JP2023148145A - ロータおよび回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】駆動トルクを向上させるロータおよび回転電機を提供する。【解決手段】マグネット４０は、軸方向に見て径方向と直交する方向に延びる長方形状であり、ロータコア２０は３つの辺で構成されマグネット４０の周方向一方側と接触する第１フラックスバリア部５１と、３つの辺で構成されマグネット４０の周方向他方側と接触する第２フラックスバリア部５２を有する。第１フラックスバリア部５１は、マグネット４０と接触する第１辺５１ａと、周方向に沿って延びる第２辺５１ｂと、曲線を含み第１辺５１ａと第２辺５１ｂとを結ぶ第３辺５１ｃを有する。第２フラックスバリア部５２は、マグネット４０と接触する第４辺と、周方向に沿って延びる第５辺５２ｂと、曲線を含み第４辺と第５辺５２ｂとを結ぶ第６辺を有する。第１辺５１ａは、第４辺よりも長く、第２辺５１ｂは、第５辺５２ｂよりも短い。【選択図】図３

Description

本発明は、ロータおよび回転電機に関する。

ロータコアとロータコアに設けられた穴に配置された永久磁石とを備える回転電機が知られている。例えば、特許文献１にはトルクリプルを低減させるために、マグネットの両側に配置されたフラックスバリア部を磁極中心に対して周方向に非対称とすることが開示されている。

特開２０１６－２０８８０５号公報

フラックスバリア部が直線の組み合わせで構成されているため、磁束は直線が交差する角部を迂回して通ることになる。そのため、磁路長さが大きくなることで、磁気抵抗が大きくなりリラクタンストルクが低下するという問題が生じる。

本発明は、以上のような点を考慮してなされたもので、駆動トルクを向上させるロータおよび回転電機を提供することを目的とする。

本発明のロータの一つの態様は、中心軸を中心として軸方向に延びる複数のマグネット挿入孔が設けられるロータコアと、複数の前記マグネット挿入孔の内部にそれぞれ収容された複数のマグネットと、を有し、前記マグネットは、軸方向に見て径方向と直交する方向に延びる長方形状であり、前記ロータコアは、軸方向に見て、３つの辺で構成され前記マグネットの周方向一方側と接触する第１フラックスバリア部と、軸方向に見て、３つの辺で構成され前記マグネットの周方向他方側と接触する第２フラックスバリア部と、を有し、軸方向に見て、前記第１フラックスバリア部は、前記マグネットと接触する第１辺と、周方向に沿って延びる第２辺と、曲線を含み前記第１辺と前記第２辺とを結ぶ第３辺と、を有し、軸方向に見て、前記第２フラックスバリア部は、前記マグネットと接触する第４辺と、周方向に沿って延びる第５辺と、曲線を含み前記第４辺と前記第５辺とを結ぶ第６辺と、を有し、前記第１辺は、前記第４辺よりも長く、前記第２辺は、前記第５辺よりも短い。

本発明の回転電機の一つの態様は、上記のロータと、前記ロータの径方向外側に位置するステータと、を備える。

本発明の一つの態様によれば、回転電機において駆動トルクを向上させることができる。

図１は、本実施形態の回転電機を示す断面図である。 図２は、本実施形態の回転電機の一部を示す部分断面図であって、図１におけるII－II断面図である。 図３は、実施形態のロータの磁極部を示す断面図である。 図４は、第１フラックスバリア部と第２フラックスバリア部が対称構造の場合と非対称の場合のトルクを示す図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態に係るロータおよび回転電機について説明する。なお、本発明の範囲は、以下の実施の形態に限定されず、本発明の技術的思想の範囲内で任意に変更可能である。また、以下の図面においては、各構成をわかりやすくするために、実際の構造と各構造における縮尺や数等を異ならせる場合がある。

各図に適宜示すＺ軸方向は、正の側を「上側」とし、負の側を「下側」とする上下方向である。各図に適宜示す中心軸Ｊは、Ｚ軸方向と平行であり、上下方向に延びる仮想線である。以下の説明においては、中心軸Ｊの軸方向、すなわち上下方向と平行な方向を単に「軸方向」と呼び、中心軸Ｊを中心とする径方向を単に「径方向」と呼び、中心軸Ｊを中心とする周方向を単に「周方向」と呼ぶ。各図に適宜示す矢印θは、周方向を示している。矢印θは、上側から見て中心軸Ｊを中心として反時計回りの向きを向いている。以下の説明では、或る対象を基準として周方向のうち矢印θが向かう側、すなわち上側から見て反時計回りに進む側を「周方向一方側」と呼び、或る対象を基準として周方向のうち矢印θが向かう側と逆側、すなわち上側から見て時計回りに進む側を「周方向他方側」と呼ぶ。

なお、上下方向、上側、および下側とは、単に各部の配置関係等を説明するための名称であり、実際の配置関係等は、これらの名称で示される配置関係等以外の配置関係等であってもよい。

図１に示すように、回転電機１は、インナーロータ型の回転電機である。
本実施形態において回転電機１は、三相交流式の回転電機である。回転電機１は、例えば、三相交流の電源が供給されることで駆動される三相モータである。回転電機１は、ハウジング２と、ロータ１０と、ステータ６０と、ベアリングホルダ４と、ベアリング５ａ，５ｂと、を備える。

ハウジング２は、ロータ１０、ステータ６０、ベアリングホルダ４、およびベアリング５ａ，５ｂを内部に収容している。ハウジング２の底部は、ベアリング５ｂを保持している。ベアリングホルダ４は、ベアリング５ａを保持している。ベアリング５ａ，５ｂは、例えば、ボールベアリングである。

ステータ６０は、ロータ１０の径方向外側に位置する。ステータ６０は、ステータコア６１と、インシュレータ６４と、複数のコイル６５と、を有する。ステータコア６１は、コアバック６２と、複数のティース６３と、を有する。コアバック６２は、後述するロータコア２０の径方向外側に位置する。なお、以下の図２においては、インシュレータ６４の図示を省略している。

図２に示すように、コアバック６２は、ロータコア２０を囲む環状である。コアバック６２は、例えば、中心軸Ｊを中心とする円環状である。

複数のティース６３は、コアバック６２から径方向内側に延びている。複数のティース６３は、周方向に間隔を空けて並んで配置されている。複数のティース６３は、例えば、周方向に沿って一周に亘って等間隔に配置されている。ティース６３は、例えば、４８個設けられている。つまり、回転電機１のスロット６７の数は、例えば、４８である。

複数のコイル６５は、ステータコア６１に取り付けられている。図１に示すように、複数のコイル６５は、例えば、インシュレータ６４を介してティース６３に取り付けられている。本実施形態においてコイル６５は、分布巻きされている。つまり、各コイル６５は、複数のティース６３に跨って巻き回されている。本実施形態においてコイル６５は、全節巻きされている。つまり、コイル６５が差し込まれるステータ６０のスロット同士の周方向ピッチが、ステータ６０に三相交流電源が供給された際に生じる磁極の周方向ピッチと等しい。回転電機１の極数は、例えば、８である。つまり、回転電機１は、例えば、８極４８スロットの回転電機である。このように、本実施形態の回転電機１においては、極数をＮとしたとき、スロット数がＮ×６となる。

ロータ１０は、中心軸Ｊを中心として回転可能である。図２に示すように、ロータ１０は、シャフト１１と、ロータコア２０と、複数のマグネット４０と、を有する。シャフト１１は、中心軸Ｊを中心として軸方向に延びる円柱状である。図１に示すように、シャフト１１は、ベアリング５ａ，５ｂによって中心軸Ｊ回りに回転可能に支持されている。

ロータコア２０は、磁性体である。ロータコア２０は、シャフト１１の外周面に固定されている。ロータコア２０は、ロータコア２０を軸方向に貫通する貫通孔２１を有する。図２に示すように、貫通孔２１は、軸方向に見て、中心軸Ｊを中心とする円形状である。貫通孔２１には、シャフト１１が通されている。シャフト１１は、例えば圧入等により、貫通孔２１内に固定されている。図示は省略するが、ロータコア２０は、例えば、複数の電磁鋼板が軸方向に積層されて構成されている。

ロータコア２０は、複数のマグネット挿入孔３０を有する。複数のマグネット挿入孔３０は、例えば、ロータコア２０を軸方向に貫通している。複数のマグネット挿入孔３０の内部には、複数のマグネット４０がそれぞれ挿入され収容されている。マグネット挿入孔３０内におけるマグネット４０の固定方法は、特に限定されない。

複数のマグネット４０の種類は、特に限定されない。マグネット４０は、例えば、ネオジム磁石であってもよいし、フェライト磁石であってもよい。複数のマグネット４０は、極を構成する。本実施形態においてマグネット４０は、周方向に間隔を空けて複数設けられている。マグネット挿入孔３０とマグネット４０とは、例えば、８つずつ設けられている。

ロータ１０は、マグネット挿入孔３０とマグネット４０とを１つずつ含む磁極部７０を複数有する。磁極部７０は、例えば、８つ設けられている。複数の磁極部７０は、例えば、周方向に沿って一周に亘って等間隔に配置されている。複数の磁極部７０は、ロータコア２０の外周面における磁極がＮ極の磁極部７０Ｎと、ロータコア２０の外周面における磁極がＳ極の磁極部７０Ｓと、を複数ずつ含む。磁極部７０Ｎと磁極部７０Ｓとは、例えば、４つずつ設けられている。４つの磁極部７０Ｎと４つの磁極部７０Ｓとは、周方向に沿って交互に配置されている。各磁極部７０の構成は、ロータコア２０の外周面の磁極が異なる点および周方向位置が異なる点を除いて、同様の構成である。

マグネット挿入孔３０は、例えば、軸方向に見て、径方向と直交する方向に略直線状に延びている。図３に示すように、マグネット挿入孔３０は、例えば、軸方向に見て、ｄ軸を構成する磁極中心線ＩＬ１と直交する方向に延びている。磁極中心線ＩＬ１は、磁極部７０の周方向中心と中心軸Ｊとを通り、径方向に延びる仮想線である。

軸方向に見て、マグネット挿入孔３０の周方向の中心には、例えば、磁極中心線ＩＬ１が通っている。つまり、マグネット挿入孔３０の周方向中心の周方向位置は、例えば、磁極部７０の周方向中心の周方向位置と一致している。マグネット挿入孔３０の軸方向に見た形状は、例えば、磁極中心線ＩＬ１を中心とする線対称な形状である。マグネット挿入孔３０は、ロータコア２０の径方向外周縁部に位置する。

マグネット挿入孔３０は、直線部３０ａと、一端部３０ｂと、他端部３０ｃと、を有する。直線部３０ａは、軸方向に見て、マグネット挿入孔３０が延びる方向に直線状に延びている。直線部３０ａは、例えば、軸方向に見て長方形状である。一端部３０ｂは、直線部３０ａの周方向一方側（＋θ側）の端部に繋がっている。一端部３０ｂは、マグネット挿入孔３０の周方向一方側の端部である。他端部３０ｃは、直線部３０ａの周方向他方側（－θ側）の端部に繋がっている。他端部３０ｃは、マグネット挿入孔３０の周方向他方側の端部である。

マグネット４０は、マグネット挿入孔３０の内部に収容されている。マグネット４０は、軸方向に見てマグネット挿入孔３０に沿って延びている。マグネット４０は、軸方向に見て径方向と直交する方向に延びている。マグネット４０の軸方向に見た形状は、例えば、磁極中心線ＩＬ１に対して線対称な形状である。マグネット４０は、例えば、軸方向に見て長方形状である。図示は省略するが、マグネット４０は、例えば、直方体状である。図示は省略するが、マグネット４０は、例えば、マグネット挿入孔３０内の軸方向の全体に亘って設けられている。

軸方向に見て、マグネット４０の延伸方向の両端部は、マグネット挿入孔３０の延伸方向の両端部からそれぞれ離れて配置されている。軸方向に見て、マグネット４０が延びる方向においてマグネット４０の両側には、一端部３０ｂと他端部３０ｃとがそれぞれ隣接して配置されている。ここで、本実施形態において一端部３０ｂは、第１フラックスバリア部５１を構成している。他端部３０ｃは、第２フラックスバリア部５２を構成している。つまり、ロータコア２０は、軸方向に見て、マグネット４０が延びる方向においてマグネット４０挟んで配置された第１フラックスバリア部５１および第２フラックスバリア部５２を有する。

第１フラックスバリア部５１と第２フラックスバリア部５２は、磁極中心線ＩＬ１に対して非線対称な形状である。第１フラックスバリア部５１は、軸方向に見て、３つの辺で構成され、マグネット４０の周方向一方側と接触する。第２フラックスバリア部５２は、軸方向に見て、３つの辺で構成され、マグネット４０の周方向他方側と接触する。以下では、第１フラックスバリア部５１および第２フラックスバリア部５２について、軸方向に見た形状を説明する。

第１フラックスバリア部５１は、第１辺５１ａと、第２辺５１ｂと、第３辺５１ｃと、を有する。第１辺５１ａは、磁極中心線ＩＬ１と平行に延び、マグネット４０の周方向一方側と接触する。第１辺５１ａにおける径方向外側の端部の位置は、マグネット４０における径方向外側の端面の位置である。第１辺５１ａにおける径方向内側の端部の位置は、マグネット４０における径方向内側の端面よりも径方向内側である。

第２辺５１ｂは、周方向に沿って延びる。第２辺５１ｂにおける周方向他方側の端部の位置は、マグネット４０における径方向外側の端面の位置である。第２辺５１ｂは、中心軸Ｊを中心とする円弧状である。

第３辺５１ｃは、第２辺５１ｂよりも径方向内側に位置し、第１辺５１ａと第２辺５１ｂとを結ぶ。第３辺５１ｃは、曲線を含む。第３辺５１ｃは、径方向内側に向かうにつれて磁極中心に向かう方向に湾曲する。第３辺５１ｃを構成する曲線は、第３辺５１ｃよりも径方向外側、且つ、磁極中心線ＩＬ１側に曲率中心を有する円弧形状である。第１辺５１ａと第３辺５１ｃの交差部は、Ｒ面取りでフィレットされている。

第２フラックスバリア部５２は、第４辺５２ａと、第５辺５２ｂと、第６辺５２ｃと、を有する。第４辺５２ａは、磁極中心線ＩＬ１と平行に延び、マグネット４０の周方向他方側と接触する。第４辺５２ａにおける径方向外側の端部の位置は、マグネット４０における径方向外側の端面の位置である。第４辺５２ａにおける径方向内側の端部の位置は、マグネット４０における径方向内側の端面よりも径方向内側である。第４辺５２ａにおける径方向内側の端部の位置は、第１辺５１ａにおける径方向内側の端部の位置よりも径方向外側である。従って、第１辺５１ａは、第４辺５２ａよりも長い。

第５辺５２ｂは、周方向に沿って延びる。第５辺５２ｂにおける周方向一方側の端部の位置は、マグネット４０における径方向外側の端面の位置である。第５辺５２ｂは、中心軸Ｊを中心とする円弧状である。第５辺５２ｂの周方向の寸法は、第２辺５１ｂの周方向の寸法よりも長い。従って、第２辺５１ｂは、第５辺５２ｂよりも短い。

第６辺５２ｃは、第５辺５２ｂよりも径方向内側に位置し、第４辺５２ａと第５辺５２ｂとを結ぶ。第６辺５２ｃは、曲線を含む。第６辺５２ｃは、径方向内側に向かうにつれて磁極中心に向かう方向に湾曲する。第６辺５２ｃを構成する曲線は、第６辺５２ｃよりも径方向外側、且つ、磁極中心線ＩＬ１側に曲率中心を有する円弧形状である。第４辺５２ａと第６辺５２ｃの交差部は、Ｒ面取りでフィレットされている。第５辺５２ｂと第６辺５２ｃの交差部は、Ｒ面取りでフィレットされている。

第１辺５１ａが第４辺５２ａよりも長く、第２辺５１ｂが第５辺５２ｂよりも短いことで、第４辺５２ａが第１辺５１ａよりも短く、第５辺５２ｂが第２辺５１ｂよりも長くなる。その結果、第２フラックスバリア部５２の周方向他方側から第２フラックスバリア部５２を迂回して磁極中心線ＩＬ１側に流れる磁束Ｂ２は、周方向一方側への成分を多く含む方向でステータ６０に向かう。この結果、力行時に周方向一方側に回転するロータ１０からの磁束Ｂ２がティース６３に向かいやすくなり、駆動トルクを大きくできる。この場合、第２フラックスバリア部５２は、周方向の最大寸法が径方向の最大寸法よりも長いことが好ましい。

第３辺５１ｃが曲線を含み、径方向内側に向かうにつれて磁極中心に向かう方向に湾曲することで、磁束Ｂ２は、第３辺５１ｃが角部の一部となり角部を迂回する場合と比較して磁路長さを短くできる。この結果、磁気抵抗が小さくなりリラクタンストルクを大きくできる。従って、実施形態では駆動トルクを向上できる。

第２辺５１ｂが第５辺５２ｂよりも短いことで、第１フラックスバリア部５１とｑ軸ＩＬ２との間における磁路を大きくでき磁気抵抗を小さくできる。このため、リラクタンストルクを発生させる磁束Ｂ１が流れを阻害されることなく通りやすくなる。そのため、磁束密度が増加して駆動トルクを大きくできる。第１辺５１ａが第４辺５２ａよりも長いことで、マグネット４０における周方向一方側の端部からの磁束漏れを抑制できる。その結果、駆動トルクを向上できる。

第６辺５２ｃが曲線を含み、径方向内側に向かうにつれて磁極中心に向かう方向に湾曲することで、磁束Ｂ１は、第６辺５２ｃが角部の一部となり角部を迂回する場合と比較して磁路長さを短くできる。この結果、磁気抵抗が小さくなりリラクタンストルクを大きくできる。従って、実施形態では駆動トルクを向上できる。

図４に示すように、第１フラックスバリア部５１と第２フラックスバリア部５２が上述した非対称構造を採る場合は、対称構造を採る場合と比較して、駆動トルクを約１１．１％向上させることができる。

磁極部７０Ｎにおいて、マグネット４０の磁極のうち径方向外側に位置する磁極は、例えば、Ｎ極である。磁極部７０Ｎにおいて、マグネット４０の磁極のうち径方向内側に位置する磁極は、例えば、Ｓ極である。

図示は省略するが、磁極部７０Ｓにおいては、磁極部７０Ｎに対して、各マグネット４０の磁極が反転して配置されている。つまり、磁極部７０Ｓにおいて、マグネット４０の磁極のうち径方向外側に位置する磁極は、例えば、Ｓ極である。磁極部７０Ｓにおいて、マグネット４０の磁極のうち径方向内側に位置する磁極は、例えば、Ｎ極である。

以上説明したように、本実施形態のロータ１０および回転電機１では、周方向一方側に回転する際に、力行方向に特化して最大トルクを向上させることができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明に係る好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。上述した例において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、上記実施形態で説明した第１フラックスバリア部５１と第２フラックスバリア部５２の軸方向に見た形状は一例であり、この構成に限定されない。第１辺５１ａと第４辺５２ａがマグネット４０と接触し、第２辺５１ｂと第５辺５２ｂが周方向に沿って延び、第１辺５１ａと第２辺５１ｂとを結ぶ第３辺５１ｃおよび第４辺５２ａと第５辺５２ｂとを結ぶ第６辺５２ｃが曲線を含む構成であれば、他の形状であってもよい。

本発明が適用される回転電機は、モータに限られず、発電機であってもよい。この場合、回転電機は、三相交流式の発電機であってもよい。回転電機の用途は、特に限定されない。回転電機は、例えば、車両に搭載されてもよいし、車両以外の機器に搭載されてもよい。回転電機の極数およびスロット数は、特に限定されない。回転電機においてコイルはどのような巻き方で構成されていてもよい。以上、本明細書において説明した構成は、相互に矛盾しない範囲内において、適宜組み合わせることができる。

１…回転電機、 １０…ロータ、 ２０…ロータコア、 ３０…マグネット挿入孔、 ４０…マグネット、 ５１…第１フラックスバリア部、 ５１ａ…第１辺、 ５１ｂ…第２辺、 ５１ｃ…第３辺、 ５２…第２フラックスバリア部、 ５２ａ…第４辺、 ５２ｂ…第５辺、 ５２ｃ…第６辺、 ６０…ステータ、 ７０、７０Ｎ、７０Ｓ…磁極部、 ＩＬ１…磁極中心線（ｄ軸）、 ＩＬ２…ｑ軸、 Ｊ…中心軸

Claims (5)

1. 中心軸を中心として軸方向に延びる複数のマグネット挿入孔が設けられるロータコアと、
   複数の前記マグネット挿入孔の内部にそれぞれ収容された複数のマグネットと、
   を有し、
   前記マグネットは、軸方向に見て径方向と直交する方向に延びる長方形状であり、
   前記ロータコアは、
   軸方向に見て、３つの辺で構成され前記マグネットの周方向一方側と接触する第１フラックスバリア部と、
   軸方向に見て、３つの辺で構成され前記マグネットの周方向他方側と接触する第２フラックスバリア部と、
   を有し、
   軸方向に見て、前記第１フラックスバリア部は、
   前記マグネットと接触する第１辺と、
   周方向に沿って延びる第２辺と、
   曲線を含み前記第１辺と前記第２辺とを結ぶ第３辺と、
   を有し、
   軸方向に見て、前記第２フラックスバリア部は、
   前記マグネットと接触する第４辺と、
   周方向に沿って延びる第５辺と、
   曲線を含み前記第４辺と前記第５辺とを結ぶ第６辺と、
   を有し、
   前記第１辺は、前記第４辺よりも長く、
   前記第２辺は、前記第５辺よりも短い、ロータ。
2. 前記第３辺は、前記第２辺よりも径方向内側に位置し、
   前記第６辺は、前記第５辺よりも径方向内側に位置する、
   請求項１に記載のロータ。
3. 前記第３辺および前記第６辺は、それぞれ径方向内側に向かうにつれて磁極中心に向かう、
   請求項１または２に記載のロータ。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載のロータと、
   前記ロータの径方向外側に位置するステータと、
   を備える、回転電機。
5. 前記ロータは、周方向一方側に回転可能である、
   請求項４に記載の回転電機。

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