JP2011050216A

JP2011050216A - 電動機

Info

Publication number: JP2011050216A
Application number: JP2009198572A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Aoyama; 真大青山
Original assignee: Suzuki Motor Corp
Current assignee: Suzuki Motor Corp
Priority date: 2009-08-28
Filing date: 2009-08-28
Publication date: 2011-03-10

Abstract

【課題】電動機において、電気角に対する磁気抵抗の脈動を抑制するとともに、コギングトルク・トルクリプル・鉄損を低減することにある。
【解決手段】各々永久磁石群（５）は等間隔に配置され且つ二つの永久磁石（１１・１１）から構成され、この二つの永久磁石（１１・１１）はロータ中心（Ｏ_１）から外方に向かって開いたＶ字形状に配置され、ロータ中心（Ｏ_１）と永久磁石群（５）のＶ字形状中心（Ｏ_３）とを結ぶ直線（Ｌ_２）はステータ（３）の一つのティース（６）の幅方向中心（Ｏ_４）を通るように配列され、一つのティース（６）の両側左右方向に配置されたティース（６）を数えて各々二番目のティース（６・６）の幅方向中心（Ｏ_２・Ｏ_２）とロータ中心（Ｏ_１）とを結ぶ直線（Ｌ_１・Ｌ_１）内に一つの永久磁石群（５）が配置されている。
【選択図】図１

Description

この発明は、電動機に係り、特に複数の永久磁石群を有するロータを備えた電動機に関する。

ハイブリッド車、電気自動車、燃料電池車等の車両において、駆動用のモータである電動機は、複数の永久磁石群を有するロータを備えるとともに、等間隔に配置されたティースと隣接するティース間に形成されたスロットとを有するステータを備えている。
電動機には、低回転域で、大トルクに加えて、広い可変速特性が求められる。これを実現するためには、リラクタンストルク（ステータの回転磁界による極とロータの突極との吸引力だけによって生ずるトルク）を有効的に使うことが有効であり、そのために、ロータの形状としては、二つの永久磁石をＶ字型に配置（Ｖ字型磁石配置）する方法が広く採用されている。
また、二つの永久磁石をＶ字型に配置（Ｖ字型磁石配置）する方法を採用した場合には、平板型配置に比べ、磁石開口度を調整することにより、磁気抵抗（リラクタンス）の微調整が可能になり、誘起電圧高調波含有率（ＴＨＤ）を下げることができ、高調波分による鉄損低減の効果がある。

特開２００６−２５４６２９号公報特開２００３−１３４７０４号公報特許文献１に係る回転電機のロータは、ロータ中心を中心とする電気角で１２７〜１４０度の範囲内に沿って磁石をＶ字型に配置し、誘起電圧高調波含有率（ＴＨＤ）を最小にするものである。特許文献２に係る電動機の回転子（ロータ）は、回転子鉄心の外周に沿って複数配置された第一の永久磁石を設け、この第一の永久磁石のそれぞれについて、この第一の永久磁石の内周側に複数の第二の永久磁石を設け、この第二の永久磁石のそれぞれについて、この第二の永久磁石の内周側に前記第二の永久磁石よりも磁束密度の低い第三の永久磁石を設けて、磁気飽和を防止するものである。

ところが、従来、電動機においては、リラクタンストルクの比率が大きくなる、すなわち、突極比（二つのインダクタンスの比）が大きくなると、電気角に対する磁気抵抗の差が大きくなることから、トルクリプルの増加につながる。つまり、ｑ軸（永久磁石間の軸）の磁路を確保し、リラクタンストルクを有効利用することができるＶ字型磁石配置は、磁石をロータの外径近くに配置した平板型磁石配置に場合に比べ、突極比が大きくなるため、トルクリプルが増加するという不具合が生ずる。
このようなトルクリプルの増加は、乗り心地に影響するため、できるだけ小さいことが望ましい。また、トルクリプル、すなわち高調波トルクは、電磁騒音増加にもつながり、運転者にとって不快な音となるため、できるだけ低減すべきことが望まれている。
また、上記の特許文献１では、かならずしも、トルクリプルが最小になるとは限らず、また、使用する磁石量を低減させる場合や、電動機のサイズが小さく且つ極数が８極以下の場合には、最適な条件とは言えなかった。

そこで、この発明の目的は、電気角に対する磁気抵抗の脈動を抑制するともに、コギングトルク・トルクリプル・鉄損を低減することができる電動機を提供することにある。

この発明は、複数の永久磁石群を有するロータを備えるとともに、等間隔に配置されたティースと隣接するティース間に形成されたスロットとを有するステータを備えた電動機において、各々永久磁石群は等間隔に配置され且つ二つの永久磁石から構成され、この二つの永久磁石はロータ中心から外方に向かって開いたＶ字形状に配置され、前記ロータ中心と前記永久磁石群のＶ字形状中心とを結ぶ直線は前記ステータの一つのティースの幅方向中心を通るように配列され、前記一つのティースの両側左右方向に配置されたティースを数えて各々二番目のティースの幅方向中心と前記ロータ中心とを結ぶ直線内に前記一つの永久磁石群が配置されていることを特徴とする。

この発明の電動機は、電気角に対する磁気抵抗の脈動を抑制するとともに、コギングトルク・トルクリプル・鉄損を低減することができる。

図１は電動機の部分断面図である。（実施例）図２は一つのティースの両側左右方向に配置されたティースを数えて各々二番目のティースの幅方向中心とロータ中心とを結ぶ直線内（第１の角度θ_１＝１２０度）に一つの永久磁石群を配置した電動機の部分断面図である。（実施例）図３は一つのティースの両側左右方向に配置されたスロットを数えて各々二番目のスロットの幅方向中心とロータ中心とを結ぶ直線上（第２の角度θ_２）に二つの永久磁石の外端角部を位置した電動機の部分断面図である。（実施例）図４は磁束のエネルギポテンシャル等位線を示す図である。（実施例）図５は図４の磁束のエネルギポテンシャル等位線上に各々永久磁石群を配置した図である。（実施例）図６はトルクリプルが最小となるフラックスバリア位置と磁石配置を示した図である。（実施例）図７は一つのティースの両側左右方向に配置されたティースを数えて各々二番目のティースの幅方向中心とロータ中心とを結ぶ直線内（第１の角度θ_１＝１４０度）に一つの永久磁石群を配置した電動機の部分断面図である。（実施例）図８は第１の角度をθ_１＝１２０度とθ_１＝１４０度とで比較したトルクリプルを示す図である。図９は８極機モデルにおいて磁束のエネルギポテンシャル等位線上に各々永久磁石群を配置した図である。（実施例）図１０は８極機モデルにおいてトルクリプルが最小となるフラックスバリアの位置と磁石配置とを示す図である。（実施例）図１１は第１の角度をθ_１＝１１５度とθ_１＝１２０度とで比較したトルクリプルを示す図である。図１２は一つのティースの両側左右方向に配置されたティースを数えて各々二番目のティースの幅方向中心とロータ中心とを結ぶ直線内（第１の角度θ_１＝１２０度）に各々永久磁石を二層に配置した電動機の部分断面図である。（実施例）図１３は磁石埋込深さを示す電動機の部分断面図である。（実施例）

この発明は、電気角に対する磁気抵抗の脈動を抑制するとともに、コギングトルク・トルクリプル・鉄損を低減するという目的を、二つの永久磁石を特異な位置に配置して実現するものである。

図１〜図１３は、この発明の実施例を示すものである。
図１において、１はハイブリッド車、電気自動車、燃料電池車等の車両に搭載される電動機（モータ）である。
この電動機１は、三相の埋込磁石同期式（ＩＰＭ）電動機であり、ロータ（回転子）２を備えるとともに、このロータ２の外周側に配置されたステータ（固定子）３を備える。
ロータ２は、３極対であり、磁性材料からなって円筒形状に形成され、ロータ軸４に固定されてこのロータ軸４の中心であるロータ中心Ｏ_１を中心にステータ３内で回転するものであり、周方向で等間隔に配置された複数の永久磁石群５を有する。隣接する永久磁石群５・５は、夫々周方向に交互に磁極が異なるように配置されている。
ステータ３は、磁性材料からなって円筒形状に形成され、外周側のハウジングに固定されており、周方向で等間隔に配置された複数のティース６と、隣接するティース６・６間に形成された複数のスロット７とを有する。
また、ステータ３には、巻線相として、複数のＵ相コイル８と複数のＶ相コイル９と複数のＷ相コイル１０とが、５ピッチ（５つのティース）毎で周方向に所定箇所に配置して各々巻き付けられている。

電動機１は、ロータ２に複数の永久磁石群５を備えて、ステータ３のＵ相コイル８とＶ相コイル９とＷ相コイル１０とにより回転磁界を発生させ、永久磁石群５の磁界との相互作用によりロータ２と一体のロータ軸４を回転させる。
電動機１では、永久磁石によるトルクの他に、リラクタンストルク（ステータの回転磁界による極とロータの突極との吸引力だけによって生ずるトルク）が発生する。
そして、この電動機１のトルクは、マグネットトルク（ステータの回転磁界による極とロータの永久磁石の磁極との吸引力及び反発によって発生するトルク）とリラクタンストルクとを足し合わせた大きさとなる。このため、電動機１において、トルクリプルは、マグネットトルクとリラクタンストルクとの両方のリプルを足し合わせた大きさになる。

図１、図２に示すように、各々の永久磁石群５は、ロータ２の周方向で等間隔に配置され、且つ二つの永久磁石１１・１１から構成されている。
一つの永久磁石群５は、一つのティース６の両側左右方向に配置されたティース６を数えて、各々二番目のティース６・６の幅方向中心Ｏ_２・Ｏ_２とロータ中心Ｏ_１とを結ぶ直線Ｃ_１・Ｃ_１内（第１の角度（開度開口度）：θ_１＝１２０度）に配置されている。
これにより、電気角に対する磁気抵抗（リラクタンス）の脈動を抑制することが可能である。

図２に示すように、前記二つの永久磁石１１・１１は、磁石挿入孔１２・１２に埋め込まれ、ロータ中心Ｏ_１から外方に向かって開いたＶ字形状に配置されている。
ロータ２には、各々磁石挿入孔１２の長手方向の両端で、磁束の通過を阻止するフラックスバリア１３・１３が各々磁石挿入孔１２に連続して形成されている。このフラックスバリア１３・１３は、磁石挿入孔１２に永久磁石１１を挿着した際に凹所として現出するものである。
図５に示すように、一つの永久磁石群５は、つまり、Ｖ字形状の二つの永久磁石１１・１１及びフラックスバリア１３・１３は、ロータ２を鉄心とした際に、電機子電流が鎖交する磁束線（磁束のエネルギポテンシャル等位線）の妨げにならないような位置に配置されている。
これにより、ｑ軸（永久磁石間の軸）の磁束が最も通り易く、且つ、磁気抵抗（リラクタンス）の脈動を最小限に抑えることが可能になる。

また、図１、図２に示すように、ロータ２においては、二つの永久磁石１１・１１のＶ字形状中心Ｏ_３側で隣接するフラックスバリア１３・１３間（一つのティース６の幅方向中心Ｏ_４上）でセンタブリッジ１４が形成されている。
ロータ中心Ｏ_１と永久磁石群５のＶ字形状中心Ｏ_３とを結ぶ直線Ｃ_２は、ステータ３の一つのティース６の幅方向中心Ｏ_４を通るように、つまり、一つの永久磁石群５の中央部と一つのティース６の中央部とを通るように、配列される。

図３に示すように、一つの永久磁石群５を構成する二つの永久磁石１１・１１の外端角部１５・１５は、一つのティース６の両側左右方向に配置されたスロット７を数えて、各々二番目のスロット７・７の幅方向中心Ｏ_５・Ｏ_５とロータ中心Ｏ_１とを結ぶ直線Ｃ_３・Ｃ_３上（第２の角度（磁石外端部角度）：θ_２＝９０度）に位置している。
これにより、コギングトルク、トルクリプルをより低減することが可能である。

図４には、磁束のエネルギポテンシャル等位線が示されている。
そして、図５には、図４の磁束のエネルギポテンシャル等位線上に、Ｖ字形状の二つの永久磁石１１・１１を配置した状態を示す。
この結果、図６に示すように、第１の角度（磁石開口度）θ_１と第２の角度（磁石外端部角度）θ_２と磁束のエネルギポテンシャル等位線に沿うように（図４、図５参照）、Ｖ字型磁石配置をする３条件を満たすこととなり、コギングトルク、トルクリプル、鉄損をより低減することが可能である。
つまり、無負荷時のコギングトルク、負荷時のトルクリプルの増加の原因として、電気角において、スロット７によりステータ３の鎖交磁束が妨げられるタイミングが発生し、このため、磁気抵抗が高くなり、磁気抵抗の脈動が大きくなることが挙げられる。
その対策として、この実施例においては、上記の３条件を満たすことで解決できる。

以下に、この実施例に係る発明についての概要説明を追加する。
図７には、第１の角度（磁石開口度）θ_１が１４０度の場合のＶ字型磁石配置の例を示す。
図８には、図７のＶ字型磁石配置の例（モデル）と図２のＶ字型磁石配置の例（モデル）とのトルクリプルを比較した図を示す。
前述の技術文献１で示したように、ロータ中心を中心とする電気角で１２７〜１４０度の範囲内に沿って二つの永久磁石をＶ字型に配置した場合に、トルクリプルが必ずしも最小になるとは限らないものである。
第１の角度（磁石開口度）θ_１と第２の角度（磁石外端部角度）θ_２とは、一磁極に対応するティースの数によって変わるものである。つまり、永久磁石が一つに対して６つのティースが対応している場合と、永久磁石が一つに対して６つのティース以外が対応している場合とでは、第１の角度（磁石開口度）θ_１と第２の角度（磁石外端部角度）θ_２とが異なる。
しかし、永久磁石が一つに対して６つのティース以外が対応している場合においても、同様の考え方で、磁気抵抗の脈動を抑えることができる。但し、トルクリプルの低減のためには、永久磁石が一つに対して６つのティースの対応関係が最も良く、その場合の第１の角度（磁石開口度）θ_１は、電気角で１２０度のときで、第２の角度（磁石外端部角度）θ_２が電気角で９０度のときである。
ティースの幅が変わった場合において、全てのティースの幅が均等であれば、第１の角度（磁石開口度）θ_１及び第２の角度（磁石外端部角度）θ_２の位置関係が同じ角度でも、電気角で同様の角度となる。
加えて、６極の埋込磁石同期式（ＩＰＭ）電動機に限らず、全ての極数の構造においても、同様の考え方が成り立つ（図９、図１０参照）。

同じ永久磁石の場合での第１の角度（磁石開口度）θ_１の許容範囲としては、１０８度〜１２６度が望ましい。最も、トルクリプルが低減するのは、第１の角度（磁石開口度）θ_１が電気角で１２０度のときである（図１１参照）。
永久磁石の種類が異なる場合の第１の角度（磁石開口度）θ_１の許容範囲としては、１０８度〜１２６度が望ましい。
永久磁石の種類が異なる場合の第１の角度（磁石開口度）θ_１の許容範囲は、図５に示す磁石厚さによって決まる。一般に、磁石厚さは磁石温度が上昇し、保磁力が常温よりも低くなっている状態においても、弱め磁束制御時による逆磁界に耐えられるだけの保磁力を満たす磁石厚さであれば良い。

例えば、ジスプロシウムの含有量が多く保磁力の高い磁石を用いた場合、磁石厚さは５ｍｍで良く、そのときの第１の角度（磁石開口度）θ_１は１１５度となる。ジスプロシウムの含有量が多少低い磁石を用いた場合、磁石厚さは６ｍｍで良く、そのときの第１の角度（磁石開口度）θ_１は１２０度となる。ジスプロシウムの含有量が多い磁石は、磁束密度も低くなることから、必要に応じて選択すべきである。

電動機１の出力（Ｐ）を向上させるには、
Ｐ＝Ｄ^２×Ｌ
の関係より、外径（Ｄ）の２乗、積厚（Ｌ）に比例して大きくなる。しかし、大出力化のためにロータの外径を大きくすると、車両駆動装置が大型化してしまうため、好ましくない。
限られたサイズで、出力密度を高くするには、磁石を極力浅く埋め込んで、ｄ軸（永久磁石の中心軸）のパーミアンスを高く設計すべきである。
この実施例に係る第１の角度（磁石開口度）θ_１と第２の角度（磁石外端部角度）θ_２と磁束のエネルギポテンシャル等位線に沿うように（図４、図５参照）、Ｖ字型磁石配置をする３条件で、フラックスバリア１３の位置と磁石配置とを固定しても、磁石埋め込み深さ（直線Ｃ_２上においてロータ２の外周面から永久磁石１１の端部までの距離）Ｓに自由度がでる（図１３参照）。
径が大きくロータ磁路に余裕がある場合は、図１２に示すように、上記の３条件を満たしながら、二層のＶ字型磁石配置、つまり、二つの永久磁石１１・１１を二段でＶ字形状に重ねることにより、高トルク化に有効とすることができる。
しかし、径が小さくロータ磁路に余裕がない場合や、ロータの内径部に減速機等を組み合わせて十分に磁路が確保できない場合においては、図１３に示すように、大トルクを実現する磁石埋め込み深さＳは、８．０ｍｍ〜１０ｍｍにすることが望ましい。これにより、トルクリプルが低減することで、電機子磁束高調波含有率（ＴＨＤ）を低減することができ、高調波トルクの低減に加え、鉄損の低減にもつながる。

なお、この発明においては、電動機を、永久磁石を用いないリラクタンスモータとして設計する場合に、第１の角度（磁石開口度）θ_１と第２の角度（磁石外端部角度）θ_２と磁束のエネルギポテンシャル等位線に沿うように磁石配置の３条件を満たすことで、リラクタンストルクを最大限、トルクリプルを最小限に抑えることが可能となる。

この発明に係る電動機のロータ形状を、発電機（ジェネレータ）にも適用可能である。

１電動機
２ロータ
３ステータ
４ロータ軸
５永久磁石群
６ティース
７スロット
８Ｕ相コイル
９Ｖ相コイル
１０Ｗ相コイル
１１永久磁石
１２磁石挿入孔
１３フラックスバリア
１４センタブリッジ
１５永久磁石の外端角部

Claims

複数の永久磁石群を有するロータを備えるとともに、
等間隔に配置されたティースと隣接するティース間に形成されたスロットとを有するステータを備えた電動機において、
各々永久磁石群は等間隔に配置され且つ二つの永久磁石から構成され、
この二つの永久磁石はロータ中心から外方に向かって開いたＶ字形状に配置され、
前記ロータ中心と前記永久磁石群のＶ字形状中心とを結ぶ直線は前記ステータの一つのティースの幅方向中心を通るように配列され、
前記一つのティースの両側左右方向に配置されたティースを数えて各々二番目のティースの幅方向中心と前記ロータ中心とを結ぶ直線内に前記一つの永久磁石群が配置されていることを特徴とする電動機。
前記一つの永久磁石群を構成する二つの永久磁石の外端角部は、前記一つのティースの両側左右方向に配置されたスロットを数えて各々二番目のスロットの幅方向中心と前記ロータ中心とを結ぶ直線上に位置していることを特徴とする請求項１に記載の電動機。
前記各々永久磁石群は、前記ロータを鉄心とした際に電機子電流が鎖交する磁束線の妨げにならないような位置に配置されたことを特徴とする請求項２に記載の電動機。