(57)【要約】【課題】鉄損と銅損とをバランス良く低減してさらなる高効率化を図ることができる永久磁石式回転機を提供する。【解決手段】  固定子コア８と該固定子コアに巻装した励磁コイルとを有する固定子３と、該固定子と所定の空隙を隔てて対向し、回転子コア１３と該回転子コア１３に形成された複数の永久磁石１５とを有する回転子４とを備えた永久磁石式回転機であって、磁極数を６極とし、前記固定子３のヨーク部８ａの幅Ｗと極ピッチτとの比Ｗ／τが０．３≦Ｗ／τ≦０．５の関係を満たし、且つ前記固定子３の内径Ｄｉと固定子外径Ｄａとの比Ｄｉ／Ｄａが０．５５≦Ｄｉ／Ｄａ≦０．６５の関係を満たすように設定されている。【選択図】  図２
2010045872.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定子コアと該固定子コアに巻装した励磁コイルとを有する固定子と、該固定子と所定の空隙を隔てて対向し、回転子コアと該回転子コアに形成された複数の永久磁石とを有する回転子とを備えた永久磁石式回転機であって、
磁極数を６極とし、前記固定子のヨーク部の幅Ｗと極ピッチτとの比Ｗ／τが
０．３≦Ｗ／τ≦０．５
の関係を満たすように設定されていることを特徴とする永久磁石式回転機。
【請求項２】
固定子コアと該固定子コアに巻装した励磁コイルとを有する固定子と、該固定子と所定の空隙を隔てて対向し、回転子コアと該回転子コアに形成された複数の永久磁石とを有する回転子とを備えた永久磁石式回転機であって、
磁極数を６極とし、前記固定子の内径Ｄｉと固定子外径Ｄａとの比Ｄｉ／Ｄａが
０．５５≦Ｄｉ／Ｄａ≦０．６５
の関係を満たすように設定されていることを特徴とする永久磁石式回転機。
【請求項３】
固定子コアと該固定子コアに巻装した励磁コイルとを有する固定子と、該固定子と所定の空隙を隔てて対向し、回転子コアと該回転子コアに形成された複数の永久磁石とを有する回転子とを備えた永久磁石式回転機であって、
磁極数を６極とし、前記固定子のヨーク部の幅Ｗと極ピッチτとの比Ｗ／τが
０．３≦Ｗ／τ≦０．５
の関係を満たし、且つ前記固定子の内径Ｄｉと固定子外径Ｄａとの比Ｄｉ／Ｄａが
０．５５≦Ｄｉ／Ｄａ≦０．６５
の関係を満たすように設定されていることを特徴とする永久磁石式回転機。
【請求項４】
前記固定子コア及び前記回転子コアは高透磁率の鋼板で形成されたコアプレートを積層して構成され、前記固定子コアのコアプレートの板厚が前記回転子コアのコアプレートの板厚より薄く設定されていることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の永久磁石式回転機。
【請求項５】
前記回転子は埋込磁石構造を有することを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の永久磁石式回転機。
【請求項６】
前記回転子は表面磁石構造を有することを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の永久磁石式回転機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固定子とこの固定子に所定の空隙を有して対向して回転する永久磁石を有する回転子とを備えた永久磁石式回転機に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近、環境問題、省資源、省エネルギの観点から、回転機の効率化に注目が集まっている。従来、交流可変速機として誘導電動機が広く用いられており、簡易構造で堅固であり、インバータによる駆動システムも完成度が高い。しかしながら、誘導電動機は駆動原理的にスリップを必要とするため、２次側導体に損失が発生し効率低下を招く。
誘導電動機に対し、同じ交流可変速機として用いられる同期電動機は上述のスリップを必要とせず、特に同期電動機の一つである永久磁石式回転機は界磁に回転子の永久磁石を用いるため励磁損失を発生せず、高効率駆動可能であるため、誘導電動機に変わり主流となり得る回転機として期待が集まっている。
【０００３】
永久磁石式回転機では、誘導電動機に比べ回転子に損失が発生しないため全体の損失が少なく高効率のため、誘導電動機と同じ出力を得る場合には全体を小型化することができる。従来では、固定子のヨーク部の磁束密度を１Ｔ以上に設定することが通常である。
一方、従来、シャフトとシャフト外周に永久磁石を装着してなる回転子と、スロット構造のステータコアと電機子巻線からなる固定子で構成され、かつ２ｎポール３ｎスロット（ｎは整数）構造のＡＣモータにおいて、固定子の歯部の幅Ｂｔ／スロットピッチを０．４５〜０．７の範囲にするとともに、固定子ヨーク厚みＤｙと固定子スロット歯部の幅Ｂｔを０．４２〜０．５８の範囲に設定したＡＣモータの固定子が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００５−２７３８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記特許文献１に記載された従来例にあっては、小型化を目的としているので、ヨーク厚みを大きくすることはできず、ヨークの磁束密度を低減することできず、永久磁石式回転機をさらなる高効率化を図ることはできないという未解決の課題がある。
すなわち、永久磁石式回転でさらなる高効率化を図るためには、巻線の断面積を増やして銅損を低減すると同時に、積層鋼板の磁束密度を下げて鉄損を低減する必要がある。このとき、鉄損を減らすために巻線の断面積を増加させるとスロット面積が増加し、積層鋼板のヨーク部やティース部の幅が狭くなり磁束密度が増加し、鉄損も増加してしまう。銅損及び鉄損を同時に減少させることは困難になるという未解決の課題がある。
そこで、本発明は上記従来例の未解決の課題に着目してなされたものであり、鉄損と銅損とをバランス良く低減してさらなる高効率化を図ることができる永久磁石式回転機を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するために、請求項１に係る永久磁石式回転機は、固定子コアと該固定子コアに巻装した励磁コイルとを有する固定子と、該固定子と所定の空隙を隔てて対向し、回転子コアと該回転子コアに形成された複数の永久磁石とを有する回転子とを備えた永久磁石式回転機であって、磁極数を６極とし、前記固定子のヨーク部の幅Ｗと極ピッチτとの比Ｗ／τが０．３≦Ｗ／τ≦０．５の関係を満たすように設定されていることを特徴としている。
【０００６】
また、請求項２に係る永久磁石式回転機は、固定子コアと該固定子コアに巻装した励磁コイルとを有する固定子と、該固定子と所定の空隙を隔てて対向し、回転子コアと該回転子コアに形成された複数の永久磁石とを有する回転子とを備えた永久磁石式回転機であって、磁極数を６極とし、前記固定子の内径Ｄｉと固定子外径Ｄａとの比Ｄｉ／Ｄａが０．５５≦Ｄｉ／Ｄａ≦０．６５の関係を満たすように設定されていることを特徴としている。
【０００７】
また、請求項３に係る永久磁石式回転機は、固定子コアと該固定子コアに巻装した励磁コイルとを有する固定子と、該固定子と所定の空隙を隔てて対向し、回転子コアと該回転子コアに形成された複数の永久磁石とを有する回転子とを備えた永久磁石式回転機であって、磁極数を６極とし、前記固定子のヨーク部の幅Ｗと極ピッチτとの比Ｗ／τが０．３≦Ｗ／τ≦０．５の関係を満たし、且つ前記固定子の内径Ｄｉと固定子外径Ｄａとの比Ｄｉ／Ｄａが０．５５≦Ｄｉ／Ｄａ≦０．６５の関係を満たすように設定されていることを特徴としている。
【０００８】
また、請求項４に係る永久磁石式回転機は、請求項１乃至３の何れか１つに係る発明において、前記固定子コア及び前記回転子コアは高透磁率の鋼板で形成されたコアプレートを積層して構成され、前記固定子コアのコアプレートの板厚が前記回転子コアのコアプレートの板厚より薄く設定されていることを特徴としている。
また、請求項５に係る永久磁石式回転機は、請求項１乃至４の何れか１つに係る発明において、前記回転子は永久磁石式回転機の埋込磁石構造を有することを特徴としている。
また、請求項６に係る永久磁石式回転機は、請求項１乃至４の何れか１つに係る発明において、前記回転子は永久磁石式回転機の表面磁石構造を有することを特徴としている。
【発明の効果】
【０００９】
請求項１に係る発明によれば、磁極数を６極としたときに、固定子コアのヨーク部の幅Ｗと極ピッチτとの比Ｗ／τが０．３≦Ｗ／τ≦０．５の関係を満たすように設定されているので、固定子コアのヨーク部での磁束密度を低減させることができ、銅損及び鉄損をバランス良く低減して高効率化を図ることができる。ここで、比Ｗ／τが０．３未満であるときにはヨーク部での磁束密度が増加して効率が低下し、比Ｗ／τが０．５を超えると回転機の体格が大きくなり、小型化の要求に答えられなくなる。
【００１０】
また、請求項２に係る発明によれば、磁極数を６極としたときに、固定子内径Ｄｉと固定子外径Ｄａとの比Ｄｉ／Ｄａを０．５５≦Ｄｉ／Ｄａ≦０．６５の関係を満足することにより、固定子コアのヨーク部における磁束密度を低下させて効率を増加させることができる。ここで、比Ｄｉ／Ｄａが０．５５未満であるときには界磁の磁束が不足してトルク出力が低下してしまい、比Ｄｉ／Ｄａが０．６５を超えるとヨーク部での磁束密度が増加して効率が低下してしまう。
【００１１】
また、請求項３に係る発明によれば、請求項１及び２に係る発明の条件をアンド条件としたので、大型化を抑制しながら高効率化を図ることができる。
また、請求項４に係る発明によれば、固定子コアのコアプレートの板厚を回転子コアのコアプレートの板厚より薄くすることにより、固定子コアの渦電流損失を低下させて、より高効率化を図ることができる。
また、請求項５に係る発明によれば、回転子を埋込磁石構造とした永久磁石式回転機で高効率化を図ることができる。
また、請求項６に係る発明によれば、回転子を表面磁石構造とした永久磁石式回転機で高効率化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明を適用し得る永久磁石形回転機の上半部を断面とした側面図、図２は図１のＡ−Ａ線上の断面図である。図１において、永久磁石式回転機１は埋込磁石（ＩＰＭ：Ｉｎｔｅｒｉｏｒ  Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ  Ｍａｇｎｅｔ）構造を有する永久磁石式回転機で構成されている。
この永久磁石式回転機１は、外周面にフィンを形成した円筒状フレーム２を有する。この円筒状フレーム２の内周側には固定子３が配置され、この固定子３の内周側には所定のエアギャップＧを介して対向する回転子４が配置されている。この回転子４はフレーム２に配設された一対の軸受５ａ及び５ｂによって回転自在に支持された回転軸６に装着されている。
【００１３】
固定子３は、図２に示すように、高透磁率の鋼板を打ち抜いた固定子用コアプレート７が積層されて形成された固定子コア８を有し、この固定子コア８には、外周面側にヨーク部８ａが形成されているとともに、内周面側に、磁極単位で円周方向に等間隔で６個のスロット８ｂが形成されて平行な側面を有する６個のティース８ｃが形成されている。各ティース８ｃには図１に示すようにスロット８ｂ内に巻装された励磁コイル９が巻回されている。ここで、励磁コイル９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、巻き方が限定されるものではない。
そして、本実施形態では、さらなる高効率化を図るために、図２に示すように、磁極数が６極即ち磁極角度が６０度に設定されている。
このときの固定子コア８のヨーク部８ａの幅Ｗと固定子３の内径における１極ピッチ分の弧の長さである極ピッチτとの比Ｗ／τが
０．３≦Ｗ／τ≦０．５    …………（１）
の関係を満たすように設定されている。
【００１４】
このように、比Ｗ／τを０．３≦Ｗ／τ≦０．５を満足するように設定することにより、固定子コア８のヨーク部８ａでの磁束密度を低減させると共に、スロット８ｂの面積を可能な限り広くすることができる。このため、銅損及び鉄損をバランス良く低減してさらなる高効率化を図ることができる。例えば、一般的なエアギャップＧにおける平均の磁束密度は高くても０．６Ｔ程度であり、このときのヨーク部８ａの磁束密度は、Ｗ／τが上記（１）式を満たす場合、０．６／０．３／２＝１．０Ｔから０．６／０．５／２＝０．６Ｔの範囲となる。結果として、同一出力の通常の永久磁石式回転機と比べ、固定子内径を同一とした場合は、固定子３の外径を大きくし、スロット８ｂの面積とヨーク部８ａの幅Ｗを広くすることとなる。その範囲を規定するのが前記（１）式となる。
【００１５】
ここで、比Ｗ／τが０．３未満であるときにはヨーク部での磁束密度が増加して効率が低下し、比Ｗ／τが０．５を超えると回転機の体格が大きくなり、小型化の要求に答えられなくなる。
また、上記（１）式の条件と共に固定子の内径Ｄｉと固定子外径Ｄａとの比Ｄｉ／Ｄａが
０．５５≦Ｄｉ／Ｄａ≦０．６５    …………（２）
の関係を満たすように設定されている。
この（２）式の条件を満足することにより、固定子コア８のヨーク部８ａにおける磁束密度を低下させて効率を増加させることができる。ここで、比Ｄｉ／Ｄａが０．５５未満であるときには界磁の磁束が不足してトルク出力が低下してしまい、比Ｄｉ／Ｄａが０．６５を超えるとヨーク部での磁束密度が増加して効率が低下してしまう。
【００１６】
ところで、通常の標準形の永久磁石式回転機では小型化を図ることを重視するため、前記（２）式の条件を外れたＤｉ／Ｄａ＞０．６５に設定されるため、固定子コア８のヨーク部８ａの幅Ｗも小さくなって比Ｗ／τが前記（１）式の条件を外れたＷ／τ＜０．３に設定される。この標準形の永久磁石式回転機でもモータ効率は、図３の特性曲線Ｌ１で示すように、ＪＩＳ規格で規定されている高効率誘導モータの特性曲線Ｌ０で表されるモータ効率に比較して高いモータ効率を得ることができる。
【００１７】
これに対して、上記実施形態のように、上記（１）式及び（２）式の条件を共に満足することにより、図３の特性曲線Ｌ２で示すように、ＪＩＳで規定されている高効率誘導モータの特性曲線Ｌ０よりも高く、標準形の永久磁石式回転機よりも高いモータ効率を実現することができ、さらなる高効率化を図ることができる。
一方、回転子４は、図２に示すように、高透磁率の鋼板を打ち抜いた回転子用コアプレート１１が積層されて形成された４つの磁極１２を有する回転子コア１３を備えている。この回転子コア１３は、軸方向に貫通して形成された複数例えば４個のスロット１４と、これらスロット１４内に周方向に隣り合う磁極１２が異極性となるように挿入した永久磁石１５とを備えている。ここで、永久磁石１５は希土類磁石で構成されている。
【００１８】
そして、本実施形態では、固定子用コアプレート７の板厚が回転子用コアプレート１１の板厚よりも薄く設定されている。具体的には、回転子用コアプレート１１の板厚が０．５ｍｍに設定され、固定子用コアプレート７の板厚が０．５ｍｍ未満で且つ０．１ｍｍ以上の範囲内に設定し、好ましくは電磁鋼板で市販されている板厚０．３５ｍｍ又は０．２ｍｍに設定する。
【００１９】
このように、固定子用コアプレート７の板厚ｔ〔ｍｍ〕を０．５＞ｔ≧０．１の範囲内に設定する理由は、以下の通りである。
固定子コア８及び回転子コア１３に生じる渦電流損失は、回転機を駆動するインバータのキャリア高調波の次数別に表すと図４（ａ）及び（ｂ）に示すように、固定子３の渦電流損失の方が回転子４の渦電流損失より大きくなることが知られている（「キャリア高調波を考慮したＩＰＭモータの鉄損解析」電機学会論文誌Ｄ、１２５巻７号、２００５年参照）。
【００２０】
一方、電磁鋼板を打ち抜いて形成される固定子用コアプレート７の板厚に対する渦電流損失の関係は、図５に示すように、固定子用コアプレート７の板厚を回転子用コアプレート１１の板厚と等しい０．５ｍｍであるときの渦電流損失を１００％として規格化したとき、渦電流損失が５％程度となり、大きな渦電流損失低減効果を発揮する。
ところで、固定子用コアプレート７の板厚を０．１ｍｍ未満とした場合には、さらなる渦電流損失低減効果を発揮することができるものであるが、固定子用コアプレート７の板厚が０．１ｍｍ未満となると、所定厚みの固定子コア８を形成するために必要とする積層枚数が増加して固定子コア８を形成するための工数が増加すると共に、極薄電磁鋼板を所望形状に成形加工するために高度な加工技術、設備を必要とするため、回転機の製造コストが大幅に増加してしまうことになり、固定子コアプレート７の板厚の下限値は０．１ｍｍに設定する。
【００２１】
このため、市販の電磁鋼板の厚みを考慮すると、回転子用コアプレート１１の板厚を０．５ｍｍとしたとき、固定子用コアプレート７の板厚を０．３５又は０．２に設定することが製造コストの面からより好ましく、製造コスト面から判断する固定子用コアプレート１の板厚ｔを０．３５に設定することにより、製造コストを低減しながら板厚ｔを０．５ｍｍとしたときの渦電流損失に対して渦電流損失を約５０％低減することができる。
したがって、固定子用コアプレート７の板厚ｔは、使用する電磁鋼板のコストと、渦電流損失低減効果との兼ね合いによって０．１ｍｍ≦ｔ＜０．５ｍｍの範囲内で所望の板厚を設定すればよい。
【００２２】
上記実施形態によると、永久磁石式回転機１が埋込永久磁石式回転電機の構成を有するので、回転子４の磁極１２における永久磁石１５間の円周方向の中央部と回転軸６の軸心とを結ぶ線がｄ軸となる。また、回転子４の隣接する磁極１２間における異なる磁極の永久磁石１５間と回転軸６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１５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１３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、さらに永久磁石の電機子鎖交磁束も回転子４の回転角の余弦で変化する。
【００２３】
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、永久磁石の電機子鎖交磁束のみの変化によりエネルギ変換が行な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。
【００２４】
そして、前述したように、永久磁石式回転機１においては、回転子４の渦電流損失が固定子３の渦電流損失に比較して小さいので、回転子４の回転子コア１３を形成する回転子用コアプレート１１の板厚ｔを０．５ｍｍに設定しても、渦電流損失は小さく抑制することができる。しかも、使用する電磁鋼板のコストは板厚が薄くなる程高くなるので、回転子用コアプレート１１の板厚ｔとして０．５ｍｍを選択することにより、固定子３を構成する場合の製造コストを抑制することができる。
【００２５】
一方、固定子用コアプレート７については、固定子３の渦電流損失が回転子４の渦電流損失より大きいので、回転子用コアプレート７の板厚より薄い板厚を選択することにより、固定子３の渦電流損失を低減させることができる。
そして、固定子用コアプレート７の板厚ｔの下限値は前述したように固定子コア８を形成する工数増や極薄電磁鋼板を所望形状に成形加工するために高度な加工技術、設備を必要とするため、回転機の製造コストが大幅に増加してしまうことを考慮して０．１ｍｍに設定する。好ましくは電磁鋼板の市販品の板厚である０．３５ｍｍ又は０．２ｍｍを、電磁鋼板価格と固定子３の渦電流損失の低減効果との兼ね合いによって選択する。
【００２６】
このように、上記実施形態によると、固定子コア８を構成する電磁鋼板から打ち抜いて形成する固定子用コアプレートの板厚を、回転子コア１３を構成する同様に電磁鋼板から打ち抜いて形成する回転子用コアプレート１１の板厚未満に設定することにより、固定子３の渦電流損失を低減させることができる。
具体的には、回転子用コアプレート１１の板厚ｔを電磁鋼板の市販品の板厚である０．５ｍｍに設定し、固定子用コアプレート７の板厚ｔ〔ｍｍ〕を０．５＞ｔ≧０．１の範囲内に設定することにより、固定子３の渦電流損失を低減しながら大幅な製造コストのアップを抑制することができる。
【００２７】
このように、上記実施形態によると、前記（１）式及び（２）式のアンド条件をとることにより、大型化を抑制しながら、銅損及び鉄損をバランス良く低減することができ、さらなる高効率モータを提供することができる。しかも、固定子コア８を構成するコアプレート７の板厚を回転子コア１３を構成するコアプレート１１の板厚より薄くすることにより、固定子３に発生する渦電流損失を低減することができ、よりモータ効率を向上させることができる。
なお、上記実施形態においては、前記（１）式及び（２）式のアンド条件で固定子３を構成した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、前記（１）式及び（２）式の条件の一方を満足すれば、ヨーク部８ｂでの磁束密度を低下させてモータ効率を向上させることができる。
【００２８】
また、上記実施形態においては、永久磁石式回転機１として、埋込磁石構造の永久磁石式回転機を適用した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、図６に示すように、回転子４の回転子コア１３の外周面に円周方向に複数例えば４つの永久磁石３１を等間隔で配置した構成を有する表面磁石（ＳＰＭ：Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ  Ｍａｇｎｅｔ）構造の永久磁石式回転機にも本発明を適用することができる。
さらに、上記実施形態においては、磁極単位の固定子３のティース８ｃを６個とした場合について説明した。しかしながら、上記構成に限定されるものではなく、固定子３のティース数は任意に設定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明を埋込磁石構造の永久磁石式回転に適用した場合の一実施形態を示す上半部を断面とした側面図永久磁石式回転電機を示す断面図である。
【図２】１つの磁極分の固定子及び回転子を示す拡大断面図である。
【図３】軸出力に対するモータ効率を示す特性線図である。
【図４】固定子及び回転子のキャリア高調波の次数に対する渦電流損失を示す特性線図である。
【図５】固定子用コアプレートの板厚と渦電流損失との関係を示す特性線図である。
【図６】表面磁石構造の永久磁石式回転機を示す断面図である。
【符号の説明】
【００３０】
１…永久磁石式回転機
２…円筒状フレーム
３…固定子
Ｇ…エアギャップ
４…回転子
６…回転軸
７…固定子用コアプレート
８…固定子コア
８ａ…ヨーク部
８ｂ…スロット
８ｃ…ティース
９…励磁コイル
１１…回転子用コアプレート
１２…磁極
１３…回転子コア
１４…スロット
１５…永久磁石
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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