JP6584968B2 - 回転電機 - Google Patents
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Description
本発明は回転電機に関し、詳しくは永久磁石埋込型の回転電機に関する。
従来、永久磁石埋込型の回転電機は、円筒型回転子の内部に複数の永久磁石が回転子の周方向に隣り合うように埋設されており、回転子の周方向に隣り合う一対の永久磁石は磁極が互いに異なるように配置されている。しかし、このような円筒型回転子を備えた回転電機では、隣り合う一対の永久磁石の間（磁極の切り換わり部）付近に急激な磁束密度変動が発生する。そのため、振動や騒音の原因となるトルクリプル（トルク脈動）が発生する。
このようなトルクリプルの発生を抑制するための技術としては、例えば、特許文献１に開示された電動機が知られている。特許文献１に開示された電動機では、回転子の半径が周方向で隣り合う永久磁石の間（磁極の切り換わり部）で最小となり、且つ磁極中心部で最大となるように、回転子の外周形状を正弦波に変化させた形状としている。
しかし、特許文献１に開示の電動機では、固定子側のティースと回転子の外周との間の空隙が最小となる部分は、磁極中心部に対応する回転子の外周上の点部分のみとなる。そのため、外周半径が一定である円筒型回転子に比べてトルク定数が低くなってしまう。つまり、特許文献１に開示の電動機は、トルクリプルを抑制することができる反面、トルク定数が低くなってしまうという問題がある。
また、回転電機に供給する電流を制御することによりトルクリプルを抑制する方法も知られている。しかしながら、この方法では、電流の制御に用いるインバータの改造が必要となる。また、大電流を流す必要があるため、コイルの耐電圧性能を上げる対策が必要となる。
また、回転子のブリッジ幅を小さくするとトルクリプルが低下するが、ブジッジ幅を小さくするとブリッジ強度が低下するという問題がある。
また、回転子のブリッジ幅を小さくするとトルクリプルが低下するが、ブジッジ幅を小さくするとブリッジ強度が低下するという問題がある。
本発明は、上記した従来技術の問題を解決すべくなされたものであって、インバータの改造やコイルの耐電圧性能を上げる対策を必要とせずに、ブリッジ強度を維持しながら、トルクリプルを抑制しつつトルク定数を高くすることができる回転電機を提供することを目的とする。
前記目的を達成するために、本発明は、次の手段を講じた。
即ち、請求項１に係る発明は、コイルを有する環状の固定子と、前記固定子の内周面との間に空隙をあけて配置された電磁鋼板と、前記電磁鋼板に設けられた複数の永久磁石とを有する回転子とを備え、下式（１）〜（４）の関係を満たす回転電機である。
Ｒ＝ＲS−Ａ／［１＋（Ａ／Ｂ−１）×ｃｏｓ（Ｐθ）］・・・（１）
Ａ≧１．３・・・（２）
Ｂ≦１．１・・・（３）
０．８５≦Ｃ／Ｄ≦１．６・・・（４）
但し、Ｒ：回転子の回転中心と回転子の外周面との距離（ｍｍ）
ＲS：固定子の内径（ｍｍ）
Ｐ：回転子の極数（−）
Ａ：回転子のｄ軸を起点とした３６０°／Ｐ／４の位置の空隙寸法（ｍｍ）
Ｂ：空隙の最小寸法（ｍｍ）
θ：ｄ軸を起点とした中心角度（°）
Ｃ：ブリッジ幅（ｍｍ）
Ｄ：電磁鋼板の厚さ（ｍｍ）
即ち、請求項１に係る発明は、コイルを有する環状の固定子と、前記固定子の内周面との間に空隙をあけて配置された電磁鋼板と、前記電磁鋼板に設けられた複数の永久磁石とを有する回転子とを備え、下式（１）〜（４）の関係を満たす回転電機である。
Ｒ＝ＲS−Ａ／［１＋（Ａ／Ｂ−１）×ｃｏｓ（Ｐθ）］・・・（１）
Ａ≧１．３・・・（２）
Ｂ≦１．１・・・（３）
０．８５≦Ｃ／Ｄ≦１．６・・・（４）
但し、Ｒ：回転子の回転中心と回転子の外周面との距離（ｍｍ）
ＲS：固定子の内径（ｍｍ）
Ｐ：回転子の極数（−）
Ａ：回転子のｄ軸を起点とした３６０°／Ｐ／４の位置の空隙寸法（ｍｍ）
Ｂ：空隙の最小寸法（ｍｍ）
θ：ｄ軸を起点とした中心角度（°）
Ｃ：ブリッジ幅（ｍｍ）
Ｄ：電磁鋼板の厚さ（ｍｍ）
本発明に係る回転電機によれば、インバータの改造やコイルの耐電圧性能を上げる対策を必要とせずに、ブリッジ強度を維持しながら、トルクリプルを抑制しつつトルク定数を高くすることができる。また、トルクリプルが抑制されることにより、回転電機の振動や騒音を減少させることができる。また、モータの振動が減少することにより、回転電機の耐久性を向上させることができる。
以下、本発明に係る回転電機の好適な実施形態について、図面を参照しながら説明する。本発明に係る回転電機は、永久磁石埋込型の回転電機である。回転電機は、電動機であっても発電機であってもよく、電動発電機（モータジェネレータ）であってもよい。
図１〜図３に示すように、本発明に係る回転電機１は、環状の固定子２と、この固定子２の内部に回転可能に配置された回転子３とを備えている。
図１〜図３に示すように、本発明に係る回転電機１は、環状の固定子２と、この固定子２の内部に回転可能に配置された回転子３とを備えている。
固定子２は、環状のステータコア４と、コイル５とを有している。
ステータコア４は、複数の鋼製のコア板を積層して形成されている。ステータコア４の内周には、複数のティース６が周方向に並んで形成されている。周方向に隣り合うティース６の間にはスロット７が形成されている。コイル５は、各スロット７に組み込まれることにより、周方向に並んで設けられている。本実施形態では、コイル５、ティース６、スロット７の数は６０とされている。但し、本発明において、コイル５、ティース６、スロット７の数は、特に限定されない。
ステータコア４は、複数の鋼製のコア板を積層して形成されている。ステータコア４の内周には、複数のティース６が周方向に並んで形成されている。周方向に隣り合うティース６の間にはスロット７が形成されている。コイル５は、各スロット７に組み込まれることにより、周方向に並んで設けられている。本実施形態では、コイル５、ティース６、スロット７の数は６０とされている。但し、本発明において、コイル５、ティース６、スロット７の数は、特に限定されない。
回転子３は、固定子２の内周面との間に空隙をあけて配置されており、環状のロータコア８と、複数の永久磁石９とを有している。
ロータコア８は、複数の鋼製のコア板（以下、電磁鋼板という）を積層して形成されている。つまり、回転子３は、固定子２の内周面との間に空隙をあけて配置された電磁鋼板を有している。図４、図５に示すように、ロータコア８は、外周面の近傍位置に、周方向に間隔をあけて形成された複数の埋め込み孔１０を有している。埋め込み孔１０は、ロータコア８を周方向に等分割（本実施形態では２０分割）した各領域Ｗに、夫々一対（２つ）ずつ設けられている。埋め込み孔１０は、ロータコア８の周方向に略沿って延びる細長い形状に形成されている。以下、便宜上、各領域Ｗに設けられた一対（２つ）の埋め込み孔１０のうち、一方の埋め込み孔を第１埋め込み孔１０Ａと称し、他方の埋め込み孔を第２埋め込み孔１０Ｂと称する。
ロータコア８は、複数の鋼製のコア板（以下、電磁鋼板という）を積層して形成されている。つまり、回転子３は、固定子２の内周面との間に空隙をあけて配置された電磁鋼板を有している。図４、図５に示すように、ロータコア８は、外周面の近傍位置に、周方向に間隔をあけて形成された複数の埋め込み孔１０を有している。埋め込み孔１０は、ロータコア８を周方向に等分割（本実施形態では２０分割）した各領域Ｗに、夫々一対（２つ）ずつ設けられている。埋め込み孔１０は、ロータコア８の周方向に略沿って延びる細長い形状に形成されている。以下、便宜上、各領域Ｗに設けられた一対（２つ）の埋め込み孔１０のうち、一方の埋め込み孔を第１埋め込み孔１０Ａと称し、他方の埋め込み孔を第２埋め込み孔１０Ｂと称する。
図５に示すように、一対の埋め込み孔１０は、第１埋め込み孔１０Ａと第２埋め込み孔１０Ｂとが接近している側（以下、内側と称し、反対側を外側と称す）から離れるにつれてロータコア８の外周に向けて移行するように形成されている。言い換えれば、一対の埋め込み孔１０は、ロータコア８の外周に向けて拡がるＶ字状に形成されている。
複数の永久磁石９は、ロータコア８を形成する電磁鋼板に設けられている。具体的には、複数の永久磁石９は、ロータコア８に形成された複数の埋め込み孔１０に夫々埋設されている。以下、便宜上、第１埋め込み孔１０Ａに埋設された永久磁石を第１永久磁石９Ａ
と称し、第２埋め込み孔１０Ｂに埋設された永久磁石を第２永久磁石９Ｂと称する。第１永久磁石９Ａと第２永久磁石９Ｂは同形状であり、回転子３の回転中心Ｏを通る中心軸に直交する断面が矩形状に形成されている。
複数の永久磁石９は、ロータコア８を形成する電磁鋼板に設けられている。具体的には、複数の永久磁石９は、ロータコア８に形成された複数の埋め込み孔１０に夫々埋設されている。以下、便宜上、第１埋め込み孔１０Ａに埋設された永久磁石を第１永久磁石９Ａ
と称し、第２埋め込み孔１０Ｂに埋設された永久磁石を第２永久磁石９Ｂと称する。第１永久磁石９Ａと第２永久磁石９Ｂは同形状であり、回転子３の回転中心Ｏを通る中心軸に直交する断面が矩形状に形成されている。
図２、図３、図５に示すように、ロータコア８の周方向に隣り合う一対の永久磁石（第１永久磁石９Ａと第２永久磁石９Ｂ）により永久磁石対９０が構成されている。１つの永久磁石対９０を構成する２つの永久磁石（第１永久磁石９Ａと第２永久磁石９Ｂ）は、同じ磁極（Ｎ極又はＳ極）を外側に向けて配置されている。これにより、１つの永久磁石対９０が１つの磁極（Ｎ極又はＳ極）を形成している。本実施形態では、２０個の永久磁石対９０により２０個の磁極が形成されている。但し、本発明において磁極の数（極数）は限定されない。極数は、スロット７の数（スロット数）と相数に対応して設定することができる。例えば、３相の回転電機１の場合、極数ｍとスロット数Ｍとは、Ｍ＝３×ｍを満たすように設定することができる。永久磁石対９０は、回転子２の周方向に等ピッチで配置されており、第１永久磁石９Ａと第２永久磁石９Ｂとの間に磁極中心部１２を形成している。
上述した通り、永久磁石対９０を構成する第１永久磁石９Ａと第２永久磁石９Ｂは、同じ磁極（Ｎ極又はＳ極）を外側に向けて配置されている。例えば、永久磁石対９０の一方を構成する第１永久磁石９ＡがＮ極を外側に向けて配置されている場合、当該永久磁石対９０の他方を構成する第２永久磁石９ＢもＮ極を外側に向けて配置されている。また、複数（本実施形態では２０個）の永久磁石対９０は、外側の磁極が周方向に交互にＮ極とＳ極となるように配置されている。つまり、ある永久磁石対９０の外側の磁極がＮ極である場合、当該永久磁石対９０と周方向に隣り合う別の永久磁石対９０の外側の磁極はＳ極である。
図２〜図４に示すように、回転子３は、ｄ軸１３とｑ軸１４とを有している。
ｄ軸１３は、隣り合う一対の永久磁石（第１永久磁石９Ａと第２永久磁石９Ｂ）が形成する磁極中心部１２と回転中心Ｏとを結ぶ軸である。言い換えれば、ｄ軸１３は、永久磁石対９０の中間位置（第１永久磁石９Ａと第２永久磁石９Ｂの中間）と回転中心Ｏとを結ぶ軸である。別の表現をすれば、ｄ軸１３は、永久磁石対９０が形成する磁極の方向を向く軸である。ｑ軸１４は、隣り合うｄ軸１３の中間部と回転中心Ｏとを結ぶ軸である。言い換えれば、ｑ軸１４は、隣り合う永久磁石対９０の中間位置と回転中心Ｏとを結ぶ軸である。別の表現をすれば、ｑ軸１４はｄ軸１３と磁気的に直交する軸である。第１永久磁石９Ａと第２永久磁石９Ｂは、ｄ軸１３を中心として線対称に配置されている。また、隣り合う永久磁石対９０は、ｑ軸１４を中心として線対称に配置されている。
ｄ軸１３は、隣り合う一対の永久磁石（第１永久磁石９Ａと第２永久磁石９Ｂ）が形成する磁極中心部１２と回転中心Ｏとを結ぶ軸である。言い換えれば、ｄ軸１３は、永久磁石対９０の中間位置（第１永久磁石９Ａと第２永久磁石９Ｂの中間）と回転中心Ｏとを結ぶ軸である。別の表現をすれば、ｄ軸１３は、永久磁石対９０が形成する磁極の方向を向く軸である。ｑ軸１４は、隣り合うｄ軸１３の中間部と回転中心Ｏとを結ぶ軸である。言い換えれば、ｑ軸１４は、隣り合う永久磁石対９０の中間位置と回転中心Ｏとを結ぶ軸である。別の表現をすれば、ｑ軸１４はｄ軸１３と磁気的に直交する軸である。第１永久磁石９Ａと第２永久磁石９Ｂは、ｄ軸１３を中心として線対称に配置されている。また、隣り合う永久磁石対９０は、ｑ軸１４を中心として線対称に配置されている。
図３、図５に示すように、埋め込み孔１０（第１埋め込み孔１０Ａと第２埋め込み孔１０Ｂ）の外側には、磁路短絡防止用の空間１１が形成されている。空間１１は、埋め込み孔１０に永久磁石９を埋め込んだ状態において、永久磁石９が存在しない部分である。
空間１１は、内側（永久磁石９側）から外側（永久磁石９から離れる側）に向かうにつれて次第に狭くなるように形成されている。具体的には、空間１１の内面のうち、回転子３の外周側の内面１１ａと内周側の内面１１ｂとは、内側（永久磁石９側）から外側（永久磁石９から離れる側）に向かうにつれて次第に接近している。本実施形態では、埋め込み孔１０の外端部（空間１１の外端部）と回転子３の外周面との距離Ｌ１が、埋め込み孔１０と回転子３の外周面（ロータコア８の外周面）との最短距離となっている。以下、この最短距離Ｌ１をブリッジ幅Ｃと称し、空間１１と回転子３の外周面との間の部分をブリッジと称する。
空間１１は、内側（永久磁石９側）から外側（永久磁石９から離れる側）に向かうにつれて次第に狭くなるように形成されている。具体的には、空間１１の内面のうち、回転子３の外周側の内面１１ａと内周側の内面１１ｂとは、内側（永久磁石９側）から外側（永久磁石９から離れる側）に向かうにつれて次第に接近している。本実施形態では、埋め込み孔１０の外端部（空間１１の外端部）と回転子３の外周面との距離Ｌ１が、埋め込み孔１０と回転子３の外周面（ロータコア８の外周面）との最短距離となっている。以下、この最短距離Ｌ１をブリッジ幅Ｃと称し、空間１１と回転子３の外周面との間の部分をブリッジと称する。
回転子３が高速で回転すると、永久磁石９に作用する遠心力によってブリッジに大きな応力が加わる。そのため、ブリッジの強度を確保する観点からは、ブリッジ幅Ｃを大きくすることが好ましい。しかし、ブリッジ幅Ｃが大きいと、永久磁石９の漏れ磁束が多くなり、回転電機の効率が低下する。そのため、ブリッジ幅Ｃは、ブリッジの強度が確保できる限度でなるべく小さく設定することが好ましい。具体的な設定については後述する。
回転電機１は、下式（１）〜（４）の関係を満たす。
＜関係式（１）〜（４）＞
Ｒ＝ＲS−Ａ／［１＋（Ａ／Ｂ−１）×ｃｏｓ（Ｐθ）］・・・（１）
Ａ≧１．３・・・（２）
Ｂ≦１．１・・・（３）
０．８５≦Ｃ／Ｄ≦１．６・・・（４）
但し、Ｒ：回転子の回転中心と回転子の外周面との距離（ｍｍ）
ＲS：固定子の内径（ｍｍ）
Ｐ：回転子の極数（−）
Ａ：回転子のｄ軸を起点とした３６０°／Ｐ／４の位置の空隙寸法（ｍｍ）
Ｂ：空隙の最小寸法（ｍｍ）
θ：ｄ軸を起点とした中心角度（°（deg.））
Ｃ：ブリッジ幅（ｍｍ）
Ｄ：電磁鋼板の厚さ（ｍｍ）
＜関係式（１）〜（４）＞
Ｒ＝ＲS−Ａ／［１＋（Ａ／Ｂ−１）×ｃｏｓ（Ｐθ）］・・・（１）
Ａ≧１．３・・・（２）
Ｂ≦１．１・・・（３）
０．８５≦Ｃ／Ｄ≦１．６・・・（４）
但し、Ｒ：回転子の回転中心と回転子の外周面との距離（ｍｍ）
ＲS：固定子の内径（ｍｍ）
Ｐ：回転子の極数（−）
Ａ：回転子のｄ軸を起点とした３６０°／Ｐ／４の位置の空隙寸法（ｍｍ）
Ｂ：空隙の最小寸法（ｍｍ）
θ：ｄ軸を起点とした中心角度（°（deg.））
Ｃ：ブリッジ幅（ｍｍ）
Ｄ：電磁鋼板の厚さ（ｍｍ）
図２、図４、図５に示すように、回転子３の外周面の形状は、回転中心Ｏと同心であって且つｄ軸１３上が最大径となる凸状の曲線ＣＬを、周方向に複数繋いだ形状とされている。以下、便宜上、夫々の曲線ＣＬを単位曲線ＣＬと称する。単位曲線ＣＬの数は、極数と同じであり、本実施形態の場合は２０個である。隣り合う単位曲線ＣＬは、回転中心Ｏに向けて凹形状又は凸形状である１つ又は複数の円弧により繋がれている。単位曲線ＣＬと回転中心Ｏとの距離（即ち、回転子３の回転中心Ｏと回転子３の外周面との距離）Ｒは、ｄ軸１３とｑ軸１４との間において、上式（１）〜（４）の関係を満たす。
尚、上式（１）の内径ＲSは、詳しくは、隣り合うティース６の内端を繋いで形成される仮想面Ｓ（図３参照）と回転中心Ｏとの距離である。上式（１）の角度θは、詳しくは、図４に示すように、ｄ軸１３を起点とする回転中心Ｏを中心とする変位角度である。上式（１）〜（３）の寸法Ａ，Ｂにおける空隙とは、図３に示すように、固定子２の内周面（具体的には仮想面Ｓ）と回転子３の外周面との間の空間を意味する。寸法Ａは、ｄ軸１３から周方向に３６０°／Ｐ／４ずれた位置における空隙の寸法である。本実施形態の場合、Ｐ＝２０であることから、寸法Ａはｄ軸１３から周方向に４．５°ずれた位置における空隙の寸法である。言い換えれば、寸法Ａは、ｄ軸１３とｑ軸１４の中間地点の空隙の寸法である。寸法Ｂは、固定子２の内周面（仮想面Ｓ）と回転子３の外周面との最小距離である。言い換えれば、寸法Ｂは、ｄ軸１３に沿う位置の空隙の寸法である。
＜関係式（１）〜（４）の値Ａ，Ｂ，Ｃ／Ｄの範囲＞
上記関係式（１）〜（４）の値Ａ，Ｂ，Ｃ／Ｄの範囲の設定理由は以下の通りである。尚、設定理由を裏付ける解析結果については後述する。
上記関係式（１）〜（４）の値Ａ，Ｂ，Ｃ／Ｄの範囲の設定理由は以下の通りである。尚、設定理由を裏付ける解析結果については後述する。
関係式（２）のＡ≧１．３、及び、関係式（３）のＢ≦１．１は、従来の円筒型回転子を備えた回転電機に比べて十分な優位性を確保するために必要な範囲として設定されたものである。つまり、Ａ≧１．３、Ｂ≦１．１に設定することにより、後述する解析結果に示す通り、従来の回転電機に比べて十分に優位なトルクリプルの抑制効果とトルク定数の向上効果を得ることが可能となる。
関係式（４）の０．８５≦Ｃ／Ｄ≦１．６について、下限値０．８５は、強度的に許容できるブリッジ幅の最小値と製造可能な電磁鋼板の厚さの最小値とに基づいて設定された値である。具体的には、強度的に許容できるブリッジ幅Ｃの最小値の目安は０．３０ｍｍであり、製造可能な電磁鋼板の厚さＤの最小値の目安は０．３０ｍｍである。この場合、Ｃ／Ｄの下限値は１．０となるが、若干（１５％）の余裕を考慮して０．８５に設定する。上限値１．６は、後述する解析結果に示す通り、Ａを限界値（Ａ＝１．３）又はＢを限界値（Ｂ＝１．１）に設定したときにブリッジ幅Ｃが最小となる値である。
＜関係式（５）〜（７）＞
尚、上記関係式（１）〜（４）のＡ，Ｂ，Ｃ／Ｄについて、下記関係式（５）〜（７）を満たすように設定してもよい。この場合、上記関係式（１）〜（４）のうち関係式（２）〜（４）が下記関係式（５）〜（７）に置き換えられる。
Ａ≧１．４３・・・（５）
Ｂ≦１．０２６・・・（６）
０．８５≦Ｃ／Ｄ≦１．６・・・（７）
尚、上記関係式（１）〜（４）のＡ，Ｂ，Ｃ／Ｄについて、下記関係式（５）〜（７）を満たすように設定してもよい。この場合、上記関係式（１）〜（４）のうち関係式（２）〜（４）が下記関係式（５）〜（７）に置き換えられる。
Ａ≧１．４３・・・（５）
Ｂ≦１．０２６・・・（６）
０．８５≦Ｃ／Ｄ≦１．６・・・（７）
＜関係式（５）〜（７）の値Ａ，Ｂ，Ｃ／Ｄの範囲＞
関係式（５）のＡ≧１．４３、及び、関係式（６）のＢ≦１．０３は、従来の円筒型回転子を備えた回転電機に比べて、より高い優位性を確保するために必要な範囲として設定されたものである。つまり、Ａ≧１．４３、Ｂ≦１．０２６に設定することにより、後述する解析結果に示す通り、従来の回転電機に比べて、より一層優位なトルクリプルの抑制効果とトルク定数の向上効果を得ることが可能となる。関係式（７）は関係式（４）と同じである。
関係式（５）のＡ≧１．４３、及び、関係式（６）のＢ≦１．０３は、従来の円筒型回転子を備えた回転電機に比べて、より高い優位性を確保するために必要な範囲として設定されたものである。つまり、Ａ≧１．４３、Ｂ≦１．０２６に設定することにより、後述する解析結果に示す通り、従来の回転電機に比べて、より一層優位なトルクリプルの抑制効果とトルク定数の向上効果を得ることが可能となる。関係式（７）は関係式（４）と同じである。
＜関係式（８）〜（１０）＞
さらに、上記関係式（１）〜（４）のＡ，Ｂ，Ｃ／Ｄについて、下記関係式（８）〜（１０）を満たすように設定してもよい。この場合、上記関係式（１）〜（４）のうち関係式（２）〜（４）が下記関係式（８）〜（１０）に置き換えられる。
Ａ≧１．４６・・・（８）
Ｂ≦１．０・・・（９）
０．８５≦Ｃ／Ｄ≦１．６・・・（１０）
さらに、上記関係式（１）〜（４）のＡ，Ｂ，Ｃ／Ｄについて、下記関係式（８）〜（１０）を満たすように設定してもよい。この場合、上記関係式（１）〜（４）のうち関係式（２）〜（４）が下記関係式（８）〜（１０）に置き換えられる。
Ａ≧１．４６・・・（８）
Ｂ≦１．０・・・（９）
０．８５≦Ｃ／Ｄ≦１．６・・・（１０）
＜関係式（８）〜（１０）の値Ａ，Ｂ，Ｃ／Ｄの範囲＞
関係式（８）のＡ≧１．４６、及び、関係式（９）のＢ≦１．０は、従来の円筒型回転子を備えた回転電機に比べて、さらに高い優位性を確保するために必要な範囲として設定されたものである。つまり、Ａ≧１．４６、Ｂ≦１．０に設定することにより、後述する解析結果に示す通り、従来の回転電機に比べて、さらに優位性が高いトルクリプルの抑制効果とトルク定数の向上効果を得ることが可能となる。関係式（１０）は関係式（４）と同じである。
関係式（８）のＡ≧１．４６、及び、関係式（９）のＢ≦１．０は、従来の円筒型回転子を備えた回転電機に比べて、さらに高い優位性を確保するために必要な範囲として設定されたものである。つまり、Ａ≧１．４６、Ｂ≦１．０に設定することにより、後述する解析結果に示す通り、従来の回転電機に比べて、さらに優位性が高いトルクリプルの抑制効果とトルク定数の向上効果を得ることが可能となる。関係式（１０）は関係式（４）と同じである。
上述した関係式により定義される外周面形状を有する回転子３を備えた回転電機１によれば、空隙磁束密度の変化が緩やかになり、永久磁石９により形成される磁束のマイナーループを最小限にすることができる。その結果、下記の解析結果に示すように、トルクリプルを抑制しつつトルク定数を高くすることが可能となる。
＜解析結果＞
以下、本発明に係る回転電機を駆動した場合の出力特性の解析結果を示す。
本発明に係る回転電機として、上述した実施形態の構成を備えた回転電機１（上記関係式（１）〜（４）を満たす外周面形状を有する回転子を備えたもの）を使用した。また、本発明に係る回転電機との比較のために、同じ解析条件により従来の回転電機（円筒型回転子を備えたもの）を駆動した場合の出力特性の解析も併せて行った。従来の回転電機の構成は、回転子が円筒型回転子である点を除いて、本発明に係る回転電機と同様である。
以下、本発明に係る回転電機を駆動した場合の出力特性の解析結果を示す。
本発明に係る回転電機として、上述した実施形態の構成を備えた回転電機１（上記関係式（１）〜（４）を満たす外周面形状を有する回転子を備えたもの）を使用した。また、本発明に係る回転電機との比較のために、同じ解析条件により従来の回転電機（円筒型回転子を備えたもの）を駆動した場合の出力特性の解析も併せて行った。従来の回転電機の構成は、回転子が円筒型回転子である点を除いて、本発明に係る回転電機と同様である。
＜解析１＞
固定子２の内径ＲS＝１０６ｍｍ、回転子３の極数Ｐ＝２０、電磁鋼板の厚さＤ＝０．３０ｍｍの回転電機１を使用し、当該回転電機１を駆動した場合の出力特性を解析した。具体的には、寸法Ｂを１．０ｍｍに固定して寸法Ａを変化させて、夫々の寸法Ａの場合について、ブリッジ幅Ｃ、平均トルク（出力トルクの平均値）、トルクリプル（出力トルクの変動幅の大きさ）を解析した。解析結果を表１に示す。また、寸法Ａと、トルクリプル及び平均トルクの関係のグラフを図６に示し、寸法Ａを変化させたときのブリッジ幅Ｃと、トルクリプル及び平均トルクの関係のグラフを図７に示す。また、Ａ＝１．４３ｍｍ、Ｂ＝１．０ｍｍに設定した場合のトルク波形（上側の波形）と、従来の回転電機のトルク波形（下側の波形）を比較したグラフを図１０に示す。
固定子２の内径ＲS＝１０６ｍｍ、回転子３の極数Ｐ＝２０、電磁鋼板の厚さＤ＝０．３０ｍｍの回転電機１を使用し、当該回転電機１を駆動した場合の出力特性を解析した。具体的には、寸法Ｂを１．０ｍｍに固定して寸法Ａを変化させて、夫々の寸法Ａの場合について、ブリッジ幅Ｃ、平均トルク（出力トルクの平均値）、トルクリプル（出力トルクの変動幅の大きさ）を解析した。解析結果を表１に示す。また、寸法Ａと、トルクリプル及び平均トルクの関係のグラフを図６に示し、寸法Ａを変化させたときのブリッジ幅Ｃと、トルクリプル及び平均トルクの関係のグラフを図７に示す。また、Ａ＝１．４３ｍｍ、Ｂ＝１．０ｍｍに設定した場合のトルク波形（上側の波形）と、従来の回転電機のトルク波形（下側の波形）を比較したグラフを図１０に示す。
＜解析２＞
寸法Ａと寸法Ｂの値以外は解析１と同様の回転電機１を使用し、当該回転電機１を駆動した場合の出力特性を解析した。具体的には、寸法Ａを１．４６ｍｍに固定して寸法Ｂを変化させて、夫々の寸法Ｂの場合について、ブリッジ幅Ｃ、平均トルク、トルクリプルを解析した。尚、解析２では、寸法Ｂが本発明の設定範囲（Ｂ≦１．１）を外れた場合（Ｂ＝１．１５，Ｂ＝１．２）についても解析した。解析結果を表２に示す。また、寸法Ｂと、トルクリプル及び平均トルクの関係のグラフを図８に示し、寸法Ｂを変化させたときのブリッジ幅Ｃと、トルクリプル及び平均トルクの関係のグラフを図９に示す。
寸法Ａと寸法Ｂの値以外は解析１と同様の回転電機１を使用し、当該回転電機１を駆動した場合の出力特性を解析した。具体的には、寸法Ａを１．４６ｍｍに固定して寸法Ｂを変化させて、夫々の寸法Ｂの場合について、ブリッジ幅Ｃ、平均トルク、トルクリプルを解析した。尚、解析２では、寸法Ｂが本発明の設定範囲（Ｂ≦１．１）を外れた場合（Ｂ＝１．１５，Ｂ＝１．２）についても解析した。解析結果を表２に示す。また、寸法Ｂと、トルクリプル及び平均トルクの関係のグラフを図８に示し、寸法Ｂを変化させたときのブリッジ幅Ｃと、トルクリプル及び平均トルクの関係のグラフを図９に示す。
＜解析１についての考察＞
解析１の結果（表１、図６及び図７）に示される通り、寸法Ｂを固定して寸法Ａを変化させた場合、寸法Ａの増加に伴ってブリッジ幅は単調に減少した。また、寸法Ａの増加及びブリッジ幅の減少に伴って、平均トルクは概ね単調に増加し、トルクリプルは概ね単調に減少した。平均トルク及びトルクリプルの解析値を、従来の回転電機の解析値と比較すると、全ての寸法Ａについて、平均トルクは高く、トルクリプルは低かった。
＜解析２についての考察＞
解析２の結果（表２、図８及び図９）に示される通り、寸法Ａを固定して寸法Ｂを変化させた場合、寸法Ｂの増加に伴ってブリッジ幅は単調に増加した。また、寸法Ｂの増加及びブリッジ幅の増加に伴って、平均トルクは単調に減少し、トルクリプルは単調に増加した。平均トルク及びトルクリプルの解析値を、従来の回転電機の解析値と比較すると、全ての寸法Ｂについて、平均トルクは高く、トルクリプルは低かった。
解析１の結果（表１、図６及び図７）に示される通り、寸法Ｂを固定して寸法Ａを変化させた場合、寸法Ａの増加に伴ってブリッジ幅は単調に減少した。また、寸法Ａの増加及びブリッジ幅の減少に伴って、平均トルクは概ね単調に増加し、トルクリプルは概ね単調に減少した。平均トルク及びトルクリプルの解析値を、従来の回転電機の解析値と比較すると、全ての寸法Ａについて、平均トルクは高く、トルクリプルは低かった。
＜解析２についての考察＞
解析２の結果（表２、図８及び図９）に示される通り、寸法Ａを固定して寸法Ｂを変化させた場合、寸法Ｂの増加に伴ってブリッジ幅は単調に増加した。また、寸法Ｂの増加及びブリッジ幅の増加に伴って、平均トルクは単調に減少し、トルクリプルは単調に増加した。平均トルク及びトルクリプルの解析値を、従来の回転電機の解析値と比較すると、全ての寸法Ｂについて、平均トルクは高く、トルクリプルは低かった。
＜寸法Ａ、Ｂの範囲設定について＞
表１，２に示すように、従来の回転電機のトルクリプルは３．９５であった。そのため、従来の回転電機に比べて十分な優位性を確保するためには、トルクリプルを３．２以下に設定することが好ましい。トルクリプルを３．２以下とするためには、Ａ≧１．３、Ｂ≦１．１とする必要がある。つまり、Ａ≧１．３、Ｂ≦１．１と設定することにより、トルクリプルが３．１５以下となり、従来の回転電機のトルクリプルに対して十分な優位性が確保できる。また、Ａ≧１．３、Ｂ≦１．１と設定することによって、平均トルクは７７．８となり、従来の回転電機の平均トルク７１．８に対して十分な優位性を確保できる。つまり、Ａ≧１．３、Ｂ≦１．１に設定することにより、従来の回転電機に比べて十分に優位なトルクリプルの抑制効果とトルク定数の向上効果を得ることが可能となる。
表１，２に示すように、従来の回転電機のトルクリプルは３．９５であった。そのため、従来の回転電機に比べて十分な優位性を確保するためには、トルクリプルを３．２以下に設定することが好ましい。トルクリプルを３．２以下とするためには、Ａ≧１．３、Ｂ≦１．１とする必要がある。つまり、Ａ≧１．３、Ｂ≦１．１と設定することにより、トルクリプルが３．１５以下となり、従来の回転電機のトルクリプルに対して十分な優位性が確保できる。また、Ａ≧１．３、Ｂ≦１．１と設定することによって、平均トルクは７７．８となり、従来の回転電機の平均トルク７１．８に対して十分な優位性を確保できる。つまり、Ａ≧１．３、Ｂ≦１．１に設定することにより、従来の回転電機に比べて十分に優位なトルクリプルの抑制効果とトルク定数の向上効果を得ることが可能となる。
また、Ａ≧１．４３、Ｂ≦１．０２６に設定することにより、トルクリプルは２．４６以下、平均トルクは８１．７以上となり、従来の回転電機のトルクリプル３．９５、平均トルク７１．８に対して、より高い優位性を確保できる。
さらに、Ａ≧１．４６、Ｂ≦１．０に設定することにより、トルクリプルは２．２３、平均トルクは８３．１となり、従来の回転電機のトルクリプル３．９５、平均トルク７１．８に対して、より一層高い優位性を確保できる。
さらに、Ａ≧１．４６、Ｂ≦１．０に設定することにより、トルクリプルは２．２３、平均トルクは８３．１となり、従来の回転電機のトルクリプル３．９５、平均トルク７１．８に対して、より一層高い優位性を確保できる。
＜Ｃ／Ｄの範囲設定について＞
Ｃ／Ｄの下限値について、上述した通り、強度的に許容できるブリッジ幅Ｃの最小値は０．３０ｍｍであり、製造可能な電磁鋼板の厚さＤの最小値は０．３０ｍｍである。そのため、解析１，２では、ブリッジ幅Ｃの最小値を０．３０ｍｍに設定し、電磁鋼板の厚さＤの最小値を０．３０ｍｍに設定した。この場合、Ｃ／Ｄの下限値は１．０となるが、若干（１５％）の余裕を確保して０．８５に設定した。Ｃ／Ｄの上限値は、ブリッジ幅Ｃの値を、Ａを限界値（Ａ＝１．３）に設定したときの値０．６９（表１参照）と、Ｂを限界値（Ｂ＝１．１）に設定したときの値０．４７（表２参照）のうち、小さい方の値である０．４７に設定した上で、このブリッジ幅Ｃの値（０．４７）を製造可能な電磁鋼板の厚さＤの最小値０．３０で除した値（０．４７／０．３０≒１．６）に設定した。
Ｃ／Ｄの下限値について、上述した通り、強度的に許容できるブリッジ幅Ｃの最小値は０．３０ｍｍであり、製造可能な電磁鋼板の厚さＤの最小値は０．３０ｍｍである。そのため、解析１，２では、ブリッジ幅Ｃの最小値を０．３０ｍｍに設定し、電磁鋼板の厚さＤの最小値を０．３０ｍｍに設定した。この場合、Ｃ／Ｄの下限値は１．０となるが、若干（１５％）の余裕を確保して０．８５に設定した。Ｃ／Ｄの上限値は、ブリッジ幅Ｃの値を、Ａを限界値（Ａ＝１．３）に設定したときの値０．６９（表１参照）と、Ｂを限界値（Ｂ＝１．１）に設定したときの値０．４７（表２参照）のうち、小さい方の値である０．４７に設定した上で、このブリッジ幅Ｃの値（０．４７）を製造可能な電磁鋼板の厚さＤの最小値０．３０で除した値（０．４７／０．３０≒１．６）に設定した。
なお、Ｃ／Ｄの下限値は、ブリッジ幅Ｃの最小値０．３０ｍｍと、電磁鋼板の厚さＤの最小値０．３０ｍｍに基づいて、０．３０／０．３０＝１．０に設定してもよい。この場合、上記関係式（４）、（７）、（１０）を１．０≦Ｃ／Ｄ≦１．６と変更すればよい。
また、Ｃ／Ｄの下限値は、比較的容易に製造可能なブリッジ幅Ｃの最小値０．３５ｍｍと、電磁鋼板の厚さＤの最小値０．３０ｍｍに基づいて、０．３５／０．３０＝１．１７に設定してもよい。この場合、上記関係式（４）、（７）、（１０）を１．１７≦Ｃ／Ｄ≦１．６と変更すればよい。
また、Ｃ／Ｄの下限値は、比較的容易に製造可能なブリッジ幅Ｃの最小値０．３５ｍｍと、電磁鋼板の厚さＤの最小値０．３０ｍｍに基づいて、０．３５／０．３０＝１．１７に設定してもよい。この場合、上記関係式（４）、（７）、（１０）を１．１７≦Ｃ／Ｄ≦１．６と変更すればよい。
＜本発明の効果＞
上述した通り、本発明の回転電機において、Ａ，Ｂの値を、Ａ≧１．３、Ｂ≦１．１の限界値（Ａ＝１．３、Ｂ＝１．１）に設定した場合、トルクリプルは３．１５以下、平均
トルクは７７．８以上になる。これらの値は、従来の円筒型回転子を備えた回転電機のトルクリプル３．９５の約０．８０倍、平均トルク７１．８の約１．０８倍である。従って、本発明の回転電機によれば、従来の回転電機に比べてトルクリプルを約０．８０倍に減少させ、トルク定数（平均トルク／電流の実効値）を約１．０８倍に増加させることができる。
上述した通り、本発明の回転電機において、Ａ，Ｂの値を、Ａ≧１．３、Ｂ≦１．１の限界値（Ａ＝１．３、Ｂ＝１．１）に設定した場合、トルクリプルは３．１５以下、平均
トルクは７７．８以上になる。これらの値は、従来の円筒型回転子を備えた回転電機のトルクリプル３．９５の約０．８０倍、平均トルク７１．８の約１．０８倍である。従って、本発明の回転電機によれば、従来の回転電機に比べてトルクリプルを約０．８０倍に減少させ、トルク定数（平均トルク／電流の実効値）を約１．０８倍に増加させることができる。
また、Ａ，Ｂの値を、Ａ≧１．４３、Ｂ≦１．０２６の限界値（Ａ＝１．４３、Ｂ＝１．０２６）に設定した場合、トルクリプルは２．４６以下、平均トルクは８１．７以上になる。これらの値は、従来の円筒型回転子を備えた回転電機のトルクリプル３．９５の約０．６２倍、平均トルク７１．８の約１．１４倍である。従って、本発明の回転電機において、上記関係式（５）〜（７）を採用した場合、従来の回転電機に比べてトルクリプルを約０．６２倍に減少させ、トルク定数を約１．１４倍に増加させることができる。
さらに、Ａ，Ｂの値を、Ａ≧１．４６、Ｂ≦１．０の限界値（Ａ＝１．４６、Ｂ＝１．０）に設定した場合、トルクリプルは２．２３以下、平均トルクは８３．１になる。これらの数値は、従来の円筒型回転子を備えた回転電機のトルクリプル３．９５の約０．５６倍、平均トルク７１．８の約１．１６倍である。従って、本発明の回転電機において、上記関係式（８）〜（１０）を採用した場合、従来の回転電機に比べてトルクリプルを約０．５６倍に減少させ、トルク定数を約１．１６倍に増加させることができる。
尚、上記解析１，２では、回転子の極数Ｐ＝２０、固定子の内径ＲS＝１０６ｍｍ、電磁鋼板の厚さＤ＝０．３０ｍｍに設定した回転電機を使用したが、本発明において、回転子の極数Ｐ、固定子の内径ＲS、電磁鋼板の厚さＤの値は解析１，２の設定値には限定されず、上記関係式（１）〜（４）を満たす範囲で変更することができる。一例として、回転子の極数Ｐは８≦Ｐ≦２０の範囲に設定することができる。また、固定子の内径ＲSは９０≦ＲS≦３００の範囲に設定することができる。また、電磁鋼板の厚さＤの値は０．２≦Ｄ≦０．５の範囲に設定することができる。但し、これらの数値範囲に限定はされない。
上述したように、本発明の回転電機によれば、従来の回転電機に比べて、トルクリプルを抑制しつつトルク定数を高くすることができる。また、回転電機に供給する電流を制御することでトルクリプルを抑制する方法ではないため、インバータの改造やコイルの耐電圧性能を上げる対策を必要としない。また、強度的に許容できるブリッジ幅を考慮してブリッジ幅の下限値を定めているため、必要なブリッジ強度を維持することができる。また、トルクリプルが抑制されることにより、回転電機の振動や騒音を減少させることができる。また、モータの振動が減少することにより、回転電機の耐久性を向上させることができる。
以上本発明について説明したが、今回開示された実施の形態は全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
１ 回転電機
２ 固定子
３ 回転子
９ 永久磁石
９Ａ 第１永久磁石
９Ｂ 第２永久磁石
１３ ｄ軸
Ａ 回転子のｄ軸を起点とした３６０°／Ｐ／４の位置の空隙寸法
Ｂ 空隙の最小寸法
Ｃ ブリッジ幅
Ｏ 回転子の回転中心
Ｒ 回転子の回転中心と回転子の外周面との距離
ＲS 固定子の内径
θ ｄ軸を起点とした中心角度
２ 固定子
３ 回転子
９ 永久磁石
９Ａ 第１永久磁石
９Ｂ 第２永久磁石
１３ ｄ軸
Ａ 回転子のｄ軸を起点とした３６０°／Ｐ／４の位置の空隙寸法
Ｂ 空隙の最小寸法
Ｃ ブリッジ幅
Ｏ 回転子の回転中心
Ｒ 回転子の回転中心と回転子の外周面との距離
ＲS 固定子の内径
θ ｄ軸を起点とした中心角度
Claims (1)
- コイルを有する環状の固定子と、
前記固定子の内周面との間に空隙をあけて配置された電磁鋼板と、前記電磁鋼板に設けられた複数の永久磁石とを有する回転子と、
を備え、
下式（１）〜（４）の関係を満たす回転電機。
Ｒ＝ＲS−Ａ／［１＋（Ａ／Ｂ−１）×ｃｏｓ（Ｐθ）］・・・（１）
Ａ≧１．３・・・（２）
Ｂ≦１．１・・・（３）
０．８５≦Ｃ／Ｄ≦１．６・・・（４）
但し、Ｒ：回転子の回転中心と回転子の外周面との距離（ｍｍ）
ＲS：固定子の内径（ｍｍ）
Ｐ：回転子の極数（−）
Ａ：回転子のｄ軸を起点とした３６０°／Ｐ／４の位置の空隙寸法（ｍｍ）
Ｂ：空隙の最小寸法（ｍｍ）
θ：ｄ軸を起点とした中心角度（°）
Ｃ：ブリッジ幅（ｍｍ）
Ｄ：電磁鋼板の厚さ（ｍｍ）
Priority Applications (1)
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| JP2016007460A JP6584968B2 (ja) | 2016-01-18 | 2016-01-18 | 回転電機 |
Applications Claiming Priority (1)
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| JP2016007460A JP6584968B2 (ja) | 2016-01-18 | 2016-01-18 | 回転電機 |
Publications (2)
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|---|---|
| JP2017131001A JP2017131001A (ja) | 2017-07-27 |
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| JP2016007460A Active JP6584968B2 (ja) | 2016-01-18 | 2016-01-18 | 回転電機 |
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|---|---|---|---|---|
| CN110994825B (zh) * | 2019-12-09 | 2021-05-07 | 珠海格力电器股份有限公司 | 电机转子及其制作方法、磁阻电机和电动汽车 |
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|---|---|---|---|---|
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