JP2015050874A - 永久磁石埋め込み式回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】 製造誤差の影響を極力抑え、コギングトルクを安定的に低減することができる永久磁石埋め込み式回転電機を提供する。【解決手段】 回転子１００には、回転子１００の外周面に磁極を形成する２個の永久磁石１０３ａ、１０３ｂの両端から磁極の中心Ｐｃに向かって延びる磁束短絡防止用スリット１０４ａ、１０４ｂが形成され、回転子１００の外周面には、磁極の中心Ｐｃを対称に離間した１対の溝であって、各溝が回転子の外周面における隣の磁極の溝と離間した１対の溝１０５ａ、１０５ｂが形成されている。回転中心Ｏを中心とする角度に換算した固定子巻線用スロット２０１のピッチをτｓ、２個の磁束短絡防止用スリット間の角度をθｆ、１対の溝間の角度をθｓ、ｎを所定の整数とする場合に、θｆ＝ｎ?τｓ、θｓ＝ｎ?τｓの関係が成立する。【選択図】図１

Description

本発明は、電動機や発電機等、ロータを有する回転電機に係り、特にロータに永久磁石が埋め込まれた永久磁石埋め込み式回転電機に関する。

永久磁石埋め込み式回転電機では、非励磁状態においても回転子を動かした際にコギングトルクが発生する。このコギングトルクは、回転電機の制御を行う上では外乱となるため、可能な限り小さくすべきである。このコギングトルクを低減するための対策として、固定子に斜めスキューを施し、あるいは回転子に段スキューを施すという対策がある。しかし、この対策を採る場合、製造工程が増加するという問題がある。固定子や回転子にスキューを施さずにコギングトルクを低減する技術として、例えば特許文献１に開示された技術がある。この特許文献１の技術は、回転子の磁極端部に設けたスリットにより磁束が通る範囲を制限し、その範囲の幅を固定子巻線用スロットのピッチを基に規定することにより、コギングトルクの低減を図るものである。

特開２００４−３４３８６１号公報

ところで、上述した従来の永久磁石埋め込み式回転電機は、製造誤差の影響により、磁束の通る幅を制限するためのスリットの寸法が設計寸法と異なる場合に、コギングトルクが不安定に変動する問題があった。

この発明は以上のような事情に鑑みてなされたものであり、製造誤差の影響を極力抑え、安定的にコギングトルクを低減することができる永久磁石埋め込み式回転電機を提供することを目的としている。

この発明は、内周面に複数の固定子巻線用スロットが形成された固定子と、前記固定子の内周面との間に隙間を挟んで外周面を対向させた状態で回転可能に軸支された回転子とを有し、前記回転子の外周面に回転方向に並ぶ複数の磁極を形成する１または複数の永久磁石が前記回転子に埋め込まれた永久磁石埋め込み式回転電機において、前記回転子には、前記回転子の外周面に磁極を形成する１または複数の永久磁石の両端から前記磁極の中心に向かって延びる磁束短絡防止用スリットが形成され、前記回転子の外周面には、前記磁極の中心を通る対称軸について対称に離間した１対の溝であって、各溝が前記回転子の外周面における隣の磁極の溝と離間した１対の溝が形成されてなることを特徴とする永久磁石埋め込み式回転電機を提供する。

この発明によれば、磁束短絡防止用スリットを回転子内に設けるとともに、１対の溝を回転子の外周面に設けたので、製造誤差が発生する状況においても、回転子および固定子間の磁束が通る範囲を適切に制限し、安定的にコギングトルクを低減することができる。

この発明による永久磁石埋め込み式回転電機の一実施形態であるＩＰＭモータの構成を示す横断面図である。 同ＩＰＭモータの変形例の構成を示す横断面図である。 同実施形態におけるＩＰＭモータのコギングトルクの特性を示す図である。 同実施形態におけるＩＰＭモータのコギングトルクの特性を示す図である。 この発明による永久磁石埋め込み式回転電機の他の実施形態であるＩＰＭモータの構成を示す横断面図である。 同実施形態におけるＩＰＭモータのコギングトルクの特性を示す図である。

以下、図面を参照し、この発明の実施形態について説明する。

図１はこの発明による永久磁石埋め込み式回転電機の一実施形態であるＩＰＭモータを回転軸に垂直な平面により切断した構成を示す横断面図である。本実施形態によるＩＰＭモータは、１極当たり２個の永久磁石１０３ａ、１０３ｂを使用した６極の回転子１００と、この回転子１００を収容する固定子２００とを有する。以下では、説明の便宜のため、回転子１００を２個の永久磁石１０３ａ、１０３ｂを各々含む６個の領域に分割し、これらの各領域を回転子１００における１極分の磁極領域と呼ぶ。

図１には、図面が煩雑になるのを防ぐため、回転子１００の１極分の磁極領域と、これに対向した固定子２００の１／６の領域の構成が示されている。図１に示すように、回転子１００の１極分の磁極領域は、回転子１００の回転中心Ｏを中心とし、磁極間境界１１０ａから１１０ｂまでの見開き角６０度の範囲内に収まっている。図示の回転子１００および固定子２００の領域の反時計廻り方向（時計廻り方向）の隣の領域の構造は、磁極間境界１１０ａ（１１０ｂ）を境に図示の１極分の回転子１００および固定子２００を折り返した構造となっている。

固定子２００は、中空の円筒形状をなしており、その内周壁には回転子１の回転方向に沿ってピッチτｓ間隔で並ぶ複数の固定子巻線用スロット２０１が形成されている。この例では、固定子２００の内周面に５４個の固定子巻線用スロット２０１が形成されている。従って、固定子巻線用スロット２０１のピッチτｓは、３６０度／５４＝６．６７度となる。そして、図１には１極分の角度範囲（６０度）内の９個の固定子巻線用スロット２０１が示されている。

回転子１００における１極分の磁極領域には、回転子１００の外周面に向かって広がるようにＶ字状をなす２つの永久磁石埋め込み用スリット１０２ａ、１０２ｂが形成されている。そして、永久磁石埋め込み用スリット１０２ａ、１０２ｂには矩形状の断面を有する永久磁石１０３ａ、１０３ｂが埋め込まれている。これらの永久磁石１０３ａ、１０３ｂは、互いに同じ磁極を回転子１００の外周面に向けており、回転子１００の外周面に１個の磁極を形成する。そして、この例では、回転子１００の外周面において、回転子１００の回転中心Ｏから永久磁石１０３ａ、１０３ｂ間の中心を貫く直線上の位置に磁極の中心Ｐｃが位置する。

回転子１００には磁束短絡防止用スリット１０４ａ、１０４ｂが形成されている。ここで、磁束短絡防止用スリット１０４ａ（１０４ｂ）は、磁石埋め込み用スリット１０２ａ（１０２ｂ）の両端のうち磁極間境界１１０ａ（１１０ｂ）に近い側の端部と連通しており、磁極の中心Ｐｃに向けて延びている。これらの磁束短絡防止用スリット１０４ａ、１０４ｂは、固定子２００を経由せずに回転子１００内のみを通過する磁束が発生しないように、回転子１００および固定子２００間の磁束の通る範囲を各々の間に制限するものである。

また、回転子１００の外周面には、磁極の中心Ｐｃを通る対称軸について対称に離間した１対の溝１０５ａ、１０５ｂが形成されている。これらの溝１０５ａ、１０５ｂは、隣の磁極領域の溝１０５ａまたは１０５ｂ（図示略）と離間している。

次に磁束短絡防止用スリット１０４ａ、１０４ｂと、溝１０５ａ、１０５ｂの位置関係について、さらに具体的に説明する。

本実施形態では、２個の磁束短絡防止用スリット１０４ａ、１０４ｂの間に挟まれた回転子１００の回転中心Ｏを中心とする角度をθｆ、１対の溝１０５ａ、１０５ｂの間に挟まれた回転子の回転中心Ｏを中心とする角度をθｓ、ｎを所定の整数とする場合に、次式（１）、（２）を満たすように角度θｆ、θｓを決定する。
θｆ＝ｎ×τｓ ……（１）
θｓ＝ｎ×τｓ ……（２）

図１に示す例では、ｎ＝６である。また、τｓ＝６．６７度であるため、θｆ＝θｓ＝６×６．６７度＝４０度である。

上記式（１）を満たすように磁束短絡防止用スリット１０４ａ、１０４ｂを設けると、回転子１００の外周面においてθｆ＝ｎ×τｓの範囲の領域のみを介して回転子１００からの磁束が固定子２００に導かれる。この結果、回転子１００の外周面における回転方向の磁束密度波形において、固定子巻線用スロット２０１のピッチτｓに対応した高次成分を低減し、コギングトルクを低減することができる。

また、上記式（２）を満たすように溝１０５ａ、１０５ｂを設けると、磁束短絡防止用スリット１０４ａ、１０４ｂのみを設けた場合に比べて、回転子１００から固定子２００に向けて磁束を通過させる回転子１００の外周面上の領域をより徹底して制限することができる。従って、コギングトルクをさらに安定して低減することが期待される。

ところで、上記θｆ、θｓは、種々の製造要因により、実機では設計寸法からずれると考えられる。そして、上記θｆ、θｓが上記式（１）、（２）に従って決定した設計寸法から微妙にずれると、それによりコギングトルクが不安定に変化する可能性がある。

そこで、本実施形態の変形例では、実機における角度θｆ、θｓが設計寸法からずれる状況においても、安定してコギングトルクを低減するために、角度θｆ、θｓの設計寸法を次式（３）、（４）に従って決定する。
ｎ×τｓ−Δθ１≦θｆ≦ｎ×τｓ＋Δθ２ ……（３）
θｓ＝ｎ×τｓ ……（４）
上記式（３）において、Δθ１、Δθ２は、所定の定数であり、例えばΔθ１、Δθ２の値はそれぞれ０〜１度である。

図２は本変形例の構成を示す横断面図である。この例において、回転子１００Ａは、図１の回転子１００と異なり、角度θｆが角度θｓからずれている。具体的には、この例では、τｓ＝６．６７度、θｓ＝ｎ×τｓ＝６×６．６７度＝４０度、θｆ＝ｎ×τｓ−１度＝４０度−１度＝３９度となっている。

次に図３および図４を参照し、本実施形態の効果を説明する。図３は、図１に示すＩＰＭモータについて磁界解析を行うことにより求めたコギングトルクの回転角依存性を示す図である。図３において、横軸は回転子１００の回転角であり、縦軸は回転子１００に発生するコギングトルクである。図３に示すように、図１における回転子１００を回転させると、回転子１００に発生するコギングトルクはτｓ＝６．６７度の周期で変化する。そして、図１に示すように回転子１００の外周面に溝１０５ａ、１０５ｂを設けた構成では、コギングトルクのピーク値からボトム値までの変動幅は４．１％となった。また、回転子１００の外周面に溝１０５ａ、１０５ｂを設けない構成では、コギングトルクのピーク値からボトム値までの変動幅は２．１％となった。

図４は、図２に示すＩＰＭモータにおいて、溝１０５ａ、１０５ｂを設ける場合のθｓを４０度に固定し、θｆを変化させたときのコギングトルクのθｆに対する依存性を示す図である。図４において、横軸はθｆであり、縦軸は回転子１００の回転角を変化させたときのコギングトルクのピーク値からボトム値までの変動幅である。図４に示すように、θｆ＝θＳ＝４０度の条件では、図３にも示されているように、コギングトルクの変動幅は、溝１０５ａ、１０５ｂを設けた方が溝１０５ａ、１０５ｂを設けない場合よりも大きくなる。しかし、θｆがθｓ＝４０度からずれた領域では、コギングトルクの変動幅は、溝１０５ａ、１０５ｂを設けた方が溝１０５ａ、１０５ｂを設けない場合に比べて安定して小さくなる。

以上のように、本実施形態によれば、磁束短絡防止用スリット１０４ａ、１０４ｂを回転子１００に設け、かつ、回転子１００の外周面に１対の溝１０５ａ、１０５ｂを設けたので、製造誤差の影響を最小限に抑え、安定的にコギングトルクを低減することができる。

また、本実施形態では、回転子１００の外周面において溝１０５ａ（１０５ｂ）と隣の磁極領域の溝１０５ａ（１０５ｂ）とを離間させている。従って、回転子１００の磁極間の領域（磁束短絡防止用スリット１０４ａ（１０４ｂ）と隣の磁極領域の磁束短絡防止用スリット１０４ａ（１０４ｂ）との間の領域）を通過する磁路の磁気抵抗を減らし、高いリラクタンストルクを実現することができる。また、溝１０５ａ（１０５ｂ）と隣の磁極領域の溝１０５ａ（１０５ｂ）とを離間させているので、溝１０５ａ（１０５ｂ）と磁束短絡防止用スリット１０４ａ（１０４ｂ）とが対向する領域の幅を狭くして、回転子１００における磁束短絡防止用スリット１０４ａ（１０４ｂ）の近傍の鋼板が破損するのを防止することができる。

リラクタンストルクの向上と磁束短絡防止用スリット１０４ａ（１０４ｂ）の近傍の鋼板の破損防止を考慮すると、回転子１００の回転方向における溝１０５ａ、１０５ｂの各幅は過度に大きくしないことが望ましい。そこで、溝１０５ａ（１０５ｂ）の縁の磁極境界１１０ａ（１１０ｂ）側の限界位置を、永久磁石１０３ａ（１０３ｂ）において回転子１００の外周面寄りであり、かつ、磁極境界１１０ａ（１１０ｂ）寄りの頂点Ｈａ（Ｈｂ）に臨む位置とする。すなわち、溝１０５ａ（１０５ｂ）の磁極境界１１０ａ（１１０ｂ）側の縁の位置は、この頂点Ｈａ（Ｈｂ）に臨む限界位置よりも磁極の中心Ｐｃ側に寄った位置とする。

図５はこの発明による永久磁石埋め込み式回転電機の他の実施形態であるＩＰＭモータの構成を示す横断面図である。このＩＰＭモータでは、図２における回転子１００Ａが回転子１００Ｂに置き換えられている。この回転子１００Ｂは、図２の回転子１００Ａと異なり、外周面の曲率半径を、回転子１００Ｂの外周面において固定子２００に最も近い点Ｐｃと回転中心点Ｏとの距離より小さくしている。従って、回転子１００Ｂは、全体として花弁状をなしている。

図６は本実施形態において角度θｓを４０度に固定し、角度θｆを変化させたときの角度θｆと回転子１００Ｂに発生するコギングトルクの変動幅との関係を示す図である。図４と比較すれば分かるように、回転子１００Ｂを花弁状にすると、回転子形状が真円の場合と比較して、さらにコギングトルクを低減することができる。

以上、この発明の各実施形態について説明したが、この発明には他にも実施形態が考えられる。例えば次の通りである。

（１）上記各実施形態では、１極当たり２個の永久磁石を回転子内にＶ字状に配置し、回転子の外周面に断面が矩形状の溝を形成したが、１極を構成する永久磁石の数、永久磁石の配置、溝形状はこれに限ったものではない。

（２）上記各実施形態では、磁極中心Ｐｃに向けて延びた帯状の磁束短絡防止用スリット１０５ａ、１０５ｂを回転子に形成したが、磁束短絡防止用スリット１０５ａ、１０５ｂの形状は任意であり、例えば磁極中心Ｐｃに向かうに従って細くなる形状のスリットを形成してもよい。

１００，１００Ａ，１００Ｂ……回転子、２００……固定子、２０１……固定子巻線用スロット、１０２ａ，１０２ｂ……永久磁石埋め込み用スリット、１０３ａ，１０３ｂ……永久磁石、１０４ａ，１０４ｂ……磁極短絡防止用スリット、１０５ａ，１０５ｂ……溝。

Claims (5)

1. 内周面に複数の固定子巻線用スロットが形成された固定子と、前記固定子の内周面との間に隙間を挟んで外周面を対向させた状態で回転可能に軸支された回転子とを有し、前記回転子の外周面に回転方向に並ぶ複数の磁極を形成する１または複数の永久磁石が前記回転子に埋め込まれた永久磁石埋め込み式回転電機において、
   前記回転子には、前記回転子の外周面に磁極を形成する１または複数の永久磁石の両端から前記磁極の中心に向かって延びる磁束短絡防止用スリットが形成され、
   前記回転子の外周面には、前記磁極の中心を通る対称軸について対称に離間した１対の溝であって、各溝が前記回転子の外周面における隣の磁極の溝と離間した１対の溝が形成されてなることを特徴とする永久磁石埋め込み式回転電機。
2. 前記回転子の回転中心を中心とする角度に換算した前記固定子巻線用スロットのピッチをτｓ、２個の磁束短絡防止用スリットの間に挟まれた前記回転子の回転中心を中心とする角度をθｆ、前記１対の溝の間に挟まれた前記回転子の回転中心を中心とする角度をθｓ、ｎを所定の整数とする場合に、
   θｆ＝ｎ×τｓ
   θｓ＝ｎ×τｓ
   の関係を有することを特徴とする請求項１に記載の永久磁石埋め込み式回転電機。
3. 前記回転子の回転中心を中心とする角度に換算した前記固定子巻線用スロットのピッチをτｓ、２個の磁束短絡防止用スリットの間に挟まれた前記回転子の回転中心を中心とする角度をθｆ、前記１対の溝の間に挟まれた前記回転子の回転中心を中心とする角度をθｓ、ｎを所定の整数、Δθ１、Δθ２を所定の角度とする場合に、
   ｎ×τｓ−Δθ１≦θｆ≦ｎ×τｓ＋Δθ２
   θｓ＝ｎ×τｓ
   の関係を有することを特徴とする請求項１に記載の永久磁石埋め込み式回転電機。
4. 前記溝部を除き、前記回転子の外周形状が真円形状であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１の請求項に記載の永久磁石埋め込み式回転電機。
5. 前記回転子の外周面の曲率半径が、前記回転子の外周面の前記固定子に最も近い点と回転中心点との距離より小さく、前記回転子が花弁状になっていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１の請求項に記載の永久磁石埋め込み式回転電機。

Images