JP2011147289A

JP2011147289A - 回転電機

Info

Publication number: JP2011147289A
Application number: JP2010007146A
Authority: JP
Inventors: Shingo Kato; 伸悟加藤; Takanori Suzuki; 貴紀鈴木
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2010-01-15
Filing date: 2010-01-15
Publication date: 2011-07-28
Anticipated expiration: 2030-01-15
Also published as: JP5608377B2

Abstract

【課題】回転電機の小型化を図りつつ高出力化と高トルク化の両立を実現でき、製造コストの増加を抑制可能な回転電機を提供する。
【解決手段】電機子巻線１６を有する固定子１１と、回転子鉄心２１と、回転子鉄心２１の内部に配置されて磁極を構成する複数の永久磁石部２３とを有し、固定子１１に対向して回転可能に配設された回転子２０と、を備え、各永久磁石部２３は、磁極が同じ一対の永久磁石２２ａ，２２ａが、回転子鉄心２１の周方向に離間すると共に、固定子対向面に向かって狭まる略ハの字状に配置されて構成される。
【選択図】図２

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。

ＩＰＭ型の回転電機は、電動トルクが磁石磁束によるマグネットトルクの他に、回転子の周方向各部における磁気抵抗の差に起因するリラクタンストルクを利用できる利点を有している。

ＩＰＭ型の回転電機として、例えば特許文献１では、図７に示すように、回転子鉄心１２１と、回転子鉄心１２１の内部に配置されて磁極を構成する複数の永久磁石部１２３とを有し、固定子１１１に対向して回転可能に配設された回転子１２０において、周方向で隣り合う永久磁石部１２３、１２３間に所定幅の溝１２４を形成することにより、周方向で隣り合う永久磁石部１２３、１２３間の交番磁束を遮断させてその分トルクを上昇させることを開示している。この特許文献１では、１２３を構成する同じ磁極の一対の永久磁石１２２ａ、１２２ａ（１２２ｂ、１２２ｂ）を断面長方形状として、径方向に直交する線上に並列に配置している（以下、この磁石配置を便宜上、平置き型配置と呼ぶ。）。

また、他のＩＰＭ型回転電機として、図８に示すように、永久磁石部２２３を構成する同じ磁極の一対の永久磁石２２２ａ、２２２ａ（２２２ｂ、２２２ｂ）を断面長方形状として、回転子鉄心２２１の外周側に向かって拡がるＶ字状に配置するものが知られている。（以下、この配置を便宜上、Ｖ字状配置と呼ぶ。）。

ところで、回転電機の体格はトルクと出力で決まるが、小型化を維持しつつ回転電機のトルク及び出力を向上させることが望まれている。

特開２００５−２８７２６２号公報

しかしながら、特許文献１に記載の平置き型配置のＩＰＭ型回転電機及びＶ字状配置のＩＰＭ型回転電機では、各永久磁石と固定子までの距離ｔが長く、小型化を維持しつつ回転電機のトルク及び出力を向上させるのに改善の余地があった。

一方で、この各永久磁石の外周面とステータまでの距離を短くするために、回転子鉄心の外周面に沿うように永久磁石の外周面を円弧状に加工することが考えられるが、加工が難しく製造コストが嵩むという問題があった。

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、回転電機の小型化を図りつつ高出力化と高トルク化の両立を実現でき、製造コストの増加を抑制可能な回転電機を提供することにある。

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（例えば、後述する実施形態における電機子巻線１６）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）と、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部（例えば、後述する実施形態における永久磁石部２３、第１永久磁石部２３Ａ、第２永久磁石部２３Ｂ）とを有し、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、
前記各永久磁石部は、磁極が同じ一対の永久磁石（例えば、後述する実施形態における永久磁石２２ａ，２２ａ、永久磁石２２ｂ，２２ｂ）が、前記回転子鉄心の周方向に離間すると共に、前記回転子鉄心の外周面に向かって狭まる略ハの字状に配置されて構成されたことを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項１の構成に加えて、前記各永久磁石部を構成する前記一対の永久磁石は、一定幅を介して対向することを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項１または２の構成に加えて、前記各永久磁石部を構成する前記一対の永久磁石は略同一形状且つ略四角形状を有し、前記一対の永久磁石の外周側で対向する２つの内角の和（例えば、後述する実施形態における内角の和２α）は、内径側で対向する２つの内角の和（例えば、後述する実施形態における内角の和２β、内角の和２γ）よりも小さいことを特徴とする。

請求項４に係る発明は、請求項３の構成に加えて、前記各永久磁石部を構成する前記一対の永久磁石は、それぞれ外周側長手方向寸法が内周側長手方向寸法よりも長いことを特徴とする。

請求項５に係る発明は、請求項１〜４のいずれか１項の構成に加えて、前記電機子巻線は突極集中巻きであることを特徴とする。

請求項６に係る発明は、請求項１〜５のいずれか１項の構成に加えて、前記磁極が同じ一対の永久磁石は、前記回転子鉄心のセンターリブ（例えば、実施の形態におけるセンターリブ２９）を挟んで略ハの字状に配置され、前記センターリブと前記永久磁石との間には、前記回転子対向面側に隙間が設けられていることを特徴とする。

請求項７に係る発明は、請求項１〜６のいずれか１項の構成に加えて、前記回転子は、前記固定子の内径側に対向配置され、前記固定子対向面は、前記回転子の外周面であることを特徴とする。

請求項８に係る発明は、請求項１〜７のいずれか１項の構成に加えて、前記回転子は、前記固定子の外径側に対向配置され、前記固定子対向面は、前記回転子の内周面であることを特徴とする。

請求項９に係る発明は、請求項１〜８のいずれか１項の構成に加えて、電気自動車のトラクションモータとして使用される。

請求項１の発明によれば、永久磁石から固定子までの距離を短くすることでき、これによりｄ軸インダクタンスが小さくなるとともに、鎖交磁束数Φが増大し、回転電機の体格を維持しながら、トルクと出力の両方を増大させることができる。
また、磁石に複雑な加工を施す必要はなく、製造コストを低減させることができる。

請求項２の発明によれば、永久磁石間における部位（例えば、実施の形態におけるセンターリブ２９）で磁束を飽和させることができるため、周方向で隣り合う永久磁石部間での磁束の漏洩を防止でき、その分トルクを上昇させることができる。

請求項３の発明によれば、永久磁石の断面を例えば台形又は平行四辺形とすることで、単一の永久磁石で回転子を構成することができ、製造コストを低減させることができる。

請求項４の発明によれば、永久磁石の断面を例えば台形とすることで、磁石量を低減しつつ固定子と対向する側の磁力を確保することができる。

請求項５の発明によれば、電機子巻線をリラクタンストルクの利用率が低い突極集中巻きにすることで、より顕著な効果を得ることができる。

請求項６の発明によれば、応力緩和を抑制することができるとともにフラックスバリアとして利用することができ、永久磁石の磁束を増加させることができる。

請求項７及び８の発明によれば、インナーロータ型の回転電機にもアウターロータ型の回転電機にも適用することができる。

請求項９の発明によれば、回生トルクを利用して燃費を向上することができる。

本発明に係る回転電機の縦断面図である。図１における要部拡大図である。永久磁石部の拡大図である。第１変形例に係る永久磁石部の拡大図である。第２変形例に係る永久磁石部の拡大図である。アウターロータ型の回転電機の要部拡大図である。特許文献１に記載の従来の平置き型配置の回転電機の部分拡大図である。従来のＶ字状配置の回転電機の部分拡大図である。

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。
図１及び図２に示すように、本実施形態の回転電機１０は、例えば電気自動車のトラクションモータとして使用される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１６と、を備える。なお、本実施形態の回転電機１０においては、電機子巻線１６は突極集中巻きで巻装されている。

回転子２０は、略円筒状の回転子シャフト（図示せず）と、その外周側に設けられる回転子鉄心２１と、回転子鉄心２１内に挿入される複数の永久磁石部２３とを備えている。

回転子鉄心２１は、複数の電磁鋼板２７…２７が軸方向に積層されて構成されている。各電磁鋼板２７…２７は、その内部に孔部２４を有するとともに、その外周部に回転子鉄心２１の固定子対向面である外周面２１ａに向かって狭まる略ハの字状に形成された一対の埋め込み穴２５，２５が円周方向に複数形成された略円環形状を有する。

回転子鉄心２１の一対の埋め込み穴２５，２５は、一様幅を有するセンターリブ２９で区画され、永久磁石部２３を構成する磁極（磁化方向）が同じ一対の永久磁石２２ａ，２２ａ（２２ｂ，２２ｂ）が周方向に交互に配置される。また、この磁極が同じ一対の永久磁石２２ａ，２２ａ（２２ｂ，２２ｂ）は、図３に示すように、回転子２０の回転中心から径方向に延びる線Ｐに対し角度θで対向配置される。なお、角度θは、０°＜θ＜９０°の範囲で永久磁石２２ａ′′（２２ｂ′′）と外周面２１ａまでの距離、センターリブ２９の剛性等を考慮して適宜設定される。従って、磁極が同じ２つの永久磁石２２ａ，２２ａにより構成される第１永久磁石部２３Ａと、これらの永久磁石２２ａ，２２ａと磁極が異なる２つの永久磁石２２ｂ，２２ｂにより構成される第２永久磁石部２３Ｂとが、周方向に交互に配列され、各永久磁石部２３Ａ（２３Ｂ）を構成する磁極が同じ一対の永久磁石２２ａ，２２ａ（２２ｂ，２２ｂ）が、回転子鉄心２１の固定子対向面である外周面２１ａに向かって狭まる略ハの字状に配置される。

各永久磁石２２ａ（２２ｂ）は、図３に示すように、同一形状で構成され、且つ、断面が略台形をなしている。この台形は、下底６１を挟む内角α同士は略等しい角度を有し、上底６２を挟む内角β同士も略等しい角度を有している。内角αは内角βより小さく設定される。なお、図３及び図４中、点線は、比較のため従来の平置き型配置の回転電機の永久磁石を示している。

そして、磁極が同じ永久磁石２２ａ（２２ｂ）を２つ一組として、それぞれが長手方向寸法の長い下底６１を外周側に、下底６１より長手方向寸法の短い上底６２を内周側に向けて一様幅のセンターリブ２９を挟んで配置することで、一対の永久磁石２２ａ，２２ａ（２２ｂ，２２ｂ）が対向配置される。このとき、外周側で対向する一対の永久磁石２２ａ，２２ａ（２２ｂ，２２ｂ）の内角の和２αが、内周側で対向する一対の永久磁石２２ａ，２２ａ（２２ｂ，２２ｂ）の内角の和２βよりも小さくなっている。また、下底６１が外周側に向けて配置されるため、内周側よりも外周側で永久磁石２２ａ（２２ｂ）の長手方向長さが長くなっている。

また、回転子鉄心２１を構成する各電磁鋼板２７には、磁極が異なる第１永久磁石部２３Ａと第２永久磁石部２３Ｂとを区画する溝２６が形成されている（図２参照）。溝２６を形成することにより、永久磁石２２ａ、２２ｂの磁極からの交番磁束を遮断することができる。よって、隣り合う磁極への磁束短絡を防ぐことができ、その分トルクを上昇させることができる。また、電磁鋼板２７での鉄損による発熱を抑えることができ、これにより、永久磁石部２３が受ける熱を低減することができる。

ここで、回転電機１０のトルクＴｒｑと出力Ｐｏｗは以下の式で与えられる。

Φは鎖交磁束数、Ｔはモータトルク、Ｔｍはマグネットトルク、Ｔｒはリラクタンストルク、Ｐは極対数、Ｌｄはｄ軸インダクタンス、Ｌｑはｑ軸インダクタンス、Ｉｄはｄ軸電流、Ｉｑはｑ軸電流、Ｉは最大電流である。

式（１）及び（２）式からわかるように、鎖交磁束数Φが大きく、Ｌ_ｄが小さいほど回転電機１０のトルクと出力が増大する。インダクタンスは磁束の通りやすさを表わす物理量なので磁気抵抗が大きいほどインダクタンスは小さくなる。透磁率は、電磁鋼板＞＞空気、磁石で、磁気抵抗は磁路断面積が小さいほど大きいので、ｄ軸インダクタンスＬ_ｄは永久磁石２２ａ、２２ｂから固定子１１までの距離ｔを短くすることで、小さくすることができる。
また、永久磁石２２ａ、２２ｂから固定子１１までの距離ｔを短くすることで、Ｙ方向（図２参照）の磁気抵抗も下がるため、鎖交磁束数Φが増大する。

ここで、本実施形態では、各永久磁石部２３Ａ（２３Ｂ）は、磁極が同じ一対の永久磁石２２ａ，２２ａ（２２ｂ，２２ｂ）が、回転子鉄心２１の周方向に離間すると共に、回転子鉄心２１の外周面２１ａに向かって狭まる略ハの字状に配置することにより、図３に示すように、従来の平置き型配置とＶ字状配置のＩＰＭ型回転電機よりも距離ｔを短くすることができる。これにより、本実施形態では、ｄ軸インダクタンスＬ_ｄが小さくなるとともに、鎖交磁束数Φが増大し、回転電機１０の体格を維持しながら、回転電機１０のトルクと出力の両方を増大させることができる。

また、各永久磁石２２ａ（２２ｂ）の断面が略台形をなすので、円弧状に加工する必要はなく、また、全て同一形状であるため製造コストの増加を抑制することができる。

さらに、電機子巻線１６はリラクタンストルクＴｒの利用率の低い突極集中巻きで巻装されているため、鎖交磁束数Φを増大させることでマグネットトルクＴｍを積極的に利用できるため、特に顕著な効果が発揮される。

図４には、本実施形態の第１変形例を示す。本変形例では、各永久磁石２２ａ′（２２ｂ′）は、同一形状で構成され、且つ、断面が略平行四辺形をなしている。この平行四辺形は、一方の辺（以下、長辺７１と呼ぶ。）が他方の辺（以下、短辺７２と呼ぶ。）よりも長く設定される。

そして、磁極が同じ永久磁石２２ａ′（２２ｂ′）を２つ一組として、それぞれが長辺７１を外周側と内周側に、短辺７２を略周方向に一様幅のセンターリブ２９を挟んで回転子２０の回転中心から径方向に延びる線Ｐに対し角度θで対向配置することで、一対の永久磁石２２ａ′、２２ａ′（２２ｂ′、２２ｂ′）が略ハの字状に配置される。このとき、外周側で対向する一対の永久磁石２２ａ′、２２ａ′（２２ｂ′、２２ｂ′）の内角の和２αが、内周側で対向する一対の永久磁石２２ａ，２２ａ（２２ｂ，２２ｂ）の内角の和２γよりも小さくなっている。
本変形例によっても、永久磁石２２ａ′（２２ｂ′）から固定子１１までの距離ｔを短くすることでき、これにより、ｄ軸インダクタンスＬ_ｄが小さくなるとともに、鎖交磁束数Φが増大し、回転電機の体格を維持しながら、回転電機１０のトルクと出力の両方を増大させることができる。

図５には、本実施形態の第２変形例を示す。本変形例では、各永久磁石２２ａ′′（２２ｂ′′）は、同一形状で構成され、且つ、断面が略長方形をなしている。

そして、磁極が同じ永久磁石２２ａ′′（２２ｂ′′）を２つ一組として、それぞれが長辺８１を外周側と内周側に、短辺８２を略周方向にセンターリブ２９を挟んで回転子２０の回転中心から径方向に延びる線Ｐに対し角度θで対向配置することで、一対の永久磁石２２ａ′′、２２ａ′′（２２ｂ′′、２２ｂ′′）が略ハの字状に配置される。また、回転子鉄心２１に形成された埋め込み穴２５は、外周面２１ａ側が周方向両側に曲面状に膨らむにように形成され、埋め込み穴２５に配置された永久磁石２２ａ′′（２２ｂ′′）との間に隙間３０が形成される。なお、この隙間３０の大きさは、センターリブ２９の剛性を考慮して、隙間３０によって挟まれるセンターリブ２９の幅が、対向する同じ磁極の永久磁石２２ａ′′，２２ａ′′（２２ｂ′′，２２ｂ′′）の内径側の離間距離と略等しくなるように設定されている。

このように構成された本変形例によっても、永久磁石２２ａ′（２２ｂ′）から固定子１１までの距離ｔを短くすることでき、これにより、ｄ軸インダクタンスＬ_ｄが小さくなるとともに、鎖交磁束数Φが増大し、回転電機の体格を維持しながら、回転電機１０のトルクと出力の両方を増大させることができる。また、隙間３０により、応力が集中する回転子鉄心２１の外周部の応力集中を緩和することができ、さらにこの隙間３０をフラックスバリアとして利用することができ、磁束漏れを低減することで永久磁石２２ａ′（２２ｂ′）の磁束を増加させることができる。

（１）ここで、本実施形態の回転電機と、従来の平置き型配置の回転電機と、従来のＶ字状配置の回転電機を同じトルク、同じ出力がでるようにシミュレーションしたとき、従来の平置き型配置の回転電機を基準とすると、本実施形態の回転電機は−３％の軸方向長さで達成され、従来のＶ字状配置の回転電機は＋３％の軸方向長さで達成されることが確認された。
これにより、従来の平置き型配置の回転電機及び従来のＶ字状配置の回転電機と比べても、軸方向長さを短くできることが分かった。軸方向長さを短くすることは、電磁鋼板の積層厚を小さくすることができることを意味し、回転電機を小型・軽量化できるとともに製造コストを低減できることを意味している。

（２）また、本実施形態の回転電機と同じ体格の平置き型配置の回転電機を同じ条件で運転した場合、磁石とステータ間の磁束密度が明らかに増大し、従来の平置き型配置の回転電機を基準とすると、最高トルク及び最高出力ともに＋３％の値を示した。
これにより、本実施形態によれば、従来の平置き型配置の回転電機と比べて、トルク及び出力が向上することが分かった。

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、上記実施形態では、固定子１１の内側に回転子２０を備えたインナーロータ型の回転電機１０を例示したが、これに限らず、図６に示す固定子１１′の外側に回転子２０′を備えたアウターロータ型の回転電機１０′に適用することができる。この回転電機１０′においても、回転子２０′は、磁極が同じ２つの永久磁石２２ａ′′，２２ａ′′により構成される第１永久磁石部２３Ａと、これらの永久磁石２２ａ′′，２２ａ′′と磁極が異なる２つの永久磁石２２ｂ′′，２２ｂ′′により構成される第２永久磁石部２３Ｂとが、周方向に交互に配列され、各永久磁石部２３Ａ（２３Ｂ）を構成する磁極が同じ一対の永久磁石２２ａ′′，２２ａ′′（２２ｂ′′，２２ｂ′′）が、回転子鉄心２１の固定子対向面である内周面２１ｂに向かって狭まる略ハの字状に配置される。

さらに、電機子巻線１６は、突極集中巻きに限らず分布巻でもよい。また、電気自動車のトラクションモータに限らず、様々な用途に使用することができる。

１０、１０′ 回転電機
１１、１１′ 固定子
１６電機子巻線
２０、２０′ 回転子
２１回転子鉄心
２１ａ回転子鉄心の外周面（固定子対向面）
２１ｂ回転子鉄心の内周面（固定子対向面）
２２ａ、２２ａ′、２２ａ′′ 永久磁石
２２ｂ、２２ｂ′、２２ｂ′′ 永久磁石
２３永久磁石部
２３Ａ第１永久磁石部（永久磁石部）
２３Ｂ第２永久磁石部（永久磁石部）
２９センターリブ
３０隙間

Claims

電機子巻線を有する固定子と、
回転子鉄心と、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部とを有し、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、
前記各永久磁石部は、磁極が同じ一対の永久磁石が、前記回転子鉄心の周方向に離間すると共に、固定子対向面に向かって狭まる略ハの字状に配置されて構成されたことを特徴とする回転電機。
前記各永久磁石部を構成する前記一対の永久磁石は、一定幅を介して対向することを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
前記各永久磁石部を構成する前記一対の永久磁石は略同一形状且つ略四角形状を有し、
前記一対の永久磁石の前記固定子対向面側で対向する２つの内角の和は、径方向において前記固定子対向面とは反対側で対向する２つの内角の和よりも小さいことを特徴とする請求項１又は２に記載の回転電機。
前記各永久磁石部を構成する前記一対の永久磁石は、それぞれ前記固定子対向面側の長手方向寸法が前記固定子対向面とは反対側の長手方向寸法よりも長いことを特徴とする請求項３に記載の回転電機。
前記電機子巻線は突極集中巻きであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の回転電機。
前記磁極が同じ一対の永久磁石は、前記回転子鉄心のセンターリブを挟んで略ハの字状に配置され、
前記センターリブと前記永久磁石との間には、前記回転子対向面側に隙間が設けられてい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。
前記回転子は、前記固定子の内径側に対向配置され、
前記固定子対向面は、前記回転子の外周面であることを特徴とする請求項１〜６に記載の回転電機。
前記回転子は、前記固定子の外径側に対向配置され、
前記固定子対向面は、前記回転子の内周面であることを特徴とする請求項１〜６に記載の回転電機。
電気自動車のトラクションモータとして使用されることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の回転電機。