JP2014060835A - 回転電機のロータ - Google Patents

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Abstract

【課題】ロータコアにV字状に配置された対をなす磁石のステータ側のエリア内でのq軸インダクタンスを低減させることなく、磁束量を増大させ得るようにする。
【解決手段】ロータ10は、2個で対をなしステータ30側に向かうにつれて対向間距離が大きくなるようにV字状に配置された複数対の磁石収容孔12を有するロータコア11と、V字状に配置された磁石収容孔12に収容されてそれぞれ一つの磁極を形成する複数対の磁石13とを備える。ロータコア11は、V字状に配置された一対の磁石収容孔12のステータ側壁面12aの磁極中心側端部にステータ30側へ突出する第1フラックスバリア16を有する。第1フラックスバリア16の突出高さHは、磁極中心線C1とステータ30の内周面とが交わる交点をP1とし、交点P1からステータ側壁面12aまでの最短距離をRとしたときに、0.12・R≦H≦0.29・Rの範囲に設定されている。
【選択図】図2

Description

本発明は、ハイブリッド車両や電気自動車等の車両等に搭載されて電動機や発電機として用いられる回転電機のロータに関する。
従来、車両等に搭載されて使用される回転電機として、ロータの内部に磁石を埋め込んだ構造をもつ回転界磁形式の同期モータ(以下、「IPMモータ」という。)が知られている。このIPMモータは、ロータの磁化によるリラクタンストルクと磁石の磁化によるトルクの両方を利用することができるので高効率であることから、ハイブリッド車両や電気自動車等い好適に採用されている。
このようなIPMモータは、ステータと、ステータと径方向に対向配置されるロータとを備えている。そして、ロータとして、2個で対をなしステータ側に向かうにつれて対向間距離が大きくなるようにV字状に配置された複数対の磁石収容孔を有するロータコアと、V字状に配置された対をなす磁石収容孔に収容されてそれぞれ一つの磁極を形成する複数対の磁石とを備えたもの知られている。
そして、V字状に配置された一対の磁石収容孔の間に形成された中央ブリッジからの漏れ磁束の制御には、例えば特許文献1などに代表されるような、磁極両端(磁気的凸部)に設けられるフラックスバリアを工夫する方法が一般的である。また、近年では、特許文献2に開示されているように、ロータコアの中心軸線側にフラックスバリアを設けて中心軸線側への磁束漏れを防ぐ技術が提案されている。
特開2000−278896号公報 特開2011−211860号公報
ところで、上記の特許文献1に記載の技術においては、磁極両端を磁気的短絡部とする場合、q軸のインダクタンスが低下することに加え、例えばV字状のように1磁極当たりに複数磁石の構成としたとき、強度アップのために設ける中央ブリッジは漏れ磁束が発生し、好ましくない。また、上記の特許文献2に記載の技術のように、ロータコアの中心軸線側へ磁束漏れを防ぐ磁気短絡形状を設ける場合、ロータコアの内周側にフラックスバリアを設けるスペースが十分でない場合には適用できない。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、ロータコアにV字状に配置された対をなす磁石のステータ側のエリア内でのq軸インダクタンスを低減させることなく、磁束量を増大させ得るようにした回転電機のロータを提供することを解決すべき課題とする。
本願発明者は、ロータコアにV字状に配置された対をなす磁石のステータ側のエリアに注目をし、鋭意研究を重ねた結果、一般的に手を加えるとq軸インダクタンスが低下するといわれるエリアにおいて、q軸インダクタンスの低下を起こさず、磁束の短絡のみを引き起こすことができる構成を見出した。
即ち、上記課題を解決するためになされた本発明は、ステータ(30)と径方向に対向配置され、2個で対をなし前記ステータ(30)側に向かうにつれて対向間距離が大きくなるようにV字状に配置された複数対の磁石収容孔(12)を有するロータコア(11)と、V字状に配置された対をなす前記磁石収容孔(12)に収容されてそれぞれ一つの磁極を形成する複数対の磁石(13)と、を備えた回転電機のロータにおいて、前記ロータコア(11)は、V字状に配置された一対の前記磁石収容孔(12)のステータ側壁面(12b)の磁極中心側端部に前記ステータ(30)側へ突出するフラックスバリア(16)を有し、前記フラックスバリア(16)の前記ステータ(30)側への突出高さHは、磁極中心線C1と前記ステータ(30)の内周面とが交わる交点をP1とし、前記交点P1から前記ステータ側壁面(12b)までの最短距離をRとしたときに、0.12・R≦H≦0.29・Rの範囲に設定されていることを特徴とする。
本発明によれば、ロータコアは、V字状に配置された一対の磁石収容孔のステータ側壁面の磁極中心側端部にステータ側へ突出するフラックスバリアを有し、フラックスバリアのステータ側への突出高さHは、0.12・R≦H≦0.29・Rの範囲に設定されている。即ち、フラックスバリアの突出高さHの上限が上記の範囲に規定されていることにより、V字状に配置された対をなす磁石のステータ側のエリアにおいてq軸インダクタンスの低減を抑制することができる。
また、フラックスバリアの突出高さHの下限が上記の範囲に規定されていることにより、V字状に配置された一対の磁石収容孔の間に形成された中央ブリッジに起こる磁束飽和が強く起こるので、磁束漏れが低減し、磁束を有効利用することができる。したがって、本発明によれば、V字状に配置された対をなす磁石のステータ側のエリア内でのq軸インダクタンスを低減させることなく、磁束量を増大させることができる。
なお、本発明の好適な態様として、前記フラックスバリア(16)の周方向幅Wは、前記ステータ側壁面(12b)を通り且つ前記交点P1を中心とする半径Rの円に接触する接線L1と前記ステータ(30)の内周面とが交わる交点をP2とし、前記接線L1と前記磁極中心線C1とが交わる交点をP3とし、前記交点P2から前記交点P3までの距離をDとし、前記フラックスバリア(16)と前記磁石(13)との径方向において重複した重複幅をXとしたときに、0.12・D≦Wであり、且つ、X≦0.1・Dの範囲に設定されている。
この態様によれば、フラックスバリアの周方向幅Wを上記の範囲に規定することによって、磁石の磁束量を増加させ、トルクを増加させることができるので、フラックスバリアの周方向幅Wの最適な範囲を設定することができる。
実施形態1に係る回転電機のロータ1磁極部分の範囲の部分平面図である。 図1の要部を拡大した拡大部分平面図である。 試験1におけるq軸インダクタンスの測定結果を示すグラフである。 試験1における有効磁束量の測定結果を示すグラフである。 試験1におけるトルクの測定結果を示すグラフである。 試験2に用いられた実施例2のロータ1磁極部分の範囲の部分平面図である。 試験2に用いられた実施例3のロータ1磁極部分の範囲の部分平面図である。 試験2における実施例1〜3のトルクの測定結果を示すグラフである。 試験2における実施例1〜3の有効磁束量の測定結果を示すグラフである。係るロータの放熱経路を示す説明図である。 試験2における実施例1の周方向幅W及び重複幅Xに関する説明図である。 他の実施形態に係るロータの1磁極部分の範囲の部分平面図である。
以下、本発明に係る回転電機のロータの実施形態について図面を参照して具体的に説明する。
〔実施形態1〕
本実施形態に係る回転電機のロータについて図1及び図2を参照して説明する。本実施形態のロータ10は、例えば車両用モータとして使用される回転電機(図示せず)に搭載されるものであって、回転電機のハウジング内において、ステータ30の内周側に回転自在に収容配置されている。回転電機は、ハウジングに軸受を介して両端部を回転自在に支持された回転軸(図示せず)を有する。本実施形態のロータ10は、この回転軸の外周面に嵌合固定されて、ステータ30の内周側に対向配置されている。ステータ30の内周面とロータ10の外周面との間には、所定のエアギャップが形成されている。
ステータ30の内周面には、軸方向に貫通し周方向に等間隔に配列された複数のスロット31が設けられている。本実施形態では、ロータ10の磁極数に対応して、3相のステータコイル(図示せず)を収容するように、72個のスロット31が、周方向に等間隔に配置されている。
本実施形態のロータ10は、図1に示すように、回転軸の外周に嵌合固定され、周方向に配列された複数の磁石収容孔12を有するロータコア11と、各磁石収容孔12にそれぞれ埋設された複数の磁石(永久磁石)13と、磁石収容孔12と磁石13の間に配置された空気を含む非磁性体よりなるスペーサ部材14と、を備えている。
ロータコア11は、中央に貫通孔11aを有する円環状の電磁鋼板を軸方向に複数積層して厚肉円筒状に形成されている。このロータコア11は、回転軸の外周に貫通孔11aを嵌合することにより固定されている。このロータコア11の、ステータ30の内周面と対向する外周面側には、軸方向に貫通する複数(本実施形態では24個)の磁石収容孔12が周方向に所定距離を隔てて設けられている。各磁石収容孔12は、ロータコア11の中心軸線と直角方向の断面形状が略長方形の異形であり、2個で対をなし外周側に向かうにつれて対向間距離が大きくなるようにV字状に配置された合計12対の磁石収容孔12が周方向に等間隔に設けられている。なお、一対の磁石収容孔12,12の間には、当該部位に磁束飽和を起こさせ、磁気回路の形成を阻害させるための中央ブリッジ15が径方向に延伸するよう形成されている。
各磁石収容孔12には、ロータコア11の中心軸線と直角方向の断面形状が長方形の磁石(永久磁石)13がそれぞれ埋め込まれている。本実施形態の場合、V字状に配置された一対の磁石収容孔12,12に収容された一対の磁石13,13により1つの磁極が形成されている。この場合、12対の磁石13,13によって、周方向に極性が交互に異なる複数の磁極(本実施形態では12極(N極:6、S極:6))が形成されている。なお、1つの磁極を形成する一対の磁石13,13は、ロータコア11の中心軸線と磁極中心とを通る磁極中心線C1に対して線対称となる状態(外周側が開くV字状)に配置されている。
V字状に配置された一対の磁石収容孔12,12において、中央ブリッジ15の径方向中央から外周側に寄った所には、磁石13の中央ブリッジ15側の面に当接して磁石13の周方向の位置決めをする突起部20が設けられている。この突起部20の径方向両側の角部には、第1フラックスバリア16及び第2フラックスバリア17がそれぞれ設けられている。したがって、磁石収容孔12の磁極中心線C1側の径方向に広がる壁面12aは、突起部20の突出先端面(磁石13との当接面)のみにより形成されている。
第1フラックスバリア16は、ロータコア11の、V字状に配置された一対の磁石収容孔12,12のステータ側壁面12b,12bの磁極中心側端部に、ステータ30側(径方向外方側)へ突出するように形成されている。この第1フラックスバリア16のステータ30側への突出高さHは、図2に示すように、磁極中心線C1とステータ30の内周面とが交わる交点をP1とし、交点P1からステータ側壁面12bまでの最短距離をRとしたときに、0.12・R≦H≦0.29・Rの範囲に設定されている。なお、交点P1からステータ側壁面12bまでの最短距離Rは、ステータ側壁面12bに対して直交する垂線上に存在する。
上記のように、第1フラックスバリア16の突出高さHの上限が0.29・Rに規定されていることにより、V字状に配置された対をなす磁石13,13のステータ30側のエリアにおいてq軸インダクタンスの低減を抑制できるようにされている。また、第1フラックスバリア16の突出高さHの下限が0.12・Rに規定されていることにより、V字状に配置された一対の磁石収容孔12,12の間に形成された中央ブリッジに起こる磁束飽和が強く起こるので、磁束漏れが低減し、磁束を有効利用できるようにされている。この第1フラックスバリア16の突出高さHの最適な範囲は、後述の試験1により確認されている。
また、第1フラックスバリア16の周方向幅Wは、磁石収容孔12のステータ側壁面12bを通り且つ前記交点P1を中心とする半径Rの円に接触する接線L1とステータ30の内周面とが交わる交点をP2とし、接線L1と磁極中心線C1とが交わる交点をP3とし、交点P2から交点P3までの距離をDとし、第1フラックスバリア16と磁石13との径方向において重複した重複幅をXとしたときに、0.12・D≦Wであり、且つ、X≦0.1・Dの範囲に設定されている。
なお、本実施形態の第1フラックスバリア16は、磁石13に対して周方向幅Wの約95%の部分が重複しており、X≦0.1・Dの範囲内にされている。これにより、第1フラックスバリア16の周方向幅Wは、磁石13の磁束量を増加させ、トルクを増加させることができる、最適な範囲に規定されている。この第1フラックスバリア16の周方向幅Wの最適な範囲は、後述の試験2により確認されている。
第2フラックスバリア17は、磁石収容孔12の磁極中心線C1側の壁面12aと内周側壁面12cとが交わる角部(以下、「最内周側角部12d」という。)に設けられている。この第2フラックスバリア17は、曲率の異なる3以上の複数の円弧面を含む面により区画されて所定の形状に形成されている。本実施形態の場合、複数の円弧面のうちの最小曲率の円弧面がロータコア11の中心軸線から最短距離となる位置に配置されている。これにより、第2フラックスバリア17において遠心応力の集中点となるロータコア11の中心軸線からの最短距離部(最小曲率の円弧面)が、中央ブリッジ15から遠ざけられているので、応力集中が分散され強く起こらないようにされている。
本実施形態の場合、磁石13の位置決め用の突起部20が中央ブリッジ15の外周側に設けられ、磁石収容孔12の最内周側角部12dには第2フラックスバリア17が設けられている。これにより、遠心応力が発生する中央ブリッジ15に近い磁石収容孔12の最内周側角部12dに突起部20がないので、中央ブリッジ15に発生する遠心応力に与える影響が少なくなり、中央ブリッジ15での過大な応力集中を回避することができるようにされている。
また、V字状に配置された一対の磁石収容孔12,12において、内周側壁面12cの反中央ブリッジ15側の端部には、磁石13の反中央ブリッジ15側の面に当接して磁石13の周方向の位置決めをする突起部21が設けられている。そして、突起部21の外周側(ステータ30側)には、所定形状に形成された第3フラックスバリア18が設けられている。
なお、各磁石収容孔12内に収容された磁石13は、磁石収容孔12の壁面と磁石13との間の隙間、及び第1〜第3フラックスバリア16〜18に充填された例えばエポキシ系の樹脂よりなるスペーサ部材14によって、磁石収容孔12に固定保持されている。即ち、第1〜第3フラックスバリア16〜18には、スペーサ部材14としての樹脂(非磁性体)が充填されている。
以上のように構成された本実施形態のロータ10によれば、ロータコア11は、V字状に配置された一対の磁石収容孔12,12のステータ側壁面12bの磁極中心側端部にステータ30側へ突出する第1フラックスバリア16を有し、第1フラックスバリア16のステータ30側への突出高さHは、0.12・R≦H≦0.29・Rの範囲に設定されている。即ち、第1フラックスバリア16の突出高さHの上限が上記の範囲に規定されていることにより、V字状に配置された対をなす磁石13,13のステータ30側のエリアにおいてq軸インダクタンスの低減を抑制することができる。
また、第1フラックスバリア16の突出高さHの下限が上記の範囲に規定されていることにより、V字状に配置された一対の磁石収容孔12,12の間に形成された中央ブリッジ15に起こる磁束飽和が強く起こるので、磁束漏れが低減し、磁束を有効利用することができる。したがって、本実施形態のロータ10によれば、V字状に配置された対をなす磁石13,13のステータ30側のエリア内でのq軸インダクタンスを低減させることなく、磁束量を増大させることができるという優れた効果を奏する。
また、本実施形態では、第1フラックスバリア16の周方向幅Wは、0.12・D≦Wであり、且つ、X≦0.1・Dの範囲に設定されている。これにより、第1フラックスバリア16の周方向幅Wを、磁石13の磁束量を増加させ、トルクを増加させることができるようにするための最適な範囲に設定することができる。
また、本実施形態では、中央ブリッジ15の径方向におけるステータ30側端部に磁石13の周方向の位置決めをする突起部20が設けられている。これにより、遠心応力が発生する中央ブリッジ15に近い磁石収容孔12の最内周側角部12dに突起部20が設けられていないので、中央ブリッジ15に発生する遠心応力に与える影響が少なくなり、中央ブリッジ15での過大な応力集中を回避することができる。
〔試験1〕
上記実施形態1の回転電機のロータ10について、第1フラックスバリア16の突出高さHの最適範囲を調べる試験を行った。この試験1では、上記実施形態1において、図2に示すように、交点P1からステータ側壁面12bまでの最短距離をRとしたときに、距離Rに対する第1フラックスバリア16の突出高さHの比(以下、単に「H/Rの比」という。)を0〜0.5の範囲で変化させて、q軸インダクタンス、有効磁束量、及びトルクの測定をそれぞれ行った。q軸インダクタンスの測定結果は図3に示し、有効磁束量の測定結果は図4に示し、トルクの測定結果は図5に示した。
図3から明らかなように、q軸インダクタンスは、H/Rの比が0.29を超えると急激に減少していることが解る。また、有効磁束量は、図4から明らかなように、H/Rの比の増加に比例して増加することが解る。また、トルクは、H/Rの比が0.12〜0.29の範囲において、1.01以上を維持していることが解る。
以上の結果から、第1フラックスバリア16の突出高さHは、0.12・R≦H≦0.29・Rの範囲が最適となることが解った。
〔試験2〕
上記実施形態1の回転電機のロータ10について、第1フラックスバリア16の周方向幅Wの最適範囲を調べる試験を行った。この試験2では、実施形態1のロータ10を実施例1として、この他に、第1フラックスバリア16の設けた位置が異なる実施例2及び実施例3を準備した。
実施例2のロータ10Aは、図6に示すように、第1フラックスバリア16が、磁石13から磁極中心線C1側へ離間した位置に設けられており、第1フラックスバリア16と磁石13は重複していない(重複幅X=0)。また、実施例3のロータ10Bは、図7に示すように、第1フラックスバリア16が、磁石13の磁極中心線C1側端面と接触した状態の位置に設けられており、この場合にも第1フラックスバリア16と磁石13は重複していない(重複幅X=0)。
これら実施例1〜3について、上記実施形態1において、図2に示すように、交点P2から交点P3までの距離をDとし、第1フラックスバリア16と磁石13との径方向において重複した重複幅をXとしたときに、距離Dに対する第1フラックスバリア16の周方向幅Wの比(以下、単に「W/Dの比」という。)を0〜0.25の範囲で変化させてトルクの測定を行った。その結果は、第1フラックスバリアが設けられていない比較例と共に図8に示した。
図8から明らかなように、比較例はトルク値が一定の1で変化しないのに対して、実施例1〜3は、W/Dの比が0から上昇を開始すると同時にトルク値も上昇し、W/Dの比が0.12を超えたところでトルク値が急激に上昇してそれぞれピークに到達している。この結果から、W/Dの比が0.12以上であれば、良好なトルク値を得られることが解る。
次に、実施例1〜3について、有効磁束量の測定を行い、その結果を図9に示した。この場合、第1フラックスバリア16の突出高さHに基づいて増加した有効磁束量を考慮して、横軸のW/Dの比は、突出高さHの下限値である0.12・Rに相当する位置を0とし、W/Dの比を0〜0.14の範囲で変化させた。なお、実施例1及び実施例3の場合には、周方向幅Wが増加すると重複幅Xも同じ長さ増加するが、実施例2の場合には、周方向幅Wが増加しても第1フラックスバリア16と磁石13の離間距離が0になるまで、重複幅Xは増加しない。
図9から明らかなように、有効磁束量が一定で変化しない比較例に対して、実施例1〜3は、W/Dの比が0〜0.1の範囲において増加していることが解る。特に、第1フラックスバリア16の周方向幅Wの下限値となる0.12Dの状態から、既に第1フラックスバリア16と磁石13の重複が始まっている実施例1の場合には、有効磁束量の増加が顕著である。この実施例1のロータ10は、図10に示すように、重複幅Xの基準(磁石13の端部)が、W=0.12・Dまでにあり、重複幅Xが、X≦0.1・Dの範囲にあるものである。
よって、実施例1のように、重複幅Xの基準がW=0.12・Dまでにあるときに、重複幅Xを、X≦0.1・Dの範囲にあるようにすれば、本来よくない第1フラックスバリア16が磁石13に重複している形状であるにも拘わらず、磁石13の有効磁束量を増加させて、トルクを増加させることができることが解った。
〔他の実施形態〕
本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更することが可能である。
例えば、図11に示すように、第1フラックスバリア16の形状を、中央ブリッジ15と繋がる円弧面16aの半径R1を大きくとることにより、中央ブリッジ15に働く遠心応力を低減させることができる。また、円弧面16aに連続する半径R2の円弧面16bに対して、円弧面16bとは逆方向に凸をなる半径R3の円弧面16cを連続させることにより、第1フラックスバリア16の周方向幅W及び重複幅Xを任意の値に適宜設定することができる。
また、上記実施形態では、ロータコア11の磁石収容孔12に埋め込まれる磁石13として、永久磁石が採用されていたが、例えばテレビウム(Tb)など、磁石の表面のみ保磁力を高めた粒界拡散磁石を採用してもよい。粒界拡散磁石は、磁石の中心から放射方向に保磁力が分布(表面ほど保磁力が高い)した磁石であるので、第1フラックスバリアの周方向幅Wを増加することができる。また、粒界拡散磁石は、表面のみパーミアンス係数が低くてもよいため、角状バリアの適用範囲が増加する。さらには、第1フラックスバリア16を設けたことにより磁石13の端部が減磁し易くなるが、粒界拡散磁石を採用することにより、減磁を防止することができる。
また、上記実施形態では、ロータ10がステータ30の内側に配置されるインナロータタイプの回転電機の例を説明したが、本発明は、ロータ10がステータ30の外側に配置されるアウタロータタイプの回転電機にも適用することができる。
また、上記の実施形態では、本発明に係る回転電機のロータを車両用モータのロータに適用した例を説明したが、車両に搭載されて電動機や発電機として使用される回転電機のロータ、あるいは両者を選択的に使用し得る回転電機のロータにも、本発明を適用することができる。
10,10A,10B…ロータ、 11…ロータコア、 12…磁石収容孔、 12a…磁極中心線側の壁面、 12b…ステータ側壁面、 13…磁石、 15…中央ブリッジ、 16…第1フラックスバリア、 20,21…突起部、 30…ステータ、 L1…接線、 C1…磁極中心線。

Claims (5)

  1. ステータ(30)と径方向に対向配置され、2個で対をなし前記ステータ(30)側に向かうにつれて対向間距離が大きくなるようにV字状に配置された複数対の磁石収容孔(12)を有するロータコア(11)と、
    V字状に配置された対をなす前記磁石収容孔(12)に収容されてそれぞれ一つの磁極を形成する複数対の磁石(13)と、を備えた回転電機のロータにおいて、
    前記ロータコア(11)は、V字状に配置された一対の前記磁石収容孔(12)のステータ側壁面(12b)の磁極中心側端部に前記ステータ(30)側へ突出するフラックスバリア(16)を有し、
    前記フラックスバリア(16)の前記ステータ(30)側への突出高さHは、磁極中心線C1と前記ステータ(30)の内周面とが交わる交点をP1とし、前記交点P1から前記ステータ側壁面(12b)までの最短距離をRとしたときに、0.12・R≦H≦0.29・Rの範囲に設定されていることを特徴とする回転電機のロータ。
  2. 前記フラックスバリア(16)の周方向幅Wは、前記ステータ側壁面(12b)を通り且つ前記交点P1を中心とする半径Rの円に接触する接線L1と前記ステータ(30)の内周面とが交わる交点をP2とし、前記接線L1と前記磁極中心線C1とが交わる交点をP3とし、前記交点P2から前記交点P3までの距離をDとし、前記フラックスバリア(16)と前記磁石(13)との径方向において重複した重複幅をXとしたときに、0.12・D≦Wであり、且つ、X≦0.1・Dの範囲に設定されていることを特徴とする請求項1に記載の回転電機のロータ。
  3. 前記重複幅Xの基準がW=0.12・Dまでにあるときに、前記重複幅Xは、X≦0.1・Dの範囲にあることを特徴とする請求項2に記載の回転電機のロータ。
  4. V字状に配置された一対の前記磁石収容孔(12)の間に径方向に延びる中央ブリッジ(15)が形成されており、前記中央ブリッジ(15)の径方向における前記ステータ(30)側端部に前記磁石(13)の位置決めをする突起部(20)が設けられていることを特徴とする請求項1〜3の何れか一項に記載の回転電機のロータ。
  5. 前記磁石(13)として、粒界拡散磁石が採用されていることを特徴とする請求項2又は3に記載の回転電機のロータ。
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