JP2011083066A - 永久磁石補助形同期リラクタンスモータ - Google Patents

Abstract

【課題】 電気自動車に必要なトルク性能を維持しつつ耐減磁特性に優れた同期リラクタンスモータを提供する。
【解決手段】 各円弧状スリット１４，１５，１６内にフェライト磁石１７，１８，１９が埋設された構造の永久磁石補助形同期リラクタンスモータであって、少なくとも最外周の円弧状スリット１４は、スリット両端がロータ外周に近づくにつれて先細の三角形状になるように形成されてロータ外周面とスリット端との間のロータ部分がＶ字の薄肉部２０となるように形成され、最外周の円弧状スリットに埋設されるフェライト磁石１７はスリット両端に三角形状の空隙１４ａ，１４ｂが残るように埋設されるようにする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、同期リラクタンスモータに関し、さらに詳細にはロータに永久磁石を埋め込むことにより、リラクタンストルクとともにマグネットトルクを利用する永久磁石補助形の同期リラクタンスモータ（PMASynRM： permanent magnet assisted synchronous reluctance motor）に関する。

電気自動車用のモータは、コンパクトな構造でしかも強いトルク性能を有するモータが求められており、係る目的に適したモータとして、円弧状の永久磁石をロータ内部に埋め込むことにより、マグネットトルクとリラクタンストルクとを合わせて利用することが可能な永久磁石埋め込みモータが注目されている。
例えば、特許文献１（特開平８−３３１７８３号公報）には、ロータに埋め込む円弧状の永久磁石をロータ半径方向に２分割し、外周側の永久磁石および内周側の永久磁石のそれぞれの端部がロータ外周に近接する位置まで伸びるように構成し、外周側の永久磁石と内周側の永久磁石との間に磁束の通路を設けた構造の永久磁石埋め込みモータが開示されている。
これによれば、分割した外周側の永久磁石と内周側の永久磁石との間に磁束を流す通路を形成することにより、同一電流で永久磁石を分割していないときよりも大きなリラクタンストルクを発生させるようにしている。

上述した永久磁石埋め込みモータは、ロータ外周に近接する位置まで延びる内外２層のスリットを設け、このスリットの各々に、隙間なく永久磁石を埋設するようにして、それぞれの永久磁石端部をロータ外周に近接するようにしてある。これにより永久磁石によるマグネットトルクとリラクタンストルクとを足し合わせた総合トルクが高められる構造にしてある。

しかしながら、当該永久磁石埋め込みモータでは、従来構造に比べてリラクタンストルクを利用できる構造にしてあるものの、必ずしも十分にリラクタンストルクを利用できていない。そこで、特許文献２（特開２００２−２７２０３１号公報）に記載のシンクロナスリラクタンスモータでは、外周側永久磁石の総磁束量を、内周側永久磁石の総磁束量よりも多いか同等に設定するようにした構造のモータにしている。例えば、内周側磁石と外周側磁石との総磁束量に違いを与える具体的な方法の一つとして、外側にネオジ鉄ボロンからなる希土類金属を用いた高性能永久磁石、内側にフェライト磁石を配設するようにしている。これにより、リラクタンストルクの利用割合を大きくして総合トルクが高くなるようにしたリラクタンスモータを提供できることが開示されている。

ところで、永久磁石埋め込みモータでは、ステータに交流電流を流すことによって回転磁界を発生させると、ロータに埋め込まれた永久磁石に逆磁界が加わるようになる。逆磁界は永久磁石に対する減磁界として作用することになるため、強い減磁界が働く位置の永久磁石は、保磁力が足りないと減磁してしまうおそれがある。一般に、上述した円弧状の永久磁石が多層に埋め込まれているモータでは、最も強い減磁界は最外周側の永久磁石の位置で生じやすく、最外周側の永久磁石の中では、中央部よりも両端部の位置で強い減磁界が生じやすい。

そこで、特許文献３（特開平１０−２７１７２２号公報）に記載の永久磁石埋め込みモータでは、多層構造をとる円弧状の永久磁石の減磁を防止するために、ロータ外周側に位置する永久磁石の保磁力をロータ内周側に位置する永久磁石の保磁力より大きくし、さらに、円弧状の永久磁石の両端部の保磁力を中央部の保磁力よりも大きくし、これにより永久磁石の減磁作用が起こりにくくなるようにしている。

また、他の減磁防止方法として、特許文献４（特開２０００−５０５４３号公報）に記載の永久磁石埋め込みモータでは、ロータコアに、端部がロータ外周付近まで延びたスリット部を形成し、このスリット部に永久磁石を埋め込み、ロータコア外周と永久磁石の端部の間に非磁性部（空隙にするかあるいは樹脂材料を埋め込む）を設けた構造にしてある。これによれば、非磁性部に減磁界による磁束が通ることで、永久磁石の端部に生じる減磁を抑えるようにしている。

特開平８−３３１７８３号公報 特開２００２−２７２０３１号公報 特開平１０−２７１７２２号公報 特開２０００−５０５４３号公報

上述したように、ロータに円弧状の永久磁石を多層に埋め込んだ構造のモータでは、マグネットトルクとリラクタンストルクとを足し合わせた複合トルクを利用することにより、従来より強いトルクを得ることができることから、電気自動車用のモータ等としての応用が期待されている。一般に強いトルクが要求されるモータでは、ロータに埋め込む磁石としては、強い磁力を発生することができる希土類磁石を使用する方が望ましいのであるが、希土類金属は資源量が乏しく将来の枯渇問題から、希土類磁石ではなくフェライト磁石を使用したモータにて強いトルク性能を得ることが必要になる。

埋め込み磁石としてフェライト磁石を使用するモータの場合、希土類磁石を使用するときよりも減磁について真剣に考慮する必要がある。すなわち、希土類磁石は一般に高温の環境で減磁されやすい性質があるが、フェライト磁石は、むしろ低温の環境で減磁されやすい性質があり、例えば−２０℃程度の寒冷地で使用する場合には減磁が実用上の大きな問題となる。
特許文献３や特許文献４に記載の方法によっても、ある程度は減磁の発生を抑制できるが、フェライト磁石の場合には十分ではなく、これまで以上に減磁を防止する対策を徹底して施す必要がある。

フェライト磁石を用いた同期リラクタンスモータでの耐減磁特性を確認するために、典型的なモータ構造による解析モデルを用いて減磁の影響を調べた。
図２は、フェライト磁石を用いた従来方式の６極３６スロット構造の永久磁石補助形同期リラクタンスモータを示す断面図である。このモータ１００は、回転磁界を発生するステータ１０１と、ステータ１０１の内側で回転可能に軸支されるロータ１０２とからなる。ロータ１０２は、透磁率が高い積層電磁鋼板からなるロータ本体１０３に６つの極が周方向に形成され、各極に対応してロータ中心側が凸になるようにして、円弧状スリット１０４，１０５，１０６が径方向に三層並列に形成してあり、それぞれのスリットの両端がロータ外周近傍にくるようにしてある。ロータ外周と各スリット１０４，１０５，１０６の端との間は、スリット端の幅に相当する長さの平坦な弧状の薄肉部１１０が形成され、これによりスリット部分でロータ本体１０３が分離されないようにしてある。
それぞれの円弧状スリット１０４，１０５，１０６は中央部分にフェライト磁石１０７，１０８，１０９が埋設され、スリットの両側には薄肉部１１０に至るまで空隙１０４ａ（スリット１０４による左側空隙），１０４ｂ（スリット１０４による右側空隙），１０５ａ（スリット１０５による左側空隙），１０５ｂ（スリット１０５による右側空隙），１０６ａ（スリット１０６による左側空隙），１０６ｂ（スリット１０６による右側空隙）が残るようにしてあり、これらはフラックスバリアとして機能するようにしてある。なお、空隙１０４ａ，１０４ｂ，１０５ａ，１０５ｂ，１０６ａ，１０６ｂは、特許文献４に記載された非磁性部（空隙）として機能することにもなる。

一般に、フェライト磁石は空気と透磁率がほぼ等しいので、このモータ１００では、フェライト磁石１０７〜１０９の中央を三層横断する方向（ｑ軸方向とする）を通過する磁束の流れは、磁気抵抗が大きくなり、したがってｑ軸インダクタンスは小さくなる。一方、円弧状スリットの外周端が向く方向（ｄ軸方向とする）を通過する磁束の流れは、フェライト磁石の側面を通る方向であり、円弧状スリットの間に沿って並列に並んだ磁路によって磁束を容易に通過させることができるので、磁気抵抗が小さくなり、したがってｄ軸インダクタンスは大きくなる。ステータ１０１のコイルに電流を流して回転磁界を発生させると、ｄ軸インダクタンスとｑ軸インダクタンスの差に応じたリラクタンストルクが発生する。このようにして発生するリラクタンストルクを主なトルクとし、フェライト磁石によるマグネットトルクを足し合わせた総合トルクを利用することができる。

上記構造のモータ１００をモデルとして、回転磁界によって減磁界を発生させたときの減磁について解析した。解析モデルの仕様は表１に示す通りである。
解析計算は、市販の有限要素法解析ソフトウェアＪＭＡＧ（株式会社ＪＳＯＬ製）を用いて行った。

使用したフェライト磁石はＮＭＦ−１２Ｇ（日立金属製）であり、相電流１０Ａ、２０Ａを与えたときの総合トルクは、永久磁石を埋設していない一般の同期リラクタンスモータに比べて２０−３０％高いトルク性能が得られる。この磁石の−２０℃の減磁曲線を参照し、フェライト磁石内の磁束密度が０．１５Ｔ（テスラ）を下回ったときに不可逆減磁になったと評価する。減磁が発生しやすい最も過酷な電流条件として、電流位相角αを９０度（ｑ軸方向に流した場合）にしたときを評価した。

図３は、上記条件の下で、ロータ１０２に回転磁界を発生させたときのロータ磁束密度を示した図である。なお、図はロータ１０２の１／６の領域の磁束密度を表示している。
相電流１０Ａを流した場合は問題ないが、電気自動車用として実用上想定される最大電流２０Ａを流したとき、外側層（第一層）の円弧状スリット１０４の位置に埋設したフェライト磁石１０７において、その両端の磁束が０．１５Ｔ以下となり、この部分に減磁が確認された。

図４は、上記モデルの三層の磁石について、安全率を考慮して最大相電流２０Ａの１．５倍にあたる３０Ａまで電流を与えたときの印加電流に対する減磁率を示した図である。
外側層（第一層）の磁石で、減磁率は２０Ａあたりから指数的に増大している。

このように、フェライト磁石を用いた同期リラクタンスモータでは、フラックスバリア（空隙）が形成されており、これが特許文献４に記載されているような減磁を抑制する非磁性部（空隙）としても働くことになるのであるが、最も減磁されやすい外側層のフェライト磁石の端部では減磁が発生してしまうことがあり、従来よりもさらに効果的な減磁対策が必要となっていた。

そこで、本発明は、希土類磁石ではなくフェライト磁石を用いた同期リラクタンスモータにおいて、トルク性能を維持しつつ、フェライト磁石に対する減磁をこれまでよりも完全に抑制することができる構造のモータを提供することを目的とする。

上記課題を解決するためになされた本発明の永久磁石補助形同期リラクタンスモータは、回転磁界を発生するステータと、ステータの内側に回転可能に軸支され、周方向に沿って複数の極が形成されるロータとからなり、ロータには各極に対応して設けられる円弧状スリットがロータの回転中心側が凸となるようにして径方向に並列に複数形成され、各円弧状スリットは両端がロータ外周近傍まで形成され、各円弧状スリット内にフェライト磁石が埋設された構造の永久磁石補助形同期リラクタンスモータであって、以下の構造を有する。
すなわち、本発明の永久磁石補助形同期リラクタンスモータでは、少なくとも最外周の円弧状スリットは、スリット両端がロータ外周に近づくにつれて先細の三角形状になるように形成されてロータ外周面とスリット端との間のロータ部分がＶ字の薄肉部となるように形成される。そして、最外周の円弧状スリットに埋設されるフェライト磁石はスリット両端に三角形状の空隙が残るように埋設される。

本発明の永久磁石補助形同期リラクタンスモータでは、最も減磁が生じやすい位置が最外周の円弧状スリットに埋設されるフェライト磁石の両端部分であることに着目し、この部分の減磁を抑制するために、最外周の円弧状スリットのスリット端の形状を先細の三角形状にした。そしてフェライト磁石は三角形状の部分を残して円弧状スリットの中央部分に埋設した。
その結果、減磁界の磁束はフェライト磁石内、三角形状の空隙内、薄肉部を通過するが、これらのうち薄肉部を通過する磁束の比率が増し、その分だけフェライト磁石や空隙部分を通過する磁束の比が減少するようになる。また、三角形状の空隙部分についても磁束はスリット幅が短くなるロータ外周に近い側の方がフェライト磁石に近い側よりも多く通過するようになる。それゆえ、フェライト磁石の端部を流れる磁束が減少するようになってフェライト磁石の端部での減磁が発生しにくくなる。

上記発明において、スリット両端近傍は、埋設されるフェライト磁石の端の幅よりも三角形状の空隙の高さを長くするのが好ましい。
これにより、薄肉部から磁石の端までの長さが磁石の幅より長く確保できるので、磁束密度が高い薄肉部からの距離をかせぐことができ、減磁の発生を確実に抑制できる。

上記発明において、ロータ外周に近い側のスリットほどスリット幅が広く形成され、埋設するフェライト磁石の幅がロータ外周側に近いほど厚くするようにしてもよい。
ロータ外周側のスリットに埋設する磁石を厚くすることで、さらに減磁を抑制することができる。

本発明の一実施形態である永久磁石補助形同期リラクタンスモータの構成を示す断面図である。 フェライト磁石を用いた従来方式の永久磁石補助形同期リラクタンスモータを示す断面図である。 図２のモータで回転磁界を発生させたときのロータ磁束密度を示した図である。 図２のモータの三層の磁石について、相電流を与えたときの電流に対する減磁率を示した図である。 磁石の厚さを変化させた３つの異なるロータ構造のモデルを示す図である。 図５のタイプＢのモデルについての印加電流に対する減磁率を示した図である。 図５のタイプＣのモデルについての印加電流に対する減磁率を示した図である。 図５のタイプＢ、タイプＣのフラックスバリアを三角形状したタイプＢ２、タイプＣ２モデルを示す図である。 図５タイプＣと図８のタイプＣ２とに関して、外側層（第一層）のフラックスバリア周辺領域に生じる磁束の流れを図示したものである。 タイプＢ２のモデルについての印加電流に対する減磁率を示した図である。 タイプＣ２のモデルについての印加電流に対する減磁率を示した図である。

（解析モデルによる耐減磁特性の計算）
永久磁石補助形同期リラクタンスモータにおいて、使用するフェライト磁石の形状やフラックスバリア（磁石両端の空隙）の形状を変化させ、それらの耐減磁特性に対する影響を解析した。
解析モデルの解析仕様は、図２に示した６極３６スロット構造の永久磁石補助形同期リラクタンスモータのときと同じく表１に示した通りである。

（１）磁石の形状の影響
まず、磁石形状の影響を検討するために、図５に示すタイプＡ，Ｂ，Ｃの３つの異なるロータ構造のモデルを解析した。タイプＡは、図２と同じロータ構造であり、埋設する磁石の厚さが外側層（第一層）から順に２．１６ｍｍ，３ｍｍ，３．４７ｍｍにしてある。タイプＢは、３つの層がほとんど同じ厚さで３．５ｍｍ，３．６ｍｍ，３．５ｍｍにしてある。タイプＣは、外側層（第一層）から順に４．３ｍｍ，４ｍｍ，２．９ｍｍにしてある。なお、タイプＢとタイプＣとは磁石体積の和はほぼ同じである。タイプＡに比べるとタイプＢ，Ｃは１．６倍の体積である。フェライト磁石の保持力は３７８ｋＡ／ｍとした。

図６はタイプＢ、図７はタイプＣのモデルについての印加電流に対する減磁率を示した図である。なお、タイプＡについては図４に示してある。
タイプＢでは外側層（第一層）の減磁率が２０Ａではほぼ０％であるが、３０Ａのときに４０％に至っている。
タイプＣでは、外側層の減磁率は２０Ａではほぼ０％、３０Ａのときに１０％となっている。これらのデータから、最も減磁されやすい外側層であっても、フェライト磁石を厚くすることにより、外側層の減磁が生じにくい構造にすることができている。
これら３つのモデルで得られる平均トルクについても計算した。表２は相電流１０Ａのとき、表３は相電流２０Ａのときのマグネットトルク、リラクタンストルク、総合トルクを電流位相角αとともに示している。

いずれのタイプでもリラクタンストルクが主となり、マグネットトルクが従となって総合トルクに寄与している。３つの層のうち外側層の磁石の厚さが増えたことにより、タイプＡに比べてタイプＢ，Ｃではマグネットトルクが増加するが、リラクタンストルクが減少している。但し、相電流が２０ＡのときのタイプＢのリラクタンストルクは増加している。総合トルクで見れば、大きく変化しないことから、いずれのタイプもトルク性能は大きく変わらず、電気自動車用のモータに必要な性能を維持できている。

（２）フラックスバリア形状の影響
次に、フェライト磁石を埋設する円弧状スリットの形状を変え、フェライト磁石をスリットに埋設したときに磁石両端に形成されるフラックスバリアの形状が減磁に対する影響について調べた。 すなわち、タイプＢ、タイプＣのモデルで、外側層（第一層）の円弧状スリットの両端を三角形状にして、フラックスバリアの形状が先細の三角形状にしたときの影響を調べた。

図８はタイプＢ、タイプＣのフラックスバリアを三角形状にしたモデルを示す図であり、それぞれタイプＢ２、タイプＣ２とする。図９はタイプＣとタイプＣ２に関して、電流２０Ａを印加したときに外側層（第一層）のフラックスバリア周辺領域に生じる磁束の流れを計算し図示したものである。
タイプＣ２はタイプＣに比べて、フラックスバリアとロータ外周の間の薄肉部がＶ字状になったことにより磁束が流れやすくなっている。
また、フラックスバリアを三角形状にすることにより、薄肉部に近づくにつれて磁気抵抗が小さくなる結果、フラックスバリア内を通過する磁束も薄肉部に近づくにつれて増えるようになり、逆に磁石端に近い側を通過する磁束が減る結果、磁石端の減磁が抑制されるようになる。なお、フラックスバリアの三角形状の高さ（磁石端から薄肉部までの長さ）Ｔ１が底辺の長さ（スリット幅の長さ）Ｔ２よりも短いと磁石が薄肉部に近づきすぎて減磁の抑制が十分できないので、底辺の長さよりも高さを長くする（Ｔ１＞Ｔ２）方が好ましい。

図１０はタイプＢ２、図１１はタイプＣ２のモデルについての相電流に対する減磁率を示した図である。タイプＢ２、タイプＣ２ともに、タイプＢ、タイプＣに比べるとさらに減磁が抑制されている。特に、タイプＣ２では３０Ａの相電流であっても、減磁率は１％以下に抑えられている。
平均トルクについても計算した。表４は印加電流１０Ａのとき、表５は印加電流２０Ａのときのマグネットトルク、リラクタンストルク、総合トルクを示している。

タイプＢ２，Ｃ２では、タイプＢ，Ｃに比べて、三角形状のフラックスバリアの幅が狭くなる部分でフラックスバリア内を磁束が漏れてしまうため、マグネットトルクは減少する。一方、隣り合う２つのフラックスバリア間の電磁鋼板部分（ロータ本体）がより太い磁路となって磁束が通過しやすくなるため、リラクタンストルクは増大する。マグネットトルクの減少分をリラクタンストルクによって補われることにより、総合トルクとしては、大きな影響を受けていない。

以上の計算結果から、電気自動車用に利用できるトルク性能を有するとともに、これまで以上に減磁が生じにくい同期リラクタンスモータを実現するために、フラックスバリアを三角形状にすることが有効であり、また、外側層の磁石の厚さを大きくすることが有効であることが判明した。

（モータ構造）
図１はこれら計算結果を踏まえて設計した本発明の一実施形態である同期リラクタンスモータの構造を示す断面図である。
モータ１０は、分布巻コイルによって回転磁界を発生するステータ１１と、ステータ１１の内側で回転可能に軸支されるロータ１２とからなる。ロータ１２は、透磁率が高い積層電磁鋼板からなるロータ本体１３に６つの極が周方向に形成され、各極に対応してロータ中心側が凸になるようにして、円弧状スリット１４，１５，１６が径方向に三層並列に並ぶように形成してある。それぞれのスリットは、スリット両端がロータ外周近傍まで形成してある。

円弧状スリット１４，１５，１６のスリット幅は、外側層のスリット１４が最も厚く、内側になるほど薄くなるようにしてある。これにより、スリット内に埋設する磁石の厚さを外側層になるほど厚くするようにしてある。

最も外側層である円弧状スリット１４は、スリット両端が先細の三角形状にして、ロータ外周面とＶ字のスリット端との間に薄肉部２０が形成してある。
なお、中央と内側の円弧状スリット１５，１６のスリット両端についても三角形状にしてもよい。

それぞれの円弧状スリット１４，１５，１６の中央部分に、フェライト磁石１７，１８，１９が埋設される。円弧状スリット１４の両端の三角形状の部分には磁石を埋設しないため、薄肉部２０に至るまでフラックスバリアとしての空隙１４ａ，１４ｂが残される。

以上説明した実施形態のロータは、６極構造であるが、これに限らず４極構造、８極構造のロータであっても同様である。
また、上記ロータは円弧状のフェライト磁石が三層に並ぶ構成を有しているが、少なくとも２層のフェライト磁石が並んだ構成のロータであれば、同期リラクタンスモータとして同様の効果を得ることができる。

本発明は、フェライト磁石を用いた永久磁石補助形同期リラクタンスモータとして利用することができる。

１０ 同期リラクタンスモータ
１１ ステータ
１２ ロータ
１３ ロータ本体
１４ 円弧状スリット（外側層）
１５ 円弧状スリット（中央層）
１６ 円弧状スリット（内側層）
１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂ，１６ａ，１６ｂ 三角形状の空隙（フラックスバリア）
１７ フェライト磁石（外側層）
１８ フェライト磁石（中央層）
１９ フェライト磁石（内側層）
２０ Ｖ字状薄肉部

Claims (3)

1. 回転磁界を発生するステータと、ステータの内側に回転可能に軸支され、周方向に沿って複数の極が形成されるロータとからなり、
   前記ロータには各極に対応して設けられる円弧状スリットがロータの回転中心側が凸となるようにして径方向に並列に複数形成され、各円弧状スリットは両端がロータ外周近傍まで形成され、前記各円弧状スリット内にフェライト磁石が埋設された構造の永久磁石補助形同期リラクタンスモータであって、
   少なくとも最外周の円弧状スリットは、スリット両端がロータ外周に近づくにつれて先細の三角形状になるように形成されてロータ外周面とスリット端との間のロータ部分がＶ字の薄肉部となるように形成され、
   最外周の円弧状スリットに埋設されるフェライト磁石はスリット両端に三角形状の空隙が残るように埋設されることを特徴とする永久磁石補助形同期リラクタンスモータ。
2. スリット両端近傍は、埋設されるフェライト磁石の端の幅よりも三角形状の空隙の高さを長くしてある請求項１に記載の永久磁石補助形同期リラクタンスモータ。
3. ロータ外周に近い側のスリットほどスリット幅が広く形成され、埋設するフェライト磁石の幅がロータ外周側に近いほど厚くする請求項１または請求項２のいずれかに記載の永久磁石補助形同期リラクタンスモータ。