JP2014064413A - ロータおよび回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】段スキューされたロータの各部に最適な保持力の永久磁石を配置することで耐減磁性向上を実現したロータを提供する。
【解決手段】第１ロータ部１１ａと、前記第１ロータ部１１ａに所定のスキュー角θでずらして当接するように配設された第２ロータ部１１ｂとを有するロータ１０は、前記第１ロータ部１１ａの各磁極に設けられた磁石Ｍａと、前記第２ロータ部１１ｂの各磁極に設けられ、前記第１ロータ部１１ａの各磁極に設けられた磁石Ｍａから所定のスキュー角θでずらして設けられた磁石Ｍｂとを備え、前記第１ロータ部１１ａの各磁極に設けられた磁石Ｍａの保磁力Ｃｆａと、前記第２ロータ部１１ｂの各磁極に設けられた磁石Ｍｂの保磁力Ｃｆｂとは、互いに異なる。
【選択図】図４

Description

本発明は、第１ロータ部と第２ロータ部とを有するロータと、当該ロータを有する回転電機とに関する。

磁気音低減のため、ＩＰＭ（Interior Permanent Magnet Motor；埋込磁石型モータ）のロータを軸方向に２段に分け、相対的に１／２スロットピッチ角ずらして配置することで第１ロータ部に発生するトルク波形と第２ロータ部に発生するトルク波形の脈動成分をオフセットすることが可能である。

これに対して、より円滑に脈動分のオフセットすることを目的とする回転電機に関する技術の一例が開示されている（例えば特許文献１を参照）。この回転電機は、ロータを軸方向に３段に分け、積厚が第２ロータ部の１／２となる第１ロータ部を両端に配置し、その間に第２ロータ部を１／２スロットピッチ角ずらして配置する。

特許第４２６９９５３号公報

しかしながら、特許文献１に記載の段スキューを適用すると、ステータから所定の電流に基づく磁界をロータに与えてトルクを発生させる際、最適な制御進角に対して１／２スロットピッチ角ずれた位置にステータからの界磁ベクトルを発生させる。この時、回転方向後方側に配置されるロータは１／２スロットピッチ進んだ進角で制御されることになる。ＩＰＭやＳＰＭ（Surface Permanent Magnet Motor；表面磁石型モータ）のように磁石を備えたロータでは、進角を進めると磁石に作用する反磁界量が増加するため、減磁してしまい所定のトルクを発生できなくなるという問題がある。

本発明は、上述した問題に鑑みてなされたものであり、段スキューされたロータの各部に最適な保持力の磁石を配置することで耐減磁性向上を実現したロータを提供することを目的とする。

上記課題を解決するためになされた発明は、第１ロータ部（１１ａ）と、前記第１ロータ部（１１ａ）に所定のスキュー角（θ）でずらして当接するように配設された第２ロータ部（１１ｂ）とを有するロータ（１０）が、前記第１ロータ部（１１ａ）の各磁極に設けられた磁石（Ｍａ）と、前記第２ロータ部（１１ｂ）の各磁極に設けられ、前記第１ロータ部（１１ａ）の各磁極に設けられた磁石（Ｍａ）から所定のスキュー角（θ）でずらして設けられた磁石（Ｍｂ）とを備え、前記第１ロータ部（１１ａ）の各磁極に設けられた磁石（Ｍａ）の保磁力（Ｃｆａ）と、前記第２ロータ部（１１ｂ）の各磁極に設けられた磁石（Ｍｂ）の保磁力（Ｃｆｂ）とが、互いに異なることを特徴とする。

この構成によれば、段スキューされたロータの各部に最適な保持力の磁石を配置することができ、ロータの耐減磁性の向上が可能になるという優れた効果を奏する。

ロータの構成例を模式的に示す斜視図である。 回転電機の構成例を模式的に示す平面図である。 ロータの構成例と出力波形例とを示す模式図である。 第１ロータ部と第２ロータ部の構成を示す一部断面図である。 反磁界と進角との関係例を示すグラフ図である。

以下、本発明を具体化した一実施形態について、図面を参照しつつ説明する。但し、本明細書中の全図において相互に対応する部分には同一符号を付し、重複部分においては後述での説明を適時省略する。

図１に示すロータ１０（回転子）は、ロータコア１１（回転子鉄心）や回転軸１５（主軸）などを有する。ロータコア１１と回転軸１５は、協同して回転するように固定（着脱可能な固定を含む）されるか、一体に形成される。ロータコア１１は電磁鋼板で積層して形成され、外周を等分割して設けた各磁極に複数の磁石部１３を備える。このロータコア１１は、第１ロータ部１１ａと第２ロータ部１１ｂとに分けられる。第１ロータ部１１ａおよび第２ロータ部の構成例については後述する。

図２に示す回転電機３０は、インナーロータ型のＩＰＭである。この回転電機３０は、上記ロータ１０のほか、ステータ２０（固定子）などを有する。ロータ１０の外周面とステータ２０の内周面は、磁束が流れる磁気ギャップ（微小空隙）を介して対向する。ステータ２０は、ステータコア２１（固定子鉄心）や巻線２２（ステータコイル）などを有する。ステータコア２１は、複数のスロット２３を有するようにティース２４が形成される。このステータコア２１は、第１ステータ部２１ａや第２ステータ部２１ｂなどを有する。第１ステータ部２１ａおよび第２ステータ部２１ｂの構成例については後述する（図３を参照）。巻線２２（コイル）は、一本状の電線（導線や銅線等を含む）で巻き回してもよく、複数本の電線を巻き回してスロット２３の収容部位以外の部位（例えばコイルエンド等）で接続して一本状にしてもよい。

スロット２３の数であるスロット数をＳｎとし、磁極（磁石）に対する一相あたりのスロット２３の比率であるスロット倍数をＳとし、磁極数をＭｎとし、相数をＰｈとすると、数式「Ｓｎ＝Ｓ×Ｍｎ×Ｐｈ」が成立する。本形態は、Ｓ＝１、Ｍｎ＝８、Ｐｈ＝３とした例であり、スロット数はＳｎ＝２４になる。スロット倍数がＳ＝１であるので、スロットピッチ角αは隣接するスロット２３相互間の相対角度（軸中心Ｐｃを中心とする）になる。図示しないが、スロット倍数≧２の場合は、スロットピッチ角αの対象となるスロット２３相互間に（Ｓ−１）のスロット２３を挟む。

図３には、ロータ部およびステータ部の配置関係と、当該配置関係によって発生するトルク波形とを示す。ただし、巻線２２の図示は省略している。ロータコア１１は、２つの第１ロータ部１１ａと、１つの第２ロータ部１１ｂとを有する。第２ロータ部１１ｂは、軸方向の両側に第１ロータ部１１ａが配置される。

第１ロータ部１１ａと第１ステータ部２１ａとは、磁気ギャップを介して対向する。第２ロータ部１１ｂと第２ステータ部２１ｂとは、磁気ギャップを介して対向する。第１ステータ部２１ａおよび第２ステータ部２１ｂは、発生するトルク波形を説明するために示す仮想的な部位であり、実際には一つのステータ２０であってスキューも無い。

巻線２２に電流が流れてステータ２０に磁束φａ，φbが生じると、フレミングの法則に従ってロータ１０が回転する。磁束φａは第１ステータ部２１ａから磁気ギャップを介して第１ロータ部１１ａに流れ、第１ロータ部１１ａにはトルク波形Ｔｈａで示す回転トルクが生じる。磁束φｂは第２ステータ部２１ｂから磁気ギャップを介して第２ロータ部１１ｂに流れ、第２ロータ部１１ｂにはトルク波形Ｔｈｂで示す回転トルクが生じる。

トルク波形Ｔｈａとトルク波形Ｔｈｂとは、それぞれ所定次数（例えば６次等）の高調波成分が含まれるが、スキュー角θは、図示するようにそれらが互いに逆位相となって打ち消すように設定される。トルク波形Ｔｈａの振幅は第１ロータ部１１ａの軸長Ｈａにほぼ比例し、トルク波形Ｔｈｂの振幅は第２ロータ部１１ｂの軸長Ｈｂにほぼ比例する。トルク波形Ｔｈａ，Ｔｈｂの最大振幅値を一致させるには、第１ロータ部１１ａが２つあることを考慮すると、２Ｈａ＝Ｈｂの関係が成り立つように設定する。すなわち第１ロータ部１１ａ全体の軸長（２Ｈａ）と、第２ロータ部１１ｂ全体の軸長（Ｈｂ）とを一致させる。

なお上述した説明は、回転電機３０を電動機として機能させる例であるが、発電機として機能させることもでき、電動発電機として機能させることもできる。巻線２２に電流を流さない場合にロータ１０が回転すると、ロータコア１１（第１ロータ部１１ａや第２ロータ部１１ｂ）の内部あるいは表面に備える磁石（後述する磁石Ｍａ、Ｍｂ）から二点鎖線で示す磁束φａ，φbがステータ２０に流れ、フレミングの法則に従って巻線２２に逆起電力が発生する。

図３にハッチングで示す部位は、必要に応じて介在される板状の非磁性体である。当該非磁性体は、隣接する電磁鋼板と同一形状で形成するとよいが、非同一形状で形成してもよい。非磁性板材の代わりに単なる空隙を設けてもよい。第１ロータ部１１ａと第２ロータ部１１ｂとの相互間に磁気的分離領域があると、磁気漏洩を大幅に低減し、不要なトルク高調波成分の発生を抑制することができる。

次に、第１ロータ部１１ａ及び第２ロータ部１１ｂの構成について、一部断面図で示す図４を参照しながら説明する。

図４において、紙面の上下が図１の軸方向を示し、紙面の左右が回転方向を示す。磁石Ｍａ、Ｍｂは、磁石部１３に相当し、対応する分割ロータ部の内部（ＩＰＭの場合）または表面（ＳＰＭの場合）に設けられる。図４では、便宜上、一の磁極における磁石Ｍａ、Ｍｂのみを示す。全ての磁極の磁石Ｍａ、Ｍｂは、同一の断面寸法と断面形状を有する。第１ロータ部１１ａ及び第２ロータ部１１ｂは、軸方向に任意の数に分割されて形成されたものであってもよく、それに応じて磁石Ｍａ、Ｍｂも適宜分割して設けられる。但し、第１ロータ部１１ａ及び第２ロータ部１１ｂのいずれか一方又は双方が分割されたものであっても、第２ロータ部１１ｂの軸長Ｈｂが、第１ロータ部１１ａの軸長Ｈａの２倍の軸長を有することが好ましいことは、分割しない場合と同様である。第２ロータ部１１ｂの磁石Ｍｂは、スキュー角θだけ第１ロータ部１１ａの磁石Ｍａの回転方向後方に位置するようずれて配設されている。

このように構成されたロータ１０において、第１ロータ部１１ａに備える磁石Ｍａの保磁力Ｃｆａと、第２ロータ部１１ｂに備える磁石Ｍｂの保磁力Ｃｆｂとの関係は、回転方向後方に位置するロータ部は高保磁力の磁石を使用する必要があり、回転方向前方に位置するロータ部は保磁力を上げる必要が無いため、Ｃｆａ＜Ｃｆｂであることが好ましい。

このことについてさらに説明する。図５には、縦軸を反磁界とし、横軸を進角とした場合の変化を示す。電圧を印加するとき巻線２２に流れる電流は、当該巻線２２のインダクタンス成分により電流の位相が遅れる。ロータ１０を効率よく回転させるには、印加する電圧の位相を進める進角を設定する。進角は、条件に応じて大きさを制御することもできる。ところが、図５の特性線Ｌ１で示すように、進角が大きくなると反磁界量も増加する。反磁界は磁極の磁石の磁界に対して反対方向のものであるから、磁極の磁界を減磁することになる。

実施例として、スキュー角θをスロットピッチ角αの１/２に設定した場合、図２に示すロータ１０とステータ２０の構成におけるスロット数、磁極数及び相数から進角が導かれ、図５によりその進角のときの反磁界量を求めることができる。その進角で制御される回転方向後方側に配置された第２ロータ部１１ｂの磁石Ｍｂは、求められた反磁界量により減磁される。従って、所定トルクを発生させるためには、第２ロータ部１１ｂに備える磁石Ｍｂの保磁力Ｃｆｂは、減磁される反磁界量の分だけ第１ロータ部１１ａに備える磁石Ｍａの保磁力Ｃｆａより高くする必要がある。

一方、最適な制御進角で制御される回転方向前方側に配置された第１ロータ部１１ａの磁石Ｍａは、進角に対する反磁界量が極めて少ないので、減磁されることはない。そのため、第１ロータ部１１ａに備える磁石Ｍａの保磁力Ｃｆａは、第２ロータ部１１ｂに備える磁石Ｍｂの保磁力Ｃｆｂよりも小さくてもよいのである。

このため、第１ロータ部１１ａに備える磁石Ｍａは、図５の進角と反磁界との関係を示すグラフによって求めた反磁界量に相当する分第２ロータ部１１ｂに備える磁石Ｍｂの保持力より小さい保磁力を有することが許され、グレードのより低い磁石を選択できる。

以上詳述したことから明らかなように、本実施形態のロータ１０は、第１ロータ部１１ａの各磁極に設けられた磁石Ｍａと、第２ロータ部１１ｂの各磁極に設けられ、第１ロータ部１１ａの各磁極に設けられた磁石Ｍａから所定のスキュー角θでずらして設けられた磁石Ｍｂとを備え、第１ロータ部１１ａの各磁極に設けられた磁石Ｍａの保磁力Ｃｆａと、第２ロータ部１１ｂの各磁極に設けられた磁石Ｍｂの保磁力Ｃｆｂとが、互いに異なる。そのため、段スキューされたロータの各部に最適な保持力の磁石を配置することでロータの耐減磁性向上が可能になるという優れた効果を奏する。

また、第１ロータ部１１ａは、第２ロータ部１１ｂよりもロータ１０の回転方向の前方に配置され、第１ロータ部１１ａに備える磁石Ｍａの保磁力Ｃｆａは、第２ロータ部１１ｂに備える磁石Ｍｂの保磁力Ｃｆｂよりも低いので、磁石Ｍａを磁石Ｍｂよりもグレードの低いものとすることができ、ロータのコスト削減が可能になる。

また、進角に対応して求められる反磁界の量に基づいて磁石のグレードが選択されるので、磁石の選定が容易になるとともに、磁石のコスト低減を図ることができる。

また、回転電機３０は、第１ロータ部１１ａと第２ロータ部１１ｂとからなるロータ１０と、巻線２２が巻き回されるステータ２０とを有する構成としたので、低コストなものとすることができる。

なお、本発明は、当業者の知識に基づいて様々な変更、修正、改良等を加えた態様において実施され得るものを含む。また、前記変更等を加えた実施態様が、本発明の趣旨を逸脱しない限りいずれも本発明の範囲内に含まれるものであることは言うまでもない。

１０ ロータ
１１ａ 第１ロータ部
１１ｂ 第２ロータ部
２０ ステータ
３０ 回転電機
Ｍａ、Ｍｂ 磁石
Ｃｆａ、Ｃｆｂ 保磁力
θ スキュー角

Claims (4)

1. 第１ロータ部（１１ａ）と、
   前記第１ロータ部（１１ａ）に所定のスキュー角（θ）でずらして当接するように配設された第２ロータ部（１１ｂ）とを有するロータ（１０）において、
   前記第１ロータ部（１１ａ）の各磁極に設けられた磁石（Ｍａ）と、
   前記第２ロータ部（１１ｂ）の各磁極に設けられ、前記第１ロータ部（１１ａ）の各磁極に設けられた磁石（Ｍａ）から所定のスキュー角（θ）でずらして設けられた磁石（Ｍｂ）と
   を備え、
   前記第１ロータ部（１１ａ）の各磁極に設けられた磁石（Ｍａ）の保磁力（Ｃｆａ）と、前記第２ロータ部（１１ｂ）の各磁極に設けられた磁石（Ｍｂ）の保磁力（Ｃｆｂ）とが、互いに異なることを特徴とするロータ。
2. 前記第１ロータ部（１１ａ）は、前記第２ロータ部（１１ｂ）よりもロータ（１０）の回転方向の前方に配置され、前記第１ロータ部（１１ａ）に備える磁石（Ｍａ）の保磁力（Ｃｆａ）は、前記第２ロータ部（１１ｂ）に備える磁石（Ｍｂ）の保磁力（Ｃｆｂ）よりも低いことを特徴とする請求項１に記載のロータ。
3. 進角に対応して求められる反磁界の量に基づいて磁石のグレードが選択されることを特徴とする請求項２に記載のロータ。
4. 請求項１乃至３のいずれか一項に記載のロータ（１０）と、巻線が巻き回されるステータ（２０）とを有する回転電機（３０）。