JP2022162470A - 回転電機のロータ、回転電機及び電動駆動システム - Google Patents

Abstract

【課題】磁石トルクを増加し、減磁率を低減することができる回転電機のロータを提供する。
【解決手段】回転電機（モータ１００）のロータ１０は、磁石１２と、磁石１２の収納空間１３を有するロータコア１１と、を備える。磁石１２は、主磁束が通る径方向外側の第１磁極面１２Ａと、第１磁極面１２Ａに対向する第２磁極面１２Ｂと、第１磁極面１２Ａと第２磁極面１２Ｂを繋ぐｑ軸側の側面を示すｑ軸側面を有する。磁石１２の磁化方向は第１磁極面１２Ａに垂直な角度からd軸側に傾いている。ｑ軸側面は複数の側面で構成され、ｑ軸側面のうち径方向外側の一面は他の面よりも磁化方向に近い角度で形成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転電機のロータ、回転電機及び電動駆動システムに関する。

回転電機のロータに、熱間加工プロセスを用いた成形により形成されたリング状磁石を径方向に切断した円弧磁石を用いることが知られている（例えば、特許文献１参照）。

国際公開第2020/067349号

近年、コスト削減のため回転電機のロータに低コスト磁石を用いるようになってきている。低コスト磁石適用の課題として、低い磁束密度に対応した磁石配置を考案する必要がある。トルク増加のためには、磁石トルク増加、リラクタンストルク増加が必要となる。磁石トルクの増加のためには、磁石の磁束出力面を増加させる必要がある。リラクタンストルクの増加のためには、ｑ軸磁束を通りやすい磁石配置とする必要がある。

加えて、低コスト磁石は耐減磁性能も低いため、不可逆減磁しにくい磁石形状が必要となる。不可逆減磁が発生すると磁石磁束が低下するため、トルク指令に対して、出力トルクが低下し、要求されるトルク精度を達成できない可能性がある。しかし、特許文献１に開示されるような円弧磁石では、このような課題は考慮されていない。

本発明の目的は、磁石トルクを増加し、減磁率を低減することができる回転電機のロータを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、磁石と、前記磁石の収納空間を有するロータコアと、を備え、前記磁石は、主磁束が通る径方向外側の第１磁極面と、前記第１磁極面に対向する第２磁極面と、前記第１磁極面と前記第２磁極面を繋ぐｑ軸側の側面を示すｑ軸側面を有し、前記磁石の磁化方向は前記第１磁極面に垂直な角度からd軸側に傾き、前記ｑ軸側面は複数の側面で構成され、前記ｑ軸側面のうち径方向外側の一面は他の面よりも前記磁化方向に近い角度で形成される。

本発明によれば、磁石トルクを増加し、減磁率を低減することができる。上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

磁石の磁化方向とｑ軸外周側の形状を示す本実施形態のロータの断面図である。 磁石のd軸内周側の形状を示す本実施形態のロータの断面図である。 磁石のｑ軸内周側の形状を示す本実施形態のロータの断面図である。 ボンド磁石を用いた例を示すロータの断面図である。 磁石および収納空間の面に曲率を持たせた例を示すロータの断面図である。 磁石および収納空間の角部に曲率を持たせた例を示すロータの断面図である。 磁石を径方向の外側に配置した例を示すロータの断面図である。 収納空間の角部に非磁性体を充填した例を示すロータの断面図である。 ロータコアの外周にくぼみを設けた例を示すロータの断面図である。 本実施形態のロータを含むモータと、それを駆動用の動力として含む電動駆動システムの構成図である。 本実施形態のロータのギャップ磁束密度を示す図である。 磁石挿入孔（収納空間）に磁石が充填された比較例の減磁率を示す図である。 本発明を適用した一例の磁石の減磁率を示す図である。

以下、図面を用いて、本発明の実施形態によるモータ（回転電機）のロータの構成について説明する。なお、各図において、同一符号は同一部分を示す。

（ロータの概略構成）
図１に示すように、ロータ１０は、主として、ロータコア１１と磁石１２を構成部品として備える。ロータコア１１は、電磁鋼板（薄板）を積層して構成される。磁石１２は、例えば、焼結磁石、ボンド磁石等であり、磁束を発生させる材料で構成される。

ロータコア１１には、磁石の収納空間１３（孔）が成形されている。磁石１２は、一定のクリアランスをもって収納空間１３に収納される。なお、図１の例では、d軸を対称軸として２個の磁石１２がＶ字状に配置されているが、直線状に配置されていてもよい。

（磁石の磁化方向とｑ軸外周側）
図１を用いて、ロータ１０の構成を詳細に説明する。ロータ１０は、磁石１２と、磁石１２の収納空間１３を形成するロータコア１１と、を備える。磁石１２は、軸方向を横切る断面において、互いに対向しかつ主磁束が通る第１磁極面１２Ａ及び第２磁極面１２Ｂと、第１磁極面１２Ａと第２磁極面１２Ｂを繋ぎかつｑ軸側に近いｑ軸側面を有する。

磁石１２の主磁束を形成する磁化方向は第１磁極面１２Ａに垂直な角度から、d軸側に傾いている。ｑ軸側面は、複数の側面で形成され、ｑ軸側面の一面は他の面よりも主磁束を形成する磁化方向に近い角度で形成される。

なお、主磁束は、磁石が作る磁束であり、磁化方向はその主磁束の向き（角度）である。第１磁極面１２Ａは、磁石１２の外周側の面であり、第２磁極面１２Ｂは、磁石１２の内周側の面である。d軸、q軸は、ロータ１０の周方向の位置を示す。d軸はロータ１０の磁極の周方向中心に位置し、q軸は磁極間に位置する。

上記の特徴は次のようにまとめることもできる。

回転電機（モータ１００）のロータ１０は、磁石１２と、磁石１２の収納空間１３を有するロータコア１１と、を備える。磁石１２は、主磁束が通る径方向外側の第１磁極面１２Ａと、第１磁極面１２Ａに対向する第２磁極面１２Ｂと、第１磁極面１２Ａと第２磁極面１２Ｂを繋ぐｑ軸側の側面を示すｑ軸側面を有する。磁石１２の磁化方向は第１磁極面１２Ａに垂直な角度からd軸側に傾いている。ｑ軸側面は複数の側面で構成され、ｑ軸側面のうち径方向外側の一面は他の面よりも磁化方向に近い角度で形成される。

ｑ軸側面のうち径方向外側の一面は、磁化方向と平行であることが好ましいが、磁化方向と略平行あるいは磁化方向に沿って形成されていればよい。

これにより、磁石磁束の出力面が径方向外側のd軸側面１２Ｃの分だけ増加するため、磁石磁束を増加でき、磁石トルクを増加できる。また、磁石１２のq軸-外周側の磁石端部において、磁化方向に対して磁石１２が厚くなり、減磁耐力が向上する。すなわち、磁石１２の減磁率を低減することができる。なお、減磁耐力は、外部磁界に対する減磁のしにくさの指標であり、磁石の厚さにほぼ比例する。減磁率は、不可逆減磁により磁石の磁束が低下した割合を示す。

（磁石のd軸内周側）
図２に示すように、磁石１２は、１極中に周方向に２つ以上設けられ、第１磁極面１２Ａと第２磁極面１２Ｂを繋ぎかつｄ軸側に近いｄ軸側面を有する。ｄ軸側面は複数の側面で形成され、ｄ軸側面の一面は、他の面よりも主磁束を形成する磁化方向に近い角度で形成される。

換言すれば、磁石１２は、１極につき２つ以上設けられ、第１磁極面１２Ａと第２磁極面１２Ｂを繋ぐｄ軸側の側面を示すｄ軸側面を有する。ｄ軸側面は複数の側面で構成され、ｄ軸側面のうち径方向内側の一面は他の面よりも磁化方向に近い角度で形成される。

ｄ軸側面のうち径方向内側の一面は、磁化方向と平行であることが好ましいが、磁化方向と略平行あるいは磁化方向に沿って形成されていればよい。

これにより、磁石１２のd軸-内周側の磁石端部において、磁化方向に対して磁石が厚くなり、減磁耐力が向上する。すなわち、磁石１２の磁化方向に対して薄い部位をなくすことで減磁耐力を向上し、磁石１２の減磁率を低減することができる。

図２の例では、１極につき２つの磁石１２を配置している。つまり、磁石を２分割している。磁石を２分割し、それらの間にリブを設けることで、磁石を支えるロータコア１１の耐遠心力性能を向上できる。

（磁石のｑ軸内周側）
図３に示すように、磁石１２のｑ軸側面の一面は、他の面よりも主磁束を形成するｑ軸に近い角度で形成される。換言すれば、ｑ軸側面のうち径方向内側の一面は他の面よりもｑ軸に近い角度で形成される。ｑ軸側面のうち径方向内側の一面は、ｑ軸と平行であることが好ましいが、ｑ軸と略平行あるいはｑ軸に沿って形成されていればよい。

外部磁界とロータコア１１との引き付けによるリラクタンストルクは、q軸からロータコア１１に侵入するq軸磁束の経路を広い形状とすることで増加する。そこで、磁石１２のq軸-内周側端部をq軸に近い角度にすることで、q軸磁束の経路が広がり、q軸磁束を通りやすくする。これにより、リラクタンストルクを増加することができる。なお、q軸磁束は、ｑ軸からロータコア１１に侵入する外部磁束（ステータの磁束）である。

（ボンド磁石）
図４の例では、磁石１２は、ボンド磁石である。ボンド磁石は磁性体とバインド材（例えば、樹脂）によって成形される。ボンド磁石の種類には、例えば、SmFeN系やSmCoN系などがある。

ボンド磁石は、射出成型により作られるため、形状自由度が大きく、本実施形態で示した複雑な形状や磁化方向を比較的容易に作ることができる。一方、焼結磁石では、矩形形状から後加工で成形（例えば、切削）する必要があり、工数増加やコスト増加が発生する。

（曲率）
図５に示すように、磁石１２および収納空間１３の面のいくつかに曲率を持たせてもよい。各面に曲率を持たせることで、ｑ軸磁束の通路を確保しつつ磁石を厚くできるため、減磁耐力の向上が可能となる。

また、図６に示すように、磁石１２および収納空間１３の角部のいくつかに曲率を持たせてもよい。挿入空間（収納空間１３）の角部に曲率を持たせることで、ロータ１０の回転時の応力集中を緩和し、強度を向上できる。また、磁石１２の角部に曲率を持たせることで、磁石１２と収納空間１３が点接触することを防ぎ、磁石１２の欠け、割れを防ぐことができる。磁石１２を収納空間１３に挿入できるよう、磁石１２の曲率は、収納空間１３の曲率に合わせて選定する必要がある。

なお、上記の特徴は、磁石１２及び収納空間１３の面もしくは角部のいくつかに曲率が設けられるということもできる。

（磁石の径方向の位置）
図７に示すように、磁石１２の多くの面積はロータコア１１の径方向中心の位置から外径側に配置される。換言すれば、磁石１２の過半の軸方向断面はロータコア１１の径方向中心から径方向外側に位置する。

モータの量産性を考慮すると、ロータ１０の制作時には未着磁の磁石を用いて、ロータ１０の作成後に着磁することが望ましい。着磁は、磁化を持たない、または磁石の最大性能に対して磁化が少ない磁石に対して、大きな磁場を加えることで、磁化を持たせる工程である。

着磁の磁場はロータコア１１の内径側に到達させることが困難であるため、磁石１２は外径側に配置されることが望ましい。特に、ボンド磁石は焼結磁石に対して、着磁性能が低いため、より外径側に配置することが必要となる。もちろん、磁石１２の一部がロータコア１１の径方向中心より内径側に配置されてもよい。

（非磁性体）
図８の例では、収納空間１３を形成するロータコア１１の内壁１３Ａと磁石１２との間に、非磁性体１４が充填されている。換言すれば、ロータ１０は、収納空間１３を形成するロータコア１１の内壁１３Ａと、磁石１２のｑ軸側面のうち径方向外側の一面との間に非磁性体１４を備える。非磁性体１４は、磁性を持たない物質であり、例えば、空気や樹脂などである。

収納空間１３のｑ軸外周側の角部に非磁性体１４が充填されることで、磁束を遮断できるため、漏れ磁束が低減し、トルクを向上できる。また、磁石角部に磁化方向と離れた角度から磁束が侵入することを防ぎ減磁率を向上できる。

（くぼみ）
図９の例では、ロータコア１１の外周にくぼみ１５が設けられている。くぼみ１５は、ロータコア１１の表面にへこみを設ける構造である。

くぼみ１５をロータコア１１の外周の適切な位置に設けることで、ギャップに発生する磁石の磁束の分布を正弦波化し、トルク脈動を低減できる。また、ロータ１０のＮ極とＳ極でくぼみの大きさや位置を変えることで、トルクリプルの位相をずらし、トータルのトルクリプルを低減することも可能となる。なお、トルクリプルは、空間的、または時間的な磁束の脈動によりトルクが一定ではなく脈動する現象である。

（モータと電動駆動システム）
図１０は、本実施形態によるロータ１０を備えたモータ１００（回転電機）と、モータ１００を駆動用の動力として含む電動駆動システム２００の構成図である。

モータ１００は、主として、ロータ１０、ステータ２０から構成される。ステータ２０は、ステータコア２１、ティース２３を備える。ティース２３には、コイル２２が巻回される。ロータ１０には、シャフト１７が取り付けられる。

電動駆動システム２００は、モータ１００、ギア１８から構成される。ギア１８は、シャフト１７に取り付けられる。電動駆動システム２００は、モータ１００に電力を供給するインバータを含んでもよい。なお、インバータは、モータ１００又はギア１８のハウジングに一体化して設けてもよい。

本実施形態の回転電機のロータ１０をモータ１００（電動駆動システム２００）に用いることで、トルク、および出力を向上できる。

（磁石トルクと減磁率）
図１１、図１２Ａ、１２Ｂを用いて、本実施形態のロータ１０の特性を説明する。

本実施形態のロータ１０によれば、磁化方向をd軸側に傾け、磁束出力面が増加することで磁束量が増加でき、図１１に示すように、ギャップ磁束密度のピーク値を増加することができる。また、磁石トルク＝（磁石磁束）*（電流値）であるから、磁石トルクも増加することができる。なお、*は乗算の演算子を示す。

さらに、本実施形態のロータ１０によれば、図１２Ｂに示すように、減磁率を低減することができる。図１２Ａは、磁石挿入孔（収納空間１３）に磁石１２が充填された比較例を示しているが、磁石の減磁耐力は磁石の厚みに比例するため、磁化方向に対して、磁石が薄い部位は減磁率が増加する。本実施形態のロータ１０によれば、q軸-外周側端部とd軸内周側端部の形状を磁化方向に近い角度に成型することで、図１２Ｂに示すように、磁石の薄い部位をなくし磁石全体の減磁率を低減できる。

以上説明したように、本実施形態によれば、磁石トルクを増加し、減磁率を低減することができる。

なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上述した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

なお、本発明の実施形態は、以下の態様であってもよい。

（１）．磁石と、前記磁石の収納空間を形成するロータコアと、を備え、前記磁石は、軸方向を横切る断面において、互いに対向しかつ主磁束が通る第１磁極面と第２磁極面と、当該第１磁極面と第２磁極面を繋ぎかつｑ軸側に近いｑ軸側面を有し、磁石の主磁束を形成する磁化方向は前記第１磁極面に垂直な角度から、d軸側に傾き、前記ｑ軸側面は複数の側面で形成され、前記ｑ軸側面の一面は他の面よりも前記主磁束を形成する磁化方向に近い角度で形成される回転電機のロータ。

（２）．（１）に記載の回転電機のロータであって、前記磁石は、１極中に周方向に２つ以上設けられ、当該第１磁極面と第２磁極面を繋ぎかつｄ軸側に近いｄ軸側面を有し、前記ｄ軸側面は複数の側面で形成され、前記ｄ軸側面の一面は、他の面よりも前記主磁束を形成する磁化方向に近い角度で形成される。

（３）．（１）又は（２）に記載の回転電機のロータであって、前記ｑ軸側面の一面は他の面よりも前記主磁束を形成するｑ軸に近い角度で形成される回転電機のロータ。

（４）．（１）－（３）のいずれかに記載の回転電機のロータであって、前記磁石は、ボンド磁石にて構成されることを特徴とする回転電機のロータ。

（５）．（１）－（４）のいずれかに記載の回転電機のロータであって、前記磁石および前記収納空間の面のいくつかに曲率を持たせたことを特徴とする回転電機のロータ。

（６）．（１）－（５）のいずれかに記載の回転電機のロータであって、前記磁石および前記収納空間の角部のいくつかに曲率を持たせたことを特徴とする回転電機のロータ。

（７）．（１）－（６）のいずれかに記載の回転電機のロータであって、前記磁石の多くの面積はロータコアの径方向中心位置から外径側に配置されることを特徴とする回転電機のロータ。

（８）．（１）－（７）のいずれかに記載の回転電機のロータであって、前記収納空間と前記磁石との間に、非磁性体が充填されていることを特徴とする回転電機のロータ。

（９）．（１）－（８）のいずれかに記載の回転電機のロータであって、前記ロータコアの外周にくぼみを設けたことを特徴とする回転電機のロータ。

（１０）．駆動用の動力として、（１）－（９）にいずれかに記載された回転電機のロータを備えたことを特徴とする電動駆動システム。

１０…ロータ
１１…ロータコア
１２…磁石
１２Ａ…第１磁極面
１２Ｂ…第２磁極面
１２Ｃ…径方向外側のd軸側面
１３…磁石の収納空間
１４…非磁性体
１５…くぼみ
１６…ロータ端盤
１７…シャフト
１８…ギア
２０…ステータ
２１…ステータコア
２２…コイル
２２Ａ…コイルエンド
２３…ティース
１００…モータ
２００…電動駆動システム

Claims (10)

1. 磁石と、前記磁石の収納空間を有するロータコアと、を備え、
   前記磁石は、主磁束が通る径方向外側の第１磁極面と、前記第１磁極面に対向する第２磁極面と、前記第１磁極面と前記第２磁極面を繋ぐｑ軸側の側面を示すｑ軸側面を有し、
   前記磁石の磁化方向は前記第１磁極面に垂直な角度からd軸側に傾き、
   前記ｑ軸側面は複数の側面で構成され、前記ｑ軸側面のうち径方向外側の一面は他の面よりも前記磁化方向に近い角度で形成される回転電機のロータ。
2. 請求項１に記載の回転電機のロータであって、
   前記磁石は、１極につき２つ以上設けられ、第１磁極面と第２磁極面を繋ぐｄ軸側の側面を示すｄ軸側面を有し、
   前記ｄ軸側面は複数の側面で構成され、前記ｄ軸側面のうち径方向内側の一面は他の面よりも前記磁化方向に近い角度で形成される
   ことを特徴とする回転電機のロータ。
3. 請求項２に記載の回転電機のロータであって、
   前記ｑ軸側面のうち径方向内側の一面は他の面よりもｑ軸に近い角度で形成される
   ことを特徴とする回転電機のロータ。
4. 請求項１に記載の回転電機のロータであって、
   前記磁石は、ボンド磁石である
   ことを特徴とする回転電機のロータ。
5. 請求項１に記載の回転電機のロータであって、
   前記磁石及び前記収納空間の面もしくは角部のいくつかに曲率が設けられる
   ことを特徴とする回転電機のロータ。
6. 請求項１に記載の回転電機のロータであって、
   前記磁石の過半の軸方向断面は前記ロータコアの径方向中心から径方向外側に位置する
   ことを特徴とする回転電機のロータ。
7. 請求項１に記載の回転電機のロータであって、
   前記収納空間を形成する前記ロータコアの内壁と、前記ｑ軸側面のうち径方向外側の前記一面との間に非磁性体を備える
   ことを特徴とする回転電機のロータ。
8. 請求項１に記載の回転電機のロータであって、
   前記ロータコアの外周にくぼみが設けられる
   ことを特徴とする回転電機のロータ。
9. 請求項１に記載のロータを備えた回転電機。
10. 請求項９に記載の回転電機を駆動用の動力として含む電動駆動システム。

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