JP5733583B2 - 永久磁石同期電動機 - Google Patents
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Description
その構成としては、少なくともこれら2個の同極の永久磁石が、固定子と対向する回転子の円筒面の所定位置に露出させて均等に配置され、少なくとも2個の同極の永久磁石の配置位置とは別の位置の円筒面の円周方向に沿って、制動巻線としてのかご形巻線を分割した分割かご形巻線が配置され、永久磁石の一方の斜め端部が、その一方の斜め端部と隣接した分割かご形巻線を構成する導体の斜め端部で上から押えられ、永久磁石の他方の斜め端部が、その他方の斜め端部と隣接した分割かご形巻線を構成する導体の斜め端部で上から押えられることで、永久磁石を回転子に固定するようにしたものである。
1.電動機の構成の説明(図1〜図3)
2.駆動回路の説明(図4)
3.回転動作の説明(図5〜図8)
4.変形例の説明(図9,図10,図11)
まず、図1〜図3を参照して、本実施の形態の電動機の構成について説明する。
本実施の形態の電動機は、図1に断面で示すように、鉄心102に同極の永久磁石110a,110bが取り付けられた回転子100と、回転子100の周囲に配置された多相巻線(3相交流巻線202)を備えた固定子200とで構成された永久磁石同期電動機としたものである。多相巻線である3相交流巻線202には、3相交流が印加されて、回転磁界が生成される。
図2は、回転子100を固定子200から外した状態で示してあり、図3はさらにその回転子100を構成する各部材を分解して示した図である。
図2に示すように、回転子100は、回転軸101を、円筒形の鉄心102の中心に取り付けてある。円筒形の鉄心102の外周面である円筒面には、2つの永久磁石110a,110bを、等間隔に配置してある。2つの永久磁石110a,110bは、同極で同一形状であり、回転軸101に取り付けられた鉄心102の長さとほぼ等しい長さの細長い短冊状としてあり、鉄心102の円筒面に沿って湾曲した形状としてある。そして、湾曲した永久磁石110a,110bの外周面が外側に露出し、図1に示した固定子200側のスロット201と対向する。この例では、図1に示したように、各永久磁石110a,110bの外側をN極とし、内側(鉄心102と接する側)をS極としてある。
かご形巻線部120a,120bの形状としては、例えばかご形巻線部120aは、図3に示すように、8本の導体棒121aの一端及び他端を、導体枠122aの2つの導体棒支持部123aで支持する形状としてある。但し、図3ではかご形巻線部を鉄心102から離して示してあるが、実際には8本の導体棒121aは、鉄心102の外周面から若干内側に入った位置の鉄心102に設けた透孔103内に配置してあり、導体棒121aと導体枠122aとが接合した状態で鉄心102から離すことはできない。
従って、回転子100は、円筒面の配置状態が、永久磁石110a,かご形巻線部120a,永久磁石110b,かご形巻線部120bの順序で配置され、永久磁石とかご形巻線とが円筒面に交互に配置された状態となる。
図1に示すように、かご形巻線部120a,120bの導体棒121a,121bが配置される角度範囲θ1,θ3と、各永久磁石110a,110bとその脇の導体枠122a,122bが配置される角度範囲θ2,θ4とは、ほぼ等しくしてある。即ち、図1に示すように、8本の導体棒121aが配置された角度範囲を角度θ1とし、永久磁石110bとその左右の脇の導体枠122a,122bとが配置された角度範囲を角度θ2とし、8本の導体棒121bが配置された角度範囲を角度θ3とし、永久磁石110aとその左右の脇の導体枠122a,122bとが配置された角度範囲を角度θ4とする。このとき、この4つの角度θ1〜θ4は、約90°でほぼ等しくする。
このように構成した回転子100で生成される磁界については後述する。
図4は、本実施の形態の電動機の駆動回路構成例を示した図である。
電源入力部1から供給された電源に基づいて、電圧と周波数を変化できるインバータ回路2で3相交流を生成させる。インバータ回路2で生成される3相交流の周波数は、周波数指令生成部5からの指令で設定される。周波数指令生成部5での周波数指令は、速度指令入力端子4に得られる速度指令に基づいて生成される。
次に、本実施の形態の電動機を回転させる際の動作例について、図5〜図9を参照して説明する。
電動機を回転駆動させる起動時には、一定の周波数の3相交流を3相交流巻線202に印加する。この3相交流巻線202への3相交流の印加で、回転磁界H21,H22,H23,H24が発生する。
図7は、この4つの回転磁界の生成状態の概要を示した図である。回転子100が静止した状態で、固定子200側で3相交流巻線202に3相交流電流を流すことで回転磁界H21,H22,H23,H24を生成させることができ、かご形巻線部120a,120bに電流I11〜I18が誘導される。図7の状態では,電流I11,I13,I15,I17と電流I12,I14,I16,I18の流れる方向は逆方向となる。
この4つの固定子巻線による回転磁界H21,H22,H23,H24と電流I11〜I18との間で電磁力が発生して回転子100が回転をするようになり、誘導電動機として始動して加速する。
図8は、永久磁石110a,110bによる磁界を示したものであり、永久磁石110aを中心として、2つの磁界H11,H12が生成され、もう1つの永久磁石110bを中心として、2つの磁界H13,H14が生成される。
同期運転状態では、この永久磁石110a,110bによる磁界が回転磁界と作用して、同期電動機として機能するようになる。
なお、負荷変動により速度が変化しても、制動巻線であるかご形巻線の効果で、同期はずれを起こすことなく直ぐに同期運転状態に復帰できる。また、高速回転で定電圧運転領域に入るとしばらくは進み電流で動作するが、トルクが不足すると誘導電動機として動作するようになり、周波数が増加すると弱め界磁運転が自動的に行われる。
起動時の誘導電動機としては、回転速度が同期速度に近づくことで、すべりsが0に近づき、ある程度0に近づいた値Taになったとき、同期運転での値Tbに引き込まれ、同期運転状態では、すべりsが0で所定のトルクが発生した効率のよい運転状態となる。この特性曲線は、磁石の幅や厚さ、かご形巻線などの設計により自由に設定することができる。
特性T2,T3,T4は、本実施の形態の例の電動機のトルク[N-m]とすべりsを示したものであり、いずれも特性T1の誘導機と同じ定格トルクである、23.6N-mとなるように構成した例である。
特性T2は、磁石の配置角度30度で磁石厚さ5mmの場合の特性例である。特性T3は、磁石の配置角度40度で磁石厚さ2.3mmの場合の特性例である。特性T4は、磁石の配置角度50度で磁石厚さ1.9mmの場合の特性例である。
本実施の形態の各例の場合、いずれも誘導機として始動し同期電動機として運転することができることがわかる。
このため、インバータ回路2で生成させる3相交流の周波数を制御するだけで、回転速度を自由にかつ正確に制御できる。従来、同期電動機で回転速度制御をするためには回転位置を検出してベクトル制御演算等をして周波数と電圧や位相を制御する必要があったが、そのような複雑な構成は全く必要なく、3相交流の電圧と周波数だけを可変させれば対処でき、廉価な汎用インバータを使用したオープンループ運転が可能になる。
なお、図1〜図3に示した構成の回転子100は、4極構造の回転子としたが、他の極数の構造の回転子として構成させてもよい。
図9は、3個の同極の永久磁石を均等に配置した6極構成の回転子の例である。
図9に断面で示した回転子300は、円周面に永久磁石310a,310b,310cを均等に配置してあり、永久磁石310aと永久磁石310bとの間に、かご形巻線部320aを配置し、永久磁石310bと永久磁石310cとの間に、かご形巻線部320bを配置し、永久磁石310cと永久磁石310aとの間に、かご形巻線部320cを配置して、合計で3個のかご形巻線部320a〜320cを配置した例である。
この場合、図9に示すように、各永久磁石310a,310b,310cとその脇の導体枠322a,322b,322cが配置される角度範囲θ11,θ13,θ15と、各かご形巻線部320a,320b,320cの導体棒321a,321b,321cが配置される角度範囲θ12,θ14,θ16とは、ほぼ等しくしてある。
図10に断面で示した回転子400は、円周面に永久磁石410a,410b,410c,410dを均等に配置してあり、永久磁石410aと永久磁石410bとの間に、かご形巻線部420aを配置し、永久磁石410bと永久磁石410cとの間に、かご形巻線部420bを配置し、永久磁石410cと永久磁石410dとの間に、かご形巻線部420cを配置し、永久磁石410dと永久磁石410aとの間に、かご形巻線部420dを配置して、合計で4個のかご形巻線部420a〜420dを配置した例である。
この場合、図10に示すように、各永久磁石410a,410b,410c,410dとその脇の導体枠422a,422b,422c,422dが配置される角度範囲θ21,θ23,θ25,θ27と、各かご形巻線部420a,420b,420c,420dの導体棒421a,421b,421c,421dが配置される角度範囲θ22,θ24,θ26,θ28とは、ほぼ等しくしてある。
なお、制動巻線であるかご形巻線は、図3に示したように複数本の導体棒と、その導体棒を支える導体枠で分割して分割かご形巻線として構成させたが、そのように分割せずに、図11に示すように永久磁石141の長さを導体棒121a,121bと同じにし、各導体棒(例えば図2の場合の121a,121b,122a,122b)を、一端及び他端の端絡環134,135で短絡して支える形状としてもよい。この場合、永久磁石141と接するかご形巻線部の板状部分131,132についても、永久磁石141の長さと同じとして、端絡環134,135と接するように配置して分割し、分割かご形巻線を構成する。あるいは、その他の形状の制動巻線でもよい。トルクリップルを抑えるためにスキューを施すこともできる。また、回転子のかご形巻線と永久磁石の円周方向に占める割合について、例えば図1のθ1、θ3とθ2、θ4がほぼ等しい場合を示しているが、用途に応じてこの割合を変えることにより誘導電動機の特性を強くしたり、永久磁石電動機の特性を強くすることができる。
固定子側で回転磁界を生成させる巻線についても、図1に示したスロット201に配置した3相巻線202は一例であり、集中巻線など,その他の巻線構造でもよい。モータ構造も回転形モータを例示したがリニアモータ構造でも良い。供給する交流信号についても、原理的には3相以外の多相交流を固定子の巻線に供給することでも可能であるが、現実的には汎用のインバータ回路で生成が可能な3相交流を使うのが一般的である。
なお、本実施の形態では、導体の数や寸法,形,永久磁石の数や寸法,形などの特定の実施形態が例証によって示されているものであり、この例示したものに本発明が制限される意味で示されたものではない。
Claims (3)
- 円筒形の鉄心を有する回転子と、
前記回転子の周囲に配置され、多相交流が印加される多相巻線を有した固定子と、
前記固定子と対向する前記回転子の鉄心の円筒面の所定位置に露出されて均等に配置された、少なくとも2個の同極の永久磁石と、
前記永久磁石の配置位置とは別の位置の前記円筒面の円周方向に沿って配置された、制動巻線としてのかご形巻線を分割した分割かご形巻線とを備え、
前記永久磁石の一方の斜め端部が、その一方の斜め端部と隣接した前記分割かご形巻線を構成する導体の斜め端部で上から押えられ、前記永久磁石の他方の斜め端部が、その他方の斜め端部と隣接した前記分割かご形巻線を構成する導体の斜め端部で上から押えられることで、前記永久磁石が前記回転子に固定されることを特徴とする永久磁石同期電動機。 - 請求項1記載の永久磁石同期電動機において、
前記分割かご形巻線は、一端及び他端の端絡環で全てのかご形巻線導体を短絡する構成となされていることを特徴とする永久磁石同期電動機。 - 請求項1記載の永久磁石同期電動機において、
前記永久磁石の一方及び他方の端部に隣接して、それぞれ独立もしくは並列に接続された個別の分割かご形巻線が配置され、前記永久磁石と同数の前記分割かご形巻線が配置されることを特徴とする永久磁石同期電動機。
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