JP2019165593A - 回転電機 - Google Patents

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Abstract

【課題】遠心応力に対し強度を保ちながら、軽量化が可能な永久磁石型の回転電機を提供する。【解決手段】回転電機は、固定子と、回転子鉄心24と、回転子鉄心に埋設された複数の永久磁石26と、を有する回転子14と、を備えている。磁極中心軸dと電気的に直交する軸をq軸、磁極中心軸と回転子鉄心の外周面と埋め込み孔34の外周側長辺35b上に延在し磁極中心軸および回転子鉄心の外周面と交差する第1仮想直線L1とで囲まれた領域の面積をA1、磁極中心軸と回転子鉄心の外周面と埋め込み孔の内周側長辺35a上に延在し磁極中心軸および回転子鉄心の外周面と交差する第2仮想直線L2と空隙孔30の第1辺30a上に延在し磁極中心軸およびq軸と交差する第3仮想直線L3とで囲まれた領域の面積をA2、第1ブリッジ部B1の半値幅をW1、第2ブリッジ部B2の半値幅をW2、とした場合、W2/W1≦(A1+A2)/A1の関係を満たす。【選択図】図2

Description

この発明の実施形態は、回転子に永久磁石が設けられた回転電機に関する。
近年、永久磁石の目覚しい研究開発により、高磁気エネルギー積の永久磁石が開発され、このような永久磁石を用いた永久磁石型の回転電機が電車や自動車の電動機あるいは発電機として適用されつつある。通常、永久磁石型の回転電機は、円筒状の固定子と、この固定子の内側に回転自在に支持された円柱形状の回転子と、を備えている。回転子は、回転子鉄心と、この回転子鉄心内に埋め込まれた複数の永久磁石と、を備えている。
このような永久磁石型の回転電機では、各磁極において、一対の永久磁石を内周面側から外周面側に向かって開くように対象に配置することにより、マグネットトルクに加えて、リラクタンストルクも利用できる磁気回路を形成することが提案されている。
特開2014−75882号公報 特開2010−80799号公報
移動体の駆動源として用いられる回転電機では、取り付けスペースが小さく、限られた空間の中で高トルク、高出力化することが要求される。更に、同じトルクであれば、より軽量であることが望まれている。
この発明は以上の点に鑑みなされたもので、その課題は、回転子に生じる遠心応力に対し強度を保ちながら、軽量化が可能な永久磁石型の回転電機を提供することにある。
実施形態によれば、回転電機は、固定子鉄心および電機子巻線を有する固定子と、中心軸線の回りで回転自在なシャフトと、前記シャフトに同軸的に固定され、円周方向に並ぶ複数の磁極を有する回転子鉄心と、前記回転子鉄心に埋設され前記磁極ごとに配置された複数の永久磁石と、を有する回転子と、を備えている。前記回転子鉄心は、それぞれ前記中心軸線および前記磁極の中心を通り前記中心軸線に対して放射方向に延びる複数の磁極中心軸と、各磁極において、前記磁極中心軸の両側に設けられ、それぞれ前記永久磁石が装填された2つの埋め込み孔と、それぞれ隣合う前記磁極の間に設けられ、間隔を置いて前記埋め込み孔に対向する複数の空隙孔と、前記磁極中心軸上で、前記2つの埋め込み孔の間に規定された第1ブリッジ部と、前記磁極中心軸上で、隣り合う2つの空隙孔の間に規定された第2ブリッジ部と、を有している。前記各磁極において、前記2つの埋め込み孔および2つの永久磁石は、前記磁極中心軸に隣接する内周側端と前記回転子鉄心の外周面に隣接する外周側端とをそれぞれ有し、前記磁極中心軸に対して線対称に配置され、前記内周側端から外周側端に向かうに従って、前記磁極中心軸からの距離が徐々に広がるように配置されている。前記埋め込み孔の各々は、互いに平行に対向する外周側長辺および内周側長辺で規定され前記永久磁石が装填された磁石装填領域と、前記永久磁石の内周側端から前記磁極中心軸に向かって拡がる内周側空隙と、前記永久磁石の外周側端から前記外周面に向かって拡がる外周側空隙と、を含み、前記空隙孔の各々は、それぞれ隣り合う磁極に設けられた前記埋め込み孔の前記内周側長辺と間隔を置いて対向する第1辺および第2辺と、それぞれ隣り合う磁極の前記磁極中心軸と隙間を置いて対向する第3辺および第4辺と、により規定されている。
前記各磁極において、前記磁極中心軸と電気的に直交する軸をq軸、前記磁極中心軸と、前記回転子鉄心の外周面と、前記埋め込み孔の外周側長辺上に延在し前記磁極中心軸および回転子鉄心の外周面と交差する第1仮想直線と、で囲まれた領域の面積をA1、前記磁極中心軸と、前記回転子鉄心の外周面と、前記埋め込み孔の内周側長辺上に延在し前記磁極中心軸および回転子鉄心の外周面と交差する第2仮想直線と、前記空隙孔の前記第1辺上に延在し前記磁極中心軸および前記q軸と交差する第3仮想直線と、で囲まれた領域の面積をA2、前記第1ブリッジ部の半値幅をW1、前記第2ブリッジ部の半値幅をW2、とした場合、前記回転子鉄心は、W2/W1 ≦(A1+A2)/A1 の関係を満たして形成されている。
図1は、実施形態に係る永久磁石型の回転電機の横断面図。 図2は、前記回転電機の回転子の一部を拡大して示す横断面図。
以下に、図面を参照しながら、種々の実施形態について説明する。なお、実施形態を通して共通の構成には同一の符号を付すものとし、重複する説明は省略する。また、各図は実施形態とその理解を促すための模式図であり、その形状や寸法、比などは実際の装置と異なる個所があるが、これらは以下の説明と公知の技術を参酌して適宜、設計変更することができる。
図1は、実施形態に係る永久磁石型の回転電機の横断面図、図2は、回転子の一部を拡大して示す横断面図である。
図1に示すように、回転電機10は、例えば、インナーロータ型の回転電機として構成され、図示しない固定枠に支持された環状あるいは円筒状の固定子12と、固定子の内側に中心軸線Cの回りで回転自在に、かつ固定子12と同軸的に支持された回転子14と、を備えている。回転電機10は、例えば、ハイブリッド自動車(HEV)や電気自動車(EV)において、駆動モータあるいは発電機に好適に適用される。
固定子12は、円筒状の固定子鉄心16と固定子鉄心16に巻き付けられた電機子巻線18とを備えている。固定子鉄心16は、磁性材、例えば、ケイ素鋼などの円環状の電磁鋼板を多数枚、同芯状に積層して構成されている。固定子鉄心16の内周部には、複数のスロット20が形成されている。複数のスロット20は、円周方向に等間隔を置いて並んでいる。各スロット20は、固定子鉄心16の内周面に開口し、この内周面から放射方向に延出している。また、各スロット20は、固定子鉄心16の軸方向の全長に亘って延在している。複数のスロット20を形成することにより、固定子鉄心16の内周部は、回転子14に面する複数(例えば、本実施形態では48個)の固定子ティース21を構成している。複数のスロット20に電機子巻線18が埋め込まれ、各固定子ティース21に巻き付けられている。電機子巻線18に電流を流すことにより、固定子12(固定子ティース21)に所定の鎖交磁束が形成される。
回転子14は、両端が図示しない軸受により回転自在に支持された円柱形状のシャフト(回転軸)22と、このシャフト22の軸方向ほぼ中央部に固定された円筒形状の回転子鉄心24と、回転子鉄心24内に埋め込まれた複数の永久磁石26と、を有している。回転子14は、固定子12の内側に僅かな隙間(エアギャップ)を置いて同軸的に配置されている。すなわち、回転子14の外周面は、僅かな隙間をおいて、固定子12の内周面に対向している。回転子鉄心24は中心軸線Cと同軸的に形成された内孔25を有している。シャフト22は内孔25に挿通および嵌合され、回転子鉄心24と同軸的に延在している。回転子鉄心24は、磁性材、例えば、ケイ素鋼などの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。
本実施形態において、回転子14は、複数磁極、例えば、8磁極に設定されている。回転子鉄心24において、中心軸線Cおよび各磁極の中心を通り、中心軸線Cに対して径方向あるいは放射方向に延びる軸をd軸、およびd軸に対して電気的、磁気的に90°離間した軸をq軸と称する。ここでは、固定子12によって形成される鎖交磁束の流れ易い方向をq軸と称する。d軸およびq軸は、回転子鉄心24の円周方向に交互に、かつ、所定の位相で設けられている。回転子鉄心24の1磁極分とは、q軸間の領域(1/8周の周角度領域)をいう。このため、回転子鉄心24は、8極(磁極)に構成されている。1磁極のうちの周方向中央がd軸となる。
図1および図2に示すように、回転子鉄心24には、1磁極ごとに、2つの永久磁石26が埋設されている。回転子鉄心24の円周方向において、各d軸の両側に、永久磁石26の形状に対応した形状の磁石埋め込み孔(以下、埋め込み孔と称する)34が形成されている。2つの永久磁石26は、それぞれ埋め込み孔34内に装填および配置され、例えば、接着剤等により回転子鉄心24に固定されている。
各埋め込み孔34は、回転子鉄心24を軸方向に貫通して延びている。埋め込み孔34は、ほぼ矩形の断面形状を有し、それぞれd軸に対して傾斜している。回転子鉄心24の中心軸線Cと直交する断面でみた場合、2つの埋め込み孔34は、例えば、ほぼV字状に並んで配置されている。すなわち、2つの埋め込み孔34の内周側の端はそれぞれd軸に隣接し、僅かな隙間をおいて互いに対向している。回転子鉄心24において、2つの埋め込み孔34の内周側端の間に、幅の狭い磁路狭隘部(第1ブリッジ部)36が形成されている。2つの埋め込み孔34の外周側の端は、回転子鉄心24の円周方向に沿ってd軸から離間し、回転子鉄心24の外周面の近傍およびq軸の近傍に位置している。これにより、埋め込み孔34の外周側の端は、隣合う磁極の埋め込み孔34の外周側端と、q軸を挟んで対向している。回転子鉄心24において、各埋め込み孔34の外周側端と回転子鉄心24の外周縁との間に幅の狭い磁路狭隘部(ブリッジ部)38が形成されている。このように、2つの埋め込み孔34は、内周側端から外周側端に向かうに従って、d軸からの距離が徐々に広がるように配置されている。
図2に示すように、各永久磁石26は、矩形状の断面形状を有し、互いに平行に対向する第1表面および第2表面(裏面)、および互いに対向する一対の側面を有している。
各埋め込み孔34は、永久磁石26の断面形状に対応した矩形状の磁石装填領域34aと、この磁石装填領域34aの長手方向の両端から延出する2つの空隙(内周側空隙34bおよび外周側空隙34c)と、更に、磁石装填領域34aの長手方向両端において埋め込み孔34の内周側端面35aから埋め込み孔34内に突出した一対の係止凸部34dと、を有している。
磁石装填領域34aは、平坦な矩形状の内周側端面(内周側長辺)35aと、この内周側端面35aと隙間を置いて平行に対向する平坦な矩形状の外周側端面(外周側長辺)35bとの間に規定されている。内周側空隙34bは、第1内側面44aと、第2内側面44bと、第3内側面44cと、により規定されている。第1内側面44aは、磁石装填領域34aの外周側端面35bの一端(d軸側の端)からd軸に向かって延出している。第2内側面44bは、磁石装填領域34aの内周側端面35aの一端(d軸側の端、ここでは、係止凸部34d)から回転子鉄心24の中心軸線Cに向かってd軸とほぼ平行に延出している。第3内側面44cは、第1内側面44aの延出端と第2内側面44bの延出端とに跨り、d軸とほぼ平行に延在している。なお、第3内側面44cの両端部は、円弧面を介して第1内側面44aおよび第2内側面44bに繋がっている。2つの埋め込み孔34の内周側空隙34bは、第3内側面44b同志がd軸および第1ブリッジ部B1を挟んで互いに対向して配置されている。
外周側空隙34cは、第1内側面46aと、第2内側面46bと、第3内側面46cと、により規定されている。第1内側面46aは、磁石装填領域34aの外周側端面35bの他端(回転子鉄心外周面側の端)から回転子鉄心24の外周面に向かって延出している。第2内側面46bは、磁石装填領域34aの内周側端面35aの他端(回転子鉄心外周面側の端、ここでは、係止凸部34d)から回転子鉄心24の外周面に向かって延出している。第3内側面46cは、第1内側面46aの延出端と第2内側面46bの延出端とに跨り、回転子鉄心24の外周面に沿って延出している。第3内側面46cと回転子鉄心24の外周面との間に、ブリッジ部38が規定されている。
内周側空隙34bおよび外周側空隙34cは、永久磁石26の長手方向両端部から回転子鉄心24への磁束漏れを抑制するフラックスバリアとして機能するとともに、回転子鉄心24の軽量化にも寄与する。
図2に示すように、永久磁石26は、各埋め込み孔34に装填され、回転子鉄心24に埋め込まれている。永久磁石26は、例えば、横断面が矩形状の細長い平板状に形成され、回転子鉄心24の軸方向長さとほぼ等しい長さを有している。永久磁石26は、軸方向(長手方向)に複数に分割された磁石を組み合わせて構成されてもよく、この場合、複数の磁石の合計の長さが回転子鉄心24の軸方向長さとほぼ等しくなうように形成される。各永久磁石26は回転子鉄心24のほぼ全長に亘って埋め込まれている。永久磁石26の磁化方向は、永久磁石26の表面および裏面と直交する方向としている。
永久磁石26は、埋め込み孔34の磁石装填領域34aに装填され、第1表面が内周側端面35aに当接し、第2表面が外周側端面35bに当接している。永久磁石26は、一対の角部が係止凸部34dにそれぞれ当接している。これにより、永久磁石26は、磁石装填領域34a内に位置決めされている。永久磁石26は接着剤等により回転子鉄心24に固定されてもよい。各d軸の両側に位置する2つの永久磁石26は、ほぼV字状に並んで配置されている。すなわち、2つの永久磁石26は、内周側端から外周側端に向かうに従って、d軸からの距離が徐々に広がるように配置されている。
各永久磁石26は、第1表面および第2表面に垂直な方向に磁化されている。各d軸の両側に位置する2つの永久磁石26、すなわち、1磁極を構成する2つの永久磁石26は、磁化方向が同一となるように配置されている。また、各q軸の両側に位置する2つの永久磁石26は、磁化方向が逆向きとなるように配置されている。複数の永久磁石26を上記のように配置することにより、回転子鉄心24の外周部において各d軸上の領域は1つの磁極40を中心に形成し、各q軸上の領域は磁極間部42を中心に形成している。本実施形態では、回転電機10は、隣接する1磁極40毎に永久磁石26のN極とS極の表裏を交互に配置した、8極(4極対)、48スロットで、単層分布巻で巻線した永久磁石埋め込み型の回転電機を構成している。
図2に示すように、回転子鉄心24に複数の空隙孔(空洞部)30が形成されている。空隙孔30は、それぞれ回転子鉄心24を軸方向に貫通して延びている。空隙孔30は、それぞれq軸上で、回転子鉄心24の径方向ほぼ中央に位置し、隣合う磁極の2つ埋め込み孔34の間に設けられている。空隙孔30は、多角形、例えば、ほぼ五角形の断面形状を有している。空隙孔30の断面は、それぞれq軸から両側のd軸の近傍まで延びる第1辺30aおよび第2辺30bと、第1辺のd軸側の端から中心軸線Cに向かってd軸とほぼ平行に延びる第3辺30cと、第2辺のd軸側の端から中心軸線Cに向かってd軸とほぼ平行に延びる第4辺30dと、第3辺30cの端から第4辺30dの端に亘って延在し、q軸と交差し、内孔25に隙間を置いて対向する第5辺30eと、を有している。第1辺30aは、埋め込み孔34の内周側端面35aと平行に延在し、かつ、所定の間隔を置いて対向している。第2辺30bは、隣の磁極の埋め込み孔34の内周側端面35aと平行に延在し、かつ、所定の間隔を置いて対向している。第1辺30aおよび第2辺30bは、q軸上で交わっている。
空隙孔30の第3辺30cは、隣の空隙孔30の第4辺30dとd軸を間に挟んで、互いに平行に対向している。そして、これら第3辺30cと第4辺30dとの間に第2ブリッジ部B2が規定されている。第2ブリッジ部B2は、d軸に沿って、第1ブリッジ部B1と同軸的に並んでいる、つまり、第1ブリッジ部B1と整列している。第1ブリッジ部B1の幅(d軸と直交する方向の幅)の半値幅(半分の幅)をW1、第2ブリッジ部B2の幅(d軸と直交する方向の幅)の半値幅(半分の幅)をW2とした場合、第1および第2ブリッジ部B1、B2は、W1<W2に形成されている。
各空隙孔30は、磁束を通り難くするフラックスバリアとして機能し、固定子12の鎖交磁束の流れや永久磁石26の磁束の流れを規制する。また、複数の空隙孔30を形成することにより、回転子鉄心24の軽量化を図ることができる。回転子14の軽量化を図る場合、空隙孔30は、回転子14に生じる遠心応力に対して、回転子14の強度を保てる範囲で、最大限に大きく形成されていることが望ましい。そこで、本実施形態によれば、回転子鉄心24は、以下に述べる関係を満たすように形成されている。
図2に示す回転子14の横断面おいて、
d軸(磁極中心軸)と、回転子鉄心24の外周面と、埋め込み孔34の外周側長辺35b上に延在し磁極中心軸dおよび回転子鉄心の外周面と交差する第1仮想直線L1と、で囲まれた領域(斜線で網掛けされた領域)の面積をA1、
d軸と、q軸と、回転子鉄心24の外周面と、埋め込み孔34の内周側長辺35a上に延在しd軸および回転子鉄心24の外周面と交差する第2仮想直線L2と、空隙孔30の記第1辺30a上に延在しd軸およびq軸と交差する第3仮想直線L3と、で囲まれた領域(図中、クロスハッチで覆われた領域)の面積をA2、
第1ブリッジ部B1の半値幅をW1、
第2ブリッジ部B2の半値幅をW2、とした場合、
回転子鉄心24は、
W2/W1 ≦ (A1+A2)/A1
の関係を満たして形成されている。
上記関係を満たすように回転子鉄心24を構成することにより、すなわち、回転子14の磁気回路として機能していない部分を除去することにより、遠心応力に対する回転子14の強度を保ちながら、空隙孔30を最大限大きくすることができる。空隙孔30を大きくすることにより、回転子14を軽量化し、回転電機全体を軽量化することが可能となる。
以上のように、本実施形態によれば、回転子の強度を保ちながら、軽量化が可能な永久磁石型の回転電機が得られる。
なお、この発明は上述した実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化可能である。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
例えば、回転子の磁極数、寸法、形状等は、前述した実施形態に限定されることなく、設計に応じて種々変更可能である。内周側空隙、外周側空隙、および空隙孔の断面形状は、実施形態の形状に限定されることなく、種々の形状を選択可能である。空隙孔は、五角形に限定されることなく、他の多角形状としてもよい。なお、多角形とは、角が屈曲に限らず、湾曲している形状、および各辺が直線状に限らず、一部あるいは全部が湾曲した辺を有する形状を含むものとしている。
10…回転電機、12…固定子、14…回転子、16…固定子鉄心、
18…電機子巻線、20…スロット、22…回転軸、24…回転子鉄心、
26…永久磁石、30…空隙孔、34…埋め込み孔、34a…磁石装填領域、
34b…内周側空隙、34c…外周側空隙

Claims (4)

  1. 固定子鉄心および電機子巻線を有する固定子と、
    中心軸線の回りで回転自在なシャフトと、前記シャフトに同軸的に固定され、円周方向に並ぶ複数の磁極を有する回転子鉄心と、前記回転子鉄心に埋設され前記磁極ごとに配置された複数の永久磁石と、を有する回転子と、を備え、
    前記回転子鉄心は、それぞれ前記中心軸線および前記磁極の中心を通り前記中心軸線に対して放射方向に延びる複数の磁極中心軸と、各磁極において、前記磁極中心軸の両側に設けられ、それぞれ前記永久磁石が装填された2つの埋め込み孔と、それぞれ隣合う前記磁極の間に設けられ、間隔を置いて前記埋め込み孔に対向する複数の空隙孔と、前記磁極中心軸上で、前記2つの埋め込み孔の間に規定された第1ブリッジ部と、前記磁極中心軸上で、隣り合う2つの空隙孔の間に規定された第2ブリッジ部と、を有し、
    前記各磁極において、前記2つの埋め込み孔および2つの永久磁石は、前記磁極中心軸に隣接する内周側端と前記回転子鉄心の外周面に隣接する外周側端とをそれぞれ有し、前記磁極中心軸に対して線対称に配置され、前記内周側端から外周側端に向かうに従って、前記磁極中心軸からの距離が徐々に広がるように配置され、
    前記埋め込み孔の各々は、互いに平行に対向する外周側長辺および内周側長辺で規定され前記永久磁石が装填された磁石装填領域と、前記永久磁石の内周側端から前記磁極中心軸に向かって拡がる内周側空隙と、前記永久磁石の外周側端から前記外周面に向かって拡がる外周側空隙と、を含み、
    前記空隙孔の各々は、それぞれ隣り合う磁極に設けられた前記埋め込み孔の前記内周側長辺と間隔を置いて対向する第1辺および第2辺と、それぞれ隣り合う磁極の前記磁極中心軸と隙間を置いて対向する第3辺および第4辺と、により規定され、
    前記各磁極において、前記磁極中心軸と電気的に直交する軸をq軸、
    前記磁極中心軸と、前記回転子鉄心の外周面と、前記埋め込み孔の外周側長辺上に延在し前記磁極中心軸および回転子鉄心の外周面と交差する第1仮想直線と、で囲まれた領域の面積をA1、
    前記磁極中心軸と、前記回転子鉄心の外周面と、前記埋め込み孔の内周側長辺上に延在し前記磁極中心軸および回転子鉄心の外周面と交差する第2仮想直線と、前記空隙孔の前記第1辺上に延在し前記磁極中心軸および前記q軸と交差する第3仮想直線と、で囲まれた領域の面積をA2、
    前記第1ブリッジ部の半値幅をW1、
    前記第2ブリッジ部の半値幅をW2、とした場合、
    前記回転子鉄心は、
    W2/W1 ≦ (A1+A2)/A1
    の関係を満たして形成されている回転電機。
  2. 前記空隙孔の前記第1辺および第2辺は、それぞれ前記埋め込み孔の内周側長辺とほぼ平行に延在し、前記q軸上で互いに交差している請求項1に記載の回転電機。
  3. 前記回転子鉄心は、前記シャフトが嵌挿された内孔を有し、
    前記空隙孔は、前記回転子鉄心の内孔と隙間を置いて対向しているとともに前記第3辺および第4辺に繋がった第5辺を有する5角形に形成されている請求項1又は2に記載の回転電機。
  4. 半値幅W2は、半値幅W1よりも大きい請求項1から3のいずれか1項に記載の回転電機。
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