JP2013198263A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の磁性体板１の形状では、ｄ軸の磁束φＭとｑ軸の磁束φＲが磁性体板１上において交差するため、この交差部分の磁束密度が高くなって磁気抵抗の増加をもたらし、磁石トルク及びリラクタンストルクを十分に得ることができなくなる。
【解決手段】複数の永久磁石を配置した磁性体板を積層して形成された回転子を備える回転電機において、回転子を、磁性体板上におけるｄ軸の磁束とｑ軸の磁束について何れか一方の磁束のみ通過し易くした、異なった形状の磁性体板（ｄ軸磁性体板１０、ｑ軸磁性体板１１）を積層して形成した。異なった形状の磁性体板のそれぞれを、必要とする回転電機性能に基づく重み付けに対応する枚数毎に積層する。
【選択図】図１

Description

この発明は、電動機或いは発電機として機能する回転電機に関し、特に、磁性体板を積層して形成された回転子を有する回転電機に関する。

従来、磁性体板を積層して形成された回転子を有する回転電機として、例えば、永久磁石同期電動機が知られている。この永久磁石同期電動機のロータコアは、断面長方形（板状）の同一形状からなる複数の永久磁石が外径に沿って円周方向に配置されており、電磁鋼板を積層することにより形成される（一例として、特許文献１参照）。
このような永久磁石同期電動機として、例えば、６極の永久磁石同期電動機の場合、回転子を形成する磁性体板は以下に示すような構成を有している。

図３は、従来の永久磁石同期電動機が備える回転子を形成する磁性体板を模式的に示す平面説明図である。図３に示すように、従来の磁性体板１は、円環状の珪素鋼板からなり、板体外周辺に沿って略等間隔に配置されている６箇所に長方形状の開口２を有し、各開口２には、開口形状に対応する長方形状板体の永久磁石３が埋め込まれている。この磁性体板１を複数枚積層して、６極の埋込構造永久磁石同期電動機（Ｉｎｔｅｒｉｏｒ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｍｏｔｏｒ）の回転子を形成する。

上記形状を有する磁性体板１は、永久磁石３の磁束軸であるｄ軸の磁束φＭ（図３参照）によって発生する磁石トルクと、ｄ軸とは電気角で直交するｑ軸の磁束φＲ（図３参照）によって発生するリラクタンストルクとの両方の合成トルクを発生するようになる。

特開平１１−０９８７３０号公報

しかしながら、従来の磁性体板１の形状では、ｄ軸の磁束φＭとｑ軸の磁束φＲが磁性体板１上において交差するため、この交差部分Ａ（図３参照）の磁束密度が高くなってしまう。磁束密度が高くなると、ｄ軸の磁気抵抗が増加して、回転子の周囲に配置された固定子に設けた電機子巻線に鎖交しない漏れの磁束φＬ（図３参照）が発生することから、漏れ磁束φＬ分の磁石トルクの減少を招くことになり、磁石トルクを十分に得ることができなくなる。

交差部分Ａの磁束密度が高くなれば、ｑ軸の磁気抵抗の増加ももたらすことから、同様に、リラクタンストルクの減少を招くことになり、リラクタンストルクを十分に得ることができなくなる。
この結果、磁性体板１における磁石トルク及びリラクタンストルクのトルク配分を自由に設計することが非常に困難であった。

この発明の目的は、磁性体板上においてｄ軸の磁束とｑ軸の磁束が交差することにより交差部分の磁束密度が高くなるのを防ぎ、磁性体板上において発生するトルクについてのトルク配分を自由に設計することができる回転子を有する回転電機を提供することである。

上記目的を達成するため、この発明に係る回転電機は、複数の永久磁石を配置した磁性体板を積層して形成された回転子を備える回転電機において、前記回転子を、磁性体板上におけるｄ軸の磁束とｑ軸の磁束について何れか一方の磁束のみ通過し易くした、異なった形状の磁性体板を積層して形成したことを特徴としている。
また、この発明の他の態様に係る回転電機は、前記異なった形状の磁性体板のそれぞれを、必要とする回転電機性能に基づく重み付けに対応する枚数毎に積層することを特徴としている。

また、この発明の他の態様に係る回転電機は、前記異なった形状の磁性体板が、前記各永久磁石の磁束軸であるｄ軸の磁気抵抗を小さくし、前記ｄ軸と電気角で直交するｑ軸の磁気抵抗を大きくした形状を有するｄ軸磁性体板と、前記ｄ軸の磁気抵抗を大きくし、前記ｑ軸の磁気抵抗を小さくした形状を有するｑ軸磁性体板であることを特徴としている。
また、この発明の他の態様に係る回転電機は、前記ｄ軸磁性体板が、板体外周辺に沿って並置された前記各永久磁石の隣接間を切り欠いて空隙とし、隣接する前記各永久磁石の両磁極面を結ぶ隣接部分が狭く形成されていることを特徴としている。
また、この発明の他の態様に係る回転電機は、前記ｑ軸磁性体板が、前記各永久磁石の磁極面に空隙を設けて形成されていることを特徴としている。

この発明によれば、磁性体板上においてｄ軸の磁束とｑ軸の磁束が交差することにより交差部分の磁束密度が高くなるのを防ぎ、磁性体板上に、固定子に設けた電機子巻線に鎖交しない漏れの磁束が発生しないようにすることができるので、漏れ磁束が発生することによりもたらされる漏れ磁束分のトルクの減少が無く、磁性体板上において発生するトルクについてのトルク配分を自由に設計することができる。

この発明の一実施の形態に係る永久磁石同期電動機の回転子を形成するｄ軸磁性体板を模式的に示す平面説明図である。 この発明の一実施の形態に係る永久磁石同期電動機の回転子を形成するｑ軸磁性体板を模式的に示す平面説明図である。 従来の永久磁石同期電動機が備える回転子を形成する磁性体板を模式的に示す平面説明図である。

以下、この発明を実施するための形態について図面を参照して説明する。
図１は、この発明の一実施の形態に係る永久磁石同期電動機の回転子を形成するｄ軸磁性体板を模式的に示す平面説明図であり、図２は、この発明の一実施の形態に係る永久磁石同期電動機の回転子を形成するｑ軸磁性体板を模式的に示す平面説明図である。
図１及び図２に示すように、ｄ軸磁性体板１０とｑ軸磁性体板１１は、何れも円環状の例えば珪素鋼板からなり、外周辺に沿って略等間隔に配置されている６箇所にそれぞれ埋設された永久磁石１２を有している。

ｄ軸磁性体板１０とｑ軸磁性体板１１は、互いの形状が異なっており、ｄ軸磁性体板１０は、永久磁石の磁束軸であるｄ軸の磁束のみ通し易い形状を有する、磁石トルクを優先的に発生させることができる磁性体板であり、ｑ軸磁性体板１１は、ｄ軸とは電気角で直交するｑ軸の磁束のみ通し易い形状を有する、リラクタンストルクを優先的に発生することができる磁性体板である。
これら形状が異なる二種類の磁性体板１０，１１を積層することにより、６極の埋込構造永久磁石同期電動機（Ｉｎｔｅｒｉｏｒ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｍｏｔｏｒ）の回転子を形成する。

永久磁石１２は、長方形板体状に形成されており、この永久磁石１２を埋設するために、ｄ軸磁性体板１０は開口１０ａを、ｑ軸磁性体板１１は開口１１ａを、それぞれ有している。
ｄ軸磁性体板１０の開口１０ａは、板体表裏面を貫通し、永久磁石１２の形状に対応する長方形状で、長辺が永久磁石１２の長辺より長く形成されている。この開口１０ａの長辺方向略中央に永久磁石１２が配置されることにより、ｄ軸磁性体板１０に埋設された永久磁石１２の長辺方向両側に空隙ｄ１が設けられる。
また、ｄ軸磁性体板１０は、板体外周辺に沿って並置された各永久磁石１２のそれぞれの隣接間をＶ字状に切り欠いて空隙ｄ２とし、隣接する各永久磁石１２の両磁極面を結ぶ板体部分、即ち、ｄ軸磁性体板１０の空隙ｄ２に臨む部分を狭く形成している。

ｑ軸磁性体板１１の開口１１ａは、板体表裏面を貫通し、永久磁石１２の形状に対応する長方形状の板体外周辺側が切り欠かれた凹形状で、短辺が永久磁石１２の短辺より長く形成されている。この開口１１ａの短辺方向略中央に永久磁石１２が配置されることにより、ｑ軸磁性体板１１に埋設された永久磁石１２の短辺方向外側は板体外形を形成し、短辺方向内側、即ち、ｑ軸磁性体板１１の中心側には、ｑ軸磁性体板１１との間に空隙ｄ３が設けられる。

従って、ｄ軸磁性体板１０は、各永久磁石１２のそれぞれの隣接間に空隙ｄ２が形成されることになり、隣接する各永久磁石１２の両磁極面を結ぶ隣接部分が狭くなるが、ｑ軸磁性体板１１は、隣接する各永久磁石１２の両磁極面を結ぶ隣接部分が連続面となり、半径方向において各永久磁石１２との間に空隙ｄ３が形成されることになる。
つまり、ｄ軸磁性体板１０は、６個の永久磁石１２の磁束のみを通し易い形状を有しており、永久磁石１２の磁束軸であるｄ軸の磁束φＭ（図１参照）によって発生する磁石トルクを優先的に発生することができる。これは、各永久磁石１２の磁束軸であるｄ軸の磁気抵抗を小さくする一方、隣接する両永久磁石１２，１２間に空隙ｄ２を形成してｑ軸の磁気抵抗を大きくすることで、ｑ軸磁束は通り難くなるがｄ軸磁束は通り易くなるからである。

これに対し、ｑ軸磁性体板１１は、６個の永久磁石１２の磁束を殆ど通さず、永久磁石１２の磁束軸であるｄ軸とは電気角で直交するｑ軸の磁束φＲ（図２参照）のみを通し易い形状を有しており、リラクタンストルクを優先的に発生することができる。これは、各永久磁石１２の磁極面が空隙ｄ３になって永久磁石１２の磁束軸であるｄ軸の磁気抵抗を大きくする一方、ｑ軸の磁気抵抗を小さくすることで、ｄ軸磁束は通り難くなるがｑ軸磁束は通り易くなるからである。

これら形状が異なる二種類の磁性体板１０，１１を積層して回転子を形成するが、この際、磁石トルクを優先的に発生させる形状のｄ軸磁性体板１０と、リラクタンストルクを優先的に発生させる形状のｑ軸磁性体板１１について、埋込構造永久磁石同期電動機（ＩＰＭＳＭ）において必要とする性能に基づく重み付けに対応する枚数を決定し、その決定した枚数毎に積層する。

よって、この発明に係る埋込構造永久磁石同期電動機の回転子は、二種類の磁性体板１０，１１を積層して形成し、ｄ軸磁束とｑ軸磁束が磁性体板１０と磁性体板１１で分けられるので、同一磁性体板上でｄ軸磁束とｑ軸磁束が交差する点（図３中、Ａ参照）によりもたらされる部分的な磁気飽和による特性劣化を、簡単に取り除くことができる。ｄ軸磁性体板１０の形状からも推測されるように、永久磁石１２の両磁極面を結ぶ磁性体部が狭いことで固定子の巻線を鎖交しない漏れ磁束の発生を小さく抑えることができ、ｄ軸磁性体板１０は永久磁石１２の磁束をより有効に活用できるようになっている。

つまり、磁石トルクを優先的に発生させる形状のｄ軸磁性体板１０にあっては、ｄ軸の磁束φＭとｑ軸の磁束φＲが磁性体板上において交差することがないので、交差する場合に生じる、交差部分（図３、Ａ参照）の磁束密度が高くなってｄ軸の磁気抵抗が増加し、十分なｄ軸磁束が得られなくなって十分な磁石トルクを得られなくなる、ということが無い。
同様に、リラクタンストルクを優先的に発生させる形状のｑ軸磁性体板１１にあっては、ｄ軸の磁束φＭとｑ軸の磁束φＲが磁性体板上において交差することがないので、交差する場合に生じる、交差部分（図３、Ａ参照）の磁束密度が高くなってｑ軸の磁気抵抗が増加し、十分なｑ軸磁束が得られなくなって十分なリラクタンストルクが得られなくなる、ということが無い。

そして、ｄ軸磁性体板１０とｑ軸磁性体板１１を積層する際、ｄ軸磁性体板１０とｑ軸磁性体板１１における積層枚数比率を変更するだけで、磁石トルクを優先的に使用する電動機、或いはリラクタンストルクを優先的に使用する電動機とすることができる。
磁性体板において、一つの形状で様々な要求性能を実現するのは困難であるが、ｄ軸磁性体板１０とｑ軸磁性体板１１を用意することにより、即ち、要求性能の一つ一つに特化した形状を複数用意することにより、それらを要求性能の重み付けに応じた枚数毎に積層することで様々な要求性能を満たすことが容易となる。

例えば、永久磁石磁束を優先的に通す形状の磁性体板であるｄ軸磁性体板１０と、リラクタンストルクを発生するための磁束を優先的に通す形状の磁性体板であるｑ軸磁性体板１１を交互に積層することで、磁石トルクとリラクタンストルクの両方のトルクを十分に引き出せる回転子を得ることができる。また、ｄ軸磁性体板１０とｑ軸磁性体板１１の枚数比率を１：２とすることで、磁石トルクよりもリラクタンストルクを優先的にし、広い定出力回転数領域の電動機を実現することができる。

このように、上述した埋込構造永久磁石同期電動機（ＩＰＭＳＭ）は、回転子を、磁性体板上におけるｄ軸の磁束とｑ軸の磁束について何れか一方の磁束のみ通過し易くした、異なった形状の磁性体板である二種類の磁性体板１０，１１を積層して形成することにより、磁性体板上において発生するトルクである磁石トルクとリラクタンストルクについてのトルク配分を自由に設計することができる。つまり、電動機或いは発電機として機能する、磁性体板を積層して形成された回転子を有する回転電機において要求される性能を満たす回転子を容易に開発することができるため、回転電機における開発コストの低減及び開発期間の短縮が可能となる。

磁性体板上において発生するトルクについてのトルク配分を自由に設計することができるので、要求される性能を満たす回転子を容易に開発することができ、電動機或いは発電機として機能する、磁性体板を積層して形成された回転子を有する回転電機に最適である。

１０ ｄ軸磁性体板
１１ ｑ軸磁性体板
１２ 永久磁石
１０ａ，１１ａ 開口
ｄ１，ｄ２，ｄ３ 空隙

Claims (5)

1. 複数の永久磁石を配置した磁性体板を積層して形成された回転子を備える回転電機において、
   前記回転子を、磁性体板上におけるｄ軸の磁束とｑ軸の磁束について何れか一方の磁束のみ通過し易くした、異なった形状の磁性体板を積層して形成したことを特徴とする回転電機。
2. 前記異なった形状の磁性体板のそれぞれを、必要とする回転電機性能に基づく重み付けに対応する枚数毎に積層することを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
3. 前記異なった形状の磁性体板は、
   前記各永久磁石の磁束軸であるｄ軸の磁気抵抗を小さくし、前記ｄ軸と電気角で直交するｑ軸の磁気抵抗を大きくした形状を有するｄ軸磁性体板と、前記ｄ軸の磁気抵抗を大きくし、前記ｑ軸の磁気抵抗を小さくした形状を有するｑ軸磁性体板であることを特徴とする請求項１または２に記載の回転電機。
4. 前記ｄ軸磁性体板は、
   板体外周辺に沿って並置された前記各永久磁石の隣接間を切り欠いて空隙とし、隣接する前記各永久磁石の両磁極面を結ぶ隣接部分が狭く形成されていることを特徴とする請求項３に記載の回転電機。
5. 前記ｑ軸磁性体板は、
   前記各永久磁石の磁極面に空隙を設けて形成されていることを特徴とする請求項３または４に記載の回転電機。