JP6002625B2 - Permanent magnet synchronous machine and compressor using the same - Google Patents
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Description
本発明は永久磁石同期機、およびこれを用いた圧縮機に関するものである。 The present invention relates to a permanent magnet synchronous machine and a compressor using the same.
永久磁石同期機では、回転子に永久磁石を埋設するInterior Permanent Magnet(以下、IPM)構造が広く採用されている。IPM構造では、直軸インダクタンスLdと横軸インダクタンスLqの比、いわゆる突極比が大きくなるので、磁石トルクに加えリラクタンストルクの活用が可能であるとされてきた。 In the permanent magnet synchronous machine, an interior permanent magnet (hereinafter, IPM) structure in which a permanent magnet is embedded in a rotor is widely adopted. In the IPM structure, since the ratio of the direct-axis inductance Ld and the horizontal-axis inductance Lq, the so-called salient pole ratio, is increased, it has been said that reluctance torque can be used in addition to magnet torque.
リラクタンストルクを活用する永久磁石同期機の背景技術として、特開2001−119875号公報(特許文献1)に記載された同期機がある。この公報には、ロータ100が、磁気突極型ロータ部102とマグネット型ロータ部101とを軸方向に直列に結合した構造をもち、磁気突極型ロータ部102の磁気突極型界磁極の磁束とマグネット型ロータ部101永久磁石型界磁極の磁束とは、共通の多層電機子コイルと鎖交する。このように構成することにより、磁気突極型界磁極によるリラクタンストルクと永久磁石型界磁極によるマグネットトルクの合成トルクを発生する同期機と比較して、両ロータ部の相対角度を最適に設定することができ、永久磁石量あたりの合成トルクを増大させている。 As a background art of a permanent magnet synchronous machine utilizing reluctance torque, there is a synchronous machine described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-119875 (Patent Document 1). In this publication, the rotor 100 has a structure in which a magnetic salient pole type rotor part 102 and a magnet type rotor part 101 are coupled in series in the axial direction, and the magnetic salient pole type magnetic pole of the magnetic salient pole type rotor part 102 is provided. The magnetic flux and the magnetic flux of the magnet-type rotor part 101 permanent magnet type field pole are linked to a common multilayer armature coil. By configuring in this way, the relative angle of both rotor parts is set optimally compared to a synchronous machine that generates a combined torque of reluctance torque by magnetic salient pole type field poles and magnet torque by permanent magnet type field poles. This increases the combined torque per permanent magnet amount.
特許文献1の同期機では、IPM構造とすることで突極比を大きくして、リラクタンストルクを活用している。しかしながら、用途や出力、およびモ−タ体格によっては、仮にIPM構造としても、すなわち突極比を大きくしてもリラクタンストルクを活用しにくいものがある。これは、リラクタンストルクの大きさが突極比の大小のみに依存するのではなく、磁石トルクとの相対関係にも依存することによる。 In the synchronous machine of Patent Document 1, the salient pole ratio is increased by using an IPM structure, and reluctance torque is utilized. However, depending on the application, output, and motor size, there is an IPM structure, that is, it is difficult to utilize the reluctance torque even if the salient pole ratio is increased. This is because the magnitude of the reluctance torque depends not only on the magnitude of the salient pole ratio but also on the relative relationship with the magnet torque.
しかし、従来の設計理論ではこのような観点が見逃されていた。このため、リラクタンストルクが活用できず出力向上や効率向上が図れない一方で、突極比が大きいゆえにインダクタンスが大きくなり、鉄損増加を招いたり、高速化が困難となったりする場合があった。 However, this viewpoint has been overlooked in the conventional design theory. For this reason, reluctance torque cannot be used and output and efficiency cannot be improved. On the other hand, because the salient pole ratio is large, inductance increases and iron loss increases or speeding up may be difficult. .
本発明の目的は、永久磁石同期機において、リラクタンストルクの活用が困難な場合においても、トルク向上、効率向上、高速回転化を可能にすることである。 An object of the present invention is to enable torque improvement, efficiency improvement, and high-speed rotation even when it is difficult to use reluctance torque in a permanent magnet synchronous machine.
上記目的を達成するために、本発明では、複数極を構成するよう配備された永久磁石で構成される回転子を有する永久磁石同期機において,前記永久磁石による固定子コイル鎖交磁束Ψpと、電流I Arms 通電時の直軸インダクタンスLdおよび横軸インダクタンスLqとが、数1の関係を満足するとともに、 In order to achieve the above object, in the present invention, in a permanent magnet synchronous machine having a rotor composed of permanent magnets arranged to form a plurality of poles, a stator coil interlinkage magnetic flux Ψp by the permanent magnets, Current I Arms The direct axis inductance Ld and the horizontal axis inductance Lq when energized satisfy the relationship of Equation 1,
本発明によればトルクおよび効率が向上するとともに、高速回転化が可能となる。 According to the present invention, torque and efficiency are improved, and high-speed rotation is possible.
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。 Problems, configurations, and effects other than those described above will be clarified by the following description of embodiments.
以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。以下の説明では、同一の構成要素には同一の記号を付してある。それらの名称および機能は同じであり、重複説明は避ける。また、以下の説明では内転型回転子を対象としているが、本発明の効果は内転型回転子に限定されるものではなく、同様の構成を有する外転型回転子にも適用可能である。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the following description, the same symbols are attached to the same components. Their names and functions are the same, and duplicate descriptions are avoided. Further, in the following description, the inner rotor is targeted, but the effect of the present invention is not limited to the inner rotor, and can be applied to an outer rotor having a similar configuration. is there.
また、固定子の巻線方式は集中巻でも良いし分布巻でも良い。また、回転子の極数、固定子コイルの相数も、実施例の構成に限定されるものではない。また、以下の説明ではインバータ駆動の永久磁石モータを対象としているが、本発明の効果は自己始動型永久磁石モータにも適用可能である。 Further, the winding method of the stator may be concentrated winding or distributed winding. Further, the number of rotor poles and the number of phases of the stator coils are not limited to the configuration of the embodiment. In the following description, an inverter-driven permanent magnet motor is targeted. However, the effect of the present invention can also be applied to a self-starting permanent magnet motor.
以下、図1乃至6を用いて、本発明の第1の実施例について説明する。また、本実施例の説明に当たり、図8乃至11を参照する。 Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. In describing the present embodiment, FIGS. 8 to 11 are referred to.
図1は、本発明の第1の実施例における永久磁石同期機について、固定子と回転子とを回転軸に垂直な横断面で示す図である。 FIG. 1 is a diagram showing a stator and a rotor in a cross section perpendicular to a rotation axis in a permanent magnet synchronous machine according to a first embodiment of the present invention.
図2は、本発明に係る数3の関係を示す図である。 FIG. 2 is a diagram showing the relationship of Equation 3 according to the present invention.
図3は、本発明の第1の実施例におけるトルク特性の説明図である。 FIG. 3 is an explanatory diagram of torque characteristics in the first embodiment of the present invention.
図4は、永久磁石モータのベクトル図である。 FIG. 4 is a vector diagram of a permanent magnet motor.
図5及び図6は、本発明の第1の実施例における永久磁石同期機について、回転子を回転軸に垂直な横断面で示す図である。 5 and 6 are views showing the rotor in a cross section perpendicular to the rotation axis in the permanent magnet synchronous machine according to the first embodiment of the present invention.
図8は、6極9スロット三相モータの固定子コイル接続図である。 FIG. 8 is a stator coil connection diagram of a 6-pole 9-slot three-phase motor.
図9は、磁石トルクとリラクタンストルクの原理説明図である。 FIG. 9 is a diagram illustrating the principle of magnet torque and reluctance torque.
図10は、永久磁石モータのベクトル図である。 FIG. 10 is a vector diagram of a permanent magnet motor.
図11は、本発明との比較例である永久磁石同期機の回転子を回転軸に垂直な横断面で示す部分断面図である。 FIG. 11 is a partial cross-sectional view showing a rotor of a permanent magnet synchronous machine, which is a comparative example with the present invention, in a cross section perpendicular to the rotation axis.
本実施例の永久磁石同期機について、図1を用いて説明する。 The permanent magnet synchronous machine of a present Example is demonstrated using FIG.
本実施例の永久磁石同期機では、固定子9の内周側に回転子1を備えている。回転子1は固定子9に対してギャップGを介して、図示しない軸受けによって回転自在に保持される。 In the permanent magnet synchronous machine of the present embodiment, the rotor 1 is provided on the inner peripheral side of the stator 9. The rotor 1 is rotatably held by a bearing (not shown) via a gap G with respect to the stator 9.
固定子9は、ティース11を有する固定子鉄心10と、ティース11に巻回された固定子巻線12とで構成される。固定子巻線12は、三相の巻線U、V、Wを順に周方向に配置する。U相、V相及びW相の各相は3つのコイルが直列に接続されている(図8参照)。全部で9つのコイル12u1、12u2、12u3、12v1、12v2、12v3、12w1、12w2、12w3が各ティース11に分かれて巻き付けられており、集中巻きの永久磁石同期機を構成している。 The stator 9 includes a stator core 10 having teeth 11 and a stator winding 12 wound around the teeth 11. The stator winding 12 arranges three-phase windings U, V, W in the circumferential direction in order. In each of the U phase, V phase, and W phase, three coils are connected in series (see FIG. 8). A total of nine coils 12u1, 12u2, 12u3, 12v1, 12v2, 12v3, 12w1, 12w2, and 12w3 are separately wound around each tooth 11 to constitute a concentrated permanent magnet synchronous machine.
このために、固定子9には、ティース11及びスロットが9つ設けられている。回転子1は永久磁石収容孔4を備えた回転子鉄心2と、6極(極対数p=3)を構成するよう配置された永久磁石3とで構成される。回転子1の中心部には、シャフト(回転軸、出力軸)6が貫通する貫通孔6aが形成され、貫通孔6aにシャフト6が挿通されている。 For this purpose, the stator 9 is provided with teeth 11 and nine slots. The rotor 1 is composed of a rotor core 2 having a permanent magnet housing hole 4 and permanent magnets 3 arranged to form 6 poles (number of pole pairs p = 3). A through hole 6a through which a shaft (rotating shaft, output shaft) 6 passes is formed at the center of the rotor 1, and the shaft 6 is inserted through the through hole 6a.
本実施例の永久磁石同期機は、図1に示すように、回転子1が方形状の磁石収容孔4を有し、磁石収容孔4には永久磁石3が埋設されている。永久磁石3は、磁石収容孔4に挿入され、永久磁石3と磁石収容孔4とが周方向に沿って複数設けられることにより、回転子1の内部に周方向に沿って複数の極8が構成される。 In the permanent magnet synchronous machine of this embodiment, as shown in FIG. 1, the rotor 1 has a square-shaped magnet housing hole 4, and the permanent magnet 3 is embedded in the magnet housing hole 4. The permanent magnet 3 is inserted into the magnet accommodation hole 4, and a plurality of permanent magnets 3 and magnet accommodation holes 4 are provided along the circumferential direction, whereby a plurality of poles 8 are provided along the circumferential direction inside the rotor 1. Composed.
永久磁石3による固定子コイル一相分の鎖交磁束Ψp(Wb)と、相電流実効値Irms(Arms)を固定子コイルに通電した時の直軸インダクタンスLd(H)および横軸インダクタンスLq(H)とは、下記の数3の関係を有する。 A linear flux inductance Ld (H) and a horizontal axis inductance Lq (when the stator coil is energized with the interlinkage magnetic flux Ψp (Wb) for one phase of the stator coil by the permanent magnet 3 and the phase current effective value Irms (Arms). H) has the following relationship:
また、駆動時の固定子鎖交磁束Ψと前記Ψpとが数4の関係を満足する。 Further, the stator flux linkage Ψ during driving and the Ψp satisfy the relationship of Equation 4.
ここでまず、数3の物理量ならびにリラクタンストルクの発生原理に関して、図3、図8及び図9を用いて説明する。本実施例では、6極9スロットの三相モータについて説明するが、4極6スロット、或いは他の極数及びスロット数を有する三相モータであってもよい。 First, the physical quantity of Equation 3 and the principle of generation of reluctance torque will be described with reference to FIGS. In the present embodiment, a 6-pole 9-slot three-phase motor will be described.
例えば図8に示すように、直列に接続されたU相巻線12u1、12u2、12u3には、インバータから波高値I(このときの実効値をIrmsとする)の交流電流iuが供給される。V相巻線12v1、12v2、12v3、W相巻線12w1、12w2、12w3に関しても同様であるが、各相の電流位相は電気角で120°ずつずれている。IやIrmsの大きさは、ワットメータ等の機器を用いることで求めることができる。或いは、オシロスコープなどで電流波形を取得してフーリエ解析することでも求めることができる。 For example, as shown in FIG. 8, an alternating current iu having a peak value I (the effective value at this time is Irms) is supplied from the inverter to the U-phase windings 12u1, 12u2, and 12u3 connected in series. The same applies to the V-phase windings 12v1, 12v2, 12v3 and the W-phase windings 12w1, 12w2, 12w3, but the current phase of each phase is shifted by 120 ° in electrical angle. The size of I or Irms can be obtained by using a device such as a wattmeter. Or it can obtain | require by acquiring a current waveform with an oscilloscope etc. and performing a Fourier analysis.
回転子1と機械的に結合されたシャフト6は負荷に連結され、電流Iの大きさと位相を適当に選定することで、負荷と釣り合うような回転トルクMeが発生する。固定子コイル一相分の鎖交磁束Ψpは、図8に示すU、V、Wの端子Tu、Tv、Twを開放した状態で回転子1を外部駆動し、その時の相電圧波高値E0、または線間電圧波高値E0×√3を測定することで求めることができる。具体的には、毎分当たりの回転数N[rpm]で外部駆動した時の角周波数ω[rad/s]を数5から求め、それを数6に代入して得られる。ただし、pは極対数である。 The shaft 6 mechanically coupled to the rotor 1 is connected to a load, and by appropriately selecting the magnitude and phase of the current I, a rotational torque Me that balances the load is generated. The interlinkage magnetic flux Ψp for one phase of the stator coil drives the rotor 1 externally with the terminals Tu, Tv, and Tw of U, V, and W shown in FIG. 8 open, and the phase voltage peak value E0, Alternatively, it can be obtained by measuring the line voltage peak value E0 × √3. Specifically, the angular frequency ω [rad / s] when externally driven at a rotational speed N [rpm] per minute is obtained from Equation 5 and is obtained by substituting it into Equation 6. However, p is the number of pole pairs.
ところで、磁石モータのトルクMeは一般に、固定子巻線U、V、W各相の通電電流が生成する回転磁界と,回転子磁極との吸引・反発によって発生する。回転子磁極とは、磁石モータの場合、磁石によって形成される磁界を指すことが多いが、リラクタンストルクを考慮するときには、回転磁界の影響により回転子鉄心が磁化することで形成される磁界も磁極の一種として考えるとわかりやすい。 Incidentally, the torque Me of the magnet motor is generally generated by attraction / repulsion between the rotating magnetic field generated by the energizing currents of the stator windings U, V, and W and the rotor magnetic poles. In the case of a magnet motor, the rotor magnetic pole often refers to a magnetic field formed by a magnet, but when considering reluctance torque, the magnetic field formed by magnetizing the rotor core due to the influence of the rotating magnetic field is also the magnetic pole. It is easy to understand when considered as a kind of.
なお、磁石モータの同期運転時における電流や磁束は交流量であるため、dq軸座標系(回転座標系)に変換し直流量として扱う方法が一般的である。一般に、dq軸座標系では回転子の磁極中心軸をd軸とし、d軸に対して反時計回りに電気角で90°進んだ軸、すなわち極性の異なる永久磁石間の中心軸をq軸とする。この場合、回転子位置によらず、dq軸と回転磁界との相対的な位置関係のみでトルク等の諸物理量を考察することが可能となる。 In addition, since the electric current and magnetic flux at the time of synchronous operation of a magnet motor are alternating current amounts, the method of converting into a dq axis coordinate system (rotating coordinate system) and handling as a direct current amount is common. In general, in the dq-axis coordinate system, the magnetic pole central axis of the rotor is the d-axis, and the axis advanced 90 ° counterclockwise with respect to the d-axis, that is, the central axis between permanent magnets having different polarities is the q-axis. To do. In this case, it is possible to consider various physical quantities such as torque based only on the relative positional relationship between the dq axis and the rotating magnetic field regardless of the rotor position.
図9を用いて、磁石モータのトルク発生原理を説明する。図において、反時計回りを正方向としている。(a)は磁石トルクを示す。(b)はd軸電流が負の場合に生じるリラクタンストルクを示しており、回転子q軸の磁化によるものである。(c)はd軸電流が負の場合に生じるリラクタンストルクを示しており、回転子d軸の磁化によるものである。 The principle of torque generation of the magnet motor will be described with reference to FIG. In the figure, the counterclockwise direction is the positive direction. (A) shows magnet torque. (B) shows the reluctance torque generated when the d-axis current is negative, and is due to the magnetization of the rotor q-axis. (C) shows the reluctance torque generated when the d-axis current is negative, and is due to the magnetization of the rotor d-axis.
(a)に示すように、磁石トルクはd軸に発生する磁石磁束とq軸電流により形成される磁界との吸引および反発によって生じるトルクである。このとき、磁石磁束とd軸電流磁界との間には径方向の反発力が発生するが、回転力は生じない。 As shown in (a), the magnet torque is torque generated by attraction and repulsion between the magnetic flux generated on the d-axis and the magnetic field formed by the q-axis current. At this time, a radial repulsive force is generated between the magnet magnetic flux and the d-axis current magnetic field, but no rotational force is generated.
一方で、(b)に示すように、q軸電流磁界により回転子q軸が磁化される場合、回転子q軸の磁化とd軸電流磁界との間に吸引力および反発力が生じる。これがリラクタンストルクであり、d軸電流が負の場合、すなわち弱め界磁運転時には正のトルクが得られ、増磁作用時には負のトルクとなる。 On the other hand, as shown in (b), when the rotor q-axis is magnetized by the q-axis current magnetic field, an attractive force and a repulsive force are generated between the magnetization of the rotor q-axis and the d-axis current magnetic field. This is a reluctance torque, and when the d-axis current is negative, that is, a positive torque is obtained during field-weakening operation, and a negative torque is obtained during a magnetizing action.
同様にして、(c)に示すように回転子d軸が磁化されやすい場合も、q軸電流磁界との関係でリラクタンストルクが発生し、こちらは弱め界磁運転時に負のトルク、増磁作用時には正のトルクとなる(一般的には(b)と(c)との和をリラクタンストルクと呼ぶ)。 Similarly, when the rotor d-axis is easily magnetized as shown in (c), a reluctance torque is generated in relation to the q-axis current magnetic field, which is a negative torque and a magnetizing action during field-weakening operation. Sometimes the torque is positive (generally, the sum of (b) and (c) is called reluctance torque).
磁石トルクはq軸電流一定の下であれば磁石の発生する磁束量に比例する。すなわち、磁石トルクを増加させるには磁石量を増やしたり、強力な磁石を用いたりする必要があり、コスト増を招く。これに対し、リラクタンストルクはq軸とd軸のインダクタンスの差に比例するため、両者の差が大きくなるように回転子磁気回路を構成することでトルクの増加を図ることができると考えられてきた。 The magnet torque is proportional to the amount of magnetic flux generated by the magnet if the q-axis current is constant. That is, in order to increase the magnet torque, it is necessary to increase the amount of magnets or use a strong magnet, resulting in an increase in cost. On the other hand, since the reluctance torque is proportional to the difference between the q-axis and d-axis inductances, it has been considered that the torque can be increased by configuring the rotor magnetic circuit so that the difference between the two is large. It was.
さて、数3の構成物理量のうち、Ψp、Irmsは上述の要領で求められるのに対し、Ld、Lqの求め方に関しては、ダルトン・カメロン法などのような回転子静止法か、または以下で述べるようなベクトル図から逆算する方法がある。 Now, among the constituent physical quantities of Equation 3, Ψp and Irms are obtained as described above, while Ld and Lq are obtained by a rotor stationary method such as the Dalton-Cameron method or the following. There is a method of calculating backward from a vector diagram as described.
図10のdq軸座標系のベクトル図を用いて、磁石モータの同期運転時における電流、電圧及び磁束について説明する。 The current, voltage, and magnetic flux during the synchronous operation of the magnet motor will be described using the vector diagram of the dq axis coordinate system of FIG.
永久磁石による固定子コイル一相分の鎖交磁束Ψpの位相を基準として、これをd軸とみなし、Ψpの時間微分である誘導起電力E0は位相が90°進んだq軸に発生する。モータに印加される相電圧Vとモータに通電される相電流Iが、E0に対してそれぞれθ、βの位相差をもつとき、V,Iは数7及び数8に示すようにd軸成分、q軸成分に分解できる。 Taking the phase of the interlinkage flux Ψp for one phase of the stator coil by the permanent magnet as a reference, this is regarded as the d-axis, and the induced electromotive force E0, which is the time derivative of Ψp, is generated on the q-axis whose phase is advanced by 90 °. When the phase voltage V applied to the motor and the phase current I applied to the motor have a phase difference of θ and β with respect to E0, V and I are d-axis components as shown in Equations 7 and 8. Can be decomposed into q-axis components.
なお、図10の抵抗Rはホイートストーンブリッジなどの抵抗測定器を用いることで計測可能である。また、電圧位相差角θ、電流位相差角βに関しては、E0、V、Iの波形を取得し、各基本波成分の位相関係を割り出すことで求めることができる。図10では相電圧、相電流の波形を用いた場合を表しているが、例えば相電圧の代わりに線間電圧を取得している場合でも、相電圧と線間電圧の位相差を考慮することで、同様にしてθ、βを求めることができる。 10 can be measured by using a resistance measuring instrument such as a Wheatstone bridge. Further, the voltage phase difference angle θ and the current phase difference angle β can be obtained by acquiring the waveforms of E0, V, and I and determining the phase relationship of each fundamental wave component. Although FIG. 10 shows the case of using the phase voltage and phase current waveforms, for example, even when the line voltage is obtained instead of the phase voltage, the phase difference between the phase voltage and the line voltage should be considered. Thus, θ and β can be obtained in the same manner.
上記で得られた物理量を用いて、Ld,Lqは数9の電圧方程式から求めることができる。 Using the physical quantities obtained above, Ld and Lq can be obtained from the voltage equation of Equation 9.
以上、数3の物理量ならびにリラクタンストルクの発生原理に関して説明した。 In the above, the physical quantity and reluctance torque generation principle have been described.
次に、本発明の基本原理、すなわち、数3の関係を満足し、かつ数4の関係を満足することで、トルク向上、効率向上、高速回転化を図ることができる原理を説明する。 Next, the basic principle of the present invention, that is, the principle capable of improving the torque, improving the efficiency, and increasing the rotation speed by satisfying the relationship of Equation 3 and satisfying the relationship of Equation 4 will be described.
一般に発生トルクMeは、極対数p、永久磁石による固定子コイル一相分の鎖交磁束Ψp、直軸電流Id、横軸電流Iqを用いて数10で示される次式で表される。 In general, the generated torque Me is expressed by the following equation represented by Equation 10 using the number of pole pairs p, the linkage flux Ψp for one phase of the stator coil by a permanent magnet, the direct current Id, and the horizontal current Iq.
ただし、Id、Iq、Ψpは波高値である。 However, Id, Iq, and Ψp are peak values.
数10において、{ }内第一項が磁石トルクを、第二項がリラクタンストルクを表している。この式から明らかなように、リラクタンストルクはLq−Ld、Id、Iqにそれぞれ比例する。このため、従来はリラクタンストルクの大きさの指標として突極比Lq/Ld、またはLq−Ldが用いられていた。しかしながら、リラクタンストルクが発生トルクMeにどれだけ寄与するかは、磁石トルクとの相対関係で決まる。例えば、リラクタンストルクがマグネットトルクに対して極端に小さい場合は、リラクタンストルクが僅かに変動(増減)しても、発生トルクMeにはほとんど影響しない。したがって、リラクタンストルクの大きさを表す指標には、従来の突極比に加え、磁石トルクとの相対関係を加味できる別の物理量を新たに導入する必要がある。 In Equation 10, the first term in {} represents the magnet torque, and the second term represents the reluctance torque. As is apparent from this equation, the reluctance torque is proportional to Lq−Ld, Id, and Iq, respectively. For this reason, conventionally, the salient pole ratio Lq / Ld or Lq-Ld has been used as an index of the magnitude of the reluctance torque. However, how much the reluctance torque contributes to the generated torque Me is determined by a relative relationship with the magnet torque. For example, when the reluctance torque is extremely small relative to the magnet torque, even if the reluctance torque slightly fluctuates (increases / decreases), the generated torque Me is hardly affected. Therefore, in addition to the conventional salient pole ratio, another physical quantity that can take into account the relative relationship with the magnet torque needs to be newly introduced into the index representing the magnitude of the reluctance torque.
ここで、磁石トルクは電流位相差角β=0のときに最大となり、その最大値Mp,maxは数8、数10より次式で表せる。 Here, the magnet torque becomes maximum when the current phase difference angle β = 0, and the maximum value Mp, max can be expressed by the following equation from Equations 8 and 10.
一方、リラクタンストルクはβ=π/4(電気角で45 deg.)のときに最大となり、その最大値Mr,maxは数8、数10より次式で表せる。 On the other hand, the reluctance torque becomes maximum when β = π / 4 (45 deg. In electrical angle), and the maximum values Mr and max can be expressed by the following equations from Equations 8 and 10.
数11と数12の比が、リラクタンストルクの大きさを表す指標に他ならないので、この比をリラクタンストルク比αと定義する。電流波高値Iを用いる場合は、 Since the ratio of Equations 11 and 12 is nothing but an index representing the magnitude of the reluctance torque, this ratio is defined as the reluctance torque ratio α. When using the current peak I,
数14から明らかなように、リラクタンストルクの大きさを表す指標として、従来のLd、Lqに加え、Ψp、Irmsが新たに導入されていることがわかる。このうち、Ψpは永久磁石の物性と形状、固定子巻線仕様、モ−タ断面形状によって決定され、一般的な誘導起電力測定試験から求めることができる。同様に、Ld、Lqもモ−タ構成と通電電流Irmsによって決定され、一般的なモ−タインダクタンス測定法によって求めることができる。したがって、Ψp、Ld、Lqはモ−タ毎に決まる定数であり、数14はαとIrmsの線形関数として扱うことができる。 As can be seen from Equation 14, in addition to the conventional Ld and Lq, ψp and Irms are newly introduced as indices representing the magnitude of the reluctance torque. Of these, Ψp is determined by the physical properties and shape of the permanent magnet, the stator winding specifications, and the motor cross-sectional shape, and can be obtained from a general induced electromotive force measurement test. Similarly, Ld and Lq are also determined by the motor configuration and energization current Irms, and can be obtained by a general motor inductance measurement method. Therefore, Ψp, Ld, and Lq are constants determined for each motor, and Expression 14 can be treated as a linear function of α and Irms.
リラクタンストルク比αは、数14の右辺、特に電流値を変化させることで任意の値を採ることができるが、発生トルク向上、効率向上の観点から言えば、図3に示すようにリラクタンストルクMrが最大となるβ=45 deg.において、発生トルクMeが磁石トルク最大値Mp,maxと同等かそれ以上となることが望ましい。もう少し詳しく説明すると、永久磁石同期機は、効率最大化制御を行う場合、電流位相差角が0〜45°の範囲で駆動される。発生トルクMeは電流位相差角が0°と45°のときに最小値となる。そこで、電流位相差角が0°と45°のときに、発生トルクMeが磁石トルク最大値Mp,maxと同等かそれ以上となるようにすることにより、リラクタンストルクを活用できるようにしている。すなわち、 The reluctance torque ratio α can take any value by changing the right side of Equation 14, particularly the current value. From the viewpoint of improving the generated torque and improving the efficiency, the reluctance torque Mr as shown in FIG. Β = 45 deg. It is desirable that the generated torque Me be equal to or greater than the magnet torque maximum value Mp, max. More specifically, the permanent magnet synchronous machine is driven in the range where the current phase difference angle is 0 to 45 ° when the efficiency maximization control is performed. The generated torque Me has a minimum value when the current phase difference angle is 0 ° and 45 °. Therefore, when the current phase difference angle is 0 ° and 45 °, the reluctance torque can be utilized by making the generated torque Me equal to or greater than the magnet torque maximum value Mp, max. That is,
以上より、リラクタンストルクの大きさを表す指標として、従来のLd、Lqに加え、Ψp、Irmsを導入する必要があること、リラクタンストルクを有効活用するためには数17の関係式を満足する必要があることを示した。 From the above, it is necessary to introduce Ψp and Irms in addition to the conventional Ld and Lq as an index indicating the magnitude of the reluctance torque, and it is necessary to satisfy the relational expression 17 in order to effectively use the reluctance torque. Showed that there is.
しかしながら、数17が成立しない場合、すなわち数3の関係が成立する場合は、リラクタンストルクの活用が困難である。このような状況で、図11に示すようなIPM構造としても、出力向上や効率向上が図れない一方で、突極比が大きいゆえにq軸インダクタンスが大きいため、鉄損増加を招いたり、高速回転化が困難となってしまう。 However, when Equation 17 is not established, that is, when the relationship of Equation 3 is established, it is difficult to utilize the reluctance torque. In such a situation, the IPM structure as shown in FIG. 11 cannot improve the output and the efficiency, but has a large q-axis inductance due to the large salient pole ratio, leading to an increase in iron loss or high speed rotation. It will be difficult.
そこで、駆動時の固定子鎖交磁束Ψと前記Ψpとが数4の関係を満足することが重要となる。この理由について図4を用いて説明する。図4はモータ駆動状態における諸物理量をdq軸上で表したものであり、図10と重複する記号に関しては、その物理的な意味は同義であるため説明を割愛する。 Therefore, it is important that the stator flux linkage Ψ during driving satisfies the relation of Mathematical Formula 4 and Ψp. The reason for this will be described with reference to FIG. FIG. 4 shows various physical quantities in the motor drive state on the dq axis, and the symbols that overlap those in FIG. 10 have the same physical meaning and are not described here.
まず、駆動時の固定子鎖交磁束Ψは、永久磁石3による固定子コイル一相分の鎖交磁束Ψp(Wb)を起点として、d軸電流Idによって発生する反作用磁束LdIdと、q軸電流Iqによって発生する反作用磁束LqIqとのベクトル和で表される。 First, the stator interlinkage magnetic flux Ψ at the time of driving is the reaction magnetic flux LdId generated by the d-axis current Id starting from the interlinkage magnetic flux Ψp (Wb) for one phase of the stator coil by the permanent magnet 3, and the q-axis current. It is expressed as a vector sum with the reaction magnetic flux LqIq generated by Iq.
図4に示すdq軸上では、Ψは直流量であるが、任意の固定子コイルから見た場合は交流量であり、固定子コイルが巻回されたティースには、Ψの交流変化によってヒステリシス損と渦電流損、すなわち鉄損が発生する。一般に、ヒステリシス損はΨの波高値に比例し、渦電流損はΨの波高値の2乗に比例するので、鉄損を低減するためには、Ψを小さくすることが望ましい。しかしながら、従来のIPM構造では、リラクタンストルクの活用を狙ってLqを大きくすることが一般的であったため、図4からも明らかなように、LqIqベクトルの伸長に伴って、ΨがΨpよりも大きくなりやすかった。 On the dq axis shown in FIG. 4, Ψ is a direct current amount, but when viewed from an arbitrary stator coil, it is an alternating current amount. The teeth around which the stator coil is wound have hysteresis due to an alternating change in Ψ. Loss and eddy current loss, that is, iron loss occurs. In general, the hysteresis loss is proportional to the crest value of Ψ, and the eddy current loss is proportional to the square of the crest value of Ψ. Therefore, it is desirable to reduce Ψ in order to reduce the iron loss. However, in the conventional IPM structure, since Lq is generally increased aiming at utilization of reluctance torque, as is clear from FIG. 4, Ψ becomes larger than Ψp as the LqIq vector is expanded. It was easy to be.
リラクタンストルクが活用できる場合は、必然的に負のIdが流れるため、LdIdベクトルによってΨは抑制されやすいが、リラクタンストルクが活用できない場合は、負のIdを流す必要がなくなるため、Ψが抑制できず鉄損増加を招いてしまう。したがって、数3の関係が成立する場合、すなわちリラクタンストルクが活用できない場合には、鉄損低減の観点から数4の関係を同時に満足することが極めて重要となる。 When reluctance torque can be used, negative Id inevitably flows. Therefore, Ψ is easily suppressed by the LdId vector, but when reluctance torque cannot be used, it is not necessary to flow negative Id, so Ψ can be suppressed. This leads to an increase in iron loss. Therefore, when the relationship of Equation 3 is established, that is, when the reluctance torque cannot be utilized, it is extremely important to simultaneously satisfy the relationship of Equation 4 from the viewpoint of reducing iron loss.
続いて、数4の重要性について高速回転化の観点からも説明する。駆動時において、固定子コイルの電気抵抗による電圧降下分を無視すると、モータ端子電圧Vは固定子鎖交磁束Ψの時間微分と等価とみなすことができ、次式で近似できる。なお、図4に示すように、VはΨに対して90deg.進んだベクトルで表される。 Next, the importance of Equation 4 will be described from the viewpoint of high-speed rotation. When the voltage drop due to the electrical resistance of the stator coil is ignored during driving, the motor terminal voltage V can be regarded as equivalent to the time derivative of the stator linkage flux Ψ and can be approximated by the following equation. As shown in FIG. 4, V is 90 deg. Represented by an advanced vector.
いま、モータ端子電圧の上限値をVmaxとすると、数18から明らかなように、Ψを小さくした分だけ、ωを大きくすることができる、すなわち高速回転化が可能となる。 Assuming now that the upper limit value of the motor terminal voltage is Vmax, as can be seen from Equation 18, ω can be increased by the amount of decrease in Ψ, that is, high-speed rotation can be achieved.
以上より、数3の関係を満足し、かつ数4の関係を満足することで、トルク向上、効率向上、高速回転化を図ることができる原理を説明した。 As described above, the principle that the torque can be improved, the efficiency can be improved, and the rotation speed can be increased by satisfying the relationship of Equation 3 and satisfying the relationship of Equation 4 has been described.
ところで、数3の関係を満足し、かつ数4の関係を満足するような具体的な構成としては、図1に示すような回転子構造がある。 By the way, as a specific configuration satisfying the relationship of Equation 3 and satisfying the relationship of Equation 4, there is a rotor structure as shown in FIG.
図1では、回転子1には、永久磁石3の径方向外周部(外周側)に非磁性体で構成されるスリット7が配置されている。また、隣接する極8の磁極間の回転子鉄心2は、前記永久磁石収容孔4の周方向端部よりも内周側に凹となるよう構成されている。このような構成とすることでq軸インダクタンスを低減し、固定子鉄心の磁気飽和を緩和する。特に、磁極間の回転子鉄心2を内周側に凹となるよう構成することで、永久磁石3の径方向内周部(内周側)を透過しようとするq軸磁束を大幅に低減することができる。以上の構成によって、トルク向上、鉄損低減、効率向上、ならびに高速回転化が可能になる。 In FIG. 1, the rotor 1 is provided with a slit 7 made of a non-magnetic material on the radially outer peripheral portion (outer peripheral side) of the permanent magnet 3. Further, the rotor core 2 between the magnetic poles of the adjacent poles 8 is configured to be concave on the inner peripheral side with respect to the circumferential end of the permanent magnet housing hole 4. By adopting such a configuration, the q-axis inductance is reduced, and the magnetic saturation of the stator core is alleviated. In particular, by configuring the rotor core 2 between the magnetic poles to be concave on the inner peripheral side, the q-axis magnetic flux that attempts to penetrate the radial inner peripheral portion (inner peripheral side) of the permanent magnet 3 is greatly reduced. be able to. With the above configuration, it is possible to improve torque, reduce iron loss, improve efficiency, and achieve high speed rotation.
ところで、上述した永久磁石同期機を駆動する場合、電流位相差角βは制御ソフトの構成によって任意に設定できるが、数3を満足するような構成においては、発生トルクが最大となる制御動作点は0deg.≦β≦22.5deg.の範囲に存在する。したがって、前記の位相となるように制御することで、より確実にトルク向上、効率向上を図ることができる。 By the way, when the above-described permanent magnet synchronous machine is driven, the current phase difference angle β can be arbitrarily set by the configuration of the control software. However, in the configuration satisfying Equation 3, the control operation point at which the generated torque is maximized. Is 0 deg. ≦ β ≦ 22.5 deg. Exists in the range. Therefore, the torque and the efficiency can be improved more reliably by controlling the phase so as to be the above-mentioned phase.
なお、永久磁石3は1極につき周方向に分割されることなく一体で構成しても良いし、複数個を周方向に分割して配置しても良い。 Note that the permanent magnet 3 may be integrally formed without being divided in the circumferential direction per pole, or a plurality of permanent magnets 3 may be arranged in the circumferential direction.
また、1極を構成する永久磁石3及び磁石収容孔4は、1つに限定されるわけではない。例えば、1極を構成する永久磁石3を周方向に分割し、それぞれの磁石に合わせて磁石収容孔4を設け、隣接する収容孔の境界にリブを設けるなどしてもよい。 Moreover, the permanent magnet 3 and the magnet accommodation hole 4 which comprise 1 pole are not necessarily limited to one. For example, the permanent magnet 3 constituting one pole may be divided in the circumferential direction, the magnet accommodation hole 4 may be provided in accordance with each magnet, and a rib may be provided at the boundary between adjacent accommodation holes.
また、永久磁石3及び磁石収容孔4は、回転軸方向に複数個を分割して構成しても良いし、分割することなく一体で構成しても良い。 Further, the permanent magnet 3 and the magnet housing hole 4 may be divided into a plurality in the direction of the rotation axis, or may be formed integrally without being divided.
回転子鉄心2は軸方向に積み重ねた積層鋼板で構成しても良いし、圧粉磁心などで構成しても良いし、アモルファス金属などで構成しても良い。 The rotor core 2 may be composed of laminated steel plates stacked in the axial direction, may be composed of a dust core, or may be composed of amorphous metal.
本実施例では、磁石収容孔4は1極を構成する永久磁石の磁極中心軸に対して、直交するように形成され、また、回転軸方向からみて平板状である。磁石収容孔4に収容される永久磁石3も、磁石収容孔4の形状に合わせ平板上に形成されている。このような構成とすることで、磁石の成形プロセスを最小限に抑えることができるほか、磁石の挿入工程も簡易となるので、製造コストを抑制できる。 In the present embodiment, the magnet housing hole 4 is formed so as to be orthogonal to the magnetic pole central axis of the permanent magnet constituting one pole, and has a flat plate shape when viewed from the direction of the rotation axis. The permanent magnet 3 housed in the magnet housing hole 4 is also formed on a flat plate in accordance with the shape of the magnet housing hole 4. With such a configuration, the magnet molding process can be minimized, and the magnet insertion process can be simplified, so that the manufacturing cost can be reduced.
また、磁石収容孔を平板状とすることで、V字状の収容孔などと比べ、回転子鉄心の1極あたりの外周部コア面積を小さくできるので、それに伴いq軸インダクタンスを小さくすることができる。なお、回転子鉄心の1極あたりの外周部コア面積を小さくするためには、磁石収容孔を平板状ではなく、径方向外側に凸となるような形状で構成してもよい。 In addition, since the magnet housing hole has a flat plate shape, the outer core area per pole of the rotor core can be reduced as compared with a V-shaped housing hole or the like, so that the q-axis inductance can be reduced accordingly. it can. In order to reduce the outer peripheral core area per pole of the rotor core, the magnet housing hole may be formed in a shape that is convex outward in the radial direction instead of a flat plate shape.
スリット7は磁石磁束の透過を妨げないと同時に、q軸磁束の透過を妨げるように配置すればよく、直線状に設けても良いし、円弧状にしても良い。また、一続きで構成しても良いし、リブ等で分割して構成しても良い。また、図1では一極あたり4本を配置しているが、製作可能な範囲で有れば何本であっても良い。また、各スリット7の幅は均一でも良いし、不均一でも良い。 The slit 7 may be arranged so as not to prevent the transmission of the magnet magnetic flux and at the same time prevent the transmission of the q-axis magnetic flux, and may be provided in a straight line shape or an arc shape. Moreover, you may comprise by a continuation and may divide | segment by a rib etc. and may comprise. Further, in FIG. 1, four wires are arranged per one pole, but any number may be used as long as it can be manufactured. The width of each slit 7 may be uniform or non-uniform.
スリット7は、上述したように、磁石磁束の透過を妨げず、q軸磁束の透過を妨げる。このため、スリット7は、スリット7が設けられていない状態で回転子鉄心2の永久磁石3の外周側に生じる磁石磁束とq軸磁束とに対して、q軸磁束を横切るように設けられ、磁石磁束をできるだけ横切らず磁石磁束に沿うように設けられる。この条件に適うようにスリット7を設けると、スリット7はq軸磁束を横切る方向(磁石磁束に沿う方向)に長く(寸法が大きく)、磁石磁束を横切る方向(q軸磁束に沿う方向)に短い(寸法が小さい、或いは幅が薄い)形状になる。 As described above, the slit 7 does not prevent transmission of the magnet magnetic flux but prevents transmission of the q-axis magnetic flux. For this reason, the slit 7 is provided so as to cross the q-axis magnetic flux with respect to the magnet magnetic flux and the q-axis magnetic flux generated on the outer peripheral side of the permanent magnet 3 of the rotor core 2 in a state where the slit 7 is not provided. It is provided so as to follow the magnet flux without crossing the magnet flux as much as possible. When the slit 7 is provided so as to meet this condition, the slit 7 is long in the direction crossing the q-axis magnetic flux (direction along the magnetic flux) (large in size) and in the direction crossing the magnetic magnetic flux (direction along the q-axis magnetic flux). The shape is short (small size or thin width).
スリット7について、図5を参照してさらに詳細に説明する。図5の構成が図1と異なる点は、永久磁石3の径方向外周部(外周側)にスリット7aを設けるだけでなく、径方向内周部(内周側)にもスリット7bを設けている点である。 The slit 7 will be described in more detail with reference to FIG. The configuration of FIG. 5 is different from that of FIG. 1 in that not only the slit 7a is provided in the radially outer peripheral portion (outer peripheral side) of the permanent magnet 3, but also the slit 7b is provided in the radially inner peripheral portion (inner peripheral side). It is a point.
図5では、d軸は回転子1の回転中心(シャフト6の中心)Oと磁石収容孔4の中央4oとを通る。永久磁石3は、d軸に対して線対称となるように、磁石収容孔4を埋めるように挿入されている。永久磁石3は、磁石収容孔4を完全に埋めるのではなく、隙間を残すように挿入されてもよい。本実施例では、d軸は磁極の中央を通るので、以下、d軸を磁極中央線30clと呼ぶ。 In FIG. 5, the d axis passes through the rotation center (center of the shaft 6) O of the rotor 1 and the center 4 o of the magnet housing hole 4. The permanent magnet 3 is inserted so as to fill the magnet accommodation hole 4 so as to be line-symmetric with respect to the d-axis. The permanent magnet 3 may not be completely filled in the magnet housing hole 4 but may be inserted so as to leave a gap. In this embodiment, since the d-axis passes through the center of the magnetic pole, the d-axis is hereinafter referred to as a magnetic pole center line 30cl.
スリット7aは、外周側では磁極中央線30clに近づき、内周側では磁極中央線30clから遠ざかるように、磁極中央線30clに対して傾斜して形成されている。すなわち、スリット7aは、外周側端部が内周側端部に対して磁極中央線30clに近くなるように、磁極中央線30clに対して傾斜して形成されている。具体的には、スリット7aの中心線7aclの外周側端部7aoから磁極中央線30clに下ろした垂線の長さ(外周側端部7aoと磁極中央線30clとの距離)d7aoが、スリット7aの中心線7aclの内周側端部7aiから磁極中央線30clに下ろした垂線の長さ(外周側端部7aiと磁極中央線30clとの距離)d7aiよりも短くなるように、スリット7aは磁極中央線30clに対して傾斜している。 The slit 7a is inclined with respect to the magnetic pole center line 30cl so as to approach the magnetic pole center line 30cl on the outer peripheral side and away from the magnetic pole center line 30cl on the inner peripheral side. That is, the slit 7a is formed to be inclined with respect to the magnetic pole center line 30cl so that the outer peripheral side end is closer to the magnetic pole center line 30cl with respect to the inner peripheral side end. Specifically, the length of the perpendicular line (distance between the outer peripheral side end 7ao and the magnetic pole center line 30cl) d7ao from the outer peripheral side end 7ao of the center line 7acl of the slit 7a to the magnetic pole center line 30cl is equal to the slit 7a. The length of the perpendicular line (the distance between the outer peripheral side end 7ai and the magnetic pole center line 30cl) d7ai from the inner peripheral side end 7ai of the center line 7ac1 to the magnetic pole center line 30cl is shorter than the slit 7a. Inclined with respect to the line 30cl.
スリット7aは、一つの磁極において、磁極中央線30clの少なくとも片側に形成する。本実施例の場合、磁極中央線30clの両側にスリット7aを形成している。また、磁極中央線30clの両側に形成したスリット7aは磁極中央線30clに対して線対称に形成している。スリット7aを磁極中央線30clに対して線対称に形成することにより、磁石磁束とq軸磁束との透過性に関する設計が容易になる。しかし、必ずしもスリット7aを磁極中央線30clに対して線対称に形成する必要はない。 The slit 7a is formed on at least one side of the magnetic pole center line 30cl in one magnetic pole. In the present embodiment, slits 7a are formed on both sides of the magnetic pole center line 30cl. The slits 7a formed on both sides of the magnetic pole center line 30cl are formed symmetrically with respect to the magnetic pole center line 30cl. By forming the slits 7a symmetrically with respect to the magnetic pole center line 30cl, the design regarding the permeability between the magnet magnetic flux and the q-axis magnetic flux becomes easy. However, the slits 7a are not necessarily formed symmetrically with respect to the magnetic pole center line 30cl.
スリット7aは、図5では、上述した傾斜を有するように直線状に形成しているが、円弧状に形成してもよい。スリット7aを円弧状に形成する場合、磁石磁束に沿うように、磁極中央線30clに向かって凸形状の曲線を描くようにするとよい。 In FIG. 5, the slit 7 a is formed in a linear shape so as to have the above-described inclination, but may be formed in an arc shape. When the slit 7a is formed in an arc shape, a convex curve may be drawn toward the magnetic pole center line 30cl along the magnetic flux.
次に、図5に示すスリット7bについて説明する。尚、スリット7bを設けない場合もスリット7aによる効果は得られるため、スリット7bは必ずしも設ける必要はない。しかし、スリット7bを設けることにより、以下で説明する効果が得られる。 Next, the slit 7b shown in FIG. 5 will be described. Even if the slit 7b is not provided, the effect of the slit 7a can be obtained, and therefore the slit 7b is not necessarily provided. However, the effect described below is obtained by providing the slit 7b.
スリット7bは永久磁石3の径方向内周部(内周側)に設けられ、スリット7aと同様に非磁性体で構成される。 The slit 7b is provided in the radially inner peripheral part (inner peripheral side) of the permanent magnet 3, and is made of a nonmagnetic material in the same manner as the slit 7a.
このような構成とすることで、q軸インダクタンスの低減効果がより一層高まり、固定子鉄心の磁気飽和をより一層緩和することができる。これによって、永久磁石同期機のさらなる高速回転駆動が可能になると同時に、さらなるトルク向上および効率向上を図ることが可能となる。スリット7bは磁石磁束の透過を妨げないと同時に、q軸磁束の透過を妨げるように配置すればよく、直線状に設けても良いし、円弧状にしても良い。また、一続きで構成しても良いし、リブ等で分割して構成しても良い。また、製作可能な範囲で有れば何本であっても良い。また、各スリットの幅は均一でも良いし、不均一でも良い。 By adopting such a configuration, the effect of reducing the q-axis inductance is further enhanced, and the magnetic saturation of the stator core can be further alleviated. As a result, the permanent magnet synchronous machine can be further rotated at a high speed, and at the same time, further torque improvement and efficiency improvement can be achieved. The slit 7b may be arranged so as not to prevent the transmission of the magnet magnetic flux and at the same time prevent the transmission of the q-axis magnetic flux, and may be provided in a straight line shape or an arc shape. Moreover, you may comprise by a continuation and may divide | segment by a rib etc. and may comprise. Further, any number may be used as long as it can be manufactured. Further, the width of each slit may be uniform or non-uniform.
ここで、スリット7bの別の効果として永久磁石3の減磁耐力向上がある。永久磁石3の不可逆減磁が発生するのは、固定子コイルが永久磁石3の磁化方向とは反対方向に過大な磁界を発生するときである。固定子コイルが発生する磁界の大きさは、電流の大きさと巻線のターン数、すなわちアンペアターンに比例するが、アンペアターンが一定の場合を考えると、永久磁石3に印加される磁界(以下、減磁磁界)の大きさは、ギャップ部分や固定子鉄心や回転子鉄心の磁気抵抗との兼ね合いによって決まる。すなわち、永久磁石3以外の部分の磁気抵抗が大きいほど、減磁磁界(永久磁石3に印加される磁界)は小さくなる。ここで、スリット7bが無い場合を考えると、永久磁石3の径方向内周部コア部分には磁束の透過を妨げる要素が無いため、磁気抵抗は非常に小さい。これに対し、スリット7bを設けることで、磁束はスリット7bに沿って透過することになるので、磁路が限定され磁気抵抗が増加する。これによって、減磁磁界(永久磁石3に印加される磁界)を小さくできるので、永久磁石3の減磁耐力が向上する。 Here, another effect of the slit 7b is an improvement in the demagnetization resistance of the permanent magnet 3. The irreversible demagnetization of the permanent magnet 3 occurs when the stator coil generates an excessive magnetic field in a direction opposite to the magnetization direction of the permanent magnet 3. The magnitude of the magnetic field generated by the stator coil is proportional to the magnitude of the current and the number of turns of the winding, that is, the ampere turn, but considering the case where the ampere turn is constant, the magnetic field applied to the permanent magnet 3 (hereinafter referred to as the ampere turn) The magnitude of the demagnetizing magnetic field is determined by the balance with the gap portion, the magnetic resistance of the stator core and the rotor core. That is, the demagnetizing magnetic field (the magnetic field applied to the permanent magnet 3) decreases as the magnetic resistance of the portion other than the permanent magnet 3 increases. Here, considering the case where there is no slit 7b, since there is no element that prevents the transmission of magnetic flux in the radially inner peripheral core portion of the permanent magnet 3, the magnetic resistance is very small. On the other hand, by providing the slit 7b, the magnetic flux is transmitted along the slit 7b, so that the magnetic path is limited and the magnetic resistance is increased. As a result, the demagnetizing magnetic field (magnetic field applied to the permanent magnet 3) can be reduced, so that the demagnetization resistance of the permanent magnet 3 is improved.
なお、図6に示すような構成においても本実施例で述べた効果と同様の効果を得ることができる。図6の構成が図5と異なる点は、回転子鉄心2の外周部の磁極間に、リブ102を設け、その内周側にq軸空孔103を設けた点である。このような構成とした場合にも永久磁石3の径方向内周部(内周側)を透過しようとするq軸磁束を大幅に低減することができ、固定子の磁気飽和を緩和できる。また、リブ102を設けることで、永久磁石3の外周部コアに働く遠心力荷重に対して強度が向上するため、より一層の高速回転化が可能となる。リブ102を設ける位置は、図6では永久磁石3よりも外周側としているが、上記の効果を得られるのであれば、必ずしも永久磁石3の外周側とする必要はなく、永久磁石3と同一円周上近傍に設けても良いし、永久磁石3の内周側に設けてもよい。また、リブ102の幅は、永久磁石3の漏れ磁束低減と回転子強度向上の両立を図れる範囲で任意に設定して良い。また、q軸空孔103は、図6では半円状の形状としているが、q軸磁束を低減できるのであれば、その形状は必ずしも半円状でなくても良い。また、q軸空孔103は、図6では極間1カ所につき1つだけ設けているが、2つまたはそれ以上の複数を設けても良い。 Note that the same effect as described in the present embodiment can be obtained even in the configuration shown in FIG. 6 differs from FIG. 5 in that ribs 102 are provided between the magnetic poles on the outer periphery of the rotor core 2 and q-axis holes 103 are provided on the inner periphery thereof. Even in such a configuration, the q-axis magnetic flux that attempts to pass through the radially inner peripheral portion (inner peripheral side) of the permanent magnet 3 can be greatly reduced, and the magnetic saturation of the stator can be mitigated. Further, by providing the ribs 102, the strength is improved with respect to the centrifugal load acting on the outer peripheral core of the permanent magnet 3, so that a further high speed rotation is possible. In FIG. 6, the position where the rib 102 is provided is on the outer peripheral side of the permanent magnet 3. However, if the above effect can be obtained, the rib 102 is not necessarily provided on the outer peripheral side of the permanent magnet 3. It may be provided near the circumference or may be provided on the inner circumference side of the permanent magnet 3. Further, the width of the rib 102 may be arbitrarily set within a range in which both reduction of leakage flux of the permanent magnet 3 and improvement of rotor strength can be achieved. Further, the q-axis hole 103 has a semicircular shape in FIG. 6, but the shape may not necessarily be a semicircular shape as long as the q-axis magnetic flux can be reduced. Further, in FIG. 6, only one q-axis hole 103 is provided at one position between the electrodes, but two or more plural may be provided.
以下、図7を用いて本発明の第2の実施例について説明する。図7は、本発明の第2の実施例におけるモータ特性の一例である。 Hereinafter, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 7 is an example of motor characteristics in the second embodiment of the present invention.
本実施例では、図7に示すように、最大電流通電状態で最大トルクMe,maxを発生する永久磁石同期機において、モータ端子電圧がVmaxとなる時の回転数をNsatとし、一方で、外部駆動によって発生する誘導起電力がVmaxとなる時の回転数をNmaxとし、Nmax<Nsatとなるように構成することで、高速回転化を可能にする。 In this embodiment, as shown in FIG. 7, in the permanent magnet synchronous machine that generates the maximum torque Me, max in the maximum current conduction state, the rotation speed when the motor terminal voltage becomes Vmax is Nsat, The rotation speed when the induced electromotive force generated by driving is Vmax is Nmax, and Nmax <Nsat is configured, thereby enabling high-speed rotation.
実施例1で述べたように、電圧は数18で表されるので、数4の関係が成立する場合には、Nmax<Nsatが成立する。 As described in the first embodiment, since the voltage is expressed by Expression 18, when the relationship of Expression 4 is satisfied, Nmax <Nsat is satisfied.
以下、図12を用いて本発明の第3の実施例について説明する。図12は、本実施例による圧縮機の断面構造図である。 Hereinafter, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 12 is a sectional structural view of the compressor according to the present embodiment.
図12において、圧縮機構部は、固定スクロ−ル部材13の端板14に直立する渦巻状ラップ15と、旋回スクロ−ル部材16の端板17に直立する渦巻状ラップ18とを噛み合わせて形成されている。そして、旋回スクロ−ル部材16をクランクシャフト6によって旋回運動させることで圧縮動作を行う。固定スクロ−ル部材13及び旋回スクロ−ル部材16によって形成される圧縮室19(19a、19b、……)のうち、最も外径側に位置している圧縮室19は、旋回運動に伴って両スクロ−ル部材13、16の中心に向かって移動し、容積が次第に縮小する。 In FIG. 12, the compression mechanism unit meshes the spiral wrap 15 standing upright with the end plate 14 of the fixed scroll member 13 and the spiral wrap 18 standing upright with the end plate 17 of the turning scroll member 16. Is formed. The revolving scroll member 16 is revolved by the crankshaft 6 to perform the compression operation. Of the compression chambers 19 (19a, 19b,...) Formed by the fixed scroll member 13 and the swivel scroll member 16, the compression chamber 19 located on the outermost diameter side is accompanied by a swirl motion. The scroll members 13 and 16 move toward the center, and the volume gradually decreases.
両圧縮室19a、19bが両スクロ−ル部材13、16の中心近傍に達すると、両圧縮室19内の圧縮ガスは圧縮室19と連通した吐出口20から吐出される。吐出された圧縮ガスは、固定スクロ−ル部材13及びフレ−ム21に設けられたガス通路(図示せず)を通ってフレ−ム21下部の圧力容器22内に至り、圧力容器22の側壁に設けられた吐出パイプ23から圧縮機外に排出される。圧力容器22内に、固定子9と回転子1とで構成される永久磁石モ−タ103が内封されており、回転子1が回転することで、圧縮動作を行う。永久磁石モ−タ103の下部には、油溜め部25が設けられている。油溜め部25内の油は回転運動により生ずる圧力差によって、クランクシャフト6内に設けられた油孔26を通って、旋回スクロ−ル部材16とクランクシャフト6との摺動部、滑り軸受け27等の潤滑に供される。圧力容器22の側壁には固定子コイル12を圧力容器22の外側に引き出すための端子箱30が設けられ、例えば、三相永久磁石モ−タの場合は、U、V、W各巻線の端子が計3個、納められている。永久磁石モ−タ103に、前述の実施例1、又は実施例2記載の永久磁石同期機を適用することで、より高速回転まで駆動することが可能になると同時に、トルク向上および効率向上を図ることが可能となる。 When both the compression chambers 19 a and 19 b reach the vicinity of the centers of the scroll members 13 and 16, the compressed gas in both the compression chambers 19 is discharged from the discharge port 20 communicating with the compression chamber 19. The discharged compressed gas passes through the gas passage (not shown) provided in the fixed scroll member 13 and the frame 21 and reaches the pressure vessel 22 below the frame 21, and the side wall of the pressure vessel 22. Is discharged from the discharge pipe 23 provided outside the compressor. A permanent magnet motor 103 composed of the stator 9 and the rotor 1 is enclosed in the pressure vessel 22, and the compression operation is performed by the rotation of the rotor 1. An oil sump 25 is provided below the permanent magnet motor 103. The oil in the oil sump 25 passes through an oil hole 26 provided in the crankshaft 6 due to a pressure difference caused by a rotational motion, and a sliding portion between the turning scroll member 16 and the crankshaft 6 and a sliding bearing 27. It is used for lubrication. A terminal box 30 for pulling out the stator coil 12 to the outside of the pressure vessel 22 is provided on the side wall of the pressure vessel 22. For example, in the case of a three-phase permanent magnet motor, terminals of U, V, and W windings are provided. There are a total of three. By applying the permanent magnet synchronous machine described in the first embodiment or the second embodiment to the permanent magnet motor 103, it is possible to drive to a higher speed, and at the same time, improve the torque and improve the efficiency. It becomes possible.
ところで、現在の家庭用・業務用空調機では、圧縮容器22内にR410A冷媒が封入されているものが多く、永久磁石モ−タ103の周囲温度は80℃以上となることが多い。今後、地球温暖化係数がより小さいR32冷媒の採用が進むと周囲温度はさらに上昇するため、磁石のBr低下がより顕著となる。このような場合に、前述の実施例1、又は実施例2記載の永久磁石同期機を適用することで、Br低下によるトルク低下、効率低下を補うことができる。特に永久磁石3をフェライト磁石で構成する場合には、ネオジウム磁石で問題となる高温減磁が原理的に発生しないので、R32冷媒採用に伴う周囲温度上昇に対して有効な対策となる。尚、本実施例の圧縮機に前述の実施例1、又は実施例2記載の永久磁石同期機を適用するにあたり、冷媒の種類が制限されるものではない。 By the way, in many current home and commercial air conditioners, the R410A refrigerant is sealed in the compression container 22, and the ambient temperature of the permanent magnet motor 103 is often 80 ° C. or more. In the future, as the adoption of R32 refrigerant having a smaller global warming potential progresses, the ambient temperature further increases, so that the reduction in Br of the magnet becomes more prominent. In such a case, by applying the permanent magnet synchronous machine described in the first embodiment or the second embodiment, it is possible to compensate for the torque decrease and the efficiency decrease due to the Br decrease. In particular, when the permanent magnet 3 is composed of a ferrite magnet, high temperature demagnetization which is a problem with a neodymium magnet does not occur in principle, which is an effective measure against an increase in ambient temperature due to the adoption of the R32 refrigerant. In addition, in applying the permanent magnet synchronous machine of the above-mentioned Example 1 or Example 2 to the compressor of a present Example, the kind of refrigerant | coolant is not restrict | limited.
なお、圧縮機構成は図12記載のスクロ−ル圧縮機でも良いし、ロ−タリ圧縮機でも良いし、その他の圧縮機構を有する構成でも良い。また、本発明によれば、以上に説明したように小形で高出力のモータが実現できる。すると高速運転が可能になるなど、運転範囲を広げることが可能となり、さらには、HeやR32などの冷媒においては、R22、R407C、R410Aなどの冷媒に比べ、隙間からの漏れが大きく、特に低速運転時には循環量に対する漏れの比率が顕著に大きくなるため、効率低下が大きい。低循環量(低速運転)時の効率向上のため、圧縮機構部を小型化し、同じ循環量を得るために回転数を上げることで、漏れ損失を低減させることが有効な手段となりうるが、最大循環量を確保するために最大回転数も上げる必要がある。本発明に係る永久磁石同期機を備えた圧縮機によれば、最大回転数を上げることが可能となり、HeやR32などの冷媒における効率向上に有効な手段となる。 The compressor configuration may be a scroll compressor shown in FIG. 12, a rotary compressor, or a configuration having other compression mechanisms. Further, according to the present invention, as described above, a small and high output motor can be realized. Then, it becomes possible to widen the operating range, such as enabling high-speed operation. Further, in refrigerants such as He and R32, leakage from gaps is larger than refrigerants such as R22, R407C, and R410A, and in particular, low speeds. During operation, the ratio of leakage to the circulation amount is significantly increased, so that the efficiency is greatly reduced. Reducing leakage loss by reducing the size of the compression mechanism and increasing the rotational speed to obtain the same amount of circulation can be an effective means to improve efficiency during low circulation (low speed operation). It is necessary to increase the maximum number of revolutions in order to secure the circulation rate. According to the compressor provided with the permanent magnet synchronous machine according to the present invention, it is possible to increase the maximum rotation speed, which is an effective means for improving the efficiency of refrigerants such as He and R32.
1…回転子、2…回転子鉄心、3…永久磁石、4…永久磁石収容孔、5…カシメ用リベット、6…シャフト又はクランクシャフト、7a,7b…スリット、8…極、9…固定子、10…固定子鉄心、11…ティース、12(12u1,12u2,12v1,12v2,12w1,12w2)…固定子コイル、13…固定スクロ−ル部材、14…端板、15…渦巻状ラップ、16…旋回スクロ−ル部材、17…端板、18…渦巻状ラップ、19(19a,19b)…圧縮室、20…吐出口、21…フレ−ム、22…圧力容器、23…吐出パイプ、24…バランスウェイト、25…油溜部、26…油孔、27…滑り軸受け、30…端子箱、101…リブ、102…q軸空孔、103…永久磁石モ−タ。
7
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Rotor, 2 ... Rotor iron core, 3 ... Permanent magnet, 4 ... Permanent magnet accommodation hole, 5 ... Riveting for caulking, 6 ... Shaft or crankshaft, 7a, 7b ... Slit, 8 ... Pole, 9 ... Stator DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Stator iron core, 11 ... Teeth, 12 (12u1, 12u2, 12v1, 12v2, 12w1, 12w2) ... Stator coil, 13 ... Fixed scroll member, 14 ... End plate, 15 ... Spiral wrap, 16 Rotating scroll member 17 End plate 18 Spiral wrap 19 (19a, 19b) Compression chamber 20 Discharge port 21 Frame 22 Pressure vessel 23 Discharge pipe 24 DESCRIPTION OF SYMBOLS ... Balance weight, 25 ... Oil reservoir, 26 ... Oil hole, 27 ... Sliding bearing, 30 ... Terminal box, 101 ... Rib, 102 ... q-axis hole, 103 ... Permanent magnet motor.
7
Claims (11)
前記固定子に対して径方向にギャップを介して配置されかつ磁石収容孔を形成する回転子と、を備え、
前記磁石収容孔に挿入された永久磁石と、を備え、前記永久磁石を周方向に複数配置した永久磁石同期機において、
前記永久磁石による固定子コイル一相分の鎖交磁束Ψp(Wb)と、電流実効値Irms(Arms)を前記固定子コイルに通電した時の直軸インダクタンスLd(H)および横軸インダクタンスLq(H)と、前記電流実効値Irms(Arms)とが、
の関係を満足すると同時に、駆動時の固定子鎖交磁束Ψ(Wb)と前記Ψpとが
の関係を満足することを特徴とする永久磁石同期機。 A stator having a plurality of teeth and a stator coil;
A rotor arranged in a radial direction with respect to the stator through a gap and forming a magnet housing hole,
A permanent magnet synchronous machine in which a plurality of permanent magnets are arranged in the circumferential direction.
A linear-axis inductance Ld (H) and a horizontal-axis inductance Lq (when the stator coil is energized with the interlinkage magnetic flux Ψp (Wb) for one phase of the stator coil by the permanent magnet and the current effective value Irms (Arms). H) and the current effective value Irms (Arms),
Satisfying the above relationship, and at the same time, the stator flux linkage Ψ (Wb) during driving
A permanent magnet synchronous machine characterized by satisfying the above relationship.
前記回転子は、前記磁石収容孔に挿入された永久磁石とで構成された磁極を周方向に複数配置し、
前記磁極の径方向外周部に非磁性体で構成されるスリットを配置することを特徴とする永久磁石同期機。 In the permanent magnet synchronous machine according to claim 1,
The rotor is arranged with a plurality of magnetic poles composed of permanent magnets inserted in the magnet housing holes in the circumferential direction,
A permanent magnet synchronous machine, wherein a slit made of a non-magnetic material is disposed on a radially outer periphery of the magnetic pole.
前記磁石収容孔は、1極を構成する前記永久磁石の磁極中心軸に対して直行するように形成され、また、回転軸方向からみて平板状であるとともに、
前記磁極の径方向外周部に非磁性体で構成されるスリットを配置することを特徴とする永久磁石同期機。 In the permanent magnet synchronous machine according to claim 1,
The magnet housing hole is formed so as to be perpendicular to the magnetic pole central axis of the permanent magnet constituting one pole, and is flat when viewed from the rotation axis direction,
A permanent magnet synchronous machine, wherein a slit made of a non-magnetic material is disposed on a radially outer periphery of the magnetic pole.
前記回転子は、隣接する磁極間のコアが前記永久磁石収容孔の周方向端部よりも内周側に凹となることを特徴とする永久磁石同期機。 In the permanent magnet synchronous machine according to claim 2 or claim 3,
The rotor is a permanent magnet synchronous machine in which a core between adjacent magnetic poles is recessed toward an inner peripheral side from a circumferential end of the permanent magnet accommodation hole.
前記回転子は、隣接する磁極間において、周方向に延びるリブを有するとともに、前記リブの径方向内周側に設けられた空孔を形成することを特徴とする永久磁石同期機。 In the permanent magnet synchronous machine according to claim 2 or claim 3,
The rotor has a rib extending in the circumferential direction between adjacent magnetic poles, and forms a hole provided on the radially inner peripheral side of the rib.
前記スリットは、前記回転子の回転中心と前記磁極の磁極中央とを通る中央線の少なくとも片側に設けられ、外周側端部が内周側端部に対して前記中央線に近くなるように、前記中央線に対して傾斜して形成されていることを特徴とする永久磁石同期機。 In the permanent magnet synchronous machine according to any one of claims 2 to 5,
The slit is provided on at least one side of a center line passing through the rotation center of the rotor and the magnetic pole center of the magnetic pole, and an outer peripheral side end portion is closer to the central line with respect to an inner peripheral side end portion, The permanent magnet synchronous machine is formed to be inclined with respect to the center line.
前記スリットは、前記中央線の両側に前記中央線に対して線対称に形成されていることを特徴とする永久磁石同期機。 In the permanent magnet synchronous machine according to claim 6,
The slit is formed symmetrically with respect to the center line on both sides of the center line.
前記磁極の径方向内周部に非磁性体で構成されるスリットを配置したことを特徴とする永久磁石同期機。 In the permanent magnet synchronous machine according to any one of claims 1 to 7,
A permanent magnet synchronous machine, wherein a slit made of a non-magnetic material is disposed on a radially inner periphery of the magnetic pole.
インバ−タから前記永久磁石同期機に供給される電流の位相が、前記永久磁石による固定子コイル一相分の誘導起電力の位相に対して、0°〜22.5°の進み位相となるように制御されることを特徴とする永久磁石同期機。 In the permanent magnet synchronous machine according to any one of claims 1 to 8,
The phase of the current supplied from the inverter to the permanent magnet synchronous machine is a lead phase of 0 ° to 22.5 ° with respect to the phase of the induced electromotive force for one phase of the stator coil by the permanent magnet. The permanent magnet synchronous machine is controlled as follows.
前記永久磁石モ−タは、請求項1乃至9のいずれか1項に記載の永久磁石同期機であることを特徴とする圧縮機。 In a compressor provided with a compression mechanism that sucks in and compresses and discharges the refrigerant, and a permanent magnet motor that drives the compression mechanism,
The compressor according to any one of claims 1 to 9, wherein the permanent magnet motor is a permanent magnet synchronous machine.
前記圧縮機にはR32冷媒が封入されていることを特徴とする圧縮機。 The compressor according to claim 10, wherein
An R32 refrigerant is sealed in the compressor.
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