JP5390752B2 - Embedded magnet motor - Google Patents
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Description
本発明は、リラクタンストルクを出力トルクの主成分とし、永久磁石を併用することによって性能を改善した埋め込み磁石モータに関するものである。 The present invention relates to an embedded magnet motor whose performance is improved by using reluctance torque as a main component of output torque and using a permanent magnet together.
本発明の背景となる技術としては、第1の事例として下記特許文献1に示されるようなフラックスバリア型リラクタンスモータがある。このモータの断面構造の一例を図4に示す。このモータは、電磁鋼板を積層して作られたロータ1に複数のスリット2を設けることによって複数の分割磁路3を形成するものである。これらの分割磁路3は、図中の例えば磁極P1から磁極P2へ流れる磁束に対して磁気抵抗が低くなるよう磁束経路を構成されており、また、スリット2は例えば磁極中点N1と磁極中点N2へ流れる磁束に対して磁気抵抗が高くなるよう磁束の障壁を構成している。
As a background technology of the present invention, there is a flux barrier type reluctance motor as shown in
また、図4に示すモータにおいて、ステータ4には複数のスロット5が設けられ、このスロット5の内部に電線を挿入してステータ巻線が構成されている。このステータ巻線は、一般的な交流モータと同様である。
In the motor shown in FIG. 4, the
図4の部分的な拡大図を図5に示す。分割磁路3はブリッジ12a,12bによってロータ1に連結されており、遠心力で飛散しないよう固定されている。このブリッジ12は分割磁路3とともに打抜き加工によって電磁鋼板を使用して形成されるため、図4における磁極中点N1からN2へ流れる漏れ磁束に対する磁路となっている。この漏れ磁束は、磁極中点N1とN2間の磁気抵抗を低下させるため、モータのトルク効率が減少する。これを避けるため、一般的にブリッジ12a,12bはできる限り細く設計される。
A partially enlarged view of FIG. 4 is shown in FIG. The divided
図4におけるフラックスバリア型リラクタンスモータのトルク発生原理について説明する。ステータ4のスロット5に流す電流はインバータ等の電力変換器によって任意の位置に流すよう制御され、ロータ1と電流通電位置の相対関係は任意に制御される。今、磁極中点N1、N2の位置に励磁電流14を流したとすると、分割磁路3に沿って励磁磁束が発生する。なお、分割磁路3に沿う方向は磁気抵抗が小さいため、励磁電流14は少ない量でも十分な励磁磁束が発生する。
The principle of torque generation of the flux barrier type reluctance motor in FIG. 4 will be described. The current flowing through the
この動作を図5の拡大図上で説明する。図中14は励磁電流の等価的な通電位置を示し、これによって発生する励磁磁束を点線で示す。次に図5の磁極位置P1,P2に電気子電流15を流したとすると、前記の励磁磁束と電気子電流15の作用によってローレンツ力が発生し、トルクが発生する。
This operation will be described on the enlarged view of FIG. In the figure,
一方、電気子電流15を通電すると図5に一点鎖線で示すような漏れ磁束も発生する。この漏れ磁束は回転上昇に伴なってモータの端子電圧を増大させるため、一般的に使用される電圧型インバータによる駆動では電圧制限によって高速回転を実現することができない。
On the other hand, when the
本発明の背景となる第2の事例として、下記特許文献2に従来技術として紹介された埋め込み磁石モータがある。この事例におけるロータ構造を図6に示す。このモータにおいてはスリット2は磁極1極あたり1本であり、その内部に永久磁石6(主磁石)が挿入配置されている。永久磁石6の外周部には電磁鋼板で形成された突極部7があり、この突極部7とスリット2の働きによって以下に示すようにリラクタンストルクを発生している。
As a second example as the background of the present invention, there is an embedded magnet motor introduced as a prior art in
図6における埋め込み磁石モータにおけるトルク発生原理について説明する。ステータ4のスロット5に流す電流はインバータ等の電力変換器によって任意の位置に流すよう制御され、ロータ1と電流通電位置の相対関係は任意に制御される。今、図中10の位置にq軸電流10を流したとすると、永久磁石6とq軸電流10の作用によるローレンツ力が発生し、トルクが発生する。このトルクは一般的にマグネットトルクと呼ばれる。
The principle of torque generation in the embedded magnet motor in FIG. 6 will be described. The current flowing through the
一方、q軸電流10によって突極部7にはq軸磁束8が発生する。このq軸磁束8に対するロータ1の磁気抵抗は低いため、q軸電流10は少ない量であっても十分に大きなq軸磁束8が発生する。
On the other hand, a q-axis
ここで、図中11の位置にd軸電流11を流すと、q軸磁束8とd軸電流11の作用によるローレンツ力が発生し、トルクが発生する。このトルクは一般的にリラクタンストルクと呼ばれる。
Here, when the d-
ここで、d軸電流11によってロータ1の内部には同時にd軸磁束9が発生する。このd軸磁束9は第1の事例で示した漏れ磁束に相当し、リラクタンストルクを得るためには有害な磁束であるので小さいことが望ましいが、この磁束に対する磁気抵抗はスリット2によって大きいため、大きなd軸電流11を流してもd軸磁束9の発生量は比較的小さい。さらにまた、d軸磁束9と永久磁石6による磁束は逆方向に相殺するよう構成されているため、負荷時において適当となるd軸電流値を選定することによって漏れ磁束を小さく保つことができる。
Here, a d-axis
また、ロータ1の隣り合う突極部7の間にはブリッジ12と、漏れ磁束を低減させるための空間部13が構成される。このブリッジ12は突極部7を物理的にロータ1に連結するものであり、遠心力で突極部7が飛散しないよう、ある程度の太さが必要とされる。また、空間部13は隣り合う突極部7の間の磁路を細くして磁気抵抗を大きくするように構成される。隣り合う突極部7の間の漏れ磁束を少なくするためにはブリッジ12を細く、空間部13を大きく構成する必要があるが、遠心力に対する強度を確保するためには逆にブリッジ12を太く、空間部13を小さくする必要があるため、通常は漏れ磁束量と遠心力強度とのバランスを考慮して設計される。
Further, a
上述したように、従来技術の第1の事例においても、第2の事例においても遠心力に対するロータ強度を確保するためにはブリッジ12を太くする必要があるが、その結果、漏れ磁束が大きくなり、トルク効率が低下して出力トルクが小さくなること、およびモータ端子電圧が高くなって高速での運転ができなくなるという課題がある。
As described above, in the first case of the prior art as well as in the second case, it is necessary to increase the thickness of the
また、従来技術の第2の事例においては、負荷時にd軸電流を通電している時は永久磁石6の磁束は相殺されているが、無負荷時でd軸電流を流していない時には永久磁石6の磁束はステータ4を鎖交するため、ステータ4における鉄損が発生する。このため、特にマシニングセンタの主軸等、高速回転で軽負荷仕上げ加工が多用される用途ではモータの温度上昇が大きいという課題がある。
Further, in the second example of the prior art, the magnetic flux of the
以上のように本発明の目的は、高速回転に適した埋め込み磁石モータであって、ステータの温度上昇を押さえ、かつリラクタンストルクを効率よく得ることのできるモータを提供することにある。 As described above, an object of the present invention is to provide an embedded magnet motor suitable for high-speed rotation, which can suppress a rise in the temperature of the stator and can efficiently obtain reluctance torque.
上述した課題は、外周側にステータが、内周側にロータが配置され、ロータの径方向に着磁されたn個の主磁石をロータ鉄芯内部に埋め込んだ構造を持つn極のモータであって、前記n個の主磁石の回転方向両側にほぼ円周方向に着磁された補助磁石を備え、前記主磁石と前記補助磁石はロータ内径方向に磁束を強めるようハルバッハ配列に配置されていることを特徴とする埋め込み磁石モータによって解決される。 The problem described above is an n-pole motor having a structure in which a stator is disposed on the outer peripheral side and a rotor is disposed on the inner peripheral side, and n main magnets magnetized in the radial direction of the rotor are embedded in the rotor core. An auxiliary magnet magnetized in a substantially circumferential direction on both sides of the rotation direction of the n main magnets, and the main magnet and the auxiliary magnet are arranged in a Halbach array so as to increase the magnetic flux in the rotor inner diameter direction. This is solved by an embedded magnet motor.
さらに、上述した課題を解決する上で、外周側にステータが、内周側にロータが配置され、ロータの径方向に着磁されたn個の主磁石をロータ鉄芯内部に埋め込んだ構造を持つn極のモータであって、前記n個の主磁石の回転方向両側にほぼ円周方向に着磁された2n個の補助磁石を備え、前記主磁石と前記補助磁石はロータ内径方向に磁束を強めるようハルバッハ配列に配置されていて、互いに隣り合う磁極に属する前記補助磁石の間にはロータ鉄芯内に空間部を設けて磁気抵抗が大きくなるようにすることによって、より一層の効果を得ることができる。
Further, in order to solve the above-described problems, a structure in which a stator is disposed on the outer peripheral side and a rotor is disposed on the inner peripheral side, and n main magnets magnetized in the radial direction of the rotor are embedded in the rotor iron core. An n-pole motor having 2n auxiliary magnets magnetized in a substantially circumferential direction on both sides of the rotation direction of the n main magnets, the main magnet and the auxiliary magnets having a magnetic flux in the rotor inner diameter direction. By arranging a space in the rotor iron core between the auxiliary magnets belonging to the magnetic poles adjacent to each other so as to increase the magnetic resistance, a further effect can be obtained. Can be obtained.
図1に本発明による埋め込み磁石モータの断面構造図を示す。図4、図5ならびに図6に示した従来技術の各事例と同等の構成要素には同一番号を付与し、その説明は省略する。このモータは、マシニングセンタ等の高速機械における高速主軸に特に適したロータ構造を有する。 FIG. 1 is a sectional structural view of an embedded magnet motor according to the present invention. Components identical to those of the prior art examples shown in FIGS. 4, 5, and 6 are assigned the same reference numerals, and descriptions thereof are omitted. This motor has a rotor structure particularly suitable for a high-speed spindle in a high-speed machine such as a machining center.
電磁鋼板を積層して形成されたロータ1の内部には、スリット2が形成され、その内部には主磁石6が配置されている。その主磁石6の回転方向両側には補助スリット20が形成され、その内部には補助磁石16が配置されている。主磁石6は図中に矢印で示すようにロータの径方向に着磁されていて、本図においては4極のモータを図示しているので4個の永久磁石を使用している。
A
補助磁石16は、主磁石6に対して直交方向、すなわち、ほぼ円周方向に着磁されていて主磁石6との関係は、ロータ1の内径方向に磁束を強めるようなハルバッハ配列に配置されている。すなわち、N極が半径方向外側を向くように配置された主磁石6の両側に位置する補助磁石16は、N極が主磁石6から遠い側に、S極が近い側に位置するように配置される。逆に、N極が半径方向内側を向くように配置された主磁石6の両側に位置する補助磁石16は、N極が主磁石6に近い側に位置するように配置される。ここで、ロータ1内部の磁束分布について、図2を用いて説明する。ロータ1の外径方向に向かって発生する主磁石6の磁束は、補助磁石16に引き寄せられ、その殆ど全てがブリッジ12を通り、ロータ1の外には出ない。従ってステータ4に鎖交しないため、ステータの鉄損が発生しない。
The
また、本発明による埋め込み磁石モータにおいて、ステータ4には複数のスロット5が設けられ、このスロット5の内部に電線を挿入してステータ巻線を構成する。このステータ巻線は、一般的な交流モータと同様であり、例えば3相交流で駆動する場合の巻線構成例は図3に示すようになる。図中の黒丸の印で示すスロットには例えばU相巻線を挿入し、黒三角の印にはV相巻線、黒四角の印にはW相巻線というように3相巻線を構成する。
In the embedded magnet motor according to the present invention, the
ステータ4に電流を通電した場合の作用について説明する。図中符号11で示す位置にd軸電流11を通電すると、図中に点線で示すd軸磁束9が発生する。次に図中符号10で示す位置にq軸電流10を通電するとd軸磁束9との間にローレンツ力が発生してトルクが発生する。この時、q軸電流10によって図中に1点鎖線で示すq軸磁束8が発生しようとするが、このq軸磁束8の主な通り道であるブリッジ12と空間部13の内側は、それぞれ以下の理由により磁束が通りにくくなっている。すなわち、ブリッジ12については、図2に示すように主磁石6および補助磁石16の磁束が高密度で通っているため、磁気飽和状態にあり、磁気抵抗が高くなっている。また、空間部13の内側については、主磁石6の磁束が逆方向に通っているため、q軸磁束8を相殺している。
The operation when current is supplied to the
以上のように本発明の埋め込み磁石モータにおいては、ブリッジ12を主磁石6と補助磁石16の磁束によって高密度に磁気飽和させることができるので、遠心力強度を保つためにブリッジ12を十分に太くしても磁気抵抗を大きく保つことができ、有害な漏れ磁束を小さく押さえることができる。
As described above, in the embedded magnet motor of the present invention, the
本実施形態の埋め込み磁石モータによれば、高速回転が求められる用途において、遠心力強度を十分に確保し、かつ漏れ磁束による出力トルクの低下が少ないロータ構造を提供できる。また、ステータの鉄損を小さく押さえることができるので、高速回転時のモータ温度上昇が小さく、機械の熱変型を小さく押さえることができ、工作機械に好適なモータを提供することができる。 According to the embedded magnet motor of this embodiment, it is possible to provide a rotor structure that sufficiently secures centrifugal force strength and has little decrease in output torque due to leakage magnetic flux in applications that require high-speed rotation. In addition, since the iron loss of the stator can be suppressed to a small level, the motor temperature rise during high-speed rotation is small, the thermal deformation of the machine can be suppressed to a small level, and a motor suitable for a machine tool can be provided.
1 ロータ、2 スリット、3 分割磁路、4 ステータ、5 スロット、6 永久磁石(主磁石)、7 突極部、8 q軸磁束、9 d軸磁束、10 q軸電流、11 d軸電流、12 ブリッジ、13 空間部、14 励磁電流、15 電気子電流、16 補助磁石。 1 rotor, 2 slits, 3 divided magnetic paths, 4 stators, 5 slots, 6 permanent magnets (main magnets), 7 salient poles, 8 q-axis magnetic flux, 9 d-axis magnetic flux, 10 q-axis current, 11 d-axis current, 12 bridge, 13 space, 14 exciting current, 15 electron current, 16 auxiliary magnet.
Claims (2)
前記n個の主磁石の回転方向両側にほぼ円周方向に着磁された補助磁石を備え、
前記主磁石と前記補助磁石はロータ内径方向に磁束を強めるようハルバッハ配列に配置されていることを特徴とする埋め込み磁石モータ。 An n-pole motor having a structure in which a stator is disposed on the outer peripheral side, a rotor is disposed on the inner peripheral side, and n main magnets magnetized in the radial direction of the rotor are embedded in the rotor core.
An auxiliary magnet magnetized in a substantially circumferential direction on both sides in the rotational direction of the n main magnets;
The embedded magnet motor according to claim 1, wherein the main magnet and the auxiliary magnet are arranged in a Halbach array so as to increase a magnetic flux in a rotor inner diameter direction.
前記n個の主磁石の回転方向両側にほぼ円周方向に着磁された2n個の補助磁石を備え、
前記主磁石と前記補助磁石はロータ内径方向に磁束を強めるようハルバッハ配列に配置されていて、
互いに隣り合う磁極に属する前記補助磁石の間にはロータ鉄芯内に空間部を設けて磁気抵抗が大きくなるようにしたことを特徴とする埋め込み磁石モータ。 An n-pole motor having a structure in which a stator is disposed on the outer peripheral side, a rotor is disposed on the inner peripheral side, and n main magnets magnetized in the radial direction of the rotor are embedded in the rotor core.
2n auxiliary magnets magnetized in a substantially circumferential direction on both sides of the rotation direction of the n main magnets,
The main magnet and the auxiliary magnet are arranged in a Halbach array so as to increase the magnetic flux in the rotor inner diameter direction,
An embedded magnet motor characterized in that a space portion is provided in a rotor iron core between the auxiliary magnets belonging to magnetic poles adjacent to each other to increase the magnetic resistance.
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