JP2013042596A - 永久磁石型回転電機およびその製造方法 - Google Patents

永久磁石型回転電機およびその製造方法 Download PDF

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Makoto Matsushita
真琴 松下
Norio Takahashi
則雄 高橋
Yutaka Hashiba
豊 橋場
Daisuke Misu
大輔 三須
Kazuaki Yuki
和明 結城
Tadashi Tokumasu
正 徳増
Kuniyuki Araki
邦行 荒木
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Abstract

【課題】高速回転に耐えうる回転子強度を確保しつつ、永久磁石の磁束もれを防止し、限られた空間の中で高トルク、高出力、並びに信頼性が向上した永久磁石型回転電機およびその製造方法を提供する。
【解決手段】永久磁石型回転電機は、固定子鉄心およびこの固定子鉄心に取り付けられた電機子巻線を有する固定子と、前記固定子に対して回転自在に設けられた回転子鉄心、およびこの回転子鉄心に埋設された複数の永久磁石を有する回転子と、を備えている。回転子鉄心は、永久磁石が装着された複数の埋め込み孔と、この埋め込み孔と回転子鉄心の周縁部との間に設けられた磁路狭隘部を備え、前記磁路狭隘部は、回転子鉄心の他の部分よりも飽和磁束密度が低く形成されている。
【選択図】図1

Description

この発明の実施形態は、回転子に界磁用の永久磁石が埋め込まれた永久磁石型回転電機およびその製造方法に関する。
近年、永久磁石の目覚しい研究開発により、高磁気エネルギー積の永久磁石が開発され、このような永久磁石を用いた永久磁石型回転電機が電車や自動車の電動機として適用されつつある。通常、永久磁石型回転電機は、円筒状の固定子と、この固定子の内側に回転自在に支持された円柱形状の回転子と、を備えている。回転子は、回転子鉄心と、この回転子鉄心内に埋め込まれた複数の永久磁石と、を備えている。
移動体の駆動源として用いられる回転電機では、小型・高出力化が進められていとともに、排出ガスの抑制、燃費向上などのため、高効率化が強く求められている。また、取り付けスペースが小さく、限られた空間の中で高トルク、高出力化を要求され、これを達成するためには永久磁石量を増やし、高速化する必要がある。
そこで、従来の埋め込み磁石型回転電機では、回転子内に埋め込まれた永久磁石の磁束もれを防止するために、回転子鉄心に磁路狭隘部を設けている。また、永久磁石の外周側に空洞(磁極間空隙部)を配置し、その寸法形状を数値限定し、高トルクを得ることで高出力、且つ可変速運転が可能な埋め込み磁石型回転電機が提案されている。
特開2001−339919号公報 特開2001−339922号公報
上述した従来の永久磁石型回転電機においては、回転子鉄心に磁路狭隘部を設けることにより磁束の漏れを防いでいる。しかしながら、永久磁石同期モータ(PMSM)の回転子では、回転電機の特性向上のため、磁路狭隘部(ブリッジ部)の幅をより狭くしたいという要求があるが、回転子の機械的強度を確保するためには磁路狭隘部を充分に細くすることが困難であり、磁束の漏れを有効に防止することが難しい。
この発明は以上の点に鑑みなされたもので、その課題は、高速回転に耐えうる回転子強度を確保しつつ、永久磁石の磁束もれを防止し、限られた空間の中で高トルク、高出力、並びに信頼性が向上した永久磁石型回転電機およびその製造方法を提供することにある。
実施形態によれば、永久磁石型回転電機は、環状の固定子鉄心およびこの固定子鉄心に取り付けられた電機子巻線を有する固定子と、固定子の内側に回転自在に設けられた回転子鉄心およびこの回転子鉄心に埋め込まれた複数の永久磁石とを有する回転子と、を備え、前記回転子の回転子鉄心は、前記永久磁石が装着された複数の埋め込み孔と、この埋め込み孔と回転子鉄心の外周部との間に設けられた磁路狭隘部を備え、前記磁路狭隘部は、回転子鉄心の他の部分よりも飽和磁束密度が低く形成されている。
図1は、実施形態に係る永久磁石型回転電機を示す断面図。 図2は、前記永久磁石型回転電機の回転子の一部を拡大して示す断面図。 図3は、前記回転電機の回転子を示す斜視図。 図4は、前記回転子の回転子鉄心を構成する鋼板を打ち抜きおよびプレス(押圧)する工程を概略的に示す断面図。 図5は、前記鋼板を打ち抜きおよびプレス(押圧)する工程を拡大して示す断面図。 図6は、前記プレス加工された鋼板を示す斜視図。 図7は、前記回転子鉄心における磁界狭隘部と他の部分の磁気特性を示す図。 図8は、第2の実施形態に係る製造方法において、回転電機の回転子鉄心を押圧加工する工程を示す前記回転子の斜視図。 図9は、前記押圧工程における回転子鉄心および押圧ヘッドを示す側面図。 図10は、第3の実施形態に係る製造方法において、回転電機の回転子鉄心を押圧加工する工程を示す前記回転子の斜視図。 図11は、他の実施形態に係る永久磁石型回転電機の回転子を示す断面図。
以下に、図面を参照しながら、種々の実施形態について説明する。なお、実施形態を通して共通の構成には同一の符号を付すものとし、重複する説明は省略する。また、各図は実施形態とその理解を促すための模式図であり、その形状や寸法、比などは実際の装置と異なる個所があるが、これらは以下の説明と公知の技術を参酌して適宜、設計変更することができる。
(第1の実施形態)
図1は、第1の実施形態に係る永久磁石型リアクタンス回転電機10を示し、図2は、回転子を拡大して示す断面図、図3は、回転子を示す斜視図である。
図1に示すように、回転電機10は、例えば、インナーロータ型の回転電機として構成され、図示しない固定枠に支持された環状の、ここでは、円筒形状の固定子12と、固定子の内側に回転自在にかつ固定子と同軸的に支持された回転子14と、を備えている。
固定子12は、円筒状の固定子鉄心16と固定子鉄心に埋め込まれた電機子巻線18とを備えている。固定子鉄心16は、磁性材、例えば、円環状の電磁鋼板を多数枚、同芯状に積層して構成されている。固定子鉄心16の内周部には、それぞれ軸方向に延びた複数のスロット20が形成され、これにより、固定子鉄心16の内周部は、回転子14に面する多数の固定子ティース21を構成している。そして、複数のスロット20に電機子巻線18が埋め込まれている。
図1ないし図3に示すように、回転子14は、両端が図示しない軸受により回転自在に支持された回転軸22と、この回転軸の軸方向ほぼ中央部に固定された円筒形状の回転子鉄心24と、回転子鉄心内に埋め込まれた複数の永久磁石26と、を有し、固定子12の内側に僅かな隙間を置いて同軸的に配置されている。
回転子鉄心24は、磁性材、例えば、円環状の電磁鋼板24aを多数枚、同芯状に積層した積層体として構成されている。回転子鉄心24は、それぞれ回転子鉄心の半径方向あるいは放射方向に延びる磁化容易軸(磁束の通りやすい部分)d、および磁化困難軸(磁束が通り難い部分)qを有し、これらのd軸およびq軸は、回転子鉄心24の円周方向に交互に、かつ、所定の位相で形成されている。
回転子鉄心24の外周部に複数の空隙部30が形成されている。空隙部30は、それぞれ回転子鉄心24を軸方向に貫通して延びているとともに、それぞれq軸上に位置している。また、回転子鉄心24の内周部に複数の通気孔32が形成されている。通気孔32は、それぞれ回転子鉄心24を軸方向に貫通して延びているとともに、それぞれd軸上に位置している。
回転子鉄心24において、各q軸の両側に2つの磁石埋め込み孔34が形成されている。各磁石埋め込み孔34は、回転子鉄心24を軸方向に貫通して延びている。各q軸の両側に形成された2つの磁石埋め込み孔34は、回転子鉄心24の中心軸と直交する平面でみた場合、例えば、ほぼV字状に並んで配置されている。ここでは、磁石埋め込み孔34の内周側の端がq軸を挟んで隣接対向し、外周側の端が回転子鉄心24の円周方向に沿って互いに離間して位置している。
磁石埋め込み孔34の外周側端は、回転子鉄心24の外周縁の近傍に位置し、回転子鉄心24において、この磁石埋め込み孔と回転子鉄心の外周縁との間に幅の狭い磁路狭隘部(ブリッジ部)36が形成されている。また、磁石埋め込み孔34の内周側端がq軸を挟んで隣接対向し、回転子鉄心24において、これら隣合う磁石埋め込み孔34の内周側端の間に幅の狭い磁路狭隘部(ブリッジ部)38が形成されている。
永久磁石26は、各磁石埋め込み孔34に挿入され、回転子鉄心24に埋め込まれている。各永久磁石26は、例えば、断面が矩形状の細長い棒状に形成され、回転子鉄心24の軸方向長さとほぼ等しい長さを有している。そして、各永久磁石26は回転子鉄心24のほぼ全長に亘って埋め込まれている。
各q軸の両側に位置する2つの永久磁石26は、ほぼV字状に並んで配置されている。各q軸の両側に位置する2つの永久磁石26は、回転子鉄心24の円周方向において磁化方向が逆向きとなるように着磁され、各d軸の両側に位置する2つの永久磁石26は、磁化方向が同一となるように着磁されている。複数の永久磁石26を上記のように配置することにより、回転子鉄心24の外周部において各d軸上の領域は磁極部40を形成し、各q軸上の領域は磁極間部42を形成している。
本実施形態において、回転子鉄心24の磁路狭隘部36、38は、磁気特性が劣化され、図7に示すように、回転子鉄心24の他の部分よりも飽和磁束密度が低く形成されている。これにより、磁路狭隘部36、38は磁束を一層流し難くなり、磁路狭隘部36、38を流れる磁束を有効に低減し、磁束の漏れを防止している。従って、各磁石26の発生磁界は、漏れなく、固定子12に印加することができ、回転電機の特性向上を図ることができる。
永久磁石型回転電機10の製造工程において、以下の方法により、磁路狭隘部36、38の磁気特性を劣化させる。
回転子14の製造工程では、まず、複数枚の電磁鋼板24aを形成する。例えば、板厚0.5mmの大判の電磁鋼板から円環状の電磁鋼板24aを打ち抜き形成し、次いで、この電磁鋼板24aに複数回、打ち抜き加工を施して通気孔32、磁石埋め込み孔34、空隙部30を形成する。次に、電磁鋼板24aの磁路狭隘部36、38に電磁鋼板の表面側から機械的な圧力を印加して磁路狭隘部36、38を押圧する。例えば、図4および図5に示すように、電磁鋼板24aを基台50上に載置した状態で、プレスヘッド52により複数の磁路狭隘部36、38を同時にプレスし、磁路狭隘部36、38を押し潰す。これにより、図6に示すように、磁路狭隘部36、38は凹み、電磁鋼板24aの他の部分よりも板厚が薄くなる(例えば、0.35mm)。
このように、磁路狭隘部36、38を局所的に押圧することにより、磁路狭隘部の飽和磁束密度が他の部分よりも低くなり、磁気特性が劣化する。飽和磁束密度の低下の度合いは、印加する圧力に応じて調整することが可能である。
なお、電磁鋼板24aのプレスは、前述した打ち抜き加工の後に限らず、いずれか1回の打ち抜き加工と同時に行ってもよい。
続いて、上記のように形成された複数枚の電磁鋼板24aを同軸的に積層し、かしめ等により互いに固定して回転子鉄心24を形成する。その後、例えば、接着剤を潤滑剤として利用して永久磁石26を対応する磁石埋め込み孔34に挿入し、回転子鉄心24内に固定する。その後、回転子鉄心24を回転軸22に固定することにより、回転子14が形成される。
上記のように構成された永久磁石型回転電機10によれば、電機子巻線18に通電することにより、電機子巻線から発生する回転磁界と、永久磁石26の発生磁界との相互作用により、回転子14が回転軸22を中心に回転する。永久磁石26の発生磁界は、磁石埋め込み孔34と回転子鉄心24の外周縁との間に位置する磁路狭隘部36、および隣り合う磁石埋め込み孔34間に位置する磁路狭隘部38の部分で磁束の漏れが防止され、固定子12側に効率良く印加される。また、各磁路狭隘部36、38は、回転子鉄心24の他の部分よりも、飽和磁束密度が低く形成されているため、より一層、磁束の流れを規制し、磁束漏れを防止することができる。これにより、永久磁石の磁束を有効にトルクに寄与することができ、回転電機の特性向上を図ることができる。
また、各磁路狭隘部36、38は、磁気特性が劣化され磁束を流し難くなっているため、従来に比較して、その幅を小さくする必要がなく、十分な機械的強度を保持できる幅に形成することができる。
以上のことから、高速回転に耐えうる回転子強度を確保しつつ、永久磁石の磁束漏れを防止し、限られた空間の中で高トルク、高出力化、並びに信頼性が向上した永久磁石型回転電機およびその製造方法が得られる。
次に、他の実施形態に係る永久磁石型回転電機の製造方法について説明する。
以下に述べる実施形態において、前述した第1の実施形態と同一の部分には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明を省略する。
(第2の実施形態)
図8および図9は、第2の実施形態に係る永久磁石型回転電機における回転子の製造工程を示している。第2の実施形態によれば、回転子14の製造工程において、まず、複数枚の電磁鋼板24aを形成する。大判の電磁鋼板から円環状の電磁鋼板24aを打ち抜き形成し、次いで、この電磁鋼板24aに複数回、打ち抜き加工を施して通気孔32、磁石埋め込み孔34、空隙部30を形成する。次に、複数枚の電磁鋼板24aを同軸的に積層し、かしめ等により互いに固定して回転子鉄心24を形成する。この回転子鉄心24を回転軸22に取り付ける。
続いて、図8および図9に示すように、回転子鉄心24に形成された磁石埋め込み孔34の外周側端部に細長い棒状の治具54を挿入し、磁路狭隘部36の内面側を密着させる。この状態で、回転子鉄心24の磁路狭隘部36に外周側から機械的圧力を印加する。例えば、プレスヘッド56により磁路狭隘部36を回転子鉄心24の全長に亘ってプレスし、磁路狭隘部36を押圧する。これにより、磁路狭隘部36の外面側に凹み58が形成される。このように、磁路狭隘部36を局所的に押圧することにより、磁路狭隘部の飽和磁束密度が他の部分よりも低くなり、磁気特性が劣化する。飽和磁束密度の低下の度合いは、印加する圧力に応じて調整することが可能である。
続いて、治具54を磁石埋め込み孔34から引き抜いた後、例えば、接着剤を潤滑剤として利用して永久磁石26を対応する磁石埋め込み孔34に挿入し、回転子鉄心24内に固定する。これにより、回転子14が形成される。
(第3の実施形態)
図10は、第3の実施形態に係る永久磁石型回転電機における回転子の製造工程を示している。第3の実施形態によれば、回転子14の製造工程において、まず、複数枚の電磁鋼板24aを形成する。大判の電磁鋼板から円環状の電磁鋼板24aを打ち抜き形成し、次いで、この電磁鋼板24aに複数回、打ち抜き加工を施して通気孔32、磁石埋め込み孔34、空隙部30を形成する。次に、複数枚の電磁鋼板24aを同軸的に積層し、かしめ等により互いに固定して回転子鉄心24を形成する。この回転子鉄心24を回転軸22に取り付ける。
続いて、図10に示すように、レーザー発信器60に接続された細長い出射ノズル62を磁石埋め込み孔34に差し込み、この埋め込み孔の内側から回転子鉄心24の磁路狭隘部36、38に向かって、出射ノズル62の先端からパルス状のレーザー光を照射する。これにより、磁路狭隘部36、38にレーザーピーニングを施して、磁路狭隘部の磁気特性を劣化させ、つまり、磁路狭隘部の飽和磁束密度を回転子鉄心24の他の部分よりも低くする。飽和磁束密度の低下の度合いは、レーザーピーニングにおけるレーザー出力、パルス数を選択することにより調整可能である。
次いで、例えば、接着剤を潤滑剤として利用して永久磁石26を対応する磁石埋め込み孔34に挿入し、回転子鉄心24内に固定する。これにより、回転子14が形成される。
上述した第3の実施形態において、磁路狭隘部の磁気特性を劣化させる工程は、レーザーピーニングに代え、磁路狭隘部36、38を局部的に加熱して熱応力を発生させることにより、磁路狭隘部の飽和磁束密度を低下させる方法としてもよい。
上述した第2および第3の実施形態において、回転子鉄心24の磁路狭隘部の磁気特性を劣化させる加工を施した後、磁路狭隘部の磁気特性、ここでは、飽和磁束密度あるいは鉄損を測定し、磁路狭隘部の飽和磁束密度あるいは鉄損が所定値から外れている場合に、再度、磁路狭隘部に磁気特性を劣化させる加工を施して、飽和磁束密度あるいは鉄損を調整してもよい。
測定方法としては、例えば、加工された回転子鉄心24の磁路狭隘部36、38を切り出し(取り出し)、単板磁気特性試験用試験機を用いて、磁気特性を測定する。単板磁気特性試験方法は、JIS・C・2556に基づいて測定することができる。記載されている。
また、他の測定方法として、基準用となる固定子(固定子鉄心に電機子巻線を取り付けたもの)と誘起電圧測定器を用いて、回転子鉄心の磁気特性を測定してもよい。この場合、磁気特性を劣化させる加工が施された回転子を、基準固定子に仮組みし、回転子を回転させることによって、実際に電機子巻線から出力される誘起電圧を誘起電圧測定器で計測する。そして、測定値が所定値から外れている際、再度、磁路狭隘部に磁気特性を劣化させる加工を施して、調整する。
上述した第2および第3の実施形態においても、高速回転に耐えうる回転子強度を確保しつつ、永久磁石の磁束漏れを防止し、限られた空間の中で高トルク、高出力化、並びに信頼性が向上した永久磁石型回転電機およびその製造方法を得ることができる。
なお、この発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化可能である。また、上記実施の形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
例えば、永久磁石型回転電機は、インナーロータ型に限らず、アウターロータ型としてもよい。回転子の磁極数、寸法、形状等は、前述した実施形態に限定されることなく、設計に応じて種々変更可能である。また、回転子鉄心24内における永久磁石26の配置は、V字形状に限らず、例えば、図11に示すように、回転子鉄心24の回転中心と同芯円の接線方向に並ぶように配置してもよい。この場合、磁石埋め込み孔34の両端部と回転子鉄心24の外周縁との間に、磁路狭隘部36がそれぞれ形成されている。そして、各磁路狭隘部36は、磁気特性を劣化する加工が施され、回転子鉄心24の他の部分よりも飽和磁束密度が低く形成されている。
10…回転電機、12…固定子、14…回転子、16…固定子鉄心、
18…電機子巻線、20…スロット、22…回転軸、24…回転子鉄心、
26…永久磁石、30…空隙部、34…磁石埋め込み孔、
36、38…磁路狭隘部(ブリッジ部)

Claims (13)

  1. 固定子鉄心およびこの固定子鉄心に取り付けられた電機子巻線を有する固定子と、
    前記固定子に対して回転自在に設けられた回転子鉄心、およびこの回転子鉄心に埋設された複数の永久磁石を有する回転子と、を備え、
    前記回転子鉄心は、前記永久磁石が装着された複数の埋め込み孔と、この埋め込み孔と回転子鉄心の周縁部との間に設けられた磁路狭隘部を備え、前記磁路狭隘部は、前記回転子鉄心の他の部分よりも飽和磁束密度が低く形成されている永久磁石型回転電機。
  2. 前記磁路狭隘部は、前記回転子鉄心の他の部分よりも鉄損密度が低く形成されている請求項1に記載の永久磁石型回転電機。
  3. 前記回転子鉄心は、複数枚の電磁鋼板を同芯状に積層した積層体により構成され、各電磁鋼板は、打ち抜き形成された前記埋め込み孔と前記磁路狭隘部とを有し、前記磁路狭隘部は押圧され他の部分よりも薄い板厚に形成されている請求項1又は2に記載の永久磁石型回転電機。
  4. 前記回転子鉄心は、複数枚の電磁鋼板を同芯状に積層した積層体により構成され、各電磁鋼板は、打ち抜き形成された前記埋め込み孔と前記磁路狭隘部とを有し、前記磁路狭隘部は、前記積層体の外面側および前記埋め込み孔の内側から押圧され、前記積層体の外面側が前記磁路狭隘部の位置で他の部分よりも凹んでいる請求項1又は2に記載の永久磁石型回転電機。
  5. 固定子鉄心およびこの固定子鉄心に取り付けられた電機子巻線を有する固定子と、前記固定子に対して回転自在に設けられた回転子鉄心、およびこの回転子鉄心に埋設された複数の永久磁石を有する回転子と、を備え、前記回転子鉄心は、前記永久磁石が装着された複数の埋め込み孔と、この埋め込み孔と回転子鉄心の周縁部との間に設けられた磁路狭隘部を備える永久磁石型回転電機の製造方法において、
    前記埋め込み孔および磁路狭隘部をそれぞれ有する複数枚の回転子鋼板を形成し、
    前記各回転子鋼板の磁路狭隘部に、回転子鋼板の表面側から機械的な圧力を印加して前記磁路狭隘部の飽和磁束密度を回転子鋼板の他の部分よりも低くし、
    前記複数の回転子鋼板を同芯状に積層して積層体からなる回転子鉄心を形成することを特徴とする永久磁石型回転電機の製造方法。
  6. 前記回転子鋼板を複数回打ち抜き加工して前記磁路狭隘部および複数の埋め込み孔を形成し、前記複数回の打ち抜き加工の少なくとも1回と同時に、前記磁路狭隘部に圧力を印加することを特徴とする請求項5に記載の永久磁石型回転電機の製造方法。
  7. 固定子鉄心およびこの固定子鉄心に取り付けられた電機子巻線を有する固定子と、前記固定子に対して回転自在に設けられた回転子鉄心、およびこの回転子鉄心に埋設された複数の永久磁石を有する回転子と、を備え、前記回転子鉄心は、前記永久磁石が装着された複数の埋め込み孔と、この埋め込み孔と回転子鉄心の周縁部との間に設けられた磁路狭隘部を備える永久磁石型回転電機の製造方法において、
    前記埋め込み孔および磁路狭隘部をそれぞれ有する複数枚の回転子鋼板を形成し、
    前記複数の回転子鋼板を同芯状に積層して積層体からなる回転子鉄心を形成し、
    前記積層体からなる回転子鉄心の前記磁路狭隘部に磁気特性を劣化させる加工を施して、前記磁路狭隘部の飽和磁束密度を前記回転子鉄心の他の部分の飽和磁束密度よりも低くすることを特徴とする永久磁石型回転電機の製造方法。
  8. 前記積層体からなる回転子鉄心の前記磁路狭隘部に外形側から機械的圧力を印加する請求項7に永久磁石型回転電機の製造方法。
  9. 前記埋め込み孔に治具を挿通した状態で、前記積層体からなる回転子鉄心の前記磁路狭隘部に外形側から機械的圧力を印加する請求項8に永久磁石型回転電機の製造方法。
  10. 前記積層体からなる回転子鉄心の前記磁路狭隘部を局部加熱して熱応力を発生させる請求項7に永久磁石型回転電機の製造方法。
  11. 前記積層体からなる回転子鉄心の前記磁路狭隘部にレーザーピーニングを施す請求項7に永久磁石型回転電機の製造方法。
  12. 前記磁路狭隘部に磁気特性を劣化させる加工を施した後、前記回転子鉄心の磁気特性を測定し、前記磁路狭隘部の飽和磁束密度が所定値から外れている場合に、再度、前記磁路狭隘部に前記磁気特性を劣化させる加工を施して、飽和磁束密度を調整する請求項7ないし11のいずれか1項に記載の永久磁石型回転電機の製造方法。
  13. 前記劣化させる加工が施された回転子を固定子に組み込みつけ、前記回転子を回転した時に発生する誘起電圧を測定し、測定値が所定値から外れている際に、再度、前記磁路狭隘部に前記磁気特性を劣化させる加工を施す請求項7ないし11のいずれか1項に記載の永久磁石型回転電機の製造方法。
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