JP2019205249A - 回転電機 - Google Patents
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Abstract
Description
この回転子に発生するトルクの脈動を低減するため、特許文献1〜特許文献3に示す様々な手法が知られている。
特許文献2においては、隣り合った一対のローター磁石が円周方向に互いに逆となるように移動した位置に形成されている技術が開示されている。
特許文献3においては、リラクタンス型の突極磁極を持つ回転子において、その突極磁極部を非対称にすることで、発生するトルクの脈動を低減させる技術が開示されている。
上記回転子には4N+2(Nは自然数)個の磁石が配置されるとともに、上記固定子には6N+3個のスロットが配置され、
上記回転子は上記回転電機の中心に対して軸対称の関係にある2つの上記磁石の周方向中心を通るとともに上記回転電機の軸方向に延びる第1の対称面と、周方向に隣り合う上記磁石の間であって上記回転電機の中心に対して軸対称の関係にある2つの間を通るとともに上記回転電機の軸方向に延びる第2の対称面を持ち、
隣り合う上記磁石のそれぞれの周方向の中心の上記回転電機の中心に対する角度が360÷(4N+2)度となる位置に対して、各磁石は上記第2の対称面から離れる方向であり、かつ上記第1の対称面に接近させる方向にずれているものである。
本願は、回転電機の固定子と回転子の間に働くトルクの脈動を低減し、滑らかな回転を得る技術に関するものである。
図1は実施の形態1による回転電機100を示す断面図である。図1において固定子1にはティース2及びスロット3が設けられており、スロット3に固定子巻線4が巻回されている。固定子1の内側に配置されている回転子5は磁石(M1〜M6)を6個持っており、その表面がN極のものとS極のものが周方向に交互に回転子5の表面に貼り付けられている。本実施形態は6極9スロットの回転電機であり、特許請求の範囲においてN=1とした構成に相当し、磁石が6個、固定子に9個のスロット3がある場合を示している。
本実施形態においては図1に示すように、回転子5は、2つの対称面P1とP2を持ち、回転電機100の中心に対して軸対称の関係にある2つの磁石(図1では第1の磁石M1と第4の磁石M4)の周方向中心を通るとともに回転電機100の軸方向に延びる第1の対称面P1と、周方向に隣り合う磁石の間であって回転電機100の中心に対して軸対称の関係にある2つの間(図1では第2の磁石M2と第3の磁石M3の間、及び第5の磁石M5と第6の磁石M6の間)を通るとともに回転電機100の軸方向に延びる第2の対称面P2を有している。そして第2の対称面P2は第1の対称面P1に対して90度回転した位置に位置している。第1の対称面P1が通る磁石のうち、一つを第1の磁石M1として、周方向時計回りに隣接する磁石を第2の磁石M2、さらに第2の磁石M2の第1の磁石M1と反対側に隣接する磁石を第3の磁石M3というように、時計回りに順に第1〜第6の磁石M1〜M6と定義する。
そして第1の対称面P1を通る磁石のうち、1つを第1の磁石として、周方向に隣り合う磁石を第2の磁石とし、順次第1から第(4N+2)の磁石があり、1以上、N+1以下の自然数iのうち、少なくとも1つのiについて、第iの磁石と第i+1の磁石がなす角度が、360÷(4×N+2)より狭く、1以上、N+1以下の上記i以外の自然数jのうち、少なくとも1つのjについて、第jの磁石と第j+1の磁石がなす角度が、360÷(4×N+2)より広くなるよう設定するものである。このように構成することにより、それぞれの磁石が作り出すトルクの脈動を打ち消しあうので、トルクの脈動を小さくすることが出来る。
更にj=2であり、第2の磁石M2と第3の磁石M3がなす角度が77.8度なので360÷(4×1+2)=60度より広いので、上記条件を満たしていることになる。
実施の形態1においては、N=1であるのでk=1となる。この条件を上記に当てはめると、第1の磁石M1と第2の磁石M2がなす角度が51.1度であり、第2の磁石M2と第3の磁石M3がなす角度が77.8度なので、k=1の場合、51.1度≦77.8度が成立する。
実施の形態1においては、N=1であるため、第2の磁石M2と第3の磁石M3が対象となる。又磁石を均等に配置(60度間隔)したときに比べて、180÷(12N+6)=10度(磁極ピッチずれ10度)以上離れているように構成するものである。即ち第2の磁石M2と第3の磁石M3の間隔は77.8度であるから77.8度−60度=17.8度>10度となり上記条件を満たしていることになる。
図6は実施の形態2による回転電機の軸方向に垂直な方向における断面図である。固定子巻線4を15個備えた固定子1を配置するとともに、固定子1の内側に磁石M1〜M10が貼り付けられた回転子5が設置されている。図6において磁石が周方向に不均等に貼り付けられており、磁石ごとにより間隔が異なる。回転子5は対称面を2つもち、即ち回転電機100の中心に対して軸対称の関係にある2つの磁石(図6では第1の磁石M1と第6の磁石M6)の周方向中心を通るとともに回転電機100の軸方向に延びる第1の対称面P1と、回転電機100の中心に対して軸対称の関係にあるとともに磁石と磁石の周方向における2つの間(図6では第3の磁石M3と第4の磁石M4の間、及び第8の磁石M8と第9の磁石M9の間)を通り、更に回転電機100の軸方向に延びる第2の対称面P2を有している。対称面P1が通る磁石のうちひとつを第1の磁石M1として、周方向時計まわりに隣接する磁石を第2の磁石M2とする。第2の磁石M2の、第1の磁石M1とは反対側に隣接する磁石を第3の磁石M3とし、周方向時計回りに第1の磁石M1から第10の磁石M10を備えている。
図6において、第2の磁石M2と第4の磁石M4がなす角度θ2は、均等に配置したとき(72度)に比べて11度大きく、83度となっている。第3の磁石M3と第5の磁石M5がなす角度も同様に83度となっている。均等に磁石を配置したときに比べて磁石の間隔が何度異なるかを示す物理量を本願においては磁極ピッチずれと定義する。
図10は磁極ピッチずれとトルクの低下率の関係を示す。ここでトルクの低下率とは、磁極ピッチずれが無いときに比べて平均トルクがどの程度低下するかを示す量である。無負荷のときは平均トルクが0なので、トルク低下率を定義しない。
本実施形態においても、トルクの低下率とトルク脈動の低下とのバランスを考えて磁極ピッチずれを製品仕様によって決定するものである。以下に磁極ピッチずれをどれくらいの値にするのが最適であるかについて説明する。
そして第1の対称面P1を通る磁石のうち、1つを第1の磁石として、周方向に隣り合う磁石を第2の磁石とし、順次第1から第(4N+2)の磁石があり、1以上、N+1以下の自然数iのうち、少なくとも1つのiについて、第iの磁石と第i+1の磁石がなす角度が、360÷(4×N+2)より狭く、1以上、N+1以下の上記i以外の自然数jのうち、少なくとも1つのjについて、第jの磁石と第j+1の磁石がなす角度が、360÷(4×N+2)より広くなるよう設定するものである。このように構成することにより、それぞれの磁石が作り出すトルクの脈動を打ち消しあうので、トルクの脈動を小さくすることが出来る。
更にj=3であり、第3の磁石M3と第4の磁石M4がなす角度が47度なので360÷(4×2+2)=36度より広いので、上記条件を満たしていることになる。
図11は実施の形態3による回転電機の回転軸に垂直な方向における断面図である。固定子1の内側に回転子5を配置するとともに、固定子1のスロット3には27個のコイルが巻かれており、更に回転子5には18個の磁石が取り付けられている。回転子5に貼り付けられた磁石は周方向に不均等の角度で貼り付けられており、貼付け位置は2つの対称面P1とP2に対して線対称の関係となっている。回転子5は回転電機100の中心に対して軸対称の関係にある2つの磁石(図11では第1の磁石M1と第10の磁石M10)の周方向中心を通るとともに回転電機100の軸方向に延びる第1の対称面P1と、回転電機100の中心に対して軸対称の関係にあるとともに磁石と磁石の周方向における2つの間(図11では第5の磁石M5と第6の磁石M6の間、及び第14の磁石M14と第15の磁石M15の間)を通り、更に回転電機100の軸方向に延びる第2の対称面P2を有している。
第1の磁石M1と第2の磁石M2がなす角度、及び第9の磁石M9と第10の磁石M10がなす角度は等しく18.2度となっている。
図13は磁極ピッチずれとトルク脈動の基本波成分の大きさの関係を示す。点線Rが無負荷時、実線Sが定格負荷時、二点鎖線Tが高負荷時を示す。無負荷時において、トルク脈動の基本波成分は磁極ピッチずれが0度において極大となり、磁極ピッチずれが3.6度において極小となる。
図15は磁極ピッチずれとよるトルクの低下率の関係を示す。ここでトルクの低下率とは、磁極ピッチずれが無いときに比べて平均トルクがどの程度低下するかを示す量である。無負荷のときは平均トルクが0なので、トルク低下率を定義しない。
本実施形態においても、トルクの低下率とトルク脈動の低下とのバランスを考えて磁極ピッチずれを製品仕様によって決定するものである。以下に磁極ピッチずれをどれくらいの値にするのが最適であるかについて説明する。
そして第1の対称面P1を通る磁石のうち、1つを第1の磁石として、周方向に隣り合う磁石を第2の磁石とし、順次第1から第(4N+2)の磁石があり、1以上、N+1以下の自然数iのうち、少なくとも1つのiについて、第iの磁石と第i+1の磁石がなす角度が、360÷(4×N+2)より狭く、1以上、N+1以下の上記i以外の自然数jのうち、少なくとも1つのjについて、第jの磁石と第j+1の磁石がなす角度が、360÷(4×N+2)より広くなるよう設定するものである。このように構成することにより、それぞれの磁石が作り出すトルクの脈動を打ち消しあうので、トルクの脈動を小さくすることが出来る。
更にj=5であり、第5の磁石M5と第6の磁石M6がなす角度が23.6度なので360÷(4×4+2)=20度より広いので、上記条件を満たしていることになる。
尚上記実施の形態1〜3においては、N=1、2、4の場合について説明したが、全ての自然数Nについて上記要件は満たされるものである。
又本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、1つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも1つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも1つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。
Claims (5)
- 固定子の内側に回転子が配置されている回転電機であって、
上記回転子には4N+2(Nは自然数)個の磁石が配置されるとともに、上記固定子には6N+3個のスロットが配置され、
上記回転子は上記回転電機の中心に対して軸対称の関係にある2つの上記磁石の周方向中心を通るとともに上記回転電機の軸方向に延びる第1の対称面と、周方向に隣り合う上記磁石の間であって上記回転電機の中心に対して軸対称の関係にある2つの間を通るとともに上記回転電機の軸方向に延びる第2の対称面を持ち、
隣り合う上記磁石のそれぞれの周方向の中心の上記回転電機の中心に対する角度が360÷(4N+2)度となる位置に対して、各磁石は上記第2の対称面から離れる方向であり、かつ上記第1の対称面に接近させる方向にずれていることを特徴とする回転電機。 - 上記第1の対称面を通る上記磁石のうちの1つを第1の磁石として、周方向時計回りに隣り合う磁石を第2の磁石とし、順次第1の磁石から第(4N+2)の磁石を定義した場合、
1以上、N+1以下の自然数iのうち、少なくとも1つのiについて、第iの磁石と第i+1の磁石の上記回転電機の中心に対する角度が、360÷(4×N+2)度より狭く、
1以上、N+1以下であって上記i以外の自然数jのうち、少なくとも1つのjについて、第jの磁石と第j+1の磁石の上記回転電機の中心に対する角度が、360÷(4×N+2)度より広いことを特徴とする請求項1に記載の回転電機。 - 上記第1の対称面を通る上記磁石のうちの1つを第1の磁石として、周方向時計回りに隣り合う磁石を第2の磁石とし、順次第1の磁石から第(4N+2)の磁石を定義した場合、
1以上、N以下の全ての自然数kについて、第kの磁石と第k+1の磁石の上記回転電機の中心に対する角度が、第k+1の磁石と第k+2の磁石の上記回転電機の中心に対する角度以下であることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の回転電機。 - 上記第1の対称面を通る上記磁石のうちの1つを第1の磁石として、周方向時計回りに隣り合う磁石を第2の磁石とし、順次第1の磁石から第(4N+2)の磁石を定義した場合、
Nが2以上の自然数において、2以上、N以下の全ての自然数mについて、第mの磁石と第m+1の磁石の上記回転電機の中心に対する角度が、360÷(4N+2)度であることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の回転電機。 - 上記第1の対称面を通る上記磁石のうちの1つを第1の磁石として、周方向時計回りに隣り合う磁石を第2の磁石とし、順次第1の磁石から第(4N+2)の磁石を定義した場合、
2以上、N+1以下の自然数nに関して第nの磁石と、第(n+N)の磁石の上記回転電機の中心に対する角度をX度とした場合、X−360÷(4N+2)×N≧180÷(12N+6)であることを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の回転電機。
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