JP4065829B2

JP4065829B2 - 永久磁石式回転子およびブラシレスモータ

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Publication number: JP4065829B2
Application number: JP2003352192A
Authority: JP
Inventors: 健広今村; 稔中島
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2003-10-10
Filing date: 2003-10-10
Publication date: 2008-03-26
Anticipated expiration: 2023-10-10
Also published as: US6940199B2; CN100344045C; JP2005117855A; US20050110356A1; CN1606211A

Description

この発明は、ロータ鉄心に永久磁石を設けた永久磁石式回転子およびこれを備えるブラシレスモータに関するものである。

モータに使用される回転子として、ロータ鉄心に複数配置した磁石取付部に永久磁石を設けた永久磁石式回転子が知られている。この永久磁石式回転子には、磁石間に突部（突極）を有するタイプ（例えば、特許文献１参照）と、磁石間に突部がなく凹部を有するタイプ（例えば、特許文献２参照）がある。
前記両タイプの永久磁石式回転子およびこれを備えるブラシレスモータには、それぞれにメリット、デメリットがある。
突部を有するタイプの永久磁石式回転子およびこれを備えるブラシレスモータには、（１）リラクタンストルクが比較的大きい、（２）ステータからの磁束が突部を通って、磁石よりも径方向内側のヨーク部にも磁束が通り易いので磁束飽和しづらくなりセンサレス位置検出の精度がよい、というメリットがある反面、磁石発熱が大きく、減磁に弱いというデメリットがある。ここで、センサレス位置検出とは、ステータの巻線に位置検出用電圧を印加したときに多相の各巻線に流れる電流に基づいて回転子の位置を推定することをいう。

一方、突部がなく凹部を有するタイプの永久磁石式回転子およびこれを備えるブラシレスモータには、磁石発熱が小さく、減磁に強いというメリットがある反面、（１）リラクタンストルクが比較的小さい、（２）突部がないためステータからの磁束が磁石よりも径方向外側のヨーク部に通りづらいので磁束飽和し易く、センサレス位置検出の精度が悪い、（３）磁石の周方向両側のヨーク部の肉厚が薄くなるので、高回転での遠心力に対する強度が弱い、というデメリットがある。

また、互いに隣接する永久磁石間に溝（凹部）を介在させて補極部（突部）を設けたロータとこれを備えるブラシレスモータも考案されている（例えば、特許文献３参照）。この特許文献３には、ステータにおけるスロットのピッチと、ロータにおける永久磁石の磁極開角と、補極部の補極開角とが所定の関係式を満たすように寸法設定したときに、トルク脈動を抑制することができると記載されている。
特開平５−７６１４６号公報特開平１０−２８５８４９号公報特開２００２−３０５８５９号公報

ここで、リラクタンストルクの増大、センサレス位置検出精度の向上、磁石発熱の抑制の総てを両立させることができるロータおよびブラシレスモータの開発が切望されている。なお、特許文献３に記載のブラシレスモータでは、この課題を解決することはできない。
そこで、この発明は、リラクタンストルクが比較的に大きく、センサレス位置検出精度がよく、磁石発熱も小さく、減磁に強い永久磁石式回転子とブラシレスモータを提供するものである。

上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、外周部または内周部に設けられた複数の磁石取付部（例えば、後述する実施例における磁石挿入孔４３、磁石収容凹部７１）にそれぞれ固定される永久磁石片（例えば、後述する実施例における永久磁石片６０）と、互いに隣り合う前記永久磁石片の間に設けられた凹部（例えば、後述する実施例における凹部４４，７２）と、前記凹部に径方向外側に突出するように設けられた突部（例えば、後述する実施例における突部４６，７３）とを有するロータ鉄心（例えば、後述する実施例におけるロータヨーク４０）を備えた永久磁石式回転子（例えば、後述する実施例におけるロータ２０）において、前記凹部の両外端と前記ロータ鉄心の中心軸とを結んだ二辺の挟角αと、前記突部の両外端と前記ロータ鉄心の中心軸とを結んだ二辺の挟角βとの間に［数１］が成立することを特徴とする。

このように構成することにより、回転子が突部を備えているのでリラクタンストルクを大きくでき、回転子が凹部を備えているので磁石発熱を抑制することができ、減磁し難くすることができる。また、ステータと組み合わせてブラシレスモータとした場合に、ステータからの磁束が突部を通り、さらに永久磁石片よりも径方向内側のヨーク部に通ることができるので磁束飽和しづらく、センサレス位置検出の精度を極めて高くすることができる。特に、挟角αと挟角βを前記［数１］を満たす関係に角度設定しているので、センサレス位置検出精度の向上と磁石発熱の抑制の両立を図ることが可能になる。

請求項２に係る発明は、外周部または内周部に設けられた複数の磁石取付部（例えば、後述する実施例における磁石挿入孔４３、磁石収容凹部７１）にそれぞれ固定される永久磁石片（例えば、後述する実施例における永久磁石片６０）と、互いに隣り合う前記永久磁石片の間に設けられた凹部（例えば、後述する実施例における凹部４４，７２）と、前記凹部に径方向外側に突出するように設けられた突部（例えば、後述する実施例における突部４６，７３）とを有するロータ鉄心（例えば、後述する実施例におけるロータヨーク４０）を備えた永久磁石式回転子（例えば、後述する実施例におけるロータ２０）と、前記回転子に対して対向配置されるステータ（例えば、後述する実施例におけるステータ１０）と、を備え、前記ステータの巻線（例えば、後述する実施例における巻線１２）に位置検出用電圧を印加したときに多相の各巻線に流れる電流に基づいて前記回転子の位置を推定可能なブラシレスモータにおいて、前記凹部の両外端と前記ロータ鉄心の中心軸とを結んだ二辺の挟角αと、前記突部の両外端と前記ロータ鉄心の中心軸とを結んだ二辺の挟角βとの間に［数２］が成立することを特徴とする。

このように構成することにより、回転子が突部を備えているので、リラクタンストルクを大きくでき、また、ステータからの磁束が突部を通りさらに永久磁石片よりも径方向内側のヨーク部に通ることができるので磁束飽和しづらく、その結果、センサレス位置検出の精度を極めて高くすることができる。しかも、回転子が凹部を備えているので、突部付近での交番磁束変化が少なくなり、結果的に磁石自身の磁束変化も少なくなる。磁石の磁束変化が少ないと渦電流が少なくなり磁石発熱を抑制することができ、減磁し難くすることができる。特に、挟角αと挟角βを前記［数２］を満たす関係に角度設定しているので、センサレス位置検出精度の向上と磁石発熱の抑制の両立を図ることが可能になる。

請求項３に係る発明は、請求項２に記載の発明において、前記突部の外端とこれに対向して位置する前記凹部の外端との離間寸法は、前記回転子と前記ステータとの間に形成される隙間の径方向寸法以上であることを特徴とする。
このように構成することにより、永久磁石片の磁束が磁石取付部の外周面からステータに通り易く、突部と凹部を配置した領域には永久磁石片の磁束が通り難く、隣り合う磁石間で磁束の短絡を発生し難くすることが可能である。

請求項１に係る発明の永久磁石式回転子によれば、リラクタンストルクを大きくでき、磁石発熱を抑制することができ、減磁し難くすることができる。また、ステータと組み合わせてブラシレスモータとした場合のセンサレス位置検出の精度を極めて高くすることができる。特に、挟角αと挟角βを前記［数１］を満たす関係に角度設定したことにより、センサレス位置検出精度の向上と磁石発熱の抑制の両立を図ることが可能になる。

請求項２に係る発明のブラシレスモータによれば、リラクタンストルクを大きくでき、センサレス位置検出の精度を極めて高くすることができ、しかも、磁石発熱を抑制して減磁し難くすることができる。特に、挟角αと挟角βを前記［数２］を満たす関係に角度設定しているので、センサレス位置検出精度の向上と磁石発熱の抑制の両立を図ることが可能になる。
請求項３に係る発明によれば、永久磁石片の磁束が磁石取付部の外周面からステータに通り易く、隣り合う磁石間で磁束の短絡が起こり難くすることができるので、ロータとステータ間の磁束を無駄なく使えるため、トルクを有効に発生させることができる。

以下、この発明に係る永久磁石式回転子およびこれを備えたブラシレスモータの実施例を図１から図７の図面を参照して説明する。
図１に示すように、ブラシレスモータ１は、ケーシング２に固定されたステータ１０と、ケーシング２に回転可能に支持されたロータ（永久磁石式回転子）２０を備えている。ステータ１０とロータ２０は同心上に配置されていて、径方向に対向配置されている。
ステータ１０は略円筒状をなし、複数のティース鉄心１１が径方向内側に突出して設けられ、各ティース鉄心１１に巻線１２が巻き付けられて構成されている。
また、このブラシレスモータ１は、ステータ１０の巻線１２にロータ２０の位置を検出するための検出用電圧を印加し、この印加電圧によって多相の各巻線に流れる電流に基づいてロータ２０の位置を推定する制御装置を備えており、所謂センサレスでロータ２０の位置が検出可能にされている。このセンサレス位置検出方法については周知技術であるので詳細説明は省略する。

図３に示すように、ロータ２０は、ロータシャフト３０と、ロータヨーク（ロータ鉄心）４０と、一対の端面板５０Ａ，５０Ｂと、複数の永久磁極片６０とから構成されている。なお、この実施例におけるブラシレスモータ１は六極対のモータであり、１２個の永久磁石片６０を備えている。
ロータシャフト３０は中空ドラム状をなし鋳造または鍛造により一体に成形されており、外周面３１の軸方向の一端側には径方向外方に延出する延出部３２が設けられ、また、外周面３１には周方向等間隔に三本の溝３３が軸方向に沿って形成されている。

端面板５０Ａ，５０Ｂは円環状をなし、その中央に形成された孔５１は、ロータシャフト３０の外周面３１に圧入する為に、外周面３１の外径より若干小さい内径にされている。なお、端面板５０Ａ，５０Ｂは例えばオーステナイト系ステンレス鋼ＳＵＳ３０４などの非磁性体で構成されている。

ロータヨーク４０は、同一形状、同一寸法の電磁鋼板４５を多数積層して構成され、円環状をなしている。ロータヨーク４０の中央には、ロータシャフト３０が挿入される貫通孔４１が設けられており、その内周面には周方向等間隔に三つの突起４２が軸方向に沿って設けられている。
ロータヨーク４０の外周部には永久磁石片６０が挿入される複数の磁石挿入孔（磁石取付部）４３が周方向等間隔に配置されて設けられており、各磁石挿入孔４３はロータヨーク４０を軸方向に貫通している。

また、図４に示すように、ロータヨーク４０の外周部であって互いに隣接する磁石挿入孔４３，４３の間には、径方向外側を開口させた凹部４４がロータヨーク４０の軸方向に沿ってその全長に亘って設けられている。この凹部４４の底部４４ａは磁石挿入孔４３の径方向中程に位置している。
さらに、各凹部４４には、その底部４４ａの中央から径方向外側に突出する突部４６が設けられており、この突部４６もロータヨーク４０の軸方向に沿ってその全長に亘って設けられている。各突部４６の先端面と、ロータヨーク４０において磁石挿入孔４３よりも径方向外側を占める部分、すなわち磁石被覆部４７の外周面は、ほぼ同一仮想円上に配置されている。

このロータ２０は例えば次のようにして組み立てられたものである。
まず、端面板５０Ａをロータシャフト３０の他端面３４側からロータシャフト３０の外周面３１に圧入して嵌め込む。
次に、電磁鋼板４５を多数積層してなるロータヨーク４０を、ロータシャフト３０の他端面３４側からロータシャフト３０の外周面３１に圧入して嵌め込む。その際、ロータヨーク４０の突起４２をロータシャフト３０の外周面３１の溝３３に係合させながら圧入する。
続いて、ロータヨーク４０の各磁石挿入孔４３にそれぞれ永久磁極片６０を一つずつ挿入し、その後、端面板５０Ｂをロータシャフト３０の他端面３４側からロータシャフト３０の外周面３１に圧入して嵌め込む。
以上のように組み立てることにより、ロータシャフト３０と、ロータヨーク４０と永久磁極片６０と端面板５０Ａ，５０Ｂが一体化され、ロータ２０が完成する。このロータ２０では、各磁石挿入孔４３の両端開口が端面板５０Ａ，５０Ｂによって塞がれ、永久磁極片６０がロータヨーク４０から離脱するのが阻止される。

このように構成されたブラシレスモータ１によれば、ロータ２０が、突部４６を備えているので、突部がない場合に比べてリラクタンストルクを大きくできる。
また、図２に示すように、ステータ１０からの磁束Ｇが突部４６を通り、さらに永久磁石片６０よりも径方向内側のヨーク部４９にも通ることができるので磁束飽和しづらく、したがって、ロータ２０のセンサレス位置検出の精度が極めて高い。
また、ロータ２０が凹部４４を備えており、突部４６の両側に溝４８が形成されるので、磁石発熱を抑制することができ、減磁し難くすることができる。
すなわち、このロータ２０およびブラシレスモータ１においては、リラクタンストルクを有効に使うことができ、且つ、ロータ２０のセンサレス位置検出精度を高くでき、しかも、磁石発熱を抑制できて減磁し難くすることができる。

ところで、センサレス位置検出精度を向上させるためには、突部４６の周方向寸法が大きく、溝４８の周方向寸法が小さい方が好ましい。一方、磁石発熱を抑制するためには、溝４８の周方向寸法が大きい方が好ましい。つまり、溝４８の寸法設定をする際に、センサレス位置検出精度の向上と磁石発熱の抑制は相反する命題であって、これを両立させることは極めて難しい。
しかしながら、この実施例のロータヨーク４０では、凹部４４と突部４６の角度関係を所定に設定することによって、センサレス位置検出精度の向上と磁石発熱の抑制の両立を図ることができるようにした。

以下、凹部４４と突部４６の角度関係について図２および図５を参照して説明する。
図２に示すように、凹部４４における径方向外側の両外端Ａ，Ａ’とロータヨーク４０の中心軸Ｏとを結んだ仮想線を二辺とするその挟角（以下、凹部４４の挟角と称す）をαとし、突部４６における径方向外側の両外端Ｂ，Ｂ’とロータヨーク４０の中心軸Ｏとを結んだ仮想線を二辺とするその挟角（以下、突部４６の挟角と称す）をβとした場合に、凹部４４の挟角αに対する突部４６の挟角βの比率（β／α）を変数として、永久磁石片６０の一個当たりの発熱量（Ｗ）と、センサレス位置検出の誤検出の確率（％）の関係を実験的に求めた。図５は実験結果の一例を示し、凹部４４の挟角αを４．５ｄｅｇとした場合の実験結果を示している。

図５に示される実験結果から、β／αを０．３よりも大きくするとセンサレス位置検出の誤検出の確率が０となり、β／αを０．５よりも小さくすると磁石発熱を大分小さく抑えられることがわかった。
そこで、この実施例のブラシレスモータ１では、β／αを［数３］の範囲に収まるようにし、好ましくは、［数４］の範囲に収まるように設定した。

このようにβ／αの範囲を設定することにより、ブラシレスモータ１のセンサレス位置検出精度の向上と磁石発熱の抑制の両立を図ることができることとなる。
また、この実施例のブラシレスモータ１では、突部４６の外端Ａ（またはＡ’）とこれに対向して位置する凹部４４の外端Ｂ（またはＢ’）との離間寸法は、ロータ２０とステータ１０との間に形成される隙間の径方向寸法以上に設定してある。
このように寸法設定することにより、永久磁石片の磁束が磁石取付部の外周面からステータに通り易く、突部と凹部を配置した領域には永久磁石片の磁束が通り難く、隣り合う磁石間で磁束の短絡を発生し難くすることが可能である。すなわち、ロータとステータ間の磁束を無駄なく使えるため、トルクを有効に発生させることができる。

なお、前述した実施例では、ロータ鉄心に永久磁石を埋め込んだ永久磁石式回転子について説明しているが、図６、図７に示すように、ロータ鉄心の外周面に磁石を固定する永久磁石式回転子に適用することもできる。
図６、図７に示されるロータ２０について簡単に説明すると、ロータヨーク４０の外周面には、磁石挿入孔４３の代わりとなる磁石収容凹部（磁石取付部）７１が設けられており、互いに隣り合う磁石収容凹部７１，７１の間に凹部７２が設けられ、凹部７２の中央に突部７３が設けられている。凹部７１は前述実施例における凹部４４に対応し、突部７３は前述実施例における突部４６に対応する。なお、ロータヨーク４０には、磁石収容凹部７１と凹部７２との間に磁石係止部７５が設けられており、永久磁石片６０はこの磁石係止部７５に係止されて、径方向外方への離脱が阻止されている。その他の構成については前述した実施例（図１〜図５）のものと同じであるので同一態様部分に同一符号を付して説明を省略する。
この発明において、磁石取付部は、図１〜図４に示す磁石挿入孔４３だけでなく図６、図７に示す磁石収容凹部７１を含んでいる。
尚、前述した実施例では、ステータの内側にロータを設け、ロータの外周部に複数の永久磁石片を配置したインナーロータ型のモータについて説明しているが、ステータの外側にロータを設け、ロータの内周部に複数の永久磁石片を配置したアウターロータ型のモータに適用しても同様の効果を得ることができる。

この発明は、例えば、内燃機関とモータ・ジェネレータの駆動力で走行可能なハイブリッド車両の前記モータ・ジェネレータとして利用可能であり、さらに、前記内燃機関に直結された前記モータ・ジェネレータとしても利用可能である。また、ハイブリッド車両用の前記モータ・ジェネレータ以外の電動機もしくは発電機にも利用可能である。

この発明に係るブラシレスモータの第１の実施例における概略断面図である。図１の要部拡大図である。前記第１の実施例におけるロータの分解斜視図である。前記第１の実施例におけるロータの要部を拡大して示す正面図である。磁石発熱とセンサレス位置検出の誤検出確率に関する実験結果の一例を示す図である。この発明に係るブラシレスモータの前記第２の実施例におけるロータの分解斜視図である。前記第２の実施例におけるロータの要部を拡大して示す正面図である。

符号の説明

１ブラシレスモータ
１０ステータ
１２巻線
２０ロータ（永久磁石式回転子）
４０ロータヨーク（ロータ鉄心）
４３磁石挿入孔（磁石取付部）
４４凹部
４６突部
６０永久磁石片
７１磁石収容凹部（磁石取付部）
７２凹部
７３突部

Claims

外周部または内周部に設けられた複数の磁石取付部にそれぞれ固定される永久磁石片と、互いに隣り合う前記永久磁石片の間に設けられた凹部と、前記凹部に径方向外側に突出するように設けられた突部とを有するロータ鉄心を備えた永久磁石式回転子において、
前記凹部の両外端と前記ロータ鉄心の中心軸とを結んだ二辺の挟角αと、前記突部の両外端と前記ロータ鉄心の中心軸とを結んだ二辺の挟角βとの間に［数１］が成立することを特徴とする永久磁石式回転子。
外周部または内周部に設けられた複数の磁石取付部にそれぞれ固定される永久磁石片と、互いに隣り合う前記永久磁石片の間に設けられた凹部と、前記凹部に径方向外側に突出するように設けられた突部とを有するロータ鉄心を備えた永久磁石式回転子と、
前記回転子に対して対向配置されるステータと、を備え、
前記ステータの巻線に位置検出用電圧を印加したときに多相の各巻線に流れる電流に基づいて前記回転子の位置を推定可能なブラシレスモータにおいて、
前記凹部の両外端と前記ロータ鉄心の中心軸とを結んだ二辺の挟角αと、前記突部の両外端と前記ロータ鉄心の中心軸とを結んだ二辺の挟角βとの間に［数２］が成立することを特徴とするブラシレスモータ。
前記突部の外端とこれに対向して位置する前記凹部の外端との離間寸法は、前記回転子と前記ステータとの間に形成される隙間の径方向寸法以上であることを特徴とする請求項２に記載のブラシレスモータ。