久磁石が配設された回転子コアを備えている回転子と、該回転子に間隙を介して配置されるとともに円環状の固定子コアを備えている固定子とを備えており、前記固定子コアは、円環状に形成されているヨークと、該ヨークから内周方向に延在するとともに周方向に楔形状に突出した楔形部を有する複数のティースとから構成され、前記ティースにはコイルが巻回されている永久磁石式回転機において、前記固定子は、板状の鋼板を積層して構成されており、前記ティースの前記楔形部の付け根の高さが、隣接する前記ティースの中心間の距離に対して０．１３から０．１６倍の範囲内に設定され、前記ティースの前記楔形部の先端部の高さが、隣接する前記ティースの中心間の距離に対して０．０１７から０．０３５倍の範囲内に設定され、隣接する前記ティースの前記楔形部の前記先端部の間の距離が、前記回転子と前記固定子との間の間隙に対して２倍より大きく設定されている。

請求項２の本発明では、前記永久磁石の極数が２ｎ個（ｎ：正の整数）であり、前記ティースの間に形成されているスロットの数が３ｎ個（ｎ：正の整数）であり、前記ティースのそれぞれは、１つのコイルが巻回されるような集中巻方式により構成され、前記固定子コアは、周方向に分割された複数の分割コアを連結してなるものである。

請求項３の本発明では、前記永久磁石は、磁束密度分布が台形波となるように着磁され、前記台形波の上底部分が電気角で１２５度から１３３度の範囲となるように設定されている。

請求項４の本発明では、前記永久磁石または前記固定子にはスキューが施されている。

上述の如く、本発明に係る永久磁石式回転機によれば、永久磁石が配設された回転子コアを備えている回転子と、該回転子に間隙を介して配置されるとともに円環状の固定子コアを備えている固定子とを備えており、前記固定子コアは、円環状に形成されているヨークと、該ヨークから内周方向に延在するとともに周方向に楔形状に突出した楔形部を有する複数のティースとから構成され、前記ティースにはコイルが巻回されている永久磁石式回転機において、前記固定子は、板状の鋼板を積層して構成されており、前記ティースの前記楔形部の付け根の高さが、隣接する前記ティースの中心間の距離に対して０．１３から０．１６倍の範囲内に設定され、前記ティースの前記楔形部の先端部の高さが、隣接する前記ティースの中心間の距離に対して０．０１７から０．０３５倍の範囲内に設定され、隣接する前記ティースの前記楔形部の前記先端部の間の距離が、前記回転子と前記固定子との間の間隙に対して２倍より大きく設定されているため、隣接するティースの楔形部の先端部の間を流れる漏れ磁束を低減し、且つコギングトルクの発生を低減することができる。これまでの一般的な永久磁石式回転機では、ティース間の漏れ磁束を少なくするために、隣接するティースの楔形部の先端部の間の距離が、回転子と固定子との間の間隙に対して２倍より大きく設定されているが、この設定は、漏れ磁束が抑えられる反面、コギングトルクが大きくなり、滑らかなトルクを得ることができなかった。本発明に係る永久磁石式回転機によれば、従来の漏れ磁束を低減する設定に加えて、ティースの楔形部の付け根の高さとティースの楔形部の先端部の高さとを調節することにより、漏れ磁束を低減し、且つコギングトルクの発生を低減することができる。

さらに、本発明に係る永久磁石式回転機によれば、前記永久磁石の極数が２ｎ個（ｎ：正の整数）であり、前記ティースの間に形成されているスロットの数が３ｎ個（ｎ：正の整数）であり、前記ティースのそれぞれは、１つのコイルが巻回されるような集中巻方式により構成され、前記固定子コアは、周方向に分割された複数の分割コアを連結してなるように構成されているため、コイルの巻線が複数のスロットにわたって巻かれるような分布巻方式に比べて、ティースの表面に巻回されるコイルの長さを削減することができる。
加えて、固定子コアは、周方向に分割された複数の分割コアを連結して構成されているため、各分割コアごとにコイルを巻回することができる。これにより、固定子コアの生産性が向上し、コストの削減が可能となる。

また、本発明に係る永久磁石式回転機によれば、前記永久磁石は、磁束密度分布が台形波となるように着磁され、前記台形波の上底部分が電気角で１２５度から１３３度の範囲となるように設定されているため、コギングトルクの発生が低減されることになり、滑らかなトルクを得ることができる。

また、本発明に係る永久磁石式回転機によれば、前記永久磁石または前記固定子にはスキューが施されているため、コギングトルクが低減されることになり、滑らかなトルクを得ることができる。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の実施形態に係る永久磁石式回転機１を示す断面図である。

本発明の実施形態に係る永久磁石式回転機１は、回転子２と、回転子２に間隙を介して配置される固定子３とを備えている。
回転子２は、回転子コア４と、回転子コア４の外周部に配設された永久磁石５とから構成されている。固定子３は、板状の鋼板を積層して構成されており、円環状の固定子コア６を備えている。
固定子コア６は、円環状に形成されているヨーク７と、ヨーク７から内周方向に延在するとともに周方向に楔形状に突出した楔形部９を有する複数のティース８とから構成されている。固定子コア６のティース８は、周方向に等角ピッチで配列されており、隣接するティース８の間には、内周方向に開口するスロット１０が設けられている。また、ティース８のそれぞれは、１つのコイル１１が巻回されるような集中巻方式により構成されている。

本実施形態では、回転子コア４には６個（２ｎ）の永久磁石５が周方向に等角ピッチで配設されており、固定子コア６には９個（３ｎ）のスロット１０が周方向に等角ピッチで形成されている。すなわち、本実施形態の永久磁石式回転機１は、６極９スロットの回転機である。

そして、本実施形態では、ティース８の楔形部９の付け根の高さＫｔが、隣接するティース８の中心間の距離Ｐに対して０．１３から０．１６倍の範囲内に設定されている。ここで、ティース８の中心間の距離Ｐは、固定子コア６の内径を２Ｒとし、スロット１０の数をＳとすると、Ｐ＝２・π・Ｒ／Ｓと表される。
また、本実施形態では、ティース８の楔形部９の先端部の高さＫｓが、隣接するティース８の中心間の距離Ｐに対して０．０１７から０．０３５倍の範囲内に設定されている。そして、隣接するティース８の楔形部９の先端部の間の距離Lが、回転子２と固定子３との間の間隙ｄに対して２倍より大きく設定されている。

本実施形態に係る永久磁石式回転機１は、ティース８に巻回されているコイル１１に駆動電流が印加されることにより、回転子２が回転するように構成されている。
また、本実施形態では、永久磁石５は、磁束密度分布が台形波となるように着磁され、この台形波の上底部分が電気角で１２５度から１３３度の範囲となるように設定されている。

次に、上述の実施形態における各設定条件に関する解析結果を図面を参照しながら説明する。なお、図２、図３及び図５における解析では、固定子３の内径を３２．５ｍｍに固定して行っている。

図２は、ティース８の楔形部９の付け根の高さＫｔを隣接するティース８の中心間の距離Ｐに対して０．１倍から０．２２倍まで変化させた場合におけるコギングトルクの磁界解析結果である。ここで、ティース８の楔形部９の先端部の高さＫｓは、隣接するティース８の中心間の距離Ｐの０．０２６倍に固定している。
図２より、Ｋｔ／Ｐが０．１３より小さいと、コギングトルクは増大している。さらに、Ｋｔ／Ｐが０．１３より小さいと、コギングトルクが増大する問題だけでなく、楔形部９の大きさが非常に小さくなることにより、製造上の誤差の影響が大きく出てしまうため、下限は０．１３とするのが好ましい。
一方、Ｋｔ／Ｐが０．１６より大きくなるとコギングトルクは増大し、そしてＫｔ／Ｐが一定の値（約０．１９）を超えるとコギングトルクの増加が落ち着くような結果となっている。ここで、Ｋｔ／Ｐが０．１６より大きい場合はコギングトルクの増加が比較的緩やかであるが、ティースにおけるコイルを巻回する領域が狭くなり、コイルの巻数を増加させる場合に問題となる。したがって、Ｋｔ／Ｐの上限は０．１６が好ましい。

図３は、ティース８の楔形部９の先端部の高さＫｓを隣接するティース８の中心間の距離Ｐに対して０．０１倍から０．０６倍まで変化させた場合におけるコギングトルクの磁界解析結果である。ここで、Ｋｔ／Ｐは、０．１３８に固定している。
図３より、Ｋｓ／Ｐの増加に伴いコギングトルクも増大する傾向にある。ここで、隣接するティース８の楔形部９の先端部同士の磁気抵抗を高め、漏れ磁束を減らすことを考慮すると、Ｋｓ／Ｐは０．０３５を上限とするのが好ましい。また、Ｋｓ／Ｐを小さくすると楔形部９の大きさが非常に小さくなり、製造上の問題があるため、下限は０．０１７とするのが好ましい。

図４は、回転子コア４の永久磁石５における磁束密度分布を示している。本実施形態において、回転子コア４の永久磁石５は、図４に示すように、磁束密度分布が台形波となるように着磁される。
図５は、図４に示している台形波の上底部分を電気角の１１８度から１４５度までの範囲に設定した場合において、それぞれの電気角におけるコギングトルクの磁界解析結果を示している。ここで、電気角とは、台形波の１周期を３６０度（２π）にとした場合における位相を表す。なお、図５に関し、Ｋｔ／Ｐは０．１３８に固定し、Ｋｓ／Ｐは０．０２６に固定している。
図５より、台形波の上底部分が１２５度より小さくなるとコギングトルクが増大している。また、上底部分が１２５度より小さいと、コギングトルクが増大するだけでなく、コイルとの鎖交磁束の減少により誘起電圧が低下することも問題となってくるため、台形波の上底部分の下限は１２５度とするのが好ましい。一方、図５より、電気角が１３３度より大きくなるとコギングトルクが増大している。また、電気角が１３３度より大きくなると、製造誤差の影響が大きく出てしまうため、台形波の上底部分の上限は１３３度とするのが好ましい。

このように本実施形態の永久磁石式回転機１によれば、以下の効果を奏する。
これまでの一般的な永久磁石式回転機では、ティース間の漏れ磁束を少なくするために、隣接するティース８の楔形部９の先端部の間の距離Ｌが回転子２と固定子３との間の間隙ｄに対して２倍より大きく設定されているが、この設定は、漏れ磁束が抑えられる反面、コギングトルクが大きくなり、滑らかなトルクを得ることができなかった。本発明に係る永久磁石式回転機１によれば、漏れ磁束を少なくする設定に加えて、ティース８の楔形部９の付け根の高さＫｔとティース８の楔形部９の先端部の高さＫｓとを調節することにより、漏れ磁束を低減し、且つコギングトルクの発生を低減することが可能となっている。

また、本発明に係る永久磁石式回転機１によれば、永久磁石７の極数とスロット１０の数との比を２対３とし、更にコイル１１が集中巻方式で構成されているため、コイル１１の巻線が複数のスロット１０にわたって巻かれるような分布巻方式に比べて、ティース８の表面に巻回されるコイル１１の長さを大幅に削減することができる。
さらに、本発明に係る永久磁石式回転機１によれば、回転子コア４に配設された永久磁石５は、磁束密度分布が台形波となるように着磁され、この台形波の上底部分が電気角で１２５度から１３３度の範囲となるように設定されているため、コギングトルクの発生が低減され、滑らかなトルクを得ることができる。

以上、本発明の実施の形態につき述べたが、本発明は既述の実施形態に限定されるものでなく、本発明の技術的思想に基づいて各種の変形及び変更が可能である。

上述の実施形態において、固定子コア６を周方向に分割された複数の分割コアを連結して構成することも可能である。これにより、各分割コアごとにコイル１１を巻回することができ、固定子コア６の生産性が向上する。

また上述の実施形態において、永久磁石５または固定子３にスキューを施すことも可能である。スキューとは、電磁気的なトルク変動や振動を低減する構成である。永久磁石５にスキューを施す場合は、例えば、永久磁石５を周方向に傾斜する形状で形成したり、または、回転子２の軸方向に回転子コア４を分割し、この分割された回転子コア４を周方向にずらして積層するように構成する。また、固定子３にスキューを施す場合は、例えば、軸方向に鋼板を積層して構成される固定子３において、各鋼板毎にある角度分だけ回転させて積層するように構成する。以上の構成により、コギングトルクの発生を更に低減することができる。

本発明の実施形態に係る永久磁石式回転機を示している断面図である。 ティースの楔形部の付け根の高さＫｔと隣接するティースの中心間の距離Ｐとの比Ｋｔ／Ｐと、コギングトルクとの関係を示すグラフである。 ティースの楔形部の先端部の高さＫｓと隣接するティースの中心間の距離Ｐとの比Ｋｓ／Ｐと、コギングトルクとの関係を示すグラフである。 本発明の実施形態に係る永久磁石における磁束密度分布の波形を示している図である。 台形波の上底部分における電気角とコギングトルクとの関係を示しているグラフである。

符号の説明

１ 永久磁石式回転機
２ 回転子
３ 固定子
４ 回転子コア
５ 永久磁石
６ 固定子コア
７ ヨーク
８ ティース
９ ティースの楔形部
１０ スロット
１１ コイル

Claims (4)

1. 永久磁石が配設された回転子コアを備えている回転子と、該回転子に間隙を介して配置されるとともに円環状の固定子コアを備えている固定子とを備えており、前記固定子コアは、円環状に形成されているヨークと、該ヨークから内周方向に延在するとともに周方向に楔形状に突出した楔形部を有する複数のティースとから構成され、前記ティースにはコイルが巻回されている永久磁石式回転機において、
   前記固定子は、板状の鋼板を積層して構成されており、
   前記ティースの前記楔形部の付け根の高さが、隣接する前記ティースの中心間の距離に対して０．１３から０．１６倍の範囲内に設定され、
   前記ティースの前記楔形部の先端部の高さが、隣接する前記ティースの中心間の距離に対して０．０１７から０．０３５倍の範囲内に設定され、
   隣接する前記ティースの前記楔形部の前記先端部の間の距離が、前記回転子と前記固定子との間の間隙に対して２倍より大きく設定されていることを特徴とする永久磁石式回転機。
2. 前記永久磁石の極数が２ｎ個（ｎ：正の整数）であり、前記ティースの間に形成されているスロットの数が３ｎ個（ｎ：正の整数）であり、
   前記ティースのそれぞれは、１つのコイルが巻回されるような集中巻方式により構成され、前記固定子コアは、周方向に分割された複数の分割コアを連結してなることを特徴とする請求項１に記載の永久磁石式回転機。
3. 前記永久磁石は、磁束密度分布が台形波となるように着磁され、前記台形波の上底部分が電気角で１２５度から１３３度の範囲となるように設定されていることを特徴とする請求項１または２に記載の永久磁石式回転機。
4. 前記永久磁石または前記固定子にはスキューが施されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の永久磁石式回転機。

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