JP5556037B2

JP5556037B2 - 同期電動機

Info

Publication number: JP5556037B2
Application number: JP2009076527A
Authority: JP
Inventors: 勉谷本
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2009-03-26
Filing date: 2009-03-26
Publication date: 2014-07-23
Anticipated expiration: 2029-03-26
Also published as: JP2010233308A

Description

本発明は、同期電動機に関する。

従来、トルク密度を向上させた同期電動機が知られている。この同期電動機では、固定子と回転子との空隙、又は、回転子内の空隙を円周方向に対して不均一に設け、磁石トルクが最大となる電流位相と、リラクタンストルクとが最大となる電流位相を近づけることにより、トルク密度を向上させている（例えば特許文献１及び２参照）。

特開平９−１８２３３０号公報特開２００４−３２９４７号公報

しかし、従来の同期電動機の場合、空隙が円周方向に不均一に設けられているため、回転子の回転方向、力行、及び回生によって、回転数対トルク特性が異なってしまうため、トルク密度の向上につながらない可能性があった。

本発明はこのような従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、トルク密度を向上させることが可能な同期電動機を提供することにある。

本発明の同期電動機は、磁束発生部材を有する回転子と、電流磁界を回転させることができるように電流が与えられる固定子と、を備えた同期電動機であって、前記回転子と前記固定子との間の空隙において、前記回転子から前記固定子に向かう磁束を発生させるＮ極磁束発生部材と、前記固定子から前記回転子に向かう磁束を発生させるＳ極磁束発生部材と、を有し、前記Ｎ極磁束発生部材から発生し、前記空隙に現れる回転子回転方向の磁束の幅ｗｎと、前記Ｓ極磁束発生部材から発生し、前記空隙に現れる回転子回転方向の磁束の幅ｗｓとが異なっており、前記Ｎ極磁束発生部材及び前記Ｓ極磁束発生部材により発生する磁束が前記固定子又は前記回転子を構成する磁性体を通過する磁束密度は、前記磁性体の飽和磁束密度を超えず、前記磁束の幅ｗｎと前記磁束の幅ｗｓとの和を一定とした場合に、ギャップ磁束密度が最大値となるように前記磁束の幅ｗｎと前記磁束の幅ｗｓとの比を決定することを特徴とする。

本発明によれば、Ｎ極磁束発生部材から発生する磁束の回転子回転方向の幅と、Ｓ極磁束発生部材から発生する磁束の回転子回転方向の幅とが異なっている。このため、Ｎ極磁束発生部材から発生する磁束の回転子回転方向の幅と、Ｓ極磁束発生部材から発生する磁束の回転子回転方向の幅とが同じ場合と比較して、基本波磁束密度が高くなり、通電した際に得られるトルクが大きくなる。従って、トルク密度を向上させることができる。

本実施形態の同期電動機を示す構成図であり、電動機の回転軸方向に対して垂直な平面で切ったときの断面を示している。本実施形態に係る同期電動機のギャップ磁束密度波形を示すグラフである。第１永久磁石と第２永久磁石との幅が同一の場合におけるギャップ磁束密度波形を示すグラフである。第１永久磁石と第２永久磁石との幅の比を変化させたときのギャップ磁束密度実効値を示す第１のグラフである。第１永久磁石と第２永久磁石との幅の比を変化させたときのギャップ磁束密度実効値を示す第２のグラフである。第２実施形態に係る同期電動機を示す構成図であり、電動機の回転軸方向に対して垂直な平面で切ったときの断面を示している。第３実施形態に係る同期電動機を示す構成図であり、電動機の回転軸方向に対して垂直な平面で切ったときの断面を示している。

以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において同一又は同様の要素には同一の符号を付して説明を省略する。

図１は、本実施形態の同期電動機を示す構成図であり、電動機の回転軸方向に対して垂直な平面で切ったときの断面を示している。図１に示すように、同期電動機１は、固定子２と、固定子巻線３と、回転子４と、第１永久磁石（Ｎ極磁束発生部材）５と、第２永久磁石（Ｓ極磁束発生部材）６と、シャフト７とを備え、固定子２に電流磁界を回転させることができるように電流が与えられることにより、磁束発生部材５，６を有する回転子を回転させるものである。

固定子２は、磁性体の電磁鋼板が積層されて構成されたものである。固定子巻線３は、固定子２の突極部に巻回されており、通電さることにより磁束を発生させるものである。回転子４は、磁性体の電磁鋼板が積層されて構成されたものであり、固定子２とは一定の空隙だけ離れて配置され回転する構成となっている。第１永久磁石５は、回転子４のスリットに埋め込まれ、固定子２側にＮ極を有する磁石である。第２永久磁石６は、回転子４のスリットに埋め込まれ、固定子２側にＳ極を有する磁石である。シャフト７は、図示しない軸受で支持されており、回転子４と共に回転するものである。

特に、本実施形態において第１永久磁石５の回転方向幅がｗｎであるのに対し、第２永久磁石６の回転方向幅はｗｓとなっており、異なっている。これにより、両者の磁束幅が異なることとなる。なお、ｗｎ＞ｗｓであり、両磁石５，６の磁気特性、及び半径方向と軸方向の寸法は同一である。

次に、本実施形態に係る同期電動機１のトルク密度向上について説明する。図２は、本実施形態に係る同期電動機１のギャップ磁束密度波形を示すグラフである。第１永久磁石５は第２永久磁石６と比べると幅が広いため発生する磁束も多く、その磁束が幅の狭い永久磁石６に集中して通るため、ギャップ磁束密度は永久磁石６付近の方が高くなる。このため、図２に示すように波形に隔たりが生じる。

図３は、第１永久磁石５と第２永久磁石６との幅が同一の場合におけるギャップ磁束密度波形を示すグラフである。第１永久磁石５と第２永久磁石６との幅ｗｎ，ｗｓが同一の場合、両者の永久磁石５，６が発生する磁束も同一のため、ギャップ磁束密度も両永久磁石付近で同一の波高値を示すこととなる。

図４は、第１永久磁石５と第２永久磁石６との幅の比を変化させたときのギャップ磁束密度実効値を示す第１のグラフである。なお、図４に示すグラフでは、磁気飽和の影響を無視した場合の特性を示している。また、図４ではｗｎ＋ｗｓ＝Ｃ（Ｃは一定の値）をいう条件としている。第１永久磁石５と第２永久磁石６との幅ｗｎ，ｗｓを変化させた場合、第２永久磁石６の回転方向幅ｗｓに対する第１永久磁石５の回転方向幅ｗｎの比が大きくなるほど、ギャップ磁束密度実効値が高くなる傾向にある。このため、同じ実効値の電流を通電した場合、より大きなトルクを得ることができ、トルク密度やモータ効率の向上が見込める。

図５は、第１永久磁石５と第２永久磁石６との幅の比を変化させたときのギャップ磁束密度実効値を示す第２のグラフである。なお、図５に示すグラフでは、磁気飽和の影響を考慮した場合の特性を示している。また、図５ではｗｎ＋ｗｓ＝Ｃ（Ｃは一定の値）をいう条件としている。図４に示したように、第２永久磁石６の回転方向幅ｗｓに対する第１永久磁石５の回転方向幅ｗｎの比が大きくなるほど、ギャップ磁束密度実効値が高くなる傾向にある。しかし、幅が短くなった方の永久磁石６付近の磁束密度が高くなるので、電磁鋼板の磁気飽和が発生してしまう。このため、電磁鋼板の飽和磁束密度以上に磁束を集中させてもギャップ磁束密度は増加せず、図５に示すように、第１永久磁石５の回転方向幅ｗｎと第２永久磁石６の回転方向幅ｗｓとの比には最適値が存在する。すなわち、Ｗｎ：Ｗｓ＝４：１程度とすることが最適といえる。このような理由から、本実施形態では、第１永久磁石５及び第２永久磁石６により発生する磁束が固定子２又は回転子４を構成する磁性体を通過する磁束密度は、磁性体の飽和磁束密度を超えないようにされている。これにより、磁気飽和による基本波磁束密度の低下を抑えることができ、より一層トルク密度を向上させることができる。

なお、本実施形態では、第１永久磁石５の方が第２永久磁石６よりも回転方向幅が大きくなっているが、これに限らず、第２永久磁石６の方が回転方向幅が大きくなっていてもよい。また、本実施形態では第１永久磁石５と第２永久磁石６の磁気特性を同一としたが、異なる特性の永久磁石を使用してもよい。例えば幅の広い方の永久磁石に安価な磁石を使用することで材料コストを低減できる。

このようにして、本実施形態に係る同期電動機１によれば、第１永久磁石５から発生する磁束の回転子回転方向の幅と、第２永久磁石６から発生する磁束の回転子回転方向の幅とが異なっている。このため、第１永久磁石５から発生する磁束の回転子回転方向の幅と、第２永久磁石６から発生する磁束の回転子回転方向の幅とが同じ場合と比較して、基本波磁束密度が高くなり、通電した際に得られるトルクが大きくなる。従って、トルク密度を向上させることができる。

また、磁性体を通過する磁束密度は磁性体の飽和磁束密度を超えないため、磁気飽和による基本波磁束密度の低下を抑えることができ、より一層トルク密度を向上させることができる。

また、第１永久磁石５と第２永久磁石６とは磁気特性が異なるため、一方の磁束発生部材を安価なものにするなど可能となり、コスト低減につなげることができる。

次に、本発明の第２実施形態を説明する。第２実施形態に係る同期電動機は第１実施形態のものと同様であるが、一部構成が異なっている。以下、第１実施形態との相違点を説明する。

図６は、第２実施形態に係る同期電動機１ａを示す構成図であり、電動機の回転軸方向に対して垂直な平面で切ったときの断面を示している。図６に示すように、第１永久磁石５が平板形状とされているのに対し、第２永久磁石６は第１部材６ａと第２部材６ｂとによって構成されてＶ字形状となっている。

このように配置形状を異ならせることによっても、図５に示したようなＮ極磁極幅ｗｎとＳ極磁極幅ｗｓに差を設けることが可能となり、第１実施形態と同様の効果が得られる。なお、永久磁石５，６ａ，６ｂは全て同一形状となっていることが望ましい。これにより、製造コストの低減も見込めるためである。さらに、第１永久磁石５をＶ字形状とし、第２永久磁石６を平板形状としてもよい。

このようにして、第２実施形態に係る同期電動機１ａによれば、第１実施形態と同様に、トルク密度を向上させることができる。

さらに、第２実施形態によれば、第１永久磁石５と第２永久磁石６とは、一方が平板形状であり、他方がＶ字形状となっている。このため、例えば第１永久磁石５と第２永久磁石６とを、１種類の形状且つ１種類の磁気特性としたとしても、トルク密度を向上させることができ、トルク密度の向上にあたり製造コストを抑えることができる。

次に、本発明の第３実施形態を説明する。第３実施形態に係る同期電動機は第１実施形態のものと同様であるが、一部構成が異なっている。以下、第１実施形態との相違点を説明する。

図７は、第３実施形態に係る同期電動機１ｂを示す構成図であり、電動機の回転軸方向に対して垂直な平面で切ったときの断面を示している。図７に示すように、第１永久磁石５と第２永久磁石６とは、それぞれの外周端部から、固定子２と回転子４との空隙までの距離であるブリッジ幅が、異なっている。具体的に、第１永久磁石５の外周端部から空隙までの半径方向距離はｔｎであり、第２永久磁石６の外周端部から空隙までの半径方向距離はｔｓであり、ｔｎ＞ｔｓとなっている。

永久磁石５，６から空隙までの距離ｔｎ，ｔｓが異なることにより、空隙側を通過せず回転子４内で短絡する磁束の量が、永久磁石５と永久磁石６で差が生じるため、ギャップ磁束密度の波高値や永久磁石付近のギャップ磁束密度の波高値に差が生じ、第１実施形態例と同様の効果が得られる。更に、永久磁石５と永久磁石６に異なる特性の磁石を用いた場合、半径方向距離の大きい方に密度の高い永久磁石を配置することで、回転強度の向上も見込める。

さらに、第３実施形態では、固定子２に巻き回された巻線３に対し電気角周波数の電流を通電するのに加えて、電気角周波数の２倍以上の高周波数電流を通電するようになっている。これにより、一層トルクを向上させることができるからである。

なお、上記の高周波数とは、固定子２と回転子４との空隙の磁束密度の高周波成分のうち、最大となる周波数と同一であることが望ましい。トルク向上について最大化を図ることができるからである。

このようにして、第３実施形態に係る同期電動機１ｂによれば、第１実施形態と同様に、トルク密度を向上させることができる。

また、第１永久磁石５と第２永久磁石６とは、それぞれの外周端部から、固定子２と回転子４との空隙までの距離が、異なっている。このため、例えば密度の高い磁束発生部材側のブリッジ幅を厚くすることで、トルク密度を向上させつつ、回転子の回転強度を向上させることができる。

また、固定子２に巻き回された巻線３に、電気角周波数の電流に加えて、電気角周波数の２倍以上の高周波数電流を通電するため、一層トルクを向上させることができる。

また、高周波数とは、固定子と回転子との空隙の磁束密度の高周波成分のうち、最大となる周波数と同一であるため、トルク向上について最大化を図ることができる。

以上、実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限られるもので
はなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、変更を加えてもよい。

１，１ａ，１ｂ…同期電動機
２…固定子
３…固定子巻線
４…回転子
５…第１永久磁石（Ｎ極磁束発生部材）
６…第２永久磁石（Ｓ極磁束発生部材）
７…シャフト

Claims

磁束発生部材を有する回転子と、電流磁界を回転させることができるように電流が与えられる固定子と、を備えた同期電動機であって、
前記回転子と前記固定子との間の空隙において、前記回転子から前記固定子に向かう磁束を発生させるＮ極磁束発生部材と、前記固定子から前記回転子に向かう磁束を発生させるＳ極磁束発生部材と、を有し、
前記Ｎ極磁束発生部材から発生し、前記空隙に現れる回転子回転方向の磁束の幅ｗｎと、前記Ｓ極磁束発生部材から発生し、前記空隙に現れる回転子回転方向の磁束の幅ｗｓとが異なっており、
前記Ｎ極磁束発生部材及び前記Ｓ極磁束発生部材により発生する磁束が前記固定子又は前記回転子を構成する磁性体を通過する磁束密度は、前記磁性体の飽和磁束密度を超えず、
前記磁束の幅ｗｎと前記磁束の幅ｗｓとの和を一定とした場合に、ギャップ磁束密度が最大値となるように前記磁束の幅ｗｎと前記磁束の幅ｗｓとの比を決定する
ことを特徴とする同期電動機。
前記Ｎ極磁束発生部材と前記Ｓ極磁束発生部材とは、一方が平板形状であり、他方がＶ字形状となっている
ことを特徴とする請求項１に記載の同期電動機。
前記Ｎ極磁束発生部材と前記Ｓ極磁束発生部材とは、それぞれの外周端部から、前記固定子と前記回転子との空隙までの距離であるブリッジ幅が、異なっている
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の同期電動機。
前記Ｎ極磁束発生部材と前記Ｓ極磁束発生部材とは磁気特性が異なる
ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の同期電動機。
前記固定子に巻き回された巻線に対し電気角周波数の電流を通電するのに加えて、前記電気角周波数の２倍以上の高周波数電流を通電する
ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の同期電動機。
前記高周波数とは、前記固定子と前記回転子との空隙の磁束密度の高周波成分のうち、最大となる周波数と同一である
ことを特徴とする請求項５に記載の同期電動機。