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公開番号2021166448
公報種別公開特許公報(A)
公開日20211014
出願番号2020069454
出願日20200408
発明の名称モーターローター及びこのローターを備えたリラクタンスモーター
出願人台湾電産科技股分有限公司,TAIWAN ELECTRIC MOTOR COMPANY, LTD.,利大溪工業股分有限公司
代理人個人
主分類H02K 1/22 20060101AFI20210917BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】モーターの効率を改善することができるモーターローターを提供する。
【解決手段】モーター鉄心はローターシャフトを包囲すると共に複数の磁束障壁部材23を有し、これら磁束障壁部材23はローターシャフトの中心を円心としてモーター鉄心に等角度で分布される。各磁束障壁部材23は対称に分布される2つの磁束障壁ユニット24を有し、各磁束障壁ユニット24はモーター鉄心の径方向に沿って配列される複数の磁束障壁溝25を有する。ローターシャフトの中心を通過する第1直線L1とローターシャフトの中心を通過する第2直線L2との間には刃先角γが形成され、第1直線L1はローターシャフトから最も離間する磁束障壁溝25のモーター鉄心の外円周に近接する箇所に切点を形成し、第2直線L2は対称になる磁束障壁ユニット24の隣接する磁束障壁溝25のモーター鉄心の外円周に近接する箇所に他の切点を形成する。
【選択図】図2
特許請求の範囲【請求項1】
ローターシャフトと、
前記ローターシャフトを包囲すると共に2N個の磁束障壁部材を有し、Nは正の整数であるモーター鉄心とを備え、
これら前記磁束障壁部材は前記ローターシャフトの中心を円心とし前記モーター鉄心に等角度で分布され、各磁束障壁部材は対称に分布される2つの磁束障壁ユニットを有し、
各磁束障壁ユニットは前記モーター鉄心の径方向に沿って配列される複数の磁束障壁溝を有し、各磁束障壁溝と対称になる磁束障壁ユニットの隣接する磁束障壁溝との間にはリブ部が形成され、
各磁束障壁ユニットの隣接する2つの磁束障壁溝の間には磁束チャンネルが形成され、前記ローターシャフトの中心を通過する第1直線と前記ローターシャフトの中心を通過する第2直線との間には刃先角γが形成され、
前記第1直線は前記ローターシャフトから最も離間する磁束障壁溝の前記モーター鉄心の外円周に近接する箇所に切点を形成し、
前記第2直線は対称になる磁束障壁ユニットの隣接する磁束障壁溝の前記モーター鉄心の外円周に近接する箇所に他の切点を形成し、
ここではPは磁束障壁部材の数量を示すことを特徴とするモーターローター。
続きを表示(約 850 文字)【請求項2】
各磁束障壁ユニットは2つ乃至5つの磁束障壁溝を有し、各磁束障壁ユニットのうち、前記ローターシャフトに最も近接する磁束障壁溝の前記リブ部に最も近接する広さFb1は前記ローターシャフトから最も離間する磁束障壁溝の前記リブ部に最も近接する広さFbn以下ではないことを特徴とする請求項1に記載のモーターローター。
【請求項3】
各磁束障壁ユニットは2つ乃至5つの磁束障壁溝を有し、
各磁束障壁ユニットのうち、前記ローターシャフトに最も近接する磁束障壁溝の前記リブ部に最も近接する広さFb1は前記ローターシャフトから最も離間する磁束障壁溝の前記リブ部に最も近接する広さFbnより大きく、
ことを特徴とする請求項1に記載のモーターローター。
【請求項4】
各磁束障壁溝の前記リブ部に近接する広さFbは前記リブ部から離間する広さTsより広いことを特徴とする請求項1に記載のモーターローター。
【請求項5】
各磁束チャンネルの前記リブ部に近接する広さWqは前記リブ部から離間する広さWd以上ではないことを特徴とする請求項1に記載のモーターローター。
【請求項6】
各磁束障壁溝、対称になる磁束障壁ユニットの隣接する磁束障壁溝、及び対応するリブ部が共同で弧形、U字形、V字形、または多段矩形を形成することを特徴とする請求項1に記載のモーターローター。
【請求項7】
各磁束障壁溝の前記リブ部から離間する一端は円弧形を呈することを特徴とする請求項1に記載のモーターローター。
【請求項8】
モーターの固定子と、
前記モーターの固定子に軸方向に貫設される請求項1乃至7の何れか1項に記載のモーターローターと、を備え、
前記モーターの固定子は、
固定子鉄心と、
前記固定子鉄心の内円周箇所に周設される分布巻きと、を含むことを特徴とするリラクタンスモーター。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明は、モーターローター及びこのローターを備えたリラクタンスモーターに関する。
続きを表示(約 6,000 文字)【背景技術】
【0002】
石油及び電気価格の上昇や地球温暖化等の危機に直面する現在、省エネが世界的に最も関心を集める議題の1つとなっている。このため、工業用誘導電動機及び永久磁石同期電動機を代替するリラクタンスモーターに対する要求が高まっている。
【0003】
リラクタンスモーターは複数のけい素鋼板が重層されることにより形成されるローター及び固定子を有する。ローターは中空の貫通孔による磁束障壁形式で固定子中に設置され、アルミダイカスト、銅ダイカスト、永久磁石等が不要であるため、温度の影響を受けない。リラクタンスモーターはローレンツ力を利用して作動する誘導電動機及び永久磁石同期電動機とは違ってリラクタンス力を利用して作動し、リラクタンス力は磁力線を利用して空間中でリラクタンスの最短経路を閉回路として選択する。このため、ローターが固定子磁場内に置かれる場合、磁力線によりローターが駆動されてリラクタンスの最短経路の位置まで移動する。リラクタンスモーターローター及び固定子が磁場中で同期回転するため、誘導電流が発生せず、誘導電動機が10%乃至30%の二次銅損によるエネルギーの損失も生じない。よって、リラクタンスモーターは従来の常用の誘導電動機よりも高いエネルギー変換効率を有する。
【0004】
リラクタンスモーターは主にローターのd-q軸のリラクタンスの差によりトルクを発生させている。d軸(直軸、direct axis)はローターの磁極の磁場の延伸方向と定義され、q軸(横軸、quadrature axis)は隣接する2つの磁極間の延伸方向と定義される。モーターのトルクTは下記公式に示す。
式中のPはローターの磁極の数量を示し、L

及びL

はd軸及びq軸のインダクタンスをそれぞれ示し、i

及びi

はd軸及びq軸上における固定子の電流の分量をそれぞれ示す。この公式によれば、リラクタンスモーターは最大インダクタンス差L

-L

に依存するという特性を有する。換言すれば、d軸のインダクタンスを高めるかq軸のインダクタンスを低めることによりトルクが増加する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかしながら、従来のモーター関連技術では、d軸のインダクタンスを高めるまたはq軸のインダクタンスを低めるにはq軸の磁束を有効的に遮断する必要があった。空気の相対透磁係数がけい素鋼板よりもはるかに低いため、ローターに配置されている中空で空気が充満された貫通孔を磁束障壁とすることが有効的な手段となっている。磁束障壁の広さが広がるとd軸のインダクタンスが低下する。2つの磁束障壁間の磁束チャンネルの広さが広がるとd軸のインダクタンスが上昇する。然しながら、事実上磁束障壁の広さまたは磁束チャンネルの広さのどちらが広がろうとも、d-q軸のインダクタンスの増減幅が各々異なるため、単純に磁束障壁の広さまたは磁束チャンネルの広さを調整することでインダクタンスの差L

-L

を改変することは難しかった。
【0006】
そこで、本発明者は上記の欠点が改善可能と考え、鋭意検討を重ねた結果、合理的設計で上記の課題を効果的に改善する本発明の提案に至った。
【0007】
かかる従来の実情に鑑みて、本発明は、モーターローターを提供することを目的の一とする。すなわち、ローターによりモーターに高いトルクを付与することで、モーターの効率を改善する。
【0008】
また、本発明の他の目的は、モーターローターを提供することである。すなわち、ローターによりモーターに低いトルクリップルを付与することで、モーターの効率を改善する。
【課題を解決するための手段】
【0009】
上記課題を解決するために、本発明のある態様のモーターローターは、ローターシャフト及びモーター鉄心を備えている。モーター鉄心はローターシャフトを包囲すると共に2N個の磁束障壁部材を有し、Nは正の整数である。これら磁束障壁部材はローターシャフトの中心を円心としてモーター鉄心に等角度で分布されている。各磁束障壁部材は対称に分布される2つの磁束障壁ユニットを有し、各磁束障壁ユニットはモーター鉄心の径方向に沿って配列される複数の磁束障壁溝を有する。各磁束障壁溝と対称になる磁束障壁ユニットのうちの隣接する磁束障壁溝との間にはリブ部が形成され、各磁束障壁ユニットのうちの隣接する2つの磁束障壁溝の間には磁束チャンネルが形成されている。
ローターシャフトの中心を通過する第1直線とローターシャフトの中心を通過する第2直線との間には刃先角γが形成され、第1直線はローターシャフトから最も離間する磁束障壁溝のモーター鉄心の外円周に近接する箇所に切点を形成し、第2直線は対称になる磁束障壁ユニットの隣接する磁束障壁溝のモーター鉄心の外円周に近接する箇所に他の切点を形成する。
【0010】
テストを経て提出されたモーターローターは、永久磁石を別途配置せずにモーターに高いトルク及び低いトルクリップルを提供することによりモーターの効率を高めている。また、モーターの生産コストを更に節約すると共に大規模な大量生産に適用可能にする。
【0011】
本発明の別の態様は、リラクタンスモーターである。このリラクタンスモーターは、モーターの固定子及び上述のモーターローターを備えている。モーターの固定子は固定子鉄心及び分布巻きを含み、分布巻きは固定子鉄心の内円周箇所に周設され、モーターローターはモーターの固定子に軸方向に貫設されている。
【図面の簡単な説明】
【0012】
本発明の一実施形態に係るリラクタンスモーターを示す概略図である。
本発明のリラクタンスモーターのモーターローターを示す概略図である。
本発明のモーターローターの一部領域を示す部分拡大図である。
本発明のモーターローターの他の領域を示す部分拡大図である。
本発明のモーターローターのさらなる他の一部領域を示す部分拡大図である。
刃先角γとモーターのトルクまたはトルクリップルの関係を説明する試験結果グラフである。
FbnとFb1によって成立される関係Fb1 /(Fb1-Fbn)とモーターのトルクまたはトルクリップルの関係を説明する試験結果グラフである。
【発明を実施するための形態】
【0013】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、本発明は以下の例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、任意に変更可能であることは言うまでもない。
【0014】
本明細書及び図面の記載により、少なくとも、以下の事項が明らかとなる。
【0015】
以下、図1〜5を参照しながら、本発明をさらに詳しく説明する。まず、本発明の一実施形態に係るリラクタンスモーターは高いトルク及び低トルクリップル等の特性を有し、モーターの固定子1及びモーターローター2を備えている。
【0016】
図1に示されるように、モーターの固定子1は固定子鉄心11及び分布巻き12を備え、モーターローター2はローターシャフト21及びモーター鉄心22を有する。
【0017】
固定子鉄心11は軸方向に貫通する円柱であり、且つ外円周及び内円周を有する。分布巻き12は固定子鉄心11の内円周箇所に周設されている。ちなみに、モーターの固定子1は本発明の技術改良の重点ではないため、詳述は省略する。
【0018】
モーターローター2はモーターの固定子1に軸方向に貫設され、且つモーター鉄心22はローターシャフト21を包囲する。具体的には、モーター鉄心22は好ましくはローターシャフト21を同心円方式で包囲する。図2に示されるように、モーター鉄心22は2N個の磁束障壁部材23を有し、Nは正の整数である。一般的には、磁束障壁部材23の数量によりローターの磁極数が決定され、典型的には4極または6極である。本実施方式による磁束障壁部材23の数量は4(N=2、4極ローター)であるが、但し可能な他の実施態様では6(N=3、6極ローター)でもよく、特に制限はない。これら磁束障壁部材23はローターシャフト21の中心Cを円心としてモーター鉄心22に等角度で分布され、単一の磁束障壁部材23は対称に分布される2つの磁束障壁ユニット24を有し、単一の磁束障壁ユニット24はモーター鉄心22の径方向に沿って配列される複数の磁束障壁溝25を有する。本実施方式による磁束障壁ユニット24は3つの磁束障壁溝25を有しているが、但し可能な他の実施態様では2つ、4つ、または5つ有してもよく、特に制限はない。
【0019】
単一の磁束障壁部材23を単位とする場合、単一の磁束障壁溝25と対称になる磁束障壁ユニット24のうちの隣接する磁束障壁溝25との間にはリブ部26が形成されている。また、単一の磁束障壁溝25及び対称になる磁束障壁ユニット24のうちの隣接する磁束障壁溝25と対応するリブ部26とが共同で弧形、U字形、V字形、或いは多段矩形を形成するが、但しこれらに限られず、このような特殊な外形によりモーターのトルクリップルが更に低減するのみならず、モーターの作動時の振動音も更に低減する。なお、単一の磁束障壁溝25のリブ部26から離間する一端は円弧形を呈するが、但しこれに限定されず、この円弧の設計によりモーターの製造品質が向上し、製造モジュールの耐用年数も延び、よってモーターの大規模製造が可能となる。また、単一の磁束障壁ユニット24を単位とする場合、隣接する何れか2つの磁束障壁溝25の間に磁束チャンネル27が形成されている。本発明が属する技術分野で通常知識を有する者ならば、隣接する2つの磁束障壁部材23の間がローターの磁極位置であり、即ち、d軸のローターの磁極の磁場の延伸方向が隣接する2つの磁束障壁部材23の間に形成されていることが分かる。換言すれば、d軸は隣接する2つの磁束障壁部材23の間の中心とローターシャフト21の中心Cとが接続される直線上に位置されている。以上のことから、q軸の隣接する2つの磁極間の延伸方向が何れか1つの磁束障壁溝25と対称になる磁束障壁ユニット24のうちの隣接する磁束障壁溝25との間に形成されていることが分かる。換言すれば、q軸がリブ部26の中心とローターシャフト21の中心Cとが接続される直線上に位置されている。
【0020】
次は、図2に示されるように、モーター鉄心22には第1直線L1及び第2直線L2が定義され、共にローターシャフト21の中心Cを通過する。図から分かるように、第1直線L1はローターシャフト21から最も離間する磁束障壁溝25(最外層の磁束障壁溝25)のモーター鉄心22の外円周に近接する箇所に幾何学的接線に切点を形成し、第2直線L2は対称になる磁束障壁ユニット24のうちの隣接する磁束障壁溝25(同一の磁束障壁部材23のうちの最外層の対称になる磁束障壁溝25)のモーター鉄心22の外円周に近接する箇所に幾何学的接線に他の切点を形成する。
【0021】
次は、図3に示されるように、単一の磁束障壁ユニット24を単位とする場合、ローターシャフト21に最も近接する磁束障壁溝25のリブ部26に最も近接する広さFb1及びローターシャフト21から最も離間する磁束障壁溝25のリブ部26に最も近接する広さFbnが定義される。
広さFb1は広さFbn以下ではないため、モーターのトルクが更に高まり、モーターのトルクリップルが更に低下する。
【0022】
次は、図4に示されるように、単一の磁束障壁溝25を単位とする場合、リブ部26に近接する広さFbがリブ部26から離間する広さTsより広く、この広さの差異によりモーターのトルクリップルが更に低下するのみならず、モーターの回転時に発生する振動音も低減する。
【0023】
また、図5に示されるように、単一の磁束チャンネル27を単位とする場合、リブ部26に近接する広さWqはリブ部26から離間する広さWd以上ではなく、この広さの差異によりモーターのトルクが更に高まりモーターのトルクリップルが低下するのみならず、モーターの出力パワーも更に高まり、モーターの回転時に発生する振動音も更に低減する。
【0024】
【0025】
図7を参照し、異なる実施例のリラクタンスモーターのトルク特性を比較し、モーターの差異は広さFb1及び広さFbnの関係式の値にある。
【0026】
以上を総合すると、上述の実施方式は特殊な物理パラメータ関係を有する磁束障壁溝が配置されることにより、モーターのトルクが予想外に高まり、モーターのトルクリップルが低下する。これにより、モーターの動作性能が改善される。
【0027】
上述の実施形態は本発明の技術思想及び特徴を説明するためのものにすぎず、当該技術分野を熟知する者に本発明の内容を理解させると共にこれをもって実施させることを目的とし、本発明の特許請求の範囲を限定するものではない。従って、本発明の精神を逸脱せずに行う各種の同様の効果をもつ改良又は変更は、後述の請求項に含まれるものとする。
【符号の説明】
【0028】
1 モーターの固定子
11 固定子鉄心
12 分布巻き
2 モーターローター
21 ローターシャフト
22 モーター鉄心
23 磁束障壁部材
24 磁束障壁ユニット
25 磁束障壁溝
26 リブ部
27 磁束チャンネル
C ローターシャフトの中心
L1 第1直線
L2 第2直線
γ 刃先角
Fb1 広さ
Fbn 広さ
Fb 広さ
Ts 広さ
Wd 広さ
Wq 広さ

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