JP2014011880A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】 出力の低下を抑制しつつコギングトルクを低減可能なモータを提供する。
【解決手段】 モータ１では、永久磁石４０と突出部３４との間の周方向隙間５０の周方向幅ａは、ティース部２５の径内端２６の周方向幅ｂよりも小さく設定されている。さらに、ティース部２５の周方向中心と周方向隙間５０の周方向中心とが一致するとき、ティース部２５は、第１仮想平面ｃと第２仮想平面ｄとの間の領域内に位置するように設定されている。したがって、永久磁石４０および突出部３４は、適度な磁気抵抗を持つバイパス磁路を形成する。そのため、常に主磁束を流し磁界変動を比較的小さく抑えることで無通電時のコギングトルクを低減しつつ、漏れ磁束を比較的小さく抑えることで定格通電時の出力トルクの低下を抑制することができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、回転電機に関する。

例えば希土類磁石などの永久磁石は、エネルギー密度が高く、電動機の小型化には欠かせない材料である一方で、資源の偏在性より調達リスクが高い。そのため、従来、永久磁石の使用量を極力抑える機器設計がなされている。特許文献１に開示された回転電機の回転子は、ボス部から径外方向に突き出す複数の突出部と、各突出部間に位置する永久磁石とからなるコンシクエントポール型構造であり、永久磁石の使用量が抑えられている。

特開平２０１１−２５０５０８号公報

特許文献１に開示された回転電機を具体的に設計する際、開示の通りの磁気回路諸元を採用すると、回転子の回転変動が大きいことが分かった。特に自動車用の電動パワーステアリングなどに適用する場合には、無通電時に生じるコギングトルクが大きくなることが分かった。特許文献１に開示された技術では、磁気回路諸元が出力トルクに特化しており、特に永久磁石の幅が突出部に比べて極端に大きくなっていることに由来して空間磁界分布の乱れが生じることが、コギングトルクが大きくなる原因であることを突き止めた。すなわち、永久磁石と突出部と固定子のティース部の径内端部との相互作用が密接に関係している。

図１２に示すように永久磁石１０１と突出部１０２との周方向隙間が狭いと、ティース部１０３の径内端部が各磁極間を磁気的にバイパスしやすくなり、二点鎖線で示すように、常に主磁束がいくらか流れるので、無通電時のコギングトルクは小さくなる。しかし、横方向磁束すなわち漏れ磁束が流れやすくなるので、定格電流通電時のトルク低下は著しくなる。
したがって、永久磁石と突出部との周方向隙間を極力広く設計することが望ましいが、図１３に示すように永久磁石１０４と突出部１０５との周方向隙間が広すぎると、ティース部１０６の径内端部のバイパス作用が小さくなり、漏れ磁束が低減するため、二点鎖線で示すように、一部のティース部１０６に主磁束が流れたり流れなかったりするので、回転子の位置に応じて磁化状態の変動が激しくなりコギングトルクが大きくなる。

図１４中に実線で示すように、前記周方向隙間が比較的広い図１３のティース部１０６の磁束波形は、歪が大きく高調波を多く含んでいることが分かる。固定子コアを周回する磁束が変動する、すなわち十分周回する期間と周回できない期間とが交互に現れるため、コギングトルクが大きくなってしまう。
一方、図１４中に破線で示すように、前記周方向隙間が比較的狭い図１２のティース部１０３の磁束波形は、歪が小さいものの、波高値が低下しており、有効磁束が減っていることが分かる。特に引用文献１に開示されたもののように永久磁石が突出部よりも幅広の場合、このような傾向が一層顕著に現れる。

本発明は、上述の点に鑑みてなされたものであり、その目的は、出力の低下を抑制しつつコギングトルクを低減可能な回転電機を提供することである。

本発明は、放射状に延びるティース部を有する固定子コアと、固定子コアの径内方向で回転可能なボス部および当該ボス部から径外方向に突き出す突出部を有する回転子コアと、各突出部間で突出部との間に所定の周方向隙間が空くように配置されている永久磁石とを備える回転電機であって、周方向隙間の周方向幅がティース部の径内端の周方向幅以下であることを特徴とする。

したがって、永久磁石および突出部は、適度な磁気抵抗を持つバイパス磁路を形成する。そのため、常に主磁束を流し磁界変動を比較的小さく抑えることで無通電時のコギングトルクを低減しつつ、横断するには大きすぎる磁気抵抗であるから漏れ磁束を比較的小さく抑えることで定格通電時の出力トルクの低下を抑制することができる。つまり、本発明による回転電機によれば、出力の低下を抑制しつつコギングトルクを低減可能である。

本発明の第１実施形態によるモータの概略構成を説明する模式図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線断面を示す模式図である。 図２の矢印ＩＩＩ部の拡大図である。 図１のモータのコギングトルクと図１２に示す比較例のコギングトルクとを比較する図である。 本発明の第２実施形態によるモータの概略構成を説明する模式図である。 図５の矢印ＶＩ部の拡大図である。 図５のモータの効率と図１２に示す比較例の効率とを比較する図である。 本発明の第３実施形態によるモータの横断面の一部の拡大図である。 図８のモータの出力トルクと図１２に示す比較例の出力トルクとを比較する図である。 本発明の第４実施形態によるモータの概略構成を説明する模式図である。 図１０の矢印ＸＩ部の拡大図である。 永久磁石と突出部との周方向隙間が比較的狭い比較例における磁束の流れを時間ごとに示す模式図である。 永久磁石と突出部との周方向隙間が比較的広い比較例における磁束の流れを時間ごとに示す模式図である。 図１２のティース部および図１３のティース部の磁束波形を示す図である。

以下、本発明の複数の実施形態を図面に基づき説明する。実施形態同士で実質的に同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態によるモータを図１および図２に示す。モータ１は、３相ブラシレスモータであり、ケース１０、固定子２０および回転子３０を備えている。モータ１は、特許請求の範囲に記載の「回転電機」に相当する。

ケース１０は、筒部１１と、筒部１１の一端を塞ぐ第１側部１２と、筒部１１の他端を塞ぐ第２側部１４とから構成されている。第１側部１２の中央の通孔１３には軸受１６が取り付けられ、第２側部１４の中央の通孔１５には軸受１７が取り付けられている。

固定子２０は、ケース１０の筒部１１の径内方向に位置する固定子コア２１と、固定子コア２１に巻回されている巻線２２とから構成されている。
固定子コア２１は、ケース１０の筒部１１の内面に例えば圧入により固定されているヨーク部２４と、ヨーク部２４から径内方向に突き出す複数のティース部２５とから一体に形成されている。本実施形態では、ティース部２５は２４個設けられている。つまり、毎極毎相のティース部２５の個数は１個である。各ティース部２５は、周方向で等間隔に配置されている。

巻線２２は、Ｕ相巻線、Ｖ相巻線およびＷ相巻線から構成されている。各巻線２２は、各ティース部２５間のスロット２８に３スロットピッチで装着されている。図２には、Ｕ相巻線のみを電流方向の記号で示す。

回転子３０は、コンシクエントポール型であり、回転軸３１、回転子コア３２および永久磁石４０から構成されている。
回転軸３１は、軸受１６、１７により回転可能に支持されている。
回転子コア３２は、軟磁性材からなり、回転軸３１に例えば圧入により固定されているボス部３３と、ボス部３３部から周方向で間隔を空けて径外方向に突き出している軟磁性極としての複数の突出部３４を有している。本実施形態では、回転子コア３２は、回転軸心φ方向に積層された複数の鋼板からなる。

磁石極としての永久磁石４０は、突出部３４との間に所定の周方向隙間５０が空くように各突出部３４間に１個ずつ設けられ、ボス部３３に固定されている。回転子コア３２のボス部３３は、永久磁石４０の発する磁束を伝達する磁束伝達手段として機能する。永久磁石４０が発生させる磁束は、主磁束と漏れ磁束とから構成される。主磁束は、永久磁石４０からティース部２５、ヨーク部２４およびティース部２５を通って突出部３４に流れる磁束であり、漏れ磁束は、永久磁石４０からティース部２５を通って突出部３４に流れる横方向磁束である。

以上のように構成されたモータ１では、各相の巻線２２は、インバータ、制御装置およびバッテリ等から構成される図示しない電力変換装置に接続され、順に通電が切り替えられることにより、周方向に回転する磁界を発生させる。この磁界に応じて回転子３０は回転する。

次に、本実施形態の特徴である固定子２０および回転子３０の詳細な構成を図２および図３に基づき説明する。
永久磁石４０と突出部３４との間の周方向隙間５０のうち径外部の周方向幅ａは、ティース部２５の径内端２６の周方向幅ｂよりも小さく設定されている。また、永久磁石４０の周方向の端面を第１周方向端面４１とし、突出部３４の周方向の端面を第２周方向端面３５とし、第１周方向端面４１に一致する仮想的な平面を第１仮想平面ｃとし、第２周方向端面３５に一致する仮想的な平面を第２仮想平面ｄとすると、ティース部２５の周方向中心と周方向隙間５０の周方向中心とが一致するとき、ティース部２５は、第１仮想平面ｃと第２仮想平面ｄとの間の領域内に位置するように設定されている。

永久磁石４０のうち周方向の一方の第１周方向端面４１と他方の第１周方向端面４１とは、互いに平行である。また、突出部３４のうち周方向の一方の第２周方向端面３５と他方の第２周方向端面３５とは、互いに平行である。そのため、相対する第１周方向端面４１と第２周方向端面３５とは、径外方向に向かうにしたがって互いに離間する。第１仮想平面ｃと第２仮想平面ｄとの間の領域は、径外方向に向かうにしたがって周方向幅が大きくなる。

永久磁石４０の周方向幅は、突出部３４の周方向幅と等しい。また、各周方向隙間５０のいずれか１つが径方向でティース部２５に対向しているとき、他の周方向隙間５０も径方向で各ティース部２５のいずれか１個に対向する。また、毎極毎相のティース部２５の個数をｋ個とすると、永久磁石４０に対向するティース部２５の個数、および、突出部３４に対向するティース部２５の個数は、（３ｋ−１）個であり、２個となる。

以上説明したように、第１実施形態によるモータ１では、永久磁石４０と突出部３４との間の周方向隙間５０の周方向幅ａは、ティース部２５の径内端２６の周方向幅ｂよりも小さく設定されている。さらに、ティース部２５の周方向中心と周方向隙間５０の周方向中心とが一致するとき、ティース部２５は、第１仮想平面ｃと第２仮想平面ｄとの間の領域内に位置するように設定されている。
したがって、永久磁石４０および突出部３４は、適度な磁気抵抗を持つバイパス磁路を形成する。そのため、常に主磁束を流し磁界変動を比較的小さく抑えることで無通電時のコギングトルクを低減しつつ、漏れ磁束を比較的小さく抑えることで定格通電時の出力トルクの低下を抑制することができる。図４に示すように、第１実施形態によれば、図１２に示す比較例と比べてコギングトルクが約１／１０倍に低減する。

また、第１実施形態では、永久磁石４０のうち周方向の一方の第１周方向端面４１と他方の第１周方向端面４１とは、互いに平行である。また、突出部３４のうち周方向の一方の第２周方向端面３５と他方の第２周方向端面３５とは、互いに平行である。
したがって、相対する第１周方向端面４１と第２周方向端面３５とは、径外方向に向かうにしたがって互いに離間するため、ティース部２５の径内端２６の周方向幅ｂを可及的に大きくすることができる。そのため、ティース部２５は、永久磁石４０から固定子コア２１に鎖交する磁束を集磁しやすい。

また、第１実施形態では、永久磁石４０の周方向幅は突出部３４の周方向幅と等しいので、各周方向隙間５０の幅を等しくするとともに各周方向隙間の位置を周方向で等間隔にすることができる。
したがって、各周方向隙間５０のいずれか１つが径方向でティース部２５に対向しているとき、他の周方向隙間５０も径方向で各ティース部２５のいずれか１個に対向するように設定することができ、同期タイミングが周方向で同じとなることで、コギングトルクを低減しつつ出力トルクの低下を抑制するという本実施形態の効果を十分に享受することができる。

また、第１実施形態では、毎極毎相のティース部２５の個数ｋは１個であり、永久磁石４０に対向するティース部２５の個数は、（３ｋ−１）個であり、２個となる。
したがって、コギングトルクを低減しつつ出力トルクの低下を抑制するという本実施形態の効果を達成する中で出力トルクを最大限大きくすることができる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態によるモータを図５および図６に基づき説明する。
モータ６０の固定子６１の固定子コア６２は、ヨーク部２４および複数のティース部６３から構成されている。ティース部６３は、ヨーク部２４から径内方向に延びる脚部６４と、脚部６４の径内端部から周方向の両側に延びる突起からなる鍔部６５とからなる。周方向隙間５０の周方向幅ａは、鍔部６５の周方向幅ｅよりも小さく設定されている。また、鍔部６５の周方向中心と周方向隙間５０の周方向中心とが一致するとき、鍔部６５は、第１仮想平面ｃと第２仮想平面ｄとの間の領域内に位置するように設定されている。

また、各周方向隙間５０のいずれか１つが径方向でティース部６３に対向しているとき、他の周方向隙間５０も径方向で各ティース部６３のいずれか１個に対向する。また、毎極毎相のティース部６３の個数をｋ個とすると、永久磁石４０に対向するティース部６３の個数、および、突出部３４に対向するティース部６３の個数は、（３ｋ−１）個であり、２個となる。

第２実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果を奏する。さらに、第２実施形態によれば、ティース部６３の脚部６４を磁気飽和限界まで細くしてスロット６６を拡大することができるので、電気装荷を大きくして銅損を低減することによる効率向上によって小型化が可能となる。図７に示すように、第２実施形態によれば、第１実施形態と比べて効率が８％向上する。

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態によるモータを図８に基づき説明する。
モータ７０は、固定子６１および回転子７４を備えている。固定子コア６２のティース部６３の径内端７１と永久磁石４０の径外面７２の周方向端７３との距離を第１距離ｇ１とし、ティース部６３の径内端７１と回転子コア７５の突出部７６の径外面７７の周方向端７８との距離を第２距離ｇ２とすると、第１距離ｇ１は第２距離ｇ２よりも小さく設定されている。具体的には、ティース部６３の径内端７１と永久磁石４０の径外面７２の中央部との距離は、ティース部６３の径内端７１と突出部７６の径外面７７の中央部との距離と等しく設定され、永久磁石４０の径外面７２の曲率半径ｒ１は、突出部７６の径外面７７の曲率半径ｒ２よりも大きく設定されている。

また、周方向隙間７９の周方向幅ｆは、鍔部６５の周方向幅ｅよりも小さく設定されている。また、各周方向隙間７９のいずれか１つが径方向でティース部６３に対向しているとき、他の周方向隙間７９も径方向で各ティース部６３のいずれか１個に対向する。また、毎極毎相のティース部６３の個数をｋ個とすると、永久磁石４０に対向するティース部６３の個数、および、突出部３４に対向するティース部６３の個数は、（３ｋ−１）個であり、２個となる。

第３実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果を奏する。さらに、第３実施形態によれば、漏れ磁束経路中の空隙長を大きくして磁気抵抗を増大させることにより、漏れ磁束を効果的に抑制することができる。図９に示すように、第３実施形態によれば、図１２に示す比較例と比べて出力トルクを約１．５倍に増強することができる。
また、例えば焼結により製造される永久磁石と比べ、例えばプレスにより打ち抜かれた鋼板を積層して製造される回転子コア７５の方が形状管理は容易であることから、第３実施形態のように回転子コア７５の突出部７６の径外面７７の曲率半径ｒ２を小さくする方が製造は容易である。

（第４実施形態）
本発明の第４実施形態によるモータを図１０および図１１に基づき説明する。
モータ８０は、固定子８１および回転子８６を備えている。固定子８１の固定子コア８２は、ヨーク部２４および複数のティース部８３から構成されている。ティース部８３は、ヨーク部２４から径内方向に延びる脚部８４と、脚部８４の径内端部から周方向の両側に延びる突起からなる鍔部８５とからなる。周方向隙間９０の周方向幅ｈは、鍔部８５の周方向幅ｉよりも小さく設定されている。また、鍔部８５の周方向中心と周方向隙間９０の周方向中心とが一致するとき、鍔部８５は、第１仮想平面ｊと第２仮想平面ｍとの間の領域内に位置するように設定されている。

ティース部８３は４８個設けられている。つまり、毎極毎相のティース部８３の個数は２個である。各ティース部８３は、周方向で等間隔に配置されている。永久磁石８７に対向するティース部８３の個数、および、回転子コア８８の突出部８９に対向するティース部８３の個数は、（３ｋ−１）個であり、５個となる。また、各周方向隙間９０のいずれか１つが径方向でティース部８３に対向しているとき、他の周方向隙間９０も径方向で各ティース部８３のいずれか１個に対向する。

第４実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果を奏する。さらに、第４実施形態によれば、ティース部８３の鍔部８５の周方向幅を小さくすることができ、その分、周方向隙間９０も狭くすることができる。周方向隙間９０が狭くなると、その狭くなった分だけ永久磁石８７および突出部８９の周方向幅が大きくなるので、磁気装荷を大きくすることができ、モータ８０の出力トルクを増強することができる。

（他の実施形態）
本発明の他の実施形態では、回転子の極数は、８極以外であってもよい。また、相の数は、３つ以外であってもよい。また、毎極毎相のティース数は、製作可能な範囲で任意に設定可能である。
本発明の他の実施形態では、回転子の永久磁石は、表面磁石型に限らず、埋め込み磁石型であってもよい。
本発明の他の実施形態では、回転子は、軸方向の一部がコンシクエントポール型構造であってもよい。
本発明の他の実施形態では、永久磁石と突出部との周方向隙間の周方向幅は、ティース部の径内端の周方向幅と同じであってもよい。

本発明の他の実施形態では、巻線仕様は、全節ピッチの分布巻きに限らず、例えば短節巻きなどの他の仕様であってもよい。
本発明の他の実施形態では、固定子コアおよび回転子コアは、鋼板を積層して作られなくてもよく、例えば磁性粉体を圧縮成形して作られてもよい。
本発明の他の実施形態では、回転子は、発電機などの他の回転電機に適用されてもよい。発電機の場合、出力電力の低下を抑制しつつコギングトルクを低減可能である。
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の形態で実施可能である。

１、６０、７０、８０・回転電機 １０・・・・・・・・・支持部材
２１、６２、８２・・・固定子コア ２２・・・・・・・・・巻線
２４・・・・・・・・・ヨーク部 ２５、６３、８３・・・ティース部
２６、７１・・・・・・径内端 ２８、６６・・・・・・スロット
３１・・・・・・・・・回転軸 ３２、７５、８８・・・回転子コア
３３・・・・・・・・・ボス部 ３４、７６、８９・・・突出部
４０、８７・・・・・・永久磁石 ５０、７９、９０・・・周方向隙間
ａ、ｆ、ｈ・・・・・・周方向幅 ｂ、ｅ、ｉ・・・・・・周方向幅

Claims (10)

1. 支持部材（１０）と、
   前記支持部材に固定されている環状のヨーク部（２４）、および、前記ヨーク部から径内方向に突き出している複数のティース部（２５、６３、８３）を有する固定子コア（２１、６２、８２）と、
   各前記ティース部間のスロット（２８、６６）に装着されている巻線（２２）と、
   前記固定子コアの径内方向で前記支持部材により回転可能に支持されている回転軸（３１）と、
   前記回転軸に固定されているボス部（３３）、および、前記ボス部から周方向で間隔を空けて径外方向に突き出している複数の突出部（３４、７６、８９）を有する回転子コア（３２、７５、８８）と、
   各前記突出部間に位置し、前記突出部との間に所定の周方向隙間（５０、７９、９０）が空くように前記ボス部に固定されている永久磁石（４０、８７）と、
   を備え、
   前記周方向隙間の周方向幅（ａ、ｆ、ｈ）は、前記ティース部の径内端（２６、７１）の周方向幅（ｂ、ｅ、ｉ）以下であることを特徴とする回転電機（１、６０、７０、８０）。
2. 前記永久磁石の周方向の端面を第１周方向端面（４１）とし、
   前記突出部の周方向の端面を第２周方向端面（３５）とし、
   前記第１周方向端面に一致する仮想的な平面を第１仮想平面（ｃ、ｊ）とし、
   前記第２周方向端面に一致する仮想的な平面を第２仮想平面（ｄ、ｍ）とすると、
   前記ティース部の周方向中心と前記周方向隙間の周方向中心とが一致するとき、前記ティース部は、前記第１仮想平面と前記第２仮想平面との間の領域内に位置することを特徴とする請求項１に記載の回転電機（１、６０、７０、８０）。
3. 前記ティース部は、前記ヨーク部から径内方向に延びる脚部（６４、８４）と、前記脚部の径内端部から周方向の両側に延びる突起からなる鍔部（６５、８５）と、から構成され、
   前記鍔部の周方向中心と前記周方向隙間の周方向中心とが一致するとき、前記鍔部は、前記第１仮想平面と前記第２仮想平面との間の領域内に位置することを特徴とする請求項２に記載の回転電機（１、６０、７０、８０）。
4. 前記永久磁石のうち周方向の一方の第１周方向端面と他方の第１周方向端面とは、互いに平行であり、
   前記突出部のうち周方向の一方の第２周方向端面と他方の第２周方向端面とは、互いに平行であることを特徴とする請求項２または３に記載の回転電機（１、６０、７０、８０）。
5. 前記ティース部の径内端（７１）と、前記永久磁石の径外面（７２）の周方向端（７３）との距離を第１距離（ｇ１）とし、
   前記ティース部の径内端と、前記突出部の径外面（７７）の周方向端（７８）との距離を第２距離（ｇ２）とすると、
   前記第１距離は前記第２距離以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の回転電機（７０）。
6. 前記永久磁石の径外面の曲率半径（ｒ１）は、前記突出部の径外面の曲率半径（ｒ２）以上であることを特徴とする請求項５に記載の回転電機（７０）。
7. 毎極毎相の前記ティース部の個数は、２個以上であり、
   各前記ティース部は、周方向で等間隔に配置されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の回転電機（８０）。
8. 前記永久磁石の周方向幅は、前記突出部の周方向幅と等しいことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の回転電機（１、６０、７０、８０）。
9. 毎極毎相の前記ティース部の個数をｋ個とすると、
   前記永久磁石に対向する前記ティース部の個数、および、前記突出部に対向する前記ティース部の個数は、共に（３ｋ−１）個であることを特徴とする請求項８に記載の回転電機（１、６０、７０、８０）。
10. 各前記周方向隙間のいずれか１つが径方向で前記ティース部に対向しているとき、他の前記周方向隙間も径方向で各前記ティース部のいずれか１個に対向することを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の回転電機（１、６０、７０、８０）。

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