JP2019161795A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】トルク性能を向上でき、かつ機械的強度を十分確保できる回転電機を提供する。【解決手段】コイル２４が巻回され、コイル２４に通電を行うことにより鎖交磁束を形成するステータ２０と、ステータ２０に対して回転自在に設けられた磁性材からなるロータコア４及びロータコア４に埋設された永久磁石７を有するロータ２と、を備え、永久磁石７は、ロータコア４の回転軸方向からみて一方向が長くなるように形成されており、回転軸方向からみてロータコア４における永久磁石７の第１端部７ａ及び第２端部７ｂには、これら第１端部７ａ及び第２端部７ｂに接する第１フラックスバリア９及び第２フラックスバリア１０と、第１フラックスバリア９及び第２フラックスバリア１０に接しロータコア４よりも鎖交磁束の通りにくい第１ブリッジ部４１及び第２ブリッジ部４２と、が連続して設けられている。【選択図】図１

Description

本発明は、回転電機に関する。

回転電機の中には、コイルが巻回されているステータと、ステータに対して回転自在に設けられた磁性材からなるロータコア及びロータコアに埋設された永久磁石を有するロータと、を備えたものがある。永久磁石は、製造コストを抑えるために板状であることが多い。この種の回転電機は、永久磁石によってロータコアに形成される表面磁束密度が、回転電機のトルク性能に大きく影響する。このため、永久磁石の磁束をできる限りステータ側に導くことが望まれる。

しかしながら、ロータコアに永久磁石を埋め込むので、ステータ側に導かれない、いわゆる漏れ磁束が生じてしまう。この漏れ磁束は、ロータの回転軸方向からみて永久磁石の長手方向端部（以下、単に永久磁石の長手方向端部という）の周囲をロータコアを介してＮ極からＳ極に回り込んで短絡してしまう磁束である。このような漏れ磁束をできる限り抑えるために、さまざまな技術が提案されている。

例えば、ロータコアを複数の電磁鋼板を積層して形成する場合において、永久磁石の長手方向端部に対応する位置のいずれかを開口とした電磁鋼板を、周方向に回転させながら積層する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。この構成では、永久磁石の長手方向端部に、電磁鋼板の積層方向に断続的に隙間が形成される。このため、磁束の短絡経路が狭まり、永久磁石の漏れ磁束が抑制できる。この結果、ステータ側に向かう永久磁石の磁束が増大し、回転電機のトルク性能を向上できる。

特開２０１４−３６５５４号公報

しかしながら、上述の従来技術にあっては、電磁鋼板に開口を形成する分、ロータコアの機械的強度が低下してしまうという課題があった。
また、さらに効果的に永久磁石の漏れ磁束を抑制し、回転電機のさらなるトルク性能の向上が望まれていた。

そこで、本発明は、トルク性能を向上でき、かつ機械的強度を十分確保できる回転電機を提供するものである。

上記の課題を解決するために、本発明に係る回転電機（例えば、実施形態における回転電機１，２０１）は、コイル（例えば、実施形態におけるコイル２４）が巻回されているステータ（例えば、実施形態におけるステータ２０）と、前記ステータに対して回転自在に設けられた磁性材からなるロータコア（例えば、実施形態におけるロータコア４）及び前記ロータコアに埋設された永久磁石（例えば、実施形態における永久磁石７）を有するロータ（例えば、実施形態におけるロータ２）と、を備え、前記永久磁石は、前記ロータコアの回転軸方向からみて一方向が長くなるように形成されており、前記回転軸方向からみて前記ロータコアにおける前記永久磁石の長手方向端部（例えば、実施形態における第１端部７ａ、第２端部７ｂ）には、前記長手方向端部に接する空洞部（例えば、実施形態における第１フラックスバリア９、第２フラックスバリア１０）と、前記空洞部に接し前記ロータコアよりも前記鎖交磁束の通りにくいブリッジ部（例えば、実施形態における第１ブリッジ部４１，２４１、第２ブリッジ部４２，２４２）と、が連続して設けられていることを特徴とする。

このように、永久磁石の長手方向端部には、空洞部と磁束の通りにくいブリッジ部とが連続して設けられている。このため、永久磁石における磁束の短絡経路を遮断できて漏れ磁束を確実に低減できる。よって、回転電機のトルク性能を、より効果的に向上できる。しかも、ロータコアの軸方向に断続的に隙間を形成する必要がないので、ロータコアの機械的強度を十分確保することができる。

本発明に係る回転電機において、前記鎖交磁束の通りにくいブリッジ部は、前記ロータコアの外周面（例えば、実施形態における外周面４ａ）に露出していることを特徴とする。

このように構成することで、ロータコアの外周部に形成されるブリッジ部に、永久磁石の磁束の短絡経路が形成されてしまうことを防止できる。このため、永久磁石の磁束をステータ側に効率よく導くことができるので、回転電機のトルク性能を確実に向上できる。

本発明に係る回転電機において、前記ブリッジ部は、非磁性材であることを特徴とする。

このように構成することで、ブリッジ部の機械的強度を確保しつつ、ブリッジ部に鎖交磁束を通りにくくすることができる。

本発明に係る回転電機において、前記非磁性材は、磁性材に所定の処理を施してなることを特徴とする。

このように構成することで、非磁性材を別途設けることなく、ブリッジ部に鎖交磁束を通りにくくすることができる。

本発明に係る回転電機において、前記所定の処理は、炭化、窒化、及び熱処理のうち、少なくとも１つを選択して施されたことを特徴とする。

このように構成することで、ロータコアに、容易に非磁性材を形成することができる。

本発明に係る回転電機は、前記ブリッジ部に、複数の細孔（例えば、実施形態における細孔５１）を形成していることを特徴とする。

このように構成することで、ブリッジ部に鎖交磁束を通りにくくすることができる。

本発明に係る回転電機において、前記細孔の孔径は、０．５ｍｍ以下であることを特徴とする。

このように構成することで、ブリッジ部の機械的強度を十分確保しつつ、ブリッジ部に鎖交磁束を通りにくくすることができる。

本発明に係る回転電機において、前記細孔は、ＹＡＧレーザを用いて形成されていることを特徴とする。

このように構成することで、細孔を容易に形成することができる。

本発明によれば、永久磁石の長手方向端部には、空洞部と磁束の通りにくいブリッジ部とが連続して設けられている。このため、永久磁石における磁束の短絡経路を遮断できて漏れ磁束を確実に低減できる。よって、回転電機のトルク性能を、より効果的に向上できる。しかも、ロータコアの軸方向に断続的に隙間を形成する必要がないので、ロータコアの機械的強度を十分確保することができる。

本発明の第１実施形態における回転電機の断面図である。 図１のＡ部拡大図である。 図１のＢ部拡大図である。 本発明の第１実施形態の第１ブリッジ部における永久磁石の磁束漏れ量の違いを比較する説明図であって、（ａ）は、第１ブリッジ部が磁性材である場合を示し、（ｂ）は、第１ブリッジ部が非磁性材である場合を示す。 本発明の第１実施形態における回転電機のトルクの変化を示し、各ブリッジ部が磁性材の場合と、非磁性材の場合とで比較したグラフである。 本発明の第２実施形態における回転電機の断面図である。 図６のＣ部拡大図である。 図６のＤ部拡大図である。

以下、本発明の回転電機の一実施形態について添付図面を参照しながら説明する。

本実施形態による回転電機は、例えば、電動車両等の車両に搭載されている。電動車両は、電気自動車、ハイブリッド車両、及び燃料電池車両等である。電気自動車は、バッテリを動力源として駆動する。ハイブリッド車両は、バッテリ及び内燃機関を動力源として駆動する。燃料電池車両は、燃料電池を動力源として駆動する。回転電機は、駆動時にバッテリから供給される電力によって回転駆動力を発生させる。回転電機は、発電時に回転軸に入力される回転駆動力によって回生電力を発生させる。

（第１実施形態）
（回転電機）
図１は、第１実施形態における回転電機１を示し、回転軸線Ｐに直交する断面図（以下、単に断面図という）である。なお、回転電機１のロータ２は６極であり、図１では、１極分、つまり、１／６周の周角度領域分のみを示している。
回転電機１は、略円筒状のステータ２０と、ステータ２０よりも径方向内側に設けられ、ステータ２０に対して回転自在に設けられたロータ２と、を備えている。なお、ステータ２０及びロータ２は、それぞれの中心軸線が共通軸上に位置した状態で配置されている。以下、共通軸を回転軸線Ｐと称し、回転軸線Ｐ回りに周回する方向を周方向と称し、回転軸線Ｐ方向及び周方向に直交する方向を径方向と称する。

ステータ２０は、略円筒状のステータコア２１を有している。ステータコア２１は、電磁鋼板を複数枚積層したり、軟磁性粉を加圧成形したりして形成することが可能である。ステータコア２１の内周面には、回転軸線Ｐに向かって突出し、周方向に等間隔で配列された複数（例えば、本実施形態では９個）のティース２２が一体成形されている。ティース２２は、回転軸線Ｐ方向からみて略Ｔ字状に形成されている。

すなわち、ティース２２は、径方向に延びるティース本体２２ａと、ティース本体２２ａの径方向内側端（先端）から周方向に延びる鍔部２２ｂと、が一体成形されたものである。隣接する各ティース２２間には、それぞれスロット２３が形成されている。これらスロット２３を介し、各ティース２２にコイル２４が巻回されている。このコイル２４に電流を供給することにより、ステータ２０（ティース２２）に所定の鎖交磁束が形成される。

ロータ２は、回転軸線Ｐに沿って延び、この回転軸線Ｐ回りに回転するシャフト３と、シャフト３に外嵌固定された略円柱状のロータコア４と、を備えている。ロータコア４の径方向中央には、シャフト３を挿入、又は圧入可能な貫通孔５が形成されている。

ここで、本実施形態のロータコア４において、ステータ２０によって形成される鎖交磁束の通りやすい方向をｑ軸と称する。また、ｑ軸に対して電気的、磁気的に直交する径方向に沿った方向をｄ軸と称する。
つまり、ロータコア４の１極分とは、ｑ軸間の領域（１／６周の周角度領域）をいう。
このため、ロータコア４は、６極に構成されている。また、本実施形態のロータコア４では、１極のうちの周方向中央がｄ軸となる。

ロータコア４には、１極ごとに、それぞれ２つの永久磁石７が設けられている。２つの永久磁石７は、ロータコア４に永久磁石７の形状に対応するように形成された２つの磁石収納孔６をそれぞれ埋めるように配置されている。そして、磁石収納孔６に、例えば接着剤等により永久磁石７が固定されている。また、永久磁石７は、回転軸線Ｐ方向からみて長方形の板状の永久磁石である。
なお、以下の説明では、永久磁石７の部位を指すにあたり、回転軸線Ｐ方向からみた長手方向を単に長手方向と称して説明する。

２つの永久磁石７は、ｄ軸を中心に線対称に配置されている。また、２つの永久磁石７は、長手方向でｄ軸側の第１端部７ａに対し、この第１端部７ａとは反対側の第２端部７ｂが径方向外側に位置するように配置されている。さらに、２つの永久磁石７は、第１端部７ａから第２端部７ｂに向かうに従って漸次ｄ軸から離間するように配置されている。

このように配置された永久磁石７は、各永久磁石７におけるロータコア４の外周面４ａ側の磁束密度が高くなる。また、ｄ軸に永久磁石７の磁束が集中しやすくなる。すなわち、１／６周の周角度領域のそれぞれに配置された２つの永久磁石７は、磁化方向が同じとなる。つまり、例えば、１／６周の周角度領域のそれぞれに配置された２つの永久磁石７は、それぞれ径方向外側の面がＮ極に着磁されているとする。この場合、周方向で隣り合う別の１／６周の周角度領域に配置された２つの永久磁石７は、それぞれ径方向外側の面がＳ極に着磁されている。

永久磁石７の長手方向両端部７ａ，７ｂ（第１端部７ａ、第２端部７ｂ）には、これら端部７ａ，７ｂに接するように、それぞれフラックスバリア９，１０（第１フラックスバリア９、第２フラックスバリア１０）が形成されている。各フラックスバリア９，１０は、ロータコア４を軸方向に貫通する空洞部である。各フラックスバリア９，１０は、永久磁石７の長手方向両端部７ａ，７ｂからロータコア４への磁束漏れを抑制する。

永久磁石７の第１端部７ａに形成されている第１フラックスバリア９の間には、ｄ軸上に位置する第１ブリッジ部４１が形成される。一方、永久磁石７の第２端部７ｂに形成されている第２フラックスバリア１０からロータコア４の外周面４ａに至る間に、第２ブリッジ部４２が形成される。これらブリッジ部４１，４２は、ロータコア４を構成するものである。

図２は、図１のＡ部拡大図である。図３は、図１のＢ部拡大図である。
図２に示す第１ブリッジ部４１の周方向の幅Ｗ１、及び図３に示す第２ブリッジ部４２の径方向の幅Ｗ２は、それぞれロータ２を回転させた際等に変形しない程度、つまり、ロータコア４の機械的強度を満足できる範囲で、できる限り狭くするのが好ましい。
ここで、各ブリッジ部４１，４２は、ロータコア４に炭化、窒化、及び熱処理のうち、少なくとも１つの処理を選択して施すことにより、非磁性材になっている。第２ブリッジ部４２は、第２フラックスバリア１０からロータコア４の外周面４ａに至る間に形成されている。換言すれば、ロータコア４の外周面４ａに、第２ブリッジ部４２が露出されている。このため、ロータコア４の外周面４ａは、第２ブリッジ部４２が配置されている箇所が非磁性材となる。

各ブリッジ４１，４２を非磁性材とする所定の処理について、具体的に説明する。
例えば、所定の処理として、ＹＡＧ（Ｙｔｔｒｉｕｍ Ａｌｕｍｉｎｉｕｍ Ｇａｒｎｅｔ）レーザを用いて、各ブリッジ部４１，４２を局所高温化し、その後急冷による残留オーステナイト層を増加する処理が挙げられる。
ここで、ブリッジ部４１，４２を行う微小部分に照射可能なＹＡＧレーザ等で局所的に加熱、溶融を行い、加熱された部分は、非磁性で不安定なオーステナイトとなるが、周囲の鉄（ロータコア４）により急激に冷やされ、マルテンサイト変態を起こす。この時、準安定層である残留オーステナイト層が形成される。この残留オーステナイト層が非磁性部分となる。オーステナイト層を安定化させるため、Ｃｒ（クロム）、Ｃ（炭素）等の元素が一般に添加されるが、これら元素は、ロータコア４にあらかじめ固溶させておいてもよいし、ＹＡＧレーザ照射時に、外部から供給（塗付、吹き付け等）してもよい。

なお、炭化、窒化、及び熱処理については、いずれも加熱を行う処理になる。したがって、各ブリッジ部４１，４２を非磁性材とするための方法としては、上述のＹＡＧレーザを用いた方法の他にさまざまな方法が挙げられる。例えば、高周波焼入れ、炎焼入れ、ガス浸炭、真空浸炭、滴中式浸炭法、液体浸炭、個体浸炭、浸炭窒化、ガス窒化、ガス軟窒化、塩浴軟窒化、プラズマ窒化、浸硫窒化、浸硫処理、ポロナイジング、拡散浸透処理、等、さまざまな方法が挙げられる。また、上記処理について、ブリッジ部４１，４２に局所的な処理を施すために、必要に応じてマスキングを行う。

次に、回転電機１の動作について説明する。
ステータ２０のコイル２４に電流を供給すると、鎖交磁束Ｊ１（図１参照）が形成される。鎖交磁束Ｊ１は、隣接するティース２２に跨るように、回転軸線Ｐに向かって凸となるように複数形成される。換言すれば、鎖交磁束Ｊ１は、ｑ軸に沿って形成される。すなわち、ロータ２の永久磁石７は、ステータ２０の鎖交磁束に沿って配置されている。この鎖交磁束Ｊ１と永久磁石７との間で磁気的な吸引力や反発力が生じ、ロータ２が回転する。

また、ロータコア４の永久磁石７に沿ってｑ軸磁路が形成されるのに対し、ｄ軸は、永久磁石７により殆ど磁路が形成されない。このため、ロータコア４には、ステータ２０の鎖交磁束が通りやすい方向と通りにくい方向とが形成される。そして、これにより発生するリラクタンストルクが、ロータ２の回転に寄与される。このように、ロータ２は、永久磁石７による磁束と、リラクタンストルクと、により、効率よく回転する。そして、ロータ２の回転トルクを向上させることができる。

ここで、ロータコア４に形成されている各ブリッジ部４１，４２は、永久磁石７の磁束が漏出される磁路となる。しかしながら、各ブリッジ部４１，４２は、非磁性材であるので、磁束が通りにくく、永久磁石７の磁束漏れが抑制される。

図４は、第１ブリッジ部４１における永久磁石７の磁束漏れ量の違いを比較する説明図であって、（ａ）は、第１ブリッジ部４１が磁性材（ロータコア４と同じ素材）である場合を示し、（ｂ）は、第１ブリッジ部４１が非磁性材（本第１実施形態）である場合を示す。
図４（ａ）、図４（ｂ）に示すように、第１ブリッジ部４１が磁性材の場合（図４（ａ）参照）と比較して、第１ブリッジ部４１が非磁性材の場合（図４（ｂ）参照）は、第１ブリッジ部４１を通る永久磁石７の磁束Ｊ２の量が少ないことが確認できる。

このように、上述の第１実施形態におけるロータコア４には、永久磁石７の第１端部７ａ及び第２端部７ｂに接するように、第１フラックスバリア９及び第２フラックスバリア１０が形成されている。これに加え、第１フラックスバリア９に連続して第１ブリッジ部４１が形成されている。また、第２フラックスバリア１０に連続して第２ブリッジ部４２が形成されている。各ブリッジ部９，１０は非磁性材であり、永久磁石７の磁束Ｊ２が通りにくい。このため、永久磁石７の磁束Ｊ２の短絡経路を遮断できて漏れ磁束を低減でき、回転電機１のトルク性能を向上できる。しかも、従来のようにロータコア４の軸方向に断続的に隙間を形成する必要がないので、ロータコア４の機械的強度を十分確保することができる。

図５は、縦軸を回転電機１のトルク［Ｎ・ｍ］とし、横軸をロータの回転角度［ｄｅｇ］とした場合のトルクの変化を示し、各ブリッジ部４１，４２が磁性材（従来）の場合と、非磁性材（本第１実施形態）の場合とで比較したグラフである。
図５に示すように、各ブリッジ部４１，４２が磁性材の場合と比較して、各ブリッジ部４１，４２が非磁性材の場合のトルクが向上されていることが確認できる。

また、ロータコア４の第２ブリッジ部４２は、ロータコア４の外周面４ａに露出されている。このため、ロータコア４の外周面４ａの近傍から、第２ブリッジ部４２を介して永久磁石７の磁束Ｊ２が漏れてしまうことを抑制できる。よって、永久磁石７の磁束Ｊ２をステータ２０に効率よく導くことができるので、回転電機１のトルク性能を確実に向上できる。

また、各ブリッジ部４１，４２が、永久磁石７の磁束Ｊ２を通りにくくさせるために、各ブリッジ部４１，４２を非磁性材としている。つまり、ロータコア４をそのまま使用できるので、各ブリッジ部４１，４２の機械的強度を確保できる。
さらに、各ブリッジ部４１，４２を非磁性材とするべく、各ブリッジ部４１，４２に、炭化、窒化、及び熱処理のうち、少なくとも１つを選択して施している。このため、容易に各ブリッジ部４１，４２を非磁性材とすることができる。

（第２実施形態）
次に、図６〜図８に基づいて、第２実施形態について説明する。
図６は、第２実施形態における回転電機２０１の断面図であって、前述の図１に対応している。図７は、図６のＣ部拡大図であって、前述の図２に対応している。図８は、図６のＤ部拡大図であって、前述の図３に対応している。なお、前述の第１実施形態と同一態様には、同一符号を付して説明を省略する。

図６、図７に示すように、第２実施形態において、回転電機２０１は、ステータ２０と、ステータ２０よりも径方向内側に設けられ、ステータ２０に対して回転自在に設けられたロータ２と、を備えている点は、前述の第１実施形態と同様である。また、ロータ２のロータコア４には、永久磁石７が設けられ、この永久磁石７の第１端部７ａ及び第２端部７ｂに接するように、各フラックスバリア９，１０が形成されている点、各フラックスバリア９，１０に連続して各ブリッジ部２４１，２４２が形成されている点は、前述の第１実施形態と同様である。

ここで、前述の第１実施形態と第２実施形態との相違点は、第１実施形態における各ブリッジ部４１，４２の構成と、第２実施形態における各ブリッジ部２４１，２４２との構成とが異なる点にある。
すなわち、第２実施形態における各ブリッジ部２４１，２４２は、ロータコア４の材質そのものであり、磁性体である。そして、各ブリッジ部２４１，２４２には、複数の細孔５１からなる細孔群５０が形成されている。

細孔５１の孔径は、０．５ｍｍ以下である。細孔５１は、例えば、ＹＡＧレーザを照射して形成することが可能である。しかしながら、これに限られるものではなく、細孔５１の孔径を０．５ｍｍ以下にできればよい。例えば、放電加工等によって、細孔５１を形成することも可能である。

このように、各ブリッジ部２４１，２４２に細孔群５９０を形成することにより、各ブリッジ部２４１，２４２に永久磁石７の磁束Ｊ２（図４参照、図６、図７では不図示）が通りにくくなる。また、細孔５１の孔径が０．５ｍｍ以下であるので、各ブリッジ部２４１，２４２の機械的強度が低下してしまうことを防止できる。したがて、上述の第２実施形態によれば、前述の第１実施形態と同様の効果を奏することができる。

なお、本発明の各実施形態は、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。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、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ものである。

例えば、上述の各実施形態では、回転電機１，２０１は、電動車両等の車両に搭載されている場合について説明した。しかしながら、これに限られるものではなく、さまざまな電動機器の駆動源として、回転電機１，２０１を採用することができる。
また、上述の各実施形態では、回転電機１，２０１は、ティース２２（スロット２３）の数が９個であり、ロータ２の極数が６極である場合について説明した。しかしながら、これに限られるものではなく、さまざまなスロット数、極数の回転電機に上述の実施形態を適用することが可能である。

１，２０１…回転電機、２…ロータ、４…ロータコア、４ａ…外周面、７…永久磁石、７ａ…第１端部（端部）、７ｂ…第２端部（端部）、９…第１フラックスバリア（空洞部）、１０…第２フラックスバリア（空洞部）、２０…ステータ、２４…コイル、４１，２４１…第１ブリッジ部（ブリッジ部）、４２，２４２…第２ブリッジ部（ブリッジ部）、５１…細孔、Ｊ１…鎖交磁束、Ｐ…回転軸線（回転軸）

Claims (8)

1. コイルが巻回され、前記コイルに通電を行うことにより鎖交磁束を形成するステータと、
   前記ステータに対して回転自在に設けられた磁性材からなるロータコア及び前記ロータコアに埋設された永久磁石を有するロータと、
   を備え、
   前記永久磁石は、前記ロータコアの回転軸方向からみて一方向が長くなるように形成されており、
   前記回転軸方向からみて前記ロータコアにおける前記永久磁石の長手方向端部には、前記長手方向端部に接する空洞部と、前記空洞部に接し前記ロータコアよりも前記鎖交磁束の通りにくいブリッジ部と、が連続して設けられている
   ことを特徴とする回転電機。
2. 前記鎖交磁束の通りにくいブリッジ部は、前記ロータコアの外周面に露出している
   ことを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
3. 前記ブリッジ部は、非磁性材である
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の回転電機。
4. 前記非磁性材は、磁性材に所定の処理を施してなる
   ことを特徴とする請求項３に記載の回転電機。
5. 前記所定の処理は、炭化、窒化、及び熱処理のうち、少なくとも１つを選択して施されたことを特徴とする
   請求項４に記載の回転電機。
6. 前記ブリッジ部に、複数の細孔を形成している
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の回転電機。
7. 前記細孔の孔径は、０．５ｍｍ以下である
   ことを特徴とする請求項６に記載の回転電機。
8. 前記細孔は、ＹＡＧレーザを用いて形成されている
   ことを特徴とする請求項６又は請求項７に記載の回転電機。

Images