WO2011089797A1 - ロータ、これを用いた回転電機および発電機 - Google Patents

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明彦 前村
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Definitions

  • the present invention relates to a rotor, a rotating electric machine and a generator using the same.
  • the present invention has been made in view of such problems, and a rotor that realizes an efficient rotating electrical machine and generator with relatively small use of magnets, and a rotating electrical machine and power generation using the same.
  • the purpose is to provide a machine.
  • the rotor of the present invention is a rotor comprising a cylindrical laminated core formed by laminating electromagnetic steel sheets, and a magnet provided inside the laminated core, wherein the laminated On the laminated surface of the core, the V-shaped hole is provided with a long first hole and a second hole that constitute a V-shaped hole arranged in a V shape with the apex portion facing the rotation axis.
  • the V-shaped hole is provided with a long first hole and a second hole that constitute a V-shaped hole arranged in a V shape with the apex portion facing the rotation axis.
  • the length of the first hole in the longitudinal direction is larger than the length of the second hole in the longitudinal direction.
  • the rotor since the rotor includes the magnet and the nonmagnetic conductor, a small and high output motor can be realized.
  • a rotating electrical machine 10 includes a cylindrical rotor 20 and a cylindrical stator 30 that is provided outside the rotor and generates a rotating magnetic field.
  • the rotor 20 includes a cylindrical laminated core 22 formed by laminating electromagnetic steel plates 21; It consists of a magnet 26 provided inside.
  • the long first holes 20 a and the second holes 20 b constituting the V-shaped holes 23 arranged in a V shape with the apex portion 23 a facing the rotation center 20 e side. Is formed.
  • a plurality of V-shaped holes 23 are arranged at a predetermined pitch in the circumferential direction. In the present embodiment, six V-shaped holes 23 are arranged at equal intervals at a pitch of 60 degrees.
  • a dimension La in the longitudinal direction of the first hole 20a is formed larger than a dimension Lb in the longitudinal direction of the second hole 20b. Therefore, the V-shaped hole 23 can be rephrased as the L-shaped hole 23.
  • a magnet 26 that is a permanent magnet is inserted into the first hole 20a, and a nonmagnetic conductor 27 made of aluminum is inserted into the second hole 20b.
  • the dimension in the longitudinal direction of the magnet 26 is larger than the dimension in the longitudinal direction of the nonmagnetic conductor 27 in accordance with the dimension of the hole.
  • End rings 29 as end members covering the laminated core 22 are attached to both ends of the laminated core 22 in the lamination direction.
  • a third hole 20c and a fourth hole 20d are formed between the adjacent L-shaped holes 23.
  • the third hole 20c and the fourth hole 20d are nonmagnetic and formed of aluminum.
  • the second conductor 28 is inserted.
  • Both the conductor 27 and the end rings 29 at both ends are made of aluminum, and these are integrally formed by aluminum die casting.
  • the second conductor 28 and the end rings 29 at both ends are also formed of aluminum, and these are also integrally formed by aluminum die casting.
  • An insertion hole 29a for inserting the magnet 26 is formed in at least one end ring 29 at both ends of the laminated core 22, and even after heat treatment (for example, after die casting), lamination is performed via the insertion hole 29a.
  • a magnet 26 can be attached to the core 22.
  • the stator 30 is provided with a plurality (36 in this embodiment) of teeth 31 that surround the rotor 20 at a predetermined pitch. On the stator 30 side between the adjacent L-shaped holes 23, there are a plurality of teeth 31 (two in this embodiment) between the end of the first hole 20a and the end of the second hole 20b adjacent thereto. ) It is supposed to exist. A winding 32 is wound around the stator 30.
  • an eddy current is generated on the surfaces (aluminum surfaces) of the nonmagnetic conductor 27 and the conductor 28 of the rotor 20 by passing an alternating current through the winding 32 so as to rotate in the direction of arrow B. Since the eddy current has a function of preventing the winding magnetic flux from passing through, it is possible to prevent the winding magnetic flux from leaking to the adjacent pole. On the other hand, the magnetic flux can be prevented from leaking to the adjacent poles depending on the width and thickness of the conductors 27 and 28, so that the "L" -shaped portion sequentially forms independent S and N poles. be able to.
  • the alternating magnetic flux of the winding 32 flows separately to the inside and outside of each “L” shape, and coil torque is obtained.
  • an attractive force (gap magnetic flux +) is generated between the magnetic flux of the winding 32 and the magnetic flux of the magnet 26 in the direction where the aluminum 27 is inserted in the “L” shape.
  • a repulsive force zero air gap magnetic flux
  • a reluctance torque is obtained by the pulling force in the direction of arrow B.
  • the magnet 26 is inserted into one hole and the nonmagnetic conductor 27 is inserted into the other hole, and the longitudinal dimension of the magnet 26 is nonmagnetic. Since it is larger than the dimension of the conductor 27 in the longitudinal direction, a certain amount of magnetic force can be secured in a limited area, and an effect of preventing magnetic flux leakage due to eddy current can be efficiently obtained. Accordingly, it is possible to provide a rotor that realizes an efficient rotating electrical machine that uses a relatively small amount of magnets, and a rotating electrical machine using the rotor.
  • the non-magnetic second conductor 28 is provided between the adjacent L-shaped holes 23, the flow of the q-axis magnetic flux of the permanent magnet type rotating electric machine is directed, so that the q-axis convex pole is clearly defined. Thus, the pole can be reliably detected in the sensorless control.
  • both ends of the laminated core 22 in the lamination direction are sandwiched between end rings 29 and are integrally formed by die-casting via the conductor 27 or the second conductor 28, the rotor 20 becomes very strong. ing. Furthermore, it is possible to balance the rotor with an end ring.
  • An eddy current is generated on the aluminum surface by passing an alternating current through the winding, but it prevents the magnetic flux from leaking to the adjacent pole because the current acts to prevent the magnetic flux from passing. be able to.
  • the d-axis and the q-axis of the permanent magnet type synchronous electric machine are separated, and the q-axis magnetic path between the rotor poles is directed to the teeth side of the two stators. Is obtained.
  • the sensorless control is performed by capturing the convex pole of the rotating electric machine, but it is advantageous in terms of control if the convex pole is clear.
  • the inserted non-magnetic aluminum as a non-magnetic conductor has the effect that a secondary current flows and generates rotational torque, and forms a magnetic path of a permanent magnet type synchronous electric machine and an induction electric machine at the same time, so that the magnetic flux can be rotated neatly. Therefore, a small and high output motor can be realized. Further, since the rotor is solidified by die casting and at the same time the rotor is balanced by the end ring as the end member, it is not necessary to provide a separate balance seat as in a normal permanent magnet type synchronous electric machine.
  • the permanent magnet type synchronous electric machine is established. Only the third hole 20c may be provided. Moreover, it is not necessary to integrally mold the end ring 29 by die casting, and each end ring 29 may be attached to the laminated core 22 by fastening with a fastening means such as a bolt or by welding.
  • a fastening means such as a bolt or by welding.
  • the conductor 27, the second conductor 28, and the end ring 29 are all formed of aluminum is shown, it is not limited thereto, and any one or all of them are formed of copper, silver, or the like. May be.
  • the example which applied the rotor of this invention to the rotary electric machine was shown, you may apply to a generator.

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Abstract

磁石の使用量が比較的少なく、かつ効率の良い回転電機を実現するロータおよびこれを用いた回転電機を提供する。 電磁鋼板を積層して形成された円筒状の積層コアと積層コアの内部に設けられた磁石２６とからなるロータであって、積層コアの積層面において、頂点部２３ａを回転中心２０ｅ側に向けてＬ字状に配置されたＬ字状穴２３を構成する長尺状の第１の穴２０ａおよび第２の穴２０ｂを備え、Ｌ字状穴２３は、周方向に所定のピッチで複数配列されており、第１の穴２０ａの長手方向の寸法Ｌａは、第２の穴２０ｂの長手方向の寸法Ｌｂよりも大きく形成されており、第１の穴２０ａには磁石２６が挿入され、かつ、第２の穴２０ｂには非磁性の導電体２７が挿入され、第３の穴２０ｃにも非磁性の導電体２８が挿入されており、かつ、積層コアの積層方向両端には、積層コアを覆うエンドリング２９が装着されている。

Description

ロータ、これを用いた回転電機および発電機
　本発明は、ロータ、これを用いた回転電機および発電機に関する。
　近年、省エネルギーは全世界的な課題である。一説によると、全世界の電力の大部分が、モータによって消費されているとも言われている。したがって、高効率のモータを開発すれば、エネルギーの節約に貢献できる。ここで、効率の良いモータとしては、永久磁石型同期回転電機が知られており、その一例として、磁石をＶ字型に配置したモータが知られている（特許文献１参照）。
特開２００５－３９９６３号公報
　しかしながら、磁石をＶ字型に配置したモータは、効率は良いものの、小型モータの場合、モータ原価に対する磁石の割合が大きくなり、他方、磁石量を減らすと効率が低下してしまう。
　そこで、本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、磁石の使用量が比較的少なく、かつ効率の良い回転電機および発電機を実現するロータ、これを用いた回転電機および発電機を提供することを目的とする。
　上記課題を解決するため、本発明のロータは、電磁鋼板を積層して形成された円筒状の積層コアと、前記積層コアの内部に設けられた磁石と、からなるロータであって、前記積層コアの積層面において、頂点部を回転軸側に向けてＶ字状に配置されたＶ字状穴を構成する長尺状の第１の穴および第２の穴を備え、前記Ｖ字状穴は、周方向に所定のピッチで複数配列されており、前記第１の穴の長手方向の寸法は、前記第２の穴の長手方向の寸法よりも大きく形成されており、前記第１の穴には前記磁石が挿入され、かつ、前記第２の穴には非磁性の導電体が挿入されているものである。
本発明によれば、ロータに磁石と非磁性の導電体とを備えたので、小型で高出力のモータを実現できる。
回転電機の正断面図 回転電機の側断面図 エンドリングの正面図 回転電機の磁路の説明図
　以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。なお、同一の構成については同一の符号を付することにより、重複説明を適宜省略する。
　＜第１実施形態＞
　まず、図１から図３を参照しつつ、本発明の第１実施形態に係るロータおよびこれを用いた回転電機の構成について説明する。
　図１に示すように、本実施形態に係る回転電機１０は、円筒状のロータ２０とこの外側に設けられ、回転磁界を発生させる円筒状のステータ３０とからなっている。
　ロータ２０は、電磁鋼板２１を積層して形成された円筒状の積層コア２２と、
この内部に設けられた磁石２６とからなっている。積層コア２２の積層面には、頂点部２３ａを回転中心２０ｅ側に向けてＶ字状に配置されたＶ字状穴２３を構成する長尺状の第１の穴２０ａおよび第２の穴２０ｂが形成されている。Ｖ字状穴２３は、周方向に所定のピッチで複数配列されており、本実施形態においては、６個のＶ字状穴２３が６０度ピッチで等間隔に配列されている。
第１の穴２０ａの長手方向の寸法Ｌａは、前記第２の穴２０ｂの長手方向の寸法Ｌｂよりも大きく形成されている。したがって、Ｖ字状穴２３は、Ｌ字状穴２３と言い換えることもできる。
第１の穴２０ａには永久磁石である磁石２６が挿入され、かつ、第２の穴２０ｂには、アルミニウムで形成された非磁性の導電体２７が挿入されている。積層コア２２の積層面において、穴の寸法に対応して、磁石２６の長手方向の寸法は、非磁性の導電体２７の長手方向の寸法よりも大きくなっている。
積層コア２２の積層方向両端には、積層コア２２を覆う端部部材としてのエンドリング２９が装着されている。
隣接するＬ字状穴２３の間には、第３の穴２０ｃおよび第４の穴２０ｄが形成されており、第３の穴２０ｃおよび第４の穴２０ｄには、アルミニウムで形成された非磁性の第２の導電体２８が挿入されている。
導電体２７および両端のエンドリング２９はともにアルミニウムで形成されており、これらはアルミニウムのダイキャストで一体成型されている。
第２の導電体２８および両端のエンドリング２９も、ともにアルミニウムで形成されており、これらもアルミニウムのダイキャストで一体成型されている。
積層コア２２の両端の少なくとも一方のエンドリング２９には、磁石２６を挿入する挿入穴２９ａが形成されており、熱処理後（例えば、ダイキャスト後）であっても、挿入穴２９ａを介して積層コア２２に磁石２６を装着できるようになっている。
ステータ３０には、ロータ２０を所定のピッチで取り囲む複数（本実施形態では３６個）のティース３１が設けられている。隣接するＬ字状穴２３間のステータ３０側において、第１の穴２０ａの端部とこれと隣接する第２の穴２０ｂの端部との間にティース３１が複数（本実施形態では２個）存在するようになっている。ステータ３０には、巻線３２が巻回されている。
　次に、図４を参照しつつ、本実施形態に係る回転電機１０の動作について説明する。
図４において、矢印Ｂ方向に回転するように巻線３２に交流電流を流すことにより、ロータ２０の非磁性の導電体２７および導電体２８の表面（アルミ表面）に渦電流が発生するが、その渦電流には巻線磁束が通るのを妨げようとする働きがあるので、巻線磁束が隣の極に漏れるのを防止することができる。一方、磁石磁束は導電体２７と導電体２８の巾と厚みにより隣の極に漏れるのを防止することができるので、「Ｌ」字形状内はそれぞれ独立したＳ極、Ｎ極を順次構成することができる。これにより、巻線３２の交流磁束はそれぞれの「Ｌ」字形状の内側と外側に分離して流れ、コイルトルクが得られる。図４に示すステータ３０とロータ２０の位置関係では、「Ｌ」字形状内でアルミ２７が挿入されている方に、巻線３２の磁束と磁石２６の磁束間に吸引力（空隙磁束＋）を生じ、磁石２６が挿入されている方に、巻線３２の磁束と磁石２６の磁束間に反発力（空隙磁束零）を生じるので、吸引側は反発側の磁束を埋めようとして、ロータを矢印Ｂ方向に引っ張る力が働いてリラクタンストルクが得られる。
Ｖ字状穴２３の２つの穴のうち、一方の穴に磁石２６を挿入するとともに他方の穴に非磁性の導電体２７を挿入し、かつ、磁石２６の長手方向の寸法が、非磁性の導電体２７の長手方向の寸法よりも大きくなっているので、限られたエリアの中で、ある程度の磁力を確保できるとともに、渦電流による磁束漏れ防止効果も効率的に得ることができる。これにより、磁石の使用量が比較的少なく、かつ効率の良い回転電機を実現するロータおよびこれを用いた回転電機を提供することができる。
隣接するＬ字状穴２３間に、非磁性の第２の導電体２８を備えているため、永久磁石型回転電機のｑ軸の磁束の流れが方向付けられるので、ｑ軸　凸極が明確になり、センサレス制御において、極を確実に検知することができるようになる。
隣接するＬ字状穴２３間のステータ３０側において、第１の穴２０ａの端部とこれと隣接する第２の穴２０ｂの端部との間にティース３１が複数（本実施形態では２個）存在するようになっているので、隣接するＬ字状穴２３のそれぞれにおいて、巻線３２により発生した磁束が干渉せずに分かれて流れるようになっている。
また、積層コア２２の積層方向両端をエンドリング２９で挟み、導電体２７または第２の導電体２８を介して、ダイキャストにより一体成型しているので、ロータ２０は非常に強固なものとなっている。さらに、エンドリングでロータバランスを取ることもできる。
以上説明したように、本実施形態によれば、下記の効果が得られる。
巻線に交流電流を流すことによりアルミ表面に渦電流が発生するが、その電流には磁束が通るのを妨げようとする働きがあるので、巻線磁束が隣の極に漏れるのを防止することができる。これにより、永久磁石型同期電機のｄ軸とｑ軸は分離され、ロータの極と極の間のｑ軸磁路を２つのステータのティース側に指向することになり、明確な磁気的凸極が得られる。ここで、センサレス制御は、回転電機の凸極を捕まえて制御するが、凸極が明確であると制御上好都合である。
また挿入された非磁性の導電体としてのアルミニウムには２次電流が流れ、回転トルクを発生するという効果があり、永久磁石型同期電機と誘導電機の磁路を同時に形成し、磁束がきれいに廻るので、小型で高出力のモータを実現できる。
また、ダイキャストによりロータが強固なものになると同時に端部部材としてのエンドリングでロータバランスを取れるので、通常の永久磁石型同期電機のように、別途バランス座を設ける必要はない。
　以上、本発明の実施形態について説明した。ただし、いわゆる当業者であればこの実施形態から適宜変更が可能であることは言うまでも無く、このような変更が施された場合でも、本発明の技術的範囲に含まれることも付言しておく。
　例えば、第３の穴２０ｃ、第４の穴２０ｄおよび第２の導電体２８を設けなくても永久磁石型同期電機として成立する。第３の穴２０ｃだけを備えていても構わない。また、エンドリング２９をダイキャストで一体成型する必要は無く、それぞれのエンドリング２９をボルトなどの締結手段で締結すること、あるいは溶接することによって積層コア２２に装着しても構わない。
　また、導電体２７、第２の導電体２８およびエンドリング２９をともにアルミニウムで形成した例を示したが、これに限られるものではなく、いずれか一つまたは全てを銅、銀などで形成してもよい。
　さらに、本発明のロータを回転電機に適用した例を示したが、発電機に適用してもよい。
　１０　回転電機
　２０　ロータ
　２２　積層コア
　２３　Ｖ字状穴（Ｌ字状穴）
　２６　磁石
　２７　導電体
　３０　ステータ

Claims (8)

  1. 電磁鋼板を積層して形成された円筒状の積層コアと、
    前記積層コアの内部に設けられた磁石と、
    からなるロータであって、
    前記積層コアの積層面において、
    頂点部を回転軸側に向けてＶ字状に配置されたＶ字状穴を構成する長尺状の第１の穴および第２の穴を備え、
    前記Ｖ字状穴は、周方向に所定のピッチで複数配列されており、
    前記第１の穴の長手方向の寸法は、前記第２の穴の長手方向の寸法よりも大きく形成されており、
    前記第１の穴には前記磁石が挿入され、かつ、前記第２の穴には非磁性の導電体が挿入されている
    ことを特徴とするロータ。
  2. 前記積層コアの積層方向両端には、当該積層コアを覆う端部部材が装着されており、
    前記導電体と前記端部部材とが同一材料からなることを特徴とする請求項１記載のロータ。
  3. 前記端部部材に前記磁石が挿入される挿入穴を備えたことを特徴とする請求項２記載のロータ。
  4. 隣接する前記Ｖ字状穴間に、非磁性の第２の導電体を備えたことを特徴とする請求項２記載のロータ。
  5. 前記導電体および前記端部部材が、アルミニウムのダイキャストで一体成型されていることを特徴とする請求項２記載のロータ。
  6. 前記第２の導電体および前記端部部材が、アルミニウムのダイキャストで一体成型されていることを特徴とする請求項４記載のロータ。
  7. 請求項１記載のロータと、前記ロータを所定のピッチで取り囲むティースを有するステータとからなる回転電機であって、
    隣接する前記Ｖ字状穴間の前記ステータ側において、前記第１の穴の端部とこれと隣接する前記第２の穴の端部との間に前記ティースが複数存在することを特徴とする回転電機。
  8. 請求項１記載のロータと、前記ロータを所定のピッチで取り囲むティースを有するステータとからなる発電機であって、
    隣接する前記Ｖ字状穴間の前記ステータ側において、前記第１の穴の端部とこれと隣接する前記第２の穴の端部との間に前記ティースが複数存在することを特徴とする発電機。
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