JP2012161207A

JP2012161207A - 永久磁石式回転電機

Info

Publication number: JP2012161207A
Application number: JP2011020637A
Authority: JP
Inventors: Yusuke Matsuoka; 佑将松岡; Masakatsu Matsubara; 正克松原; Wataru Ito; 伊藤　　渉
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Industrial Products Manufacturing Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Industrial Products and Systems Corp
Priority date: 2011-02-02
Filing date: 2011-02-02
Publication date: 2012-08-23
Anticipated expiration: 2031-02-02
Also published as: JP5659031B2; US8994240B2; EP2485370A2; CN102629809A; EP2485370A3; CN102629809B; US20120194026A1

Abstract

【課題】大形化を招くことなく可変速範囲が拡大し、出力が向上する永久磁石式回転電機を提供する。
【解決手段】回転子鉄心１９に、外周に向かうに従って前記仮想線からの距離が順次大きくなる一対の第一磁石孔２１と、回転子鉄心１９の径方向において第一磁石孔２１の内周側に設けられ外周に向かうに従って仮想線からの距離が順次大きくなる一対の前記第二磁石孔２５とを有し磁気障壁部２８を形成する磁石孔群２９を周方向に複数設け、一対の第一磁石孔２１にそれぞれ設けられている永久磁石２３同士がなす角度である第一磁石角ＡＶ１を、一対の第二磁石孔２５にそれぞれ設けられている永久磁石２７同士がなす角度である第二磁石角ＡＶ２よりも大きく形成する。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、永久磁石式回転電機に関する。

永久磁石を回転子に埋め込んだリラクタンストルク型の永久磁石式回転電機が公知である。このような永久磁石式回転電機は、可変速範囲の拡大および高出力化が求められている。その場合、リラクタンストルクを有効に利用するためには、鎖交磁束を一定に保った状態で、磁束が通り難い磁気的凹部であるｄ軸のインダクタンス（Ｌｄ）と磁束が通り易い磁気的凸部であるｑ軸のインダクタンス（Ｌｑ）とによって決定される突極比を大きくすることが求められている。

特開２０００−２７０５２５号公報

本発明が解決しようとする課題は、大形化を招くことなく可変速範囲が拡大し、出力が向上する永久磁石式回転電機を提供することにある。

実施形態の永久磁石式回転電機は、回転子鉄心に、外周に向かうに従って前記仮想線からの距離が順次大きくなる一対の第一磁石孔と、回転子鉄心の径方向において第一磁石孔の内周側に設けられ外周に向かうに従って仮想線からの距離が順次大きくなる一対の前記第二磁石孔とを有し磁気障壁部２８を形成する磁石孔群を周方向に複数設け、一対の第一磁石孔にそれぞれ設けられている永久磁石同士がなす角度である第一磁石角を、一対の第二磁石孔にそれぞれ設けられている永久磁石同士がなす角度である第二磁石角よりも大きく形成する。

一実施形態による永久磁石式回転電機の磁石孔群の概略を示す図で、図２の領域Ｉを示す図一実施形態による回転電機の概略を示す図図１のＩＩＩ領域を拡大して示す図一実施形態による第一磁石角とトルクとの関係を示す図一実施形態による第一極角とトルクとの関係を示す図一実施形態による第二極角を示す図一実施形態による第二極角とトルクとの関係を示す図

一実施形態による永久磁石式回転電機について、図面を参照しながら説明する。以下、永久磁石式回転電機を単に回転電機と称する。
図２に示すように、本実施形態による回転電機１０は、筐体１１内に固定子１２および回転子１３を備えている。固定子１２は、固定子鉄心１４と、およびコイル挿入溝１５に挿入された固定子コイルであるＵ相コイル１６、Ｖ相コイル１７およびＷ相コイル１８とを有している。固定子鉄心１４は、磁性鋼板を円環状に成形した鉄心片を積層して円筒状に形成されている。鉄心片は、例えば、珪素鋼板をプレス加工で打ち抜くことにより形成されている。この固定子鉄心１４は、内周側に、積層方向すなわち軸方向に延びる複数のコイル挿入溝１５を有している。このコイル挿入溝１５は、固定子鉄心１４の内周側に、周方向の全域に渡って例えば４８箇所に設けられている。コイル挿入溝１５には、上記したＵ相コイル１６、Ｖ相コイル１７およびＷ相コイル１８が所定の配置にて挿入されている。各固定子コイルは、その一部が固定子鉄心１４の軸方向の両端部に露出してコイルエンドを形成している。このような構成の固定子１２は、図示しない治具により筐体１１に取り付けられている。

回転子１３は、回転子鉄心１９および回転軸部材２０を有している。回転子１３は、固定子１２の内周側に設けられている。回転子１３は、回転子鉄心１９の外周面と固定子１２の内周面との間に僅かな隙間を隔てて設けられている。回転子鉄心１９は、例えば磁性鋼板を円板状に成形した鉄心片を積層して形成されている。鉄心片は、例えば、珪素鋼板をプレス加工で打ち抜くことにより形成されている。回転子鉄心１９は、図１に示すように、回転子鉄心１９の中心Ｏを通り径方向に延びる仮想的な直線である仮想線Ｌに対して対称に形成された一対の第一磁石孔２１を有している。一対の第一磁石孔２１は、回転子鉄心１９の内周側が互いに近接している。また、一対の第一磁石孔２１は、回転子鉄心１９の外周に向かうに従って仮想線Ｌとの距離がそれぞれ順次大きくなっている。一方、一対の第一磁石孔２１は、内周側の端部が間隔をおいて対向している。即ち、一対の第一磁石孔２１は、概ねＶ字形状に設けられている。そのため、一対の第一磁石孔２１は、内周側の端部において第一内周側ブリッジ部２２を形成している。

各第一磁石孔２１には、それぞれ永久磁石２３が設けられている。永久磁石２３は、例えばフェライト磁石やネオジムなどの希土類元素を含む希土類磁石などで形成されている。各第一磁石孔２１に設けられている一対の永久磁石２３の長手方向の仮想中心線同士がなす角は、第一磁石角ＡＶ１に相当する。永久磁石２３は、一対の第一磁石孔２１では同じ極、例えばＮ極が回転子１３の外周側に位置するように配置されている。この場合、一対の第一磁石孔２１に周方向に隣接して設けられている他の第一磁石孔２１においては、永久磁石２３は、外周側に位置する極がＳ極になるように配置されている。つまり、回転子１３の周方向には、互いに極性の異なる磁極が交互に形成されている。また、各永久磁石２３は、各第一磁石孔２１に設けられている図示しない凸部などによって第一磁石孔２１内の所定の位置に固定されている。

また、一対の第一磁石孔２１は、外周側の端部が回転子鉄心１９の外縁の近傍において、外縁に沿った形状に形成されている。その結果、一対の第一磁石孔２１は、外周側の端部において回転子鉄心１９の外縁との間に第一外周側ブリッジ部２４を形成している。ここで、図３に示すように、それぞれの第一磁石孔２１の外周側の端部を回転子鉄心の１９の周方向へ延長した仮想的な第一周方向仮想線Ｌ１と、それぞれの第一磁石孔２１の仮想線Ｌ側の端部を回転子鉄心１９の径方向へ延長した仮想的な第一径方向仮想線Ｌ２との交点を、第一近接点Ｐ１とする。この場合、図１に示すように、各第一近接点Ｐ１と回転子鉄心１９の中心０とを結ぶ線分同士がなす角度が、第一極角ＡＰ１に相当する。

また、回転子鉄心１９は、図１に示すように、仮想線Ｌに対して対称に形成された一対の第二磁石孔２５を有している。一対の第二磁石孔２５は、第一磁石孔２１の内周側において互いに近接している。その結果、一対の第二磁石孔２５は、仮想線Ｌ上に第二内周側ブリッジ部２６を形成している。一対の第二磁石孔２５は、第二内周側ブリッジ部２６から概ね回転子鉄心１９の周方向に延びる部分と、回転子鉄心１９の径方向外側に延びる部分とを有している。一対の第二磁石孔２５の回転子鉄心１９の径方向外側に延びる部分は、外周に向かうに従って仮想線Ｌからの距離がそれぞれ順次大きくなっている。

各第二磁石孔２５には、それぞれ永久磁石２７が設けられている。この永久磁石２７は、永久磁石２３と同様に、例えばフェライト磁石やネオジムなどの希土類元素を含む希土類磁石などで形成されている。また、永久磁石２７は、永久磁石２３と同様に、一対の第二磁石孔２５では同じ極、例えばＮ極が回転子１３の外周側に位置するように配置され、周方向に隣接する他の第二磁石孔２５においては外周側に位置する極がＳ極になるように配置されている。また、永久磁石２７は、各第二磁石孔２５において、外周側に向かってＶ字形状に延びる部位に設けられている。つまり、各第一磁石孔２１の内周側の位置には、永久磁石が設けられていない空隙が存在している。この第二磁石孔２５に設けられている一対の永久磁石２７の長手方向の中心線同士がなす角が、第二磁石角ＡＶ２に相当する。各第二磁石孔２５に設けられている永久磁石２７は、永久磁石２３と同様に、図示しない凸部などから構成された制限部によって第二磁石孔２５内の所定の位置に固定されている。

これら第一内周側ブリッジ部２２、第一外周側ブリッジ部２４および第二内周側ブリッジ部２６は、回転子１３の回転に伴い永久磁石２３および永久磁石２７に作用する遠心力によって破損しない強度を有している。また、各ブリッジ部は、漏れ磁束の対策として強度の許す範囲で幅狭に形成されている。
これら一対の第一磁石孔２１および一対の第二磁石孔２５は、図１に示すように、回転子鉄心１９の周方向に一定の間隔で複数個例えば８個設けられている。これら一対の第一磁石孔２１および一対の第二磁石孔２５は、回転子１３に磁気障壁部２８を形成する磁石孔群２９に相当する。これにより、回転電機１０には、磁束が通り難い磁気的凹部であるｄ軸と磁束が通り易い磁気的凸部であるｑ軸とが形成される。

回転軸部材２０は、回転子鉄心１９の径方向の中心部に設けられている。回転軸部材２０は、回転子鉄心１９に対して固定されている。回転軸部材２０は、例えば圧入や嵌合あるいは挿入などにより回転子鉄心１９に固定されている。この回転軸部材２０は、回転子鉄心１９を挟んだ両端部側がそれぞれ図示しない軸受部材により回転可能に支持されている。本実施形態では、軸受部材としてベアリングを採用している。この回転軸部材２０に図示しない駆動対象物が接続される。

このような構成の回転電機１０は、図示しない駆動回路から駆動信号が各相の固定子１２コイルに供給される。本実施形態では三相ＰＷＭ制御による駆動信号が供給されている。その結果、固定子１２と回転子１３との間に回転力が働き、回転子１３すなわち回転軸部材２０が回転軸を中心に回転する。これにより、駆動対象物が回転駆動される。つまり、回転電機１０は、回転子鉄心１９の内部に永久磁石２３および永久磁石２７が埋め込まれた埋込磁石型電動機（ＩＰＭモータ）である。

さて、回転電機１０は、ｄ軸においては磁気抵抗が高く、ｑ軸においては磁気抵抗が低くなる。この磁気抵抗の変化によってリラクタンストルクが発生する。そして、リラクタンストルクを有効に利用するためには、上記したように、ｄ軸のインダクタンスＬｄとｑ軸のインダクタンスＬｑとの突極比を大きくすればよい。

そこで、本実施形態の回転電機１０は、上記したように第一磁石孔２１と第二磁石孔２５とを設け、永久磁石２３および永久磁石２７を２層に配置している。そして、第一磁石角ＡＶ１を第二磁石角ＡＶ２よりも大きくしている。第一磁石孔２１は永久磁石２３が作る磁束方向であるｄ軸上に位置していることからｄ軸のインダクタンスＬｄは小さくなる。一方、ｑ軸においては、鎖交磁束が一定であればインダクタンスＬｑは相対的に大きくなる。つまり、第一磁石角ＡＶ１を大きくすると、ｑ軸のインダクタンスＬｑとｄ軸のインダクタンスＬｄとの比である突極比が大きくなる。その結果、リラクタンストルクを有効に利用することができ、回転電機１０の特性の向上を図ることができる。

また、回転電機１０は、永久磁石２３および永久磁石２７を２層に配置することによりリラクタンストルクを向上させているので、磁石量の増加を必要としない。即ち、回転電機１０は、大形化を招くことなく、トルク性能を向上させることができる。換言すると、トルク性能の向上と回転電機１０の小型化とを両立することができる。

また、回転電機１０は、第一磁石角ＡＶ１を大きくすることにより、永久磁石２３をより外周側即ち回転子１３の表面側に設けている。磁石トルクは永久磁石２３が回転子鉄心１９の外周側に近いほど増大するため、回転電機１０においては磁石トルクが大きくなる。これにより、回転電機１０の特性を向上させることができる。この場合、第一磁石孔２１の永久磁石２３および第二磁石孔２５の永久磁石２７の総量を、一般的な回転電機即ち一層構成の回転電機で用いる永久磁石の量と同じにすることもできる。その場合、磁束量の低下や重量の増加などを招くこと無く磁石トルクを利用することができる。

さらには、１層目即ち外周側の永久磁石２３同士がなす第一磁石角ＡＶ１を、２層目即ち内周側の永久磁石２７同士がなす第二磁石角ＡＶ２よりも大きく形成することにより、第二磁石孔２５の空隙部分をより少量の永久磁石２３で覆うことができる。したがって、第一磁石孔２１と第二磁石孔２５とを相似した形状に形成する場合に比べて、回転電機１０の重量の軽減およびコストの削減を図ることができる。

ところで、発明者らは、調査を重ねた結果、第一磁石孔２１および第二磁石孔２５の位置とトルクとの間に相関関係があることを見いだした。具体的には、発明者らは、１層目即ち外周側の永久磁石２３同士がなす第一磁石角ＡＶ１を適切な範囲にすることによりトルクの低下を抑制できることを見いだした。トルクの測定には、ｄ軸電流およびｄ軸のインダクタンスＬｄ、ならびにｑ軸電流およびｑ軸のインダクタンスＬｑから算出される周知の計算式を用いている。

図４は、第一磁石角ＡＶ１とトルクとの関係を示している。具体的には、第一磁石角ＡＶ１の機械角を１４０°から１７０°に変化させた場合のトルクの変化を示している。この図４に示すように、トルクは、第一磁石角ＡＶ１が機械角で概ね１５４°の位置をピーク位置としてほぼ対称の分布を示している。そして、第一磁石角ＡＶ１がピーク位置の機械角である１５４°から離れるにつれて、急激にトルクが減少していくことが分かる。このため、トルク性能を向上させるためには、第一磁石角ＡＶ１を機械角で１５４°を中心とした所定の範囲にすればよい。この場合、所定の範囲として第一磁石角ＡＶ１が機械角で概ね１４０°〜１７０°の範囲にすれば、トルクの大幅な低下を招くことがない。より好ましくは、第一磁石角ＡＶ１は、トルクのピーク位置からの低下量が１％未満となる範囲即ち機械角で１４２°から１６６°の範囲にすることが望ましい。

また、発明者らは、第一磁石孔２１の位置とトルクとの間にも相関関係があることを見いだした。具体的には、発明者らは、第一極角ＡＰ１を適切な範囲にすることによってもトルクの低下を抑制できることを見いだした。
図５は、第一極角ＡＰ１とトルクとの関係を示している。具体的には、第一極角ＡＰ１の電気角を１２°から１６°に変化させた場合のトルクの変化を示している。ここで、ここで電気角は、隣接するＮ極およびＳ極間の角度を電気的にπ［ｒａｄ］と考えた場合の角度を指す。この場合、電機角は、回転電機の極数をｐとした場合、電気角は物理的な角度である機械角のｐ／２になる。より具体的には、本実施形態のように８極の回転電機の場合、電機角＝機械角×８／２＝４×機械角になる。この図５に示すように、トルクは、第一極角ＡＰ１の電気角が概ね１３．６°の位置をピーク位置として、ほぼ対称の分布を示している。そして、第一極角ＡＰ１がピーク位置の電気角である１３．６°から離れるにつれて、急激にトルクが減少していくことが分かる。このため、トルク性能を向上させるためには、第一極角ＡＰ１を電気角で１３．６°を中心とした所定の範囲にすればよい。この場合、所定の範囲として第一極角ＡＰ１を電気角で概ね１２．２°〜１５．２°の範囲にすれば、トルクの大幅な低下を招くことがない。より好ましくは、第一極角ＡＰ１は、トルクのピーク位置からの低下量が１％未満となる範囲即ち電気角で１２．４°から１４．８°の範囲にすることが望ましい。

さらに、発明者らは、第二磁石孔２５の径方向外側に延びる部分の位置とトルクとの間にも相関関係があることを見いだした。第二磁石孔２５は、図１に示すように、回転子鉄心１９の外周側の端部において第二外周側ブリッジ部３０を形成している。このとき、第一近接点Ｐ１と同様の考え方に基づいて、図６に示すように、各第二磁石孔２５の外周側の端部を回転子鉄心１９の周方向へ延長した仮想的な図示しない第二周方向仮想線と、各第二磁石孔２５の仮想線Ｌ側の端部を回転子鉄心１９の径方向へ延長した仮想的な図示しない第二径方向仮想線との交点を、第二近接点Ｐ２とする。この場合、各第二近接点Ｐ２と回転子鉄心１９の中心０とを結ぶ線分同士がなす角度が、第二極角ＡＰ２に相当する。

図７は、第二極角ＡＰ２とトルクとの関係を示している。具体的には、第二極角ＡＰ２の電気角を概ね２８．８°から３１．２°の範囲で変化させた場合のトルクの変化を示している。この図７に示すように、トルクは、第二極角ＡＰ２の電気角が概ね３０．０°の位置をピーク位置として、ほぼ対称の分布を示している。そして、第二極角ＡＰ２がピーク位置の電気角である３０．０°から離れるにつれて、急激にトルクが減少していくことが分かる。このため、トルク性能を向上させるためには、第一極角ＡＰ１を電気角で３０．０°を中心とした所定の範囲にすればよい。この場合、所定の範囲として第二極角ＡＰ２を電気角で概ね２８．８°〜３１．２°の範囲にすれば、トルクの大幅な低下を招くことがない。より好ましくは、第二極角ＡＰ２は、トルクのピーク位置からの低下量が１％未満となる範囲即ち電気角で２９．２°から３０．８°の範囲にすることが望ましい。

このように、回転電機１０は、第一磁石角ＡＶ１、第一極角ＡＰ１、第二極角ＡＰ２を適切な範囲に設定することにより、トルクの低下を抑制することができ、回転電機１０の特性が悪化することを抑制できる。
また、回転電機１０は、重量の低減および小型化が図られていることから、車両への搭載性の悪化を招くことがない。また、回転電機１０は、上記したようにトルク性能が向上していることから、バッテリなどの駆動用電源の消費を抑制することができる。即ち、回転電機１０は、電気自動車やハイブリッド自動車などへの搭載を促進することができる。

（その他の実施形態）
回転電機１０は、一実施形態で例示した車両用に限らず他の用途にも適用してもよい。
回転電機１０の極数やコイルの相数は一実施形態で例示したものに限定されず、任意の局数や相数とすればよい。例えば、４極あるいは１２極の回転電機１０にも適用することができる。また、第一磁石孔２１および第二磁石孔２５には、永久磁石２３および永久磁石２７も角部の破損を防止するための逃げ部を設けてもよい。

以上説明したように、本実施形態の回転電機１０は、回転子鉄心１９に一対の第一磁石孔２１と一対の前記第二磁石孔２５とを有し磁気障壁部２８を形成する磁石孔群２９を周方向に複数設け、第一磁石孔２１にそれぞれ設けられている永久磁石２３同士がなす角度である第一磁石角ＡＶ１を、一対の第二磁石孔２５にそれぞれ設けられている永久磁石２７同士がなす角度である第二磁石角ＡＶ２よりも大きく形成する。これにより、回転電機１０は、ｄ軸とｑ軸との突極比が大きくなり、リラクタンストルクの有効利用が可能になり、トルク性能が向上する。したがって、回転電機１０は、大形化を招くことなく、可変速範囲を拡大し、出力を向上することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

図面中、１０は回転電機、１１は筐体、１２は固定子、１４は固定子鉄心、１５はコイル挿入溝、１６はＵ相コイル（固定子コイル）、１７はＶ相コイル（固定子コイル）、１８はＷ相コイル（固定子コイル）、１３は回転子、１９は回転子鉄心、２０は回転軸部材、２１は第一磁石孔、２２は第一内周側ブリッジ部、２３、２７は永久磁石、２４は第一外周側ブリッジ部、２５は第二磁石孔、２８は磁気障壁部、２９は磁石孔群、３０は第二外周側ブリッジ部、ＡＶ１は第一磁石角、ＡＶ２は第二磁石角、ＡＰ１は第一極角、ＡＰ２は第二極角、Ｐ１は第一近接点、Ｐ２は第二近接点を示す。

Claims

筐体と、
前記筐体内に設けられ、円筒状に形成された固定子鉄心および前記固定子鉄心に設けられている固定子コイルを有する固定子と、
前記回転子の内周側に設けられ、円筒状の回転子鉄心、前記回転子鉄心に設けられている永久磁石、ならびに前記回転子鉄心の内周部において前記筐体と同軸に設けられている回転軸部材を有する回転子と、を備え、
前記回転子鉄心は、周方向に一定の間隔で複数設けられ磁気障壁部を形成する磁石孔群を有し、
複数の前記磁石孔群は、前記回転子鉄心の中心を通り径方向外側に延びる仮想線に対して対称な一対の第一磁石孔と、前記第一磁石孔よりも前記回転子鉄心の径方向内側に設けられ前記仮想線に対して対称な第二磁石孔とをそれぞれ有し、
一対の前記第一磁石孔は、前記回転子鉄心の外周に向かうに従って前記仮想線からの距離が順次大きくなり、
一対の前記第二磁石孔は、前記回転子鉄心の径方向において前記第一磁石孔の内周側に設けられ、外周に向かうに従って前記仮想線からの距離が順次大きくなり、
一対の前記第一磁石孔にそれぞれ設けられている前記永久磁石同士がなす角度である第一磁石角は、一対の前記第二磁石孔にそれぞれ設けられている前記永久磁石同士がなす角度である第二磁石角よりも大きく形成されていることを特徴とする永久磁石式回転電機。
前記第一磁石角は、機械角で１４２°から１６６°の範囲であることを特徴とする請求項１記載の永久磁石式回転電機。
一対の前記第一磁石孔は、前記回転子鉄心の外周側の端部が前記回転子鉄心の外縁に沿って形成され、前記外縁との間に第一外周側ブリッジ部をそれぞれ形成し、
それぞれの前記第一磁石孔の外周側の端部を周方向へ延長した仮想的な第一周方向仮想線とそれぞれの前記第一磁石孔の前記仮想線側の端部を径方向へ延長した仮想的な第一径方向仮想線の交点である第一近接点と、前記回転子鉄心の中心とをそれぞれ結ぶ線分がなす角度である第一極角は、電気角で１２．４°から１４．８°の範囲であることを特徴とする請求項１または２記載の永久磁石式回転電機。
一対の前記第二磁石孔は、前記回転子鉄心の外周側の端部が前記回転子鉄心の外縁に沿って形成され、前記外縁との間に第二外周側ブリッジ部をそれぞれ形成し、
それぞれの前記第二磁石孔の外周側の端部を周方向へ延長した仮想的な第二周方向仮想線とそれぞれの前記第二磁石孔の前記仮想線側の端部を径方向へ延長した仮想的な第二径方向仮想線の交点である第二近接点と、前記回転子鉄心の中心とをそれぞれ結ぶ線分がなす角度である第二極角は、電気角で２９．２°から３０．８°の範囲であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項記載の永久磁石式回転電機。