JP5649566B2 - 磁気回路構造体 - Google Patents
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Description
一般に、モータのトルク性能や発電効率は回転子(ロータ)あるいは可動子(ムーバ)と固定子(ステータ)とのエアギャップにおける磁束量に依存するため、トルク性能を高めるにはエアギャップの磁束量を増やす必要がある。
以後、モータのトルク性能を例に説明するが、発電機などでも同様である。
また、本発明は製造コストを上げることなく、これまでとトルク性能などが同性能以上である磁気回路構造体を提供することを目的とする。
さらに本発明は、起磁力が大きいときにトルク性能などを向上させることができる磁気回路構造体を提供することを目的とする。
図1は、有限要素法による解析計算を行うためのエアギャップを含む簡単な磁気回路である。この磁気回路は方形の鉄心からなり、左辺にエアギャップが形成され、右辺に励磁用のコイルが巻かれた回路構造をしている。図のエアギャップ部分は、対向面を平坦にしたノーマルギャップにしてある。ギャップ長(間隔)は0.3mmに設定し、表1に示した設定値の磁気回路を用いている。これをノーマルモデルと称する。
すなわち、図2(a)は、ギャップ長を、0.21mmに短縮したモデル(0.3mmから70%短縮)であり、「0.21mmモデル」と称する。これはノーマルモデルに比べてトルク性能を3割程度改善させるには、どの程度ギャップ長を短縮しなければならないかの参照にするためのモデルである。
図2(b)は、ギャップ長を0.3mmにしてV字状に形成したモデルであり、「V字ギャップ」と称する。
図2(c)は、板厚が0.35mmの電磁鋼板を用いて1枚ごとの電磁鋼板(ケイ素鋼板)の寸法を少しずつ変化させてギャップ長を0.3mmに維持しつつV字状に形成したモデルであり、「Vギャップ(凸)モデル」と称する。
図2(d)は、軸方向に沿って段差数が1段の凹凸を1つ形成したモデルであり、「凸1段モデル」と称する。エアギャップの中心間の長さが軸方向および半径方向とも5mmになるようにしてある。
図2(e)は軸方向に沿って段差数が2段の凹凸を1つ形成したモデルであり、「凸2段モデル」と称する。
図2(f)、図2(g)は、「凸1段モデル」「凸2段モデル」の凹凸サイズを半分にして軸方向に2つ並べたモデルであり、「凸1段×2モデル」「凸2段×2モデル」と称する。
図2(h)は軸方向に沿って段差が3段の凹凸を1つ形成したモデルであり、「凸3段モデル」と称する。
本発明では、励磁電流を0.8A以上にして起磁力を大きくした領域で、磁束密度を増大することができるかに関心がある。
さらに図4は、ノーマルモデル、Vギャップ(凸)モデル、凸1段モデル、凸2段モデル、凸1段×2モデル、凸2段×2モデルについて、有限要素法によって算出されたエアギャップ近傍の磁束線図である。
以上の結果から凸1段モデルは起磁力が小さいときは好ましいが、起磁力を大きくすると、凸2段モデルの方が優れる。
例えば、段差数を1段にすると、励磁電流が小さい領域は特性がよいが、励磁電流を大きくした起磁力が大きい範囲では、磁気飽和の影響を受け、かえって特性が悪化することになる。
図6は、凸1段、凸2段、凸3段モデルの磁束線図である。段差数が増えて、エアギャップに角が増えると、エアギャップ内を通過する磁束線が斜めになり、特性が悪くなる。その一方で、磁力線の局所的な集中が弱まり、磁気飽和は緩和される。これらの影響のバランスから、1A以上では凸3段モデルが、凸1段、凸2段モデルよりも特性がよくなる。
以上の解析結果を利用して作成した本発明の磁気回路構造体について説明する。
以下、本発明である磁気回路構造体の一実施形態を、モータを例にして図面を用いて説明する。なお、発電機その他に適用する場合であってもエアギャップ部分の構成については同じである。
回転子12および固定子13は、鉄損を抑えるために、それぞれ回転軸方向に沿って薄い0.35mmの電磁鋼板を積層するようにした積層鋼板により形成するようにしてある。
そして、回転子側磁極12bの外周面と固定子側磁極13bの内周面とは、それぞれ回転軸の軸線方向に沿って少なくとも1つの凹凸状のエアギャップGが形成され、互いに凹部と凸部とが噛み合って対向するようにしてある。エアギャップの間隙長さは0.3mmにしてあり、位置決め精度は従来と同じ程度でよいようにしてある。
11 回転軸
12 回転子
12b 回転子側磁極
13 固定子
13b 固定子側磁極
21,22 凸部
23,24 凹部
G エアギャップ
Claims (3)
- 回転軸を中心に回転可能に支持され複数の回転子側磁極が外周面に形成された回転子と、前記回転子側磁極の外側を囲むように配置され複数の固定子側磁極が内周面に形成された固定子とを備え、回転子側磁極と固定子側磁極とが対向する位置で回転子側磁極の外周面と固定子側磁極の内周面との間にエアギャップが形成される構造を有する磁気回路構造体であって、
前記エアギャップは前記回転子側磁極の外周面と前記固定子側磁極の内周面とが、回転軸の軸線方向に沿って互いに対向する凹凸が少なくとも1つ形成されるとともに、それぞれの凹凸単位には回転軸半径方向に3段の段差が含まれ、回転軸の軸線方向に沿って半径方向のエアギャップ長が一定間隔に維持され、
さらに、前記回転子と前記固定子とはそれぞれ4種類の異なる形状の積層鋼板で形成されることを特徴とする磁気回路構造体。 - 回転軸を中心に回転可能に支持され複数の回転子側磁極が内周面に形成された回転子と、前記回転子側磁極の内側に配置され複数の固定子側磁極が外周面に形成された固定子とを備え、回転子側磁極と固定子側磁極とが対向する位置で回転子側磁極の内周面と固定子側磁極の外周面との間にエアギャップが形成される構造を有する磁気回路構造体であって、
前記エアギャップは前記回転子側磁極の内周面と前記固定子側磁極の外周面とが、回転軸の軸線方向に沿って互いに対向する凹凸が少なくとも1つ形成されるとともに、それぞれの凹凸単位には回転軸半径方向に3段の段差が含まれ、回転軸の軸線方向に沿って半径方向のエアギャップ長が一定間隔に維持され、
さらに、前記回転子と前記固定子とはそれぞれ4種類の異なる形状の積層鋼板で形成されることを特徴とする磁気回路構造体。 - 前記エアギャップ長が0.3mmにされる請求項1または請求項2のいずれかに記載の磁気回路構造体。
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