JP2007060755A

JP2007060755A - 回転電機の回転子構造

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Publication number: JP2007060755A
Application number: JP2005240744A
Authority: JP
Inventors: Toshiharu Oki; 俊治大木; Akira Nezu; 章根津; Takeshi Ikemi; 健池見; Katsumi Yamazaki; 克巳山崎
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd; Chiba Institute of Technology
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd; Chiba Institute of Technology
Priority date: 2005-08-23
Filing date: 2005-08-23
Publication date: 2007-03-08
Anticipated expiration: 2025-08-23
Also published as: JP5244290B2

Abstract

【課題】磁石の起磁力高調波を除くことができ、大電流で弱め界磁時であっても鉄損の増加のない回転電機の回転子構造を提供する。
【解決手段】固定子と、固定子とギャップを介して回転自在に設けられ、コアに永久磁石を埋め込んで構成した回転子と、を有する回転電機の回転子構造であって、横断面において、外周に向く両端部に設けられた切り欠き部を有する磁石構造体と、磁石構造体の両端部の切り欠き部に対応した位置にｑ軸側に開いた状態で設けられたスリットと、を備える回転子を用いて回転電機を構成する。
【選択図】図４

Description

本発明は、固定子と、固定子とギャップを介して回転自在に設けられ、コアに永久磁石を埋め込んで構成した回転子と、を有する回転電機の回転子構造に関するものである。

従来、固定子と、固定子とギャップを介して回転自在に設けられ、コアに永久磁石を埋め込んで構成した回転子と、を有する回転電機は、例えば、ＩＰＭモータ（磁石埋め込み型同期モータ）として知られている（例えば、特許文献１〜４参照）。
特開平１０−１４６０３１号公報特開２００２−２０９３５０号公報特開平１０−２８５８４５号公報特開２００４−３３６９９９号公報

上述した従来の回転電機のうち、特許文献１、永久磁石回転電機が発生する誘起電圧の波形を正弦波に近似させるための技術であり、その図に断面を台形形状とした永久磁石の開示がある。また、特許文献２は、永久磁石を埋め込むコアの形状を改良して、空隙の磁束密度を高めると同時にギャップ磁束分布を正弦波に近づけ、トルクの増大、トルクリップル、固定子鉄損の低減をする例の開示がある。さらに、特許文献３、４では、永久磁石の外周側コアに設ける複数のスリットの配置を最適にすることで、低振動、低騒音で、かつ高効率な特性を有する回転電機を得ている。

しかしながら、上述した従来の技術では、いずれも、図１３に示す鉄損特性にあるように大電流で弱め界磁のときに鉄損増加が生じ、問題となっていた。このように大電流で弱め界磁の時に鉄損が増加するのは、磁石の起磁力高調波が原因であると考えられ、これを除くことができれば鉄損を大幅に低減しうると考えられるが、これを除く有効な手段が未だ見つかっていなかった。

本発明の目的は上述した問題点を解消して、磁石の起磁力高調波を除くことができ、大電流で弱め界磁時であっても鉄損の増加のない回転電機の回転子構造を提供しようとするものである。

本発明の回転電機の回転子構造は、固定子と、固定子とギャップを介して回転自在に設けられ、コアに永久磁石を埋め込んで構成した回転子と、を有する回転電機の回転子構造であって、横断面において、外周に向く両端部に設けられた切り欠き部を有する磁石構造体と、磁石構造体の両端部の切り欠き部に対応した位置にｑ軸側に開いた状態で設けられたスリットと、を備えることを特徴とするものである。

本発明では、横断面において、外周に向く両端部をギャップ面の形状に対応して設けられた切り欠き部を有する磁石構造体と、磁石構造体の両端部の切り欠き部に対応した位置にｑ軸側に開いた状態で設けられたスリットと、を備えているため、ｑ軸側に磁束が回り込むことが出来、磁石磁束による固定子ティースでの高次成分（３、５、７、９次）が減少し、トルク低下を招くことなく、固定子で発生する鉄損を低減できる。その結果、磁石の起磁力高調波を除くことができ、大電流で弱め界磁時であっても鉄損の増加が少ない又はない回転電機の回転子構造を得ることができる。

なお、本発明の好適例としては、磁石構造体が、断面が直方体形状の長方形磁石部と、この長方形磁石部の外周に一体に設けられた断面が外側に向かって凸形状の台形磁石部と、から構成されること、がある。このように構成することで、鉄損が低減されると共に、磁石が表面近くに配置されるため、磁石磁束が増加し、さらに、ｄ軸インダクタンスが低下し出力が増加する。また、プレスの角部が減少し、コスト低減を図ることができる。

また、本発明の好適例としては、磁石構造体が、断面が直方体形状の長方形磁石部およびこの長方形磁石部の外周に一体に設けられた断面が外側に向かって凸形状の台形磁石部と、台形磁石部の両端部に設けられたバリアと、から構成されること、がある。このように構成することで、上述した効果に加えて、バリアが電流の逆磁界を弱めるため、磁石の耐減磁性能が向上する。

さらに、本発明の好適例としては、磁石構造体が、断面が直方体形状の長方形磁石部と、長方形磁石部の両端部に設けられたバリアと、から構成されること、がある。このように構成することで、上述した効果に加えて、低コスト化を図ることができる。

さらにまた、本発明の好適例としては、磁石構造体が、断面がカマボコ形状で両端部の曲率（＝１／Ｒ）が中央部より大きい磁石から構成されること、がある。このように構成することで、上述した例と同様に、磁石が回転子表面のより近くに配置されるため、磁石磁束が向上し、トルク・出力が向上する。

また、本発明の好適例としては、スリットを、外周のギャップ面に設けられた開口部から内周に向け形成すること、がある。このように構成することで、上述した効果に加えて、回転子表面にかかる遠心力が斜めの部分にかかるため、曲げによる局部応力が緩和され、耐遠心力特性が向上し、高回転まで回転可能となる。

さらに、本発明の好適例としては、スリットを、前記磁石構造体の両端部から外側に向け外周のギャップ面には開口しないよう形成すること、がある。このように構成することで、本発明をより効果的に実施することができる。

さらにまた、本発明の好適例としては、スリットが長穴もしくは穴の連続から形成されること、がある。このように構成することで、穴の周りは加工硬化により、機械強度は増加し磁気特性は悪化するため、スリットと同様の磁気的効果をもちつつ、回転子強度の向上が図れ、高回転まで回転可能となる。

以下に、この発明の実施の形態を、図面に基づき詳細に説明する。

［本発明の対象となる回転電機の構成について］
図１は本発明の回転子構造の対象となる回転電機の一例を説明するための横断面図である。なお、本例は対象となる回転電機の全体の構成を説明するための図であり、本例では本発明の特徴となる部分の説明は行っていない。図１に示す例において、本発明の対象となる回転電機１は、固定子１１と固定子１１とギャップを介して回転自在に設けられた回転子２１とから構成されている。固定子１１は、ギャップ面に開口する複数のティース１２の周囲にコイル１３を巻回して形成されている。回転子２１は、コア２２の外周近傍に複数の永久磁石２３を埋め込んで形成されている。

［本発明の特徴となる構成について］
本発明の特徴は、上述した構成の回転電機１において、回転子２１を構成する永久磁石２３の形状および永久磁石２３近傍の構造を改良した点にある。以下、本発明の回転電機の回転子構造について詳細に説明する。

本発明の第１の特徴は、永久磁石２３の形状にあり、外周に向く両端部に設けられた切り欠き部を有する磁石構造体とする点にある。図２（ａ）〜（ｅ）はそれぞれ本発明の回転子構造における磁石構造体の一例を説明するための図である。

図２（ａ）に示す例では、磁石構造体３１を、断面が直方体形状の長方形磁石部３２と、この長方形磁石部３２の外周に一体に設けられた断面が外側に向かって凸形状の台形磁石部３３と、から構成している。本例では、台形磁石部３３の両端部で、磁石構造体３１の両端部に形成した切り欠き部を構成している。図２（ｂ）に示す例では、磁石構造体３１を、断面が直方体形状の長方形磁石部３２およびこの長方形磁石部３２の外周に一体に設けられた断面が外側に向かって凸形状の台形磁石部３３と、台形磁石部３３の両端部に設けられた空隙からなるバリア３４と、から構成している。本例では、両端部のバリア３４で、磁石構造体３１の両端部に形成された切り欠き部を構成している。図２（ｃ）に示す例では、磁石構造体３１を、断面が直方体形状の長方形磁石部３２と、長方形磁石部３２の両端部に設けられたバリア３４と、から構成している。本例では、両端部のバリア３４で、磁石構造体３１の両端部に形成された切り欠き部を構成している。また、図２（ｄ）に示す例では、図２（ｃ）に示す例におけるバリア３４を磁石３５で構成し、さらに、磁石３５を長方形磁石部３２と一体に構成している。本例では、両端部の磁石３５で、磁石構造体３１の両端部に形成された切り欠き部を構成している。図２（ｅ）に示す例では、磁石構造体３１を、断面がカマボコ形状で両端部の曲率（＝１／Ｒ）が中央部より大きい磁石３６で構成している。本例では、両端部の曲率の大きい部分で、磁石構造体３１の両端部に形成された切り欠き部を構成している。
なお、切り欠き部は、切り欠いた長辺部分が回転子の外周に概略沿っていればよい。

本発明の第２の特徴は、磁石構造体３１の両端部の切り欠き部に対応した位置にｑ軸側に開いたスリットを設けた点にある。図３（ａ）、（ｂ）はそれぞれ本発明の回転子構造における磁石構造体の一例を説明するための図である。図３（ａ）に示す例では、スリット４１を、外周のギャップ面に設けられた開口部４２から内周に向け形成している。図３（ｂ）に示す例では、スリット４３を、磁石構造体３１の両端部から外側に向け外周のギャップ面には開口しないよう形成している。

［本発明の具体的な回転子構造について］
次に、上述した本発明の第１の特徴（永久磁石の形状）および第２の特徴（スリット）を組み合わせて鉄損低減を達成できる本発明の具体的な回転子構造について説明する。図４（ａ）、（ｂ）〜図７（ａ）、（ｂ）はそれぞれ本発明の回転子構造の具体的な一例を説明するための図である。

図４（ａ）、（ｂ）に示す例では、いずれも第１の特徴の磁石構造体３１の形状として、図２（ｂ）に示す、断面が直方体形状の長方形磁石部３２およびこの長方形磁石部３２の外周に一体に設けられた断面が外側に向かって凸形状の台形磁石部３３と、台形磁石部３３の両端部に設けられた空隙からなるバリア３４と、からなる磁石構造体３１を用いている。また、第２の特徴のスリットとして、図４（ａ）に示す例では図３（ａ）に示すスリット４１を用い、一方、図４（ｂ）に示す例では図３（ｂ）に示すスリット４３をバリア３４と一体化したものを用いている。

図５（ａ）、（ｂ）に示す例では、いずれも第１の特徴の磁石構造体３１の形状として、図２（ａ）に示す、断面が直方体形状の長方形磁石部３２と、この長方形磁石部３２の外周に一体に設けられた断面が外側に向かって凸形状の台形磁石部３３と、からなる磁石構造体３１を用いている。また、第２の特徴のスリットとして、図５（ａ）に示す例では図３（ａ）に示すスリット４１を用い、一方、図５（ｂ）に示す例では図３（ｂ）に示すスリット４３を磁石構造体３１の両端部から外周側に向けて設けたものを用いている。

図６（ａ）、（ｂ）に示す例では、いずれも第１の特徴の磁石構造体３１の形状として、図２（ｃ）に示す、断面が直方体形状の長方形磁石部３２と、長方形磁石部３２の両端部に設けられたバリア３４と、からなる磁石構造体３１を用いている。また、第２の特徴のスリットとして、図６（ａ）に示す例では図３（ａ）に示すスリット４１を用い、一方、図６（ｂ）に示す例では図３（ｂ）に示すスリット４３をバリア３４と一体化したものを用いている。

図７（ａ）、（ｂ）に示す例では、いずれも第１の特徴の磁石構造体３１の形状として、図２（ｅ）に示す、断面がカマボコ形状で両端部の曲率が中央部より大きい磁石３６で構成した磁石構造体３１を用いている。また、第２の特徴のスリットとして、図７（ａ）に示す例では図３（ａ）に示すスリット４１を用い、一方、図７（ｂ）に示す例では図３（ｂ）に示すスリット４３を磁石構造体３１の両端部から外周側に向けて設けしたものを用いている。

＜各種形状の鉄損比較について＞
次に、実際に種々の形状の回転子構造を有する回転電機に対し鉄損を測定した結果について説明する。まず、回転子構造として、図８（ａ）〜（ｈ）に示す回転子を準備する。ここで、図８（ａ）に示す例は、図４（ａ）に示す、外側スリット４１および長方形磁石部３２と台形磁石部３３とバリア３４とからなる磁石構造体３１から構成されている。また、図８（ｂ）に示す例は、図８（ａ）に示す例から、スリット４１とバリア３４を取り除いて構成している。図８（ｃ）に示す例は、図８（ａ）に示す例から、スリット４１を取り除き、バリア３４を残して構成している。図８（ｄ）に示す例は、図８（ａ）に示す例から、バリア３４を取り除き、スリット４１を残して構成している。さらに、図８（ｅ）に示す例は、図８（ｄ）における磁石構造体３１から台形磁石部３３を取り除き、長方形磁石部３２のみで磁石構造体３１を構成している。図８（ｆ）に示す例は、図８（ｅ）における磁石構造体３１の両端部に、外側が同じ傾きのバリア３４を追加して構成している。図８（ｇ）に示す例は、図８（ａ）に示す例において、バリア３４を磁石に置き換えて構成している。図８（ｈ）に示す例は、図８（ｇ）に示す例において、磁石構造体３１のｄ軸の凹みを無くして台形磁石として構成している。

上述した図８（ａ）〜（ｈ）に示す回転子構造を有する回転電機に対し、以下の条件で鉄損の測定を行った。
（１）駆動条件：Ｉａ＝６００Ａ、β＝８０ｄｅｇ、８０００ｍｉｎ^−１
（２）解析手法：有限要素法による正弦波電流源磁場解析

図９は各回転子構造（図８（ａ）〜（ｇ））を有する回転電機における鉄損率を示すグラフである。ここで鉄損率は、鉄損率＝鉄損／出力として求める。また、図９において（ａ）〜（ｇ）の符号は、図８（ａ）〜（ｇ）に対応している。図９の結果から、本発明の回転子構造を満たす図８（ａ）、（ｄ）、（ｆ）、（ｇ）、（ｈ）に示す例が、いずれかの点で本発明の回転子構造を満たしていない図８（ｂ）、（ｃ）、（ｅ）の例と比べて、鉄損率が大幅に小さいことがわかる。
また、図１２は実施例と比較例における鉄損を比較するためのグラフである。図１２に示す例において、６００Ａの大電流と２００Ａの小電流とにおいて、進み電流位相角βと鉄損との関係を、本発明形状および従来形状について調べた。図１２の結果からわかるように、大電流６００Ａのとき従来発生していた鉄損の上昇が本発明形状では発生しなくなることがわかる。

＜スリット、バリア等の形状について＞
次に、図８（ａ）に示す回転子構造において、スリット４１の位置、バリア３４の位置、長方形磁石部３２の位置の好適例について説明する。図１０に示すように、バリア３４の上部Ａ、スリット４１の下部Ｂ、スリット４１の上部Ｃ、磁石の厚みＥについて、それぞれの位置を水準１、２、３と振って回転子構造を構成し、着目するパラメータ以外は水準２（水準１と３との中間）とした状態の回転電機について、図１１に鉄損率の変化を示す。図１１の結果から、バリア３４の上部Ａについては水準１が、スリット４１の下部Ｂについては水準１が、スリット４１の上部Ｃについては水準３が、磁石厚みＥについては水準１が、それぞれ鉄損率が小さくなることがわかる。

＜実験結果のまとめ＞
以上のことから、以下の知見を得ることができる。
（１）鉄損低減にはスリットが大きく寄与している。
（２）スリットとバリアとのなす角度が開いた方が鉄損低減に有効となる。これは磁束をＱ軸方向に誘導する効果が強まるためと考えることができる。
（３）バリアをなくして台形磁石のみとしても、十分な鉄損低減効果が見込める。逆に台形磁石を用いず、長方形磁石を用いた場合でも、適切なバリア形状によって鉄損低減が可能となる。バリアと磁石の台形部はどちらか一方でも良いといえる。

なお、上述した説明では、回転子に対するスキューについて説明しなかったが、本発明の上述した回転子構造に加えて、連続スキュー構造や段スキュー構造をとることができる。本発明の上述した回転子構造では、２次元断面で磁石磁束を正弦波状にしているため、スキューしても鉄損低減効果の劣化はない。スキューすることにより、さらなるコギング・トルクリップルの改善を図ることが可能となる。

本発明によれば、横断面において、外周に向く両端部に設けられた切り欠き部を有する磁石構造体と、磁石構造体の両端部の切り欠き部に対応した位置にｑ軸側に開いた状態で設けられたスリットと、を備える回転子構造とすることで、磁石の起磁力高調波を除くことができ、大電流で弱め界磁時であっても鉄損の増加のない回転電機を得る用途に好適に用いることができる。

本発明の回転子構造の対象となる回転電機の一例を説明するための横断面図である。（ａ）〜（ｅ）はそれぞれ本発明の回転子構造における磁石構造体の一例を説明するための図である。（ａ）、（ｂ）はそれぞれ本発明の回転子構造における磁石構造体の一例を説明するための図である。（ａ）、（ｂ）はそれぞれ本発明の回転子構造の具体的な一例を説明するための図である。（ａ）、（ｂ）はそれぞれ本発明の回転子構造の具体的な他の例を説明するための図である。（ａ）、（ｂ）はそれぞれ本発明の回転子構造の具体的なさらに他の例を説明するための図である。（ａ）、（ｂ）はそれぞれ本発明の回転子構造の具体的なさらに他の例を説明するための図である。（ａ）〜（ｈ）はそれぞれ特性比較を行う回転子構造の一例を示す図である。図８（ａ）〜（ｈ）について特性比較の結果を示すグラフである。本発明におけるスリット、バリア、磁石厚みの好適例を説明するための図である。図１０による測定結果を示すグラフである。実施例と比較例における鉄損を比較するためのグラフである。従来の回転電機における問題点を説明するためのグラフである。

符号の説明

１回転電機
１１固定子
１２ティース
１３コイル
２１回転子
２２コア
２３永久磁石
３１磁石構造体
３２長方形磁石部
３３台形磁石部
３４バリア
３５、３６磁石
４１、４３スリット
４２開口部

Claims

固定子と、固定子とギャップを介して回転自在に設けられ、コアに永久磁石を埋め込んで構成した回転子と、を有する回転電機の回転子構造であって、横断面において、外周に向く両端部に設けられた切り欠き部を有する磁石構造体と、磁石構造体の両端部の切り欠き部に対応した位置にｑ軸側に開いた状態で設けられたスリットと、を備えることを特徴とする回転電機の回転子構造。
前記磁石構造体が、断面が直方体形状の長方形磁石部と、この長方形磁石部の外周に一体に設けられた断面が外側に向かって凸形状の台形磁石部と、から構成されることを特徴とする請求項１に記載の回転電機の回転子構造。
前記磁石構造体が、断面が直方体形状の長方形磁石部およびこの長方形磁石部の外周に一体に設けられた断面が外側に向かって凸形状の台形磁石部と、台形磁石部の両端部に設けられたバリアと、から構成されることを特徴とする請求項１に記載の回転電機の回転子構造。
前記磁石構造体が、断面が直方体形状の長方形磁石部と、長方形磁石部の両端部に設けられたバリアと、から構成されることを特徴とする請求項１に記載の回転電機の回転子構造。
前記磁石構造体が、断面がカマボコ形状で両端部の曲率（＝１／Ｒ）が中央部より大きい磁石から構成されることを特徴とする請求項１に記載の回転電機の回転子構造。
前記スリットを、外周のギャップ面に設けられた開口部から内周に向け形成することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の回転電機の回転子構造。
前記スリットを、前記磁石構造体の両端部から外側に向け外周のギャップ面には開口しないよう形成することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の回転電機の回転子構造。
前記スリットが長穴もしくは穴の連続から形成されることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の回転電機の回転子構造。