JP2020191693A - 回転電機 - Google Patents

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Abstract

【課題】効率の向上が図られた回転電機を提供する。【解決手段】 ＩＰＭモータ１においては、永久磁石３０の右側端部の内弧側部分３１付近に、積層鋼板で構成された本体部１７に比べて透磁率および飽和磁束密度が低い軟磁性粉の圧粉成形体で構成された第１部分１８を置換配置することで、局所的な減磁が抑制されている。【選択図】図３

Description

本発明は、回転電機に関する。
従来より、回転電機として、インナーロータ型モータの一種であり、ロータ内部に永久磁石が埋め込まれたＩＰＭモータが知られている（たとえば下記特許文献１）。
特開２０００−１３４８４２号公報
上述したＩＰＭモータでは、ロータ回転時における反磁界により、永久磁石に局所的な減磁が生じ得る。発明者らは、鋭意研究の末、ロータにおける永久磁石の局所的な減磁を抑制することができる技術を新たに見出した。
本発明は、減磁の抑制が図られた回転電機を提供することを目的とする。
本発明の一形態に係る回転電機は、所定の軸線周りに所定の回転方向に回転可能なロータとステータとを備え、ロータおよびステータの一方が複数の永久磁石が取り付けられる磁石保持部を有し、他方が複数のコイルが取り付けられるコイル保持部を有する回転電機であって、各永久磁石が、ロータの軸線方向に関し、磁石保持部の全長に亘って延在しており、磁石保持部が、各永久磁石を保持する本体部と、永久磁石とロータ−ステータ間のエアギャップとの間における回転方向の後方側の第１部分とを有し、第１部分が、磁石保持部の本体部の透磁率より低い透磁率を有し、かつ、磁石保持部の本体部の飽和磁束密度より低い飽和磁束密度を有する。
上記回転電機においては、第１部分が、磁石保持部の本体部の透磁率より低い透磁率を有し、かつ、磁石保持部の本体部の飽和磁束密度より低い飽和磁束密度を有するため、第１部分が磁石保持部の本体部と同じ透磁率および同じ飽和磁束密度を有する場合に比べて、ロータ回転時に生じ得る永久磁石の回転方向後方側の端部の局所的な減磁を抑制することができる。
他の形態に係る回転電機は、磁石保持部の本体部が、ロータの軸線方向において複数のケイ素鋼板が積層された積層鋼板で構成されており、第１部分が、軟磁性粉の圧粉成形体で構成されている。
本発明によれば、効率の向上が図られた回転電機が提供される。
一実施形態に係るＩＰＭモータを示した概略断面図である。 図１に示したＩＰＭモータのＩＩ−ＩＩ線断面図である。 図１に示したＩＰＭモータの要部の概略平面図である。
以下、図面を参照して種々の実施形態および実施例について説明する。なお、各図面において同一又は相当の部分に対しては同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
以下に示す実施形態では、回転電機として、モータ（より詳しくはＩＰＭモータ）を例に説明する。図１に、実施形態に係るＩＰＭモータ１を示す。図１は、軸線Ｘの方向から見たＩＰＭモータ１の平面図を示している。ＩＰＭモータ１は、ロータ１０とステータ２０とを有し、ステータ２０の内側にロータ１０が位置するインナーロータ型のモータである。ＩＰＭモータ１は、８極１２スロットの構成を有する。
ロータ１０は、シャフト１２とロータコア１４（磁石保持部）とを備えて構成されている。
シャフト１２は、円柱状の形状を有し、図１の紙面に垂直な方向に延びている。シャフト１２は、たとえばステンレス等によって構成されている。
ロータコア１４は、円筒状の形状を有し、内側に軸孔１４ａを有する。シャフト１２は、ロータコア１４の軸孔１４ａに嵌め込まれており、ロータコア１４とシャフト１２とは軸線Ｘ周りに一体的に回転する。本実施形態では、ロータコア１４は、外径が８５ｍｍであり、内径が１５８．４ｍｍである。また、ロータコア１４の幅（すなわち、軸線Ｘの方向に関する長さ）は、１００ｍｍである。
図１および図２に示すように、ロータコア１４には、複数の永久磁石３０が取り付けられている。複数の永久磁石３０は、同じ材料で構成された永久磁石とすることができる。本実施形態では、各永久磁石３０は、希土類系永久磁石で構成されており、たとえばネオジム系焼結磁石である。各永久磁石３０は、ネオジム系以外の焼結磁石であってもよく、焼結磁石以外の磁石（たとえばボンド磁石や熱間加工磁石等）であってもよい。
各永久磁石３０は、ロータ１０の軸線Ｘに対して平行に延びる磁石用孔１６に収容されている。磁石用孔１６の内側寸法は、後述する永久磁石３０の外形寸法よりわずかに大きく設計されている。そのため、永久磁石３０は、磁石用孔１６内において位置や姿勢が変わらない。
本実施形態では、ロータ１０は、同一形状の８個の永久磁石３０を備えており、８個の永久磁石３０は、永久磁石３０の対が軸線Ｘに関して均等な角度間隔で配置されている。永久磁石３０はいずれも、軸線Ｘの方向から見て、アーチ状（またはＣ字状）の端面形状および断面形状を有しており、その内弧側がロータコア１４の外周面１４ｂを向くように配置されている。永久磁石３０は、いずれもラジアル配向されており、内弧側にＮ極を有するＮ極磁石３０Ａと内弧側にＳ極を有する極磁石３０Ｂとが軸線Ｘ周りに交互に配置されている。本実施形態では、永久磁石３０は、ロータコア１４の外周面１４ｂに露出しておらず、外周面１４ｂからわずかに内側に入り込んでいる。本実施形態において、永久磁石３０は、外弧の曲率半径３５ｍｍ、内弧の曲率半径２８．７ｍｍ、開き角１００°の断面形状を有する。
永久磁石３０は、その延在方向がロータ１０の軸線Ｘと平行になるようにロータコア１４の磁石用孔１６内に配置される。図２に示すように、磁石用孔１６および永久磁石３０は、軸線Ｘの方向に関し、ロータコア１４の全長に亘って延在している。永久磁石３０の延在方向に関する長さは、ロータコア１４の幅と実質的に同一であり、本実施形態では１００ｍｍである。
ステータ２０は、ロータ１０の外周を囲むように設けられた円筒状のステータコア２１（コイル保持部）を備えている。ロータ１０とステータ２０との間には、均一幅のエアギャップＧ（一例として０．８ｍｍ幅）が設けられている。ステータコア２１の内周側には、複数（本実施形態では１２個）のコイル２２が配置されている。複数のコイル２２は、ロータ１０の軸線Ｘに関して均等な角度間隔で配置されている。図示しないインバータ回路等から複数のコイル２２に３相交流電圧が印加されると、ステータコア２１の内周側に回転磁界が発生する。本実施形態では、ステータコア２１は、外径が２５０ｍｍであり、内径が１６０ｍｍである。また、ステータコア２１の幅（すなわち、軸線Ｘの方向に関する長さ）は、１００ｍｍである。
図３に示すように、ロータコア１４は、各永久磁石３０を保持する本体部１７と、第１部分１８とを有する。
本体部１７は、軸線Ｘの方向において複数の鋼板１９が積層された積層鋼板で構成されている。各鋼板１９の厚さは、たとえば０．２〜０．５ｍｍである。鋼板１９には、ケイ素鋼板が採用され得る。
第１部分１８は、永久磁石３０とロータ−ステータ間のエアギャップＧとの間における回転方向の後方側の部分である。より詳しくは、永久磁石３０とロータ−ステータ間のエアギャップＧとの間であって、永久磁石３０の開き角の二等分線Ｌよりも回転方向の後方側の部分である。第１部分１８は、軟磁性粉の圧粉成形体で構成されている。圧粉成形体の軟磁性粉として、Ｆｅ３Ｓｉ粉等の純鉄系磁性粉を採用することができる。圧粉成形体の軟磁性粉の平均粒径（ｄ５０）は、たとえば２０〜１００μｍである。圧粉成形体は、軟磁性粉を結着することで得られ、結着には樹脂等の結着剤を用いることができる。圧粉成形体は、軟磁性粉を用いた熱間成形によって得ることができる。第１部分１８がＦｅ３Ｓｉ粉の圧粉成形体で構成されている場合には、第１部分１８の透磁率および飽和磁束密度は、本体部１７の透磁率および飽和磁束密度より低くなる。軟磁性粉の圧粉成形体で構成された第１部分１８の透磁率はたとえば５００〜１０００Ｈ／ｍであり、積層鋼板で構成された本体部１７の透磁率はたとえば５０００〜２００００Ｈ／ｍ（一例として１００００Ｈ／ｍ）であるが、これらの数値範囲に限定されない。
ここで、ＩＰＭモータ１のように永久磁石が取り付けられるモータでは、ロータが回転することで部分的磁石の磁化方向とは逆向きの磁界（逆磁界）がかかることが知られている。逆磁界がかかる領域は、永久磁石の配置等によって変わるが、たとえば、ロータの回転方向に対して後方側（回転方向とは逆側）の端部に逆磁界がかかることが知られている。例えば、図３で示す矢印Ｒがロータ１０の回転方向であるとすると、永久磁石３０の右側端部の内弧側部分３１（すなわち、エアギャップＧ側の部分）付近に逆磁界がかかると考えられる。このように、逆磁界が生じる領域では永久磁石の減磁が発生することが懸念される。
発明者らは、逆磁界がかかりやすい領域である永久磁石３０の右側端部の内弧側部分３１付近に、透磁率および飽和磁束密度がより低い材料を配置することで、局所的な減磁が抑制されるとの知見を得た。
上述したＩＰＭモータ１においては、永久磁石３０の右側端部の内弧側部分３１付近に、積層鋼板で構成された本体部１７に比べて透磁率および飽和磁束密度が低い軟磁性粉の圧粉成形体で構成された第１部分１８を置換配置することで、局所的な減磁が抑制されている。
なお、第１部分１８は、永久磁石３０の右側端部の内弧側部分３１に位置している限りにおいて、軸線方向から見たときの寸法および形状を適宜変更することができる。
また、ＩＰＭモータ１では、ロータ回転時等における高温下において、永久磁石３０の磁力が低下する現象（いわゆる熱減磁）が生じ得る。ＩＰＭモータ１においては、積層鋼板で構成された本体部１７に比べて透磁率および飽和磁束密度が低い軟磁性粉の圧粉成形体で構成された第１部分１８を置換配置することで、熱減磁の抑制も図られている。
本発明に係るロータは、上述した実施形態に限らず、様々に変形することができる。
たとえば、上述した実施形態においては、たとえば、ＩＰＭモータの極数やスロット数は、適宜増減することができる。また、永久磁石での端面形状および断面形状は、アーチ状に限らず、Ｖ字状等であってもよく、軸線Ｘの方向から見て複数に分割された形状であってもよい。上述した実施形態では、回転電機の一種であるモータ（電動機）について説明したが、本発明は回転電機の一種である発電機にも適用することができる。
１…ＩＰＭモータ、１０…ロータ、１４…ロータコア、１７…本体部、１８…第１部分、２０…ステータ、２１…ステータコア、２２…コイル、３０、３０Ａ、３０Ｂ…永久磁石。

Claims (2)

  1. 所定の軸線周りに所定の回転方向に回転可能なロータとステータとを備え、前記ロータおよび前記ステータの一方が複数の永久磁石が取り付けられる磁石保持部を有し、他方が複数のコイルが取り付けられるコイル保持部を有する回転電機であって、
    前記各永久磁石が、前記ロータの軸線方向に関し、前記磁石保持部の全長に亘って延在しており、
    前記磁石保持部が、前記各永久磁石を保持する本体部と、前記永久磁石とロータ−ステータ間のエアギャップとの間における前記回転方向の後方側の第１部分とを有し、
    前記第１部分が、前記磁石保持部の前記本体部の透磁率より低い透磁率を有し、かつ、前記磁石保持部の前記本体部の飽和磁束密度より低い飽和磁束密度を有する、回転電機。
  2. 前記磁石保持部の本体部が、前記ロータの軸線方向において複数のケイ素鋼板が積層された積層鋼板で構成されており、
    前記第１部分が、軟磁性粉の圧粉成形体で構成されている、請求項１に記載の回転電機。

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