JP4352956B2

JP4352956B2 - 回転電機

Info

Publication number: JP4352956B2
Application number: JP2004081807A
Authority: JP
Inventors: 二郎浅井
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2004-03-22
Filing date: 2004-03-22
Publication date: 2009-10-28
Anticipated expiration: 2024-03-22
Also published as: JP2005269839A

Description

本発明は、永久磁石が内包された内部永久磁石型のロータを有する回転電機に関する。

従来から、永久磁石を備えたロータに磁性流体を内包し、回転状態の変化に伴って磁性流体の形状を変化させる同期電動機が知られている（例えば、特許文献１参照。）。この同期電動機では、低速回転時には、ロータ内の永久磁石の各磁極周辺に吸着されていた磁性流体が、高速回転時には、遠心力によってロータ外周の周壁体の内面側に押し広げられるため、永久磁石の両磁極間に発生する磁束の一部がこの押し広げられた磁束流体に導かれるようになる。このため、ロータからステータに漏れ出す磁束が減少し、ステータのコイルに作用する磁束密度が低くなるため、ロータとステータの間に作用する磁束が減少し、回転数を上げることが可能になる。
特許第２９８１５４６号公報（第４−６頁、図５−８）

ところで、特許文献１に開示された同期電動機では、ロータの回転数が上昇すると、それまでは永久磁石の両磁極部周辺に吸着されていた磁性流体が、円筒状の周壁体の内面側に形成された磁性体封入空部に移動するようになっているが、この磁性体封入空部内での磁性流体の形状は遠心力によって決まるため安定せず、特性が不安定になるという問題があった。例えば、この同期電動機を車両に搭載した場合を考えると、回転中に路面状態に応じて大きな振動が加わることがある。一方向に大きな振動（加速度）が加わると、この振動と遠心力との合力が磁性流体に作用することになるため、周壁体の内面側に一様な径方向厚みで押し広げられていたそれまでの形状を維持することは難しい。当然ながら、径方向厚みが部分的に薄くなったり厚くなったりすれば永久磁石の両磁極間の磁束が変化するため、ロータからステータに漏れ出す磁束も変化し、同期電動機の特性が一定しないことになる。

本発明は、このような点に鑑みて創作されたものであり、その目的は、特性を安定化させることができる回転電機を提供することにある。

上述した課題を解決するために、本発明の回転電機は、複数の永久磁石が装備されたロータと、ロータの外周に配置されたステータとを有しており、ロータは、隣接する永久磁石の間で周方向に延在する第１の収容部と、第１の収容部よりも径方向外側に配置されて第１の収容部に連通される第２の収容部と、回転時に作用する遠心力の大きさに応じて第１および第２の収容部のいずれか一方に収容される磁性流体とを備えている。回転時に発生する遠心力の大きさに応じて磁性流体が第１の収容部あるいは第２の収容部に収容されるため、低速回転時と高速回転時の両方において磁性流体の位置および形状が定まる。したがって、ロータとステータとの間で作用する磁束が安定し、特性を安定化させることができる。

また、上述した第１の収容部と第２の収容部はほぼ同じ容量を有しており、磁性流体は、第１および第２の収容部のそれぞれとほぼ同じ容量を有していることが望ましい。これにより、第１の収容部と第２の収容部のいずれか一方に選択的に磁性流体を確実に収容することが可能になり、磁性流体の位置および形状のさらなる安定化を図ることができる。

また、上述したロータは、周方向に沿った複数箇所に配置されて永久磁石を保持する複数の永久磁石保持部を有しており、互いに連結された一組の第１および第２の収容部は、２つの永久磁石保持部に挟まれた周方向隣接位置に形成されていることが望ましい。これにより、隣接する永久磁石の間の領域を通る磁束の量を、第１および第２の収容部のいずれに磁束流体を収容するかによって変化させることが容易となる。

また、上述した複数の永久磁石は、径方向に沿って着磁されていることが望ましい。これにより、隣接する永久磁石間の領域を永久磁石の径方向内側の磁極と同じ磁極に磁化することができ、この領域に形成された第１の収容部内に磁性流体を充填するか否かに応じてロータとステータとの間で作用する磁束を容易に変化させることが可能になる。

また、上述した第１の収容部と第２の収容部は、絞り部を介して連結されていることが望ましい。これにより、第１の収容部と第２の収容部との間を明確に分離することが可能になり、遠心力の大きさに応じて径方向に移動する磁性流体の形状を安定化させることができる。

また、上述した絞り部は、第１の収容部の周方向に沿ったほぼ中央位置に設けられていることが望ましい。絞り部およびこれに連通する第２の収容部を第１の収容部の中央近傍に１箇所設けることにより、形状の簡略化に伴って製造が容易となる。また、回転体であるロータは、第１の収容部の中央付近の径方向外側について最も広い面積を確保することができるため、第２の収容部の設置スペースの確保が容易となる。

また、上述した絞り部は、第１の収容部の周方向に沿った端部位置に設けられていることが望ましい。これにより、第１の収容部を直線あるいは直線に近い形状に形成したときに、最も大きな遠心力が作用する位置に絞り部や第２の収容部を配置することができるため、回転数が上昇した際の磁性流体の移動を円滑に行うことが可能になる。

また、一の第１の収容部に対応して複数の第２の収容部が設けられていることが望ましい。これにより、第１の収容部の径方向外側の厚みを十分確保することができない場合であっても、複数の第２の収容部を分散して設けることができるため、必要な容量の第２の収容部を容易に形成することが可能になる。

また、上述した第１の収容部は、周方向に沿って湾曲した形状を有していることが望ましい。これにより、第１の収容部に収容された磁性流体に作用する遠心力をほぼ一様にすることが可能になり、第１の収容部の形成位置とは関係なく第１の収容部から第２の収容部に対する磁性流体の移動を円滑に行うことが可能になる。

以下、本発明を適用した一実施形態の同期電動機としてのＩＰＭ（Interior Permanent Magnet；内部永久磁石型）モータについて、図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、一実施形態のＩＰＭモータの断面図である。図１に示すように、本実施形態のＩＰＭモータは、永久磁石１４が内包されたロータ１０と、このロータ１０の外周に配置されたステータ３０とを備えている。ステータ３０には複数相のコイル（図示せず）が巻装されており、これらのコイルに流す電流の周波数や位相角を制御して回転磁界を発生させることにより、ロータ１０を所定方向に所定回転数で回転させることができる。

ロータ１０は、ロータコア１２、永久磁石１４、磁性流体２０、回転軸２２を含んで構成されている。図１には、例えば永久磁石１４を３個使用した６極のロータ１０の構成が示されている。ロータコア１２は、回転軸２２を圧入するための貫通孔２２Ａが中心に形成された筒状部材であり、磁性体材料によって構成されている。このロータコア１２は、電磁鋼板を所定枚数、積層することにより形成される。積層構造を採用することにより、ロータコア１２の外周表面に発生する渦電流の低減や、製造の容易化を図ることができる。但し、一体構造を切削や鍛造等の手法で製造するようにしてもよい。ロータコア１２には、永久磁石１４を収容して保持するための永久磁石保持部としての３つの磁石挿入孔１６が、外周近傍に等間隔に形成されている。各磁石挿入孔１６は、上辺と下辺の長さが高さに対して十分長い等脚台形に近い断面形状を有しており、ロータコア１２の外周近傍であってロータコア１２の中心角が６０°の範囲に対応する領域に設けられている。このような３つの磁石挿入孔１６が、ロータコア１２の外周近傍に等間隔に３箇所、すなわち、ほぼ６０°の間隔を空けて配置されている。

永久磁石１４は、３つの磁石挿入孔１６のそれぞれに挿入され、固定される。例えば、永久磁石１４として希土類磁石が用いられ、エポキシ系の接着剤を用いて磁石挿入孔１６内に接着され、固定される。それぞれの永久磁石１４は、径方向に沿って、外形側がＮ極に、内径側がＳ極になるように着磁されている。したがって、磁石挿入孔１６に永久磁石１４が挿入されると、その外形側のロータコア１２がＮ極に磁化され、内径側のロータコア１２およびこれにつながる各磁石挿入孔１６間のロータコア１２がＳ極に磁化される。また、永久磁石１４は断面が長方形形状を有しているため、磁石挿入孔１６に挿入したときに周方向に沿った両側に空間１６Ａが形成される。この空間１６Ａは、ロータコア１２を通して生じる永久磁石１４のＳ極とＮ極との間の漏れ磁束を減少させるバリアとして作用する。

また、ロータコア１２には、隣接する磁石挿入孔１６の間に磁性流体収容孔１８が形成されている。この磁性流体収容孔１８は、絞り部１８Ｃを介して互いに連結された２つの収容部１８Ａ、１８Ｂを有している。第１の収容部としての一方の収容部１８Ａは、ロータコア１２の内径側に配置されており、ほぼ周方向に沿った直線状の長孔断面を有している。また、第２の収容部としての他方の収容部１８Ｂは、収容部１８Ａに対してロータコア１２の外径側に配置されており、外周面に近づくにしたがって周方向幅が広くなる三角形断面を有している。これら２つの収容部１８Ａ、１８Ｂはほぼ同じ断面積、すなわちほぼ同じ容積を有しており、収容部１８Ｂのほぼ中央が絞り部１８Ｃを介して収容部１８Ａに連結されている。

磁性流体２０は、磁性流体収容孔１８に収容され、２つの収容部１８Ａ、１８Ｂ間を絞り部１８Ｃを通って移動可能な流動性を有している。磁性流体２０として、例えば強磁性体の微粒子を液体中に多量に分散させたコロイド溶液が用いられる。また、磁性流体２０の容量は、磁性流体収容孔１８の容積のほぼ半分となるように設定されている。上述したように、収容部１８Ａと収容部１８Ｂはほぼ同じ容積を有しているため、磁性流体収容孔１８内でロータ１０の内径側に磁性流体２０が収容されている場合には、図２に示すように、磁性流体２０の全体が収容部１８Ａに収容される。反対に、磁性流体収容孔１８内でロータ１０の外径側に磁性流体２０が収容されている場合には、図３に示すように、磁性流体２０の全体が収容部１８Ｂに収容される。

磁性流体２０は、外力が作用しない状態では、磁気抵抗が最も小さくなる位置に移動し、その状態を維持する。したがって、ロータ１０が回転していないとき、あるいは低速回転時であって遠心力が小さいときには、磁性流体２０は、磁性流体収容孔１８の一方の収容部１８Ａに偏って存在する。したがって、磁性流体収容孔１８近傍のロータコア１２に着目すると、収容部１８Ａ内に充填された磁性流体２０を通してロータコア１２の径方向に沿って磁束が流れやすくなり、ロータ１０の回転駆動力発生に寄与するロータ１０とステータ３０間の磁路の磁気抵抗が小さくなる。ロータ１０で発生した磁束をステータ３０に効率よく導くことができる。

一方、高速回転時には、磁性流体２０に大きな遠心力が作用するため、磁性流体２０が磁性流体収容孔１８の絞り部１８Ｃを通って他方の収容部１８Ｂ側に移動する。この状態では、一方の収容部１８Ａ内が空になって径方向に沿った磁束を遮断するため、ロータ１０の回転駆動力発生に寄与するロータ１０とステータ３０間の磁路の磁気抵抗が大きくなる。

このように、本実施形態のＩＰＭモータに備わったロータ１０のロータコア１２には、隣接する永久磁石１４の間で周方向に延在する収容部１８Ａとこの収容部１８Ａよりも径方向外側に配置されて収容部１８Ａに連通される収容部１８Ｂとからなる磁性流体収容孔１８を有しており、これら２つの収容部１８Ａ、１８Ｂのいずれかに磁性流体２０が収容される。回転時に発生する遠心力の大きさに応じて磁性流体２０が収容部１８Ａあるいは収容部１８Ｂに収容されるため、低速回転時と高速回転時の両方において磁性流体２０の位置および形状が定まる。したがって、ロータ１０とステータ３０との間で作用する磁束が安定し、特性を安定化させることができる。

また、２つの収容部１８Ａ、１８Ｂはほぼ同じ容量を有しており、しかも、磁性流体２０は、これらの収容部１８Ａ、１８Ｂのそれぞれとほぼ同じ容量を有しているため、２つの収容部１８Ａ、１８Ｂのいずれか一方に選択的に磁性流体２０を確実に収容することが可能になり、磁性流体２０の位置および形状のさらなる安定化を図ることができる。

また、ロータ１０は、周方向に沿った複数箇所に配置されて永久磁石１４を保持する複数の磁石挿入孔１６を有しており、互いに連結された一組の収容部１８Ａ、１８Ｂが、２つの磁石挿入孔１６に挟まれた周方向隣接位置に形成されているため、隣接する永久磁石１４の間の領域を通る磁束の量を、２つの収容部１８Ａ、１８Ｂのいずれに磁束流体２０を収容するかによって変化させることが容易となる。

また、複数の永久磁石１４は、径方向に沿って着磁されているため、隣接する永久磁石１４間の領域を永久磁石１４の径方向内側の磁極と同じ磁極に磁化することができ、この領域に形成された収容部１８Ａ内に磁性流体２０を充填するか否かに応じてロータ１０とステータ３０との間で作用する磁束を容易に変化させることが可能になる。

また、収容部１８Ａと収容部１８Ｂは、絞り部１８Ｃを介して連結されているため、収容部１８Ａと収容部１８Ｂとの間を明確に分離することが可能になり、遠心力の大きさに応じて径方向に移動する磁性流体２０の形状を安定化させることができる。

また、絞り部１８Ｃおよびこれに連通する収容部１８Ｂを収容部１８Ａの中央近傍に１箇所設けることにより、形状の簡略化に伴う製造の容易化が可能となる。また、回転体であるロータ１０は、収容部１８Ａの中央付近の径方向外側について最も広い面積を確保することができるため、収容部１８Ｂの設置スペースの確保が容易となる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々の変形実施が可能である。例えば、上述した実施形態では、３個の永久磁石１４を備えた６極のロータ１０について説明したが、永久磁石１４の数およびロータ１０の極数はこの数に限定されるものではなく、それ以外であってもよい。

また、永久磁石１４は接着剤を用いて固定したが、接着剤を用いることなく、両端面の軸方向に止め板を用いて固定してもよい。

また、上述した実施形態では、回転電機の一例としてモータを例にとって説明したが、他の回転電機としての発電機に本発明を適用してもよい。

また、上述した実施形態では、直線形状の一方の収容部１８Ａと三角形形状の他方の収容部１８Ｂとを絞り部１８Ｃを介して連通させた磁性流体収容孔１８について説明したが、各収容部の形状や個数および連通の方法については、図４〜図９に示すような各種の変形が考えられる。図４には、直線形状の収容部１８Ａと三角形形状の収容部１８Ｂとを絞り部を介さないで連通した磁性流体収容孔が示されている。図５には、直線形状の収容部１８Ａと三角形形状の２つの収容部１８Ｂとを絞り部を介さないで連通した磁性流体収容孔が示されている。図６には、直線形状の収容部１８Ａと四角形形状の収容部１８Ｂとを絞り部を介さないで連通した磁性流体収容孔が示されている。図７には、直線形状の収容部１８Ａと円形形状収容部１８Ｂとを連通した磁性流体収容孔が示されている。図８には、直線形状の収容部１８Ａと２つの円形形状の収容部１８Ｂとを収容部１８Ａの両端部において連通した磁性流体収容孔が示されている。図９には、湾曲した円弧形状の収容部１８Ａと三角形形状の３つの収容部１８Ｂとを連通した磁性流体収容孔が示されている。

図８に示したように、絞り部１８Ｃや収容部１８Ｂを収容部１８Ａの周方向に沿った端部位置に設けることにより、収容部１８Ａを直線あるいは直線に近い形状に形成したときに、最も大きな遠心力が作用する位置に絞り部１８Ｃや収容部１８Ｂを配置することができるため、ロータ１０の回転数が上昇した際の磁性流体２０の移動を円滑に行うことが可能になる。

また、図５、図８、図９に示したように、１つの収容部１８Ａに対応して複数の収容部１８Ｂを設けることにより、収容部１８Ａの径方向外側のロータコア１２の厚みを十分確保することができない場合であっても、複数の収容部１８Ｂを分散して設けることができるため、必要な容量の収容部１８Ｂを容易に形成することが可能になる。

また、図９に示したように、収容部１８Ａを周方向に沿って湾曲した形状とすることにより、収容部１８Ａに収容された磁性流体２０に作用する遠心力をほぼ一様にすることが可能になり、収容部１８Ｂの形成位置とは関係なく収容部１８Ａから収容部１８Ｂに対する磁性流体２０の移動を円滑に行うことが可能になる。

一実施形態のＩＰＭモータの断面図である。低速回転時における磁性流体収容部内の磁性流体の収容状態を示す図である。高速回転時における磁性流体収容部内の磁性流体の収容状態を示す図である。磁性流体収容部の変形例を示す図である。磁性流体収容部の変形例を示す図である。磁性流体収容部の変形例を示す図である。磁性流体収容部の変形例を示す図である。磁性流体収容部の変形例を示す図である。磁性流体収容部の変形例を示す図である。

符号の説明

１０ロータ
１２ロータコア
１４永久磁石
１６磁石挿入孔
１８磁性流体収容孔
１８Ａ、１８Ｂ収容部
１８Ｃ絞り部
２０磁性流体
２２回転軸
３０ステータ

Claims

複数の永久磁石が装備されたロータと、前記ロータの外周に配置されたステータとを有する回転電機において、
前記ロータは、
隣接する前記永久磁石の間で周方向に延在する第１の収容部と、
前記第１の収容部よりも径方向外側に配置されて前記第１の収容部に連通される第２の収容部と、
回転時に作用する遠心力の大きさに応じて前記第１および第２の収容部のいずれか一方に収容される磁性流体と、
を備え、高速回転時に前記磁性流体が前記第１の収容部から前記第２の収容部に移動し、前記第１の収容部が空になって径方向に沿った磁束を遮断することを特徴とする回転電機。
請求項１において、
前記第１の収容部と前記第２の収容部はほぼ同じ容量を有しており、
前記磁性流体は、前記第１および第２の収容部のそれぞれとほぼ同じ容量を有していることを特徴とする回転電機。
請求項１または２において、
前記ロータは、周方向に沿った複数箇所に配置されて前記永久磁石を保持する複数の永久磁石保持部を有しており、
互いに連結された一組の前記第１および第２の収容部は、２つの前記永久磁石保持部に挟まれた周方向隣接位置に形成されていることを特徴とする回転電機。
請求項１において、
複数の前記永久磁石は、径方向に沿って着磁されていることを特徴とする回転電機。
請求項１〜４のいずれかにおいて、
前記第１の収容部と前記第２の収容部は、絞り部を介して連結されていることを特徴とする回転電機。
請求項５において、
前記絞り部は、前記第１の収容部の周方向に沿ったほぼ中央位置に設けられていることを特徴とする回転電機。
請求項５において、
前記絞り部は、前記第１の収容部の周方向に沿った端部位置に設けられていることを特徴とする回転電気。
請求項１〜７のいずれかにおいて、
一の前記第１の収容部に対応して複数の前記第２の収容部が設けられていることを特徴とする回転電機。
請求項１〜８のいずれかにおいて、
前記第１の収容部は、周方向に沿って湾曲した形状を有していることを特徴とする回転電機。