JP2017212780A - 回転電機 - Google Patents

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Abstract

【課題】高速回転時の効率を向上させた回転電機を提供することである。【解決手段】本発明に係る回転電機は、回転子と固定子を備える回転電機であって、前記回転子は、当該回転子の回転軸方向に沿って並べられる複数の磁石と、前記磁石が収納される収納部を形成する鉄心と、前記収納部に配置される複数の介装部材と、を備え、前記複数の介装部材の熱膨張率は、前記鉄心の熱膨張率よりも大きく、前記複数の介装部材の一方は、前記回転軸方向に沿って並べられた前記複数の磁石のうち一方の磁石に接触し、前記複数の介装部材の他方は、前記回転軸方向に沿って並べられた前記複数の磁石のうち他方の磁石に接触する。【選択図】 図3

Description

本発明は回転電機に係り、特に永久磁石式回転電機の回転子の構造に関する。
永久磁石式の回転電機は、回転子に備えた永久磁石により界磁しているため、回転数の増加に伴い誘起電圧が増加する性質を有する。このような回転電機を電動車両の駆動用モータとして利用する場合、回転電機が発生する誘起電圧が蓄電装置の電源電圧を超えると、それ以上回転数を上げることができない。このため、ステータコイルに磁石が発生する磁界を打ち消す磁界を発生するための電流を流し、誘起電圧を低減する「弱め界磁制御」が広く行われている。
しかしながら弱め界磁制御は、制御が複雑になることに加え、限られた電源から出力に直接寄与しない無効電流を使用するため、効率が低下するなどの課題を有する。
そこで、弱め界磁制御を実行することなく永久磁石式回転電機の回転数を上げるための手段が複数考案されており、例えば特許文献1及び2などに開示されている。
特許文献1では、弱め界磁制御と同等の効果を得るために、回転数が高いときにロータのブリッジ部の内面に磁性体片が接触する一方で回転数が低いときに磁性体片がブリッジ部と非接触になる磁性体片接離機構を、モータのロータの内部に埋め込まれた永久磁石のロータ周方向端部に隣接して設けている。
また特許文献2では、回転電機用ロータは、回転可能なロータコアとロータコアにあけた複数の磁石挿入孔内にそれぞれ挿入された複数の永久磁石とロータコアの隣接する磁石挿入孔間にあけた複数のフラックスバリヤ内にそれぞれ配置され、隣接する永久磁石の一方の第1極から他方の第2極への磁束の通路を形成する磁束短絡部材とを含み、磁束短絡部材は、少なくとも一部が超磁歪材料から成り、ロータが高速で回転するとき、低速で回転するときよりも超磁歪材料の透磁率を向上させ、第1極から第2極への短絡磁束を増加させることで高速回転時の磁束量を低減している。
しかしながら、特許文献1および特許文献2ともに、磁束量を変化させるために複雑な機構を回転子内に設ける必要があり、製造性の低下や長期信頼性に懸念がある。
特開2012−50292号公報 特開2003−135075号公報
本発明の課題は、高速回転時の効率を向上させた回転電機を提供することである。
上記課題を解決するために、本発明に係る回転電機は、回転子と固定子を備える回転電機であって、前記回転子は、当該回転子の回転軸方向に沿って並べられる複数の磁石と、前記磁石が収納される収納部を形成する鉄心と、前記収納部に配置される複数の介装部材と、を備え、前記複数の介装部材の熱膨張率は、前記鉄心の熱膨張率よりも大きく、前記複数の介装部材の一方は、前記回転軸方向に沿って並べられた前記複数の磁石のうち一方の磁石に接触し、前記複数の介装部材の他方は、前記回転軸方向に沿って並べられた前記複数の磁石のうち他方の磁石に接触する。
本発明により、簡単な構造で高速回転時の効率を向上させた回転電機を提供することができる。
第1の実施例の回転電機10を回転軸平行平面で切った断面図である。 図1に示す回転電機10の回転子を、回転軸に垂直なA-A面で切った断面図である。 図1に示す回転電機10の回転子30を、回転軸に垂直なB-B面およびC-C面で切った断面図である。 回転電機10の電気角に対する誘起電圧を示す。 回転電機10の電気角に対するトルクリップルを示す。 回転電機10の電気角に対するコギングトルクを示す。 第2の実施例の回転電機の回転子30の回転軸に垂直な断面図を示す。 第3の実施例の回転電機の回転子30の回転軸に垂直な断面図を示す。 第4の実施例の回転子30の回転軸の垂直断面図である。
以下図面を用いて本発明の実施例を説明する。
なお、以下の説明では、回転電機の一例として、電動車両の駆動用電動機を用いる。
図1は、第1の実施例の回転電機10を回転軸平行平面で切った断面図である。図2は、図1に示す回転電機10の回転子を、回転軸に垂直なA-A面で切った断面図である。
固定子20は、固定子鉄心21と、固定子巻線コイル23と、を備える。固定子鉄心21は、軸方向に固定子スロット22を設ける。固定子巻線コイル23は、固定子スロット22に巻き回される。
回転子30は、シャフト36に固定された回転子鉄心31と、回転子鉄心に形成した磁石収納部33に埋め込んだ永久磁石32とから構成される。
ハウジング40は、固定子20を保持する。軸受41は、回転子30を回転可能に支持する。ブラケット42は、軸受41を保持する。また、図1にはハウジング40内に固定子20を冷却するための液冷ジャケット43を備えているが、必ずしも液冷ジャケットを備える必要はない。
図3は、図1に示す回転電機10の回転子30を、回転軸に垂直なB-B面およびC-C面で切った断面図である。
図中の矢印は、回転子30が温度上昇した際に、磁石収納部33内に充填した介装部材(第1介装部材34や第2介装部材35)の熱膨張により永久磁石32が移動する方向を示している。
回転子鉄心31に設けた磁石収納部33は、永久磁石32よりも大きく形成されており、特に周方向(磁石幅方向)両端には磁束を短絡させるためのフラックスバリアが設けられる。磁石収納部33内のフラックスバリアには、永久磁石を保持するために第1介装部材34および第2介装部材35を充填している。
第1介装部材34は、この第1介装部材34の熱膨張率が第2介装部材の熱膨張率よりも大きくなるように設けられている。さらに、B-B断面およびC-C断面において第1介装部材34と第2介装部材35を充填する位置を入れ替える。
これにより温度上昇後の永久磁石32の移動方向が互いに逆向きとなり、回転軸方向に沿って、永久磁石32の相対位置がずれることになる。回転子30をスキューさせたときと同様の効果が得られ、高速回転時の誘起電圧を低減できる。
図4ないし図6に、本実施形態を適用することによる誘起電圧、トルクリップル、コギングトルクの低減効果を磁界解析により求めた結果を示す。図4は、回転電機10の電気角に対する誘起電圧を示す。図5は、回転電機10の電気角に対するトルクリップルを示す。図6は、回転電機10の電気角に対するコギングトルクを示す。いずれの図面も実線が本実施形態を適用した場合である。本実施形態を適用することにより、誘起電圧は約10%、トルクリップルは約50%、コギングトルクは約55%低減できることが確認できた。
なお、第1の実施例の固定子20が集中巻きであるが、分布巻きの固定子であってもよい。このように固定子の集中巻き、分布巻きによらずに、本実施形態による効果を得ることができる。
図7に、本発明の第2の実施例の回転電機の回転子30の回転軸に垂直な断面図を示す。第2の実施例においては、永久磁石32の外径側に第1介装部材34を充填し、永久磁石32の内径側に第2階層部材35を充填している。第1介装部材34の熱膨張率は第2介装部材35の熱膨張率よりも大きく、高速回転時には温度上昇により永久磁石32を内径側に移動させることができる。これにより、永久磁石32と固定子巻線コイル23との距離が広がり、磁束量を低減することができるため、高速回転時の誘起電圧を低減する効果が得られる。
図8に、第3の実施例の回転電機の回転子30の回転軸に垂直な断面図を示す。本実施例は、第1の実施例の第2介装部材35を省いたものである。このとき、第1介装部材34として回転子鉄心31の熱膨張率よりも大きい材料を選定することにより、温度上昇時に第1介装部材34の熱膨張により永久磁石32が図中矢印方向に移動する。これにより、第1の実施例と同様に高速回転時の誘起電圧低減効果を得ることができる。
図9は、第4の実施例の回転子30の回転軸の垂直断面図である。
実施例1から実施例3までは、回転子鉄心31に設けた磁石収納部33の形状が平行であったが、図9に示すように、V字形状であっても良い。
10…回転電機、20…固定子、21…固定子鉄心、22…固定子スロット、23…固定子巻線コイル、30…回転子、31…回転子鉄心、32…永久磁石、33…磁石収納部、34…第1介装部材、35…第2介装部材、36…シャフト、40…ハウジング、41…軸受、42…ブラケット、43…液冷ジャケット

Claims (4)

  1. 回転子と固定子を備える回転電機であって、
    前記回転子は、当該回転子の回転軸方向に沿って並べられる複数の磁石と、前記磁石が収納される収納部を形成する鉄心と、前記収納部に配置される複数の介装部材と、を備え、
    前記複数の介装部材の熱膨張率は、前記鉄心の熱膨張率よりも大きく、
    前記複数の介装部材の一方は、前記回転軸方向に沿って並べられた前記複数の磁石のうち一方の磁石に接触し、
    前記複数の介装部材の他方は、前記回転軸方向に沿って並べられた前記複数の磁石のうち他方の磁石に接触する回転電機。
  2. 請求項1に記載の回転電機であって、
    前記複数の介装部材の一方は、前記一方の磁石の周方向の一方側に配置された第1介装部材と、前記一方の磁石の周方向の他方側に配置された第2介装部材と、により構成され、
    前記複数の介装部材の他方は、前記他方の磁石の周方向の一方側に配置された第3介装部材と、前記他方の磁石の周方向の他方側に配置された第4介装部材と、により構成され、
    前記第1介装部材の熱膨張率は,前記第2介装部材の熱膨張率よりも大きく、
    前記第4介装部材の熱膨張率は,前記第3介装部材の熱膨張率よりも大きい回転電機。
  3. 請求項1に記載の回転電機であって、
    前記収納部は複数形成され、当該複数の収納部によりV字形状を為す回転電機。
  4. 回転子と固定子を備える回転電機であって、
    前記回転子は、磁石と、前記磁石が収納される収納部を形成する鉄心と、前記収納部に配置されかつ径方向であって前記磁石よりも外周側に配置される第1介装部材と、前記収納部に配置されかつ径方向であって前記磁石よりも内周側に配置される第2介装部材と、を備え、
    前記第1介装部材の熱膨張率は,前記第2介装部材の熱膨張率よりも大きい回転電機。
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