JP2014113033A - 磁石埋込式回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】トルクの低下を招くことなくトルクリプルを抑制することができる磁石埋込式回転電機を提供する。
【解決手段】永久磁石埋込型磁石ロータは、円筒状をなし、周方向において一極あたり一対の永久磁石４０がＶ字状に埋め込まれている。ステータは、永久磁石埋込型磁石ロータの外周側に配置され、内周側にコイル１０４が巻回されたティース１０３が周方向に並設されている。永久磁石埋込型磁石ロータの外周面における永久磁石４０の外周側にｄ軸に対称に一極あたり４つの溝３３，３４，３５，３６が設けられ、４つの溝３３〜３６のうちの中央の２つの溝３３，３４の中心間の距離がステータのティース１０３間の距離の３倍以上となっている。
【選択図】図３

Description

本発明は、磁石埋込式回転電機に関するものである。

磁石埋込式回転電機においてトルクリプルを低減すべくロータ表面におけるｑ軸の部分に溝を設ける技術がある（例えば特許文献１）。

特開２００９−２１９３３１号公報

ところで、モータトルクにはマグネットトルクとリラクタンストルクの２種類があり、ｑ軸のロータ表面に溝を設けるとリラクタンストルクを発生させる磁束経路を邪魔してしまうのでトルクが低下してしまう。従って、ｑ軸のロータ表面に溝を設けてトルクリプルを低減しようとすると、リラクタンストルクの低下により最大トルクの低下を招いてしまう。

本発明の目的は、トルクの低下を招くことなくトルクリプルを抑制することができる磁石埋込式回転電機を提供することにある。

請求項１に記載の発明では、円筒状をなし、周方向において一極あたり一対の永久磁石がＶ字状に埋め込まれた永久磁石埋込型磁石ロータと、前記永久磁石埋込型磁石ロータの外周側に配置され、内周側にコイルが巻回されたティースが周方向に並設されており、前記永久磁石埋込型磁石ロータの外周面とギャップを介して対向してなるステータと、を備えた磁石埋込式回転電機において、前記永久磁石埋込型磁石ロータの外周面における前記永久磁石の外周側にｄ軸に対称に一極あたり４つの溝が設けられ、前記４つの溝のうちの中央の２つの溝の中心間の距離が前記ステータのティース間の距離の３倍以上となっていることを要旨とする。

請求項１に記載の発明によれば、永久磁石埋込型磁石ロータの外周面における永久磁石の外周側にｄ軸に対称に一極あたり４つの溝が設けられ、４つの溝のうちの中央の２つの溝の中心間の距離がステータのティース間の距離の３倍以上となっているので、ロータの表面の磁束密度分布を正弦波状に近づけることでトルクリプルを抑制できる。その結果、トルクの低下を招くことなくトルクリプルを抑制することができる。

請求項２に記載のように、請求項１に記載の磁石埋込式回転電機において、前記４つの溝のうちの中央の２つの溝の中心間の距離が、前記中央の溝とその外側に隣り合う溝の中心間の距離より大きいとよい。

請求項３に記載のように、請求項１または２に記載の磁石埋込式回転電機において、前記永久磁石埋込型磁石ロータにおいてフラックスバリアが前記永久磁石のｑ軸側端部に形成され、前記永久磁石埋込型磁石ロータの外周面における前記フラックスバリアの外周側にｄ軸に対称に一極あたり２つの溝が更に設けられているとよい。

請求項４に記載のように、請求項３に記載の磁石埋込式回転電機において、前記４つの溝のうちの中央の溝とその外側に隣り合う溝との中心間の距離と、前記４つの溝のうちの最も外側の溝とその外側に更に隣り合う溝との中心間の距離とが等しいとよい。

特に、請求項５に記載のように、請求項３または４に記載の磁石埋込式回転電機において、前記４つの溝のうちの中央の溝のなす電気角が２８±４°、前記中央の溝の外側に隣り合う溝のなす電気角が７６±４°、前記４つの溝のうちの最も外側の溝の外側に更に隣り合う溝のなす電気角が１２４±４°であるとよい。

本発明によれば、トルクの低下を招くことなくトルクリプルを抑制することができる。

実施形態における回転電機の模式図。 回転電機の部分拡大模式図。 回転電機の部分拡大模式図。 ロータの模式図。 （ａ）はトルクリプルの計測結果を示す図、（ｂ）は最大トルクの計測結果を示す図。 （ａ）はトルクリプルの計測結果を示す図、（ｂ）は無負荷誘起電圧の計測結果を示す図。 （ａ）はトルクリプルの計測結果を示す図、（ｂ）は無負荷誘起電圧の計測結果を示す図。 （ａ）はトルクリプルの計測結果を示す図、（ｂ）は無負荷誘起電圧の計測結果を示す図。 別例の回転電機の部分拡大模式図。 （ａ）はトルクリプルの計測結果を示す図、（ｂ）は最大トルクの計測結果を示す図。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
図１に示すように、磁石埋込式回転電機１０は、永久磁石埋込型磁石ロータ（回転子）２０と、ステータ（固定子）１００とを備える。円筒状をなす永久磁石埋込型磁石ロータ２０の外周側にステータ１００が配置されている。ステータ１００の内周面は、永久磁石埋込型磁石ロータ２０の外周面とギャップＧ（図２参照）を介して対向している。なお、図は何れも模式図であり、形状を強調して記載している。磁石埋込式回転電機１０は、極数が「８」である。

図１，２に示すように、ステータ１００は、ステータコア１０１が円筒状をなし、ステータコア１０１の内側には周方向に複数のスロット１０２が形成されている。各スロット１０２は内周面に開口している。スロット１０２間にティース１０３が形成されている。ステータ１００は一極あたりのスロット数が「６」であり（一極あたりのティース数が「６」であり）、一極あたりの中心Ｏからの角度は４５°である。等間隔で設けられているティース１０３には、コイル（巻線）１０４が巻回されている。このように、ステータ１００は、内周側にコイル１０４が巻回されたティース１０３が周方向に並設されている。

ステータ１００の内側には永久磁石埋込型磁石ロータ２０が配置されており、ロータ２０は、略円板状の電磁鋼板を複数枚（例えば数十枚）積層した永久磁石埋込型磁石ロータコア３０を備え、ロータコア３０の中心にシャフト５０が貫挿されている。永久磁石埋込型磁石ロータ２０は、ロータコア３０の外周面がティース１０３と所定の間隔を置いた状態で、図示しないハウジングの軸受けにシャフト５０を介して回転可能に支持されている。

永久磁石埋込型磁石ロータコア３０には永久磁石埋込孔３１が形成され、永久磁石埋込孔３１は軸方向に延びている。永久磁石埋込孔３１には永久磁石４０が挿入されている。詳しくは、永久磁石埋込型磁石ロータ２０には、周方向において一極あたり一対の永久磁石４０がＶ字状に埋め込まれている。各永久磁石４０は、断面矩形の平板状に形成され、厚さ方向に着磁されている。一対の永久磁石４０は、ロータ２０の外周側に向かって拡がるＶ字状で同じ側（例えばロータの外周側）が同じ極となるように配置されている。

図１に示すように、隣り合う領域（一極）に配置された永久磁石４０同士は、永久磁石埋込型磁石ロータ２０の外周側が異なる極になるように配置されている。例えば、ある一組のＶ字配置の永久磁石４０が、ティース１０３側がＳ極になるように配置されると、隣の領域（一極）に配置される永久磁石４０は、ティース１０３側がＮ極になるように配置される。

永久磁石埋込型磁石ロータコア３０には、永久磁石埋込孔３１のｑ軸側の端部に連続する状態でフラックスバリア（孔）３２が設けられている。フラックスバリア３２は軸方向に延びている。このように、永久磁石埋込型磁石ロータ２０においてフラックスバリア３２が永久磁石４０のｑ軸側端部に形成されている。

図３に示すように、永久磁石埋込型磁石ロータ２０（ロータコア３０）の外周面において、一極あたり、即ち、中心Ｏからの角度が４５°あたり、６つの溝（凹部）３３，３４，３５，３６，３７，３８が設けられている。各溝３３〜３８は軸方向に延びている。また、各溝３３〜３８は断面が台形状をなしている。そして、台形の上底（平行な二辺のうちの短い方の辺）が溝の底部をなし、台形の下底（平行な二辺のうちの長い方の辺）が開口している。つまり、各溝３３〜３８は、ロータ内周側に最も近い底部Ｓ１と、底部Ｓ１の両側から外周側に延びる斜状の縁部Ｓ２，Ｓ３を有する。

４つの溝３３，３４，３５，３６は、永久磁石４０（永久磁石埋込孔３１）の外周側にｄ軸に対称に設けられている。４つの溝３３，３４，３５，３６のうちの中央の２つの溝３３，３４の中心間の距離がＬ１であり、詳しくは、Ｌ１は周方向における溝３３，３４の中心間の距離である。また、ステータ１００のティース１０３間の距離がＬ１０であり、詳しくは、Ｌ１０はティース１０３の内径側先端での、隣り合うティース１０３の対向する面の間における周方向の距離、即ち、スロット１０２の開口部における周方向の距離である。溝３３，３４の中心間の距離Ｌ１がティース１０３間の距離Ｌ１０の３倍以上となっている。

また、他の２つの溝３７，３８は、ロータ２０の外周面におけるフラックスバリア３２の外周側に設けられている。２つの溝３７，３８は、ｄ軸に対称に設けられている。
ここで、４つの溝３３，３４，３５，３６のうちの中央の溝３３，３４のなす機械角θ１が７±１°となっている。即ち、電気角では２８±４°となっている。特に、４つの溝３３，３４，３５，３６のうちの中央の溝３３，３４のなす機械角θ１が７°（電気角で２８°）とするとよい。

また、中央の溝３３，３４の外側に隣り合う溝３５，３６のなす機械角θ２が１９±１°となっている。即ち、電気角では７６±４°となっている。特に、中央の溝３３，３４の外側に隣り合う溝３５，３６のなす機械角θ２が１９°（電気角で７６°）となっているとよい。

さらに、４つの溝３３，３４，３５，３６のうちの最も外側の溝３５，３６の外側に更に隣り合う溝３７，３８のなす機械角θ３が３１±１°となっている。即ち、電気角では１２４±４°となっている。特に、４つの溝３３，３４，３５，３６のうちの最も外側の溝３５，３６の外側に更に隣り合う溝３７，３８のなす機械角θ３が３１°（電気角で１２４°）となっているとよい。

つまり、４つの溝３３，３４，３５，３６のうちの中央の２つの溝３３，３４の中心間の距離Ｌ１が、中央の溝３３，３４とその外側に隣り合う溝３５，３６の中心間の距離Ｌ２より大きくなっている。また、４つの溝３３，３４，３５，３６のうちの中央の溝３３，３４とその外側に隣り合う溝３５，３６との中心間の距離Ｌ２と、４つの溝３３，３４，３５，３６のうちの最も外側の溝３５，３６とその外側に更に隣り合う溝３７，３８との中心間の距離Ｌ３とが等しくなっている。

次に、このように構成した回転電機１０の作用を説明する。
回転電機が駆動される場合は、ステータ１００のコイル１０４に３相の電流が供給されてステータ１００に回転磁界が発生し、永久磁石埋込型磁石ロータ２０に回転磁界が作用する。そして、回転磁界と永久磁石４０との間の磁気的な吸引力および反発力により永久磁石埋込型磁石ロータ２０が回転磁界と同期して回転する。

永久磁石埋込型磁石ロータ２０の外周面において一極あたり６つの溝３３〜３８が設けられ、そのうちの４つの溝３３〜３６は永久磁石４０の外周側に設けられている。４つの溝３３〜３６のうちの中央の２つの溝３３，３４の中心間の距離Ｌ１がステータ１００のティース１０３間の距離Ｌ１０の３倍以上となっている。ここで、ｑ軸のロータ表面には溝が無くリラクタンストルクを発生させる磁束経路を邪魔することなくトルク低下を回避できる。よって、図４に示すように、ロータ２０（ロータコア３０）の表面の磁束密度分布を正弦波状に近づけることでトルクリプルを低減でき、トルク低下を招くことなくトルクリプルの低減が図られる。

また、２つの溝３７，３８はフラックスバリア３２の外周側に設けられていることによっても、トルクの低下を招くことなく更にトルクリプルの低減を図ることができる。
次に、図５（ａ），（ｂ）を用いて、トルクリプルおよび最大トルクについて説明する。このとき、外周面に溝３３〜３８が形成されている永久磁石埋込型磁石ロータ２０を用いた回転電機と、溝が形成されていないロータを用いた回転電機で比較する。

図５（ａ）には、ロータ外周面に溝３３〜３８が形成されている場合（本実施形態）と、溝が形成されていない場合（比較例）についての最大トルク発生時のトルクリプルの計測結果を、溝が形成されていない場合を１．０として示す。

図５（ｂ）には、ロータ外周面に溝３３〜３８が形成されている場合（本実施形態）と、溝が形成されていない場合（比較例）についての最大トルクの計測結果を、溝が形成されていない場合を１．０として示す。

図５（ａ）におけるトルクリプルについて、溝３３〜３８が形成されている場合には、０．４８である。
一方、図５（ｂ）における最大トルクについて、溝３３〜３８が形成されている場合には、１．０である。

よって、溝３３〜３８を設けることにより、最大トルクを維持したままトルクリプルを半減することができることがわかる。また、最大トルク以外についてもトルクリプルを低減できることを確認した。

このように、ロータの表面に一極あたり溝を６箇所設けることによりトルクを落とすことなくトルクリプルを低減することができる。
次に、図６，７，８を用いて図３での溝３３，３４のなす機械角θ１、溝３５，３６のなす機械角θ２、溝３７，３８のなす機械角θ３に関するトルクリプルおよび無負荷誘起電圧について説明する。

図６（ａ）において横軸に図３での溝３３，３４のなす機械角θ１をとり、縦軸に最大トルク発生時のトルクリプルをとっており、機械角θ１が７°の時の最大トルク発生時のトルクリプルの計測結果を１．０として示す。図６（ａ）におけるトルクリプルについて、溝３３，３４のなす機械角θ１が７°のときに最小値をなっている。

一方、図６（ｂ）において横軸に図３での溝３３，３４のなす機械角θ１をとり、縦軸に無負荷誘起電圧をとっており、機械角θ１が７°の時の無負荷誘起電圧の計測結果を１．０として示す。図６（ｂ）における無負荷誘起電圧について、溝３３，３４のなす機械角θ１が９°のときに最小値をなっているとともに機械角θ１＝７°付近では概ね低く抑えられている。

従って、溝３３，３４のなす機械角θ１として７°付近、即ち、電気角で２８°付近とすることにより、無負荷誘起電圧の低減を図りつつトルクリプルを低減することができることが分る。

図７（ａ）において横軸に図３での溝３５，３６のなす機械角θ２をとり、縦軸に最大トルク発生時のトルクリプルをとっており、機械角θ２が１９°の時の最大トルク発生時のトルクリプルの計測結果を１．０として示す。図７（ａ）におけるトルクリプルについて、溝３５，３６のなす機械角θ２が１９°のときに最小値をなっている。

一方、図７（ｂ）において横軸に図３での溝３５，３６のなす機械角θ２をとり、縦軸に無負荷誘起電圧をとっており、機械角θ２が１９°の時の無負荷誘起電圧の計測結果を１．０として示す。図７（ｂ）における無負荷誘起電圧について、溝３５，３６のなす機械角θ２が２１°のときに最小値をなっているとともに機械角θ２＝１９°付近では概ね低く抑えられている。

従って、溝３５，３６のなす機械角θ２として１９°付近とすることにより、無負荷誘起電圧の低減を図りつつトルクリプルを低減することができることが分る。
図８（ａ）において横軸に図３での溝３７，３８のなす機械角θ３をとり、縦軸に最大トルク発生時のトルクリプルをとっており、機械角θ３が３１°の時の最大トルク発生時のトルクリプルの計測結果を１．０として示す。図８（ａ）におけるトルクリプルについて、溝３７，３８のなす機械角θ３が２９°のときに最小値をなっているとともに機械角θ３＝３１°付近では概ね低く抑えられている。

一方、図８（ｂ）において横軸に図３での溝３７，３８のなす機械角θ３をとり、縦軸に無負荷誘起電圧をとっており、機械角θ３が３１°の時の無負荷誘起電圧の計測結果を１．０として示す。図８（ｂ）における無負荷誘起電圧について、溝３７，３８のなす機械角θ３が大きくなるに従い小さくなっているとともに機械角θ３＝３１°付近では概ね低く抑えられている。

従って、溝３７，３８のなす機械角θ３として３１°付近とすることにより、無負荷誘起電圧の低減を図りつつトルクリプルを低減することができることが分る。
上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。

（１）磁石埋込式回転電機の構成として、永久磁石埋込型磁石ロータ２０と、ステータ１００とを備える。永久磁石埋込型磁石ロータ２０の外周面における永久磁石４０の外周側にｄ軸に対称に一極あたり４つの溝３３，３４，３５，３６が設けられ、４つの溝３３〜３６のうちの中央の２つの溝３３，３４の中心間の距離Ｌ１がステータ１００のティース１０３間の距離Ｌ１０の３倍以上となっている。これにより、ロータの表面の磁束密度分布を正弦波状に近づけることでトルクリプルを抑制（低減）できる。その結果、トルクの低下を招くことなくトルクリプルを抑制することができる。

（２）４つの溝３３，３４，３５，３６のうちの中央の２つの溝３３，３４の中心間の距離Ｌ１が、中央の溝３３，３４とその外側に隣り合う溝３５，３６の中心間の距離Ｌ２より大きくなっている。従って、磁極中央のロータ表面の磁束密度を落とすことなく、磁束密度分布を正弦波状に近づけることができ、トルクの低下を招くことなくトルクリプルを抑制することができる。

（３）永久磁石埋込型磁石ロータ２０の外周面におけるフラックスバリア３２の外周側にｄ軸に対称に一極あたり２つの溝３７，３８が更に設けられている。これにより、リラクタンストルクを発生させる磁束経路を邪魔することがないので、更にトルクの低下を招くことなくトルクリプルを低減することができる。

（４）４つの溝３３，３４，３５，３６のうちの中央の溝３３，３４とその外側に隣り合う溝３５，３６との中心間の距離Ｌ２と、４つの溝３３，３４，３５，３６のうちの最も外側の溝３５，３６とその外側に更に隣り合う溝３７，３８との中心間の距離Ｌ３とが等しくなっている。従って、ロータの表面の磁束密度分布を正弦波状に近づけることができ、トルクの低下を招くことなくトルクリプルを抑制することができる。

（５）４つの溝３３，３４，３５，３６のうちの中央の溝３３，３４のなす機械角θ１が７±１°（電気角が２８±４°）となっている。また、中央の溝３３，３４の外側に隣り合う溝３５，３６のなす機械角θ２が１９±１°（電気角が７６±４°）となっている。さらに、４つの溝３３，３４，３５，３６のうちの最も外側の溝３５，３６の外側に更に隣り合う溝３７，３８のなす機械角θ３が３１±１°（電気角が１２４±４°）となっている。よって、無負荷誘起電圧の低減を図りつつトルクリプルを低減することができる。

実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
・図９に示すように、図３におけるフラックスバリア３２の外周側の２つの溝３７，３８は無い構成としてもよい。この構成における最大トルク発生時のトルクリプルおよび最大トルクについて図１０を用いて説明する。

図１０（ａ）には、ロータ外周面に溝３３〜３６が形成されている場合（本構成）と、溝が形成されていない場合（比較例）についてのトルクリプルの計測結果を、溝が形成されていない場合を１．０として示す。図１０（ｂ）には、ロータ外周面に溝３３〜３６が形成されている場合（本構成）と、溝が形成されていない場合（比較例）についての最大トルクの計測結果を、溝が形成されていない場合を１．０として示す。

図１０（ａ）におけるトルクリプルについて、溝３３〜３６が形成されている場合には、０．７１である。
図１０（ｂ）における最大トルクについて、溝３３〜３６が形成されている場合には、０．９９である。

よって、溝３３〜３６を設けることにより、最大トルクを維持したままトルクリプルを３割減らすことができることがわかる。このように、ロータの表面に一極あたり溝を４箇所設けることにより、ロータの表面の磁束密度分布を正弦波状に近づけることでトルクリプルを低減でき、トルクを落とすことなくトルクリプルを低減することができる。

・溝の形状は問わない。台形以外にも、例えばＶ字状でもよい。また極数も８極に限らない。８極より多くても、少なくてもよい。

１０…磁石埋込式回転電機、２０…永久磁石埋込型磁石ロータ、３２…フラックスバリア、３３…溝、３４…溝、３５…溝、３６…溝、３７…溝、３８…溝、１００…ステータ、１０３…ティース、１０４…コイル、Ｇ…ギャップ、Ｌ１…距離、Ｌ２…距離、Ｌ３…距離、Ｌ１０…距離。

Claims (5)

1. 円筒状をなし、周方向において一極あたり一対の永久磁石がＶ字状に埋め込まれた永久磁石埋込型磁石ロータと、
   前記永久磁石埋込型磁石ロータの外周側に配置され、内周側にコイルが巻回されたティースが周方向に並設されており、前記永久磁石埋込型磁石ロータの外周面とギャップを介して対向してなるステータと、
   を備えた磁石埋込式回転電機において、
   前記永久磁石埋込型磁石ロータの外周面における前記永久磁石の外周側にｄ軸に対称に一極あたり４つの溝が設けられ、
   前記４つの溝のうちの中央の２つの溝の中心間の距離が前記ステータのティース間の距離の３倍以上となっていることを特徴とする磁石埋込式回転電機。
2. 前記４つの溝のうちの中央の２つの溝の中心間の距離が、前記中央の溝とその外側に隣り合う溝の中心間の距離より大きいことを特徴とする請求項１に記載の磁石埋込式回転電機。
3. 前記永久磁石埋込型磁石ロータにおいてフラックスバリアが前記永久磁石のｑ軸側端部に形成され、前記永久磁石埋込型磁石ロータの外周面における前記フラックスバリアの外周側にｄ軸に対称に一極あたり２つの溝が更に設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の磁石埋込式回転電機。
4. 前記４つの溝のうちの中央の溝とその外側に隣り合う溝との中心間の距離と、前記４つの溝のうちの最も外側の溝とその外側に更に隣り合う溝との中心間の距離とが等しいことを特徴とする請求項３に記載の磁石埋込式回転電機。
5. 前記４つの溝のうちの中央の溝のなす電気角が２８±４°、前記中央の溝の外側に隣り合う溝のなす電気角が７６±４°、前記４つの溝のうちの最も外側の溝の外側に更に隣り合う溝のなす電気角が１２４±４°であることを特徴とする請求項３または４に記載の磁石埋込式回転電機。