JP2010178471A - Rotating electrical machine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、回転子鉄心の内部に永久磁石が埋め込まれた構造を有するIPM(Internal Permanent Magnet)型の回転電機に関する。 The present invention relates to an IPM (Internal Permanent Magnet) type rotating electrical machine having a structure in which a permanent magnet is embedded in a rotor core.
IPM型モータは、体積あたりの出力トルクが大きいこと、弱め界磁制御による高速運転が可能であることなどの理由により、電気自動車の駆動用モータとしての用途が見込まれている。しかし、永久磁石に作用する遠心力などによって回転子鉄心、特に永久磁石が埋め込まれた溝部近傍に集中応力が発生する問題があり、高速化、大口径化することが困難であった。 The IPM type motor is expected to be used as a drive motor for an electric vehicle because of its large output torque per volume and high speed operation by field weakening control. However, there is a problem that concentrated stress is generated in the vicinity of the rotor core, particularly the groove portion in which the permanent magnet is embedded, due to centrifugal force acting on the permanent magnet, and it is difficult to increase the speed and the diameter.
特に、リラクタンストルクを積極的に使用するため、永久磁石がV字型に配置された回転子鉄心では、回転子鉄心の2つの永久磁石によって囲まれた領域の体積が、永久磁石が回転子鉄心の外周面に対して略平行に配置された回転子鉄心と比較して大きく、このためセンターリブ(2つの永久磁石間の領域)や、サイドリブ(永久磁石端部及び回転子鉄心周面間の領域)に遠心力による集中応力がより発生する傾向がある。 In particular, in a rotor core in which permanent magnets are arranged in a V shape in order to actively use reluctance torque, the volume of the region surrounded by the two permanent magnets of the rotor core is such that the permanent magnet is the rotor core. This is larger than the rotor core disposed substantially parallel to the outer peripheral surface of the rotor, and for this reason, the center rib (region between the two permanent magnets) and the side rib (permanent magnet end portion and between the rotor core peripheral surfaces). There is a tendency that concentrated stress due to centrifugal force is more generated in the region.
このような回転子鉄心に作用する集中応力を緩和する手法として、回転子鉄心に円形の切欠きを設けた2極永久磁石型モータが提案されている(例えば、特許文献1参照。)。 As a technique for relieving such concentrated stress acting on the rotor core, a two-pole permanent magnet motor in which a circular notch is provided in the rotor core has been proposed (see, for example, Patent Document 1).
永久磁石がV字型に配置された回転子鉄心において、センターリブやサイドリブに作用する集中応力は、センターリブやサイドリブの幅を広げることで緩和することができるが、短絡磁束が増加してモータの出力トルクが低下してしまう問題がある。また、特許文献1に記載の2極永久磁石型モータは、回転子鉄心に円形の切欠きを設けることにより、回転子鉄心と回転軸との大きな締め代によって生じる応力緩和を図ったものであるが、切欠き形状が円形であるため、一部において必要以上の応力緩和となって短絡磁束が増加し、結果としてモータの出力トルクが低下してしまう問題があった。また、短絡磁束の増加を抑制するため、切欠き円形の直径を単純に小さくすると、応力緩和機能が不十分となる虞があった。 In a rotor core in which permanent magnets are arranged in a V shape, the concentrated stress acting on the center ribs and side ribs can be alleviated by increasing the width of the center ribs and side ribs. There is a problem in that the output torque decreases. In addition, the two-pole permanent magnet type motor described in Patent Document 1 is intended to relieve stress caused by large interference between the rotor core and the rotating shaft by providing a circular notch in the rotor core. However, since the notch shape is circular, there is a problem that the stress is unnecessarily reduced in part and the short-circuit magnetic flux increases, resulting in a decrease in the output torque of the motor. Further, if the diameter of the cutout circle is simply reduced in order to suppress an increase in short-circuit magnetic flux, the stress relaxation function may be insufficient.
本発明は、前述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、モータの出力トルク低下を抑制し、且つ回転子鉄心に作用する応力を緩和させて、高速化、大口径化が可能な回転電機を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and its purpose is to suppress a reduction in motor output torque and to relieve stress acting on the rotor core, thereby enabling high speed and large diameter. Is to provide a rotating electric machine.
上記目的を達成するために、請求項1に係る発明は、電機子巻線を有する固定子(例えば、後述する実施形態における固定子11)と、
回転子鉄心(例えば、後述する実施形態における回転子鉄心21)、及び前記回転子鉄心の内部に配置されて磁極を構成する複数の永久磁石(例えば、後述する実施形態における永久磁石22)を有し、前記固定子に対向して回転可能に配設された回転子(例えば、後述する実施形態における回転子20)と、
を備える回転電機(例えば、後述する実施形態における回転電機10)であって、
前記回転子鉄心には、周方向で隣り合う、前記磁極の異なる永久磁石間に切欠き部(例えば、後述する実施形態における切欠き部30)が複数形成され、
前記切欠き部は、前記固定子に対向する前記回転子鉄心の外周面から径方向内側に向かって延びる直線部(例えば、後述する実施形態における直線部31)と、該直線部の径方向内端部(例えば、後述する実施形態における径方向内端部32)と連続し、前記直線部に対して径方向と直交する方向に略対称に形成され、前記径方向よりも前記径方向と直交する方向に長い長円部(例えば、後述する実施形態における楕円部33)と、によって構成されることを特徴とする。
In order to achieve the above object, an invention according to claim 1 includes a stator having an armature winding (for example, a
A rotor core (for example, a
A rotating electrical machine (for example, a rotating
In the rotor core, a plurality of notches (for example,
The notch includes a straight portion (for example, a
請求項2に係る発明は、請求項1の構成に加えて、前記長円部は、短軸長さaと長軸長さbとの比a/bが0.4以上、且つ0.6以下の楕円であることを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, in addition to the configuration of the first aspect, the ellipsoidal portion has a ratio a / b of the minor axis length a to the major axis length b of 0.4 or more and 0.6. It is characterized by the following ellipse.
請求項3に係る発明は、請求項1または請求項2の構成に加えて、周方向に隣接する、前記切欠き部間には、前記磁極が同じ一組の前記永久磁石を略V字状に配置し、
前記回転子鉄心の外周面から前記長円部の中心までの径方向長さは、前記回転子鉄心の外周面から前記永久磁石の径方向最内端部までの径方向長さと、略同じ長さであることを特徴とする。
According to a third aspect of the present invention, in addition to the configuration of the first or second aspect, a pair of the permanent magnets having the same magnetic poles are substantially V-shaped between the cutout portions adjacent to each other in the circumferential direction. Placed in
The radial length from the outer peripheral surface of the rotor core to the center of the ellipse is substantially the same as the radial length from the outer peripheral surface of the rotor core to the radially innermost end of the permanent magnet. It is a feature.
請求項1の発明によれば、直線部と、長円部とからなる切欠き部を設けることにより、出力トルクの低下を抑えながら、回転子鉄心に作用する応力を緩和することができ、回転電機の高速化、大型化が可能となる。 According to the invention of claim 1, by providing the notch portion formed of the straight portion and the oval portion, it is possible to relieve the stress acting on the rotor core while suppressing a decrease in output torque, The speed and size of the electric machine can be increased.
請求項2の発明によれば、長円部は、短軸長さaと長軸長さbとの比a/bを、0.4以上、且つ0.6以下である楕円としたので、過剰な応力緩和による磁束短絡増加を抑制し、出力トルクの低下を招くことなく、効果的に回転子鉄心の応力を緩和することができる。 According to the invention of claim 2, the ellipse portion has an ellipse having a ratio a / b of the short axis length a to the long axis length b of 0.4 or more and 0.6 or less. An increase in magnetic flux short-circuit due to excessive stress relaxation can be suppressed, and the stress of the rotor core can be effectively relaxed without causing a decrease in output torque.
請求項3の発明によれば、センターリブ、サイドリブ、及びスリット部などの各応力集中部に発生する応力の大きさを略同じ大きさとして、バランスのとれた効果的な応力緩和が可能となる。 According to the invention of claim 3, effective stress relaxation can be achieved in a balanced manner by setting the magnitude of the stress generated in each stress concentration portion such as the center rib, the side rib, and the slit portion to substantially the same magnitude. .
以下、本発明の実施の形態を、添付図面に基づいて説明する。なお、図面は符号の向きに見るものとする。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. The drawings are viewed in the direction of the reference numerals.
図1に示すように、本実施形態の回転電機10は、IPM型の回転電機であり、主に固定子11と回転子20とから構成されている。回転子20は、固定子11の内側に間隙Cを介して回転可能に配置されている。固定子11は、積層された電磁鋼板の内周側に複数のスロット14及びティース15が形成された固定子鉄心13と、スロット14に収容されて回転磁界を発生させて回転子20を回転させる複数相の電機子巻線(図示せず)と、を備える。
As shown in FIG. 1, the rotating
図2も参照して、回転子20は、積層された電磁鋼板からなる回転子鉄心21と、回転子鉄心21の内部に配置された複数の永久磁石22とを備える。回転子鉄心21には、周方向に離間してセンターリブ25を画成すると共に、回転子鉄心21の外周面21aに向かって広がる略V字状に形成された一対の埋め込み穴23(23a,23b)が円周方向に複数形成されている。このため、これら一対の埋め込み穴23a,23bの径方向両端部と回転子鉄心21の外周面21aとの間には、サイドリブ26が画成される。そして、これら埋め込み穴23には、永久磁石22(22a、22b)が埋め込まれる。略V字状の一対の埋め込み穴23a,23bには、磁極が同じ一組の永久磁石22a,22bが埋め込まれ、また、周方向で隣り合う各一対の埋め込み穴23(23a,23b)では、各一組の永久磁石22(22a,22b)が磁極を異ならせ、円周方向に亙って磁極を交互に変えながら配置されている。
Referring also to FIG. 2, the
また、回転子鉄心21には、周方向で隣り合う、磁極の異なる永久磁石(22a、22b)間に切欠き部30が形成されている。切欠き部30は、固定子11に対向する回転子鉄心21の外周面21aから径方向内側に向かって延びる直線部31と、該直線部31の径方向内端部32に連続して形成された長円部としての楕円部33とを備える。楕円部33は、径方向と直交する方向に長軸を有し、直線部31に対して径方向と直交する方向に略対称に形成されている。
Further, the
回転子鉄心21の外周面21aから長円部33の中心までの径方向長さAは、外周面21aから永久磁石22の径方向最内端部までの径方向長さBと、略同じ長さとなっている。また、図3(a)に示すように、長円部33の短軸長さaと長軸長さbとの比a/bは、0.4以上、且つ0.6以下に設定されている。
The radial length A from the outer
このような回転子20が回転すると、永久磁石22やヨーク部の遠心力によって、応力集中部であるセンターリブ25、サイドリブ26、及び切欠き部30に集中応力が発生する。切欠き部30は、出力トルクを大きくしたいことからできるだけ小さいことが望ましい。しかしながら、図3(b)に示すように、直線部41だけで切欠き部を構成した場合、径方向内端部42に大きな集中応力が発生するので、径方向内端部42に発生する応力を緩和するため、径方向内端部42にある程度の曲率を有する応力緩和部を設ける必要がある。
When such a
図3(c)に示すように、応力緩和部として直線部41の径方向内端部42に、曲率一定の応力緩和部、即ち、円孔43を設けた場合、大きな曲率の応力緩和部を要する領域以外では、必要以上に曲率が大きく、過大な応力緩和が行われていることなる。即ち、応力値を同じにする場合、応力緩和部を円孔43として形成すると孔径が大きくなる。これは、トルク低下につながり、トルク面から見て最適形状とは言い難い。
As shown in FIG. 3C, when a stress relaxation portion having a constant curvature, that is, a
従って、トルクを大きく低下させることなく、各部が必要なだけの応力緩和を行うには、図3(a)に示すような曲率が変動する楕円部33が効果的である。
Therefore, in order to relieve the stress as much as necessary for each part without greatly reducing the torque, the
図4は、楕円部33の長軸長さbを一定とし、短軸長さaを変化させて、13000rpmで回転子鉄心21を回転させたとき、短軸長さaと長軸長さbとの比a/bと、切欠き部30に作用する最大応力値との関係を示している。この結果、短軸長さaと長軸長さbとの比a/bが、略0.4以上、且つ0.6以下の範囲で最大応力値が小さくなることが分かった。従って、楕円部33の短軸長さaと長軸長さbとの比a/bは、略0.4以上、且つ0.6以下とするのが望ましい。
FIG. 4 shows that when the
ただし、楕円部33は、製造過程において、検査及び保証を行う作業が煩雑となるため、図3(d)に示すように、少なくとも4つの円孤44a,44bで囲まれた連接円44で、楕円に近似させることが実用的であり、これによっても切欠き部30に発生する応力集中を効果的に緩和することができる。この場合、連接円44は、曲率中心を連接円44の外部で径方向内側と外側にそれぞれ設けた円弧44aと、曲率中心を連接円44の内部に設けた、円弧44aより曲率半径の小さな円弧44bの2種類の円弧44a,44bで構成されている。
However, the
また、切欠き部30の位置は、図5に示すように、永久磁石22の磁束の流れ(d軸)50、及びリラクタンス磁束の流れ(q軸)51のいずれにも影響の少ない、図中、斜線付三角形の領域27に設ければ、トルク低下を最小限に抑制することができる。具体的には、周方向で隣り合う磁極の異なる永久磁石22a、22bの周方向中央に設けるのがよい。
Further, as shown in FIG. 5, the position of the
また、応力集中部(センターリブ25、サイドリブ26、及び切欠き部30)に発生する応力の大きさは、切欠き部30の深さによって変化する。応力面から見ると、各応力集中部の応力バランスが取れていることが望ましい。
Further, the magnitude of the stress generated in the stress concentration portion (the
図6は、回転子鉄心21の外周面21aから永久磁石22の径方向最内端部までの径方向長さ(図2参照)Bを25mmに設定した回転子鉄心21を用いて、外周面21aから楕円部33の中心までの径方向長さAを変化させたとき各部に発生する応力の大きさを示す。即ち、外周面21aから楕円部33の中心までの径方向長さAが長くなるに従って、センターリブ25の応力はやや斬増し、サイドリブ26の応力は減少し、また切欠き部30の応力は18mm付近から急速に増加する。そして、これらの応力値は、径方向長さAが略25mm近傍で略同じ大きさとなる。
FIG. 6 shows the outer peripheral surface of the
これは、回転子鉄心21の外周面21aから楕円部33の中心までの径方向長さAが、外周面21aから永久磁石22の径方向最内端部までの径方向長さBと略同じ長さとなるとき、各部の応力がバランスすることを意味しており、これによってバランスのとれた効果的な応力緩和が可能となる。
This is because the radial length A from the outer
以上説明したように、本実施形態に係る回転電機10によれば、回転子鉄心21の磁極の異なる永久磁石22間に形成された切欠き部30が、回転子鉄心21の外周面21aから径方向内側に向かって延びる直線部31と、該直線部31の径方向内端部32に連続形成された楕円部33とから構成され、楕円部33は、直線部31に対して径方向と直交する方向に略対称であり、且つ径方向と直交する方向に長く形成されているので、出力トルクの低下を抑えながら、回転子鉄心21に作用する応力を緩和することができ、回転電機10の高速化、大型化が可能となる。
As described above, according to the rotating
また、楕円部33は、短軸長さaと長軸長さbとの比a/bが、0.4以上、且つ0.6以下であるので、過剰な応力緩和による磁束短絡の増加を抑制することができ、出力トルクの低下を招くことなく効果的に応力を緩和することができる。
Further, since the ratio a / b between the minor axis length a and the major axis length b is not less than 0.4 and not more than 0.6, the
更に、回転子鉄心21の外周面21aから長円部33の中心までの径方向長さAが、該外周面21aから略V字状に配置された永久磁石22の径方向最内端部までの径方向長さBと略同じ長さであるので、センターリブ25、サイドリブ26、及び切欠き部30などの各応力集中部に発生する応力の大きさを略同じ大きさとすることができ、バランスのとれた効果的な応力緩和が可能となる。
Further, the radial length A from the outer
尚、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、等が可能である。
例えば、上記の説明においては、永久磁石がV字形に配置された回転電機について説明したが、これに限定されず、永久磁石が回転子鉄心の外周面に略並行に配置された回転電機にも、同様に適用することができる。
また、本発明の長円部とは、異なる曲率を有する複数の曲線から構成されるものであればよく、図3(d)に示すような連接円でもよいし、図3(a)に示すような曲率が変動する楕円であってもよい。
In addition, this invention is not limited to embodiment mentioned above, A deformation | transformation, improvement, etc. are possible suitably.
For example, in the above description, the rotating electric machine in which the permanent magnets are arranged in a V shape has been described. However, the present invention is not limited to this. Can be applied as well.
Further, the oval part of the present invention may be any one composed of a plurality of curves having different curvatures, and may be a concatenated circle as shown in FIG. 3 (d) or as shown in FIG. 3 (a). An ellipse having a variable curvature may be used.
10 回転電機
11 固定子
20 回転子
21 回転子鉄心
21a 回転子鉄心の外周面
22 永久磁石
30 切欠き部
31 直線部
32 直線部の径方向内端部
33 楕円部(長円部)
a 長円部の短軸長さ
b 長円部の長軸長さ
a/b 長円部の短軸長さと長軸長さとの比
A 回転子鉄心の外周面から長円部の中心までの径方向長さ
B 回転子鉄心の外周面から永久磁石の径方向最内端部までの径方向長さ
DESCRIPTION OF
a Short axis length of the oval part b Long axis length of the oval part a / b Ratio A of the short axis length of the oval part to the long axis length A From the outer peripheral surface of the rotor core to the center of the oval part Radial length B Radial length from the outer peripheral surface of the rotor core to the radially innermost end of the permanent magnet
Claims (3)
回転子鉄心、及び前記回転子鉄心の内部に配置されて磁極を構成する複数の永久磁石を有し、前記固定子に対向して回転可能に配設された回転子と、
を備える回転電機であって、
前記回転子鉄心には、周方向で隣り合う、前記磁極の異なる永久磁石間に切欠き部が複数形成され、
前記切欠き部は、前記固定子に対向する前記回転子鉄心の外周面から径方向内側に向かって延びる直線部と、該直線部の径方向内端部と連続し、前記直線部に対して径方向と直交する方向に略対称に形成され、前記径方向よりも前記径方向と直交する方向に長い長円部と、によって構成されることを特徴とする回転電機。 A stator having armature windings;
A rotor core, and a plurality of permanent magnets arranged inside the rotor core to form magnetic poles, and a rotor arranged to be rotatable facing the stator;
A rotating electric machine comprising:
In the rotor core, a plurality of notches are formed between permanent magnets adjacent in the circumferential direction and having different magnetic poles,
The notch portion is continuous with a linear portion extending radially inward from an outer peripheral surface of the rotor core facing the stator, and a radially inner end portion of the linear portion, with respect to the linear portion. An electric rotating machine comprising: an ellipse formed substantially symmetrically in a direction orthogonal to a radial direction and longer in a direction orthogonal to the radial direction than the radial direction.
前記回転子鉄心の外周面から前記長円部の中心までの径方向長さは、前記回転子鉄心の外周面から前記永久磁石の径方向最内端部までの径方向長さと、略同じ長さであることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の回転電機。 Between the notch portions adjacent to each other in the circumferential direction, a set of the permanent magnets having the same magnetic pole is arranged in a substantially V shape,
The radial length from the outer peripheral surface of the rotor core to the center of the ellipse is substantially the same as the radial length from the outer peripheral surface of the rotor core to the radially innermost end of the permanent magnet. The rotating electrical machine according to claim 1 or 2, wherein
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