JP2013220030A

JP2013220030A - 永久磁石形同期電動機

Info

Publication number: JP2013220030A
Application number: JP2013160984A
Authority: JP
Inventors: Hideki Oguchi; 英樹大口
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2013-08-02
Filing date: 2013-08-02
Publication date: 2013-10-24

Abstract

【課題】固定子コアの形状を変更することなく、固定子コアに作用する応力を緩和することができる永久磁石形同期電動機を提供する。
【解決手段】積層鋼板で形成された固定子コア２と、前記固定コア２内に回転自在に配設された永久磁石２５を有する回転子コア３と、前記固定子コア２の外周面を支持する円筒状フレーム４とを備えた永久磁石形同期電動機１であって、前記フレーム４の固定子コア２と対面する内周面に前記固定子コア２と非接触状態となる応力緩和部３１を円周方向に所定間隔を保って形成した。
【選択図】図１

Description

本発明は、積層鋼板で形成された固定子コアと、この固定子コアの外周面を支持するフレームと、固定子コア内に回転自在に配設された永久磁石を有する回転子コアとを備えた永久磁石形同期電動機に関する。

近年、モータの高効率化のため、従来から用いられている誘導電動機に変わり、永久磁石を用いた永久磁石形同期電動機が注目を浴び、その適用が増加している。

このような永久磁石形同期電動機の損失に着目すると、巻線コイルに発生する銅損、永久磁石の損失、回転子コアや固定子コアの損失（以下、コアロスと称す）、軸受摩擦損や漂遊負荷損に分類できる。

ここで、固定子コアに用いられている電磁鋼板は、積層鋼板に圧縮応力を印加することにより鉄損すなわちコアロスが増加するということが知られている（例えば、非特許文献１参照）。

つまり、固定子コアにフレームを焼嵌めすると、これにより固定子コアに圧縮応力が印加され、コアロスがカタログ値よりも増加することになる。

このため、従来、コアロスの増加を抑制する目的で、固定子コアに作用する応力を軽減するために、固定子コアの外周面にフレームと接する個所と非接触の個所とを設けることが記載されている（例えば、特許文献１及び２参照）。

ここで、特許文献１に記載された従来例は、固定鉄心を、週方向に配置される複数のスロットと、隣接するスロットの間に形成され、コイルが巻装される磁極ティースと、磁極ティースの径方向中心線により周方向に分割される複数の領域と、複数の領域の中の所定数の領域で、周方向に一定間隔で配置される密閉容器の内周面と接触する接触領域と、接触領域の間に形成される非接触領域とを備えた固定子が記載されている。

特開２００８−１９３７７８号公報特開２００８−２７１６１６号公報

「圧縮応力下の積層電磁鋼板の磁気特性測定」平成２０年電気学会全国大会論文集２−１２４

しかしながら、上記特許文献１及び２に記載の従来例にあっては、固定子コアに密閉容器の内周面に接触する接触部と非接触部とを形成するようにしているので、新たな製品を開発する場合には電磁鋼板を打ち抜く新たな金型を製作するので問題はないが、製品化されている永久磁石型同期電動機に適用する場合には、電磁鋼板を打ち抜く金型を変更しなければならない。このように金型を変更する場合には、新たな金型の製作費が発生し、さらに設備置き換えまでに長い期間を要す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、固定子コアの形状を変更することなく、固定子コアに作用する応力を緩和することができる永久磁石形同期電動機を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、請求項１に係る永久磁石形同期電動機は、積層鋼板で形成され、円周方向に所定数に分割された分割コアを円環状に連接させて構成されている固定子コアと、該固定コア内に回転自在に配設された永久磁石を有する回転子コアと、前記固定子コアの外周面を支持する円筒状フレームとを備えた永久磁石形同期電動機であって、該フレームの固定子コアと対面する内周面に前記固定子コアと非接触状態となる応力緩和部が円周方向に沿って複数個形成され、前記応力緩和部となる凹部を前記分割コア同士の接合部に設けることを特徴としている。

この構成によると、フレーム側の固定子コアの外周面と対面する内周面に固定子コアと非接触状態となる応力緩和部が形成されているので、この応力緩和部で固定子コアに与える応力を緩和することができる。

また、請求項２に係る永久磁石形同期電動機は、積層鋼板で形成され、円周方向に所定数に分割された分割コアを円環状に連接させて構成されている固定子コアと、該固定コア内に回転自在に配設された永久磁石を有する回転子コアと、前記固定子コアの外周面を支持する円筒状フレームとを備えた永久磁石形同期電動機であって、該フレームの固定子コアと対面する内周面に前記固定子コアと非接触状態となる応力緩和部が円周方向に沿って複数個形成され、前記応力緩和部となる凹部を前記分割コアの固定子ヨークの円周方向の中間位置に設けることを特徴としている。

また、請求項３に係る永久磁石形同期電動機は、前記応力緩和部に熱伝導性を有する合成樹脂材が充填されていることを特徴としている。

また、請求項４に係る永久磁石形同期電動機は、前記固定子コアは外周面に前記フレームの内周面と非接触状態となる応力緩和部を備えていることを特徴としている。

本発明によれば、固定子コアの外周面を支持するフレームの内周面に等間隔で応力緩和部を形成したので、この応力緩和部によって固定子コアに与える圧縮応力を緩和することができ、固定子コアのコアロスを低減して高効率の永久磁石形同期電動機を提供することができるという効果が得られる。

本発明の第１の実施形態を示す断面図である。本発明の第２の実施形態を示す断面図である。本発明の第３の実施形態を示す断面図である。本発明の変形例を示す断面図である。

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は本発明の第１の実施形態を示す断面図であって、図中、１は永久磁石形同期電動機である。この永久磁石形同期電動機１は、固定子コア２と、この固定子コア２の内周面側に所定の隙間を介して回転自在に配設された回転子コア３と、固定子コア２の外周面を支持する円筒状フレーム４とで構成されている。

固定子コア２は、高透磁率の電磁鋼板を積層したＴ字形の分割コア１１を例えば１２個円環状に連接させた構成を有する。

各分割コア１１の夫々は、外周面がフレーム４と同曲率の円弧状に形成されて円周方向に延長する固定子ヨーク１２と、この固定子ヨーク１２の内周面における円周方向の中央部に内方にすなわち法線方向に中心軸に向かって延長するティース部１３とでＴ字形に形成されている。そして、ティース部１３の先端にハット部１４が形成されている。そして、隣接する分割コア１１のティース部１３間でスロット１５が形成されている。このスロット１５内にティース部１３に巻回された励磁コイル１６が巻装されている。ハット部１４は、互いに隣接する分割コア１１間で、比較的狭いスロット開口１７を形成するように形状が設定されている。

回転子コア３は、固定子コア３と同様に高透磁率の電磁鋼板を打ち抜いた回転子用コアプレート２１が積層されて形成された４つの磁極２２を有する。この回転子コア３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２４と、これらスロット２４内に周方向に隣り合う磁極２２が異極性となるように挿入した永久磁石２５とを備えている。ここで、永久磁石２５は希土類磁石で構成されている。そして、回転コア３の中心位置に回転軸２６が嵌挿されている。

また、円筒状フレーム４は、その内周面に固定子コア２のスロット１５の数１２個と同数の１２個の応力緩和部としての凹部３１が所定間隔を保って例えば切削加工によって形成されている。この円筒状フレーム４の内周面に、分割コア１１を円環状に連結させた固定子コア２が焼嵌めによって固定されている。

次に、上記実施形態の作用を説明する。

永久磁石形同期電動機１が埋込磁石形の永久磁石形同期電動機の構成を有するので、回転子コア３の磁極２２における永久磁石２５間の円周方向の中央部と回転軸２６の軸心とを結ぶ線がｄ軸となる。また、回転子コア３の隣接する磁極２２間における異なる磁極の永久磁石２５間と回転軸２６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２５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３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。

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。

そして、フレーム４と分割コア１１を円環状に連接した固定子コア２とは焼嵌めによって固定する。このとき、フレーム４によって固定子コア２に対して圧縮応力を与えることになる。しかしながら、フレーム４の内周面には、固定子コア２のスロット数と同数すなわち分割コア１１の数と同数の凹部３１が形成されている。このため、凹部３１の位置では固定子コア２の外周面とフレーム４の内周面とが非接触状態であり、この部分では圧縮応力が固定子コア２に作用しないことになる。このため、フレーム４と固定子コア２との接触面積が減少し、フレーム４が固定子コア２に与える圧縮応力を緩和することができる。このため、固定子コア２が受ける圧縮応力が減少することにより、圧縮応力によるコアロスの増加を抑制することができる。

しかも、応力緩和部となる凹部３１の数が固定子コア２のスロット数と同数すなわち分割コア１１の数と同数に設定されているので、各分割コア１１に与える圧縮応力を均一化することができ、圧縮応力がアンバランスとなることを防止することができる。

さらに、応力緩和部となる凹部３１を分割コア１１同士の接合部に設けたので、この接合部に圧縮応力が作用することがなく、分割コア１１の接合部で位置ずれを生じることを防止することができる。

しかも、応力緩和部となる凹部３１をフレーム４の内周面に形成するので、固定子コア２の形状を変更することなく、圧縮応力の緩和を行うことができるので、永久磁石形同期電動機１を市販している場合に、固定子コア２を打ち抜く金型を製作し直す必要がなく、フレーム４に凹部３１を形成するだけでよいので、金額が嵩む金型製作費を削減してコアロスの増加を抑制する永久磁石形同期電動機を製作することができる。また、フレーム４に形成する応力緩和部となる凹部３１は切削加工によって容易に形成することができ、製作コストアップを抑制することができる。

次に、本発明の第２の実施形態を図２について説明する。

この第２の実施形態では、応力緩和部としての凹部３１を、固定子コア２を構成する分割コア１１の固定子ヨーク１２の円周方向の中央部に形成するようにしたことを除いては前述した第１の実施形態と同様の構成を有し、図１との対応部分には同一符号を付し、その詳細説明はこれを省略する。

この第２の実施形態によっても、フレーム４に応力緩和部となる凹部３１を形成したので、上述した第１の実施形態と同様の作用効果を得ることができる他、凹部３１が分割コア１１の固定子ヨーク１２の円周方向の中央部に対向する位置に形成したので、この固定子ヨーク１２の中央部にかかる圧縮応力を緩和することができ、分割コア１１に対する圧縮応力の緩和効果を偏ることなく確実に発揮することができる。因に、第１の実施形態では分割コア１１同士の接合部に凹部３１を形成したので、組付時に凹部３１の円周方向の中央位置と接合部とがずれた場合には、分割コア１１の固定子ヨーク１２の両端で圧縮応力が異なるアンバランスを生じることになるが、この第２の実施形態では、分割コア１１の固定子ヨーク１２毎に凹部３１が対向することになり、分割コア１１に対して正確な応力緩和効果を発揮することができる。

なお、上記第２の実施形態においては、分割コア１１の固定子ヨーク１２の円周方向の中央部に凹部３１を対向させ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、分割コア１１の固定子ヨーク１２の円周方向の中央部から外れた位置に凹部３１を対向させるようにしてもよい。

次に、本発明の第３の実施形態を図３について説明する。

この第３の実施形態では、前述した第１の実施形態において、応力緩和部となる凹部３１内に熱伝導性を有する合成樹脂材等の熱伝導部材３２を充填したことを除いては図１と同様の構成を有し、図１との対応部分には同一符号を付し、その詳細説明はこれを省略する。

この第３の実施形態によると、応力緩和部となる凹部３１内に熱伝導性を有する合成樹脂材等の熱伝導部材３２を充填したので、応力緩和部となる凹部３１を設けることにより、フレーム４と固定子コア２との接触面積が減少し、この分放熱効果が低下することになるが、この凹部３１内に熱伝導部材３２を充填することにより、凹部３１内でも固定子コア２でコアロスにより発生する熱を、熱伝導部材３２を介してフレーム４に伝導することができ、放熱効果をより向上させることができる。

因に、固定子コアとフレームとの間に凹部３１が存在しない場合には、固定子コア２がコアロスによる温度上昇によって発熱することになるが、通常は発熱がフレームを介して空気中に放熱される。しかし、固定子コアとフレームとの間に凹部３１が存在し、この凹部内に空気が存在する場合には、接触面積の減少により熱抵抗が上がり、固定子コア２の全周がフレームと接触している場合に比べ、放熱特性が悪化することになる。しかしながら、上記第３の実施形態のように凹部３１内に熱伝導部材を充填することにより、凹部３１での熱伝導も行うことができ、放熱効果をより向上させることができる。

なお、上記第３の実施形態においては、前述した第１の実施形態の凹部３１に熱伝導部材３２を充填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、第２の実施形態の凹部３１内に熱伝導部材を充填するようにしてもよい。

また、上記第１〜第３の実施形態においては、応力緩和部として凹部３１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、断面半円状や断面台形状等の任意の断面形状の溝部を適用することもでき、要は固定子コア２の外周面に対して非接触状態となれば良いものである。

また、上記第１〜第３の実施形態においては、フレーム４にのみ凹部３１を形成した場合について説明したが、図４に示すように、固定子コア２の分割コア１１にも応力緩和部となる凹部３３を形成するようにしてもよい。この場合には固定コア２の応力緩和効果をより発揮することができる。

また、上記第１〜第３の実施形態においては、固定子コア２が分割コア１１で構成されている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、固定子ヨークを円環状に形成した一体型の固定子コアを適用するようにしてもよい。

また、上記第１〜第３の実施形態においては、本発明を埋込磁石構造(IPM:Interior Permanent Magnet)の永久磁石形同期電動機に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、回転子コアの外周面に永久磁石を配置した表面磁石構造(SPM:Surface Permanent Magnet)の永久磁石形同期電動機にも本発明を適用することができる。

さらに、上記第１〜第３の実施形態においては、固定子コア２が１２スロットで、回転子コア３の磁極１２が４個である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、固定子コア２のスロット数及び回転子コア３の磁極数は同期電動機を回転駆動が可能な任意の組合せに設定することができる。

１…永久磁石形同期電動機、２…固定子コア、３…回転子コア、４…フレーム、１１…分割コア、１２…固定子ヨーク、１３…ティース部、１４…ハット部、１５…スロット、１６…励磁コイル、２１…回転子コアプレート、２２…磁極、２４…スロット、２５…永久磁石、３１…凹部

Claims

積層鋼板で形成され、円周方向に所定数に分割された分割コアを円環状に連接させて構成されている固定子コアと、
該固定コア内に回転自在に配設された永久磁石を有する回転子コアと、
前記固定子コアの外周面を支持する円筒状フレームとを備えた永久磁石形同期電動機であって、
該フレームの固定子コアと対面する内周面に前記固定子コアと非接触状態となる応力緩和部が円周方向に沿って複数個形成され、
前記応力緩和部となる凹部を前記分割コア同士の接合部に設けることを特徴とする永久磁石形同期電動機。
積層鋼板で形成され、円周方向に所定数に分割された分割コアを円環状に連接させて構成されている固定子コアと、
該固定コア内に回転自在に配設された永久磁石を有する回転子コアと、
前記固定子コアの外周面を支持する円筒状フレームとを備えた永久磁石形同期電動機であって、
該フレームの固定子コアと対面する内周面に前記固定子コアと非接触状態となる応力緩和部が円周方向に沿って複数個形成され、
前記応力緩和部となる凹部を前記分割コアの固定子ヨークの円周方向の中間位置に設けることを特徴とする永久磁石形同期電動機。
前記応力緩和部に合成樹脂材が充填されていることを特徴とする請求項１または２に記載の永久磁石形同期電動機。
前記固定子コアは外周面に前記フレームの内周面と非接触状態となる応力緩和部を備えていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の永久磁石形同期電動機。