JP5093339B2 - 永久磁石式回転電機 - Google Patents

Description

この発明は、電動モータ等の永久磁石式回転電機に関し、特に、コギングトルクの低減を図るようにした永久磁石式回転電機に関するものである。

永久磁石式回転電機の一般的な構成においては、固定子の中に回転子が配置されている。固定子は、円筒形状をなす固定子鉄心の内周に複数個の固定子巻線を設けて複数個の磁極を形成している。回転子は、固定子の中心を回転軸心として回転できるように回転子鉄心が配設され、回転子鉄心の表面、あるいは内部に永久磁石が設けられ、永久磁石はＮ極とＳ極が交互に並ぶように配置されている。この回転電機では、固定子巻線に適宜通電し、回転磁界を形成することにより、回転子が回転軸心回りに回転する。

上述のような永久磁石式回転電機にあっては、コギングトルクと称される回転トルク変動が発生する。コギングトルクは、振動や騒音を発生するばかりでなく、回転電機の制御性能を低下させる要因となる。

従来、コギングトルクを低減するために、永久磁石を回転子鉄心の軸方向に複数段配列し、回転子鉄心の円周方向にずらすことによって、スキューの効果をもたらす工夫がなされており、複数個の永久磁石が回転子鉄心の軸方向の位置によって周方向の位置がずれるように、すなわち、スキュー角θｍの角度（以下、段スキュー角という）で固定子鉄心表面にならぶようにしている（例えば、特許文献１）。

段スキュー角θｍ（機械角）は、理論的に求められる角度（以下、理論角という）を用いている。コギングトルクが最小となる理論角（機械角）は、（３６０／固定子磁極数と回転子磁極数の最小公倍数）／軸方向永久磁石の段数によって決定される。回転電機の固定子磁極数が１２、回転子磁極数が８、永久磁石の段数が２である場合には、段スキュー角θｍは７．５゜（電気角θｅで３０゜。なお、電気角度＝機械角度×極数／２の関係式より算出した。）となる（例えば、特許文献２）。

しかしながら、段スキュー角θｍを上記のように理論的に決定し、実際の回転電機に適用した場合、コギングトルクの低減はまだ不十分であると考えられる。その理由は、段スキューを採用したことによって軸方向漏洩磁束が発生するが、この漏洩磁束による磁気飽和の影響が考慮されていないからである。コギングトルクの原因となる漏洩磁束は、永久磁石の段部、回転子鉄心内部での漏洩磁束等もあるが、固定子鉄心内部における漏洩磁束がコギングトルクの主たる原因となっている。

実開昭６１−１７８７６号公報（第４−第６頁、第１−第６図） 特開２０００−３０８２８６号公報（第３−第４頁、図２、図３）

上述のように、従来の段スキューを採用した回転電機では、段スキュー角度に理論角を採用しているために、コギングトルクを十分に低減できていないという問題があった。

この発明は、上記のような問題を解決するものであり、段スキュー角度に理論角を採用した場合よりもコギングトルクを効率よく低減し、併せてトルクリップルをも低減することができる永久磁石式回転電機を提供するものである。

この発明に係る永久磁石式回転電機は、段スキュー角θｅの下限値を、理論角θｓ（電気角）とし、段スキュー角θｅの上限値を、上記理論角θｓの値の略３／２倍とし、段スキュー角θｅが上記下限値より大きく、かつ、上記上限値以下になるように設定され、さらに、回転子鉄心の外周面に設けられた一段あたりの永久磁石の数は４×Ｎ個（Ｎは自然数）であり、周方向に隣り合う２個の永久磁石を一組の永久磁石対とし、４×Ｎ個の永久磁石は、外周面の全周に均等に配置された状態から、一組おきに永久磁石対をそれぞれ外周面の周方向の一方に理論角θｓの１／２ずらした状態に配置したものである。

また、この発明に係る別の永久磁石式回転電機は、回転子鉄心の磁気特性から、段スキュー角とコギングトルクの基本波成分のコギングトルクとの関係を求め、段スキュー角が理論角θｓ（電気角）であるときのコギングトルクよりもコギングトルクが小さくなる段スキュー角を段スキュー角θｅとして設定し、さらに、回転子鉄心の外周面に設けられた一段あたりの永久磁石の数は４×Ｎ個（Ｎは自然数）であり、周方向に隣り合う２個の永久磁石を一組の永久磁石対とし、４×Ｎ個の永久磁石は、外周面の全周に均等に配置された状態から、一組おきに永久磁石対をそれぞれ外周面の周方向の一方に理論角θｓの１／２ずらした状態に配置したものである。

上記発明に係る永久磁石式回転電機によれば、段スキュー角θｅを理論角θｓとした場合よりもコギングトルク基本波成分を低減できるとともに、コギングトルク高調波成分も低減でき、かつ、トルクリップルを低減できる。

この発明に係る永久磁石式回転電機の実施の形態１を示す斜視図である。 この発明に係る永久磁石式回転電機の実施の形態１を示す断面図である。 この発明に係る永久磁石式回転電機の実施の形態１を示す側面図である。 この発明に係る永久磁石式回転電機の実施の形態１を示す平面図である。 図１〜図４に示した回転子及び回転電機について、３次元磁界解析を実施して得られたコギングトルク基本波成分の結果を示す図である。 図１〜図４に示した回転子及び回転電機について、３次元磁界解析を実施して得られたコギングトルク第２次高調波成分の結果を示す図である。 ３次元解析に用いた回転子鉄心の磁気特性を示す図である。 段スキュー角に対する５次及び７次のスキュー係数を示す図である。 段スキュー角に対するトルクリップル６ｆ成分係数を示す図である。 この発明に係る永久磁石式回転電機の実施の形態２を示す斜視図である。 この発明に係る永久磁石式回転電機の実施の形態２を示す断面図である。 この発明に係る永久磁石式回転電機の実施の形態３を示す斜視図である。 実施の形態３における固定子のブロックによる構成を示す斜視図である。 実施の形態３における固定子のブロックの断面図である。

以下に、図面に基づき、この発明に係る永久磁石式回転電機の好適な実施の形態を詳細に説明する。

実施の形態１．
図１、図２、図３及び図４は、この発明の実施の形態１を示す斜視図、断面図、側面図及び平面図であり、図１〜図３は、回転子における永久磁石の配置を説明するものである。

図１〜図３に示したように、回転子３０は、回転子鉄心３１外周面に上段の永久磁石３２ａと下段の永久磁石３２ｂが貼り付けられ、段スキュー角θｅ（電気角）だけ円周方向にずれるように、また、Ｎ極とＳ極が交互に並ぶように配置されている。回転子３０の磁極数は８、永久磁石の段数は２である。

また、図４に示したように、固定子２０は、円筒形状をなす固定子鉄心２１の内周に複数個の固定子巻線２２を設けて複数個の磁極を形成している。回転子３０は、固定子２０の中心を回転軸心として回転できるように回転子鉄心３１が配設され、固定子巻線２２に適宜通電し、回転磁界を形成することにより、回転子３０が回転軸心回りに回転する。

図２、図３及び図４に示したように、上段の永久磁石３２ａの基準線Ａに対して下段の永久磁石３２ｂは電気角で３６゜（機械角で８゜）円周方向にずらしている。すなわち、段スキュー角θｅを、（１８０×回転子磁極数／固定子磁極数と回転子磁極数の最小公倍数）／２（軸方向永久磁石の段数）の式で求められる理論角θｓ（３０゜）よりも大きな値にしている。前述のように、この段スキュー角を機械角で表わした式は、（３６０／固定子磁極数と回転子磁極数の最小公倍数）／２（軸方向永久磁石の段数）であり、この式で求められる理論角（機械角）７．５゜よりも大きな値にしている。

段スキュー角θｅは、理論角θｓよりも大きく、後述のように固定子鉄心２１及び回転子鉄心３１の磁気特性に応じて求められる段スキュー角θｅの最大値以下とすることによって、段スキュー角θｅを理論角θｓとした場合よりも効率的にコギングトルクを低減することができ、併せてトルクリップルも低減することができる。以下、コギングトルク及びトルクリップルと段スキュー角θｅとの関係を説明し、この実施の形態において、コギングトルク及びトルクリップルを低減することができることを示す。

図５及び図６は、図１〜図４に示した回転子及び回転電機（回転子磁極数が８、固定子磁極数が１２、永久磁石段数が２）について、３次元磁界解析を実施した結果を示すものである。

図５は、コギングトルク基本波成分に関する結果、図６は、コギングトルク第２次高調波に関する結果であり、それぞれ、段スキューなしの場合のコギングトルクに対する段スキューを施した場合のコギングトルクの比であるコギングトルク比と段スキュー角（電気角）θｅとの関係を、固定子鉄心２０の磁気特性が理想的な場合（磁気特性Ａ）、加工工作の過程で磁気特性が劣化している場合（磁気特性Ｂ）、加工工作によってさらに磁気特性が劣化した場合（磁気特性Ｃ）について示している。

図７は、解析に使用した固定子鉄心２０の磁気特性Ａ、Ｂ及びＣ（ＢＨ特性の関係）を示している。同図における磁束密度比は、磁気特性Ａの材料の飽和磁束密度を基準値として、この基準値との比を表している。磁気特性Ａはカタログ値相当の磁気特性であり、加工の影響がない場合を示しており、磁気特性Ｂは実機状態に相当し、磁化力Ｈ＝１０００Ａ／ｍ近辺における磁束密度比が磁気特性Ａと比較して２０％程度低下した特性のものであり、また、磁気特性Ｃは磁化力Ｈ＝１０００Ａ／ｍ近辺における磁束密度比が磁気特性Ａと比較して４０％程度低下した特性のものである。

図５から、コギングトルク基本波成分については、固定子鉄心の磁気特性が磁気特性Ａから順次、磁気特性Ｂ、磁気特性Ｃと劣化するに伴い、コギングトルク比が最小となる段スキュー角θｅが大きくなっていることが分かる（これは、前述のように、段スキューを採用した場合、固定子鉄心内部に軸方向漏洩磁束が発生するためである）。すなわち、固定子鉄心の磁気特性が劣化するに伴い、コギングトルクが最小となる段スキュー角θｅは理論角３０゜よりも大きくなっている。従って、磁気特性Ｂにおいては、段スキュー角θｅを理論角３０゜とした場合、（１）の点におけるコギングトルク比（約０．１８）になるのに対して、理論角３０゜を越え、（１）の点におけるコギングトルク比（０．１８）以下となる段スキュー角θｅの最大値（（２）の点における段スキュー角θｅ（約３７゜））以下とすることによって、コギングトルクの基本波成分を理論角３０゜とした場合よりも低く、またはそれ以下に低減することができる。また、磁気特性Ｃにおいても同様に、（３）の点におけるコギングトルク比（約０．２３）以下となる段スキュー角θｅの最大値（（４）の点における段スキュー角θｅ＝約４３゜）以下とすることによって、コギングトルクの基本波成分を理論角３０゜とした場合よりも低く、またはそれ以下に低減することができる。

以上は、回転子磁極数と固定子磁極数との比が２：３の場合について説明したが、図５についての上述の説明から明らかなように、回転子磁極数と固定子磁極数との比が所定の値の場合において、実機において設定する段スキュー角θｅの下限値を、理論角θｓより大きな値とし、段スキュー角θｅの上限値を、コギングトルク比と段スキュー角θｅとの関係から、固定子鉄心の磁気特性（ＢＨ特性）に応じて、理論角θｓにおけるコギングトルク比以下となる段スキュー角θｅの最大値以下とすることによって、理論角θｓとした場合よりも低く、またはそれ以下にコギングトルクの基本波成分を低減することができる。

次に、図６から、コギングトルク第２次高調波成分に関しては、理論角θｓの１／２または３／２（電気角１５゜、電気角４５゜）においてコギングトルク比が最小となることが分かる。これは、コギングトルク高調波成分は、軸方向漏洩磁束の影響（磁気飽和の影響）を受けにくいことによるものであり、コギングトルク第２次高調波成分の低減には段スキュー角θｅを理論角θｓの１／２または３／２とするのがよいものと考えられる。

一方、通電時のトルクリップルと段スキュー角との関係は、一般に、スキュー係数と称される巻線係数を用いて検討する。回転電機における第ν次高調波成分に対するスキュー係数κｓｖは次式（２）で与えられる。但し、γはスキュー角である。

κｓｖ＝ｓｉｎ（νγ／２）／（νγ／２） …（２）

ここで、段スキュー角をγｄとすると、γｄ＝γ／２であるから、段スキューを採用した場合のスキュー係数κｄｓｖは次式（３）で与えられる。

κｄｓｖ＝ｓｉｎ（νγｄ）／（νγｄ） …（３）

また、永久磁石式回転電機のトルクリップルは、電源周波数の６倍の成分（以下６ｆ成分という）が支配的となる。一般に、トルクリップル６ｆ成分は５次及び７次の高調波成分に起因して発生する。

図８は、上記式（２）より算出される段スキュー角γｄに対する５次及び７次のスキュー係数を示す図である。トルクリップル６ｆ成分に対する５次及び７次高調波成分の影響度合は、近似的に次数の２乗の逆数に関係すると考えられ、５次成分の影響度合は１／５２＝０．０４、７次成分の影響度合は１／７２＝０．０２と考えられる。

図９は、図８のスキュー係数と５次及び７次成分のトルクリップル６ｆ成分に関する影響度合を考慮した段スキュー角に対するトルクリップル６ｆ成分係数を示す図である。同図より、トルクリップル６ｆ成分係数は、段スキュー角γｄが３０゜を越えると、３０゜におけるトルクリップル６ｆ成分係数より小さな値になる。従って、段スキュー角γｄを、コギングトルク基本波成分に対する理論角θｓである３０゜以上とすることによって、トルクリップル６ｆ成分を低減することができると考えられる。

実施の形態２．
図１０は、この発明の実施の形態２を示す斜視図であり、図１１は、図１０の回転子鉄心３１の軸方向と垂直な方向の断面図である。

図１０に示したように、上段の永久磁石３２ａと下段の永久磁石３２ｂの段スキュー角θｅは実施の形態１と同様とする。

また、図１１に示したように、各段における永久磁石３２ａ、３２ｂの２極（Ｎ−Ｓ）毎の回転子鉄心３１に対する貼り付け位置をずらして、２極毎の隣接する電気角を、一方は等角度から１５゜（機械角で３．７５゜）近づけ、他方は等角度から１５゜（機械角で３．７５゜）遠ざけている。

この実施の形態によれば、上段の永久磁石３２ａと下段の永久磁石３２ｂの段スキュー角θｅによってコギングトルク基本波成分を低減することができるとともに、各段における永久磁石３２ａ、３２ｂの２極（Ｎ−Ｓ）毎の回転子鉄心３１に対する貼り付け位置をずらして、２極毎の隣接する電気角を、一方は等角度から１５゜近づけ、他方は等角度から１５゜遠ざけることによって、コギングトルク高調波成分を低減することができる。

以上から、等角度からずらす電気角は、理論角θｓの１／２とすればよいことは明かである。

実施の形態３．
図１２は、この発明の実施の形態３を示す斜視図、図１３は、実施の形態３における固定子のブロックによる構成を示す斜視図、図１４は、実施の形態３における固定子のブロックの断面図である。

この実施の形態においては、回転子磁極数と固定子磁極数との比が所定の値の場合において、実機において設定する段スキュー角θｅの下限値を、理論角θｓより大きな値とし、段スキュー角θｅの上限値を、コギングトルク比と段スキュー角θｅとの関係から、固定子鉄心の磁気特性（ＢＨ特性）に応じて、理論角θｓにおけるコギングトルク比以下となる段スキュー角θｅの最大値とする構成は、上記実施の形態１と同様である。

上記実施の形態１と異なる構成は、図１２及び図１３に示したように固定子鉄心を上段のブロック２１ａ、中段の２１ｂ、下段の２１ｃに分割し、上段のブロック２１ａ及び下段の２１ｃと中段のブロック２１ｂとを互いに円周に沿った反対方向にずらして段スキューするものであり、段スキュー角θｅは、ブロック２１ａ及び２１ｃとブロック２１ｂとをそれぞれ基準線Ａから反対方向にずらし、段スキュー角θｅをコギングトルク基本波成分の低減に対する理論角θｓの１／２で表される理論角とするものである。

図１４は、回転子磁極数と固定子磁極数との比が２：３の場合について示しており、同図に示したように、電気角で１５゜（機械角で３．７５゜）とすることによって、コギングトルクの高調波成分を低減することができる。なお、上段のブロック２１ａ及び下段のブロック２１ｃの高さは、中段のブロック２１ｂの１／２とする。

２０ 固定子、２１ 固定子鉄心、２１ａ 上段のブロック、
２１ｂ 中段のブロック、２１ｃ 下段のブロック、２２ 固定子巻線、３０ 回転子、３１ 回転子鉄心、３２ａ 上段永久磁石、３２ｂ 下段永久磁石。

Claims (2)

1. 回転子鉄心の外周面に、軸方向に２段の永久磁石を設け、上記永久磁石を２段間で上記回転子鉄心の周方向に段スキュー角θｅ（電気角）ずらして配置した回転子と、該回転子を内部に配置し、該回転子を回転させる回転磁界を発生する固定子巻線を設けた円筒形状の固定子鉄心を有する固定子とを備えた永久磁石式回転電機において、
   上記段スキュー角θｅの下限値を、理論角θｓ（電気角）とし、
   上記段スキュー角θｅの上限値を、上記理論角θｓの値の略３／２倍とし、
   上記段スキュー角θｅが上記下限値より大きく、かつ、上記上限値以下になるように設定され、
   さらに、上記回転子鉄心の外周面に設けられた一段あたりの永久磁石の数は４×Ｎ個（Ｎは自然数）であり、周方向に隣り合う２個の永久磁石を一組の永久磁石対とし、
   上記４×Ｎ個の永久磁石は、上記外周面の全周に均等に配置された状態から、一組おきに上記永久磁石対をそれぞれ上記外周面の周方向の一方に上記理論角θｓの１／２ずらした状態に配置したことを特徴とする永久磁石式回転電機。
   ただし、
   θｓ＝（１８０×回転子磁極数／固定子磁極数と回転子磁極数の最小公倍数）／２ （電気角）
2. 回転子鉄心の外周面に、軸方向に２段の永久磁石を設け、上記永久磁石を２段間で上記回転子鉄心の周方向に段スキュー角θｅ（電気角）ずらして配置した回転子と、該回転子を内部に配置し、該回転子を回転させる回転磁界を発生する固定子巻線を設けた円筒形状の固定子鉄心を有する固定子とを備えた永久磁石式回転電機において、
   上記回転子鉄心の磁気特性から、段スキュー角とコギングトルクの基本波成分のコギングトルクとの関係を求め、段スキュー角が理論角θｓ（電気角）であるときのコギングトルクよりもコギングトルクが小さくなる段スキュー角を上記段スキュー角θｅとして設定し、
   さらに、上記回転子鉄心の外周面に設けられた一段あたりの永久磁石の数は４×Ｎ個（Ｎは自然数）であり、周方向に隣り合う２個の永久磁石を一組の永久磁石対とし、
   上記４×Ｎ個の永久磁石は、上記外周面の全周に均等に配置された状態から、一組おきに上記永久磁石対をそれぞれ上記外周面の周方向の一方に上記理論角θｓの１／２ずらした状態に配置したことを特徴とする永久磁石式回転電機。
   ただし、
   θｓ＝（１８０×回転子磁極数／固定子磁極数と回転子磁極数の最小公倍数）／２ （電気角）

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