JP4900132B2 - 回転子及び回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、回転子及び回転電機に関し、特に回転電機に構成される回転子の鉄心構造に関する。

電動機の一つに回転界磁型の同期電動機がある。この同期電動機は、固定子側の電機子に電流を流して回転磁界を発生させることにより回転子を回転させるタイプのものである。その同期電動機の内、回転子の鉄心に永久磁石が埋め込まれているタイプの電動機を、特に埋込構造永久磁石同期電動機(Interior Permanent Magnet Synchronous Motor、以下ＩＰＭＳＭと省略する) と呼んでいる。

ＩＰＭＳＭには回転子内部の各極にフラックスバリアと呼ばれるスリット部が設けられている。このスリット部は回転子の磁極の中心線方向の磁界の磁束（いわゆるｄ軸磁束）を遮断するような配置にして各極ごとに設けられており、そこに上記の永久磁石が極間で相互の磁極が異なるようにして埋め込まれている。上記スリット部の周囲は電磁鋼等の磁束をよく通す材料からなる鉄心であり、そのスリット部の輪郭を形成している鉄心部分は磁極間の中心線方向の磁界の磁束（いわゆるｑ軸磁束）の通路（以下において磁路とも呼んでいる）となる。そして、ＩＰＭＳＭにおいては、電機子の電流ベクトル制御により、永久磁石の電機子鎖交磁束の変化により生じるマグネットトルクと、ｑ軸インダクタンスＬｑとｄ軸インダクタンスＬｄの逆突極性により生じるリラクタンストルクとの和が回転子のトルクとして出力される。

上記のフラックスバリアの構造について次のように開示した文献がある。その文献では、回転型モータにおける回転子鉄心内部での磁束の流れを分析することにより電磁気学的に最も合理的なフラックスバリア構造を提供すると前段に述べており、その具体的なものとして、特定の曲線を挙げて、帯状磁路の輪郭線がその曲線と一致するようにフラックスバリアを成形すればｑ軸磁束φｑが輪郭線のいたるところで直角に交差して流れるようになると説明している。そのようにすれば帯状磁路を通過するｑ軸磁束に対する磁気抵抗が最も大きくなり（即ちｑ軸インダクタンスＬｑが大幅に減少し）、突極比Ｌｄ／Ｌｑが大きくなることによるモータ力率の改善が望めるということである（特許文献１参照）。
特開２００２−１９９６７５号公報（段落「０００６」−「０００８」等）

上述したように特許文献１においてフラックスバリア（またはスリット部）は電磁気学的に最も合理的な構造をとるように設計されたものであると述べられている。
しかし、それは磁路を通過するｑ軸磁束の磁気抵抗を最も大きくすることについてのみ考えたときの合理的な構造である。スリット部に永久磁石が埋め込まれている場合においては、一般に、永久磁石によりスリット部沿いの磁路の端部と中央部とで磁束密度が異なる。本発明者は、その磁路の長さ方向の鉄心部分の幅を考慮しない場合においてはその端部と中央部の内の一方が磁気飽和に達すること、或いはその反対の現象として、磁束密度の低下により一方の磁路としての鉄心利用率が低下すること、つまり非合理的な構造となり得ることを問題視している。

そこで本発明は、磁路としての鉄心利用率を高く維持することのできる構造の回転子、及びこの回転子を有する回転電機を提供することを目的とする。

本発明は上記課題を解決するために以下のように構成する。
本発明の回転子は、永久磁石を配置した二つ以上のスリット部を各極に半径方向に層状に備え且つ固定子からの回転磁界の下で回転する回転子であって、上記永久磁石を配置したスリット部の層間の鉄心部分の端部と中央部における幅は、上記鉄心部分の磁束密度が均一になる大きさに設定されている、ように構成する。

なお、上記永久磁石を配置したスリット部の層間の鉄心部分の輪郭は内周側と外周側の二つの逆円弧形状であり、上記逆円弧形状に構成されている内周側の円弧の曲率中心よりも外周側の円弧の曲率中心の方が上記回転子の半径方向外側に位置し、上記外周側の円弧の曲率半径をｒ１、上記内周側の円弧の曲率半径をｒ２、且つ上記各曲率中心の曲率中心間距離をａとした場合に１／３×（ｒ２−ｒ１）＜ａ＜２／３×（ｒ２−ｒ１）の関係を満たす、ように構成することが望ましい。

本発明の回転電機は、上記回転子を有するように構成する。

本発明により、永久磁石を配置したスリット部の層間の鉄心部分において、磁路としての鉄心利用率を高く維持することが可能になる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１及び図２は、本発明の実施形態による埋込構造永久磁石同期電動機（ＩＰＭＳＭ）の構造説明図である。

本発明の実施形態によるＩＰＭＳＭは、固定子側に電機子を備え、その固定子の内側に永久磁石付きの回転子が配置された構造のものである。
上記固定子は、例えば、鉄心（一次鉄心）としてケイ素鋼等のような高誘磁率材からなるリング状の板を数十枚積層して構成したものに、コイルをティースに分布巻き又は集中巻きに巻回する等して電機子を設けて構成される。

上記回転子は、例えば、ケイ素鋼等のような高誘磁率材からなる円板状の板にプレス加工又はレーザ加工等により後述するスリット部を形成して数十枚積層して構成した鉄心（二次鉄心）に、回転軸としてのシャフトを挿入する等して構成される。永久磁石はそれらの組み立て時に上記スリット部にセットされる。

図１は、上記ＩＰＭＳＭを上記回転軸に垂直な面で切ったときの部分断面図である。なお、図１はＩＰＭＳＭの基本構成を説明するもので、本発明の特徴部分についての寸法・位置関係は正確に表わされていない。

上記ＩＰＭＳＭとして、ここでは、一例として、固定子１０側のティース１０１にコイルが三相集中巻きで巻回されてなる電機子１００を備え、回転子１５内部に各極ごとに半径方向に２層のスリット部１５０を設けてなる三相８極構造のモータが示されている。なお、各極の２層のスリット部１５０には永久磁石Ｍが埋設されている。この永久磁石Ｍは、同図に示すように隣接する極間で互いに異なる極性をとり、同じ極内では回転子１５の外周面側において同じ極性をとっている。

以下では、電機子１００に電流を流す等することにより発生する磁界を磁極の中心線方向の磁界（同図に示すｄ軸方向の磁界）と磁極間の中心線方向の磁界（同図に示すｑ軸方向の磁界）とに分け、上記回転軸の中心を記号Ｏとして、上記永久磁石Ｍが埋設されたスリット部１５０の層間の鉄心部分の構造について説明する。

図２は、１極あたりの、永久磁石Ｍが埋設されたスリット部１５０の層間の、鉄心部分の構造説明図である。
ここでは、上記スリット部１５０として、同図に示すように回転軸中心Ｏ側に凸形をなす円弧形状の孔をあけた２層のスリット部１５０−１、１５０−２を一例として示している。なお、本明細書においては、回転軸中心Ｏ側に凸形をなす円弧及び円弧形状の孔をそれぞれ簡略的に「逆円弧形状」及び「逆円弧形状の孔」と呼ぶこともある。

上記２層のスリット部１５０−１、１５０−２の孔の形状及び配置は、例えば二次鉄心１５５内部でのｄ軸及びｑ軸の磁束の流れを電磁気学的なシミュレーションにより分析した結果等から、２層のスリット部１５０−１、１５０−２の層間の磁束密度が同図のような端部Ｈ１、Ｈ３と中央部Ｈ２とにおいて均一になるように決める。そして、そのように決定した形状や配置に基づく所定幅の鉄心が上記層間に残るように上記２層のスリット部１５０−１、１５０−２を形成する。

この例では、層間の鉄心部分１５５Ａの輪郭となっている二つの円弧１５５Ａ−１、１５５Ａ−２において、回転子の半径方向外側（同図の上側）の円弧１５５Ａ−１（外周側の円弧）の極率半径が同図の下側の円弧１５５Ａ−２（内周側の円弧）の極率半径よりも小さくなるように、且つ、円弧１５５Ａ−１の極率中心をＯ１、円弧１５５Ａ−２の極率中心をＯ２とした場合に極率中心Ｏ１がＯ２よりも半径方向外側（同図の上側）に位置するように、２層のスリット部１５０−１、１５０−２を隣接して形成している。そうすることにより、層間の鉄心部分１５５Ａの幅は両端部Ｈ１、Ｈ３が同じ幅に狭まり、中央部Ｈ２がその幅よりも広げられた構造をとるようになり、この鉄心部分１５５Ａに形成される磁路の幅は、磁気飽和に達しやすい中央部Ｈ２において余裕ができ、鉄心使用率が低い端部Ｈ１、Ｈ３側ほどきつくなる。

なお、同図の円弧１５５Ａ−１の極率半径をｒ１、円弧１５５Ａ−２の極率半径をｒ２、及び、極率中心間距離Ｏ１Ｏ２を変数ａとした場合に、以下の関係（１）を満たすことが望ましい。

１／３×（ｒ２−ｒ１）＜ａ＜２／３×（ｒ２−ｒ１）・・・（１）
このような関係（１）が満たされている場合には、磁束密度は鉄心部分１５５Ａの少なくとも端部（Ｈ１）と他の端部（Ｈ３）とにおいて略同じになる。

図３は、図２の二つのスリット部１５０−１、１５０−２の層間の磁路幅と磁束密度の関係図である。
図３（ａ）及び図３（ｂ）は、それぞれ、横軸の目盛りに図２の鉄心部分１５５Ａにおける位置記号を割り当て、鉄心部分１５５Ａの幅と磁束密度を示している。なお、各図は、ここでは、上記関係（１）に含まれる次の設定のものである。

ｒ１＝６．９（ｍｍ）、ｒ２＝９．５（ｍｍ）、ａ＝１．２（ｍｍ）
なお、磁石の厚みは３ｍｍで、通常のフェライト磁石を想定した。
この設定においては、同図に示すように鉄心部分の端部（Ｈ１又はＨ３）から中央部（Ｈ２）に向けて磁路の幅が緩やかに広がり、磁束密度が端部（Ｈ１）から他の端部（Ｈ３）に渡って連続して略一定になる。

なお、極率半径ｒ１、ｒ２、変数ａの値は、磁石の磁力や電機子１００からの磁界の強さ等に応じて異なるため、同図の磁束密度が頭打ちになる前即ち磁気飽和になる前の値を示すように設定値を決めるようにする。

以上においてはスリット部１５０を逆円弧形状の孔にすることにより層間に内周側と外周側の輪郭が共に逆円弧形状の鉄心部分を残した。しかし、二つの隣接するスリット部１５０の層間において少なくとも中央部と端部における磁束密度が均一になれば良いため、それが満たされれば他の形状、例えばスリット部１５０を回転中心に凸のブーメラン形状等にして磁路となる鉄心部分を残すようにしても良い。

また、１極あたり二つのスリット部１５０−１、１５０−２を構成した例を示したが、これもまた二つの隣接するスリット部１５０の層間において少なくとも中央部と端部における磁束密度が均一になれば良いため、その二つのスリット部１５０−１、１５０−２以外に永久磁石を設けたスリット部を隣接して更に一つ又は複数設けても良い。また、上記二つのスリット部以外に永久磁石のないスリット部を一つ又は複数設けても良い。

また、スリット部１５０の全体に永久磁石Ｍを埋設した例を示したが、永久磁石Ｍの端部を切り欠き形状にしてスリット部１５０の端部に空気層を設けても良い。このようにすることにより、永久磁石Ｍの端部の短絡磁束が抑止され、固定子１０のティース１０１からの磁束を効率良く引き込むことが可能になる。

また、各層のスリット部（１５０−１または１５０−２）を一続きのスリットにより構成したが、永久磁石の回転強度を高めるために、一続きのスリットを長さ方向に複数に分割したものに永久磁石を埋設して各層のスリット部（１５０−１または１５０−２）を構成しても良い。例えば、図２の半径方向外側の層のスリットを２つに分割して、中心側の層のスリットを３つに分割して各スリット部（１５０−１及び１５０−２）を構成しても良い。このような場合においても、中央部と端部における磁束密度が均一になるという上述した恩恵を同様に受けられる。

また、回転子をモータを構成するための単体ユニットとして提供しても良い。
また、本発明を発電機として用いてもよい。
以上のように、本発明の実施の形態によるＩＰＭＳＭにおいては、二つの隣接するスリット部の層間において中央部と端部における磁束密度が均一になる。更に上述したように鉄心部分の極率や幅を特定の範囲に決定すれば、層間の磁路の長さ方向にかけて連続して磁束密度が均一になる。そのため、その磁路上の、磁気回路のボトルネックとなる位置（上記例では中央部）の幅を広くとれば、その位置における磁束密度の集中が緩和され磁路を磁束がスムーズに流れるようになり、リラクタンストルクが向上する。またそのとき、層間の磁路の長さ方向にかけて鉄心部分の利用率は向上するため、例えばその利用率が１００％近くになるようにする等の、無駄な鉄心部分を減らした設計にすれば、従来モータよりもモータ体格が小さくなる。また、その場合、無駄な鉄心部分を減らすことにより永久磁石の量を増やすこともでき、そうすれば従来モータの体格あたりのトルク密度を向上することも可能になる。また更に、磁路中の磁束密度が均一であるので、弱め界磁制御時に固定子ティースからの弱め界磁に対してトルクやモータ端子電圧を制御し易くなる。

本発明の実施形態によるＩＰＭＳＭの部分断面図である。 スリット部１５０の層間の鉄心部分の構造説明図である。 スリット部１５０の層間の磁路幅と磁束密度の関係図である。

符号の説明

１０ 固定子
１００ 電機子
１０１ ティース
１５ 回転子
１５０ スリット部
Ｍ 永久磁石

Claims (2)

1. 永久磁石を配置した二つ以上のスリット部を各極に半径方向に層状に備え且つ固定子からの回転磁界の下で回転する回転子であって、
   前記永久磁石を配置したスリット部の層間の鉄心部分の端部と中央部における幅は、前記鉄心部分の磁束密度が均一になる大きさに設定され、
   前記鉄心部分の輪郭は内周側と外周側の二つの逆円弧形状であり、
   前記逆円弧形状に構成されている内周側の円弧の曲率中心よりも外周側の円弧の曲率中心の方が前記回転子の半径方向外側に位置し、前記外周側の円弧の曲率半径をｒ１、前記内周側の円弧の曲率半径をｒ２、且つ前記各曲率中心の曲率中心間距離をａとした場合に１／３×（ｒ２−ｒ１）＜ａ＜２／３×（ｒ２−ｒ１）の関係を満たす、
   ことを特徴とする回転子。
2. 請求項１の回転子を備える回転電機。
   

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