JP7213965B2

JP7213965B2 - 永久磁石式同期電動機

Info

Publication number: JP7213965B2
Application number: JP2021521080A
Authority: JP
Inventors: 宇宙満田; 義浩深山
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2020-06-19
Filing date: 2020-12-01
Publication date: 2023-01-27
Anticipated expiration: 2040-12-01
Also published as: WO2021255959A1; JPWO2021255959A1

Description

本願は、永久磁石式同期電動機に関するものである。

航空機におけるモータには、永久磁石式同期電動機が使用されている。特に電動航空機向けのモータにおいては高い重量出力密度と高い効率の両立が要求される。この場合において、重量出力密度を上げるため固定子のコアバックを削減できるハルバッハ磁石配列が利用される。ハルバッハ配列は異なる方向に着磁された複数の磁石を並べることにより正弦波状の磁束密度分布を作り出すことができ、コアバックに鎖交する磁束を低減できることから、主にリニアモータ等で使用される（例えば、特許文献１、２参照）。一方、回転機にハルバッハ磁石配列を適用する場合、磁石の表面にて発生する磁石の渦電流損を低減することが課題の一つである（例えば、非特許文献１参照）。

特開2019-122224号公報特許第5294762号公報

鹿山他、「新たな損失分析法に基づくスロットレスＰＭモータの低損失化検証」、電気学会論文誌Ｄ、Vol.123、No.7、２００３年、pp. 809-816 福重、「永久磁石モータにおけるスロットコンビネーションの渦電流損失への影響」、電気学会論文誌Ｄ、Vol.132、No.10、２０１２年、pp.951-957

本願は、上記のような課題を解決するための技術を開示するものであり、磁石の磁束を低下させることなく磁石の渦電流損を低減させること、および、これにより永久磁石式同期電動機の効率向上に寄与することを目的とする。

本願に開示される永久磁石式同期電動機は、
固定子と、前記固定子と空隙を介して設けられた回転子と、を備え、
前記回転子は、
回転子鉄心、
前記回転子鉄心に取り付けられ、回転軸方向に分割された主極磁石と、前記主極磁石の磁極方向と非平行な方向に配向された補極磁石と、で構成されるとともに、前記主極磁石と前記補極磁石が周方向に交互に配置されて構成された磁石、
を有し、
前記主極磁石の周方向の寸法を前記補極磁石の周方向の寸法で除した比率が、２．３よりも大きく、かつ９．０未満に設定され、前記主極磁石の回転軸方向の分割後の寸法を、前記周方向における前記主極磁石の寸法で除した比の２倍が１以上に設定されているとともに、
前記主極磁石は、回転軸と平行に分割されて極中心に対して対称な配置となるように構成されており、
前記固定子との空隙が、前記補極磁石の方が前記主極磁石より大きくなるよう配置されている、ことを特徴とするものである。

本願に開示される永久磁石式同期電動機によれば、磁石の磁束を低下させることなく磁石の渦電流損を低減させること、および、これにより永久磁石式同期電動機の効率向上に寄与することができる。

実施の形態１の永久磁石式同期電動機を搭載した航空機の模式図である。実施の形態１の永久磁石式同期電動機であるモータの回転軸に沿った断面図である。実施の形態１の永久磁石式同期電動機であるモータの電磁気的機能に係る、周方向に対称なモデルの一部の回転軸に垂直な断面図である。実施の形態１の永久磁石式同期電動機であるモータの回転子における２極分の回転軸に垂直な面で見た断面図である。実施の形態１の永久磁石式同期電動機であるモータの磁石の渦電流損を解析してグラフ化した図である。実施の形態１の永久磁石式同期電動機であるモータの空間２、４次高調波に対する渦電流の大きさを規格化してグラフ化した図である。実施の形態１の永久磁石式同期電動機であるモータの空間５、７次高調波に対する渦電流の大きさを規格化してグラフ化した図である。実施の形態１の永久磁石式同期電動機であるモータの空間８、１０次高調波に対する渦電流の大きさを規格化してグラフ化した図である。実施の形態１のスロットコンビネーションが２：３系列の永久磁石式同期電動機における空間高調波をグラフ化して示した図である。実施の形態１のスロットコンビネーションが５：６系列の永久磁石式同期電動機における空間高調波をグラフ化して示した図である。実施の形態２の永久磁石式同期電動機を搭載した航空機の模式図である。実施の形態３の永久磁石式同期電動機を搭載した航空機の模式図である。実施の形態３の永久磁石式同期電動機を搭載した航空機の模式図である。実施の形態４の永久磁石式同期電動機を回転軸方向に平行に見た断面図である。実施の形態５の永久磁石式同期電動機を回転軸方向に平行に見た断面図である。実施の形態５の永久磁石式同期電動機を２極分の回転軸に垂直な面で見た断面図である。実施の形態６の永久磁石式同期電動機を２極分の回転軸に垂直な面で見た断面図である。実施の形態７の永久磁石式同期電動機の周方向に対称なモデルの一部を切り出した俯瞰図である。実施の形態７の永久磁石式同期電動機の周方向に対称なモデルの一部を切り出した別視点からの俯瞰図である。実施の形態７の永久磁石式同期電動機の２次の空間高調波による磁石の渦電流経路を簡易的に示した図である。実施の形態７の永久磁石式同期電動機の磁石の回転軸方向分割数を変えた時の磁石の渦電流損失の電磁界解析結果を示した図である。実施の形態８の永久磁石式同期電動機を２極分の回転軸に垂直な面で見た断面図である。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る永久磁石式同期電動機１００の航空機への搭載状態の構成の一例を示す模式図である。図２は、永久磁石式同期電動機１００の一例としてのモータの回転軸に沿った断面図を示す。図３は、永久磁石式同期電動機であるモータの回転軸に対して垂直方向の面でみた断面図を示す。図４は、永久磁石式同期電動機における回転子の、回転軸に対して垂直方向の面でみた断面図を示す。図５は、主極幅と補極幅の比率を変えた時の磁石の渦電流損失を示す。

図１において、航空機３０のファンにシャフトを介して永久磁石式同期電動機であるモータ３１がつながっている。モータ３１はバッテリー３２から電力を供給された制御器３３によって制御される。

図２に示す永久磁石式同期電動機は円環状に形成された固定子１と固定子１に対向して設けられた回転子２を備える。回転子２は固定子１の径方向について、内側に設けられている。以降、径方向とは回転子２についての径方向とし、周方向とは回転子２についての周方向とし、軸方向とは回転子２の回転軸の軸方向についての方向とする。回転子２は回転子鉄心３とこの回転子鉄心３の外周表面に取り付けられた複数の磁石４とを備え、回転子鉄心３には回転軸方向に延びるシャフト５が圧入されている。シャフト５は１つまたは複数の軸受６を介して固定子ブラケット９とつながっている。

固定子１は固定子鉄心７と固定子鉄心７に設けられた複数のコイル８と、前記固定子ブラケット９を備えている。前記固定子鉄心７は、永久磁石式同期電動機全体を覆う前記固定子ブラケット９と、圧入、あるいは接着等の方法によって接続されている。また固定子ブラケットは、永久磁石式同期電動機カバー１０と接しており、回転子の飛散防止、あるいは永久磁石式同期電動機の固定および、固定子の発熱を冷却する役割を果たす。図において固定子と回転子のスロットコンビネーションは５：６系列の集中巻で構成されている（スロットコンビネーションの渦電流損への包括的な影響については、例えば、非特許文献２参照。以下同様）。

図３に示す永久磁石式同期電動機の断面図は、永久磁石式同期電動機の電磁気的機能に係る、周方向に対称なモデルの一部を切り出したものである。固定子鉄心７は扇形に形成されたコアバック１１と、コアバック１１から径方向について内側に突出する複数のティース１２を有している。複数のティース１２は周方向に等間隔に配置されている。周方向に隣り合う複数のティースの間には複数のスロット１３が形成されている。複数のスロット１３には前記コイル８が格納されている。前記回転子２には前記回転子鉄心３の径方向外側に、前記複数の磁石４が周方向に配置され、回転子鉄心３に接続されている。

図４は前記回転子における２極分の断面図を示す。極と同方向をｄ軸、ｄ軸から電気角で９０度進んだ軸をｑ軸と呼称する。回転子の擁する複数の磁石は、ｄ軸方向に着磁された極を形成する複数の主極磁石１４と、前記複数の主極磁石の間に形成される複数の補極磁石１５から構成される。前記補極磁石１５は、ｑ軸と平行に着磁されているが、ｄ軸と平行でなければ、着磁方向に関しては任意である。つまりｑ軸に対して磁極方向が反対に着磁されていれば例えば補極磁石１５を複数に分割し、斜め方向に着磁することも可能である。

また、１つの磁石内の着磁方向が連続的に変化させていても問題ない。補極磁石１５は、主極磁石１４による磁束を引き寄せる役割を担っており、これにより前記回転子鉄心の磁気飽和を緩和し、回転子鉄心を軽量化することが可能である。

ここで、主極磁石１４の周方向距離をＷｍ、補極磁石１５の周方向距離をＷｓと定義すると、主極・補極幅比率Ｗｍ／Ｗｓを決定することで、主極磁石および補極磁石の幅が決定される。また、補極磁石は主極磁石より、空隙から離れて配置されている。すなわち、前記固定子と補極磁石との径方向の空隙は、前記固定子と主極磁石との径方向の空隙よりも大きくなるように設定されていることを特徴とする。

従って、補極磁石１５の方が主極磁石１４よりも回転子鉄心側に重心が近い。前記補極磁石は、先に示したように前記主極磁石の磁束を引き寄せる役割のみを果たせばよいため、空隙から距離をとってもトルク、あるいは出力は、大きく減少することはない。

図５に主極・補極幅比率を変えた時の磁石に発生する渦電流損失を電磁界解析によって算出した結果を、各磁石別に分類して示す。主極磁石が最も渦電流損失が大きい。これは磁石面積が大きいことに起因している。さらに補極磁石は主極磁石よりも空隙から離れた位置に配置されていることも大きな要因である。このため、磁石の渦電流損の低減は主極磁石に着目して設計する必要がある。次に主極・補極幅比率が渦電流損失に与える影響を述べる。

前記空隙には、前記固定子のコイルに通電することによって高調波が発生する。前記空隙（ギャップ）の空間には複数の次数を持つ磁束密度の高調波（以下、この高調波を空間高調波と略称する）が発生する。磁石の渦電流損の一部は複数の空間高調波によって発生する。

ここで、ｋ次の次数を持つ空間高調波が磁石に鎖交することによって流れる渦電流は、磁石の周方向幅が空間高調波の１８０度ピッチに近いほど多く流れることになる。よって固定子のｋ次の空間高調波に対して、以下式（１）で示した指標ＩＰ（ｑ、ｋ）（index parameter）が小さいほど、渦電流損が小さいことになる。

ここで、ｑは主極磁石幅と補極磁石幅の割合を示す。上記指標に基づき、ｋ＝２、４、５、７、８、１０次の空間高調波に対するｑを変えた時の指標値は、図６、図７、図８に示す通りとなる。

図６はｋ＝２、４の場合の式（１）に示す指標値を示す。空間２、４次の高調波は、３次の渦電流となるが、ｑ＝２．３３以上（ｑが２．３より大きい）であれば空間２次に起因する渦電流が減ることがわかる。またｑ＝５．６７以上であれば、ｋ＝２、４次に起因する渦電流の両方が減ることがわかる。

図７は、ｋ＝５、７の場合の式（１）に示す指標値を示す。ｑ＝５．６７において、ｋ＝７次に起因する渦電流が極小となる。ｑは基本的に大きいほど主極磁石が大きくなりトルクが増加するため５．６７以上が好ましい。

図８は、ｋ＝８、１０の場合の式（１）に示す指標値を示す。ｑ＝９．０で指標値が極大となるため、ｑ＝９．０未満が好ましい。

磁石の渦電流損は各空間高調波による渦電流損の合計で決定されるため、定量的に渦電流を計算することは難しいが、図６に示した通り、ｑ＝２．３３からｑ＝９．０の範囲で極小値をとることは、図６から図８に示した各高調波による指標が極小をとる範囲と一致していることから、妥当であるといえる。

また上記においてはスロットコンビネーションを５：６系列で構成しているとして説明したが、２：３系列で構成してもよい。スロットコンビネーションを２：３系列で構成することにより、分数調波の空間高調波が発生しないため、主極・補極幅比率により渦電流損抑制効果が大きくなるためである。

上記で説明した、スロットコンビネーションが５：６系列と２：３系列における空間高調波の発生状況の違いについて、以下図を用いてさらに詳しく説明する。
図９にスロットコンビネーションが２：３系列における空間高調波を示し，図１０にスロットコンビネーションが５：６系列の空間高調波を示す。スロットコンビネーションが２：３系列では全て整数の空間高調波であるが、スロットコンビネーションが５：６系列では分数の空間高調波を含むことがわかる。スロットコンビネーションが２：３系列では高調波次数が１以上であるため、式（１）を満たす主極補強幅を設定することで、渦電流損低減効果がある。また、スロットコンビネーションが５：６系列では、１／５次高調波以外は、式（１）にのっとった主極・補極幅を設定することで、渦電流損抑制効果が期待できる。

実施の形態２．
図１１に実施の形態２に係る永久磁石式同期電動機の航空機３０ａへの搭載状態の構成の一例を示す模式図を示す。図１１において、航空機３０ａのファンのシャフトにギアボックス３４を介して永久磁石式同期電動機であるモータ３１がつながっている。モータ３１はバッテリー３２から電力を供給された制御器３３によって制御される構成は図１と同様である。ギアボックス３４を介することでモータ３１を高速回転化することにより小型化できる。一方で、高速化による磁石の渦電流損がより大きくなることが考えられるが、実施の形態１に示した構成にすることにより、磁石の渦電流損を抑制することが可能となる。

実施の形態３．
図１２に実施の形態３に係る永久磁石式同期電動機の搭載状態の構成の模式図を示す。本実施の形態３における永久磁石式同期電動機であるモータ３１ａ（ここでは以下に説明する回転翼ごとに設けられている）の搭載は固定翼の航空機のみではなく、回転翼４１を複数持つマルチコプター４０などの羽に取り付けても同様の効果を奏する。また、図１３に示すような固定翼４２の飛行機５０のモータ３１ｂの場合でも、同様の効果が得られる。なお、バッテリー３２と制御器３３については、実施の形態１、２ですでに説明したので、ここでは説明を省略する。

実施の形態４．
図１４に実施の形態４に係る永久磁石式同期電動機１００ａの回転軸に沿った断面図を示す。永久磁石式同期電動機は円環状に形成された固定子１ａと固定子１ａに対向して設けられた回転子２ａを備える。回転子２ａは固定子１ａの径方向について、外側に設けられる。前記回転子２ａは複数の磁石４ａ、回転子鉄心３ａ、および回転子鉄心３ａと接続される回転子ブラケット１６を有する。回転子２ａを外周側に設けることにより、回転翼を回転子ブラケット１６に直接接続することが可能である。その他の構成は実施の形態１と同様であるので、ここでは説明を省略する。

実施の形態５．
図１５に実施の形態５に係る永久磁石式同期電動機１００ｂの回転軸に沿った断面図を示す。永久磁石式同期電動機は円環状に形成された固定子１ｂと、この固定子１ｂを径方向に挟み込むように、前記固定子１ｂの内側と外側に配置された複数の回転子２ｂを備える。前記回転子は複数の磁石４ｂ、回転子鉄心３ｂ、および回転子鉄心３ｂと接続される回転子ブラケット１６ａを有する。前記複数の回転子２ｂは、それぞれ、回転子ブラケット１６ａを介して接続されており、軸出力は複数の回転子によって生成されるトルクの合計となる。本実施の形態においても実施の形態４と同じく回転翼を回転子ブラケット１６ａに直接接続することが可能である。

図１６に実施の形態５に係る永久磁石式同期電動機の電磁気的機能に係る、周方向に対称な一部を切り出したモデル断面を示す。径方向外側に配置された前記回転子と、径方向内側に配置された前記回転子と、の２種類の回転子を備え、各回転子は実施の形態１と同様に、複数の主極磁石および複数の補極磁石とを備える。前記主極磁石と前記補極磁石の周方向幅比率ｑは２．３より大きく９．０未満を満たすように設定されている。これにより実施の形態１と同様の効果が得られる。その他の構成は実施の形態１と同様である。

また補極磁石が主極磁石に比較して、半径方向の固定子との隙間が大きい位置に配置されている。これを実現するために、回転子鉄心のコアバックは、補極磁石の形状が嵌るようにＷｓ１の幅の凹凸のある形状とすることが可能である。回転子鉄心に凹凸があることで、補極磁石の位置決めが容易となる。また補極磁石の位置が決まると主極磁石も補極磁石に合わせて位置決めすることが可能である。

実施の形態６．
図１７に実施の形態６に係る永久磁石式同期電動機の回転軸に垂直な方向の断面図を示す。永久磁石式同期電動機は複数の固定子ティースを有し、各固定子ティース間の径方向外側にはスロット開口（外側）及び、径方向内側にはスロット開口（内側）を有する。各スロット開口幅は、前記各固定子ティース先端の固定子鍔部を設けることにより、開口幅を自由に変更することを可能とする。また前記各スロットは隣り合うティース面が平行になるように形成されている（図１７において、矢印付の２つの直線ｓと直線ｔが互いに平行になるよう設定されている）。

これによりスロット形状を該長方形に形成できるため、平角線（断面が矩形状）等の該長方形コイルが無駄なく整列され、占積率を向上させることが可能である。その他の構成は実施の形態５と同様である。

実施の形態７．
図１８および図１９は実施の形態７に係る永久磁石式同期電動機の周方向に対称なモデルの一部を切り出した俯瞰図である。永久磁石式同期電動機は固定子および回転子を有し、各回転軸方向のコア長をＬｃとする。本実施の形態７の永久磁石式同期電動機においては、前記回転子は複数の磁石を有し、各磁石は回転軸方向に対して複数に分割されている。

一般的に、コアの分割数は多いほど磁石に発生する渦電流損を低減させることができるが、磁石間の被膜、あるいは接着剤の全体積に対して占める割合が増加するため、磁石の占積率が低下する。

図１８の場合と比較して、図１９に示したように磁石の分割数を減らすことにより占積率を増加させることはできるが、磁石の渦電流損が増加するため、磁石の占積率を増大させることと渦電流損を減少させることとは、トレードオフの関係にある。磁石に鎖交する空間高調波はｋ＝２、４、５、７次が主（特に２次）と考えると、回転軸と直交する平面で分割する場合は、磁石を概ね長方形と仮定した場合、短辺で分割することになるため、分割数を多くしないと渦電流の経路長が増えず、渦電流損の低減効果が小さい。そこで、これを改善するための検討を行った。特に２次の空間高調波に関し、以下、図２０を用いて説明する。

この空間高調波による渦電流の影響を検討するため、図２０（ａ）に磁石を分割しない場合、図２０（ｂ）に２分割した場合、図２０（ｃ）に３分割した場合、の渦電流経路の模式図を、それぞれ示した。Ｌｃ：Ｗｍのアスペクト比、言い換えると、Ｌｍａ／Ｗｍの比が大きいほど（Ｌｃ、Ｌｍａについては図１８、図１９を参照。ここで、Ｌｍａはコア長Ｌｃを複数個に分割した場合の１個当たりのサイズ）、分割数を増やす必要がある。
図２０に示した場合においては、渦電流経路が該正方形に近い形状になっていれば十分経路が増えたといえる。従って、図２０（ｂ）、図２０（ｃ）の渦電流経路の形状より、Ｌｍａ／（Ｗｍ／２）≧１、すなわち２Ｌｍａ／Ｗｍ≧１となる分割数であれば、磁石の渦電流損の低減効果があると考えることができる。

図２１に磁石の軸方向分割数を変えた時の３次元電磁界解析による磁石の渦電流損失の解析結果を示す。図２１の横軸で定義される分割数を２Ｌｍａ／Ｗｍ以上にすることで、損失を５分の１近くまで大幅に低減できるが、それ以上、分割数を増やしても磁石の渦電流損失が比例的に減少しないのは、先に示した通り、磁路長が増えないためである。その他の構成は実施の形態１と同様である。

実施の形態８．
図２２に実施の形態８に係る永久磁石式同期電動機の回転子における２極分のモデルの断面図を示す。実施の形態８において主極磁石は周方向に回転軸と平行な方向に２分割されている。

実施の形態７で示した通り、軸方向に磁石を分割する場合、分割数を２Ｌｍａ／Ｗｍ以上にする必要があり、磁石の占積率低下による磁力低下が懸念される。そこでＬｃ：Ｗｍのアスペクト比が大きい場合においては、図２２に示したように、磁石を回転軸と平行に分割することで、渦電流の経路を増やすことができる。

また主極磁石の位置決めは補極磁石によって決めることができるが、主極磁石１４ａ、主極磁石１４ｂをそれぞれ２分割することで、補極磁石１５ａおよび補極磁石１５ｂに、主極磁石１４ａの２分割された片方の磁石、主極磁石１４ｂの２分割された片方の磁石を、それぞれ当てることで、極中心に対して対称に磁石の位置決めが可能である。その他の構成は実施の形態１と同様であり、磁石の渦電流損の低減に関して同様の効果を得られる。

本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合、が含まれるものとする。

１、１ａ、１ｂ固定子、２、２ａ、２ｂ回転子、３、３ａ、３ｂ回転子鉄心、４、４ａ、４ｂ磁石、５シャフト、６軸受、７固定子鉄心、８コイル、９固定子ブラケット、１０永久磁石式同期電動機カバー、１１コアバック、１２ティース、１３スロット、１４、１４ａ、１４ｂ主極磁石、１５、１５ａ、１５ｂ補極磁石、１６、１６ａ回転子ブラケット、３０航空機、３１、３１ａ、３１ｂモータ、３２バッテリー、３３制御器、３４ギアボックス、４０マルチコプター、４１回転翼、４２固定翼、５０飛行機、１００、１００ａ、１００ｂ永久磁石式同期電動機

Claims

固定子と、前記固定子と空隙を介して設けられた回転子と、を備え、
前記回転子は、
回転子鉄心、
前記回転子鉄心に取り付けられ、回転軸方向に分割された主極磁石と、前記主極磁石の磁極方向と非平行な方向に配向された補極磁石と、で構成されるとともに、前記主極磁石と前記補極磁石が周方向に交互に配置されて構成された磁石、
を有し、
前記主極磁石の周方向の寸法を前記補極磁石の周方向の寸法で除した比率が、２．３よりも大きく、かつ９．０未満に設定され、前記主極磁石の回転軸方向の分割後の寸法を、前記周方向における前記主極磁石の寸法で除した比の２倍が１以上に設定されているとともに、
前記主極磁石は、回転軸と平行に分割されて極中心に対して対称な配置となるように構成されており、
前記固定子との空隙が、前記補極磁石の方が前記主極磁石より大きくなるよう配置されている、ことを特徴とする永久磁石式同期電動機。
前記主極磁石は前記回転軸と平行に２以上に分割されることにより、電気的に絶縁されていることを特徴とする請求項１に記載の永久磁石式同期電動機。
前記固定子の内周側と外周側に２つの前記回転子を備え、前記固定子は分割されたコアによって構成されていることを特徴とする請求項１に記載の永久磁石式同期電動機。