JP5663936B2 - 永久磁石式回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、励磁コイルを巻装した固定子と、この固定子と所定の空隙を隔てて対向して回転自在に支持され永久磁石が埋め込まれた回転子とを備えた永久磁石式回転電機に関する。

近年、電動モータの高効率化のため、従来から用いられている誘導電動機に代えて、永久磁石を用いた永久磁石式回転電機が注目を浴び、その適用が拡大している。
この永久磁石式回転電機の一例しとして埋込磁石式回転電機が挙げられる。
この埋込磁石式回転電機は、回転子を構成する回転子コア内に埋込んだ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の高効率回転電機として広く用いられている。
この種の埋込磁石式回転電機としては、１極当たりの永久磁石をロータ半径方向に２層以上に分割し、永久磁石の夫々の端部がロータ外周に近接する位置まで延びるようにロータ中心側に凸の円弧形状に構成し、永久磁石間に磁束の通路を設けるようにした永久磁石埋め込みモータが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特許第２８２３８１７号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載された従来例にあっては、１極当たりの永久磁石を２層構造としてリラクタンストルクを向上させることができるが、永久磁石をロータ中心側に凸の円弧形状とするので、永久磁石とこの永久磁石を収納するスロットとの寸法公差を非常に厳しく管理して製作する必要があり、コストアップに繋がる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、リラクタンストルクを向上させながら製造コストを低減することができる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、本発明の一の形態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自在に支持され永久磁石が埋め込まれた回転子とを備えた永久磁石式回転電機である。
そして、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回転中心軸側から外周側に向かって開くＶ字形状に配置された一対のスロットが半径方向に２層構造となるように形成されている。各スロット内には、円周方向に隣接する磁極が異極性となり且つ当該スロット内の両端に空隙を形成するように永久磁石が挿入保持されている。

また、前記回転子の半径をα〔ｍｍ〕とし、２層構造の外周側永久磁石と内周側永久磁石との磁石間距離をβ〔ｍｍ〕としたとき、磁石間距離比率（β／α）で表される最適距離指標γを設定し、電流値を一定とし、電流位相を所定角度刻みで変化させたとき、トルクが最大となった電流位相について最適距離指標γ及びトルクの関係を表す磁界解析結果を参照して、必要とするトルクに応じた最適距離指標γを決定し、決定した最適距離指標γとなるように磁石間距離β及び前記回転子の半径αを設定している。

さらに、本発明の他の形態に係る永久磁石式回転電機は、前記磁石間距離βを大きくして、前記外周側永久磁石を外周面側へ設置する場合の当該磁石間距離βの上限値が、当該外周側永久磁石の軸方向断面形状が正方形となるときの前記磁石間距離βに設定されている。
また、本発明の他の形態に係る永久磁石式回転電機は、前記回転子の磁極数を６に設定し、前記最適距離指標γがγ≦０．１４に設定されている。
また、本発明の他の形態に係る永久磁石式回転電機は、前記外周側永久磁石の回転子外周側の空隙が三角形状に形成され、前記内周側永久磁石の回転子外周側の空隙が四角形状に形成されている。

本発明によれば、回転子の１磁極当たりの永久磁石配置をＶ字形状としたので、断面直方体の永久磁石を使用することが可能となり、スロットの形成及び永久磁石の製造が容易となるとともに、寸法公差の管理も緩やかとすることができ、低コストで製造することができるという効果を奏する。さらに、永久磁石を半径方向に２層構造とすることでリラクタンストルクを増加させ、小型化が実現できるという効果を奏する。

本発明に係る永久磁石式回転電機の概要を示す断面図である。 図１における回転子のｑ軸磁束の流れを示す断面図である。 本発明に係る永久磁石式回転電機の一実施形態の１磁極分を示す模式図である。 比較例としての１層構造の永久磁石式回転電機の１磁極分を示す模式図である。 最適距離指標とリラクタンストルクとの関係を示す特性線図である。 最適距離指標とトルクとの関係を示す特性線図である。 最適距離指標を最大値としたときの永久磁石式回転電機の１磁極分を示す模式図である。

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は本発明に係る永久磁石式回転電機の概要を示す断面図である。
この図１において、１は埋込磁石式回転電機で構成されている永久磁石式回転電機である。この永久磁石式回転電機１は、例えば円筒状の固定子２と、この固定子２の内周面に所定の空隙３を介して対向し、回転軸４に取付けられて回転自在に支持された回転子５とを備えている。

固定子２は、電磁鋼板を積層して形成した固定子コア６を有する。この固定子コア６は、円筒状のヨーク部７と、このヨーク部７の内周面に円周方向に所定間隔を保って半径方向に延長して形成された多数の固定子スロット８と、これら固定子スロット８間に形成されたティース部９とから構成されている。各ティース部９には励磁コイル１０が集中巻及び分布巻の何れか一方で巻装されている（図１では集中巻とされている）。

回転子５は、電磁鋼板を積層して形成された回転子コア１１を有する。この回転子コア１１は、例えば円周方向に等間隔で４個の磁極１２が形成され、隣接する磁極間で半径方向の着磁方向が逆となるように設定されている。
磁極１２には、回転子コア１１の外周面から内側に頂部が回転中心側となり、外周側に向かって開く内側角φが鈍角のＶ字形状となるように一対の永久磁石スロット１３ａ，１３ｂ及び１４ａ，１４ｂが半径方向に２層構造で軸方向に貫通して形成されている。これら永久磁石スロット１３ａ，１３ｂ及び１４ａ，１４ｂは、磁極１２の円周方向の中心線Ｌｃを中心として線対称に形成されている。

また、各永久磁石スロット１３ａ，１３ｂ及び１４ａ，１４ｂには、例えばネオジウム、サマリウムコバルト等の希土類磁石やフェライト磁石等の永久磁石１５ａ，１５ｂ及び１６ａ，１６ｂが挿通されて接着剤等の固定手段で固定されている。したがって、永久磁石１５ａ及び１５ｂの外周側磁極面が中心線Ｌｃを挟んで互いに対向し、同様に永久磁石１６ａ及び１６ｂの外周側磁極面が中心線Ｌｃを挟んで互いに対向している。
ここで、永久磁石スロット１３ａ，１３ｂ及び１４ａ，１４ｂ内の永久磁石１５ａ，１５ｂ及び１６ａ，１６ｂの内側端部には三角形状の空隙１７ｉが形成され、外側端部には正方形の空隙１７ｏが形成されている。

上記構成を有する永久磁石式回転電機のトルクＴは、下記（１）式で表される。
Ｔ＝Ｐ_nΨ_aｉ_q＋Ｐ_n（Ｌ_d−Ｌ_q）ｉ_dｉ_q …………（１）
ここで、Ｐ_nは極対数、Ψ_aは永久磁石による電機子鎖交磁束、ｉ_dはｄ軸電流、ｉ_qはｑ軸電流、Ｌ_dはｄ軸インダクタンス、Ｌ_qはｑ軸インダクタンスである。
この（１）式において、右辺第１項は永久磁石の作る磁束によるトルクとなり、右辺第２項はリラクタンストルクとなる。
本発明での着眼点は、リラクタンストルクの最大化であり、すなわちｄ軸インダクタンスＬ_dとｑ軸インダクタンスＬ_qとの差を大きくすることである。通常、ｄ軸電流ｉ_dは負とするので、リラクタンストルクを増加させるにはｑ軸インダクタンスＬ_qを大きくし、ｄ軸インダクタンスＬ_dを小さくする。

ここで、図１に示すように、磁極１２の円周方向の中央部をｄ軸とし、このｄ軸から電気角で９０度ずれた位置にｑ軸を定義する。ｑ軸方向を流れるｑ軸磁束Ψ_qは、図２に示すように、外周側永久磁石１６ａ，１６ｂの外周側、外周側永久磁石１６ａ，１６ｂと内周側永久磁石１５ａ，１５ｂとの間及び内周側永久磁石１５ａ，１５ｂの内側を流れる。
このため、内周側永久磁石１５ａ，１５ｂと外周側永久磁石１６ａ，１６ｂとの磁石間距離βの大きさによってｑ軸磁束Ψ_qの流れ易さが変化することは明らかである。
そこで、回転子５の半径をα〔ｍｍ〕とし、内周側永久磁石１５ａ，１５ｂと外周側永久磁石１６ａ，１６ｂとの磁石間距離をβ〔ｍｍ〕としたとき、磁石間距離比率（β／α）に基づいてトルクを最大する最適距離指標γを決定し、決定した最適距離指標γとなるように磁石間距離β及び回転子５の半径αを設定する。

すなわち、一実施例として、図３に示すように、回転子５の極対数を６極とし、固定子２のスロット数を３６とし、固定子２のスロット８にＶ相、Ｗ相及びＵ相の励磁コイル１０を分布巻して永久磁石式回転電機１を構成する。回転子５の構成は、前述した図１と同様にＶ字形状の一対の永久磁石スロット１３ａ，１３ｂ及び１４ａ，１４ｂで構成される２層構造とし、これら永久磁石スロット１３ａ，１３ｂ及び１４ａ，１４ｂ内に断面長方形状の内周側永久磁石１５ａ，１５ｂ及び外周側永久磁石１６ａ，１６ｂを挿通して接着剤等の固定手段で固定されている。

ここで、内周側永久磁石１５ａ，１５ｂの回転子外周側の空隙１７ｏは略四角形状であり、外周側永久磁石１６ａ，１６ｂの回転子外周側の空隙１７ｏは略三角形状である。これにより、永久磁石の表面積を最大とすることが可能となる。なぜならば、内周側永久磁石１５ａ，１５ｂの寸法は、回転子内周側で規定され、外周側永久磁石１６ａ，１６ｂの幅は、回転子外周側で規定されるためである。
この図３の構成を有する永久磁石式回転電機１について磁界解析によってｑ軸インダクタンスＬ_qを求める。
また、比較のため、図４に示す１層モデルすなわち内周側永久磁石１５ａ，１５ｂと外周側永久磁石１６ａ，１６ｂとの間の磁石間距離βを“０”に設定して１対の永久磁石１８ａ，１８ｂを有する永久磁石式回転電機１についても磁界解析を行った。

図５にｑ軸インダクタンスＬ_qの磁気解析結果を示す。ただし、この磁界解析結果では、回転子５の半径をαとし、磁石距離比率（β／α）を最適距離指標γとし、図４の１層モデル（γ＝０）のｑ軸インダクタンスＬ_qの値を“１”とした。
この図５から明らかなように、最適距離指標γの増加によりｑ軸インダクタンスＬ_qが増加することが分かる。しかし、最適距離指標γが０．１を超えるとｑ軸インダクタンスＬ_qは、飽和特性を示し、１．４倍程度までしか増加しないことが分かる。なお、ここでは図示を省略するがｄ軸インダクタンスＬ_dは最適距離指標γが増加しても略一定値であった。

次に、最適距離指標γの増加によるトルクへの影響を磁界解析により求める。
図６に、電流値を一定としたときのトルク解析結果を示す。電流位相は、１０度刻みで変化させて解析を実施した。ここでも、図３の１層モデル（最適距離指標γ＝０）のトルクを“１”としている。
この図６から明らかなように、最適距離指標γがおよそ０から０．０２までの間は、直線状にトルクが増加し、０．０２〜０．０４では略一定となった後、再び増加する。ここで、トルクが最大となった電流位相につき、最適距離指標γが０．０２までは電流位相が３０度でトルクが最大となり、最適距離指標γが０．０４付近においては、トルクが最大となる電流位相が３０度から４０度の間にあるため、最適距離指標γが０．０２〜０．０４の間でトルクが一定となっていると考えられる。

電流位相の解析刻みを小さくすることで、最適距離指標γの増加に対してトルクの増加が単調となると推測する。
そして、最適距離指標γがおよそ０．０８３でトルクが最大となり、その後最適距離指標γの増加に対してトルクが低下していくことが分かる。これは最適距離指標γの増加により、ｑ軸インダクタンスＬ_qが増加してリラクタンストルクが増加する一方、マグネットトルクが低下するためと考えられる。

そして、最適距離指標γが０．１４であるときのモデル断面図は、図７に示すように、外周側永久磁石１６ａ，１６ｂの断面形状は略正方形であり、これ以上最適距離指標γが増大すると、永久磁石を製造できないという問題が生じる。また、仮に永久磁石が製造できたとしても永久磁石が小型となるため、安定して位置を固定することが困難である。したがって、最適距離指標γの最大値は０．１４に設定する。
以上の結果から、トルク増大効果が十分に得られる最適距離指標γを下記（２）式のように選定することにより、トルクが大きくなる埋込磁石式回転電機を得ることができる。
γ≦０．１４ …………（２）
より好ましくは最適距離指数γをトルクが１．０５以上となる下記（３）式の範囲内に設定することが好ましい。
０．０２≦γ≦０．１４ …………（３）

したがって、必要なトルクに応じて上述した図６に基づいて最適距離指数γを決定し、決定された最適距離指数γ（＝β／α）に基づいて回転子５の半径α及び磁石間距離βを決定して、回転子５の半径α及び磁石間距離βに応じた永久磁石式回転電機１を構成する。
なお、図１〜図４及び図７に示す回転子５の隣接する磁極間のブリッジは、漏れ磁束を低減する上で可能な限り細くすることが望ましい。しかし、遠心力による破壊を防止する上で、回転子コアに用いる電磁鋼板の板厚の１倍〜５倍程度に設定することが望ましい。

このように、上記実施形態によると、回転子の１磁極当たりの永久磁石配置をＶ字形状とし、半径方向に２層構造としたので、断面直方体形状の永久磁石を使用することが可能となり、スロットの形成及び永久磁石の製造が容易となるとともに、寸法公差の管理も緩やかとすることができ、低コストで永久磁石式回転機を製造することができる。さらに、永久磁石を半径方向に２層構造とすることでリラクタンストルクを増加させ、小型化が実現できる。
なお、上記実施形態においては、６極３６スロットの永久磁石式回転電機１を構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、任意の極数且つスロット数で永久磁石式回転電機１を構成することができる。

１…永久磁石式回転電機、２…固定子、３…空隙、４…回転軸、５…回転子、６…固定子コア、１２…磁極、１３ａ，１３ｂ，１４ａ，１４ｂ…永久磁石スロット、１５ａ，１５ｂ，１６ａ，１６ｂ…永久磁石、

Claims (4)

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自在に支持され永久磁石が埋め込まれた回転子とを備えた永久磁石式回転電機であって、
   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回転中心軸側から外周側に向かって開くＶ字形状に配置された一対のスロットを半径方向に２層構造となるように形成し、
   前記各スロット内に、円周方向に隣接する磁極が異極性となり且つ当該スロット内の両端に空隙を形成するように永久磁石を挿入保持し、
   前記回転子の半径をα〔ｍｍ〕とし、２層構造の外周側永久磁石と内周側永久磁石との磁石間距離をβ〔ｍｍ〕としたとき、磁石間距離比率（β／α）で表される最適距離指標γを設定し、電流値を一定とし、電流位相を所定角度刻みで変化させたときに、トルクが最大となった電流位相について最適距離指標γ及びトルクの関係を表す磁界解析結果を参照して、必要とするトルクに応じた最適距離指標γを決定し、決定した最適距離指標γとなるように磁石間距離β及び前記回転子の半径αを設定した
   ことを特徴とする永久磁石式回転電機。
2. 前記磁石間距離βを大きくして、前記外周側永久磁石を外周面側へ設置する場合の当該磁石間距離βの上限値が、当該外周側永久磁石の軸方向断面形状が正方形となるときの前記磁石間距離βに設定されている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。
3. 前記回転子の磁極数を６に設定し、前記最適距離指標γをγ≦０．１４に設定したことを特徴とする請求項２に記載の永久磁石式回転電機。
4. 前記外周側永久磁石の回転子外周側の空隙を三角形状に形成し、前記内周側永久磁石の回転子外周側の空隙を四角形状に形成したことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の永久磁石式回転電機。

Images