JP5390752B2 - 埋め込み磁石モータ - Google Patents

Description

本発明は、リラクタンストルクを出力トルクの主成分とし、永久磁石を併用することによって性能を改善した埋め込み磁石モータに関するものである。

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モータがある。このモータの断面構造の一例を図４に示す。このモータは、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されており、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。

また、図４に示すモータにおいて、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が構成されている。このステータ巻線は、一般的な交流モータと同様である。

図４の部分的な拡大図を図５に示す。分割磁路３はブリッジ１２ａ，１２ｂによってロータ１に連結されており、遠心力で飛散しないよう固定されている。このブリッジ１２は分割磁路３とともに打抜き加工によって電磁鋼板を使用して形成されるため、図４における磁極中点Ｎ１からＮ２へ流れる漏れ磁束に対する磁路となっている。この漏れ磁束は、磁極中点Ｎ１とＮ２間の磁気抵抗を低下させるため、モータのトルク効率が減少する。これを避けるため、一般的にブリッジ１２ａ，１２ｂはできる限り細く設計される。

図４におけるフラックスバリア型リラクタンスモータのトルク発生原理について説明する。ステータ４のスロット５に流す電流はインバータ等の電力変換器によって任意の位置に流すよう制御され、ロータ１と電流通電位置の相対関係は任意に制御される。今、磁極中点Ｎ１、Ｎ２の位置に励磁電流１４を流したとすると、分割磁路３に沿って励磁磁束が発生する。なお、分割磁路３に沿う方向は磁気抵抗が小さいため、励磁電流１４は少ない量でも十分な励磁磁束が発生する。

この動作を図５の拡大図上で説明する。図中１４は励磁電流の等価的な通電位置を示し、これによって発生する励磁磁束を点線で示す。次に図５の磁極位置Ｐ１，Ｐ２に電気子電流１５を流したとすると、前記の励磁磁束と電気子電流１５の作用によってローレンツ力が発生し、トルクが発生する。

一方、電気子電流１５を通電すると図５に一点鎖線で示すような漏れ磁束も発生する。この漏れ磁束は回転上昇に伴なってモータの端子電圧を増大させるため、一般的に使用される電圧型インバータによる駆動では電圧制限によって高速回転を実現することができない。

本発明の背景となる第２の事例として、下記特許文献２に従来技術として紹介された埋め込み磁石モータがある。この事例におけるロータ構造を図６に示す。このモータにおいてはスリット２は磁極１極あたり１本であり、その内部に永久磁石６（主磁石）が挿入配置されている。永久磁石６の外周部には電磁鋼板で形成された突極部７があり、この突極部７とスリット２の働きによって以下に示すようにリラクタンストルクを発生している。

図６における埋め込み磁石モータにおけるトルク発生原理について説明する。ステータ４のスロット５に流す電流はインバータ等の電力変換器によって任意の位置に流すよう制御され、ロータ１と電流通電位置の相対関係は任意に制御される。今、図中１０の位置にｑ軸電流１０を流したとすると、永久磁石６とｑ軸電流１０の作用によるローレンツ力が発生し、トルクが発生する。このトルクは一般的にマグネットトルクと呼ばれる。

一方、ｑ軸電流１０によって突極部７にはｑ軸磁束８が発生する。このｑ軸磁束８に対するロータ１の磁気抵抗は低いため、ｑ軸電流１０は少ない量であっても十分に大きなｑ軸磁束８が発生する。

ここで、図中１１の位置にｄ軸電流１１を流すと、ｑ軸磁束８とｄ軸電流１１の作用によるローレンツ力が発生し、トルクが発生する。このトルクは一般的にリラクタンストルクと呼ばれる。

ここで、ｄ軸電流１１によってロータ１の内部には同時にｄ軸磁束９が発生する。このｄ軸磁束９は第１の事例で示した漏れ磁束に相当し、リラクタンストルクを得るためには有害な磁束であるので小さいことが望ましいが、この磁束に対する磁気抵抗はスリット２によって大きいため、大きなｄ軸電流１１を流してもｄ軸磁束９の発生量は比較的小さい。さらにまた、ｄ軸磁束９と永久磁石６による磁束は逆方向に相殺するよう構成されているため、負荷時において適当となるｄ軸電流値を選定することによって漏れ磁束を小さく保つことができる。

また、ロータ１の隣り合う突極部７の間にはブリッジ１２と、漏れ磁束を低減させるための空間部１３が構成される。このブリッジ１２は突極部７を物理的にロータ１に連結するものであり、遠心力で突極部７が飛散しないよう、ある程度の太さが必要とされる。また、空間部１３は隣り合う突極部７の間の磁路を細くして磁気抵抗を大きくするように構成される。隣り合う突極部７の間の漏れ磁束を少なくするためにはブリッジ１２を細く、空間部１３を大きく構成する必要があるが、遠心力に対する強度を確保するためには逆にブリッジ１２を太く、空間部１３を小さくする必要があるため、通常は漏れ磁束量と遠心力強度とのバランスを考慮して設計される。

特開平１１−２０６０８２号公報 特開平７−２３１５８９号公報

上述したように、従来技術の第１の事例においても、第２の事例においても遠心力に対するロータ強度を確保するためにはブリッジ１２を太くする必要があるが、その結果、漏れ磁束が大きくなり、トルク効率が低下して出力トルクが小さくなること、およびモータ端子電圧が高くなって高速での運転ができなくなるという課題がある。

また、従来技術の第２の事例においては、負荷時にｄ軸電流を通電している時は永久磁石６の磁束は相殺されているが、無負荷時でｄ軸電流を流していない時には永久磁石６の磁束はステータ４を鎖交するため、ステータ４における鉄損が発生する。このため、特にマシニングセンタの主軸等、高速回転で軽負荷仕上げ加工が多用される用途ではモータの温度上昇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、高速回転に適した埋め込み磁石モータであって、ステータの温度上昇を押さえ、かつリラクタンストルクを効率よく得ることのできるモータを提供することにある。

上述した課題は、外周側にステータが、内周側にロータが配置され、ロータの径方向に着磁されたｎ個の主磁石をロータ鉄芯内部に埋め込んだ構造を持つｎ極のモータであって、前記ｎ個の主磁石の回転方向両側にほぼ円周方向に着磁された補助磁石を備え、前記主磁石と前記補助磁石はロータ内径方向に磁束を強めるようハルバッハ配列に配置されていることを特徴とする埋め込み磁石モータによって解決される。

さらに、上述した課題を解決する上で、外周側にステータが、内周側にロータが配置され、ロータの径方向に着磁されたｎ個の主磁石をロータ鉄芯内部に埋め込んだ構造を持つｎ極のモータであって、前記ｎ個の主磁石の回転方向両側にほぼ円周方向に着磁された２ｎ個の補助磁石を備え、前記主磁石と前記補助磁石はロータ内径方向に磁束を強めるようハルバッハ配列に配置されていて、互いに隣り合う磁極に属する前記補助磁石の間にはロータ鉄芯内に空間部を設けて磁気抵抗が大きくなるようにすることによって、より一層の効果を得ることができる。

図１に本発明による埋め込み磁石モータの断面構造図を示す。図４、図５ならびに図６に示した従来技術の各事例と同等の構成要素には同一番号を付与し、その説明は省略する。このモータは、マシニングセンタ等の高速機械における高速主軸に特に適したロータ構造を有する。

電磁鋼板を積層して形成されたロータ１の内部には、スリット２が形成され、その内部には主磁石６が配置されている。その主磁石６の回転方向両側には補助スリット２０が形成され、その内部には補助磁石１６が配置されている。主磁石６は図中に矢印で示すようにロータの径方向に着磁されていて、本図においては４極のモータを図示しているので４個の永久磁石を使用している。

補助磁石１６は、主磁石６に対して直交方向、すなわち、ほぼ円周方向に着磁されていて主磁石６との関係は、ロータ１の内径方向に磁束を強めるようなハルバッハ配列に配置されている。すなわち、Ｎ極が半径方向外側を向くように配置された主磁石６の両側に位置する補助磁石１６は、Ｎ極が主磁石６から遠い側に、Ｓ極が近い側に位置するように配置される。逆に、Ｎ極が半径方向内側を向くように配置された主磁石６の両側に位置する補助磁石１６は、Ｎ極が主磁石６に近い側に位置するように配置される。ここで、ロータ１内部の磁束分布について、図２を用いて説明する。ロータ１の外径方向に向かって発生する主磁石６の磁束は、補助磁石１６に引き寄せられ、その殆ど全てがブリッジ１２を通り、ロータ１の外には出ない。従ってステータ４に鎖交しないため、ステータの鉄損が発生しない。

また、本発明による埋め込み磁石モータにおいて、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する。このステータ巻線は、一般的な交流モータと同様であり、例えば３相交流で駆動する場合の巻線構成例は図３に示すようになる。図中の黒丸の印で示すスロットには例えばＵ相巻線を挿入し、黒三角の印にはＶ相巻線、黒四角の印にはＷ相巻線というように３相巻線を構成する。

ステータ４に電流を通電した場合の作用について説明する。図中符号１１で示す位置にｄ軸電流１１を通電すると、図中に点線で示すｄ軸磁束９が発生する。次に図中符号１０で示す位置にｑ軸電流１０を通電するとｄ軸磁束９との間にローレンツ力が発生してトルクが発生する。この時、ｑ軸電流１０によって図中に１点鎖線で示すｑ軸磁束８が発生しようとするが、このｑ軸磁束８の主な通り道であるブリッジ１２と空間部１３の内側は、それぞれ以下の理由により磁束が通りにくくなっている。すなわち、ブリッジ１２については、図２に示すように主磁石６および補助磁石１６の磁束が高密度で通っているため、磁気飽和状態にあり、磁気抵抗が高くなっている。また、空間部１３の内側については、主磁石６の磁束が逆方向に通っているため、ｑ軸磁束８を相殺している。

以上のように本発明の埋め込み磁石モータにおいては、ブリッジ１２を主磁石６と補助磁石１６の磁束によって高密度に磁気飽和させることができるので、遠心力強度を保つためにブリッジ１２を十分に太くしても磁気抵抗を大きく保つことができ、有害な漏れ磁束を小さく押さえることができる。

本実施形態の埋め込み磁石モータによれば、高速回転が求められる用途において、遠心力強度を十分に確保し、かつ漏れ磁束による出力トルクの低下が少ないロータ構造を提供できる。また、ステータの鉄損を小さく押さえることができるので、高速回転時のモータ温度上昇が小さく、機械の熱変型を小さく押さえることができ、工作機械に好適なモータを提供することができる。

本発明の実施例による埋め込み磁石モータのロータおよびステータの断面図である。 本発明による埋め込み磁石モータのロータ内部における磁束の流れを説明する断面図である。 本発明による埋め込み磁石モータのステータ巻線を説明する図である。 従来技術によるフラックスバリア型リラクタンスモータのロータおよびステータ断面図である。 従来技術によるフラックスバリア型リラクタンスモータのロータの拡大図である。 従来技術による埋め込み磁石モータのロータ断面図である。

符号の説明

１ ロータ、２ スリット、３ 分割磁路、４ ステータ、５ スロット、６ 永久磁石（主磁石）、７ 突極部、８ ｑ軸磁束、９ ｄ軸磁束、１０ ｑ軸電流、１１ ｄ軸電流、１２ ブリッジ、１３ 空間部、１４ 励磁電流、１５ 電気子電流、１６ 補助磁石。

Claims (2)

1. 外周側にステータが、内周側にロータが配置され、ロータの径方向に着磁されたｎ個の主磁石をロータ鉄芯内部に埋め込んだ構造を持つｎ極のモータであって、
   前記ｎ個の主磁石の回転方向両側にほぼ円周方向に着磁された補助磁石を備え、
   前記主磁石と前記補助磁石はロータ内径方向に磁束を強めるようハルバッハ配列に配置されていることを特徴とする埋め込み磁石モータ。
2. 外周側にステータが、内周側にロータが配置され、ロータの径方向に着磁されたｎ個の主磁石をロータ鉄芯内部に埋め込んだ構造を持つｎ極のモータであって、
   前記ｎ個の主磁石の回転方向両側にほぼ円周方向に着磁された２ｎ個の補助磁石を備え、
   前記主磁石と前記補助磁石はロータ内径方向に磁束を強めるようハルバッハ配列に配置されていて、
   互いに隣り合う磁極に属する前記補助磁石の間にはロータ鉄芯内に空間部を設けて磁気抵抗が大きくなるようにしたことを特徴とする埋め込み磁石モータ。

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