JP6599875B2 - 同期電動機 - Google Patents

Description

本発明は、回転子に用いる永久磁石の磁力と、固定子に巻かれた巻線に電流を流すことによって発生する磁力とを利用して回転子を回転させる同期電動機に関する。

永久磁石を用いた同期電動機では、回転子に用いる永久磁石の磁力と固定子に巻かれた巻線に電流を流すことによって発生する磁力との相互作用でトルクが発生し、回転子が回転する。一般的に、発生するトルクは、電流の大きさに比例するが、より大きなトルクを得ようとして大きな電流を流すと固定子から発生する強い磁束によって、回転子の永久磁石が不可逆減磁を起こし、回転子から発生する磁束が減少し、トルクも減少してしまう。

特に回転子に極異方性配向された永久磁石では、磁極間の径方向の厚みが薄く、磁極間の磁化容易方向が回転方向になっている。そのため巻線に電流を流したとき、固定子鉄心のスロット開口部に磁束が集中し、固定子から発生する逆磁界によって、磁極間の永久磁石は、逆磁界を正面から受けて不可逆減磁を生じ易い。

下記特許文献１に示す従来の同期電動機では、永久磁石の外周面の内、固定子鉄心と対向する面の磁極間において、軸方向に伸びる溝が形成されている。従来の同期電動機は、回転子の外周面に溝を設けることで、逆磁界印加に起因した永久磁石の不可逆減磁による磁束量の減少を抑えることができる。

特開２００４−８８８５５号公報

しかしながら、回転子の外周面に溝を設ける構成は、回転子と固定子鉄心との間の隙間を広くすることと同じであるため、回転子の永久磁石から固定子鉄心の巻線に鎖交する磁束量を減少させることになる。従って、上記特許文献１に代表される従来の回転子のように、永久磁石の表面に溝を設けるだけでは、トルクの向上を図ることが困難である。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、極異方性配向された永久磁石を利用した回転子を用いた場合でもトルクの向上を図ることができる同期電動機を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、固定子鉄心と、前記固定子鉄心の内径側に配置される回転子と、前記回転子の中心に設けられる回転軸と、前記回転子の外周部に配置され、極異方性配向を有する円筒状の永久磁石と、を備え、前記永久磁石の軸方向の長さは、前記固定子鉄心の軸方向の長さよりも長く、前記固定子鉄心は、環状のヨークと、前記ヨークの内径側において回転方向に一定間隔で配置され前記ヨークから前記ヨークの中心方向に伸びる複数のティースとを備え、前記永久磁石の外周面には、前記ティースの一方の軸方向端面から、前記ティースの一方の軸方向端面側に存在する前記永久磁石の一方の軸方向端面側に一定の距離隔てた位置から、前記永久磁石の他方の軸方向端面までの間のみに、前記永久磁石の回転方向において一定間隔で形成され軸方向に伸びる複数の溝が形成され、前記複数の溝は、それぞれ前記永久磁石の磁極間に形成され、前記回転軸が伸びる方向と直交する方向から前記固定子鉄心及び前記永久磁石を見て、前記固定子鉄心から前記溝の底面までの最短距離を第１の距離とし、前記永久磁石の一方の軸端側面と前記溝の一方の軸方向端面との交線である境界部と、前記固定子鉄心の軸端側面を前記回転子側に延ばした面との間の最短距離を第２の距離とし、前記第２の距離は前記第１の距離よりも狭い。

この発明によれば、極異方性配向された永久磁石を利用した回転子を用いた場合でもトルクの向上を図ることができる、という効果を奏する。

本発明の実施の形態１に係る同期電動機の斜視図 図１に示す永久磁石の斜視図 図１に示す同期電動機の側面図 永久磁石の不可逆減磁が生じ易い部分を示す図 永久磁石のオーバーハング部から固定子鉄心へ流れる磁束を表す図 本発明の実施の形態２に係る同期電動機の部分拡大図 図６に示す溝の形状を変形した例を示す図 固定子鉄心のスロット開口部付近の磁束密度分布を磁界解析により求めた図

以下に、本発明に係る同期電動機の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１に係る同期電動機の斜視図、図２は図１に示す永久磁石の斜視図、図３は図１に示す同期電動機の側面図である。

図１に示す同期電動機１００は、固定子鉄心１と、固定子鉄心１の内径側に隙間７を介して配置される回転子５とを有する。図１では図３に示す巻線６を省略している。

固定子鉄心１は、特定形状に打ち抜かれた電磁鋼板を軸方向に複数積層した環状のヨーク１ａと、ヨーク１ａの内径側において回転方向に一定間隔で配置されヨーク１ａからヨーク１ａの中心方向に伸びる複数のティース１ｂとを有する。

ティース１ｂは、図３に示す巻線６が巻かれる巻線部１ｂ１と、個々のティース１ｂの内径側に形成され回転子対向面１ｂ３が回転方向に広がる傘状の先端部１ｂ２とを有する。

固定子鉄心１には、複数のスロット１ｃと複数のスロット開口部１ｄとが形成される。スロット１ｃは、ヨーク１ａと巻線部１ｂ１と先端部１ｂ２とで区画された空間であり、スロット１ｃには巻線６が収納される。スロット開口部１ｄは、隣接する先端部１ｂ２の回転方向端部が対向する部分に形成された空間である。

回転子５は、特定形状に打ち抜かれた電磁鋼板を軸方向に複数積層した環状の回転子鉄心３と、回転子鉄心３の外周側に配置され、外周面２ａに複数の磁極が形成され磁極数に対応した極異方性の配向がなされた円筒状の永久磁石２と、回転子鉄心３の径方向中心部に配置される回転軸４とを有する。

永久磁石２の一方の軸方向端面２ｂ１から他方の軸方向端面２ｂ２までを永久磁石２の軸方向の長さＬ１とし、固定子鉄心１の一方の軸方向端面１ｅ１から他方の軸方向端面１ｅ２までを固定子鉄心１の軸方向の長さＬ２としたとき、永久磁石２の軸方向の長さＬ１は、固定子鉄心１の軸方向の長さＬ２よりも長い。

図２，３に示すように永久磁石２の外周面２ａには、複数の溝２ａ１と軸端側面２ａ２と複数の磁極外周面２ａ３とが形成されている。

溝２ａ１は、永久磁石２の外周面２ａの内、固定子鉄心１と対向している部分、かつ、磁極間Ａに形成されている。図示例の溝２ａ１は、底面２ａ１１が軸端側面２ａ２側の軸方向端面２ａ１２から軸方向端部２ａ１３まで伸びる形状である。図示例の溝２ａ１は、固定子鉄心１と対向している部分だけでなく、固定子鉄心１と対向していない部分にも形成されている。

軸端側面２ａ２は、永久磁石２の外周面２ａの内、永久磁石２の軸方向端面２ｂ１側における固定子鉄心１と対向していない部分であり、溝２ａ１と軸方向端面２ｂ１との間に位置する。磁極外周面２ａ３は、永久磁石２の外周面２ａの内、磁極の外周面に位置し、軸方向端面２ｂ２から軸端側面２ａ２に渡って形成されている。

このように永久磁石２は、軸方向の長さが固定子鉄心１の軸方向の長さよりも長く、永久磁石２の外周面２ａの内、固定子鉄心１と対向している部分の磁極間Ａには溝２ａ１が形成され、かつ、永久磁石２の外周面２ａの内、永久磁石２の軸方向片側の固定子鉄心１と対向していない部分には溝２ａ１が形成されている。

図４は永久磁石の不可逆減磁が生じ易い部分を示す図である。図４には、巻線部１ｂ１、先端部１ｂ２、回転子対向面１ｂ３、および永久磁石２の外周面２ａを拡大して示す。符号ａの矢印は、極異方性配向がなされた永久磁石２の磁化容易方向を表す。符号ｂの矢印は、図３に示す巻線６に電流を流したときに発生する磁束の経路を表す。符号ｃで示す領域は、永久磁石２の磁極間Ａにおいて不可逆減磁が発生する部分を表す。

磁化容易方向ａは、永久磁石２の外周面２ａと平行な方向になっている。図３に示す巻線６に電流を流したときに発生する磁束の一部は、隣接する先端部１ｂ２の間で短絡を起こし易く、スロット開口部１ｄで磁束が集中する。特に巻線６に大きな値の電流を流した場合、スロット開口部１ｄの回転方向中央部Ｂでは、回転子対向面１ｂ３と平行な向きの強い磁束が発生する。この磁束は、磁極間Ａの回転方向に配向された永久磁石２に逆方向の磁界として印加される。この逆磁界によって磁極間Ａの永久磁石２には、符号ｃの領域に不可逆減磁が発生する。

本実施の形態に係る永久磁石２は、外周面２ａの内、固定子鉄心１と対向する部分の磁極間Ａに溝２ａ１を設けている。溝２ａ１を設けることによって、符号ｃで示す部分とスロット開口部１ｄとの距離を広げることができ、スロット開口部１ｄで発生した逆磁界による不可逆減磁を抑制することができる。また、逆磁界による不可逆減磁が抑制されるため、巻線６に大きな電流が流せるようになり、同期電動機１００の高トルク化が可能になる。

ただし、永久磁石２の外周面２ａに溝２ａ１を設ける構成は、隙間７を広くすることと同じであるため、永久磁石２から巻線６に鎖交する磁束量が減少する。この対策として永久磁石２は、固定子鉄心１の両端部よりもオーバーハングした部分に設けられている永久磁石２の磁束を有効に利用する構成としている。

図５は永久磁石のオーバーハング部から固定子鉄心へ流れる磁束を表す図である。オーバーハング長ＯＨ１は、永久磁石２の軸方向中心位置から軸方向端面２ｂ１までの長さと固定子鉄心１の軸方向中心位置から軸方向端面１ｅ１までの長さとの差分を表す。オーバーハング長ＯＨ２は、永久磁石２の軸方向中心位置から軸方向端面２ｂ２までの長さと固定子鉄心１の軸方向中心位置から軸方向端面１ｅ２までの長さとの差分を表す。オーバーハング部２ｃ１は、オーバーハング長ＯＨ１に相当する永久磁石２の軸端部である。オーバーハング部２ｃ２は、オーバーハング長ＯＨ２に相当する永久磁石２の軸端部である。

永久磁石２のオーバーハング部２ｃ１から出た磁束ｄ１は、透磁率の高い軟磁性体へと引き寄せられ、固定子鉄心１に鎖交する。同様に、永久磁石２のオーバーハング部２ｃ２の磁束ｄ２は、固定子鉄心１に鎖交する。

このように同期電動機１００は、永久磁石２の外周面２ａの内、固定子鉄心１と対向している部分に溝２ａ１を設けることで、逆磁界による影響を抑えてトルクの向上を図り、固定子鉄心１と対向していないオーバーハング部２ｃ１，２ｃ２の磁束ｄ１，ｄ２を利用することで、更なるトルクの向上を図る構成である。

なお、オーバーハング部２ｃ１，２ｃ２は、固定子鉄心１からの逆磁界の影響を受け難いため、オーバーハング部２ｃ１，２ｃ２には溝２ａ１が不要である。一方、永久磁石２を射出成形で製造する場合、永久磁石２の外周面２ａの内、軸方向中央部のみに溝２ａ１を設けると、離型が困難となる。

そこで図示例の永久磁石２では、永久磁石２の外周面２ａの内、溝２ａ１と軸方向端面２ｂ１との間のみに溝２ａ１が無い部分、すなわち軸端側面２ａ２を設けている。そのため、射出成形により、表面に複数の磁極を有する永久磁石２を製造でき、安価な回転子を実現することが可能である。また、従来と同様の製造方法および製造設備で永久磁石２を生産することが可能となり、製造コストの増加を抑えることができる。

なお、本実施の形態に係る永久磁石２は、両軸端部が固定子鉄心１の軸端部よりもオーバーハングしているが、一方の軸端部のみオーバーハングさせる構成でもよい。この構成でもオーバーハングしている部分の磁束を利用してトルクの向上を図ることが可能である。また本実施の形態に係る回転子５には、回転子鉄心３と回転軸４を用いているが、回転子鉄心３の代わりに直径を拡大させた回転軸４を用いてもよい。

実施の形態２．
図６は本発明の実施の形態２に係る同期電動機の部分拡大図、図７は図６に示す溝の形状を変形した例を示す図、図８は固定子鉄心のスロット開口部付近の磁束密度分布を磁界解析により求めた図である。

図６，７には、ティース１ｂの縦断面と、ティース１ｂと対向する位置における永久磁石２の縦断面が示されている。溝２ａ１と軸端側面２ａ２との境界部の軸方向の位置をａとし、軸方向端面１ｅ１の軸方向の位置をｂとしたとき、Ｄ１は、位置ａから位置ｂまでの距離を表す。距離Ｄ１は、例えば、先端部１ｂ２の回転子対向面１ｂ３から溝２ａ１の底面２ａ１１までの幅の２分の１、すなわち隙間７の幅Ｇと溝２ａ１の径方向の深さＤ２との和の２分の１に相当し、あるいは、先端部１ｂ２の回転子対向面１ｂ３から溝２ａ１の底面２ａ１１までの幅に相当する。

図６の同期電動機１００は、回転子対向面１ｂ３から底面２ａ１１までの幅が、軸方向端面１ｅ１の位置ｂから軸方向に距離Ｄ１隔てた境界部ａまで一定である。図７の同期電動機１００は、回転子対向面１ｂ３から底面２ａ１１までの幅が、軸方向端面１ｅ１の位置ｂまで一定であり、軸方向端面１ｅ１の位置ｂから軸方向に距離Ｄ１隔てた境界部ａまでが徐々に狭くなる円弧状である。

図８の横軸は、先端部１ｂ２の軸方向位置を示し、１目盛りは１ｍｍを表す。縦軸は、図４に示す先端部１ｂ２から一定距離隔てた位置の内、磁束密度が最大値を示す位置の磁束密度、すなわちスロット開口部１ｄの回転方向中央部Ｂにおける磁束密度を表す。ここでの磁束密度は、図４に示す先端部１ｂ２の回転子対向面１ｂ３と平行な向きに発生する磁束の単位面積当たりの面密度を表す。

横軸の左端は、先端部１ｂ２の軸方向中央の位置Ｐ１を示す。実線Ａは、先端部１ｂ２の軸方向端面１ｅ１の位置Ｐ２を示す。位置Ｐ２よりも左側の領域は、ティース１ｂと永久磁石２とが対向している部分における磁束密度を表し、位置Ｐ２よりも右側の領域は、ティース１ｂと永久磁石２とが対向していない部分における磁束密度を表す。点線Ｂは、溝２ａ１の底面２ａ１１に相当する位置の磁束密度の内、軸方向位置が中央の位置Ｐ１における磁束密度を示す。点線Ｃは、点線Ｂと曲線ａの交点における軸方向位置、すなわち曲線ａの磁束密度の内、点線Ｂの磁束密度と同様の値になる部分における位置Ｐ３を示す。

曲線ａは、先端部１ｂ２の回転子対向面１ｂ３から径方向内側に隙間７の幅Ｇだけ離れた位置における磁束密度の変化を示す。曲線ｃは、先端部１ｂ２の回転子対向面１ｂ３から径方向内側に隙間７の幅Ｇと溝２ａ１の深さＤ２とを足し合わせた寸法だけ離れた位置、すなわち溝２ａ１の底面２ａ１１の位置における磁束密度の変化を示す。曲線ｂは、上記２つの位置の中間位置、すなわち隙間７の幅Ｇと深さＤ２とを足し合わせた寸法の２分の１だけ離れた位置における磁束密度の変化を示す。

図８に示す磁束密度の解析モデルでは、固定子鉄心１の内径を５０ｍｍ、隙間７の幅Ｇを０．４ｍｍ、溝２ａ１の径方向の深さＤ２を１．０ｍｍとしている。従って幅Ｇと深さＤ２を足し合わせた値は１．４ｍｍ、幅Ｇと深さＤ２を足し合わせた値の２分の１の値は０．７ｍｍである。

ここで、点線Ｂの磁束密度を基準にして、永久磁石２の外周面２ａの位置Ｐ３に着目すると、位置Ｐ２から位置Ｐ３までの幅Ｗは、１目盛り以下であることが分かる。幅Ｗは、例えば先端部１ｂ２の回転子対向面１ｂ３から溝２ａ１の底面２ａ１１までの幅の２分の１であり、図６，７に示す距離Ｄ１に相当する。これは、巻線６に電流を流したときに発生する磁束が軸方向へ漏れる経路が存在し、ティース１ｂと永久磁石２とが対向している部分における磁束密度が低くなるためである。従ってティース１ｂの軸方向端面１ｅ１の付近では、ティース１ｂに永久磁石２を近づけても永久磁石２が減磁しにくく、永久磁石２の磁力を有効に利用でき、減磁の影響が少ない同期電動機１００が実現できる。

図６，７に示す永久磁石２の軸端側面２ａ２は、ティース１ｂの軸方向端面１ｅ１を回転子５側に延ばした面から軸方向に距離Ｄ１隔てた面と、永久磁石２の軸方向端面２ｂ１との間に形成されている。従って、永久磁石２の外周面２ａであっても、永久磁石２の軸端側面２ａ２における固定子鉄心１からの逆磁界の影響は、溝２ａ１の底面２ａ１１と同じになる。不可逆減磁の影響を更に減らすためには、距離Ｄ１を溝２ａ１の底面２ａ１１から固定子鉄心１まで距離と同じ値にすればよい。

また、図８に示す位置Ｐ３における曲線ｂの磁束密度は、位置Ｐ２における曲線ｃの磁束密度と同等である。従って、溝２ａ１の径方向の深さＤ２は、図６に示すように軸方向端面２ａ１２まで一定にする必要は無く、図７に示すように軸方向端面１ｅ１と同じ位置まで底面２ａ１１を形成し、底面２ａ１１から距離Ｄ１隔てた位置まで円弧状に変化させてもよい。

以上に説明したように実施の形態１，２に係る同期電動機１００は、固定子鉄心１と、回転子５と、回転子５の外周部に配置され、極異方性配向を有する円筒状の永久磁石２と、を備え、永久磁石２の軸方向の長さは、固定子鉄心１の軸方向の長さよりも長く、永久磁石２の外周面２ａの内、固定子鉄心１と対向している部分には、磁極間Ａの回転方向に一定間隔で形成された軸方向に伸びる溝２ａ１が形成され、永久磁石２の外周面２ａの内、永久磁石２の軸方向片側における固定子鉄心１と対向していない部分のみに、溝２ａ１が形成されている。この構成により、永久磁石２の外周面２ａの内、固定子鉄心１と対向している部分に溝２ａ１を設けることで、逆磁界による影響を抑えてトルクの向上を図り、固定子鉄心１と対向していないオーバーハング部２ｃ１，２ｃ２の磁束ｄ１，ｄ２を利用することで、更なるトルクの向上を図る構成である。更に永久磁石２には両軸端部の内、一方の軸端部のみに軸端側面２ａ２を設けているため、射出成形により、表面に複数の磁極を有する永久磁石２を製造でき、安価な回転子を実現することが可能である。また、従来と同様の製造方法および製造設備で永久磁石２を生産することが可能となり、製造コストの増加を抑えることができる。

また実施の形態２に係る同期電動機１００では、永久磁石２の外周面２ａには、ティース１ｂの一方の軸方向端面１ｅ１から、ティース１ｂの一方の軸方向端面１ｅ１側に存在する永久磁石２の一方の軸方向端面２ｂ１側に一定の距離Ｄ１隔てた位置ａから、永久磁石２の他方の軸方向端面２ｂ２までの間に、磁極間Ａの回転方向に一定間隔で形成された軸方向に伸びる溝２ａ１が形成されている。この構成により、ティース１ｂの軸方向端面の付近では永久磁石２が減磁しにくく、永久磁石２の磁力を有効に利用でき、減磁の影響が少ない同期電動機が実現できる。

また実施の形態２に係る同期電動機では、ティース１ｂの一方の軸方向端面１ｅ１から、永久磁石２の一方の軸方向端面２ｂ１側に一定の距離Ｄ１隔てた位置ａまでの距離が、ティース１ｂの先端部１ｂ２の回転子対向面１ｂ３から溝２ａ１の底面２ａ１１までの径方向幅の２分の１に相当する距離である。この構成により、巻線６に電流を流したときに発生する磁束が軸方向へ漏れ、ティース１ｂと永久磁石２とが対向している部分における磁束密度が低くなる。従って、ティース１ｂの軸方向端面１ｅ１の付近では永久磁石２が減磁しにくく、永久磁石２の磁力を有効に利用でき、減磁の影響が少ない同期電動機が実現できる。

また実施の形態２に係る同期電動機では、ティース１ｂの一方の軸方向端面１ｅ１から、永久磁石２の一方の軸方向端面２ｂ１側に一定の距離Ｄ１隔てた位置ａまでの距離が、ティース１ｂの先端部１ｂ２の回転子対向面１ｂ３から溝２ａ１の底面２ａ１１までの径方向幅に相当する距離である。この構成により、固定子鉄心１の端部から軸方向に漏れる磁束は、固定子鉄心１から溝へ流れる磁束よりも少なくなる。従って、ティース１ｂの軸方向端面１ｅ１の付近では永久磁石２が減磁しにくく、永久磁石２の磁力を有効に利用でき、より一層減磁の影響が少ない同期電動機が実現できる。

また実施の形態２に係る同期電動機では、永久磁石２の溝２ａ１が、ティース１ｂの一方の軸方向端面１ｅ１から、永久磁石２の他方の軸方向端面２ｂ２に向かって深さが徐々に大きくなる形状であり、溝２ａ１の底面２ａ１１が円弧状に形成されている。この構成により、固定子鉄心１の軸端部付近の磁束密度は、磁束が軸方向に漏れる影響により徐々に低くなるため、永久磁石２の溝２ａ１の深さもそれに合わせて徐々に浅くしても、固定子鉄心１から印加される磁界が低く減磁し難い。このため、回転子５からより多くの磁束を得ることができ、トルクの向上を図ることができる。

以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１ 固定子鉄心、１ａ ヨーク、１ｂ ティース、１ｃ スロット、１ｄ スロット開口部、２ 永久磁石、２ａ 外周面、３ 回転子鉄心、４ 回転軸、５ 回転子、６ 巻線、７ 隙間、１００ 同期電動機。

Claims (3)

1. 固定子鉄心と、
   前記固定子鉄心の内径側に配置される回転子と、
   前記回転子の中心に設けられる回転軸と、
   前記回転子の外周部に配置され、極異方性配向を有する円筒状の永久磁石と、
   を備え、
   前記永久磁石の軸方向の長さは、前記固定子鉄心の軸方向の長さよりも長く、
   前記固定子鉄心は、環状のヨークと、前記ヨークの内径側において回転方向に一定間隔で配置され前記ヨークから前記ヨークの中心方向に伸びる複数のティースとを備え、
   前記永久磁石の外周面には、前記ティースの一方の軸方向端面から、前記ティースの一方の軸方向端面側に存在する前記永久磁石の一方の軸方向端面側に一定の距離隔てた位置から、前記永久磁石の他方の軸方向端面までの間のみに、前記永久磁石の回転方向において一定間隔で形成され軸方向に伸びる複数の溝が形成され、
   前記複数の溝は、それぞれ前記永久磁石の磁極間に形成され、
   前記回転軸が伸びる方向と直交する方向から前記固定子鉄心及び前記永久磁石を見て、前記固定子鉄心から前記溝の底面までの最短距離を第１の距離とし、
   前記永久磁石の一方の軸端側面と前記溝の一方の軸方向端面との交線である境界部と、前記固定子鉄心の軸端側面を前記回転子側に延ばした面との間の最短距離を第２の距離とし、
   前記第２の距離は前記第１の距離よりも狭い同期電動機。
2. 前記ティースの一方の軸方向端面から前記永久磁石の一方の軸方向端面側に一定の距離隔てた位置までの距離は、前記ティースの先端部の回転子対向面から前記溝の底面までの径方向幅の２分の１に相当する距離である請求項１に記載の同期電動機。
3. 前記永久磁石の前記溝は、前記ティースの一方の軸方向端面から前記永久磁石の一方の軸方向端面側に一定の距離隔てた位置から、前記永久磁石の他方の軸方向端面に向かって深さが徐々に大きくなる形状であり、
   前記溝の底面が円弧状に形成されている請求項２に記載の同期電動機。

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