JP2022174956A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】コストの上昇、渦電流の発生およびトルクリプルの発生を抑制できる回転電機を提供すること。
【解決手段】回転電機１のステータ１０において、ティース部１２は、コイル１４が巻き回されるティース本体部１６と、磁性体からなり、ティース本体部１６の径方向内方の端部から径方向内方および周方向に延出し、コイル１４が巻き回されない鍔部１７と、を有している。鍔部１７は、ティース本体部１６の径方向内方の端部から径方向内方に延出する鍔基部１８と、鍔基部１８から周方向に延出する鍔延出部１９と、を有している。鍔延出部１９は、径方向内方に配置された第１鍔延出部１９Ａと、径方向外方に配置された第２鍔延出部１９Ｂとを有している。
【選択図】図２

Description

本発明は、回転電機に関する。

従来の回転電機にあっては、ステータコアのティース部の先端側に略環状の押さえ部材を設け、この押さえ部材によりコイルをヨーク部に押さえつける技術が知られている（特許文献１参照）。特許文献１に記載の回転電機において、押さえ部材は、先端側に配置された環状の非磁性体と、この非磁性体とコイルとの間に配置された環状の磁性体とを有しており、非磁性体および磁性体によりフラックスバリアを構成している。

特許文献１に記載の回転電機によれば、ロータからの磁束が押さえ部材の磁性体に引き寄せられるため、磁束がコイルに鎖交せずにティース部に入る。また、非磁性体がティース部の先端側に配置されているため、磁性体をティース部の先端部から後退して配置することができる。これにより、特許文献１に記載の回転電機は、磁性体の磁束密度による飽和を抑制させて、渦電流損失を低減させることができる。

特開２０１１－１３０５５６号公報

しかしながら、特許文献１に記載の回転電機にあっては、押さえ部材をティース部に追加したことにより、部品点数や組み立て工程が増加し、コストが上昇するおそれがあった。また、押さえ部材は、磁性体よりもロータの外周面に近い位置に非磁性体を有しているため、押さえ部材を通過する磁束量がティース部に流れる磁束量と比較して小さくなり、ロータの回転時に押さえ部材とティース部との間のトルクの変動量が大きくなり、トルクリプルが発生しやすくなるおそれがあった。

本発明は、上述のような事情に鑑みてなされたもので、コストの上昇、渦電流の発生およびトルクリプルの発生を抑制できる回転電機を提供することを目的としている。

本発明は、上記目的を達成するため、コイルが設けられた磁性体からなるステータコアを有するステータと、複数の永久磁石が埋め込まれたロータコアを有するロータと、を備え、前記ステータコアは、環状のヨーク部と、前記ヨーク部の内周面から径方向内方に突出するティース部と、を有する回転電機であって、前記ティース部は、前記コイルが巻き回されるティース本体部と、磁性体からなり、前記ティース本体部の径方向内方の端部から径方向内方および周方向に延出し、前記コイルが巻き回されない鍔部と、を有し、前記鍔部は、前記ティース本体部の径方向内方の端部から径方向内方に延出する鍔基部と、前記鍔基部から周方向に延出する鍔延出部と、を有し、前記鍔延出部は、径方向内方に配置された第１鍔延出部と、径方向外方に配置された第２鍔延出部とを有していることを特徴とする。

本発明によれば、コストの上昇、渦電流の発生およびトルクリプルの発生を抑制できる回転電機を提供することができる。

図１は、本発明の一実施例に係る回転電機を回転軸に直交する平面で切断した断面図である。 図２は、本発明の一実施例に係る回転電機のステータの一部の断面図である。 図３は、本発明の一実施例に係る回転電機における最大負荷時の磁束分布を示す図である。 図４は、本発明の一実施例に係る回転電機のトルクリプル率と鍔部の寸法比率との相関関係を示す図である。 図５（Ａ）から図５（Ｄ）は、それぞれ図４の点（Ａ）から（Ｄ）における鍔部の磁束分布を示す図である。 図６は、本発明の一実施例に係る回転電機の鍔部の磁束分布を示す図である。 図７は、比較例に係る回転電機の鍔部の磁束分布を示す図である。

本発明の一実施の形態に係る回転電機は、コイルが設けられた磁性体からなるステータコアを有するステータと、複数の永久磁石が埋め込まれたロータコアを有するロータと、を備え、ステータコアは、環状のヨーク部と、ヨーク部の内周面から径方向内方に突出するティース部と、を有する回転電機であって、ティース部は、コイルが巻き回されるティース本体部と、磁性体からなり、ティース本体部の径方向内方の端部から径方向内方および周方向に延出し、コイルが巻き回されない鍔部と、を有し、鍔部は、ティース本体部の径方向内方の端部から径方向内方に延出する鍔基部と、鍔基部から周方向に延出する鍔延出部と、を有し、鍔延出部は、径方向内方に配置された第１鍔延出部と、径方向外方に配置された第２鍔延出部とを有していることを特徴とする。これにより、本発明の一実施の形態に係る回転電機は、コストの上昇、渦電流の発生およびトルクリプルの発生を抑制できる。

以下、本発明に係る回転電機の一実施例について、図面を用いて説明する。

図１において、本実施例に係る回転電機１は、永久磁石をロータ内部に埋め込んだ埋込磁石同期回転電機(Interior Permanent Magnet Synchronous Motor：以下、ＩＰＭＳＭという)である。回転電機１は、例えばハイブリッド自動車や電気自動車に駆動源として搭載するのに好適な性能を有している。

回転電機１は、環状に形成されたステータ１０と、ステータ１０内に回転自在に収容されたロータ２０とを備えている。ロータ２０は、軸心Ｏを中心に回転する回転軸２に固定されており、回転軸２と一体回転するようになっている。ステータ１０の外周面１１Ａ側には、図示しないハウジングが設けられており、このハウジングに回転電機１が収容されている。ステータ１０の内周面１１Ｂとロータ２０の外周面２１Ａとの間には空隙が設けられている。

ステータ１０は、図示しないモータケースに固定されている。ステータ１０は、環状のステータコア１１を備えている。ステータコア１１は、高透磁率の磁性体からなる電磁鋼板を、回転軸２の軸線に沿った軸方向に積層したものからなる。

ステータコア１１は、環状のヨーク部１５と、このヨーク部１５の内周面から径方向の内方側に突出する複数のティース部１２と、を有している。ティース部１２は、周方向に沿って複数設けられている。周方向に隣り合うティース部１２の間には、溝状の空間であるスロット１３が複数形成されている。

径方向とは、上述の軸方向と直交する方向を示す。径方向の内方側とは、径方向において回転軸２に近い側を示し、径方向の外方側とは、径方向において回転軸２から遠い側を示す。周方向とは、回転軸２を中心とする円周方向を示す。

ステータコア１１の各スロット１３には、ステータコア１１の周方向に沿ってＷ相、Ｖ相、Ｕ相の三相のコイル１４がそれぞれ配置されている。Ｗ相、Ｖ相、Ｕ相の各コイル１４は、それぞれのティース部１２に分布巻されている。

ステータ１０は、コイル１４に三相交流が供給されることで、周方向に回転する回転磁界を発生させる。ステータ１０で発生した磁束は、ロータ２０に鎖交するようになっている。これにより、ステータ１０は、ロータ２０を回転させることができる。

ロータ２０は、環状のロータコア２１と、複数の永久磁石対２３と、磁極部２４とを含んで構成されている。

ロータコア２１は、回転軸２の軸線に沿った軸方向に、高透磁率の磁性体である電磁鋼板を積層したものからなる。ロータコア２１には、ロータ２０の周方向に沿って複数のスリット対２２が形成されている。ロータコア２１の内周面２１Ｂは回転軸２に固定されている。

スリット対２２は、一対のスリット２２Ａ、２２Ｂからなる。一対のスリット２２Ａ、２２Ｂは、径方向の内方側から径方向の外方側、すなわちステータ側に向かって広がるＶ字型になるよう設けられている。

一対のスリット２２Ａ、２２Ｂには、永久磁石２３Ａ、２３Ｂが嵌め込まれている。一対の永久磁石２３Ａ、２３Ｂは、径方向の内方側から径方向の外方側、すなわちステータ側に向かって広がるＶ字型に配置され、永久磁石対２３を構成する。

永久磁石２３Ａと永久磁石２３Ｂとは、同一の極性面が互いに対向するように配置されている。これにより、永久磁石２３Ａと永久磁石２３Ｂとの間には、対向する極性面と同一の極性を有する磁極部２４が形成される。このように、磁極部２４は、Ｖ字型に配置された永久磁石２３Ａ、２３Ｂの極性によってＮ磁極又はＳ磁極として形成される。

一対の永久磁石２３Ａ、２３Ｂは、周方向に隣り合う永久磁石対２３同士で極性面の向きが逆向きとなるよう配置されている。これにより、磁極部２４は、周方向に隣り合う磁極部２４同士で極性が逆、すなわち逆極性となる。したがって、ロータ２０においては、周方向にＮ磁極の磁極部２４（図１中、「Ｎ」と記載）とＳ磁極の磁極部２４（図１中、「Ｓ」と記載）とが交互に形成される。

このように、ロータ２０は、一対の永久磁石２３Ａ、２３ＢをＶ字型に配置した永久磁石対２３が複数設けられた逆突極構造を有している。

回転電機１は、このような逆突極構造をロータ２０が有しているため、一対の永久磁石２３Ａ、２３Ｂの間を通る軸方向（以下、ｄ軸方向という）のインダクタンスが、周方向に隣り合う永久磁石対２３の間を通り、ｄ軸と電気的・磁気的に直交する軸方向（以下、ｑ軸方向という）のインダクタンスよりも小さい特性を有している。

したがって、逆突極構造では、永久磁石対２３が発生するマグネットトルクに加えて、ｄ軸方向のインダクタンスとｑ軸方向のインダクタンスとの差に応じたリラクタンストルクを発生することができる。これにより、回転電機１におけるトルク密度を向上させることができる。

また、ロータコア２１には、一対の永久磁石２３Ａ、２３Ｂに隣接するようにして、第１のフラックスバリア２５Ａおよび第２のフラックスバリア２５Ｂが形成されている。第１のフラックスバリア２５Ａおよび第２のフラックスバリア２５Ｂは、磁束の回り込みを制限するための空隙である。

第１のフラックスバリア２５Ａは、一対の永久磁石２３Ａ、２３Ｂの外周側の端部に隣接してそれぞれ形成されている。第２のフラックスバリア２５Ｂは、一対の永久磁石２３Ａ、２３Ｂの間であって、これらの永久磁石２３Ａ、２３Ｂの内周側の端部に隣接して形成されている。

なお、ロータコア２１に永久磁石２３Ａ、２３Ｂを嵌め込む前の状態では、永久磁石２３Ａ、２３Ｂのそれぞれに対応するスリット２２Ａ、２２Ｂおよび第１のフラックスバリア２５Ａおよび第２のフラックスバリア２５Ｂは、これらが連続する一体化した空間を形成している。

図２に示すように、本実施例において、ティース部１２は、コイル１４が巻き回されるティース本体部１６と、コイル１４が巻き回されない鍔部１７と、を有している。鍔部１７は、磁性体からなり、ティース本体部１６の径方向内方の端部から径方向内方および周方向に延出している。このように、本実施例では、磁性体からなるステータコア１１のティース部１２の一部として、鍔部１７が形成されている。

鍔部１７は、ティース本体部１６の径方向内方の端部から径方向内方に延出する鍔基部１８と、鍔基部１８から周方向に延出する鍔延出部１９と、を有している。鍔延出部１９は、径方向内方に配置された第１鍔延出部１９Ａと、径方向外方に配置された第２鍔延出部１９Ｂとを有している。

第１鍔延出部１９Ａは、周方向に延出することにより、ロータ２０と対向する面積を確保するとともに、コイル１４が配置されたスロット１３に磁束が入り込むことを抑制している。第２鍔延出部１９Ｂは、周方向に延出することにより、コイル１４をロータ２０の外周面２１Ａから径方向外方に離れた位置に位置決めしている。

なお、図２において、ティース部１２におけるティース本体部１６と鍔部１７との境界を破線で表している。また、鍔部１７における鍔基部１８と鍔延出部１９との境界を破線で表している。これらの破線は、ティース部１２の各部位の境界位置を明確にするための仮想線である。

鍔延出部１９は、第１鍔延出部１９Ａと第２鍔延出部１９Ｂとを径方向に接続する接続面１９Ｃを有している。接続面１９Ｃは、周方向に凹む凹曲面に形成されている。したがって、第１鍔延出部１９Ａの基部と第２鍔延出部１９Ｂの基部とが、凹曲面からなる接続面１９Ｃによって弧を描くように滑らかに連続している。

第１鍔延出部１９Ａは、第２鍔延出部１９Ｂよりも周方向に延出している。このため、周方向に隣り合う第１鍔延出部１９Ａ同士の距離は、周方向に隣り合う第２鍔延出部１９Ｂ同士の距離よりも小さくなっている。

ここで、周方向に隣り合う第１鍔延出部１９Ａの間の距離をＬ１とし、周方向に隣り合う第２鍔延出部１９Ｂの間の距離をＬ２としたとき、２．９＜Ｌ２／Ｌ１＜６．２が成り立つように構成することが好ましい。

また、周方向に隣り合うティース本体部１６の径方向内方側の端部の間の距離をＬ３としたとき、９．６＜Ｌ３／Ｌ１＜２４が成り立つように構成することが好ましい。

以上のように、本実施例に係る回転電機１において、ティース部１２は、コイル１４が巻き回されるティース本体部１６と、磁性体からなり、ティース本体部１６の径方向内方の端部から径方向内方および周方向に延出し、コイル１４が巻き回されない鍔部１７と、を有している。また、鍔部１７は、ティース本体部１６の径方向内方の端部から径方向内方に延出する鍔基部１８と、鍔基部１８から周方向に延出する鍔延出部１９と、を有している。そして、鍔延出部１９は、径方向内方に配置された第１鍔延出部１９Ａと、径方向外方に配置された第２鍔延出部１９Ｂとを有している。

ここで、一般的に、ロータ２０の回転時に発生する高周波磁束は、ロータ２０の外周面２１Ａとステータ１０の内周面１１Ｂの近傍との間に多く分布する。このため、仮にロータ２０の外周面２１Ａに近いコイル１４に高周波磁束が鎖交した場合、コイル１４に渦電流が発生してしまう。本実施例では、ステータ１０の内周面１１Ｂの近傍である鍔部１７にはコイル１４が巻き回されておらず、鍔部１７に第２鍔延出部１９Ｂが設けられていることにより、コイル１４をロータ２０の外周面２１Ａから径方向外方に離れた位置に位置決めすることができる。そのため、従来技術のような押さえ部材等の部材を別途用いることなく、図３に示すように、ステータ１０の内周面１１Ｂの近傍で高周波磁束がコイル１４に鎖交することを抑制でき、渦電流が発生することを抑制できる。

また、鍔部１７が磁性体からなるため、鍔部１７を、別途制作することなくティース部１２の一部として形成でき、コストの上昇を抑制できる。

また、鍔部１７の第１鍔延出部１９Ａが磁性体からなるため、ロータ２０の外周面２１Ａとステータ１０の内周面１１Ｂで磁束が錯交する領域を大きくすることができ、従来技術と比較してトルクリプルの発生を抑制できる。

この結果、コストの上昇、渦電流の発生およびトルクリプルの発生を抑制できる。

また、本実施例に係る回転電機１において、鍔延出部１９は、第１鍔延出部１９Ａと第２鍔延出部１９Ｂとを径方向に接続する接続面１９Ｃを有し、接続面１９Ｃは周方向に凹む凹曲面に形成されている。

これにより、第１鍔延出部１９Ａの表面と第２鍔延出部１９Ｂの表面とを、凹曲面からなる接続面１９Ｃによって滑らかに連続させることができる。このため、図３に示すように、鍔延出部１９を通る磁束線の間隔が狭くなることを防止できるので、磁気飽和により磁束密度が低下することを抑制でき、トルクリプルの発生を抑制できる。

詳しくは、図６に示すように、本実施例では、ティース部１２の第１鍔延出部１９Ａを周方向に走る磁束線Ｆ１１および磁束線Ｆ１２が、凹曲面からなる接続面１９Ｃに沿って滑らかに径方向の外方に向きを変えることができる。このため、磁束線Ｆ１１と磁束線Ｆ１２との間隔Ｄ１を大きくすることができ、磁気飽和の発生を抑制できる。

一方、図７に示す比較例に係る回転電機１Ａは、径方向に直線的に延びる接続面１９Ｄを備えており、この接続面１９Ｄによって第１鍔延出部１９Ａと第２鍔延出部１９Ｂとが接続されている。このため、接続面１９Ｄは、第１鍔延出部１９Ａおよび第２鍔延出部１９Ｂに直交しており、第１鍔延出部１９Ａおよび第２鍔延出部１９Ｂの基部同士を滑らかに接続していない。
そのため、比較例に係る回転電機１Ａにあっては、ティース部１２の第１鍔延出部１９Ａを周方向に走る磁束線Ｆ２１および磁束線Ｆ２２は、接続面１９Ｄに沿うように径方向の外方に向きを変えるときに屈曲し、磁束線Ｆ２１と磁束線Ｆ２２との間隔Ｄ２が小さくなるため、磁気飽和の抑制効果が最適ではない。

また、本実施例に係る回転電機１において、第１鍔延出部１９Ａは、第２鍔延出部１９Ｂよりも周方向に延出している。

このように、ロータ２０の外周面２１Ａにより近い第１鍔延出部１９Ａの方が、第２鍔延出部１９Ｂと比較して周方向へ長くなっていることにより、ロータ２０の外周面２１Ａにより近い位置で錯交する磁束量を増加させることができ、第２鍔延出部１９Ｂから延びた磁束がロータ２０の外周面２１Ａと錯交する場合と比較して、モータトルクを増加させることができる。

また、本実施例に係る回転電機１において、周方向に隣り合う第１鍔延出部１９Ａの間の距離をＬ１とし、周方向に隣り合う第２鍔延出部１９Ｂの間の距離をＬ２としたとき、２．９＜Ｌ２／Ｌ１＜６．２が成り立つように構成することが好ましい。

このようにすることで、トルクリプル率を最小値まで抑制できる。トルクリプル率とは、トルクリプルの発生率である。

ここで、図４（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）は、トルクリプル率と鍔部１７の寸法比率（Ｌ２／Ｌ１）との相関関係を示す図である。図４の縦軸はトルクリプル率を示しており、上に行くほど値が大きくなっている。また、横軸はＬ２／Ｌ１を示しており、右に行くほど値が大きくなっている。

図４において、点（Ｂ）はＬ２／Ｌ１を２．９とした場合のトルクリプル率であり、点（Ｃ）は、Ｌ２／Ｌ１を６．２とした場合のトルクリプル率である。また、点（Ａ）はＬ２／Ｌ１を２．９より小さくした場合のトルクリプル率であり、点（Ｄ）はＬ２／Ｌ１を６．２より大きくした場合のトルクリプル率である。

図４から分かるように、点（Ｂ）から点（Ｃ）の間において、トルクリプル率が最小値（図４には数値を記していないが約１％である）で概ね一定となっている。また、Ｌ２／Ｌ１が点（Ｂ）より小さくなるほどトルクリプル率が大きくなり、Ｌ２／Ｌ１が点（Ｄ）より大きくなるほどトルクリプル率が大きくなっている。

図５（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）は、それぞれ図４の点（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）における回転電機１の磁束分布を示している。図５（Ｂ）、（Ｃ）は、周方向に隣り合う第１鍔延出部１９Ａの間の距離Ｌ１（図２参照）を十分に狭くすることができるため、ロータ２０の回転時の第１鍔延出部１９Ａの磁束密度の変化を小さくすることができ、トルクリプルの発生を最も抑制できる。

また、図５（Ｂ）、（Ｃ）は、接続面１９Ｃ（図２参照）の曲率を十分に小さくし、緩い湾曲の接続面１９Ｃを形成することができるため、第１鍔延出部１９Ａからティース本体部１６（図２参照）へと向かう磁束の間隔が小さくなり、鍔部１７における磁束密度を減少させることができる。したがって、磁気飽和の発生を最も抑制できるので、トルクリプルの発生を最も抑制できる。

ここで、Ｌ３／Ｌ１が大きくなるほど、ティース本体部１６の内周側の端部の周方向の幅が大きくなる。このため、ロータ２０の外周面２１Ａとティース本体部１６の内周面が対向する面積が増加し、この対向面積が増加すると、磁束が変化した際の磁束量の急激な変化が少なくなる。そのため、Ｌ３／Ｌ１が大きいほど、トルクリプルの発生を好適に抑制できるようになる。

一方で、Ｌ３／Ｌ１が大き過ぎる場合は、鍔延出部１９における磁束線の間隔が小さくなり、第２鍔延出部１９Ｂと第１鍔延出部１９Ａとの間で磁束の短絡が発生しやすくなるので、短絡の発生による第１鍔延出部１９Ａでの磁気飽和が増加し、磁気飽和の増加によってトルクリプルが増加することが考えられる。

そこで、本実施例に係る回転電機１において、周方向に隣り合うティース本体部１６の径方向内方側の端部の間の距離をＬ３としたとき、９．６＜Ｌ３／Ｌ１＜２４が成り立つように構成することが好ましい。

これにより、第２鍔延出部１９Ｂと第１鍔延出部１９Ａ間での磁束の短絡を抑制でき、トルクリプルが発生することを抑制できる。

図５（Ｂ）、（Ｃ）は、何れも９．６＜Ｌ３／Ｌ１＜２４が成り立つように構成されている。図５（Ｂ）、（Ｃ）は、第２鍔延出部１９Ｂから第１鍔延出部１９Ａへの磁束の短絡を最も抑制でき、トルクリプルの発生を最も抑制できる。

なお、回転電機１は、ハイブリッド自動車や電気自動車の駆動源としてだけでなく、例えば風力発電や工作機械などの駆動源としても好適に用いることができる。

本発明の実施例を開示したが、当業者によっては本発明の範囲を逸脱することなく変更が加えられうることは明白である。すべてのこのような修正及び等価物が次の請求項に含まれることが意図されている。

１...回転電機、１０...ステータ、１１...ステータコア、１２...ティース部、１４...コイル、１５...ヨーク部、１６...ティース本体部、１７...鍔部、１８...鍔基部、１９...鍔延出部、１９Ａ...第１鍔延出部、１９Ｂ...第２鍔延出部、１９Ｃ...接続面、２０...ロータ、２１...ロータコア、２３Ａ,２３Ｂ...永久磁石、Ｌ１...距離（周方向に隣り合う第１鍔延出部の間の距離）、Ｌ２...距離（周方向に隣り合う第２鍔延出部の間の距離）、Ｌ３...距離（周方向に隣り合うティース本体部の径方向内方側の端部の間の距離）

Claims (5)

1. コイルが設けられた磁性体からなるステータコアを有するステータと、
   複数の永久磁石が埋め込まれたロータコアを有するロータと、を備え、
   前記ステータコアは、
   環状のヨーク部と、
   前記ヨーク部の内周面から径方向内方に突出するティース部と、を有する回転電機であって、
   前記ティース部は、
   前記コイルが巻き回されるティース本体部と、
   磁性体からなり、前記ティース本体部の径方向内方の端部から径方向内方および周方向に延出し、前記コイルが巻き回されない鍔部と、を有し、
   前記鍔部は、
   前記ティース本体部の径方向内方の端部から径方向内方に延出する鍔基部と、
   前記鍔基部から周方向に延出する鍔延出部と、を有し、
   前記鍔延出部は、径方向内方に配置された第１鍔延出部と、径方向外方に配置された第２鍔延出部とを有していることを特徴とする回転電機。
2. 前記鍔延出部は、前記第１鍔延出部と前記第２鍔延出部とを径方向に接続する接続面を有し、
   前記接続面は、周方向に凹む凹曲面に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
3. 前記第１鍔延出部は、前記第２鍔延出部よりも周方向に延出していることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の回転電機。
4. 周方向に隣り合う前記第１鍔延出部の間の距離をＬ１とし、周方向に隣り合う前記第２鍔延出部の間の距離をＬ２としたとき、２．９＜Ｌ２／Ｌ１＜６．２が成り立つことを特徴とする請求項２または請求項３に記載の回転電機。
5. 周方向に隣り合う前記ティース本体部の径方向内方側の端部の間の距離をＬ３としたとき、９．６＜Ｌ３／Ｌ１＜２４が成り立つことを特徴とする請求項４に記載の回転電機。

Images