JP2020182264A - 回転電機の回転子 - Google Patents
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Abstract
Description
自己始動型の同期リラクタンスモータは、駆動用のインバータが不要となるため、モータドライブシステム全体としての効率を改善することができ、システムコストも削減することができる。
誘導トルクを大きくするためには、二次導体の断面積を大きくして、二次抵抗を小さくする必要がある。しかし、二次導体の面積を大きくした場合、回転子の磁気的なバランスが崩れ、回転子の突極性が低下する。すなわち、同期引き入れできても、同期運転時のトルクや力率が低く、同期リラクタンスモータとしての性能を十分に発揮することが困難となる。
この発明は以上の点に鑑みなされたもので、その課題は、リラクタンストルクを低下させることなく、誘導トルクを大きくすることができる回転電機の回転子を提供することにある。
図1は、実施形態に回転電機の横断面図、図2は、回転子の1磁極分を拡大して示す断面図である。
図1に示すように、回転電機10は、例えば、インナーロータ型の回転電機として構成され、図示しない固定枠に支持された環状あるいは円筒状の固定子12と、固定子の内側に中心軸線Cの回りで回転自在に、かつ固定子12と同軸的に支持された回転子14と、を備えている。実施形態において、回転電機10は、自己始動型のリラクタンスモータを構成している。
例えば、最も内周側に設けられたバリア領域30aにおいて、フラックスバリア32の一端は、外周面の近傍、かつ、一方のq軸の近傍に位置し、フラックスバリア32の他端は外周面の近傍、かつ、他方のq軸の近傍に位置している。フラックスバリア32は、上記一端から他端まで、q軸に沿うと共に周方向の中央部が最も径方向内側に位置するように、外周側から径方向内側の中心軸線Cに向かって凸形状に湾曲して延在している。
2層目、3層目、および最外層のバリア領域30b、30c、30dは、最内層のバリア領域30aに対して、d軸方向に間隔を置いて並んでいる。なお、バリア領域は、4層に限らず、2層、3層、あるいは5層以上に形成されてもよい。また、各フラックスバリアは、連続した一層に限らず、複数に分割されたバリア層としてもよい。
となる。これらの曲線で囲まれた領域の面積Sは、次式のように算出することができる。
上記式において、t=2a/R2であり、tをバリア定数と称することにする。f(x、y)=0とg(x、y)=0とで囲まれた面積が存在する(2つの交点を持つ)という条件から、0≦t<1となる。
ただし、θは、極座標で表した時の周方向成分である。f(x,y)=0とg(x,y)=0との交点のうち、x軸に近い交点をAとすれば、極座標表示において、
(r、θ)=(R,(sin―1t)/2)となる。従って、q軸磁束Фqは、Bqをx軸から交点Aに向かって積分した結果に比例する。
q軸磁束Фqが角速度ωで変化しているとすれば、ファラデーの法則により、2次導体領域には誘起電圧Vが発生する。
2次導体領域の抵抗値が、2次導体領域の面積Sに反比例することから、2次導体領域に流れる電流Iは、次のように表される。
この時発生する誘導トルクTmは、電流Iと磁束Фqに比例するため、次のように書ける。
従って、リラクタンストルクTrは次のように書ける。
TmとTrを図示すると、図5のようになる。ただし、TmとTrの最大値でそれぞれ規格化している。図5に示すように、Tmはt=0.55で最大となり、Trはt=0.71で最大となる。したがって,理論上は、t=0.71となるようにバリア領域30dを配置すれば,リラクタンストルクTrを低下させることなく,誘導トルクTmが最大化できる。また、t=0.55とすれば、リラクタンストルクTrの低下を最小限に抑えながら、誘導トルクTmを最大化することができる。このように、リラクタンストルクを優先した設計(定常特性重視)とするか、誘導トルクを最大化した設計(始動特性重視)とするかによって、0.55<t<0.71の範囲でtを使い分けることが望ましい。
なお,特許第4588255号と同様に極孤率θとして考えた場合、次のように換算することができる。
よって、t=0.55はθ=57度、t=0.71はθ=45度、t=0.84はθ=33度にそれぞれ対応する。
図6は、トルクの解析結果を示している。なお、あるバリア定数tを固定した時に、電流の位相角を変化させた計算を行い、トルクが最大となる位相で得られた値をプロッ卜している。このように、複数層のバリア領域(フラックスバリア)が設けられている場合、バリア領域30dが消滅するt=1の条件においても、バリア領域30c、30b、30aによってリラクタンストルクTrが発生している。そのため、リラクタンストルクが最大となるのはt=0.84となり、バリア領域を1層だけ設けた場合の理論計算で得られた値t=0.71よりも大きくなっている。その結果、最適なバリア定数tの設定値は、
0.55<t<0.84となる。リラクタンストルク効率を重視した場合、バリア定数t(2a/R2)の設定値は、0.55<t<0.78に設定されていることが望ましい。
なお、バリア領域の層数を変えた場合、トルクリップルなどの脈動成分が大きく変化するが、実際の出力に寄与する平均トルクは大きく変化しない。すなわち、本実施形態では、バリア領域を4層設けているが、3層以下、あるいは5層以上の場合においても、上記と同様の傾向が得られるものと考えられる。
また、フラックスバリア32の内周側縁(バリア側縁)35aの形状は完全な双曲線でなくてもよい。すなわち、フラックスバリア32の内周側縁35aは、前述した領域0.55〜0.84の範囲内に延在していればよく、バスタブ形のような多角形でもよいし、円弧に近似した形状としてもよい。
例えば、実施形態では、4磁極の回転子を示しているが、これに限らず、回転子は、2磁極あるいは6磁極の回転子としてもよい。回転子の磁極数、寸法、形状、バリア領域の層数等は、前述した実施形態に限定されることなく、設計に応じて種々変更可能である。
18…電機子巻線、20…スロット、22…シャフト、24…回転子鉄心、
30a、30b、30c、30d…バリア領域、32…フラックスバリア、
32a…第1ブリッジ部、32b…第2ブリッジ部、34…2次導体、
35a…内周側縁(バリア側縁)、35b…外周側縁
Claims (2)
- 中心軸線の回りで回転自在なシャフトと、
円周方向に並んだ複数の磁極を有し前記シャフトに同軸的に固定された回転子鉄心と、
を備え、
前記中心軸線に直交する前記回転子鉄心の横断面において、隣合う磁極間の境界および前記中心軸線を通り径方向に延在する軸をq軸、前記q軸に対して磁気的に直交する軸をd軸とすると、
前記回転子鉄心は、前記各磁極において径方向に間隔を置いて並んで形成された複数層のバリア領域を有し、
各バリア領域は、前記回転子鉄心の外周面の一部の近傍から前記d軸を通って前記外周面の他の部分の近傍まで延在するフラックスバリアと、前記フラックスバリアの一端と前記外周面との間に位置する回転子鉄心で形成された第1ブリッジ部と、前記フラックスバリアの他端と前記外周面との間に位置する回転子鉄心で形成された第2ブリッジ部と、を有し、少なくとも最も前記外周面側に設けられた前記バリア領域のフラックスバリアに非磁性導電体が充填され、
前記外周面に接する外接円の半径をR、周方向に隣合う2つのq軸をX座標およびY座標とする双曲線の方程式をxy−a=0としたとき、
最も前記外周面側に設けられた前記バリア領域のフラックスバリアを規定している前記中心軸線側のバリア側縁は、0.55< 2a/R2 <0.84の範囲内に位置している
回転子。 - 前記中心軸線側のバリア側縁は、0.55< 2a/R2 <0.78の範囲内に位置している請求項1に記載の回転子。
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