JP2019050689A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】コストの増大を招くことなく高効率化を可能とする。【解決手段】回転子コアと、前記回転子コアにおいて磁極ごとに埋設された第１永久磁石及び第２永久磁石と、を備えた回転子であって、前記第１永久磁石は、第１短辺と、前記第１短辺より長い第１長辺と、を有し、前記第２永久磁石は、前記第１短辺と等しい長さの第２短辺と、前記第１長辺と等しい長さの第２長辺と、を有し、前記第１永久磁石及び前記第２永久磁石は、前記回転子の回転中心から外周に向かうにしたがって前記第１長辺と前記第２長辺との間隔が広がるように配置され、且つ、前記回転中心と、前記第１長辺及び前記第２長辺のそれぞれの延長線が交わる交点と、を通る磁極中心線について非対称に配置され、前記磁極中心線と前記第１長辺とのなす第１角度と、前記磁極中心線と前記第２長辺とのなす第２角度との関係が、第１角度＜第２角度＜第１角度×１．１１８である。【選択図】 図４

Description

本発明の実施形態は、回転電機に関する。

回転電機の高トルク化、高効率化、小型化が必要となる中で、回転子に永久磁石を設けた回転電機が知られている。特許文献１乃至３によれば、１磁極を構成する２つの永久磁石がＶ字状に配置され、２つの永久磁石が磁極中心線に対して非対称に配置されるとともに、各永久磁石の長手方向の長さが異なる技術が開示されている。

回転電機を製造する上で、回転電機全体の価格のうち、永久磁石のコストが占める割合は比較的大きい。そのため、１磁極あたり２個の永久磁石が異なる形状である場合、２種類の永久磁石を用意する必要があり、コストの増大を招く。

特開２０１０−４５９７４号公報 特開２０１４−２３１５９６号公報 国際公開第２０１１／０２４７３５号パンフレット

本実施形態の目的は、コストの増大を招くことなく高効率化が可能な回転電機を提供することにある。

本実施形態によれば、
固定子コアと、前記固定子コアに装着された固定子巻線と、を備えた固定子と、回転子コアと、前記回転子コアにおいて磁極ごとに埋設された第１永久磁石及び第２永久磁石と、を備えた回転子と、を備えた回転電機であって、前記第１永久磁石は、第１短辺と、前記第１短辺より長い第１長辺と、を有し、前記第２永久磁石は、前記第１短辺と等しい長さの第２短辺と、前記第１長辺と等しい長さの第２長辺と、を有し、前記第１永久磁石及び前記第２永久磁石は、前記回転子の回転中心から外周に向かうにしたがって前記第１長辺と前記第２長辺との間隔が広がるように配置され、且つ、前記回転中心と、前記第１長辺及び前記第２長辺のそれぞれの延長線が交わる交点と、を通る磁極中心線について非対称に配置され、前記磁極中心線と前記第１長辺とのなす第１角度と、前記磁極中心線と前記第２長辺とのなす第２角度との関係が、第１角度＜第２角度＜第１角度×１．１１８である、回転電機が提供される。

図１は、本実施形態の回転電機１の断面図である。 図２は、図１に示した回転電機１のうち固定子２及び回転子３のＡ−Ｂ線に沿った断面図である。 図３は、１磁極分の固定子２及び回転子３を示す断面図である。 図４は、１磁極分の磁石孔３２３及び永久磁石３３を示す拡大断面図である。 図５は、総トルクの比較結果を示した図である。 図６は、総トルクが最大となる電流位相角近傍を示す拡大図である。 図７は、第１角度θ１と第２角度θ２との比に対するトルクの増大効果を説明するための図である。

以下、本実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、開示はあくまで一例に過ぎず、当業者において、発明の主旨を保っての適宜変更について容易に想到し得るものについては、当然に本発明の範囲に含有されるものである。また、図面は、説明をより明確にするため、実際の態様に比べて、各部の幅、厚さ、形状等について模式的に表される場合があるが、あくまで一例であって、本発明の解釈を限定するものではない。また、本明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同一又は類似した機能を発揮する構成要素には同一の参照符号を付し、重複する詳細な説明を適宜省略することがある。

図１は、本実施形態の回転電機１の断面図である。図２は、図１に示した回転電機１のうち固定子２及び回転子３のＡ−Ｂ線に沿った断面図である。

本実施形態の回転電機１は、埋め込み永久磁石型（ＩＰＭ：Ｉｎｔｅｒｉｏｒ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ）回転電機として構成されている。すなわち、回転電機１は、円筒形状の固定子２と、永久磁石が埋設された円筒形状の回転子３と、固定子２及び回転子３を収容するハウジング１０と、ハウジング１０に固定されるカバー１１と、を備えている。

固定子２は、円筒形状の固定子コア２１と、固定子コア２１に装着された固定子巻線２２と、を備えている。固定子コア２１は、磁性材、例えば、円環状の電磁鋼板を多数枚、同芯状に積層した積層体として構成されている。固定子コア２１は、回転子３に面する複数のティース２３を備えている。ティース２３は、それぞれ軸方向に延びている。隣り合うティース２３の間には、スロット２４が形成されている。固定子巻線２２は、スロット２４に装着されている。

ハウジング１０は、略円筒状の内周面１０Ａを有している。固定子コア２１は、内周面１０Ａに焼きばめなどの手法によって固定されている。なお、固定子２の構造は、特に制限されるものではなく、一般的な構造を広く採用することができる。

回転子３は、固定子２との間に僅かな隙間（エアギャップ）をおいて配置され、固定子２の内側に回転自在に且つ固定子２と同軸的に支持されている。回転子３は、回転軸３１と、円筒形状の回転子コア３２と、回転子コア３２に埋設された永久磁石３３と、を備えている。

回転軸３１には、ベアリング４１及び４２が取り付けられている。ベアリング４１及び４２は、ハウジング１０及びカバー１１によって固定されている。回転軸３１は、ベアリング４１及び４２を介して回転自在にハウジング１０及びカバー１１に支持されている。なお、図示した例は、回転軸３１を支持する軸受構造の一例を簡略的に示すものであり、詳細な構造についての説明は省略する。

回転子コア３２は、回転軸３１の軸方向に沿った略中央部に位置し、回転軸３１の周りに固定されている。回転子コア３２は、磁性材、例えば、円環状の電磁鋼板を多数枚、同芯状に積層した積層体として構成されている。

回転子コア３２の外周部には、複数の空隙部３２１が形成されている。回転子コア３２の内周部には、複数の空隙部３２２が形成されている。空隙部３２１及び３２２は、それぞれ回転子コア３２を軸方向に貫通して延びている。なお、本明細書において、軸方向とは、図１に示した回転軸３１が延びる方向に相当する。

また、回転子コア３２には、複数の磁石孔３２３が形成されている。各磁石孔３２３は、回転子コア３２を軸方向に貫通して延びている。永久磁石３３は、それぞれ軸方向に延びており、各磁石孔３２３に挿入されている。図２において、回転子３の回転中心をＯで示し、１磁極を区切る境界線をそれぞれＯＢ及びＯＣで示し、磁極中心線をＯＡで示す。以下に、１磁極分の磁石孔３２３及び永久磁石３３の配置について、より詳細に説明する。

図３は、１磁極分の固定子２及び回転子３を示す断面図である。

空隙部３２１は、磁極中心線ＯＡ上に位置している。磁極中心線ＯＡを挟んで隣り合う空隙部３２２は、それぞれ境界線ＯＢ上及び境界線ＯＣ上に位置している。磁極ごとに形成された２つの磁石孔３２３は、磁極中心線ＯＡを挟んで隣り合っている。２つの磁石孔３２３は、回転中心Ｏと直交する平面でみた場合、回転中心Ｏから回転子コア３２の外周に向かうにしたがって、回転子コア３２の円周方向に間隔が広がるよう配置されている。ここでは、磁石孔３２３の内周側の端が磁極中心線ＯＡを挟んで近接し、磁石孔３２３の外周側の端が回転子コア３２の円周方向に沿って互いに離間している。

磁石孔３２３の外周側の端は、回転子コア３２の外周縁の近傍に位置している。回転子コア３２において、その外周縁と磁石孔３２３との間に幅の狭いブリッジ部３２４が形成されている。また、回転子コア３２において、隣り合う２つの磁石孔３２３の内周側の端の間に幅の狭いブリッジ部３２５が形成されている。

図４は、１磁極分の磁石孔３２３及び永久磁石３３を示す拡大断面図である。ここでは、磁極中心線ＯＡを挟んで右側に位置する永久磁石を第１永久磁石３３Ａとし、磁石孔を第１磁石孔３２３Ａとして示し、また、磁極中心線ＯＡを挟んで左側に位置する永久磁石を第２永久磁石３３Ｂとし、磁石孔を第２磁石孔３２３Ｂとして示している。

第１永久磁石３３Ａ及び第２永久磁石３３Ｂの各々は、例えば、細長い棒状に形成され、回転子コア３２の軸方向に沿った長さとほぼ等しい長さを有している。第１永久磁石３３Ａは、第１磁石孔３２３Ａに挿入されている。第２永久磁石３３Ｂは、第２磁石孔３２３Ｂに挿入されている。

第１永久磁石３３Ａ及び第２永久磁石３３Ｂは、回転子コア３２の円周方向に沿って並んで配置されている。第１永久磁石３３Ａ及び第２永久磁石３３Ｂのそれぞれの内周側の端は磁極中心線ＯＡを挟んで近接し、それぞれの外周側の端は回転子コア３２の円周方向に沿って互いに離間している。

第１永久磁石３３Ａ及び第２永久磁石３３Ｂは、回転中心Ｏと直交する平面でみた場合、いずれも矩形状の断面を有している。第１永久磁石３３Ａは、第１短辺ＳＡと、第１短辺ＳＡより長い第１長辺ＬＡとを有している。第２永久磁石３３Ｂは、第２短辺ＳＢと、第２短辺ＳＢより長い第２長辺ＬＢとを有している。本実施形態において、第１永久磁石３３Ａ及び第２永久磁石３３Ｂは、同一形状を有し、同一寸法を有している。すなわち、第１短辺ＳＡの長さ１０ａは第２短辺ＳＢの長さ１０ｂと等しく、第１長辺ＬＡの長さ９ａは第２長辺ＬＢの長さ９ｂと等しい。なお、第１永久磁石３３Ａ及び第２永久磁石３３Ｂは、同一形状の断面を有していればよく、図示したような矩形状の断面を有する場合に限らず、他の形状の断面を有していてもよい。例えば、第１永久磁石３３Ａについて、第１短辺ＳＡの長さ１０ａは、第１永久磁石３３Ａの着磁方向に沿った長さと言い換えることができ、また、第１長辺ＬＡの長さ９ａは、第１永久磁石３３Ａの着磁方向と直交する方向に沿った長さと言い換えることができる。第１永久磁石３３Ａ及び第２永久磁石３３Ｂは、それぞれの長辺と直交する方向に磁化されている。図示した例では、第１永久磁石３３Ａ及び第２永久磁石３３Ｂは、それぞれのＮ極が空隙部３２１を向くように配置されている。図２に示した例では、回転子３は、８磁極を有し、１６個の永久磁石３３を必要とする。これらの１６個の永久磁石３３は、すべて同一形状を有し、同一寸法を有するものである。

第１永久磁石３３Ａ及び第２永久磁石３３Ｂは、回転中心Ｏから回転子コア３２の外周に向かうにしたがって第１長辺ＬＡと第２長辺ＬＢとの間隔が広がるように配置されている。これらの第１永久磁石３３Ａ及び第２永久磁石３３Ｂは、磁極中心線ＯＡについて非対称に配置されている。ここでの磁極中心線ＯＡとは、回転中心Ｏと、第１長辺ＬＡ及び第２長辺ＬＢのそれぞれの延長線が交わる交点Ｐと、を通る線である。磁極中心線ＯＡと第１長辺ＬＡとのなす第１角度θ１と、磁極中心線ＯＡと第２長辺ＬＢとのなす第２角度θ２とを比較したとき、第２角度θ２は、第１角度θ１より大きい。後に述べるが、発明者が検討したところでは、第１角度θ１及び第２角度θ２の関係は、第１角度＜第２角度＜第１角度×１．１１８であることが望ましく、さらには、第１角度×１．０４≦第２角度≦第１角度×１．０８であることがより好ましい。

回転子コア３２は、空隙部３２１と第１長辺ＬＡとの間に第１幅Ｗ１を有する第１磁路形成部３２６と、空隙部３２１と第２長辺ＬＢとの間に第２幅Ｗ２を有する第２磁路形成部３２７と、を備えている。第２幅Ｗ２は、第２幅Ｗ１よりも大きい。このため、第１磁路形成部３２６は、磁極中心線ＯＡについて第２磁路形成部３２７とは非対称な形状となる。図示した例では、空隙部３２１は、磁極中心線ＯＡについて線対称な形状であるが、適宜その形状を変更してもよい。

第１永久磁石３３Ａの第１磁石孔３２３Ａにおける位置と、第２永久磁石３３Ｂの第２磁石孔３２３Ｂにおける位置との関係は以下の通りである。一例では、第１長辺ＬＡに沿った交点Ｐから第１永久磁石３３Ａまでの第１距離Ｌ１は、第２長辺ＬＢに沿った交点Ｐから第２永久磁石３３Ｂまでの第２距離Ｌ２より短い。また、第１長辺ＬＡに沿った回転子コア３２の外周面３２８から第１永久磁石３３Ａまでの第３距離Ｌ３は、第２長辺ＬＢに沿った外周面３２８から第２永久磁石３３Ｂまでの第４距離Ｌ４とほぼ等しい。

上記のように構成された回転電機１によれば、固定子巻線２２に通電することにより、固定子巻線２２から発生する回転磁界と、永久磁石３３の発生磁界との相互作用により、回転子３が回転軸３１を中心に回転する。図２に示した例では、回転子３は、例えば反時計回りに回転する。

回転電機１において、固定子巻線２２により作り出される磁束が時間と共に変化することで、回転子３においてトルクが発生する。各磁極の第１永久磁石３３Ａ及び第２永久磁石３３Ｂが磁極中心線ＯＡについて非対称に配置された本実施形態の回転電機１によれば、各磁極の２個の永久磁石が磁極中心線について対称に配置された比較例１の回転電機と比べて、リラクタンストルクが増加し、総トルクを増大させることができる。

図５は、総トルクの比較結果を示した図であり、図６は、総トルクが最大となる電流位相角近傍（図５のＸで示した箇所）を示す拡大図である。図５及び図６において、縦軸は総トルク値を示し、横軸は電流位相角を示している。なお、本実施形態の総トルクは、第１角度θ１と第２角度θ２との比が１：１．０５５である場合に得られる結果に相当する。図５及び図６に示したように、本実施形態の回転電機１によれば、比較例１の回転電機と比べて、総トルクを増大できることが確認された。

図７は、第１角度θ１と第２角度θ２との比に対するトルクの増大効果を説明するための図である。縦軸は本実施形態及び比較例１での最大トルク値のトルク差を示し、横軸は第１角度θ１と第２角度θ２との比を示している。図７に示したように、比が１より大きく、比が１．１１８となる範囲までトルクの増大効果を得られることが確認された。特に、比が１．０４以上、１．０８以下の範囲では、トルク増大効果がより高いことが確認された。したがって、上記の通り、第１角度θ１及び第２角度θ２の関係は、第１角度＜第２角度＜第１角度×１．１１８であることが望ましく、さらには、第１角度×１．０４≦第２角度≦第１角度×１．０８であることがより好ましい。

本実施形態によれば、第１永久磁石３３Ａ及び第２永久磁石３３Ｂは、同一形状を有し、同一寸法を有するものである。回転子３において、すべての磁極に配置される永久磁石は、同一形状を有するものである。つまり、回転子３がＮ個の磁極を有し、各磁極にＭ個の永久磁石が配置される構成においては、同一形状の１種類の永久磁石をＮ＊Ｍ個用意すればよい。このため、本実施形態の回転電機１によれば、各磁極において、互いに異なる形状の永久磁石が非対称に配置された比較例２と比べて、コストの増大を抑制することができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、コストの増大を招くことなく高効率化が可能な回転電機を提供することができる。

なお、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…回転電機 ２…固定子 ３…回転子
３１…回転軸 ３２…回転子コア ３３Ａ…第１永久磁石 ３３Ｂ…第２永久磁石
ＳＡ…第１短辺 ＬＡ…第１長辺 ＳＢ…第２短辺 ＬＢ…第２長辺
θ１…第１角度 θ２…第２角度 ＯＡ…磁極中心線 Ｏ…回転中心 Ｐ…交点
３２１…空隙部 ３２６…第１磁路形成部 ３２７…第３磁路形成部 ３２８…外周面

Claims (4)

1. 固定子コアと、前記固定子コアに装着された固定子巻線と、を備えた固定子と、
   回転子コアと、前記回転子コアにおいて磁極ごとに埋設された第１永久磁石及び第２永久磁石と、を備えた回転子と、を備えた回転電機であって、
   前記第１永久磁石は、第１短辺と、前記第１短辺より長い第１長辺と、を有し、
   前記第２永久磁石は、前記第１短辺と等しい長さの第２短辺と、前記第１長辺と等しい長さの第２長辺と、を有し、
   前記第１永久磁石及び前記第２永久磁石は、前記回転子の回転中心から外周に向かうにしたがって前記第１長辺と前記第２長辺との間隔が広がるように配置され、且つ、前記回転中心と、前記第１長辺及び前記第２長辺のそれぞれの延長線が交わる交点と、を通る磁極中心線について非対称に配置され、
   前記磁極中心線と前記第１長辺とのなす第１角度と、前記磁極中心線と前記第２長辺とのなす第２角度との関係が、第１角度＜第２角度＜第１角度×１．１１８である、回転電機。
2. 前記第１角度と前記第２角度との関係が、第１角度×１．０４≦第２角度≦第１角度×１．０８である、請求項１に記載の回転電機。
3. 前記回転子コアは、その外周部に形成され前記磁極中心線上に位置する空隙部と、前記空隙部と前記第１長辺との間に第１幅を有する第１磁路形成部と、前記空隙部と前記第２長辺との間に前記第１幅より大きな第２幅を有する第２磁路形成部と、を備える、請求項１または２に記載の回転電機。
4. 前記第１長辺に沿った前記交点から前記第１永久磁石までの第１距離は、前記第２長辺に沿った前記交点から前記第２永久磁石までの第２距離より短く、
   前記第１長辺に沿った前記回転子コアの外周面から前記第１永久磁石までの第３距離は、前記第２長辺に沿った前記外周面から前記第２永久磁石までの第４距離とほぼ等しい、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の回転電機。

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