JP5646119B1 - 永久磁石型回転電機 - Google Patents
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Abstract
Description
図1は、本発明の実施の形態1に係る永久磁石型回転電機を示す横断面図であり、図2は、図1の部分拡大図である。図1及び図2に示すように、実施の形態1の永久磁石型回転電機10は、円筒状の固定子鉄心21の内周部に、ティース22及びスロット23が夫々24個(一般的に、nを1以上の自然数とすると、ティース数は3n個であるが、本発明は、それに限定するものではない。)形成され、スロット23内に巻線が配置されるように、ティース22に巻線が施された固定子20と、シャフト33に支持されて固定子20の中空部にエアギャップを介して配置され、回転子鉄心31の外周部に4個(2n個;nは1以上の自然数)のフェライト磁石32が配置された回転子30と、を備えている。
まず、実施の形態1の永久磁石型回転電機10で用いる磁石材料について説明する。図3は、代表的なフェライト磁石とネオジム磁石の磁気特性曲線であるJ−H曲線及びB−J曲線を示す図である。
次に、実施の形態1の永久磁石型回転電機10のトルク脈動低減効果について説明する。永久磁石型回転電機10のトルクは、フェライト磁石32により発生する誘起電圧と固定子20の巻線に通電する電流の積に概ね比例する。そのため、誘起電圧と通電電流波形が理想的な正弦波形状であれば、発生トルクは一定値となる。しかしながら、誘起電圧に高調波成分が含まれていると、トルク脈動が発生することとなる。
上記のように、一般的には、突起を設けると空隙磁束密度の基本波成分が低下してトルク低下を招く。しかし、実施の形態1の永久磁石型回転電機10では、フェライト磁石32の厚さを厚くすることにより、リラクタンストルクを発生させてトルク低下を回避した。以下、この点について説明する。
次に、突起高さ及び磁石厚さとトルクとの関係について検討する。図8は、実施の形態1の永久磁石型回転電機10におけるパーミアンス係数とトルクとの関係を示す図であり、(8)式を用い、磁石厚さとトルクとの関係について検討した結果である。図8に示すように、磁石厚さLmが厚くなるに伴ってトルクTが向上しており、磁石厚さLm/エアギャップ長gmが25付近で最大値に収束している。但し、磁石厚さLmを厚くすると磁石使用量が増加するため、磁石コストの増加につながる。そのため、トルクTを向上しつつ、磁石使用量を最小化し、減磁を回避するため、実施の形態1の永久磁石型回転電機10では、磁石厚さLm/エアギャップ長gmを10以上とすることとした。
次に、図9を参照して、磁石厚さLmと突極比(Lq/Ld)について説明する。図9は、実施の形態1の永久磁石型回転電機10におけるパーミアンス係数と突極比(Lq/Ld)との関係を示す図であり、(6)式及び(7)式を用い、磁石厚さLmとリラクタンストルクTrの関係について検討した結果である。図9に示すように、磁石厚さLmの増加に伴い、突極比(Lq/Ld)も増加している。図6に示したように、突起幅を増加させることにより、マグネットトルクTmは減少するが、トータルトルクTにはあまり変化がない。これは、実施の形態1の永久磁石型回転電機10では、磁石厚さLm/エアギャップ長gm=パーミアンス係数Pcを約10としたことにより、表面磁石型回転電機であっても突極比(Lq/Ld)を向上させることでリラクタンストルクTrを有効活用できているためである。
次に、フェライト磁石32の外周面の曲率半径R1を変更することによるトルク脈動低減について説明する。(2)式及び図5は、フェライト磁石32の外周面の曲率半径R1が回転子半径R0と同一と仮定した場合の検討結果であったが、実施の形態1の永久磁石型回転電機10では、フェライト磁石32の外周面の曲率半径R1を、回転子半径R0よりも小さくすることにより、更なるトルク脈動低減を図った。
<磁石端部形状の変更>
図11は、本発明の実施の形態2に係る永久磁石型回転電機を示す横断面図であり、図12は、実施の形態2の永久磁石型回転電機の回転子の拡大横断面図である。実施の形態2の永久磁石型回転電機210は、極数が4、スロット数が24、相数が3、毎極毎相のスロット数が2の回転電機である。
<突起部の形態1>
図13は、本発明の実施の形態3に係る永久磁石型回転電機の回転子を示す拡大横断面図である。実施の形態1の永久磁石型回転電機10は、突起部34を有する回転子鉄心31を電磁鋼板を複数枚積層して形成しているが、実施の形態3の回転子330は、回転子鉄心331と突起部334とを別々に分割して形成した後、一体化している。具体的には、回転子鉄心331は電磁鋼板を複数枚積層して形成し、突起部334は、塊状鉄心により形成している。このような構造とすることにより、小型回転電機等の場合、突起部334の幅寸法が小さく、電磁鋼板の打ち抜きが難しい場合や、強度確保が困難な場合にも突起部334を形成することが可能となる。これにより、小型回転電機等であっても、低トルク脈動化と高トルク化が実現可能となる。
<突起部の形態2>
図14は、本発明の実施の形態4に係る永久磁石型回転電機の回転子を示す拡大横断面図である。実施の形態3の回転子330は、回転子鉄心331を、電磁鋼板を複数枚積層して形成し、突起部334を、塊状鉄心により形成したが、実施の形態4の回転子430は、回転子鉄心431及び突起部434を、塊状鉄心により形成した後、ボルト締結等により一体化している(図示は省略)。このような構造とすることにより、電磁鋼板の打ち抜きが難しい場合等にも、回転子430を形成することが可能となる。
<永久磁石形状>
図15は、本発明の実施の形態5に係る永久磁石型回転電機の回転子を示す拡大横断面図である。実施の形態1〜4の回転子30、230、330、430では、回転子鉄心31、231、331、431の外周面及びフェライト磁石32、232、332、432の内周面は、円弧面形状としているが、実施の形態5の回転子530では、回転子鉄心531の外周面及びフェライト磁石532の内周面を平面形状とした。これにより、フェライト磁石532の加工が容易になり、フェライト磁石532の低コスト化を図ることができる。
<センサレス駆動>
通常の永久磁石型回転電機では、回転子の回転位置に基づいて固定子の巻線に電流を通電する必要があるため、光学式エンコーダ等の位置センサが必要である。しかしながら、本発明の永久磁石型回転電機は、突極性を有しているので、回転電機の突極比で回転子の回転位置をセンシングすることが可能である。そのため、実施の形態6では、位置センサを用いずに回転電機を駆動することとした。これにより、回転電機の小型化や信頼性を向上(故障の可能性のある部品の削減)させることができる。
Claims (8)
- 円筒状の固定子鉄心の内周部に複数個のティース及びスロットが形成され、前記スロット内に巻線が配置されるように前記ティースに巻線が施された固定子と、
回転子鉄心の外周部に2n個以上(nは1以上の自然数)の放射状の突起部が設けられ、前記突起部間にフェライト磁石が配置され、前記固定子の中空部にエアギャップを介して配置された回転子と、
を備える永久磁石型回転電機において、
前記突起部の突出方向に対する垂直方向の該突起部の側面と前記フェライト磁石の端部とが、前記突出方向に沿った形状になっており、
前記突起部の径方向の高さを、前記フェライト磁石の中央部の厚さよりも低く、かつ、前記フェライト磁石の端部の厚さよりも高くし、
前記フェライト磁石の中央部の厚さをLm、前記突起部の径方向の高さをLt、前記フェライト磁石の端部の厚さをLme、とすると、Lm>Lt>Lme、としたことを特徴とする永久磁石型回転電機。 - 前記突起部の周方向の突起幅を、磁極ピッチ(=π×回転子外径/極数)の5から11%の範囲としたことを特徴とする請求項1に記載の永久磁石型回転電機。
- 前記フェライト磁石の中央部の厚さを、前記固定子と回転子との間のエアギャップ長の10倍以上としたことを特徴とする請求項1に記載の永久磁石型回転電機。
- 前記フェライト磁石の外周面の曲率半径を、前記回転子の半径の60から100%の範囲としたことを特徴とする請求項1に記載の永久磁石型回転電機。
- 前記突起部の端部の角部のR形状の曲率半径をR2、前記フェライト磁石の固定子鉄心側の角部のR形状の曲率半径をR3、フェライト磁石の回転子鉄心側の角部のR形状の曲率半径をR4、とすると、R2<R3<R4、としたことを特徴とする請求項1に記載の永久磁石型回転電機。
- 前記回転子鉄心は電磁鋼板を複数枚積層して形成し、かつ、前記突起部を塊状鉄心により形成した後、両者を一体化した、又は、前記回転子鉄心及び前記突起部を塊状鉄心により形成した後、ボルト締結により一体化したことを特徴とする請求項1に記載の永久磁石型回転電機。
- 前記回転子鉄心の外周面及び前記フェライト磁石の内周面を平面形状としたことを特徴とする請求項1に記載の永久磁石型回転電機。
- 前記回転子の回転位置を検出する位置センサを用いずに駆動されることを特徴とする請求項1から7のいずれか1項に記載の永久磁石型回転電機。
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