JP5270548B2 - 同期機および同期機の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は同期機および同期機の製造方法に関し、特にロータ上に設けた永久磁石と、直接起動用のかごとを備えた同期機に関する。なお、本願はブラジル国出願第ＰＩ０６０３３６３−６号の優先権を主張する。

永久磁石を備えた同期機は従来公知となっており、必須の構成要素としてステータとロータとを具備している。ロータは、概ね円筒形状をなし、表面部分とロータコア部分とを有している。また、ロータは、複数の棒状部材を平行に配向して端部において短絡リングで連結したかごを表面部分に設けることができる。 こうしたロータの形態は、かご形ロータとして知られており、機械の起動プロセスで有効である。

ロータ内において、ロータのコア部分に長手方向に配向された装着溝内に複数対の永久磁石を配設することができよう。

電気的特性に関しては、ロータは複数の極を有しており、該複数の極は各機械の特性や用途に応じて変化する。
ロータ内に配設された永久磁石は、機械を磁化する磁束を発生する。

この種の機械で発見された共通の事実は、磁気短絡回路によって生じる磁束漏洩である。前記磁気短絡回路は、以下の部位で形成される鋼製の架橋部分を通して形成される。（１）同極の磁石を配置する溝の間、（２）磁石を配置するための溝の間、および、かごの隣接する溝の間、（３）ロータ溝のビーク部とロータ外周面との間である。磁束損失部および該効果は、磁束線を示す図６から理解されよう。

これについては、図９に示すように、磁石によってロータのコア部分を長手方向に完全に分断してしまうことが理想的である。と言うのは、こうすることによって、磁束損失が無くなるからである。然しながら、この場合、ロータは電機として必要な機械的安定性を備えないので、この形態は単なる仮定である。

永久磁石の用途に関連した従来技術による１つの解決手段が、米国特許第６８７６１１９号に記載されている。該従来技術によれば、磁石組立体を互いに連結することによってＶ形にした磁石を備えたロータを有した同期モータが提供される。この解決手段は、磁石の観点からは良好であるが、スタンピング工程の間に多量の鋼材が除去されることから、積層体の機械的安定性（剛性）に関する問題がある。このことは、アルミニウムの射出の間に鋼製のポケットが非常に大きく変形することと同様に、機械の信頼性を損なうロータの衝接の問題を引起す。こうした問題に対しては、研削、機械加工または同様の加工のような衝接を低減するためにロータの後処理が必要となる。上記公報には、更に、同一の磁石の一方の磁極から他方の磁極への磁束の短絡を防止するために、磁石端部に隣接する溝を深くする可能性が記載されている。この解決しゅだんは、磁束の短絡問題を小さくするが、電機の製造が難しくなる。と言うのは、かご形モータの溝は必須であり、かつ、機械の製造工程の間に特定の方法と取付けなければならず、異なるスタンピング工具が必要なり、実際的、経済的に複雑となるからである。

前記公報の他の特徴は、直軸上および横軸上の同様のリラクタンスを防止する点である。然しながら、この方法では、以下の理由から、作動状態リラクタンストルクの利点を取ることができない。

同期モータが発生するトルクは、２つの成分に分けられる。
(a)同期トルク：磁場と主回転場との間の同期トルクであって、以下の式にて演算することができる。

ここで、
Ｐ：極数
ｆ：周波数（Ｈｚ）
Ｖ1：供給電圧（Ｖ）
Ｅf：磁石によって誘導されるＥＭＦ（Ｖ）
Ｘsd：直軸の同期リアクタンス（Ω）
δ：荷重角度
である。

(b)リラクタンストルク：直軸と横軸との間のリラクタンス相違から生じ、以下の式にて演算することができる。

ここで、
Ｘsd：横軸の同期リアクタンス（Ω）
である。

同期スピードでモータが発生する全トルクは、Ｔsync.＋Ｔrel.であり、直軸リラクタンスと横軸リラクタンスは、得られる最大トルク値に大きく影響する。

より詳細には、図１に示すようにグラフで分析することによって、トルクの各部分およびトルクの各部分のモータの付加角度の関数としての変化の影響は理解されよう。上記式にて示すように、直軸リラクタンスおよび横軸リラクタンスの値の相違によって、モータが発生する最大トルク値が相違する。２極モータを基本に考えると、下記の各形態について最大トルクの大きさを演算できる。図２ａは、直軸の大きさが横軸の大きさに実質的に等しい（Ｘd≒Ｘq）である場合、図２ｂは、直軸の大きさが横軸の大きさよりも小さい（Ｘd＜Ｘq）場合、図２ｃは、直軸の大きさが横軸の大きさよりも大きい（Ｘd＞Ｘq）場合である。

各場合にういて、Ｘd、Ｘq地は、有限要素分析によって得られる。式１、２を用いることによって、図３のグラフに示すように、全トルクはモータの負荷角の関数として演算される。グラフから理解されるように、Ｘd＜Ｘqの場合、最大トルクが大きくなる。大部分のゲインは、直軸同期リアクタンスの降下によって与えられ、それによって、同期トルクの一部の損失値が著しく増加する。

米国特許第６８７６１１９号明細書

従来技術の問題点を解決するために、本発明は、短絡回路の磁束へのリラクタンスを高めるように、特別の寸法にて溝をロータに形成することによって、かご形ロータの溝周囲および磁石の端部近傍における短絡回路の磁束を低減し、以って従来技術で生じていた損失を低減することを目的とする。更に、従来技術の機械で生じていた動的問題（ロータの衝接）を克服し、以って研削その他の機械加工が必要となる範囲を低減する。

１つの解決手段によれば、同期機は、永久磁石のための固定溝を有しており、該固定溝あ、第1の端部の近傍にリラクタンス増加部を形成する細長いブリッジを備えている。前記第1の端部は、ロータのかご溝の１つに隣接させて配置される。該細長いブリッジは、固定溝の端部とかご溝の内側の端部との間に形成される。延長端部は、ロータの開口部によって形成され、該ロータに沿いに、前記固定溝に沿って延設される。こうした構成は、ロータのコア部分を形成するブレードを製造する際のスタンピング、或いは、ロータが既に装着される場合には穿孔によって形成することができる。

こうして、磁石の端部から漏洩する磁束が低減される。と言うのは、コア部分の溝の開口部によって、磁束の短絡回路へのリラクタンスが増加し、損失が低減されるからである。

本発明の他の解決手段は、複数の磁石を互いに独立にロータ内に保持し、かつ、磁石固定溝の多端の近傍（或いは第2の先端部分の近傍）にリラクタンス増加部を形成する。この場合、永久磁石は対をなすように設けられているので、リラクタンス増加部は、（i）磁束の短絡を防止する、(ii)ロータ動作時に電機の特性が損なわれないレベルにロータの剛性を維持する、ように形成される。

更に、磁束がロータの溝外部で短絡することを防止するために、本発明によれば、表面部分およびかご溝の底端部（つまり溝のビーク部）の近傍におけるコア部分の開口部を通じて表面ブリッジが形成される。こうしたブリッジはロータの表面に沿って延設される。

こうして、磁石固定溝の端部の近傍にブリッジを配置し、かご溝とロータの端面との間にブリッジを形成することによって、磁石の端部での磁束の短絡を低減すること、および、かご溝の周囲での磁束の短絡を低減可能となる。同時に、ロータの機械的安定性を維持できる。

本発明の他の目的は、直時方向のリラクタンスと、横軸方向のリラクタンスの間で大きな差を作ることである。これは、磁石を配置するための溝の利点と、リラクタンス増加部を形成する細長いブリッジの利点から達成される。こうした構成によって、磁束が直軸へ向かうことが困難に、かつ、横軸へ向かうことが容易になる。

本発明は、永久磁石と直接起動とを有した同期電機を提供する。磁石により形成される磁束の漏洩が低減されると共に、ロータは電機が良好に作動するのに十分な強度を備えている。本発明によれば、直軸方向および横軸方向のロータリラクタンスの関係が増加する。

本発明によれば、かご形ロータを具備する同期機を提供する。該ロータは、表面部分とコア部分とを有している。前記ロータは少なくとも一対の永久磁石を具備しており、前記永久磁石が前記ロータのコア部分に長手方向に形成された固定溝内に配置されている。ロータは１つの央極領域と２つの端極領域とを有している。一対の磁石固定溝が対称配置される。前記固定溝は、係合領域と、第１の端部分と、第２の端部分とを有して実質的に矩形の断面を有し、前記ロータに沿って延設され、かつ、互いに隣合せに配置されている。前記永久磁石は前記係合領域内で前記ロータに固定される。前記固定溝は、前記ロータの表面部分に対して割線となるように配置され、前記端極領域の一方と央極領域との間に延設される。磁石固定溝は、前記ロータの溝の底部に平行に延設されたリラクタンス増加部が第１の端部分の近傍に形成され、該リラクタンス増加部は、溝底の輪郭の全体または一部に平行となっている。

本発明の他の目的は、第１と第２と第３の延長端部および該端部の近傍にリラクタンス増加部を形成するためのスタンピング工程と、前記ロータの表面部分と磁石固定溝に隣接するかご溝の外側の端部との間の開口部によって表面ブリッジを形成するスタンピング工程とを具備する同期機の製造方法によって達成される。

各トルク成分の影響およびその変動をモータの負荷角の関数として示すグラフである。 ２極ロータの異なる構成を示す図である。 ２極ロータの異なる構成を示す図である。 ２極ロータの異なる構成を示す図である。 Ｘd＜Ｘq場合の最大トルクを与えるグラフである。 本発明による同期機のロータの断面図である。 図４に示すロータのかごの斜視図である。 同期機のロータの断面図であり、本発明によるリラクタンス増加部を詳細に示す図である。 同期機のロータの断面図であり、本発明による表面部分とかご溝の外側の端部との間のコア開口部を詳細に示す図である。 従来技術による同期機のロータの断面図であり、磁束漏洩部位を示す図である。 永久磁石の位置決め状況を仮定的に示した同期機のロータの断面図であり、直軸と横軸の方向を示した図である。 図５に示すロータの仕上がりを示す斜視図である。 同期機のロータの断面図であり、リラクタンス増加部の代替的形状を示した図である。 本発明による４極電機の形態を示す図である。 本発明による４極電機の形態を示す図である。 本発明による磁石固定溝の形態を示す図である。 本発明による磁石固定溝の他の形態を示す図である。

図４〜図７に示すように、本発明の技術による同期機はステータ（図示せず）およびロータ１０を具備する。

ロータ１０は概ね円筒形状を呈し、表面部分１４とロータコア部分１２とを有している。ロータ１０には、表面部分１４に複数の溝１５が設けられており、該溝にかご１７が配設される。かご１７は、溝１５内に配置される導電性の巻線またはバー１６とリング１８とにより形成され、該リングは、バーの端部に連結される。上記組立体には、図１０に示すように、仕上材料７１が配設される。

図４〜図７は、２極ロータの実施形態を示しており、該実施形態において、ロータ１０は、少なくとも一対の永久磁石２２を具備している。該一対の永久磁石は、磁石固定溝２０内に配設される。磁石固定溝は、ロータ１０のコア部分に長手方向に形成される。好ましくは、磁石固定溝２０は、ロータ１０に沿って延設され、かつ、係合領域ＲEと、第１の端部分２５と、第２の端部２６とを有して概ね矩形の断面にて形成されている。図示するように、永久磁石２２の各々は、係合領域ＲEにおいてロータ１０に固定される。

ロータ１０は、複数のかご溝１６沿いに延びる極を有しており、２極形態で説明するために、各極を央極領域ＣPと２つの端極領域ＥPとに分ける。

磁石固定溝２０は、ロータ１０の表面部分に割線となるように配置され、かつ、端極領域ＥPの一方と央極領域ＣPの間に延在し、固定溝は、かご溝１６の溝底（ビーク部）１５′の近傍まで延設されている。

図６に示すように、固定溝２２は第１の端部分２５の近傍にリラクタンス増加部５０を有している。リラクタンス増加部５０は、細長い架橋部として形成されており、隣接するロータの溝底１５′の全部または少なくとも大部分と重なるように形成されている。この形状は、図７により詳細に図示されている。

好ましくは、可及的に薄いリラクタンス増加部５０が得られるように、第１の延長端部１０１が第１の端部分２５から溝底１５′へ延在するように、第１の延長端部を形成するようにすることができよう。こうして、好ましくは、溝底１５′に平行にリラクタンス増加部を形成することができよう。

磁石固定溝２０は対をなすようにＶ形に配置されるので、対をなす固定溝の各固定溝は対称に配置され端極領域ＥPから央極領域ＣPへ延在している。対をなす固定溝の各第２の端部２６は互いに隣接し、かつ、央極領域ＣPの近傍へ配置される。この場合、磁石固定溝には、第２の延長端部１０２が形成されており、該第２の延長端部によって、対をなす固定溝の一方の固定溝の第２の端部２６から他方の固定溝の第２の端部へ向けて延在するリラクタンス増加部６０が、央極領域ＣPに隣接して形成される。

図６、７に示すように、永久磁石２２の各々は、第１と第２の端部を有した矩形断面を有している。対をなす固定溝２０の間で、リラクタンス増加部６０を形成する第２の延長端部１０２は、ロータ１０の形状的中心に関して半径方向、詳細には直軸方向に延び、該第２の延長端部は、磁石固定溝２０の幅２３に関してリラクタンス増加部６０よりも実質的に大きい半径方向の大きさ２４によって、ロータ１０のコア部分１２に条片を形成する。

図８、１１に示すように、リラクタンス増加部の側縁部は、参照番号６０で示すように平行に、或いは、参照番号８０で示すように非平行に形成することができ、何れの形態もモータの性能に関する制限および各ロータ１０の強度を同時に満たすように形成される。何れの場合でも、央極領域ＣPに配置される第２の延長端部１０２は、対をなす他方の延長端部に隣接させて非常に近くに配置することができる。

更に、永久磁石２２からの磁束が、磁石固定溝２０の端部の近傍のかご溝１６の先端から伝播することを防止するために、かご溝１６は、コア部分１２の開口部によって表面ブリッジ７０が形成される。表面ブリッジ７０は、ロータ１０の表面部分１４とかご溝１６の外側の端部との間にロータ１０の表面部分１４に沿って形成される。

本発明の概念は、いかなる極数にも応用できる。本発明の概念を適用した４極ロータを図１２、１３に示す。

この実施形態では、各固定溝２０は、１つの端極領域ＥPと、他の次順の端極領域ＥPの間に延在しており、第３の延長端部１０３が形成されている。該第３の延長端部は、本発明の第１の実施形態と同様に、つまり、第１の端部分２５の近傍で、溝底１５′に隣接させて該溝底の輪郭に平行かつ該溝底を包囲するリラクタンス増加部５０が形成されるように形成されている。

本実施形態では、固定溝２０間の角度が９０°となっているので、固定溝の端部の内側の領域１００が、図１３に示すように、平行な側縁６０′を有するように、或いは、他の実施形態を示す図１１に示すように、非平行の側縁（図示せず）を有するように形成することができる。

更に、４極機械を作るこの形態では、既述した他の形態と同様に、ロータ１０の表面部分１４と、かご溝１６の外側の端部との間にロータ１０の表面部分１４に沿って表面ブリッジ７０が設けられる。ロータ１０の剛性を設計条件に対して十分に維持するために、機械的安定性に配慮しなければならない点に注意しなければならない。

より多くの極数のモータで機械を製造する必要がある場合には、磁束の短絡回路を低減する、リラクタンス増加部５０を形成する細長い架橋部を備えた２つの上記実施形態で説明した形態を組み合わせることができる。

更に、既に説明した図面に示唆された実施形態に基づいて、ロータの製造方法および／または作動中のモータの保全性を補償する変形例を作ることができよう。こうした形態の１つを図１４、１５に図示する。図１４、１５は固定溝の端部の代替実施形態を示しており、この実施形態は、製造プロセスを簡単にし、かつ、磁化および／または機械の作動中に磁石２２が変位することを防止する。該代替形態は、磁石の端部２５、２６に隣接させて設けられた変位限定部２００、２０１を備えている。コア部分１２に形成された変位限定部は、磁石固定溝２０内へ磁石の厚さ方向に平行に突出して、磁石の側方への変位を制限する。この磁石固定形態では、図１４に示すように、溝の一方の側部のみに変位限定部２００、２０１を設けることができる。各端部において、変位限定部を溝の反対側の側部から突出させるようにしたり、或いは、図１５に示すように、一方の端部のみに変位限定部を設けることができる。同期機の他の特徴には変更がない。

更に、本発明によれば、表面部分とかご溝の外側の端部との間において、コア部分１２の開口部７０を形成するためのスタンピング工程に加えて、磁石固定溝の近傍にリラクタンス増加部５０、６０を形成する２つのスタンピング工程を有するようにできる。

従来技術と比較して、本発明によれば非常に高い性能が得られる。細長い架橋部および延長端部を用いることによって、発生する磁束を一層多く用いることができる。従来技術によって形成されたモータでは８０〜８５％の磁束を利用しているが、これに対して本発明によるモータでは８５〜９０％の磁束を利用できる。

好ましい実施形態を説明したが、その変形は本願発明の範囲に包含され、本願発明は、均等物を包含する特許請求の範囲によってのみ限定される。

１０ ロータ
１２ コア部分
１４ 表面部分
１５ 溝
１５′ 溝底
１６ かご溝（バー）
１７ かご
１８ リング
２０ 磁石固定溝
２２ 永久磁石
２５ 第１の端部分
２６ 第２の端部分
５０ リラクタンス増加部
６０ リラクタンス増加部
７０ 表面ブリッジ
８０ リラクタンス増加部
ＥP 端極領域
ＣP 央極領域
１０１ 第１の延長端部
１０２ 第２の延長端部

Claims (13)

1. ステータと、概ね円筒形状のロータ（１０）とを具備し、前記ロータ（１０）が表面部分とコア部分（１２）とを有し、該ロータ（１０）には前記表面部分に配置されたかご（１６）が設けられており、該かご（１６）は、かご溝（１５）内に配置された導電性バー部材と、前記バー部材を相互連結するリング部材（１８）とによって形成され、
   前記ロータ（１０）は少なくとも一対の永久磁石（２２）を具備しており、前記永久磁石（２２）が前記ロータ（１０）のコア部分（１２）に長手方向に形成された磁石固定溝（２０）内に配置されて成る同期機において、
   前記磁石固定溝（２０）は、係合領域（ＲE）と、第１の端部分（２５）と、第２の端部分（２６）とを有して実質的に矩形の断面を有し、かつ、前記ロータ（１０）に沿って延設されており、
   前記永久磁石は前記係合領域（ＲE）内で前記ロータ（１０）に固定され、
   前記磁石固定溝（２０）は、前記ロータ（１０）の表面部分に対して割線となるように配置され、
   前記磁石固定溝（２０）は、前記第１の端部分（２５）から溝底（１５′）の端部に隣接した領域に第１の延長端部（１０１）を有しており、前記第１の延長端部（１０１）が、前記ロータ（１０）および前記磁石固定溝（２０）に沿って延設された前記ロータ（１０）の開口部により形成されており、
   前記磁石固定溝（２０）は、前記第１の端部分（２５）および前記第２の端部分（２６）に隣接する変位限定部（２００、２０１）を有しており、該変位限定部は、磁石の厚さ（２３）方向に前記磁石固定溝（２０）内に突出するコア部分（１２）の部分によって形成され、該変位限定部（２００、２０１）はスタンピング工程中において形成され、
   前記磁石固定溝（２０）は、前記第１の端部分（２５）の近傍に第１リラクタンス増加部（５０）を形成する第１の延長端部（１０１）を有し、前記第１リラクタンス増加部（５０）は、ロータの前記溝底（１５′）を実質的に包囲し、かつ、隣接するロータの前記溝底（１５′）の全部または少なくとも大部分と重なるように形成されており、
   前記かご溝（１５）は、前記磁石固定溝（２０）の第１の端部分の近傍に配置され、該かご溝には前記コア部分（１２）の開口部によって形成された表面ブリッジ（７０）が設けられており、前記開口部はロータ（１０）の前記表面部分（１４）と前記かご溝（１５）の他方の端部との間に設けられていることを特徴とする同期機。
2. 前記ロータ（１０）が、央極領域（ＣP）および端極領域（ＥP）を有した複数の極を有しており、前記磁石固定溝（２０）が前記端極領域（ＣP）と前記央極領域（ＣP）との間に延在し、かつ、複数の対をなすように配置され、かつ、各対の溝が、端極領域（ＥP）から央極領域（ＣP）へ延設されるように対称配置され、
   第２リラクタンス増加部（６０、８０）を形成可能なように、央極領域（ＣP）に隣接させて、前記磁石固定溝（２０）の第２の端部分（２６）に第２の延長端部（１０２）が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の同期機。
3. 前記第２の延長端部（１０２）が、第２リラクタンス増加部（６０、８０）を形成するように形成され、かつ、前記端部分（２６）から対をなす他方の磁石固定溝（２０）の第２の端部分（２６）へ向けて延在していることを特徴とする請求項２に記載の同期機。
4. 前記第１の延長端部（１０１）が前記磁石固定溝（２０）の先端方向に延設され、溝底（１５′）に平行な端部を有している請求項１または３に記載の同期機。
5. 前記第１の延長端部（１０１）が、隣接するロータ（１０）の溝底（１５′）の全部または少なくとも一部と重なるように形成されていることを特徴とする請求項４に記載の同期機。
6. 前記第２リラクタンス増加部（６０、８０）は、ロータ（１０）の形状的中心から半径方向、直軸方向に延設され、磁石固定溝（２０）の幅（２３）よりも実質的に大きい半径方向の大きさ（２４）によって形成されたリブであることを特徴とする請求項３に記載の同期機。
7. 前記第２リラクタンス増加部（６０）は側縁部が平行に形成されていることを特徴とする請求項６に記載の同期機。
8. 前記央極領域（ＣP）に隣接する前記第１および第２の延長端部（１０１、１０２）の一方が、他方の対に向けて延設されており、磁石固定溝の端部分が互いに隣合せに配置されることを特徴とする請求項７に記載の同期機。
9. 前記延長端部は、互いに隣合せに接近させて配置されている請求項８に記載の同期機。
10. 前記磁石固定溝（２０）は、１つの端極領域（ＥP）と、他の次順の端極領域（ＥP）との間に延在し、磁石固定溝（２０）の端部分には、溝底（１５′）を包囲する第１リラクタンス増加部（５０）を形成する第３の延長端部（１０３）が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の同期機。
11. 前記第３の延長端部（１０３）は、側縁部（６０′）が平行に形成されていることを特徴とする請求項１０に記載の同期機。
12. 請求項１０または１１に記載の同期機を製造する方法において、
    前記第１と第２と第３の延長端部（１０１、１０２、１０３）および該端部の近傍に第１および第２リラクタンス増加部（５０、６０、８０）を形成するためのスタンピング工程を具備し、
    前記第１リラクタンス増加部（５０）を形成する段階によって、ロータの前記溝底（１５′）を実質的に包囲し、かつ、隣接するロータの前記溝底（１５′）の全部または少なくとも大部分と重なるように湾曲面を形成するようにしたことを特徴とする方法。
13. 前記ロータ（１０）の表面部分（１４）と磁石固定溝（２０）に隣接するかご溝の外側の端部との間の開口部によって表面ブリッジ（７０）を形成するスタンピング工程を更に具備することを特徴とする請求項１２に記載の方法。

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