JP2018201287A - 電動機 - Google Patents

Abstract

【課題】永久磁石の減磁を抑制する電動機を提供する。【解決手段】電動機（１００）は、電機子巻線（３５）を備えるステータ（３０）と、前記ステータと空隙を介して対向するロータ（１０）と、を備え、前記ロータは、スリット（１３）に永久磁石（４１）を備えるロータコア（１１）と、前記ロータの軸方向における前記ロータコアの端面の外側に配されており、前記ロータの径方向における外周に複数の凸部（５２）を備える磁性体部（５０）と、を備える。【選択図】図２

Description

本開示は、電動機に関し、特には、永久磁石型電動機に関する。

従来より、永久磁石がロータに埋め込まれた電動機が知られている。ロータ鉄心の外周部分における磁気飽和の影響を低減するために、ロータの軸方向の端部において、軸方向に着磁された永久磁石を配置する技術が知られている（例えば、特許文献１）。

特開２００６−２１１８０１号公報

電動機において、トルクを発生させるためには、ステータを励起することにより、回転磁界を生じさせる必要がある。そして、回転磁界によりロータ内を磁束が流れるが、高トルク域では、ロータコアが磁気飽和することにより、磁束がロータの軸方向へ漏れるために、マグネットトルクの低下を伴う。また、リラクタンストルクの磁路であるｑ軸磁路は、磁気飽和によって磁気抵抗が高くなる。この結果として、ステータの磁束は、ロータに設けられた永久磁石を貫通して流れることにより、ロータに設けられた永久磁石には逆磁界が生じる結果として、ロータに設けられた永久磁石が減磁する。特許文献１では、永久磁石が減磁する虞があった。このため、ロータに設けられた永久磁石が減磁することを抑制する技術が望まれていた。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

本発明の一形態によれば、電動機（１００）が提供される。この電動機（１００）は、ロータ（１０）と、前記ロータと空隙を介して対向し、電機子巻線（３５）を備えるステータ（３０）と、を備え、前記ロータは、ロータコア（１１）と、軸方向における前記ロータコアの端面（１１ｘ、１１ｙ）の外側に配された磁性体部（５０）と、を備え、前記ロータコアは、軸方向に延びるスリット（１３）を備え、前記スリットには永久磁石（４１）が配されており、前記磁性体部は、径方向における外周に、予め定められた間隔を開けて前記径方向に延びる複数の凸部（５２）を備える。

この形態の電動機によれば、複数の凸部を備える磁性体部を備えるため、トルクを大きくした際の磁気飽和が緩和される。このため、磁性体部を備えていない場合と比べて、磁性体部を備える場合に、高トルク化が可能となり、また、最適位相が小さくなるため、永久磁石の減磁を抑制できる。

第１実施形態における電動機の模式図。 図１の２−２線で切断した電動機の断面図。 電動機から端板を取り除いた状態を示す模式図。 補助磁石の位置関係を説明するための模式図。 電動機から端板と補助磁石と磁性体部とを取り除いた状態を示す模式図。 マグネットトルク主体の電動機における電流位相の一例を示す図。 リラクタンストルク主体の電動機における電流位相の一例を示す図。 電流位相について説明する図。 電動機における磁束の方向を矢印で示した図。 異なる電流値におけるトルクと電流位相との関係を示す図。 磁性体部の有無に起因する最適位相の違いを示す図。 第２実施形態の電動機から端板を取り除いた状態を示す模式図。 第２実施形態の電動機から端板と磁性体部とを取り除いた状態を示す模式図。 第２実施形態の電動機から端板と磁性体部と補助磁石とを取り除いた状態を示す模式図。 第３実施形態の電動機から端板と磁性体部と補助磁石とを取り除いた状態を示す模式図。

Ａ．第１実施形態
図１および図２に示すように、第１実施形態に係る電動機１００は、ロータ１０と、ロータ１０と空隙を介して対向しているステータ３０とを備える。本実施形態では、電動機１００は、ロータ１０内部に永久磁石が埋め込まれた同期モータ（ＩＰＭＳＭ：Interior Permanent Magnet Synchronous Motor）であり、リラクタンストルクとマグネットトルクとを利用する。

ステータ３０は、ロータ１０の外周側に配置されており、図示しないモータケースに覆われている。本実施形態では、ステータ３０は、電磁鋼板を積層することにより形成されている。ステータ３０には、複数のスロット３２が形成されており、スロット３２内に磁界を形成するための電機子巻線３５が配置されている。なお、発明の理解を容易にするため、電機子巻線の図２以外への図示は省略する。

ロータ１０は、ロータコア１１と、永久磁石４１と、補助磁石４５と、端板１５と、磁性体部５０と、を備える。ロータ１０は、その中心から軸方向ＡＸに沿って出力軸を挿通するための出力軸孔１０ａを備える。

本実施形態において、ロータコア１１は、円盤状の金属板を、ロータ１０の軸方向ＡＸ（以下、単に「軸方向ＡＸ」とも呼ぶ）に複数積層させた積層鉄心構造を採用している。ロータコア１１には、軸方向ＡＸに延びるスリット１３が複数設けられている。スリット１３は、円周方向において等間隔に形成されており、また、出力軸孔１０ａからロータコア１１の外周に向かって２層形成されている。なお、スリット１３は、出力軸孔１０ａからロータコア１１の外周に向かって１層形成されていてもよく、３層以上形成されていてもよい。

それぞれのスリット１３の内部には、永久磁石４１がそれぞれ埋め込まれている。永久磁石４１として、例えば、フェライト磁石や希土類磁石を用いることができ、本実施形態では、フェライト磁石を用いる。永久磁石４１は、スリット１３内に挿入されているだけでもよく、接着剤によりロータコア１１に固定されていてもよい。ロータ１０が永久磁石４１を備えることにより、ステータ３０や電機子巻線３５からの漏れ磁束がスリット１３を横断することによる磁気抵抗差の低下を抑制できる。各永久磁石４１は、主たる着磁方向がロータ１０の径方向（以下、単に「径方向」とも呼ぶ）に沿っており、ロータ１０の円周方向において隣り合う補助磁石４５は、主たる着磁方向が互いに反対方向となるように着磁されている。また、径方向において隣り合う補助磁石４５同士の主たる着磁方向は同じ方向である。

補助磁石４５は、図２に示すように、軸方向ＡＸにおけるロータコア１１の端面１１ｘ、１１ｙの外側にそれぞれ設けられている。補助磁石４５として、例えば、フェライト磁石や希土類磁石を用いることができ、本実施形態では、フェライト磁石を用いる。各補助磁石４５は、主たる着磁方向がロータ１０の軸方向ＡＸに沿っており、隣り合う補助磁石４５は、主たる着磁方向が互いに反対方向となるように着磁されている。図３に示すように、補助磁石４５は、永久磁石４１の少なくとも一部を覆うように配置されている。

永久磁石４１と補助磁石４５との着磁方向は、以下のような関係となっている。つまり、Ｎ極が径方向外側となるように着磁された永久磁石４１の軸方向ＡＸにおける端面には、Ｎ極が軸方向ＡＸ内側となるように着磁された補助磁石４５が配置されている。一方、Ｓ極が径方向外側となるように着磁された永久磁石４１の軸方向ＡＸにおける端面には、Ｓ極が軸方向ＡＸ内側となるように着磁された補助磁石４５が配置されている。

図４及び図５に示すように、本実施形態では、径方向において、補助磁石４５の最も外周側の端部Ｌ１は、永久磁石４１のうちで最も外周側に設けられた永久磁石４１ａの外周側の縁のうち、最も内周側の位置Ｍ１１と、同じ若しくは内周側である。また、径方向において、補助磁石４５の最も内周側の端部Ｌ２は、永久磁石４１のうちで最も内周側に設けられた永久磁石４１ｂの内周側の端部Ｍ２２と、同じ若しくは外周側に位置する。このような範囲に補助磁石４５を配置することにより、補助磁石４５により生じる磁束が永久磁石４１に起因する漏れ磁束を効果的に抑制できる。

また、本実施形態では、径方向において、補助磁石４５の最も外周側の端部Ｌ１は、永久磁石４１のうちで最も外周側に設けられた永久磁石４１ａの最も内周側の端部Ｍ１２と、同じ若しくは外周側に位置する。また、径方向において、補助磁石４５の最も内周側の端部Ｌ２は、永久磁石４１のうちで最も内周側に設けられた永久磁石４１ｂの外周側の縁のうち、最も内周側の位置Ｍ２１と、同じ若しくは内周側である。このような範囲に補助磁石４５を配置することにより、補助磁石４５により生じる磁束が永久磁石４１に起因する漏れ磁束をより効果的に抑制できる。

磁性体部５０は、ロータコア１１の軸方向ＡＸにおける端面１１ｘ、１１ｙの外側にそれぞれ配されており、ステータ３０が備える電機子巻線３５により生じる磁束に対して、磁気抵抗差を有する。磁性体部５０は、磁性体により形成されており、本実施形態では、鉄により形成されている。磁性体部５０は、径方向における外周に、予め定められた間隔を開けて径方向に延びる複数の凸部５２を備える。本実施形態では、凸部５２は、円周方向において等間隔に設けられている。また、本実施形態では、凸部５２は、径方向に向かって幅が狭くなる形状となっている。

また、図３に示すように、本実施形態では、磁性体部５０と補助磁石４５とは、同一平面内に配置されている。本実施形態では、磁性体部５０の隣り合う凸部５２の間に設けられている。このようにすることにより、永久磁石４１の減磁をより効果的に抑制できる。なお、磁性体部５０と補助磁石４５とは、異なる平面上に配置されていてもよい。

また、磁性体部５０と補助磁石４５とは、径方向において互いに接する。このようにすることにより、ｑ軸磁路を最大化することができる。なお、磁性体部５０と補助磁石４５とは、径方向において接触しておらず、磁性体部５０と補助磁石４５との間に隙間があってもよい。つまり、磁性体部５０の径方向における複数の凹部のうちの最も内周側の端部Ｎ１（図４参照）が、径方向における補助磁石４５の最も内周側の端部Ｌ２よりも内周側であってもよい。

端板１５は、軸方向ＡＸにおけるロータコア１１の外側に配置されている。端板１５の内側には、補助磁石４５と磁性体部５０とが配置されている。本実施形態では、端板１５は、ケイ素鋼板により形成されている。

本実施形態の電動機１００は、磁性体部５０を備えることにより、ｑ軸磁気飽和を緩和できる。このため、電動機１００の高トルク化が可能となる。さらに、電動機１００が磁性体部５０を備えることにより、ｑ軸磁気飽和による最大トルク位相の変化が起きる。これにより、磁石減磁を緩和する電流位相の選定が可能となる。

以下、このメカニズムを詳述する。一般に、電流位相によりマグネットトルクとリラクタンストルクの総和が異なる。ここで、マグネットトルクが最大となる電流位相は９０°であり、リラクタンストルクが最大となる電流位相は１３５°である。このため、マグネットトルクとリラクタンストルクの総和が最大となる電流位相（以下、「最適位相」と呼ぶ）は、マグネットトルク主体の電動機と、リラクタンストルク主体の電動機で異なる。

図６及び図７に示すように、リラクタンストルクよりもマグネットトルクを主体とした電動機の場合（図６参照）と比べて、マグネットトルクよりもリラクタンストルクを主体とした電動機の場合（図７参照）のほうが、最適位相は、リラクタンストルクが最大となる１３５°に近くなる。特に、磁力が小さい磁石を用いた電動機における最適位相は、マグネットトルクとリラクタンストルクの総和に対するマグネットトルクの割合が小さいため、リラクタンストルクが最大となる１３５°に近くなる。

そして、図８に示すように、永久磁石４１の磁束をφａとし、電流をＩｅとし、電流位相をβとし、Ｉｅをｄ軸成分のＩｄとｑ軸成分のＩｑとに分解した場合、電流位相βが１３５°に近づくほど、つまり、９０°よりも大きくなるほど、ロータ１０の永久磁石４１の磁束φａを弱める方向に作用するｄ軸成分の電流Ｉｄが増える。このため、永久磁石４１に対して逆磁界が生じることとなり、永久磁石４１の種類や電動機１００の温度条件により、永久磁石４１の減磁が生じる虞がある。

ここで、リラクタンストルクは、磁気抵抗差に起因するトルクである。すなわち、空気や磁石などの比透磁率が小さい材料よりも、鉄のような比透磁率が大きい磁性体の方へ磁束が誘導される結果として、図９において矢印Ｕで示すように磁束にねじれが生じる。

一方、磁性体において磁気飽和が生じた場合、磁性体の比透磁率は空気や永久磁石に近づく。このため、磁束は、最短距離を通過するために、ロータコア１１内の永久磁石４１を貫通する。これにより、磁性体の磁気飽和時には、最適位相がより大きくなり、この結果として、永久磁石４１の磁束に対する逆磁界がより大きくなる。図１０に示すように、電動機１００の電機子巻線に流れる電流が大きくなるほど、最適位相Ｐが大きくなることが分かる。特に、磁力が小さいフェライト磁石の場合、この逆磁界に対する耐性が小さいため、磁石の減磁を引き起こす虞がある。

本実施形態の電動機１００は、磁性体部５０を備えるため、ｑ軸磁路が形成されるため、トルクを大きくした際の磁気飽和が緩和される。このため、磁性体部５０を備えていない場合と比べて、磁性体部５０を備える場合に、高トルク化が可能となり、また、最適位相が小さくなるため、永久磁石の減磁を抑制できる。さらに、本実施形態の電動機１００は、ロータコア１１の端面１１ｘ、１１ｙにおける漏れ磁束を補助磁石４５により低減する効果があるため、マグネットトルクについても、リラクタンストルクに対して相対的に向上する。例えば、図１１では、磁性体部５０を備えない場合の最適位相Ｐは約１４８°であるのに対して、磁性体部５０を備える場合の最適位相Ｐは約１４０°である。

Ｂ．第２実施形態
図１２から図１４に示すように、第２実施形態の電動機２００は、第１実施形態の電動機１００と比較して、磁性体部５０Ａの形状と、補助磁石４５Ａの形状と、永久磁石４１Ａの形状と、ロータコア１１Ａのスリット１３Ａの形状とが異なるが、それ以外は同じである。図１２から図１４に示すように、磁性体部５０Ａと補助磁石４５Ａと永久磁石４１Ａとロータコア１１Ａのスリット１３Ａとの外形は、曲線を用いずに直線のみで形成されていてもよい。例えば、磁性体部５０Ａの凸部は、矩形となっている。第２実施形態においても、第１実施形態と同様の効果を奏する。

Ｃ．第３実施形態
図１５に示すように、第３実施形態の電動機３００は、第１実施形態の電動機１００と比較して、ロータコア１１Ｂのスリット１３Ｂが３層形成されており、各スリット１３Ｂに永久磁石４１Ｂがそれぞれ配置されている点が異なるが、それ以外は同じである。第３実施形態においても、第１実施形態と同様の効果を奏する。

Ｄ．変形例
Ｄ１．変形例１
本実施形態では、図４及び図５に示すように、径方向において、補助磁石４５の最も外周側の端部Ｌ１は、永久磁石４１のうちで最も外周側に設けられた永久磁石４１ａの外周側の縁のうち、最も内周側の位置Ｍ１１と、同じ若しくは内周側である。また、径方向において、補助磁石４５の最も内周側の端部Ｌ２は、永久磁石４１のうちで最も内周側に設けられた永久磁石４１ｂの内周側の端部Ｍ２２と同じ若しくは外周側に位置する。しかし、径方向において、補助磁石４５の最も外周側の端部Ｌ１は、永久磁石４１のうちで最も外周側に設けられた永久磁石４１ａの外周側の縁のうち、最も内周側の位置Ｍ１１よりも外周側としてもよい。また、径方向において、補助磁石４５の最も内周側の端部Ｌ２は、永久磁石４１のうちで最も内周側に設けられた永久磁石４１ｂの内周側の端部Ｍ２２よりも内周側に位置してもよい。

Ｄ２．変形例２
本実施形態では、径方向において、補助磁石４５の最も外周側の端部Ｌ１（図４参照）は、永久磁石４１のうちで最も外周側に設けられた永久磁石４１ａの最も内周側の端部Ｍ１２と同じ若しくは外周側に位置する。また、径方向において、補助磁石４５の最も内周側の端部Ｌ２は、永久磁石４１のうちで最も内周側に設けられた永久磁石４１ｂの外周側の縁のうち、最も内周側の位置Ｍ２１と、同じ若しくは内周側である。しかし、径方向において、補助磁石４５の最も外周側の端部Ｌ１は、永久磁石４１のうちで最も外周側に設けられた永久磁石４１ａの最も内周側の端部Ｍ１２よりも内周側に位置してもよい。また、径方向において、補助磁石４５の最も内周側の端部Ｌ２は、永久磁石４１のうちで最も内周側に設けられた永久磁石４１ｂの外周側の縁のうち、最も内周側の位置Ｍ２１よりも外周側としてもよい。

Ｄ３．変形例３
本実施形態では、８極４８スロットのインナーロータ型の電動機であるが、これに限られず、２極や４極の電動機であってもよく、アウターロータ型の伝導モータであってもよく、他のステータスロット数の電動機であってもよい。

本発明は、上述の実施形態および変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する本実施形態、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

１０…ロータ、１０ａ…出力軸孔、１１、１１Ａ、１１Ｂ…ロータコア、１１ｘ、１１ｙ…端面、１３、１３Ａ、１３Ｂ…スリット、１５…端板、３０…ステータ、３２…スロット、３５…電機子巻線、４１、４１Ａ、４１Ｂ、４１ｘ、４１ｙ…永久磁石、４５、４５Ａ…補助磁石、５０、５０Ａ…磁性体部、５２…凸部、１００、２００、３００…電動機、ＡＸ…軸方向、Ｉｄ…電流、Ｌ１…端部、Ｌ２…端部、Ｍ１１…位置、Ｍ１２…端部、Ｍ２１…位置、Ｍ２２…端部、Ｎ１…端部、Ｐ…最適位相、Ｕ…矢印

Claims (9)

1. ロータ（１０）と、
   前記ロータと空隙を介して対向し、電機子巻線（３５）を備えるステータ（３０）と、を備え、
   前記ロータは、ロータコア（１１）と、軸方向における前記ロータコアの端面（１１ｘ、１１ｙ）の外側に配された磁性体部（５０）と、を備え、
   前記ロータコアは、軸方向に延びるスリット（１３）を備え、前記スリットには永久磁石（４１）が配されており、
   前記磁性体部は、径方向における外周に、予め定められた間隔を開けて前記径方向に延びる複数の凸部（５２）を備える、電動機。
2. 請求項１に記載の電動機であって、
   前記ロータは、前記ロータコアの前記端面の外側に配されており、主たる着磁方向が軸方向に沿った方向である補助磁石（４５）を備える、電動機。
3. 請求項２に記載の電動機であって、
   前記永久磁石は、前記径方向において、２層以上設けられた前記スリットの内部にそれぞれ埋め込まれており、
   前記径方向において、
   前記補助磁石のうちの外周側の端部（Ｌ１）は、前記永久磁石のうちで最も外周側に設けられた永久磁石の外周側の縁のうち、最も内周側の位置（Ｍ１１）と、同じ若しくは内周側であり、
   前記補助磁石のうちの内周側の端部（Ｌ２）は、前記永久磁石のうちで最も内周側に設けられた永久磁石の内周側の端部（Ｍ２２）と、同じ若しくは外周側に位置する、電動機。
4. 請求項３に記載の電動機であって、
   前記径方向において、
   前記補助磁石のうちの外周側の端部（Ｌ１）は、前記永久磁石のうちで最も外周側に設けられた永久磁石の最も内周側の端部（Ｍ１２）と、同じ若しくは外周側に位置し、
   前記補助磁石のうちの内周側の端部（Ｌ２）は、前記永久磁石のうちで最も内周側に設けられた永久磁石の外周側の縁のうち、最も内周側の位置（Ｍ２１）と、同じ若しくは内周側である、電動機。
5. 請求項２から請求項４のいずれか１項に記載の電動機であって、
   前記補助磁石は、前記磁性体部の隣り合う前記凸部の間に設けられており、
   前記磁性体部と、前記補助磁石とは、同一平面内に配置されている、電動機。
6. 請求項５に記載の電動機であって、
   前記磁性体部と前記補助磁石とは、前記径方向において互いに接する、電動機。
7. 請求項５に記載の電動機であって、
   前記径方向において、
   前記磁性体部の外周のうちで最も内周側の端部（Ｎ１）が、前記補助磁石のうちの内周側の端部（Ｌ２）よりも内周側である、電動機。
8. 請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の電動機であって、
   前記永久磁石は、フェライト磁石である、電動機。
9. 請求項２から請求項７のいずれか１項に記載の電動機であって、
   前記補助磁石は、フェライト磁石である、電動機。

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