JP5239200B2 - 永久磁石式回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、永久磁石式回転電機に関するものであり、特に、回転子の内部に永久磁石が埋設された埋め込み型永久磁石式回転電機とその回転子に関するものである。

従来の埋め込み型永久磁石式回転電機について説明する。従来の埋め込み型永久磁石式回転電機のロータ（回転子）は、打ち抜かれた電磁鋼板からなる略円形ロータコアシートを積層してなるロータコア内部に永久磁石を埋設し、この永久磁石の端面、正極面の端部、あるいは負極面の端部に接するように長穴部を設けている。ここで、長穴部の形状を変化させることにより、擬似的にスキューを施し、コギングトルクを低減させている。また、回転子表面を概略同一円とすることで、エアギャップ内部の磁束密度を高くすることができ、さらに磁石形状を矩形形状とすることで、リラクタンストルクを向上させ、高効率化を図っている。（例えば、特許文献１参照）

また、磁性体の板を積層してなる積層コアの積層方向に複数の磁石を貫通して設け、積層コアの中央部で磁石位置をスキューさせた構造の回転子において、スキュー部分に非磁性体の層を形成することで、回転子内部での軸方向漏洩磁束を低減し、コギングトルクの低減を図っている。（例えば、特許文献２参照）

特開２０００−６９６９５号公報（図１） 特開２００５−５７８６５号公報（図１）

特許文献１に示される従来の埋め込み型永久磁石式回転電機においては、矩形形状の磁石を用いていることから、回転子の起磁力高調波成分が大きくなり、コギングトルクやトルクリップルが十分に低減できない問題があった。また、回転子表面を概略同一円とした場合には、ｄ軸インダクタンスとｑ軸インダクタンスに差異（突極性）が生じ、リラクタンストルクが発生するため、リラクタンストルクによるトルクリップルも発生するという問題もあった。さらに、回転子内部の永久磁石が回転子の外周面から離れた内部奥に設置されているため、磁路部に鉄心部分が多く存在することから、回転子内部の永久磁石磁路部にて磁気飽和が発生し、電流とトルクとの直線性が損なわれるという問題もあった。
また、特許文献２に示される従来の埋め込み型永久磁石式回転電機の回転子のように、段スキュー回転子の段間に非磁性材料部を設ける場合には、軸方向に非磁性材料部分の領域が増加するため、トルク出力が低下する等の問題があった。

本発明は上述のような課題を解決するためになされたもので、コギングトルクやトルクリップルを低減し、またリラクタンストルクも低減し、またトルク出力を高めた埋め込み型永久磁石式回転電機を提供することを目的とする。さらに、磁石保持のため回転子内部に磁石を埋設するにも関わらず、コギングトルクや電流−トルク特性は、磁石を回転子表面に貼り付けた表面磁石型永久磁石式回転電機と同等の特性を有する埋め込み型永久磁石式回転電機を提供するものである。

この発明に係る永久磁石式回転電機においては、外周面が複数の円弧状曲面を有する回転子鉄心と、回転軸方向に垂直な断面形状が円弧状曲面を有する永久磁石と、前記永久磁石を前記回転子鉄心の外周面から所定の距離だけ離間した前記外周面に近い位置に埋設した回転子と、を備え、前記回転子の回転軸を中心とした回転子外周面最外半径が回転子外周面曲率半径よりも大きく、かつ、前記回転子鉄心は回転軸方向に複数の段部からなり、前記段部の回転子外周面曲率半径中心は、隣接する段部の回転子外周面曲率半径中心を、回転軸中心に一定の機械角度θだけ回転させた位置にあると共に、前記永久磁石を埋設するための孔を、前記回転子鉄心を貫通して設け、該孔に前記永久磁石を埋設したものである。

本発明によれば、回転軸方向に垂直な断面形状が円弧状曲面を有する永久磁石を、外周面が複数の円弧状曲面を有する回転子鉄心の外周面に近い部分に埋設することで、回転子の磁石近傍での磁気飽和の影響を小さくでき、電流―トルク特性の直線性を向上させることができる。

実施の形態１．
以下、本発明の実施の形態１について図を用いて説明する。図１に実施の形態１による埋め込み型永久磁石式回転電機の回転子の斜視図を、図２に埋め込み型永久磁石式回転電機の断面図を、図３に回転子断面の拡大図を示す。また、図４に埋め込み型永久磁石式回転電機のコギングトルクシミュレーション結果を示す。なお、本実施の形態は、磁石極数が８、固定子スロット数が１２の場合のものである。
図１において、回転子１０は、その外周面が複数の概略円弧状曲面を有する回転子鉄心１１と永久磁石１２と回転軸１３から構成され、回転子鉄心１１は回転軸方向に隣接して配置された２段の回転子鉄心（回転子上段鉄心１１ａ、回転子下段鉄心１１ｂ）から成る。さらに、この回転子上段鉄心１１ａと回転子下段鉄心１１ｂが回転子の回転軸を中心として回転方向にずれている（擬似段スキューと呼ぶ）。また、埋め込み型永久磁石式回転電機は、図２のように、固定子鉄心２１と集中巻を施した固定子巻線２２とから成る固定子２０と、回転子１０により構成される。
図１および図３に示すように、回転軸方向に垂直な断面形状が概略円弧状曲面を有する永久磁石１２を、回転子鉄心１１の外周面（回転中心に対して回転半径方向外側の面）から所定の距離だけ離間した、その外周面に近い部分に埋設する。埋設方法としては、永久磁石１２を埋設するための孔を、２段の回転子鉄心（回転子上段鉄心１１ａ、回転子下段鉄心１１ｂ）を貫通して設け、この孔に永久磁石１２を挿入することで埋設する。永久磁石１２は挿入方向に一体であるが、回転子鉄心１１が軸方向に長い場合は、分割する場合もある。よって、回転子鉄心１１のみが段毎に回転ずれしており、永久磁石１２は回転ずれしていない。ここで、回転子の回転軸中心Ｏに対する回転子鉄心１１の回転子外周面最外半径をＲ１とし、回転子外周面曲率半径をＲ２とすると、Ｒ１＞Ｒ２の関係になるように回転子の外周面形状を構成する。図３においては、回転子上段鉄心１１ａと回転子下段鉄心１１ｂに対する回転子外周面曲率半径Ｒ２の大きさを同一としている。

上記２つの鉄心が回転軸を中心として回転方向にずれている角度を擬似段スキュー角度と呼ぶ。よって、回転子上段鉄心１１ａの回転子外周面曲率半径の中心点Ａと回転子下段鉄心１１ｂの回転子外周面曲率半径の中心点Ｂと回転軸中心Ｏとで構成される角ＡＯＢの機械角度θが擬似段スキュー角度となる。一般的に理論擬似段スキュー角度は、３６０／（２×固定子スロット数と回転子磁石極数の最小公倍数）［度］と定義される。本実施の形態では、この機械角度θを理論擬似段スキュー角度より大きくする。これにより、この機械角度θを理論擬似段スキュー角度と等しいまたはそれ以下とした場合に対し、コギングトルクを大幅に低減することが可能となり、トルクリップルについても低減することができる。
また、本実施の形態においては、磁石極数が８、固定子スロット数が１２であるため、理論擬似段スキュー角度は１８０／２４＝７．５度になり、この機械角度θを７．５度より大きくすることで、上記の効果が得られる。

上記では、回転子上段鉄心１１ａと回転子下段鉄心１１ｂの固定子外周面曲率半径Ｒ２の大きさを同一としたが、Ｒ２の大きさが各々異なっていても、この機械角度θが理論擬似段スキュー角度より大きければ、同様の効果が得られる。

ここで、擬似段スキュー効果の検証結果について説明する。図４に示すコギングトルクのシミュレーション結果は、本実施の形態において、回転子の擬似段スキュー無しの場合と、擬似段スキューが有り、その擬似段スキュー角度が理論擬似段スキュー角度（７．５度）に等しい場合の結果である。擬似段スキュー無しの場合に比べ、擬似段スキュー有りで、その擬似段スキュー角度が理論擬似段スキュー角度（７．５度）に等しい場合は、コギングトルクが約１／２以下に低減していることが分かる。
擬似段スキュー角度を理論擬似段スキュー角度よりも大きくすれば、さらに擬似段スキューの効果が高まるので、コギングトルクをさらに低減することが可能となる。

次に、永久磁石１２の埋め込み位置から回転子鉄心１１の外周面までの鉄心の厚さについて述べる。
図３に示す通り、永久磁石１２の中央上部と回転子鉄心１１の外周面までの鉄心の厚さを鉄心表面厚さｈとする。この鉄心表面厚さｈが小さいほど、永久磁石１２の磁束を有効に利用することが可能である。擬似段スキューを施していない埋め込み型永久磁石式回転電機において、鉄心表面厚さｈを変化させた場合の、トルク出力のシミュレーション結果を図５に示す。なお、このシミュレーションにおいては、固定子アンペアターンを同一とした。図５から、鉄心表面厚さｈの増加に伴い、トルク出力は低下することが分かる。これは、永久磁石１２が回転子内部に深くに埋設されると回転子内部での漏れ磁束が増加し、永久磁石１２の磁束が有効利用されないためである。従って、リラクタンストルクを積極的に利用しない（詳細については後で述べる）本実施の形態のような埋め込み型永久磁石式回転電機では、鉄心表面厚さｈは製造が可能な範囲で出来るだけ小さい方が良い。これにより、電流―トルク特性の直線性も向上させることができる。

永久磁石１２の回転軸方向に垂直な断面形状における回転子鉄心１１の外周面側の曲面形状を回転子鉄心１１の外周面曲面形状と概略等しい曲面形状とし、永久磁石１２を回転子鉄心１１のできるだけ外周面に近い位置に埋め込むことで、永久磁石１２の端部から中央部に渡り鉄心表面厚さｈを、さらに均一に小さくすることができる。例えば、回転子鉄心１１の外周面の形状および永久磁石１２の回転軸方向に垂直な断面形状における回転子鉄心１１の外周面側の曲面形状を概略円弧形状にして、回転子鉄心１１の外周面の曲率半径にあたる回転子外周面曲率半径Ｒ２と永久磁石１２の回転軸方向に垂直な断面形状における前記回転子鉄心の外周面側の円弧状曲面の曲率半径を概略等しく構成することで、永久磁石１２の端部から中央部に渡り鉄心表面厚さｈを、均一に小さくすることができる。

本実施の形態のような擬似段スキューを行うための回転子鉄心１１を製作する方法としては、回転子鉄心１１を同一金型にて打ち抜き、打ち抜いた鉄心を反転してそれぞれ回転子上段鉄心１１ａと回転子下段鉄心１１ｂに用いる方法がある。また、それぞれ異なった形状で製作し、回転子上段鉄心１１ａと回転子下段鉄心１１ｂに用いても良い。

回転子鉄心１１は、打ち抜きまたはカシメ等により所定の形状に形成した電磁鋼板を積層させて構成される。一般的に、打ち抜き可能な電磁鋼板の最小幅は電磁鋼板板厚の２倍程度である。電磁鋼板の厚さは、通常０．３５ｍｍもしくは０．５ｍｍであるため、製造可能な回転子鉄心１１の鉄心表面厚さｈは、電磁鋼板の厚さの２倍程度の０．７ｍｍ〜１ｍｍとなる。従って、本実施の形態での鉄心表面厚さｈは、電磁鋼板板厚の２倍以下、もしくは１ｍｍ以下とするのが望ましい。

ここで、永久磁石式回転電機の発生トルクについて説明する。
永久磁石式回転電機の発生トルクは回転子の位置と巻線に流れる電流位相の関係により決定される。永久磁石式回転電機では、固定子巻線を回転子の座標系に変換して考えることが一般的である。回転子の座標系とは、永久磁石界磁がつくる磁束の方向（永久磁石の中心軸）をｄ軸とし、それと電気的・磁気的に直交する軸（永久磁石間の軸）をｑ軸としたｄ−ｑ軸座標系である。ｄ−ｑ軸座標系での永久磁石式回転電機に発生するトルクＴは次式で与えられる。

（１）式の第１項はマグネットトルクＴ_ｍで第２項はリラクタンストルクＴ_ｒである。ｄ軸インダクタンスやｑ軸インダクタンスが回転子位置によって変化するような一般的な磁石埋め込み型永久磁石式回転電機の場合、リラクタンストルクＴ_ｒが回転子位置によって変化し、トルクリップルの原因となる場合がある。
これに対し、磁石を回転子表面に貼り付けた表面磁石型永久磁石式回転電機では、ｄ軸インダクタンスとｑ軸インダクタンスがほぼ同等となるため、リラクタンストルクが発生せずマグネットトルクＴ_ｍのみとなる。この場合、発生トルクは次式で表現される。

（２）式より，表面磁石型永久磁石式回転電機において，トルクに寄与する電流はｑ軸電流のみであることが分かる。そのため表面磁石型永久磁石式回転電機では、ｄ軸電流がゼロとなるように制御（ｄ軸電流ゼロ制御）することで，電流一定の条件下で最大トルクを得るような制御を行うことが一般的である。

本実施の形態では、外周面が概略円弧状曲面を有する回転子鉄心１１に対して、永久磁石１２の回転軸方向に垂直な断面形状が概略円弧状曲面を有するようにして、鉄心表面厚さｈを永久磁石１２の端部から中央部に渡り概略一定にし、かつ鉄心表面厚さｈを出来るだけ小さくするとともに、回転子外周面曲率半径Ｒ２を回転子外周面最外半径Ｒ１よりも小さくすることで、永久磁石式回転電機のｄ軸インダクタンスとｑ軸インダクタンスとの差を極力小さくしている。従って、この差によって発生するリラクタンストルクＴ_ｒがほぼ発生しなくなり、リラクタンストルクＴ_ｒに伴うトルクリップルを低減することができる。

上述のように、ｄ軸インダクタンスとｑ軸インダクタンスとの差が極力小さくなりリラクタンストルクＴ_ｒが低減し、ほぼ発生しなくなることで、コギングトルクや電流−トルク特性が表面磁石型永久磁石式回転電機とほぼ同等の特性を有する埋め込み型永久磁石式回転電機を提供することが可能となる。これにより、サーボモータ等で一般的に使用されているｄ軸電流ゼロ制御を行うことが可能となり、制御も簡易に行うことができる。

実施の形態２．
本発明の実施の形態２は、実施の形態１に非磁性材料部１４を更に設けたものである。以下、実施の形態２について図を用いて説明する。図６に実施の形態２における埋め込み型永久磁石式回転電機の回転子の斜視図を、図７に回転子上段鉄心と回転子下段鉄心の間の部分の非磁性材料部を示す。なお、これらの図は実施の形態１と同様、回転子極数が８極の場合の図である。図６に示す通り、実施の形態２における埋め込み型永久磁石式回転電機の回転子１０Ａは、回転子上段鉄心１１ａと回転子下段鉄心１１ｂとの間の部分に、永久磁石１２が貫通する構造の非磁性材料部１４を備えている。これにより、回転子上段部から回転子下段部への漏洩磁束を低減することができる。さらに、永久磁石１２が非磁性材料部１４を貫通する構造となっているので、非磁性材料部１４を設けても回転子１０の軸方向で永久磁石１２が無い部分が存在せず、トルクの高出力化が可能になる。

実施の形態３．
本発明の実施の形態３は、実施の形態１における永久磁石１２の形状を平板形状に変更したものである。以下、実施の形態３について図を用いて説明する。図８に実施の形態３による埋め込み型永久磁石式回転電機の回転子の斜視図を、図９にその回転子の断面図を、図１０にその回転子断面の拡大図を示す。なお、これらの図は実施の形態１と同様、回転子極数が８極の場合の図である。安価な平板状の永久磁石１２Ａを使用することで、磁石コストを低減できると共に、工作性の向上も図ることが可能となる。さらに、平板状の永久磁石１２Ａを出来るだけ回転子１１の外周面に近い部分に埋め込むことにより、電流―トルク特性の直線性を向上させることができる。具体的には、電磁鋼板の厚さは０．３５ｍｍもしくは０．５ｍｍが一般的であるため、製造可能な回転子鉄心の鉄心表面厚さは、電磁鋼板板厚の２倍程度である０．７ｍｍ〜１ｍｍとなる。よって、図１０における永久磁石１２Ａの端部付近の鉄心表面厚さｈ２が、電磁鋼板板厚の２倍以下もしくは１ｍｍ以下となるようにすると良い。

実施の形態４．
本発明の実施の形態４は、実施の形態１の回転子鉄心の段数を４段にしたものである。以下、実施の形態４について図を用いて説明する。図１１に実施の形態４による埋め込み型永久磁石式回転電機の回転子の斜視図を、図１２にその回転子断面の拡大図を示す。図１１および図１２においては、回転子鉄心の段数が４段で、それぞれの隣接する段が回転軸を中心として回転方向にずれている場合を示している。実施の形態１〜３では、軸方向に２段に分かれている回転子鉄心１１を使用した場合について述べたが、３段以上の回転子鉄心を使用することで更なるコギングトルク低減効果が得られる。ここで、永久磁石１２は、実施の形態１の場合と同様に、全段の回転子鉄心を貫通する孔を設け、この孔に挿入することで埋設されている。よって、回転子鉄心１１のみが段毎に回転ずれしており、永久磁石１２は回転ずれしていない。図１２に示す通り、回転子の回転軸を中心にして、回転子鉄心の各段の回転子外周面曲率半径Ｒ２ａ、Ｒ２ｂ、Ｒ２ｃ、Ｒ２ｄの中心を回転させている。回転子１段目鉄心３１ａと回転子２段目鉄心３１ｂ、回転子２段目鉄心３１ｂと回転子３段目鉄心３１ｃ、回転子３段目鉄心３１ｃと回転子４段目鉄心３１ｄの擬似段スキュー角度となる機械角度を、それぞれθ（ａ−ｂ）、θ（ｂ−ｃ）、θ（ｃ−ｄ）とする。また、回転子鉄心がｎ段（ｎは２以上の整数）の場合の理論擬似段スキュー角度θｎは、θｎ＝３６０／（ｎ×固定子スロット数と回転子磁石極数の最小公倍数）［度］と定義される。各擬似段スキュー角度θ（ａ−ｂ）、θ（ｂ−ｃ）、θ（ｃ−ｄ）を、それぞれ理論擬似段スキュー角度θｎ（本実施の形態の場合、θｎ＝５．０（＝３６０／（３×２４）［度］）より大きくすることで、回転子鉄心が２段の場合以上にコギングトルクを低減できる。

本発明は、永久磁石式回転電機において、コギングトルクやトルクリップルを低減し、またリラクタンストルクも低減し、トルク出力を高めた埋め込み型永久磁石式回転電機を提供するとともに、コギングトルクや電流−トルク特性は、表面磁石型永久磁石式回転電機と同等の特性を有することができるため、産業上の利用可能性は大である。

実施の形態１における埋め込み型永久磁石式回転電機の回転子斜視図である。 実施の形態１における埋め込み型永久磁石式回転電機の断面図である。 実施の形態１における回転子断面の拡大図である。 埋め込み型永久磁石式回転電機のコギングトルクシミュレーション結果の図である。 埋め込み型永久磁石式回転電機のトルク出力シミュレーション結果の図である。 実施の形態２における埋め込み型永久磁石式回転電機の回転子斜視図である。 実施の形態２における非磁性材料部を示す図である。 実施の形態３における埋め込み型永久磁石式回転電機の回転子斜視図である。 実施の形態３における回転子断面図である。 実施の形態３における回転子断面の拡大図である。 実施の形態４における埋め込み型永久磁石式回転電機の回転子斜視図である。 実施の形態４における回転子断面の拡大図である。

符号の説明

１０、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ 回転子、
１１、１１ａ、１１ｂ、３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄ 回転子鉄心、
１２、１２Ａ 永久磁石、１３ 回転軸、１４ 非磁性材料部。

Claims (11)

1. 外周面が複数の円弧状曲面を有する回転子鉄心と、回転軸方向に垂直な断面形状が円弧状曲面を有する永久磁石と、前記永久磁石を前記回転子鉄心の外周面から所定の距離だけ離間した前記外周面に近い位置に埋設した回転子と、
   を備え、
   前記回転子の回転軸を中心とした回転子外周面最外半径が回転子外周面曲率半径よりも大きく、かつ、前記回転子鉄心は回転軸方向に複数の段部からなり、前記段部の回転子外周面曲率半径中心は、隣接する段部の回転子外周面曲率半径中心を、回転軸中心に一定の機械角度θだけ回転させた位置にあると共に、前記永久磁石を埋設するための孔を、前記回転子鉄心を貫通して設け、該孔に前記永久磁石を埋設したことを特徴とする永久磁石式回転電機。
2. 前記回転子の回転軸を中心とした回転子外周面曲率半径の曲率半径と、前記永久磁石の回転軸方向に垂直な断面形状における前記回転子鉄心の外周面側の円弧状曲面の曲率半径と、を等しくしたことを特徴とする請求項１に記載の永久磁石式回転電機。
3. 前記回転子鉄心は鋼板を積層して構成され、前記回転子鉄心の外周面から前記永久磁石までの埋設深さを、前記鋼板の板厚の２倍以下とした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電機。
4. 前記埋設深さを、１ｍｍ以下としたことを特徴とする請求項３に記載の永久磁石式回転電機。
5. 前記機械角度θが、３６０／（回転子鉄心段数×回転子磁石極数と固定子スロット数の最小公倍数）度より大きいことを特徴とする請求項１〜４のうちいずれか１つに記載の永久磁石式回転電機。
6. 前記回転子鉄心段数が２、前記回転子磁石極数が８、前記固定子スロット数が１２であり、前記機械角度θが７．５度より大きいことを特徴とする請求項５に記載の永久磁石式回転電機。
7. 外周面が複数の円弧状曲面を有する回転子鉄心と、回転軸方向に垂直な断面形状が平板形状を有する永久磁石と、前記永久磁石を前記回転子鉄心の外周面から所定の距離だけ離間した前記外周面に近い位置に埋設した回転子と、
   を備え、
   前記回転子の回転軸を中心とした回転子外周面最外半径が回転子外周面曲率半径よりも大きく、かつ、前記回転子鉄心は回転軸方向に複数の段部からなり、前記段部の回転子外周面曲率半径中心は、隣接する段部の回転子外周面曲率半径中心を、回転軸中心に一定の機械角度θだけ回転させた位置にあると共に、前記永久磁石を埋設するための孔を、前記回転子鉄心を貫通して設け、該孔に前記永久磁石を埋設したことを特徴とする永久磁石式回転電機。
8. 前記回転子鉄心は鋼板を積層して構成され、前記回転子鉄心の外周面から前記永久磁石までの最小埋設深さを、前記鋼板の板厚の２倍以下としたことを特徴とする請求項７に記載の永久磁石式回転電機。
9. 前記最小埋設深さを、１ｍｍ以下としたことを特徴とする請求項８に記載の永久磁石式回転電機。
10. 前記機械角度θが、３６０／（回転子鉄心段数×回転子磁石極数と固定子スロット数の最小公倍数）度より大きいことを特徴とする請求項７〜９のうちいずれか１つに記載の永久磁石式回転電機。
11. 前記回転子鉄心段数が２、前記回転子磁石極数が８、前記固定子スロット数が１２であり、前記機械角度θが７．５度より大きいことを特徴とする請求項１０に記載の永久磁石式回転電機。

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