JP6042893B2 - 永久磁石電機 - Google Patents

Description

本発明は、一般に、同期発電機または同期電動機のいずれかとして動作する永久磁石（ＰＭ）電機に関する。更に詳細には、本発明は、負荷下での出力／固定子電圧波形および電流波形における高調波成分の制御に関する。

ＰＭ同期機は、堅牢で、信頼性が高く、かつ効率的であり、また、比較的高いエネルギー密度を有する。これらの同期機は、ブラシ付きまたはブラシレス励磁装置を備えた巻線界磁型同期機と比較して、多くの魅力的な特性を有する。電動機および発電機のエネルギーを節約しかつ効率を高める必要性は、ＰＭ同期機がその損失のない回転子により有力な候補になっていることを意味する。場合によっては、巻線型回転子の代わりにＰＭ回転子を使用することにより、最大２０％のエネルギー節約を達成することができる。

これらの利点にもかかわらず、ＰＭ同期機のいくつかの現在の設計には欠陥がある。現在の設計では、比較的大量の磁性材料を使用するので、コストが増大する。同期発電機として動作させる場合、電圧調整が不十分となり、負荷下で歪んだ電圧波形および電流波形が生じ得る。同期電動機として動作させる場合、何らかの形のセンサフィードバックなしに始動することが難しい。また、負荷下での（固定子）逆起電力波形が歪められ、効率が低下し、より複雑な制御エレクトロニクスが必要となる。

これらの問題は、負荷下で深刻な波形歪みが頻繁に生じる極数の少ない（例えば、２極および４極）機械でより顕著である。歪みは、巻線の負荷電流により回転子の磁束を磁石の径方向軸線から離れるようにスキューさせるいわゆる磁束ドラッグ（ｆｌｕｘ ｄｒａｇ）効果に起因して生じる。また、２極および４極のＰＭ発電機では、同じ出力に対して、極数のより多い発電機で使用するよりも多くの磁石材料を使用する。よって、ＰＭ同期発電機は、５〜２０ｋＷの範囲における単相および３相の３０００ｒｐｍ（２極）または１５００ｒｐｍ（４極）のガソリン駆動発電機およびディーゼル駆動発電機などの小規模電力用途で広範囲に用いられていない。

唯一実用的な現在の２極および４極設計は、表面貼付磁石型である。しかしながら、これらの設計でも、負荷下で歪んだ出力電圧／逆起電力波形および電流波形となり、高負荷下で磁石端部の減磁が生じ得る。２極および４極の回転子の表面貼付磁石セグメントは大きな円弧セグメントを有し、これは、製造の際に大量の廃材が発生することを意味し、磁石の金銭的コストを増大させる。現在の設計の表面貼付ＰＭ交流発電機は、負荷下で大きな電圧降下を示す。これらの機械のための一定速度で電圧調整する簡単な方法が存在しないので、良好な電圧調整を必要とする発電機用途では、ＰＭ同期型を使用することができない。

しかしながら、許容される波形および電圧調整を伴うＰＭ同期発電機が存在する。これらのＰＭ同期発電機は、一体のＰＭ固定子を有する。これらの設計に関する主な問題は、かかる設計では、低電力であっても、同等の表面貼付設計よりも最大６倍またはそれ以上の磁石材料を使用し、４極構成での作製ができないことである。むしろ、そのような機械は、最大３ｋＷの電力定格の２極設計においてのみ実用的である。このレベルを超えると、磁石のコストおよび体積が、回転子径の２乗に増加し、もはやコスト効率が高くなくなる。

これらの問題は、現在の設計のＰＭ発電機および電動機が電圧調整（すなわち、発電機）または逆起電力（すなわち、電動機）、および高調波歪みが重要でない低等級、低電力用途にのみ適していることを意味する。

１つまたは複数のこれらの欠点を克服または少なくとも改善する必要がある。

１つの広範な形態では、巻線型固定子と回転子とを具備する電気同期機が提供される。回転子は、各極が角方向に離間した１対の永久磁石で形成される少なくとも２つの磁極、各該極間に位置する回転子磁極片、回転子磁極片に位置する三角形状の空隙、および回転子磁極片に位置する複数のスロットを含む。

その他の態様も開示される。

２極機の断面図を示す。 図１の機械に関する無負荷での磁束線を示す。 図１の機械に関する全負荷での磁束線を示す。 図１の機械の部分断面図である。 組み立てられた２極機の切欠き図を示す。 ４極機の断面図を示す。 図５の機械に関する無負荷での磁束線を示す。 図５の機械に関する全負荷での磁束線を示す。 公知の（すなわち、磁束空隙のない）２極機に関する負荷下での出力電圧波形を示す。 図７の出力波形の基本周波数成分と高調波周波数成分のプロットを示す。 図１の２極機に関する負荷下の出力電圧波形を示す。 図９の出力波形の基本周波数成分と高調波周波数成分のプロットを示す。

以下において、「電機」（または単に「機械」）についての言及は、他に特に明示しない限り、発電機または電動機として構成されおよび／または動作させる機械にも等しく当てはまると理解すべきである。

図１は、本発明を実現する２極機装置１０を横断面で示している。固定子１００は、単相構成または３相構成のいずれかで巻回された従来の形態の巻線１０１を有する。回転子は、重ねられた積層で形成される。かかる積層の数により機械の出力が決まる。積層は、間隔を隔てた孔１０２および１１７を通過する（図１には図示せず）ロッドにより一緒に締め付けられ、典型的には端板（図示せず）を使用して、一番端の積層で固定される。５〜２０ｋＷ機についての典型的な回転子径は、１３０ｍｍ〜１００ｍｍの範囲である。積層は、２つの磁極間に位置する回転子磁極片１０７を含む。各極は、磁石間セグメント１０６により角方向に離間した１対の（埋設された）永久磁石１０３で形成される。磁石１０３および回転子磁極片１０７は、中心軸１０５から取り付けられている。軸は、典型的には非磁性材料で形成される。

回転子磁極片１０７は、一連の等間隔のスロット１０９と中央空隙１０８とを含む。空隙は、理想的には、エアギャップ１２１付近の点１１４からそれぞれの磁石の基部の内点１１５および１１６に延びるが、図示のように、空隙１０８が回転子材料の縁から離れている場合には、回転子の構造的完全性が損なわれる。スロット１０９は、回転子表面に対して垂直な所望の角度で磁束を磁石１０３からエアギャップ１２１内に導くために種々の長さを有する。スロット１０９の幅や角度は、負荷下で所望の最小の波形歪みと最高のエアギャップ磁束を達成するように、モデリングまたは実験により変えられ得る。スロット１０９はまた、以下に記載するように、回転子の突極性の変更に寄与する。空隙１０８およびスロット１０９には、通常、自由空間が占めるが、同様にアルミニウムなどの非磁性材料を充填することもできる。

突極性は、直軸インダクタンス（Ｘｄ）を横軸インダクタンス（Ｘｑ）で除算した比である。Ｘｄ軸線は図２Ａに示す方向２０１にあり、Ｘｑ軸線はＸｄ軸線に対して９０°をなす。磁束線２０２もまた示されている。スロット１０９は、（グラフィック表示のために再配置された）Ｘｄ軸線２０８と磁極（Ｎ−Ｓ）軸線２０７との間の角度を２等分する方向２０６に配置される。そのようなスロットの向きは、Ｘｄ軸線と磁石の向きとの間の最良の技術的妥協を表し、負荷条件下および無負荷条件下の両方で図１の構成に対して最少の障害で最適な磁束の流れをもたらす。

磁石１０２の長さ１１２および幅１１０は、磁石１０２を内点１１８に接触させ、外点１０４まで延ばすことにより決定する。２極回転子に理想的な長さ１１２は、回転子の半径である極弧長さの半分とするべきだが、これは磁石の幅１１０がゼロであり、軸１０５のスペースがない場合である。極弧長さ１２０に対する０．７の比により、適切な軸径１１３が可能となる一方で、最大エアギャップ磁束が得られることが判明した。外点１０４は、機械が全速になると生じる遠心力に抗して磁石が適所に保持された状態にする必要性により制限されるが、理想的には回転子の全直径に及ぶべきである。回転子磁極片１０７上の１０４の張り出しを取り除くこともでき、接着または接合などの他の方法を用いて磁石を適所に保持することもできる。２極回転子についての円弧セグメント１１１は６０°であるか、または、（２極機に関して）１／３の円弧比を表す、円弧長さ１１９の半分であることが好ましい。この分割磁石装置は、必要な磁性材料の体積を約５０％減少させることにより、コストの大幅な節約をもたらす。

図２Ｂは、全電気負荷時または全機械的負荷時の図１の２極機１０に関する磁束線を示している。Ｘｄ軸線２０１が無負荷時に磁束線間の中央にある一方で、負荷下でのＸｄ軸線２０４が円弧２０５を通過し、その結果、軸１０５上のねじれ負荷および巻線１０１の電流により磁束ドラッグが引き起こされる。中央空隙１０８およびスロット１０９は、磁束ドラッグ効果を改善する。また、磁石１０３からの磁束線２０３が右に引っ張られていることが分かる。更に、巻線１０１に流れる電流が磁石１０３から磁石の右側に磁束を引っ張っていることが分かる。これが起こり得る場合、エアギャップ１２０に不均一な磁束が生じる。含まれるスロットの数は、突極性を高めることと、結果的に飽和状態となり、不十分な電力調整の原因となる、磁極片を形成する材料の不足を避けることとの間の妥協を表す。

ここで図３を参照すると、磁石間セグメント１０６は湾曲して、大きな隙間３０１を形成している。この隙間は、固定子１００への鎖交磁束を最小限に抑えるために形成されている。隙間３０１は、磁石間磁極片１０６が飽和状態となるのを防止するのに十分な磁性材料を提供する必要性により制限される。磁石間セグメント１０６はまた、磁石１０３を適所に確実に係止し、磁石を回転子磁極片１０７と密着させた状態に保つ。

図４は、回転子磁極片１０７の重ねられた積層がボルト４０１により適所に保持された図１の回転子の切欠き図を示している。磁石１０３およびセグメント１０６は、重ねられた回転子磁極片１０７間に嵌合され、それぞれのボルトにより保持される。中間板４０４は、磁極片１０７を機械的に支持するために設けられる。ボルト４０１は、軟鋼または高張力鋼から作製され、また、磁束がボルトを通過できるように磁性である。ボルト４０１はフランジ４０６に固着され、その反対側では、板４０２とナット４０９が、回転子磁極片１０７を一緒に締め付けかつ磁石１０３と磁石間セグメント１０６を軸１０５に対して保持するように機能する。組み立てを容易にするために、より長い回転子の磁石はまた、セグメント１０３’に縦分割される。軸１０５は、機械をエンジンにより発電機として動作させるときに機械を駆動するための雌テーパを有する。このテーパ駆動は、任意の適切な駆動と置き換えることができる。軸１０５の後端部には、端部支持のための軸受を受けるスタブ軸４０８がある。

図５は、本発明を実現する４極ＰＭ交流機５０を示している。機械５０は、図１に示す発電機の場合と同様に、固定子５００と、巻線５０１と、埋設された永久磁石５０３（すなわち、各極当たり１対）と、磁石間セグメント５０６と、中心軸５０５とを有する。同じような方法で、回転子磁極片５０７と同様に、固定孔５０２が設けられる。この４極回転子装置において、磁石長さ５１２の正確な比は、極セグメント５０４の１／２である寸法５１５である。この寸法により、最小の磁石体積に対して最大の磁束集中が達成される。磁石を２分割することにより達成される磁石体積の減少は、２極回転子で約３８％未満である。しかしながら、磁石の体積当たりの出力は、より高いエアギャップ磁束に起因して高くなる。これは、理想的な磁石対極弧比が４極設計で達成できるからである。中央空隙５０８は図１と同じ寸法の制約があるが、必要とされる４極の磁束線に沿うように湾曲した側面５１３を有する。同じく必要とされる磁束線に沿うように湾曲した輪郭を有する３つの磁束制御スロット５０９が存在する。図１の実施形態の場合よりも大きい軸寸法５１４を収容することができる。

図６Ａは、Ｘｄ軸線６０１が磁束線６０３間の中央にある、図５の４極の実施形態に関する無負荷での磁束線６０３を示している。２極構成と同じように、湾曲スロット５０９は、Ｘｄ軸線６０１と磁極軸線６０５を２等分する方向６０６に配向される。中央空隙５０８の湾曲側面５１３および湾曲スロット５０９が磁束線６０３に沿っていることが分かる。

図６Ｂは、全負荷下での４極回転子の磁束線６０３を示し、この図から、磁束の有効中心が軸線６０１から６０４へと円弧距離６０２だけ移動していることが分かる。これは、図５の４極の実施形態の磁束ドラッグ効果を例示している。また、図６Ａに示すように、巻線の電流が磁束線６０３を右に引っ張っていることが分かる。

図７は、磁束空隙または磁束制御スロットのない公知の２極の埋設磁石機械に関する負荷下での出力電圧波形／逆起電力を示している。図８は、２０％を超える全高調波歪み（ＴＨＤ）での約１９．０％の第３高調波成分および約７．０％の第５高調波成分を示す、図７の波形における高調波のプロットである。

図９は、近似正弦波形を表す、図１に示す機械に関する負荷下での出力電圧波形／逆起電力を示している。図１０は、４％未満のＴＨＤでの約１．０％の第３高調波成分および約１．５％の第５高調波成分を表す、図９の波形／逆起電力における高調波のプロットである。加えて、固定子をスキューすることにより、ＴＨＤが更に全体で５０〜６０％低減される。

他の実施形態において、巻線１０１を含む固定子１００のスロットについては、ＴＨＤを更に低減するために、固定子の長さ全体にわたって１つまたは複数のスロットをスキューすることができる。これにより、磁石により発生するスロット開口部を通過する高調波が低減される。回転子セグメント１１６を一緒に効果的に締め付けるために、スロットおよび空隙にダイカストアルミニウムを使用して、回転子を一体にダイカスト成形することができ、これにより締付ボルト４０１およびナット４０９が不要となる。回転子セグメント１０７における空隙およびスロットの副次的効果は、発電機として動作させる場合に負荷下での電圧調整を改善することである。電動機として動作させる場合、空隙およびスロットは、機械的負荷が増大するにつれて、トルク効率（Ｎｍ／Ａ）を改善する。

図示の実施形態において、発電機として動作させたときの無負荷から全負荷に至るまでに測定された電圧調整は、僅か±３％であった。また、改善されたＴＨＤおよび電圧調整の効果により、発電機の効率が高まる。

電動機として動作させたとき、公知の２極機と比較して、全負荷時に同じ電流に対して、伝達されるトルクに２０％の改善が観察された。加えて、逆起電力は良好な正弦波を示すので、高効率が全負荷範囲にわたって達成される。更に、負荷トルクが磁束を中心点から追いやるにつれて逆起電力が変化するとともに、この逆起電力の低下により電流が増加し、これは変動負荷に関して可変周波数電源にフィードバックが必要ないことを意味する（すなわち、完全なセンサレス制御を提供する）。機械設計は非線形トルク／逆起電力の関係を示すので、回転子が有効トルクを発生させることができ、極数の少ない電動機の始動を容易にする結果として得られる大きな角度が存在する。

上述では本発明のいくつかの実施形態のみを説明しているが、本発明の範囲および精神から逸脱することなく、これらの実施形態に対して修正および／または変更を行うことができ、実施形態は例示的なものであり、限定的なものではない。

Claims (7)

1. 巻線型固定子と、
   各々が、異極が向き合うように角方向に離間して配置された１対の永久磁石からなる少なくとも２つの磁極、前記各々の磁極間に位置する回転子磁極片、前記各々の回転子磁極片の中央に位置する三角形状の空隙、および、前記三角形状の空隙と隣接する磁石との間の前記回転子磁極片内に位置する複数の細長いスロットを含み、前記スロットが、無負荷状態で直軸インダクタンスと磁極軸線との間の角度を２等分する方向に配向されている回転子と、
   を備えた、永久磁石電機。
2. 前記三角形状の空隙および前記複数の細長いスロットは、負荷下の出力電圧波形の相対的な全高調波歪みが５％未満となるような寸法および位置とされる、請求項１に記載の永久磁石電機。
3. 前記回転子は、前記１対の永久磁石からなる２つの磁極を備え、かつ、前記三角形状の空隙と隣接する磁石との間に４つのスロットが存在する、請求項１に記載の永久磁石電機。
4. 前記回転子は、前記１対の永久磁石からなる４つの磁極を備え、かつ、前記三角形状の空隙と隣接する磁石との間に３つのスロットが存在する、請求項１に記載の永久磁石電機。
5. 前記各磁極の前記１対の永久磁石間に位置する三角形状のスペーサを更に含む、請求項１〜４のいずれか一項に記載の永久磁石電機。
6. 発電機として構成されている、請求項１〜５のいずれか一項に記載の永久磁石電機。
7. 電動機として構成されている、請求項１〜６のいずれか一項に記載の永久磁石電機。

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