JP4870340B2

JP4870340B2 - 電動機

Info

Publication number: JP4870340B2
Application number: JP2004192543A
Authority: JP
Inventors: 元澄由良; 孝典横地
Original assignee: Okuma Corp
Current assignee: Okuma Corp
Priority date: 2004-06-30
Filing date: 2004-06-30
Publication date: 2012-02-08
Anticipated expiration: 2024-06-30
Also published as: JP2006020376A

Description

本発明は、マグネットトルクとリラクタンストルクを併用した電動機に関するものであり、特に電動機のロータの磁路に係る構造に関する。

本発明の背景となる技術としては、第１の事例として下記特許文献１に示されるようなフラックスバリア型リラクタンス電動機がある。この電動機の断面構造の一例を図５に示す。この電動機は、電磁鋼板を積層して作られたロータ１に複数のスリット２を設けることによって複数の分割磁路３を形成するものである。これらの分割磁路３は、図中の例えば磁極Ｐ１から磁極Ｐ２へ流れる磁束に対して磁気抵抗が低くなるよう磁束経路を構成している。また、スリット２は例えば磁極中点Ｎ１と磁極中点Ｎ２へ流れる磁束に対して磁気抵抗が高くなるよう磁束の障壁を構成している。このように分割磁路３およびスリット２を複数とする理由は、磁極を各分割磁路によって細分化することによってトルクリップルを細分化し、ロータ全体のトルクリップルを小さく抑えるためである。

また、図５に示す電動機において、ステータ４には複数のスロット５が設けられ、このスロット５の内部に電線を挿入してステータ巻線を構成している。このステータ巻線は、一般的な交流電動機と同様である。

図５において、ロータ１の中心には中空のシャフト６が挿入される。例えば旋盤の主軸に使用する電動機の場合、シャフト６の中空部分には丸棒形状の加工対象（ワーク）が貫通する。また、マシニングセンタの主軸に使用する場合には、工具の保持に必要なリンク機構（ドローバ）が貫通する。そのため、中空部分はできるだけ径が大きいことが求められる。

本発明の背景となる第２の事例として、下記特許文献２に示されるような埋め込み磁石電動機がある。この事例においては、図６に示されるようにロータ内部に設けられたスリットの全体に永久磁石が埋め込まれている。このように永久磁石を埋め込む目的は、スリットを通り抜けてしまう漏れ磁束に対して逆方向の磁束を磁石によって発生させることによって漏れ磁束を抑え、リラクタンストルクを増大させるためである。また、永久磁石による磁束とステータ巻線に流れる電流との間にローレンツ力が生じるため、さらに出力トルクを増大することができる。

本発明の背景となる第３の事例として、下記特許文献３に示されるような埋め込み磁石電動機がある。この事例におけるロータ構造を図７に示す。図中のスリット２には、その中央部にのみ永久磁石７が埋め込まれている。磁石を使用する目的は前述の第２の事例と同じく出力トルクを増大させることであるが、この事例においては、平板状の磁石を使用することによって磁石の加工を簡単化し、コストを低く抑えることができる。

本発明の背景となる第４の事例として、下記非特許文献１に示されるような埋め込み磁石電動機がある。この事例におけるロータ構造を図８に示す。スリット２の中央部分に永久磁石７を埋め込む点で図７に示した事例と同様であるが、磁極間をつなぐスリットを1本しか設けておらず、分割磁路を設けていない。このためトルクリップルが大きく、工作機械の主軸等の回転精度が要求される用途には適用できない。

特開平１１−２０６０８２号特開２００２−７８２５９号特開２００２−２７２０３１号森本、上野、武田：「埋め込み磁石構造PM電動機の広範囲可変速制御」、電気学会論文誌、Vol.114-D、No.6、p668（1994）

上述した従来技術による電動機における課題について説明する。まず第１の事例においては、十分なリラクタンストルクを発生させるためには、図５中のスリット２を通り抜ける漏れ磁束をできるだけ小さくする必要がある。そのため、スリット２はできるだけ幅を大きくする必要があり、特にロータの中心に近い部分でスリット幅を大きくした結果、シャフト６の径を大きくすることができないという課題がある。

次に第２の事例においては、図６に示すようにスリット２の全体に永久磁石を埋め込むことによって上述の漏れ磁束を抑えることができる。このため、スリット２の幅を小さくすることが可能であり、シャフト６の径を大きくすることが可能となる。しかしながら、電動機の性能を確保するためには、高価な希土類磁石を使用する必要があり、永久磁石の使用量が多いためコストが高いという課題がある。

次に第３の事例においては、図７中のスリット２の中央部のみ磁石を埋め込んでいるが、スリット２の両端部分の磁石を埋め込んでいない部分における漏れ磁束が大きい。このため、スリット２の幅を全体的に大きくする必要があり、シャフト６の径を大きくすることができないという課題がある。

次に第４の事例においては、図８に示すように複数のスリットおよび分割磁路を設けていないためトルクリップルが大きいという課題がある。

以上のように本発明の目的は、電動機のシャフトを通すためにロータ中心に大きな貫通穴を設けることができ、かつ磁石の使用量を減らしてコストを低く抑え、かつトルクリップルを小さくした電動機を提供することにある。

本発明に係る電動機は、巻線に電流を通電することによって回転磁界を発生するステータと、前記回転磁界に同期して回転する略円柱形状のロータであって、その円周上に極性が反対の磁極を交互に配列するべく、複数のスリットにより分割された、隣接する磁極間をつなぐ複数条の分割磁路が形成されたロータと、前記スリットの内部に配置された永久磁石と、を備えている。そして、前記複数のスリットは、前記磁極の表面近傍においてはロータ表面から中心方向へ向かって径方向にほぼ沿って形成された径方向スリット部と、前記ロータの内部においては隣接磁極間の周方向または弦方向にほぼ沿って形成された周方向スリット部を組み合わせて形成される。さらに、前記周方向スリット部のスリット幅は、前記径方向スリット部のスリット幅よりも小さく、前記永久磁石は、前記周方向スリット部内にのみ配置され、永久磁石が配置されるスリットは少なくとも一つであって、当該周方向スリット部の少なくとも端部付近に配置される。

周方向スリット部の幅を径方向スリット部の幅より小さくすることにより、電動機のシャフトを通すために、ロータに設ける貫通孔の直径を大きくすることが可能となる。また、スリットの幅の小さい周方向スリット部においては、永久磁石を配置することにより、漏れ磁束を抑制している。特に、周方向スリット部の端部付近において、磁束の漏れが発生しやすく、ここに永久磁石を配置することが好ましい。

また、永久磁石を周方向スリット部の両方の端部に分けて配置し、間をあけるようにすることができる。これによれば、永久磁石の使用量を削減することができる。

以下、本発明の実施形態について、図面に従って説明する。図１に本実施形態の電動機の概略の断面構造図を示す。本実施形態の電動機１０は、回転磁界を発生するステータ１２と、この回転磁界との相互作用により回転するロータ１４を含む。ステータ１２は、周方向に配列されたティース１６を有し、このティースの間のスロット１８に、ティース１６を巻くようにして挿入配置されるコイル導線（巻線）に所定の電流を流すことによって回転磁界が発生する。ロータ１４は、所定の形状に打ち抜かれた電磁鋼板を積層して、概略的に円筒形に形成される。積層される電磁鋼板は、図１に示されるような断面形状を有する。具体的には、複数の並んで延びるスリット２０の部分を打ち抜き、このスリット２０の間の部分を分割磁路２２として形成する。分割磁路２２は複数が並んで配置され、これらはロータ表面上の磁極Ｐnと隣り合う磁極Ｐn-1およびＰn+1をつなぐ磁気経路を構成しており、ロータ１４上の磁極Ｐ部分の磁気抵抗を小さくしている。また、多層のスリット２０は磁極中点Ｎ部分の磁気抵抗が大きくなるよう、例えばＮ1からＮ2へ通り抜けようとする磁束に対して磁気障壁を構成している。このようにロータの磁気抵抗に場所による差異を生じさせることによって、ステータ巻線に電流を通電するとリラクタンス力が発生し、回転力を発生する。

ロータ１４の中心にはシャフト２４が挿入されている。このシャフト２４は中空となっており、この中空部には例えば旋盤の主軸に使用する場合は、丸棒形状の加工対象（ワーク）が貫通したり、また、マシニングセンタの主軸に使用する場合には、工具の保持に必要なリンク機構（ドローバ）が貫通する。

図２には、ロータ１４のスリット２０および分割磁路２２の詳細な形状が示されている。一つのスリット２０は、磁極Ｐ付近においてロータの径方向に略沿って延びる径方向スリット部２６と、磁極Ｐの間の部分では、ロータの周方向または磁極を結ぶ弦方向に沿って延びる周方向スリット部２８とを含む。周方向スリット部２８は、また径方向を横切る方向に延びていると言うこともできる。このスリット２０の幅は、周方向スリット部２８の幅ｂが、径方向スリット部２６の幅ａよりも狭くなっている。周方向スリット部２６が磁極を略直線的に結ぶ形状とし、かつここでスリット幅を狭くすることによって、シャフト２４が貫通する貫通穴の径を大きくとることができる。図６に示した従来技術においては、スリットがロータの内側に向けて大きく張り出しており、本実施形態においてはこの張り出しがないため、貫通穴を大きく取れる。また、図７に示した従来技術においては、スリットの幅が、径方向スリット部において狭くなっておらず、この分、内側に張り出し、貫通穴を大きくする障害となっている。なお、本実施形態においては、周方向スリット部２８が略直線状に形成されているが、円弧状、すなわち中央部分において外側にやや張り出した形状とすることもできる。

上述したようにスリット２０の幅を、径方向スリット部２６において、狭くした結果、スリットによる磁気障壁の効果が薄れ、磁束の漏れが大きくなる。その結果、磁気抵抗の差が小さくなり、リラクタンス力が小さくなる。本実施形態においては、中空径の大きなロータ構造を実現するために、スリット幅を狭くすることによって生じるリラクタンス力を低下せしめる磁束の漏れを抑制する構成を有する。具体的には、径方向スロット部２６の両端部に永久磁石を配置する構成を採り、その原理は次に述べる個々の漏れ磁束経路の分析に基づくものである。ここで磁束の漏れる経路Ａ，Ｂ，Ｃを図２に示す。

経路Ａについては、この部分のスリット（径方向スリット部）は幅を狭くしていないので磁気抵抗が十分に大きい。このため漏れ磁束は十分に小さい。

経路Ｂについては、スリット幅が狭く漏れ磁束が大きくなる。そこで永久磁石３０をスリットの幅が狭い部分、すなわち周方向スリット部２８に配置する。この永久磁石３０（図中斜線を施して示される）は、スリットを通り抜けようとする磁束に対して逆方向となる磁束を発生するように配置され、これにより漏れ磁束をキャンセルして打ち消す効果がある。この結果、漏れ磁束を小さく抑えることができる。また、経路Ｃについては、経路Ｂと比較して距離が長いため磁気抵抗が大きい。さらに磁束は最短距離を通過しようとする性質があるため、経路Ｃを通る磁束は経路Ｂに対して少ない。したがって、円周方向スリット部の中央部分については永久磁石を省略しても経路Ｃを通る漏れ磁束は十分に少ない。この結果、経路Ａ，Ｂ，Ｃの全てについて漏れ磁束が小さい良好な電動機を実現することができる。

図３にロータの変形例を示す。このロータ３２は、ロータ１４とほぼ同様の構成を有しており、同一の構成要素については同一符号を付して、その説明を省略する。ロータ３２に特徴的なことは、周方向スリット部２８のほぼ全長にわたって永久磁石３４が配置されている点である。図において、斜線が施されている部分が永久磁石３４である。このロータ３２においては、磁石の使用量については、ロータ１４に比して若干多くなるが、経路Ｃに示す漏れ磁束が最小になるよう周方向スリット部２８の全体に永久磁石を埋め込んでいる。この結果、磁石の使用量は図２の実施例に比較して多くなるが、漏れ磁束を最小とすることができるので、電動機体積当りの出力トルクを大きくすることができる。従って電動機を小型化することができる。

永久磁石の配置は、性能、コスト等を考慮して様々に変更することができる。前述したように、周方向スリット部２８の端部付近に永久磁石を配置する効果が大きいが、全てのスリットに対して、両端にのみ永久磁石を配置して、間をあけるようにする必要はない。図１に示したロータ１４においては、ロータの最も外側の周方向スリットに対しては、その全長が短いこともあって、全長にわたって永久磁石を配置している。概略的に述べれば、ロータ外側の周方向スリット部においては、永久磁石を全長にわたって配置し、内側については、その両端に分けて配置することがよい。また、本実施形態は、４本のスリットにより分割磁路を形成したものであるが、スリットの数はこの例に限らない。

以上の実施形態について、従来技術に対する効果を説明する。図４に、本実施形態の電動機と従来の電動機において、使用している磁石の体積に対する出力トルクの大きさを、電流密度の値を変えて比較したグラフを示す。なお、ここで従来の電動機は図６に示すようにスリット内部の全体に磁石を埋め込んだもの、本実施形態の電動機は、ロータ１４を用いた電動機、ロータ１６を用いた電動機についてのグラフが記してある。図４から判るように本発明による電動機においては、スリット内部の全体に磁石を配置する従来技術に対して、磁石体積あたりの出力トルクを２倍〜２．５倍に高めることができる。言い換えれば、同一の出力トルクを発生する電動機において磁石体積を１／２〜１／２．５程度に小さくすることが可能であり、高価な磁石の使用量を低減できるので電動機の材料コストを下げることができる。

本実施形態によれば、大きな径の中空シャフトを有する用途において磁石の使用量が少なくても十分な出力トルクを得ることができ、結果として電動機の材料コストを下げ、また電動機の大きさを小さくすることができる。また、ロータ内部に設けられた多層スリットの機能により、磁束を適切に制御できるため、結果としてトルクリップルが小さい良好な出力特性を得ることができる。

本発明に係る実施形態の電動機の軸直交断面を示す概略図である。図１の電動機のロータの断面の詳細を示す図である。参考形態の電動機のロータの軸直交断面を示す概略図である。図２および図３に示すロータを有する電動機の、磁石の体積とトルクの関係を示すグラフである。従来技術の電動機のロータ断面図である。他の従来技術の電動機のロータ断面図である。従来技術による多層スリット型リラクタンス電動機のロータおよびステータ断面図である。さらに他の従来技術の電動機のロータ断面図である。さらに他の従来技術の電動機のロータ断面図である。

符号の説明

１０電動機、１４，３２ロータ、２０スリット、２２分割磁路、２６径方向スリット部、２８周方向スリット部、Ｐ磁極、Ｎ磁極中点。

Claims

巻線に電流を通電することによって回転磁界を発生するステータと、
前記回転磁界に同期して回転する略円筒形状のロータであって、その円周上に極性が反対となる磁極を交互に配列するべく、複数のスリットにより分割された、隣接する磁極間をつなぐ複数条の分割磁路が形成されたロータと、
前記スリットの内部に配置された永久磁石と、
を備えた電動機において、
前記複数のスリットは、前記磁極の表面近傍においてはロータ表面から中心方向へ向かって径方向にほぼ沿って形成された径方向スリット部と、前記ロータの内部においては隣接磁極間の周方向または弦方向にほぼ沿って形成された周方向スリット部を組み合わせて形成され、
前記周方向スリット部のスリット幅は、前記径方向スリット部のスリット幅よりも小さく、
前記永久磁石は、前記周方向スリット部内にのみ配置され、
前記永久磁石が配置された前記複数のスリットのうち、ロータ径方向の最も外側のスリットは、前記周方向スリット部の両方の端部で前記径方向スリット部との境界付近に当該境界に接して前記永久磁石が配置され、
前記最も外側のスリット以外の永久磁石が配置された前記複数のスリットは、それぞれが前記周方向スリット部の両方の端部で前記径方向スリット部との境界付近のみに当該境界に接して前記永久磁石が配置され、かつ少なくとも一つが、当該周方向スリット部において、前記径方向スリット部との境界付近にのみに当該境界に接して配置された前記永久磁石の間が永久磁石が配置されていない部分となっていることを特徴とする、電動機。
請求項１に記載の電動機であって、前記複数のスリットにおける周方向スリット部の周方向長さは、ロータ径方向内側の周方向スリット部ほど長くなっており、かつ前記周方向スリット部に永久磁石が配置されていない前記部分を有する前記スリットを複数有し、周方向スリット部の永久磁石が配置されていない部分の周方向の長さが、内側の周方向スリット部ほど長くなっている、電動機。