JP2014128116A - 永久磁石埋設型回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】磁束の漏洩を抑制してトルクの向上をしつつ、コギングトルクの低減が可能な永久磁石埋設型回転電機を提供すること。
【解決手段】埋設型回転電機１００は、固定子６と、ロータコア２０と、複数の永久磁石３１、３２とを有する回転子１とを備えている。ロータコア２０は、第１磁性鋼板２１１を複数積層して形成される第１積層部２１と第２磁性鋼板２２１を複数積層して形成される第２積層部２２とを有している。第１磁性鋼板２１１は、複数の第１磁石収容孔２１２を備え、第１磁石収容孔２１２は外周縁に開口した第１連通部２１３を備えている。第２磁性鋼板２２１は、複数の第２磁石収容孔２２２を備え、第２磁石収容孔２２２は外周縁に開口した第２連通部２２３を備えている。第１永久磁石３１と第２永久磁石３２とは、ロータコア２０の回転軸を中心として相対的に回転させた位置に配されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、コイルを有する固定子と、複数の磁性鋼板を積層してなるロータコアと該ロータコアに対して軸方向に埋め込まれた複数の永久磁石とを有する永久磁石埋設型回転電機に関する。

永久磁石埋設型回転電機の回転子は、一般に、複数の磁性鋼板を積層してなるロータコアと該ロータコアに対して軸方向に埋め込まれた複数の永久磁石とからなる。それゆえ、ロータコアには、永久磁石を埋め込むための磁石挿入孔を軸方向に設けてなる。そして、ロータコアを構成する複数の磁性鋼板には、磁石挿入孔が複数個所に形成されている。

永久磁石埋設型回転電機においては、回転子における永久磁石の磁束が、回転子の外周側に配置された固定子の磁極に作用することで、回転子のトルクを発生させる。ところが、磁石挿入孔を取り巻くようにその全周にロータコアが形成されていると、永久磁石のＮ極から出た磁束が磁石挿入孔の周囲におけるロータコアを通って永久磁石のＳ極に漏洩することになる。そうすると、この漏洩した磁束は、回転子のトルクに寄与しないため、その分だけ永久磁石埋設型回転電機の出力が低下することになる。

そこで、特許文献１に示されたように、ロータコアにおける磁石挿入孔をロータコアの外周側へ開放させることにより、上述の磁束の漏洩を防ぎ、永久磁石埋設型回転電機の出力低下を防ぐ技術が提案されている（特許文献１の図１１、図１２）。

特開２００４−１０４９６２号公報

しかしながら、特許文献１に記載の永久磁石埋設型回転電機には以下の課題がある。
上記永久磁石埋設型回転電機においては、永久磁石から出る磁束の漏洩を抑制し、永久磁石の磁束が固定子の磁極に対して効率良く作用する。これにより、従来の永久磁石埋設型回転電機と比べて、トルクを向上することができる。一方で、回転子における磁気吸着力が増大することに伴い、永久磁石埋設型回転電機のコギングトルクが増大し、永久磁石埋設型回転電機における振動及びトルクリップルの増大に繋がる場合がある。

本発明は、上記の背景に鑑みてなされたものであり、永久磁石埋設型回転電機における磁束の漏洩を抑制してトルクの向上をしつつ、コギングトルクの低減が可能な回転子と、これを用いた永久磁石埋設型回転電機とを提供しようとするものである。

本発明の一態様は、コイルを有する固定子と、複数の磁性鋼板を積層してなるロータコアと、該ロータコアに埋め込まれた複数の永久磁石とを有する回転子を備えた永久磁石埋設型回転電機であって、
上記ロータコアは、第１磁性鋼板を複数積層して形成される第１積層部と第２磁性鋼板を複数積層して形成される第２積層部とを有しており、
上記第１磁性鋼板は、上記永久磁石が挿入配置される複数の第１磁石収容孔を備え、該第１磁石収容孔は外周縁に開口した第１連通部を備え、
上記第２磁性鋼板は、上記永久磁石が挿入配置される複数の第２磁石収容孔を備え、該第２磁石収容孔は外周縁に開口した第２連通部を備えており、
上記第１磁石収容孔に挿入された第１永久磁石と上記第２磁石収容孔に挿入された第２永久磁石とが、上記ロータコアの回転軸を中心として相対的に回転させた位置に配されていることを特徴とする永久磁石埋設型回転電機にある（請求項１）。

上記永久磁石埋設型回転電機によれば、上記回転子と上記固定子との間におけるコギングトルクを低減することができる。すなわち、上記回転子においては、上記第１永久磁石と上記第２永久磁石とが上記回転軸を中心として、互いに回転した位置に配されている。そのため、上記第１積層部と固定子との間におけるコギングトルクと、上記第２積層部と固定子との間におけるコギングトルクとは、上記第１積層部と上記第２積層部との間における回転角度だけずれた位置で生じる。つまり、上記第１積層部及び上記第２積層部と固定子との間にそれぞれ生じるコギングトルクの位相をずらして分散すると共に、上記第１積層部及び上記第２積層部に発生するコギングトルクを合成することで互いに打ち消し合うことができる。これにより、上記永久磁石埋設型回転電機におけるコギングトルクを低減し、振動及びトルクリップルの発生を抑制することが可能となる。

以上のごとく、上記永久磁石埋設型回転電機によれば、磁束の漏洩を抑制してトルクの向上をしつつ、コギングトルクの低減が可能となる。

実施例１における、永久磁石埋設型回転電機を示す説明図。 実施例１における、回転子を示す平面図。 図２の部分拡大図。 実施例１における、ロータコアを示す斜視図。 実施例１における、ロータコアを示す側面図。 実施例１における、磁性鋼板を示す平面図。 実施例１における、永久磁石埋設型回転電機のコギングトルクを示すグラフ。

上記永久磁石埋設型回転電機において、上記第１積層部と上記第２積層部との間には、非磁性体からなる非磁性層が形成されていることが好ましい（請求項２）。この場合には、上記第１永久磁石と上記第２永久磁石との間において、磁束が短絡することを防止できる。これにより、上記第１永久磁石と上記第２永久磁石とから出る磁束をより効果的に永久磁石埋設型回転電機の固定子に作用させることができる。それゆえ、上記永久磁石埋設型回転電機の出力を向上することができる。

（実施例１）
永久磁石埋設型回転電機にかかる実施例について、図１〜図７を用いて説明する。
図１及び図２に示すごとく、永久磁石埋設型回転電機１００は、コイル６４を有する固定子６と、複数の磁性鋼板２１１、２２１を積層してなるロータコア２０と、ロータコア２０に埋め込まれた複数の永久磁石３１、３２とを有する回転子１とを備えている。

図１及び図２に示すごとく、ロータコア２０は、第１磁性鋼板２１１を複数積層して形成される第１積層部２１と第２磁性鋼板２２１を複数積層して形成される第２積層部２２とを有している。
第１磁性鋼板２１１は、第１永久磁石３１を挿入配置するための複数の第１磁石収容孔２１２を備え、第１磁石収容孔２１２は外周縁に開口した第１連通部２１３を備えている。第２磁性鋼板２２１は、第２永久磁石３２が挿入配置される複数の第２磁石収容孔２２２を備え、第２磁石収容孔２２２は外周縁に開口した第２連通部２２３を備えている。

図２に示すごとく、第１磁石収容孔２１２に挿入された第１永久磁石３１と第２磁石収容孔２２２に挿入された第２永久磁石３２とは、ロータコア２０の回転軸を中心として相対的に回転させた位置に配されている。

以下、本例の永久磁石埋設型回転電機１００について、さらに詳細に説明する。
図１に示すごとく、本例の永久磁石埋設型回転電機１００は、回転子１とその外周に配された固定子６とを備えてなる。

図１に示すごとく、固定子６は、環状のステータコア６１と、ステータコア６１の内周に複数配列されたティース６２間のスロット６３に施されたコイル６４とを備えている。コイル６４の軸方向は、回転子１の径方向を向くように配置され、対向する磁石対３０１、３０２のｄ軸（磁石対３０１、３０２が作る磁束の方向）に平行となる。
なお、本例の永久磁石埋設型回転電機１００は、例えば、電気自動車やハイブリッド自動車等の車両に搭載される。

図５に示すごとく、回転子１は、第１積層部２１及び第２積層部２２と、第１積層部２１と第２積層部２２との間に形成された非磁性層５とを有するロータコア２０と、ロータコア２０に対して軸方向Ｔに埋め込まれた複数の永久磁石３１、３２（図２）とを有している。
第１積層部２１は、第１磁性鋼板２１１を複数積層して構成されており、第２積層部２２は、第２磁性鋼板２２１を複数積層して構成されている。尚、本例に示す第１磁性鋼板２１１及び第２磁性鋼板２２１の形状は、これらを一体に固定する固定部（図示略）の位置を除いて同一形状をなしている。

図６に示すごとく、磁性鋼板（第１磁性鋼板２１１、第２磁性鋼板２２１）は、略円板状をなしており、永久磁石３１、３２（図２）を収容する磁石収容孔（第１磁石収容孔２１２、第２磁石収容孔２２２）と、一対の磁石収容孔２１２、２２２の間に形成された半島部２１６、２２６と、隣り合う半島部２１６、２２６の間において外周側に向かって形成された突出部２１８、２２８とを有している。また、磁性鋼板２１１、２２１の中央には、図１に示した永久磁石埋設型回転電機１００の回転軸４を挿通配置する円形状の軸孔２１９、２２９が形成されている。

図６に示すごとく、各磁性鋼板２１１、２２１において、一対の磁石収容孔２１２、２２２は、周方向に互いの内周側端部２１４、２２４を近接すると共に、外周へ向かうにつれて互いに離れるように配置されている。磁性鋼板２１１、２２１は、計１６個の磁石収容孔２１２、２２２を有しており、回転中心Ｐを中心として回転対称で８対の磁極を形成することができる。
また、磁石収容孔２１２、２２２は、外周側端部２１５、２２５から磁石収容孔２１２、２２２の内側と外周縁とを連通する連通部（第１連通部２１３、第２連通部２２３）を有している。

図６に示すごとく、内周側端部２１４、２２４同士が周方向に近接する一対の磁石収容孔２１２、２２２の間に形成された半島部２１６、２２６は、略扇形をなしており、一対の磁石収容孔２１２、２２２の内周側端部２１４、２２４の間に形成されたブリッジ部２１７、２２７を有している。
隣り合う半島部２１６、２２６の間に形成された突出部２１８、２２８は、磁性鋼板２１１、２２１の外周側に突出しており、その外周縁は、半島部２１６、２２６の外周縁と同様に円弧状をなしている。

図４及び図５に示すごとく、第１磁性鋼板２１１と第２磁性鋼板２２１とをそれぞれ複数枚積層することにより、第１積層部２１と第２積層部２２とが形成される。尚、本例においては、第１積層部２１と第２積層部２２における第１磁性鋼板２１１及び第２磁性鋼板２２１の積層枚数は同一としてある。したがって、第１積層部２１と第２積層部２２において、軸方向Ｔの長さは略同一となる。

図２に示すごとく、第１積層部２１及び第２積層部２２は、永久磁石３１、３２を挿入配置する複数の第１磁石収容孔２１２と第２磁石収容孔２２２とをそれぞれ備えている。第１磁石収容孔２１２及び第２磁石収容孔２２２は、磁性鋼板２１１、２２１を軸方向Ｔに連なって形成されており、軸方向Ｔから見たときの第１磁石収容孔２１２及び第２磁石収容孔２２２の形状及び配置は、第１磁性鋼板２１１及び第２磁性鋼板２２１の形状及び配置と同一である。

図２、図４及び図５に示すごとく、ロータコア２０は、第１積層部２１と第２積層部２２とを、両者の間に非磁性層５を配した状態で、一体に固定して形成されており、略円柱状をなしている。このとき、第１積層部２１及び第２積層部２２は、第１磁石収容孔２１２と第２磁石収容孔２２２とが、ロータコア２０の回転中心Ｐを中心として相対的に周方向に所定の回転角度αだけずらして固定してある。本例においては、第１積層部２１と第１積層部２１との間における回転角度αを７．５°としてある。尚、回転角度αは、ロータコア２０における磁極の数に応じて適宜設定することが好ましい。

図４及び図５に示すごとく、第１積層部２１と第２積層部２２との間に形成された非磁性層５は、円環状に成形した非磁性ステンレス鋼板からなる。非磁性層５の内径寸法は、磁性鋼板２１１、２２１における軸孔２１９、２２９の内径寸法と同一としてある。また、非磁性層５の外径寸法は、磁性鋼板２１１、２２１の外径寸法と同一としてある。

図２及び図３に示すごとく、ロータコア２０が有する複数の第１磁石収容孔２１２及び第２磁石収容孔２２２には、第１永久磁石３１及び第２永久磁石３２がそれぞれ埋設されている。尚、本例において第１永久磁石３１及び第２永久磁石３２は、略同一形状を有している。各永久磁石３１、３２は、軸方向Ｔから見た形状が略長方形であり、その長辺部分の面が磁極面となっている。また、永久磁石３１、３２は、軸方向長さが第１積層部２１及び第２積層部２２の軸方向長さと同等でかつ一体に形成された直方体をなしている。そして、隣り合う一対の永久磁石３１、３２によって一つの磁極を構成するように配置されている。

つまり、図２及び図３に示すごとく、互いの内周側端部２１４、２２４を近接させて配置された一対の永久磁石３１、３２同士は、同じ磁極（Ｎ極又はＳ極）の磁極面を外周側に向けて配置してある。この一対の永久磁石３１、３２（磁石対３０１、３０２）が、８対、ロータコア２０の周方向に配置されている。また、複数の磁石対３０１、３０２は、外周側の磁極が交互にＮ極とＳ極となるように配置されている。また、これら複数の磁石対３０１、３０２は、等間隔で周状に配列されている。

ロータコア２０に設けられた磁石収容孔２１２、２２２は、図２及び図３に示すごとく、外周縁に開口した連通部２１３、２２３を有している。これにより、永久磁石３１、３２から出る磁束がロータコア２０内において永久磁石３１、３２の周囲を回って短絡すること（磁束漏洩）を防ぐことができる。特に、本例においては、ロータコア２０を構成するすべての磁性鋼板２１１、２２１が、磁石収容孔２１２、２２２を外周縁に開口している。つまり、すべての磁性鋼板２１１、２２１が外周縁に開口している。そのため、磁性鋼板２１１、２２１における磁束漏洩を防止することができる。

以下、本例の作用効果について説明する。
永久磁石埋設型回転電機１００によれば、回転子１と固定子６との間におけるコギングトルクを低減することができる。すなわち、回転子１においては、第１永久磁石３１と第２永久磁石３２とが回転軸４を中心として、互いに回転した位置に配されている。そのため、第１積層部２１と固定子６との間におけるコギングトルクと、第２積層部２２と固定子６との間におけるコギングトルクとは、第１積層部２１と第２積層部２２との間における回転角度αだけずれた位置で生じる。

図７は、縦軸をコギングトルク（Ｎ・ｍ）とし、横軸を回転子１の機械角（ｄｅｇ）としてあり、本例の永久磁石埋設型回転電機１００における機械角に対するコギングトルクの大きさを示すものである。破線Ｌ１は、第１積層部２１におけるコギングトルクを示し、破線Ｌ２は、第２積層部２２におけるコギングトルクを示している。また、実線Ｌは、第１積層部２１と第２積層部２２とにそれぞれ発生するコギングトルクを合成したものであり、永久磁石埋設型回転電機１００としてのコギングトルクを示すものである。

このように、第１積層部２１及び第２積層部２２と固定子６との間にそれぞれ生じるコギングトルク（破線Ｌ１、破線Ｌ２）の位相をずらして分散すると共に、第１積層部２１及び第２積層部２２に発生するコギングトルクを合成することで互いに打ち消し合うことができる。これにより、永久磁石埋設型回転電機１００におけるコギングトルク（実線Ｌ）を低減し、振動及びトルクリップルの発生を抑制することが可能となる。

また、第１積層部２１と第２積層部２２との間には、非磁性体からなる非磁性層５が形成されている。そのため、第１永久磁石３１と第２永久磁石３２との間において、磁束が短絡することを防止できる。これにより、第１永久磁石３１と第２永久磁石３２とから出る磁束をより効果的に作用させることができ、永久磁石埋設型回転電機１００の出力を向上することができる。

以上のごとく、本例の永久磁石埋設型回転電機１００によれば磁束の漏洩を抑制してトルクの向上をしつつ、コギングトルクの低減が可能となる。

尚、本例に示す回転子の形状は一例を示すものであり、種々の形状によって形成することができる。例えば、ロータコアは、第１積層部と第２積層部との２つの積層部を有しているが、これに限るものではなく、２つ以上の積層部を有していてもよい。この場合、各積層部の間に非磁性層を設けることが好ましい。
また、各積層部を構成する磁性鋼板の形状についても、積層部毎に異なる形状としてもよい。例えば、第１積層部内に、第１連通部を有しない鋼板が混ざっていてもよいし、同様に、第２積層部内に、第２連通部を有しない鋼板が混ざっていてもよい。

１ 回転子
１００ 永久磁石埋設型回転電機
２０ ロータコア
２１ 第１積層部
２１１ 第１磁性鋼板
２１２ 第１磁石収容孔
２１３ 第１連通部
２２ 第２積層部
２２１ 第２磁性鋼板
２２２ 第２磁石収容孔
２２３ 第２連通部
３１ 第１永久磁石
３２ 第２永久磁石
４ 回転軸

Claims (2)

1. コイルを有する固定子と、複数の磁性鋼板を積層してなるロータコアと、該ロータコアに埋め込まれた複数の永久磁石とを有する回転子を備えた永久磁石埋設型回転電機であって、
   上記ロータコアは、第１磁性鋼板を複数積層して形成される第１積層部と第２磁性鋼板を複数積層して形成される第２積層部とを有しており、
   上記第１磁性鋼板は、上記永久磁石が挿入配置される複数の第１磁石収容孔を備え、該第１磁石収容孔は外周縁に開口した第１連通部を備え、
   上記第２磁性鋼板は、上記永久磁石が挿入配置される複数の第２磁石収容孔を備え、該第２磁石収容孔は外周縁に開口した第２連通部を備えており、
   上記第１磁石収容孔に挿入された第１永久磁石と上記第２磁石収容孔に挿入された第２永久磁石とが、上記ロータコアの回転軸を中心として相対的に回転させた位置に配されていることを特徴とする永久磁石埋設型回転電機。
2. 請求項１に記載の永久磁石埋設型回転電機において、上記第１積層部と上記第２積層部との間には、非磁性体からなる非磁性層が形成されていることを特徴とする永久磁石埋設型回転電機。

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