永久磁石式リラクタンスモータの回転子
【課題】回転子に形成する貫通孔の形成角度を工夫することにより、トルクを増大させる。
【解決手段】永久磁石式リラクタンスモータ1の回転子20には、Vの字状に永久磁石23a,23bが配置されると共に、貫通孔24が形成される。このとき、貫通孔24の辺のうち永久磁石側の直線状の辺と、永久磁石23a,23bの辺のうち貫通孔側の直線状の辺との間の距離が、内周側から外周側に向かうに従い漸増するように、貫通孔24を形成している。つまり、磁石開き角度αよりも、貫通孔開き角度βの方を大きくしている。このため、磁気飽和の発生を防止して磁石トルクを大きくできると共に、d軸インダクタンスLdを一定にしつつq軸インダクタンスLqを大きくしてリラクタンストルクを大きくすることができる。この結果、総合トルクを大きくすることができる。
【解決手段】永久磁石式リラクタンスモータ1の回転子20には、Vの字状に永久磁石23a,23bが配置されると共に、貫通孔24が形成される。このとき、貫通孔24の辺のうち永久磁石側の直線状の辺と、永久磁石23a,23bの辺のうち貫通孔側の直線状の辺との間の距離が、内周側から外周側に向かうに従い漸増するように、貫通孔24を形成している。つまり、磁石開き角度αよりも、貫通孔開き角度βの方を大きくしている。このため、磁気飽和の発生を防止して磁石トルクを大きくできると共に、d軸インダクタンスLdを一定にしつつq軸インダクタンスLqを大きくしてリラクタンストルクを大きくすることができる。この結果、総合トルクを大きくすることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、永久磁石式リラクタンスモータの回転子に関し、回転子の軽量化と冷却性能向上のために回転子に形成する貫通孔の面積をなるべく広く取りつつ、大きなトルクを発生することができるように工夫したものである。
【背景技術】
【0002】
永久磁石式リラクタンスモータでは、回転子に永久磁石を挿入・埋設して磁極を作ると共に、回転子の周方向に関して、磁気抵抗が小さく磁束が通り易い磁気的凸部(d軸と称する)と、磁気抵抗が大きく磁束が通り難い磁気的凹部(q軸と称する)を交互に形成している。
【0003】
このような回転子を、固定子巻線が施された固定子内に配置することにより、固定子と回転子との間の空隙磁束は、磁気的凸部(d軸)で高く、磁気的凹部(q軸)で低くなり、この磁束密度の変化によってリラクタンストルクが発生する。
更に、永久磁石と固定子の磁極との間の磁気吸引力及び磁気反発力によってもトルクが発生する(例えば特許文献1,2参照)。
【0004】
なお、このような永久磁石式リラクタンスモータは、回転子に永久磁石を挿入・埋設するため、IPM(internal permanent magnet)形モータとも呼ばれている。
【0005】
このような永久磁石式リラクタンスモータにおいては、回転子の軽量化と冷却性能の向上のために、回転子に対して、周方向の複数箇所に、その軸方向に伸びる貫通孔を形成することがある(例えば特許文献2参照)。
【0006】
このように貫通孔を形成することにより、貫通孔を形成した分だけ重量を削減して軽量にすることができ、回転子の慣性モーメント(GD2)を小さくして制御性を向上させることができる。
更に、貫通孔に液体や気体の冷却媒体を流通させることにより、冷却性能を向上させることができる。
【0007】
ここで図8を参照して、回転子に貫通孔を形成した永久磁石式リラクタンスモータを説明する。
図8に示すように、永久磁石式リラクタンスモータ100は、固定子(図示省略)内に回転子120を配置して構成されている。
【0008】
回転子120では、回転子鉄心121に磁石挿入孔122a,122bが形成され、この磁石挿入孔122a,122bに永久磁石123a,123bが挿入・固定されている。
【0009】
更に詳述すると、回転子鉄心121には、その周方向の複数箇所(本例では8箇所)に、2本で1セットとなっている磁石挿入孔122a,122bが軸方向に貫通して形成されている。各磁石挿入孔122a,122bの断面形状は長方形となっている。しかも、磁石挿入孔122aと磁石挿入孔122bは、半径方向に沿い外周側に向かうに従い、両者の対向距離が順次増大するように配置されている。したがって、磁石挿入孔122a,122bは、回転子鉄心121の端面から見て、「Vの字状」の配置になっている。
【0010】
そして、各磁石挿入孔122a,122bには、それぞれ、断面形状が長方形となっている永久磁石123a,123bが挿入されて固定されている。このため、永久磁石123aと永久磁石123bは、半径方向に沿い外周側に向かうに従い、両者の対向距離が順次増大するように配置されている。したがって、永久磁石123a,123bは、回転子鉄心121の端面から見て、「Vの字状」の配置になっている。
【0011】
ここにおいて、「Vの字状」に配置されている永久磁石123aと永久磁石123bとでなす角度を、「磁石開き角度α」と定義する。つまり、磁石開き角度αは、回転子鉄心121の端面から見て、断面形状が長方形となっている永久磁石123aの長辺(内周側の長辺)と、断面形状が長方形となっている永久磁石123bの長辺(内周側の長辺)とでなす角度をいう。
【0012】
このようにして、セットとなっている永久磁石123a,123bが回転子120の周方向に沿い等間隔に配置されることとなり、永久磁石123a,123bが配置されている部分が、磁気抵抗の大きい磁気的凹部(q軸)となる。また、セットとなっている永久磁石123a,123bと、その隣でセットとなっている永久磁石123a,123bとの間の部分が、磁気抵抗の小さい磁気的凸部(d軸)となる。
【0013】
回転子鉄心121には、永久磁石123a,123bが配置されている位置よりも内周側の部分に、複数の貫通孔124が周方向に並んで形成され、この貫通孔124の形成位置よりも更に内周側部分に、複数の貫通孔125が周方向に並んで形成されている。
各貫通孔124は、回転子鉄心121の軸方向に貫通して形成されており、回転子鉄心121の周方向に沿い等間隔に配置されている。同様に、各貫通孔125は、回転子鉄心121の軸方向に貫通して形成されており、回転子鉄心121の周方向に沿い等間隔に配置されている。
【0014】
このとき、回転子鉄心121の端面からみて、貫通孔124の辺のうち永久磁石123a、123b側の辺と、永久磁石123a、123bの辺のうち貫通孔124側の辺は、平行となっている。
【0015】
ここで、回転子鉄心121の端面から見て、任意の貫通孔124の辺のうち永久磁石123a側の辺と、この任意の貫通孔124に隣接する貫通孔124の辺のうち永久磁石123b側の辺とでなす角度を「貫通孔開き角度β」と定義する。
【0016】
上述したように、従来では、回転子鉄心121の端面からみて、貫通孔124の辺のうち永久磁石123a、123b側の辺と永久磁石123a、123bの辺のうち貫通孔124側の辺が平行となっているため、磁石開き角度α=貫通孔開き角度βとなっていた。例えば、α=β=135°となっていた。
【0017】
貫通孔124,125は、回転子鉄心121のうち、永久磁石123a,123bが配置されている位置よりも内周側の部分に形成されているため、回転子鉄心121を流れる磁束に対しての悪影響は少ない。
【0018】
このように貫通孔124,125を形成することにより、貫通孔124,125を形成した分だけ重量を削減して軽量にすることができ、回転子120の慣性モーメント(GD2)を小さくして制御性を向上させることができる。
更に、貫通孔124,125に液体や気体の冷却媒体を流通させることにより、冷却性能を向上させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0019】
【特許文献1】特開2000−197287
【特許文献2】特開2005−184957
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0020】
ところで、従来では図8に示すように、回転子鉄心121の端面からみて、貫通孔124の辺のうち永久磁石123a、123b側の辺と永久磁石123a、123bの辺のうち貫通孔124側の辺が平行となっていた、即ち、磁石開き角度α=貫通孔開き角度βとなっていたため、貫通孔124と永久磁石123a,123bとの間隔が狭くなってしまい、この部分での磁束密度が高くなり、磁気飽和していた。
【0021】
このような磁気飽和が発生すると、磁石トルクが減少するという問題があった。
また磁気飽和が発生するとそれ以上は磁束が通らなくなるので、インダクタンスL(特にq軸インダクタンスLq)の値が飽和してしまい、これによりリラクタンストルクの値が制限されてしまうという問題もあった。
【0022】
この現象を、磁束解析図である図9〜図11を基に示す。
図9〜図11は永久磁石式リラクタンスモータ100の一部を抜き出して、その部分の磁束の状態を点線で示したものであり、図9は磁石磁束、図10はd軸電流による磁束、図11はq軸電流による磁束を示している。
【0023】
図9及び図11から分かるように、永久磁石123a,123bと貫通孔124との間の部分(両図において、領域Aの部分)において、磁束密度が高くなっており、磁気飽和が発生していることが分かる。
しかも、図9から分かるように、永久磁石123a,123bと貫通孔124との間の部分のうち、特に、外周側部分において、磁気飽和が発生することが分かる。
【0024】
なお、単に磁気飽和を解消するには、貫通孔124の辺のうち永久磁石123a、123b側の辺と、永久磁石123a、123bの辺のうち貫通孔124側の辺とを平行としたまま、即ち、磁石開き角度α=貫通孔開き角度βとしたままで、永久磁石123a,123bと貫通孔124との間の間隔を広げればよい。
しかし、このようにした場合には、貫通孔124の開口面積(回転子の端面側から見た面積)が狭くなり、貫通孔124を形成することにより、軽量化及び冷却性能向上を果たそうとした当初の目的に反してしまう。
【0025】
本発明は、上記従来技術に鑑み、回転子に挿入した永久磁石と、回転子に形成した貫通孔との間の部分における磁気飽和を解消して発生トルクの大きい永久磁石式リラクタンスモータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0026】
上記課題を解決する本発明の構成は、
回転子鉄心の周方向の複数箇所に、断面形状が長方形となっている2本で1セットとなっている磁石挿入孔が軸方向に貫通して形成されており、しかも、セットとなっている磁石挿入孔の相互の対向距離は半径方向に沿い外側に向かうに従い順次増大しており、
更に、前記磁石挿入孔に断面形状が長方形となっている永久磁石が挿入・固定されると共に、
前記回転子鉄心には、前記永久磁石が挿入・固定されている位置よりも内周側の部分に、軸方向に貫通している複数の貫通孔が周方向に並んで形成されている、
永久磁石式リラクタンスモータの回転子において、
前記貫通孔は前記永久磁石に対向して配置されており、
前記貫通孔の辺のうち前記永久磁石側の直線状の辺と、前記永久磁石の辺のうち前記貫通孔側の直線状の辺との間の距離が、内周側から外周側に向かうに従い漸増するように、前記貫通孔を形成していることを特徴とする。
【0027】
また本発明の構成は、
磁石開き角度をα、貫通孔開き角度をβとしたときに、前記磁石開き角度と前記貫通孔開き角度との比(β/α)が、1<(β/α)<(150/135)となっていることを特徴とする。
【発明の効果】
【0028】
本発明では、貫通孔の辺のうち永久磁石側の直線状の辺と、永久磁石の辺のうち貫通孔側の直線状の辺との間の距離が、内周側から外周側に向かうに従い漸増するように、貫通孔を形成している。つまり、貫通孔と永久磁石との間の距離を、外周側になる程広くしている。このため、磁気飽和の発生を防止して磁石トルクを大きくできると共に、d軸インダクタンスLdを一定にしつつq軸インダクタンスLqを大きくしてリラクタンストルクを大きくすることができる。この結果、総合トルクを大きくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【0029】
【図1】本発明の実施例1に係る永久磁石式リラクタンスモータを示す構成図。
【図2】実施例1の磁石磁束を示す磁束解析図。
【図3】実施例1のd軸電流による磁束を示す磁束解析図。
【図4】実施例1のq軸電流による磁束を示す磁束解析図。
【図5】実施例2の磁石磁束を示す磁束解析図。
【図6】実施例2のd軸電流による磁束を示す磁束解析図。
【図7】実施例2のq軸電流による磁束を示す磁束解析図。
【図8】従来の永久磁石式リラクタンスモータを示す構成図。
【図9】従来の永久磁石式リラクタンスモータの磁石磁束を示す磁束解析図。
【図10】従来の永久磁石式リラクタンスモータのd軸電流による磁束を示す磁束解析図。
【図11】従来の永久磁石式リラクタンスモータのq軸電流による磁束を示す磁束解析図。
【発明を実施するための形態】
【0030】
以下、本発明に係る永久磁石式リラクタンスモータを、実施例に基づき詳細に説明する。
【実施例】
【0031】
〔実施例1〕
図1に示すように、本発明の実施例1に係る永久磁石式リラクタンスモータ1は、固定子(図示省略)内に回転子20を配置して構成されている。
【0032】
回転子20では、回転子鉄心21に磁石挿入孔22a,22bが形成され、この磁石挿入孔22a,22bに永久磁石23a,23bが挿入・固定されている。
【0033】
更に詳述すると、回転子鉄心21には、その周方向の複数箇所(本例では8箇所)に、2本で1セットとなっている磁石挿入孔22a,22bが軸方向に貫通して形成されている。各磁石挿入孔22a,22bの断面形状は長方形となっている。しかも、磁石挿入孔22aと磁石挿入孔22bは、半径方向に沿い外周側に向かうに従い、両者の対向距離が順次増大するように配置されている。したがって、磁石挿入孔22a,22bは、回転子鉄心21の端面から見て、「Vの字状」の配置になっている。
【0034】
そして、各磁石挿入孔22a,22bには、それぞれ、断面形状が長方形となっている永久磁石23a,23bが挿入されて固定されている。このため、永久磁石23aと永久磁石23bは、半径方向に沿い外周側に向かうに従い、両者の対向距離が順次増大するように配置されている。したがって、永久磁石23a,23bは、回転子鉄心21の端面から見て、「Vの字状」の配置になっている。
なお磁石挿入孔22a,22b及び永久磁石23a,23bの「断面形状が長方形」とは、回転軸に直交する面(半径方向に沿う面)で切断した断面形状が、長方形になっていることを意味する。
【0035】
ここにおいて、「Vの字状」に配置されている永久磁石23aと永久磁石23bとでなす角度を、「磁石開き角度α」と定義する。つまり、磁石開き角度αは、回転子鉄心21の端面から見て、断面形状が長方形となっている永久磁石23aの長辺(内周側の長辺)と、断面形状が長方形となっている永久磁石23bの長辺(内周側の長辺)とでなす角度をいう。
【0036】
このようにして、セットとなっている永久磁石23a,23bが回転子20の周方向に沿い等間隔に配置されることとなり、永久磁石23a,23bが配置されている部分が、磁気抵抗の大きい磁気的凹部(q軸)となる。また、セットとなっている永久磁石23a,23bと、その隣でセットとなっている永久磁石23a,23bとの間の部分が、磁気抵抗の小さい磁気的凸部(d軸)となる。
【0037】
回転子鉄心21には、永久磁石23a,23bが配置されている位置よりも内周側の部分に、各永久磁石23a,23bに対応して、複数(8個)の貫通孔24が周方向に並んで形成され、この貫通孔24の形成位置よりも更に内周側部分に、複数の貫通孔25が周方向に並んで形成されている。
各貫通孔24は、回転子鉄心21の軸方向に貫通して形成されており、回転子鉄心21の周方向に沿い等間隔に配置されている。同様に、各貫通孔25は、回転子鉄心21の軸方向に貫通して形成されており、回転子鉄心21の周方向に沿い等間隔に配置されている。
【0038】
このとき、回転子鉄心21の端面からみて、貫通孔24の辺のうち永久磁石23a、23b側の辺と、永久磁石23a、23bの辺のうち貫通孔24側の辺との間の距離が、内周側から外周側に向かうに従い漸増するように、貫通孔24を形成している。
【0039】
ここで、回転子鉄心21の端面から見て、任意の貫通孔24の辺のうち永久磁石23a側の辺と、この任意の貫通孔24に隣接する貫通孔24の辺のうち永久磁石23b側の辺とでなす角度を「貫通孔開き角度β」と定義する。
【0040】
上述したように、回転子鉄心21の端面からみて、貫通孔24の辺のうち永久磁石23a、23b側の辺と、永久磁石23a、23bの辺のうち貫通孔24側の辺との間の距離が、内周側から外周側に向かうに従い漸増しているため、磁石開き角度α<貫通孔開き角度βとなっている。例えば、α135°、β=150°となっている。
【0041】
貫通孔24,25は、回転子鉄心21のうち、永久磁石23a,23bが配置されている位置よりも内周側の部分に形成されているため、回転子鉄心21を流れる磁束に対しての悪影響は少ない。
【0042】
このように貫通孔24,25を形成することにより、貫通孔24,25を形成した分だけ重量を削減して軽量にすることができ、回転子20の慣性モーメント(GD2)を小さくして制御性を向上させることができる。
更に、貫通孔24,25に液体や気体の冷却媒体を流通させることにより、冷却性能を向上させることができる。
【0043】
永久磁石式リラクタンスモータ1が発生するトルクTは、一般的には次式(1)にて表される。
T = PnΦmiq + Pn(Ld−Lq)idiq ・・・・(1)
但し、各符号は下記の意味を示す。
T:トルク
Pn:極数
Φm:永久磁石の磁束
iq:q軸電流
id:d軸電流
Lq:q軸インダクタンス
Ld:d軸インダクタンス
【0044】
トルクTを表す上記式(1)の右辺において、第1項が磁石トルク、第2項がリラクタンストルクを表している。
磁石トルクを大きくするには、磁石磁束を大きくすればよいことが分かる。
また、リラクタンストルクを大きくするには、d軸のインダクタンスLdを小さくしてq軸インダクタンスLqを大きくすること、換言すると、突極比(Lq/Ld)を大きくすればよいことが分かる。
【0045】
本実施例1では、回転子鉄心21の端面からみて、貫通孔24の辺のうち永久磁石23a、23b側の辺と、永久磁石23a、23bの辺のうち貫通孔24側の辺との間の距離を、内周側から外周側に向かうに従い漸増させているため、換言すると、貫通孔開き角度β(150°)を、磁石開き角度α(135°)よりも大きくしているため、永久磁石23a,23bと貫通孔24との間隔が広くなっている(特に外周側において広くなっている)。
【0046】
この結果、永久磁石23a,23bと貫通孔24との間の部分において、磁気飽和の発生を防止できると共に、q軸磁束を減少させてq軸インダクタンスLqを増加させることができる。よって、磁気飽和の防止により磁石トルクが増加し、またq軸インダクタンスLqの増加により、リラクタンストルクを増加でき、永久磁石式リラクタンスモータ1の総合トルクが増加する。
【0047】
また、実施例1では貫通孔開き角度βを大きくしたため、磁石開き角度α=貫通孔開き角度βとしたままで永久磁石と貫通孔との間の間隔を単純に広げたものに比べて、貫通孔24の開口面積(回転子の端面側から見た面積)を広く取ることができ、貫通孔24を形成することにより軽量化及び冷却性能向上を果たそうとした当初の目的を達成することができる。
【0048】
次に、貫通孔開き角度β(150°)を、磁石開き角度α(135°)よりも大きくしたことにより、
(1)永久磁石23a,23bと貫通孔24との間の部分において、磁気飽和の発生を防止できると共に、
(2)q軸磁束を減少させてq軸インダクタンスLqを増加させることができたことを、磁束解析図である図2〜図4を基に示す。
【0049】
図2〜図4は永久磁石式リラクタンスモータ1の一部を抜き出して、その部分の磁束の状態を点線で示したものであり、図2は磁石磁束、図3はd軸電流による磁束、図4はq軸電流による磁束を示している。
【0050】
図2及び図4から分かるように、永久磁石23a,23bと貫通孔24との間の部分(両図において、領域Aの部分)において、磁石開き角度α<貫通孔開き角度βとしたため、領域Aの幅が広くなって磁束密度が低くなった結果、磁気飽和がなくなり、これにより、磁石トルクを増大させることができることが分かる。
【0051】
また、永久磁石23a,23bと貫通孔24との間の部分(領域Aの部分)において、磁石開き角度α<貫通孔開き角度βとして領域Aの幅を広くしたため、図3に示すようにd軸電流による磁束の磁束密度を維持しつつ(つまり、d軸インダクタンスLdを一定にしつつ)、図4に示すようにq軸電流による磁束の磁束密度を小さくできる(つまり、q軸インダクタンスLqを大きくすることができる)。
このように、d軸インダクタンスLdとq軸インダクタンスLqとの差を大きくして、突極比(Lq/Ld)を大きくできるため、リラクタンストルクを大きくすることができることが分かる。
【0052】
表1は、永久磁石式リラクタンスモータにおいて、
(1)磁石開き角度αを135°として、貫通孔を形成しないものと、
(2)磁石開き角度αを135°として、貫通孔開き角度βを150°とした実施例1と、
(3)磁石開き角度αを135°として、貫通孔開き角度βを135°とした従来の物、
の、起磁力相差各に対するトルクを示したものである。
【0053】
【表1】
【0054】
表1の結果からも、貫通孔開き角度βを150°とした実施例1は、貫通孔開き角度βを135°とした従来技術に対して、磁石トルク、リラクタンストルク、総合トルクが、大きいことが分かる。
【0055】
〔実施例2〕
次に本発明の実施例2に係る永久磁石式リラクタンスモータ1を、図5〜図7を参照して説明する。
なお、図5〜図7は永久磁石式リラクタンスモータ1の一部を抜き出して、その部分の磁束の状態を点線で示したものであり、図5は磁石磁束、図6はd軸電流による磁束、図7はq軸電流による磁束を示している。
【0056】
実施例2では、実施例1における貫通孔24の山の部分(外周側部分)をカットした形状の、貫通孔24aを形成している。
即ち、回転子鉄心21の端面からみて、貫通孔24aの辺のうち永久磁石23a、23b側の辺と、永久磁石23a、23bの辺のうち貫通孔24a側の辺との間の距離が、内周側から外周側に向かうに従い漸増しているが、この漸増割合が、内周側部分よりも外周側部分が大きくなっている。
つまり、内周側部分では、貫通孔開き角度がβとなっているが、外周側では貫通孔開き角度はβよりも大きなγになっている。
【0057】
このように実施例2では、永久磁石23a,23bと貫通孔24との間の距離が、特に外周側で広くなっているため、図5〜図7に示すように、永久磁石23a,23bと貫通孔24との間の部分のうち、特に、外周側部分において、磁束密度が低くなる。
このため、磁気飽和の発生を確実に防止して、磁石トルクを大きくすることができる。
【符号の説明】
【0058】
1 永久磁石式リラクタンスモータ
20 回転子
21 回転子鉄心
22a,22b 磁石挿入孔
23a,23b 永久磁石
24,25 貫通孔
α 磁石開き角度
β,γ 貫通孔開き角度
【技術分野】
【0001】
本発明は、永久磁石式リラクタンスモータの回転子に関し、回転子の軽量化と冷却性能向上のために回転子に形成する貫通孔の面積をなるべく広く取りつつ、大きなトルクを発生することができるように工夫したものである。
【背景技術】
【0002】
永久磁石式リラクタンスモータでは、回転子に永久磁石を挿入・埋設して磁極を作ると共に、回転子の周方向に関して、磁気抵抗が小さく磁束が通り易い磁気的凸部(d軸と称する)と、磁気抵抗が大きく磁束が通り難い磁気的凹部(q軸と称する)を交互に形成している。
【0003】
このような回転子を、固定子巻線が施された固定子内に配置することにより、固定子と回転子との間の空隙磁束は、磁気的凸部(d軸)で高く、磁気的凹部(q軸)で低くなり、この磁束密度の変化によってリラクタンストルクが発生する。
更に、永久磁石と固定子の磁極との間の磁気吸引力及び磁気反発力によってもトルクが発生する(例えば特許文献1,2参照)。
【0004】
なお、このような永久磁石式リラクタンスモータは、回転子に永久磁石を挿入・埋設するため、IPM(internal permanent magnet)形モータとも呼ばれている。
【0005】
このような永久磁石式リラクタンスモータにおいては、回転子の軽量化と冷却性能の向上のために、回転子に対して、周方向の複数箇所に、その軸方向に伸びる貫通孔を形成することがある(例えば特許文献2参照)。
【0006】
このように貫通孔を形成することにより、貫通孔を形成した分だけ重量を削減して軽量にすることができ、回転子の慣性モーメント(GD2)を小さくして制御性を向上させることができる。
更に、貫通孔に液体や気体の冷却媒体を流通させることにより、冷却性能を向上させることができる。
【0007】
ここで図8を参照して、回転子に貫通孔を形成した永久磁石式リラクタンスモータを説明する。
図8に示すように、永久磁石式リラクタンスモータ100は、固定子(図示省略)内に回転子120を配置して構成されている。
【0008】
回転子120では、回転子鉄心121に磁石挿入孔122a,122bが形成され、この磁石挿入孔122a,122bに永久磁石123a,123bが挿入・固定されている。
【0009】
更に詳述すると、回転子鉄心121には、その周方向の複数箇所(本例では8箇所)に、2本で1セットとなっている磁石挿入孔122a,122bが軸方向に貫通して形成されている。各磁石挿入孔122a,122bの断面形状は長方形となっている。しかも、磁石挿入孔122aと磁石挿入孔122bは、半径方向に沿い外周側に向かうに従い、両者の対向距離が順次増大するように配置されている。したがって、磁石挿入孔122a,122bは、回転子鉄心121の端面から見て、「Vの字状」の配置になっている。
【0010】
そして、各磁石挿入孔122a,122bには、それぞれ、断面形状が長方形となっている永久磁石123a,123bが挿入されて固定されている。このため、永久磁石123aと永久磁石123bは、半径方向に沿い外周側に向かうに従い、両者の対向距離が順次増大するように配置されている。したがって、永久磁石123a,123bは、回転子鉄心121の端面から見て、「Vの字状」の配置になっている。
【0011】
ここにおいて、「Vの字状」に配置されている永久磁石123aと永久磁石123bとでなす角度を、「磁石開き角度α」と定義する。つまり、磁石開き角度αは、回転子鉄心121の端面から見て、断面形状が長方形となっている永久磁石123aの長辺(内周側の長辺)と、断面形状が長方形となっている永久磁石123bの長辺(内周側の長辺)とでなす角度をいう。
【0012】
このようにして、セットとなっている永久磁石123a,123bが回転子120の周方向に沿い等間隔に配置されることとなり、永久磁石123a,123bが配置されている部分が、磁気抵抗の大きい磁気的凹部(q軸)となる。また、セットとなっている永久磁石123a,123bと、その隣でセットとなっている永久磁石123a,123bとの間の部分が、磁気抵抗の小さい磁気的凸部(d軸)となる。
【0013】
回転子鉄心121には、永久磁石123a,123bが配置されている位置よりも内周側の部分に、複数の貫通孔124が周方向に並んで形成され、この貫通孔124の形成位置よりも更に内周側部分に、複数の貫通孔125が周方向に並んで形成されている。
各貫通孔124は、回転子鉄心121の軸方向に貫通して形成されており、回転子鉄心121の周方向に沿い等間隔に配置されている。同様に、各貫通孔125は、回転子鉄心121の軸方向に貫通して形成されており、回転子鉄心121の周方向に沿い等間隔に配置されている。
【0014】
このとき、回転子鉄心121の端面からみて、貫通孔124の辺のうち永久磁石123a、123b側の辺と、永久磁石123a、123bの辺のうち貫通孔124側の辺は、平行となっている。
【0015】
ここで、回転子鉄心121の端面から見て、任意の貫通孔124の辺のうち永久磁石123a側の辺と、この任意の貫通孔124に隣接する貫通孔124の辺のうち永久磁石123b側の辺とでなす角度を「貫通孔開き角度β」と定義する。
【0016】
上述したように、従来では、回転子鉄心121の端面からみて、貫通孔124の辺のうち永久磁石123a、123b側の辺と永久磁石123a、123bの辺のうち貫通孔124側の辺が平行となっているため、磁石開き角度α=貫通孔開き角度βとなっていた。例えば、α=β=135°となっていた。
【0017】
貫通孔124,125は、回転子鉄心121のうち、永久磁石123a,123bが配置されている位置よりも内周側の部分に形成されているため、回転子鉄心121を流れる磁束に対しての悪影響は少ない。
【0018】
このように貫通孔124,125を形成することにより、貫通孔124,125を形成した分だけ重量を削減して軽量にすることができ、回転子120の慣性モーメント(GD2)を小さくして制御性を向上させることができる。
更に、貫通孔124,125に液体や気体の冷却媒体を流通させることにより、冷却性能を向上させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0019】
【特許文献1】特開2000−197287
【特許文献2】特開2005−184957
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0020】
ところで、従来では図8に示すように、回転子鉄心121の端面からみて、貫通孔124の辺のうち永久磁石123a、123b側の辺と永久磁石123a、123bの辺のうち貫通孔124側の辺が平行となっていた、即ち、磁石開き角度α=貫通孔開き角度βとなっていたため、貫通孔124と永久磁石123a,123bとの間隔が狭くなってしまい、この部分での磁束密度が高くなり、磁気飽和していた。
【0021】
このような磁気飽和が発生すると、磁石トルクが減少するという問題があった。
また磁気飽和が発生するとそれ以上は磁束が通らなくなるので、インダクタンスL(特にq軸インダクタンスLq)の値が飽和してしまい、これによりリラクタンストルクの値が制限されてしまうという問題もあった。
【0022】
この現象を、磁束解析図である図9〜図11を基に示す。
図9〜図11は永久磁石式リラクタンスモータ100の一部を抜き出して、その部分の磁束の状態を点線で示したものであり、図9は磁石磁束、図10はd軸電流による磁束、図11はq軸電流による磁束を示している。
【0023】
図9及び図11から分かるように、永久磁石123a,123bと貫通孔124との間の部分(両図において、領域Aの部分)において、磁束密度が高くなっており、磁気飽和が発生していることが分かる。
しかも、図9から分かるように、永久磁石123a,123bと貫通孔124との間の部分のうち、特に、外周側部分において、磁気飽和が発生することが分かる。
【0024】
なお、単に磁気飽和を解消するには、貫通孔124の辺のうち永久磁石123a、123b側の辺と、永久磁石123a、123bの辺のうち貫通孔124側の辺とを平行としたまま、即ち、磁石開き角度α=貫通孔開き角度βとしたままで、永久磁石123a,123bと貫通孔124との間の間隔を広げればよい。
しかし、このようにした場合には、貫通孔124の開口面積(回転子の端面側から見た面積)が狭くなり、貫通孔124を形成することにより、軽量化及び冷却性能向上を果たそうとした当初の目的に反してしまう。
【0025】
本発明は、上記従来技術に鑑み、回転子に挿入した永久磁石と、回転子に形成した貫通孔との間の部分における磁気飽和を解消して発生トルクの大きい永久磁石式リラクタンスモータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0026】
上記課題を解決する本発明の構成は、
回転子鉄心の周方向の複数箇所に、断面形状が長方形となっている2本で1セットとなっている磁石挿入孔が軸方向に貫通して形成されており、しかも、セットとなっている磁石挿入孔の相互の対向距離は半径方向に沿い外側に向かうに従い順次増大しており、
更に、前記磁石挿入孔に断面形状が長方形となっている永久磁石が挿入・固定されると共に、
前記回転子鉄心には、前記永久磁石が挿入・固定されている位置よりも内周側の部分に、軸方向に貫通している複数の貫通孔が周方向に並んで形成されている、
永久磁石式リラクタンスモータの回転子において、
前記貫通孔は前記永久磁石に対向して配置されており、
前記貫通孔の辺のうち前記永久磁石側の直線状の辺と、前記永久磁石の辺のうち前記貫通孔側の直線状の辺との間の距離が、内周側から外周側に向かうに従い漸増するように、前記貫通孔を形成していることを特徴とする。
【0027】
また本発明の構成は、
磁石開き角度をα、貫通孔開き角度をβとしたときに、前記磁石開き角度と前記貫通孔開き角度との比(β/α)が、1<(β/α)<(150/135)となっていることを特徴とする。
【発明の効果】
【0028】
本発明では、貫通孔の辺のうち永久磁石側の直線状の辺と、永久磁石の辺のうち貫通孔側の直線状の辺との間の距離が、内周側から外周側に向かうに従い漸増するように、貫通孔を形成している。つまり、貫通孔と永久磁石との間の距離を、外周側になる程広くしている。このため、磁気飽和の発生を防止して磁石トルクを大きくできると共に、d軸インダクタンスLdを一定にしつつq軸インダクタンスLqを大きくしてリラクタンストルクを大きくすることができる。この結果、総合トルクを大きくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【0029】
【図1】本発明の実施例1に係る永久磁石式リラクタンスモータを示す構成図。
【図2】実施例1の磁石磁束を示す磁束解析図。
【図3】実施例1のd軸電流による磁束を示す磁束解析図。
【図4】実施例1のq軸電流による磁束を示す磁束解析図。
【図5】実施例2の磁石磁束を示す磁束解析図。
【図6】実施例2のd軸電流による磁束を示す磁束解析図。
【図7】実施例2のq軸電流による磁束を示す磁束解析図。
【図8】従来の永久磁石式リラクタンスモータを示す構成図。
【図9】従来の永久磁石式リラクタンスモータの磁石磁束を示す磁束解析図。
【図10】従来の永久磁石式リラクタンスモータのd軸電流による磁束を示す磁束解析図。
【図11】従来の永久磁石式リラクタンスモータのq軸電流による磁束を示す磁束解析図。
【発明を実施するための形態】
【0030】
以下、本発明に係る永久磁石式リラクタンスモータを、実施例に基づき詳細に説明する。
【実施例】
【0031】
〔実施例1〕
図1に示すように、本発明の実施例1に係る永久磁石式リラクタンスモータ1は、固定子(図示省略)内に回転子20を配置して構成されている。
【0032】
回転子20では、回転子鉄心21に磁石挿入孔22a,22bが形成され、この磁石挿入孔22a,22bに永久磁石23a,23bが挿入・固定されている。
【0033】
更に詳述すると、回転子鉄心21には、その周方向の複数箇所(本例では8箇所)に、2本で1セットとなっている磁石挿入孔22a,22bが軸方向に貫通して形成されている。各磁石挿入孔22a,22bの断面形状は長方形となっている。しかも、磁石挿入孔22aと磁石挿入孔22bは、半径方向に沿い外周側に向かうに従い、両者の対向距離が順次増大するように配置されている。したがって、磁石挿入孔22a,22bは、回転子鉄心21の端面から見て、「Vの字状」の配置になっている。
【0034】
そして、各磁石挿入孔22a,22bには、それぞれ、断面形状が長方形となっている永久磁石23a,23bが挿入されて固定されている。このため、永久磁石23aと永久磁石23bは、半径方向に沿い外周側に向かうに従い、両者の対向距離が順次増大するように配置されている。したがって、永久磁石23a,23bは、回転子鉄心21の端面から見て、「Vの字状」の配置になっている。
なお磁石挿入孔22a,22b及び永久磁石23a,23bの「断面形状が長方形」とは、回転軸に直交する面(半径方向に沿う面)で切断した断面形状が、長方形になっていることを意味する。
【0035】
ここにおいて、「Vの字状」に配置されている永久磁石23aと永久磁石23bとでなす角度を、「磁石開き角度α」と定義する。つまり、磁石開き角度αは、回転子鉄心21の端面から見て、断面形状が長方形となっている永久磁石23aの長辺(内周側の長辺)と、断面形状が長方形となっている永久磁石23bの長辺(内周側の長辺)とでなす角度をいう。
【0036】
このようにして、セットとなっている永久磁石23a,23bが回転子20の周方向に沿い等間隔に配置されることとなり、永久磁石23a,23bが配置されている部分が、磁気抵抗の大きい磁気的凹部(q軸)となる。また、セットとなっている永久磁石23a,23bと、その隣でセットとなっている永久磁石23a,23bとの間の部分が、磁気抵抗の小さい磁気的凸部(d軸)となる。
【0037】
回転子鉄心21には、永久磁石23a,23bが配置されている位置よりも内周側の部分に、各永久磁石23a,23bに対応して、複数(8個)の貫通孔24が周方向に並んで形成され、この貫通孔24の形成位置よりも更に内周側部分に、複数の貫通孔25が周方向に並んで形成されている。
各貫通孔24は、回転子鉄心21の軸方向に貫通して形成されており、回転子鉄心21の周方向に沿い等間隔に配置されている。同様に、各貫通孔25は、回転子鉄心21の軸方向に貫通して形成されており、回転子鉄心21の周方向に沿い等間隔に配置されている。
【0038】
このとき、回転子鉄心21の端面からみて、貫通孔24の辺のうち永久磁石23a、23b側の辺と、永久磁石23a、23bの辺のうち貫通孔24側の辺との間の距離が、内周側から外周側に向かうに従い漸増するように、貫通孔24を形成している。
【0039】
ここで、回転子鉄心21の端面から見て、任意の貫通孔24の辺のうち永久磁石23a側の辺と、この任意の貫通孔24に隣接する貫通孔24の辺のうち永久磁石23b側の辺とでなす角度を「貫通孔開き角度β」と定義する。
【0040】
上述したように、回転子鉄心21の端面からみて、貫通孔24の辺のうち永久磁石23a、23b側の辺と、永久磁石23a、23bの辺のうち貫通孔24側の辺との間の距離が、内周側から外周側に向かうに従い漸増しているため、磁石開き角度α<貫通孔開き角度βとなっている。例えば、α135°、β=150°となっている。
【0041】
貫通孔24,25は、回転子鉄心21のうち、永久磁石23a,23bが配置されている位置よりも内周側の部分に形成されているため、回転子鉄心21を流れる磁束に対しての悪影響は少ない。
【0042】
このように貫通孔24,25を形成することにより、貫通孔24,25を形成した分だけ重量を削減して軽量にすることができ、回転子20の慣性モーメント(GD2)を小さくして制御性を向上させることができる。
更に、貫通孔24,25に液体や気体の冷却媒体を流通させることにより、冷却性能を向上させることができる。
【0043】
永久磁石式リラクタンスモータ1が発生するトルクTは、一般的には次式(1)にて表される。
T = PnΦmiq + Pn(Ld−Lq)idiq ・・・・(1)
但し、各符号は下記の意味を示す。
T:トルク
Pn:極数
Φm:永久磁石の磁束
iq:q軸電流
id:d軸電流
Lq:q軸インダクタンス
Ld:d軸インダクタンス
【0044】
トルクTを表す上記式(1)の右辺において、第1項が磁石トルク、第2項がリラクタンストルクを表している。
磁石トルクを大きくするには、磁石磁束を大きくすればよいことが分かる。
また、リラクタンストルクを大きくするには、d軸のインダクタンスLdを小さくしてq軸インダクタンスLqを大きくすること、換言すると、突極比(Lq/Ld)を大きくすればよいことが分かる。
【0045】
本実施例1では、回転子鉄心21の端面からみて、貫通孔24の辺のうち永久磁石23a、23b側の辺と、永久磁石23a、23bの辺のうち貫通孔24側の辺との間の距離を、内周側から外周側に向かうに従い漸増させているため、換言すると、貫通孔開き角度β(150°)を、磁石開き角度α(135°)よりも大きくしているため、永久磁石23a,23bと貫通孔24との間隔が広くなっている(特に外周側において広くなっている)。
【0046】
この結果、永久磁石23a,23bと貫通孔24との間の部分において、磁気飽和の発生を防止できると共に、q軸磁束を減少させてq軸インダクタンスLqを増加させることができる。よって、磁気飽和の防止により磁石トルクが増加し、またq軸インダクタンスLqの増加により、リラクタンストルクを増加でき、永久磁石式リラクタンスモータ1の総合トルクが増加する。
【0047】
また、実施例1では貫通孔開き角度βを大きくしたため、磁石開き角度α=貫通孔開き角度βとしたままで永久磁石と貫通孔との間の間隔を単純に広げたものに比べて、貫通孔24の開口面積(回転子の端面側から見た面積)を広く取ることができ、貫通孔24を形成することにより軽量化及び冷却性能向上を果たそうとした当初の目的を達成することができる。
【0048】
次に、貫通孔開き角度β(150°)を、磁石開き角度α(135°)よりも大きくしたことにより、
(1)永久磁石23a,23bと貫通孔24との間の部分において、磁気飽和の発生を防止できると共に、
(2)q軸磁束を減少させてq軸インダクタンスLqを増加させることができたことを、磁束解析図である図2〜図4を基に示す。
【0049】
図2〜図4は永久磁石式リラクタンスモータ1の一部を抜き出して、その部分の磁束の状態を点線で示したものであり、図2は磁石磁束、図3はd軸電流による磁束、図4はq軸電流による磁束を示している。
【0050】
図2及び図4から分かるように、永久磁石23a,23bと貫通孔24との間の部分(両図において、領域Aの部分)において、磁石開き角度α<貫通孔開き角度βとしたため、領域Aの幅が広くなって磁束密度が低くなった結果、磁気飽和がなくなり、これにより、磁石トルクを増大させることができることが分かる。
【0051】
また、永久磁石23a,23bと貫通孔24との間の部分(領域Aの部分)において、磁石開き角度α<貫通孔開き角度βとして領域Aの幅を広くしたため、図3に示すようにd軸電流による磁束の磁束密度を維持しつつ(つまり、d軸インダクタンスLdを一定にしつつ)、図4に示すようにq軸電流による磁束の磁束密度を小さくできる(つまり、q軸インダクタンスLqを大きくすることができる)。
このように、d軸インダクタンスLdとq軸インダクタンスLqとの差を大きくして、突極比(Lq/Ld)を大きくできるため、リラクタンストルクを大きくすることができることが分かる。
【0052】
表1は、永久磁石式リラクタンスモータにおいて、
(1)磁石開き角度αを135°として、貫通孔を形成しないものと、
(2)磁石開き角度αを135°として、貫通孔開き角度βを150°とした実施例1と、
(3)磁石開き角度αを135°として、貫通孔開き角度βを135°とした従来の物、
の、起磁力相差各に対するトルクを示したものである。
【0053】
【表1】
【0054】
表1の結果からも、貫通孔開き角度βを150°とした実施例1は、貫通孔開き角度βを135°とした従来技術に対して、磁石トルク、リラクタンストルク、総合トルクが、大きいことが分かる。
【0055】
〔実施例2〕
次に本発明の実施例2に係る永久磁石式リラクタンスモータ1を、図5〜図7を参照して説明する。
なお、図5〜図7は永久磁石式リラクタンスモータ1の一部を抜き出して、その部分の磁束の状態を点線で示したものであり、図5は磁石磁束、図6はd軸電流による磁束、図7はq軸電流による磁束を示している。
【0056】
実施例2では、実施例1における貫通孔24の山の部分(外周側部分)をカットした形状の、貫通孔24aを形成している。
即ち、回転子鉄心21の端面からみて、貫通孔24aの辺のうち永久磁石23a、23b側の辺と、永久磁石23a、23bの辺のうち貫通孔24a側の辺との間の距離が、内周側から外周側に向かうに従い漸増しているが、この漸増割合が、内周側部分よりも外周側部分が大きくなっている。
つまり、内周側部分では、貫通孔開き角度がβとなっているが、外周側では貫通孔開き角度はβよりも大きなγになっている。
【0057】
このように実施例2では、永久磁石23a,23bと貫通孔24との間の距離が、特に外周側で広くなっているため、図5〜図7に示すように、永久磁石23a,23bと貫通孔24との間の部分のうち、特に、外周側部分において、磁束密度が低くなる。
このため、磁気飽和の発生を確実に防止して、磁石トルクを大きくすることができる。
【符号の説明】
【0058】
1 永久磁石式リラクタンスモータ
20 回転子
21 回転子鉄心
22a,22b 磁石挿入孔
23a,23b 永久磁石
24,25 貫通孔
α 磁石開き角度
β,γ 貫通孔開き角度
【特許請求の範囲】
【請求項1】
回転子鉄心の周方向の複数箇所に、断面形状が長方形となっている2本で1セットとなっている磁石挿入孔が軸方向に貫通して形成されており、しかも、セットとなっている磁石挿入孔の相互の対向距離は半径方向に沿い外側に向かうに従い順次増大しており、
更に、前記磁石挿入孔に断面形状が長方形となっている永久磁石が挿入・固定されると共に、
前記回転子鉄心には、前記永久磁石が挿入・固定されている位置よりも内周側の部分に、軸方向に貫通している複数の貫通孔が周方向に並んで形成されている、
永久磁石式リラクタンスモータの回転子において、
前記貫通孔は前記永久磁石に対向して配置されており、
前記貫通孔の辺のうち前記永久磁石側の直線状の辺と、前記永久磁石の辺のうち前記貫通孔側の直線状の辺との間の距離が、内周側から外周側に向かうに従い漸増するように、前記貫通孔を形成していることを特徴とする永久磁石式リラクタンスモータの回転子。
【請求項2】
磁石開き角度をα、貫通孔開き角度をβとしたときに、前記磁石開き角度と前記貫通孔開き角度との比(β/α)が、1<(β/α)<(150/135)となっていることを特徴とする請求項1の永久磁石式リラクタンスモータの回転子。
【請求項1】
回転子鉄心の周方向の複数箇所に、断面形状が長方形となっている2本で1セットとなっている磁石挿入孔が軸方向に貫通して形成されており、しかも、セットとなっている磁石挿入孔の相互の対向距離は半径方向に沿い外側に向かうに従い順次増大しており、
更に、前記磁石挿入孔に断面形状が長方形となっている永久磁石が挿入・固定されると共に、
前記回転子鉄心には、前記永久磁石が挿入・固定されている位置よりも内周側の部分に、軸方向に貫通している複数の貫通孔が周方向に並んで形成されている、
永久磁石式リラクタンスモータの回転子において、
前記貫通孔は前記永久磁石に対向して配置されており、
前記貫通孔の辺のうち前記永久磁石側の直線状の辺と、前記永久磁石の辺のうち前記貫通孔側の直線状の辺との間の距離が、内周側から外周側に向かうに従い漸増するように、前記貫通孔を形成していることを特徴とする永久磁石式リラクタンスモータの回転子。
【請求項2】
磁石開き角度をα、貫通孔開き角度をβとしたときに、前記磁石開き角度と前記貫通孔開き角度との比(β/α)が、1<(β/α)<(150/135)となっていることを特徴とする請求項1の永久磁石式リラクタンスモータの回転子。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【公開番号】特開2012−249520(P2012−249520A)
【公開日】平成24年12月13日(2012.12.13)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2012−202175(P2012−202175)
【出願日】平成24年9月14日(2012.9.14)
【分割の表示】特願2007−167055(P2007−167055)の分割
【原出願日】平成19年6月26日(2007.6.26)
【出願人】(000006105)株式会社明電舎 (1,739)
【Fターム(参考)】
【公開日】平成24年12月13日(2012.12.13)
【国際特許分類】
【出願日】平成24年9月14日(2012.9.14)
【分割の表示】特願2007−167055(P2007−167055)の分割
【原出願日】平成19年6月26日(2007.6.26)
【出願人】(000006105)株式会社明電舎 (1,739)
【Fターム(参考)】
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