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JP4214998B2 - 永久磁石式電動機 - Google Patents

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JP4214998B2 JP2004570854A JP2004570854A JP4214998B2 JP 4214998 B2 JP4214998 B2 JP 4214998B2 JP 2004570854 A JP2004570854 A JP 2004570854A JP 2004570854 A JP2004570854 A JP 2004570854A JP 4214998 B2 JP4214998 B2 JP 4214998B2
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Description

本発明は、コギングトルクの低減を図る永久磁石式電動機の改良に関するものである。
永久磁石式電動機には、コギングトルクと称される回転変動が発生する。コギングトルクは、振動や騒音を発生し、電動機の制御性能を低下させる要因となる。このため、コギングトルクを減少させるために特開平４−２１３３０号公報が開示されている。かかる公報によれば、コギングトルクの二つの周波数成分を除去するために、永久磁石を回転子鉄心の軸方向に４段配列して、回転鉄心の円周方向にずらすことによって、スキューの効果をもたらす工夫がされており、複数の永久磁石が回転子の軸方向の位置によって周方向の位置がずれるように、すなわち、スキュー角の角度(以下、段スキュー角という)で回転子鉄心の表面にならぶようにしている。
段スキュー角の理論的に求められる角度(以下、理論角θtという)を用いており、コギングトルクの基本波成分に対する理論角θt1は、下式となる。
θt1=(360°/固定子磁極数と回転子磁極数の最小公倍数)/２・・・(3)
さらに、コギングトルクの第２次高調波成分に対する理論角θt2は、θt1の半分となるのである。
しかしながら、段スキュー角に理論角を実際の永久磁石式電動機に適用すると、コギングトルクの低減はまだ不充分であると考えられる。その理由は、段スキューを採用したことによって軸方向漏洩磁束が発生するが、該漏洩磁束による磁気飽和の影響が考慮されないからである。コギングトルクの原因となる漏洩磁束は、永久磁石の段部、回転子鉄心内部での漏洩磁束等もあるが、固定子鉄心内部における漏洩磁束がコギングトルクの主たる原因となっている。このため、回転子のスキュー角度に理論角を採用しているために、コギングトルクを十分に低減できてないという問題点があった。
また、コギングトルクの二つの周波数成分を除去するために回転子の構成が複雑であった。
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、コギングトルクの二つの周波数成分を除去すると共に、回転子の構成が簡易な永久磁石式電動機を提供することを目的とする。
また、段スキュー角度に理論角を採用するよりもコギングトルクを低減できる永久磁石式電動を提供することを目的とする。
本発明に係る永久磁石式電動機は、回転子鉄心の外周面に、軸方向に２段の永久磁石を設け、前記永久磁石を２段間で前記回転子鉄心の周方向にコギングトルクの第１の周波数成分を減少させるために電気角で第１の段スキュー角θｒ(°)ずらして配置した軸を有する回転子と、該回転子を回転させる回転磁界を発生する固定子巻線を設けた円筒形状の固定子鉄心を軸方向に複数に分割すると共に、前記固定子鉄心の周方向に前記コギングトルクの第２の周波数成分を減少するために電気角で第２の段スキュー角θsずらして配置した固定子と、を備え、前記固定子鉄心の軸方向の長さをＬc(ｍ)とし、前記第１の段スキュー角θr(°)の理論角度を電気角度θt(°)とすると、下式の関係を満たす、
θt=(360°/固定子磁極数と回転子磁極数の最小公倍数)/２・・・(1)
θt＜θr＜(700×10 −３ /Ｌc+θt)・・・(2)
ことを特徴とするものである。
かかる永久磁石式電動機によれば、回転子、固定子にそれぞれ第１、第２の段スキュー設けたので、コギングトルクの二つの周波数成分を減少させると共に、回転子の構造が簡易であるという効果がある。さらに、コギングトルクの二つの周波数成分を、段スキュー角度に理論角を採用するよりも低減できる。
実施例１．
本発明の一実施例を第１図乃至第５図によって説明する。第１図は本発明の一実施例による永久磁石式電動機の横断面図、第２図は第１図による永久磁石式電動機の回転子の斜視図、第３図は第１図による永久磁石式電動機の回転子の平面図、第４図は第１図による永久磁石式電動機の固定子の斜視図、第５図は第４図に示す上段固定子ブロック、中段固定子ブロック、下段固定子ブロックの平面図である。
第１図乃至第５図において、永久磁石型電動機１０は、固定子磁極ティース２２ｔを薄肉連結部に連結して打ち抜かれた電磁鋼板から成ると共に、円筒形状をなす固定子鉄心２１と、固定子鉄心２１の内周に複数の固定子巻線２４が巻回されて１２個の磁極が形成された固定子２０と、固定子２０と空隙ｇｍ(ｍ)を形成すると共に、固定子２０の中心を回転軸心として回転できるように回転子鉄心３２を有する磁極数８の回転子３０とから成り、固定子巻線２４を通電して回転磁界により回転子３０が回転軸心回りに回転するように形成されている。
第２図及び第３図において、回転子３０は磁極数が８、電磁鋼板から成る二段に形成されると共に、円柱状の二つの回転子鉄心３２，３４と、回転子鉄心３２，３４の外周面にＮ極とＳ極が交互に並ぶように配置されて貼り付けられた円弧状の上段永久磁石３２ｍ、下段永久磁石３４ｍとを備え、コギングトルクの基本波成分を除去するために、上段永久磁石３２ｍの中心を通過する線ｍと回転鉄心の中心Ｏとを結ぶ線Ｏ−ｍに対して下段永久磁石３４ｍが電気角で角度θrだけ円周方向にずらすことにより第１の段スキュー角として回転子スキュー角θr(電気角)を形成している。
第４図において、固定子２１は、軸方向に第１の固定子ブロックとしての上段固定子ブロック２２、第２の固定子ブロックとしての中段固定子ブロック２４、第３の固定子ブロックとしての下段固定子ブロック２６の三つから成ると共に、軸方向の長さがＬcに形成されており、上段固定子ブロック２２と中段固定子ブロック２４との間、中段固定子ブロック２４と下段固定子ブロック２６との間にそれぞれ挿入された軸方向に長さＬcgの二つの充填固定子ブロック２２ｉとを備え、中段固定子ブロック２４と下段固定子ブロック２６とがコギングトルクの第２次高調波分を除去する理論角に相当する第２の段スキュー角としての固定子スキュー角θs(電気角)として１５°だけ円周方向にずれるように配置されている。
そして、上段固定子ブロック２２、中段固定子ブロック２４、下段固定子ブロック２６は、軸方向にそれぞれ長さ(Ｌc／４−Ｌcg／２)、(Ｌc／２−Ｌcg)、(Ｌc／４−Ｌcg／２)に形成されている。
第５図において、固定子スキュー角θsずらすには、上段固定子ブロック２２、下段固定子ブロック２６をスロット中心線Ｓoから反時計方向に角度θs／２だけずらし、充填固定子ブロック２２ｉをスロット中心線Ｓoと一致させ、中段固定子ブロック２４をスロット中心線Ｓoから時計方向に角度θs／２だけずらすことにより形成されている。
固定子２０は、充填固定子ブロック２２ｉを挿入することにより上段固定子ブロック２２と中段固定子ブロック２４との端部において固定子の軸方向に隙間Ｌcg(ｍ)を設けている。同様に、中段固定子ブロック２４と下段固定子ブロック２６との端部において固定子２０の軸方向に隙間Ｌcg(ｍ)を設けており、空隙ｇmと隙間Ｌcgとが0＜Ｌcg＜２．２ｇmの関係を有している。
次に、スキュー角度が理論値よりもずれる理由を第６図から第９図によって説明する。第６図は、解析に使用した固定子鉄心２０、回転子鉄心のＢＨ特性曲線図である。第６図において、縦軸の磁束密度比は、磁気特性Ａの材料の飽和磁束密度を基準値として、該基準値との比を示し、横軸に磁化力を示している。磁気特性Ａは加工の影響がない場合を示しており、磁気特性Ｂは、磁化力Ｈ＝1000Ａ／ｍ近辺における磁束密度比が磁気特性Ａと比較して２０％程度低下した特性で、実際に使用される永久磁石電動機１０に相当している。これは、永久磁石式電動機１０の固定子２０、回転子３０を加工する過程で特性が劣化するからである。
磁気特性がＡ，Ｂの場合についてコギングトルクと回転子スキュー角θr、固定子スキュー角θsとの関係を第７図及び第８図によって説明する。第７図は、永久磁石式電動機１０についてコギングトルクの基本波成分の三次元磁界解析結果を示す特性曲線、第８図は同様にコギングトルクの第２次高調波成分の三次元磁界解析結果を示す特性曲線である。
第７図及び第８図において、固定子鉄心２０の磁気特性Ａ，Ｂについて縦軸は段スキューなしの場合のコギングトルクを１とした場合に段スキューを有する回転子３０又は固定子２０のコギングトルクがどの位低下したかを示し、横軸にスキュー角(電気角)θr，θsを示している。
第７図において、コギングトルク基本波成分については、固定子鉄心の磁気特性Ａから磁気特性Ｂに劣化するに伴い、コギングトルク比が最小となる回転子スキュー角θrが大きくなっている。これは、段スキューを採用したことにより固定子鉄心２１の内部に軸方向漏洩磁束が発生するためである。
回転子スキュー角θrは、固定子鉄心の磁気特性が劣化するに伴いコギングトルクが最小となる理論角３０゜よりも大きくなっている。磁気特性Ｂにおいては、回転子スキュー角θrを理論角３０゜とした場合、点ｆcにおけるコギングトルク比が約０．１８になるのに対して、理論角３０゜を越え、点ｆcにおけるコギングトルク比０．１８以下となる回転子スキュー角θrの最大値となる点ｆc'における段スキュー角θr（約３７゜）以下とすることによってコギングトルクの基本波成分を理論角３０゜とした場合よりも低くすることができる。
第８図において、コギングトルク第２次高調波成分に関しては、固定子スキュー角θsが理論角θtの場合、電気角１５゜、４５゜の時に、コギングトルク比が最小となる。これは、コギングトルクの第２次高調波成分は、軸方向漏洩磁束、すなわち、磁気飽和の影響を受けにくいからである。
第９図は、固定子鉄心の軸方向長さＬcを変化させた場合、コギングトルクの基本波成分の三次元解析結果を示すもので、回転子スキュー角度θr=0、すなわち、スキューを形成しない回転子３０におけるコギングトルクを基準としたものである。コギングトルクが極小となる回転子スキュー角度θrが理論角度と異なるのは、段スキューの部分で、固定子２０の加工劣化に伴い、固定子鉄心２１ｋ内部に軸方向漏洩磁束が発生するためである。軸方向漏洩磁束に基くコギングトルクは、軸方向漏洩磁束が段スキュー部分の近傍にて発生するので、固定子鉄心２１の軸方向長さＬcによらずほぼ一定となる。したがって、固定子鉄心２１の軸方向長さＬcが小さい場合、軸方向漏洩磁束の影響が相対的に大きくなるので、回転子スキュー角θrを理論角θtよりも大きくしなければならない。これに対して固定子鉄心２１の軸方向長さLcが大きい場合、軸方向漏洩磁束の影響が相対的に小さくなるので、回転子スキュー角θrは理論角度θsに近づくことになる。
第９図(a)において、固定子２０の軸方向長さＬc＝４０×１０−３(ｍ)の場合、回転子スキュー角θrは点ｆcの理論角θt＝30°よりも大きく、コギングトルクの極小値が４０．１°となり、コギングトルクが理論角θr＝30°と同等となる点ｆc'の回転子スキュー角θrが４７．５°となる。すなわち、回転子スキュー角θrは、理論角θtが３０°よりも大きく、４７．５°よりも小さくすることにより回転子スキューを理論角θtに設定した場合に比較してコギングトルクを小さくできる。
第９図(b)において、固定子２０の軸方向長さＬc＝８０×１０−３(ｍ)の場合、回転子スキュー角θrは点ｆcの理論角θt＝30°よりも大きく、コギングトルクの極小値が３３．８°となり、コギングトルクが理論角θr＝30°と同等となる点ｆc'の回転子スキュー角θrが３８．８°となる。すなわち、回転子スキュー角θrは、理論角θtが３０°よりも大きく、３８．８°よりも小さくすることにより回転子スキューを理論角θtに設定した場合に比較してコギングトルクを小さくできる。
第９図(c)において、固定子２０の軸方向長さＬc＝１００×１０−３(ｍ)の場合、回転子スキュー角θrは点ｆcの理論角θt＝30°よりも大きく、コギングトルクの極小値が３３°となり、コギングトルクが理論角θr＝30°と同等となる点ｆc'の回転子スキュー角θrが３７．０°となる。すなわち、回転子スキュー角θrは、理論角θtが３０°よりも大きく、３７．０°よりも小さくすることにより回転子スキューを理論角θtに設定した場合に比較してコギングトルクを小さくできる。
第９図(d)において、固定子２０の軸方向長さＬc＝１２０×１０−３(ｍ) の場合、回転子スキュー角θrは点ｆcの理論角θt＝30°よりも大きく、コギングトルクの極小値が３２°となり、コギングトルクが理論角θt＝30°と同等となる点ｆc'の回転子スキュー角θrが３５．８°となる。すなわち、回転子スキュー角θrは、理論角θtが３０°よりも大きく、３５．８°よりも小さくすることにより回転子スキューを理論角θtに設定した場合に比較してコギングトルクを小さくできる。
以上よりコギングトルクが理論角θt＝30°と同等となる回転子スキュー角の最大値θｒmaxは、上記の記載により解析結果に基く実験式より下式となる。
θｒmax＝700×10 −３/Ｌc+θt ・・・・(4)
したがって、回転子スキュー角θrの設定を理論角θt=30°と同等以下にコギングトルクを低減するには、θt＜θr＜(700×10 −３/Ｌc+θt)の範囲とすればよい。
永久磁石式回転電機１０において、固定子磁極ティース先端部分の隙間Ｌcgと回転子ギャップｇmとの比Ｌcg/ｇmがゼロの場合の誘起電圧定数比を基準として比Ｌcg/ｇmと誘起電圧定数比との関係を、三次元解析結果を示す特性曲線である。
第１０図において、誘起電圧定数比は、比Ｌcg/ｇm が大きくなるにつれ増大して極大値となった後、さらに比Ｌcg/ｇmが大きくなるに伴い減少する。これより、比Ｌcg/ｇmがゼロと同等な誘起電圧定数比を得るには、比Ｌcg/ｇm を２．２よりも小さくする必要がある。
これより、誘起電圧定数を向上させる固定子磁極ティース先端部分の隙間Ｌcgの範囲は、0＜Ｌcg＜2.2ｇmの範囲である。
実施例２．
本発明の他の実施例を第１１図によって説明する。第１１図は他の実施例による固定子の斜視図である。
上記実施例１では、ニ分割された回転子鉄心３２，３４に回転子スキュー角θrを設けてコギングトルクの基本波成分を低減し、三分割された固定子鉄心２２，２４，２６とによって固定子スキュー角θsを設けてコギングトルクの第２次高調波成分を低減するようにした。
本実施例では、回転子３０は実施例１のままで、固定子１２０を固定子鉄心１２２，１２４，１２６，１２８によって四分割して固定子キュー角θsを設けてコギングトルクの第２次高調波成分を低減するものである。
固定子鉄心１２２と固定子鉄心１２６の固定子磁極ティース先端部分、固定子鉄心１２４と固定子鉄心１２８との固定子磁極ティース先端部分の段スキュー角度はゼロで、固定子鉄心１２２と固定子鉄心１２４との間、固定子鉄心１２６と固定子鉄心１２８との間で固定子スキュー角度θsが形成されている。
実施例３．
本発明の他の実施例を第１２図によって説明する。第１２図は他の実施例による永久磁石式電動機の横断面図である。
上記実施例１，２では、永久磁石式電動機２００は、外側に固定子２０が配置され、固定子２０の内側に回転子３０が配置された。
本実施例による永久磁石式電動機２００は、外側に回転子２３０が配置され、回転子２３０の内側に固定子２２０を配置したものである。
なお、上記実施例１乃至３は、回転子３０，２３０にコギングトルクの基本波成分を除去するスキュー角度θrを形成し、固定子２０，２２０にコギングトルクの第２次周波成分を除去するスキュー角度θsを形成したが、この逆に、回転子３０，２３０にコギングトルクの第２次高調波分を除去するスキュー角度θsを形成し、固定子２０，２２０にコギングトルクの基本波成分を除去するスキュー角度θrを形成しても良い。
以上のように本発明は、永久磁石式電動機の用途に適するものである。
第１図は、本発明の一実施例による永久磁石式電動機の横断面図である。 第２図は、第１図による永久磁石式電動機の回転子の斜視図である。 第３図は、第１図による永久磁石式電動機の回転子の平面図である。 第４図は、第１図による永久磁石式電動機の固定子の斜視図である。 第５図は、第４図に示す上段固定子ブロック、中段固定子ブロック、下段固定子ブロックの一部平面図である。 第６図は、第１図に示す永久磁石式電動機の固定子鉄心、回転子鉄心の磁気特性を示す曲線図ある。 第７図は、第１図による永久磁石式電動機について三次元磁界解析を行なった結果得られたコギングトルクの基本波成分と回転子スキュー角との特性曲線図である。 第８図は、第１図による永久磁石式電動機について三次元磁界解析を行なった結果得られたコギングトルクの第２次高調波成分と回転子スキュー角との特性曲線図である。 第９図は、第１図による永久磁石式回転電機の固定子の軸方向長さを種々変えた場合の回転子スキュー角度とコギングトルク比との関係を示す特性曲線図である。 第１０図は、本発明の他の実施例による永久磁石式電動機のＬcg/ｇmと誘起電圧定数比との関係を示す特性曲線図である。 第１１図は、本発明の他の実施例による永久磁石式電動機の横断面図である。 第１２図は、本発明の他の実施例による永久磁石式電動機の横断面図である。

Claims (3)

  1. 回転子鉄心の外周面に、軸方向に２段の永久磁石を設け、前記永久磁石を２段間で前記回転子鉄心の周方向にコギングトルクの第１の周波数成分を減少させるために電気角で第１の段スキュー角θｒ(°)ずらして配置した軸を有する回転子と、
    該回転子を回転させる回転磁界を発生する固定子巻線を設けた円筒形状の固定子鉄心を軸方向に複数の固定子ブロックに分割すると共に、前記固定子鉄心の周方向に前記コギングトルクの第２の周波数成分を減少するために電気角で第２の段スキュー角θsずらすべく、軸方向に前後する前記固定子ブロックをスロット中心線Ｓ 0 から時計方向、反時計方向にそれぞれθｓ / ２だけずらして配置した固定子と、を備え、
    前記固定子鉄心の軸方向の長さをＬc(ｍ)とし、前記第１の段スキュー角θr(°)の理論角度を電気角度θt(°)とすると、下式の関係を満たす、
    θt＝(360°/固定子磁極数と回転子磁極数の最小公倍数)/２・・・(1)
    θt＜θr＜(700×10-3/Ｌc+θt)・・・(2)
    ことを特徴とする永久磁石式電動機。
  2. 前記固定子鉄心を軸方向に分割した各固定子ブロック間の隙間をＬcg、前記固定子と前記回転子との空隙をｇmとすると、
    0＜Ｌcg＜２．２ｇm
    を満たすことを特徴とする請求項１に記載の永久磁石式電動機。
  3. 前記固定子鉄心の軸方向の分割数が３以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載の永久磁石式電動機。
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