JP2020182264A - 回転電機の回転子 - Google Patents

Abstract

【課題】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可能な回転電機の回転子を提供する。【解決手段】回転子鉄心は、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３０ａ〜３０ｄを有している。少なくとも最も外周面側に設けられたバリア領域のフラックスバリアに非磁性導電体３４が充填されている。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、最も外周面側に設けられたバリア領域のフラックスバリアを規定している中心軸線側のバリア側縁３５ａは、０．５５＜２ａ／Ｒ２＜０．８４の範囲内に位置している。【選択図】図８

Description

この発明の実施形態は、回転電機の回転子に関する。

回転電機として、同期リラクタンスモータが提供されている。このリラクタンスモータの回転子には、非磁性体で構成されたフラックスバリアが設けられている。回転子鉄心とフラックスバリアとの透磁率の違いによって突極性を得ることにより、トルクを発生する。非磁性体（比透磁率がほぼ１である）の代表例としては空気が挙げられる。このため、インバータ駆動形の同期リラクタンスモータの実用例としては，フラックスバリアを空洞（何も充填しない）とすることが多い。

一方、アルミニウムや銅なども非磁性体であるが、これらは同時に導電体でもある。そのため、アルミニウムや銅などをフラックスバリアに充填することで二次導体を構成することができる。すなわち，非同期状態（固定子の回転磁界の回転速度と回転子の物理的な回転速度が一致せず、滑っている状態）においては、誘導トルクが発生するため、商用直入れ運転が可能な自己始動形の同期リラクタンスモータを実現することが可能となる。
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。

特許第４０９８９３９号公報 特許第４５８８２５５号公報

しかしながら、従来の技術では、十分な誘導トルクを確保できず、要求仕様を満足する始動性能が得られないという問題がある。例えば、同一出力の負荷であっても、慣性モーメントが大きいリラクタンスモータにおいては、同期速度まで加速できない（同期引き入れできない）場合がある。
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。

実施形態によれば、回転電機の回転子は、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、を備えている。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ている。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ている。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／Ｒ^２ ＜０．８４の範囲内に位置している。

図１は、実施形態に係る回転電機の横断面図。 図２は、前記回転電機の回転子の１磁極部分を拡大して示す横断面図。 図３は、前記回転子の各バリア領域のフラックスバリアに非磁性導電体を充填した場合の誘導トルクの発生状態を比較して示す図。 図４は、回転子鉄心の外周に接する半径Ｒの外接円と比例定数ａの双曲線ｇを示す図。 図５は、バリア領域が最外層の１層の場合の誘導トルクとリラクタンストルクとの関係を示す図。 図６は、バリア領域が複数層設けられた回転子における誘導トルクとリラクタンストルクとの関係を示す図。 図７は、複数層のバリア領域が設けられた回転子において、最外層のバリア領域の形成位置を種々変化させた場合の回転子鉄心の１磁極分の断面図である。 図８は、前記回転子の１磁極部分を拡大して示す横断面図。

以下に、図面を参照しながら、実施形態について説明する。なお、実施形態を通して共通の構成には同一の符号を付すものとし、重複する説明は省略する。また、各図は実施形態とその理解を促すための模式図であり、その形状や寸法、比などは実際の装置と異なる個所があるが、これらは以下の説明と公知の技術を参酌して適宜、設計変更することができる。

（実施形態）
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。

固定子１２は、円筒状の固定子鉄心１６と固定子鉄心１６に巻き付けられた電機子巻線１８とを備えている。固定子鉄心１６は、磁性材、例えば、ケイ素鋼などの円環状の電磁鋼板を多数枚、同芯状に積層して構成されている。固定子鉄心１６は、軟磁性粉を加圧成形して形成することも可能である。固定子鉄心１６の内周部には、複数のスロット２０が形成されている。複数のスロット２０は、円周方向に等間隔を置いて並んでいる。各スロット２０は、固定子鉄心１６の内周面に開口し、この内周面から放射方向に延出している。また、各スロット２０は、固定子鉄心１６の軸方向の全長に亘って延在している。複数のスロット２０を形成することにより、固定子鉄心１６の内周部は、回転子１４に面する複数（例えば、本実施形態では４８個）の固定子ティース２１を構成している。複数のスロット２０に電機子巻線１８が埋め込まれ、各固定子ティース２１に図示しないインシュレータや絶縁被膜を介して巻き付けられている。電機子巻線１８に電流を流すことにより、固定子１２（固定子ティース２１）に所定の鎖交磁束が形成される。

回転子１４は、円柱形状のシャフト（回転軸）２２と、このシャフト２２の軸方向ほぼ中央部に同軸的に固定された円柱形状の回転子鉄心２４と、を有している。シャフト２２は、図示しない軸受により中心軸線Ｃの回りで回転自在に支持されている。回転子１４は、固定子１２の内側に僅かな隙間（エアギャップ）を置いて同軸的に配置されている。すなわち、回転子鉄心２４の外周面は、僅かな隙間をおいて、固定子１２の内周面に対向している。回転子鉄心２４は中心軸線Ｃと同軸的に形成された内孔２５を有している。シャフト２２は内孔２５に挿通および嵌合され、回転子鉄心２４と同軸的に延在している。回転子鉄心２４は、磁性材、例えば、ケイ素鋼などの円環状の電磁鋼板を多数枚、同芯状に積層した積層体として構成されている。回転子鉄心２４は、軟磁性粉を加圧成形して形成することも可能である。

本実施形態において、回転子１４は、複数磁極、例えば、４磁極に設定されている。回転子鉄心２４において、中心軸線Ｃと直交する方向を径方向、中心軸線Ｃ回りに周回する方向を周方向と称する。また、中心軸線Ｃおよび隣合う磁極間の境界を通り中心軸線Ｃに対して径方向あるいは放射方向に延びる軸をｑ軸、およびｑ軸に対して電気的、磁気的に直交する軸をｄ軸と称する。ここでは、固定子１２によって形成される鎖交磁束の流れ易い方向をｑ軸としている。ｄ軸およびｑ軸は、回転子鉄心２４の円周方向に交互に、かつ、所定の位相で設けられている。回転子鉄心２４の１磁極分とは、隣合う２本のｑ軸間の領域（１／４周の周角度領域）をいう。このため、回転子鉄心２４は、４極（磁極）に構成されている。１磁極のうちの周方向中央がｄ軸となる。

図２は、回転子の１磁極部分、すなわち，１／４周の周角度領域分を示す断面図である。図１および図２に示すように、回転子鉄心２４は、１磁極ごとに、複数層、例えば、４層のバリア領域３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄを有している。各磁極において、４層のバリア領域３０ａ〜３０ｄは、回転子鉄心２４の径方向（ｄ軸方向）に互いに間隔を置いて、中心軸線Ｃ側から外周面側に順に並んで設けられている。すなわち、バリア領域３０ａ〜３０ｄの各々は、回転子鉄心２４の外周面におけるある箇所からｄ軸を通り外周面の他の箇所に至り、中心軸線Ｃに向かって凸状に湾曲して延在している。複数のバリア領域３０ａ〜３０ｄは、固定子１２により形成された磁束が通過する複数の磁路の間に形成され、各磁路を区画している。

本実施形態において，各バリア領域３０ａ〜３０ｄは、ｄ軸を中心とするほぼ双曲線状に延在するフラックスバリア（空隙層）３２と、フラックスバリア３２の一端と外周面との間に位置する鉄心で形成された薄肉連結部（第１ブリッジ部）３２ａと、フラックスバリア３２の他端と外周面との間に位置する鉄心で形成された薄肉連結部（第２ブリッジ部）３２ｂと、を有している。
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。

少なくとも最外層のバリア領域３０ｄのフラックスバリア３２には、アルミニウム、銅等の非磁性導電体が充填され、２次導体３４を構成している。本実施形態では、４層のバリア領域３０ａ〜３０ｄのフラックスバリア３２に非磁性導電体が充填され、それぞれ２次導体３４を構成している。これらの２次導体３４は、回転子鉄心２４の軸方向一端に設けられた図示しない短絡部材により互いに短絡され、二次巻線を構成している。

先に説明したように、バリア領域は略双曲線状に複数層設けられている。図３は、各バリア領域のフラックスバリア３２に非磁性導電体を充填した場合に、各２次導体領域がどの程度の誘導トルクを発生しているかを比較して示している。図示のように、誘導トルクのほとんどは、最も回転子１４の外周面に近い、最外周側のバリア領域３０ｄのフラックスバリア３２に充填された２次導体３４で発生していることが分かる。これは、外周面に近い２次導体３４の方が、鎖交するｑ軸磁束が多いためである。すなわち、誘導トルクを大きくするためには、フラックスバリア３２の面積を大きくし、そこに非磁性導電体を充填することが効果的である。以下では，バリア領域３０ｄのフラックスバリア３２をどの程度まで大きくすることが可能であるか検証する。

図４は、回転子鉄心の外周に接する半径Ｒの外接円ｆ（ｘ、ｙ）＝０と、比例定数ａの双曲線ｇ（ｘ、ｙ）＝０を表している。図４において、互いに直交するＸ座標およびＹ座標は、それぞれｑ軸に対応しているものとしている。図４では、外接円ｆおよび双曲線ｇは

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／Ｒ^２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。

外接円：ｆ（ｘ、ｙ）＝０が回転子鉄心の外周を表し、この外接円と双曲線ｇ（ｘ，ｙ）＝０とで囲まれた領域が２次導体領域、ｇ（ｘ、ｙ）＜０の領域が鉄心部となっている場合を考える。電機子巻線から与えられる磁位は、ほぼ正弦波状に分布しており、固定子内周と回転子外周との間のギャップに発生する磁束密度もほぼ正弦波状に分布していると考えられる。従って、ｑ軸磁束を発生たせた場合のギャップの磁束密度Ｂｑは，以下のように表すことができる。

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。

次に、リラクタンストルクＴｒを考える。リラクタンストルクＴｒは、ｄ軸の磁束とｑ軸の磁束との差によって生じる。ｑ軸磁束Фｑと同様の考え方で、ｄ軸磁束Фｄを計算すると、次のようになる。

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。

これまでの考察は、図４に示したように、バリア領域を最外周層の１層だけ設けた場合の理論検討をベースとしている。しかし、通常、リラクタンストルクをより大きくするために、バリア領域は複数層設けられる。すなわち、本実施形態のように、バリア領域３０ｄよりも中心軸線Ｃに近い位置にバリア領域３０ｃ、３０ｂ、３０ａなどが設けられる。この場合、バリア領域３０ｄだけでなく、バリア領域３０ｃ、３０ｂ、３０ａによってもリラクタンストルクが発生する。そのため、リラクタンス卜ルクを最大化するバリア定数tの値は、０．７１から変化することが予想される。

そこで、バリア領域３０ｃ、３０ｂ、３０ａを設けた構成において、最外層のバリア領域３０ｄのみを変化させた場合のトルクを磁界解析によって計算した。図７（ａ）〜（ｄ）は、バリア領域３０ｄを種々変化させた場合の回転子鉄心の１磁極分の横断面を示している。図示のように、バリア定数ｔが小さくなる程、バリア領域３０ａの占める領域が大きくなっている。例えば、図７（ａ）は、ｔ＝０の場合の横断面を示し、図７（ｄ）は、ｔ＝０．７の場合の横断面を示している。
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／Ｒ^２）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。

図８に示すように、最外層のバリア領域３０ｄのフラックスバリア３２は、内周側縁（バリア側縁）３５ａとこれに隙間をおいて対向する外周側縁３５ｂとの間に規定されている。そして、内周側縁（バリア側縁）３５ａがｔ＝０．８４の双曲線とｔ＝０．５５の双曲線との間の領域内に位置するようにフラックスバリア３２を形成している。これにより、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を大きくすることができる回転電機の回転子が得られる。
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。

なお、この発明は上述した実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化可能である。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
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。

１０…回転電機、１２…固定子、１４…回転子、１６…固定子鉄心、
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)

1. 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／Ｒ^２ ＜０．８４の範囲内に位置している
   回転子。
2. 前記中心軸線側のバリア側縁は、０．５５＜ ２ａ／Ｒ^２ ＜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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