JP6994199B2 - Permanent magnet rotor and rotating electric machine - Google Patents
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Description
本発明は、永久磁石回転子および回転電気機械に関し、さらに詳しくは、ロータコアに永久磁石が埋め込まれた永久磁石回転子、および、そのような永久磁石回転子を有する回転電気機械に関するものである。 The present invention relates to a permanent magnet rotor and a rotating electric machine, and more particularly to a permanent magnet rotor in which a permanent magnet is embedded in a rotor core, and a rotating electric machine having such a permanent magnet rotor.
永久磁石埋め込み(IPM)モータ等、永久磁石回転子を用いた回転電気機械においては、ロータコアに永久磁石を埋設したロータを製造するに際し、あらかじめ着磁した永久磁石をロータコアに埋め込むよりも、未着磁の永久磁石材料をロータコアに埋め込んだ状態で、着磁を行うことが多い。この際、ロータコアに埋め込んだ永久磁石材料全体を十分に着磁することが必要となる。 In a rotating electric machine using a permanent magnet rotor such as a permanent magnet embedded (IPM) motor, when manufacturing a rotor with a permanent magnet embedded in the rotor core, it is not attached rather than embedding a pre-magnetized permanent magnet in the rotor core. Magnetization is often performed with the permanent magnet material of magnetism embedded in the rotor core. At this time, it is necessary to sufficiently magnetize the entire permanent magnet material embedded in the rotor core.
例えば、特許文献1においては、永久磁石素材に異方性をもたせ、かつロータ(永久磁石回転子)を回転自在かつ軸心を回転中心に固定した状態にし、着磁の際、ロータ位置が正規の着磁位置からずれたとしても、永久磁石を正規の方向に磁化させ、マグネットトルクにより、ロータ位置を正規の着磁位置にもどし、結果として永久磁石素材を完全に着磁することが図られている。
For example, in
特許文献1のような着磁方法を採用したとしても、異方性を持った永久磁石材料の各部において、着磁用コイルとの位置関係に差が生じるため、印加される着磁磁界に不均一な分布が発生する。具体的には、図5に示すように、永久磁石96,97,98を埋設するスロット93,94,95のスロットの長手方向に沿って、ロータコア91の回転中心Rから遠い磁極の端に相当する軸(コイル方向軸Aとする)の位置においては、着磁コイル100に近くなるため、着磁磁界Hが強くなるのに対し、ロータコア91の回転中心Rに近い磁極の中央に相当する軸(中央軸Bとする)の位置においては、着磁コイル100から遠くなるため、着磁磁界Hが弱くなり、永久磁石材料の完全着磁を達成しにくい。このような着磁磁界Hが弱い位置においても、永久磁石材料の完全着磁を達成するためには、容量の大きな着磁電源を用いることが必要となる。
Even if the magnetizing method as in
この種のロータにおいては、ロータ90の回転によって遠心力が印加された際に、ロータコア91の機械強度を確保する観点から、図5に示すように、永久磁石96,97,98を埋設するスロット93,94,95が、中央軸B(回転子d軸)を挟んで2つに分割されていることが多い。この場合には、ロータ90が高速回転した際の機械的強度に対する懸念から、スロット93,94,95の中で、大きな遠心力が印加されにくい位置である、分割部中央のブリッジ99側の位置に、永久磁石96,97,98を寄せて配置するのが一般的である。すると、永久磁石96,97,98が配置された位置に、効率的に強い着磁磁界Hを印加することができず、完全着磁を達成するために、容量の大きな着磁電源を使用する必要性が特に高くなる。
In this type of rotor, as shown in FIG. 5, from the viewpoint of ensuring the mechanical strength of the
また近年、回転電気機械を、高温下での使用や大電流での使用に供する需要が高まるとともに、永久磁石に使用する重希土類元素の量を低減することが求められている。そこで、熱間加工磁石等、従来の永久磁石よりも結晶粒が微細化され、高保磁力を有する永久磁石が使用されるようになってきている。この種の高保磁力の熱間加工磁石は、着磁に強い磁界を必要とし、しかも、保磁力が高くなるほど、着磁に必要な磁界も強くなる。 Further, in recent years, there is an increasing demand for rotating electric machines to be used at high temperatures and at high currents, and it is required to reduce the amount of heavy rare earth elements used in permanent magnets. Therefore, permanent magnets having a higher coercive magnetic force have come to be used because the crystal grains are finer than those of conventional permanent magnets such as hot-worked magnets. This type of hot-worked magnet with high coercive force requires a strong magnetic field for magnetism, and the higher the coercive force, the stronger the magnetic field required for magnetism.
本発明が解決しようとする課題は、永久磁石の全域を着磁しやすい永久磁石回転子、および、そのような永久磁石回転子を有する回転電気機械を提供することにある。 An object to be solved by the present invention is to provide a permanent magnet rotor that easily magnetizes the entire area of a permanent magnet, and a rotating electric machine having such a permanent magnet rotor.
上記課題を解決するために、本発明にかかる永久磁石回転子は、ロータコアと、前記ロータコアに設けられたスロットに埋設され、磁極を構成する永久磁石とを有する永久磁石回転子において、前記ロータコアの回転中心に直交する断面において、前記スロットは、長手方向に沿って、前記ロータコアの回転中心からの距離が変化しており、前記スロットの長手方向に沿って、前記永久磁石に占められる部位が、前記永久磁石に占められない部位よりも、前記ロータコアの回転中心に対して径方向外側の位置に設けられた、外側磁石配置をとっている。 In order to solve the above problems, the permanent magnet rotor according to the present invention is a permanent magnet rotor having a rotor core and a permanent magnet embedded in a slot provided in the rotor core and forming a magnetic pole. In the cross section orthogonal to the center of rotation, the slot changes the distance from the center of rotation of the rotor core along the longitudinal direction, and the portion occupied by the permanent magnet is changed along the longitudinal direction of the slot. The outer magnet arrangement is provided at a position radially outer with respect to the rotation center of the rotor core than the portion not occupied by the permanent magnet.
ここで、前記スロットは、前記ロータコアの径方向に、層状に複数配列されており、層状に配列された前記複数のスロットのうち、前記ロータコアの最も外側に配置されたスロット以外の少なくとも1つに、前記永久磁石が、前記外側磁石配置をとって埋設されているとよい。 Here, a plurality of the slots are arranged in layers in the radial direction of the rotor core, and among the plurality of slots arranged in layers, at least one of the slots other than the outermost slot of the rotor core. It is preferable that the permanent magnet is embedded in the outer magnet arrangement.
この場合、層状に配列された前記複数のスロットのうち、少なくとも前記ロータコアの最も内側に配置されたスロットに、前記永久磁石が、前記外側磁石配置をとって埋設されているとよい。 In this case, it is preferable that the permanent magnet is embedded in at least the innermost slot of the rotor core among the plurality of slots arranged in a layered manner in the outer magnet arrangement.
そして、前記永久磁石が埋設されたスロットの形状を円弧に近似した際の中心が、そのスロットよりも前記ロータコアの外側に設けられたスロットを円弧に近似した際の中心に比べて、前記ロータコアの内側に位置するとよい。 Then, the center of the rotor core when the shape of the slot in which the permanent magnet is embedded is approximated to an arc is compared with the center when the slot provided outside the rotor core is approximated to an arc. It should be located inside.
前記永久磁石は、前記スロットの長手方向に沿った両端の位置に、前記外側配置をとって埋設されているとよい。 It is preferable that the permanent magnets are embedded in the outer arrangement at positions at both ends along the longitudinal direction of the slot.
この場合、前記スロットの両端の位置に埋設された前記永久磁石のそれぞれの形状を円弧に近似した際の中心は、前記スロットの中央を通る前記ロータコアの径方向に沿った直線を挟んで、それぞれの永久磁石が設けられたのと反対側に向かって、相互に離れているとよい。 In this case, when the shape of each of the permanent magnets embedded at the positions at both ends of the slot is approximated to an arc, the center thereof sandwiches a straight line along the radial direction of the rotor core passing through the center of the slot. It is recommended that they are separated from each other toward the opposite side of the permanent magnets provided.
そして、前記スロットは、前記永久磁石が埋設された長手方向両端部に位置する2つの磁石埋設スロットと、前記2つの磁石埋設スロットの間に位置し、前記永久磁石が埋設されないフラックスバリアと、に分割されているとよい。 The slots are located in two magnet-embedded slots located at both ends in the longitudinal direction in which the permanent magnets are embedded, and a flux barrier located between the two magnet-embedded slots in which the permanent magnets are not embedded. It should be divided.
この場合、前記磁石埋設スロットに埋設された前記永久磁石の長手方向に交差する厚みよりも、前記フラックスバリアの厚みの方が大きいとよい。 In this case, it is preferable that the thickness of the flux barrier is larger than the thickness of the permanent magnets embedded in the magnet embedding slot that intersect in the longitudinal direction.
本発明にかかる回転電気機械は、上記の永久磁石回転子を有するものである。 The rotary electric machine according to the present invention has the above-mentioned permanent magnet rotor.
上記発明にかかる永久磁石回転子においては、外側磁石配置がとられており、スロット内で、ロータコアの径方向外側の位置に寄せて、永久磁石が埋設されている。永久磁石材料をロータコアに埋設した状態で着磁を行うに際し、ロータコアの径方向外側の位置においては、着磁コイルに近くなるため、着磁磁界が強くなる。そのような位置に永久磁石材料を配置しておくことで、永久磁石材料の着磁が容易となり、着磁電源として過度に容量の大きなものを用いなくても、永久磁石材料の全域において、完全着磁を達成できる。 In the permanent magnet rotor according to the above invention, the outer magnet arrangement is adopted, and the permanent magnet is embedded in the slot toward the position on the radial outer side of the rotor core. When magnetizing with the permanent magnet material embedded in the rotor core, the magnetizing magnetic field becomes stronger at the position outside the radial direction of the rotor core because it is closer to the magnetizing coil. Placing the permanent magnet material in such a position facilitates magnetization of the permanent magnet material and completes the entire area of the permanent magnet material without using an excessively large capacity as a magnetizing power source. Magnetization can be achieved.
さらに、ロータコアの径方向外側の位置に、永久磁石を配置しておくことで、d軸磁束経路における磁気抵抗が高くなり、ロータコアに生じるリラクタンストルクが向上される。その結果、同一電流制約下での回転電気機械の最大出力トルクを向上させることができる。 Further, by arranging the permanent magnet at a position outside the radial direction of the rotor core, the magnetic resistance in the d-axis magnetic flux path is increased, and the relaxation torque generated in the rotor core is improved. As a result, the maximum output torque of the rotating electric machine under the same current constraint can be improved.
ここで、スロットが、ロータコアの径方向に、層状に複数配列されており、層状に配列された複数のスロットのうち、ロータコアの最も外側に配置されたスロット以外の少なくとも1つに、永久磁石が、外側磁石配置をとって埋設されている場合には、そのようにロータコアの径方向内側に配置された層においては、着磁コイルからの距離が遠くなり、磁石を通過する着磁磁界が大幅に弱くなるのに対し、永久磁石が外側磁石配置をとることで、磁石を通過する着磁磁界が弱くなる影響を僅かに抑え、効率的に着磁を行うことができる。 Here, a plurality of slots are arranged in layers in the radial direction of the rotor core, and among the plurality of slots arranged in layers, at least one of the slots other than the slot arranged on the outermost side of the rotor core has a permanent magnet. When embedded with an outer magnet arrangement, in such a layer arranged radially inside the rotor core, the distance from the magnetizing coil becomes long, and the magnetizing magnetic field passing through the magnet becomes large. By arranging the outer magnets of the permanent magnets, the effect of weakening the magnetizing magnetic field passing through the magnets can be slightly suppressed, and magnetization can be performed efficiently.
この場合、層状に配列された複数のスロットのうち、少なくともロータコアの最も内側に配置されたスロットに、永久磁石が、外側磁石配置をとって埋設されている構成によれば、ロータコアの最も内側に配置されたスロットの位置では、最も着磁磁界が弱くなるが、永久磁石が外側磁石配置をとることで、着磁磁界が弱くなる影響を僅かに抑え、着磁の効率を高めることができる。 In this case, according to the configuration in which the permanent magnets are embedded in at least the innermost slot of the rotor core among the plurality of layers arranged in a layered manner in the outer magnet arrangement, the permanent magnet is embedded in the innermost part of the rotor core. At the position of the arranged slot, the magnetizing magnetic field is the weakest, but by adopting the outer magnet arrangement of the permanent magnets, the influence of the weakening of the magnetizing magnetic field can be slightly suppressed and the magnetizing efficiency can be improved.
そして、永久磁石が埋設されたスロットの形状を円弧に近似した際の中心が、そのスロットよりもロータコアの外側に設けられたスロットを円弧に近似した際の中心に比べて、ロータコアの内側に位置する構成によれば、永久磁石が埋設されたスロットの形状を円弧に近似した際の中心が、そのスロットよりも外側の層のスロットを円弧に近似した際の中心と一致している場合よりも、埋設された永久磁石の全域が、ロータコアの回転中心に対して径方向外側の位置を占めやすくなる。その結果、埋設された永久磁石の全域に対して、着磁を行いやすくなる。 Then, the center when the shape of the slot in which the permanent magnet is embedded is approximated to an arc is located inside the rotor core as compared with the center when the slot provided outside the slot is approximated to an arc. According to the configuration, the center when the shape of the slot in which the permanent magnet is embedded is approximated to an arc is more than the center when the slot of the layer outside the slot is approximated to the arc. , The entire area of the embedded permanent magnets tends to occupy a position radially outer with respect to the center of rotation of the rotor core. As a result, it becomes easy to magnetize the entire area of the embedded permanent magnet.
永久磁石が、スロットの長手方向に沿った両端の位置に、外側配置をとって埋設されている場合には、スロット内に離れて配置された永久磁石のそれぞれが、外側磁石配置をとることにより、着磁磁界を強くしやすくなる。 When the permanent magnets are embedded in the outer arrangement at both ends along the longitudinal direction of the slot, each of the permanent magnets arranged apart in the slot has the outer magnet arrangement. , It becomes easy to strengthen the magnetizing magnetic field.
この場合、スロットの両端の位置に埋設された永久磁石のそれぞれの形状を円弧に近似した際の中心が、スロットの中央を通るロータコアの径方向に沿った直線を挟んで、それぞれの永久磁石が設けられたのと反対側に向かって、相互に離れている構成によれば、それぞれの永久磁石の中心が上記直線上にある場合に比べて、それぞれの永久磁石が、ロータコアの回転中心に対して、さらに径方向外側の位置を占めやすくなる。その結果、埋設された永久磁石の全域に対して、さらに着磁を行いやすくなる。 In this case, the center of the permanent magnets embedded at both ends of the slot, when the shape of each permanent magnet is approximated to an arc, sandwiches a straight line along the radial direction of the rotor core passing through the center of the slot. According to the configuration in which the permanent magnets are separated from each other toward the opposite side to the provided side, each permanent magnet is relative to the rotation center of the rotor core as compared with the case where the center of each permanent magnet is on the above straight line. Therefore, it becomes easier to occupy the position on the outer side in the radial direction. As a result, it becomes easier to magnetize the entire area of the embedded permanent magnet.
そして、スロットが、永久磁石が埋設された長手方向両端部に位置する2つの磁石埋設スロットと、2つの磁石埋設スロットの間に位置し、永久磁石が埋設されないフラックスバリアと、に分割されている場合には、フラックスバリアを設けることで、ロータコアの径方向内側に位置し、着磁磁界が弱くなりやすい磁石埋設スロットの間の位置を有効に活用して、着磁時の磁束の漏れを低減することができるとともに、着磁後の状態において、回転電気機械の運転時に永久磁石回転子に生じるリラクタンストルクを向上させることができる。 Then, the slot is divided into two magnet-embedded slots located at both ends in the longitudinal direction in which the permanent magnet is embedded and a flux barrier located between the two magnet-embedded slots in which the permanent magnet is not embedded. In some cases, by providing a flux barrier, the position between the magnet-embedded slots located inside the rotor core in the radial direction and where the magnetizing magnetic field tends to be weak is effectively utilized to reduce the leakage of magnetic flux during magnetizing. In addition, it is possible to improve the relaxation torque generated in the permanent magnet rotor during the operation of the rotating electric machine in the state after magnetization.
この場合、磁石埋設スロットに埋設された永久磁石の長手方向に交差する厚みよりも、フラックスバリアの厚みの方が大きい構成によれば、上記のようなフラックスバリアの設置による効果が、特に大きくなる。 In this case, according to the configuration in which the thickness of the flux barrier is larger than the thickness of the permanent magnets embedded in the magnet burial slot intersecting in the longitudinal direction, the effect of installing the flux barrier as described above becomes particularly large. ..
上記発明にかかる回転電気機械は、上記の永久磁石回転子を有するため、永久磁石回転子に埋設された永久磁石の全域において、着磁を行いやすく、過度に容量の大きな着磁電源を用いなくても、完全着磁を達成しやすい。また、高いリラクタンストルクが得られ、同一電流制約下で、高い最大出力トルクを実現することができる。 Since the rotary electric machine according to the above invention has the above-mentioned permanent magnet rotor, it is easy to magnetize the entire area of the permanent magnet embedded in the permanent magnet rotor, and it is not necessary to use a magnetizing power supply having an excessively large capacity. However, it is easy to achieve complete magnetization. In addition, a high reluctance torque can be obtained, and a high maximum output torque can be realized under the same current constraint.
以下、本発明の第一の実施形態にかかる永久磁石回転子および回転電気機械について、図面を参照しながら詳細に説明する。 Hereinafter, the permanent magnet rotor and the rotating electric machine according to the first embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[1]第一の実施形態
[回転電気機械の構成]
本発明の第一の実施形態にかかる回転電気機械1の概略を、回転中心Rに直交する横断面図として、図1に示す。回転電気機械1は、本発明の一実施形態にかかる永久磁石回転子10を有している。本明細書においては、回転電気機械1がモータである場合を中心に説明するが、発電機である場合にも、同様の構成を適用することができる。
[1] First Embodiment [Structure of a rotary electric machine]
The outline of the rotary
回転電気機械1は、永久磁石埋め込み(IPM)モータとして構成されている。モータ1は、中空筒状のステータ(固定子)30と、ステータ30の中空部内に、同軸状に、軸回転可能に支持されたロータ(永久磁石回転子)10と、を有している。
The rotary
ステータ30は、ステータコア31と、コイル(不図示)とを有している。ステータコア31は、複数の電磁鋼板を積層してなるものであり、円環形状のバックヨーク部31aと、バックヨーク部31aから円環形状の内側に向かって突出した複数のティース31bを、一体に備えている。そして、各ティース31bの外周に、コイルが巻き回されている。
The
ロータ10は、略円柱状の外形を有するロータコア11と、ロータコア11に埋設された複数の永久磁石16,17,18とを有している。ロータコア11の中心部には、駆動軸40を挿通可能な中空部12が貫通されている。ロータ10をステータ30の中空部12に同軸状に収容した状態で、ステータコア31のティース31bとロータコア11の外周面の間には、エアギャップ50が確保される。ロータ10の構成の詳細について、次に説明する。
The
[永久磁石回転子の構成の概略]
上記のように、ロータ(永久磁石回転子)10は、ロータコア11と、永久磁石16,17,18とを有している。ロータ10の構成を、図1,2に示す。図2は、ロータ10の磁極1つ分を示したものであり、永久磁石16,17,18の極性を磁極ごとに交互に変えながら、複数(ここでは8個)の磁極を回転対称に連続的に配置したものが、図1のようなロータ10の全体構造となる。なお、以下では、「周方向」「内周」「外周」「径方向」「外側」「内側」等、回転体における方向を示す語は、特記しないかぎり、ロータコア11についての方向を指すものとする。
[Outline of the configuration of the permanent magnet rotor]
As described above, the rotor (permanent magnet rotor) 10 has a
ロータコア11は、複数層の電磁鋼板を積層して構成されており、略円柱形状の外形を有している。ロータコア11には、軸方向に貫通または陥没した空隙として、永久磁石を埋め込み可能なスロット13,14,15が形成される。
The
スロット13,14,15は、ロータコア11の回転中心R側に向かって凸な弧形状を有している。スロット13,14,15の具体的な形状は特に限定されるものではないが、ここでは、それぞれが、略円弧形状を有している。つまり、各スロット13,14,15において、ロータコア11の内周側に位置する内周側端縁と、ロータコア11の外周側に位置する外周側端縁が、それぞれ、ロータコア11の内側に向かって凸な円弧として形成されている。
The
スロットの層数は特に限定されるものではないが、本実施形態においては、リラクタンストルク向上等の観点から、永久磁石を埋設できるスロットを多層に設けている。つまり、ロータコア11の径方向に、複数層(ここでは3層)のスロット13,14,15を、相互に離間させて配置している。本実施形態においては、3層のスロット13,14,15が、同心円弧状に配置されている。最内層、中間層、最外層の各層を構成するスロット13,14,15は、ロータコア11の径方向に交差した長手方向に、中央軸B(磁極の中央を通る軸;回転子d軸)を挟んで、それぞれ2つに分割されている。それぞれ2つに分割されたスロット13,14,15は、ブリッジ19を介して、ロータコア11の周方向に隣接している。
The number of layers of the slots is not particularly limited, but in the present embodiment, slots in which permanent magnets can be embedded are provided in multiple layers from the viewpoint of improving reluctance torque and the like. That is, the
3層のスロット13,14,15には、それぞれ、永久磁石16,17,18が埋設されている。スロット13,14,15が略円弧形状を有することに対応し、永久磁石16,17,18も、略円弧形状を有している。また、スロット13,14,15がそれぞれ2つに分割されていることと対応し、各層の永久磁石16,17,18も、それぞれ2つに分割されている。
永久磁石16,17,18は、後に詳しく説明するように、スロット13,14,15の円弧形状の長手方向に沿って、スロット13,14,15の一部の領域しか占めていないが、スロット13,14,15の外周側端縁と内周側端縁を結ぶ厚み方向には、スロット13,14,15の略全域を占めている。スロット13,14,15のうち、永久磁石16,17,18に占められない領域である空隙部13a,14a,15aは、永久磁石16,17,18の磁束やコイルからの磁束の漏れ(ロータコア11内での磁束の短絡)を低減する役割を果たす。
永久磁石16,17,18の種類は、特に限定されるものではないが、金属磁石であることが好ましい。さらには、金属磁石材料の微結晶粒より構成された熱間加工磁石であることが好ましい。
The types of
また、ロータコア11においては、各スロット13,14,15の内周側の部位と外周側の部位との間をつなぐブリッジ19が、ロータコア11の各所に、ロータコア11と一体に形成されている。各ブリッジ19は、ロータ10を軸回転させた際に、遠心力の作用によって、ロータコア11の外周側の部位が内周側の部位から分離すること、またスロット13,14,15に埋設した永久磁石16,17,18が飛散することを防止する役割を果たす。本実施形態においては、各層のスロット13,14,15および永久磁石16,17,18、ブリッジ19をはじめ、ロータ10の各構成要素が、ロータコア11の径方向に沿った中央軸Bに対して、対称に配置されている。
Further, in the
本実施形態においては、スロット13,14,15における永久磁石16,17,18の配置を規定することの効果によって、永久磁石材料をロータコア11に埋設した状態での着磁が、行いやすくなっている。また、ロータ10に発生するリラクタンストルクを向上させることができる。以下に、永久磁石16,17,18の配置およびその効果について、主に図2を参照しながら、詳細に説明する。
In the present embodiment, the effect of defining the arrangement of the
[永久磁石の配置]
本実施形態にかかるロータ10においては、各スロット13,14,15に埋設された永久磁石16,17,18が、各スロット13,14,15の円弧形状の長手方向に沿って、一部の領域のみを占めている。
[Arrangement of permanent magnets]
In the
具体的には、ロータコア11の回転中心Rに直交する断面において、各スロット13,14,15の長手方向に沿って、永久磁石16,17,18に占められる部位が、永久磁石16,17,18に占められない空隙部13a,14a,15aよりも、ロータコア11の径方向外側の位置に配置された、外側磁石配置をとっている。ここで、ロータコア11の径方向外側の位置とは、ロータコア11の回転中心Rからの距離が相対的に遠い位置であり、スロット13,14,15の円弧形状に沿って、中央軸Bから離れ、コイル方向軸Aに近づく位置を指す。換言すると、ロータ10をモータ1に組み込んだ状態で、エアギャップ50側の位置となる。
Specifically, in the cross section orthogonal to the rotation center R of the
本実施形態においては、各スロット13,14,15の長手方向に沿った両端の位置に、永久磁石16,17,18が、外側磁石配置をとって埋設されている。つまり、2分割された各スロット13,14,15において、長手方向に沿って最も外側の位置に寄せて、永久磁石16,17,18が配置されており、その永久磁石16,17,18よりも長手方向に沿って内側の位置に、空隙部13a,14a,15aが配置されている。なお、永久磁石16,17,18は、空隙部13a,14a,15aよりも、各スロット13,14,15の長手方向に沿って、外側に配置されていればよく、必ずしもスロット13,14,15の長手方向の最も外側の位置に寄せて配置されなくてもよい。例えば、スロット13,14,15の長手方向外側(コイル方向軸A側)の端縁と、永久磁石16,17,18の間に、ある程度の長さの空間が形成される場合がある。このような空間としては、例えば、ロータコア11にスロット13,14,15を形成する時に、加工工程に由来してスロット13,14,15の端部に不可避的に生じるR形状に起因するものを挙げることができる。そのように、スロット13,14,15の長手方向に沿って、永久磁石16,17,18よりも外側の位置に空間が形成される場合にも、その空間が、永久磁石16,17,18よりも内側に設けられた空隙部13a,14a,15aよりも、スロット13,14,15の長手方向に沿った長さにおいて短くなっていれば、構わない。
In the present embodiment, the
図5に示すように、スロット93,94,95が2つに分割された形態の従来一般のロータ90においては、永久磁石がロータコア91の径方向内側に配置されるほど、永久磁石96,97,98に印加される遠心力が小さくなるため、高速回転時のロータコア91の機械的強度を確保できると考えられてきたこと等により、永久磁石96,97,98が、スロット93,94,95の長手方向に沿って、ロータコア91の径方向内側、つまり中央軸B側に寄せて配置する、内側磁石配置がとられている。この場合には、永久磁石材料をスロット93,94,95に埋め込んで着磁を行う際に、コイル方向軸Aに沿ってロータコア91の外に配置した着磁コイル100からの距離が遠い、中央軸B近傍の位置において、着磁磁界Hが弱くなる。永久磁石材料は、この着磁磁界Hが弱い位置に配置されるため、着磁を受けにくく、完全着磁を達成するためには、容量の大きな着磁電源が必要となる。
As shown in FIG. 5, in the conventional
これに対し、図1,2の本実施形態にかかるロータ10においては、外側磁石配置がとられ、永久磁石材料が、着磁磁界H(図2では不図示)が弱くなる中央軸Bの位置ではなく、着磁コイル100(図2では不図示)に近く、着磁磁界Hの強いコイル方向軸A側の位置に配置されている。よって、強い着磁磁界Hを利用して、永久磁石材料の着磁を行いやすい。それほど容量の大きな着磁電源を用いなくても、完全着磁を達成することが可能となる。
On the other hand, in the
ロータコア11において、径方向内側に当たる位置ほど、着磁磁界Hが弱くなる。つまり、3層のスロット13,14,15のうち、内層側のスロットほど、中央軸B側の位置に印加される着磁磁界Hが弱くなる。よって、内側のスロットほど、長手方向に沿って、内側ではなく外側の位置に永久磁石を配置することによる、着磁効率の向上の効果が、大きく得られる。
In the
特に、本実施形態にかかるロータ10においては、永久磁石16,17,18として、金属磁石材料の微結晶粒より構成される熱間加工磁石を用いており、完全着磁には強い磁界が必要となる。粒径500nm以下程度の微結晶粒よりなる熱間加工磁石においては、未着磁の状態において、磁壁を隔てて複数の磁区が形成された多磁区結晶粒と、単一の磁区よりなる単磁区結晶粒とが混在しているが、永久磁石16,17,18を完全着磁するためには、比較的低磁界で起こる磁壁移動による多磁区結晶粒の完全着磁に加え、高磁界が必要な、粒子間での磁化容易軸の配向による単磁区結晶粒の完全着磁を達成する必要があるからである。典型的には、完全着磁に必要な磁界は20kOe以上となり、さらに、永久磁石16,17,18の保磁力が大きくなるほど、完全着磁に必要な磁界も増大する。
In particular, in the
このように着磁が困難な熱間加工磁石を用いる場合でも、本実施形態にように、ロータコア11に設けられたスロット13,14,15の長手方向に沿って、外側の位置に永久磁石16,17,18を埋設した外側磁石配置をとることで、完全着磁を行いやすくなる。この種の熱間加工磁石は、従来一般の焼結磁石と比較して、重希土類元素の含有量を少なくして、高い保磁力を達成できるものであり、材料コストの削減や、大電流用途や高温での使用が見込まれるモータへの適用に適しており、過剰に容量の大きい着磁電源を用いずに完全着磁を達成できるようにすることで、それら熱間加工磁石の材料特性を十分に活用したモータ1を実現できる。
Even when a hot-worked magnet that is difficult to magnetize is used as described above, the
さらに、本実施形態にかかるロータ10においては、スロット13,14,15の長手方向に沿って、外側の位置に永久磁石16,17,18を配置する外側磁石配置を採用していることにより、図5に示した従来一般の形態のように、内側の位置に永久磁石96,97,98を配置する内側磁石配置と比較して、ロータ10を組み込んだモータ1において、リラクタンストルクを向上させることができる。スロット13,14,15の長手方向に沿って内側の、中央軸B(回転子d軸)に近い位置に空隙部13a,14a,15aが配置されていることで、d軸磁束経路における磁気抵抗が高くなるからである。リラクタンストルクの向上により、同一電流制約のもとでのモータ1の最大出力トルクを、向上させることができる。
Further, in the
上記のように、従来一般には、ロータコア91の機械的強度の確保等の観点から、永久磁石96,97,98が内側配置をとるように構成されてきたが、後の実施例に示すように、永久磁石が外側配置をとる場合と内側配置をとる場合とで、ロータコアに印加される応力に、大きな差は生じない。よって、外側磁石配置を採用しても、内側磁石配置とほぼ同様の機械的強度を確保することができる。外側磁石配置と内側磁石配置とで、永久磁石に作用する遠心力が異なるとしても、ロータコアの機械的強度は、それによって大きな影響を受けない。
As described above, in general, the
なお、本実施形態においては、スロット13,14,15、および永久磁石16,17,18を、中央軸Bを中心に2分割された略円弧形状としているが、具体的な形状はそのようなものに限られず、ロータコア11の回転中心Rからスロット13,14,15の各部までの距離が、スロット13,14,15の長手方向に沿って変化しており、そのスロット13,14,15の中で、永久磁石16,17,18に占められる部位が、永久磁石16,17,18に占められない部位よりも、ロータコア11の回転中心Rに対して、径方向外側の位置に設けられていればよい。分割の有無および分割数も限定されない。また、本実施形態においては、3層のスロット13,14,15を設け、3層全てのスロット13,14,15において、外側磁石配置にて永久磁石16,17,18を埋設しているが、全スロットの層数、また複数層のスロットのうちで永久磁石を埋設するスロットの選択は、最も外側に配置された層以外の少なくとも1つに、外側磁石配置で永久磁石を埋設するようにすれば、特に限定されるものではない。この場合、最も外側に配置された層においては、永久磁石が埋設されても、されなくてもよく、埋設される場合のスロット内での配置も、特に限定されない。
In the present embodiment, the
また、スロット13,14,15および永久磁石16,17,18の具体的な寸法も、任意に設定すればよい。例えば、図示した形態では、3層の永久磁石16,17,18の厚み(外周側端縁と内周側端縁の間の寸法)が、3層でほぼ同じになっているが、相互に異ならせてもよい。その場合、最内層、中間層、最外層の永久磁石16,17,18の厚みをそれぞれL1,L2,L3として、L1≧L2≧L3、さらに好ましくは、L1>L2≧L3、またL1>L2>L3とするとよい。それにより、永久磁石16,17,18の不可逆減磁を回避しやすくなる。ロータコア11における局所磁束集中により、永久磁石の不可逆減磁が起こる可能性があるが、そのような不可逆減磁は、ロータコア11の径方向内側の位置で特に起こりやすいからである。
Further, the specific dimensions of the
[2]第二の実施形態
次に、図3,4に基づき、本発明の第二の実施形態にかかるロータ10’について説明する。第二の実施形態にかかるロータ10’も、上記第一の実施形態にかかるロータ10と同様、モータ等の回転電気機械を構成しうるものである。以下では、上記第一の実施形態にかかるロータ10と差異を有する部分を中心に説明し、第一の実施形態にかかるロータ10と共通する構成については、図中に同じ符号を付して示すとともに、説明を省略する。
[2] Second Embodiment Next, the rotor 10'according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 3 and 4. The rotor 10'according to the second embodiment can also form a rotary electric machine such as a motor, like the
本実施形態にかかるロータ10’においては、図3に示すように、最内層スロット13’が、1対の磁石埋設スロット13bと、フラックスバリア13cの、3つの領域に分割されている。1対の磁石埋設スロット13bは、最内層スロット13’の長手方向両端部に位置し、フラックスバリア13cは、それら磁石埋設スロット13bの間に位置している。
In the rotor 10'according to the present embodiment, as shown in FIG. 3, the innermost layer slot 13'is divided into three regions of a pair of magnet-embedded
磁石埋設スロット13bには、それぞれ、2つに分割された永久磁石16が埋設されている。図示した形態では、永久磁石16は、磁石埋設スロット13bの全域を占めて埋設されているが、磁石埋設スロット13b内に空隙が残される場合には、永久磁石16は、各磁石埋設スロット13bの長手方向外側の位置に配置されることが好ましい。
フラックスバリア13cは、ロータコア11に、軸方向に貫通または陥没した空隙として設けられ、空隙のまま維持されている。あるいは、非磁性体が充填されてもよい。フラックスバリア13cの形状は特に限定されるものではないが、本実施形態においては、略円弧形状をとり、中央軸Bに関して対称に配置されている。フラックスバリア13cと2つの磁石埋設スロット13bは、ブリッジ20を介して隣接している。
The
フラックスバリア13cは、必須に設けられるものではないが、設けておくことで、永久磁石材料を着磁する際の磁束の漏れを低減し、着磁磁界Hが永久磁石材料に効果的に印加されるようにする役割を果たす。また、着磁後のロータ10’において、d軸磁束経路の磁気抵抗を高め、リラクタンストルクを向上させることにも効果を有する。図5に示すように、最内層スロット13’の長手方向中央部の位置は、着磁磁界Hが特に弱くなりやすい場所であり、永久磁石16を配置しても着磁の効率の悪いそのような位置を利用して、フラックスバリア13cを設けることで、外側磁石配置をとることによる永久磁石材料への強い着磁磁界Hの印加と、フラックスバリア13cの設置による着磁時の磁束漏れの抑制の両方の結果として、着磁の効率を効果的に高めることができる。
Although the
本実施形態におけるフラックスバリア13cは、上記第一の実施形態において、永久磁石16に占められた領域よりも最内層スロット13の長手方向内側に設けられた、永久磁石16に占められない空隙部13aに対応付けることができる。空隙部13aを永久磁石16が埋設された部位とブリッジ20によって区画するとともに、中央軸Bの両側の空隙部13aを1つに連続させたものを、フラックスバリア13cとみなすことができる。
In the first embodiment, the
フラックスバリア13cの厚みは、最内層の永久磁石16、および磁石埋設スロット13bの厚みよりも大きくなっていることが好ましい。ここで、フラックスバリア13c、および永久磁石16、磁石埋設スロット13bの厚みとは、それぞれの外周側端縁と内周側端縁の間の距離であり、それらの円弧形状の長手方向に交差する方向の寸法である。フラックスバリア13cの厚みを大きくすることで、上記のように、着磁時の磁束の漏れを抑制する効果、および着磁後の状態でリラクタンストルクを向上させる効果が特に高くなる。それらの効果を十分に高める観点から、フラックスバリア13cの厚みは、磁石埋設スロット13bの厚みの1.3倍以上とすることが好ましい。
The thickness of the
さらに、本発明の第二の実施形態にかかるロータ10’においては、スロット13’,14,15の部分を拡大した図4に示すように、最内層スロット13’を構成する磁石埋設スロット13bの円弧形状の中心c3a,c3bが、それよりも外側の層である中間層スロット14および最外層スロット15の円弧形状の中心c1よりも、ロータコア11の径方向に沿って内側に位置している。そして、1対の磁石埋設スロット13bのそれぞれの円弧形状の中心c3a,c3bは、1対の磁石埋設スロット13bの中間の位置、つまり最内層スロット13’の中央の位置を通るロータコア11の径方向に沿った直線である中央軸Bを挟んで、それぞれの磁石埋設スロット13bが設けられたのと反対の方向に、相互に離れている。つまり、中央軸Bの左側の磁石埋設スロット13bの中心c3aが、中央軸Bの右側にずれており、中央軸Bの右側の磁石埋設スロット13bの中心c3bが、中央軸Bの左側にずれている。なお、2つの磁石埋設スロット13bの円弧形状の中心c3a,c3bは、それぞれに埋設された永久磁石16の円弧形状の中心と一致している。
Further, in the rotor 10'according to the second embodiment of the present invention, as shown in FIG. 4 in which the portions of the
最内層スロット13’を構成する磁石埋設スロット13bの中心の位置が、中間層スロット14および最外層スロット15の中心c1の位置と一致するとすれば、上記第一の実施形態の場合と同様に、3層のスロット13’,14,15が同心円弧状に配置された状態となるはずである。この同心状の最内層スロット13’における磁石埋設スロット13bの配置を、第一配置P1として、図4中にハッチングを付して示す。
Assuming that the position of the center of the magnet-embedded
図4中に矢印で示すように、最内層の磁石埋設スロット13bの中心を、中間層スロット14および最外層スロット15の中心c1の位置から、ロータコア11の径方向内側にずらして、中心c2とすると、中間層スロット14および最外層スロット15の中心c1の位置と一致している第一配置P1と比較して、磁石埋設スロット13bの長手方向が、中間層スロット14および最外層スロット15の長手方向よりも、中央軸Bに平行に近づく角度に、立った状態となる。この時の磁石埋設スロット13bの配置を、第二配置P2として、図4中に破線にて示す。この際、2つの磁石埋設スロット13bが、中央軸Bを挟んで相互に離れて、それぞれロータコア11の外周側に近づくことになる。このような第二配置P2となった磁石埋設スロット13bに永久磁石16を埋設すると、各永久磁石16は、第一配置P1におけるよりも、ロータコア11の径方向外側の位置(ロータコア11の回転中心Rから遠い位置)に配置されることになる。
As shown by an arrow in FIG. 4, the center of the magnet-embedded
そして、中心c1に対して中央軸Bに沿って径方向内側にずれた中心c2から、さらに、図4中に矢印で示すように、2つの磁石埋設スロット13bのそれぞれの中心を、中央軸Bを挟んで両側にずらして、中心c3a,c3bとする。この際、各磁石埋設スロット13bの長手方向外側の端縁の位置を変化させないようにすれば、各磁石埋設スロット13bは、ますます中央軸Bに平行に近づく角度に、立つことになる(第三配置P3)。その結果、各磁石埋設スロット13bに埋設される永久磁石16は、ますますロータコア11の径方向外側の位置に配置されることになる。
Then, from the center c2 displaced inward in the radial direction along the central axis B with respect to the center c1, further, as shown by an arrow in FIG. 4, the center of each of the two magnet-embedded
このように、最内層の磁石埋設スロット13bの中心の位置を、中間層スロット14および最外層スロット15の中心の位置よりも径方向内側にずらすことにより(中心c1→中心c2)、磁石埋設スロット13bに配置した永久磁石16の全域が、着磁の際に用いられる着磁コイル100に近づく。その結果、第一配置P1の場合よりも、最内層の永久磁石材料の全域の着磁を行いやすくなる。そして、径方向内側にずらした磁石埋設スロット13bの中心を、さらに中央軸Bを挟んで両側にずらすことにより(中心c2→中心c3a,c3b)、磁石埋設スロット13bに配置した永久磁石16の全域が、ますます着磁コイル100に近づき、最内層の永久磁石材料の全域の着磁を、ますます行いやすくなる。
In this way, by shifting the center position of the
なお、磁石埋設スロット13bが円弧形状以外の形状をとる場合にも、その形状を円弧に近似した際の中心が、上記のような配置をとるようにすればよい。また、最内層スロット13’を構成する磁石埋設スロット13bを、上記のような中心配置をとるように構成することで、着磁の効率の向上に関して、特に高い効果が得られるが、最内層よりも外側の層を構成するスロット、ここでは中間層スロット14についても、同様に、そのスロットよりも外側のスロット、ここでは最外層スロット15に比べて、中心がロータコア11の径方向内側に位置するように、構成してもよい。さらに、2つに分割されたスロットの中心を、中央軸Bを挟んで両側にずらして構成してもよい。これらの構成により、その層のスロットに埋設される永久磁石において、着磁効率の向上の効果が得られる。
Even when the
以下、実施例を用いて本発明を詳細に説明する。ここでは、スロットにおける永久磁石の位置の違いによる、機械的強度、着磁磁界の分布、出力トルクへの影響を検証した。 Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to examples. Here, the effects on the mechanical strength, the distribution of the magnetized magnetic field, and the output torque due to the difference in the position of the permanent magnet in the slot were examined.
[1]機械的強度の検討
まず、スロットにおける永久磁石の配置によって、ロータコアの機械的強度に生じる影響について、検討した。
[1] Examination of mechanical strength First, the influence of the arrangement of permanent magnets in the slots on the mechanical strength of the rotor core was examined.
(解析方法)
ロータのモデルとして、以下の3種を準備した。第一のモデルは、従来一般の形態にかかるものであり、永久磁石が内側磁石配置をとっており、スロットの長手方向内側の端部に寄せて配置されている。ここでは、スロットを3層とし、最外層を含め、全スロットに、永久磁石を内側磁石配置で配置している。フラックスバリアは形成していない。
(analysis method)
The following three types of rotor models were prepared. The first model is of the conventional general form, in which the permanent magnets have an inner magnet arrangement and are arranged closer to the inner end of the slot in the longitudinal direction. Here, the slots have three layers, and permanent magnets are arranged in the inner magnet arrangement in all the slots including the outermost layer. No flux barrier is formed.
第二のモデルは、本発明の第一の実施形態と同様に、永久磁石が外側磁石配置をとっており、スロットの長手方向外側の端部に寄せて配置されている。ここでも、スロットを3層とし、最外層を含め、全スロットに、永久磁石を外側磁石配置で配置している。フラックスバリアは形成していない。 In the second model, as in the first embodiment of the present invention, the permanent magnets have an outer magnet arrangement and are arranged closer to the outer end of the slot in the longitudinal direction. Here, too, the slots are made up of three layers, and permanent magnets are arranged in the outer magnet arrangement in all the slots including the outermost layer. No flux barrier is formed.
第三のモデルにおいては、本発明の第二の実施形態と同様に、外側磁石配置をとり、かつ、最内層のスロットの間にフラックスバリアを設けている。フラックスバリアの厚さは、最内層スロットと同じにしている。ここでも、スロットを3層とし、最外層を含め、全スロットに、永久磁石を外側磁石配置で配置している。 In the third model, as in the second embodiment of the present invention, the outer magnet arrangement is adopted and the flux barrier is provided between the slots in the innermost layer. The thickness of the flux barrier is the same as that of the innermost layer slot. Here, too, the slots are made up of three layers, and permanent magnets are arranged in the outer magnet arrangement in all the slots including the outermost layer.
上記3つのモデルのそれぞれのロータを軸回転させた際に、遠心力によってロータの各部に印加される応力の分布を解析した。シミュレーションに用いたパラメータを表1にまとめる。 The distribution of stress applied to each part of the rotor by centrifugal force when the rotor of each of the above three models was rotated about the axis was analyzed. Table 1 summarizes the parameters used in the simulation.
(結果)
図6に、各モデルに対して、シミュレーションで得られた主応力の分布を示す。(a)は内側磁石配置をとる第一のモデル、(b)は外側磁石配置でフラックスバリアを有さない第二のモデル、(c)は外側磁石配置でフラックスバリアを有する第三のモデルを示している。
(result)
FIG. 6 shows the distribution of the principal stress obtained by the simulation for each model. (A) is a first model with an inner magnet arrangement, (b) is a second model with an outer magnet arrangement and no flux barrier, and (c) is a third model with an outer magnet arrangement and no flux barrier. Shows.
図6(a),(b)(c)で応力分布を見比べると、いずれのモデルも、応力の分布の形態や、各位置に印加される応力の大きさにおいて、類似した結果が得られている。応力の最大値も、同程度になっている。また、いずれのモデルでも、局所的に応力が集中するような挙動は見られていない。 Comparing the stress distributions in FIGS. 6 (a), (b) and (c), similar results were obtained in the form of the stress distribution and the magnitude of the stress applied to each position. There is. The maximum value of stress is also about the same. Moreover, in none of the models, the behavior of locally concentrating stress was not observed.
このことから、内側磁石配置と外側磁石配置のいずれを採用するかによらず、また、フラックスバリアの有無によらず、ロータ回転時にロータコアに印加される応力は、同程度であることが分かる。つまり、外側磁石配置をとる場合にも、内側磁石配置の場合と同等の機械的強度を、ロータコアにおいて確保することができる。 From this, it can be seen that the stress applied to the rotor core during rotor rotation is about the same regardless of whether the inner magnet arrangement or the outer magnet arrangement is adopted, and regardless of the presence or absence of the flux barrier. That is, even when the outer magnet arrangement is adopted, the same mechanical strength as in the case of the inner magnet arrangement can be secured in the rotor core.
[2]着磁磁界分布の比較
次に、スロットにおける永久磁石の配置によって、着磁磁界の分布がどのように変化するかを解析した。
[2] Comparison of magnetized magnetic field distribution Next, we analyzed how the magnetized magnetic field distribution changes depending on the arrangement of permanent magnets in the slots.
(解析方法)
ロータのモデルとして、以下の3種を準備した。1つめは、上記で機械的強度の検討に用いた、第一のモデルと同様のものを採用した。つまり、内側磁石配置で、フラックスバリアを有していない。2つめは、上記で機械的強度の検討に用いた第三のモデルと同様のものを採用した。つまり、外側磁石配置で、最内層のスロットの間に、最内層スロットと同じ厚さの、薄いフラックスバリアを有している。3つめは、上記2つめのモデルをもとに、フラックスバリアを厚くして、新しいモデルを準備した。つまり、外側磁石配置で、最内層のスロットの間に、厚いフラックスバリアを有している。
(analysis method)
The following three types of rotor models were prepared. First, the same model as the first model used in the above-mentioned examination of mechanical strength was adopted. That is, it has an inner magnet arrangement and does not have a flux barrier. The second model was the same as the third model used in the above study of mechanical strength. That is, in the outer magnet arrangement, between the innermost slots, there is a thin flux barrier with the same thickness as the innermost slots. Third, based on the second model above, the flux barrier was thickened and a new model was prepared. That is, the outer magnet arrangement has a thick flux barrier between the innermost slots.
上記3つのモデルに対してシミュレーションを行い、着磁磁界の分布を解析した。シミュレーションは、有限要素法(FEM)を用いた電磁界解析によって行った。シミュレーションに際し、ロータコアの外側の、磁極の端に相当する位置に、着磁用コイルを配置し、ロータの各部に生じる着磁磁界の分布を解析した。3つのモデルで、起磁力は同じとした。 Simulations were performed on the above three models to analyze the distribution of the magnetized magnetic field. The simulation was performed by electromagnetic field analysis using the finite element method (FEM). In the simulation, a magnetizing coil was placed on the outside of the rotor core at a position corresponding to the end of the magnetic pole, and the distribution of the magnetizing magnetic field generated in each part of the rotor was analyzed. The magnetomotive force was the same for the three models.
シミュレーションに用いたパラメータは、上記表1の通りである。また、ロータコアの回転中心から着磁用コイルまでの距離は、着磁用コイルの最も内側で、86mmとした。 The parameters used in the simulation are as shown in Table 1 above. The distance from the center of rotation of the rotor core to the magnetizing coil was set to 86 mm at the innermost side of the magnetizing coil.
(結果)
図7に、各モデルに対して、シミュレーションで得られた着磁磁界の分布を示す。(a)は内側磁石配置をとる場合、(b)は外側磁石配置で薄いフラックスバリアを有する場合、(c)は外側磁石配置で厚いフラックスバリアを有する場合を示している。図7においては、着磁磁界の強さを、相対値で示しているが、スケールは(a)~(c)で同じにしている。
(result)
FIG. 7 shows the distribution of the magnetized magnetic field obtained by the simulation for each model. (A) shows the case where the inner magnet arrangement is adopted, (b) shows the case where the outer magnet arrangement has a thin flux barrier, and (c) shows the case where the outer magnet arrangement has a thick flux barrier. In FIG. 7, the strength of the magnetizing magnetic field is shown as a relative value, but the scales are the same for (a) to (c).
図7において、各スロットに埋設された各層の永久磁石材料に印加される着磁磁界の強さを比較すると、(a)内側磁石配置の場合に最も弱く、(b)外側磁石配置で薄いフラックスバリアを有する場合、(c)外側磁石配置で厚いフラックスバリアを有する場合の順に強くなっている。この傾向は、最内層のスロットに埋設された永久磁石材料において最も大きくなっており、(a)内側磁石配置の場合には、永久磁石材料の厚み方向の内側の部位で、着磁磁界が、その永久磁石材料の厚み方向外側の部位、および外側2層のスロットに埋設された永久磁石材料に比べて、着磁磁界が顕著に弱くなっている。これに対し、(b)外側磁石配置で薄いフラックスバリアを有する場合には、最内層スロットに埋設された永久磁石材料の厚み方向内側の部位でも、長手方向内側の端部近傍を除き、厚み方向外側の部位とほぼ同等の着磁磁界が印加されるようになっている。さらに、(c)外側磁石配置で厚いフラックスバリアを有する場合には、3層のスロットに埋設された永久磁石材料の各部位で、ほぼ均一に強い磁界が印加されるようになっている。 In FIG. 7, when the strength of the magnetizing magnetic field applied to the permanent magnet material of each layer embedded in each slot is compared, (a) the weakest in the case of the inner magnet arrangement, and (b) the thin flux in the outer magnet arrangement. When it has a barrier, it becomes stronger in the order of (c) having a thick flux barrier in the outer magnet arrangement. This tendency is the largest in the permanent magnet material embedded in the slot of the innermost layer, and (a) in the case of the inner magnet arrangement, the magnetizing magnetic field is generated in the inner part in the thickness direction of the permanent magnet material. The magnetizing magnetic field is significantly weaker than that of the permanent magnet material embedded in the outer portion in the thickness direction of the permanent magnet material and in the slots of the outer two layers. On the other hand, (b) when the outer magnet arrangement has a thin flux barrier, even in the inner part of the permanent magnet material embedded in the innermost layer slot in the thickness direction, except for the vicinity of the inner end in the longitudinal direction, the thickness direction A magnetizing magnetic field almost equivalent to that of the outer part is applied. Further, (c) when the outer magnet arrangement has a thick flux barrier, a strong magnetic field is applied almost uniformly to each part of the permanent magnet material embedded in the three-layer slot.
図8(a)に、図7(a)~(c)の各モデルの着磁磁界分布において、永久磁石材料上の着磁磁界の最小値を比較して示す。ここでは、(a)の内側磁石配置の場合の値を基準とした規格化を行って、結果を表示している。なお、図8中の(a)~(c)の符号は図7と対応している。 8 (a) shows a comparison of the minimum values of the magnetic field on the permanent magnet material in the magnetic field distribution of each model of FIGS. 7 (a) to 7 (c). Here, standardization is performed based on the value in the case of the inner magnet arrangement in (a), and the result is displayed. The symbols (a) to (c) in FIG. 8 correspond to those in FIG. 7.
図8(a)において、図7においてモデル間の比較で見られた着磁磁界の大きさの差が、さらに明確に示されている。内側磁石配置を外側磁石配置に変更し、フラックスバリアを設けることで、着磁磁界の最小値が、5%以上向上している。さらに、外側磁石配置において、フラックスバリアを厚くすることで、着磁磁界の最小値は、内側磁石配置の場合と比較して、25%以上も向上している。 In FIG. 8 (a), the difference in the magnitude of the magnetizing magnetic field seen in the comparison between the models in FIG. 7 is more clearly shown. By changing the arrangement of the inner magnets to the arrangement of the outer magnets and providing a flux barrier, the minimum value of the magnetizing magnetic field is improved by 5% or more. Further, by thickening the flux barrier in the outer magnet arrangement, the minimum value of the magnetizing magnetic field is improved by 25% or more as compared with the case of the inner magnet arrangement.
図7(a)~(c)のように、同じ条件で着磁を行った際に、永久磁石材料の各部位に印加される着磁磁界が弱いほど、着磁用コイルに流す電流を大きくしなければ、完全着磁を達成できないことになる。完全着磁を達成するために必要な電流は、同じ条件で着磁磁界を印加した際に印加される着磁磁界の最小値の逆数に、比例するはずである。図8(b)に、そのようにして、図8(a)の結果をもとに、各モデルで着磁に必要な電流を見積もった結果を示す。ここでも、(a)の内側磁石配置の場合の値を基準とした規格化を行って、結果を表示している。 As shown in FIGS. 7A to 7C, the weaker the magnetizing magnetic field applied to each part of the permanent magnet material when magnetizing under the same conditions, the larger the current flowing through the magnetizing coil. Otherwise, complete magnetization cannot be achieved. The current required to achieve complete magnetization should be proportional to the reciprocal of the minimum value of the magnetic field applied when the magnetic field is applied under the same conditions. FIG. 8B shows the result of estimating the current required for magnetism in each model based on the result of FIG. 8A. Here, too, standardization is performed based on the value in the case of the inner magnet arrangement in (a), and the result is displayed.
図8(b)によると、着磁に必要な電流は、内側磁石配置をとる場合よりも、外側磁石配置にし、フラックスバリアを設ける場合の方が、小さくて済む。そして外側磁石配置において、フラックスバリアを厚くすると、必要な電流量はさらに小さくなり、内側磁石配置の場合と比較して、80%以下に低減されている。 According to FIG. 8B, the current required for magnetism can be smaller when the outer magnet is arranged and the flux barrier is provided than when the inner magnet is arranged. When the flux barrier is made thicker in the outer magnet arrangement, the required current amount is further reduced to 80% or less as compared with the case of the inner magnet arrangement.
以上より、外側磁石配置をとることで、内側磁石配置をとる場合よりも、永久磁石材料に強い着磁磁界を印加できることが分かる。そして、磁極の中心に当たるスロットの間の位置に、厚いフラックスバリアを設けることで、さらに着磁磁界を強めることができる。その結果、外側磁石配置を採用し、さらに、スロットの間の位置に厚いフラックスバリアを設けることで、完全着磁を達成するための電流が小さくて済むようになり、着磁電源として、容量の小さいものを用いることが可能になる。 From the above, it can be seen that by adopting the outer magnet arrangement, a stronger magnetizing magnetic field can be applied to the permanent magnet material than in the case of adopting the inner magnet arrangement. Then, by providing a thick flux barrier at a position between the slots corresponding to the center of the magnetic pole, the magnetizing magnetic field can be further strengthened. As a result, by adopting the outer magnet arrangement and further providing a thick flux barrier at the position between the slots, the current for achieving complete magnetism can be reduced, and the capacity of the magnetizing power supply can be reduced. It becomes possible to use a small one.
[3]出力トルクの比較
最後に、スロットにおける永久磁石の配置によって、モータの出力トルクがどのように変化するかを解析した。
[3] Comparison of output torque Finally, we analyzed how the output torque of the motor changes depending on the arrangement of the permanent magnets in the slots.
(解析方法)
ロータのモデルとして、以下の2種を準備した。1つ目のモデルは、従来一般の形態にかかるものであり、永久磁石が内側磁石配置をとっており、スロットの長手方向内側の端部に寄せて配置されている。ここでは、スロットを3層としているが、最外層のスロットには永久磁石を配置しておらず、中間層と最内層のスロットに、永久磁石を内側磁石配置で配置している。フラックスバリアは形成していない。
(analysis method)
The following two types of rotor models were prepared. The first model is of the conventional general form, in which the permanent magnets have an inner magnet arrangement and are arranged closer to the inner end of the slot in the longitudinal direction. Here, the slots have three layers, but the permanent magnets are not arranged in the outermost slots, and the permanent magnets are arranged in the middle layer and the innermost layers in the inner magnet arrangement. No flux barrier is formed.
2つ目モデルは、本発明の第一の実施形態と同様に、永久磁石が外側磁石配置をとっており、スロットの長手方向外側の端部に寄せて配置されている。ここでも、スロットを3層としているが、最外層のスロットには永久磁石を配置しておらず、中間層と最内層のスロットに、永久磁石を外側磁石配置で配置している。フラックスバリアは形成していない。 In the second model, as in the first embodiment of the present invention, the permanent magnets have an outer magnet arrangement and are arranged closer to the outer end in the longitudinal direction of the slot. Here, too, the slots have three layers, but the permanent magnets are not arranged in the outermost slots, and the permanent magnets are arranged in the intermediate layer and the innermost layers in the outer magnet arrangement. No flux barrier is formed.
上記2つのモデルに対してシミュレーションを行い、トルク特性を解析した。シミュレーションは、有限要素法(FEM)を用いた電磁界解析によって行った。ここでは、モータに印加する電流量(巻線電流140Arms)を同一にした同一電流制約の条件下で、電流位相角を変化させて、得られるマグネットトルクおよびリラクタンストルクを見積もった。 Simulations were performed on the above two models to analyze the torque characteristics. The simulation was performed by electromagnetic field analysis using the finite element method (FEM). Here, the obtained magnet torque and reluctance torque were estimated by changing the current phase angle under the same current constraint that the amount of current applied to the motor (winding current 140 Arms) was the same.
シミュレーションに用いたパラメータは、上記表1のとおりである。永久磁石からの磁束は、両モデルでほぼ等しくなっている。 The parameters used in the simulation are as shown in Table 1 above. The magnetic flux from the permanent magnets is almost equal in both models.
(結果)
図9に、解析結果を示す。(a)が内側磁石配置の結果、(b)が外側磁石配置の結果を示している。
(result)
FIG. 9 shows the analysis results. (A) shows the result of the inner magnet arrangement, and (b) shows the result of the outer magnet arrangement.
図9で(a)と(b)を比較すると、マグネットトルクの値は、両モデルでほぼ一致している。しかし、リラクタンストルクの値は、最大値近傍において、両モデルで異なっており、(b)の外側磁石配置の方で大きくなっている。そして、マグネットトルクとリラクタンストルクの合計として得られるトータルトルクも、リラクタンストルクの差を反映して、最大値近傍において、両モデルで異なっており、(b)の外側磁石配置の方で大きくなっている。具体的には、トータルトルクの最大値が、(a)の内側磁石配置で、205.5Nm、(b)の外側磁石配置で、209.4Nmとなっている。 Comparing (a) and (b) in FIG. 9, the magnet torque values are almost the same in both models. However, the reluctance torque value is different between the two models in the vicinity of the maximum value, and is larger in the outer magnet arrangement in (b). The total torque obtained as the total of the magnet torque and the reluctance torque is also different between the two models near the maximum value, reflecting the difference in the reluctance torque, and is larger in the outer magnet arrangement in (b). There is. Specifically, the maximum value of the total torque is 205.5 Nm in the inner magnet arrangement of (a) and 209.4 Nm in the outer magnet arrangement of (b).
このように、外側磁石配置を採用することで、内側磁石配置を採用する場合よりも、リラクタンストルクが向上されることが示された。そして、リラクタンストルク向上の結果として、同一電流制約下でのモータの最大出力トルクも向上される。 As described above, it was shown that the reluctance torque is improved by adopting the outer magnet arrangement as compared with the case of adopting the inner magnet arrangement. As a result of the improvement in the reluctance torque, the maximum output torque of the motor under the same current constraint is also improved.
以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。 Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention.
なお、本発明の上記第一の実施形態および第二の実施形態にかかる永久磁石回転子10,10’においては、外側磁石配置にて永久磁石16,17,18をスロット13,14,15に配置することで、着磁の効率を向上させる効果、およびリラクタンストルクを向上させる効果を得ている。そして、第二の実施形態において、フラックスバリア13cを設けること、またスロット13を円弧形状に近似した際の中心c3a,c3bを所定の位置に配置することで、着磁効率向上の効果、またリラクタンストルク向上の効果を、さらに高めている。しかし、外側磁石配置を採用する場合に限らず、スロット13,14,15において、永久磁石16,17,18を任意の位置に配置した場合にも、上記第二の実施形態として説明したのと同様に、フラックスバリア13cを設けること、またスロット13,14,15を円弧形状に近似した際の中心c3a,c3bを所定の位置に配置することで、着磁の効率を向上させる効果、またリラクタンストルクを向上させる効果を得ることができる。
In the
1 モータ(回転電気機械)
10,10’ ロータ(永久磁石回転子)
11 ロータコア
12 中空部
13,13’ 最内層のスロット
13a 空隙部
13b 磁石埋設スロット
13c フラックスバリア
14 中間層のスロット
14a 空隙部
15 最外層のスロット
16 最内層の永久磁石
17 中間層の永久磁石
18 最外層の永久磁石
19,20 ブリッジ
30 ステータ(固定子)
50 エアギャップ
100 着磁コイル
c1 中間層および最外層のスロットの中心
c2 中心c1を径方向内側にずらした中心位置
c3a,c3b 中心c2を中央軸Bの両側にずらした最内層スロットの中心
A コイル方向軸
B 中央軸
H 着磁磁界
R 回転中心
P1 第一配置
P2 第二配置
P3 第三配置
1 Motor (rotary electric machine)
10,10'Rotor (Permanent Magnet Rotor)
11
50
Claims (7)
前記ロータコアの回転中心に直交する断面において、前記スロットは、長手方向に沿って、前記ロータコアの回転中心からの距離が変化しており、
前記永久磁石は、前記スロットの長手方向に沿った両端の位置に、前記永久磁石に占められる部位が、前記永久磁石に占められない部位よりも、前記ロータコアの回転中心に対して径方向外側の位置に設けられた、外側磁石配置をとって埋設されており、
前記永久磁石はそれぞれ円弧形状を有しており、
前記円弧形状の中心は、前記スロットの中央を通る前記ロータコアの径方向に沿った直線を挟んで、それぞれの永久磁石が設けられたのと反対側に向かって、相互に離れている永久磁石回転子。 In a permanent magnet rotor having a rotor core and a permanent magnet embedded in a slot provided in the rotor core and forming a magnetic pole.
In the cross section orthogonal to the center of rotation of the rotor core, the slot changes the distance from the center of rotation of the rotor core along the longitudinal direction.
The permanent magnet is located at both ends along the longitudinal direction of the slot, and the portion occupied by the permanent magnet is radially outside the center of rotation of the rotor core with respect to the portion not occupied by the permanent magnet. It is buried with the outer magnet arrangement provided at the position.
Each of the permanent magnets has an arc shape and has an arc shape.
The center of the arc shape sandwiches a straight line along the radial direction of the rotor core passing through the center of the slot, and the permanent magnet rotations are separated from each other toward the side opposite to the side where the permanent magnets are provided. Child.
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