JPWO2004064225A1 - 永久磁石型電動機 - Google Patents
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Abstract
Description
かかる磁石表面型電動機よれば、回転子の表面に磁石が固定されているので、トルクと電流の直線性を示すトルクリニアリティー特性が優れている。したがって、高負荷時、少ない電流で大きいトルクを得ることができるので、制御性が優れるものである。
しかしながら、上記磁石表面型電動機は永久磁石を固定する押圧部材などを要するので、構造が複雑になっていた。
そこで、上記課題を解決するために、永久磁石埋込型電動機が特開2000−197292号公報に開示されている。
該公報に開示された技術によれば、永久磁石埋め込型電動機は、回転子鉄心の円周方向に回転子の極数分等間隔に設けられ鉄心周方向を長辺とし鉄心径方向を短辺として軸方向に貫通する矩形の磁石用孔を有し、前記磁石用孔のそれぞれに磁極面を鉄心径方向として互いに隣接する磁極が異なるように永久磁石を装着し、前記永久磁石のそれぞれの外周側磁極面に形成される回転子磁極部の外周形状が、周方向中央部にて鉄心中心よりの距離が最も大きくなり、極間部にて鉄心中心よりの距離が最も小さくなるような各回転子磁極部毎の円弧状をなしているものである。
かかる永久磁石埋込型電動機によれば、固定子鉄心に永久磁石が埋め込まれているので、永久磁石を固定する押圧部材が不要になるものである。
しかしながら、上記特開2000−197292号公報に記載の永久磁石埋込型電動機では、回転子鉄心外周部の厚さを規定していないので、空隙磁束密度の高調波成分に起因して無通電時に発生するトルク変動となるコギングトルクがやや大きく、トルクリニアリティーが向上できないという課題があった。
本発明は上記課題を解決するためになされたもので、コギングトルクを低減すると共に、トルクリニアリティー向上する永久磁石型電動機を提供することを目的とする。
かかる永久磁石型電動機によれば、従来の永久磁石埋込型電動機に比較してコギングトルクが少なくなりトルクリニアリティーが向上するという効果がある。
第2の発明に係る永久磁石型電動機は、0.143≦tc/tm≦0.174を満たすことを特徴とするものである。
かかる永久磁石型電動機によれば、より一層コギングトルクが減少するという効果がある。
第3の発明に係る永久磁石型電動機は、回転子の外側面が回転子鉄心の中心から最大となる直径を回転子最大直径Dr、回転子磁極部の外側面より形成される円弧の半径を回転子円弧半径Rpとすると、0.23≦Rp/Dr≦0.32を満たす、ことを特徴とするものである。
かかる永久磁石型電動機によれば、回転子における永久磁石のN(S)極からS(N)極への磁束波形が理想の正弦波に近くなるので、コギングトルクが減少するという効果がある。
第4の発明に係る永久磁石型電動機は、前記永久磁石の厚さに対応する前記磁石用孔の幅を孔幅th、前記磁石用孔の両端に略半円面を設け、該半円面の半径を孔端部半径Rhとすると、0.45≦Rh/th≦0.5を満たす、ことを特徴とものである。
かかる永久磁石型電動機によれば、回転子に設けられた磁石用孔の角部の応力集中が緩和されるので、回転子を高速回転し得るという効果がある。
第5の発明に係る永久磁石型電動機は、nを1以上の正の整数とし、前記回転子の極数を2n、前記固定子の突極の数を3nとする、ことを特徴とするものである。
かかる永久磁石型電動機によれば、例えば回転子にスキューを形成すると、コギングトルクをより低減できるという効果がある。
第2図は、第1図に示す永久磁石型電動機の回転子の横断面図である。
第3図は、第1図に示す永久磁石型電動機の回転子から固定子への磁束の流れを示す部分拡大横断面図である。
第4図は、第1図に示す永久磁石型電動機と従来の磁石埋め込型電動機との各部の数値、特性の比較図である。
第5図は、回転子磁極部の被覆厚さtc、永久磁石の磁石厚さtmとした場合のtc/tmとトルクリニアリティーの関係を解析した特性図である。
第6図は、回転子磁極部の被覆厚さtc、永久磁石の磁石厚さtmとした場合のtc/tmとコギングトルクの関係を解析した特性図である。
第7図は、回転子最大直径Dr、回転子円弧半径Rpとした場合のRp/Drとコギングトルクとの関係を磁界解析した特性図である。
第8図は、本発明の他の実施例による回転子の端部の部分拡大横断面図である。
第9図は、磁石用孔の孔幅th、磁石用孔の孔曲Rhの孔比Rh/thと磁石用孔の両端角部の応力相対値について解析した特性図である。
第1図及び第2図において、永久磁石型動機1は、薄い電磁鋼板を打ち抜いて該電磁鋼板を積層した固定子鉄心11から成ると共に、12個の突極11tに巻回された固定子巻線13を有する固定子10と、永久磁石31を有すると共に、8極の回転子20とを備え、nを1以上の正の整数とし、回転子20の極数を2n、固定子10の突極11tの数を3nと成るように形成されており、固定子10と回転子20との間に空隙gが形成されていて、固定子巻線13を通電すると、回転磁界により回転子20を回転するように構成されている。
回転子20は磁極と同数の花弁を有する菊花紋章形で、厚さtr(図示せず)が0.35(mm)の電磁銅板を所定の形状に打ち抜いて積層した回転子鉄心21から成り、軸方向で永久磁石31の内側方向の中心に孔21yが穿設されており、軸方向に断面略弓形状で永久磁石31を径合して固定するための磁石用孔21eが8個穿設されており、互いに隣接する第1の永久磁石31と第2の永久磁石31との間に形成される極間部21aを有すると共に、第1の永久磁石31と第2の永久磁石31との磁極が異なるように配置されて永久磁石31の固定子10の方向、すなわち、永久磁石31の外側方向に回転子磁極部24が形成されている。
回転子磁極部24は、外側面24c(外周形状)が周方向中央部にて回転子鉄心21の中心よりの距離が最も長くなり、永久磁石31の極間部21aにて回転子鉄心21の中心よりの距離が最も短くなるような、各回転子磁極部24が円弧状を成すように形成されていいて、永久磁石31の外側面から回転子磁極部24の外側面24cまでの距離となる被覆厚さtcをほぼ一定で、打ち抜き製作を考慮して可能な限り被覆厚さtcが薄くなるように形成されている。
永久磁石31は断面略弓形状で、回転子20の径方向に磁石厚さtmを有している。
上記のように構成された永久磁石型電動機1によれば、回転子20の回転子磁極部24が電磁鋼板で形成されているので、第3図に示すように永久磁石31からの磁束Φは、回転子磁極部24を通って漏れることになる。しかしながら、回転子20の回転子磁極部24の被覆厚さtcが薄く形成されているので、該回転子磁極部24の磁気抵抗が極めて大きく成り、永久磁石31から回転子磁極部24を通って漏れる磁束を小さくなる。したがって、回転子磁極部24の磁束が飽和状態に近づくので、固定子10の回転磁界により生じる磁束が回転子20の回転子磁極部24を通りにくくなるので、トルクリニアリティーを向上することができるものである。
永久磁石型電動機1は、具体例として第1図及び第4図に示すように回転子20の直径が変化しているので、回転子20の外側面24cの直径が最大になる回転子最大直径Dr=107(mm)、回転子磁極部24の外側面24cにより形成された円弧の半径となる回転子円弧半径Rp=29.1(mm)、回転子直径比Rp/Dr=0.272、回転子磁極部24の先端部における永久磁石31を覆う一定値の被覆厚さtc=0.5(mm)、永久磁石31の半径方向における磁石厚さtm=3(mm)、磁石厚さ比tc/tm=0.16となるように形成されている。かかる永久磁石型電動機1によれば、コキングトルク相対値1.0、トルクリニアリティー相対値1.059の特性が得られる。
これに対して従来の永久磁石埋込型電動機では、回転子磁極部の被覆厚さtcが変化しているので、最大の被覆厚さtc=5(mm)、永久磁石31の磁石厚さtm、回転子最大直径Dr、回転子円弧半径Rp、回転子直径比Rp/Drを永久磁石型電動機1と同一とした場合、コキングトルクの相対値3.267、トルクリニアリティーの相対値0.6497となる。したがって、永久磁石型電動機1のコキングトルク、トルクリニアリティーの特性が従来の永久磁石埋込型電動機に比較して改善されている。
<トルクリニアリティー>
まず、第5図によって回転子磁極部24の被覆厚さtc、永久磁石31の磁石厚さtmとトルクリニアリティーの関係を説明する。第4図は磁石厚さ比tc/tmとトルクリニアリティーの関係を解析した特性図である。
第4図に示すようにトルクリニアリティーを大きくするには、磁石厚さ比tc/tmを小さくしなければならないことが理解できる。磁石厚さ比tc/tmを小さくすると、磁石厚さtmに対して相対的に回転子磁極部24の被覆厚さtcが小さくなるので、回転子20の回転子磁極部24の磁束が飽和状態に近づくことになる。よって、回転子20から固定子10へ流れる磁束の漏れが減少するので、トルクリニアリティーが大きくできるのである。
<コギングトルク>
(1)磁石厚さ比tc/tm
次に、回転子最大直径Dr、回転子円弧半径Rpとコギングトルクとの関係を第6図によって説明する。第6図は回転子磁極部の被覆厚さtc、永久磁石の磁石厚さtmとした場合の磁石厚さ比tc/tmとコギングトルクの関係を解析した特性図である。
第6図において、一点鎖線で従来の永久磁石埋込型電動機を示しており、永久磁石型電動機1のコギングトルクは、該永久磁石埋込型電動機のコギングトルクよりも低くするには磁石厚さ比tc/tmがtc/tm≦0.25の範囲において設定すればよいことが理解できる。
コギングトルクの相対値は、磁石厚さ比tc/tmが0.158付近にて回転子磁極部24における磁束が飽和するので、極小となり、磁石厚さ比tc/tmが0.158を越えると、大きくなる。これは、永久磁石31の磁石厚さtmに対して回転子磁極部24の被覆厚さtcが相対的に大きいなるに連れて永久磁石31から回転子磁極部24への磁束の漏れが大きくなるからである。
コギングトルクの相対値は、磁石厚さ比tc/tmが0.158未満で、増加する。これは、磁石厚さtmに対して被覆厚さtcが相対的に小さくなるに連れて、永久磁石31から回転子磁極部24への磁束の漏れが小さくなるものの、永久磁石31から固定子鉄心11へ通る磁束が増加するので、大きくなる。
上記のように永久磁石型電動機1のコギングトルクは、磁石厚さ比tc/tmが0.158付近で極小となり、磁石厚さ比tc/tmが0.158を越えるに連れて大きくなり、磁石厚さ比tc/tmが0.158よりも小さくなるに連れて増加する。
永久磁石型電動機1の磁石厚さ比tc/tm=0.158として製作しても、磁石厚さtcおよび被覆厚さtmに寸法許容差が生じる。これを5%とすると、tc/tmの最小値は0.158×0.95/1.05=0.143となる。
一方、磁石厚さ比tc/tmの最大値は0.158×1.05/0.95=0.174となる。
したがって、磁石厚さ比tc/tmを0.143≦tc/tm≦0.174の範囲に設定することによって、コギングトルクをより一層低減することができる。
さらに、永久磁石型電動機1が従来の永久磁石埋込型電動機のコギングトルク相対値の略半分の特性を得るには、磁石厚さ比tc/tmを0.12≦tc/tm≦0.2の範囲に設定することになる。
(2)回転子直径比Rp/Dr
次に、第7図に示す回転子20の最外周面までの回転子外側直径Dr、回転子磁極部24の曲面までの回転子円弧半径をRpとした場合の鉄心回転子直径比Rp/Drとコギングトルクとの関係を磁界解析した特性図によって説明する。
第7図において、永久磁石電動機1のコギングトルクは、回転子直径比Rp/Drが0.29付近では、回転子磁極部24における永久磁石31のN(S)極からS(N)極への磁束波形が理想の正弦波に近くなるので、極小となる。
コギングトルクは、回転子直径比Rp/Drが0.29を越えると、回転子20の直径Drに対して回転子円弧半径Rpが相対的に大きくなるに連れて、永久磁石31のN(S)極からS(N)極への切換え部分における磁束変化の円滑が阻害される、すなわち、理想の正弦波形から遠ざかるので、増加し、鉄心回転子直径比Rp/Drが0.29未満では、回転子最大直径Drに対して、回転子円弧半径Rpが相対的に大きくなるに連れて増加する。
従来の磁石埋込型回転子のコギングトルク相対は回転子直径比Rp/Drを0.272の一定とすると、0.16となる。
したがって、本実施例による永久磁石型電動機1のコギングトルクを、従来の磁石埋込型回転子のコギングトルク以下にするには回転子直径比Rp/Drが0.23≦Rp/Dr≦0.32の範囲に設定すればよい。
さらに、永久磁石型電動機1が従来の永久磁石埋込型電動機のコギングトルク相対値の略半分の特性を得るには、回転子直径比Rp/Drを0.255≦Rp/Dr≦0.303の範囲に設定することになる。
上記のように回転子最大直径Dr、回転子円弧半径Rpを0.23≦Rp/Dr≦0.32の範囲に設定、また、回転子磁極部24の被覆厚さtcを一定とし、永久磁石31の磁石厚さtmを2.5(mm)、磁石厚さ比tc/tmを0.125≦tc/tm≦0.190の範囲に設定することにより従来の永久磁石埋込型電動機に比較してトルクリニアリティーを向上できると共に、コギングトルクを低減できる。
さらに、磁石厚さ比tc/tmを0.143≦tc/tm≦0.174の範囲に設定することによって、コギングトルクをより一層低減することができる。
また、回転子20の極数を2n、固定子10の突極12の数を3nと成るように構成したのは、回転子20にスキューを形成した際に永久磁石型電動機1のコギングトルクをより一層低下できる。
永久磁石型電動機のコギングトルク、トルクリニアリティー以外の重要な特性として最大回転速度がある。最大回転速度を上昇すると、電動機によって駆動される機械を高速で動作することができるので、生産性を向上できるからである。
しかしながら、第8図に示すように回転子20に磁石用孔22を設け、永久磁石31を磁石用孔22に挿入して接着剤等により固定する永久磁石型電動機では、最大回転速度を上昇すると、磁石用孔22の両端角部に応力が集中して永久磁石31の固定に悪影響が生じるおそれがある。
そこで、上記課題を解決するために、第8図に示すように回転子20の軸方向に穿設された略弓形状の穿設された永久磁石を装着するための磁石用孔22に曲部を設けて応力の集中を減少することが考えられる。
該磁石用孔22には、回転子20の半径方向の長さとなる幅となる孔幅thとし、磁石用孔22の両端角部に略半円面を設け、該半円面の半径を孔端部半径Rhとした場合、孔幅th=2.6(mm)、孔端部半径Rh=1.3(mm)とし、孔比Rh/th=0.5と設定している。
次に、第9図に示す孔比Rh/thと磁石用孔22の両端角部の応力相対値を解析した特性図を用いて説明する。
第9図より、孔比Rh/th=0.5にて磁石用孔22の両端角部の応力相対値は最小となり、0.4≦Rh/thでは磁石用孔22の両端角部の応力相対値は1.0から1.2と実使用上問題ないレベルとなる。
以上のように幅th、孔端部半径Rhとした場合、0.4≦Rh/thの範囲に設定することにより、回転子20が回転時に遠心力によって生じる磁石用孔22の両端角部に発生する応力集中を低減することができる。
端面とにより形成される被覆厚さtcをほぼ一定とし、全体が略弓形状に形成された前記永久磁石の厚さを磁石厚さtmとすると、tc/tm≦0.25を満たす、ことを特徴とするものである。
かかる永久磁石型電動機によれば、従来の永久磁石埋込型電動機に比較してコギングトルクが少なくなりトルクリニアリティーが向上するという効果がある。
第2の発明に係る永久磁石型電動機は、0.143≦tc/tm≦0.174を満たすことを特徴とするものである。
かかる永久磁石型電動機によれば、より一層コギングトルクが減少するという効果がある。
第3の発明に係る永久磁石型電動機は、回転子の外側面が回転子鉄心の中心から最大となる直径を回転子最大直径Dr、回転子磁極部の外側面より形成される円弧の半径を回転子円弧半径Rpとすると、0.23≦Rp/Dr≦0.32を満たす、ことを特徴とするものである。
かかる永久磁石型電動機によれば、回転子における永久磁石のN(S)極からS(N)極への磁束波形が理想の正弦波に近くなるので、コギングトルクが減少するという効果がある。
第4の発明に係る永久磁石型電動機は、前記永久磁石の厚さに対応する前記磁石用孔の幅を孔幅th、前記磁石用孔の両端に略半円面を設け、該半円面の半径を孔端部半径Rhとすると、0.45≦Rh/th≦0.5を満たす、ことを特徴とものである。
かかる永久磁石型電動機によれば、回転子に設けられた磁石用孔の角部の応力集中が緩和されるので、回転子を高速回転し得るという効果がある。
第5の発明に係る永久磁石型電動機は、nを1以上の正の整数とし、前記回転子の極数を2n、前記固定子の突極の数を3nとする、ことを
Claims (5)
- 固定子巻線を有する固定子と、
回転子鉄心の極数分設けられると共に、軸方向に穿設された複数の磁石用孔を有し、隣接する磁極が交互に異なるように永久磁石が固定された回転子とを備え、
前記回転子は、前記永久磁石のそれぞれの外周側磁極面に形成される回転子磁極部の外周形状が、周方向中央部にて前記回転子鉄心の中心からの距離が最も長くなり、第1の前記永久磁石と第2の前記永久磁石との間に形成される極間部にて前記回転子鉄心の中心からの距離が最も短くなると共に、前記回転子磁極部の端面が円弧を成すように形成されており、
前記磁石用孔の外側が前記円弧とほぼ同一で、略弓形状に穿設されており、
前記永久磁石の外側面と前記回転子磁極部の端面とにより形成される被覆厚さtcをほぼ一定とし、前記永久磁石の厚さを磁石厚さtmとすると、
tc/tm≦0.25を満たす、
ことを特徴とする永久磁石型電動機。 - 0.143≦tc/tm≦0.174を満たすことを
特徴とする請求の範囲1に記載の永久磁石型電動機。 - 前記回転子の外側面が前記回転子鉄心の中心から最大となる直径を回転子最大直径Dr、前記回転子磁極部の外側面より形成される円弧の半径を回転子円弧半径Rpとすると、
0.23≦Rp/Dr≦0.32を満たす、
ことを特徴とする請求の範囲1又は2に記載の永久磁石型電動機。 - 前記永久磁石の厚さに対応する前記磁石用孔の幅を孔幅th、前記磁石用孔の両端に略半円面を設け、該半円面の半径を孔端部半径Rhとすると、
0.45≦Rh/th≦0.5を満たす、
ことを特徴とする請求の範囲1から3の何れかに記載の永久磁石型電動機。 - nを1以上の正の整数とし、前記回転子の極数を2n、前記固定子の突極の数を3nとする、
ことを特徴とする請求の範囲1から4の何れかに記載の永久磁石型電動機。
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