JP2013066339A - 埋め込み磁石型回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】電機子巻線５の誘起電圧の波形ひずみを軽減できる埋め込み磁石型モータを提供する。
【解決手段】埋め込み磁石型モータは回転子鉄心６に永久磁石１５，１６を埋め込むための矩形の磁石保持空洞８，９を回転子鉄心６の外周側で開くハ字状に形成し、一対の磁石保持空洞８，９の対向間に空洞を磁束通過抑制空隙１１として設け、磁石保持空洞８，９の回転子側端部壁である円弧状鉄心層を第１のブリッジ１０とし、磁束通過抑制空隙１１の回転子鉄心外周面側の円弧状鉄心層を第２のブリッジ１２とし、第２のブリッジ１２の径方向厚さＬ２を第１のブリッジ１０のそれよりも小さい値に設定する。
【選択図】図１

Description

本実施形態は、回転子鉄心内に永久磁石を埋め込んでなる埋め込み磁石型回転電機に関する。

埋め込み磁石型回転電機例えば埋め込み磁石型回モータはハイブリット自動車や電気自動車の車輪駆動源として使用されるようになってきている。この埋め込み型永久磁石モータは、磁石トルクのみを利用するタイプと磁石トルクと共にリラクタンストルクを発生させて高い総トルクを得るタイプとがある。磁石トルクを上げるためには磁石体積を大きくする必要があるが、小型化の要請のために限られた回転子鉄心体積の下で磁石体積を大きくするために永久磁石を回転子鉄心の外周側に向け広がるハ字状配置（或いはＶ字配置ともいう。）する構成が採用されている。

自動車の駆動源として使用するこれらの埋め込み磁石型モータでは、車輪から駆動力を受けて高速回転される機会が多く、そのため電機子巻線に高い誘起電圧とりわけ高いピーク値が発生し電機子巻線の通電制御回路を破壊に至らせる恐れがある。この誘起電圧の上昇を抑えるために、ハ字状に配置された一対の永久磁石間の鉄心内に磁束の通過を抑制する空隙を形成する構成が採用されている。また、誘起電圧を正弦波に近づけるためには電機子巻線としては分布巻きが理想であるが、自動車の駆動源として環境では、小型化の要請から集中巻きが採用されている。これらの事情は特許文献１及び２に開示されている。

特開２００６−３０４５４６公開特許公報 特開２０１０−１７８４７０公開特許公報

誘起電圧の高いピーク値の抑制や磁気騒音の低減、トルク効率の向上の要請から誘起電圧の波形改善に努力がはらわれ、種々の提案がなされているがまだまだ改善の余地が残されている。

そこで、本実施形態は、一対の永久磁石間の鉄心内に磁束の通過を抑制するために形成した空隙に起因する波形歪みを改善できる埋め込み磁石型回転電機を提供することを目的とする。

この目的を達成するための埋め込み磁石型回転電機は、電機子巻線を巻回したティースを有する固定子鉄心を備えた固定子と回転子鉄心に磁極としての永久磁石を備えた回転子とからなる。前記回転子では、前記回転子鉄心内に断面形状が略矩形をなす１極に付き一対の磁石保持空洞を軸方向に延びるように形成すると共に、その一対の磁石保持空洞が回転子鉄心外周側に向け広がるハ字状に配置し、これら各磁石保持空洞内に永久磁石を収容させる。各磁石保持空洞の前記回転子鉄心の外周面側端部壁を第１のブリッジとし、前記回転子鉄心中の前記一対の磁石保持空洞の対向間に軸方向に延びる空洞を磁束通過抑制空間として設ける。この磁束制限空間内周面と前記回転子鉄心の外周面間に残る鉄心層を第２のブリッジとし、この第２ブリッジの径方向厚さを第１のブリッジのそれよりも薄く設定する。

この実施形態の埋め込み磁石型モータの要部を拡大して示す断面図 同モータの要部を示す断面図 同モータのある回転位置での磁束密度線を示す模式図 図３に示す位置から１ステップ回転後の様子を示す模式図 従来のモータにおける図３相当図 従来のモータにおける図４相当図 この実施形態の埋め込み磁石型モータのおける誘起電圧の波形を示す模式図 従来のモータにおける誘起電圧の波形を示す図 図７からプロットマークを除去して示す図７相当図 他の実施形態における図７相当図 図８からプロットマークを除去して示す図８相当図 ブリッジの厚さと波形歪み率との関係を示す図

以下、一実施形態による埋め込み磁石型モータを図面に基づいて説明する。図２に示すように、このモータは固定子１と回転子２とからなり、固定子１はティース３を有する電機子鉄心４を備えそのティース３に集中巻き電機子巻線５を備えてなり、回転子２は前記ティース３とエアギャップ７を介して対向するように配置された回転子鉄心６からなり、この回転子鉄心６内の外周寄り位置に１磁極当り２個すなわち一対の磁石保持空洞８，９を形成する。これら磁石保持空洞８，９は軸方向に延び、その断面形状が略矩形をなし、更にその配置形態は図１にも示すように回転子鉄心６の外周側に向け広がるハ字状配置である。

これらの基本的に矩形の断面形状を持つ磁石保持空洞８，９の回転子鉄心外周方向の端部壁である円弧状鉄心層が第１のブリッジ１０をなす。ここで矩形とは少なくとも真円を含ませない程度の広い概念である。回転子鉄心６内の一対の磁石保持空洞８，９の対向間領域に断面形状が略三角形をなす磁束通過抑制空隙１１を軸方向に延びるように形成する。この磁束通過抑制空隙１１の回転子鉄心外周側の端部壁である円弧状鉄心層が第２のブリッジ１２をなす。

前記第１及び第２のブリッジ１０，１２の外周面は回転子鉄心６の回転中心を中心とする同心円の円弧状をなし、これらの内周面も回転中心を中心とする同心円の円弧状をなす。その上、この第２ブリッジ１２の径方向の厚さＬ２を第１のブリッジ１０のそれＬ１よりも薄く設定しており、５Ｋｗのモータを実施態様とした本例ではＬ１＝１．０ｍｍ、Ｌ２＝０．５ｍｍに設定している。前記磁束通過抑制空隙１１を略三角形に形成したことの結果としてこの空隙１１と前記磁石保持空洞８，９との間の板状隔壁１３はＶ字状をなす。前記磁石保持空洞８，９の回転中心側端部間を隔てる隔壁１４を前記隔壁１３と略同じ厚さに形成し、その厚さ寸法は後述の永久磁石に作用する遠心力に耐え得る値を最小とする。隔壁１３，１４のこの形態はこの実施形態の特徴とは無関係である。

埋め込み磁石型モータとするために、前記一対の磁石保持空洞８，９内に永久磁石１５，１６を挿入、すなわち収容させる。このとき、これら空洞を永久磁石１５，１６で満たすことのないように各磁石保持空洞８，９内の回転子鉄心の外周側と回転中心側とに磁束短絡抑制空隙１７，１８を残す。なお、電機子巻線５から発生した磁束は、回転子鉄心６中、一方の一対の永久磁石配置領域と他方の一対の永久磁石配置領域と間を通過しリラクタンストルクを発生させる。

次に以上のように構成した埋め込み磁石型モータの誘起電圧の波形改善について説明する。図３及び図４は、第１及び第２のブリッジ１０，１２の厚さをＬ１＞Ｌ２、特にＬ１＝１．０ｍｍ、Ｌ２＝０．５ｍｍに設定した上記構成のモータの磁束の解析から得た磁束密度模式図を示し、図５及び図６は、従来構造のこの種モータと同じく第１及び第２のブリッジ１０，１２の厚さを等しくし、特にＬ１＝Ｌ２＝１．０ｍｍとしたときの磁束密度模式図を示す。そのうち、図４及び図６は高速回転中の回転子鉄心６が図３及び図５の位置から図中１ステップ反時計方向に回転した後の状態を示す。この１ステップの角度はティース３の角度幅の約１／１３である。

図３ないし図８に示すように、磁石トルクに寄与する永久磁石１５，１６からの磁束は主として前記第１のブリッジ１０を通過するので、この第１のブリッジ１０は磁束が通り易い構造、例えばその断面積を漏れ磁束が増えない限度で大きくしてある。これに対して第２のブリッジ１２を磁束が通過することは好ましくないことから磁束通過抑制空隙１１を設けているのであるが、図３ないし図８に示すように磁束は少ない量ではあるが不可避的に通過する。なお、この第２のブリッジ１２を除去することは風切り騒音が激しくなるので好ましくない。

発明者らはこの第２のブリッジ１２の通過磁束の変化に注目し、この第２のブリッジ１２の構造を磁束が通過し易くした場合と通過し難くしたい場合とについて、磁束密度の変化度合及び電機子巻線５に発生する誘起電圧の波形を解析した。その結果を示したのが図３ないし図８である。第２のブリッジ１２の厚さＬ２を第１のブリッジの厚さＬ１（１ｍｍ）と等しくした場合、回転子鉄心６が１ステップ回転する前後間で生ずる第２のブリッジ１２の磁束変化量は、図５と図６との比較から認識でき、同様に第２のブリッジ１２の厚さＬ２を第１のブリッジの厚さＬ１（１ｍｍ）より小さくした（０．５ｍｍにした）場合のそれは、図３と図４との比較から認識できる。これらの比較から、図面上顕著とはいえないが、１ステップ間での第２のブリッジ１２の磁束変化量はＬ２＝Ｌ１の時よりもＬ２＜Ｌ１の構造の方が小さいことが分かる。磁束量の変化が小さいということはこの１ステップ間で発生する起電力が小さいこと意味する。

一方、この回転子鉄心６の回転により電機子巻線５に発生した誘起電圧の波形は図７及び図８に示す通りであった。図７はＬ２＜Ｌ１（Ｌ２＝０．５ｍｍ、Ｌ１＝１ｍｍ）としたときの電圧の波形を、また、図８はＬ２＝Ｌ１（＝１ｍｍ）としたときの電圧の波形を示す。両者を比較すると、Ｌ２＝Ｌ１に対応する図８では、電圧が±最大値付近で前後にピーク値Ｐ１，Ｐ２（Ｖ相の電気角６０度から１２０度区間）を持ちその間が０ボルト方向に大きく陥没したμ字波形に大きく歪んでいる。ピーク値Ｐ１，Ｐ２のうち、Ｐ１は電気角６０度付近（Ｖ相）で発生していることから、回転位置が図５から図６に変化した際の誘起電圧であって、第２のブリッジ１２を通る磁束の変化に起因しものである。

これに対して、Ｌ２＜Ｌ１に対応する図７では、誘起電圧が±最大値付近で図８に見られたピーク値Ｐ１，Ｐ２がなく、同じ電気角６０度から１２０度区間が滑らかな山形をなしており、波形がかなり正弦波に近づいたことを示している。図９及び図１１は夫々図７及び図８からプロットマークを除去し縮小して示した図、図１０は実施態様の変形として第２のブリッジ１２の厚さを０．７５に設定した場合の図９相当図である。図９と図１０の電圧波形を比較すると、Ｌ２＜Ｌ１の条件下でＬ２が小さいほど正弦波近似が高いことが分かる。換言すれば、Ｌ２＜Ｌ１の関係は波形改善に有効であることを示している。図１２は、第２のブリッジ１２の厚さＬ２の値とその値における誘起電圧の波形歪み率を示しており、Ｌ２が小さいほど歪み率が小さく正弦波に一層接近することが分かる。

以上述べたように、この埋め込み磁石型回転電機は、電機子巻線の誘起電圧の波形が高いピーク値を持たないスムーズな正弦波形により一層改善することができる。
なお、本発明の実施形態を説明したが、こ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、リラクタンストルクを期待しない構成の埋め込み磁石型モータに適用する等その他の様々な形態に変形して実施す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共に、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、１は固定子、２は回転子、３はティース、４は固定子鉄心、５は電機子巻線、６は回転子鉄心、８，９は磁石保持空洞、１０は第１のブリッジ、１１は磁束通過抑制空隙、１２は第２のブリッジ、１５，１６は永久磁石、１７，１８は磁束短絡抑制空隙である。

Claims (4)

1. 電機子巻線を巻回したティースを有する固定子鉄心を備えた固定子と回転子鉄心に磁極としての永久磁石を備えた回転子とからなるモータであって、前記回転子は、
   前記回転子鉄心内に断面形状が略矩形をなす１極に付き一対の磁石保持空洞を軸方向に延びるように形成すると共に、その一対の磁石保持空洞が回転子鉄心外周側に向け広がるハ字状の配置をなし、
   前記各磁石保持空洞内に永久磁石を収容させ、
   前記回転子鉄心中の前記一対の磁石保持空洞の対向間に軸方向に延びる空洞を磁束通過抑制空隙として設け、
   前記磁石保持空洞の前記回転子鉄心外周側の端部壁を第１のブリッジとし、
   前記磁束通過抑制空隙内周面と前記回転子鉄心の外周面間に残る鉄心層を第２のブリッジとし、
   この第２のブリッジの径方向厚さを前記第１のブリッジのそれよりも薄く設定してなる、
   ことを特徴とする埋め込み磁石型回転電機。
2. 前記第１及び第２のブリッジの外周面が前記回転子鉄心の回転中心を中心とする同心円に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の埋め込み磁石型回転電機。
3. 前記第１及び第２のブリッジの夫々の内周面及び外周面が前記回転子鉄心の回転中心を中心とする同心円に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の埋め込み磁石型回転電機。
4. 前記一対の永久磁石を配置してなる磁極と磁極との間がリラクタンストルクを得るために電機子巻線からの磁束が通過するのに有効な間隔に設定されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一つに記載の埋め込み磁石型回転電機。

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