JP2020191696A

JP2020191696A - 回転電機

Info

Publication number: JP2020191696A
Application number: JP2019094076A
Authority: JP
Inventors: 信之眞保; Nobuyuki Shinpo; 晃司三竹; Koji Mitsutake
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2019-05-17
Filing date: 2019-05-17
Publication date: 2020-11-26
Also published as: US20200366145A1; CN111953097A; US11601024B2

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では、軟磁性粉の圧粉成形体で構成された端面部１８が、積層鋼板で構成された本体部１７の電気抵抗率より高い電気抵抗率を有するため、端面部１８の電気抵抗率が本体部１７の電気抵抗率と同じである場合に比べて、端面部１８における渦電流の発生が抑制されている。そのため、ＩＰＭモータ１では、渦電流損に起因する効率低下が抑えられており、効率向上が実現されている。【選択図】図４

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、ロータの軸線方向に関して、ステータにコイルが巻回されることから、ロータ端部近傍にデッドスペースが出来やすい。そこで、モータ特性の向上を図るため、ロータの長さがステータの長さよりも長くなるように設計してロータ端面がステータ端面から突出する構成とすることが考えられる。このような構成においては、ロータの端面部に、ロータ端面に対して垂直な成分を有する磁束が生じやすく、そのような磁束が変動することでロータの端面部に渦電流が生じる。その結果、渦電流損によるモータ効率の低下が招かれ得る。

発明者らは、鋭意研究の末、ロータの端面部をステータ端面から突出する構成において、モータ効率の向上を図ることができる技術を新たに見出した。

本発明は、効率の向上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、ロータの軸線方向に関して、磁石保持部の端面がコイル保持部の端面から突出しており、磁石保持部が、各永久磁石を保持する本体部と、各永久磁石が露出する磁石保持部の端面を構成する端面部とを有し、ロータの軸線方向から見て、端面部のうちの少なくとも永久磁石とロータ−ステータ間のエアギャップとの間の第１部分が、本体部の電気抵抗率より高い電気抵抗率を有する。

上記回転電機においては、磁石保持部の端面部の少なくとも第１部分（すなわち、永久磁石とロータ−ステータ間のエアギャップとの間の部分）が本体部の電気抵抗率より高い電気抵抗率を有するため、端面部の第１部分の電気抵抗率が本体部の電気抵抗率と同じである場合に比べて、端面部において渦電流が発生する事態が抑制されている。そのため、上記回転電機では、渦電流損に起因する効率低下が抑えられており、効率向上を図ることができる。

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、端面部の少なくとも第１部分が、軟磁性粉の圧粉成形体で構成されている。

他の形態に係る回転電機は、磁石保持部の端面部全体が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平面図である。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斜視図である。図３に示したＩＰＭモータの要部の側面図である。図３に示したＩＰＭモータの要部の平面図である。異なる態様のＩＰＭモータの要部を示した平面図である。

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Ｗ１（すなわち、軸線Ｘの方向に関する長さ）は、５１．６ｍｍ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Ｗ１と実質的に同一であり、本実施形態では５１．６ｍｍ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Ｗ２（すなわち、軸線Ｘの方向に関する長さ）は、４７．６ｍｍである。

図３〜５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、各永久磁石３０の端面３０ａが露出するロータコアの端面１４ｃ、１４ｄを構成する端面部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。本体部１７がケイ素鋼板の積層鋼板で構成されている場合には、本体部１７は５．６×１０^−７Ωｍ程度の電気抵抗率を有する。

端面部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、Ｆｅ_３Ｓｉ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。端面部１８がＦｅ_３Ｓｉ粉の圧粉成形体で構成されている場合には、端面部１８は３００Ωｍ程度の電気抵抗率を有する。

ここで、ＩＰＭモータ１においては、ロータコア１４の幅Ｗ１を拡げることにより、ロータコア１４の磁性材料の体積が拡大しており、モータ特性の向上が図られている。また、ロータコア１４の幅Ｗ１を拡げた結果として、ロータコア１４の幅Ｗ１がステータコア２１の幅Ｗ２より広くなっており、軸線Ｘの方向に関し、ロータコア１４の両端面１４ｃ、１４ｄがステータコア２１の端面２１ａ、２１ｂから２ｍｍ突出している。

発明者らは、上記構成では、ロータコア１４の端面部１８に、ロータコア端面に対して垂直な成分（すなわち、軸線Ｘに平行な成分）を有する磁束が生じやすいとの知見を得た。これは、ステータコア２１の端面２１ａ、２１ｂよりも突出した部分の永久磁石３０からステータコア２１に向かう磁束の向きが、鋼板１９に平行な方向（すなわち、軸線Ｘに対して垂直な方向）に対して傾くためであると考えられる。そのため、ロータコア１４の端面部１８では、ロータコア端面１４ｃに対して垂直な成分を有する磁束が変動することで、渦電流が生じやすくなっている。特に、軸線Ｘの方向から見て、永久磁石３０とロータ−ステータ間のエアギャップＧとの間の第１部分１８ａに渦電流が生じやすい。ロータコア１４に渦電流が生じた場合には、渦電流損によるモータ効率の低下が招かれ得る。

上述したＩＰＭモータ１では、ロータコア１４において、軟磁性粉の圧粉成形体で構成された端面部１８が、積層鋼板で構成された本体部１７の電気抵抗率より高い電気抵抗率を有するため、端面部１８の電気抵抗率が本体部１７の電気抵抗率と同じである場合（たとえば、ロータコア１４全体が積層鋼板で構成された場合）に比べて、端面部１８における渦電流の発生が抑制されている。そのため、ＩＰＭモータ１では、渦電流損に起因する効率低下が抑えられており、効率向上が実現されている。

上述したＩＰＭモータ１のように、端面部１８（厚さ４ｍｍ）が圧粉成形体で構成されたＩＰＭモータについて、市販の磁場解析用の有限要素法ソフトを用いて渦電流損を計算したところ、回転数１５００ｒｐｍの時の渦電流損が０．１Ｗよりもはるかに小さい値であり、無視できるレベルであることが確認できた。一方、上述したＩＰＭモータ１とは端面部１８（厚さ４ｍｍ）が積層鋼板で構成された点のみ異なる構成のＩＰＭモータについても、同じ有限要素法ソフトを用いて渦電流損を計算したところ、回転数１５００ｒｐｍの時の渦電流損が１７．７Ｗであった。

なお、図６のように、渦電流が生じやすい永久磁石３０とロータ−ステータ間のエアギャップＧとの間の第１部分１８ａの端面部１８のみが、軟磁性粉の圧粉成形体で構成された態様であってもよい。

また、ロータコア１４の両端面１４ｃ、１４ｄを構成する端面部１８のいずれも、軟磁性粉の圧粉成形体で構成することができる。ロータコア１４の両端面１４ｃ、１４ｄを構成する端面部１８の一方のみを、軟磁性粉の圧粉成形体で構成することもできる。ロータコア１４の両端面１４ｃ、１４ｄを構成する端面部１８のいずれも、軟磁性粉の圧粉成形体で構成することで、渦電流損に起因する効率低下をより抑制することができる。

ＩＰＭモータ１は、図３、４に示すように、ロータコア１４同様、ステータコア２１も、各コイル２２を保持する本体部２３と、ステータコア２１の端面２１ａ、２１ｂを構成する端面部２４とを有する。

ステータコア２１の本体部２３は、ロータコア１４の本体部１７同様、軸線Ｘの方向において複数の鋼板２５が積層された積層鋼板で構成されている。各鋼板２５の厚さは、たとえば０．２〜０．５ｍｍである。鋼板２５には、ケイ素鋼板が採用され得る。本体部２３がケイ素鋼板の積層鋼板で構成されている場合には、本体部２３は５．６×１０^−７Ωｍ程度の電気抵抗率を有する。

ステータコア２１の端面部２４は、ロータコア１４の端面部２４同様、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、Ｆｅ_３Ｓｉ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。端面部２４がＦｅ_３Ｓｉ粉の圧粉成形体で構成されている場合には、端面部２４は３００Ωｍ程度の電気抵抗率を有する。

上述したＩＰＭモータ１では、ロータコア１４の端面部１８だけでなく、ステータコア２１の端面部２４にも、ステータコア端面に対して垂直な成分（すなわち、軸線Ｘに平行な成分）を有する磁束が生じやすく、ステータコア２１の端面部２４に渦電流が生じやすくなっている。ステータコア２１に渦電流が生じた場合には、渦電流損によるモータ効率の低下が招かれ得る。

上述したＩＰＭモータ１では、ステータコア２１において、軟磁性粉の圧粉成形体で構成された端面部２４が、積層鋼板で構成された本体部２３の電気抵抗率より高い電気抵抗率を有するため、端面部２４の電気抵抗率が本体部２３の電気抵抗率と同じである場合（たとえば、ステータコア２１全体が積層鋼板で構成された場合）に比べて、端面部２４における渦電流の発生が抑制されている。そのため、ＩＰＭモータ１では、渦電流損に起因する効率低下が抑えられており、効率向上が実現されている。

以上において説明したとおり、ＩＰＭモータ１では、ロータコア１４が本体部１７の電気抵抗率より高い電気抵抗率を有する端面部１８を有し、かつ、ステータコア２１が本体部２３の電気抵抗率より高い電気抵抗率を有する端面部２４を有するため、ロータコア１４とステータコア２１の両方において、渦電流損に起因する効率低下が抑制されている。ただし、ロータコア１４のみが本体部１７の電気抵抗率より高い電気抵抗率を有する端面部１８を有する態様や、ステータコア２１のみが本体部２３の電気抵抗率より高い電気抵抗率を有する端面部２４を有する態様であってもよい。

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

所定の軸線周り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、
前記ロータの軸線方向に関して、前記磁石保持部の端面が前記コイル保持部の端面から突出しており、
前記磁石保持部が、前記各永久磁石を保持する本体部と、前記各永久磁石が露出する前記磁石保持部の端面を構成する端面部とを有し、
前記ロータの軸線方向から見て、前記端面部のうちの少なくとも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の第１部分が、前記本体部の電気抵抗率より高い電気抵抗率を有する、回転電機。
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、
前記端面部の少なくとも前記第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。
前記磁石保持部の前記端面部全体が前記圧粉成形体で構成されている、請求項２に記載の回転電機。