JP6030610B2 - Rotating electrical iron core - Google Patents
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本発明は、電動機及び発電機等の回転電機に於ける鉄心に関し、近年高効率化が要望される回転電機に於いて、回転電機のローターのコギングトルクを完全に消滅する事を実現し、理想的な回転特性を実現し性能を向上させる事により、高効率、小型で高出力を可能とする回転電機のステータ鉄心の技術に関する。 The present invention relates to an iron core in a rotating electric machine such as an electric motor and a generator. In a rotating electric machine for which higher efficiency has been demanded in recent years, the cogging torque of the rotor of the rotating electric machine has been completely eliminated. TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to a technology for a stator core of a rotating electrical machine that achieves high efficiency, small size, and high output by realizing typical rotational characteristics and improving performance.
周知の通り、回転電機に於いてローターのコギングトルクを低減して、安定した回転特性を実現する事が、回転電機の特性を向上させる為の重要な要素である。 As is well known, reducing the cogging torque of the rotor in the rotating electric machine to achieve stable rotating characteristics is an important factor for improving the characteristics of the rotating electric machine.
本件特許申請より先に、回転電機の鉄心に於いて、鉄心の磁極数が3極、磁石極数が2極等の最少極数の場合に於いて、コギングトルクの基本周波の第2高調波を発生させて、コギングトルクを低減し平滑化する技術が開示されている。(特許文献1) Prior to this patent application, the second harmonic of the fundamental frequency of the cogging torque when the iron core of the rotating electrical machine has the minimum number of magnetic poles, such as 3 poles and 2 poles. Has been disclosed to reduce and smooth the cogging torque. (Patent Document 1)
即ち、3の倍数のステータ磁極数と2の倍数の磁極数であり、正弦波の配向を有するローターの磁極間に間隙の無い永久磁石ローターであり、ステータ磁極数とローター磁極数の比が3対2である回転電機の鉄心に於いて、磁石面に対向するティースの面からバックヨークに至るまでの距離を中心線に対して左右対称のスリット2本でティースを3分割し、当該鉄心の円周360°を鉄心の磁極数で割った角度を磁極の単位角度θとし、そのθの4分の1の分割線をAとし、2分の1の分割線をBとして、ティースのスロット開口部の端と分割線Aの角度をθa1とし、スリット開口部の端と分割線Aの角度をθa2として、ティースの中央磁路のスリット開口部の端と分割線Bの角度をθbとして、θa1/θa2と2θa2/θbの値が等しくなる条件と、2θb/θa2とθa1/θa2の値の和と或いは、2θb/θa2と2θa2/θbの値の和が限りなく4に近くなる事を満たす事を特徴とする回転電機の鉄心が開示されている。 That is, the number of stator magnetic poles is a multiple of 3 and the number of magnetic poles is a multiple of 2, and the permanent magnet rotor has no gap between the magnetic poles of the rotor having a sinusoidal orientation. The ratio of the number of stator magnetic poles to the number of rotor magnetic poles is 3 In the iron core of a rotating electrical machine that is a
即ち、上記の技術ではスリットにより磁気回路を分割して、鉄心の磁極数が3極、磁石極数が2極等の最少極数の場合に於いて、コギングトルクの基本周波の第2高調波を発生させてコギングトルクを低減し平滑化する技術が開示されている。 That is, in the above technique, the magnetic circuit is divided by the slit, and the second harmonic of the fundamental frequency of the cogging torque when the number of magnetic poles of the iron core is the minimum number of poles such as 3 and the number of magnet poles is 2. Has been disclosed to reduce the cogging torque and smooth it.
しかし、上記の技術では、コギングトルクの基本周波の第2高調波を発生させてコギングトルクを低減し、平滑化するのが限界である。
特許文献1の技術による回転電機の鉄心は次の点に於いて性能の向上が考えられる。 The iron core of a rotating electrical machine according to the technique of
特許文献1の技術による鉄心に於いては、磁極数が3極、磁石極数が2極等の最少極数に於いて、コギングトルクを完全に消滅させる事は不可能であり、実現されていない。 In the iron core according to the technique of
本発明は、上記の問題点を解決する為の技術であり、ステータ磁極数とローター極数が最小値である3極と2極の場合に於いても、コギングトルク完全に消滅させて高効率、小型で高出力の回転電機を可能とする技術を提供する事にあります。 The present invention is a technique for solving the above-described problems. Even in the case of three poles and two poles where the number of stator magnetic poles and the number of rotor poles are minimum values, the cogging torque is completely eliminated and high efficiency is achieved. , To provide technology that enables small, high-output rotating electrical machines.
上記目的を解決するために、本発明は次の技術的手段を有する。 In order to solve the above object, the present invention has the following technical means.
即ち、実施例に対応する添付図面中の符号を用いて説明すると、本発明は、3の倍数のステータ磁極数と2の倍数の磁極数であり、正弦波の配向を有するローターの磁極間に間隙の無い永久磁石ローターであり、ステータ磁極数とローター磁極数の比が3対2である回転電機の鉄心の、磁石面に対向するティースの面からバックヨークに至るまでの距離を中心線に対して左右対称のスリット2本でティースを3分割し、当該鉄心の円周360°を鉄心の磁極数で割った角度を磁極の単位角度θとし、そのθの4分の1の分割線をAとし、2分の1の分割線をBとして、ティースのスロット開口部の端と分割線Aの角度をθa1とし、スリット開口部の端と分割線Aの角度をθa2として、ティースの中央磁路のスリット開口部の端と分割線Bの角度をθbとして、θa1/θa2と2θa2/θbの値が等しくなる条件と、2θb/θa2とθa1/θa2の値の和と或いは、2θb/θa2と2θa2/θbの値の和が限りなく4に近くなる事を満たす事を特徴とする回転電機の鉄心に於いて、スリットにより分割された鉄心の磁気回路の磁気回路幅TAがバックヨーク厚さTをP22θa1/90で割った数値になる事を特徴とする回転電機の鉄心が考慮される。That is, the present invention will be described using the reference numerals in the accompanying drawings corresponding to the embodiments. The present invention has a stator magnetic pole number that is a multiple of 3 and a magnetic pole number that is a multiple of 2, between the magnetic poles of a rotor having a sinusoidal orientation. Permanent magnet rotor with no gap, centering on the distance from the tooth surface facing the magnet surface to the back yoke of the iron core of a rotating electrical machine with a ratio of the number of stator magnetic poles to the number of rotor magnetic poles of 3 to 2 On the other hand, the tooth is divided into three parts by two symmetrical slits, and the angle obtained by dividing the circumference 360 ° of the iron core by the number of magnetic poles of the iron core is defined as the unit angle θ of the magnetic pole, and a dividing line that is a quarter of the θ is A is defined as A, a half dividing line is B, an angle between the end of the slot opening of the tooth and the dividing line A is θa1, an angle between the end of the slit opening and the dividing line A is θa2, and the central magnetic field of the tooth The edge of the slit opening of the road and the corner of the dividing line B Assuming that the degree is θb, the condition that the values of θa1 / θa2 and 2θa2 / θb are equal, the sum of the values of 2θb / θa2 and θa1 / θa2, or the sum of the values of 2θb / θa2 and 2θa2 / θb is unlimited. to satisfy to become closer at the core of a rotary electric machine characterized by, the numerical value magnetic circuit width T a of the magnetic circuit of the divided iron core is divided by a back yoke thickness T at P 2 2θa1 / 90 by slits An iron core of a rotating electric machine characterized by
本発明の上記構成に基づけば、3の倍数のステータ磁極数と2の倍数の磁極数の永久磁石ローターであり、ローター磁極数の1.5倍の極数がステータ磁極数になる場合に於いて、コギングトルクを完全に消滅せしめ、滑らかな回転特性を可能とする技術を提供する。 Based on the above configuration of the present invention, the permanent magnet rotor has a stator magnetic pole number that is a multiple of 3 and a magnetic pole number that is a multiple of 2, and the number of stator poles is 1.5 times the number of rotor magnetic poles. In addition, the technology that completely eliminates the cogging torque and enables smooth rotation characteristics is provided.
即ち、コギングトルクを完全に消滅せしめた結果、回転特性の優れた高効率の回転電機を可能とする。 That is, as a result of completely eliminating the cogging torque, a high-efficiency rotating electric machine having excellent rotation characteristics is made possible.
又、ステータ鉄心の磁極数が3極、ローター極数が2極等の最少極数の場合に於いてもコギングトルクを完全に消滅せしめて、滑らかな回転特性を可能とし、高効率で超高速回転の回転電機を可能とする。 In addition, even when the number of magnetic poles of the stator core is 3 poles and the number of rotor poles is 2 poles, the cogging torque is completely extinguished, enabling smooth rotation characteristics, high efficiency and ultra high speed. Enables a rotating electric rotating machine.
上記構成に基づき添付図面に従い実施例を詳述する。 Based on the above configuration, an embodiment will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
図1は、実施例の一例を示したものである、即ち、3の倍数のステータ磁極数と2の倍数の磁極数であり、正弦波の配向を有する永久磁石ローターであり、ステータ磁極数とローター磁極数の比が3対2である回転電機の鉄心の、磁石面に対向するティースの面からバックヨークに至るまでの距離を中心線に対して左右対称のスリット2本でティースを3分割し、当該鉄心の円周360°を鉄心の磁極数で割った角度を磁極の単位角度θとし、そのθの4分の1の分割線をAとし、2分の1の分割線をBとして、ティースのスロット開口部の端と分割線Aの角度をθa1とし、スリット開口部の端と分割線Aの角度をθa2として、ティースの中央磁路のスリット開口部の端と分割線Bの角度をθbとして、θa1/θa2と2θa2/θbの値が等しくなる条件と、2θb/θa2とθa1/θa2の値の和と或いは、2θb/θa2と2θa2/θbの値の和が限りなく4に近くなる事を満たす事を特徴とする回転電機の鉄心に於いて、スリットにより分割された鉄心の磁気回路の磁気回路幅TAがバックヨーク厚さTをP22θa1/90で割った数値になる事を特徴とする回転電機の鉄心である。(Pはローター極数)FIG. 1 shows an example of an embodiment, that is, a permanent magnet rotor having a number of stator poles that is a multiple of 3 and a number of poles that is a multiple of 2, and having a sinusoidal orientation. The teeth of a rotating electrical machine core with a rotor magnetic pole ratio of 3 to 2 are divided into three parts by two symmetrical slits with respect to the center line from the tooth surface facing the magnet surface to the back yoke. An angle obtained by dividing the circumference 360 ° of the iron core by the number of magnetic poles of the iron core is defined as a unit angle θ of the magnetic pole, a quarter dividing line of θ is A, and a half dividing line is B. The angle between the end of the tooth slot opening and the dividing line A is θa1, the angle between the end of the slit opening and the dividing line A is θa2, and the angle between the slit opening end of the central magnetic path of the teeth and the dividing line B Is θb, and the values of θa1 / θa2 and 2θa2 / θb are In an iron core of a rotating electrical machine characterized by satisfying the following conditions and the sum of the values of 2θb / θa2 and θa1 / θa2 or the sum of the values of 2θb / θa2 and 2θa2 / θb is close to 4 in it, a core of a rotating electrical machine magnetic circuit width T a of the magnetic circuit of the divided iron core by the slit is characterized by comprising a back yoke thickness T to a number divided by P 2 2θa1 / 90. (P is the number of rotor poles)
即ち、図1によれば3の倍数のステータ磁極数と2の倍数の磁極数の永久磁石ローターであり、ステータ磁極数とローター磁極数の比が3対2である回転電機の鉄心に於いて3極のステータ磁極と2極の永久磁石ローターの実施例であり、磁石面に対向するティース2、の面からバックヨーク3、に至るまでの距離を中心線に対して左右対称のスリット4、2本でティースを3分割し磁気回路を形成した図である。 That is, according to FIG. 1, a permanent magnet rotor having a stator magnetic pole number that is a multiple of 3 and a magnetic pole number that is a multiple of 2 is provided, and the iron core of a rotating electrical machine has a ratio of the stator magnetic pole number to the rotor magnetic pole number of 3 to 2. This is an example of a three-pole stator magnetic pole and a two-pole permanent magnet rotor. The
更に、当該鉄心の円周360°を鉄心の磁極数で割った角度を磁極の単位角度θとし、そのθの4分の1の分割線をAとし、2分の1の分割線をBとして、ティースのスロット開口部の端と分割線Aの角度をθa1とし、スリット開口部の端と分割線Aの角度をθa2として、ティースの中央磁路のスリット開口部の端と分割線Bの角度をθbとして、θa1/θa2と2θa2/θbの値が等しくなる条件と、2θb/θa2とθa1/θa2の値の和と或いは、2θb/θa2と2θa2/θbの値の和が限りなく4に近くなる事を満たす事を特徴とする回転電機の鉄心に於いて、スリットにより分割された鉄心の磁気回路の磁気回路幅TAがバックヨーク厚さTをP22θa1/90で割った数値になる事を特徴とする回転電機の鉄心である。(Pはローター極数)Further, an angle obtained by dividing the circumference 360 ° of the iron core by the number of magnetic poles of the iron core is set as a unit angle θ of the magnetic pole, a quarter dividing line of θ is A, and a half dividing line is B. The angle between the end of the slot opening of the tooth and the dividing line A is θa 1, and the angle between the end of the slit opening and the dividing line A is θa 2 , and the end of the slit opening of the central magnetic path of the tooth and the dividing line B Is the condition where the values of θa 1 / θa 2 and 2θa 2 / θb are equal and the sum of the values of 2θb / θa 2 and θa 1 / θa 2 or 2θb / θa 2 and 2θa 2 / θb in the iron core of an electric rotating machine, the magnetic circuit width T a of the magnetic circuit of the divided core by slits the back yoke thickness T P the sum of the values, characterized in that it satisfies that close to 4 as possible 2 With the iron core of a rotating electrical machine characterized by the value divided by 2θa1 / 90 is there. (P is the number of rotor poles)
従来、コギングトルクの基本調波は、ステータ磁極と永久磁石ローター極数の最小公倍数になり、ステータ磁極数が3と永久磁石ローターが2極の場合6調波になります。 Conventionally, the fundamental harmonic of the cogging torque is the least common multiple of the number of stator poles and permanent magnet rotor poles, and it is 6 harmonics when the number of stator poles is 3 and the permanent magnet rotor is 2 poles.
次に、上記の特許文献1の発明によれば、鉄心に於ける30°毎のローター回転位置の磁気回路と磁力線を検証すると図3と図4の2種類の磁気回路である事が分かります。 Next, according to the invention of the above-mentioned
即ち、この2種類の磁気回路に於ける磁石による引力が等しくなり均衡した状態になる時に、第2高調波が発生しコギングトルクが最小になる事が考慮されます。 In other words, it is considered that the second harmonic is generated and the cogging torque is minimized when the attractive forces of the magnets in these two types of magnetic circuits are equal and balanced.
即ち、図3と図4の場合に於いて、正弦波の配向を有する2極の磁石ローターのベクトル場をそれぞれ解析すると、当該鉄心の円周360°を鉄心の磁極数で割った角度を磁極の単位角度θとし、そのθの4分の1の分割線をAとし、2分の1の分割線をBとして、ティースのスロット開口部の端と分割線Aの角度をθa1とし、スリット開口部の端と分割線Aの角度をθa2として、ティースの中央磁路のスリット開口部の端と分割線Bの角度をθbとして、θa1/θa2と2θa2/θbの値が等しいか、ほぼ等しくなる条件と、2θb/θa2とθa1/θa2の値の和と或いは、2θb/θa2と2θa2/θbの値の和が限りなく4に近くなる事を満たした時に、図3と図4の2種類の磁気回路に於ける磁石による引力が等しくなり均衡した状態となりコギングトルクは最小値となります。That is, in the case of FIGS. 3 and 4, when the vector field of a two-pole magnet rotor having a sinusoidal orientation is analyzed, the angle obtained by dividing the circumference 360 ° of the iron core by the number of magnetic poles of the iron core. Is a unit angle θ of θ, A is a dividing line that is a quarter of θ, B is a dividing line that is a half, and θa 1 is the angle between the end of the slot opening of the tooth and the dividing line A, and the slit Assuming that the angle between the edge of the opening and the dividing line A is θa 2 and the angle between the edge of the slit opening of the central magnetic path of the teeth and the dividing line B is θb, the values of θa 1 / θa 2 and 2θa 2 / θb are equal. Or when the conditions are almost equal and the sum of the values of 2θb / θa 2 and θa 1 / θa 2 or the sum of the values of 2θb / θa 2 and 2θa 2 / θb is close to 4 In the two types of magnetic circuits of FIG. 3 and FIG. Cogging torque becomes the equilibrium state will be the minimum value.
即ち、図3に示した磁力線L(一点鎖線)と磁力線M(破線)と磁力線S(実線)の磁力による引力の和と、図4に示した磁力線L(一点鎖線)と磁力線M(破線)と磁力線S(実線)の引力の総和が等しくなり、この時、第2高調波が発生してローターのコギングトルクは最小値となります。 That is, the sum of the attractive forces due to the magnetic lines L (dashed line), magnetic line M (broken line) and magnetic line S (solid line) shown in FIG. The sum of the attractive forces of the magnetic field line S (solid line) is equal, and at this time, the second harmonic is generated and the cogging torque of the rotor becomes the minimum value.
次に、本件特許に於いて、この第2高調波の原因であるコギングトルクの差を無くしてコギングトルクを完全に消滅させる技術を詳述します。 Next, in this patent, we will elaborate on the technology to eliminate the cogging torque completely by eliminating the difference in cogging torque that is the cause of this second harmonic.
本件特許では、スリットにより分割された鉄心の磁気回路の磁気回路幅TAをバックヨーク厚さTをP22θa1/90で割った数値にする事を特徴とする回転電機の鉄心です。(Pはローター極数)In this patent, it is the core of a rotating electric machine, characterized in that for the numerical obtained by dividing the magnetic circuit width T A of the magnetic circuit of the divided core by slitting the back yoke thickness T at P 2 2θa1 / 90. (P is the number of rotor poles)
即ち、上記の公式を適用した磁気回路幅TAとする事で、0°と30°の位置で第2高調波を生じていたコギングトルクの数値を互いに減少させて、全てのローター回転位置に於いてコギングトルクの数値を一致させてコギングトルクを消滅させる事を実現します。That, by the magnetic circuit width T A according to the above formula, 0 ° and 30 ° of one another to reduce the value of the cogging torque, which occurs a second harmonic position, all of the rotor rotational position In this case, it is possible to make the cogging torque disappear by matching the values of the cogging torque.
即ち、図5の様に本件特許の公式を適用した磁気回路幅TAとする事で、磁気回路TAを通る磁束に漏れ磁束を故意に作る事で、コギングトルクの数値が制御され全てのローター回転位置に於いて、コギングトルクの数値が一致してコギングトルクが完全に消滅します、図中の数値は、スリットにより分割された各磁気回路に該当するする磁束を、磁石の正弦波の配向の面積値を磁束の強さとしてで表しています。That, by the magnetic circuit width T A according to the official this patent as in FIG. 5, by making a deliberate leakage flux to the magnetic flux passing through the magnetic circuit T A, all numbers cogging torque is controlled At the rotor rotation position, the cogging torque values coincide and the cogging torque disappears completely. The numbers in the figure show the magnetic flux corresponding to each magnetic circuit divided by the slits, and the magnetic sine wave. The area value of orientation is expressed as the strength of magnetic flux.
図5下の表1は、各磁気回路に該当する面積値と磁気回路の長さ比からコギングトルクを計算した数値であり、漏れ磁束はコギングトルクを生じ無い為に、コギングトルクの総数値から差し引かれます。 Table 1 below FIG. 5 is a numerical value obtained by calculating the cogging torque from the area value corresponding to each magnetic circuit and the length ratio of the magnetic circuit. Since the leakage flux does not generate the cogging torque, the total value of the cogging torque is calculated. Will be deducted.
即ち、図5の様にステータ極数が3とローター極数が2の場合に仮にθa1を28.1°として、公式よりステータ鉄心を設計した場合に、TAはTの約1/2.5になります。That is, if θa1 as 28.1 ° when the number of
バックヨークTを通過する磁気回路L磁束の最大値は図5の0°の状態に於いて、数値539.8(面積値)である事が分かります。 It can be seen that the maximum value of the magnetic circuit L magnetic flux passing through the back yoke T is a numerical value 539.8 (area value) in the state of 0 ° in FIG.
従ってTAを通過する磁束の最大値は1/2.5の数値216になります。Thus the maximum value of the magnetic flux passing through the T A is the numerical value 216 of 1 / 2.5.
即ち、0°の位置に於いてはTAに該当する磁束の数値は、294.8(面積値)でありますから片側で78.8の漏れ磁束になります。That is, 0 value of the magnetic flux corresponding to T A is at the position of ° is the leakage flux 78.8 on one side because it is 294.8 (area value).
従って、図5の下表1のコギングトルクの総数値1918.5より漏れ磁束分を引いた数値1760.9が有効コギングトルク値になります。 Therefore, the effective cogging torque value is 1760.9, which is obtained by subtracting the leakage flux from the total cogging torque value 1918.5 in the table 1 below.
以下同様にして15°、30°を計算すると図6の表2、図7の表3の結果になります。(図6、図7はローターを固定しステータ鉄心を回転した図です。) Similarly, calculating 15 ° and 30 ° gives the results shown in Table 2 in Fig. 6 and Table 3 in Fig. 7. (Figures 6 and 7 show the rotor fixed and the stator iron core rotated.)
ただし、図6の漏れ磁束は、上部漏れ磁束78.4が下部のTAの狭い磁路で有効磁束に両側を挟まれ拘束される為に下部漏れ磁束は49.1になります、即ち29.3はコギングトルクとして働きます。However,
以上詳述のとおり、有効コギングトルク数値は全ての回転位置に於いて、計算誤差を考慮して1761で一致し、コギングトルクは完全に消滅し、滑らかな回転が実現されます。 As detailed above, the effective cogging torque value is 1761 in consideration of the calculation error at all rotational positions, and the cogging torque disappears completely and smooth rotation is realized.
上記の記述は実施例の一例であり、3の倍数のステータ磁極数と2の倍数の磁極数の永久磁石ローターであり、ステータ磁極数とローター磁極数の比が3対2である回転電機の鉄心であればどの様な極数でもよい、又、鉄心材質も電磁鋼板を積層した物や圧粉鉄心等どの様な素材でもよい。 The above description is an example of the embodiment, and is a permanent magnet rotor having a stator magnetic pole number that is a multiple of 3 and a magnetic pole number that is a multiple of 2, and the ratio of the stator magnetic pole number to the rotor magnetic pole number is 3 to 2. Any number of poles may be used as long as it is an iron core, and the core material may be any material such as a laminate of electromagnetic steel sheets or a dust core.
以上、詳述した如く高効率化が要望される回転電機に於いて、ステータ鉄心の磁極数が3極、ローター極数が2極の最少極数の回転電機に於いてもコギングトルクを完全に消滅せさせる事の出来る唯一の技術であり、安定した回転トルクを実現し特性を向上させる事を可能とする、理想的特性を得る事の出来る回転電機の鉄心ある。 As described above, in a rotating electrical machine that requires high efficiency, the cogging torque is completely achieved even in a rotating electrical machine having a minimum number of magnetic poles of 3 stator rotors and 2 rotor poles. This is the only technology that can be extinguished, and it is an iron core of a rotating electrical machine that can achieve ideal characteristics that can realize stable rotational torque and improve characteristics.
1 鉄心
2 ティース
3 バックヨーク
4 スリット
5 スロット
6 磁石ローター
L 磁力線(一点鎖線)
M 磁力線(破線)
S 磁力線(実線)1
M Magnetic field lines (broken line)
S Magnetic field line (solid line)
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