JP5268065B2

JP5268065B2 - 回転電機におけるコギングトルクを最小化する相互補完性永久磁石

Info

Publication number: JP5268065B2
Application number: JP2009004317A
Authority: JP
Inventors: 士偉洪
Original assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Current assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Priority date: 2008-12-19
Filing date: 2009-01-13
Publication date: 2013-08-21
Anticipated expiration: 2029-01-13
Also published as: TW201025795A; US20100156227A1; JP2010148344A; TWI408868B; US7999430B2

Description

本発明は電動機や発電機に応用する永久磁石に係り、特に回転電機におけるコギングトルク（cogging torque）を最小化する相互補完性永久磁石に関するものである。

回転電機は効率の向上、パワー密度の増加、及び相対する体積の減少の為に、永久磁石を定磁場源として採用し、新工程及び材質の進化に伴い市場価格に符合する高磁気エネルギー積永久磁石を回転電機に応用する研究開発が広く行われている。

永久磁石を定磁場源として採用した場合、無電力である場合、回転電機全体の磁路特性は完全に定磁場のコントロールを受け、回転時の磁路等価磁気抵抗は回転角度に相対する周期性変化を生じさせる。例えば、ティース部間のティース溝(tooth slot)開口に対して引き起こされる効果である。この種の磁気抵抗の回転角度に対する変化率は一種の磁気抵抗トルク成分を生じさせ、これはストップトルクと呼ばれることもあり、並びにエアギャップ等価フラックスの二乗倍に正比例する。即ち、永久磁石の定磁場は、鉄心磁路の最小等価磁気抵抗において生じるトルクに対する為に一般にはコギングトルクと呼んでいる。

駆動トルクがコギングトルクを上回ったことが明確でない場合、不必要にトルクリップルが発生し、振動や騒音が生じ、制御上の精度に影響を与え、極端な低速回転時にはそれが特別顕著である。回転電機のコギングトルクの発生には一般には次の関係式により示される。

数１中のＴ_cogはコギングトルク、φはエアギャップ等価フラックス、Ｒ_magは磁路等価磁気抵抗、及びθは回転角度である。磁路等価磁気抵抗の変化は一般に回転角度に対する周期性関数で示される。これに対し、コギングトルク成分は磁路等価磁気抵抗の回転角度に対する抵抗の微分である。よって、コギングトルクもまた回転角度に対して正負対称となる周期性関数を備え、フーリエ級数で表現されることもある。

よって、コギングトルクの発生量を低下させたいのなら、大きく分けて二つの方法が考えられる。その一つは、エアギャップ等価フラックスの大きさを減少させることである。コギングトルクの発生量とエアギャップ等価フラックスの大きさの二乗は正比例するが、エアギャップ等価フラックスの大きさもまた直接、一般に必要な有効電磁トルク発生に正比例しており、よってコギングトルクを低下させエアギャップ等価フラックスも減少させると電磁トルクも同時に減少する故、一般にはこの方法を使用していない。

第二は、磁路等価磁気抵抗の回転角度に対する変化率を減少させる方法である。磁路等価磁気抵抗が回転過程において一定値を維持するだけで変化率が０になるのであれば、理想としては完全にコギングトルク成分の発生はない。磁路等価磁気抵抗の回転角度に対する変化率を減少させる為の関連設計は通常、必要な有効電磁トルク発生及びその他回転電機特性に対するマイナス影響をできる限り避けることが可能である故、一般にはこの方法が採用されている。

磁路等価磁気抵抗の変化を生じさせる原因は種々ある。主に巻線を収める時に発生する電機子鉄心のティース溝構造及び磁極鉄心が互いに回転する中、フラックス経路の変更が生じ、それに相対して磁路等価磁気抵抗の変化が引き起こされる。例えば、磁極のティース部に対する変換過程、ティース溝開口が引き起こすエアギャップ磁気抵抗、磁路設計上のフラックス密度の変化及び磁気飽和現象等は全て、直接的に若しくは間接的に磁路等価磁気抵抗変化を生じさせ、並びにコギングトルクの発生を引き起こす。

磁路等価磁気抵抗変化を除去する為に、公知には様々な方法が用いられた。例えば、傾斜ティース溝や傾斜磁極の使用を含み、電機子ティース溝、永久磁石磁極の何れか一つを選び軸方向に特定角度の連続回転をさせるか、分段式回転を採用して軸方向の磁気抵抗変化によって位相差を生じさせて相互補完し、総合的に形成された磁気抵抗の変化を減少させ、これに対し、総合的に形成されたコギングトルクを低下させる。このような軸方向連続もしくは分段回転方法の欠点は、組み立て及び検査におけるコストや時間が増加する点にある。

また、特殊な溝と磁極の比率を使いコギングトルクを低下させることも可能である。通常、溝数と磁極数の最大公約数が小さいほど並びに最小公倍数が大きいほどコギングトルクが小さくなる。しかし特殊な溝と磁極の比率の要望において特定且つ制限された巻線方式を組み合わせなければならないこともあり、不必要な径方向力が生じることもある。例えば８磁極９溝の回転電機の場合、溝と磁極の比率は径方向の力を引き起こし、回転軸受けに径方向の負担が生まれ、また振動や騒音の発生にも繋がり、低振動及び低騒音の特定応用には不適当である。

また、複数の磁極鉄心数あるいは複数の電機子鉄心数を備える回転電機を組み合わせたものもある。複数の磁極鉄心あるいは複数の電機子鉄心構造を使い相互作用させると同時に生じるコギングトルクは同様の大きさとなり、丁度１８０度差の電気角もしくは特定の位相差は回転過程において丁度相殺効果を達成する。しかし、実際に複数の磁極鉄心数もしくは複数の電機子鉄心数を必要とする回転電機に適用される設計は、却って構造の複雑度が増し、製造、組み立て、及び検査関連コスト及び時間が増加される。

一般に採用されているのは相隣するエアギャップ面の電機子鉄心ティースシュー（tooth shoe）表面もしくは内部構造を変化させるか、または相隣するエアギャップ面の磁極表面もしくは内部構造を変化させることにより、エアギャップ周囲の総等価磁気抵抗変化を低下させる方法である。例えば、ティースシュー（tooth shoe）表面に凹溝を増加する、表面の円弧線を拡大する、ティースシュー（tooth shoe）内部に導磁率の異なる材質を増加する等、或いは表面のシール式磁石の円弧度を変化させる、磁極内部に導磁率の異なる材質を増加する等、それらは全て総等価磁気抵抗の変化を抑制できるが、前述配置は製造時の不便を引き起こしている。

よって、一般の生産工程に適用し、特定的に対応させる特殊工程や余計なコスト及び時間を不要とし、構造が簡単であり、構造強度及び発生特性に明らかな影響を与えずにコギングトルクを最小化することが非常に重要な課題である。

本発明の提供する回転電機におけるコギングトルクを最小化する相互補完性永久磁石は磁極鉄心及び電機子鉄心を備え、前記磁極鉄心は、円柱状且つ円周上に偶数の円弧状磁極組を平均的に繞設したものであり、各磁極組は第一永久磁石ユニット及び第二永久磁石ユニットにより構成され、前記電機子鉄心は、環状を成し複数の溝を備え、電機子鉄心の溝数と磁極鉄心の磁極数比率は３／２である。

前記第一永久磁石ユニットと第二永久磁石ユニットは対称的に配置され、波形位相差が１８０度の電気角である二組のコギングトルクを発生し、並びに第一永久磁石ユニットと第二永久磁石ユニットの面積形状を調節することにより二組のコギングトルクを相互補完し相殺する。

本発明の回転電機におけるコギングトルクを最小化する相互補完性永久磁石は、即刻、現在の一般の生産工程に適用することが可能であり、電動機や発電機に適用し、特定的な特殊工程に対応させる必要がない故、余計なコスト及び時間がかからず、構造は簡単で、構造強度及び発生特性に明らかな影響を与えないことを特徴とする。

公知技術に関する回転電機の磁極鉄心の磁極構造立体図である。公知技術に関する回転電機の軸方向構造の一部断面図である。公知技術に関する回転電機の永久磁石の径方向構造図である。本発明に関する回転電機の磁極鉄心の磁極構造立体図である。本発明に関する回転電機の磁極鉄心のもう一つの実施例図である。本発明に関する回転電機の軸方向構造の一部断面図である。本発明に関する回転電機の永久磁石の径方向構造図である。本発明の第一実施例に関する磁石ユニットのコギングトルクと展開後の電気角の比較図である。本発明の第一実施例と公知技術に関するコギングトルクと展開後の電気角の比較図である。本発明に関する回転電機の磁極鉄心の磁極構造の立体図である。本発明に関する回転電機の軸方向構造の一部断面図である。本発明に関する回転電機の永久磁石の径方向構造図である。本発明の第二実施例に関する磁石ユニットのコギングトルクと展開後の電気角の比較図である。本発明の第二実施例と公知技術に関するコギングトルクと展開後の電気角の比較図である。

貴審査委員の方々に本発明の構造と効果に対する更なる御理解と御賛同を戴けるよう、次に図面を組み合わせた詳細説明を行う。

図１に、公知の磁極設計に関する立体図を示す。磁極鉄心Ｂ２は円柱状且つ円周上に若干の円弧状永久磁石集合体Ｂ３を平均的に繞設したものであり、図２に示す通り、各磁極の参考線Ｌ１、参考線Ｌ２間の永久磁石集合体Ｂ３は磁極中心線Ｃ１に対して対称的に配置し、且つ磁極中心線Ｃ１、参考線Ｌ１間を展開角Ａ１、磁極中心線Ｃ１、参考線Ｌ２間を展開角Ａ２とし、二つの展開角はＡ１＝Ａ２の関係である。図３に示す通り、展開角Ａ１に対応する積厚はＤ１で、展開角Ａ２に対応する積厚はＤ２であり、永久磁石集合体Ｂ３の総対応する積厚は（Ｄ１＋Ｄ２）である。この公知技術においては、展開角Ａ１、展開角Ａ２の調節により必要なコギングトルク特性を獲得する必要がある。

本発明の回転電機におけるコギングトルクを最小化する相互補完性永久磁石は図４に示す通り、電動機、発電機もしくはその他の応用に適するものである。回転電機は一つの磁極鉄心Ｂ２及び電機子鉄心Ｂ１を備える。磁極鉄心Ｂ２は円柱状且つ円周上に偶数の円弧状磁極組Ｂ３' を平均的に繞設したものであり、各磁極組Ｂ３' は第一組の参考線Ｌ３、Ｌ４間に位置する第一永久磁石ユニットＢ３１及び第二組の参考線Ｌ５、Ｌ６間に位置する第二永久磁石ユニットＢ３２により構成される。図６に示す通り電機子鉄心Ｂ１は複数の溝Ｓを備える。溝Ｓの数量（溝数）と磁極鉄心Ｂ２の磁極数の比率は３／２の分数比である。また、磁極鉄心Ｂ２は前記の円柱形の他、図５に示すような構造とすることも可能である。図５において磁極鉄心Ｂ２は偶数の凹溝Ｂ２１を備え、偶数の円弧状磁極組Ｂ３’をそれぞれ収容する。

図６及び図７に示す通り、第一組の参考線Ｌ３、Ｌ４間に位置する第一永久磁石ユニットＢ３１は磁極中心線Ｃ１に対して対称的に配置され、且つ磁極中心線Ｃ１、参考線Ｌ３間を展開角Ａ３、磁極中心線Ｃ１、参考線Ｌ４間を別の角度の展開角Ａ４とし、並びに展開角Ａ３＝展開角Ａ４である。前記第一永久磁石ユニットＢ３１の総展開角は（Ａ３＋Ａ４）＜（３６０度／溝数Ｓ）であり、且つ対応となる積厚Ｄ３を組み合わせる。

図６及び図７に示す通り、第二組の参考線Ｌ５、Ｌ６間に位置する第二永久磁石ユニットＢ３２は磁極中心線Ｃ１に対して対称的に配置され、且つ磁極中心線Ｃ１、参考線Ｌ５間を展開角Ａ５、磁極中心線Ｃ１、参考線Ｌ６間を別の角度の展開角Ａ６とし、並びに展開角Ａ５＝展開角Ａ６である。前記第二永久磁石ユニットＢ３２の総展開角は（Ａ５＋Ａ６）＞（３６０度／溝数Ｓ）であり、且つ対応となる積厚Ｄ４を組み合わせる。

第一永久磁石ユニットＢ３１の総展開角（Ａ３＋Ａ４）＜（３６０度／溝数Ｓ）及び第二永久磁石ユニットＢ３２の総展開角（Ａ５＋Ａ６）＞（３６０度／溝数Ｓ）から位相が１８０度差の電気角の二組の近似する波形によってコギングトルクが決定される。更に、適当な第一永久磁石ユニットＢ３１に対応する積厚Ｄ３及び第二永久磁石ユニットＢ３２に対応する積厚Ｄ４を選定することにより二組のコギングトルクの大きさを同様にする故、相互補完式永久磁石は二組のコギングトルクを相殺し、結果として総合されたコギングトルクは最小化される。図８に示す通り、公知技術にて生じるコギングトルクでパーユニット化比較を行う。縦軸はパーユニット化したコギングトルクの大きさで、横軸は回転角度を電気角１８０度に展開したものである。

前記配置の具体的な実施例は８磁極１２溝の回転電機であり、第一永久磁石ユニットＢ３１の展開角（Ａ３＋Ａ４）は２７．６度、第二永久磁石ユニットＢ３２の展開角（Ａ５＋Ａ６）は３５度、対応する第一永久磁石ユニットＢ３１の積厚Ｄ３が第二永久磁石ユニットＢ３２の積厚Ｄ４に等しいものを選定すればよい。この種の配置における相互補完式永久磁石は二組のコギングトルクを相殺させ、結果として総合されるコギングトルクは最小化することが可能となる。

更に、公知技術と本発明の第一実施例で生じたコギングトルクにパーユニット化比較を施したグラフを図９に示す。その内の縦軸はパーユニット化したコギングトルクの大きさで、横軸は回転角度を電気角１８０度に展開したものである。本発明の第一実施例の配置を公知技術と比較すると、本発明のコギングトルクのピーク・ツウ・ピーク値は約80％のコギングトルク発生量を減少させて回転電機のコギングトルクを最小化にする目的を達成することが可能となる。

本発明のもう一つの実施例は８磁極１２溝の回転電機である。それは前記実施例に基づき配置しており図１０〜図１２に示す通りである。第一実施例に類似する第二実施例の第一永久磁石ユニットＢ３１及び第二永久磁石ユニットＢ３２に形成する相互補完式永久磁石は図１０に示す通りであるが、第一実施例と異なる箇所は第一永久磁石ユニットＢ３１、第二永久磁石ユニットＢ３２の幅と長さに変化を施した点にある。図１１に示す通り、第一永久磁石ユニットＢ３１の展開角（Ａ３＋Ａ４）は２３度で、第二永久磁石ユニットＢ３２の展開角（Ａ５＋Ａ６）は４３度である。並びに、図１２に示す通り、対応する第一永久磁石ユニットＢ３１の積厚Ｄ３が第二永久磁石ユニットＢ３２の積厚Ｄ４を超えるものを選定する。

第二実施例の相互補完式永久磁石は二組のコギングトルクを相殺し、結果として総合されたコギングトルクは最小化を達成する。図１３に示す通り、公知技術にて生じるコギングトルクでパーユニット化比較を行う。縦軸はパーユニット化したコギングトルクの大きさで、横軸は回転角度を電気角１８０度に展開したものである。

公知技術と本発明の第二実施例で生じたコギングトルクにパーユニット化比較を施したグラフを図１４に示す。その内の縦軸はパーユニット化したコギングトルクの大きさで、横軸は回転角度を電気角１８０度に展開したものである。本発明の第二実施例の配置において本発明のコギングトルクのピーク・ツウ・ピーク値を公知技術と比較すると、約７０％のコギングトルク発生量を減少させて回転電機のコギングトルクを最小化にする目的を達成することが可能となる。

前述から理解できる通り、本発明の回転電機におけるコギングトルクを最小化する相互補完性永久磁石は、即刻、現在の一般の生産工程に適用することが可能であり、それは電動機や発電機に適用し、特定的な特殊工程に対応させる必要がない故、余計なコスト及び時間がかからず、構造は簡単で、構造強度及び発生特性に明らかな影響を与えない特性を持ち、特許を獲得し関連産業に従事する者に利用させることで産業発展を促進できるものである。

Ａ１展開角
Ａ２展開角
Ａ３展開角
Ａ４展開角
Ａ５展開角
Ａ６展開角
Ｂ１電機子鉄心
Ｂ２磁極鉄心
Ｂ２１凹溝
Ｂ３永久磁石集合体
Ｂ３' 磁極組
Ｂ３１第一永久磁石ユニット
Ｂ３２第二永久磁石ユニット
Ｃ１磁極中心線
Ｄ１積厚
Ｄ２積厚
Ｄ３積厚
Ｄ４積厚
Ｌ１参考線
Ｌ２参考線
Ｓ溝

Claims

磁極鉄心及び電機子鉄心を備える回転電機におけるコギングトルクを最小化する相互補完性永久磁石において、
前記磁極鉄心は、円柱状且つ円周上に偶数の円弧状磁極組を平均的に繞設したものであり、各磁極組は第一永久磁石ユニット及び第二永久磁石ユニットにより構成され、
前記電機子鉄心は、環状を成し複数の溝を備え、電機子鉄心の溝数と磁極鉄心の磁極数比率は３／２であり、
前記第一永久磁石ユニットと第二永久磁石ユニットは対称的に配置され、且つ該第一永久磁石ユニットの総展開角＜（３６０度／溝数Ｓ）及び該第二永久磁石ユニットの総展開角＞（３６０度／溝数Ｓ）から位相が１８０度差の電気角の二組の近似する波形によってコギングトルクが決定され、該第一永久磁石ユニットと該第二永久磁石ユニットの積厚が調整されることにより二組のコギングトルクが同じ大きさとされ相互補完により相殺されることを特徴とする回転電機におけるコギングトルクを最小化する相互補完性永久磁石。
前記第一永久磁石ユニットは磁極組の中心線に対して対称的であることを特徴とする、請求項１記載の回転電機におけるコギングトルクを最小化する相互補完性永久磁石。
前記第二永久磁石ユニットは磁極組の中心線に対して対称的であることを特徴とする、請求項１記載の回転電機におけるコギングトルクを最小化する相互補完性永久磁石。
磁極鉄心及び電機子鉄心を備える回転電機におけるコギングトルクを最小化する相互補完性永久磁石において、
前記磁極鉄心は、円柱状且つ円周上に偶数の円弧状磁極組を平均的に繞設したものであり、各磁極組は第一永久磁石ユニット及び第二永久磁石ユニットにより構成され、
前記電機子鉄心は、環状を成し複数の溝を備え、電機子鉄心の溝数と磁極鉄心の磁極数比率は３／２であり、
前記第一永久磁石ユニットと第二永久磁石ユニットは対称的に配置され、且つ該第一永久磁石ユニットの総展開角＜（３６０度／溝数Ｓ）及び該第二永久磁石ユニットの総展開角＞（３６０度／溝数Ｓ）から位相が１８０度差の電気角の二組の近似する波形によってコギングトルクが決定され、該第一永久磁石ユニットの積厚が該第二永久磁石ユニットの積厚より大きくされることにより二組のコギングトルクが相互補完により相殺されることを特徴とする回転電機におけるコギングトルクを最小化する相互補完性永久磁石。