JP2015053778A - 同期電動機及びこれに用いられる回転子 - Google Patents

Abstract

【課題】出力トルクの低下を抑えつつ、誘起電圧を下げるとともに、トルクリップルを低減する。
【解決手段】同期電動機１００の回転子３であって、各磁極３Ｐが、互いに離間して対向配置された少なくとも２つの永久磁石３２ａ、３２ｂから構成されており、対向配置された２つの永久磁石３２ａ、３２ｂにおける対向側端部それぞれに空隙からなるフラックスバリア６ａ２、６ｂ２が形成されるとともに、それらフラックスバリア６ａ２、６ｂ２の間に電磁鋼板からなる磁路部７が形成されており、磁路部７における永久磁石３２ａ、３２ｂの対向方向に沿って互いに対向する対向面７ｍ、７ｎが、互いに平行であり、且つ、それら対向面７ｍ、７ｎの離間距離７ｘが、１ｍｍ〜３ｍｍである。
【選択図】図２

Description

本発明は、ハイブリッド車両及び電気自動車等の電動車両に用いられる同期電動機に関し、特に当該同期電動機の回転子に関するものである。

従来、同期電動機の振動及びトルクリップルを低減するものとして、回転子の回転子鉄心にスキュー（Skew）構造を設けたもの、前記回転子鉄心にフラックスバリア（Flux Barrier）構造を設けたもの等がある。これらは何れも、急激な磁束変化を起こさないように磁気抵抗を設けて、トルク変動を小さくし、トルクリップルを低減するものである。

例えば特許文献１では、磁極を構成する２つの永久磁石をＶ字状に配置して、当該２つの永久磁石の間において、各永久磁石の端部にフラックスバリアを設けるとともに、当該フラックスバリアの形状を最適化することによって、トルクリップルを低減している。

特開２０１３−９９１９３号公報

一方で、本願発明者は、フラックスバリアの形状を最適化するという観点では無く、磁極を構成する複数の永久磁石それぞれに対応して形成されたフラックスバリア間の電磁鋼板からなる磁路部の形状を最適化するという観点から、同期電動機の開発を進めている。

そして、本発明は、フラックスバリア間の電磁鋼板からなる磁路部の形状を種々検討した結果なされたものであり、出力トルクの低下を抑えつつ、誘起電圧を下げるとともに、トルクリップルを低減することを主たる所期課題とするものである。

すなわち本発明に係る同期電動機の回転子は、所定枚数の電磁鋼板を積層して形成され、外周縁に沿って複数の磁石挿入孔が形成された回転子鉄心と、前記複数の磁石挿入孔に挿入されて、複数の磁極を構成する複数の永久磁石とを備える同期電動機の回転子であって、前記各磁極が、互いに離間して対向配置された少なくとも２つの永久磁石から構成されており、前記対向配置された２つの永久磁石における対向側端部それぞれに空隙からなるフラックスバリアが形成されるとともに、それらフラックスバリアの間に前記電磁鋼板からなる磁路部が形成されており、前記磁路部における前記永久磁石の対向方向に沿って互いに対向する対向面が、互いに平行であり、且つ、それら対向面の離間距離が、１ｍｍ〜３ｍｍであることを特徴とする。

このようなものであれば、磁極を構成する対向配置された２つの永久磁石における対向側端部に形成されたフラックスバリア間に磁路部が形成されており、当該磁路部の対向面が、互いに平行であり、且つ、それら対向面の離間距離が、１ｍｍ〜３ｍｍであるので、永久磁石のｄ軸磁束及びｑ軸磁束を一定量流入させることができる。このように鎖交磁束を漏洩させることによって、出力トルクの低下を抑えつつ、誘起電圧を下げることができるとともに、トルクリップルを低減することができる。誘起電圧を下げることによって、同期電動機の運転領域を高速回転側に拡大させ、出力を向上させることができる。また、トルクリップルを低減することによって、同期電動機の振動及び騒音を低減することができる。なお、離間距離が１ｍｍ〜３ｍｍであることの顕著な効果については、実験データを用いて後述する。

また、上記の回転子を用いた同期電動機は、電動車両用のものとすることが望ましい。特に、電動車両用のモータジェネレータとすることが望ましい。

このように構成した本発明によれば、対向配置された２つの永久磁石のフラックスバリアの間に形成された磁路部の対向面が互いに平行であり、その離間距離が１ｍｍ〜３ｍｍであるので、出力トルクの低下を抑えつつ、誘起電圧を下げるとともに、トルクリップルを低減することができる。

本実施形態における同期電動機の構成を示す部分概略図。 同実施形態における同期電動機の構成を示す部分拡大断面図。 同実施形態における各磁極を構成する永久磁石を主として示す部分拡大断面図。 対向面の離間距離と、出力トルク、誘起電圧及びトルクリップルとの関係を示す図。

以下に本発明に係る永久磁石同期電動機の一実施形態について図面を参照して説明する。

本実施形態に係る同期電動機１００は、ハイブリッド自動車や電気自動車等の電動車両に搭載されるモータジェネレータとして用いられるＩＰＭモータである。なお、この同期電動機１００が搭載された電動車両は、車両に搭載される直流主電源（例えば４８Ｖのリチウムイオンバッテリ）、車両の各補機（例えば電動パワーステアリング、エアコンディショナ、ＥＣＵ等）及び直流補助電源（例えば１２Ｖ／２４Ｖバッテリ）に給電するオルタネータの無い構成とすることが考えられる。

具体的に同期電動機１００は、図１に示すように、出力軸となるロータシャフト２と、当該ロータシャフト２が回転中心となるようにロータシャフト２に設けられた回転子（ロータ）３と、当該回転子３の周囲に設けられ、固定子巻線５が巻回された複数の固定子鉄心（ティース）４１を有する固定子（ステータ）４とを備えている。なお、固定子巻線５にはリード線を介して電力が供給される。

本実施形態の回転子３は、図１及び図２に示すように、所定枚数の電磁鋼板を積層して形成され、外周縁に沿って複数の磁石挿入孔３１Ｈが形成された回転子鉄心３１と、複数の磁石挿入孔３１Ｈに挿入されて、複数の磁極３Ｐを構成する複数の永久磁石３２ａ、３２ｂとを備えている。

具体的には、各磁極３Ｐが、図２に示すように、回転中心側を頂点とするＶ字に沿って配置された第１永久磁石３２ａ及び第２永久磁石３２ｂから構成されている。具体的に第１永久磁石３２ａ及び第２永久磁石３２ｂは、回転子鉄心３１の回転中心から径方向外側に行くに従って徐々に離間するようにＶ字状に互いに離間して配置されている。なお、回転子鉄心３１に形成された磁石挿入孔３１Ｈが、回転子鉄心３１の回転中心から径方向外側に行くに従って徐々に離間するようにＶ字状に形成されている。

第１永久磁石３２ａは、平板状をなすものであり、その径方向外側端部及び径方向内側端部には、空隙からなるフラックスバリア６ａ１、６ａ２が形成されている。このフラックスバリア６ａ１、６ａ２は、前記磁石挿入孔３１Ｈと同一の空間により形成されるものであり、磁石挿入孔３１Ｈに第１永久磁石３２ａを挿入することによって形成される。以下、第１永久磁石３２ａの径方向内側端部（第２永久磁石３２ｂに対向する対向側端部）に形成されたフラックスバリア６ａ２を第１フラックスバリア６ａ２という。

第２永久磁石３２ｂは、第２永久磁石と同様に平板状をなすものであり、その径方向外側端部及び径方向内側端部には、空隙からなるフラックスバリア６ｂ１、６ｂ２が形成されている。このフラックスバリア６ｂ１、６ｂ２は、前記磁石挿入孔３１Ｈと同一の空間により形成されるものであり、磁石挿入孔３１Ｈに第２永久磁石３２ｂを挿入することによって形成される。以下、第２永久磁石３２ｂの径方向内側端部（第１永久磁石３２ａに対向する対向側端部）に形成されたフラックスバリア６ｂ２を第２フラックスバリア６ｂ２という。なお、第１永久磁石の両端部に形成されるフラックスバリア６ａ１、６ａ２と、第２永久磁石３２ｂの両端部に形成されるフラックスバリア６ｂ１、６ｂ２とは同一形状をなすものである。

そして、第１フラックスバリア６ａ２及び第２フラックスバリア６ｂ２の間には、図２及び図３に示すように、漏れ磁束が通過する電磁鋼板からなる磁路部７が形成されている。この磁路部７は、図３に示すように、永久磁石３２ａ、３２ｂの対向方向、本実施形態では回転子３の周方向（回転方向）に沿って互いに対向する対向面７ｍ、７ｎが、互いに平行であり、且つ、それら対向面７ｍ、７ｎの離間距離７ｘが、１ｍｍ〜３ｍｍとなるように構成されている。

次にこのように構成した同期電動機１００における対向面７ｍ、７ｎの離間距離７ｘにおける出力トルク、誘起電圧及びトルクリップルの実験結果について説明する。なお、本実験に用いた同期電動機は、磁極数（極数）が８極で、スロット数が４８スロットであり、最大出力トルクが１００Ｎｍであり、定格出力が８ｋＷであり、定格電圧が１５０Ｖのものである。

以下の表１に、対向面７ｍ、７ｎの離間距離７ｘを、０．４ｍｍ、０．８ｍｍ、１．０ｍｍ、２．０ｍｍ、３．０ｍｍ、３．２ｍｍ、３．４ｍｍとした場合における、リラクタンストルク（Ｎｍ）、誘起電圧（Ｖ）及びトルクリップル（Ｎｍ）を示す。また、図４に、対向面７ｍ、７ｎの離間距離７ｘと、リラクタンストルク（Ｎｍ）、誘起電圧（Ｖ）及びトルクリップル（Ｎｍ）との関係を示すグラフを示す。なお、表１及び図４においては、離間距離７ｘを０．４ｍｍとした場合に得られた値を基準として、０．８ｍｍ、１．０ｍｍ、２．０ｍｍ、３．０ｍｍ、３．２ｍｍ、３．４ｍｍの値を示している。

表１及び図４から分かるように、離間距離７ｘが１ｍｍ〜３ｍｍの場合に、トルクリップルの低減効果が大きいことが分かる。ここで、離間距離７ｘを１ｍｍよりも小さくした場合には、誘起電圧の低減効果が小さく、また、トルクリップルの低減効果も小さくなってしまう。このことから、下限値としては１ｍｍが好ましい。一方で、離間距離７ｘを３ｍｍよりも大きくした場合には、誘起電圧の低減効果は大きくなるものの、出力トルクの低下が著しくなってしまい、上限値としては３ｍｍが好ましいことが分かる。特に、トルクリップルの低減効果が大きくするとともに、誘起電圧の低減効果も大きくするためには、離間距離７ｘを２ｍｍ〜３ｍｍとすることが特に好ましい。さらに、顕著な効果を得るためには、離間距離７ｘが３ｍｍに近ければ近いほど良い。

このように構成した同期電動機１００によれば、磁極３Ｐを構成する２つの永久磁石３２ａ、３２ｂにおける対向側端部に形成されたフラックスバリア６ａ２、６ｂ２間に磁路部７が形成されており、当該磁路部７の対向面７ｍ、７ｎが、互いに平行であり、且つ、それら対向面７ｍ、７ｎの離間距離７ｘが、１ｍｍ〜３ｍｍであるので、永久磁石３２ａ、３２ｂのｄ軸磁束をｑ軸磁束に一定量流入させることができ、或いは、永久磁石３２ａ、３２ｂのｑ軸磁束をｄ軸磁束に一定量流入させることができる。このように鎖交磁束を漏洩させることによって、出力トルクの低下を抑えつつ、誘起電圧を下げることができるとともに、トルクリップルを低減することができる。誘起電圧を下げることによって、同期電動機１００の運転領域を高速回転側に拡大させ、出力を向上させることができる。また、トルクリップルを低減することによって、同期電動機１００の振動及び騒音を低減することができる。

なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。
例えば、前記実施形態では、各磁極３Ｐを構成する第１永久磁石３２ａ及び第２永久磁石３２ｂが、Ｖ字状に配置されたものであるが、第１永久磁石３２ａ及び第２永久磁石３２ｂを径方向に直交する方向に一直線状に配置されたものであっても良いし、第１永久磁石３２ａ及び第２永久磁石３２ｂを径方向に沿って平行に配置されたものであっても良いし、第１永久磁石３２ａ及び第２永久磁石３２ｂを回転子鉄心３１の回転中心から径方向外側に行くに従って徐々に近づくようにハの字状に配置されたものであっても良い。

また、前記実施形態では、各磁極３Ｐを構成する永久磁石が２つであったが、３つ以上の永久磁石から構成されるものであっても良い。

その他、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。

１００・・・同期電動機（モータジェネレータ）
２・・・ロータシャフト
３・・・回転子
３Ｐ・・・磁極
３１・・・回転子鉄心
３１Ｈ・・・磁石挿入孔
３２ａ・・・第１永久磁石
３２ｂ・・・第２永久磁石
４・・・固定子
５・・・固定子巻線
６ａ２・・・第１フラックスバリア
６ｂ２・・・第２フラックスバリア
７・・・磁路部
７ｍ、７ｎ・・・磁路の周方向に沿った対向面
７ｘ・・・離間距離

Claims (5)

1. 所定枚数の電磁鋼板を積層して形成され、外周縁に沿って複数の磁石挿入孔が形成された回転子鉄心と、
   前記複数の磁石挿入孔に挿入されて、複数の磁極を構成する複数の永久磁石とを備える同期電動機の回転子であって、
   前記各磁極が、互いに離間して対向配置された少なくとも２つの永久磁石から構成されており、
   前記対向配置された２つの永久磁石における対向側端部それぞれに空隙からなるフラックスバリアが形成されるとともに、それらフラックスバリアの間に前記電磁鋼板からなる磁路部が形成されており、
   前記磁路部における前記永久磁石の対向方向に沿って互いに対向する対向面が、互いに平行であり、且つ、それら対向面の離間距離が、１ｍｍ〜３ｍｍである同期電動機の回転子。
2. 前記対向面の離間距離が、２ｍｍ〜３ｍｍである請求項１記載の同期電動機の回転子。
3. 請求項１又は２記載の回転子と、
   前記回転子の周囲に設けられた固定子とを備える同期電動機。
4. 電動車両用のものである請求項３記載の同期電動機。
5. 電動車両用のモータジェネレータである請求項３記載の同期電動機。