JP2014143797A - 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コギングトルク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とステータとを備え、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６つの溝３３〜３８が設けられ、６つの溝３３〜３８のうちの中央寄りの２つの第１溝３３，３４のなす角度をθ１、６つの溝３３〜３８のうちの第１溝３３，３４とその外側に隣り合う第２溝３５，３６でなす角度をθ２、６つの溝３３〜３８のうちの第２溝３５，３６とその外側に隣り合う第３溝３７，３８でなす角度をθ３としたとき、θ１≦θ２＜θ３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コギングトルクを低減すべくロータ外周部の磁極境界付近に溝を斜めに形成する等している（例えば特許文献１）。

特開２００１−２３１１９６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コギングトルク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コギングトルク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６つの溝が設けられ、前記６つの溝のうちの中央寄りの２つの第１溝のなす角度をθ１、前記６つの溝のうちの前記第１溝とその外側に隣り合う第２溝でなす角度をθ２、前記６つの溝のうちの前記第２溝とその外側に隣り合う第３溝でなす角度をθ３としたとき、θ１≦θ２＜θ３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６つの溝が設けられ、６つの溝のうちの中央寄りの２つの第１溝のなす角度をθ１、６つの溝のうちの第１溝とその外側に隣り合う第２溝でなす角度をθ２、６つの溝のうちの第２溝とその外側に隣り合う第３溝でなす角度をθ３としたとき、θ１≦θ２＜θ３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コギングトルクを抑制できる。その結果、トルクの低下を招くことなくコギングトルク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、θ１＝θ２＜θ３となっているとよい。
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、前記一極のなす角度をθｒとしたとき、（θ１／２）／θｒ＝１／３０、｛（θ１／２）＋θ２｝／θｒ＝３／３０、｛（θ１／２）＋θ２＋θ３｝／θｒ＝７／３０となっているとよい。

本発明によれば、トルクの低下を招くことなくコギングトルク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）は最大トルクの計測結果を示す図、（ｂ）はコギング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。

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３参照）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（４８個）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、３相交流が通電されるコイル（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は断面が矩形状をなしている。そして、溝３３〜３８は矩形（長方形）の一方の長辺が溝の底部をなし、他方の長辺が開口している。各溝３３〜３８の開口部の幅（周方向の長さ）は等しくなっている。

６つの溝３３，３４，３５，３６，３７，３８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。
６つの溝３３〜３８のうちの中央寄りの２つの第１溝３３，３４の中心でなす角度をθ１とする。また、６つの溝３３〜３８のうちの第１溝３３の中心とその外側に隣り合う第２溝３５の中心でなす角度、および、６つの溝３３〜３８のうちの第１溝３４の中心とその外側に隣り合う第２溝３６の中心でなす角度をθ２とする。さらに、６つの溝３３〜３８のうちの第２溝３５の中心とその外側に隣り合う第３溝３７の中心でなす角度、および、６つの溝３３〜３８のうちの第２溝３６の中心とその外側に隣り合う第３溝３８の中心でなす角度をθ３とする。

このとき、θ１が３°、θ２が３°、θ３が６°となっている。よって、θ１＝θ２＜θ３を満たしている。広義には、θ１≦θ２＜θ３を満たしている。
また、磁極中心のｄ軸から溝３３，３４の中心までの角度（θ１／２）は、θ１＝３°であるから、１．５°である。また、磁極中心のｄ軸から溝３５，３６の中心までの角度｛（θ１／２）＋θ２｝は、θ１＝３°、θ２＝３°であるから、４．５°である。さらに、磁極中心のｄ軸から溝３７，３８の中心までの角度｛（θ１／２）＋θ２＋θ３｝は、θ１＝３°、θ２＝３°、θ３＝６°であるから、１０．５°である。また、一極のなす角度θｒが４５°である。よって、一極のなす角度θｒと、ｄ軸から溝３３，３４までの角度（θ１／２）の比率は、（θ１／２）／θｒ＝１／３０となっている。また、一極のなす角度θｒと、ｄ軸から溝３５，３６までの角度｛（θ１／２）＋θ２｝の比率は、｛（θ１／２）＋θ２｝／θｒ＝３／３０となっている。さらに、一極のなす角度θｒと、ｄ軸から溝３７，３８の中心までの角度｛（θ１／２）＋θ２＋θ３｝の比率は、｛（θ１／２）＋θ２＋θ３｝／θｒ＝７／３０となっている。

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（ロータコア３０）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６つの溝３３〜３８が設けられている。６つの溝３３〜３８のうちの中央寄りの２つの第１溝３３，３４のなす角度をθ１、６つの溝３３〜３８のうちの第１溝３３，３４とその外側に隣り合う第２溝３５，３６でなす角度をθ２、６つの溝３３〜３８のうちの第２溝３５，３６とその外側に隣り合う第３溝３７，３８でなす角度をθ３としたとき、θ１≦θ２＜θ３となっている。詳しくは、θ１＝θ２＜θ３となっている。また、一極のなす角度をθｒとしたとき、（θ１／２）／θｒ＝１／３０、｛（θ１／２）＋θ２｝／θｒ＝３／３０、｛（θ１／２）＋θ２＋θ３｝／θｒ＝７／３０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コギングトルクを低減でき、トルク低下を招くことなくコギングトルクの低減が図られる。

次に、図５（ａ），（ｂ）を用いて、最大トルクおよびコギング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の計測結果を、溝が形成されていない場合を１．００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）についてのコギングトルクの計測結果を、溝が形成されていない場合を１．００として示す。

図５（ａ）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、０．９８である。
一方、図５（ｂ）におけるコギングトルクについて、溝３３〜３８が形成されている場合には、０．２２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コギングトルクを８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６箇所設けることにより最大トルクを落とすことなくコギングトルクを低減することができる。また、電磁鋼板は１種類であり、コスト面でも有利である。

図６（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１．００として示す。

図６（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）についての無負荷誘起電圧の計測結果を、溝が形成されていない場合を１．００として示す。

図６（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、０．８２である。
一方、図６（ｂ）における無負荷誘起電圧について、溝３３〜３８が形成されている場合には、０．９１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（図５（ａ）参照）、最大トルク時のトルクリプルを２割減らすことができるとともに無負荷誘起電圧を１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６箇所設けることにより無負荷誘起電圧も低くすることができるとともにトルクリプルも低減することができる。
なお、最大トルク時（高負荷時）以外の例えば低負荷時にもトルクリプルを低減することができることを確認している。

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６つの溝３３〜３８が設けられている。６つの溝３３〜３８のうちの中央寄りの２つの第１溝３３，３４のなす角度をθ１、６つの溝３３〜３８のうちの第１溝３３，３４とその外側に隣り合う第２溝３５，３６でなす角度をθ２、６つの溝３３〜３８のうちの第２溝３５，３６とその外側に隣り合う第３溝３７，３８でなす角度をθ３としたとき、θ１≦θ２＜θ３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コギングトルクを抑制（低減）できる。その結果、トルクの低下を招くことなくコギングトルクを抑制することができる。

（２）θ１＝θ２＜θ３となっている。よって、トルクの低下を招くことなく、よりコギングトルクを抑制することができる。
（３）一極のなす角度をθｒとしたとき、（θ１／２）／θｒ＝１／３０、｛（θ１／２）＋θ２｝／θｒ＝３／３０、｛（θ１／２）＋θ２＋θ３｝／θｒ＝７／３０となっている。よって、トルクの低下を招くことなく、よりコギングトルクを抑制することができる。

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。
・溝の形状は問わない。矩形以外にも、例えばＶ字状でも台形状でよい。
・極数は８極に限らない。８極より多くても、少なくてもよい。その場合、実施形態は機械角度で表したが、電気角に換算して適用すればよい。

１０…磁石埋込式回転電機、２０…永久磁石埋込型磁石ロータ、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。

Claims (3)

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６つの溝が設けられ、
   前記６つの溝のうちの中央寄りの２つの第１溝のなす角度をθ１、前記６つの溝のうちの前記第１溝とその外側に隣り合う第２溝でなす角度をθ２、前記６つの溝のうちの前記第２溝とその外側に隣り合う第３溝でなす角度をθ３としたとき、θ１≦θ２＜θ３となっていることを特徴とする磁石埋込式回転電機。
2. θ１＝θ２＜θ３となっている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. 前記一極のなす角度をθｒとしたとき、（θ１／２）／θｒ＝１／３０、｛（θ１／２）＋θ２｝／θｒ＝３／３０、｛（θ１／２）＋θ２＋θ３｝／θｒ＝７／３０となっ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。