JP5554641B2 - 回転電機の鉄心 - Google Patents
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Description
本発明は、電動機及び発電機等の回転電機に於ける鉄心に関し、近年高効率化が要望される回転電機に於いて、回転電機のローターのコギングトルクを低減して安定した回転トルクを実現し特性を向上させる事により、小型で高効率、高出力を可能とする回転電機のステータ鉄心の技術に関する。
周知の通り、回転電機に於いてローターのコギングトルクを低減して安定した回転特性を実現し、回転電機の特性を向上させようとする為に従来の技術に於いてはステータ鉄心やローターの磁極数を多極にする事が一般的であるがその他にも数多く提案されている。
即ち、電機子鉄心の磁極の磁石と対向する面に補助溝を設けて、ローターのコギング基本周波の第３高調波を発生させる事によりコギングトルクを低減して実用性のある回転特性を実現する事が開示されている。（特許文献１）
又、ステータ鉄心のティースの磁石と対向する面に補助溝を設けて、ローターのコギング周波数を高くする事によりコギングトルクを低減し、更にスキューをかけることにより平滑化して実用性のある回転特性を実現する事が開示されている。（特許文献２）
又、ステータ鉄心のティースに２本のスリットを設けてティースを３分割してローターのコギングトルクの周波数を基本周波の２倍にして平滑化する事によりコギングトルクを低減して実用性のある回転特性を実現する事が開示されている。（特許文献３）
特開 昭５３−１４７２１６ 特開 平２００１−３３９９２１ 特開 ２００５−１６８２６９
上記、従来技術によるステータ鉄心は更に次の点に於いて性能の向上が考えられる。
従来技術による鉄心の磁極に補助溝を設ける構造に於いて、補助溝だけの構造では、鉄心の磁極数が３極、磁石極数が２極等の最少極数の場合に於いて、コギングトルクの基本周波の第２高調波を発生させてコギングトルクを低減し平滑化する事は不可能であり実現されていなかった。
又、従来技術によるステータ鉄心の磁極に補助溝を設ける構造に於いて、補助溝だけの構造では鉄心の磁極数やローター磁極数が多極数の場合に於いても、コギングトルクの基本周波に対する高次の調波は発生せずコギングトルクを低減する事は不可能であり実現されていなかった。
即ち、従来技術の回転電機に於いては、コギングトルクを低減する為に鉄心の磁極数とローター磁極数を多極数にするか、鉄心の磁極に補助溝を設け、更に、鉄心あるいは磁石にスキューをかけてコキングトルクを減少させる構造が通例であった。
この様な従来技術の回転電機では、多極構造やスキュー構造の為に、巻き線加工が複雑になる欠点があり、金型も高価である欠点があった。
又、従来技術の回転電機ではローターが多極である為に加工が難しく、遠心力によりローターが破断する事が考えられ、高速回転には不向きである欠点があった。
又、特許文献３には、２本のスリットでティース部を３分割してコギングトルクを低減する技術が提示されているが、ローターのコギングトルクの基本周波に対する第２高調波の発生させる技術の詳細が記述されていない。
即ち、コギングトルクの基本周波に対する第２高調波を発生させてコギングトルクを低減し平滑化する為の技術的な主要課題である２本のスリットによるティース分割位置の技術的な詳細内容が解明されておらず記述されていない問題点があった。
即ち、どの位置でティースを２本のスリットにより分割した場合に、第２高調波が発生しコギングトルクが最低になり平滑化するのか記述されておらずその技術的な解明が課題である。
本発明は、上記の問題点を解決する為の技術であり、ステータ磁極数とローター極数が最小値である３極と２極の場合に於いても、コギングトルクの基本周波に対する第２高調波を発生させて、コギングトルクを減少せしめ平滑化して小型で高効率、高出力の回転電機を可能とする技術を提供する事にある。
上記目的を解決するために、本発明は次の技術的手段を有する。
即ち、実施例に対応する添付図面中の符号を用いて説明すると、本発明は３の倍数のステータ磁極数と２の倍数の磁極数の永久磁石ローターであり、ステータ磁極数とローター磁極数の比が３対２である回転電機の鉄心に於いて、磁石面に対向するティースの面からバックヨークに至るまでの距離を中心線に対して左右対称のスリット２本でティースを３分割し、当該鉄心の円周３６０°を鉄心の磁極数で割った角度を磁極の単位角度θとしそのθの４分の１の分割線をＡとし、２分の１の分割線をＢとして、ティースのスロット開口部の端と分割線Ａの角度をθａ１とし、スリット開口部の端と分割線Ａの角度をθａ２として、ティースの中央磁路のスリット開口部の端と分割線Ｂの角度をθｂとして、θａ１／θａ２と２θａ２／θｂの値が等しいか、ほぼ等しくなる条件と、２θｂ／θａ２とθａ１／θａ２の値の和と或いは、２θｂ／θａ２と２θａ２／θｂの値の和が限りなく４に近くなる事を満たす事を特徴とする回転電機の鉄心が考慮される。
又、スリット幅βがスロット開口部の間隔αの１／３の幅である事を特徴とする請求項１の回転電機の鉄心が考慮される。
又、１スロットピッチの角度の１／４をスキューした事を特徴とする請求項１の回転電機の鉄心が考慮される。
本発明の上記構成に基づけば、３の倍数のステータ磁極数と２の倍数の磁極数の永久磁石ローターであり、ローター磁極数の１．５倍の極数がステータ磁極数になる場合に於いて、コギングトルクの基本周波に対する第２高調波を発生させて、コギングトルクを減少せしめ平滑化して滑らかな回転特性を可能とする技術を提供する。
即ち、コギングトルクを減少せしめ平滑化した結果、回転トルク特性の優れた高効率の回転電機を可能とする。
又、ステータ鉄心の磁極数が３極、ローター極数が２極等の最少極数の場合に於いてもコギングトルクを減少せしめ平滑化して滑らかな回転特性を可能とし、高効率で超高速回転の回転電機を可能とする。
上記構成に基づき添付図面に従い本発明の実施例を詳述する。
図１は、実施例の一例を示したものである、即ち、３の倍数のステータ磁極数と２の倍数の磁極数の永久磁石ローターであり、ステータ磁極数とローター磁極数の比が３対２である回転電機の鉄心に於いて、磁石面に対向するティース２、の面からバックヨーク３、に至るまでの距離を中心線に対して左右対称のスリット４、２本でティースを３分割し、当該鉄心の円周３６０°を鉄心の磁極数で割った角度を磁極の単位角度θとし、そのθの４分の１の分割線をＡとし、２分の１の分割線をＢとして、ティースのスロット開口部の端と分割線Ａの角度をθａ１とし、スリット開口部の端と分割線Ａの角度をθａ２として、ティースの中央磁路のスリット開口部の端と分割線Ｂの角度をθｂとして、θａ１／θａ２と２θａ２／θｂの値が等しいか、ほぼ等しくなる条件と、２θｂ／θａ２とθａ１／θａ２の値の和と或いは、２θｂ／θａ２と２θａ２／θｂの値の和が限りなく４に近くなる事を満たす事を特徴とする回転電機の鉄心である。
即ち、図１によれば３の倍数のステータ磁極数と２の倍数の磁極数の永久磁石ローターであり、ステータ磁極数とローター磁極数の比が３対２である回転電機の鉄心に於いて３極のステータ磁極と２極の永久磁石ローターの実施例であり、磁石面に対向するティース２、の面からバックヨーク３、に至るまでの距離を中心線に対して左右対称のスリット４、２本でティースを３分割し磁気回路を形成した図である。
更に、当該鉄心の円周３６０°を鉄心の磁極数で割った角度を磁極の単位角度θとし、そのθの４分の１の分割線をＡとし、２分の１の分割線をＢとして、ティースのスロット開口部の端と分割線Ａの角度をθａ１とし、スリット開口部の端と分割線Ａの角度をθａ２として、ティースの中央磁路のスリット開口部の端と分割線Ｂの角度をθｂとして、θａ１／θａ２と２θａ２／θｂの値が等しいか、ほぼ等しくなる条件と、２θｂ／θａ２とθａ１／θａ２の値の和と或いは、２θｂ／θａ２と２θａ２／θｂの値の和が限りなく４に近くなる事を満たす事を特徴とする回転電機の鉄心である。
従来の技術によれば、上記の様な３極のステータ磁極と２極の永久磁石ローターの実施例の場合、コギングトルクの基本周波は、ステータ磁極の３極と永久磁石ローターの２極の最小公倍数である６周波となり１周波の角度は６０度である。
次に、本件発明によれば、コギングトルクの基本周波の２倍である第２高調波を発生して１２周波とする事が目的であり、この時の１周波の角度は３０度である。
即ち、前記の鉄心に於ける３０°毎のローター回転位置の磁気回路と磁力線を検証すると図３と図４の２種類の磁気回路である事が分かる。
即ち、この２種類の磁気回路に於ける磁石による引力が等しくなり均衡した状態になる時に、第２高調波が発生しコギングトルクが最小になる事が考慮される。
即ち、図３と図４の場合に於いて、正弦波の配向を有する２極の磁石ローターのベクトル場をそれぞれ解析した結果、当該鉄心の円周３６０°を鉄心の磁極数で割った角度を磁極の単位角度θとし、そのθの４分の１の分割線をＡとし、２分の１の分割線をＢとして、ティースのスロット開口部の端と分割線Ａの角度をθａ１とし、スリット開口部の端と分割線Ａの角度をθａ２として、ティースの中央磁路のスリット開口部の端と分割線Ｂの角度をθｂとして、θａ１／θａ２と２θａ２／θｂの値が等しいか、ほぼ等しくなる条件と、２θｂ／θａ２とθａ１／θａ２の値の和と或いは、２θｂ／θａ２と２θａ２／θｂの値の和が限りなく４に近くなる事を満たした時に、この２種類の磁気回路に於ける磁石による引力が等しくなり均衡した状態となりコギングトルクは最小値となる。
即ち、図３に示した磁力線Ｌ（一点鎖線）と磁力線Ｍ（破線）と磁力線Ｓ（実線）の磁力による引力の和と、図４に示した磁力線Ｌ（一点鎖線）と磁力線Ｍ（破線）と磁力線Ｓ（実線）の引力の総和が等しくなり、この時、第２高調波が発生して図５に示すようにローターのコギングトルクは最小値となる。
更に、前記の第２高調波を発生する為の条件となる数値をより高精度に満たす為に、スリット幅βがスロット開口部の間隔αの１／３の幅である事を特徴とする回転電機の鉄心が考慮される。
更に、コギングトルクを更に平滑化する為に、１スロットピッチの角度の１／４をスキューした事を特徴とする回転電機の鉄心が考慮される。
図２は、ステータ磁極数とローター磁極数の比が３対２である回転電機の鉄心に於いて６極のステータ磁極と４極の永久磁石ローターのアウターローター実施例の一例である。
上記の記述は実施例の一例であり、３の倍数のステータ磁極数と２の倍数の磁極数の永久磁石ローターであり、ステータ磁極数とローター磁極数の比が３対２である回転電機の鉄心であればどの様な極数でもよい、又、鉄心材質も電磁鋼板を積層した物や圧粉鉄心等どの様な素材でもよい。
以上、詳述した如く高効率化が要望される回転電機に於いて、回転電機のローターのコギングトルクを低減して安定した回転トルクを実現し特性を向上させる事により、小型で高効率、高出力を可能とし理想的特性を得る事の出来る回転電機の鉄心ある。
１ 鉄心
２ ティース
３ バックヨーク
４ スリット
５ スロット
６ 磁石ローター
７ 補助溝
Ｌ 磁力線（一点鎖線）
Ｍ 磁力線（破線）
Ｓ 磁力線（実線）
２ ティース
３ バックヨーク
４ スリット
５ スロット
６ 磁石ローター
７ 補助溝
Ｌ 磁力線（一点鎖線）
Ｍ 磁力線（破線）
Ｓ 磁力線（実線）
Claims (1)
- ３の倍数のステータ磁極数と２の倍数の磁極数であり、正弦波の配向を有するローターの磁極間に間隙の無い永久磁石ローターであり、ステータ磁極数とローター磁極数の比が３対２である回転電機の鉄心に於いて、磁石面に対向するティースの面からバックヨークに至るまでの距離を中心線に対して左右対称のスリット２本でティースを３分割し、当該鉄心の円周３６０°を鉄心の磁極数で割った角度を磁極の単位角度θとし、そのθの４分の１の分割線をＡとし、２分の１の分割線をＢとして、ティースのスロット開口部の端と分割線Ａの角度をθａ１とし、スリット開口部の端と分割線Ａの角度をθａ２として、ティースの中央磁路のスリット開口部の端と分割線Ｂの角度をθｂとして、θａ１／θａ２と２θａ２／θｂの値が等しくなる条件と、２０ｂ／θａ２とθａ１／θａ２の値の和と或いは、２θｂ／θａ２と２θａ２／θｂの値の和が限りなく４に近くなる事を満たす事を特徴とする回転電機の鉄心。
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