JP2004242495A - 励磁機、界磁機およびそれを用いた同期機 - Google Patents

Abstract

【課題】ヨークが周方向に分割されている励磁機（ステータ）および界磁機
（ロータ）の磁気抵抗と鉄損を低減し磁束（Ｂ）を増大することができる励
磁機、界磁機およびそれを用いた同期機を提供する。
【解決手段】電流を通じることにより移動磁界を発生させる励磁機であって、
前記励磁機は、ヨークおよびティースを有しており、該ヨークが前記励磁機の
周方向に分割されており、前記ティースを構成する電磁鋼板の磁化容易軸を前
記励磁機の径方向に対してθ１deg（好ましくは、５deg≦｜θ１｜≦１０deg）
傾けることを特徴とする励磁機、界磁機およびそれを用いた同期機。
【選択図】図１

Description

本発明は、電流を通じることにより移動磁界を発生させる励磁機、永久磁石により直流磁場を発生させる界磁機、および、それを用いた同期機に関する。 具体的には、例えば、励磁機としてのステータ、界磁機としてのロータ、およびそれを用いた永久磁石同期機に関する。

永久磁石同期機は、ステータ（固定子）に電流を流すことにより発生する磁場が、ロータ（回転子）に埋め込まれた永久磁石に働いて、ロータが回転する同期機であって、保守性、制御性、耐環境性に優れ、高効率、高力率運転が可能な電動機として産業・民生家電分野を問わず広く用いられている。この場合、電気エネルギーを同期機に流して、回転駆動力を得るようにするのが同期電動機であり、逆に、同期機を回転させて電気エネルギーを同期機より取り出す場合は、同期発電機となる。ここでは、両者を想定し、あわせて、同期機としている、両者の構造は基本的には同じなので、以下詳細説明では、同期電動機の例を中心に説明する。

図５および図６は、従来の同期機の断面を示しており、ヨーク１およびティース２からなるステータ７の中心に、ロータ８が配置されている。 ロータ８には永久磁石９が埋め込まれており、ステータ７に三相交流を流すことにより発生する磁場が、この永久磁石９に働くことによりロータ８が回転
する。 従来、同期機のステータは、鉄損を低減するために無方向性電磁鋼板（ＮＯ）を積層することにより作られていた。

無方向性電磁鋼板は、鋼板表面のどの方向にも一様な比透磁率を有する鋼板であって、比較的鉄損の小さい材料として広く用いられているが、長時間連続運転する同期機のステータに用いる材料としては十分な磁気特性が得られていなかった。
同期機に用いられる電磁鋼板の種類については、特開平７−６７２７２号公報に、ステータのティースとヨークとを分割する構造とし、ヨークには円周方向を磁化容易方向とする方向性電磁鋼板（ＧＯ）を用い、ティースには径方向を磁化容易方向とする方向性電磁鋼板を用いることにより鉄損を低減する方法が開示されている。

しかし、この従来技術は、ティース２の磁化容易方向と、永久磁石９の磁界の方向とが、いずれもステータ７（励磁機）の径方向と一致していた。 一方、例えば、電動機のロータ８（界磁機）が回転する場合、まず、ステータ７に電流が流されて磁束が発生した後にロータ８が回転し始めるので、磁束がステータ７からロータ８に流れる場合、微小な角度θ１だけロータ８の回転が遅れるため、この位相差によって、磁束が円滑に流れにくく、その分、磁気抵抗と鉄損が大きくなるという問題点があった。
特開平７−６７２７２号公報

本発明は、前記のような従来技術の問題点を解決し、ヨークが周方向に分割されている励磁機（ステータ）および界磁機（ロータ）の磁気抵抗と鉄損を低減し磁束（Ｂ）を増大することができる励磁機、界磁機およびそれを用いた同期機を提供することを課題とする。

本発明は、ティースの磁化容易方向および／または永久磁石の励磁方向を励磁機（ステータ）の径方向に対して磁束が流れる向きに傾斜させることにより、ヨークが周方向に分割されている励磁機（ステータ）および界磁機（ロータ）の磁気抵抗と鉄損を低減し磁束（Ｂ）を増大することができる励磁機、界磁機およびそれを用いた同期機を提供するものであり、その要旨は特許請求の範囲に記載した通りの下記内容である。

（１）電流を通じることにより移動磁界を発生させる励磁機であって、前記励磁機は、ヨークおよびティースを有しており、該ヨークが前記励磁機の周方向に分割されており、かつ、該ヨークが前記励磁機の周方向のティース接続部で分割されており、
前記ティースを構成する電磁鋼板の磁化容易軸が前記励磁機の径方向に対してθ１deg傾いていることを特徴とする励磁機。
（２）前記θ１degが、5deg≦|θ１|≦10degであることを特徴とする（１）に記載の励磁機。
（３）前記電磁鋼板における磁化容易軸方向の偏差αdegが、5deg≦α≦20degであることを特徴とする（１）または（２）に記載の励磁機。
（４）前記ティースの中心軸が前記界磁機の径方向に対してθ３deg傾けることを特徴とする励磁機。
（５）前記θ３degが、5deg≦|θ３|≦１０degであることを特徴とする（４）に記載の励磁機
（６）前記ティースが方向性電磁鋼板からなることを特徴とする（４）に記載の励磁機。
（７）前記電磁鋼板における磁化容易軸方向の偏差αdegが、0deg≦α≦10degであることを特徴とする（４）または（６）に記載の励磁機。
（８）永久磁石により直流磁場を発生させる界磁機であって、前記永久磁石の励磁方向を前記界磁機の径方向に対して、θ２deg傾けることを特徴とする界磁機。
（９）前記θ２degが、5deg≦|θ２|≦10degであることを特徴とする（８）に記載の界磁機。
（１０）前記永久磁石の磁界方向の中心軸を前記界磁機の径方向に対してθ２deg傾けることを特徴とする（８）乃至（９）に記載の界磁機。
（１１）（１）乃至（７）に記載の励磁機を有することを特徴とする同期機。
（１２）前記同期機が電動機の場合には、前記θ１およびθ３は正の値（前記界磁機の回転方向）であり、前記同期機が発電機の場合には前記θ１およびθ３は負の値（前記界磁機の回転方向と逆方向）であることを特徴とする（１１）に記載の同期機。
（１３）（７）乃至（１０）に記載の界磁機を有することを特徴とする同期機。
（１４）前記同期機が電動機の場合には前記θ２は正の値（前記界磁機の回転方向）であり、前記同期機が発電機の場合には前記θ２は負の値（前記界磁機の回転方向と逆方向）であることを特徴とする（１３）に記載の同期機。
（１５）（１）乃至（７）に記載の励磁機と（８）乃至（１０）に記載の界磁機とを有することを特徴とする同期機。

本発明によれば、ティースの磁化容易方向および／または永久磁石の励磁方向を励磁機（ステータ）の径方向に対して磁束が流れる向きに傾斜させることにより、ヨークが周方向に分割されている励磁機（ステータ）および界磁機（ロータ）の磁気抵抗と鉄損を低減し磁束（Ｂ）を増大することができる励磁機、界磁機およびそれを用いた同期機を提供することができ、産業上有用な著しい効果を奏する。

本発明の実施の形態を、図１乃至図６を用いて詳細に説明する。
＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の第１の実施形態であるステータ（励磁機）およびロータ（界磁機）の構造を示す図である。 図１において、１はヨーク、２はティース、３はステータの径方向、４はティースの中心軸、５は永久磁石の励磁方向の中心軸、７はステータ（励磁機）、８はロータ（界磁機）を示す。
ステータ７（励磁機）は、外周部分のヨーク１と、ティース２とから主に構成され、ヨーク１とティース２がロータ８（界磁機）の周囲に円周状に配置され、ヨーク１がステータ７の略ティース幅内で、周方向に分割されており、このステータ７に電流を通じることにより移動磁界を発生させることができる。

本実施形態においては、例えば、ティース２を切り出す電磁鋼板の向きを磁化容易軸の方向から微小角傾斜させることによって、ティース２を構成する電磁鋼板の磁化容易軸がステータ７の径方向３に対して微小角θ１deg傾けられている。
例えば、同期機が電動機の場合には、まずステータ７に移動磁界を発生させ、磁束がステータ７からロータ８に流れることによって、ロータ８が図１の太い矢印の方向に回転し始めるので、ティース２を流れる磁束の方向はステータ７の径方向３に対して微小角ずれてしまう。そこで、あらかじめ、ティース２を構成する電磁鋼板の磁化容易軸をステータ７の径方向３に対してθ１deg傾けて配置することによって、ティース２内を流れる磁束の方向とティース２を構成する電磁鋼板の磁化容易軸の方向とをほぼ一致させることによって、磁束の流れを円滑化し、ステータ７の磁気抵抗および鉄損を低減し磁束を強化することができる。

また、微小角θ１degは、１deg≦｜θ１｜≦１５degが好ましい。さらには、３deg≦｜θ１｜≦１２degが好ましく、５deg≦｜θ１｜≦１０degであることが好ましい。
ステータ７とロータ８との位相差から計算すると、ティース２内における磁束の傾きは１０deg〜２０degであるが、磁束の流れを円滑化するためには、位相差の半分程度だけティース２を構成する電磁鋼板の磁化容易軸の方向を傾けることが好ましい。
なお、本実施形態においては、ステータの径方向３、ティースの中心軸４、永久磁石の励磁方向の中心軸５は、同じ方向となっている。また、本発明に用いる電磁鋼板は、特定の方向（通常は圧延方向）に優れた磁気特性を有する方向性電磁鋼板が好ましいが、磁化容易軸を有する鋼板であれば、無方向性電磁鋼板を用いても構わない。

例えば、図３に示すように、方向性電磁鋼板は、圧延方向の比透磁率μ_Rが、非圧延方向の比透磁率μ_Tに比べて著しく大きくなっており、圧延方向に磁束を流し易い性質を持っている。
次に、電磁鋼板の磁化容易軸方向には、材料ごとにバラツキ（偏差）があるが、本実施形態においては、この磁化容易軸方向の偏差αdegは、５deg≦α≦２０degであることが好ましい。
ティース２とヨーク１とを流れる磁束の方向は異なり、その境界部では磁束の方向を曲げる必要があるため、ティース２を構成する電磁鋼板の磁化容易方向にある程度バラツキ（偏差）があった方がティース２およびヨーク１を流れる磁束の流れを円滑化することができるからである。ここに、磁化容易軸方向の偏差αdegについて、図４に示す。通常は圧延方向（Ｒ）が磁化容易軸の方向と一致するが、材料特性によって、この磁化容易軸の方向が分布する範囲を、図４に示す角度αdegで表すことができる。

次に、本実施形態では、ロータ８に組み込まれている永久磁石９の励磁方向をステータ７（界磁機）の径方向に対して微小角θ２deg傾けてられている。 例えば、同期機が電動機の場合には、まずステータ７に移動磁界を発生させ、磁束がステータ７からロータ８に流れることによって、ロータ８が図１の太い矢印の方向に回転し始めるので、ロータ８を流れる磁束の方向はステータ７の径方向３に対して微小角ずれてしまう。
そこで、あらかじめ、ロータ８に組み込まれる永久磁石９の励磁方向をステータ７の径方向３に対してθ１deg傾けて着磁させることによって、ロータ８内を流れる磁束の方向と永久磁石９の励磁方向とをほぼ一致させることによって、磁束の流れを円滑化し、ロータ８の磁気抵抗および鉄損を低減し磁束を強化することができる。

また、微小角θ２degは、１deg≦｜θ２｜≦１５degが好ましい。さらには、３deg≦｜θ２｜≦１２degが好ましく、５deg≦｜θ２｜≦１０degであることが好ましい。
ステータ７とロータ８との位相差から計算すると、永久磁石９内における磁束の傾きは１０deg〜２０degであるが、磁束の流れを円滑化するためには、位相差の半分程度だけ永久磁石９の励磁方向を傾けることが好ましい。なお、本実施形態においては、ティース２を構成する電磁鋼板の磁化容易方向と、ロータ８に組み込まれる永久磁石９の励磁方向の双方を、ステータ７の径方向に対して微小角傾斜させているが、そのどちらか一方のみ傾斜させても磁気抵抗および鉄損を低減し磁束を強化する効果が認められ、そのいずれの場合も本発明範囲に含まれる。

＜第２の実施形態＞
図２は、本発明の第２の実施形態であるステータ（励磁機）およびロータ（界磁機）の構造を示す図である。 図２において、１はヨーク、２はティース、３はステータの径方向、４はティースの中心軸、５は永久磁石の励磁方向の中心軸、７はステータ（励磁機）、８はロータ（界磁機）を示す。
ヨーク１は、ステータ７の略ティース幅内で、周方向に分割されている。
本実施形態においては、ティース２を構成する電磁鋼板の磁化容易軸を、ステータの径方向に対して傾斜させる方法として、ティース２自体をステータ７の径方向に対してθ３deg傾斜させて配置している。これによって、電磁鋼板からティース２を切り出す際に、磁化容易軸の方向からずらして切り出す必要がない。
また、微小角θ３degは、１deg≦｜θ３｜≦１５degが好ましい。さらには、３deg≦｜θ３｜≦１２degが好ましく、５deg≦｜θ３｜≦１０degであることが好ましい。

本実施形態においては、磁化容易軸方向の偏差αdegは、０deg≦α≦１０degであることが好ましい。
本実施形態は、ティース２自体をステータ７の径方向に対して傾斜して取り付けているので、ティース２を構成する電磁鋼板の磁化容易方向のバラツキ（偏差）は小さい方がティース２およびヨーク１を流れる磁束の流れを円滑化することができるからである。
また、永久磁石９の励磁方向を傾ける方法として、着磁の方向は永久磁石の外面に垂直とし、永久磁石自体を微小角θ２deg傾けて配置している。これによって、永久磁石の着磁方向を永久磁石の軸からずらして着磁させる必要がない。

＜第１および第２共通の実施形態＞
前記第１または第２の実施形態に示すステータ（励磁機）およびロータ（界磁機）を、電動機（同期機）に適用することによって、鉄損が少なく出力トルクが大きい電動機（同期機）を提供することができる。
なお、前述の第１および第２の実施形態における微小角θ１およびθ２の方向は、同期機が電動機の場合と発電機の場合で異なる。すなわち、電動機の場合は、前述のようにステータ７から流れる磁束によってロータ８が回転するため、ロータ８の位相が遅れるのでθ１、θ２およびθ３は正（ロータの回転方向）となるが、同期機が発電機の場合には、ロータ８が回転することによって、磁束がロータ８からステータ７に流れるので、ロータ８の位相が進むのでθ１、θ２およびθ３は負（ロータの回転方向と逆方向）となる。

本発明の第１の実施形態であるステータ（励磁機）およびロータ（界磁機）の構造を示す図である。 本発明の第２の実施形態であるステータ（励磁機）およびロータ（界磁機）の構造を示す図である。 本発明に用いる方向性電磁鋼板の比透磁率（μ）の特性を示す図である。 本発明に用いる電磁鋼板の磁化容易軸方向の偏差αの説明図である。 従来の同期機の断面図である。 従来の同期機の断面図である。

符号の説明

１ ヨーク
２ ティース
３ ステータの径方向
４ ティースの中心軸
５ 永久磁石の励磁方向の中心軸
７ ステータ（励磁機）
８ ロータ（界磁機）
９ 永久磁石

Claims (15)

1. 電流を通じることにより移動磁界を発生させる励磁機であって、前記励磁機は、ヨークおよびティースを有しており、該ヨークが前記励磁機の周方向に分割されており、かつ、該ヨークが前記励磁機の周方向の略ティース幅内にて分割されており、
   前記ティースを構成する電磁鋼板の磁化容易軸が前記励磁機の径方向に対してθ１deg傾いていることを特徴とする励磁機。
2. 前記θ１degが、５deg≦|θ１|≦１０degであることを特徴とする請求項１に記載の励磁機。
3. 前記電磁鋼板における磁化容易軸方向の偏差αdegが、5deg≦α≦20degであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の励磁機。
4. 前記ティースの中心軸が前記界磁機の径方向に対してθ３deg傾けることを特徴とする励磁機。
5. 前記θ３degが、5deg≦|θ３|≦１０degであることを特徴とする請求項４に記載の励磁機
6. 前記ティースが方向性電磁鋼板からなることを特徴とする請求項４または請求項５に記載の励磁機。
7. 前記電磁鋼板における磁化容易軸方向の偏差αdegが、0deg≦α≦10degであることを特徴とする請求項４乃至請求項６に記載の励磁機。
8. 永久磁石により直流磁場を発生させる界磁機であって、前記永久磁石の励磁方向を前記界磁機の径方向に対して、θ２deg傾けることを特徴とする界磁機。
9. 前記θ２degが、5deg≦|θ２|≦10degであることを特徴とする請求項８に記載の界磁機。
10. 前記永久磁石の磁界方向の中心軸を前記界磁機の径方向に対してθ２deg傾けることを特徴とする請求項８または請求項９に記載の界磁機。
11. 請求項１乃至請求項７に記載の励磁機を有することを特徴とする同期機。
12. 前記同期機が電動機の場合には、前記θ１およびθ３は正の値（前記界磁機の回転方向）であり、前記同期機が発電機の場合には前記θ１およびθ３は負の値（前記界磁機の回転方向と逆方向）であることを特徴とする請求項１１に記載の同期機。
13. 請求項７乃至請求項１０に記載の界磁機を有することを特徴とする同期機。
14. 前記同期機が電動機の場合には前記θ２は正の値（前記界磁機の回転方向）であり、前記同期機が発電機の場合には前記θ２は負の値（前記界磁機の回転方向と逆方向）であることを特徴とする請求項１３に記載の同期機。
    
15. 請求項１乃至請求項７に記載の励磁機と請求項８乃至請求項１０に記載の界磁機とを有することを特徴とする同期機。
    

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