JP2014161206A - 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２０は、円筒状をなし、平板状永久磁石４０がｄ軸に垂直に埋め込まれている。ステータ１００は、永久磁石埋込型磁石ロータ２０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の周方向の幅が同一であり、一極あたりの永久磁石４０の外周側でない領域には溝がなく、４つの溝３３〜３６のうちの中央寄りの２つの第１溝３３，３４のなす角度をθ１、４つの溝３３〜３６のうちの外側の第２溝３５，３６と隣り合う第１溝３３，３４のなす角度をθ２としたとき、θ１≧θ２となっている。
【選択図】図２

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、平板状永久磁石がｄ軸に垂直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つの溝の周方向の幅が同一であり、一極あたりの前記永久磁石の外周側でない領域には溝がなく、前記４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４つの溝のうちの外側の第２溝と隣り合う前記第１溝のなす角度をθ２としたとき、θ１≧θ２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つの溝の周方向の幅が同一であり、一極あたりの永久磁石の外周側でない領域には溝がなく、４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、４つの溝のうちの外側の第２溝と隣り合う第１溝のなす角度をθ２としたとき、θ１≧θ２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、θ１＞θ２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θ１は、電気角で２８±３°であるとともに、前記θ２は、電気角で２４±３°であるとよい。

請求項４に記載のように、請求項１〜３のいずれか１項に記載の磁石埋込式回転電機において、前記ティースの先端の開口幅が前記４つの溝の周方向の幅より大きいとよい。

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）は高負荷時のトルクの計測結果を示す図、（ｂ）は高負荷時のトルクリプルの計測結果を示す図。 （ａ）は低負荷時のトルクの計測結果を示す図、（ｂ）は低負荷時のトルクリプルの計測結果を示す図。 高負荷時のトルクリプルの計測結果を示す図。 高負荷時のトルクリプル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（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つの平板状永久磁石４０が埋め込まれている。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。平板状永久磁石４０はｄ軸に垂直に埋め込まれている。

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。

一極あたり、即ち、中心Ｏからの角度θｒが４５°であるとともに、永久磁石４０の最外周隅部でなす角度θｎが２５°となっている。
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、４つの溝（凹部）３３，３４，３５，３６が設けられている。各溝３３〜３６は軸方向に延びている。また、各溝３３〜３６は断面が矩形状をなしている。そして、溝３３〜３６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３３〜３６の開口部の幅（周方向の長さ）Ｌｍは等しくなっており、４つの溝３３〜３６の周方向の幅が同一である。

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。また、永久磁石埋込型磁石ロータの外周面における一極あたりの永久磁石４０の外周側でない部位｛ｄ軸からの角度が（θｎ／２）から（θｒ／２）の間｝には溝は設けられていない。また、ロータの外周面におけるｄ軸には溝は設けられていない。

４つの溝３３〜３６のうちの中央寄りの２つの第１溝３３，３４の中心のなす角度をθ１、４つの溝３３〜３６のうちの外側の第２溝３５の中心と隣り合う第１溝３３の中心のなす角度、および、４つの溝３３〜３６のうちの外側の第２溝３６の中心と隣り合う第１溝３４の中心のなす角度をθ２としたとき、θ１≧θ２となっている。より詳しくは、θ１＞θ２となっている。具体的には、θ１が７°、θ２が６°である。

このように、０＜（θ１／２）＜｛（θ１／２）＋θ２｝＜（θｎ／２）となっており、（θｎ／２）から（θｒ／２）の範囲には溝がない。
θ１は、機械角で７±０．７５°、電気角で２８±３°である。また、θ２は、機械角で６±０．７５°、電気角で２４±３°である。

また、ティース１０３の先端の開口幅Ｌ１０（図３参照）が４つの溝３３，３４，３５，３６の周方向の幅Ｌｍより大きい。
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４つの溝３３〜３６が設けられている。４つの溝３３〜３６は永久磁石４０の外周側にｄ軸に対称に設けられている。また、４つの溝３３〜３６の周方向の幅が同一であり、一極あたりの永久磁石４０の外周側でない領域には溝がない。さらに、中央寄りの２つの第１溝３３，３４のなす角度θ１と、外側の第２溝３５，３６と隣り合う第１溝３３，３４のなす角度θ２の関係として、θ１≧θ２となっている。特に、θ１＞θ２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。

次に、図５（ａ），（ｂ）を用いて、高負荷時のトルク（最大トルク）およびトルクリプルについて説明する。このとき、外周面に溝３３〜３６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３３〜３６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）についての高負荷時トルク（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３３〜３６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１．００として示す。

図５（ａ）における高負荷時トルク（最大トルク）について、溝３３〜３６が形成されている場合には、１．００である。
図５（ｂ）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、０．６９である。

よって、溝３３〜３６を設けることにより、高負荷時のトルク（最大トルク）を維持したままトルクリプルを約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高負荷時のトルク（最大トルク）が低下する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（ａ），（ｂ）を用いて、低負荷時のトルクおよびトルクリプルについて説明する。このとき、外周面に溝３３〜３６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６（ａ）には、ロータ外周面に溝３３〜３６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）についての低負荷時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６（ｂ）には、ロータ外周面に溝３３〜３６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）についての低負荷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１．００として示す。

図６（ａ）における低負荷時トルクについて、溝３３〜３６が形成されている場合には、１．００である。
図６（ｂ）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、０．５８である。

よって、溝３３〜３６を設けることにより、低負荷時のトルクを維持したままトルクリプルを約４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低負荷時のトルクが低下することなくトルクリプルを低減することができる。

次に、図７，８を用いて、図３でのｄ軸と溝３３，３４の中心とでなす機械角Ｘ（＝１／２・θ１）、ｄ軸と溝３５，３６の中心とでなす機械角Ｙに関するトルクリプルについて説明する。

図７において横軸に図３でのｄ軸と溝３３，３４の中心とでなす機械角Ｘ（＝１／２・θ１）をとり、縦軸に高負荷時のトルクリプルをとっており、機械角Ｘ（＝１／２・θ１）が３．５°の時のトルクリプルの測定結果を「１」として示している。このとき、θ２は機械角で６°としている。図７におけるトルクリプルについて、ｄ軸と溝３３，３４の中心とでなす機械角Ｘ（＝１／２・θ１）が３．５°のときに最小値となっている。

従って、ｄ軸と溝３３，３４の中心とでなす機械角Ｘ（＝１／２・θ１）として３．５°付近、即ち、電気角で１４°付近とすることにより、トルクリプルを低減することができることがわかる。つまり、θ１として機械角で７°付近、即ち、電気角で２８°付近とすることにより、トルクリプルを低減することができることがわかる。

図８において横軸に図３でのｄ軸と溝３５，３６の中心とでなす機械角Ｙ（＝１／２・θ１＋θ２）をとり、縦軸に高負荷時のトルクリプルをとっており、機械角Ｙ（＝１／２・θ１＋θ２）が９．５°の時のトルクリプルの測定結果を「１」として示している。このとき、θ１は機械角で７°としている。図８におけるトルクリプルについて、ｄ軸と溝３５，３６の中心とでなす機械角Ｙ（＝１／２・θ１＋θ２）が９．５°のときに最小値となっている。

従って、ｄ軸と溝３５，３６の中心とでなす機械角Ｙ（＝１／２・θ１＋θ２）として９．５°付近、即ち、電気角で３８°付近とすることにより、トルクリプルを低減することができることがわかる。つまり、θ２として機械角で６°付近、即ち、電気角で２４°付近とすることにより、トルクリプルを低減することができることがわかる。

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の周方向の幅が同一である。また、一極あたりの永久磁石４０の外周側でない領域には溝がない。さらに、４つの溝３３〜３６のうちの中央寄りの２つの第１溝３３，３４のなす角度をθ１、４つの溝３３〜３６のうちの外側の第２溝３５，３６と隣り合う第１溝３３，３４のなす角度をθ２としたとき、θ１≧θ２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イルリプルを抑制（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）θ１＞θ２となっている。これにより、トルクの低下を招くことなく、よりトルクリプルを低減することができる。
（３）θ１は、機械角で７±０．７５°、電気角で２８±３°であるとともに、θ２は、機械角で６±０．７５°、電気角で２４±３°であると、トルクリプルを低減する上で好ましいものとなる。

（４）ティース１０３の先端の開口幅Ｌ１０が４つの溝３３，３４，３５，３６の周方向の幅Ｌｍより大きいと、実用上好ましいものとなる。
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字状や台形状でもよい。
・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、１００…ステータ、１０３…ティース、１０４…コイル、Ｇ…ギャップ。

Claims (4)

1. 円筒状をなし、平板状永久磁石がｄ軸に垂直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つの溝の周方向の幅が同一であり、一極あたりの前記永久磁石の外周側でない領域には溝がなく、
   前記４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４つの溝のうちの外側の第２溝と隣り合う前記第１溝のなす角度をθ２としたとき、θ１≧θ２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θ１は、電気角で２８±３°であるとともに、前記θ２は、電気角で２４±３°であ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. 前記ティースの先端の開口幅が前記４つの溝の周方向の幅より大きいことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の磁石埋込式回転電機。