JP2005333785A

JP2005333785A - 回転機

Info

Publication number: JP2005333785A
Application number: JP2004152480A
Authority: JP
Inventors: Matahiro Komuro; 又洋小室; Haruo Oharagi; 春雄小原木; Makoto Ushijima; 誠牛嶋
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2004-05-21
Filing date: 2004-05-21
Publication date: 2005-12-02

Abstract

【課題】固定子にアモルファス金属を使用する回転機において、電圧波形歪を低減することを目的とする。
【解決手段】回転子と固定子を有する回転機において、固定子の鉄心はアモルファス金属によって形成され、回転子の表面磁束密度はアモルファスの飽和磁束密度以下にする。
【選択図】図１

Description

本発明は、ロータ（回転子）とステータ（固定子）を備えた回転機に関する。

Ｆｅ系アモルファス（非晶質）金属あるいはＣｏ系アモルファス金属は、鉄損が小さく、高透磁率、高抵抗などの特性を有する。従って、モータの鉄心として、珪素鋼板の代わりにアモルファス金属を使用することが検討されている。例えば、特開2004-48859号公報には、モータの鉄心（ステータコア）にアモルファス金属を使用することが記載されている。

アモルファス金属の飽和磁束密度は、珪素鋼板の値と比較して同等以下である。アモルファス金属の飽和磁束密度は、アモルファスを構成する材料系によって異なり、Fe-Si-Bで1.56T、 Fe-Co-Si-Bで1.6T、Fe-Ni-Mo-Bで0.88Tである。また、これらの磁気特性は熱処理により変化することが知られている。

アモルファス金属は、通常、薄板又は薄帯状に形成され、それを切断し、積層して使用される。アモルファス金属の積層体の占積率は珪素鋼板の占有率より小さい。従って、アモルファス金属積層体と珪素鋼板の飽和磁束密度差は、更に大きい。例えば、Fe-Si-Bアモルファス積層体の飽和磁束密度は、占積率８０％のとき、1.25Tに低下する。

特開2004-48859(P2004-48859A)公報

アモルファス金属積層体は、飽和磁束密度が低いから、それをモータの鉄心として使用すると、磁気飽和が起き、それにより、電圧波形の歪が生ずる。

本発明の目的は、モータの鉄心としてアモルファス金属積層体を使用する回転機において、磁気飽和を回避し、電圧波形歪を抑制することにある。

本発明によると、回転機は、永久磁石を有し中心軸線周りに回転可能な回転子と、該回転子を囲むように配置された固定子と、を有し、該固定子は、内周に沿って配置された複数のティースと該ティースの間に形成された複数のスロットとを有する鉄心と、上記スロットに配置された複数の電機子巻線と、を有し、上記固定子の鉄心はアモルファス金属によって形成され、上記回転子の表面磁束密度は上記アモルファスの飽和磁束密度以下であることを特徴とする。

こうして、回転子の表面磁束密度をアモルファスの飽和磁束密度以下とすることにより、磁気飽和を防止することができる。

回転子の表面磁束密度を小さくする方法を説明する。回転子には、永久磁石が回転子の表面に装着された表面磁石型と永久磁石が回転子の内部に埋め込まれた埋め込み磁石型がある。

回転子が表面磁石型回転子であり、且つ、固定子がアモルファス金属積層体の場合、電圧波形は磁石の残留磁束密度に依存する。磁石の残留磁束密度がアモルファス積層体の飽和磁束密度よりも高くなると線間電圧波形に高次の波が重なり、波形歪が大きくなる。例えば、表面磁石型の回転子のラジアルリング磁石の残留磁束密度が1.3Ｔであり、アモルファス積層体が、Fe-Si-Bからなり、占積率が８０％の場合、線間電圧波形の歪率は１０％を越える。従って、電圧波形歪を小さくするためには、回転子の磁石の残留磁束密度を固定子のアモルファス積層体の飽和磁束密度以下にする必要がある。

埋め込み磁石型の回転子の場合、磁石の残留磁束密度が高い場合でも、線間電圧波形の歪は、表面磁石型回転子の場合よりも小さくなる。これは、回転子に埋め込まれた磁石付近に磁路が生成され、その結果、回転子の最表面の磁束密度が小さくなるためである。従って、埋め込み磁石型の回転子を採用することにより、回転子の表面磁束密度をアモルファスの飽和磁束密度よりも小さくすることできる。

固定子の鉄心のティース先端部の形状により表面磁束密度を低減することが可能である。例えば、ティースの先端部（ティースのギャップ側の先端）における断面積をティースの付根（回転子側先端とコアバックの外端の中間）における断面積より大きくする。

更に、ティースをコアバックの材料とは異なる材料によって形成することにより磁気飽和を低減することが可能である。ティースとコアバックの両方ともアモルファス金属積層体によって形成することにより、損失が小さくなるが、磁気飽和がティースで生じる場合には、ティースのみ珪素鋼板によって形成し、コアバックをアモルファス金属によって形成してもよい。ティースの磁束密度が小さいモータでは、逆にティースのみをアモルファス金属積層体、コアバックを珪素鋼板によって形成してもよい。

本発明によると、磁気飽和を回避し、電圧波形歪を抑制することができる。

図１は本発明による回転機の第１の例を示す。回転機の固定子（ステータ）２は、ティース４とコアバック５からなる鉄心（ステータコア）６と、ティース４間のスロット７内にてティース４を取り囲むように巻装された集中巻の電機子巻線８と、を有する。電機子巻線８は、三相巻線のＵ相巻線８ａ、Ｖ相巻線８ｂ、Ｗ相巻線８ｃからなる。この回転機は４極６スロット構造であり、スロットのピッチは電気角で１２０度である。

回転子（ロータ）は、回転子シャフト３とその外周表面の永久磁石１を有し、固定子２のシャフト孔９あるいは回転子挿入孔10に挿入されている。ティース４の先端と回転子の間にはギャップが形成されている。本例では、回転子は、表面磁石型回転子であり、永久磁石１は回転子シャフト3の外周表面に設けられている。永久磁石１は、円周方向に沿って隙間なく配置されている。永久磁石１は磁粉を樹脂等によって固形化したボンド磁石であってよい。

固定子２の鉄心６はアモルファス金属によって構成されている。本例では、ハネウェル社製のMETGLAS2605TCA、即ち、厚さ約２５μｍのFeSiBのアモルファス金属の薄帯が使用されている。アモルファス金属の薄帯を打ち抜き、それを積層し、樹脂を塗布し、占積率を高めるためにプレス成形することにより、鉄心６が形成される。占積率が８０％のときアモルファス積層体の飽和磁束密度は、1.25Tであった。鉄心６にアモルファス金属積層体を使用することで、1000ｒｐｍ以上の高速回転時に、珪素鋼板（0.15ｍｍｔ）を用いた場合よりも効率が高くなることが確認されている。

これはアモルファスのヒステリシス損や渦電流損が珪素鋼板に比べて小さいからであり、高効率が要求されるエアコンなどの家電モータ、分散電源用発電機、HEV駆動モータなどに適している。アモルファスの飽和磁束密度は、珪素鋼板の値より小さいため、アモルファスを回転機に使用する場合、珪素鋼板よりも磁気飽和が起き易い。磁気飽和部分が多くなると、電圧波形に高調波成分あるいは高次数の成分が重畳し、電圧波形に歪が生じる。この電圧波形歪の割合（電圧波形歪率）が大きくなると、トルク脈動、振動などを助長するので、電圧波形歪率を10％以下に抑える必要がある。

従って、本例では、電圧波形歪率を10％以下に抑えるために、回転子の表面磁束密度はアモルファスの飽和磁束密度以下である。これについては後に図３を参照して詳細に説明する。

図２は本発明による回転機の第２の例を示す。図１の例と異なる点は、本例では、鉄心６のティース４の断面積がギャップ近傍で大きくなっている。即ち、鉄心６のティース４の断面積が先端の近傍にて大きくなっている。こうして、ティースの断面積を、ギャップ近傍で大きくすることにより、表面磁束密度が低減される。従って、磁気飽和が抑制され、電圧波形歪率が減少する。本例では、固定子外径が100ｍｍ、内径50ｍｍである。

図２の回転機の回転子の永久磁石１の材料として、Sm₂Co₁₇、Nd₂Fe₁₄B等の種々の希土類磁石を用いた場合の、モータ特性について評価した。

図３は、回転子の永久磁石１の表面磁束密度と電圧波形歪率との関係を示す。図示のように、電圧波形歪率は回転子の表面磁束密度が増加するほど高くなる。電圧波形歪率を10％以下に抑えるためには、回転子表面磁束密度を1.5T以下にすればよい。この値1.5Tは、厚さ約２５μｍのFeSiBのアモルファス金属薄帯の飽和磁束密度と略同一である。従って、回転子表面磁束密度をアモルファスの飽和磁束密度以下にすることにより、電圧波形歪率を10％以下にすることができる。

図４は、回転子の永久磁石１の残留磁束密度と電圧波形歪率との関係を示す。磁石の残留磁束密度が増加すると、電圧波形歪率が増加する。電圧波形歪率が10％以下となるのは、磁石残留磁束密度が1.2T以下の場合である。しかしながら、残留磁束密度が1.1Tまでは電圧波形歪率の傾斜は小さいが、残留磁束密度が1.1Tを超えると、電圧波形歪率の傾斜は大きくなる。

磁石残留磁束密度が小さくなると、回転機のトルクも小さくなる。従って、所定のトルクを確保するためには、電圧波形歪率の傾斜が変化する点、即ち、残留磁束密度が1.1Tの永久磁石を用いればよい。

図５は、固定子の鉄心６のティースのギャップ側の先端の表面磁束密度と電圧波形歪率との関係を示す。図示のように、電圧波形歪率はティースの先端の表面磁束密度が増加するほど高くなる。電圧波形歪率が10％以下となるのは、ティースの先端の表面磁束密度が1.5T以下の場合である。この値1.5Tは、厚さ約２５μｍのFeSiBのアモルファス金属薄帯の飽和磁束密度と略同一である。従って、ティースの先端の表面磁束密度がアモルファスの飽和磁束密度以下であれば、電圧波形歪率は10％以下となる。

図６は、固定子の鉄心６のティースの断面積比率と電圧波形歪率との関係を示す。ティースの断面積比率が１５％以上になると、電圧波形歪率が10％以下になる。従って、図２の例のように、ティースの先端部（ティースのギャップ側の先端）における断面積を十分大きくすることにより、電圧波形歪率は10％以下となる。

図７は本発明による回転機の第３の例を示す。図１の例と異なる点は、本例では、回転子は、埋め込み磁石型回転子であり、永久磁石１は回転子シャフト3の内部に埋め込まれている。４組の永久磁石１は円周方向に沿って等間隔に配置されている。各組の永久磁石１は、半径方向に沿って順に配置された複数の円弧状の永久磁石片を含む。図１の例では、４つの永久磁石は、円周方向に沿って隙間なく配置されているが、本例では、隣接する永久磁石の組との間に、円周方向の間隙が設けられている。こうして永久磁石に円周方向の間隔を設けることにより磁路が形成され、リラクタンストルクを利用することができる。

図８は本発明による回転機の第４の例を示す。本例では、図７の例と同様に、埋め込み磁石型回転子を使用する。図７の例と異なる点は、本例では、４個の円弧状の永久磁石が円周方向に沿って埋め込まれている。即ち、図７の例では、４組の永久磁石片が使用されているが、本例では４枚の永久磁石が使用されている。

更に、本例では、回転子３の最外周３ａはアモルファス金属の薄板を積層することにより形成されている。すなわち、永久磁石１は、アモルファス金属の薄板３ａによって支持されている。

図９は本発明による回転機の第５の例を示す。図２の例と異なる点は、本例では、回転子は、埋め込み磁石型回転子を使用する。本例では、４つの永久磁石１は平板状に形成され、円周方向に沿って等間隔に配置されている。図２の例では、４つの永久磁石は、円周方向に沿って隙間なく配置されているが、本例では、隣接する永久磁石の間に、円周方向の間隙が設けられている。こうして永久磁石に円周方向の間隔を設けることにより、リラクタンストルクを利用することができる。

図１０は本発明による回転機の第６の例を示す。本例は、図２の例の固定子と図７の例の回転子を組み合わせて構成される。従って、回転子は、埋め込み磁石型回転子を使用する。

図１１は本発明による回転機の第７の例を示す。本例では、図１の例と同様に、表面磁石型回転子を使用する。図１の例と異なる点は、本例では、固定子２のティース４に珪素鋼板１０１が設けられている。コアバック５はアモルファス金属積層体によって形成されている。

以上本発明の例を説明したが本発明は上述の例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲にて様々な変更が可能であることは当業者によって理解されよう。

図１は、本発明による回転機の第１の例を示す図である。図２は、本発明による回転機の第２の例を示す図である。図３は、本発明による回転機の表面磁束密度と電圧波形歪率の関係を示す図である。図４は、本発明による回転機の残留磁束密度と電圧波形歪率の関係を示す図である。図５は、本発明による回転機のティースのギャップ側表面磁束密度と電圧波形歪率の関係を示す図である。図６は、本発明による回転機のティースの断面積比率と電圧波形歪率の関係を示す図である。図７は、本発明による回転機の第３の例を示す図である。図８は、本発明による回転機の第４の例を示す図である。図９は、本発明による回転機の第５の例を示す図である。図１０は、本発明による回転機の第６の例を示す図である。図１１は、本発明による回転機の第７の例を示す図である。

符号の説明

１…永久磁石、２…固定子、３…回転子シャフト、４…ティース、５…コアバック、６…鉄心、７…スロット、８…電機子巻線、９…シャフト孔、１０…回転子挿入孔、101…珪素鋼板

Claims

永久磁石を有し中心軸線周りに回転可能な回転子と、該回転子を囲むように配置された固定子と、を有し、該固定子は、内周に沿って配置された複数のティースと該ティースの間に形成された複数のスロットとを有する鉄心と、上記スロットに配置された複数の電機子巻線と、を有し、上記固定子の鉄心はアモルファス金属によって形成され、上記回転子の表面磁束密度が上記アモルファス金属の飽和磁束密度以下であることを特徴とする回転機。
請求項１記載の回転機において、上記永久磁石の残留磁束密度が上記アモルファス金属の飽和磁束密度以下であることを特徴とする回転機。
請求項１記載の回転機において、上記ティースの各々のギャップ側表面の周方向中心位置において、表面磁束密度が上記アモルファス金属の飽和磁束密度以下であることを特徴とする回転機。
請求項１記載の回転機において、上記ティースの各々は、上記回転子の中心軸線の方向に向かって断面積が大きくなるように構成されていることを特徴とする回転機。
請求項１から４のいずれか１項に記載の回転機において、上記永久磁石は、上記回転子の外面に隙間なく配置されていることを特徴とする回転機。
請求項１から４のいずれか１項に記載の回転機において、上記永久磁石は、上記回転子の外面より内側に配置された複数の永久磁石からなり、該永久磁石は円周方向に沿って隣接する永久磁石との間に隙間が設けられるように配置されていることを特徴とする回転機。
請求項６記載の回転機において、上記永久磁石の外面にアモルファス金属を配置したことを特徴とする回転機。
請求項１から７のいずれか１項記載の回転機において、上記永久磁石にボンド磁石を用いていることを特徴とする回転機。
請求項１から７のいずれか１項記載の回転機において、電圧波形の波形歪が１０％以下であることを特徴とする回転機。