JP2017050965A - 回転電機の回転子構造 - Google Patents

Abstract

【課題】トルク低下を抑制しつつ、鉄損を低減し、且つ、ロータコアの強度の観点からも満足できる回転子構造を提供する。【解決手段】電磁鋼板を積層して構成されるロータコアと、ロータコアにおける一磁極を構成する少なくとも一つの永久磁石と、該永久磁石を埋設するための磁石挿入孔と、を備えた回転子構造であって、ロータコアは、磁石挿入孔において、一磁極が構成するｄ軸と電気的に直交するｑ軸側の端部に設けられたフラックスバリアを有しており、該フラックスバリアは、ロータコアの外周に最も近い部分が、永久磁石の端部からｄ軸へ向かって該ロータコアの外周と略平行に延在する突出部を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、回転電機の回転子構造に関する。

従来、２枚の永久磁石をＶ字状に配置して一磁極を構成する埋め込み磁石型モータにおいて、該永久磁石のロータ外周側の端部にフラックスバリアを設け、該フラックスバリアの一部が該永久磁石の傾斜方向に沿って延在するように切り欠き形成されたロータ構造が知られている（特許文献１参照）。このように形成されたフラックスバリアは、永久磁石から出る磁石磁束を直接的に抑制し、ステータに鎖交する磁束密度を低減させるので、結果として鉄損が抑制される。

特許第５４７９９７８号公報

ところが、上記のようなフラックスバリアの形状では、永久磁石から出る磁石磁束が直接的に抑制されるため、マグネットトルクも低下する。ここで、特許文献１に開示されたような突極性を有する埋め込み磁石型モータは、その突極性を利用したリラクタンストルクも活用することができるため、高電流域においては、マグネットトルクに加えてリラクタンストルクも利用することで、モータ全体としてのトルク低下を抑制することができる。

しかしながら、マグネットトルクが支配的となる低電流域においては、トルク低下を回避するためにより大きなステータ電流が必要となるため、銅損が増加する。このため、上記フラックスバリアの形状によって鉄損が抑制されても、モータ全体の損失低減効果は小さくなる。

また、上記フラックスバリアは、永久磁石の傾斜方向に沿って延在するように切り欠き形成されているため、ロータコアにおいて永久磁石よりも外周側に形成されるブリッジ形状部に対して屈曲するような形状となる。したがって、ロータの高速回転時の遠心力によって該ブリッジ部に応力が集中するため、ロータコアの強度の観点から好ましくない。

本発明は、トルク低下を抑制しつつ、鉄損を低減し、且つ、ロータコアの強度の観点からも満足できる回転子構造を提供することを目的とする。

本発明による回転電機の回転子構造は、電磁鋼板を積層して構成されるロータコアと、ロータコアにおける一磁極を構成する少なくとも一つの永久磁石と、該永久磁石を埋設するための磁石挿入孔と、を備える。ロータコアは、磁石挿入孔において、一磁極が構成するｄ軸と電気的に直交するｑ軸側の端部に設けられたフラックスバリアを有しており、該フラックスバリアは、ロータコアの外周に最も近い部分が、永久磁石の端部からｄ軸へ向かって該ロータコアの外周と略平行に延在する突出部を有する。

本発明によれば、永久磁石の端部からｄ軸へ向かって該ロータコアの外周と略平行に延在する突出部を有するフラックスバリアが形成されることで、ステータにおける磁束密度の高調波成分が抑制され、鉄損を低減させることができる。また、該突出部が形成されることにより定まるブリッジ部の形状によれば、高速回転時の応力集中を分散させることができるので、ロータコアの強度を向上させることができる。

図１は、第1実施形態の回転子構造を説明するための図である。 図２は、ロータの電気角に対応して測定されたステータ径方向の磁束密度[Ｔ]の解析結果を示す図である。 図３は、図２で示すステータ磁束密度の高次成分を表した図である。 図４は、本実施形態の回転子構造による高速回転時の鉄損低減効果を示す図である。 図５は、従来例と本実施形態との応力集中箇所を比較するための図である。 図６は、本実施形態の回転子構造によるブリッジ部の応力低減効果を示す図である。 図７は、トルク及び鉄損と電気角θｄとの関係を示す図である。 図８は、ＷＬＴＣ（Worldwide harmonized Light-duty Test Cycle）モードに基づき測定されたモータ総合損失を、従来例と本実施形態とで比較した図である。 図９は、第２実施形態の回転子構造を説明するための図である。 図１０は、従来例と第1実施形態とのロータコアにおけるｑ軸磁束の違いを説明するための図である。 図１１は、第１実施形態の回転子構造において、ステータ鎖交磁束φａ、リラクタンストルク、トルク、および、ｑ軸インダクタンスＬｑと、θｄとの関係を示す図である。 図１２は、第１実施形態と第２実施形態とのロータコア１を流れるｑ軸磁束の違いを説明するための図である。 図１３は、第１実施形態と第２実施形態のトルクおよび鉄損と、θｄとの関係を示す図である。 図１４は、比較例と第２実施形態との応力集中箇所を示す図である。 図１５は、第２実施形態の回転子構造によるブリッジ部の応力低減効果を数値で示す図である。 図１６は、第３実施形態の回転子構造を説明するための図である。 図１７は、第２実施形態と第３実施形態のトルクおよび鉄損と、θｄとの関係を示す図である。 図１８は、溝の位置、及び、幅を規定するための指標を説明するための図である。 図１９は、高速回転時における第３実施形態のトルク及び鉄損と、θＧｐとの関係を示す図である。 図２０は、高速回転時における第３実施形態のトルク及び鉄損と、θｑに対するθＧｗ[°]の割合（θＧｗ／θｑ）との関係を示す図である。 図２１は、ＷＬＴＣモードに基づき測定されたモータ総合損失を、従来例と第３実施形態とで比較した図である。 図２２は、実施例１の回転子構造を説明するための図である。 図２３は、実施例２の回転子構造を説明するための図である。 図２４は、一般的なＩＰＭモータの回転子構造を説明するための図である。 図２５は、従来の回転子構造を説明するための図である。

−第1実施形態−
図１は、本実施形態の回転子構造を説明するための図である。図で表されるのは、電動機或いは発電機を構成する回転電機が備える回転子（ロータ）６を軸方向に垂直な断面から見た構成図であって、構成全体の一部（一極分）である。本実施形態の回転電機は、ロータ６の内部に永久磁石が埋設されたいわゆるＩＰＭ（Interior Permanent Magnet）型の回転電機であり、一極あたり２枚の永久磁石３が、ロータ６の外周側に開口するような略Ｖ字形状に配置された回転子構造を有する。

なお、ここでは８極構造のロータを例に挙げるが、極数についてはこれに限定されるものではない。ただし、以下に説明する種々の解析データは、８極構造のロータ６と、スロット数が４８であって、且つ、固定子巻線が分布巻きによって巻き回されたステータ（不図示）とで構成された回転電機に本願発明を適用して解析されたことを前提とする。

回転子コア（ロータコア）１は、厚さ数百μｍの電磁鋼板を円環状に打ち抜き加工したものを軸方向に積層して形成された、いわゆる積層電磁鋼板構造により円筒形に構成されている。また、電磁鋼板単板には、永久磁石３を埋設するための磁石挿入孔２（以下、単に磁石孔２ともいう）が形成されるとともに、磁石孔２の周方向両端部にはフラックスバリア４、５が形成されている。

磁石孔２は、一極あたり二つの永久磁石３をそれぞれ埋設するために電磁鋼板単板に形成された孔である。磁石孔２は、ロータ６の外周側に開口する略Ｖ字形状となるような配置で、一定の機械角毎に形成される。本実施形態のロータ６は８極構造である為、略Ｖ字形状に配置された一組の磁石孔２が、機械角４５度毎に形成される。図１に示すのはその一極分である。

一極当たり二つの磁石孔２が形成された電磁鋼板が軸方向に積層されることで、ロータコア１には永久磁石３を埋設するための孔部が形成される。そして、永久磁石３は、ロータコア１の孔部内に挿入された状態で固定される。また、永久磁石３は、二枚で一磁極を構成し、ロータ６の周方向に沿って、二つの永久磁石３が構成する磁極が互いに等間隔で、且つ、互いに隣接する磁極の極性が異極性となるように配置される。この二枚の永久磁石３がつくる磁束の方向がｄ軸であり、ｄ軸に対して電気的磁気的に直交する方向がｑ軸である。

永久磁石３は、長手方向の幅が磁石孔２よりも小さく形成されており、磁石孔２の周方向両端部分には、空間部分としてのフラックスバリア４、５が形成される。この空間部分は、電磁鋼板よりも透磁率が低く、すなわち磁気抵抗が大きい。したがって、フラックスバリア４、５は、永久磁石３がロータ６に構成する磁気回路において、磁束（フラックス）が通りにくい磁気的障壁として作用する。

本願発明は、永久磁石３の長手方向の両端部分に形成されたフラックスバリア４、５のうち、特にｑ軸側に設けられたフラックスバリア５の形状に特徴を有する。

ここで、本実施形態の特徴であるフラックスバリア５の詳細を説明する前に、本発明の比較となる従来の回転子構造と、その構造による特性および問題点について、図を参照しながら説明する。

複数の磁石挿入孔を設けたロータコアに永久磁石が埋設された構造であるいわゆるＩＰＭモータは、マグネットトルクだけでなく、リラクタンストルクも有効に活用することができ、モータが出力するトルク密度を向上させることができる。そのため、ＩＰＭモータは、電動車両の駆動源ならびに発電用のモータ（回転電機）として広く用いられている。図２４は、一極あたり二枚の永久磁石を略Ｖ字形状に配置したＩＰＭモータの一般的な回転子形状を示している。

ＩＰＭモータが備える回転子形状によれば、永久磁石の長手方向両端部分に設けられたフラックスバリアが、永久磁石から出た磁束が該永久磁石の異極側へ漏洩する際の磁気障壁となるため、永久磁石３からの磁石磁束を漏れなくステータ側に鎖交させることができ、トルク性能を向上させる。

一方で、電動車両の航続距離の観点から、ＩＰＭモータの高効率化や連続出力性能の向上が求められており、そのためにはＩＰＭモータの損失低減が必要である。特に、電動車両は、日本国内だけでなく世界中で需要が高まっており、米国のＬＡ４モードや日本のＪＣ０８モードだけでなく、ＷＬＴＣ（Worldwide harmonized Light-duty Test Cycle）モードのようなモータの高速回転域も含めた運転域における効率や長時間の高速巡航を考慮する必要がある。そのため、モータの損失において高速回転域で支配的となる鉄損を低減させることが特に重要である。

また、高速回転時は、高速回転に伴う遠心力に対して、ｑ軸側のフラックスバリアとロータ外周との間のコア薄肉部（ブリッジ部）の強度が弱点となるため、ロータコアの構造設計において、性能と強度とを両立させることが課題となる。

これに対して、特許５４７９９７８号（特許文献１参照）では、図２５に示すように、一極あたり二枚の永久磁石をＶ字状に配置したロータにおいて、永久磁石のｑ軸側の端部にフラックスバリアを設け、該フラックスバリアのｄ軸側の一部が永久磁石の傾斜方向（長手方向）に沿って延在するように形成されていることを特徴とする回転子構造が提案されている。この回転子構造は、フラックスバリアの延在部によって永久磁石から出る磁石磁束を直接的に抑制することでステータコアに鎖交する磁束密度を低減し、その結果として鉄損を低減している。

しかしながら、特許文献１の技術では、鉄損を低減する動作点において、リラクタンストルクを活用できる高電流域でのトルク低下は抑制できるものの、マグネットトルクの割合が大きい低電流域では、マグネットトルクの低下分をリラクタンストルクによってカバーすることが困難である。そのため、低電流域において上記延在部によって磁石磁束が低減されると、鉄損を低減する動作点において、同トルクを出力するのに必要な電流が増加する。その結果、銅損が増加してしまうため、モータ全体の損失低減効果は小さくなる。

また、特許文献１に開示されたフラックスバリアは、永久磁石のロータ外周側の端部から、該永久磁石の傾斜方向に沿って延在するように切り欠き形成されている。そのため、フラックスバリアの延在部がブリッジ部に対して屈曲するような形状となり、この屈曲部分に応力が特に集中すると考えられるため、ロータコアの強度の観点から好ましい形状とは言えない。

本願発明は、永久磁石３のロータ外周側（ｑ軸側）の端部に、トルクの低下を抑制しつつ、鉄損を低減することができ、且つ、ロータコア１の強度の観点からも好ましい形状のフラックスバリア５を有する回転子構造を提供することを目的とする。以下、本願発明に係る第１実施形態の回転子構造の詳細について、図を参照しながら説明する。

図１に戻って説明を続ける。上述のとおり、本実施形態の回転子構造は、一極につき二枚の永久磁石がそれぞれ埋設される一組の磁石挿入孔２を備えており、各磁石挿入孔２のｑ軸側の端部であって、且つ、ロータコア１の外周側の端部に設けられたフラックスバリア５の形状に特徴を有する。

すなわち、本実施形態のフラックスバリア５は、ロータコア１の外周に最も近い部分（最外周部）が、永久磁石３のロータコア１の外周側の端部からｄ軸側に向かって、ロータコア１の外周と略平行に延在して形成される突出部７を有することを特徴とする。

この突出部７を含むフラックスバリア５の最外周部がロータコア１の外周と略平行に形成されるため、フラックスバリア５とロータ６外周との間のブリッジ部８の磁束密度が一様に飽和し（磁気飽和）、ｑ軸方向に流れようとする磁束が低減する。これにより、永久磁石３から出る磁束密度のうち、突出部７の先端方向（ｄ軸方向）へ流れる磁束の割合が増加し、ロータ磁束が正弦波に近づくため、ステータ鎖交磁束における磁束密度の高調波成分（主に７次）を低減させることができる（図２、３参照）。

図２は、ロータ６の電気角[°]に対応して解析されたステータ径方向の磁束密度[Ｔ]の解析結果（ステータ磁束密度波形）を示す図である。また、図３は、図２で示したステータ磁束密度の次数成分を解析した解析結果である。ここで、図２および図３中に示す三つの解析結果（図２では、実線、破線、点線で示す）の差異について、図１を参照して説明する。

図２に示す三つの解析結果それぞれの指標となるθｄは、図１に示すｄ軸と接線Ｂとの間の電気角θｄ[°]に対応する。接線Ｂは、ロータ６（ロータコア１）の回転中心と、突出部７におけるｄ軸側先端とを通る接線である。すなわち、電気角θｄは、突出部７の永久磁石３の外周側端部からの長さを表す指標であり、θｄが大きいほど突出部７は短く、θｄが小さいほど突出部７が長いことを示す。

したがって、図２のθｄ＝５６（実線）は、図２５で示すような突出部を有さない従来形状の回転子構造にかかる測定結果を示し、θｄ＝４４（破線）、及びθｄ＝２８（点線）は、本実施形態に特徴的な突出部７を有する回転子構造の測定結果を示している。なお、θｄ＝４４（破線）、及びθｄ＝２８（点線）によるそれぞれの効果の違い、すなわち突出部７の長さに応じた効果の違いについては後述する。

図２から、本実施形態の回転子構造に基づくステータ磁束密度波形が、特に、電気角６０°〜１２０°及び２４０°〜３００°付近において差異が分かるように、全体的には正弦波に近づいていることが分かる。

また、図３から、本実施形態の回転子構造に基づくステータ磁束密度波形の、特に7次の高調波成分が従来例と比較して低減されていることが分かる。

ここで、鉄損は、ヒステリシス損と渦電流損の総計である。ヒステリシス損は、ステータ鎖交磁束の周波数に比例し、渦電流損は、ステータ鎖交磁束の周波数の２乗に比例する。したがって、本実施形態の回転子構造により、永久磁石３から出る磁石磁束の高調波成分が抑制されることにより、特にモータの高速回転域における鉄損を低減することができる。したがって、図３で示すとおり、３次の高調波成分が若干増加したとしても、より高次成分である７次の高調波成分が低減されることで、高速回転時の鉄損を大幅に低減することができる（図４参照）。

図４は、本実施形態の回転子構造による、高速回転時の鉄損低減効果を示す図である。横軸は、突出部７の長さを表す電気角θｄ[°]を示し、縦軸は、従来例に係る鉄損を１００[％]とした場合の、従来例と比較した割合[％]を示している。θｄ＝５６°の点が従来例の鉄損を示す。図４で示す解析結果から、本実施形態の回転子構造によれば、突出部７がθｄ＝２４°となる長さまでは、突出部７が長くなるほど、高速回転時の鉄損低減効果が高まることが分かる。

続いて、本実施形態の回転子構造におけるブリッジ部８の応力低減効果について、図５、図６を参照して説明する。

図５は、図２４で示した従来例と本実施形態との応力集中箇所を比較するための図である。図５（ａ）は、従来例におけるロータコアの応力コンタ図を示す。図５（ｂ）は、本実施形態のロータコア１の応力コンタ図を示す。各図中におけるロータコアは白を基準として描かれており、黒色が濃いほど応力が集中していることを示す。

図５（ａ）で示す従来例では、丸で囲まれた部分（ブリッジ部）に応力が集中しており、特に最大応力部位（最も黒い部分）を見ると、ブリッジ部の最も薄肉の部分を中心にひずむように応力が作用していることが分かる。

これに対して、図５（ｂ）で示す本実施形態では、ブリッジ部８に応力が集中しているものの、従来例と比べて、その黒色の分布は一様である。これは、突出部７の最外周部がロータコア１の外周と略平行に形成されることで、フラックスバリア５とロータコア１の外周との間に形成されるブリッジ部８のロータ径方向幅が一様であるためと考えられる。また、本実施形態のブリッジ部８には、従来例ほどに大きな応力が集中している部位は無い。これは、突出部７の先端部分を支点とする曲げモーメントを考えた場合に、突出部７を有することでブリッジ部８のロータ周方向長さが長くなり、応力の集中が緩和されるからである。

図６は、本実施形態の回転子構造によるブリッジ部８の応力低減効果を示す図である。図から分かるとおり、本実施形態の回転子構造によれば、図２４に示す従来例に比べて、約２３％の応力低減効果を得られることが分かる。

ここで、鉄損低減効果によるメリットと、トルク低下に伴う銅損増加のデメリットとのバランスから、本実施形態に係る突出部７の周方向長さの上限を設定することができる。以下、本実施形態の回転子構造が有する突出部７の周方向長さを規定する電気角θｄ[°]の上限値について、図７、図８を用いて説明する。

図７は、トルク及び鉄損と電気角θｄとの関係を示す図である。図から分かるとおり、θｄ＝２８°までは、θｄが小さくなるほど、すなわち、突出部７の周方向長さが大きくなるほど鉄損は低減するが、θｄが２８°を下回ったあたりから鉄損低減効果は飽和状態となる。θｄ＝２８°の時の高速回転時における鉄損は、従来に対して約１９％低減される。一方で、θｄ＝２８°の時のトルクは、従来に対して約２．６％低下する。

図８は、θｄ＝２８°に設定された突出部７を有する回転子構造において、ＷＬＴＣ（Worldwide harmonized Light-duty Test Cycle）モードに基づき測定されたモータ総合損失を、従来例と本実施形態とで比較した図である。なお、ＷＬＴＣとは、銅損が支配的となる低速回転域から鉄損が支配的となる高速回転域まで広範囲にわたる運転域をカバーするように策定された試験サイクルである。また、モータ総合損失とは、鉄損と銅損の合計である。

図８から分かるとおり、本実施形態の回転子構造は、従来と比べて銅損が２％増加してしまうが、トータルとしてのモータ総合損失は４％低減されており、トルク低下を補うために銅損が増加するデメリットよりも、鉄損低減効果のメリットの方が大きい。したがって、突出部７の周方向長さをθｄ≧２８°とすることで、鉄損低減による高速回転域での連続出力の向上が図れるとともに、全速度域の総合的な効率改善を実現することができる。

以上、第１実施形態の回転子構造は、電磁鋼板を積層して構成されるロータコア１と、ロータコア１における一磁極を構成する少なくとも一つの永久磁石３と、永久磁石３を埋設するための磁石挿入孔２と、を備える。ロータコア１は、磁石挿入孔２において、一磁極が構成するｄ軸と電気的に直交するｑ軸側の端部に設けられたフラックスバリア５を有しており、フラックスバリア５は、ロータコアの外周に最も近い部分が、永久磁石の端部からｄ軸へ向かってロータコア１の外周と略平行に延在する突出部７を有する。これにより、ロータ磁束が正弦波に近づくために、ステータにおける磁束密度のうち、主に７次の高調波成分を低減させることができるので、ロータ６の高速回転時における鉄損を大幅に低減することができる。

また、突出部７を設けることにより形成されるブリッジ部８の形状により、高速回転時の遠心力によって発生するブリッジ部８への応力集中を緩和することができるので、高速回転に対するロータコア１の強度を向上させることができる。

また、第１実施形態の回転子構造が備える突出部７は、ロータコア１の回転中心と、突出部７におけるｄ軸側の先端とを通る直線を接線Ｂとし、接線Ｂとｄ軸との間の電気角をθｄとした場合に、θｄ≧２８°を満たすように形成される。これにより、トルク低下による銅損が増加しても、それ以上の鉄損低減効果によりトータルとしてのモータ総合損失を低減させることができるので、鉄損低減による高速回転域での連続出力の向上が図れるとともに、全速度域の総合的な効率改善を実現することができる。

−第２実施形態−
図９は、第２実施形態の回転子構造を説明するための図である。本実施形態の回転子構造は、第１実施形態の回転子構造と、特に、フラックスバリア５のｑ軸側の形状が異なる。

具体的には、本実施形態の回転子構造におけるフラックスバリア５は、図９に示す接線Ａよりもｄ軸側に収まるように形成される。接線Ａは、ロータコア１の回転中心からロータコア１の外周まで引かれた、永久磁石３のｑ軸側の頂点を通る直線である。以下、フラックスバリア５をこのような形状にする事により得られる効果について説明する。

まず、鉄損低減効果の観点から、第２実施形態が奏する効果の前提となる、従来例と第１実施形態との回転子構造の違いに基づくロータコア１を流れるｑ軸磁束の違いについて説明する。

第１実施形態の回転子構造は、図１０に示す通り、突出部７を有するフラックスバリア５が、ロータコア１の外周側を流れるｑ軸磁束に対する磁気抵抗となるため、ｑ軸インダクタンスＬｑが従来例よりも低下する。そのため、第１実施形態の回転子構造では、θｄが小さくなるにしたがって、ステータ鎖交磁束φａ、リラクタンストルク、トルク（マグネットトルクとリラクタンストルクの合成トルク）、および、ｑ軸インダクタンスＬｑが低下していく（図１１参照）。

図１１は、第１実施形態の回転子構造において、θｄと、ステータ鎖交磁束φａ、リラクタンストルク、トルク、および、ｑ軸インダクタンスＬｑとの関係を示す図である。前述の通り、第１実施形態に係る回転子構造の効果により、ステータ鎖交磁束φａが増加するため、マグネットトルクは増加する。しかしながら、ＩＰＭモータは、ｑ軸インダクタンスＬｑが、ｄ軸インダクタンスＬｄよりも大きく、その差（突極比）によってリラクタンストルクを発生させるため、突出部７の周方向長さが大きくなるのに伴ってｑ軸インダクタンスＬｑが低下し、突極比が小さくなると、リラクタンストルクが低下する。その結果、マグネットトルクとリラクタンストルクの合成トルクに基づく最大トルクは低下傾向となる。

第1実施形態の回転子構造に係るこのような特性を前提に、第２実施形態の回転子構造により得られる効果について、図１２，１３を参照して説明する。

図１２は、第１実施形態と第２実施形態とのロータコア１を流れるｑ軸磁束の違いを説明するための図である。第２実施形態の回転子構造によれば、フラックスバリア５が接線Ａよりもｄ軸側に収まるように形成されるので、第１実施形態と比べて、ロータコア１の永久磁石３よりも回転中心側（内周側）を流れるｑ軸磁束の磁路幅が広くなる。これにより、永久磁石３の内周側を流れるｑ軸磁束に対するｑ軸インダクタンスＬｑが増加するため、ｄ軸インダクタンスＬｄとの差異を大きくすることができる。すなわち、永久磁石３の内周側のｑ軸磁路幅を広げ、本実施形態の回転子構造における突極比を大きくすることで、第１実施形態に比べて、リラクタンストルクを向上させることができる（図１３（ａ）参照）。

図１３は、第１実施形態と第２実施形態のトルクおよび鉄損と、θｄ[°]との関係を示す図である。図１３（ａ）に示す通り、第２実施形態の回転子構造は、リラクタンストルクを向上させるため、マグネットトルクとの合成トルクを第１実施形態よりも向上させることができる。

また、図１３（ｂ）に示す通り、第１実施形態の回転子構造により出力するトルクと同トルクを出力する場合、すなわち、θｄ＝５６°に設定した第１実施形態と、同トルクを出力するようにθｄ＝３９°に設定した第２実施形態とを比較した場合において、第２実施形態の回転子構造は、第1実施形態に比べて約７％の鉄損低減効果を得ることができる。

次に、第２実施形態の回転子構造により得られる応力低減効果について、図１４、図１５を参照して説明する。

図１４は、比較例と第２実施形態との応力集中箇所を示す図である。図１４（ａ）は、従来例に対して、第２実施形態の特徴を適用した場合のロータコアの応力コンタ図を示す。図５と同様に、図１４の各図中におけるロータコアは白を基準として描かれており、黒色が濃いほど応力が集中していることを示す。図１４（ａ）に係るフラックスバリアは、突出部７を有していないが、本実施形態の特徴を適用し、接線Ａよりもｄ軸側に収まるように形成されている。そのため、ブリッジ部の周方向長さが図５（ａ）で示した従来例よりも更に短くなるため、従来例よりもブリッジ部により応力が集中している。図１４（ｂ）は、本実施形態のロータコア１の応力コンタ図を示す。本実施形態の回転子構造によれば、突出部７との関係から、ブリッジ部８の周方向長さを確保出来ているので、本実施形態の回転子構造に起因する応力増加は見られず、比較例と比べて、応力を低減できていることが分かる。

図１５は、本実施形態の回転子構造によるブリッジ部８の応力低減効果を数値で示す図である。図１５の左側で示す比較例では、第２実施形態に係る特徴を適用したことでブリッジ部８の周方向長さがより短くなるため、従来例よりも応力が７％悪化している。これに対して、本実施形態の回転子構造は、比較例に比べて約３０％の大幅な応力低減効果を得られることが分かる。

以上、第２実施形態の回転子構造によれば、ロータコア１の回転中心からロータコア１の外周まで引かれた、永久磁石３のｑ軸側の頂点を通る線を接線Ａとした場合に、フラックスバリア５が、接線Ａよりもｄ軸側に収まるように形成される。これにより、ロータコア１において永久磁石３よりも内周側のｑ軸磁路幅を広げることができるので、ｑ軸インダクタンスＬｑが増加し、突極比が大きくなることでリラクタンストルクを向上させることができる。その結果、第１実施形態と比べても、同トルクを出力する際における鉄損をさらに低減することができる。

−第３実施形態−
図１６は、第３実施形態の回転子構造を説明するための図である。本実施形態の回転子構造は、第１、第２実施形態の回転子構造と比べて、ロータコア１の外周にロータコア１の軸方向に沿って形成された溝９を有している点が異なる。

溝９は、ロータコア１の回転中心から、永久磁石３のｑ軸側の頂点を通って引かれた接線Ａとｑ軸との間に形成される。このような溝９を形成する事により、第１実施形態において説明したのと同様にステータに鎖交する磁石磁束の高次成分を抑制することができるので、鉄損を低減させることができる。以下、鉄損低減効果について、図１７に示す解析結果を用いて説明する。

図１７は、第３実施形態と第２実施形態のトルクおよび鉄損と、θｄ[°]との関係を示す図である。図１７（ａ）に示す通り、第３実施形態の回転子構造は、溝９を有することでトルクが若干量低下する（０．５％弱）。しかしながら、図１７（ｂ）に示す通り、第２実施形態の回転子構造により出力するトルクと同トルクを出力する場合、すなわち、θｄ＝３９°に設定した第２実施形態と、同トルクを出力するθｄ＝４２°に設定した第３実施形態とを比較した場合において、第３実施形態の回転子構造は、第２実施形態に比べて約８％の鉄損低減効果を得ることができる。また、図１３（ｂ）を参照すれば、第３実施形態の回転子構造は、同トルクを出力するθｄ＝５６°に設定した第１実施形態に比べて約１５％の鉄損低減効果を示す。すなわち、本実施形態の回転子構造は、第１、第２実施形態に対して、同トルクにおける鉄損をより低減させることができる。

ここで、鉄損低減効果によるメリットと、トルク低下に伴う銅損増加のデメリットとのバランスから、本実施形態に係る溝９の位置、及び、幅を規定することができる。なお、溝９の形状は、図で示すようなＵ字状に限定されるものでは必ずしもなく、Ｖ字状など、特に限定されない。

図１８は、溝９の位置、及び、幅を規定するための指標を説明するための図である。溝９の位置は、θＧｐ[°]を用いて規定する。θＧｐは、接線Ａと、溝９のｄ軸側端部との間の電気角[°]である。すなわち、溝９の位置は、フラックスバリア５のｑ軸側端部からの電気角[°]で表される。溝９の幅は、θＧｗ[°]を用いて規定する。θＧｗは、溝９のｄ軸側の端部とｑ軸側の端部との間の電気角[°]である。また、接線Ａとｑ軸との間の電気角をθｑ[°]とする。θｑは、溝９の幅を、θｑとの割合によって規定するために用いられる。詳細は後述する。

まず、溝９の位置の規定について、図１９を用いて説明する。なお、図１９で示す解析結果は、θｄ＝４４°、θｑ＝１８°、θＧｗ＝４°に設定されたロータコア１のθＧｐを変化させて解析されたものである。

図１９は、高速回転時における第３実施形態のトルク及び鉄損と、θＧｐ[°]との関係を示す図である。横軸には、θＧｐ[°]を示し、縦軸には、本実施形態のトルク及び鉄損を、従来例を１００％とした場合の割合[％]で示している（左側：トルク、右側：鉄損）。図で示すとおり、鉄損低減効果は溝９の位置によって違いがあり、溝９の位置が０°≦θＧｐ≦１２°において、高速回転時の鉄損を５％以上低減することができる。他方、トルクについては、溝９の位置による違いはないことが分かる。したがって、本実施形態においては、鉄損低減の観点から、溝９の位置を０°≦θＧｐ≦１２°と規定する。

これを前提として、次に、溝９の幅の規定について、図２０、図２１を用いて説明する。なお、図２０で示す解析結果は、θｄ＝４４°、θｑ＝１８°、θＧｐ＝０°に設定されたロータコア１のθＧｗを変化させて解析されたものである。

図２０は、高速回転時における第３実施形態のトルク及び鉄損と、θｑ[°]に対するθＧｗ[°]の割合（θＧｗ／θｑ）との関係を示す図である。横軸には、θＧｗ／θｑを示し、縦軸は、図１９と同様に、本実施形態のトルク及び鉄損を、従来例を１００％とした場合の割合[％]で示している。

図２０から分かるとおり、接線Ａとｑ軸間の幅θｑに対する溝９の幅θＧｗの割合（θＧｗ／θｑ）が増加するほど、鉄損及びトルクが低下する。しかしながら、特に、θＧｗ／θｑ≧０．６７を満たす場合に、トルク低下の傾きに対する鉄損低下の傾きが顕著に大きくなる。そして、θＧｗ／θｑ＝１では、高速回転時の鉄損を約３５％低減することができる。

図２１は、ＷＬＴＣ（Worldwide harmonized Light-duty Test Cycle）モードに基づき測定されたモータ総合損失を、従来例と本実施形態とで比較した図である。本実施形態の回転子構造は、θＧｗ／θｑ＝１、θｄ＝４４°、θｑ＝１８°、θＧｐ＝０°に設定されている。

図２１で示す解析結果から、本実施形態に係るモータ総合損失は従来技術に対して８％低減されており、トルク低下を補うために銅損が増加するデメリットよりも、鉄損低減効果のメリットの方が大きいことが分かる。したがって、溝９の位置を０°≦θＧｐ≦１２°と規定するとともに、溝９の幅をθＧｗ／θｑ≧０．６７を満たすように形成することで、モータ総合損失の観点から、鉄損低減効果によるメリットがトルク低下に伴う銅損増加のデメリットを上回るので、鉄損低減による高速回転域での連続出力の向上が図れるとともに、全速度域の総合的な効率改善を実現することができる。

以上、第３実施形態の回転子構造は、接線Ａとｑ軸との間において、ロータコア１の外周に、ロータコア１の軸方向に沿って形成された溝９を有する。これにより、ステータに鎖交する磁石磁束の高次成分を抑制することができるので、少ないトルク低下で効果的に鉄損を低減することができる。

また、第３実施形態の回転子構造によれば、接線Ａから溝９までの電気角をθＧｐとした場合に、溝９は、０°≦θＧｐ≦１２°を満たすように形成される。これにより、高速回転時の鉄損を、従来に対して５％以上低減することができる。

また、第３実施形態の回転子構造によれば、接線Ａからｑ軸までの電気角をθｑとし、溝９の両端間の電気角をθＧｗとした場合に、溝９は、θＧｗ／θｑ≧０．６７を満たすように形成される。これにより、トルク低下による銅損が増加しても、それ以上の鉄損低減効果によりトータルとしてのモータ総合損失を低減させることができるので、鉄損低減による高速回転域での連続出力の向上が図れるとともに、全速度域の総合的な効率改善を実現することができる。

以下では、これまで説明した第３実施形態に係る特徴を備えた回転子構造の実施例、すなわち、突出部７を有するとともに、接線Ａよりもｄ軸側に収まるように形成されたフラックスバリア５と、接線Ａとｑ軸との間のロータコア１外周に形成された溝９とを備えた実施例を、図を参照して説明する。

−実施例１−
図２２は、図２１で示したモータ総合損失に係る解析結果の解析対象を実施例１として示した図である。本実施例の回転子構造に係るロータコア１は、上述のとおり、θＧｗ／θｑ＝１が成立するような溝９が設けられている。すなわち、溝９は、ロータコア１の外周において、接線Ａとｑ軸との間全てに、隣接する他極の溝９とｑ軸を跨いで一つながりになるように形成される。

−実施例２−
図２３は、実施例２の回転子構造を説明するための図である。本実施例の回転子構造に係るロータコア１には、接線Ａとｑ軸間のロータコア１外周に、溝９が二つ設けられる。このように、接線Ａとｑ軸間のロータコア１外周に設けられる溝９は一つに限らず、二つ、或いは三つ以上設けてもよい。このような回転子構造であっても、上記特徴を備えたフラックスバリア５及び溝９を備える限り、第３実施形態において説明したのと同様の技術的効果を得ることができる。

以上、実施例１、２の態様からも分かるように、第３実施形態に係る回転子構造において、溝９の数、および形状について特に限定されるものではない。また、本願発明に係る回転子構造における１極あたりの永久磁石３の数および配置も、上述したような２枚のＶ字状に限定されるものではない。例えば、一極あたり一枚の永久磁石をロータ周方向に沿って配置しても良いし、該永久磁石のロータ内周側に更に２枚の永久磁石をＶ字状に設けて、計三枚の永久磁石３を用いて一磁極を構成してもよい。

本発明は、上述した実施形態および実施例に限定されることはなく、様々な変形や応用が可能である。例えば、上述の説明においては、フラックスバリア４、５は空間部分であると説明したが、必ずしも空間である必要な無く、例えば樹脂材料のような非磁性材料で充填されていてもよい。

１…ロータコア
２…磁石挿入孔
３…永久磁石
４…フラックスバリア
５…フラックスバリア
７…突出部
９…溝

Claims (6)

1. 電磁鋼板を積層して構成されるロータコアと、前記ロータコアにおける一磁極を構成する少なくとも一つの永久磁石と、前記永久磁石を埋設するための磁石挿入孔と、を備える回転電機の回転子構造において、
   前記ロータコアは、前記磁石挿入孔において、前記一磁極が構成するｄ軸と電気的に直交するｑ軸側の端部に設けられたフラックスバリアを有し、
   前記フラックスバリアは、前記ロータコアの外周に最も近い部分が、前記永久磁石の端部から前記ｄ軸へ向かって該ロータコアの外周と略平行に延在する突出部を有する、
   ことを特徴とする回転電機の回転子構造。
2. 前記ロータコアの回転中心から該ロータコアの外周まで引かれた、前記永久磁石のｑ軸側の頂点を通る線を接線Ａとした場合に、
   前記フラックスバリアは、前記接線Ａよりもｄ軸側に収まるように形成される、
   ことを特徴とする請求項１に記載の回転電機の回転子構造。
3. 前記ロータコアは、前記接線Ａと前記ｑ軸との間において、該ロータコアの外周に、該ロータコアの軸方向に沿って形成された溝を有する、
   ことを特徴とする請求項２に記載の回転電機の回転子構造。
4. 前記接線Ａから前記溝までの電気角をθＧｐとした場合に、
   前記溝は、０°≦θＧｐ≦１２°を満たすように形成される、
   ことを特徴とする請求項３に記載の回転電機の回転子構造。
5. 前記接線Ａから前記ｑ軸までの電気角をθｑとし、前記溝の両端間の電気角をθＧｗとした場合に、
   前記溝は、θＧｗ／θｑ≧０．６７を満たすように形成される、
   ことを特徴とする請求項４に記載の回転電機の回転子構造。
6. 前記ロータコアの回転中心と、前記突出部における前記ｄ軸側の先端とを通る線を接線Ｂとし、前記接線Ｂと前記ｄ軸との間の電気角をθｄとした場合に、
   前記突出部は、θｄ≧２８°を満たすように形成される、
   ことを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の回転電機の回転子構造。