JP2006320088A - 永久磁石式回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】 スキュー角度を理論角度とし、出力の低減をできるだけ抑えながら、コギングトルクを低減可能な永久磁石式回転電機を得る。
【解決手段】 円周方向に複数の磁極を持つ永久磁石３２を配置し、永久磁石の磁極の境界線もしくは境界部にスキューを設けた回転子３と、該回転子を内部に配置し、内側に突出する複数の凸極が形成された略円筒形状の固定子鉄心２１を有する固定子２とを備え、固定子鉄心の軸長をＬ、固定子鉄心に使用した電磁鋼板４の板厚をｔ、使用した電磁鋼板の枚数をｎとし、Ｐ＝ｎｔ／Ｌ×１００［％］にて算出できる鉄心の占積率Ｐを、９７〜９９．４％の範囲とする。
【選択図】 図６

Description

この発明は、サーボモータ等の永久磁石式回転電機に関し、特に、小型化や高出力密度化およびコギングトルクの低減を目的と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、内側に突出する複数の凸極が形成された略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中心軸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極が周方向（回転方向）に交互に並ぶように着磁されている。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、回転子が回転中心軸の回りに回転する。
上述のような永久磁石式回転電機にあっては、固定子巻線に電流を通電しない状態において回転子を回転させた場合(無負荷状態)においても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、振動や騒音を発生させたり、回転電機の制御性能を低下させたりする等の要因となる。
このコギングトルクを低減するために、永久磁石の磁極の境界線にスキューを設けることが知られている。一般的には、永久磁石のＮ極、Ｓ極の極間は回転中心軸に対して斜めの直線状であり、コギングトルクを最も低減できる理論スキュー角α（機械角）は、３６０／（固定子側の磁極数(スロット数)と磁極数の最小公倍数）［degree］である（例えば、特許文献１参照）。
これを回転子の磁極数（極数）および固定子の磁極数（スロット数）を用いて電気角で表すと、コギングトルクを最も低減できる理論スキュー角度θｓは、θｓ=１８０×（回転子の磁極数）／（回転子の磁極数と固定子の磁極数との最小公倍数）［degree］で表される。
しかし、理論スキュー角度θｓ（電気角）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、スキューを採用したことによって軸（回転中心軸）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。一方、永久磁石式回転電機では、小型高出力密度化する必要があり、同一出力における体格を小さくとることが必要となっている。体格縮小のためには、電気装荷あるいは磁気装荷を大きくする必要があるが、電気装荷を大きくすると巻線における発熱が顕著となり、連続定格条件が温度的に満たされなくなる可能性が高いため、電気装荷を大きくすることによる小型高出力密度化は難しい。このため、磁気装荷すなわち磁束密度を高くすることにより小型高出力密度化を達成することが求められている。
そのため、スキュー角度を理論角度とは異なった角度に設定することで、コギングトルクを理論スキュー角度とした場合よりも低減しながら、磁束密度を大きくすることにより高出力密度化することが可能な永久磁石式回転電機を提供することが述べられている（例えば、特許文献２参照）。

特開２０００−３０８２８６号公報（第３頁、第２図及び第５図） 特開２００５−２０９３０号公報

しかしながら、上記ののように磁気飽和の影響を考慮しスキュー角度を決定する場合には、スキュー角度を最適化するということが必要であった。また、磁気飽和の状況によっては、最適化されたスキュー角度は、トルクリップルの増加を招くスキュー角度となることがあった。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、スキュー角度を理論角度とし、出力の低減をできるだけ抑えながら、コギングトルクを低減可能な永久磁石式回転電機を提供することを目的とするものである。

この発明に係る永久磁石式回転電機においては、円周方向に複数の磁極を持つ永久磁石を配置し、永久磁石の磁極の境界線もしくは境界部にスキューを設けた回転子と、該回転子を内部に配置し、内側に突出する複数の凸極が形成された略円筒形状の固定子鉄心を有する固定子とを備え、固定子鉄心の軸長をＬ、固定子鉄心に使用した電磁鋼板の板厚をｔ、使用した電磁鋼板の枚数をｎとし、Ｐ＝ｎｔ／Ｌ×１００［％］にて算出できる鉄心の占積率Ｐを、９７〜９９．４％の範囲とするものである。

この発明によれば、円周方向に複数の磁極を持つ永久磁石を配置し、永久磁石の磁極の境界線にスキューを設けた回転子と、該回転子を内部に配置し、内側に突出する複数の凸極が形成された略円筒形状の固定子鉄心を有する固定子とを備え、鉄心の占積率Ｐを、９７〜９９．４％の範囲としたことより、高出力密度化を維持しつつコギングトル低減が可能な永久磁石式回転電機を得ることができる。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１における永久磁石式回転電機を示す斜視図、図２はこの発明の実施の形態１における永久磁石式回転電機を示す平面図、図３はこの発明の実施の形態１における永久磁石式回転電機のティース部拡大図、図４は図３のカシメ部での積層方向の断面図、図５は図４のカシメ部の一部を拡大して示す概略寸法図、図６は３次元磁界解析結果より得られた鉄心の占積率１００％の場合を基準とした鉄心の占積率とコギングトルクおよび無負荷誘起電圧の関係を示す特性図、図７は鉄心の占積率１００％の場合における図３のカシメ部での積層方向の断面図、図８は永久磁石式回転電機のティース部の異なるカシメ形状を示す図３相当図、図９は永久磁石式回転電機のティース部の他の異なるカシメ形状を示す図３相当図である。
図１および図２に示すように、回転子３は、回転子シャフト３３に固定された回転子鉄心３１の外周面に永久磁石３２が配置されている。永久磁石３２は、磁極３２ａ〜３２ｆが、Ｎ極とＳ極が周方向（回転方向）に交互に並ぶように着磁され、各磁極３２ａと３２ｂ、３２ｂと３２ｃ、３２ｃと３２ｄ、３２ｄと３２ｅ、３２ｅと３２ｆ、３２ｆと３２ａの境界線にスキュー（スキュー角度θである）が設けられている。
また、固定子２は、内側に突出する複数の凸極からなる固定子ティース２３が形成された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。図２では固定子２の磁極数（スロット数）は９個である。
回転子３は、固定子２の中心を回転中心軸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３が回転中心軸回りに回転する。
図２では回転子３の磁極数は６個であり、固定子２の磁極数は９個であることから、この永久磁石式回転電機のコギングトルク低減のための理論スキュー角度θ（機械角度）は２０度（＝３６０／回転子磁極数と固定子磁極数の最小公倍数１８）となる。
図４に示したように、高出力密度が必要とされる回転電機には、一般に低鉄損材料である薄い電磁鋼板４(板厚0.2〜0.5mm)が使用されると共に、鉄心を金型にて打ち抜くと同時にカシメ５、すなわち、接着材等を使用せずに、接合部分にはめこまれた爪や金具を工具で打ったり締めたりして接合部を固く止めることにより電磁鋼板４を一体化させるということが行われる。
図５は図４のカシメ部の一部を拡大して示す概略寸法図であり、カシメ５の寸法記号を記載したものである。ｔは電磁鋼板４の板厚、ｔ'はカシメ部における隣接する電磁鋼板間距離＋電磁鋼板の板厚、ａは凹部の直径、ｂは凹部の深さ、ｃは凸部の直径、ｄは凸部の高さ、Ｖ1は凹部の体積、Ｖ２は凸部の体積である。
この発明では、使用した鉄心の電磁鋼板４の板厚ｔ×使用した枚数ｎ／固定子鉄心２１の長さＬを、鉄心の占積率Ｐとして定義することとする。すなわち、Ｐ＝ｎｔ／Ｌ×１００［％］にて算出できる。
図５に示したカシメ部５の寸法記号を用いると、鉄心の占積率Ｐは

となる。ただし、ａ≠ｃ およびｂ≠ｄとした。また、ａ＝ｃ もしくはｂ＝ｄの場合には、鉄心の占積率は１００％となる。
次に、高出力化を目的としてカシメ５を実施した場合のカシメ部での積層方向の断面図を図７に示す。図７に示すように、高出力化のため通常は、各電磁鋼板４間での隙間は出来るだけ低減させることを行う。そのため、図５におけるカシメ部寸法はａ＝ｃ、ｄ＝ｂとなるよう、つまり、鉄心の占積率Ｐは１００％となるように設定する。
次に、図２に示したような回転子磁極数が６個、固定子磁極数が９個の回転電機について、理論スキュー角度が２０度（機械角度３６０／１８＝２０度）の回転子スキューを施した場合について、３次元磁界解析を行い、鉄心の占積率Ｐの大きさを変化させた場合のコギングトルクおよび無負荷誘起電圧算出結果を図６に示す。図６は、鉄心の占積率Ｐが１００％の場合を基準として、コギングトルク比および無負荷誘起電圧比を示している。
図６より、鉄心の占積率Ｐが１００％から小さくなるに伴い、コギングトルクも小さくなっていることが分かる。これは、占積率Ｐを低くするに伴い、図１に示した軸方向漏洩磁束１３が減少したためと考えられる。つまり、理論スキュー角度でのコギングトルク低減のためには、軸方向漏洩磁束１３が低減することが必要となり、占積率Ｐは低くした方が良いものと考えられる。
一方、永久磁石式回転電機のトルク出力は、一般的に無負荷誘起電圧×通電電流で表すことができる。つまり、通電電流が一定である場合には、トルク出力を大きくするためには、出来るだけ無負荷誘起電圧を大きくすることが必要となる。図６では、鉄心の占積率Ｐの低下に伴い、無負荷誘起電圧が低下していることが分かる。これは、鉄心の占積率Ｐが低下したことより、等価的に固定子鉄心２１の鉄心幅が短くなったためである。
よって高トルク出力および低コギングトルクを達成するためには、鉄心の占積率Ｐの設定が非常に重要となり、この発明では、高トルク出力(低減率１％以下)および低コギングトルク(低減率５０％以下)を達成するために、鉄心の占積率Ｐは９７〜９９．４％の範囲となるように設定した。
次に、図５のカシメ５の寸法記号を用い、カシメ５実施時の占積率低減方法について述べる。
まず、カシメ５の形状として、図２および図３に示した丸形状について説明を行う。
図５において、電磁鋼板４を打ち抜き丸形カシメ時に発生するするカシメ部の凸凹形状の体積Ｖ1、Ｖ2は一定であると考えられることから、次式が成立する。

よって丸形カシメ時を使用した際の鉄心の占積率Ｐは（１）式より

と表すことができる。
よって、丸形カシメを使用した場合には、(２)式を用い、鉄心の占積率Ｐを９７〜９９．４の範囲となるように、カシメ形状寸法ａ、ｂ、ｃ、ｄを決定することより、高トルク出力および低コギングトルクが達成できるものと考えられる。
次に、カシメ形状として、図８の正方形カシメ６を用いた場合について述べる。ここで、ａは凹部の一辺の長さである。正方形カシメを用いた場合も、カシメ部の凸凹形状の体積は一定であることから次式が成り立つ。

よって、正方形カシメを使用した際の鉄心の占積率Ｐは（２）式と同様となり、丸形カシメを使用した場合と同様、カシメ形状寸法ａ、ｂ、ｃ、ｄを（２）式を用い決定することより、高トルク出力および低コギングトルクが達成できるものと考えられる。
次に、カシメ形状として、長方形カシメの場合について述べる。ここで、ａは凹部の短辺の長さ、ｅは凹部の長辺の長さである。長方形カシメの場合もカシメ部の凸凹部体積は一定であることから、次式が成立する。

よって長方形カシメを使用した場合の鉄心の占積率Ｐは、次式で表すことができる。

よって、長方形カシメを使用した場合には、カシメ形状寸法ａ、ｂ、ｃ、ｄを（３）式を用い、鉄心の占積率Ｐが９７〜９９．４％の範囲となるように設定することより、高トルク出力および低コギングトルクが達成できるものと考えられる。
なお、この実施の形態１は、丸形・長方形・正方形カシメの場合について述べたが、他のカシメ形状の場合でも同様に、カシメ部寸法を鉄心の占積率から決定することで、低コギングトルク化が行えるものと考えられる。
また、図２および図３では、１つのティース当たり１個のカシメを用いた場合について説明を行ったが、図１４に示すように１つのティース当たり複数のカシメを使用した場合についてもカシメ部寸法を鉄心の占積率から決定することで、低コギングトルク化を行うことができるものと考えられる。
さらに、図１５に示すようにカシメを実施したティースと実施しないティースを混合させた場合等についてもカシメ部寸法を鉄心の占積率から決定することで、低コギングトルク化を行うことができるものと考えられる。

実施の形態２．
実施の形態１では、鉄心の占積率Ｐを変化させるため、カシメ部の凸凹形状を変化させた場合について述べたが、この実施の形態２では、カシメを使用せずに、接着鋼板等を用い、電磁鋼板を一体化させた場合について述べる。
図１０はこの発明の実施の形態２における永久磁石式回転電機の鉄心積層方向の断面図である。すなわち、図１０に示したように、板厚ｔの電磁鋼板４からなる鉄心積層間に板厚ｙの非磁性材料６を設置することによっても鉄心の等価占積率Ｐを制御することが可能となる。
なお、非磁性材料６を使用した場合の鉄心の占積率Ｐは、非磁性材料６の板厚ｙ[mm]、枚数をｍとすると

にて表すことができる。これにより、鉄心占積率Ｐを変化させることが可能となる。
また、図１１に示したように、板厚ｔｓ[mm]の磁性材料部１０と板厚ｙｓ[mm]の非磁性材部１１を接合させることで、ｔ[mm]の板厚とする鉄心材料をｎ枚を用いた場合には、鉄心の占積率Ｐは

にて表すことができる。よって、磁性材料部１０と非磁性材料部１１を接合させた電磁鋼板を用いた場合にも、鉄心の占積率Ｐを変化させることが可能となる。

実施の形態３．
図１２はこの発明の実施の形態３における永久磁石式回転電機の鉄心積層方向の断面図である。この実施の形態３では、カシメを軸方向に設けた場合と設けない場合を設けることで、鉄心の占積率Ｐを調整したものである。

実施の形態４．
実施の形態１〜３を併用することでも鉄心の占積率Ｐを変化させることは可能である。

実施の形態５．
永久磁石式回転電機の小型化・高出力密度化に際しては、鉄心の磁束密度が高くなるように設計することが一般的である。しかしながら、鉄心の磁束密度が高い設計である場合には、軸方向漏洩磁束１３も増加し、鉄心の占積率Ｐがコギングトルク等に与える影響は大きくなるものと推測される。そこで、固定子ティース２３中央部の磁束密度をパラメータとし、鉄心の占積率Ｐとコギングトルク比の関係について３次元解析を実施した結果を図１３に示す。なお、図中のコギングトルクは、磁束密度１．３Ｔ、鉄心の占積率１００%の場合を基準としたものである。
図１３より、磁束密度が高くなるに伴い、鉄心の占積率の影響も増加していることが分かる。すなわち、磁束密度が高い設計とした場合、磁気エネルギー増大によりコギングトルク値も大きくなる。これは、磁束密度が高い設計となっている永久磁石式回転電機に対しては、軸方向漏洩磁束量も多いことから、鉄心の占積率の低減よる軸方向漏洩磁束の低減の効果もより大きくなっているものと考えられる。図１３より固定子ティース２３部の磁束密度が概略１Ｔ以上の場合は、鉄心の占積率を９７〜９９．４％の範囲としたことによるコギングトルクの低減効果が非常に高いものと考えられる。

実施の形態６．
固定子磁極数と回転子磁極数の比が２：３である永久磁石式回転電機については、ティース部の磁束密度が高くなる設計であることから、さらに鉄心の占積率を９７〜９９．４％の範囲としたことによるコギングトルクの低減効果は高くなる。

この発明の実施の形態１における永久磁石式回転電機を示す斜視図である。 この発明の実施の形態１における永久磁石式回転電機を示す平面図である。 この発明の実施の形態１における永久磁石式回転電機のティース部拡大図である。 図３のカシメ部での積層方向の断面図である。 図４のカシメ部の一部を拡大して示す概略寸法図である。 ３次元磁界解析結果より得られた鉄心の占積率１００％の場合を基準とした鉄心の占積率とコギングトルクおよび無負荷誘起電圧の関係を示す特性図である。 鉄心の占積率１００％の場合における図３のカシメ部での積層方向の断面図である。 永久磁石式回転電機のティース部の異なるカシメ形状を示す図３相当図である。 永久磁石式回転電機のティース部の他の異なるカシメ形状を示す図３相当図である。 この発明の実施の形態２における永久磁石式回転電機の鉄心積層方向の断面図である。 この発明の実施の形態２における永久磁石式回転電機の鉄心積層方向の異なる断面図である。 この発明の実施の形態３における永久磁石式回転電機の鉄心積層方向の断面図である。 この発明の実施の形態５における永久磁石式回転電機の固定子ティース中央部の磁束密度をパラメータとした場合の鉄心占積率とコギングトルク比の関係を示す特性図である。 この発明の実施の形態１による１つのティース当たり複数のカシメを用いた場合の永久磁石式回転電機を示す平面図である。 この発明の実施の形態１によるカシメを実施したティースと実施しないティースを混合させた場合の永久磁石式回転電機を示す平面図である。

符号の説明

２ 固定子
２１ 固定子鉄心
２２ 固定子巻線、
２３ 固定子ティース
３ 回転子
３１ 回転子鉄心
３２ 永久磁石
３２ａ〜３２ｆ 磁極
３３ 回転子シャフト
４ 電磁鋼板(磁性材料)
５、８ カシメ（丸形状）、
６ 正方形カシメ、
７ 長方形カシメ、
９ 非磁性材料、
１０ 磁性材料部、
１１ 非磁性材料部

Claims (7)

1. 円周方向に複数の磁極を持つ永久磁石を配置し、前記永久磁石の磁極の境界線もしくは境界部にスキューを設けた回転子と、該回転子を内部に配置し、内側に突出する複数の凸極が形成された略円筒形状の固定子鉄心を有する固定子とを備え、前記固定子鉄心の軸長をＬ、固定子鉄心に使用した電磁鋼板の板厚をｔ、使用した電磁鋼板の枚数をｎとし、Ｐ＝ｎｔ／Ｌ×１００［％］にて算出できる鉄心の占積率Ｐを、９７〜９９．４％の範囲とすることを特徴とする永久磁石式回転電機。
2. 下記の式にて表現した鉄心の占積率Ｐが９７〜９９．４の範囲となるように、丸形又は正方形のカシメ部の寸法形状ａ、ｂ、ｃ、ｄを設定したことを特徴とする請求項１記載の永久磁石式回転電機。
   

   

   （但し、ａは凹部の直径又は一辺の長さ、ｂは凹部の深さ、ｃは凸部の直径又は一辺の長さ、ｄは凸部の高さである）
3. 下記の式にて表現した鉄心の占積率Ｐが９７〜９９．４％の範囲となるように、長方形のカシメ部の寸法形状ａ、ｂ、ｃ、ｄを設定したことを特徴とする請求項１記載の永久磁石式回転電機。
   

   

   （但し、ａは凹部の一辺の長さ、ｂは凹部の深さ、ｃは凸部の一辺の長さ、ｄは凸部の高さである）
4. 電磁鋼板および非磁性材料を併用し、非磁性材料の板厚をｙ、枚数をｍとすると、下記式にて表現した鉄心の占積率Ｐが９７〜９９．４％の範囲となるように、非磁性材料の板厚ｙおよび枚数ｍを設定したことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の永久磁石式回転電機。
   

   
5. ｔｓ[mm]の磁性材料とｙｓ[mm]の非磁性材料を接合させた鉄心材料を用い、下記式にて表現した鉄心の占積率Ｐが９７〜９９．４％の範囲となるように、磁性材料および非磁性材料部分の厚さを設定したことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の永久磁石式回転電機。
   

   
6. 無負荷時におけるティース部中央部の磁束密度の最大値が１Ｔ以上であることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかに記載の永久磁石式回転電機。
7. 回転子の磁極数と固定子の磁極数との比が２：３であることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれかに記載の永久磁石式回転電機。

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