JP2015133825A - 回転電機用ロータ - Google Patents

Abstract

【課題】ロータコアに埋め込まれた永久磁石の磁束密度を非対称に分布させることにより高トルクを得ることができる回転電機用ロータを提供する。【解決手段】永久磁石３は、第１の磁石領域８と第２の磁石領域９とで構成されスロット５に挿入され固定される。第１および第２の磁石領域８，９は、径方向外側面から径方向内側に回転方向とは逆方向側に向ったテーパ状の接合面１３により接合される。第２の磁石領域９は、第１の磁石領域８よりもジスプロシウムが多く含まれて成形されて低残留磁束密度、高保磁力化されており、永久磁石３のロータコア２外周側の回転方向逆側の隅角部１４に設けられる。永久磁石３の磁極がつくる磁束は径方向外側に向う方向になり、第１の磁石領域８の径方向外側が平坦部では同一の磁束密度となり、第２の磁石領域９において磁束密度が徐々に減少する。このため、磁石トルクのピーク位相が回転方向側にシフトする。【選択図】図２

Description

本発明は、電動モータおよび発電機として用いられる回転電機用ロータに関するものである。

従来、回転電機には、ロータコアに永久磁石を埋め込み固定した、いわゆる埋込磁石型のロータを備えたものがある。このロータは、例えば、強磁性板を積層したロータコアに形成された軸方向に延在する直方体状のスロットに、直方体状の永久磁石を挿入し径方向と直交するように配置したものが知られている。こうした埋込磁石型のロータを備えた回転電機（以下、ＩＰＭモータという）では、永久磁石によるマグネットトルク（以下、磁石トルクという）のみならず、リラクタンストルクが発生するため、ロータコアの表面に永久磁石を固着した、いわゆる表面磁石型のロータを備えた回転電機（ＳＰＭモータ）に比べ、高いトルクが得られる（例えば、特許文献１，２参照）。

特開２００４−３２９４７号公報 特開２０１２−２３９０４号公報

特許文献１には、ロータコアの円周方向における複数箇所に等ピッチで配設された永久磁石を備えたＩＰＭモータが提案されている。特許文献１に記載のＩＰＭモータのロータコアには、各永久磁石間の中央に等ピッチで突極が電磁鋼板を金型により打ち抜いて形成されている。この突極は、ロータコアの円周方向における突極の中心とロータコアの軸心とを結ぶ線に対して非対称の形状に形成されている。このため、リラクタンストルクのピーク位相を磁石トルクのピーク位相に近付けることができ、合成トルクを高めることができる。しかしながら、このＩＰＭモータでは、ロータコアの平面形状がいわゆる風車形状であって真円形状ではないため、ロータ・ステータ間に異物を噛み込むと突極に引っ掛かってモータロックしやすいという問題がある。また、ロータ・ステータ間に油が溜められた電動モータの場合、ロータコアの攪拌抵抗が増加し、モータ効率が低下するという問題がある。

これらの問題を解消するものとして、特許文献２には、平面形状が真円形状のロータコアの外周と永久磁石との間に空隙を備えたＩＰＭモータが提案されている。ＩＰＭモータの設計変更などにより永久磁石のグレード（残留磁束密度の大きさなど）や電磁鋼板のグレード（飽和磁束密度の大きさなど）を変更する場合、磁石トルクおよびリラクタンストルクの大きさが変化するので、ピーク位相のシフト量も変化する。しかしながら、特許文献２に記載のＩＰＭモータでは、ロータコアに設けられる空隙の形状でシフト量が決定されるため、ロータコアを製作するための金型を変更する必要があり、さらにコスト高となる問題がある。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、ロータコアに埋め込まれた永久磁石の磁束密度を非対称に分布させることにより高トルクを得ることができる回転電機用ロータを提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、回転電機用ロータにおいて、複数枚の積層された強磁性板により形成され、軸線方向に複数のスロットが形成されたロータコアと、前記スロットに収容された永久磁石と、を備え、前記永久磁石は、残留磁束密度の異なる隣り合う磁石領域により形成され、前記永久磁石の中心より一方向の回転方向における後半部に残留磁束密度が小さく保磁力の大きな磁石領域が配置されていることを要旨とする。

上記構成によれば、永久磁石の中心より一方向の回転方向の後半部に残留磁束密度の小さい磁石領域を設けることにより、永久磁石からの磁束密度分布を非対称化し、永久磁石がつくる磁束方向を回転方向側にずらすことができる。これにより、磁石トルクのピーク位相をリラクタンストルクのピーク位相に近付けることができるので、磁石トルクとリラクタンストルクとを合計した合成トルクを向上させ、高いトルクを得ることができる。したがって、ＩＰＭモータの設計変更などにより、永久磁石のグレードや電磁鋼板のグレードを変更する場合であっても、永久磁石の磁束密度の分布を変更して磁石トルクのピーク位相のシフト量を最適化することができるので、コスト高が抑制され設計変更などに容易に対応することができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の回転電機用ロータにおいて、前記隣り合う磁石領域は、前記ロータコアの回転方向とは逆方向側に向って磁束密度が小さくなるように径方向内側に向ってテーパ状に接合面が形成されていることを要旨とする。上記構成によれば、テーパ状に接合された磁石領域が形成されることにより、磁束密度は永久磁石の回転方向とは逆方向側に向って徐々に減少するので、シフト後に滑らかな波形の磁石トルクが得られ合成トルクの急激な変化が抑えられる。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の回転電機用ロータにおいて、前記残留磁束密度が小さく保磁力の大きな磁石領域は、前記ロータコアの外周側における前記永久磁石の隅角部に設けられていることを要旨とする。上記構成によれば、永久磁石の円周方向の後端部側（回転方向逆側）に作用する逆磁界の大きさに応じてロータコア外周側の永久磁石の隅角部に大きな保磁力を有する磁石領域を設けるようにしたので、永久磁石の耐減磁性を向上させることができる。

本発明によれば、ロータコアに埋め込まれた永久磁石の磁束密度を非対称に分布させることにより高トルクを得ることができる回転電機用ロータを提供できる。

本発明の一実施形態に係る回転電機用ロータの平面図。 図１の永久磁石の詳細な構成を示す図。 図１の回転電機用ロータの電気角と回転電機用ロータに発生するトルクの関係を示す図。

以下に、本発明の実施形態の回転電機に用いられる回転電機用ロータ１について、ＩＰＭモータのロータの図に基づいて説明する。なお、以下の説明において、径方向および軸線方向とは、回転電機用ロータ１（ロータコア２）の半径方向および軸方向を指す。

図１は、本発明の一実施形態に係る回転電機用ロータ１の平面図である。
回転電機は、例えば、車両に搭載され、油圧を発生させる電動オイルポンプ装置の駆動源用の電動モータ（例えば、３相のブラシレスモータなど）として用いられる。図１に示すように、回転電機用ロータ１は、回転電機（本実施形態では、ＩＰＭモータ）の回転軸（図示せず）と一体回転可能に固定される円柱状のロータコア２と永久磁石３とを備えて構成される。ロータコア２には、複数（本実施形態では、４つ）の永久磁石３がロータコア２内にそれぞれ埋設されて固定されている。すなわち、本実施形態の回転電機用ロータ１は、いわゆる埋込磁石型のロータとして構成されている。このように構成された回転電機は、図示しないステータの各コイルに駆動電力が供給されることにより形成される磁界と、永久磁石３の磁束との間に生じる磁気的な吸引力および反発力により回転電機用ロータ１が回転する構成となっている。

ロータコア２は、鉄や電磁鋼板などの軟磁性材料からなり、回転電機の回転軸が挿入される挿入孔７を有する略円柱状に形成されている。ロータコア２には、略長方形板状の永久磁石３がそれぞれ内部に配置される複数（本実施形態では、４つ）のスロット５が形成されている。なお、本実施形態のスロット５は、それぞれ永久磁石３の断面形状と略同一の断面形状を有する孔（空洞）状に形成されている。

ロータコア２は、コア本体部１０と、スロット５の径方向外側に位置する第１の外周磁性体領域１１と、隣り合う第１の外周磁性体領域１１に挟まれた第２の外周磁性体領域１２とを備えて構成されている。ロータコア２は、電磁鋼板からなる薄板円盤状の強磁性板（以下、ロータプレートという）４が複数枚軸線方向に積層されて構成されている。ここで、ロータコア２は、例えば、表面に絶縁処理が施された珪素鋼板などを用いた電磁鋼板を打ち抜いて所定の形状に形成された複数枚の薄板状のロータプレート４が回転電機用ロータ１の軸線方向に積層固定された積層体である。具体的には、ロータコア２を形成する各ロータプレート４を転積し、すなわち、ロータプレート４の向きを回転させて軸線方向に積層し、スロット５が形成される。

図１に示すように、各永久磁石３は、ロータコア２の軸線方向に直方体状に形成され、ロータコア２の外周縁の近傍に９０度間隔で軸線方向に貫通形成された４つのスロット５にそれぞれ収容され、ロータコア２に固定保持されている。永久磁石３が挿入されたスロット５の両端部には、それぞれ外周縁に向って延びる矩形状開口部６が磁気に対するエアギャップとして形成されている。

永久磁石３は、円周方向において一方の極性（例えば、Ｎ極）の永久磁石３が、他方の極性（例えば、Ｓ極）の永久磁石３に隣り合うように磁化（着磁）されている。永久磁石３は、それぞれの板厚方向と略沿う方向に磁化されており、コア本体部１０ならびに第１および第２の外周磁性体領域１１，１２は、それぞれロータコア２の外周縁を通過する永久磁石３の磁束の磁路となっている。なお、本実施形態の永久磁石３には、焼結磁石（例えば、ネオジム焼結磁石など）が用いられており、この永久磁石３は、スロット５内に配置固定された後に着磁されるようになっていてもよいし、先に着磁したものをスロット５内に配置固定してもよい。

次に、図２は、図１の永久磁石３の詳細な構成を示す図である。
図２に示すように、永久磁石３はスロット５に挿入され固定される。永久磁石３は、第１の磁石領域８と第２の磁石領域９とで構成されている。第２の磁石領域９は、径方向の断面形状が略三角形をなし、第１の磁石領域８と組み合わされて略長方形を形成している。そして、接合面１３が第１の磁石領域８の径方向外側面から径方向内側に回転方向逆側の側面に向ってテーパ状に形成され、第１の磁石領域８および第２の磁石領域９が接合されている。第１の磁石領域８には、本実施形態では、ネオジム焼結磁石に磁石の保磁力を高めるための添加物として結晶磁気異方性の高い元素であるジスプロシウム（Ｄｙ）が用いられ、磁石領域全体に添加されている。

また、第２の磁石領域９は、第１の磁石領域８よりもジスプロシウムが多く集中して含まれ高保磁力化されて形成されており、永久磁石３のロータコア２外周側の回転方向逆側（円周方向後方）の隅角部１４に配置されている。すなわち、永久磁石３において大きな逆磁界が作用する領域（隅角部１４）には保磁力の大きな磁石領域（第２の磁石領域９）が配置されている。したがって、永久磁石３の回転方向逆側には逆磁界が作用するため、この逆磁界が大きい場合には永久磁石３に減磁が発生するので、減磁に抗し得る大きな保磁力を有した磁石領域を配置することにより減磁を抑えることが可能になる。しかしながら、第２の磁石領域９の残留磁束密度は、ジスプロシウムが多く含まれるために、第１の磁石領域８の残留磁束密度よりも低くなっている。

ここで、永久磁石３がつくる磁束の方向、すなわちロータコア２の円周方向（ロータコア２の回転方向Ｒ）における永久磁石３の中心（第１の外周磁性体領域１１の中心）とロータコア２の軸心Ｊ１とを結ぶ線の方向をｄ軸（図中矢印破線で示す）とする。そして、このｄ軸と電気的、磁気的に直交する方向、すなわちロータコア２の円周方向（ロータコア２の回転方向Ｒ）における永久磁石３間の中心（第２の外周磁性体領域１２の中心）とロータコア２の軸心Ｊ１とを結ぶ線の方向をｑ軸（図中矢印破線で示す）とする。ＩＰＭモータにおいて、回転電機用ロータ１のｄ軸上に磁石トルクを発生させるための永久磁石３が、ｑ軸上にリラクタンストルクを発生させるための突極（ロータコア２）が配設される。

永久磁石３の磁極がつくる磁束は図２中矢印で示す方向になり、第１の磁石領域８の径方向外側が平坦部では同一の磁束密度となり、第２の磁石領域９において磁束密度は円周方向の後端部に向って徐々に減少する（図中一点鎖線で示す）。その結果、磁束密度分布が非対称となり磁石磁束の中心であるｄ軸が等価的に回転方向側（円周方向前方）にずれてｄｄ軸（図中矢印実線で示す）までシフトする。これにより、磁石トルクのピーク位相がずれて磁石トルクが変化させられる。

図３は、図１の回転電機用ロータ１の電気角と回転電機用ロータ１に発生するトルクの関係を示す図である。なお、横軸に電流位相の電気角〔°〕、縦軸にトルクを表わす。
図２に示すように、磁石トルクのピーク位相をロータコア２の回転方向側にずらしてｄｄ軸までシフトさせる。これにより、図３に示すように、磁石トルク（シフト前、図示一点鎖線）の位相を図示矢印ａ方向にシフトさせて磁石トルクのピーク位相（シフト後、図示破線）をリラクタンストルク（図示実線）のピーク位相に近付けることができる。この結果、磁石トルクおよびリラクタンストルクの合成トルク（シフト前、図示破線）を高めることができる（シフト後、図示実線太線）。磁石トルクのピーク位相のシフト量は、図２に示す第２の磁石領域９の径方向の幅、円周方向の長さなどにより任意に設定することができる。さらに、シフト前後のモータトルクが同一のときには、磁石使用量を低減することができ、さらに小型化、低コスト化を図ることができる。

次に、上記のように構成された本発明の実施形態に係る回転電機用ロータ１の作用および効果について説明する。

上記実施形態によれば、永久磁石３は、残留磁束密度の異なる隣り合う第１および第２の磁石領域８，９から形成されており、永久磁石３の中心より一方向の回転方向Ｒにおける後半部に残留磁束密度が小さく保磁力の大きな第２の磁石領域９が形成されている。隣り合って接合される第１および第２の磁石領域８，９は、永久磁石３のロータコア２の回転方向とは逆方向側に向って磁束密度が小さくなるように接合面１３が径方向内側に向ってテーパ状に形成されている。第２の磁石領域９は、第１の磁石領域８に比べて添加物であるジスプロシウムを多く含んで高保磁力化されており、断面形状が略三角形に形成されてロータコア２外周側の隅角部１４に配置されている。

このため、永久磁石３からの磁束は永久磁石３の円周方向の後端部に向って徐々に減少するので、永久磁石３による磁束密度を非対称に分布させ、永久磁石３がつくる磁束の方向（ｄ軸）を等価的に回転方向側（円周方向前方）にずらしてｄｄ軸までシフトすることができる。また、シフト後に滑らかな波形の磁石トルクが得られるので、磁石トルクとリラクタンストルクとを合計した合成トルクの急激な変化が抑えられる。さらに、永久磁石３の円周方向の後端部に作用する逆磁界の大きさに応じてロータコア２外周側の永久磁石３の隅角部１４に大きな保磁力を与えるようにしたので、永久磁石３の耐減磁性を向上させることができる。

上記のように残留磁束密度が小さく保磁力の大きな第２の磁石領域９は、永久磁石３の中心より一方向の回転方向Ｒにおける後半部のロータコア２外周側の隅角部１４に形成されているので、永久磁石３による磁束密度分布を変化させ、回転電機用ロータ１の一方向の回転方向Ｒに対し磁石トルクのピーク位相を回転方向側にシフトさせてリラクタンストルクのピーク位相に近付けることができる。

これにより、磁石トルクとリラクタンストルクとの合成トルクを向上させ、高いトルクを得ることができる。さらに、ピーク位相をシフトする前後のＩＰＭモータのトルクが同一のときは、永久磁石３の使用量を低減することができ、さらに小型化、低コスト化を図ることができる。この結果、ＩＰＭモータの設計変更などにより、永久磁石や電磁鋼板のグレードを変更する場合であっても、永久磁石３の磁束密度の分布を変更して磁石トルクのピーク位相のシフト量を最適化することができるので、コスト高が抑制され設計変更などに容易に対応することができる。

以上のように、本発明の実施形態によれば、ロータコアに埋め込まれた永久磁石の磁束密度を非対称に分布させることにより高トルクを得ることができる回転電機用ロータを提供することができる。

以上、本発明に係る実施形態について説明したが、本発明はさらに他の形態で実施することも可能である。

上記実施形態では、永久磁石３の径方向の断面形状は、略長方形板状であったが、これに限定されるものでなく、略逆円弧状や中心軸Ｊ１から径方向外側に放射状に延びる平板状の形状を有した永久磁石でもよい。

また、上記実施形態では、永久磁石３は、均一な板厚の平板で成形されていたが、これに限定されるものでなく、永久磁石３の断面形状は逆Ｕ字形、または扁平な台形状でもよい。

上記実施形態では、永久磁石３にネオジム焼結磁石を用いたが、これに限定されるものでなく、例えば、ボンド磁石（例えば、プラスチックマグネット、ゴムマグネットなど）を用いてスロット５にボンド磁石を充填して成形してもよい。

また、上記実施形態では、永久磁石３の保磁力を高めるための添加物として、ジスプロシウムを用いたが、これに限定されるものでなく、他の材料、例えば、テルビウム（Ｔｂ）などを用いてもよい。

上記実施形態では、ジスプロシウムの使用量を変更させて残留磁束密度の異なる第１および第２の磁石領域８，９を形成して高トルク化する例を示したが、これに限定されるものでなく、別種類の磁石を使用して同様の効果を得ることが可能である。例えば、回転方向逆側の隅角部１４の磁石は、低残留磁束密度、かつ高保磁力、回転方向側の磁石は、高残留磁束密度、かつ低保磁力のものを用いる。

上記実施形態において、ロータコア２は、永久磁石３の形状に合わせて珪素鋼板を用いた電磁鋼板を積層して形成されていたが、これに限定されるものでなく、例えば、圧粉磁心を用いてもよい。

上記実施形態では、隣り合う第１および第２の磁石領域８，９をテーパ形状を有する接合面１３で接合させるようにしたが、これに限定されるものでなく、例えば、円周方向に直角に分割して接合させたものや、複数の異なる保磁力を有する磁石を組み合わせたものでもよい。

上記実施形態では、４つの永久磁石３を備えたＩＰＭモータに適用する場合を説明したが、これに限定されるものでなく、任意の数の永久磁石を任意の位置に配置したＩＰＭモータに適用することが可能である。また、上記実施形態では、ロータコア２の平面形状は円形状にしたが、これに限定されるものでなく、磁極中央が飛び出た、いわゆる花びら形状のロータコアにも適用可能であり、さらに、磁束密度分布を正弦波状に近付けて、異音や振動の発生を抑制することができる。また、上記実施形態では、インナロータのＩＰＭモータに適用する場合を説明したが、アウタロータのＩＰＭモータに適用することも可能である。

上記実施形態では、本発明を電動オイルポンプ装置などの駆動源に用いられる電動モータに具体化したが、これに限定されるものでなく、他の装置の駆動源用モータとして用いてもよく、また、発電機として用いてもよい。

１：回転電機用ロータ、２：ロータコア、３：永久磁石、４：ロータプレート、
５：スロット、６：矩形状開口部、７：挿入孔、８：第１の磁石領域、
９：第２の磁石領域、１０：ロータ本体部、１１：第１外周磁性体領域、
１２：第２外周磁性体領域、１３：接合面、１４：隅角部、
Ｊ１：中心軸、Ｒ：回転方向、ｄ，ｄｄ：ｄ軸、ｑ：ｑ軸

Claims (3)

1. 複数枚の積層された強磁性板により形成され、軸線方向に複数のスロットが形成されたロータコアと、
   前記スロットに収容された永久磁石と、を備え、
   前記永久磁石は、残留磁束密度の異なる隣り合う磁石領域により形成され、前記永久磁石の中心より一方向の回転方向における後半部に残留磁束密度が小さく保磁力の大きな磁石領域が配置されていることを特徴とする回転電機用ロータ。
2. 請求項１に記載の回転電機用ロータにおいて、
   前記隣り合う磁石領域は、前記ロータコアの回転方向とは逆方向側に向って磁束密度が小さくなるように径方向内側に向ってテーパ状に接合面が形成されていることを特徴とする回転電機用ロータ。
3. 請求項１または２に記載の回転電機用ロータにおいて、
   前記残留磁束密度が小さく保磁力の大きな磁石領域は、前記ロータコアの外周側における前記永久磁石の隅角部に設けられていることを特徴とする回転電機用ロータ。

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