JP5857837B2

JP5857837B2 - 永久磁石式回転電機

Info

Publication number: JP5857837B2
Application number: JP2012074370A
Authority: JP
Inventors: 詠吾十時; 信一山口; 敏則田中
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2012-03-28
Filing date: 2012-03-28
Publication date: 2016-02-10
Anticipated expiration: 2032-03-28
Also published as: JP2013207920A

Description

この発明は、永久磁石を備える永久磁石式回転電機に関する。

永久磁石式回転電機は、小型で高トルクを発生できるというメリットがある反面、回転子または固定子に配設された永久磁石の磁束と、電磁鋼板の磁極との相互作用により、トルクの脈動が発生しやすいというデメリットがある。特に、無負荷時の脈動トルクはコギングトルクと呼ばれており、回転位置決め精度や振動騒音などの原因となることがある。

従来の永久磁石型電動機においては、永久磁石により構成された複数の磁極と回転子鉄心とを有する回転子と、この回転子の外周を囲って設けられ、周方向に沿って複数のスロット５が形成された固定子鉄心及びこのスロットに巻装された電機子巻線とを有する固定子とを備え、ティースとヨークとが一体に形成された固定子鉄心には、回転子に対向したティースの先端部の端面に軸方向に沿って補助溝が形成されており、この補助溝は、ティースの先端部の端面において部分的に形成されており、また、隣接したティース間の最内径にあるスロット開口幅が電機子巻線の線径よりも大きく構成される。従来の永久磁石型電動機においては、このように構成することでコギングトルクを低減している。

特開２０１１−１８８６８５号公報

従来の永久磁石型電動機で用いられているコギングトルクを低減させる方法では、低減できないコギングトルクの周波数成分が存在する。ここで、永久磁石によって形成される磁極数をＮとした時、回転子が機械角１回転した際に、Ｎ山生じるコギングトルクの周波数成分を「コギングトルクのＮ山成分」と呼び、２Ｎ山生じるコギングトルクの周波数成分を「コギングトルクの２Ｎ山成分」と呼ぶこととする。

例えば、１０極１２スロットの永久磁石型回転電機の場合、磁気的に理想状態にあると仮定すれば、回転子が機械角１回転した際に発生するコギングトルクの山数は、１０と１２の最小公倍数である６０山となる。従来の構成で低減できるコギングトルク成分は、この理想状態にある場合のコギングトルクの周波数成分である。実際の永久磁石式回転電機においては、電磁鋼板のもつ磁気異方性に起因したコギングトルクのＮ山成分および２Ｎ山成分が生じる。これらは、例えば、１０極１２スロットの永久磁石型回転電機の場合、回転子が機械角１回転した際に１０山および２０山発生することになる。これらは、理想状態にある場合のコギングトルクの周波数成分よりも低次のものであるため、従来のティースおよびスロットの自体の形状の工夫する方法では低減することができない。

この発明は、上述のような問題を解決するためになされたもので、電磁鋼板のもつ磁気異方性により生じるコギングトルクを低減することを目的とする。

この発明に係る永久磁石式回転電機においては、永久磁石により形成された複数の磁極、および回転子鉄心を有する回転子と、円環状のヨーク、該ヨークから内側に突出して前記回転子の周囲に設けられたティース、および該ティースに区画されたスロットに巻回された固定子巻線を有する固定子とを備え、前記ヨークおよび前記ティースは、前記可動子の回転軸方向に積層された電磁鋼板により一体に構成されており、前記固定子の内側の形状は、真円に対して空間４次モードの変形を有し、前記空間４次モードの変形は、前記電磁鋼板の圧延方向および該圧延方向と直交する方向において前記固定子の内側の径が前記真円の径よりも小さくなる変形であるものである。

電磁鋼板のもつ磁気異方性により生じるコギングトルクを低減した永久磁石式回転電機を得ることができる。

この発明の実施の形態１に係る永久磁石式回転電機の断面図である。この発明の実施の形態１に係る電磁鋼板の起磁力の圧延方向の成分および圧延方向と直交する方向の成分の関係を示す説明図である。従来の永久磁石式回転電機の断面図である。この発明の実施の形態１に係る固定子の内側の半径Ｒおよび該半径Ｒと圧延方向との角度θを示す説明図である。この発明の実施の形態１に係る固定子の内側の半径Ｒと角度θとの関係を示す説明図である。この発明実施の形態１に係る永久磁石式回転電機のコギングトルクの波形を示す説明図である。この発明実施の形態１に係る永久磁石式回転電機のコギングトルクの周波数成分を示す説明図である。この発明の実施の形態１に係る固定子鉄心の変形例を示す断面図である。この発明の実施の形態２に係る固定子鉄心の断面図である。この発明の実施の形態２に係る固定子鉄心の変形例を示す断面図である。この発明実施の形態３に係る固定子鉄心の断面図である。この発明実施の形態３に係る固定子鉄心の変形例を示す断面図である。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る永久磁石式回転電機１を示す断面図である。図１において、永久磁石式回転電機１は、複数の磁極を形成する永久磁石２と回転子鉄心３とを有する回転子４と、回転子４の周囲に設けられた固定子５とを備えている。永久磁石２は、フェライト系磁石、ネオジ磁石、及びサマリウムコバルト系磁石等が用いられる。

固定子５は、固定子鉄心６と固定子巻線７とで構成されている。固定子鉄心６は、円環状のヨーク８、このヨーク８から内側に突出して回転子４の周囲を取り囲むティース９、およびこのティース９に区画されたスロット１０を有する。固定子巻線７は、スロット１０に巻回される。また、ヨーク８およびティース９は、回転子４の回転軸方向に積層された電磁鋼板により構成される。このような積層された電磁鋼板の固定子鉄心６を成形する方法としては、まず電磁鋼板から固定子鉄心形状への切り出しをプレス打ち抜きなどにより行い、その後プレス金型内でのカシメや接着などの方法により各鋼板を固着する方法が用いられる。

回転子４と固定子５との間には、回転子４と固定子５とが接触して破損しないように、わずかな隙間が設けられる。永久磁石式回転電機１は、固定子５内の固定子巻線７に交流電流を通電することによって発生する回転磁界と、回転子４内の永久磁石２が作る起磁力との相互作用により、回転子４が前記回転磁界に同期して回転して、回転トルクを発生する。

この実施の形態では、回転子４内の永久磁石２の個数（磁極数）を１０とし、固定子５のティース９の数は１２個であるが、磁極数およびティース数の組合せは、これに限るものではない。

以下において、この発明の課題である、電磁鋼板の磁気異方性により生じるコギングトルクについて、図２を用いて説明する。

図２に、電磁鋼板の面内各方向（回転子４の回転軸に垂直な方向）について、磁束密度を一定とする起磁力の軌跡を示す。同図では、圧延方向をθ＝０°（機械角）とした時、θ＝０〜９０°の範囲の軌跡を、磁束密度Ｂ＝１．０ＴおよびＢ＝１．４Ｔの場合について夫々図示している。電磁鋼板は、その磁気特性が圧延方向に因らないようにした無方向性鋼板と呼ばれる鋼板であっても、異方性を持つことが知られている。仮に、磁気異方性がないとした場合、磁束密度を一定とする起磁力の軌跡は、圧延方向と無関係のため、図２において原点を中心とした１／４真円となる。然しながら、実際の電磁鋼板では、主に空間２次モード（図２中、Ｂ＝１．０Ｔの場合）および空間４次モード（図２中、Ｂ＝１．４Ｔの場合）の異方性をもつ。特に、空間４次モードの異方性は大きい。

図２中、空間４次モードのＢ＝１．４Ｔの場合に注目すると、圧延方向（θ＝０°）および圧延方向と垂直な方向（θ＝９０°）の磁気特性は良好であり、一定の磁束密度を得るのに要する起磁力は小さいのに対し、圧延方向に対しておよそθ＝３０〜６０°の方向の磁気特性が比較的悪く、一定の磁束密度とするのに要する起磁力は大きい。

固定子鉄心６は、前述のように、各形状をプレス打ち抜きなどの方法により鋼板から形状を切り出し、固着することにより成形するが、製造の容易さから、それぞれのティース９およびヨーク８毎に切り出すことをせず、全ティース９と円環状のヨーク８とを一体的に切り出し、かつ切り出した各鋼板を回転させることなく固着させて固定子鉄心６形成することがある。このような場合、固定子鉄心６を構成する全ての電磁鋼板は同じ方向に圧延方向を持つことになる。これにより、固定子５内を鎖交する磁束が電磁鋼板の磁気異方性の影響を強く受けることになり、圧延方向に対する箇所により透磁率の大きい箇所と小さい箇所が生じる。その結果、コギングトルクのＮ山及び２Ｎ山成分が発生する。

この実施の形態の例では、１０極１２スロットの永久磁石式回転電機１において、電磁鋼板の異方性に空間４次モード成分がある場合、極数の１０とモード数の４の最小公倍数である２０山のコギングトルク成分が発生する。この発明の目的は、このようなコギングトルクの磁気異方性に起因する成分を低減することである。

この発明の説明のため、図３に、比較のための従来の永久磁石式回転電機を、図４に、実施の形態１に係る固定子鉄心６を、それぞれ示す。図３、４に示すように、従来の永久磁石式回転電機においては固定子５の内側の形状が真円であるのに対し、この発明の実施の形態１によれば、固定子鉄心６の内側の形状（固定子５の内側の形状と等しい）が特定の機械角θ（位相）で空間４次モードの変形を持っている。なお、空間４次モードの変形とは、θが０〜３６０°変化する間に４回の変形が繰り返されることである。

より具体的には、図４に示すように、固定子鉄心６の内側の半径Ｒ（固定子５の内側の半径Ｒと等しい）を電磁鋼板の圧延方向との角度θとの関係で示した場合、図５に示すように、この実施の形態１では、θ＝０°、９０°、１８０°、２７０°にてＲが最小、また、θ＝４５°、１３５°、２２５°、３１５°にてＲが最大となるように構成している。このように、固定子５の内側の形状を図４に示す形状とすることで、固定子５と回転子４との間の隙間の大きさが周方向に空間４次モードで変化し、固定子５と回転子４との吸引力が周方向に空間４次モードにて変化する。その結果、電磁鋼板の磁気異方性の空間４次モードに起因したコギングトルク成分と、前記吸引力の空間４次モード成分が相殺するので、コギングトルクの磁気異方性に起因するコギングトルク成分を低減することが可能となる。

図６に、１０極１２スロットの永久磁石式回転電機１において、固定子５の内側の形状を従来の真円とした永久磁石式回転電機１のコギングトルクと、固定子５の内側の形状にこの発明の空間４次モードの変形を与えた永久磁石式回転電機１のコギングトルク波形を比較して示す。同図では、横軸が電気角で表した回転角度θ´、縦軸がコギングトルクの大きさとなっている。また、図７に、図６のコギングトルクを周波数（電気角１周期中のコギングトルク山数）毎に分析した結果を示す。１０極１２スロットの永久磁石式回転電機１では、電磁鋼板の空間４次モードの磁気異方性によって、モード次数の４と極数の１０の最小公倍数である２０山のコギングトルク、即ち２Ｎ山成分が生じるが、図６、７から分かるように、固定子５の内側の形状に本発明の空間４次モードの変形を与えることで、コギングトルクの２Ｎ山成分が低減していることがわかる。

ところで、図４では、固定子鉄心６のスロット１０ａが電磁鋼板の圧延方向と一致する位置に配設された形状を示したが、これに限る必要はない。例えば、図８に示す変形例のように、固定子鉄心６のいずれのスロット１０も、電磁鋼板の圧延方向と一致していない形状であってもよく、前記電磁鋼板の圧延方向と直交する方向に関しても同様である。固定子鉄心６のスロット形状やティース１０の形状に関わらず、図４で示した固定子鉄心６の内側の形状を適用することで、特にコギングトルクの２Ｎ山成分を低減することができる。

以上より、この発明に係る永久磁石式回転電機１においては、永久磁石２により形成された複数の磁極、および回転子鉄心３を有する回転子４と、円環状のヨーク８、該ヨーク８から内側に突出して回転子４の周囲に設けられたティース９、および該ティース９に区画されたスロット１０に巻回された固定子巻線７を有する固定子５とを備え、ヨーク８およびティース９は、可動子４の回転軸方向に積層された電磁鋼板により一体に構成されており、固定子５の内側の形状は、真円に対して空間４次モードの変形を有し、前記空間４次モードの変形は、前記電磁鋼板の圧延方向および該圧延方向と直交する方向において固定子５の内側の径が小さくなる変形となるよう構成したので、前記電磁鋼板のもつ磁気異方性により生じるコギングトルクを低減した永久磁石式回転電機１を得ることができるという効果を得ることができる。

実施の形態２．
図９は、この発明の実施の形態２に係る固定子鉄心６の断面図である。この実施の形態では、電磁鋼板の圧延方向および該圧延方向と直交する方向に位置するティース９ａを除く、ティース９ｂの内側の面に溝１１を設けることで、上述の空間４次モードの変形を形成している。更に説明すると、溝１１が設けられていないティース９ａは、溝１１が設けられたティース９ｂに比べて、溝１１の深さ分だけ、実質的な内側の径が小さくなる。つまり、溝１１を設けることで、固定子５の内側の形状は、真円に対して空間４次モードの変形を有し、前記空間４次モードの変形は、前記電磁鋼板の圧延方向および該圧延方向と直交する方向において、固定子鉄心６の内側の径（固定子５の内側の径と一致する）が小さくなる変形となるよう構成することができる。

このように構成することで、実施の形態１と同様な効果が得られる。さらに、この実施の形態では、内側の形状がほぼ円形の固定子鉄心６に溝１１を追加するだけでよいので、使用する電磁鋼板の磁気特性が変更になっても、溝１１を設けるティースの数および位置、ならびに各ティース９ｂにおける溝１１の数、配置および深さを、適宜設計することで容易に所望の低コギングトルクの永久磁石式回転電機を得ることができる。

ところで、図９では、固定子鉄心６のスロット１０ａが電磁鋼板の圧延方向と一致する位置に配設された形状を示したが、これに限る必要はない。例えば、図１０に示す変形例のように、固定子鉄心６のいずれのスロット１０も、電磁鋼板の圧延方向と一致していない形状であってもよく、前記電磁鋼板の圧延方向と直交する方向に関しても同様である。固定子鉄心６のスロット形状やティース１０の形状に関わらず、図９で示した溝１１を適切に設けることで、特にコギングトルクの２Ｎ山成分を低減することができる。

以上より、この発明に係る永久磁石式回転電機１においては、電磁鋼板の圧延方向および該圧延方向と直交する方向に位置するティース９ａを除く、少なくとも一部のティース９ｂの内側の面に溝１１を設けることで、空間４次モードの変形を形成することができ、前記電磁鋼板のもつ磁気異方性により生じるコギングトルクを低減した永久磁石式回転電機１を得ることができるという効果を得ることができる。

実施の形態３．
図１１は、この発明の実施の形態３に係る固定子鉄心６の断面図である。この実施の形態では、電磁鋼板の圧延方向と該圧延方向と直交する方向に位置するティース９ｃの径方向長さを、前記ティース９ｃ以外のティース９ｄよりも長くすることで、空間４次モードの変形を形成している。このように構成することで、実施の形態１と同様な効果が得られる。

また、図１１では、固定子鉄心６のスロット１０ａが電磁鋼板の圧延方向と一致する位置に配設された形状を示したが、これに限る必要はない。例えば、図１２に示す変形例のように、固定子鉄心６のいずれのスロット１０も、電磁鋼板の圧延方向と一致していない形状であってもよく、前記電磁鋼板の圧延方向と直交する方向に関しても同様である。固定子鉄心６のスロット形状やティース１０の形状に関わらず、図１１で示したように、各ティース９の長さを適切に構成することで、特にコギングトルクの２Ｎ山成分を低減することができる。

以上より、この発明に係る永久磁石式回転電機１においては、電磁鋼板の圧延方向と該圧延方向と直交する方向に位置するティース９ｃの径方向長さを、ティース９ｃ以外のティース９ｄよりも長くすることで、空間４次モードの変形を形成することができ、前記電磁鋼板のもつ磁気異方性により生じるコギングトルクを低減した永久磁石式回転電機１を得ることができるという効果を得ることができる。

なお、図１、図４、図８〜１２において、ティース９およびスロット１０の数を１２としたが、これらは任意の数としてもよい。

１永久磁石式回転電機、２永久磁石、３回転子鉄心、４回転子、５固定子、６固定子鉄心、７固定子巻線、８ヨーク、９、９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄティース、１０、１０ａスロット。

Claims

永久磁石により形成された複数の磁極、および回転子鉄心を有する回転子と、
円環状のヨーク、該ヨークから内側に突出して前記回転子の周囲に設けられたティース、および該ティースに区画されたスロットに巻回された固定子巻線を有する固定子とを備え、
前記ヨークおよび前記ティースは、前記回転子の回転軸方向に積層された電磁鋼板により一体に構成されており、
前記固定子の内側の形状は、真円に対して空間４次モードの変形を有し、
前記空間４次モードの変形は、前記電磁鋼板の圧延方向および該圧延方向と直交する方向において前記固定子の内側の径が前記真円の径よりも小さくなる変形であることを特徴とする永久磁石式回転電機。
電磁鋼板の圧延方向および該圧延方向と直交する方向に位置するティースを除く、少なくとも一部のティースの内側の面に溝を設けることで、空間４次モードの変形を形成することを特徴とする請求項１記載の永久磁石式回転電機。
電磁鋼板の圧延方向および該圧延方向と直交する方向に位置するティースの径方向長さを、前記ティース以外のティースよりも長くすることで、空間４次モードの変形を形成することを特徴とする請求項１記載の永久磁石式回転電機。