JP7299352B2 - ロータコンポーネント及びコンシクエントポール型モータ - Google Patents

Description

本発明は、２０１９年８月２日に出願された出願番号がＣＮ２０１９１０７１３４４１．９である出願を基礎とし、その優先権を主張し、当該出願の開示内容を本発明の一部として組み込む。

本発明はモータ技術分野に関し、具体的にはロータコンポーネント及びコンシクエントポール型モータに関する。

コンシクエントポール型永久磁石同期モータにおいては、用いられる永久磁石の数が従来の永久磁石同期モータにおける永久磁石の数の半分に過ぎないため、永久磁石の利用がより十分になり、永久磁石の使用量が著しく低減されて、モータのコストが低下する。

しかしながら、その特殊な磁気回路構造により、永久磁石の使用量の減少による出力トルクの低下や、隣接する磁極構造の非対称によるトルクリップルの増加などの多くの問題が招来されて、コンシクエントポール型モータの更なる普及及び適用が制限されている。

関連技術による一部のコンシクエントポール型モータにおいては極弧率を最適化することによってトルクリップルを改善するが、その対象が主にコギングトルクによるトルクリップルであるため、非正弦波逆起電力によるトルク脉動に対しては改善効果がなく、コンシクエントポール型モータの逆起電力の高調波の高含量によるトルク脉動増加の問題に対して良好な効果を果たしていない。

本発明はロータコンポーネントを開示し、当該ロータコンポーネントはロータ鉄心を含み、ロータ鉄心は、周方向に沿って交互に配置された磁石極と疑似極とを含み、磁石極は取付溝を含み、取付溝内には永久磁石が取り付けられており、永久磁石の、ロータ鉄心の外周縁に向かう極性は同一の極性であり、取付溝の両端にはそれぞれ第２の空気溝が設けられ、第２の空気溝は、溝本体と、溝本体から磁極中心線に向かって延在する第１の延在部及び第２の延在部とを含み、第１の延在部及び第２の延在部は、径方向の厚さが漸減する階段溝を形成するように順次に設けられる。

いくつかの実施例において、第１の延在部及び第２の延在部は、溝本体の、ロータ鉄心の外周に近接する側に設けられる。

いくつかの実施例において、磁極中心線には第１の空気溝が設けられ、第２の空気溝とロータ鉄心の外周縁との間の距離は、第１の空気溝とロータ鉄心の外周縁との間の距離より小さい。

いくつかの実施例において、同一の磁石極に位置する２つの第１の延在部の、磁極中心線に近接する側壁で挟まれる角はａ２１であり、同一の磁石極に位置する２つの第２の延在部の、磁極中心線に近接する側壁の間で挟まれる角はａ２２であり、ここで、ａ２２／ａ２１＝０．７～０．９である。

いくつかの実施例において、同一の磁石極に位置する２つの第２の延在部の、磁極中心線に近接する側壁の間で挟まれる角はａ２２であり、疑似極の両側に位置する２つの第２の空気溝の、疑似極の中心線に近接する側壁の間で挟まれる角はａ２であり、ここで、ａ２２／ａ２＝０．７～１である。

いくつかの実施例において、ロータ鉄心の中心軸線に垂直な平面内において、同一の磁石極に位置する２つの第２の延在部の、磁極中心線に近接する側壁の間で挟まれる角はａ２２であり、永久磁石の径方向外縁における２つの端点とロータ鉄心の中心との接続線で挟まれる角はａｍであり、ここで、ａ２２／ａｍ＝０．６５～０．７５である。

いくつかの実施例において、第１の延在部の径方向の厚さはｔ２１であり、第２の延在部の径方向の厚さはｔ２２であり、ここで、ｔ２１／ｔ２２＝０．４～０．６である。

いくつかの実施例において、ロータ鉄心の中心軸線に垂直な平面内において、第１の空気溝の径方向外縁における２つの端点とロータ鉄心の中心との接続線で挟まれる角はａ１であり、同一の磁石極に位置する２つの第２の延在部の、磁極中心線に近接する側壁の間で挟まれる角はａ２２であり、ここで、ａ１／ａ２２＝０．１～０．１５である。

いくつかの実施例において、第１の空気溝の径方向の厚さはｔ１であり、磁極中心線におけるポールシューの厚さはｔｓ１であり、ここで、ｔ１／ｔｓ１＝０．４～０．６である。

いくつかの実施例において、第２の空気溝の径方向の厚さはｔ２であり、第１の延在部の径方向の厚さはｔ２１であり、ここで、ｔ２１／ｔ２＝０．２～０．４である。

いくつかの実施例において、第１の空気溝は磁極中心線に関して対称である。

本発明のもう１つの態様はコンシクエントポール型モータを提供し、当該コンシクエントポール型モータはステータコンポーネントとロータコンポーネントとを含み、当該ロータコンポーネントは上述のロータコンポーネントである。

本発明によるロータコンポーネントはロータ鉄心を含み、ロータ鉄心は、周方向に沿って交互に配置された磁石極と疑似極とを含み、磁石極は取付溝を含み、取付溝内には永久磁石が取り付けられており、永久磁石の、ロータ鉄心の外周縁に向かう極性は同一の極性であり、取付溝の両端にはそれぞれ第２の空気溝が設けられ、第２の空気溝は、溝本体と、溝本体から磁極中心線に向かって延在する第１の延在部及び第２の延在部とを含み、第１の延在部及び第２の延在部は、径方向の厚さが漸減する階段溝を形成するように順次に設けられる。このロータコンポーネントのロータ鉄心には第２の空気溝が設けられ、且つ第２の空気溝は、磁極中心線に向かって延在する第１の延在部及び第２の延在部を含み、且つ第１の延在部及び第２の延在部は厚さが一様でない階段溝を構成して、延在部の、磁極中心線に近接する位置における厚さがより薄くなるようにする。逆起電力のピーク付近で、一部の谷を引き上げ、一部の山を引き下げ、逆起電力の波形の左右側の対称性を高め、偶数次高調波の含有量を下げ、したがってコンシクエントポール型モータの逆起電力の高調波により引き起こされるトルク脉動増加の問題を改善し、逆起電力の高調波の含有量を著しく低減させ、逆起電力の高調波の歪み率を下げ、モータ性能を向上させる。

本発明の実施例によるロータコンポーネントの構造概略図である。 本発明の実施例によるロータコンポーネントの寸法構造図である。 本発明の実施例によるロータコンポーネントと関連技術によるロータコンポーネントとの、逆起電力の波形の対比図である。 本発明の実施例によるロータコンポーネントと関連技術によるロータコンポーネントとの、逆起電力の高調波分解の対比図である。 ロータコンポーネントにおける、厚さ一様の延在部付近の磁力線分布図である。 本発明の実施例によるロータコンポーネントにおける、階段状の延在部付近の磁力線分布図である。 それぞれ異なる形態を有する延在部の逆起電力の波形の対比図である。 それぞれ異なる形態を有する延在部の逆起電力の高調波分解の対比図である。 本発明の実施例によるロータコンポーネントの逆起電力の高調波の含有量がａ２２／ａ２１につれて変化する様子を示すグラフである。 本発明の実施例によるロータコンポーネントの逆起電力の高調波の含有量がｔ２２／ｔ２１につれて変化する様子を示すグラフである。 本発明の実施例によるロータコンポーネントの逆起電力の高調波の含有量及び電磁トルクがａ１／ａ２２につれて変化する様子を示すグラフである。

図１乃至図１１を参照すると、本発明の実施例によれば、ロータコンポーネントはロータ鉄心１を含み、ロータ鉄心１は、周方向に沿って交互に配置された磁石極と疑似極とを含み、磁石極は取付溝２を含み、取付溝２内には永久磁石３が取り付けられており、永久磁石３の、ロータ鉄心１の外周縁に向かう極性は同一の極性であり、取付溝２の両端にはそれぞれ第２の空気溝５が設けられ、第２の空気溝５は、溝本体と、溝本体から磁極中心線に向かって延在する第１の延在部６及び第２の延在部７とを含み、第１の延在部６及び第２の延在部７は、径方向の厚さが漸減する階段溝を形成するように順次に設けられる。

当該ロータコンポーネントのロータ鉄心１には第２の空気溝５が設けられ、且つ第２の空気溝５は、磁極中心線に向かって延在する第１の延在部６及び第２の延在部７を含み、且つ第１の延在部６及び第２の延在部７は厚さが一様でない階段溝を構成して、延在部の、磁極中心線に近接する位置における厚さがより薄くなるようにする。逆起電力のピーク付近で、一部の谷を引き上げ、一部の山を引き下げ、逆起電力の波形の左右側の対称性を高め、偶数次高調波の含有量を下げ、したがってコンシクエントポール型モータの逆起電力の高調波により引き起こされるトルク脉動増加の問題を改善し、逆起電力の高調波の含有量を著しく低減させ、逆起電力の高調波の歪み率を下げ、モータ性能を向上させる。

いくつかの実施例において、２つの第２の空気溝５は磁極中心線に関して対称になり、第２の空気溝５の延在部は磁極中心線に向かって延びて、隣接する空隙磁束密度の対称性が高くなるように、疑似極及び磁石極における空隙磁束密度を調整して、トルクリップルを低減させる。

本発明に係る延在部は磁極中心線に近い位置でより薄くなる。両者の磁力線分布は図５、図６において点線で示す通りである。本発明に係る延在部では４本の磁力線が通過しており、３本の磁力線が延在部を通過する関連技術による構造に比べて、磁極中心線に近い位置において1本多くの磁力線が通過しており、関連技術より１／４も多い。逆起電力の波形で現れる様子は図７に示すよう、逆起電力のピーク付近で、関連技術における一部の谷を引き上げ、一部の山を引き下げ、逆起電力の波形の左右側の対称性を高めて、偶数次高調波の含有量を低減させる。図８に示すように、２、４次高調波の含有量がさらに低減し、関連技術よりも、逆起電力の高調波の歪み率を更に低減させることができる。

いくつかの実施例において、第１の延在部６及び第２の延在部７は、溝本体の、ロータ鉄心１の外周に近接する側に設けられ、磁力線を調整する役割を効果的に果たすことができる。

磁極中心線には第１の空気溝４が設けられ、第２の空気溝５とロータ鉄心１の外周縁との間の距離は、第１の空気溝４とロータ鉄心１の外周縁との間の距離よりも小さい。

第１の空気溝４を設けることによって、磁力線が磁極中心へ集中しすぎることを避け、高い磁束密度ピークを弱め、隣接する磁極の空隙磁束密度の波形の対称性を高めて、磁束密度波形の正弦度をより良くすることができる。図３に示すように、逆起電力の高調波に含まれる、磁極の非対称性により引き起こされる偶数次の逆起電力の高調波を大幅に削減し、図４に示すように、関連技術よりトルク脉動を更に低減させることができる。

同一の磁石極に位置する２つの第１の延在部６の、磁極中心線に近接する側壁で挟まれる角はａ２１であり、同一の磁石極に位置する２つの第２の延在部７の、磁極中心線に近接する側壁の間で挟まれる角はａ２２である。ここで、ａ２２／ａ２１＝０．７～０．９である。本実施例において、２つの第１の延在部６の、磁極中心線に近い側壁が位置する平面はロータ鉄心１の中心軸線を通り、すなわち、ロータ鉄心１の中心軸線は該平面の中に位置する。

両者の比率が小さくなるほど、厚さの薄い延在部が長くなり、磁極中心部において磁力線に与える制限作用が弱くなり、磁力線が磁石極の下で収束することができない。逆に、両者の比率が大きくなるほど、厚さの薄い延在部が短くなり、延在部は徐々に厚さ一様な延在部に変化し、逆起電力の偶数次高調波の含有量は図８に示すように増加する。研究結果によると、図９に示すように、ａ２２／ａ２１＝０．７～０．９の場合、逆起電力の高調波の含有量は比較的に低い。

同一の磁石極に位置する２つの第２の延在部７の、磁極中心線に近接する側壁の間で挟まれる角はａ２２であり、疑似極の両側に位置する２つの第２の空気溝５の、疑似極の中心線に近接する側壁の間で挟まれる角はａ２である。ここで、ａ２２／ａ２＝０．７～１である。本実施例において、２つの第２の延在部７の側壁が位置する平面はロータ鉄心１の中心軸線を通る。２つの第２の延在部７の側壁が位置する平面がロータ鉄心１の中心軸線を通らない場合、この時の２つの第２の延在部７は、ロータ鉄心１の中心軸線に垂直な平面内において、２つの第２の延在部７の、径方向における外縁の、磁極中心線に近接する端点とロータ鉄心１の中心との接続線の夾角がａ２２になる、という条件を満たす必要がある。いくつかの実施例において、２つの第２の空気溝５の側壁が位置する平面もロータ鉄心１の中心軸線を通る。

この比率は、隣接する磁極の極弧比を表しており、比率が小さくなるほど、磁石極における磁束密度の振幅が大きくなり、疑似極の磁束密度が小さくなり、磁束密度の非対称性が高くなる。逆に、比率が大きくなるほど、磁石極におけるポールシュー幅が大きくなって、磁力線に対する拘束作用が小さくなり、磁束密度も小さくなり、疑似極における磁束密度が大きくなり、同じく磁束密度の非対称性が高くなる。研究結果によると、ａ２２／ａ２＝０．７～１の場合、磁束密度の対称性が最も良い。

ロータ鉄心１の中心軸線に垂直な平面内において、同一の磁石極に位置する２つの第２の延在部７の、磁極中心線に近接する側壁の間で挟まれる角はａ２２であり、永久磁石３の、径方向における外縁の２つの端点とロータ鉄心１の中心との接続線で挟まれる角はａｍである。ここで、ａ２２／ａｍ＝０．６５～０．７５である。両者の比率が大きすぎると、磁石極において有効な磁束密度が形成できず、両者の比率が小さすぎると、延在部により遮蔽される磁力線が多すぎて、永久磁石３の利用率が低くなってしまう。研究結果によると、ａ２２／ａｍ＝０．６～０．８の場合、効果が最も良い。

第１の延在部６の径方向の厚さはｔ２１であり、第２の延在部７の径方向の厚さはｔ２２であり、ここで、ｔ２１／ｔ２２＝０．４～０．６である。比率は延在部の厚さの比を表す。比率が小さすぎると、第２の延在部７は磁力線の通過を効果的に阻止できなくて空隙磁束密度の波形を調整できない一方、第１の延在部６は必要以上に磁力線を阻止してしまう。逆に、比率が大きすぎると、第２の延在部７が必要以上に磁力線を阻止して永久磁石の利用率が低下するとともに、多くの磁力線が第１の延在部６を通過して大きな磁気漏れが発生する。研究結果によると、図１０に示すように、ｔ２２／ｔ２１＝０．４～０．６の場合、効果が最も良い。

ロータ鉄心１の中心軸線に垂直な平面内において、第１の空気溝４の、径方向における外縁の２つの端点とロータ鉄心１の中心との接続線で挟まれる角はａ１であり、同一の磁石極に位置する２つの第２の延在部７の、磁極中心線に近接する側壁の間で挟まれる角はａ２２である。ここで、ａ１／ａ２２＝０．１～０．１５である。比率は、ポールシューにおいて第１の空気溝４が占める割合を表す。比率が大きくなるほど、第１の空気溝４により形成する有効磁気抵抗が強くなって、磁力線に対する調整作用が強くなるが、大きすぎると電磁トルクの低下を引き起こしてしまう。逆に、比率が小さくなるほど、第１の空気溝４は、磁力線を調整して逆起電力の高調波の歪み率を低減させるために必要な磁気抵抗を形成できない。研究結果によると、図１１に示すように、比率が０．１～０．１５の場合、効果が最も良い。

第１の空気溝４の径方向の厚さはｔ１であり、磁極中心線におけるポールシューの厚さはｔｓ１であり、ここで、ｔ１／ｔｓ１＝０．４～０．６である。比率は、ポールシューにおいて第１の空気溝４が占める径方向空間を表す。比率が大きくなるほど磁力線への阻止作用は強くなるが、大きすぎると、電磁トルクの低下を引き起こし、比率が小さすぎると、第１の空気溝４は磁力線を効果的に変調できなくなる。研究結果によると、ｔ１／ｔｓ１＝０．４～０．６の範囲内の場合、効果が最も良い。

第２の空気溝５の径方向の厚さはｔ２であり、第１の延在部６の径方向の厚さはｔ２１であり、ここで、ｔ２１／ｔ２＝０．２～０．４である。疑似極と永久磁石との磁力線分布は一致せず、疑似極における磁力線は電機子反作用の影響をより受けやすいため、磁力線を変調するためには第２の空気溝５の両側の厚さを異なるように設置する必要がある。研究結果によると、ｔ２１／ｔ２＝０．２～０．４の場合、磁力線に対する変調作用が最も良い。

いくつかの実施例において、第１の空気溝４は磁極中心線に関して対称であり、それによって第１の空気溝４の両側の磁力線分布の均一性をより一層確保して、空隙全体の磁束密度をより正弦化する。

永久磁石３は例えば、一字型である。

ロータ鉄心１は軟磁性材料のシートが積層されて形成され、それによって疑似極のロータ鉄心１は磁石極の影響で別の極性に磁化されやすくなる。

本発明の実施例によれば、コンシクエントポール型モータは、ロータコンポーネントとステータコンポーネント８とを含み、当該ロータコンポーネントは上述のロータコンポーネントである。

本発明の技術案に基づいて設計されるコンシクエントポール型モータは、その逆起電力の高調波の分解図が図４に示す通りであり、関連技術に比べて、本発明によるコンシクエントポール型モータは高調波の含有量がより低い。

当業者であれば、矛盾しない限り、上述した各技術的構成は自由に組み合わせたり、寄せ集めたりされることができることを理解できる。

以上は本発明の好適な実施例に過ぎず、本発明を限定するものではない。本発明の精神及び原則の内でなされる任意の変更、均等置換及び改良などは、いずれも本発明の保護範囲内に含まれるべきである。以上は本発明の好ましい実施形態に過ぎず、当業者は、本発明の技術的原理を逸脱しない前提で、さらにいくつかの改良及び変形を得ることができるが、これらの改良及び変形も本発明の保護範囲に属するべきである。

１ ロータ鉄心
２ 取付溝
３ 永久磁石
４ 第１の空気溝
５ 第２の空気溝
６ 第１の延在部
７ 第２の延在部
８ ステータコンポーネント

Claims (11)

1. ロータコンポーネントであって、
   ロータ鉄心（１）を含み、
   前記ロータ鉄心（１）は、周方向に沿って交互に配置された磁石極と疑似極とを含み、
   前記磁石極は取付溝（２）を含み、前記取付溝（２）内には永久磁石（３）が取り付けられており、
   前記永久磁石（３）の、前記ロータ鉄心（１）の外周縁に向かう極性は同一の極性であり、
   前記取付溝（２）の両端にはそれぞれ第２の空気溝（５）が設けられ、前記第２の空気溝（５）は、溝本体と、前記溝本体から磁極中心線に向かって延在する第１の延在部（６）及び第２の延在部（７）とを含み、
   前記第１の延在部（６）及び前記第２の延在部（７）は、径方向の厚さが漸減する階段溝を形成するように順次に設けられ、
   同一の磁石極に位置する２つの前記第１の延在部（６）の、磁極中心線に近接する側壁で挟まれる角はａ２１であり、同一の磁石極に位置する２つの前記第２の延在部（７）の、磁極中心線に近接する側壁の間で挟まれる角はａ２２であり、ａ２２／ａ２１＝０．７～０．９である
   ことを特徴とするロータコンポーネント。
2. 前記第１の延在部（６）及び前記第２の延在部（７）は、前記溝本体の、前記ロータ鉄心（１）の外周に近接する側に設けられる
   ことを特徴とする請求項１に記載のロータコンポーネント。
3. 前記磁極中心線には第１の空気溝（４）が設けられ、
   前記第２の空気溝（５）と前記ロータ鉄心（１）の外周縁との間の距離は、前記第１の空気溝（４）と前記ロータ鉄心（１）の外周縁との間の距離より小さい
   ことを特徴とする請求項１に記載のロータコンポーネント。
4. 疑似極の両側に位置する２つの前記第２の空気溝（５）の、疑似極の中心線に近接する側壁の間で挟まれる角はａ２であり、ａ２２／ａ２＝０．７～１である
   ことを特徴とする請求項１に記載のロータコンポーネント。
5. 前記ロータ鉄心（１）の中心軸線に垂直な平面内において、前記永久磁石（３）の径方向外縁における２つの端点と前記ロータ鉄心（１）の中心との接続線で挟まれる角はａｍであり、ａ２２／ａｍ＝０．６５～０．７５である
   ことを特徴とする請求項１に記載のロータコンポーネント。
6. 前記第１の延在部（６）の径方向の厚さはｔ２１であり、前記第２の延在部（７）の径方向の厚さはｔ２２であり、ｔ２１／ｔ２２＝０．４～０．６である
   ことを特徴とする請求項１に記載のロータコンポーネント。
7. 前記ロータ鉄心（１）の中心軸線に垂直な平面内において、前記第１の空気溝（４）の径方向外縁における２つの端点と前記ロータ鉄心（１）の中心との接続線で挟まれる角はａ１であり、ａ１／ａ２２＝０．１～０．１５である
   ことを特徴とする請求項３に記載のロータコンポーネント。
8. 前記第１の空気溝（４）の径方向の厚さはｔ１であり、磁極中心線におけるポールシューの厚さはｔｓ１であり、ｔ１／ｔｓ１＝０．４～０．６である
   ことを特徴とする請求項３に記載のロータコンポーネント。
9. 前記第２の空気溝（５）の径方向の厚さはｔ２であり、前記第１の延在部（６）の径方向の厚さはｔ２１であり、ｔ２１／ｔ２＝０．２～０．４である
   ことを特徴とする請求項１に記載のロータコンポーネント。
10. 前記第１の空気溝（４）は、磁極中心線に関して対称である
    ことを特徴とする請求項３に記載のロータコンポーネント。
11. コンシクエントポール型モータであって、
    ステータコンポーネント（８）とロータコンポーネントとを含み、
    前記ロータコンポーネントは、請求項１乃至１０のいずれか一項に記載のロータコンポーネントである
    ことを特徴とするコンシクエントポール型モータ。

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