JP5526495B2 - 永久磁石式回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、固定子と所定の空隙を有して対向して回転する回転子とを備えた永久磁石式回転電機に関する。

従来の永久磁石式回転電機の一例としては埋込磁石形回転電機が挙げられる。
この埋込磁石式回転電機は、回転子内部に永久磁石を備えている。この永久磁石から発生する磁束を固定子に備える励磁コイルとの鎖交磁束量に応じて発生するマグネットトルクに加えて、回転子鉄心の磁気抵抗を利用したリラクタンスを利用した回転電機である。この埋込磁石式回転電機は小型高出力高効率回転電機として広く用いられている。

埋込磁石式回転電機においてトルクを増大する方法の一つとして、永久磁石をＶ字形状に配置して回転子鉄心の磁気的突極性を大きくしリラクタンストルクを有効利用する方法が提案されている。
このため、特許文献１に記載された従来例には、ロータの回転中心を中心とする電気角で１２７°〜１４０°の範囲内に、回転中心側を頂点とするＶ字に沿って配置される一対の磁石を有する回転電機が記載されている。この回転電機は、ロータに一対の磁石でそれぞれ収納する一対の孔が設けられるロータ本体を有し、ロータ本体は、Ｖ字の頂点部に位置し一対の孔を仕切る支持部を有する構成とされている。この従来例では、永久磁石をＶ字状に配置することにより、リラクタンストルクを増加させてトルクを有効に活用しつつ、Ｖ字の周方向配置幅を最適化して高速回転時の鉄損を抑え高エネルギ効率モータを得るようにしている。

また、特許文献２に記載された従来例には、固定子鉄心の複数のティースに集中巻を施した固定子と、回転子鉄心の内部に回転軸に垂直な断面形状が１極当たり外方に拡開した形状の希土類磁石を有する回転子とを備えている。この従来例では、希土類磁石の最外径内側の回転軸心からの磁石軸心開度θ１を電気角で１１１度から１１９度に構成している。しかも、ティース間に形成されるスロット開口部の幅Ｗ１を２．４ｍｍから３．４ｍｍに構成している。
特開２００６−２５４６２９号公報 特開２００１−２５１８２５号公報

しかしながら、上記特許文献１及び２に記載された従来例にあっては、何れも省エネルギの観点から永久磁石をＶ字配置して最適化したものであるが、省資源という意味では必ずしも最適とは言えない。ここで、省資源とは資源枯渇が問題となっている希土類系磁石に着目すると、如何に少ない磁石量で所望トルクを得ることができるかが問題となる。すなわち、少ない磁石量でトルクが最大となる形状を探すことが省資源化に繋がる。しかし、上記特許文献１又は２に記載された従来例にあっては、この省資源化については全く考慮されておらず、高トルクを得るためには磁石量も多くなり、材料費が嵩むという未解決の課題がある。
そこで、本発明は、上記従来例の未解決の課題に着目してなされたものであり、少ない磁石量で高トルクを得る最適化を行なって、所望のトルクを得るために、省資源化を図って低コスト化した永久磁石式回転電機を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、請求項１に係る永久磁石式回転電機は、励磁コイルを巻装した固定子と、該固定子と所定の空隙を隔てて対向して回転する回転子とを備えている。前記回転子は、回転子コア内に軸方向に貫通して形成された複数のスロットと、該スロットに周方向に隣り合う磁極が異極性となるように挿入した永久磁石とを有している。前記磁極は一対のスロットを回転中心軸に向かってＶ字形状に配置した構成を有する。前記回転子の半径をα［ｍｍ］、前記回転子の外周面から前記一対のスロットの内周側頂点までの径方向距離埋込深さをβ［ｍｍ］、前記一対のスロットの外周側開角の機械角をθ［ｄｅｇ］とし、最適配置指標γを
γ＝β／α＋（０．５９×θ）／１８０
とした時、当該最適配置指標γの値を
０．６４≦γ≦０．７０３
の範囲内となるように前記埋込深さβ、回転子４の半径α及び外周側開角θを設定する。
さらに、請求項２に係る永久磁石式回転電機は、請求項１に係る発明において、前記一対のスロットの外周側開角θ［ｄｅｇ］を、
１２７≦θ＜１８０
の範囲に設定する。

本発明によれば、永久磁石をＶ字状に配置した回転子を構成するに当たって、埋込深さ率（β／α）と外周側開角の開角率（θ／１８０）に基づいてトルクを最大にする最適配置指標を決定し、決定した最適配置指標となるように埋込深さβ、前記回転子の半径α及び前記外周側開角θを設定するようにしている。このため、少ない永久磁石量で高トルクを出力する永久磁石式回転電機を構成することができ、省資源化を行なって低コスト化を促進することができるという効果が得られる。

ここで、最適配置指標をγとしたとき、この最適配置指標γをγ＝β／α＋（０．５９×θ）／１８０で求め、求めた最適配置指標γの値を０．６４≦γ≦０．７０３の範囲に設定することにより、所定の永久磁石量で高トルクを出力する永久磁石式回転電機を提供することができる。
さらに、一対のスロットの外周側開角θ［ｄｅｇ］を、１２７≦θ＜１８０の範囲に設定することにより、より高トルクを出力する永久磁石式回転電機を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明の一実施形態を示す断面図である。この図１において、永久磁石式回転電機１は埋込磁石式同期回転電機で構成されている。この永久磁石式回転電機１は、円筒状フレーム２を有する。この円筒状フレーム２の内周側には固定子３が配置され、この固定子３の内周側には所定のエアギャップＧを介して対向する回転子４が配置されている。この回転子４は回転軸５に支持されて回転自在に配置されている。

固定子３は、内周面側に円周方向に等間隔で１２個のスロット６が形成されて１２個のティース７が形成されている。各ティース７にはスロット６内に巻装された励磁コイル８が巻回されている。ここで、励磁コイル８の巻き方については大別すると集中巻と分布巻とに分けられる。本発明は集中巻及び分布巻の両者において効果を発揮するものであり、図１によって巻き方を限定するものではない。

一方、回転子４は、図２に拡大して示すように、４つの磁極１１を有する積層鉄心で形成される回転子コア１２を備えている。この回転子コア１２は、軸方向に貫通して形成された複数例えば８個のスロット１３と、これらスロット１３内に周方向に隣り合う磁極１１が異極性となるように挿入した永久磁石１４とを備えている。ここで、永久磁石１４は希土類磁石で構成されている。
各磁極１１は一対のスロット１３を回転軸５の回転中心軸に向かって凸となるＶ字形状に配置した構成を有する。ここで、一対のスロット１３の配置は、所定の永久磁石量で最大のトルクを得るための最適配置指標γの値を所定範囲に設定することにより決定されている。

ここで、最適配置指標γは、回転子４の半径をα［ｍｍ］、回転子４の外周面から磁極１１を構成する一対のスロットの内周側頂点までの径方向距離埋込深さをβ［ｍｍ］、前記一対のスロットの機械角で表される外周側開角をθ［ｄｅｇ］としたとき、埋込深さ率（β／α）と外周側開角の開角率（θ／１８０）に基づいて下記（１）式のように設定されている。
γ＝β／α＋（０．５９×θ）／１８０ …………（１）
そして、上記のように設定された最適配置指標γの値を０．６４≦γ≦０．７０３の範囲に設定することにより、出力トルクを高トルク化することができる。

ここで、最適配置指標γを上記のように設定することにより出力トルクを高トルク化することができる理由は以下の通りである。
すなわち、本発明者等が一対のスロット１３のパラメータを変更するシミュレーションによって本発明の効果を見出した。
その結果、埋込深さβ［ｍｍ］と出力トルク［Ｎｍ］との関係は、例えば外側開角θを１００度に設定したときに、図３に示すように、埋込深さβが約４０ｍｍであるときに最大出力トルクが得られた。そして、この埋込深さβと最大出力トルクとの関係は、磁極１１を構成する一対のスロット１３の外側開角θを変更した場合、異なる埋込深さβで最大出力トルクのピーク値が存在することが確認された。

このため、各外側開角θで最大トルクが得られる埋込深さβに着目すると、各外側開角θを１８０度で除した開角度率（θ／１８０）と、埋込深さβを回転子半径αで除した埋込深さ率（β／α）との関係が図４に示すように折れ線Ｌ１で表されることを見出した。この折れ線Ｌ１を線形近似直線Ｌ２で近似すると、この線形近似直線Ｌ２の方程式は開角度率（θ／１８０）をｘとし、埋込深さ率（β／α）をｙとすると下記（２）式で表される。
ｙ＝−０．５９ｘ＋０．６７ …………（２）

この（２）式の関係から前述した（１）式で表される最適配置指標γを設定し、設定した最適配置指標γと従来の埋込永久磁石式回転電機の出力トルクを“１”で表したときのトルクとの関係は図５に示すようになる。この図５で明らかなように、最適配置指標γはγ＝０．６７５付近で最大出力トルクとなってピークを有し、上に凸となる折れ線Ｌ３で表される。

この図５から明らかなように、従来の埋込永久磁石式回転電機の出力トルクより大きい出力トルクが得られる最適配置指標γの範囲は、折れ線Ｌ３の傾きが大きく変更されて従来の埋込永久磁石式回転電機の出力トルク“１”より大きい値となるγ＝０．６４以上でこのγ＝０．６４と同等の出力トルクが得られる０．７０３以下の範囲Ｒ１となる。この結果、最適配置指標γを０．６４≦γ≦０．７０３に設定することにより、同じ磁石量で従来例より大きな出力トルクを得ることができる。

したがって、最適配置指標γが０．６４≦γ≦０．７０３の範囲となるように、埋込深さβ、回転子半径α及び外周側開角θを設定することにより、従来の埋込永久磁石式回転電機と同一の永久磁石量で大きな出力トルクを得ることができる永久磁石式回転電機を提供することが可能となる。また、従来の埋込永久磁石式回転電機と同等の出力トルクを得るためには少ない磁石量で済むため省資源化を図ることができる。

一方、外周側開角θと従来の埋込永久磁石式回転電機の出力トルクを“１”で表したときの出力トルクとの関係は、図６の折れ線Ｌ４で表される。この図６の折れ線Ｌ４も外周側開角θが１６０度で最大出力トルクとなるピークを有する上に凸の特性線となる。この図６の関係から従来の埋込永久磁石式回転電機の出力トルクと同等の出力トルクが得られる外周側開角θは１２６．７°及び１８０°となる。このため、従来の埋込永久磁石式回転電機の出力トルクより高い出力トルクが得られる外周側開角θ［ｄｅｇ］の範囲Ｒ２は１２７≦θ＜１８０となる。

このように、上記実施形態によると、永久磁石式回転電機１が埋込永久磁石式回転電機の構成を有するので、回転子４の磁極１１における永久磁石１４間の円周方向の中央部と回転軸５の軸心とを結ぶ線がｄ軸となる。また、回転子４の隣接する磁極１１間における異なる磁極の永久磁石１４間と回転軸５の軸心とを結ぶ線がｑ軸となる。このため、ｄ軸方向の磁束の磁路にはエアギャップＧと同じ磁気抵抗の大きな永久磁石１４が存在し、磁束は通りにくいが、ｑ軸方向の磁束は回転子コア１２を通ることができるため、この方向の磁気抵抗は小さくなり、ｄ軸インダクタンスＬｄとｑ軸インダクタンスＬｑとがＬｄ＜Ｌｑの突極性を有する。このため、電機子巻線の自己インダクタンス及び相互インダクタンスは回転角の２倍で変化し、さらに永久磁石の電機子鎖交磁束も回転子４の回転角の余弦で変化する。

したがって、マグネットトルクにリラクタンストルクを加算した高トルク化を図ることができる。ここでマグネットトルクは、永久磁石の電機子鎖交磁束のみの変化によりエネルギ変換が行なわれて発生するトルクである。また、リラクタンストルクは電機子自己及び相互インダクタンスの変化に応じてエアギャップＧに貯えられた磁気エネルギが機械エネルギに変換されて発生するトルクである。

このように、永久磁石式回転電機１として埋込永久磁石式回転電機の構成を採用することにより、高トルク化を図ることができるものであるが、本実施形態では、トルクを最大にする最適配置指標γを決定し、決定した最適配置指標γとなるように埋込深さβ、回転子半径α及び外周側開角θを設定する。このため、永久磁石量を同じにした場合に、従来の埋込永久磁石式回転電機で発生する出力トルクより大きな出力トルクを発生させることができる。逆に従来例の埋込永久磁石式回転電機と同等の出力トルクを発生するためには少ない永久磁石量で済むことから省資源化を図ることができると共に、低コスト化を図ることができる。

なお、上記実施形態においては、上記実施形態においては、回転子４の磁極１１の数を４極とし、固定子３のティース７を１２個とした場合について説明した。しかしながら、上記構成に限定されるものではなく、回転子４の磁極数及び固定子３のティース数は任意に設定することができる。
また、上記実施形態においては、回転子４に８個のスロット１３を形成した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、スロット１３自体をＶ字形状に形成することにより、半分のスロット数とすることもできる。

本発明の一実施形態を示す永久磁石式回転電機を示す断面図である。 図１の回転子の拡大図である。 一対のスロットの外側開角を１００度とした場合の埋込深さと出力トルクとの関係を示す特性線図である。 開角度率（θ／１８０）と埋込深さ率の関係を示す特性線図である。 最適配置指標γと出力トルクとの関係を示す特性線図である。 Ｖ字外周側開角θと出力トルクとの関係を示す特性線図である。

符号の説明

１…永久磁石式回転電機、２…円筒状フレーム、３…固定子、Ｇ…エアギャップ、４…回転子、５…回転軸、６…スロット、７…ティース、８…励磁コイル、１１…磁極、１２…回転子コア、１３…スロット、１４…永久磁石

Claims (2)

1. 励磁コイルを巻装した固定子と、該固定子と所定の空隙を隔てて対向して回転する回転子とを備え、前記回転子は、回転子コア内に軸方向に貫通して形成された複数のスロットと、該スロットに周方向に隣り合う磁極が異極性となるように挿入した永久磁石とを有し、前記磁極は一対のスロットを回転中心軸に向かってＶ字形状に配置した構成を有し、前記回転子の半径をα［ｍｍ］、前記回転子の外周面から前記一対のスロットの内周側頂点までの径方向距離埋込深さをβ［ｍｍ］、前記一対のスロットの機械角で表される外周側開角をθ［ｄｅｇ］とし、最適配置指標γを
   γ＝β／α＋（０．５９×θ）／１８０
   とした時、当該最適配置指標γの値を
   ０．６４≦γ≦０．７０３
   の範囲内に設定したことを特徴とする永久磁石式回転電機。
2. 前記一対のスロットの外周側開角θ［ｄｅｇ］を、
   １２７≦θ＜１８０
   の範囲に設定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。

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