JP2004242462A

JP2004242462A - 磁束量可変磁石型ロータ

Info

Publication number: JP2004242462A
Application number: JP2003030753A
Authority: JP
Inventors: Yoshiaki Fukatsu; 喜明深津
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2003-02-07
Filing date: 2003-02-07
Publication date: 2004-08-26

Abstract

【課題】高速回転時の減磁を簡素な構造にて実現することができる磁束量可変磁石型ロータを提供すること。
【解決手段】ＩＰＭのロータコアの永久磁石５、５間に設けられる漏れ磁束低減用のフラックスバリア（スリット）３内に回動型又は直動型の磁束短絡部材７を収容することにより、簡素でコンパクトな減磁機構をもつＩＰＭロータを実現することができる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁束量可変磁石型ロータに関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
永久磁石型同期機は他の形式の同期機に比較して高出力でコンパクト化、構成簡素化を実現できるので、信頼性及び小型軽量化が要求される車両用回転電機に好適であるが、車両用回転電機は回転数域が広いため、低速トルク確保のために磁石磁界を十分大きく確保すると、高速回転時に過大な電機子巻線誘起電圧が発生するため、高速回転時の磁石磁界を低減するための減磁機構を設けることが提案されている。
【０００３】
特許文献１は、磁石型ロータコアの永久磁石を、ロータコアに径方向に形成した摺動孔にスプリングとともに収容し、永久磁石に作用する遠心力が増加するとスプリングの弾性付勢力に抗して、永久磁石がこの摺動孔から抜け、これにより永久磁石がロータコアに与える磁束量が減少する構造を提案している。
【０００４】
しかしながら、この技術では、磁石の磁極が周方向に背向する２側面に形成されることになるため、現在、主流となっている略周方向に延設され、磁極がその両主面に形成されるため薄板状磁石を用いる磁石型ロータコアには、適用することができなかった。そのうえ、永久磁石として優れた特性をもつセラミック磁石は、脆いためにこのような磁石運動により破損が生じる可能性もあった。
【０００５】
特許文献２は、ＩＰＭのロータコア内において周方向に隣接する２つの磁石間にて軸方向に貫設された磁束短絡低減用のスリット内に軟磁性の磁束通路部材（磁束短絡部材）を径方向移動自在に挿入し、ロータコアの軸方向両側にコイルスプリングおよびこれにより軸方向に付勢されるリングをそれぞれ装備し、磁束通路部材の軸方向両端とこのリングとをリンク機構により連結し、コイルスプリングがリング、リンク機構を通じて磁束通路部材を径方向内側に付勢する構造を提案している。
【０００６】
この構造では、磁束通路部材に遠心力が作用すると、磁束通路部材はスリット中をコイルスプリングの付勢力に抗して径方向外側に移動し、永久磁石磁束を短絡して減磁を行う。
【０００７】
しかしながら、この技術では、ロータコアの両側にコイルスプリング、リング、リンク機構を必要とするため体格が大きくなり、高速回転するリンク機構の騒音がやかましく、ロータコアの端面への冷却ファンの設置も用意でないため、通常の空冷形式のモータではその実用化が困難であった。
【０００８】
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、高速回転時の減磁を簡素な構造にて実現することができる磁束量可変磁石型ロータを提供することをその目的としている。
【０００９】
【特許文献１】特開平７−２８８９４０号公報
【特許文献２】特開平１１−２７５７８７号公報
【００１０】
【課題を解決するための手段】
第一発明の磁束量可変磁石型ロータは、周方向に所定間隔で軸方向に貫設されて永久磁石を収容する偶数個の磁石挿入溝と、周方向に隣接する二つの磁石挿入溝の間に位置して軸方向に貫設される短絡磁束低減用のスリットとを有するロータコアを有する磁束量可変磁石型ロータにおいて、
略軸方向に伸びる軸心を中心としての前記スリット内の回動が可能なように前記ロータコアに軸支される軟磁性の磁束通路部材と、前記磁束通路部材を略径方向に付勢するスプリングとを備え、前記磁束通路部材は、高速回転時に自己に作用する遠心力により前記スリットを横断する向きに前記スプリングの付勢力に抗して回動することにより短絡磁束量を増大させることを特徴としている。
【００１１】
すなわち、この発明によれば、遠心力発生用のウエイトを兼ねる磁束通路部材（磁束短絡部材）がスリット内を摺動することがなく、磁束通路部材が積層電磁鋼板製であり微少な凹凸をもつスリットの壁面にこすれて動作が阻害されることがなく、信頼性に富む。
【００１２】
また、ロータコアの軸方向両側にリングやリンク機構などを必要とせず、モータの軸方向長さを短縮できるため、コンパクトで信頼性に優れた高速回転時の減磁作用をもつＩＰＭ用の磁束量可変磁石型ロータを実現することができる。
【００１３】
また、この発明によれば、セラミック製で脆い永久磁石を変位させる必要がないために、永久磁石が、通常は積層電磁鋼板製であり微少な凹凸をもつスリットの壁面にこすれて破損したりすることがないうえ、車両衝突時などにおいて強大な加速度力が作用して永久磁石が軸方向又は径方向に加速されて衝突し、破損するといった問題も解決することができる。
【００１４】
第二発明の磁束量可変磁石型ロータは、周方向に所定間隔で軸方向に貫設されて永久磁石を収容する偶数個の磁石挿入溝と、周方向に隣接する二つの磁石挿入溝の間に位置して前記磁石挿入溝よりも径方向外向きに延在し、かつ軸方向に貫設される短絡磁束低減用のスリットとを有するロータコアを有する磁束量可変磁石型ロータにおいて、
前記スリット内を径方向移動自在に収容された軟磁性の磁束通路部材と、前記スリット内に収容されて前記磁束通路部材を径方向内側に付勢するスプリングとを有し、
前記磁束通路部材は、ロータ静止時に前記スプリングの付勢力により前記永久磁石の径方向外側の磁極面よりも更に径方向内側に移動して前記永久磁石間の短絡磁束量を最小化するとともに、ロータ高速回転時に自己に作用する遠心力により前記スプリングを圧縮して径方向外側に移動して前記短絡磁束量を増大することを特徴としている。
【００１５】
すなわち、この発明によれば、遠心力発生用のウエイトを兼ねる磁束通路部材（磁束短絡部材）とそれを磁気短絡抑制方向に付勢するスプリングとからなる減磁機構をすべてスリット内に収容することができるため、コンパクトで信頼性に優れ、冷却にも優れた高速回転時の減磁作用をもつＩＰＭ用の磁束量可変磁石型ロータを実現することができる。
【００１６】
また、この発明によれば、セラミック製で脆い永久磁石を変位させる必要がないために、永久磁石が、通常は積層電磁鋼板製であり微少な凹凸をもつスリットの壁面にこすれて破損したりすることがないうえ、車両衝突時などにおいて強大な加速度力が作用して永久磁石が軸方向又は径方向に加速されて衝突し、破損するといった問題も解決することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の好適態様を図面を参照して以下の実施例により具体的に説明する。なお、これら実施例は実施態様を示すものであり、構成要素を周知の代替要素に置換することは当然可能である。
（実施例１）
実施例１の磁束量可変磁石型ロータを以下に説明する。この磁束量可変磁石型ロータは、たとえばＩＰＭ型の同期機の固定子（図示せず）の径方向内側に配置される。以下の実施例では、電動動作時の磁石磁束量制御を説明するが、発電動作時の磁石磁束量制御もウエイトの周方向移動方向を反転すれば本質的に可能である。
【００１８】
この実施例の磁束量可変磁石型ロータ１を図１、図２を参照して説明する。図１はこのロータ１の径方向模式側面図、図２はその要部拡大図である。
【００１９】
２は積層電磁鋼板製の回転子鉄心（以下、ロータコアともいう）、３は本発明でいうスリットを構成するフラックスバリア、４は磁石挿入溝、５は永久磁石、６は回転軸挿入孔、７は磁束短絡部材（磁気通路部材）、８はピン（枢支軸）、９はつるまきばね（スプリング）、１０は回転軸である。
【００２０】
回転軸１０は回転子鉄心２の回転軸挿入孔６に挿入されて、回転子鉄心２に固定されている。回転子鉄心２には、合計８個の磁石挿入溝４と、これら磁石挿入溝４の周方向両端から径方向外側に伸びる合計１６個のフラックスバリア３がそれぞれ軸方向に貫設されている。磁石挿入溝４には長方形のセラミック薄板からなる永久磁石５が収容され、周方向に隣接する２つの永久磁石５の極性は反対となっている。永久磁石５の径方向外側の主面および径方向内側の主面は磁極面となっている。フラックスバリア３の径方向外側の端は、ロータコア２の外周面近傍に達している。上記ロータコア自体は後述する減磁機構を除いてＩＰＭ型ロータコアとして一般的な構造であるので、これ以上の説明は省略する。
【００２１】
なお、この実施例は、上記形状のフラックスバリア３に限定されるものではなく、フラックスバリアは、周方向に隣接する二つの磁石挿入溝４の間において径方向に延在し、軸方向にロータコア２を貫通する形状であればよい。
【００２２】
次に、この実施例の特徴をなす減磁機構を図２、図３を参照して以下に説明する。図３は図２のＡ−Ａ線から径方向外側に向けてみた模式矢視断面図である。なお、図３では、断面ハッチングは省略している。
【００２３】
磁束短絡部材（磁気通路部材）７は、図１、図２において翼状に形成されており、図３に示すように積層電磁鋼板により形成されている。ただし、磁束短絡部材７を構成する電磁鋼板の数はロータコア２のそれよりも２枚少ない。磁束短絡部材７は、フラックスバリア３内に略９０度回動自在に収容されている。
【００２４】
ピン８は、フラックスバリア３の略径方向に伸びる側面近傍に位置している。ピン８は、ロータコア（回転子鉄心）２を構成する各電磁鋼板のうち軸方向最外側の一対の電磁鋼板に設けられた孔に枢支されて、フラックスバリア３内を軸方向に貫通している。ピン８は、フラックスバリア３内にて、磁束短絡部材７の一端部を貫通しており、磁束短絡部材７とともに回動可能となっている。ピン８は、ロータコア２の両端面から軸方向に多少突出する突出部を有しており、その両端は径大部となっている。
【００２５】
つるまきばね９の両端部は、ピン８の上記両突出部に個別に巻装されており、つるまきばね９の両端はロータコア２に係止されている。ピン８の上記両突出部に個別に巻装されたつるまきばね９の両端部を除く部分であるつるまきばね９の中央部は、フラックスバリア３内を軸方向に貫通しており、磁束短絡部材７を図２において時計方向に付勢している。磁束短絡部材７は静止状態において、この付勢によりフラックスバリア３の側面に押しつけられている（図２参照）。なお、つるまきばね９の代わりに同等の付勢を行う弾性部材を採用してもよい。
【００２６】
磁束短絡部材７は、図２に示すように、ピン８からロータコア２の軸心に伸びる求心方向よりも多少反時計方向へずれて、フラックスバリア３の側面をなすロータコア２の表面につるまきばね９により押しつけられている。
【００２７】
これにより、静止時には、磁束短絡部材７は、図２の位置に規制されるため、フラックスバリア３内を周方向に漏洩（短絡）する磁束量は非常に少なくなる。しかし、磁束短絡部材７は、高速回転時に自己に作用する遠心力によりつるまきばね９の付勢力に抗して反時計方向に回動し、上記漏洩（短絡）磁束量を大幅に増加する。これにより、ステータコイルと鎖交する磁石磁束量を低減することができる。なお、磁束短絡部材７の回動角は、その遠心力とつるまきばね９の付勢力の均衡する位置となるが、磁束短絡部材７の回動角が増大すると磁気吸引力により回動が促進される。
【００２８】
すなわち、この実施例によれば、遠心力発生用のウエイトを兼ねる磁束通路部材（磁束短絡部材）７がスリット内を摺動することがないため、磁束通路部材７が積層電磁鋼板製であり微少な凹凸をもつスリットの壁面にこすれて動作が阻害されることがなく、動作信頼性にすぐれた減磁を行うことができる。
【００２９】
また、ロータコアの軸方向両側にリングやリンク機構などを必要とせず、モータの軸方向長さを短縮できるため、コンパクトで信頼性に優れた高速回転時の減磁作用をもつＩＰＭ用の磁束量可変磁石型ロータを実現することができる。
【００３０】
また、セラミック製で脆い永久磁石を変位させる必要がないために、永久磁石が、通常は積層電磁鋼板製であり微少な凹凸をもつスリットの壁面にこすれて破損したりすることがないうえ、車両衝突時などにおいて強大な加速度力が作用して永久磁石が軸方向又は径方向に加速されて衝突し、破損するといった問題も解決することができる。
【００３１】
この実施例によるロータ回転数と固定子コイルの逆起電圧（磁石起電力）との関係を図４に示す。この実施例では、上記相対回動により、逆起電圧を高速回転時に略飽和させることができる。
【００３２】
（変形態様）
変形態様を図５に示す。この態様では、磁束短絡部材１２の先端面は、ピン８を中心とする仮想円の半径をもつ部分円筒面とされ、同様に、フラックスバリア３の径方向に伸びる側面（ピン８を持たない側）のうち、磁束短絡部材７が最大回動した状態にて上記部分円筒面にほぼ密着する部分もまた、部分円筒面となっている。これにより、最大回動時の両部分円筒面間の空隙幅を低減して磁束短絡部材７の最大回動時における短絡磁束量を最大化することができる。
【００３３】
（変形態様）
変形態様を図６に示す。この態様では、フラックスバリア１５すなわち本発明でいうスリットは、永久磁石１４が挿入された磁石挿入溝の周方向両側から接線方向へ突出している。従って、この場合には、磁束短絡部材７は、静止時においてつるまきばね９により付勢されて接線方向へ倒れ、高速回転時には自己に作用する遠心力により略径方向に倒れてこのフラックスバリア３を横断することにより、永久磁石磁束を短絡する。図７は、図６において、永久磁石数を半減し、すべての永久磁石１４の磁極面の向きを同一とした例である。磁石挿入溝がなくなった部分のロータコアの外周面には永久磁石の径方向外側の磁極面の極性と反対極性の磁極（補曲）１６が形成される。
【００３４】
（変形態様）
上記実施例では、磁石式同期モータにおいて低速電動動作時に対し高速電動動作時の減磁を行ったが、低速発電動作時に対し高速発電動作時の減磁（発電電圧低減）を行うようにしてもよい。
【００３５】
（変形態様）
図８に示すこの変形態様は、図１に比較して、周方向に隣接する二つの磁石挿入溝４の間のフラックスバリア３を半減し、共通化したものである。遠心力に対するロータコア２の耐性は低下するが、減磁機構の数を半減することができる。なお、フラックスバリア３を磁石挿入溝４に対して独立化すれば、ロータコア２の遠心力耐性を改善することができる。
（実施例２）
実施例２の磁束量可変磁石型ロータを以下に説明する。この磁束量可変磁石型ロータは、たとえばＩＰＭ型の同期機の固定子（図示せず）の径方向内側に配置される。以下の実施例では、電動動作時の磁石磁束量制御を説明するが、発電動作時の磁石磁束量制御もウエイトの周方向移動方向を反転すれば本質的に可能である。
【００３６】
この実施例の磁束量可変磁石型ロータ１を図９を参照して説明する。図９はこのロータ１の径方向模式部分側面図である。ただし、説明簡単化のために、実施例１の構成要素と主要機能が同じである構成要素には同一符号を付すものとする。
【００３７】
２は積層電磁鋼板製の回転子鉄心（以下、ロータコアともいう）、３は本発明でいうスリットを構成するフラックスバリア、４は磁石挿入溝、５は永久磁石、６は回転軸挿入孔、７は磁束短絡部材（磁気通路部材）、９はコイルスプリング、１０は回転軸である。この実施例のフラックスバリア３、磁束短絡部材７およびコイルスプリング９を除く他の構造、形状は、実施例１と同じであるので、その説明を省略し、この実施例の特徴をなす減磁機構のみを説明する。
【００３８】
この実施例では、フラックスバリア３すなわち漏れ磁束低減用のスリットの周方向幅は一定とされており、かつ、磁石挿入溝４よりも多少径方向内側まで延在している。
【００３９】
フラックスバリア３内には、径方向断面が略長方形（正確には面取りされている）となっている長棒状の磁束短絡部材７が径方向移動自在に挿入されており、この磁束短絡部材７は、基端がフラックスバリア３の径方向外側の底面に支持されたコイルスプリング９の付勢端により径方向内側に付勢されている。なお、コイルスプリング９は、フラックスバリア３内に軸方向に所定間隔を隔てて複数配置してもよく、あるいは、長手方向が軸方向となっている一つの弓形の板ばねとしてもよい。
【００４０】
これにより、磁束短絡部材７は、静止時にはコイルスプリング９により付勢されて、図９において破線で示すようにフラックスバリア３の径方向最内側、すなわち、永久磁石５の径方向外側の磁極面よりも径方向内側まで引っ込んでいるため、永久磁石５の径方向外側の磁極面間においてフラックスバリア３内を周方向に漏れる短絡磁束量は大幅に低減される。磁束短絡部材７は、高速回転時に自己に作用する遠心力によりコイルスプリング９を圧縮して径方向外側に移動して短絡磁束量を増大し、減磁を行う。
【００４１】
すなわち、この実施例によれば、遠心力発生用のウエイトを兼ねる磁束通路部材（磁束短絡部材）とそれを磁気短絡抑制方向に付勢するスプリングとからなる減磁機構をすべてスリット内に収容することができるため、コンパクトで信頼性に優れ、冷却にも優れた高速回転時の減磁作用をもつＩＰＭ用の磁束量可変磁石型ロータを実現することができる。
【００４２】
また、この発明によれば、セラミック製で脆い永久磁石を変位させる必要がないために、永久磁石が、通常は積層電磁鋼板製であり微少な凹凸をもつスリットの壁面にこすれて破損したりすることがないうえ、車両衝突時などにおいて強大な加速度力が作用して永久磁石が軸方向又は径方向に加速されて衝突し、破損するといった問題も解決することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１のロータの径方向模式側面図である。
【図２】図１の要部拡大図である。
【図３】図２のＡ−Ａ線矢視模式断面図である。
【図４】実施例１の磁束量可変磁石型ロータを用いた場合の逆起電力特性を示す特性図である。
【図５】実施例１の磁束短絡部材の変形態様を示す拡大側面図である。
【図６】実施例１の磁束短絡部材の変形態様を示すロータの径方向模式側面図である。
【図７】実施例１の磁束短絡部材の変形態様を示すロータの径方向模式側面図である。
【図８】実施例１の磁束短絡部材の変形態様を示すロータの径方向模式側面図である。
【図９】実施例２のロータの径方向模式部分側面図である。
【符号の説明】
１回転子（磁束量可変磁石型ロータ）
２回転子鉄心
３フラックスバリア（スリット）
４磁石挿入溝
５永久磁石
７磁束短絡部材
８ピン
９つるまきばね（スプリング）

Claims

周方向に所定間隔で軸方向に貫設されて永久磁石を収容する偶数個の磁石挿入溝と、周方向に隣接する二つの磁石挿入溝の間に位置して軸方向に貫設される短絡磁束低減用のスリットとを有するロータコアを有する磁束量可変磁石型ロータにおいて、
略軸方向に伸びる軸心を中心としての前記スリット内の回動が可能なように前記ロータコアに軸支される軟磁性の磁束通路部材と、
前記磁束通路部材を略径方向に付勢するスプリングと、
を有し、
前記磁束通路部材は、高速回転時に自己に作用する遠心力により前記スリットを横断する向きに前記スプリングの付勢力に抗して回動することにより短絡磁束量を増大させることを特徴とする磁束量可変磁石型ロータ。
周方向に所定間隔で軸方向に貫設されて永久磁石を収容する偶数個の磁石挿入溝と、周方向に隣接する二つの磁石挿入溝の間に位置して前記磁石挿入溝よりも径方向外向きに延在し、かつ軸方向に貫設される短絡磁束低減用のスリットとを有するロータコアを有する磁束量可変磁石型ロータにおいて、
前記スリット内を径方向移動自在に収容された軟磁性の磁束通路部材と、
前記スリット内に収容されて前記磁束通路部材を径方向内側に付勢するスプリングと、
を有し、
前記磁束通路部材は、ロータ静止時に前記スプリングの付勢力により前記永久磁石の径方向外側の磁極面よりも更に径方向内側に移動して前記永久磁石間の短絡磁束量を最小化するとともに、ロータ高速回転時に自己に作用する遠心力により前記スプリングを圧縮して径方向外側に移動して前記短絡磁束量を増大することを特徴とする磁束量可変磁石型ロータ。