JP3787756B2 - 永久磁石式回転電機 - Google Patents
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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に係り、特に、空気調和機の圧縮機などに搭載される永久磁石式回転電機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の永久磁石式回転電機においては、様々な形状の永久磁石が採用されている。例えば、特開平６−３３９２４１号公報に記載の永久磁石式回転電機においては、固定子鉄心に形成された複数のティースを取り囲むように集中巻の電機子巻線が施された固定子と、回転子鉄心に形成された複数の永久磁石挿入孔に永久磁石が納められた回転子とを有し、リラクタンストルクを利用して回転電機の出力を向上させようとしている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術は、固定子鉄心に形成された複数のティースを取り囲むように集中巻の電機子巻線が施された固定子と、回転子鉄心に形成された複数の永久磁石挿入孔に永久磁石が納められた回転子とを有し、リラクタンストルクの有効利用によって回転電気の効率を向上できるとしている。
【０００４】
しかし、集中巻にしたことにより、誘起電圧の有効範囲が狭くなり、誘起電圧を利用した位置センサレス１２０度通電インバータで回転電機を駆動したとき、誘起電圧による位置センサ信号が得られず、運転不能になる問題がある。
【０００５】
本発明の目的は、集中巻の固定子と磁石埋込形回転子とを用いた回転電機を位置センサレス１２０度通電インバータで駆動しても安定に駆動できる永久磁石式回転電機を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、固定子鉄心に形成された複数のティースを取り囲むように集中巻の電機子巻線が施された固定子と、回転子鉄心に形成された複数の永久磁石挿入孔に永久磁石が納められた回転子とを有する永久磁石式回転電機において、永久磁石を回転子の軸に対して凸のＶ字またはＵ字形状とし、回転子鉄心の外周面の極間に略Ｖ字形状の凹部を形成した永久磁石式回転電機を提案する。
【０００７】
本発明は、また、固定子鉄心に形成された複数のティースを取り囲むように集中巻の電機子巻線が施された固定子と、回転子鉄心に形成された複数の永久磁石挿入孔に永久磁石が納められた回転子とを有する永久磁石式回転電機において、永久磁石を回転子の軸に対して凸のＶ字またはＵ字形状とし、回転子鉄心の外周面の極間に略Ｖ字形状の凹部を形成し、永久磁石の外周側の回転子鉄心に回転子の径方向に伸びた複数のスリットを形成した永久磁石式回転電機を提案する。
【０００８】
本発明は、さらに、固定子鉄心に形成された複数のティースを取り囲むように集中巻の電機子巻線が施された固定子と、回転子鉄心に形成された複数の永久磁石挿入孔に永久磁石が納められた回転子とを有する永久磁石式回転電機において、固定子鉄心のティース中央部に回転子の径方向に伸びたスリットを形成し、永久磁石を回転子の軸に対して凸のＶ字またはＵ字形状とし、回転子鉄心の外周面の極間に略Ｖ字形状の凹部を形成した永久磁石式回転電機を提案する。
【０００９】
本発明は、固定子鉄心に形成された複数のティースを取り囲むように集中巻の電機子巻線が施された固定子と、回転子鉄心に形成された複数の永久磁石挿入孔に永久磁石が納められた回転子とを有する永久磁石式回転電機において、固定子鉄心のティース中央部に回転子の径方向に伸びたスリットを形成し、永久磁石を回転子の軸に対して凸のＶ字またはＵ字形状とし、回転子鉄心の外周面の極間に略Ｖ字形状の凹部を形成し、永久磁石の外周側の回転子鉄心に回転子の径方向に伸びた複数のスリットを形成した永久磁石式回転電機を提案する。
【００１０】
本発明は、上記目的を達成するために、固定子鉄心に形成された複数のティースを取り囲むように集中巻の電機子巻線が施された固定子と、回転子鉄心に形成された複数の永久磁石挿入孔に永久磁石が納められた回転子とを有する永久磁石式回転電機において、永久磁石を回転子の軸に対して凸のＶ字またはＵ字形状とし、回転子鉄心の外周面の極間に略Ｖ字形状の凹部を複数個形成した永久磁石式回転電機を提案する。
【００１１】
本発明は、また、固定子鉄心に形成された複数のティースを取り囲むように集中巻の電機子巻線が施された固定子と、回転子鉄心に形成された複数の永久磁石挿入孔に永久磁石が納められた回転子とを有する永久磁石式回転電機において、永久磁石を回転子の軸に対して凸のＶ字またはＵ字形状とし、回転子鉄心の外周面の極間に略Ｖ字形状の凹部を複数個形成し、永久磁石の外周側の回転子鉄心に回転子の径方向に伸びた複数のスリットを形成した永久磁石式回転電機を提案する。
【００１２】
本発明は、さらに、固定子鉄心に形成された複数のティースを取り囲むように集中巻の電機子巻線が施された固定子と、回転子鉄心に形成された複数の永久磁石挿入孔に永久磁石が納められた回転子とを有する永久磁石式回転電機において、永久磁石を回転子の軸に対して凸のＶ字またはＵ字形状とし、回転子鉄心の外周面の極間に略コ字形状の凹部を複数個形成した永久磁石式回転電機を提案する。
【００１３】
本発明は、固定子鉄心に形成された複数のティースを取り囲むように集中巻の電機子巻線が施された固定子と、回転子鉄心に形成された複数の永久磁石挿入孔に永久磁石が納められた回転子とを有する永久磁石式回転電機において、永久磁石を回転子の軸に対して凸のＶ字またはＵ字形状とし、回転子鉄心の外周面の極間に略コ字形状の凹部を複数個形成し、永久磁石の外周側の回転子鉄心に回転子の径方向に伸びた複数のスリットを形成した永久磁石式回転電機を提案する。
【００１４】
本発明は、上記目的を達成するために、固定子鉄心に形成された複数のティースを取り囲むように集中巻の電機子巻線が施された固定子と、回転子鉄心に形成された複数の永久磁石挿入孔に永久磁石が納められた回転子とを有する永久磁石式回転電機において、固定子鉄心のティース中央部に回転子の径方向に伸びたスリットを形成し、永久磁石を回転子の軸に対して凸のＶ字またはＵ字形状とし、回転子鉄心の外周面の極間に略Ｖ字形状の凹部を複数個形成した永久磁石式回転電機を提案する。
【００１５】
本発明は、また、固定子鉄心に形成された複数のティースを取り囲むように集中巻の電機子巻線が施された固定子と、回転子鉄心に形成された複数の永久磁石挿入孔に永久磁石が納められた回転子とを有する永久磁石式回転電機において、固定子鉄心のティース中央部に回転子の径方向に伸びたスリットを形成し、永久磁石を回転子の軸に対して凸のＶ字またはＵ字形状とし、回転子鉄心の外周面の極間に略Ｖ字形状の凹部を複数個形成し、永久磁石の外周側の回転子鉄心に回転子の径方向に伸びた複数のスリットを形成した永久磁石式回転電機を提案する。
【００１６】
本発明は、さらに、固定子鉄心に形成された複数のティースを取り囲むように集中巻の電機子巻線が施された固定子と、回転子鉄心に形成された複数の永久磁石挿入孔に永久磁石が納められた回転子とを有する永久磁石式回転電機において、固定子鉄心のティース中央部に回転子の径方向に伸びたスリットを形成し、永久磁石を回転子の軸に対して凸のＶ字またはＵ字形状とし、回転子鉄心の外周面の極間に略コ字形状の凹部を複数個形成した永久磁石式回転電機を提案する。
【００１７】
本発明は、固定子鉄心に形成された複数のティースを取り囲むように集中巻の電機子巻線が施された固定子と、回転子鉄心に形成された複数の永久磁石挿入孔に永久磁石が納められた回転子とを有する永久磁石式回転電機において、固定子鉄心のティース中央部に回転子の径方向に伸びたスリットを形成し、永久磁石を回転子の軸に対して凸のＶ字またはＵ字形状とし、回転子鉄心の外周面の極間に略コ字形状の凹部を複数個形成し、永久磁石の外周側の回転子鉄心に回転子の径方向に伸びた複数のスリットを形成した永久磁石式回転電機を提案する。
【００１８】
前記回転子外周面に形成した複数個の略Ｖ字形状または略コ字形状の凹部間に凸部鉄心を配置し、凸部鉄心の最内周側の幅を永久磁石挿入孔の最外周側の周方向距離よりも大きくすることもできる。
【００１９】
上記いずれかの永久磁石式回転電機においては、回転子外周面と略Ｖ字形状または略コ字形状の凹部との両交点が回転子軸となす角度をθ2とし、３６０度／極数の値をθ4としたとき、θ2／θ4が、６６.７％以上ないし８５.７％以内とすることが望ましい。
【００２０】
位置センサレス１２０度通電インバータで駆動する場合、回転電機の誘起電圧を検出して、位置を検出する。すなわち、１２０度の通電区間に対し、３０度の非通電区間では、回転電機の端子間に誘起電圧が現れ、そのゼロクロスポイントから位置を検出する。
【００２１】
巻線には電機子電流が流れており、３０度区間に転流させる必要がある。しかし、集中巻自体は、インダクタンスが大きく、かつ、誘起電圧範囲が狭いため、電機子電流を速やかには減少できない。
【００２２】
その対策としては、巻線のインダクタンスを低減すればよいと考えられる。
【００２３】
しかし、巻線自体の漏れインダクタンスは、構造上から規定されており、かつ、大きさが小さいから、横軸インダクタンスと呼ばれる回転子鉄心形状と電機子巻線との結合に基づいて発生するインダクタンスを低減すればよい。
【００２４】
本発明は、この方針を基礎としており、永久磁石を回転子の軸に対して凸のＶ字形状とし、回転子鉄心の外周面の極間に略Ｖ字形状の凹部を形成したことにより、永久磁石の漏れ磁束が減少して磁石磁束によるトルクが増大し、かつ、電機子電流が作る電機子反作用磁束を小さくしている。
【００２５】
したがって、横軸インダクタンスが小さくなり、電機子電流を速やかに転流させることができ、位置センサレス１２０度通電インバータで駆動しても安定に駆動できる永久磁石式回転電機が得られる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
次に、図１〜図１０を参照して、本発明による永久磁石式回転電機の実施形態を説明する。
【００２７】
【実施形態１】
図１は、本発明による永久磁石式回転電機の実施形態１の径方向断面形状を示す断面図である。本実施形態１において、永久磁石式回転電機１の固定子６は、固定子鉄心２と、固定子鉄心２のティース３とともに形成した複数のスロット４内に巻装された電機子巻線５とで構成されている。電機子巻線５は、Ｕ相巻線５ＡとＶ相巻線５ＢとＷ相巻線５Ｃという集中巻からなる。永久磁石式回転電機１の回転子７は、回転子鉄心８と、回転子鉄心８に形成したＶ字の永久磁石挿入孔９に納められた永久磁石１０とで構成されている。回転子鉄心８には、図示しないシャフトをはめ込むためのシャフト嵌合孔１１が形成されている。なお、本実施形態１の場合の永久磁石１０は、４極である。
【００２８】
図２は、図１の回転子７を拡大して、回転子の径方向断面形状を示す断面図である。図２において、回転子７には、回転子鉄心８を固定するためのリベット孔１２と、Ｖ字形状の永久磁石１０間にＶ字形状の凹部１３とを形成してある。
【００２９】
回転子鉄心８の外周面とＶ字形状の凹部１３との両交点が回転子軸となす角度をθ2とし、永久磁石１０のＶ字形状挿入孔の最外周側の両内側端面が回転子軸となす角度をθ1としたとき、θ1＜θ2の関係としてある。また、３６０度／極数の値をθ4としたとき、θ2／θ4を６６.７％以上〜８５.７％以内に設定してある。
【００３０】
図３は、実施形態１の永久磁石式回転電機の特性を示す図である。横軸は、凹部１３が無いときのθ2／θ4の比率を１００％として規格化したθ2／θ4の比率を示し、縦軸は、凹部１３が無いときの効率を１.０ｐｕとして規格化したモータ効率を示している。図３には、転流の良否の検討結果を併せて記載した。
【００３１】
転流の良否は、位置センサレス１２０度通電インバータで回転電機を駆動したとき、誘起電圧による位置センサ信号が安定に得られ、電機子電流波形が安定している状態を〇印で示し、誘起電圧による位置センサ信号が間隔不安定となり、電機子電流波形にピーク電流が現れ、回転速度が不安定になった状態を×印で示した。
【００３２】
図３によれば、θ2／θ4が１００％，９０％の場合は、転流動作が不安定になるが、凹部１３を設けたことにより、モータ効率は向上する結果となった。
【００３３】
これに対して、θ2／θ4が８５.７％の場合は、転流動作が安定となり、凹部１３を設けたことにより、モータ効率も向上する結果となった。
【００３４】
位置センサレス１２０度通電インバータで駆動する場合、回転電機の誘起電圧を検出して、位置を検出する。すなわち、１２０度の通電区間に対し、３０度の非通電区間では、回転電機の端子間に誘起電圧が現れ、そのゼロクロスポイントから位置を検出する。
【００３５】
巻線には電機子電流が流れており、３０度区間に転流させる必要がある。しかし、集中巻自体は、インダクタンスが大きく、かつ、誘起電圧範囲が狭いため、電機子電流を速やかには減少できない。
【００３６】
その対策としては、巻線のインダクタンスを低減すればよいと考えられる。
【００３７】
しかし、巻線自体の漏れインダクタンスは、構造上から規定されており、かつ、大きさが小さいから、横軸インダクタンスと呼ばれる回転子鉄心形状と電機子巻線との結合に基づいて発生するインダクタンスを低減すればよい。
【００３８】
本実施形態１は、この方針を基礎としており、永久磁石を回転子の軸に対して凸のＶ字形状とし、回転子鉄心の外周面の極間に略Ｖ字形状の凹部を形成したことにより、永久磁石１０の漏れ磁束が減少して磁石磁束によるトルクが増大し、かつ、電機子電流が作る電機子反作用磁束を小さくしている。
【００３９】
したがって、横軸インダクタンスが小さくなり、電機子電流を速やかに転流させることができ、位置センサレス１２０度通電インバータで駆動しても安定に駆動できる永久磁石式回転電機が得られる。
【００４０】
さらに、θ2／θ4を７５.５％，６６.７％，５５％と小さくしていけば、転流動作は安定するが、モータ効率も低下する限界が現れることを実験により確認した。 転流動作の安定とモータ効率の向上という観点からすれば、θ2／θ4＝８５.７％からそれと同じモータ効率が得られるθ2／θ4＝６６.７％までの範囲が最適となる。θ2／θ4を６６.７％以上〜８５.７％以内に設定すると、モータ効率を約１.５％改善できる。このθ2／θ4＝６６.７％の角度は、永久磁石のＶ字形状挿入孔の最外周側の両外側端面が回転子軸となす角度θ3の値とする。
【００４１】
【実施形態２】
図４は、本発明による永久磁石式回転電機の実施形態２の回転子７を拡大して、回転子の径方向断面形状を示す断面図である。図４に示す実施形態２において、図２の実施形態１と異なる点は、永久磁石１０の形状をＵ字形状永久磁石１４にしたことである。
【００４２】
本実施形態２においても、図１実施形態１と同様の効果が得られる。
【００４３】
【実施形態３】
図５は、本発明による永久磁石式回転電機の実施形態３の回転子７を拡大して、回転子の径方向断面形状を示す断面図である。図５に示す実施形態３において、図２の実施形態１と異なる点は、永久磁石１０の上部に、θ4を三等分した場所すなわちθ4／３＝θ5＝θ6＝θ7の場所にスリット１５，１６を形成したことである。
【００４４】
本実施形態３においては、図２の実施形態１の形状に対して、電機子電流が作る電機子反作用磁束を更に小さくしているので、横軸インダクタンスがより小さくなり、電機子電流を速やかに転流させることができる。
【００４５】
【実施形態４】
図６は、本発明による永久磁石式回転電機の実施形態４の回転子７を拡大して、回転子の径方向断面形状を示す断面図である。図６に示す実施形態４において、図４の実施形態２と異なる点は、永久磁石１０の上部に、θ4を三等分した場所すなわちθ4／３＝θ5＝θ6＝θ7の場所にスリット１５，１６を形成したことである。
【００４６】
本実施形態４においては、図４の実施形態２の形状に対して、電機子電流が作る電機子反作用磁束を更に小さくしているので、横軸インダクタンスがより小さくなり、電機子電流を速やかに転流させることができる。
【００４７】
【実施形態５】
図７は、本発明による永久磁石式回転電機の実施形態５の径方向断面形状を示す断面図である。図７に示す実施形態５において、図１の実施形態１と異なる点は、固定子鉄心２のティース３の中央部に固定子スリット１７を設けたことである。
【００４８】
本実施形態５においては、図１の実施形態１の形状に対して、永久磁石１０の漏れ磁束を減少する方向に固定子スリット１７が作用するため、磁石磁束によるトルクが増大し、モータ効率を上げることができる。
【００４９】
【実施形態６】
図８は、本発明による永久磁石式回転電機の実施形態６の回転子７を拡大して、回転子の径方向断面形状を示す断面図である。図８に示す実施形態６において、図２の実施形態１と異なる点は、回転子７の外周面とＶ字形状凹部１９，２０との両交点が回転子軸となす角度をθ8とし、永久磁石のＶ字形状挿入孔の最外周側の両内側端面が回転子軸となす角度をθ2としたとき、θ8＜θ2の関係に設定していることである。その結果、Ｖ字形状の永久磁石１０間に、凸部１８が形成されている。
【００５０】
本実施形態６においては、図２の実施形態１の形状に対して、電機子電流が作る電機子反作用磁束が若干大きく、横軸インダクタンスが若干大きくなるが、総合的には、横軸インダクタンスが小さくなり、電機子電流を速やかに転流させることができる。
【００５１】
【実施形態７】
図９は、本発明による永久磁石式回転電機の実施形態７の回転子７を拡大して、回転子の径方向断面形状を示す断面図である。図９に示す実施形態７において、図８の実施形態６と異なる点は、永久磁石１０の上部に、スリット１５，１６を形成したことである。
【００５２】
本実施形態７においては、図８の実施形態６の形状に対して、電機子電流が作る電機子反作用磁束を更に小さくしているので、横軸インダクタンスがより小さくなり、電機子電流を速やかに転流させることができる。
【００５３】
【実施形態８】
図１０は、本発明による永久磁石式回転電機の実施形態８の回転子７を拡大して、回転子の径方向断面形状を示す断面図である。図１０に示す実施形態８において、図８の実施形態６と異なる点は、回転子７の外周面とコ字形状凹部２２、２３との両交点が回転子軸となす角度をθ8とし、永久磁石のＶ字形状挿入孔の最外周側の両内側端面が回転子軸となす角度をθ2としたとき、θ8＜θ2の関係に設定していることである。また、永久磁石挿入孔９の径方向位置と、コ字形状凹部２２，２３の径方向位置とをずらして配置している。その結果、コ字形状凹部２２，２３間には、凸部２１が形成されている。
【００５４】
本実施形態８においては、図８の実施形態６の形状に対して、電機子電流が作る電機子反作用磁束が若干大きく、横軸インダクタンスが若干大きくなるが、総合的には、横軸インダクタンスが小さくなり、電機子電流を速やかに転流させることができる。
【００５５】
【発明の効果】
本発明によれば、永久磁石を回転子の軸に対して凸のＵ字またはＶ字形状とし、回転子鉄心の外周面の極間に略Ｖ字形状の凹部を形成し、磁石磁束によるトルクを増大させ、しかも、電機子電流が作る電機子反作用磁束を小さくしているので、横軸インダクタンスが小さくなり、電機子電流を速やかに転流させ、位置センサレス１２０度通電インバータで駆動しても安定に駆動できる永久磁石式回転電機が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による永久磁石式回転電機の実施形態１の径方向断面形状を示す断面図である。
【図２】図１の回転子７を拡大して、回転子の径方向断面形状を示す断面図である。
【図３】実施形態１の永久磁石式回転電機の特性を示す図である。
【図４】本発明による永久磁石式回転電機の実施形態２の回転子７を拡大して、回転子の径方向断面形状を示す断面図である。
【図５】本発明による永久磁石式回転電機の実施形態３の回転子７を拡大して、回転子の径方向断面形状を示す断面図である。
【図６】本発明による永久磁石式回転電機の実施形態４の回転子７を拡大して、回転子の径方向断面形状を示す断面図である。
【図７】本発明による永久磁石式回転電機の実施形態５の径方向断面形状を示す断面図である。
【図８】本発明による永久磁石式回転電機の実施形態６の回転子７を拡大して、回転子の径方向断面形状を示す断面図である。
【図９】本発明による永久磁石式回転電機の実施形態７の回転子７を拡大して、回転子の径方向断面形状を示す断面図である。
【図１０】本発明による永久磁石式回転電機の実施形態８の回転子７を拡大して、回転子の径方向断面形状を示す断面図である。
【符号の説明】
１ 永久磁石式回転電機
２ 固定子鉄心
３ ティース
４ スロット
５ 電機子巻線
６ 固定子
７ 回転子
８ 回転子鉄心
９ 永久磁石挿入孔
１０ 永久磁石
１１ シャフト嵌合孔
１２ リベット孔
１３ 凹部
１４ Ｕ字形状永久磁石
１５ スリット
１６ スリット
１７ 固定子スリット
１８ 凸部
１９ Ｖ字形状凹部
２０ Ｖ字形状凹部
２１ 凸部
２２ コ字形状凹部
２３ コ字形状凹部
【発明の属する技術分野】
本発明は、永久磁石式回転電機に係り、特に、空気調和機の圧縮機などに搭載される永久磁石式回転電機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の永久磁石式回転電機においては、様々な形状の永久磁石が採用されている。例えば、特開平６−３３９２４１号公報に記載の永久磁石式回転電機においては、固定子鉄心に形成された複数のティースを取り囲むように集中巻の電機子巻線が施された固定子と、回転子鉄心に形成された複数の永久磁石挿入孔に永久磁石が納められた回転子とを有し、リラクタンストルクを利用して回転電機の出力を向上させようとしている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術は、固定子鉄心に形成された複数のティースを取り囲むように集中巻の電機子巻線が施された固定子と、回転子鉄心に形成された複数の永久磁石挿入孔に永久磁石が納められた回転子とを有し、リラクタンストルクの有効利用によって回転電気の効率を向上できるとしている。
【０００４】
しかし、集中巻にしたことにより、誘起電圧の有効範囲が狭くなり、誘起電圧を利用した位置センサレス１２０度通電インバータで回転電機を駆動したとき、誘起電圧による位置センサ信号が得られず、運転不能になる問題がある。
【０００５】
本発明の目的は、集中巻の固定子と磁石埋込形回転子とを用いた回転電機を位置センサレス１２０度通電インバータで駆動しても安定に駆動できる永久磁石式回転電機を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、固定子鉄心に形成された複数のティースを取り囲むように集中巻の電機子巻線が施された固定子と、回転子鉄心に形成された複数の永久磁石挿入孔に永久磁石が納められた回転子とを有する永久磁石式回転電機において、永久磁石を回転子の軸に対して凸のＶ字またはＵ字形状とし、回転子鉄心の外周面の極間に略Ｖ字形状の凹部を形成した永久磁石式回転電機を提案する。
【０００７】
本発明は、また、固定子鉄心に形成された複数のティースを取り囲むように集中巻の電機子巻線が施された固定子と、回転子鉄心に形成された複数の永久磁石挿入孔に永久磁石が納められた回転子とを有する永久磁石式回転電機において、永久磁石を回転子の軸に対して凸のＶ字またはＵ字形状とし、回転子鉄心の外周面の極間に略Ｖ字形状の凹部を形成し、永久磁石の外周側の回転子鉄心に回転子の径方向に伸びた複数のスリットを形成した永久磁石式回転電機を提案する。
【０００８】
本発明は、さらに、固定子鉄心に形成された複数のティースを取り囲むように集中巻の電機子巻線が施された固定子と、回転子鉄心に形成された複数の永久磁石挿入孔に永久磁石が納められた回転子とを有する永久磁石式回転電機において、固定子鉄心のティース中央部に回転子の径方向に伸びたスリットを形成し、永久磁石を回転子の軸に対して凸のＶ字またはＵ字形状とし、回転子鉄心の外周面の極間に略Ｖ字形状の凹部を形成した永久磁石式回転電機を提案する。
【０００９】
本発明は、固定子鉄心に形成された複数のティースを取り囲むように集中巻の電機子巻線が施された固定子と、回転子鉄心に形成された複数の永久磁石挿入孔に永久磁石が納められた回転子とを有する永久磁石式回転電機において、固定子鉄心のティース中央部に回転子の径方向に伸びたスリットを形成し、永久磁石を回転子の軸に対して凸のＶ字またはＵ字形状とし、回転子鉄心の外周面の極間に略Ｖ字形状の凹部を形成し、永久磁石の外周側の回転子鉄心に回転子の径方向に伸びた複数のスリットを形成した永久磁石式回転電機を提案する。
【００１０】
本発明は、上記目的を達成するために、固定子鉄心に形成された複数のティースを取り囲むように集中巻の電機子巻線が施された固定子と、回転子鉄心に形成された複数の永久磁石挿入孔に永久磁石が納められた回転子とを有する永久磁石式回転電機において、永久磁石を回転子の軸に対して凸のＶ字またはＵ字形状とし、回転子鉄心の外周面の極間に略Ｖ字形状の凹部を複数個形成した永久磁石式回転電機を提案する。
【００１１】
本発明は、また、固定子鉄心に形成された複数のティースを取り囲むように集中巻の電機子巻線が施された固定子と、回転子鉄心に形成された複数の永久磁石挿入孔に永久磁石が納められた回転子とを有する永久磁石式回転電機において、永久磁石を回転子の軸に対して凸のＶ字またはＵ字形状とし、回転子鉄心の外周面の極間に略Ｖ字形状の凹部を複数個形成し、永久磁石の外周側の回転子鉄心に回転子の径方向に伸びた複数のスリットを形成した永久磁石式回転電機を提案する。
【００１２】
本発明は、さらに、固定子鉄心に形成された複数のティースを取り囲むように集中巻の電機子巻線が施された固定子と、回転子鉄心に形成された複数の永久磁石挿入孔に永久磁石が納められた回転子とを有する永久磁石式回転電機において、永久磁石を回転子の軸に対して凸のＶ字またはＵ字形状とし、回転子鉄心の外周面の極間に略コ字形状の凹部を複数個形成した永久磁石式回転電機を提案する。
【００１３】
本発明は、固定子鉄心に形成された複数のティースを取り囲むように集中巻の電機子巻線が施された固定子と、回転子鉄心に形成された複数の永久磁石挿入孔に永久磁石が納められた回転子とを有する永久磁石式回転電機において、永久磁石を回転子の軸に対して凸のＶ字またはＵ字形状とし、回転子鉄心の外周面の極間に略コ字形状の凹部を複数個形成し、永久磁石の外周側の回転子鉄心に回転子の径方向に伸びた複数のスリットを形成した永久磁石式回転電機を提案する。
【００１４】
本発明は、上記目的を達成するために、固定子鉄心に形成された複数のティースを取り囲むように集中巻の電機子巻線が施された固定子と、回転子鉄心に形成された複数の永久磁石挿入孔に永久磁石が納められた回転子とを有する永久磁石式回転電機において、固定子鉄心のティース中央部に回転子の径方向に伸びたスリットを形成し、永久磁石を回転子の軸に対して凸のＶ字またはＵ字形状とし、回転子鉄心の外周面の極間に略Ｖ字形状の凹部を複数個形成した永久磁石式回転電機を提案する。
【００１５】
本発明は、また、固定子鉄心に形成された複数のティースを取り囲むように集中巻の電機子巻線が施された固定子と、回転子鉄心に形成された複数の永久磁石挿入孔に永久磁石が納められた回転子とを有する永久磁石式回転電機において、固定子鉄心のティース中央部に回転子の径方向に伸びたスリットを形成し、永久磁石を回転子の軸に対して凸のＶ字またはＵ字形状とし、回転子鉄心の外周面の極間に略Ｖ字形状の凹部を複数個形成し、永久磁石の外周側の回転子鉄心に回転子の径方向に伸びた複数のスリットを形成した永久磁石式回転電機を提案する。
【００１６】
本発明は、さらに、固定子鉄心に形成された複数のティースを取り囲むように集中巻の電機子巻線が施された固定子と、回転子鉄心に形成された複数の永久磁石挿入孔に永久磁石が納められた回転子とを有する永久磁石式回転電機において、固定子鉄心のティース中央部に回転子の径方向に伸びたスリットを形成し、永久磁石を回転子の軸に対して凸のＶ字またはＵ字形状とし、回転子鉄心の外周面の極間に略コ字形状の凹部を複数個形成した永久磁石式回転電機を提案する。
【００１７】
本発明は、固定子鉄心に形成された複数のティースを取り囲むように集中巻の電機子巻線が施された固定子と、回転子鉄心に形成された複数の永久磁石挿入孔に永久磁石が納められた回転子とを有する永久磁石式回転電機において、固定子鉄心のティース中央部に回転子の径方向に伸びたスリットを形成し、永久磁石を回転子の軸に対して凸のＶ字またはＵ字形状とし、回転子鉄心の外周面の極間に略コ字形状の凹部を複数個形成し、永久磁石の外周側の回転子鉄心に回転子の径方向に伸びた複数のスリットを形成した永久磁石式回転電機を提案する。
【００１８】
前記回転子外周面に形成した複数個の略Ｖ字形状または略コ字形状の凹部間に凸部鉄心を配置し、凸部鉄心の最内周側の幅を永久磁石挿入孔の最外周側の周方向距離よりも大きくすることもできる。
【００１９】
上記いずれかの永久磁石式回転電機においては、回転子外周面と略Ｖ字形状または略コ字形状の凹部との両交点が回転子軸となす角度をθ2とし、３６０度／極数の値をθ4としたとき、θ2／θ4が、６６.７％以上ないし８５.７％以内とすることが望ましい。
【００２０】
位置センサレス１２０度通電インバータで駆動する場合、回転電機の誘起電圧を検出して、位置を検出する。すなわち、１２０度の通電区間に対し、３０度の非通電区間では、回転電機の端子間に誘起電圧が現れ、そのゼロクロスポイントから位置を検出する。
【００２１】
巻線には電機子電流が流れており、３０度区間に転流させる必要がある。しかし、集中巻自体は、インダクタンスが大きく、かつ、誘起電圧範囲が狭いため、電機子電流を速やかには減少できない。
【００２２】
その対策としては、巻線のインダクタンスを低減すればよいと考えられる。
【００２３】
しかし、巻線自体の漏れインダクタンスは、構造上から規定されており、かつ、大きさが小さいから、横軸インダクタンスと呼ばれる回転子鉄心形状と電機子巻線との結合に基づいて発生するインダクタンスを低減すればよい。
【００２４】
本発明は、この方針を基礎としており、永久磁石を回転子の軸に対して凸のＶ字形状とし、回転子鉄心の外周面の極間に略Ｖ字形状の凹部を形成したことにより、永久磁石の漏れ磁束が減少して磁石磁束によるトルクが増大し、かつ、電機子電流が作る電機子反作用磁束を小さくしている。
【００２５】
したがって、横軸インダクタンスが小さくなり、電機子電流を速やかに転流させることができ、位置センサレス１２０度通電インバータで駆動しても安定に駆動できる永久磁石式回転電機が得られる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
次に、図１〜図１０を参照して、本発明による永久磁石式回転電機の実施形態を説明する。
【００２７】
【実施形態１】
図１は、本発明による永久磁石式回転電機の実施形態１の径方向断面形状を示す断面図である。本実施形態１において、永久磁石式回転電機１の固定子６は、固定子鉄心２と、固定子鉄心２のティース３とともに形成した複数のスロット４内に巻装された電機子巻線５とで構成されている。電機子巻線５は、Ｕ相巻線５ＡとＶ相巻線５ＢとＷ相巻線５Ｃという集中巻からなる。永久磁石式回転電機１の回転子７は、回転子鉄心８と、回転子鉄心８に形成したＶ字の永久磁石挿入孔９に納められた永久磁石１０とで構成されている。回転子鉄心８には、図示しないシャフトをはめ込むためのシャフト嵌合孔１１が形成されている。なお、本実施形態１の場合の永久磁石１０は、４極である。
【００２８】
図２は、図１の回転子７を拡大して、回転子の径方向断面形状を示す断面図である。図２において、回転子７には、回転子鉄心８を固定するためのリベット孔１２と、Ｖ字形状の永久磁石１０間にＶ字形状の凹部１３とを形成してある。
【００２９】
回転子鉄心８の外周面とＶ字形状の凹部１３との両交点が回転子軸となす角度をθ2とし、永久磁石１０のＶ字形状挿入孔の最外周側の両内側端面が回転子軸となす角度をθ1としたとき、θ1＜θ2の関係としてある。また、３６０度／極数の値をθ4としたとき、θ2／θ4を６６.７％以上〜８５.７％以内に設定してある。
【００３０】
図３は、実施形態１の永久磁石式回転電機の特性を示す図である。横軸は、凹部１３が無いときのθ2／θ4の比率を１００％として規格化したθ2／θ4の比率を示し、縦軸は、凹部１３が無いときの効率を１.０ｐｕとして規格化したモータ効率を示している。図３には、転流の良否の検討結果を併せて記載した。
【００３１】
転流の良否は、位置センサレス１２０度通電インバータで回転電機を駆動したとき、誘起電圧による位置センサ信号が安定に得られ、電機子電流波形が安定している状態を〇印で示し、誘起電圧による位置センサ信号が間隔不安定となり、電機子電流波形にピーク電流が現れ、回転速度が不安定になった状態を×印で示した。
【００３２】
図３によれば、θ2／θ4が１００％，９０％の場合は、転流動作が不安定になるが、凹部１３を設けたことにより、モータ効率は向上する結果となった。
【００３３】
これに対して、θ2／θ4が８５.７％の場合は、転流動作が安定となり、凹部１３を設けたことにより、モータ効率も向上する結果となった。
【００３４】
位置センサレス１２０度通電インバータで駆動する場合、回転電機の誘起電圧を検出して、位置を検出する。すなわち、１２０度の通電区間に対し、３０度の非通電区間では、回転電機の端子間に誘起電圧が現れ、そのゼロクロスポイントから位置を検出する。
【００３５】
巻線には電機子電流が流れており、３０度区間に転流させる必要がある。しかし、集中巻自体は、インダクタンスが大きく、かつ、誘起電圧範囲が狭いため、電機子電流を速やかには減少できない。
【００３６】
その対策としては、巻線のインダクタンスを低減すればよいと考えられる。
【００３７】
しかし、巻線自体の漏れインダクタンスは、構造上から規定されており、かつ、大きさが小さいから、横軸インダクタンスと呼ばれる回転子鉄心形状と電機子巻線との結合に基づいて発生するインダクタンスを低減すればよい。
【００３８】
本実施形態１は、この方針を基礎としており、永久磁石を回転子の軸に対して凸のＶ字形状とし、回転子鉄心の外周面の極間に略Ｖ字形状の凹部を形成したことにより、永久磁石１０の漏れ磁束が減少して磁石磁束によるトルクが増大し、かつ、電機子電流が作る電機子反作用磁束を小さくしている。
【００３９】
したがって、横軸インダクタンスが小さくなり、電機子電流を速やかに転流させることができ、位置センサレス１２０度通電インバータで駆動しても安定に駆動できる永久磁石式回転電機が得られる。
【００４０】
さらに、θ2／θ4を７５.５％，６６.７％，５５％と小さくしていけば、転流動作は安定するが、モータ効率も低下する限界が現れることを実験により確認した。 転流動作の安定とモータ効率の向上という観点からすれば、θ2／θ4＝８５.７％からそれと同じモータ効率が得られるθ2／θ4＝６６.７％までの範囲が最適となる。θ2／θ4を６６.７％以上〜８５.７％以内に設定すると、モータ効率を約１.５％改善できる。このθ2／θ4＝６６.７％の角度は、永久磁石のＶ字形状挿入孔の最外周側の両外側端面が回転子軸となす角度θ3の値とする。
【００４１】
【実施形態２】
図４は、本発明による永久磁石式回転電機の実施形態２の回転子７を拡大して、回転子の径方向断面形状を示す断面図である。図４に示す実施形態２において、図２の実施形態１と異なる点は、永久磁石１０の形状をＵ字形状永久磁石１４にしたことである。
【００４２】
本実施形態２においても、図１実施形態１と同様の効果が得られる。
【００４３】
【実施形態３】
図５は、本発明による永久磁石式回転電機の実施形態３の回転子７を拡大して、回転子の径方向断面形状を示す断面図である。図５に示す実施形態３において、図２の実施形態１と異なる点は、永久磁石１０の上部に、θ4を三等分した場所すなわちθ4／３＝θ5＝θ6＝θ7の場所にスリット１５，１６を形成したことである。
【００４４】
本実施形態３においては、図２の実施形態１の形状に対して、電機子電流が作る電機子反作用磁束を更に小さくしているので、横軸インダクタンスがより小さくなり、電機子電流を速やかに転流させることができる。
【００４５】
【実施形態４】
図６は、本発明による永久磁石式回転電機の実施形態４の回転子７を拡大して、回転子の径方向断面形状を示す断面図である。図６に示す実施形態４において、図４の実施形態２と異なる点は、永久磁石１０の上部に、θ4を三等分した場所すなわちθ4／３＝θ5＝θ6＝θ7の場所にスリット１５，１６を形成したことである。
【００４６】
本実施形態４においては、図４の実施形態２の形状に対して、電機子電流が作る電機子反作用磁束を更に小さくしているので、横軸インダクタンスがより小さくなり、電機子電流を速やかに転流させることができる。
【００４７】
【実施形態５】
図７は、本発明による永久磁石式回転電機の実施形態５の径方向断面形状を示す断面図である。図７に示す実施形態５において、図１の実施形態１と異なる点は、固定子鉄心２のティース３の中央部に固定子スリット１７を設けたことである。
【００４８】
本実施形態５においては、図１の実施形態１の形状に対して、永久磁石１０の漏れ磁束を減少する方向に固定子スリット１７が作用するため、磁石磁束によるトルクが増大し、モータ効率を上げることができる。
【００４９】
【実施形態６】
図８は、本発明による永久磁石式回転電機の実施形態６の回転子７を拡大して、回転子の径方向断面形状を示す断面図である。図８に示す実施形態６において、図２の実施形態１と異なる点は、回転子７の外周面とＶ字形状凹部１９，２０との両交点が回転子軸となす角度をθ8とし、永久磁石のＶ字形状挿入孔の最外周側の両内側端面が回転子軸となす角度をθ2としたとき、θ8＜θ2の関係に設定していることである。その結果、Ｖ字形状の永久磁石１０間に、凸部１８が形成されている。
【００５０】
本実施形態６においては、図２の実施形態１の形状に対して、電機子電流が作る電機子反作用磁束が若干大きく、横軸インダクタンスが若干大きくなるが、総合的には、横軸インダクタンスが小さくなり、電機子電流を速やかに転流させることができる。
【００５１】
【実施形態７】
図９は、本発明による永久磁石式回転電機の実施形態７の回転子７を拡大して、回転子の径方向断面形状を示す断面図である。図９に示す実施形態７において、図８の実施形態６と異なる点は、永久磁石１０の上部に、スリット１５，１６を形成したことである。
【００５２】
本実施形態７においては、図８の実施形態６の形状に対して、電機子電流が作る電機子反作用磁束を更に小さくしているので、横軸インダクタンスがより小さくなり、電機子電流を速やかに転流させることができる。
【００５３】
【実施形態８】
図１０は、本発明による永久磁石式回転電機の実施形態８の回転子７を拡大して、回転子の径方向断面形状を示す断面図である。図１０に示す実施形態８において、図８の実施形態６と異なる点は、回転子７の外周面とコ字形状凹部２２、２３との両交点が回転子軸となす角度をθ8とし、永久磁石のＶ字形状挿入孔の最外周側の両内側端面が回転子軸となす角度をθ2としたとき、θ8＜θ2の関係に設定していることである。また、永久磁石挿入孔９の径方向位置と、コ字形状凹部２２，２３の径方向位置とをずらして配置している。その結果、コ字形状凹部２２，２３間には、凸部２１が形成されている。
【００５４】
本実施形態８においては、図８の実施形態６の形状に対して、電機子電流が作る電機子反作用磁束が若干大きく、横軸インダクタンスが若干大きくなるが、総合的には、横軸インダクタンスが小さくなり、電機子電流を速やかに転流させることができる。
【００５５】
【発明の効果】
本発明によれば、永久磁石を回転子の軸に対して凸のＵ字またはＶ字形状とし、回転子鉄心の外周面の極間に略Ｖ字形状の凹部を形成し、磁石磁束によるトルクを増大させ、しかも、電機子電流が作る電機子反作用磁束を小さくしているので、横軸インダクタンスが小さくなり、電機子電流を速やかに転流させ、位置センサレス１２０度通電インバータで駆動しても安定に駆動できる永久磁石式回転電機が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による永久磁石式回転電機の実施形態１の径方向断面形状を示す断面図である。
【図２】図１の回転子７を拡大して、回転子の径方向断面形状を示す断面図である。
【図３】実施形態１の永久磁石式回転電機の特性を示す図である。
【図４】本発明による永久磁石式回転電機の実施形態２の回転子７を拡大して、回転子の径方向断面形状を示す断面図である。
【図５】本発明による永久磁石式回転電機の実施形態３の回転子７を拡大して、回転子の径方向断面形状を示す断面図である。
【図６】本発明による永久磁石式回転電機の実施形態４の回転子７を拡大して、回転子の径方向断面形状を示す断面図である。
【図７】本発明による永久磁石式回転電機の実施形態５の径方向断面形状を示す断面図である。
【図８】本発明による永久磁石式回転電機の実施形態６の回転子７を拡大して、回転子の径方向断面形状を示す断面図である。
【図９】本発明による永久磁石式回転電機の実施形態７の回転子７を拡大して、回転子の径方向断面形状を示す断面図である。
【図１０】本発明による永久磁石式回転電機の実施形態８の回転子７を拡大して、回転子の径方向断面形状を示す断面図である。
【符号の説明】
１ 永久磁石式回転電機
２ 固定子鉄心
３ ティース
４ スロット
５ 電機子巻線
６ 固定子
７ 回転子
８ 回転子鉄心
９ 永久磁石挿入孔
１０ 永久磁石
１１ シャフト嵌合孔
１２ リベット孔
１３ 凹部
１４ Ｕ字形状永久磁石
１５ スリット
１６ スリット
１７ 固定子スリット
１８ 凸部
１９ Ｖ字形状凹部
２０ Ｖ字形状凹部
２１ 凸部
２２ コ字形状凹部
２３ コ字形状凹部
Claims (2)
- 固定子鉄心に形成された複数のティースを取り囲むように集中巻の電機子巻線が施された固定子と、回転子鉄心に形成された複数の永久磁石挿入孔に永久磁石が納められた回転子とを有する永久磁石式回転電機において、
前記永久磁石を平板形状として前記回転子の軸に対して凸のＶ字形状とし、
前記回転子鉄心の外周面の極間に固定子内周に対向する前記永久磁石の端面に沿って略Ｖ字形状の凹部を形成し、
前記回転子外周面と前記略Ｖ字形状の凹部との両交点が前記回転子軸となす角度をθ 2 とし、３６０度／極数の値をθ 4 としたとき、θ 2 ／θ 4 が、６６ . ７％以上ないし８５ . ７％以内であることを特徴とする永久磁石式回転電機。 - 固定子鉄心に形成された複数のティースを取り囲むように集中巻の電機子巻線が施された固定子と、回転子鉄心に形成された複数の永久磁石挿入孔に永久磁石が納められた回転子とを有する永久磁石式回転電機において、
前記永久磁石を平板形状として前記回転子の軸に対して凸のＶ字形状とし、かつ、Ｖ字の頂点に鉄心部を形成するとともに、前記回転子鉄心の外周面の極間に固定子内周に対向する前記永久磁石の端面に沿って略Ｖ字形状の凹部を形成し、
前記回転子外周面と前記略Ｖ字形状の凹部との両交点が前記回転子軸となす角度をθ 2 とし、３６０度／極数の値をθ 4 としたとき、θ 2 ／θ 4 が、６６ . ７％以上ないし８５ . ７％以内であることを特徴とする永久磁石式回転電機。
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