JP2021048685A - Rotor of rotary electric machine - Google Patents
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Abstract
Description
この発明の実施形態は、永久磁石型回転電機の回転子に関する。 An embodiment of the present invention relates to a rotor of a permanent magnet type rotary electric machine.
近年、永久磁石の目覚しい研究開発により、高磁気エネルギー積の永久磁石が開発され、このような永久磁石を用いた永久磁石型の回転電機が電車や自動車の電動機あるいは発電機として適用されつつある。通常、永久磁石型の回転電機は、円筒状の固定子と、この固定子の内側に回転自在に支持された円柱形状の回転子と、を備えている。回転子は、回転子鉄心と、この回転子鉄心内に埋め込まれた複数の永久磁石と、を備えている。 In recent years, due to remarkable research and development of permanent magnets, permanent magnets having a high magnetic energy product have been developed, and permanent magnet type rotary electric machines using such permanent magnets are being applied as electric motors or generators for trains and automobiles. Usually, a permanent magnet type rotary electric machine includes a cylindrical stator and a cylindrical rotor rotatably supported inside the stator. The rotor includes a rotor core and a plurality of permanent magnets embedded in the rotor core.
このような永久磁石型の回転電機では、各磁極において、空隙層(フラックスバリア)と永久磁石とから構成されるレイヤーを複数層設けることで、回転子鉄心の鉄損を低減する技術が提案されている。空隙層が一層で内部に永久磁石を有する場合、レイヤー形状を電機子反作用によるフラックスラインに沿った形状とすることで高いトルクを得る技術が知られている。また、空隙層が複数層で、内部に永久磁石を持たない空隙層を含んでいる場合も同様に、各レイヤーをフラックスラインに沿った形状とすることで高いトルクが得られる。 In such a permanent magnet type rotary electric machine, a technique for reducing iron loss in the rotor core has been proposed by providing a plurality of layers composed of a void layer (flux barrier) and a permanent magnet at each magnetic pole. ing. When the void layer is a single layer and has a permanent magnet inside, a technique is known in which a high torque is obtained by making the layer shape along the flux line due to the armature reaction. Further, when the void layer is a plurality of layers and includes a void layer having no permanent magnet inside, a high torque can be obtained by forming each layer along the flux line.
しかしながら、空隙層を有する回転子では、空隙層および回転子鉄心を適切な形状、及び配置としない場合、回転子の磁気突極性が低下し、リラクタンストルクが低下する。
この発明は以上の点に鑑みなされたもので、その課題は、磁石量を増やすことなく高いトルクを実現可能な回転電機の回転子を提供することにある。
However, in a rotor having a void layer, if the void layer and the rotor core are not properly shaped and arranged, the magnetic polarity of the rotor is lowered and the reluctance torque is lowered.
The present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to provide a rotor of a rotating electric machine capable of realizing a high torque without increasing the amount of magnets.
実施形態によれば、回転電機の回転子は、中心軸線の回りで円周方向に並んで設けられた複数の磁極と、前記磁極の円周方向の端および前記中心軸線を通って放射方向に延びる軸をq軸とし、前記q軸に対して前記円周方向に電気的に90度離間した軸をd軸としたとき、第1ブリッジ部を介して前記d軸に対向する内周側磁気空隙と第2ブリッジ部を介して外周面に対向する外周側磁気空隙と前記内周側磁気空隙と前記外周側磁気空隙との間に位置する磁石装填領域とを含む空隙層と、を具備する回転子鉄心と、前記d軸の側の内端m1および前記外周面の側の外端m2を有する第1長辺と前記d軸側の内端m4および前記外周面側の外端m3を有し前記第1長辺に対して前記q軸の側に位置し前記第1長辺と間隔を置いて対向する第2長辺とを有する矩形の断面形状に形成され、前記磁石装填領域に配置された永久磁石と、を備えている。前記中心軸線に直交する前記回転子鉄心の横断面において、R:回転子鉄心の外周に外接する前記中心軸線を中心とする外接円の半径、r:前記中心軸線を中心点とする前記d軸、前記q軸で挟まれた極座標系の半径座標、θ:前記中心軸線を中心点とする前記d軸、前記q軸で挟まれた極座標系の角度座標(前記q軸を基準に前記d軸に向かう方向を正とする)、p:極対数(磁極数/2)、θd:前記外接円上の任意の点の角度座標、θq:前記外接円上の任意の点の角度座標、として、座標(R、θd)を通るd軸フラックスラインを後述の式(1)で定義し、座標(R、θq)を通るq軸フラックスラインを後述の式(2)で定義し、d軸フラックスラインとq軸フラックスラインとの交点の座標(rdq、θdq)を後述の式(3)で定義し、前記外接円上に設定した任意の3点の角度座標をθq1、θq2、θq3(θq3>θq2>θq1)、および前記外接円上の設定した任意の2点の角度座標をθd1、θd2(θd2>θd1>θq3)とし、前記角度座標θq1、θq2、θq3のそれぞれの点を通るq軸フラックスラインをq軸フラックスラインfd(θq1)、q軸フラックスラインfd(θq2)、q軸フラックスラインfd(θq3)とし、前記角度座標θd1、θd2の点をそれぞれ通るd軸フラックスラインをd軸フラックスラインfd(θd1)、d軸フラックスラインfd(θd2)とすると、
前記磁石装填領域は、前記q軸フラックスラインfd(θq2)と前記q軸フラックスラインfd(θq3)とで囲まれる領域に設けられ、前記永久磁石は、前記第1長辺の内端m1および外端m2が前記q軸フラックスラインfd(θq3)上に位置し、前記内端m1が前記q軸フラックスラインfd(θq3)と前記d軸フラックスラインfd(θd1)との交点に位置するように配置され、前記内周側磁気空隙は、前記永久磁石の前記第2長辺の内端m4から前記q軸フラックスラインfd(θq1)と前記d軸フラックスラインfd(θd2)との交点m5まで延出し前記交点m5から前記d軸側に延出する側縁を有し、前記交点m5を定義する角度座標θd2は後述の条件式(4)を満たしている。
According to the embodiment, the rotor of the rotary electric machine is provided in a plurality of magnetic poles arranged in a circumferential direction around the central axis, and in the radial direction through the circumferential end of the magnetic pole and the central axis. When the extending axis is the q-axis and the axis electrically 90 degrees apart from the q-axis in the circumferential direction is the d-axis, the inner peripheral side magnetism facing the d-axis via the first bridge portion is used. A void layer including an outer peripheral side magnetic gap facing the outer peripheral surface via the gap and a second bridge portion, and a magnet loading region located between the inner peripheral side magnetic gap and the outer peripheral side magnetic gap is provided. It has a rotor core, a first long side having an inner end m1 on the d-axis side and an outer end m2 on the outer peripheral surface side, an inner end m4 on the d-axis side, and an outer end m3 on the outer peripheral surface side. It is formed in a rectangular cross-sectional shape located on the q-axis side with respect to the first long side and has a second long side facing the first long side at intervals, and is arranged in the magnet loading region. It is equipped with a permanent magnet. In the cross section of the rotor core orthogonal to the central axis, R: the radius of the circumscribed circle centered on the central axis circumscribing the outer periphery of the rotor core, r: the d-axis centered on the central axis. , Radical coordinates of the polar coordinate system sandwiched between the q-axis, θ: The d-axis with the central axis as the center point, and the angular coordinates of the polar coordinate system sandwiched between the q-axis (the d-axis with reference to the q-axis). The direction toward is positive), p: the number of pole pairs (number of magnetic poles / 2), θd: the angular coordinates of an arbitrary point on the circumscribed circle, θq: the angular coordinates of an arbitrary point on the circumscribed circle. The d-axis flux line passing through the coordinates (R, θd) is defined by the formula (1) described later, the q-axis flux line passing through the coordinates (R, θq) is defined by the formula (2) described later, and the d-axis flux line is defined. The coordinates (rdq, θdq) of the intersection of the q-axis flux line and the q-axis flux line are defined by the formula (3) described later, and the angular coordinates of any three points set on the circumscribed circle are θ q1 , θ q2 , and θ q3 (. θ q3 > θ q2 > θ q1 ), and the angular coordinates of any two points set on the circumscribed circle are θ d1 , θ d2 (θ d2 > θ d1 > θ q3 ), and the angular coordinates θ q1 and θ. The q-axis flux lines passing through the respective points of q2 and θ q3 are the q-axis flux line fd (θ q1 ), the q-axis flux line fd (θ q2 ), and the q-axis flux line fd (θ q3 ). Assuming that the d-axis flux lines passing through the points d1 and θ d2 are the d-axis flux line fd (θ d1 ) and the d-axis flux line fd (θ d2 ), respectively.
The magnet loading region is provided in a region surrounded by the q-axis flux line fd (θ q2 ) and the q-axis flux line fd (θ q3 ), and the permanent magnet is provided at the inner end m1 of the first long side. And the outer end m2 is located on the q-axis flux line fd (θ q3 ), and the inner end m1 is at the intersection of the q-axis flux line fd (θ q3 ) and the d-axis flux line fd (θ d1 ). The inner peripheral side magnetic gaps are arranged so as to be located, and the q-axis flux line fd (θ q1 ) and the d-axis flux line fd (θ d2 ) are formed from the inner end m4 of the second long side of the permanent magnet. The angular coordinate θ d2, which extends to the intersection m5 with and extends from the intersection m5 to the d-axis side and defines the intersection m5, satisfies the conditional expression (4) described later.
以下に、図面を参照しながら、実施形態について説明する。なお、実施形態を通して共通の構成には同一の符号を付すものとし、重複する説明は省略する。また、各図は実施形態とその理解を促すための模式図であり、その形状や寸法、比などは実際の装置と異なる個所があるが、これらは以下の説明と公知の技術を参酌して適宜、設計変更することができる。 Hereinafter, embodiments will be described with reference to the drawings. In addition, the same reference numerals are given to common configurations throughout the embodiment, and duplicate description will be omitted. In addition, each figure is a schematic view for facilitating the understanding of the embodiment, and the shape, dimensions, ratio, etc. of the embodiment are different from those of the actual device, but these are based on the following explanation and known techniques. The design can be changed as appropriate.
図1は、実施形態に係る永久磁石型の回転電機の横断面図である。
図1に示すように、回転電機10は、例えば、インナーロータ型の回転電機として構成され、図示しない固定枠に支持された環状あるいは円筒状の固定子12と、固定子の内側に中心軸線Cの回りで回転自在に、かつ固定子12と同軸的に支持された回転子14と、を備えている。回転電機10は、例えば、鉄道車両、ハイブリッド自動車(HEV)や電気自動車(EV)において、主電動機、駆動モータあるいは発電機に好適に適用される。
FIG. 1 is a cross-sectional view of a permanent magnet type rotary electric machine according to an embodiment.
As shown in FIG. 1, the rotary
固定子12は、円筒状の固定子鉄心16と固定子鉄心16に巻き付けられた電機子巻線18とを備えている。固定子鉄心16は、磁性材、例えば、ケイ素鋼などの円環状の電磁鋼板を多数枚、同芯状に積層して構成されている。固定子鉄心16の内周部には、複数のスロット20が形成されている。複数のスロット20は、円周方向に等間隔を置いて並んでいる。各スロット20は、固定子鉄心16の内周面に開口し、この内周面から放射方向に延出している。また、各スロット20は、固定子鉄心16の軸方向の全長に亘って延在している。複数のスロット20を形成することにより、固定子鉄心16の内周部は、回転子14に面する複数(例えば、本実施形態では36個)の固定子ティース21を構成している。複数のスロット20に電機子巻線18が埋め込まれ、各固定子ティース21に巻き付けられている。電機子巻線18に電流を流すことにより、固定子12(固定子ティース21)に所定の鎖交磁束が形成される。
The
回転子14は、円柱形状のシャフト(回転軸)22と、シャフト22の軸方向ほぼ中央部に同軸的に固定された円柱形状の回転子鉄心24と、回転子鉄心24内に埋め込まれた複数の永久磁石Mと、を有している。シャフト22は、図示しない軸受により中心軸線Cの回りで回転自在に支持されている。回転子14は、固定子12の内側に僅かな隙間(エアギャップ)を置いて同軸的に配置されている。すなわち、回転子鉄心24の外周面は、僅かな隙間をおいて、固定子12の内周面に対向している。回転子鉄心24は中心軸線Cと同軸的に形成された内孔25を有している。シャフト22は内孔25に挿通および嵌合され、回転子鉄心24と同軸的に延在している。回転子鉄心24は、磁性材、例えば、ケイ素鋼などの円環状の電磁鋼板を多数枚、同芯状に積層した積層体で構成されている。
The
本実施形態において、回転子14は、複数磁極、例えば、8磁極に設定されている。すなわち、回転子鉄心24は、中心軸線Cの回りで円周方向に並んだ8つの磁極を有している。中心軸線Cと直交する回転子鉄心24の横断面において、中心軸線Cから隣合う磁極の間を通り径方向に延びる軸をq軸、およびq軸に対して電気的に90°離間した軸(q軸に対して電気的、磁気的に直交する軸)をd軸と称する。ここでは、固定子12によって形成される鎖交磁束の流れ易い方向をq軸としている。d軸およびq軸は、回転子鉄心24の円周方向に交互に、かつ、所定の位相で設けられている。回転子鉄心24の1磁極分とは、隣合う2本のq軸間の領域(1/6周の周角度領域)をいう。このため、回転子鉄心24は、6極(磁極)に構成されている。1磁極のうちの周方向中央がd軸となる。
In this embodiment, the
回転子鉄心24には、1磁極ごとに、複数、例えば、2つの永久磁石Mが埋設されている。回転子鉄心24の円周方向において、各d軸の両側に、永久磁石Mを収容する一対の埋め込み孔(空隙層又はフラックスバリア)34Aが形成されている。各磁極において、埋め込み孔34Aは、d軸とq軸との間に設けられd軸の近傍から回転子鉄心24の外周の近傍まで延在している。2つの永久磁石Mは、それぞれ埋め込み孔34A内に挿入および配置され、例えば、接着剤等により回転子鉄心24に固定されている。本実施形態では、2つの埋め込み孔34Aおよび2つの永久磁石Mは、d軸に対して左右線対称に形成および配置されている。
A plurality of permanent magnets M, for example, two permanent magnets M are embedded in the
図2は、回転子の一部(1磁極部分)を拡大して示す横断面図である。
図示のように、埋め込み孔34Aは、回転子鉄心24を軸方向に貫通して延びている。埋め込み孔34Aは、ほぼ矩形の断面形状を有し、それぞれd軸に対して90度よりも小さい角度だけ傾斜している。回転子鉄心24の中心軸線Cと直交する横断面でみた場合、2つの埋め込み孔34Aは、例えば、ほぼV字状に並んで配置されている。すなわち、2つの埋め込み孔34Aの内周側の一端はそれぞれd軸に隣接し、僅かな隙間をおいて互いに対向している。回転子鉄心24において、2つの埋め込み孔34Aの内端(d軸側の端)の間に、幅の狭い磁路狭隘部(第1ブリッジ部)V1が形成されている。埋め込み孔34Aの外端(外周面側の端)は、内端よりも回転子鉄心24の外周側に位置し、回転子鉄心24の外周の近傍に位置している。埋め込み孔34Aの外端は、内端よりもd軸から円周方向に離間し、q軸の近傍に位置している。回転子鉄心24において、埋め込み孔34Aの外端と回転子鉄心24の外周面との間に幅の狭い磁路狭隘部(第2ブリッジ部)V2が形成されている。このように、2つの埋め込み孔34Aは、外端が内端よりも外周側に位置し、かつ、内端から外端に向かうに従ってd軸からの距離が徐々に広がるように、配置されている。
FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view showing a part of the rotor (one magnetic pole portion).
As shown, the embedding
埋め込み孔(空隙層)34Aは、永久磁石Mの断面形状に対応した矩形状の磁石装填領域35aと、磁石装填領域35aの長手方向の両端からそれぞれ延出する内周側磁気空隙35bおよび外周側磁気空隙35cと、を有している。
磁石装填領域35aは、直線状の第1側縁36aと、第1側縁36aに対して内周側に位置し第1側縁36aと隙間を介して平行に対向する直線状の第2側縁36bとの間に形成されている。第1側縁36aおよび第2側縁36bは、前述した通り、d軸に対して90度よりも小さい角度で傾斜している。
The embedded hole (void layer) 34A has a rectangular
The
内周側磁気空隙35bは、磁石装填領域35aの内端からd軸に向かって延出している。内周側磁気空隙35bは、第1側縁44aと、第2側縁44bと、第3側縁44cと、により形成されている。第1側縁44aは、磁石装填領域35a第1側縁36aの一端(d軸側の端)、あるいは、永久磁石Mの第1長辺37aの内端m1、からd軸の近傍まで延出している。第2側縁44bは、磁石装填領域35a第2側縁36bの一端(d軸側の端)から、すなわち、永久磁石Mの第2長辺37bの内端m4から、回転子鉄心24の中心軸線Cおよびd軸に向かってd軸の近傍まで延出している。第3側縁44cは、第1側縁44aの延出端と第2側縁44bの延出端とに跨り、d軸とほぼ平行に延在している。2つの埋め込み孔34Aの内周側磁気空隙35bは、第3側縁44c同志がd軸およびブリッジ部V1を挟んで互いに対向して配置されている。なお、第3側縁44cの両端の角部は、円弧状にラウンドしていてもよい。また、第2内側縁44bは、中途部で屈曲した直線状としているが、これに限らず、緩やかに湾曲した側縁としてもよい。
The inner peripheral side
外周側磁気空隙35cは、第1側縁46aと、第2側縁46bと、第3側縁46cと、により形成されている。第1側縁46aは、磁石装填領域35aの第1側縁36aの他端(回転子鉄心外周面側の端)から回転子鉄心24の外周面に向かって延出している。第2側縁46bは、磁石装填領域35aの第2側縁36bの他端(回転子鉄心外周面側の端)から回転子鉄心24の外周面に向かって延出している。第3側縁46cは、第1側縁46aの延出端と第2側縁46bの延出端とに跨り、回転子鉄心24の外周面に沿って延出している。第3側縁46cと回転子鉄心24の外周面との間に、ブリッジ部38が設けられている。
内周側磁気空隙35bおよび外周側磁気空隙35cは、永久磁石Mの長手方向両端部から回転子鉄心24への磁束漏れを抑制するフラックスバリアとして機能するとともに、回転子鉄心24の軽量化にも寄与する。
The outer peripheral side
The inner peripheral side
永久磁石Mは、例えば、矩形状の細長い平板状に形成され、回転子鉄心24の軸方向長さとほぼ等しい長さを有している。永久磁石Mは、軸方向(長手方向)に複数に分割された磁石を組み合わせて構成されてもよく、この場合、複数の磁石の合計の長さが回転子鉄心24の軸方向長さとほぼ等しくなるように形成される。永久磁石Mは、磁石埋め込み孔34Aに挿入され、回転子鉄心24のほぼ全長に亘って埋め込まれている。
また、永久磁石Mの横断面において、長手方向に複数に分割された永久磁石、あるいは、幅方向に複数に分割された永久磁石、を組み合わせて断面矩形状の永久磁石を構成するようにしてもよい。
The permanent magnet M is formed in a rectangular elongated flat plate shape, for example, and has a length substantially equal to the axial length of the
Further, in the cross section of the permanent magnet M, a permanent magnet divided into a plurality of pieces in the longitudinal direction or a permanent magnet divided into a plurality of pieces in the width direction may be combined to form a permanent magnet having a rectangular cross section. Good.
永久磁石Mは、矩形状(例えば、長方形)の断面形状を有し、互いに平行に対向する第1長辺37aおよび第2長辺37b、並びに、互いに対向する一対の短辺(第1短辺および第2短辺)を有している。第1長辺37aは、d軸側に位置する内端(内角)(第1長辺と一方の短辺とが交差する角)m1、および、回転子鉄心24の外周面側に位置する外端(外角)(第1長辺と他方の短辺とが交差する角)m2を有している。第2長辺37bは、d軸側に位置する内端(内角)(第2長辺と一方の短辺とが交差する角)m4、および、回転子鉄心24の外周面側に位置する外端(外角)(第2長辺と他方の短辺とが交差する角)m3を有している。
The permanent magnet M has a rectangular (for example, rectangular) cross-sectional shape, and has a first
永久磁石Mは、埋め込み孔34Aの磁石装填領域35aに装填され、第1長辺37aが第1側縁36aに対向あるいは当接し、第2長辺37bが第2側縁36bに対向あるいは当接している。永久磁石Mは、一対の角部が磁石装填領域35aの図示しない保持突起にそれぞれ当接している。これにより、永久磁石Mは、磁石装填領域35a内に位置決めされている。前述したように、永久磁石Mは接着剤等により回転子鉄心24に固定されてもよい。各d軸の円周方向の両側に位置する2つの永久磁石Mは、内端から外端に向かうに従って、d軸からの距離が徐々に広がるように配置されている。
永久磁石Mは、第1長辺37aおよび第2長辺37bと交差する方向、例えば、直交する方向に磁化されている。d軸の円周方向の両側に位置する2つの永久磁石Mは、磁化方向が同一となる向きに配置されている。また、q軸の円周方向の両側に位置する2つ永久磁石Mは、磁化方向が逆向きとなる向きに配置されている。
The permanent magnet M is loaded into the
The permanent magnet M is magnetized in a direction intersecting the first
次に、上記のように構成された回転電機10の回転子14において、磁石埋め込み孔(空隙層又はフラックスバリア)の好適な形状、配置を設定する方法について説明する。
図3は、実施形態に係る回転電機の磁石埋め込み孔(空隙層)の形状および配置を設定する方法に用いるフラックスラインを模式的に示す図である。図3において、R:回転子鉄心24の外周に外接する中心軸線Cを中心とする外接円の半径、r:中心軸線Cを中心点とするd軸、q軸で挟まれた極座標系の半径座標、θ:中心軸線Cを中心点とするd軸、q軸で挟まれた極座標系の角度座標、p:極対数(磁極数/2)、θd、θq:外接円上の任意の点の角度座標(θd:d軸フラックスラインの角度座標、θq:q軸フラックスラインの角度座標)、としている。角度座標θd、θqは、q軸を基準にd軸に向かう方向を正としている。外接円上の角度座標θdの点を通るd軸フラックスラインfd(θd)は、円筒座標系双曲線関数で下記の式(1)のように定義される。
FIG. 3 is a diagram schematically showing a flux line used in a method of setting the shape and arrangement of magnet embedding holes (void layers) of a rotary electric machine according to an embodiment. In FIG. 3, R: the radius of the circumscribed circle centered on the central axis C circumscribing the outer circumference of the
同様に、外接円上の角度座標θqの点を通るq軸フラックスラインfq(θq)は、円筒座標系双曲線関数で下記の式(2)のように定義される。
d軸フラックスラインとq軸フラックスラインとの交点の座標(rdq、θdq)は、下記の式(3)を満たすように設定する。
The coordinates (rdq, θdq) of the intersection of the d-axis flux line and the q-axis flux line are set so as to satisfy the following equation (3).
本実施形態のように、空隙層(埋め込み孔)が1層の場合、始めに、1磁極当たり回転子鉄心24の外周(外接円)上に3つの任意の点(角度座標θq1、θq2、θq3)を与え、それぞれの角度座標の点を通る第1q軸フラックスラインfq(θq1)、第2q軸フラックスラインfq(θq2)、第3q軸フラックスラインfq(θq3)、を式(2)から得る。なお、θq3、θq2、θq1の順で、d軸側に位置するものとし(θq3>θq2>θq1)、また、θq1、θq2、が次式(4)を満足するものとする。
同様に、回転子鉄心24の外接円上に2つの任意の点(角度座標θd1、θd2)を与え、それぞれの点を通る第1d軸フラックスラインfd(θd1)、第2d軸フラックスラインfd(θd2)を式(1)から得る。ここでは、座標θd2は、座標θd1よりもd軸側に位置する座標とし(θd2>θd1)、座標θd1は、座標θq3よりもd軸側に位置する座標とする(θd1>θq3)。
埋め込み孔(空隙層)34Aの磁石装填領域35aは、第2q軸フラックスラインfd(θq2)と第3q軸フラックスラインfd(θq3)とに囲まれる領域に設けられる。
永久磁石Mは、第1長辺37aの内端(内角)m1、および、外端(外角)m2が第3q軸フラックスラインf(θq3)上に位置し、かつ、内角m1が第3q軸フラックスラインf(θq3)と第1d軸フラックスラインf(θd1)との交点に位置するように配置および形成されているものとする。
Similarly, two arbitrary points (angle coordinates θ d1 and θ d2 ) are given on the circumscribed circle of the
The
In the permanent magnet M, the inner end (inner angle) m1 and the outer end (outer angle) m2 of the first
第2q軸フラックスラインfq(θq2)および第3q軸フラックスラインfq(θq3)上にそれぞれ点b1、b2をとり、この二点を直線または円弧で結ぶように外周側の第2ブリッジ部V2が形成されているものとする。すなわち、外周側磁気空隙35cは、第3側縁46cが点b1、b2間を延在するように、形成および配置される。また、外周側磁気空隙35cの第1側縁46aは、第3q軸フラックスラインfq(θq3)に沿って、点b1から永久磁石Mの第1長辺37aの外端(外角)m2まで延びている。外周側磁気空隙35cの第2側縁46bは、第2q軸フラックスラインfq(θq2)に沿って、点b2から永久磁石Mの第2長辺37bの外端(外角)m3まで延びているものとする。
Points b1 and b2 are set on the 2nd q- axis flux line fq (θ q2 ) and the 3rd q-axis flux line fq (θ q3), respectively, and the second bridge portion V2 on the outer peripheral side connects these two points with a straight line or an arc. Is formed. That is, the outer peripheral side
内周側磁気空隙35bは、永久磁石Mの角部からq軸側に向かって広がる形状としている。
すなわち、内周側磁気空隙35bの第2側縁44bの少なくとも一部が、第2d軸フラックスラインfd(θd2)と第1q軸フラックスラインf(θq1)との交点m5を含む第1q軸フラックスラインf(θq1)上に位置し、かつ、第2側縁44bの他の領域が第1q軸フラックスラインf(θq1)よりも第2q軸フラックスライン(θq2)側に位置するように設定する。本実施形態では、第2側縁44bは、永久磁石Mの第2長辺37bの内端(内角)m4から交点m5まで延出し、更に、交点m5からd軸の近傍まで延出している。内周側磁気空隙35bの第1側縁44aは、第3q軸フラックスラインfq(θq3)にほぼ沿って、第1長辺37aの内端(内角)m1からd軸の近傍まで延びている。
The inner peripheral side
That is, at least a part of the
ここで、図2は、上記条件に沿って回転子14の空隙層(埋め込み孔34A)の形状を決定した構成例を示している。図2における点m1、m2、、m3、m4、m5、b1、b2は、それぞれ図3中に示す点に対応している。一例では、内周側磁気空隙35bの第2側縁44bは、永久磁石Mの第2長辺37bの内端(内角)m4(第2長辺37bとd軸側の短辺とが交差する角)から交点m5まで延び、交点m5から第3側縁44cの一端まで延びている。
なお、第2側縁44bは、直線的に延在する構成に限定されることなく、湾曲して延在する構成としてもよい。
Here, FIG. 2 shows a configuration example in which the shape of the void layer (embedded
The
図4は、永久磁石Mの配置および第2ブリッジ部V2の配置を固定し、また、図3における座標θq3、θq2、θq1、θd1を固定し、座標θd2を変化させた場合の、内周側磁気空隙35bの形状の違いによる回転電機の発生トルクへの影響を、電磁界解析を用いて評価した結果を示している。なお、横軸は、座標の変位量Δθに極対数pを乗じた数値を示している。縦軸は、最大発生トルクを1とする発生トルクの値を示している。図4から分かるように、発生トルクは、座標θd2と座標θd1とが重なる位置(Δθ×P=0)近傍で最大となり、この位置から離れるに従って発生トルクが減少する。(Δθ×P)が−3〜9の範囲(トルク低下が0.3%以下の範囲)、好ましくは、−2〜6の範囲(トルク低下が0.2%以下の範囲)で高いトルクが得られることが分かる。
以上のことから、第2d軸フラックスラインfd(θd2)と第1q軸フラックスラインfd(θq1)との交点に内周側磁気空隙35bの形状を決定する交点m5が位置するとき、各双曲線を決定する外接円上の点の角度座標θd2を下記の条件式(5)を満足するように設定する。
上記の条件に従って内周側磁気空隙35bの形状、配置を設定することにより、回転電機の発生トルクを0.997〜1(最大トルク)とすることが可能となる。
FIG. 4 shows a case where the arrangement of the permanent magnet M and the arrangement of the second bridge portion V2 are fixed, and the coordinates θ q3 , θ q2 , θ q1 and θ d1 in FIG. 3 are fixed and the coordinates θ d2 are changed. The result of evaluating the influence on the torque generated by the rotating electric machine due to the difference in the shape of the inner peripheral side
From the above, when the intersection m5 that determines the shape of the inner peripheral side
By setting the shape and arrangement of the inner peripheral side
上記のように構成された永久磁石型の回転電機10は、永久磁石Mの磁束と電機子電流の作用によって生じるマグネットトルクと、電機子巻線18から見た磁気突極性によって生じるリラクタンストルクと、を同時に発生する。本実施形態によれば、回転子鉄心の磁極毎に磁石埋め込み孔および永久磁石を含む空隙層を設け、磁石埋め込み孔の空隙部の配置および形状を前述した幾何学的条件式を満たすように設定することにより、磁石量を増加することなく高いトルクを実現する回転子、および永久磁石型の回転電機が得られる。
The permanent magnet type rotary
次に、変形例に係る回転電機の回転子について説明する。以下に説明する変形例において、前述した実施形態と同一の部分には、同一の参照符号を付してその詳細な説明を省略あるいは簡略化し、実施形態と異なる部分を中心に詳しく説明する。
(変形例)
回転子の各磁極において、空隙層(磁石埋め込み孔)および永久磁石は、d軸に対して、左右線対称に形成、配置されているが、これに限らず、左右非対称に設置することも可能である。
図5は、変形例に係る回転電機の1磁極部分を示す横断面図である。変形例によれば、空隙層(磁石埋め込み孔34A)および永久磁石Mは、d軸に対して、左右非対称に形成、配置されている
Next, the rotor of the rotary electric machine according to the modified example will be described. In the modification described below, the same parts as those in the above-described embodiment are designated by the same reference numerals, and the detailed description thereof will be omitted or simplified, and the parts different from the embodiments will be mainly described.
(Modification example)
At each magnetic pole of the rotor, the void layer (magnet embedding hole) and the permanent magnet are formed and arranged symmetrically with respect to the d-axis, but the present invention is not limited to this and can be installed asymmetrically. Is.
FIG. 5 is a cross-sectional view showing one magnetic pole portion of the rotary electric machine according to the modified example. According to the modified example, the void layer (
図5に示すように、d軸の片側に設けられた磁石埋め込み孔(空隙層)34Aおよび永久磁石Mは、前述した実施形態における磁石埋め込み孔および永久磁石と同様の形状および配置に形成されている。d軸の反対側に設けられた磁石埋め込み孔(空隙層)34Aおよび永久磁石Mにおいて、磁石装填領域35a、外周側磁気空隙35c、および永久磁石Mは、前記片側の磁石埋め込み孔34Aおよび永久磁石Mとd軸に対して線対称の形状および配置に形成されている。内周側磁気空隙35bがd軸に対して片側の内周側磁気空隙35bと非対称な形状および配置に形成されている。
As shown in FIG. 5, the magnet embedding hole (void layer) 34A and the permanent magnet M provided on one side of the d-axis are formed in the same shape and arrangement as the magnet embedding hole and the permanent magnet in the above-described embodiment. There is. In the magnet embedding hole (void layer) 34A and the permanent magnet M provided on the opposite side of the d-axis, the
内周側磁気空隙35bの第1側縁44aおよび第3側縁44cは、片側の内周側磁気空隙36bと線対称の形状、配置であり、内周側磁気空隙35bの第2側縁44bのみを非対称の形状、配置としている。すなわち、交点m5の位置が相違している。図3に示した座標θd2を座標θd1とほぼ重なる位置に設定し、この座標θd2の点を通る第2d軸フラックスラインfd(θd2)と第1q軸フラックスラインfd(θq1)との交点をm5としている。内周側磁気空隙35bの第2側縁44bは、永久磁石Mの内角m4から交点m5まで延び、更に、交点m5から第3側縁44cの下端(中心軸線C側の端)まで延びている。
The
上記のように構成された変形例においても、磁石埋め込み孔34Aの空隙部の配置および形状を前述した幾何学的条件式を満たすように設定することにより、磁石量を増加することなく高いトルクを実現する回転子、および永久磁石型の回転電機が得られる。
Even in the modified example configured as described above, by setting the arrangement and shape of the gap portion of the
なお、この発明は上述した実施形態および変形例そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化可能である。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
例えば、回転子の磁極数、寸法、形状等は、前述した実施形態に限定されることなく、設計に応じて種々変更可能である。永久磁石の断面形状は直方体に限らず、他の形状、例えば、台形としてもよい。永久磁石は、複数の永久磁石を貼り合わせて所望形状とした磁石を用いてもよい。また、回転子鉄心の空隙層は、一層に限らず、d軸の片側に複数層、例えば、2層あるいは3層、設けられていても良い。この場合、2層目および/あるいは3層目の空隙層は、永久磁石を収容した空隙層としても、あるいは、永久磁石を含まない空隙層としてもよい。
It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiments and modifications as they are, and at the implementation stage, the components can be modified and embodied within a range that does not deviate from the gist thereof. In addition, various inventions can be formed by an appropriate combination of the plurality of components disclosed in the above-described embodiment. For example, some components may be removed from all the components shown in the embodiments. In addition, components across different embodiments may be combined as appropriate.
For example, the number of magnetic poles, dimensions, shape, etc. of the rotor are not limited to the above-described embodiment, and can be variously changed according to the design. The cross-sectional shape of the permanent magnet is not limited to a rectangular parallelepiped, and may be another shape, for example, a trapezoid. As the permanent magnet, a magnet obtained by laminating a plurality of permanent magnets to form a desired shape may be used. Further, the void layer of the rotor core is not limited to one layer, and a plurality of layers, for example, two layers or three layers may be provided on one side of the d-axis. In this case, the void layer of the second layer and / or the third layer may be a void layer containing a permanent magnet or a void layer not containing a permanent magnet.
10…回転電機、12…固定子、14…回転子、16…固定子鉄心、
18…電機子巻線、20…スロット、22…シャフト、24…回転子鉄心、
34A…磁石埋め込み孔(空隙層)、35a…磁石装填領域、35b…内周側磁気空隙、
37a…第1長辺、37b…第2長辺、44a、46a…第1内側縁、
44b、46b…第2内側縁、44c、46c…第3内側縁、35c…外周側磁気空隙、
M…永久磁石、V1、V2…ブリッジ部
10 ... Rotor, 12 ... Stator, 14 ... Rotor, 16 ... Stator iron core,
18 ... armature winding, 20 ... slot, 22 ... shaft, 24 ... rotor core,
34A ... Magnet embedding hole (void layer), 35a ... Magnet loading area, 35b ... Inner peripheral side magnetic gap,
37a ... 1st long side, 37b ... 2nd long side, 44a, 46a ... 1st inner edge,
44b, 46b ... 2nd inner edge, 44c, 46c ... 3rd inner edge, 35c ... outer peripheral magnetic void,
M ... Permanent magnet, V1, V2 ... Bridge
Claims (3)
前記d軸の側の内端m1および前記外周面の側の外端m2を有する第1長辺と前記d軸側の内端m4および前記外周面側の外端m3を有し前記第1長辺に対して前記q軸側に位置し前記第1長辺と間隔を置いて対向する第2長辺とを有する矩形の断面形状に形成され、前記磁石装填領域に配置された永久磁石と、を備え、
前記中心軸線に直交する前記回転子鉄心の横断面において、
R:回転子鉄心の外周に外接する前記中心軸線を中心とする外接円の半径、
r:前記中心軸線を中心点とする前記d軸、前記q軸で挟まれた極座標系の半径座標、
θ:前記中心軸線を中心点とする前記d軸、前記q軸で挟まれた極座標系の角度座標(前記q軸を基準に前記d軸に向かう方向を正とする)、
p:極対数(磁極数/2)、
θd:前記外接円上の任意の点の角度座標、
θq:前記外接円上の任意の点の角度座標、
として、座標(R、θd)を通るd軸フラックスラインを以下の式(1)で定義し、
座標(R、θq)を通るq軸フラックスラインを以下の式(2)で定義し、
d軸フラックスラインとq軸フラックスラインとの交点の座標(rdq、θdq)を以下の式(3)で定義し、
前記外接円上に設定した任意の3点の角度座標をθq1、θq2、θq3(θq3>θq2>θq1)、および前記外接円上の設定した任意の2点の角度座標をθd1、θd2(θd2>θd1>θq3)とし、
前記角度座標θq1、θq2、θq3のそれぞれの点を通るq軸フラックスラインをq軸フラックスラインfd(θq1)、q軸フラックスラインfd(θq2)、q軸フラックスラインfd(θq3)とし、
前記角度座標θd1、θd2の点をそれぞれ通るd軸フラックスラインをd軸フラックスラインfd(θd1)、d軸フラックスラインfd(θd2)とすると、
前記磁石装填領域は、前記q軸フラックスラインfd(θq2)と前記q軸フラックスラインfd(θq3)とで囲まれる領域に設けられ、
前記永久磁石は、前記第1長辺の内端m1および外端m2が前記q軸フラックスラインfd(θq3)上に位置し、前記内端m1が前記q軸フラックスラインfd(θq3)と前記d軸フラックスラインfd(θd1)との交点に位置するように配置され、
前記内周側磁気空隙は、前記永久磁石の前記第2長辺の内端m4から前記q軸フラックスラインfd(θq1)と前記d軸フラックスラインfd(θd2)との交点m5まで延出し前記交点m5から前記d軸の側に延出する側縁を有し、
前記交点m5を定義する角度座標θd2は以下の条件式(3)
を満たしている回転子。 A plurality of magnetic poles provided side by side in the circumferential direction around the central axis, an end of the magnetic pole in the circumferential direction, and an axis extending in the radial direction through the central axis are defined as the q-axis, with respect to the q-axis. When the axis electrically separated by 90 degrees in the circumferential direction is defined as the d-axis, the magnetic gap on the inner peripheral side facing the d-axis via the first bridge portion and the outer peripheral surface via the second bridge portion A rotor core including a gap layer including a magnetic gap on the outer peripheral side facing each other, a magnetic gap on the inner peripheral side, and a magnet loading region located between the magnetic gap on the inner peripheral side and the magnetic gap on the outer peripheral side.
The first long side having an inner end m1 on the d-axis side and an outer end m2 on the outer peripheral surface side, an inner end m4 on the d-axis side, and an outer end m3 on the outer peripheral surface side. A permanent magnet formed in a rectangular cross-sectional shape having a second long side facing the first long side at a distance from the first long side located on the q-axis side with respect to the side and arranged in the magnet loading region. With
In the cross section of the rotor core orthogonal to the central axis,
R: The radius of the circumscribed circle centered on the central axis that circumscribes the outer circumference of the rotor core.
r: Radial coordinates of the polar coordinate system sandwiched between the d-axis and the q-axis with the central axis as the center point.
θ: The d-axis with the central axis as the center point, the angular coordinates of the polar coordinate system sandwiched between the q-axis (the direction toward the d-axis is positive with respect to the q-axis),
p: Number of pole pairs (number of magnetic poles / 2),
θd: Angular coordinates of any point on the circumscribed circle,
θq: Angular coordinates of any point on the circumscribed circle,
As a d-axis flux line passing through the coordinates (R, θd) is defined by the following equation (1).
The q-axis flux line passing through the coordinates (R, θq) is defined by the following equation (2).
The coordinates (rdq, θdq) of the intersection of the d-axis flux line and the q-axis flux line are defined by the following equation (3).
The angular coordinates of any three points set on the circumscribed circle are θ q1 , θ q2 , θ q3 (θ q3 > θ q2 > θ q1 ), and the angular coordinates of any two points set on the circumscribed circle. Let θ d1 and θ d2 (θ d2 > θ d1 > θ q3 ).
The q-axis flux lines passing through the respective points of the angular coordinates θ q1 , θ q2 , and θ q3 are the q-axis flux line fd (θ q1 ), the q-axis flux line fd (θ q2 ), and the q-axis flux line fd (θ q3). )age,
Assuming that the d-axis flux lines passing through the points of the angular coordinates θ d1 and θ d2 are the d-axis flux line fd (θ d1 ) and the d-axis flux line fd (θ d2 ), respectively.
The magnet loading region is provided in a region surrounded by the q-axis flux line fd (θ q2 ) and the q-axis flux line fd (θ q3).
The permanent magnet, the inner end m1 and an outer end m2 of the first long side is positioned on the q-axis flux lines fd (theta q3), the inner end m1 is the q-axis flux lines fd and (theta q3) It is arranged so as to be located at the intersection with the d-axis flux line fd (θ d1).
The inner peripheral side magnetic gap extends from the inner end m4 of the second long side of the permanent magnet to the intersection m5 of the q-axis flux line fd (θ q1 ) and the d-axis flux line fd (θ d2). It has a side edge extending from the intersection m5 to the d-axis side.
The angular coordinate θ d2 that defines the intersection m5 is the following conditional expression (3).
Rotor that meets.
を満たしている請求項1に記載の回転子。 The angular coordinates θ q1 and θ q2 are the following conditional expressions (4).
The rotor according to claim 1.
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