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公開番号2021069266
公報種別公開特許公報(A)
公開日20210430
出願番号2019204300
出願日20191023
発明の名称回転電機の鉄心
出願人個人
代理人
主分類H02K 1/16 20060101AFI20210402BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】コギングトルクを完全に消滅し、高効率、小型で高出力を可能とする回転電機を提供する。
【解決手段】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1の、磁石面に対向するティース2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2本のスリット4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5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。
【選択図】図1
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、ステータの素材である鉄心の飽和磁束密度Bsとローターの素材である磁石の残留磁束密度Brの関係が、(飽和磁束密度Bs)/2・(残留磁束密度Br)=0.821になる事と、鉄心の内径半径をr1として、その円の中心点から引かれた中心線に対して、左右対称の角度θbで引いた2本の線と、鉄心の内径半径r1との2つの交点間を、スリット4により分割されたティース2の中央の磁路であるTBの幅hbとして、ローターの磁極数Pと幅hbを掛けた数値を2で割った数値であるP・hb/2が、バックヨークTの幅Thと等しい事と、鉄心の内径半径r1に、P・hb/2を足した数値を鉄心の中心半径r2として、鉄心の中心半径r2に、P・hb/2を足したものを鉄心の外径半径r3とする事と、スリット4により分割されたティース2の両側の磁路であるTAの幅haは、Tの幅Thをローターの磁極数Pで割り、その数値に0.821の平方根を掛けた数値、ha=(Th/P)・(0.821の平方根)である事と、ティース2の両端の磁路であるTcの幅hcは、Tの幅Thに2を掛けた数値をローター磁極数Pとe(eはネイピア数)を掛けた数値で割ったhc=(2・Th)/(P・e)であ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。
続きを表示(約 6,000 文字)【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】
従来の技術によれば、鉄心の磁極数を多数極にする、磁極にスキューをかける補助溝を付ける等の回転電機の鉄心に関する技術が有ります。
【0004】
しかし、従来技術のコギングトルクの低減手法として、磁極にスキューをかける事や多数極スロットの採用や、補助溝の採用等のコギングトルクを相殺する技術が広く使われていますが、コギングトルクを消滅する事と高効率の実現の両立は出来ず、効率の低下を招く課題を持っていました。
【0005】
又、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と高効率を実現する技術が開示されている。
【0006】
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。(特許文献1)
【0007】
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する技術が開示されている。
【0008】
又、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、コギングトルクを消滅する技術が開示されている。
【0009】
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TAがバックヨーク厚さTをP

2θa1/90で割った数値になる事を特徴とする回転電機の鉄心が開示されている。(特許文献2)
【0010】
しかし、特許文献1、特許文献2の技術による鉄心に於いては、鉄心素材の飽和磁束密度Bsとローターの素材である磁石の残留磁束密度Brの関係が未解明、未記述であり、鉄心の磁気回路の計算理論に誤りが生じて、その設計手法も確定されておらず、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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0011】
特願2010−135549
特願2014−172050
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0012】
特許文献1、特許文献2の技術による鉄心は、次の点に於いて性能の向上が考えられる。
【0013】
即ち、特許文献1に於いて、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の値が等しいか、ほぼ等しくなる条件と、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した時に、磁気回路に於ける磁石による引力の総和が近くなる事で、基本調波のコギングトルクは低減される。
【0014】
即ち、特許文献1では、図2に示した磁気回路のL(一点鎖線)とM(破線)とS(実線)の磁力による引力の和と、図3に示した磁気回路L(一点鎖線実線)とM(破線)とS(実線)の引力の和の数値が近くなりローターのコギングトルクは低減されるが消滅する事は無い。
【0015】
特許文献2に於いては、ローターのコギングトルクは、図2の0°と図3の30°の位置で引力がほぼ等しくなるが均衡せず、コギングトルクが消滅する事はなく、この時に生成するローターのコギングトルクは、0°と30°の中間位置で大きくなり、不規則な調波のコギングトルクが残留する。
【0016】
即ち、特許文献1、特許文献2の技術による鉄心に於いては、本件の様な鉄心の素材特性や磁石の特性を考慮した計算手法が成されておらず、磁極数が3極、磁石極数が2極等の最少極数の回転電機に於いて、コギングトルクを完全に消滅させる事は実現出来ない。
【0017】
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の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】
【0018】
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。
【0019】
即ち、実施例に対応する添付図1の符号を用いて説明すると、本件の発明は、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、ステータの素材である鉄心の飽和磁束密度Bsとローターの素材である磁石の残留磁束密度Brの関係が、(飽和磁束密度Bs)/2・(残留磁束密度Br)=0.821になる事と、鉄心の内径半径をr1として、その円の中心点から引かれた中心線に対して、左右対称の角度θbで引いた2本の線と、鉄心の内径半径r1との2つの交点の間を、スリット4により分割されたティース2の中央の磁路であるTBの幅hbとして、ローターの磁極数Pと幅hbを掛けた数値を2で割った数値であるP・hb/2が鉄心のバックヨークTの幅Thと等しい事と、鉄心の内径半径r1に、P・hb/2を足した数値を鉄心の中心半径r2として、鉄心の中心半径r2に、P・hb/2を足したものを鉄心の外径半径r3とする事と、スリット4により分割されたティース2の両側の磁路であるTAの幅haは、Tの幅Thをローターの磁極数Pで割り、その数値に、0.821の平方根を掛けた数値、ha=(Th/P)・(0.821の平方根)である事と、ティース2の両端の磁路であるTcの幅hcは、Tの幅Thに2を掛けた数値をローター磁極数Pとe(eはネイピア数)を掛けた数値で割ったhc=(2・Th)/(P・e)である回転電機の鉄心。
【発明の効果】
【0020】
本件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。
【0021】
即ち、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。
【図面の簡単な説明】
【0022】
本件鉄心の3極ステータ鉄心の実施例の断面図である。
3極の鉄心のロータ―磁石q軸を頂点として、回転角が0°とした時の磁気回路L、M、S、の説明図である。
3極の鉄心のロータ―磁石q軸が、30°回転した時の磁気回路L、M、S、の説明図である。
本件鉄心の作図方法の説明図である。
本件鉄心の作図方法の説明図である。
本発明の2ローター磁石と正弦波の配向の面積を示した図である。
本件鉄心の実施例を示した図である。
本件鉄心の実施例の回転角0°の計算基本図である。
本件鉄心の実施例の0°コギングトルクの計算図である。
本件鉄心の実施例の回転角15°の計算基本図である。
本件鉄心の実施例の15°コギングトルクの計算図である。
本件鉄心の実施例の回転角30°の計算基本図である。
本件鉄心の実施例の30°コギングトルクの計算図である。
本件鉄心の磁路Tcを通過する配向の面積の数値図である。
磁気回路L、M、S、の数値と漏れ磁束の数値の変化の合成図である。
【発明を実施するための形態】
【0023】
上記構成に基づき添付図面に従い実施例を詳述する。
【0024】
図1は、本件特許の実施例の一例を示したものである。
【0025】
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2本のスリット4で、ティースを3分割し磁気回路を形成した図である。
【0026】
次に、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記述の、和が限りなく4に近くなる事とは、出来る限り4に近くすると言う意味であり、製造時の加工精度を考慮すると3.99以上4.01未満である事が望ましい。
【0027】
更に、ステータの素材である鉄心の飽和磁束密度Bsとローターの素材である磁石の残留磁束密度Brの関係が、(飽和磁束密度Bs)/2・(残留磁束密度Br)=0.821になる事と、鉄心の内径半径をr1として、その円の中心点から引かれた中心線に対して、左右対称の角度θbで引いた2本の線と、鉄心の内径半径r1との2つの交点の間を、スリット4により分割されたティース2の中央の磁路であるTBの幅hbとして、ローターの磁極数Pと幅hbを掛けた数値を2で割った数値であるP・hb/2が鉄心のバックヨークTの幅Thと等しい事と、鉄心の内径半径r1に、P・hb/2を足した数値を鉄心の中心半径r2として、鉄心の中心半径r2に、P・hb/2を足したものを鉄心の外径半径r3とする事と、スリット4により分割されたティース2の両側の磁路であるTAの幅haは、Tの幅Thをローターの磁極数Pで割り、その数値に0.821の平方根を掛けた数値、ha=(Th/P)・(0.821の平方根)である事と、ティース2の両端の磁路であるTcの幅hcは、Tの幅Thに2を掛けた数値をローター磁極数Pとe(eはネイピア数)を掛けた数値で割ったhc=(2・Th)/(P・e)である回転電機の鉄心です。
【0028】
次に、本件特許によれば、鉄心に於けるローター回転位置の磁気回路と磁力線を検証すると図2の0°と図3の30°の磁気回路のように変化する事が分かりますが、この2種類の磁気回路に於ける磁石による引力の合計が、均衡した状態になる様に、磁気回路を形成する事が考慮されます。
【0029】
次に、本件特許に於いて、この不規則な調波のコギングトルクの原因である引力の差を無くして均衡させて、コギングトルクを完全に消滅させる技術を詳述します。
【0030】
即ち、特許文件2に於いて0°と30°の中間の位置で、不規則な調波を生じさせていた、コギングトルクの数値を減少させる為に、本件特許は、上記の条件と式を適用した磁気回路の鉄心とする事で、全てのローターの回転位置に於いて、コギングトルクの引力の数値を一致させて、コギングトルクを完全に消滅させる事を実現しています。
(【0031】以降は省略されています)

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