特許 6030610 回転電機の鉄心

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6030610

(24)【登録日】2016年10月28日

(45)【発行日】2016年11月24日

(54)【発明の名称】回転電機の鉄心

(51)【国際特許分類】

   H02K 1/16 20060101AFI20161114BHJP

   H02K 21/12 20060101ALI20161114BHJP

【ＦＩ】

   H02K1/16 C

   H02K21/12 G

   H02K21/12 M

【請求項の数】1

【全頁数】8

(21)【出願番号】特願2014-172050(P2014-172050)

(22)【出願日】2014年8月8日

(65)【公開番号】特開2016-39767(P2016-39767A)

(43)【公開日】2016年3月22日

【審査請求日】2015年11月4日

【権利譲渡・実施許諾】特許権者において、権利譲渡・実施許諾の用意がある。

(73)【特許権者】

【識別番号】591040845

【氏名又は名称】後藤 一彦

(72)【発明者】

【氏名】後藤 一彦

【審査官】 小林 紀和

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１１−２５０６６７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１０−０４２５３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−１６８２６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−１５３９８６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｋ １／１６

Ｈ０２Ｋ ２１／１２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

３の倍数のステータ磁極数と２の倍数の磁極数であり、正弦波の配向を有するローターの磁極間に間隙の無い永久磁石ローターであり、ステータ磁極数とローター磁極数の比が３対２である回転電機の鉄心の、磁石面に対向するティースの面からバックヨークに至るまでの距離を中心線に対して左右対称のスリット２本でティースを３分割し、当該鉄心の円周３６０°を鉄心の磁極数で割った角度を磁極の単位角度θとし、そのθの４分の１の分割線をＡとし、２分の１の分割線をＢとして、ティースのスロット開口部の端と分割線Ａの角度をθａ１とし、スリット開口部の端と分割線Ａの角度をθａ２として、ティースの中央磁路のスリット開口部の端と分割線Ｂの角度をθｂとして、θａ１／θａ２と２θａ２／θｂの値が等しくなる条件と、２θｂ／θａ２とθａ１／θａ２の値の和と或いは、２θｂ／θａ２と２θａ２／θｂの値の和が限りなく４に近くなる事を満たす事を特徴とする回転電機の鉄心に於いて、スリットにより分割された鉄心の磁気回路の磁気回路幅Ｔ_Ａがバックヨーク厚さＴをＰ^２２θａ１／９０で割った数値になる事を特徴とする回転電機の鉄心。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電動機及び発電機等の回転電機に於ける鉄心に関し、近年高効率化が要望される回転電機に於いて、回転電機のローターのコギングトルクを完全に消滅する事を実現し、理想的な回転特性を実現し性能を向上させる事により、高効率、小型で高出力を可能とする回転電機のステータ鉄心の技術に関する。

【背景技術】

【0002】

周知の通り、回転電機に於いてローターのコギングトルクを低減して、安定した回転特性を実現する事が、回転電機の特性を向上させる為の重要な要素である。

【0003】

本件特許申請より先に、回転電機の鉄心に於いて、鉄心の磁極数が３極、磁石極数が２極等の最少極数の場合に於いて、コギングトルクの基本周波の第２高調波を発生させて、コギングトルクを低減し平滑化する技術が開示されている。（特許文献１）

【0004】

即ち、３の倍数のステータ磁極数と２の倍数の磁極数であり、正弦波の配向を有するローターの磁極間に間隙の無い永久磁石ローターであり、ステータ磁極数とローター磁極数の比が３対２である回転電機の鉄心に於いて、磁石面に対向するティースの面からバックヨークに至るまでの距離を中心線に対して左右対称のスリット２本でティースを３分割し、当該鉄心の円周３６０°を鉄心の磁極数で割った角度を磁極の単位角度θとし、そのθの４分の１の分割線をＡとし、２分の１の分割線をＢとして、ティースのスロット開口部の端と分割線Ａの角度をθａ１とし、スリット開口部の端と分割線Ａの角度をθａ２として、ティースの中央磁路のスリット開口部の端と分割線Ｂの角度をθｂとして、θａ１／θａ２と２θａ２／θｂの値が等しくなる条件と、２θｂ／θａ２とθａ１／θａ２の値の和と或いは、２θｂ／θａ２と２θａ２／θｂの値の和が限りなく４に近くなる事を満たす事を特徴とする回転電機の鉄心が開示されている。

【0005】

即ち、上記の技術ではスリットにより磁気回路を分割して、鉄心の磁極数が３極、磁石極数が２極等の最少極数の場合に於いて、コギングトルクの基本周波の第２高調波を発生させてコギングトルクを低減し平滑化する技術が開示されている。

【0006】

しかし、上記の技術では、コギングトルクの基本周波の第２高調波を発生させてコギングトルクを低減し、平滑化するのが限界である。

【特許文献1】特願２０１０−１３５５４９

【発明の開示】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

特許文献１の技術による回転電機の鉄心は次の点に於いて性能の向上が考えられる。

【0008】

特許文献１の技術による鉄心に於いては、磁極数が３極、磁石極数が２極等の最少極数に於いて、コギングトルクを完全に消滅させる事は不可能であり、実現されていない。

【0009】

本発明は、上記の問題点を解決する為の技術であり、ステータ磁極数とローター極数が最小値である３極と２極の場合に於いても、コギングトルク完全に消滅させて高効率、小型で高出力の回転電機を可能とする技術を提供する事にあります。

【課題を解決するための手段】

【0010】

上記目的を解決するために、本発明は次の技術的手段を有する。

【0011】

即ち、実施例に対応する添付図面中の符号を用いて説明すると、本発明は、３の倍数のステータ磁極数と２の倍数の磁極数であり、正弦波の配向を有するローターの磁極間に間隙の無い永久磁石ローターであり、ステータ磁極数とローター磁極数の比が３対２である回転電機の鉄心の、磁石面に対向するティースの面からバックヨークに至るまでの距離を中心線に対して左右対称のスリット２本でティースを３分割し、当該鉄心の円周３６０°を鉄心の磁極数で割った角度を磁極の単位角度θとし、そのθの４分の１の分割線をＡとし、２分の１の分割線をＢとして、ティースのスロット開口部の端と分割線Ａの角度をθａ１とし、スリット開口部の端と分割線Ａの角度をθａ２として、ティースの中央磁路のスリット開口部の端と分割線Ｂの角度をθｂとして、θａ１／θａ２と２θａ２／θｂの値が等しくなる条件と、２θｂ／θａ２とθａ１／θａ２の値の和と或いは、２θｂ／θａ２と２θａ２／θｂの値の和が限りなく４に近くなる事を満たす事を特徴とする回転電機の鉄心に於いて、スリットにより分割された鉄心の磁気回路の磁気回路幅Ｔ_Ａがバックヨーク厚さＴをＰ^２２θａ１／９０で割った数値になる事を特徴とする回転電機の鉄心が考慮される。

【発明の効果】

【0012】

本発明の上記構成に基づけば、３の倍数のステータ磁極数と２の倍数の磁極数の永久磁石ローターであり、ローター磁極数の１．５倍の極数がステータ磁極数になる場合に於いて、コギングトルクを完全に消滅せしめ、滑らかな回転特性を可能とする技術を提供する。

【0013】

即ち、コギングトルクを完全に消滅せしめた結果、回転特性の優れた高効率の回転電機を可能とする。

【0014】

又、ステータ鉄心の磁極数が３極、ローター極数が２極等の最少極数の場合に於いてもコギングトルクを完全に消滅せしめて、滑らかな回転特性を可能とし、高効率で超高速回転の回転電機を可能とする。

【発明を実施するための最良の形態】

【0015】

上記構成に基づき添付図面に従い実施例を詳述する。

【0016】

図１は、実施例の一例を示したものである、即ち、３の倍数のステータ磁極数と２の倍数の磁極数であり、正弦波の配向を有する永久磁石ローターであり、ステータ磁極数とローター磁極数の比が３対２である回転電機の鉄心の、磁石面に対向するティースの面からバックヨークに至るまでの距離を中心線に対して左右対称のスリット２本でティースを３分割し、当該鉄心の円周３６０°を鉄心の磁極数で割った角度を磁極の単位角度θとし、そのθの４分の１の分割線をＡとし、２分の１の分割線をＢとして、ティースのスロット開口部の端と分割線Ａの角度をθａ１とし、スリット開口部の端と分割線Ａの角度をθａ２として、ティースの中央磁路のスリット開口部の端と分割線Ｂの角度をθｂとして、θａ１／θａ２と２θａ２／θｂの値が等しくなる条件と、２θｂ／θａ２とθａ１／θａ２の値の和と或いは、２θｂ／θａ２と２θａ２／θｂの値の和が限りなく４に近くなる事を満たす事を特徴とする回転電機の鉄心に於いて、スリットにより分割された鉄心の磁気回路の磁気回路幅Ｔ_Ａがバックヨーク厚さＴをＰ^２２θａ１／９０で割った数値になる事を特徴とする回転電機の鉄心である。（Ｐはローター極数）

【0017】

即ち、図１によれば３の倍数のステータ磁極数と２の倍数の磁極数の永久磁石ローターであり、ステータ磁極数とローター磁極数の比が３対２である回転電機の鉄心に於いて３極のステータ磁極と２極の永久磁石ローターの実施例であり、磁石面に対向するティース２、の面からバックヨーク３、に至るまでの距離を中心線に対して左右対称のスリット４、２本でティースを３分割し磁気回路を形成した図である。

【0018】

更に、当該鉄心の円周３６０°を鉄心の磁極数で割った角度を磁極の単位角度θとし、そのθの４分の１の分割線をＡとし、２分の１の分割線をＢとして、ティースのスロット開口部の端と分割線Ａの角度をθａ_１とし、スリット開口部の端と分割線Ａの角度をθａ_２として、ティースの中央磁路のスリット開口部の端と分割線Ｂの角度をθｂとして、θａ_１／θａ_２と２θａ_２／θｂの値が等しくなる条件と、２θｂ／θａ_２とθａ_１／θａ_２の値の和と或いは、２θｂ／θａ_２と２θａ_２／θｂの値の和が限りなく４に近くなる事を満たす事を特徴とする回転電機の鉄心に於いて、スリットにより分割された鉄心の磁気回路の磁気回路幅Ｔ_Ａがバックヨーク厚さＴをＰ^２２θａ１／９０で割った数値になる事を特徴とする回転電機の鉄心である。（Ｐはローター極数）

【0019】

従来、コギングトルクの基本調波は、ステータ磁極と永久磁石ローター極数の最小公倍数になり、ステータ磁極数が３と永久磁石ローターが２極の場合６調波になります。

【0020】

次に、上記の特許文献１の発明によれば、鉄心に於ける３０°毎のローター回転位置の磁気回路と磁力線を検証すると図３と図４の２種類の磁気回路である事が分かります。

【0021】

即ち、この２種類の磁気回路に於ける磁石による引力が等しくなり均衡した状態になる時に、第２高調波が発生しコギングトルクが最小になる事が考慮されます。

【0022】

即ち、図３と図４の場合に於いて、正弦波の配向を有する２極の磁石ローターのベクトル場をそれぞれ解析すると、当該鉄心の円周３６０°を鉄心の磁極数で割った角度を磁極の単位角度θとし、そのθの４分の１の分割線をＡとし、２分の１の分割線をＢとして、ティースのスロット開口部の端と分割線Ａの角度をθａ_１とし、スリット開口部の端と分割線Ａの角度をθａ_２として、ティースの中央磁路のスリット開口部の端と分割線Ｂの角度をθｂとして、θａ_１／θａ_２と２θａ_２／θｂの値が等しいか、ほぼ等しくなる条件と、２θｂ／θａ_２とθａ_１／θａ_２の値の和と或いは、２θｂ／θａ_２と２θａ_２／θｂの値の和が限りなく４に近くなる事を満たした時に、図３と図４の２種類の磁気回路に於ける磁石による引力が等しくなり均衡した状態となりコギングトルクは最小値となります。

【0023】

即ち、図３に示した磁力線Ｌ（一点鎖線）と磁力線Ｍ（破線）と磁力線Ｓ（実線）の磁力による引力の和と、図４に示した磁力線Ｌ（一点鎖線）と磁力線Ｍ（破線）と磁力線Ｓ（実線）の引力の総和が等しくなり、この時、第２高調波が発生してローターのコギングトルクは最小値となります。

【0024】

次に、本件特許に於いて、この第２高調波の原因であるコギングトルクの差を無くしてコギングトルクを完全に消滅させる技術を詳述します。

【0025】

本件特許では、スリットにより分割された鉄心の磁気回路の磁気回路幅Ｔ_Ａをバックヨーク厚さＴをＰ^２２θａ１／９０で割った数値にする事を特徴とする回転電機の鉄心です。（Ｐはローター極数）

【0026】

即ち、上記の公式を適用した磁気回路幅Ｔ_Ａとする事で、０°と３０°の位置で第２高調波を生じていたコギングトルクの数値を互いに減少させて、全てのローター回転位置に於いてコギングトルクの数値を一致させてコギングトルクを消滅させる事を実現します。

【0027】

即ち、図５の様に本件特許の公式を適用した磁気回路幅Ｔ_Ａとする事で、磁気回路Ｔ_Ａを通る磁束に漏れ磁束を故意に作る事で、コギングトルクの数値が制御され全てのローター回転位置に於いて、コギングトルクの数値が一致してコギングトルクが完全に消滅します、図中の数値は、スリットにより分割された各磁気回路に該当するする磁束を、磁石の正弦波の配向の面積値を磁束の強さとしてで表しています。

【0028】

図５下の表１は、各磁気回路に該当する面積値と磁気回路の長さ比からコギングトルクを計算した数値であり、漏れ磁束はコギングトルクを生じ無い為に、コギングトルクの総数値から差し引かれます。

【0029】

即ち、図５の様にステータ極数が３とローター極数が２の場合に仮にθａ１を２８．１°として、公式よりステータ鉄心を設計した場合に、Ｔ_ＡはＴの約１／２．５になります。

【0030】

バックヨークＴを通過する磁気回路Ｌ磁束の最大値は図５の０°の状態に於いて、数値５３９．８（面積値）である事が分かります。

【0031】

従ってＴ_Ａを通過する磁束の最大値は１／２．５の数値２１６になります。

【0032】

即ち、０°の位置に於いてはＴ_Ａに該当する磁束の数値は、２９４．８（面積値）でありますから片側で７８．８の漏れ磁束になります。

【0033】

従って、図５の下表１のコギングトルクの総数値１９１８．５より漏れ磁束分を引いた数値１７６０．９が有効コギングトルク値になります。

【0034】

以下同様にして１５°、３０°を計算すると図６の表２、図７の表３の結果になります。（図６、図７はローターを固定しステータ鉄心を回転した図です。）

【0035】

ただし、図６の漏れ磁束は、上部漏れ磁束７８．４が下部のＴ_Ａの狭い磁路で有効磁束に両側を挟まれ拘束される為に下部漏れ磁束は４９．１になります、即ち２９．３はコギングトルクとして働きます。

【0036】

以上詳述のとおり、有効コギングトルク数値は全ての回転位置に於いて、計算誤差を考慮して１７６１で一致し、コギングトルクは完全に消滅し、滑らかな回転が実現されます。

【0037】

上記の記述は実施例の一例であり、３の倍数のステータ磁極数と２の倍数の磁極数の永久磁石ローターであり、ステータ磁極数とローター磁極数の比が３対２である回転電機の鉄心であればどの様な極数でもよい、又、鉄心材質も電磁鋼板を積層した物や圧粉鉄心等どの様な素材でもよい。

【0038】

以上、詳述した如く高効率化が要望される回転電機に於いて、ステータ鉄心の磁極数が３極、ローター極数が２極の最少極数の回転電機に於いてもコギングトルクを完全に消滅せさせる事の出来る唯一の技術であり、安定した回転トルクを実現し特性を向上させる事を可能とする、理想的特性を得る事の出来る回転電機の鉄心ある。

【図面の簡単な説明】

【0039】

【図1】本発明の３極ステータ鉄心の実施例の平面図である。

【図2】本発明の６極ステータ鉄心のアウターローターの実施例の平面図である。

【図3】特許文献１の回転角が０°とした時の磁力線による引力の説明図である。

【図4】特許文献１の回転角が３０°とした時の磁力線による引力の説明図である。

【図5】本発明の３極ステータ鉄心の回転角が０°を示した図である。

【図6】本発明の３極ステータ鉄心の回転角が１５°を示した図である。

【図7】本発明の３極ステータ鉄心の回転角が３０°を示した図である。

【符号の説明】

【0040】

１ 鉄心
２ ティース
３ バックヨーク
４ スリット
５ スロット
６ 磁石ローター
Ｌ 磁力線（一点鎖線）
Ｍ 磁力線（破線）
Ｓ 磁力線（実線）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】