JP3748387B2 - 永久磁石式回転電機及びそれを用いた発電システムと駆動システム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、永久磁石式回転電機の改良及びそれを用いたシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
固定子に分布巻の固定子巻線を備えた永久磁石式回転電機においては、固定子巻線の巻線配置を工夫することでその誘起電圧波形を正弦波に近づけ、その歪み率を低減することが可能である。しかしながら、固定子に集中巻の固定子巻線を備えた永久磁石式回転電機においては、固定子側で巻線配置を工夫することはできない。
【０００３】
特開平６−１８９４８１号公報には、電機子鉄心を構成する薄鉄板の打ち抜き製作性の向上と円周方向への漏洩磁束の抑制を図るため、磁石収容孔の外周部に複数のスリットを設けることが開示されている。また、特開平１１−２５２８４０号公報には、回転子の外周部と埋め込まれた磁石との間に横軸磁束を妨げる磁気抵抗を形成する長孔部を設けることが開示されている。これらは、いずれも固定子側の巻線については記載がない。
【０００４】
なお、固定子に分布巻の固定子巻線を備えた永久磁石式回転電機に関しては、特開平５−１０３４５３号公報に、突極型ブラシレスＤＣモータにおいて、突極部の電気角にして６０度及び１２０度に相当する位置に孔を形成し、永久磁石式回転電機のコギングトルクの低減を図ることが開示されている。そのほか、分布巻の固定子巻線を備えた永久磁石式回転電機において、回転子の外周部と永久磁石との間に、スリットや狭幅部を設けたものとして、特開平９−１６３６４７号公報、特開平１０−１７８７５１号公報、特開平１０−２８５８４５号公報及び特開平１０−２８５８５１号公報などがある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記の従来技術による回転電機を駆動あるいは発電システムに用いた場合、振動、騒音及び効率において、まだ不十分である。
【０００６】
本発明の目的は、振動、騒音の低減及び効率の向上を図った永久磁石式回転電機及びそれを用いたシステムを提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
駆動システムにおいて回転電機に振動騒音が大きくなり特性が低下し、また、発電システムにおいて発熱や効率・特性低下の問題が生じる原因は、永久磁石式回転電機の誘起電圧の波形歪み率が大きいことであり、このため、回転電機に高調波電流が流れ、脈動トルクが増加し、振動騒音が大きくなり、あるいは効率や特性が低下していると考えられる。
【０００８】
そこで、本発明の一つの特徴は、固定子鉄心のティースに集中巻を施した固定子と、永久磁石を埋め込んだ回転子を備えた永久磁石式回転電機において、永久磁石と回転子の外周表面間のブリッジ部に、永久磁石の幅を両端部各１に対して中央部が２以上となるように３分割する位置に、軸方向に伸びるフラックスバリヤを回転子の各磁極毎に２個設けたことである。望ましくは，回転子の外周全体に亘って等間隔となるように、溝や孔等で構成したフラックスバリヤを設ける。
【０００９】
この場合、フラックスバリヤは、その高さｔ[ｍｍ]、ブリッジ部の厚さｈ[ｍｍ]とし、ｔ＝Ｃ１・ｈと表したとき、高さ係数Ｃ１を、０．２≦Ｃ１≦０．６と設定することが望ましい。また、隣接する溝或いは孔との間のブリッジ部の幅をＷ２[ｍｍ]、固定子鉄心のティース幅をＷｔ[ｍｍ]とし、Ｗ２＝Ｃ２・Ｗｔと表したとき、溝幅係数Ｃ２を０．５≦Ｃ２≦１．２とすることが望ましい。
【００１０】
このようにフラックスバリヤを配置することによって、磁極のブリッジ部に局所的な磁気飽和を起こし、磁路を中央の大きな１つと、その両側の比較的小さな２つに分割し、結果的に回転子の表面磁束密度を正弦波に近づけ、誘起電圧波形の歪を抑制することができる。
【００１１】
本回転電機を発電システムや駆動システムに適用する事により、品質の高い発電エネルギーを供給でき、また、振動・騒音の少ない回転力を得る事が出来る。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を、図面を参照して説明する。
【００１３】
図１は、本発明の一実施例による３相８極１２スロットの永久磁石式回転電機を軸と直角方向に断面した図である。図１において、固定子１０は、ほぼ環状をなす固定子鉄心１１に形成された１２個のスロット１３に、Ｕ相の固定子巻線１４Ｕ、Ｖ相の固定子巻線１４Ｖ、並びにＷ相の固定子巻線１４Ｗを固定子ティース１２に集中的に巻回（集中巻）して構成されている。回転子２０は、回転子鉄心２１を回転軸２２に嵌合固着し、この回転子鉄心２１に形成された打抜の永久磁石挿入孔２３に、アーク状の永久磁石２４を、軸方向からＮ極とＳ極とが交互になるように８個挿入し、組込むことによって構成されている。回転子２０は、固定子１０の内部に、固定子ティース１２の先端部とギャップＧを有する状態で回転可能に配置されている。なお、永久磁石挿入孔２３の外周側のブリッジ部２５にフラックスバリヤとして溝２６を設けている。
【００１４】
図２は、図１における固定子ティース１２と回転子２０の関係を示す拡大図である。回転軸２２の中心点Ｘから伸びる補助線２０１〜２０８はそれぞれ電気角０[deg]、４５[deg]、９０[deg]、１３５[deg]、１８０[deg]、２２５[deg]、２７０[deg]、３１５[deg]を示している。また、矢印２１０〜２１４は概略磁路を示す。ブリッジ部２５の永久磁石２４側に形成された溝２６は、電気角４５[deg]、１３５[deg]、２２５[deg]、３１５[deg]の位置に等間隔に配置されている。
【００１５】
この実施例においては、固定子鉄心１１のティース１２に集中巻を施した固定子１０と、永久磁石２４を埋め込んだ回転子２０とを備えた永久磁石式回転電機において、永久磁石２４と回転子２０の外周表面間のブリッジ部２５に、回転子２０の外周全体に亘って等間隔：電気角９０［deg］、距離Ｗ２（図４）となるように、軸方向に伸びるフラックスバリヤとしての溝２６を回転子２０の各磁極毎に２個設けている。
【００１６】
このようにフラックスバリアを設けることによって、ブリッジ部に局所的な磁気飽和を起こし、磁路を矢印２１０〜２１４のように分割することによって回転子２０の表面磁束密度分布が正弦波に近づき、誘起電圧波形の歪み率が低減される。すなわち、磁極中央部の磁路２１１や２１４は、それらの両サイドの磁路２１０、２１２及び２１３、２１５（図示略）に対して２倍以上の幅を持っており、結果的にこれらの磁極によって発生する磁束密度は正弦波に近づくのである。
【００１７】
但し、回転子２０の全周に亘って等間隔としなくとも、永久磁石２４の幅あるいは磁極の幅を両端部各１に対して中央部が２以上となるように３分割する位置に、軸方向に伸びるフラックスバリヤを回転子の各磁極毎に２個設ければ、磁束密度を正弦波に近づけることができる。なお、上記実施例のように、回転子の全外周に亘ってフラックスバリヤが等間隔となるように配置した場合には、更に、コギングトルクを低減することができた。
【００１８】
図３は、図１の実施例における効果を説明する誘起電圧波形図である。横軸を回転子位置（機械角で表示）とし、縦軸を誘起電圧値として、溝２６を設けた図１の実施例の誘起電圧波形３１と、溝２６を設けていない場合の誘起電圧波形３２を示す。誘起電圧波形の歪み率Ｒ[％]は、誘起電圧波形をフーリエ級数展開し、Ｎ次周波数成分実効値をｆ（Ｎ）としたとき、第２次から第Ｎ次周波数成分実効値の総和対基本波周波数成分実効値の百分率で表わされる。図３の結果を用いて、誘起電圧波形の歪み率Ｒを計算すると、誘起電圧波形３２の歪み率Ｒは１１．１％であるのに対し、本実施例による誘起電圧波形３１の歪み率Ｒは７．６２％であり、フラックスバリヤとしての溝２６を設けることにより、歪み率Ｒを約２/３に低減できる。
【００１９】
図４は、図１の実施例につき、固定子ティース１２と永久磁石挿入孔２３を拡大して示したものである。図４において溝２６の高さｔをブリッジ部２５の厚さｈを用いてｔ＝Ｃ１・ｈと表したとき、溝高さ係数Ｃ１を、０．２≦Ｃ１≦０．６と設定している。また、溝２６の幅Ｗ１[ｍｍ]を、ブリッジ部２５に存在する２つの溝２６間の幅Ｗ２[ｍｍ]、固定子ティース１２の幅Ｗｔ[ｍｍ]を用いて、Ｗ２＝Ｃ２・Ｗｔと表したとき、溝幅係数Ｃ２を、０．５≦Ｃ２≦１．２となるように設定している。一実施例においては、各寸法は次の通りとした。ティース１２の幅Ｗｔ：９ｍｍ、溝２６の幅Ｗ１：１ｍｍ、溝２６間の間隔Ｗ２：８ｍｍ、磁石挿入孔２３のうち溝２６より外側の幅Ｗ３：１．２ｍｍ、ブリッジ部の厚さｈ：１ｍｍ、溝２６の高さｔ：０．５ｍｍである。このとき、採り得る溝２６の幅Ｗ１の最大値Ｗ１ｍａｘ：２ｍｍ、同じく最小値Ｗ１ｍｉｎ：０．６ｍｍである。このように、中央部の磁路の幅Ｗ２は、溝２６によって分割されたその両側の磁路の幅Ｗ３の２倍よりも大きくしている。
【００２０】
以下、溝高さ係数Ｃ１と溝幅係数Ｃ２の設定理由について図５と図６を用いて説明する。
【００２１】
図５は、溝の高さによる波形歪み率Ｒの特性を示すグラフである。縦軸を波形歪み率Ｒとし、横軸を溝高さ係数Ｃ１として、溝２６の高さｔを各々変化させた場合の誘起電圧波形の歪み率Ｒの変化を線５１で示す。歪み率Ｒは、溝高さ係数Ｃ１が０．２のとき最小値７．３９％を示し、誘起電圧波形３２の歪み率Ｒ＝１１．１％より約２/３に低減されている。溝高さ係数Ｃ１が増加するに従い歪み率Ｒも増加し、溝高さ係数Ｃ１が０．８のとき最大値１３．３％を示し、誘起電圧波形３２の歪み率より増加してしまう。このことより０．２≦Ｃ１≦０．６とすることが望ましい。また、０．２≦Ｃ１≦０．４とすることにより最も歪み率を小さくすることができる。
【００２２】
図６は、本発明の第１実施例において溝幅に対する波形歪み率Ｒの特性を示すグラフである。縦軸を波形歪み率Ｒとし横軸を溝幅係数Ｃ２として、溝２６の幅Ｗ１を変化させた場合の誘起電圧波形の歪み率Ｒの変化を線６１で示す。歪み率Ｒは、溝幅係数Ｃ２が０．５≦Ｃ２≦１．２のとき、誘起電圧波形３２の歪み率Ｒ＝１１．１％より低減されている。この範囲を外れると逆に悪化してしまうことから０．５≦Ｃ２≦１．２とすることが望ましい。さらに０．９≦Ｃ２≦１．１とすることにより、最も歪み率を小さくすることができる。
【００２３】
図７は、溝２６の変形例を示す図である。図において（ａ）は図１，２及び４で示した矩形状の溝２６１、（ｂ）は台形状の溝２６２、（ｃ）は円弧状の溝２６３を示し、ほぼ同様のフラックスバリヤとしての機能を果たすことができる。
【００２４】
図８は、本発明の第２実施例による永久磁石式回転電機を軸と直角方向に断面した図である。図において図１と同一物には同一符号を付したので、説明を割愛する。図１と異なるのは、永久磁石挿入孔２３と回転子表面間のブリッジ部２５の電気角４５[deg]と１３５[deg]の位置に軸方向に伸びる孔８１を設けたことである。
【００２５】
図９は、図８の第２の実施例における誘起電圧波形図である。縦軸を誘起電圧値とし横軸を回転子位置（機械角で表示）として、孔７１を設けた図８の実施例の誘起電圧波形９１と、孔７１を設けていない場合の誘起電圧波形９２（図３の３２と同一）を示す。その結果を用いて誘起電圧波形の歪み率Ｒを計算すると、誘起電圧波形９１の歪み率Ｒは８．０９％であり、ブリッジ部２５に孔７１を設けることにより誘起電圧波形の歪み率Ｒを低減できる。
【００２６】
この理由は孔７１を設けることによりブリッジ部２５に部分的に磁気飽和を起こし、回転子２０の表面磁束密度分布が正弦波状となり、誘起電圧波形の歪み率を低減することができる。
【００２７】
図１０は、本発明の第３実施例による永久磁石式回転電機を軸と直角方向に断面した図である。図において図７と同一物には同一符号を付したので、説明を割愛する。直線形状の永久磁石を使用した３相８極１２スロットの永久磁石式回転電機に適用したものであり、図８と異なるのは、回転子鉄心２１に形成された打抜の永久磁石挿入孔１０１に、直線形状の永久磁石１０２を、軸方向からＮ極とＳ極とが交互になるように８個挿入され、図８と同様のブリッジ部にフラックスバリヤとしての孔１０３を設けたものである。
【００２８】
図１１は、図１０の第３の実施例における誘起電圧波形図である。縦軸を誘起電圧値とし横軸を回転子位置（機械角で表示）として、孔１０３を設けた図１０の実施例の誘起電圧波形１１１と、孔１０３を設けていない場合の誘起電圧波形１１２を示す。その結果を用いて誘起電圧波形の歪み率Ｒを計算すると、誘起電圧波形１１１の歪み率は６．５３％であり、誘起電圧波形１１２の歪み率は１０．１１％であるため、直線形状の永久磁石１０２の場合であっても、ブリッジ部２５に孔１０３を設けることにより歪み率を約３/５に低減できる。
【００２９】
これは、第３実施例において、孔１０３を設けることによりブリッジ部２５に部分的に磁気飽和を起こし、回転子２０の表面磁束密度分布が正弦波状となり、誘起電圧波形の歪み率を低減することができる。
【００３０】
図１２は、本発明による永久磁石式回転電機を用いた発電システムの概略構成を示すブロック図である。発電システム１２０は、駆動源１２１と回転軸１２２を介して接続された、第１実施例から第３実施例に示される何れかの永久磁石式回転電機からなる発電機１２３を備え、前記永久磁石式回転電機１２３に３相の電力線１２４を介して接続された電力変換装置１２５と、前記電力変換装置１２５に３相或いは単相の電力線１２６により接続された出力端子１２７により構成されている。端子１２７と電力系統を接続することにより発電システム１２０より電力を電力系統に供給することができる。このような構成により、誘起電圧波形の歪み率を小さくできることから、回転電機１２３内に流れる高調波電流を少なくでき、損失が小さくなるので高効率な発電システムを提供することができる。
【００３１】
図１３は、本発明による永久磁石式回転電機を用いた駆動システムの概略構成を示すブロック図である。図において、電源１３１に単相或いは３相の電源線１３２により接続された電力変換装置１３３を備え、この電力変換装置１３３より３相の電力線１３４を介して接続された第１実施例から第３実施例に示される何れかの永久磁石式回転電機からなる電動機１３５を備え、前記永久磁石式回転電機１３５の回転軸１３６に接続された回転負荷１３７を駆動することのできる駆動システム１３０を示している。このように構成することにより、回転電機１３５内に流れる高調波電流を少なくでき、損失が小さくなるので高効率な駆動システムを提供することができる。
【００３２】
【発明の効果】
本発明によれば、誘起電圧波形歪み率が低減され、振動・騒音が小さく、あるいは効率を向上した永久磁石式回転電機を提供することができる。また、これを用いて高効率の発電システムあるいは振動・騒音の小さい駆動システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例による永久磁石式回転電機を軸と直角方向に断面した図。
【図２】図１における固定子ティース１２と回転子２０の関係を示す拡大図。
【図３】図１の実施例における効果を説明する誘起電圧波形図。
【図４】図１の要部の寸法関係を説明する拡大図。
【図５】図１において溝高さに対する波形歪み率Ｒの特性を示すグラフ。
【図６】図１において溝幅に対する波形歪み率Ｒの特性を示すグラフ。
【図７】図１における溝２６の変形例を示す図である。
【図８】本発明の第２の実施例による永久磁石式回転電機を軸と直角方向に断面した図。
【図９】図８の第２実施例の効果を示す誘起電圧波形図。
【図１０】本発明の第３の実施例による永久磁石式回転電機を軸と直角方向に断面した図。
【図１１】図１０の第３実施例における効果を示す誘起電圧波形図。
【図１２】本発明による永久磁石式回転電機を用いた発電システムの概略構成ブロック図。
【図１３】本発明による永久磁石式回転電機を用いた駆動システムの概略構成ブロック図。
【符号の説明】
１０…固定子、１１…固定子鉄心、１２…固定子ティース、１３…スロット、Ｇ…ギャップ、１４…固定子巻線（集中巻）、２０…回転子、２１…回転子鉄心、２２…回転軸、２３…永久磁石挿入孔、２４…永久磁石、２５…ブリッジ部、２６…フラックスバリヤとしての溝、２０１〜２０８…４５［deg］置きの補助線、２１０〜２１４…分割された磁路。

Claims (9)

1. 固定子鉄心のティースに集中巻を施した固定子と、永久磁石を埋め込んだ回転子とを備えた永久磁石式回転電機において、磁極を構成する前記永久磁石と前記回転子の外周表面間のブリッジ部で、前記永久磁石の幅を両端部各１に対して中央部が２以上となるように３分割する位置に、軸方向に伸びるフラックスバリヤを回転子の各磁極毎に２個設け、かつ前記フラックスバリヤの高さをｔ [ ｍｍ ] 、前記ブリッジ部の厚さをｈ [ ｍｍ ] とし、ｔ＝Ｃ１・ｈと表したとき、高さ係数Ｃ１を、０．２≦Ｃ１≦０．６としたことを特徴とする永久磁石式回転電機。
2. 固定子鉄心のティースに集中巻を施した固定子と、永久磁石を埋め込んだ回転子とを備えた永久磁石式回転電機において、磁極を構成する前記永久磁石と前記回転子の外周表面間のブリッジ部に、各磁極の幅を両端部各１に対して中央部が２以上となるように３分割するように、軸方向に伸びるフラックスバリヤを回転子の各磁極毎に２個設け、かつ前記フラックスバリヤの高さをｔ [ ｍｍ ] 、前記ブリッジ部の厚さをｈ [ ｍｍ ] とし、ｔ＝Ｃ１・ｈと表したとき、高さ係数Ｃ１を、０．２≦Ｃ１≦０．６としたことを特徴とする永久磁石式回転電機。
3. 請求項１又は２において、前記フラックスバリヤを、回転子の外周全体に亘って等間隔となるように設けたことを特徴とする永久磁石式回転電機。
4. 請求項１〜３のうちいずれかにおいて、前記フラックスバリヤは、前記永久磁石を挿入する回転子鉄心の磁石挿入孔に連なる溝であることを特徴とする永久磁石式回転電機。
5. 請求項４において、前記溝は、矩形，台形或は半円状の溝であることを特徴とする永久磁石式回転電機。
6. 請求項１〜３のうちいずれかにおいて、前記フラックスバリヤは、前記ブリッジ部の鉄心に設けられた孔であることを特徴とする永久磁石式回転電機。
7. 請求項１〜６のいずれかにおいて、隣接する前記溝或いは孔等のフラックスバリヤとの間の幅をＷ２ [ ｍｍ ] 、前記固定子鉄心のティース幅をＷｔ [ ｍｍ ] とし、Ｗ２＝Ｃ２・Ｗｔと表したとき、溝幅係数Ｃ２を０．５≦Ｃ２≦１．２としたことを特徴とする永久磁石式回転電機。
8. 駆動源と、この駆動源によって回転させられる請求項１〜８のうちいずれかの永久磁石式回転電機と、この永久磁石式回転電機が発生した交流電力を他の電力に変換する電力変換装置とを備えたことを特徴とする発電システム。
9. 電源と、その電力を受けて電力変換する電力変換装置と、この電力変換装置から給電される請求項１〜８のうちいずれかの永久磁石式回転電機と、この永久磁石式回転電機に連結された回転負荷とを備えたことを特徴とする駆動システム。

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