JP2015047009A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】有効磁束を増大することで回転電機の高出力化を可能にする。【解決手段】固定子２と回転子３を備えた回転電機１であって、円筒状の回転子鉄心５と、回転子鉄心５に埋め込まれた複数の永久磁石１１とを有する。回転子鉄心５の径方向の外周面には、複数の平坦部６が形成される。回転子鉄心５は、円周方向に等間隔に配置された複数の磁極部８を有し、各平坦部６は円周方向に隣り合う磁極部８の間に位置するように形成される。【選択図】図１

Description

開示の実施形態は、回転電機に関する。

例えば特許文献１には、矩形形状の永久磁石が放射状に等間隔でロータコアに配置された電動機が記載されている。

特開２０１０−４７２２号公報

上記従来技術では、ロータコアの外周面が円筒面状である。このため、永久磁石の径方向外側の端面とロータコアの外周面との隙間を介した磁極間の漏れ磁束が増大し、有効磁束の減少により出力の低下を招くという問題がある。

本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、有効磁束を増大することで高出力化が可能な回転電機を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の一の観点によれば、固定子と回転子を備えた回転電機であって、回転子鉄心と、前記回転子鉄心に埋め込まれた複数の永久磁石と、前記回転子鉄心の径方向の外周面に形成された平坦部と、を有する回転電機が適用される。

また上記課題を解決するため、本発明の別の観点によれば、固定子と回転子を備えた回転電機であって、円筒状の回転子鉄心と、前記回転子鉄心に埋め込まれた複数の永久磁石と、前記回転子鉄心の径方向の外周面と前記永久磁石の前記径方向外側の端面との間の厚みを円周方向にほぼ均一とする手段と、を有する回転電機が適用される。

本発明によれば、有効磁束を増大することで回転電機の高出力化が可能になる。

実施形態の回転電機の軸方向に垂直な横断面図である。 比較例１の回転子鉄心における永久磁石の周りの磁束密度分布を表す説明図、及び実施形態の回転子鉄心における永久磁石の周りの磁束密度分布を表す説明図である。 比較例１の回転子鉄心の表面の磁束密度分布、及び実施形態の回転子鉄心の表面の磁束密度分布を表すグラフである。 比較例２の回転子鉄心を表す説明図である。 実施形態、比較例１及び比較例２について行ったモータ性能のシミュレーション結果の一例を表す図である。 永久磁石を径方向に垂直な方向に配置した場合の回転子鉄心を表す横断面図である。 永久磁石を径方向に垂直な方向に配置した場合の回転子鉄心の永久磁石の周りの磁束密度分布を表す説明図である。 かしめ部を形成した場合の回転子鉄心の横断面図である。 永久磁石の半径方向外側に空隙を設けた場合の回転子鉄心の一部分を表す横断面図である。

以下、一実施の形態について図面を参照しつつ説明する。

＜回転電機の構成＞
まず、図１を用いて本実施形態の回転電機の構成について説明する。図１に示すように、回転電機１は、図示しない電機子巻線を有する電機子である固定子２と、永久磁石１１を有する界磁である回転子３とを備え、回転子３を固定子２の内側に配置したインナーロータ型のモータである。より詳細には、回転電機１は、回転子３の内部に上記永久磁石１１を備えたＩＰＭ（Ｉｎｔｅｒｉｏｒ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ）モータである。回転子３は、中心を貫通したシャフト４に固定されている。

＜回転子の構成＞
回転子３は、固定子２の内周面とギャップを介し対向配置されている。この回転子３は、回転子鉄心５と、回転子鉄心５に埋め込まれた複数（この例では１０。但し１０以外でもよい）の上記永久磁石１１とを備えている。回転子鉄心５は、複数枚の電磁鋼板を軸方向に積層固定した積層体構造を有している。

回転子鉄心５は、円周方向に等間隔に配置された複数（この例では１０）の磁極部８と、シャフト４に連結される円筒部９とを有する。円周方向に隣り合う磁極部８の間には、永久磁石１１が配置される。回転子鉄心５は略円筒状であるが、その外周面（径方向の外周面）には平坦部６が形成されている。平坦部６は、例えば外周面をＤカットすることにより形成される。平坦部６は、永久磁石１１と同数（この例では１０）形成され、各々が永久磁石１１と同じ角度に位置する。つまり、平坦部６は円周方向に隣り合う磁極部８の間に位置することになる。回転子鉄心５の外周面では、平坦部６と平坦部６以外の円筒面部７とが周方向に交互に配置されている。

永久磁石１１は、回転子鉄心５の軸方向に直方体形状に形成され、軸方向と直交する断面は半径方向に長い矩形状を有する。各永久磁石１１は、回転子鉄心５に設けられた軸方向の貫通孔１０に挿入されて固定される。その結果、複数の永久磁石１１は、半径方向外側端を回転子鉄心５の平坦部６に対向させた姿勢で放射状に配置される。

各永久磁石１１は、回転子鉄心５の半径方向及び軸方向と直交する方向（略円周方向）に磁化されている。複数の永久磁石１１は、円周方向に隣り合う永久磁石１１の同じ磁極同士が互いに対向するように配置される。つまり、複数の永久磁石１１は、ある磁極部８でＮ極を互いに向かい合わせ、その隣りの磁極部８でＳ極を互いに向かい合わせるように配置される。永久磁石１１のＮ極が向かい合った磁極部８はＮ極となり、永久磁石１１のＳ極が向かい合った磁極部８はＳ極となる。Ｎ極となる磁極部８からＳ極となる磁極部８に向かう磁束が固定子２のコイル巻線（電機子巻線）と鎖交し、回転子３の回転トルクを発生させる。

回転子鉄心５の隣り合う永久磁石１１の間の半径方向内側には、回転子鉄心５を軸方向に貫通する空隙１２が設けられている。空隙１２は、この例では軸方向と直交する横断面形状が略五角形状であり、永久磁石１１の磁束発生面である側面と対向する半径方向の磁石対向面１２ａと、磁石対向面１２ａに接続した半径方向外側の磁束ガイド面１２ｂとを有している。空隙１２の磁石対向面１２ａは、永久磁石１１の磁束発生面との間に狭い間隙を有し、且つ略平行である。空隙１２は、磁束ガイド面１２ｂにより、Ｎ極となる磁極部８における永久磁石１１の磁束を回転子３の外周側に誘導する一方、磁石対向面１２ａにより、隣り合う２つの永久磁石１１の間の回転子３の内径側への漏洩磁束を低減する。

＜回転子鉄心における永久磁石周りの磁束密度分布＞
比較例１及び本実施形態の回転子鉄心５における永久磁石１１の周りの磁束密度分布を図２（ａ）及び図２（ｂ）に示す。比較例１の回転子鉄心５は、外周面に平坦部が形成されておらず、円筒面１３となっている。

図２（ａ）に示すように、比較例１では、回転子鉄心５の外周面が円筒面１３となっている。このため、永久磁石１１の半径方向外側の端面１１ａと円筒面１３との隙間１４が大きくなる。特に、円筒面１３が外側に膨らむ形状であることから、永久磁石１１の中央部（円周方向における中央部）に向けて隙間１４が増大する。その結果、磁極部８間の漏れ磁束Ｍの流路面積が大きくなり、漏れ磁束Ｍが多くなる。

これに対し、本実施形態では、図２（ｂ）に示すように、回転子鉄心５の外周面に平坦部６が形成されている。この平坦部６により、外周面と永久磁石１１の端面１１ａとの隙間１４を小さくできると共に、隙間１４の厚みを均一にすることができる。その結果、磁極部８間の漏れ磁束Ｍの流路面積を比較例１に比べて小さくすることができ、隙間１４の部分が磁気飽和し易くなる。したがって、漏れ磁束Ｍを減少できる。なお、平坦部６が、回転子鉄心の径方向の外周面と永久磁石の径方向外側の端面との間の厚みを円周方向にほぼ均一とする手段の一例に相当する。

＜実施形態の効果＞
以上説明したように、本実施形態の回転電機１では、回転子鉄心５の径方向の外周面に平坦部６が形成される。平坦部６の形成部分では、当該平坦部６を設けない場合に比べて回転子鉄心５の外周面を径方向内側に位置させることができる。つまり、平坦部６を、回転子鉄心５内における漏れ磁束Ｍの流路となる部分（磁極部８同士の間）に対応して形成することにより、当該漏れ磁束Ｍの流路面積を減少させて、磁気飽和し易くすることができる。その結果、回転子鉄心５が円筒状である上記比較例１に比べて回転子鉄心５内での漏れ磁束Ｍを減少することができる。したがって、永久磁石１１の有効磁束を増大し、回転電機１を高出力化することができる。

また、比較例１の場合には、回転子鉄心５の表面の磁束密度分布は、図３に示すように、磁極部８（中心位置＝角度１８°）を中心とした略台形状（若しくは略矩形状）の分布となり、コギングトルクの脈動を発生させ、騒音、振動等の要因となる。本実施形態では、上記構成により回転子鉄心５の表面の磁束密度分布は、図３に示すように、磁極部８（中心位置＝角度１８°）を中心とした正弦波形状に近い分布となる。これにより、コギングトルクの脈動を低減でき、騒音、振動等を低減できる。

また、磁極部８間の漏れ磁束を防止するために、例えば図４に示すように、回転子鉄心５における永久磁石１１の半径方向外側を空隙１５とする構造が考えられる。この比較例２の場合には、磁極部８の付け根１６に応力が集中するので、回転子鉄心５の強度を確保するために磁極部８の付け根１６を太くする（永久磁石１１の間隔を大きくする）必要があり、その結果、回転子鉄心５の内径側への漏れ磁束が増大するという問題がある。本実施形態では、永久磁石１１の外周側に鉄心が存在するので、回転子鉄心５の強度を確保できる。その結果、比較例２に比べて永久磁石１１の間隔を小さくすることができるので、内径側への漏れ磁束を減少することができる。したがって、有効磁束を増大し、回転電機１を高出力化することができる。

また、本実施形態では特に、複数の永久磁石１１は、円周方向に隣り合う永久磁石１１の同じ磁極同士が互いに対向するように回転子鉄心５に放射状に配置され、平坦部６は、永久磁石１１と同数形成され、各々が永久磁石１１と同じ角度に位置する。このような放射状の配置構成とすることにより、永久磁石１１の投入量を増大し、磁束を磁極部８に集中させることができる。

なお、本願発明者等が本実施形態、比較例１及び比較例２のモータについて行ったモータ性能のシミュレーション結果の一例を図５に示す。図５に示すように、モータトルク定数は、比較例１の場合を１００％としたとき、比較例２で９７．８％、本実施形態で１０３．３%となり、本実施形態の構成によってモータトルク定数を最も大きくできることが分かる。また、コギングトルクは、定格トルク比で示すと比較例１で０．７３％、比較例２で０．８８％、本実施形態で０．５２％となり、本実施形態の構成によってコギングトルクを大幅に低減できることが分かる。

＜変形例＞
なお、開示の実施形態は、上記に限られるものではなく、その趣旨及び技術的思想を逸脱しない範囲内で種々の変形が可能である。以下、そのような変形例を説明する。

（１）回転子鉄心に永久磁石を径方向と垂直な向きに配置した場合
上記実施形態では、回転子鉄心５に複数の永久磁石１１が放射状に配置される場合を一例として説明したが、例えば図６に示すように、各永久磁石１１が径方向に対して垂直な方向に延びるように配置されてもよい。

図６に示すように、回転子鉄心５は複数（この例では４。但し４以外でもよい）の永久磁石１１を備える。複数の永久磁石１１は、回転子鉄心５の周方向に沿った配列で径方向に垂直となるように配置されている。各永久磁石１１は、回転子鉄心５の半径方向に磁化されている。複数の永久磁石１１は、ある磁極部８でＮ極、隣りの磁極部８でＳ極となるように、交互に配置される。つまり回転子鉄心５は、永久磁石１１と同数（この例では４）の磁極部８を有する。また、回転子鉄心５の外周面には、永久磁石１１と同数（この例では４）の平坦部６が形成され、平坦部６と円筒面部７とが周方向に交互に配置されている。各平坦部６は、周方向に隣り合う永久磁石１１の間に位置する。

本変形例では、永久磁石１１が径方向に垂直な方向となるように回転子鉄心５に配置される。このような永久磁石１１の配置構成では、図７に示すように、回転子鉄心５の円周方向に隣り合う永久磁石１１の間の隙間１４を介して磁極部８間に漏れ磁束Ｍが生じる。したがって、本変形例のように各平坦部６を隣り合う永久磁石１１の間にそれぞれ位置するように形成することで、漏れ磁束Ｍの流路面積を小さくして磁気飽和し易くでき、磁極部８間の漏れ磁束Ｍを効果的に減少することができる。また、回転子鉄心５の表面の磁束密度分布を正弦波形状に近似できることによる、コギングトルクの低減効果も得ることができる。

（２）回転子鉄心の電磁鋼板をかしめ固定する場合
前述のように、回転子鉄心５は複数枚の電磁鋼板を軸方向に積層固定した積層体構造を有している。本変形例では、この積層した電磁鋼板の固定にかしめを用いる。本変形例における回転子鉄心５の一例を図８に示す。

図８に示すように、回転子３の回転子鉄心５は、各磁極部８にかしめ部１７を備える。かしめ部１７は、径方向に沿って形成されている。このかしめ部１７によって、回転子鉄心５を構成する軸方向に積層した複数枚の電磁鋼板が固定されている。本変形例のその他の構成は上記実施形態と同様であり、図８において図１に付した符号と同一の符号は同一の要素を示す。

図示は省略するが、各磁極部８における永久磁石１１の磁束の向きは大まかに径方向に沿った向き（放射状の向き）となる。したがって、本変形例のようにかしめ部１７を径方向に沿って形成することにより、磁束の流れの妨げとなるのを回避し、有効磁束の低下を最小限に抑えることができる。

（３）永久磁石の半径方向外側に空隙を設ける場合
上記実施形態では、回転子鉄心５の永久磁石１１の位置の外周面を平坦部６とすることにより、回転子鉄心５の外周面と永久磁石１１の半径方向外側の端面１１ａとの間の厚みを均一にしたが、厚みを均一にする手段はこれに限定されない。例えば図９に示すように、回転子鉄心５内における永久磁石１１の半径方向外側に外周面に開口しない空隙を設けることにより、回転子鉄心５の外周面と永久磁石１１の端面１１ａとの間の厚みを均一してもよい。

図９に示すように、回転子鉄心５は外周面に平坦部６がなく円筒面１３となっている。本変形例では、永久磁石１１の半径方向外側の部分に略三日月状の空隙１８が形成されている。この空隙１８は、永久磁石１１が挿入される貫通孔１０の径方向外側部分を外周側に膨らんだ三日月状とすることで形成される。

これにより、回転子鉄心５の外周面と永久磁石１１の端面１１ａとの隙間１４を小さくできると共に、隙間１４の厚みを均一にすることができる。その結果、前述の実施形態と同様に、磁極部８間の漏れ磁束Ｍを減少できる。したがって、有効磁束を増大し、回転電機を高出力化することができる。なお、空隙１８が、回転子鉄心の径方向の外周面と永久磁石の径方向外側の端面との間の厚みを円周方向にほぼ均一とする手段の一例に相当する。

（４）その他
以上では、回転電機１がモータである場合を一例として説明したが、本実施形態は、回転電機１が発電機である場合にも適用することができる。

また、回転電機１は電機子を固定子２とし、界磁を回転子３とした場合を一例として説明したが、本実施形態は、電機子を回転子とし、界磁を固定子とした回転電機の場合にも適用することができる。

また、以上既に述べた以外にも、上記実施形態や各変形例による手法を適宜組み合わせて利用しても良い。

その他、一々例示はしないが、上記実施形態や各変形例は、その趣旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更が加えられて実施されるものである。

１ 回転電機
２ 固定子
３ 回転子
５ 回転子鉄心
６ 平坦部（厚みを円周方向にほぼ均一とする手段）
７ 円筒面部
８ 磁極部
１１ 永久磁石
１４ 漏れ磁束の流路部分
１７ かしめ部
１８ 空隙（厚みを円周方向にほぼ均一とする手段）

Claims (6)

1. 固定子と回転子を備えた回転電機であって、
   回転子鉄心と、
   前記回転子鉄心に埋め込まれた複数の永久磁石と、
   前記回転子鉄心の径方向の外周面に形成された平坦部と、を有する
   ことを特徴とする回転電機。
2. 前記回転子鉄心は、
   円周方向に等間隔に配置された複数の磁極部を有し、
   前記平坦部は、
   前記円周方向に隣り合う前記磁極部の間に位置する
   ことを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
3. 前記複数の永久磁石は、
   前記円周方向に隣り合う前記永久磁石の同じ磁極同士が互いに対向するように前記回転子鉄心に放射状に配置され、
   前記平坦部は、
   前記永久磁石と同数形成され、各々が前記永久磁石と同じ角度に位置する
   ことを特徴とする請求項２に記載の回転電機。
4. 前記永久磁石は、
   前記径方向に垂直な方向となるように前記回転子鉄心に配置され、
   前記平坦部は、
   前記永久磁石と同数形成され、各々が前記円周方向に隣り合う前記永久磁石の間に位置する
   ことを特徴とする請求項２に記載の回転電機。
5. 前記回転子鉄心は、
   複数の電磁鋼板が積層して構成され、前記磁極部に前記径方向に沿って形成されたかしめ部を有する
   ことを特徴とする請求項３又は４に記載の回転電機。
6. 固定子と回転子を備えた回転電機であって、
   円筒状の回転子鉄心と、
   前記回転子鉄心に埋め込まれた複数の永久磁石と、
   前記回転子鉄心の径方向の外周面と前記永久磁石の前記径方向外側の端面との間の厚みを円周方向にほぼ均一とする手段と、を有する
   ことを特徴とする回転電機。

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