JP6356391B2 - 永久磁石式回転電機 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、回転子に界磁用の永久磁石が埋め込まれた永久磁石式回転電機に関する。

地球温暖化防止、省エネルギーの観点から、電動機市場の８割を占める三相誘導電動機（容量ベース，２００８年度経済産業省生産動態統計）の効率規制（トップランナー規制）が進められている。三相誘導電動機の効率はＪＩＳ Ｃ４３０３４−３０（ＩＥＣ６００３４−３０）でＩＥ１（標準効率）、ＩＥ２（高効率）、ＩＥ３（プレミアム効率）で定められている。現状は出荷台数のほとんどがＩＥ１であり、それをＩＥ３へ切換える規制となっている。

また三相誘導電動機の取合い寸法（枠番）はＪＩＳ Ｃ ４２１０で定めてあり、ユーザメーカ（設備メーカ等）はそれに合わせて設備設計を行っている。そのため現行品と互換性を持たせた製品が必要とされている。

更なる省エネ追求からＩＥ４（スーパープレミアム効率）が定められつつある。ＩＥ４は三相誘導電動機では実現が困難なことから、永久磁石を使用した同期電動機（永久磁石式回転電機）での効率向上が進められている。

特開２０１２−２２７９９３号公報

ＩＥ４効率の永久磁石式回転電機もＩＥ３効率品と同様に現行品との互換性を維持しながらＩＥ４効率を達成する必要がある。つまり現状のフレーム、ステータ鉄心の形状（外形）を利用しながら、ロータの形状（磁石配置等）を工夫することになる。また、永久磁石は性能上レアアースを含む希土類のネオジム磁石を使用するため、使用量の減少も必要となっている。

つまり、永久磁石の使用量を減少しながら、高効率（損失が小さくなる）となる永久磁石式回転電機を提供することが課題である。

実施形態によれば、電機子巻線を有する固定子と、この固定子の内側に回転可能に設けられ、回転子鉄心を有する回転子と、この回転子の回転子鉄心内にＶ字形状に配置された磁石埋め込み孔内に埋設された永久磁石と、を備えた永久磁石式回転電機である。回転子内にＶ字形状に配置された２つの永久磁石間の中心位置と前記回転子の中心とを結ぶ直線と、回転子の中心と一方の永久磁石の外周側頂点とを結ぶ直線との間の角度θが回転子の極数をＰとした場合に
０．６５＜Θ（＝θ／（１８０／Ｐ））＜０．８０
の関係であり、固定子鉄心におけるスロットの背面深さをＤ、回転子鉄心の半径方向の永久磁石の埋込み深さをｔとした場合にＤ／ｔ＝Ａが
０．８＜Ａ＜１．１
の関係である。

第１の実施の形態に係る永久磁石式回転電機を示す断面図。 第１の実施の形態の永久磁石式回転電機の回転子の一部を拡大して示す要部の縦断面図。 第１の実施の形態の永久磁石式回転電機の回転子内に設けられた磁石挿入口の外周側頂点の位置と、固定子鉄心のスロットの背面深さＤと磁石埋込深さｔとの比Ａと、効率規格値×トルク規格値との関係を示す特性図。 第１の実施の形態の永久磁石式回転電機の回転子の効率規格化値×トルク規格化値の値と、歯幅ｗ１とスロット幅ｗ２との比Ｂとの関係を示す特性図。 第１の実施の形態の永久磁石式回転電機の効率規格化値×磁石量（逆数）規格化値の値と、永久磁石の内周側頂点の角度αとの関係を示す特性図。 第１の実施の形態の永久磁石式回転電機の回転子の効率規格化値×トルク規格化値の値と、磁石埋め込み孔内における内周側挿入口の厚みＴｈとの関係を示す特性図。

以下に、図面を参照しながら、実施形態について説明する。なお、各図は実施形態とその理解を促すための模式図であり、その形状や寸法、比などは実際の装置と異なる個所があるが、これらは以下の説明と公知の技術を参酌して適宜、設計変更することができる。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る永久磁石式リアクタンス回転電機１０を示し、図２は、回転子を拡大して示す断面図である。
図１に示すように、回転電機１０は、例えば、インナーロータ型の回転電機として構成され、図示しない固定枠に支持された環状の、ここでは、円筒形状の固定子１２と、固定子１２の内側に回転自在にかつ固定子１２と同軸的に支持された回転子１４と、を備えている。

固定子１２は、円筒状の固定子鉄心１６と固定子鉄心１６に埋め込まれた図示しない電機子巻線とを備えている。固定子鉄心１６は、磁性材、例えば、円環状の電磁鋼板を多数枚、同芯状に積層して構成されている。固定子鉄心１６の内周部には、それぞれ軸方向に延びた複数のスロット２０が形成され、これにより、固定子鉄心１６の内周部は、回転子１４に面する多数の固定子ティース２１を構成している。そして、複数のスロット２０に電機子巻線が埋め込まれている。本実施の形態では固定子鉄心１６のスロット２０の数は、３６である。なお、固定子鉄心１６のスロット２０の数は、これに限定されるものではなく、１８の倍数、例えば５４、７２、９０などでもよい。

図１および図２に示すように、回転子１４は、両端が図示しない軸受により回転自在に支持された回転軸２２と、この回転軸２２の軸方向ほぼ中央部に固定された円筒形状の回転子鉄心２４と、回転子鉄心２４内に埋め込まれた複数、本実施の形態では１２個の永久磁石２６と、を有し、固定子１２の内側に僅かな隙間を置いて同軸的に配置されている。

回転子鉄心２４は、磁性材、例えば、円環状の電磁鋼板２４ａを多数枚、同芯状に積層した積層体として構成されている。回転子鉄心２４は、それぞれ回転子鉄心２４の半径方向あるいは放射方向に延びる磁化容易軸（磁束の通りやすい部分）ｄ、および磁化困難軸（磁束が通り難い部分）ｑを有し、これらのｄ軸およびｑ軸は、回転子鉄心２４の円周方向に交互に、かつ、所定の位相で形成されている。

回転子鉄心２４において、各ｑ軸の両側に２つの磁石埋め込み孔３４が形成されている。各磁石埋め込み孔３４は、回転子鉄心２４を軸方向に貫通して延びている。各ｑ軸の両側に形成された２つの磁石埋め込み孔３４は、回転子鉄心２４の中心軸と直交する平面でみた場合、例えば、ほぼＶ字状に並んで配置されている。ここでは、磁石埋め込み孔３４の内周側の端がｑ軸を挟んで隣接対向し、外周側の端が回転子鉄心２４の円周方向に沿って互いに離間して位置している。本実施の形態は回転子鉄心２４に形成される磁極の数が６極（Ｐ＝６）の場合を示している。

永久磁石２６は、各磁石埋め込み孔３４に挿入され、回転子鉄心２４に埋め込まれている。各永久磁石２６は、例えば、断面が矩形状の細長い棒状に形成され、回転子鉄心２４の軸方向長さとほぼ等しい長さを有している。そして、各永久磁石２６は回転子鉄心２４のほぼ全長に亘って埋め込まれている。

各ｑ軸の両側に位置する２つの永久磁石２６は、ほぼＶ字状に並んで配置されている。各ｑ軸の両側に位置する２つの永久磁石２６は、回転子鉄心２４の円周方向において磁化方向が逆向きとなるように着磁され、各ｄ軸の両側に位置する２つの永久磁石２６は、磁化方向が同一となるように着磁されている。複数の永久磁石２６を上記のように配置することにより、回転子鉄心２４の外周部において各ｄ軸上の領域は磁極部４０を形成し、各ｑ軸上の領域は磁極間部４２を形成している。

これにより、回転子鉄心２４内の永久磁石２６と磁石埋め込み孔３４は、回転子１４の隣接した鉄心の磁極間を通る電機子巻線からの磁束を打ち消すようにＶ字形状に配置されている。

上記のように構成された永久磁石式回転電機１０によれば、電機子巻線に通電することにより、電機子巻線から発生する回転磁界と、永久磁石２６の発生磁界との相互作用により、回転子１４が回転軸２２を中心に回転する。

図３は、本実施の形態の回転電機１０の固定子１２および回転子１４の各パラメータが異なる複数のモータおよび解析結果等より作成したもので、効率とトルクを規格化し、効率規格化値×トルク規格化値の値をθとＡで表記した特性図である。なお、θは、図２中に示すようにＶ字形状に配置された２つの永久磁石２６間の中心位置と回転子１４の中心Ｏとを結ぶ直線Ｌ１と、回転子１４の中心Ｏと一方の永久磁石２６の外周側頂点Ｍ１とを結ぶ直線Ｌ２との間の角度（磁石の開き角度）である。また、Ａは、図１に示すように固定子鉄心１６におけるスロット２０の背面深さをＤ、回転子鉄心２４における回転子鉄心２４の半径方向の永久磁石２６の埋込深さをｔとしたときのＤ／ｔの値である。さらに、図３中で、ｒ１は、効率規格化値×トルク規格化値が１．００以上の領域、ｒ２は、効率が０．９８〜１．００の領域、ｒ３は、効率が０．９６〜０．９８の領域、ｒ４は、効率が０．９４〜０．９６の領域、ｒ５は、効率が０．９２〜０．９４の領域、ｒ６は、効率が０．９０〜０．９２の領域をそれぞれ示している。

本実施の形態では、回転子１４内に設けられた磁石埋め込み孔３４の外周側頂点Ｍ１の角度θは、
０．６５＜Θ（＝θ／（１８０／Ｐ））＜０．８０
の関係に設定されている。なお、Ｐは回転子鉄心２４に形成される磁極の数（極数）である。

さらに、図１に示すように固定子鉄心１６におけるスロット２０の背面深さをＤ、回転子鉄心２４における回転子鉄心２４の半径方向の永久磁石２６の埋込深さをｔとするとＤ／ｔ＝Ａが
０．８＜Ａ＜１．１
の関係に設定されている。

これにより、本実施の形態の回転電機１０では、図３中に四角形で囲まれた領域Ｒの内部の効率を得ることができる。なお、図３中のΘは、Θ＝θ／（１８０／Ｐ）で記載している。領域Ｒは、磁石量が少なく、効率も出力も高い領域であることがわかる。

また、本実施の形態では回転子１４内にＶ字形状に配置された２つの永久磁石２６間の中心位置と回転子１４の中心Ｏとを結ぶ直線Ｌ１と、回転子１４の中心Ｏと一方の永久磁石２６の内周側頂点Ｍ２とを結ぶ直線Ｌ３との間の角度αが
α＞２度
の関係に設定されている。

図５は、第１の実施の形態の永久磁石式回転電機１０の効率と回転子１４の磁石量（逆数）を規格化し、効率規格化値×磁石量（逆数）規格化値の値をαに対し表記した特性図である。図５中で、α＞２度の領域が効率規格化値×磁石量（逆数）規格化値の値が１．０以上となる。これにより、本実施の形態では、磁石量が少なく効率もトルク（出力）も高い領域であることがわかる。

さらに、本実施の形態では図２に示すように回転子１４の磁石埋め込み孔３４内における内周側挿入口の厚みをＴｈ、永久磁石２６の厚みをＴｍとした場合に
Ｔｈ＞Ｔｍ
の関係に設定されている。

図６は、第１の実施の形態の永久磁石式回転電機１０の効率規格化値×トルク規格化値の値と、回転子１４の磁石埋め込み孔３４内における内周側挿入口の厚みＴｈとの関係を示す特性図である。そして、Ｔｈ＞Ｔｍの関係に設定することにより、回転電機１０の効率規格化値×トルク規格化値の値が１．０以上となり、磁石量が少なく効率もトルク（出力）も高い領域とすることができる。

また、本実施の形態では図１に示すように固定子１２の固定子１２の固定子ティース２１の歯幅をＷ１、固定子１２のスロット２０の幅をＷ２とした場合にＷ１／Ｗ２＝Ｂが
０．９＜Ｂ＜１．２５
の関係に設定されている。

図４は、第１の実施の形態の永久磁石式回転電機１０の効率規格化値×トルク規格化値の値と、固定子ティース２１の歯幅ｗ１と固定子１２のスロット２０のスロット幅ｗ２との比Ｂとの関係を示す特性図である。そして、図４に示すように０．９＜Ｂ＜１．２５の関係に設定することにより、回転電機１０の効率規格化値×トルク規格化値の値が１．０以上となり、磁石量が少なく効率もトルク（出力）も高い領域とすることができる。

以上のことから、本実施の形態の永久磁石式回転電機１０では、回転子１４内にＶ字形状に配置された２つの永久磁石２６間の中心位置と回転子１４の中心Ｏとを結ぶ直線Ｌ１と、回転子１４の中心Ｏと一方の永久磁石２６の外周側頂点Ｍ１とを結ぶ直線Ｌ２との間の角度θが回転子１４の極数をＰとした場合に
０．６５＜Θ（＝θ／（１８０／Ｐ））＜０．８０
の関係であり、固定子鉄心１６におけるスロット２０の背面深さをＤ、回転子鉄心２４の半径方向の永久磁石２６の埋込み深さをｔとした場合にＤ／ｔ＝Ａが
０．８＜Ａ＜１．１
の関係に設定したことにより、永久磁石２６の使用量を減少しながら、高効率（損失が小さくなる）となる永久磁石式回転電機を提供することができるという効果が得られる。

なお、この発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化可能である。また、上記実施の形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
例えば、永久磁石式回転電機は、インナーロータ型に限らず、アウターロータ型としてもよい。回転子の磁極数、寸法、形状等は、前述した実施形態に限定されることなく、設計に応じて種々変更可能である。

この実施形態によれば、永久磁石の使用量を減少しながら、高効率（損失が小さくなる）となる永久磁石式回転電機を提供することができる。

本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。この実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０…回転電機、１２…固定子、１４…回転子、１６…固定子鉄心、２０…スロット、２２…回転軸、２４…回転子鉄心、２６…永久磁石、Ｏ…中心、３４…磁石埋め込み孔、Ｌ１，Ｌ２…直線、Ｍ１…外周側頂点、θ…角度、Ｄ…スロットの背面深さ、ｔ…永久磁石の埋込み深さ。

Claims (6)

1. 電機子巻線を有する固定子と、
   この固定子の内側に回転可能に設けられ、回転子鉄心を有する回転子と、
   この回転子の隣接した鉄心の磁極間を通る前記電機子巻線からの磁束を打ち消すように前記回転子鉄心内にＶ字形状に配置された磁石埋め込み孔内に埋設された永久磁石と、を備えた永久磁石式回転電機であって、
   前記回転子内にＶ字形状に配置された２つの前記永久磁石間の中心位置と前記回転子の中心とを結ぶ直線と、前記回転子の中心と一方の前記永久磁石の外周側頂点とを結ぶ直線との間の角度θが前記回転子の極数をＰとした場合に
   ０．６５＜Θ（＝θ／（１８０／Ｐ））＜０．８０
   の関係であり、
   前記固定子鉄心におけるスロットの背面深さをＤ、前記回転子鉄心の半径方向の前記永久磁石の埋込み深さをｔとした場合にＤ／ｔ＝Ａが
   ０．８＜Ａ＜１．１
   の関係である永久磁石式回転電機。
2. 前記回転子内にＶ字形状に配置された２つの前記永久磁石間の中心位置と前記回転子の中心とを結ぶ直線と、前記回転子の中心と一方の前記永久磁石の内周側頂点とを結ぶ直線との間の角度αが
   α＞２度
   の関係である請求項１に記載の永久磁石式回転電機。
3. 前記磁石埋め込み孔内における内周側挿入口の厚みをＴｈ、前記永久磁石の厚みをＴｍとした場合に
   Ｔｈ＞Ｔｍ
   の関係である請求項１または請求項２に記載の永久磁石式回転電機。
4. 前記固定子の歯幅をＷ１、前記スロットの幅をＷ２とした場合にＷ１／Ｗ２＝Ｂが
   ０．９＜Ｂ＜１．２５
   の関係である請求項１乃至３のいずれかに記載の永久磁石式回転電機。
5. 前記固定子鉄心のスロットの数は１８の倍数である請求項１乃至４のいずれかに記載の永久磁石式回転電機。
6. 前記回転子の極数Ｐは６である請求項５に記載の永久磁石式回転電機。

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