JP2016127773A

JP2016127773A - 回転電機

Info

Publication number: JP2016127773A
Application number: JP2015002130A
Authority: JP
Inventors: 義隆前田; Yoshitaka Maeda; 浦田　信也; Shinya Urata; 信也浦田; 平本　健二; Kenji Hiramoto; 健二平本; 中井　英雄; Hideo Nakai; 英雄中井; 服部　宏之; Hiroyuki Hattori; 宏之服部; 利典大河内; Toshinori Okochi
Original assignee: Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2015-01-08
Filing date: 2015-01-08
Publication date: 2016-07-11

Abstract

【課題】回転電機における鉄損を低減する。【解決手段】ステータコイルが設けられたステータ１０２と、ステータ１０２に対向して配置され、永久磁石２２が埋め込まれたロータ１０４と、を備え、永久磁石２２は、１極当たり複数の永久磁石２２ａ，２２ｂに分割されており、ロータコア２０の回転方向に沿って磁力を異ならせることによって、ステータ１０２によって発生したロータコア２０内に生ずる不要な磁束を打ち消す回転電機１００とする。【選択図】図１

Description

本発明は、ロータコア内に磁石が埋め込まれた埋込構造永久磁石型の回転電機に関する。

ステータから磁界を発生させ、当該磁界とロータに埋め込まれた永久磁石との相互作用によりロータを回転させる回転電機が用いられている。このような回転電機では鉄損を低減することが必要とされる。鉄損を低減させるためには、ロータコア内に生ずる磁石起磁力を正弦波に近づけるとよい。

磁石起磁力による高調波磁束を低減するために、磁石とロータギャップとの間に空隙を設ける構成が開示されている（特許文献１，２）。これにより、高調波磁束を空隙によって遮断し、高調波損失を低減させることを目的としている。

また、ロータに設ける磁石を分割し、中央部に保持力の弱い磁石を配置して着磁及び脱磁により起磁力分布を変更する構成が開示されている（特許文献３）。また、ＳＰＭ（ＳｕｒｆａｃｅＰｅｒｍａｎｅｎｔＭａｇｎｅｔ）モータにおいて、シェル型磁石を用いてトルクリプルと鉄損を低減する技術が開示されている（特許文献４）。また、ＳＰＭモータにおいて、磁石の表面又は裏面の適切な位置に凹凸部を設ける技術が開示されている（特許文献５）。また、ロータに設けられた永久磁石を回転方向側を厚くすることで、回転方向側の磁力を強くする構成が開示されている（特許文献６，７）。

また、一極の磁石を複数に分割し、それぞれの磁石幅を異ならせることによって磁力を調整して効率を高めた構成が開示されている（特許文献８）。また、磁石内の渦電流損を低減するために磁石を分割した構成が開示されている（特許文献９，１０）。

特開２０１１−１２５１６３号公報特開２０１２−３４４７３号公報特開２０１０−２３９７７９号公報特開２００９−１４８１５８号公報特開２００５−３２８５８８号公報特開２００９−２６８２０４号公報特開２００４−３２８９６３号公報特開２０１２−１１０１５８号公報特開２０１２−１０５４８２号公報特許第４０８２１４０号公報

しかしながら、ロータコアに空隙を設けて高周波磁束を遮断する方法は有効であるが、空隙を設けるための加工が必要であり、製造コストが増大する等の問題がある。

また、埋込構造永久磁石型回転電機（ＩＰＭ型回転電機）では、磁石の磁力に分布を持たせた構造を採用している例もあるが、耐減磁を目的としており、磁石突極の起磁力を増加させるための構造とされている。このような構成では、ロータコアにおける鉄損を十分に低減することはできない。また、磁石を分割した構造では、磁石内の渦電流の低減を目的としており、磁石起磁力を正弦波に近づけるように構成されていない。

本発明の1つの態様は、永久磁石埋込型の回転電機であって、ステータコイルが設けられたステータコアと、前記ステータコアに対向して配置され、永久磁石が埋め込まれたロータコアと、を備え、前記永久磁石は、１極当たり２つ以上に分割されており、前記ロータコアの回転方向に沿って磁力を異ならせることによって、前記ステータコイルによって発生した前記ロータコア内に生ずる不要な磁束を打ち消すことを特徴とする回転電機である。

ここで、前記永久磁石は、１極当たり２つに分割されて前記ロータコア内にＶ字状に配置され、前記ロータコアの回転方向側の磁石は対となる他の磁石と磁力が異なることが好適である。

また、前記永久磁石は、１極当たり２つに分割されて前記ロータコア内にＶ字状に配置され、前記Ｖ字状の山部付近の磁力に対して谷部付近の磁力が強いことが好適である。

また、前記永久磁石は、１極当たり２つに分割されて前記ロータコア内にＶ字状に配置され、一方の磁石は前記Ｖ字状の山部付近の磁力に対して谷部付近の磁力が強く、他方の磁石は磁力が一定であることが好適である。

また、前記永久磁石は、磁石の表面の空隙幅又は磁石の厚さによって磁力が調整されていることが好適である。

本発明によれば、ロータコアに埋め込まれた磁石による磁力を調整することにより、ステータコイルによって生ずる不要な磁束を打ち消し、ロータコアにおける鉄損を低減した回転電機を提供することができる。

本発明の実施の形態における回転電機の構成を示す図である。本発明の実施の形態におけるロータの構成を示す図である。本発明の実施の形態における作用を説明する図である。本発明の実施の形態における作用を説明する図である。本発明の実施の形態における永久磁石の磁力の調整方法を説明する図である。

本発明の実施の形態における回転電機１００は、図１の断面図に示すように、ステータ１０２、ロータ１０４及び回転軸１０６を含んで構成される。回転電機１００は、円筒状のステータ１０２内にステータ１０２の内周面に対して空隙を介して外周面が対向するように円柱状のロータ１０４を配置した構造を有する。このような構成において、ステータ１０２に設けられたステータコイルに電流を供給することによりロータ１０４に対して回転磁界を発生させることでロータ１０４に対して回転駆動力を発生させる。当該回転駆動力によりロータ１０４が回転させられ、それに伴ってロータ１０４に固定された回転軸１０６に回転駆動力が伝達される。回転電機１００は、例えば、ハイブリッド自動車、電機自動車等の車両に適用される。

具体的には、ステータ１０２は、電磁鋼板等の磁性体からなるステータコア１０、ステータコア１０に巻回されたステータコイル（図示しない）を含んで構成される。ステータコイルに電流を流すことによって、ロータ１０４に対して回転磁界を発生させる。

ロータ１０４は、ロータコア２０と、ロータコア２０に埋め込まれた複数の（本実施の形態では１６個）の永久磁石２２を含む。ロータコア２０は、通常、回転軸１０６の方向に沿って複数の円盤状のコアプレートを重ね合わせて構成される。コアプレートは、通常は電磁鋼板によって形成される。ロータコア２０には、永久磁石２２を保持するように回転軸１０６の方向に形成された孔が設けられ、当該孔に永久磁石２２が配置される。また、ロータコア２０の中心には中心孔が設けられ、当該中心孔に回転軸１０６が嵌め込まれて固定される。

回転電機１００では、１極当たりの永久磁石２２が複数に分割されており、分割された永久磁石２２のそれぞれについてロータコア２０の回転方向に沿って磁力を異ならせて、ステータコイルによって発生したロータコア２０内に生ずる不要な磁束を打ち消すように構成される。

本実施の形態では、１極当たりの永久磁石２２を２つずつ対で所定間隔で配置する。より具体的には、永久磁石２２は１極毎にロータコア２０の周方向に沿って４５°間隔で配置される。また、対をなす２つの永久磁石２２ａ，２２ｂは、ロータコア２０の中心側から外周側に向かうほど互いに離間するように（略Ｖ字状をなすように）配設される。そして、図２に示すように、対をなす２つの永久磁石２２ａ，２２ｂにおいてロータコア２０の回転方向に沿って磁力を異ならせる。なお、図２では、図中に実線矢印で示すように右側から左側に向かってロータコア２０が回転しているものとする。

図２（ａ）の構成では、１極当たりの対の永久磁石２２において一方の磁石の磁力を他方の磁石の磁力よりも強くする。すなわち、１極当たりの対の永久磁石２２において、ロータコア２０の回転方向側（ロータコア２０が回転する先の側）の永久磁石２２ａに比べて永久磁石２２ｂの磁力を強くする。これによって、図３に示すように、ステータ１０２からロータコア２０内に形成される磁束（図中、太破線矢印で示す）を打ち消すように永久磁石２２ｂから永久磁石２２ａへ向かう磁束（図中、太実線矢印で示す）が形成される。

このように、ステータ１０２からロータコア２０内に形成された不要な磁束をロータコア２０に配置された永久磁石２２によって形成される磁束によって打ち消し合うことによって回転電機１００における鉄損を低減することができる。特に、ロータ１０４における３次渦電流損失の低減に効果がある。

図２（ｂ）の構成では、１極当たりの対の永久磁石２２においてそれぞれの磁石の磁力を回転方向に沿った位置によって異ならせる。すなわち、１極当たりの対の永久磁石２２において、中央部（Ｖ字状の谷部）の磁力を端部（Ｖ字の山部）の磁力に比べて強くする。言い換えると、回転方向側の永久磁石２２ａでは回転方向側から回転方向反対側に向けて磁力をより強くし、回転方向反対側の永久磁石２２ｂでは回転方向側から回転方向反対側に向けて磁力を弱くする。これによって、図４に示すように、永久磁石２２ａでは回転方向反対側から回転方向側に磁束（図中、太実線矢印で示す）が形成され、ステータ１０２からロータコア２０内に形成される磁束（図中、太破線矢印で示す）が打ち消される。一方、永久磁石２２ｂでは回転方向側から回転方向反対側に磁束（図中、太実線矢印で示す）が形成され、ステータ１０２からロータコア２０内に形成される磁束（図中、太破線矢印で示す）が強められる。ただし、ステータ１０２からの磁束は回転方向側の永久磁石２２ａの近傍において永久磁石２２ｂの近傍よりも強いので、永久磁石２２ａによる磁束の打ち消し効果は永久磁石２２ｂによる磁束の強め合いも効果が大きい。

当該構成においても、永久磁石２２による磁束の打ち消し効果が強め合いの効果よりも大きいので、ステータ１０２からロータコア２０内に形成された不要な磁束による鉄損を低減することができる。

なお、図２（ａ）の構成では、永久磁石２２ａ，２２ｂの配置にロータ１０４の回転方向への依存性があるが、図２（ｂ）の構成では配置の回転方向への依存性がない。したがって、図２（ｂ）の構成では、図２（ａ）の構成に比べて鉄損低減の効果は小さいが、ロータ１０４が正回転又は逆回転する状態のいずれにおいても鉄損低減の効果を得ることができる。

図２（ｃ）の構成では、図２（ａ）における永久磁石２２ｂと図２（ｂ）における永久磁石２２ａとが組み合わされる。すなわち、１極当たりの対の永久磁石２２において、回転方向側の永久磁石２２ａでは回転方向側から回転方向反対側に向けて磁力をより強くし、回転方向反対側の永久磁石２２ｂでは、磁力は一定であるが、ロータコア２０の回転方向側の永久磁石２２ａに比べて磁力を強くする。当該構成によっても、上記実施の形態と同様に、ステータ１０２からロータコア２０内に形成された不要な磁束による鉄損を低減することができる。

なお、永久磁石２２の表面磁力は、磁石の単位体積当たりの磁力、幅及び厚みによって決まる。したがって、永久磁石２２ａと永久磁石２２ｂとの磁力を異ならせるためには、永久磁石２２ａ及び永久磁石２２ｂの磁石の単位体積当たりの磁力、幅及び厚みの少なくとも１つを異ならせることにより所望の磁力にすればよい。

また、永久磁石２２ａ又は永久磁石２２ｂのそれぞれにおいて回転方向に沿って磁力を異ならせるには、永久磁石２２ａ又は永久磁石２２ｂのそれぞれにおいて回転方向に沿って磁石の単位体積当たりの磁力、幅及び厚みを異ならせればよい。

例えば、図２（ｄ）に示すように、永久磁石２２ａ，２２ｂをさらに分割して、それぞれ異なる磁力の磁石を配置することによって、図２（ｂ）と同じような磁力の分布とすることができる。

また、図５に示すように、永久磁石２２の周辺に空隙３０を設けることによって永久磁石２２からロータコア２０への磁力を調整することもできる。

図５（ａ）では、永久磁石２２ａの周囲に空隙３０を設け、永久磁石２２ｂの周囲には空隙３０を設けないことによって、等しい永久磁石２２ａ及び永久磁石２２ｂを用いてロータコア２０への磁力を永久磁石２２ａより永久磁石２２ｂで強くした構成を示している。ここで、空隙３０の幅を変えることによって永久磁石２２ａ，２２ｂからロータコア２０へ適切な磁力を影響させることができる。これによって、図２（ａ）に示したように、永久磁石２２ａと永久磁石２２ｂとでロータコア２０へ影響する磁力を異ならせることができる。

また、図５（ｂ）では、永久磁石２２ａ，２２ｂのそれぞれにおいて、ロータ１０４の回転方向に沿って空隙３０の幅を変化させることによって、図２（ｂ）に示すように、永久磁石２２ａでは回転方向側から回転方向反対側に向けて磁力をより強くし、永久磁石２２ｂでは回転方向側から回転方向反対側に向けて磁力を弱くすることができる。空隙３０の幅は、連続的に変化させてもよいし、段階的に変化させてもよい。

以上のように、本実施の形態における回転電機１００によれば、ロータコア２０に埋め込まれた永久磁石２２による磁力を調整することにより、ステータ１０２からロータコア２０内に生ずる不要な磁束を打ち消し、鉄損を低減することができる。

１０ステータコア、２０ロータコア、２２（２２ａ，２２ｂ）永久磁石、３０空隙、１００回転電機、１０２ステータ、１０４ロータ、１０６回転軸。

Claims

永久磁石埋込型の回転電機であって、
ステータコイルが設けられたステータコアと、
前記ステータコアに対向して配置され、永久磁石が埋め込まれたロータコアと、
を備え、
前記永久磁石は、１極当たり２つ以上に分割されており、前記ロータコアの回転方向に沿って磁力を異ならせることによって、前記ステータコイルによって発生した前記ロータコア内に生ずる不要な磁束を打ち消すことを特徴とする回転電機。
請求項１に記載の回転電機であって、
前記永久磁石は、１極当たり２つに分割されて前記ロータコア内にＶ字状に配置され、前記ロータコアの回転方向側の磁石は対となる他の磁石と磁力が異なることを特徴とする回転電機。
請求項１に記載の回転電機であって、
前記永久磁石は、１極当たり２つに分割されて前記ロータコア内にＶ字状に配置され、前記Ｖ字状の山部付近の磁力に対して谷部付近の磁力が強いことを特徴とする回転電機。
請求項１に記載の回転電機であって、
前記永久磁石は、１極当たり２つに分割されて前記ロータコア内にＶ字状に配置され、一方の磁石は前記Ｖ字状の山部付近の磁力に対して谷部付近の磁力が強く、他方の磁石は磁力が一定であることを特徴とする回転電機。
請求項１〜４のいずれか１項に記載の回転電機であって、
前記永久磁石は、磁石の表面の空隙幅又は磁石の厚さによって磁力が調整されていることを特徴とする回転電機。