JP6291798B2 - Permanent magnet rotating electric machine - Google Patents

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Description

本発明は、永久磁石式回転電機に関し、特に、励磁コイルを巻装した固定子と、回転子コアの磁石スロットに永久磁石が設けられた回転子とを有する永久磁石式回転電機に適用して有効な技術に関するものである。   The present invention relates to a permanent magnet type rotating electrical machine, and more particularly to a permanent magnet type rotating electrical machine having a stator wound with an exciting coil and a rotor having a permanent magnet provided in a magnet slot of a rotor core. It relates to effective technology.

埋込磁石形の永久磁石式回転電機は、回転子内部に永久磁石を埋め込み、永久磁石から発生する磁束が固定子に巻回した励磁コイルとの鎖交磁束量に応じて発生するマグネットトルクに加えて、回転子鉄心の磁気抵抗を利用したリラクタンストルクを利用した回転電機である。永久磁石は、回転子の回転子コアに設けられた磁石スロットの内部に埋め込まれている。   The permanent magnet type rotating electric machine of the embedded magnet type has a permanent magnet embedded in the rotor, and the magnetic flux generated from the permanent magnet is changed to the magnet torque generated according to the amount of magnetic flux linkage with the exciting coil wound around the stator. In addition, the rotating electrical machine uses reluctance torque using the magnetic resistance of the rotor core. The permanent magnet is embedded in a magnet slot provided in the rotor core of the rotor.

この種の永久磁石式回転電機では、コギングトルクと呼ばれる一種のトルク脈動が発生することが知られている。永久磁石式回転電機においてコギングトルクが大きい場合は、回転電機の制御性能が悪化したり、雑音が発生したりするといった問題が生じる。
コギングトルクは、回転子の回転に伴って磁気エネルギが変化するために発生する。即ち、回転子の位置によって磁気抵抗が変化するので、回転子の回転により磁気抵抗の変化が少なくなるようにすれば、コギングトルクを低減することができる。 In this type of permanent magnet type rotating electrical machine, it is known that a kind of torque pulsation called cogging torque occurs. When the cogging torque is large in the permanent magnet type rotating electrical machine, there arises a problem that the control performance of the rotating electrical machine is deteriorated or noise is generated.
Cogging torque is generated because the magnetic energy changes as the rotor rotates. That is, since the magnetic resistance changes depending on the position of the rotor, the cogging torque can be reduced if the change in the magnetic resistance is reduced by the rotation of the rotor.

そこで、構造の工夫によりコギングトルクを低減する技術が、例えば特許文献１に開示されている。この技術は、回転子の回転子コアにスキューを施す、即ち、回転子コアを積層方向に複数分割し、これら分割した物を所定の角度ずらして回転子コアを構成することにより、コギングトルクを小さくするというものである。
また、特許文献２には、固定子コアにスキューを施す技術が開示されているが、この技術のように固定子コアにスキューを施すことにより、コギングトルクを小さくすることもできる。 Therefore, for example, Patent Document 1 discloses a technique for reducing the cogging torque by devising the structure. In this technique, the rotor core of the rotor is skewed, that is, the rotor core is divided into a plurality of parts in the stacking direction, and the divided parts are shifted by a predetermined angle to form the rotor core, thereby reducing the cogging torque. It is to make it smaller.
Patent Document 2 discloses a technique for skewing the stator core. However, the cogging torque can be reduced by skewing the stator core as in this technique.

特開平１０−８００７９号公報Japanese Patent Laid-Open No. 10-80079 特開２０１２−１９６０３３号公報JP 2012-196033 A

しかしながら、特許文献１及び特許文献２のように、回転子コアや固定子コアにスキューを施しても十分にコギングトルクが低減できないケースが存在する。しかも、スキューを施すための余分な工程が必要であり、コスト高騰化の面で問題がある。
そこで、本発明者は、一般的な永久磁石式回転電機では、回転子コアの磁石スロットの内部において、磁石スロットの端と永久磁石との間に空洞部が設けられていることに着目し、本発明をなした。 However, as in Patent Document 1 and Patent Document 2, there is a case where the cogging torque cannot be sufficiently reduced even if the rotor core or the stator core is skewed. In addition, an extra step for applying the skew is necessary, and there is a problem in terms of cost increase.
In view of this, the present inventor noticed that, in a general permanent magnet type rotating electrical machine, a cavity is provided between the end of the magnet slot and the permanent magnet inside the magnet slot of the rotor core, Made the present invention.

本発明の目的は、低コストでコギングトルクを低く抑えることができる永久磁石式回転電機を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a permanent magnet type rotating electrical machine that can keep cogging torque low at low cost.

上記目的を達成するため、本発明の一態様に係る永久磁石式回転電機は、固定子コア、及び前記固定子コアに巻装された励磁コイルを有する固定子と、前記固定子コアと所定の間隔を隔てて対向して回転自在に配置された回転子コア、前記回転子コアに設けられた複数の磁石スロット、及び前記複数の磁石スロットの各々の内部に個別に設けられた複数の永久磁石を有する回転子とを備える永久磁石式回転電機であって、前記磁石スロットの前記固定子コア側の一端と前記永久磁石との間に、比透磁率が“１”より大きく前記回転子コアの比透磁率より小さい弱磁性材が設けられ、かつ前記磁石スロットの前記回転子コアの回転中心側の他端と前記永久磁石との間に空洞部が設けられている。 To achieve the above object, a permanent magnet type rotating electric machine according to an embodiment of the present invention includes a stator having a wound on excitation coil to the stator core, and the stator core, the stator core with a predetermined spacing opposite to rotatably arranged rotor core separates the plurality of magnet slots provided in said rotor core, and a plurality of which are provided individually in the interior of each of the plurality of magnet slots a permanent magnet type rotating electric machine including a rotor having a permanent magnet, between the stator core side end and the permanent magnet of the magnet slot, greater the rotation than relative magnetic permeability "1" A weak magnetic material smaller than the relative magnetic permeability of the child core is provided , and a cavity is provided between the other end of the magnet slot on the rotation center side of the rotor core and the permanent magnet .

この本発明の一態様に係る永久磁石式回転電機によれば、永久磁石からの磁束が弱磁性材に漏れるため、回転子の回転による磁気抵抗の変化が少なくなるので、コギングトルクを低く抑えることができる。また、回転子コアの磁石スロットの内部に永久磁石を設ける際、永久磁石と共に弱磁性材を設けることができるので、製造工程の増加や回転電機の形状の大幅な変更を招かずに済む。この結果、本発明の一態様に係る永久磁石式回転電機によれば、低コストでコギングトルクを低く抑えることができる。   According to the permanent magnet type rotating electrical machine according to the aspect of the present invention, since the magnetic flux from the permanent magnet leaks to the weak magnetic material, the change in the magnetic resistance due to the rotation of the rotor is reduced, so that the cogging torque is kept low. Can do. Further, when the permanent magnet is provided inside the magnet slot of the rotor core, a weak magnetic material can be provided together with the permanent magnet, so that it is not necessary to increase the number of manufacturing steps or to drastically change the shape of the rotating electrical machine. As a result, according to the permanent magnet type rotating electrical machine according to one aspect of the present invention, the cogging torque can be kept low at a low cost.

また、本発明の一態様に係る永久磁石式回転電機において、前記励磁コイルの巻線は平角線であり、前記弱磁性材は、比透磁率が“４．５”以下であることが好ましい。
この本発明の一態様に係る永久磁石式回転電機によれば、コギングトルクを低く抑えることができると共に、無負荷誘起電圧の低下を最小限に抑えることができる。
また、本発明の一態様に係る永久磁石式回転電機において、前記弱磁性材は、バインダと軟磁性粉末とを混合した材料からなることが好ましい。
また、本発明の一態様に係る永久磁石式回転電機において、前記弱磁性材は、棒状に加工されたオーステナイト系ステンレスであることが好ましい。 In the permanent magnet type rotating electrical machine according to an aspect of the present invention, it is preferable that the winding of the exciting coil is a rectangular wire, and the weak magnetic material has a relative permeability of “4.5” or less.
According to the permanent magnet type rotating electrical machine according to the aspect of the present invention, the cogging torque can be suppressed to a low level, and the decrease in the no-load induced voltage can be suppressed to the minimum.
In the permanent magnet type rotating electrical machine according to one aspect of the present invention, the weak magnetic material is preferably made of a material in which a binder and soft magnetic powder are mixed.
In the permanent magnet type rotating electric machine according to one aspect of the present invention, the weak magnetic material is preferably austenitic stainless steel processed into a rod shape.

本発明によれば、低コストでコギングトルクを低く抑えることができる永久磁石式回転電機を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the permanent magnet type rotary electric machine which can hold down cogging torque low at low cost can be provided.

本発明の一実施形態に係る永久磁石式回転電機の概略構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows schematic structure of the permanent magnet type rotary electric machine which concerns on one Embodiment of this invention. 図１の回転子を抽出して示す断面図である。It is sectional drawing which extracts and shows the rotor of FIG. 磁石スロットに埋め込む弱磁性材の比透磁率と、コギングトルク及び無負荷誘起電圧との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the relative magnetic permeability of the weak magnetic material embedded in a magnet slot, a cogging torque, and a no-load induced voltage.

以下、図面を参照して本発明の一実施形態を詳細に説明する。なお、発明の一実施形態を説明するための全図において、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
本実施形態では、永久磁石式回転電機として、４極２４スロットの埋込磁石形同期回転電機に本発明を適用した例について、図１乃至図３を用いて説明する。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Note that components having the same function are denoted by the same reference symbols throughout the drawings for describing the embodiments of the invention, and the repetitive description thereof is omitted.
In the present embodiment, an example in which the present invention is applied to an embedded magnet type synchronous rotating electric machine having 4 poles and 24 slots as a permanent magnet type rotating electric machine will be described with reference to FIGS.

なお、本発明は、極数やスロット数、その他各部分の寸法などによって何ら制約を受けるものではなない。
本実施形態の埋込磁石形同期回転電機１は、円筒状フレーム２と、この円筒状フレーム２の内周側に配置された固定子１０と、この固定子１０の内周側に所定のエアギャップＧを介して対向する回転子２０とを備えている。回転子２０は、その中心部に嵌挿された回転軸３に支持されて回転自在に配置されている。 Note that the present invention is not limited by the number of poles, the number of slots, or the dimensions of other parts.
The embedded magnet type synchronous rotating electrical machine 1 according to the present embodiment includes a cylindrical frame 2, a stator 10 disposed on the inner peripheral side of the cylindrical frame 2, and predetermined air on the inner peripheral side of the stator 10. And a rotor 20 facing each other through a gap G. The rotor 20 is rotatably supported by being supported by a rotating shaft 3 fitted in the center thereof.

固定子１０は、固定子コア１１と、この固定子コア１１の内周面側に円周方向に等間隔で形成された２４個のスロット１２及び２４個の磁極ティース１３とを有している。各磁極ティース１３には、スロット１２内に巻装された励磁コイル１４が巻回されている。
ここで、励磁コイル１４の巻き方については大別すると集中巻と分布巻とに分けられる。本発明は集中巻及び分布巻の両者において効果を発揮するものであり、図１において巻方を限定するものではない。 The stator 10 includes a stator core 11 and 24 slots 12 and 24 magnetic pole teeth 13 formed at equal intervals in the circumferential direction on the inner peripheral surface side of the stator core 11. . An excitation coil 14 wound in the slot 12 is wound around each magnetic pole tooth 13.
Here, the winding method of the exciting coil 14 is roughly classified into concentrated winding and distributed winding. The present invention is effective in both concentrated winding and distributed winding, and does not limit the winding method in FIG.

回転子２０は、積層鉄心で形成された回転子コア２１と、この回転子コア２１に設けられた４つの磁極２２とを有している。この場合の回転子コア２１の比透磁率は、通常１０００〜１００００程度である。
４つの磁極２２の各々は、回転子コア２１の周方向に９０°の間隔を隔てて配置されている。４つの磁極２２の各々は、回転子コア２１の軸方向の両端まで（互いに反対側に位置する２つの側面に亘って）貫通する貫通孔からなる一対の磁石スロット２３（２３ａ，２３ｂ）と、これら一対のスロット２３ａ，２３ｂに挿入されて接着材又は充填材によって固定された永久磁石２４とを有している。永久磁石２４は、回転子２０の隣接する磁極２２間において極性が異なるように配置されている。 The rotor 20 has a rotor core 21 formed of a laminated core and four magnetic poles 22 provided on the rotor core 21. In this case, the relative permeability of the rotor core 21 is usually about 1000 to 10,000.
Each of the four magnetic poles 22 is disposed at an interval of 90 ° in the circumferential direction of the rotor core 21. Each of the four magnetic poles 22 includes a pair of magnet slots 23 (23a, 23b) including through-holes penetrating to both ends in the axial direction of the rotor core 21 (over two side surfaces located on opposite sides), The permanent magnet 24 is inserted into the pair of slots 23a and 23b and fixed by an adhesive or a filler. The permanent magnets 24 are arranged so that the polarities are different between the adjacent magnetic poles 22 of the rotor 20.

一対の磁石スロット２３ａ，２３ｂ及び永久磁石２４は、回転子コア２１の軸方向に沿って長尺状で形成され、回転子コア２１の軸方向と直交する断面形状(開口形状)が矩形状で形成されている。永久磁石２４は、例えば希土類磁石粉を焼結して形成された部材である。
一対の磁石スロット２３ａ，２３ｂは、回転子コア２１の軸方向に沿う長手方向と直交する短手方向（図１及び図２の断面に沿う方向）の端部同士が回転子コア２１の回転中心側に凸となるようにＶ字状に形成されている。これに応じて、一対の磁石スロット２３ａ，２３ｂにそれぞれ挿入された永久磁石２４も、回転子コア２１の軸方向に沿う長手方向と直交する短手方向の端部同士が回転子コア２１の回転中心側に凸となるようにＶ字状に配置されている。 The pair of magnet slots 23a and 23b and the permanent magnet 24 are formed in an elongated shape along the axial direction of the rotor core 21, and the cross-sectional shape (opening shape) orthogonal to the axial direction of the rotor core 21 is rectangular. Is formed. The permanent magnet 24 is a member formed by sintering rare earth magnet powder, for example.
The pair of magnet slots 23 a, 23 b is such that the ends in the short direction (the direction along the cross section of FIGS. 1 and 2) perpendicular to the longitudinal direction along the axial direction of the rotor core 21 are the rotation centers of the rotor core 21. It is formed in a V shape so as to be convex to the side. Accordingly, the permanent magnets 24 respectively inserted into the pair of magnet slots 23 a and 23 b are also rotated at the ends in the short direction perpendicular to the longitudinal direction along the axial direction of the rotor core 21. It is arranged in a V shape so as to be convex toward the center side.

一対の磁石スロット２３ａ，２３ｂは、その短手方向に互いに反対側に位置する両端（一端及び他端）おいて、一端が固定子コア１１側に位置し、他端が回転子コア２１の回転中心側に位置している。これに応じて、一対の磁石スロット２３ａ，２３ｂにそれぞれ挿入された永久磁石２４も、その短手方向に互いに反対側に位置する両端（一端及び他端）おいて、一端が固定子コア１１側に位置し、他端が回転子コア２１の回転中心側に位置している。   The pair of magnet slots 23a and 23b has one end positioned on the stator core 11 side and the other end rotating the rotor core 21 at both ends (one end and the other end) positioned on the opposite sides in the short direction. Located on the center side. Accordingly, the permanent magnet 24 inserted into each of the pair of magnet slots 23a and 23b also has one end at the stator core 11 side at both ends (one end and the other end) opposite to each other in the short direction. The other end is located on the rotation center side of the rotor core 21.

永久磁石２４の短手方向の幅は、一対の磁石スロット２３ａ，２３ｂの短手方向の幅よりも小さな寸法になっている。これは、一対の磁石スロット２３ａ，２３ｂの各々に永久磁石２４を挿入し易くするためである。したがって、一般的な埋込磁石形同期回転電機１では、本実施形態の図面を参照すれば、回転子コア２１の磁石スロット２３の内部において、永久磁石２４の短手方向の両端側（一端側及び他端側）に空洞部、即ち、永久磁石２４が無い領域を有している。本発明は、この永久磁石２４が無い領域を積極的に活用するものである。本実施形態の埋込磁石形同期回転電機１では、永久磁石２４の一端側（固定子コア１１側）、即ち、一対の磁石スロット２３ａ，２３ｂの一端（固定子コア１１側）と永久磁石２４との間に、比透磁率μｓが“１”よりも大きく回転子コア２１の比透磁率よりも小さい弱磁性材２５を埋め込んで設けている。一方、永久磁石２４の他端側（回転子コア２１の回転中心側）、即ち、一対の磁石スロット２３ａ，２３ｂの他端（回転子コア２１の回転中心側）と永久磁石２４との間には、空洞部２６が設けられている。この空洞部２６には、比透磁率が“１”である空気が設けられている。   The width in the short direction of the permanent magnet 24 is smaller than the width in the short direction of the pair of magnet slots 23a and 23b. This is to make it easier to insert the permanent magnet 24 into each of the pair of magnet slots 23a and 23b. Therefore, in a general embedded magnet type synchronous rotating electric machine 1, referring to the drawing of this embodiment, both end sides (one end side) of the permanent magnet 24 in the short direction inside the magnet slot 23 of the rotor core 21. And the other end side) have a cavity, that is, a region where the permanent magnet 24 is not present. In the present invention, the region where the permanent magnet 24 is not present is actively utilized. In the embedded magnet type synchronous rotating electrical machine 1 of the present embodiment, one end side (stator core 11 side) of the permanent magnet 24, that is, one end of the pair of magnet slots 23 a and 23 b (stator core 11 side) and the permanent magnet 24. In between, a weak magnetic material 25 having a relative permeability μs larger than “1” and smaller than the relative permeability of the rotor core 21 is embedded. On the other hand, between the other end side of the permanent magnet 24 (rotation center side of the rotor core 21), that is, between the other end of the pair of magnet slots 23 a and 23 b (rotation center side of the rotor core 21) and the permanent magnet 24. Is provided with a cavity 26. The cavity 26 is provided with air having a relative permeability of “1”.

このように構成された本実施形態の埋込磁石形同期回転電機１は、複数の永久磁石２４が発生する磁束と励磁コイル１４に流れる電流との相互作用により回転子に回転トルクが発生する。
本実施形態の埋込磁石形同期回転電機１は、回転子２０の各磁極２２における永久磁石２４間の円周方向の中央部と回転軸３の軸心とを結ぶ線がｄ軸となる。また、回転子２０の隣接する磁極２２間において極性の異なる永久磁石２４間と回転軸３の軸心とを結ぶ線がｑ軸となる。このため、ｄ軸方向の磁束の磁路にはエアギャップＧと同じ磁気抵抗の大きな永久磁石２４が存在し、磁束は通りにくいが、ｑ軸方向の磁束は回転子コア２１を通ることができるため、この方向の磁気抵抗は小さくなり、ｄ軸インダクタンスＬｄとｑ軸インダクタンスＬｑとがＬｄ＜Ｌｑの突極性を有する。このため、電機子巻線の自己インダクタンス及び相互インダクタンスは回転角の２倍で変化し、さらに永久磁石２４の電機子鎖交磁束も回転子２０の回転角の余弦で変化する。 In the embedded magnet type synchronous rotating electrical machine 1 of the present embodiment configured as described above, a rotational torque is generated in the rotor by the interaction between the magnetic flux generated by the plurality of permanent magnets 24 and the current flowing in the exciting coil 14.
In the embedded magnet type synchronous rotating electrical machine 1 of the present embodiment, a line connecting the central portion in the circumferential direction between the permanent magnets 24 in each magnetic pole 22 of the rotor 20 and the axis of the rotary shaft 3 is the d axis. In addition, a line connecting between the permanent magnets 24 having different polarities between the adjacent magnetic poles 22 of the rotor 20 and the axis of the rotary shaft 3 is the q axis. Therefore, the permanent magnet 24 having the same magnetic resistance as the air gap G is present in the magnetic path of the magnetic flux in the d-axis direction, and the magnetic flux does not easily pass through, but the magnetic flux in the q-axis direction can pass through the rotor core 21. Therefore, the magnetic resistance in this direction is reduced, and the d-axis inductance L d and the q-axis inductance L q have a saliency that satisfies L d <L q . For this reason, the self-inductance and mutual inductance of the armature winding change at twice the rotation angle, and the armature flux linkage of the permanent magnet 24 also changes at the cosine of the rotation angle of the rotor 20.

したがって、マグネットトルクにリラクタンストルクを加算した高トルク化を図ることができる。ここで、マグネットトルクは、永久磁石２４の電機子鎖交磁束のみの変化によりエネルギ変換が行われて発生するトルクである。また、リラクタンストルクは電機子自己及び相互インダクタンスの変化に応じてエアギャップＧに貯えられた磁気エネルギが機械エネルギに変換されて発生するトルクである。   Therefore, the torque can be increased by adding the reluctance torque to the magnet torque. Here, the magnet torque is a torque generated by energy conversion due to a change in only the armature linkage magnetic flux of the permanent magnet 24. The reluctance torque is a torque generated by converting magnetic energy stored in the air gap G into mechanical energy in accordance with changes in the armature self and mutual inductance.

ところで、コギングトルクは、回転子２０の回転に伴う磁気エネルギの変化によって発生するため、回転子２０の位置によって磁気抵抗が変化する。つまり、回転子２０の回転により磁気抵抗の変化が少なくなるようにすれば、コギングトルクを低減することができる。
そこで、本実施形態の埋込磁石形同期回転電機１は、磁石スロット２３の固定子コア１１側の一端と、この磁石スロット２３内の永久磁石２４との間に、比透磁率μｓが“１”より大きく回転子コア２１の比透磁率より小さい弱磁性材２５を設けた構成になっている。 By the way, since the cogging torque is generated by a change in magnetic energy accompanying the rotation of the rotor 20, the magnetic resistance changes depending on the position of the rotor 20. That is, the cogging torque can be reduced if the change in the magnetic resistance is reduced by the rotation of the rotor 20.
Therefore, in the embedded magnet type synchronous rotating electric machine 1 of the present embodiment, the relative permeability μs is “1” between one end of the magnet slot 23 on the stator core 11 side and the permanent magnet 24 in the magnet slot 23. “A weak magnetic material 25 that is larger and smaller than the relative permeability of the rotor core 21 is provided.

したがって、本実施形態の埋込磁石形同期回転電機１によれば、永久磁石２４からの磁束が、比透磁率μｓが“１”より大きく回転子コア２１の比透磁率より小さい弱磁性材２５に漏れるため、回転子２０の回転による磁気抵抗の変化が少なくなるので、コギングトルクを低く抑えることができる。
弱磁性材２５は、樹脂、接着材などのバインダと軟磁性粉末とを所望の比透磁率μｓになるような比率（好ましくは１＜μｓ≦４．５）で混合し、磁石スロット２３に練り込む、若しくは成形後に固化したものを差し込むことで容易に形成することができる。バインダに用いる具体的な材料としては、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、フェノール樹脂などが挙げられる。また、軟磁性粉末に用いる具体的な材料としては、Ｆｅ，Ｆｅ−Ｓｉ，Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ，Ｆｅ−Ｎｉ，Ｆｅ−Ｃｏ，Ｆｅ−Ｓｉ−Ｂ系などの軟磁性アモルファス、Ｍｎ−Ｚｎ系などのソフトフェライトなどが挙げられる。 Therefore, according to the embedded magnet type synchronous rotating electric machine 1 of the present embodiment, the magnetic flux from the permanent magnet 24 has the relative magnetic permeability μs larger than “1” and smaller than the relative magnetic permeability of the rotor core 21. Therefore, the change in magnetic resistance due to the rotation of the rotor 20 is reduced, so that the cogging torque can be kept low.
The weak magnetic material 25 is obtained by mixing a binder such as a resin or an adhesive and soft magnetic powder at a ratio (preferably 1 <μs ≦ 4.5) so as to obtain a desired relative permeability μs, and kneading the magnet slot 23. It can be easily formed by inserting or solidifying after molding. Specific materials used for the binder include epoxy resin, silicone resin, phenol resin, and the like. Specific materials used for the soft magnetic powder include Fe, Fe-Si, Fe-Si-Al, Fe-Ni, Fe-Co, Fe-Si-B based soft magnetic amorphous, Mn-Zn based. And soft ferrite.

また、弱磁性材２５は、棒状に加工されたオーステナイト系ステンレスを差し込むことによって容易に形成することができる。オーステナイト系ステンレスは加工歪によって比透磁率が僅かに増加することが知られており、これを用いることができる。この場合、加工条件にもよるが、弱磁性材２５の部材全体での平均的な比透磁率μｓは、約１＜μｓ≦３程度になる。   The weak magnetic material 25 can be easily formed by inserting austenitic stainless steel processed into a rod shape. Austenitic stainless steel is known to have a slight increase in relative permeability due to processing strain, and can be used. In this case, although depending on the processing conditions, the average relative permeability μs of the entire weak magnetic material 25 is about 1 <μs ≦ 3.

回転子２０の磁石スロット２３は、鉄板を積層して回転子コア２１を形成する前に鉄板にプレス機で打ち抜くことにより形成、又は鉄板を積層して回転子コア２１を形成した後にプレス機で打ち抜くことにより形成される。また、永久磁石２４は、磁石スロット２３を有する回転子コア２１を形成した後、この回転子コア２１の磁石スロット２３に挿入され、接着材又は充填材によって固定される。   The magnet slot 23 of the rotor 20 is formed by punching an iron plate with a press before forming the rotor core 21 by stacking the iron plates, or by forming a rotor core 21 by stacking the iron plates with the press. It is formed by punching. The permanent magnet 24 is inserted into the magnet slot 23 of the rotor core 21 after the rotor core 21 having the magnet slot 23 is formed, and is fixed by an adhesive or a filler.

したがって、回転子コア２１の磁石スロット２３に永久磁石２４を挿入して設ける際、磁石スロット２３に弱磁性材２５を練り込む、若しくは差し込むことにより、永久磁石２４と共に弱磁性材２５を容易に埋め込むことができるので、従来のように回転子コアや固定子コアにスキューを施す場合と比較して製造工程数の増加や回転電機の形状の大幅な変更を招かずに済む。この結果、本実施形態の埋込磁石形同期回転電機１によれば、低コストでコギングトルクを低く抑えることができる。   Therefore, when the permanent magnet 24 is inserted and provided in the magnet slot 23 of the rotor core 21, the weak magnetic material 25 is easily embedded together with the permanent magnet 24 by kneading or inserting the weak magnetic material 25 into the magnet slot 23. Therefore, it is possible to avoid an increase in the number of manufacturing steps and a significant change in the shape of the rotating electrical machine as compared with the conventional case where the skew is applied to the rotor core and the stator core. As a result, according to the embedded magnet type synchronous rotating electric machine 1 of the present embodiment, the cogging torque can be kept low at a low cost.

ここで、埋込磁石形同期回転電機１では、回転子２０の隣接する磁極２２間において極性の異なる永久磁石２４間のブリッジ部分２１ａが回転子コア２１と同じ材料（鉄心）で形成されている。このように、ブリッジ部分２１ａが回転子コア２１と同じ材料（鉄心）で形成されている場合は、このブリッジ部分２１ａに磁束が大量に漏れてしまい、無負荷誘起電圧が低下してしまう。そこで、一般的な埋込磁石形同期回転電機では、本実施形態の図面を参照すれば、磁石スロット２３の一端（固定子１０側）と永久磁石２４との間に空洞部を設け、この空洞部に比透磁率が約“１”である空気を設けるようにすることで、ブリッジ部分２１ａへの磁束の漏れを抑制し、無負荷誘起電圧の低下を抑制することができる。しかしながら、磁石スロット２３の一端と永久磁石２４との間の空洞部の比透磁率を“１”にしてしまうと、今度はコギングトルクが増加してしまう。   Here, in the embedded magnet type synchronous rotating electric machine 1, the bridge portion 21 a between the permanent magnets 24 having different polarities between the adjacent magnetic poles 22 of the rotor 20 is formed of the same material (iron core) as the rotor core 21. . Thus, when the bridge part 21a is formed of the same material (iron core) as the rotor core 21, a large amount of magnetic flux leaks to the bridge part 21a, and the no-load induced voltage is reduced. Therefore, in a general embedded magnet type synchronous rotating electric machine, referring to the drawing of the present embodiment, a cavity is provided between one end of the magnet slot 23 (on the side of the stator 10) and the permanent magnet 24, and this cavity By providing the part with air having a relative permeability of about “1”, leakage of magnetic flux to the bridge portion 21a can be suppressed, and a decrease in no-load induced voltage can be suppressed. However, if the relative permeability of the cavity between one end of the magnet slot 23 and the permanent magnet 24 is set to “1”, the cogging torque will increase.

そこで、磁石スロット２３に埋め込む弱磁性材２５の比透磁率μｓと、コギングトルク及び無負荷誘起電圧との関係について説明する。
埋込磁石形同期回転電機１のトルクＴは、極対数Ｐｎ，磁石のつくる鎖交磁束Ψａ，ｄ軸インダクタンスＬｄ，ｑ軸インダクタンスＬｑ，ｄ軸電流ｉｄ，ｑ軸電流ｉｑとすると次式となる。 Therefore, the relationship between the relative permeability μs of the weak magnetic material 25 embedded in the magnet slot 23, the cogging torque, and the no-load induced voltage will be described.
The torque T of the embedded magnet type synchronous rotating electrical machine 1 includes the number of pole pairs P n , the linkage flux Ψ a , the d-axis inductance L d , the q-axis inductance L q , the d-axis current i d , and the q-axis current i q. Then, the following equation is obtained.

Ｔ＝ＰｎΨａｉｑ＋Ｐｎ(Ｌｄ−Ｌｑ)ｉｄｉｑ ……（１）
上記の（１）式において、第１項は永久磁石２４がつくる磁束と電流の相互作用によって生じるトルク、すなわちマグネットトルクを表し、第２項はリラクタンストルクを表している。また、Ψａと無負荷誘起電圧は比例する関係にある。
上記の（１）式における第１項のΨａが小さくなると、マグネットトルクが低下し、同一トルクを得るための電流が増加することは明らかである。 T = P n Ψ a i q + P n (L d -L q) i d i q ...... (1)
In the above equation (1), the first term represents the torque generated by the interaction between the magnetic flux generated by the permanent magnet 24 and the current, that is, the magnet torque, and the second term represents the reluctance torque. Also, [psi a and no-load induced voltage is in a relationship proportional.
Obviously, if Ψ a of the first term in the above equation (1) becomes small, the magnet torque decreases and the current for obtaining the same torque increases.

よって、電磁界解析によりコギングトルクと無負荷誘起電圧を求め、磁石スロットに埋める弱磁性材２５の適切な比透磁率μｓを導出した。
図３に解析結果を示す。ただし、図２において、磁石スロット２３の一端側（固定子コア側）の弱磁性材２５の比透磁率μｓのみを変化させ、磁石スロット２３の他端側（回転子コアの中心軸側）の空洞部２６は比透磁率μｓを“１”に固定した。 Therefore, the cogging torque and the no-load induced voltage were obtained by electromagnetic field analysis, and an appropriate relative permeability μs of the weak magnetic material 25 buried in the magnet slot was derived.
FIG. 3 shows the analysis results. However, in FIG. 2, only the relative permeability μs of the weak magnetic material 25 on one end side (stator core side) of the magnet slot 23 is changed, and the other end side (rotor core central axis side) of the magnet slot 23 is changed. The cavity 26 has a relative permeability μs fixed to “1”.

図３より、磁石スロット２３の一端側（固定子コア１１側）を埋める弱磁性材２５の比透磁率μｓが大きくなると、コギングトルクが低下することがわかる。同時に無負荷誘起電圧も低下している。
図３より、磁石スロット２３の一端側を埋める弱磁性材２５の比透磁率μｓを“３”とすると、コギングトルクは約３０％低減しているものの、無負荷誘起電圧の低下は約１５％にとどまっている。 FIG. 3 shows that the cogging torque decreases as the relative permeability μs of the weak magnetic material 25 filling one end side (stator core 11 side) of the magnet slot 23 increases. At the same time, the no-load induced voltage is also reduced.
As shown in FIG. 3, when the relative permeability μs of the weak magnetic material 25 filling one end of the magnet slot 23 is “3”, the cogging torque is reduced by about 30%, but the decrease in the no-load induced voltage is about 15%. Stays on.

無負荷誘起電圧が低下した場合、電流量を増やすことで所望のトルクを確保することができる。しかしながら、単純に電流量を増やすと銅損が増加して発熱し、絶縁の許容限界を超えてしまうなどの問題が発生する。
そこで、回転電機の形状を大幅に変更することなく、銅損を抑える方法として、一般的に励磁コイル１４の巻線として使用される丸線を平角線に変更するという手法が考えられる。平角線は占積率９０％程度で巻くことが可能であるので、丸線の場合の占積率７０％と比較して巻線抵抗を９／７倍まで落とすことができる。これは、発生する銅損を増やさないという条件下では、電流を√(９／７)倍まで増やすことができるということを意味する。 When the no-load induced voltage decreases, a desired torque can be ensured by increasing the amount of current. However, if the current amount is simply increased, the copper loss increases and heat is generated, causing problems such as exceeding the allowable limit of insulation.
Therefore, as a method for suppressing copper loss without significantly changing the shape of the rotating electrical machine, a method of changing a round wire generally used as a winding of the exciting coil 14 to a rectangular wire is conceivable. Since the rectangular wire can be wound at a space factor of about 90%, the winding resistance can be reduced to 9/7 times compared to the space factor of 70% in the case of the round wire. This means that the current can be increased to √ (9/7) times under the condition that the generated copper loss is not increased.

磁石スロット２３に弱磁性材２５を挿入することで無負荷誘起電圧がｋ倍になったと仮定すると、上記の（１）式よりマグネットトルクは無負荷誘起電圧と電流量の絶対値に比例するため、「弱磁性材挿入＋巻線変更」でマグネットトルクは√(９／７)ｋ倍になり、上記の（１）式よりリラクタンストルクは電流量の絶対値の二乗に比例するため、リラクタンストルクは９／７倍となる。   Assuming that the no-load induced voltage is increased k times by inserting the weak magnetic material 25 into the magnet slot 23, the magnet torque is proportional to the no-load induced voltage and the absolute value of the current amount from the above equation (1). , “Weak magnetic material insertion + winding change” increases the magnet torque by √ (9/7) k, and the reluctance torque is proportional to the square of the absolute value of the current amount from the above equation (1). Becomes 9/7 times.

ここで、本実施形態の埋込磁石形同期回転電機１におけるマグネットトルクとリラクタンストルクとの比率を８：２とすると、合計トルクが「弱磁性材挿入＋巻線変更」の前と同じになるためには、下記の（２）式により、ｋ＝０．８１８９が許容限界である。
√(９／７)ｋ×０．８＋(９／７)×０．２＝１ ……（２）
つまり、無負荷誘起電圧は１８％の低下まで許容できる。この考え方では弱磁性材２５の比透磁率μｓは、図３より“３．５”付近まで許容できるということになる。 Here, when the ratio of the magnet torque to the reluctance torque in the embedded magnet type synchronous rotating electric machine 1 of the present embodiment is 8: 2, the total torque is the same as before “weak magnetic material insertion + winding change”. Therefore, k = 0.8189 is an allowable limit according to the following equation (2).
√ (9/7) k × 0.8 + (9/7) × 0.2 = 1 (2)
That is, the no-load induced voltage can be tolerated to a decrease of 18%. According to this concept, the relative magnetic permeability μs of the weak magnetic material 25 is allowable up to about “3.5” from FIG.

上記の説明では、マグネットトルクとリラクタンストルクとの比率を８：２としているが、マグネットトルクとリラクタンストルクとの比率は９：１から７：３の範囲が一般的である。上記の（２）式によると、比率が９：１のときのｋは約０．８５、比率が７：３のときのｋは約０．７７となり、図３での比透磁率μｓはそれぞれ“３”、“４．５”となる。   In the above description, the ratio of the magnet torque to the reluctance torque is 8: 2, but the ratio of the magnet torque to the reluctance torque is generally in the range of 9: 1 to 7: 3. According to the above equation (2), when the ratio is 9: 1, k is about 0.85, and when the ratio is 7: 3, k is about 0.77, and the relative permeability μs in FIG. “3” and “4.5”.

したがって、磁石スロット２３の一端（固定子コア１１側の端）と永久磁石２４との間に埋め込まれる弱磁性材２５の比透磁率μｓは“４．５”を上限とすることが好ましく、このように弱磁性材２５の比透磁率μｓを“１”より大きく“４．５”以下（１＜μｓ≦４．５）とすることで、コギングトルクを低く抑えることができると共に、無負荷誘起電圧の低下を最小限に抑えることができる。   Therefore, the relative magnetic permeability μs of the weak magnetic material 25 embedded between one end of the magnet slot 23 (end on the stator core 11 side) and the permanent magnet 24 is preferably set to an upper limit of “4.5”. As described above, by setting the relative magnetic permeability μs of the weak magnetic material 25 to be larger than “1” and not larger than “4.5” (1 <μs ≦ 4.5), the cogging torque can be suppressed to a low level and no load is induced. The voltage drop can be minimized.

なお、埋込磁石形同期回転電機１は、ｄ軸で磁束が通り難い方がリラクタンストルクを稼げるが、磁石スロット２３の内部において、磁石スロット２３の他端（回転子コア２１の回転軸側）と永久磁石２４との間に弱磁性材２５を埋め込むとｄ軸で磁束が通り易くなるので、磁石スロット２３の他端（回転子コア２１の回転軸側）と永久磁石２４との間には弱磁性材２５を埋め込まない方が好ましい。 Incidentally, the embedded magnet type synchronous rotary electric machine 1, it is difficult as the magnetic flux in the d-axis earn reluctor Nsu torque, but in the interior of the magnet slot 23, the rotation shaft side of the other end of the magnet slots 23 (the rotor core 21 ) And the permanent magnet 24, a weak magnetic material 25 is embedded so that the magnetic flux can easily pass through the d-axis, so that the gap between the other end of the magnet slot 23 (rotational axis side of the rotor core 21) and the permanent magnet 24 is Is preferably not embedded with the weak magnetic material 25.

以上説明したように、本実施形態の埋込磁石形同期回転電機１によれば、以下の効果が得られる。
（１）本実施形態の埋込磁石形同期回転電機１は、磁石スロット２３の固定子コア１１側の一端と永久磁石２４との間に、比透磁率が“１”より大きく回転子コア２１の比透磁率より小さい弱磁性材２５が設けられている。 As described above, according to the embedded magnet type synchronous rotating electric machine 1 of the present embodiment, the following effects can be obtained.
(1) In the embedded magnet type synchronous rotating electric machine 1 according to this embodiment, the relative permeability is larger than “1” between the one end of the magnet slot 23 on the stator core 11 side and the permanent magnet 24. A weak magnetic material 25 smaller than the relative magnetic permeability is provided.

したがって、本実施形態の埋込磁石形同期回転電機１によれば、永久磁石２４からの磁束が弱磁性材２５に漏れるため、回転子２０の回転による磁気抵抗の変化が少なくなるので、コギングトルクを低く抑えることができる。また、回転子コア２１の磁石スロット２３の内部に永久磁石２４を埋め込む際、永久磁石２４と共に弱磁性材２５を埋め込むことができるので、従来のように回転子コアや固定子コアにスキューを施す場合と比較して製造工程の増加や回転電機の形状の大幅な変更を招かずに済む。この結果、本実施形態の埋込磁石形同期回転電機１によれば、低コストでコギングトルクを低く抑えることができる。   Therefore, according to the embedded magnet type synchronous rotating electric machine 1 of the present embodiment, since the magnetic flux from the permanent magnet 24 leaks to the weak magnetic material 25, the change in the magnetic resistance due to the rotation of the rotor 20 is reduced. Can be kept low. Further, when the permanent magnet 24 is embedded in the magnet slot 23 of the rotor core 21, the weak magnetic material 25 can be embedded together with the permanent magnet 24. Therefore, the rotor core and the stator core are skewed as in the prior art. Compared to the case, it is not necessary to increase the number of manufacturing processes or to change the shape of the rotating electrical machine significantly. As a result, according to the embedded magnet type synchronous rotating electric machine 1 of the present embodiment, the cogging torque can be kept low at a low cost.

（２）本実施形態の埋込磁石形同期回転電機１において、励磁コイル１４の巻線は平角線とし、弱磁性材２５の比透磁率は“４．５”以下とすることで、コギングトルクを低く抑えることができると共に、無負荷誘起電圧の低下を最小限に抑えることができる。
以上説明したように、本発明に係る永久磁石式回転電機は、低コストでコギングトルクを低く抑えることができるという効果を有し、励磁コイルを巻装した固定子と、磁石スロットの内部に永久磁石が設けられた回転子とを有する永久磁石式回転電機に有用である。 (2) In the embedded magnet type synchronous rotating electrical machine 1 of the present embodiment, the winding of the exciting coil 14 is a rectangular wire, and the relative magnetic permeability of the weak magnetic material 25 is set to “4.5” or less, thereby reducing the cogging torque. Can be kept low, and a decrease in no-load induced voltage can be minimized.
As described above, the permanent magnet type rotating electrical machine according to the present invention has an effect that the cogging torque can be kept low at a low cost, and the permanent magnet is permanently provided inside the magnet slot and the stator around which the exciting coil is wound. This is useful for a permanent magnet type rotating electric machine having a rotor provided with a magnet.

１…埋込磁石形同期回転電機１（永久磁石式回転電機）、２…円筒状フレーム、３…回転軸
１０…固定子、１１…固定子コア、１２…スロット、１３…磁性ティース、１４…励磁コイル
２０…回転子、２１…回転子コア、２１ａ…ブリッジ部分、２２…磁極、２３…磁石スロット、２４…永久磁石、２５…弱磁性材、２６…空洞部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Embedded magnet type synchronous rotary electric machine 1 (permanent magnet type rotary electric machine), 2 ... Cylindrical frame, 3 ... Rotating shaft 10 ... Stator, 11 ... Stator core, 12 ... Slot, 13 ... Magnetic teeth, 14 ... Excitation coil 20 ... rotor, 21 ... rotor core, 21a ... bridge portion, 22 ... magnetic pole, 23 ... magnet slot, 24 ... permanent magnet, 25 ... weak magnetic material, 26 ... cavity

Claims (4)

固定子コア、及び前記固定子コアに巻装された励磁コイルを有する固定子と、
前記固定子コアと所定の間隔を隔てて対向して回転自在に配置された回転子コア、前記回転子コアに設けられた複数の磁石スロット、及び前記複数の磁石スロットの各々の内部に個別に配設された複数の永久磁石を有する回転子とを備える永久磁石式回転電機であって、
前記磁石スロットの前記固定子コア側の一端と前記永久磁石との間に、比透磁率が“１”より大きく前記回転子コアの比透磁率より小さい弱磁性材が設けられ、かつ前記磁石スロットの前記回転子コアの回転中心側の他端と前記永久磁石との間に空洞部が設けられていることを特徴とする永久磁石式回転電機。 A stator having a stator core, and wound around the excitation coil to the stator core,
The stator core and the predetermined rotor gap rotatably arranged to face across a core, a plurality of magnet slots provided in said rotor core, and individually within each of the plurality of magnet slots a permanent magnet type rotating electric machine including a rotor having a plurality of permanent magnet disposed,
A weak magnetic material having a relative permeability larger than “1” and smaller than a relative permeability of the rotor core is provided between one end of the magnet slot on the stator core side and the permanent magnet , and the magnet slot A permanent magnet type rotating electrical machine , wherein a cavity is provided between the other end of the rotor core on the rotation center side and the permanent magnet. 請求項１に記載の永久磁石式回転電機において、
前記励磁コイルの巻線は平角線であり、
前記弱磁性材は、比透磁率が“４．５”以下であることを特徴とする永久磁石式回転電機。 In the permanent magnet type rotating electrical machine according to claim 1,
The winding of the exciting coil is a rectangular wire,
A permanent magnet type rotating electrical machine, wherein the weak magnetic material has a relative permeability of "4.5" or less. 請求項１又は請求項２に記載の永久磁石式回転電機において、
前記弱磁性材は、バインダと軟磁性粉末とを混合した材料からなることを特徴とする永久磁石式回転電機。 In the permanent magnet type rotating electrical machine according to claim 1 or 2,
The permanent magnet type rotating electrical machine, wherein the weak magnetic material is made of a material in which a binder and soft magnetic powder are mixed. 請求項１又は請求項２に記載の永久磁石式回転電機において、
前記弱磁性材は、棒状に加工されたオーステナイト系ステンレスであることを特徴とする永久磁石式回転電機。 In the permanent magnet type rotating electrical machine according to claim 1 or 2,
The permanent magnet type rotating electrical machine, wherein the weak magnetic material is austenitic stainless steel processed into a rod shape.
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