JP2014161207A - 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２つの第１溝３３，３４が設けられるとともに、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の外周側でない領域にｄ軸に対称に一極あたり２つの第２溝３５，３６が設けられている。第１溝３３，３４の周方向の幅は第２溝３５，３６の周方向の幅よりも大きくなっている。
【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２つの第１溝が設けられるとともに、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でない領域にｄ軸に対称に一極あたり２つの第２溝が設けられ、前記第１溝の周方向の幅は前記第２溝の周方向の幅よりも大きく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２つの第１溝が設けられるとともに、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でない領域にｄ軸に対称に一極あたり２つの第２溝が設けられ、第１溝の周方向の幅は第２溝の周方向の幅よりも大きくなっているので、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、前記第２溝は前記フラックスバリアよりもｑ軸側に設けられているとよい。

請求項３に記載のように、請求項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の外周面における前記フラックスバリアの外周側には溝が形成されていないとよい。

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２つの第１溝のなす角度をθ１、前記第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となっているとよい。

請求項５に記載のように、請求項４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４８±１°であるとともに、前記θ２は、電気角で５４±１°であるとよい。
請求項６に記載のように、請求項１〜５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第２溝の周方向の幅より小さいとよい。

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）は最大トルクの計測結果を示す図、（ｂ）はトルクリプルの計測結果を示す図。 トルクリプルの計測結果を示す図。 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。さらに、フラックスバリア３２の最外周隅部までの角度がθｆ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、２つの第１溝（凹部）３３，３４と２つの第２溝（凹部）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。

詳しくは、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２つの第１溝３３，３４が設けられるとともに、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の外周側でない領域にｄ軸に対称に一極あたり２つの第２溝３５，３６が設けられている。

第１溝３３，３４の周方向の幅Ｌｍ１は第２溝３５，３６の周方向の幅Ｌｍ２よりも大きくなっている（Ｌｍ１＞Ｌｍ２）。
また、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おり、第２溝３５，３６はフラックスバリア３２よりもｑ軸側に設けられている。また、永久磁石埋込型磁石ロータ２０の外周面におけるｄ軸、ｑ軸には溝が形成されていない。さらに、永久磁石埋込型磁石ロータ２０の外周面におけるｄ軸からの角度が（θｎ／２）から（θｆ／２）の間には溝が形成されていない。つまり、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の外周側には溝が形成されていない。第１溝３３，３４の中心のなす角度をθ１、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。具体的には、θ１が１２°、θ２が１３．５°である。

このように、０＜（θ１／２）＜（θｎ／２）かつ（θｆ／２）＜｛（θ１／２）＋θ２｝＜（θｒ／２）を満足している。
θ１は、機械角で１２±０．２５°、電気角で４８±１°である。また、θ２は、機械角で１３．５±０．２５°、電気角で５４±１°である。

また、ティース１０３の先端の開口幅Ｌ１０（図３参照）が第２溝３５，３６の周方向の幅Ｌｍ２より小さい。
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の外周面における永久磁石４０の外周側にｄ軸に対称に一極あたり２つの第１溝３３，３４が設けられるとともに、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の外周側でない領域にｄ軸に対称に一極あたり２つの第２溝３５，３６が設けられている。また、第１溝３３，３４の周方向の幅Ｌｍ１は第２溝３５，３６の周方向の幅Ｌｍ２よりも大きくなっている。また、第２溝３５，３６はフラックスバリア３２よりもｑ軸側に設けられている。さらに、２つの第１溝３３，３４のなす角度θ１と、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。

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、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、０．９８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、０．３９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、最大トルク時のトルクリプルを約６割減らす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４箇所設けることにより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６，７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６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、縦軸にトルクリプルをとっており、機械角Ｘ（＝１／２・θ１）が６°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１３．５°としている。図６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６°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。つまり、θ１として機械角で１２°付近、即ち、電気角で４８°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７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、縦軸にトルクリプルをとっており、機械角Ｙ（＝１／２・θ１＋θ２）が１９．５°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１２°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３５，３６の中心とでなす機械角Ｙ（＝１／２・θ１＋θ２）が１９．５°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１９．５°付近、即ち、電気角で７８°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１３．５°付近、即ち、電気角で５４°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２つの第１溝３３，３４が設けられるとともに、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の外周側でない領域にｄ軸に対称に一極あたり２つの第２溝３５，３６が設けられている。第１溝３３，３４の周方向の幅は第２溝３５，３６の周方向の幅よりも大きくなっている。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）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、第２溝３５，３６はフラックスバリア３２よりもｑ軸側に設けられている。よって、トルクの低下を招くことなく、より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の外周側には溝が形成されていない。よって、トルクの低下を招くことなく、よりトルクリプルを抑制することができる。

（４）２つの第１溝３３，３４のなす角度をθ１、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、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。

（５）θ１は、機械角で１２±０．２５°、電気角で４８±１°であるとともに、θ２は、機械角で１３．５±０．２５°、電気角で５４±１°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。

（６）ティース１０３の先端の開口幅Ｌ１０が第２溝３５，３６の周方向の幅Ｌｍ２より小さいと、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、３２…フラックスバリア、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 (6)

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２つの第１溝が設けられるとともに、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でない領域にｄ軸に対称に一極あたり２つの第２溝が設けられ、
   前記第１溝の周方向の幅は前記第２溝の周方向の幅よりも大きく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、
   前記第２溝は前記フラックスバリアよりもｑ軸側に設けられ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は溝が形成されていないことを特徴とする請求項２に記載の磁石埋込式回転電機。
4. 前記２つの第１溝のなす角度をθ１、前記第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。
5. 前記θ１は、電気角で４８±１°であるとともに、前記θ２は、電気角で５４±１°であることを特徴とする請求項４に記載の磁石埋込式回転電機。
6. 前記ティースの先端の開口幅が前記第２溝の周方向の幅より小さいことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の磁石埋込式回転電機。