JP4574297B2 - 回転電機のロータ - Google Patents

Description

この発明は、回転電機のロータに関し、特に、永久磁石モータとして用いられる回転電機のロータに関する。

従来、電気自動車用走行モータに用いられる回転電機が知られている。この回転電機は、永久磁石の使用量を維持しつつも、永久磁石を構成する永久磁石片の数を抑えて、弱め磁束制御の際に発生する渦電流損失の抑制を効率的に行うＩＰＭ（Ｉｎｔｅｒｉｏｒ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ）構造のモータである（特許文献１参照）。

このＩＰＭ構造のモータは、回転子に永久磁石を埋め込むことで、永久磁石Ｎ極方向の磁気抵抗より、永久磁石Ｎ極、Ｓ極間方向の磁気抵抗を小さくし、ｄ軸とｑ軸の磁気抵抗の差によるリラクタンスを発生させている。
特開２００４−９６８６８号公報

しかしながら、従来のＩＰＭ構造のモータに用いられる永久磁石、特に汎用されている高ＢＨｍａｘのＮｅＦｅＢｒ系のものは、高温状態にあると、また、強い反磁界が加わると減磁が発生し、本来持っていた磁束を出すことができない。このため、永久磁石モータにおいては、永久磁石温度が減磁する温度を超えない範囲で、また、永久磁石に強い反磁界が加わらない状態で使用している。特に、永久磁石温度が減磁する温度を超えない範囲で使用することを考慮して、モータ冷却系の強化や、永久磁石を分割して可能な限り磁石が発熱しないようにする等の対策を必要とするため、コストが非常に高くなることが避けられなかった。

この発明の目的は、永久磁石が減磁するのを回避して高温動作が可能となる回転電機のロータを提供することである。

上記目的を達成するため、この発明に係る回転電機のロータは、磁性体からなる円盤状のロータコアと、前記ロータコアに、周方向に並ぶ２個一組からなり、交互に極性を変え周方向に沿って配置した複数の永久磁石と、前記ロータコアに、隣接する異極の前記永久磁石の間に配置して形成した非磁性部とを有し、前記永久磁石は、それぞれ長方形状を有し、長軸方向がロータコア半径方向に沿う逆ハの字型に離間して配置され、同一極間のそれぞれの磁石内側にスリットが開けられて、同一極間において対向するエアギャップが並行に位置している。

この発明に係る回転電機のロータにより、極性の異なる複数の永久磁石の異極間に、非磁性部を配置して、同一極毎に周方向に並ぶ２個の磁石間のロータ半径方向の磁気抵抗が、磁石表面に沿った磁気抵抗よりも小さくなるようにしたため、ｄ軸のインダクタンスＬｄをｑ軸のインダクタンスＬｑより大きくする（Ｌｄ＞Ｌｑ）ことができ、順凸極型となる。順凸極型となることにより、磁石磁束の磁気回路抵抗が小さいため、逆凸極型に対し少ない磁石量で磁束を発生させることができ、また、磁界を強めるようにｄ軸電流を流すため、反磁界による減磁が低下してリラクタンストルクを出力することができる。よって、永久磁石が減磁するのを回避して高温動作が可能となる。

図１は、この発明の第１実施の形態に係る回転電機のロータの平面図である。図１に示すように、回転電機のロータ１０は、円盤状のロータコア１１と、ロータコア１１の回転軸となるシャフト１２を有する。ロータコア１１は、例えば、電磁鋼板を積層した磁性体により形成されており、ロータコア１１の外周縁近傍には、それぞれ周方向に並ぶ２個一組のＮ極永久磁石１３とＳ極永久磁石１４が交互に周方向に沿って複数組（図１では２組ずつ計４組）配置されている。

この回転電機は、ロータ（回転子）に備えた永久磁石が回転してできる回転磁界と同期させて電機子巻線に電流を通電し、トルクを発生させる永久磁石型同期電動機として機能する。回転電機のロータ１０において、図１に示すようにｄ軸、ｑ軸を定義すれば、ｄ軸のインダクタンスＬｄをｑ軸のインダクタンスＬｑより大きくする（Ｌｄ＞Ｌｑ）ことが可能となり、順凸極型となる。これとは逆の場合（Ｌｄ＜Ｌｑ）は逆凸極型となる。

ところで、これまでの逆凸極型の永久磁石モータでリラクタンストルクを出力するためには、ｄ軸電流を負にする必要があった。ここで、負のｄ軸電流とは永久磁石の磁束を打ち消すように電機子巻線に電流を通電することであり、磁石にとっては反磁界がかかることになる。磁石に反磁界がかかった場合、磁石内部には反磁界を打ち消すべく磁界を発生しようと渦電流が流れる。この渦電流は磁石内部で損失となり、磁石の温度を上昇させるために強い反磁界が加わったような動作点であれば、永久減磁状態になってしまう。

また、高トルクを少ない永久磁石量で実現しようとすれば、磁石磁束分のトルクが低下した分をリラクタンストルクで補うことになる。これを、従来の逆凸極型で実現しようとすれば、ｄ軸磁路、即ち永久磁石磁束の回路に大きい磁気抵抗を挿入することになる。このような場合、磁石量を大きくしても磁気抵抗も大きくなるので磁石量を更に大きくする必要性があった。また、必要なリラクタンストルクを出力しようとした場合、前述したように負のｄ軸電流を通電する必要があるが、実際は、磁石が減磁しないようにｄ軸電流に制限を設けている。この制限により、リラクタンストルクを増加することができないため、結果として、トルクを大きくすることができない。

順凸極型でこれらを実現する場合、磁石磁束の磁気回路抵抗が小さいため、逆凸極型に対し少ない磁石量で磁束を発生させることができ、また、磁界を強めるようにｄ軸電流を流すため、反磁界による減磁が低下してリラクタンストルクを出力することができる。この発明に係る回転電機のロータ１０は、このような状態を実現することができるロータ構造を有するものである。

回転電機のロータ１０のＮ極永久磁石１３とＳ極永久磁石１４は、それぞれ平面形状が線対称の台形状を有し、離間して対向配置された２個一組からなり、Ｎ極永久磁石１３とＳ極永久磁石１４の間には、ロータコア１１の表裏面を貫通し外周縁側に開口する凹部１５が形成されている。この凹部１５は、各永久磁石１３，１４のロータコア半径方向長さの略半分の深さを有しており、異極の永久磁石間に空気層を設けている。つまり、同一極毎に周方向に並ぶ２個の磁石間のロータ半径方向の磁気抵抗が、磁石表面に沿った磁気抵抗よりも小さくなるようにした。

このため、ｑ軸の磁気抵抗が大きくなり、ｑ軸インダクタンスを低下させることができる。一方、同一極の永久磁石間には空気層は設けられておらず、ｄ軸の磁束は、同一極の永久磁石間に形成される経路を通るため、ｄ軸の磁気抵抗はｑ軸の磁気抵抗より小さくなる。従って、ｄ軸のインダクタンスＬｄをｑ軸のインダクタンスＬｑより大きくする（Ｌｄ＞Ｌｑ）ことができ、順凸極型となる。

図２は、この発明の第２実施の形態に係る回転電機のロータの平面図である。図２に示すように、回転電機のロータ２０は、ロータコア２１に、凹部１５に代えて、開口面が長方形状の幅広のスリット２２を有している。このスリット２２は、長軸がｑ軸と直交すると共に、各永久磁石１３，１４のロータコア半径方向長さの中心より若干外周縁側に位置するように、配置されており、異極の永久磁石間に空気層を設けている。その他の構成及び作用は、ロータ１０と同様である。これにより、結果としてｑ軸の磁気抵抗がｄ軸の磁気抵抗よりも大きくなり、順凸極型を実現することができる。

図３は、この発明の第３実施の形態に係る回転電機のロータの平面図である。図３に示すように、回転電機のロータ３０は、ロータコア３１にＮ極永久磁石３２とＳ極永久磁石３３を有している。Ｎ極永久磁石３２とＳ極永久磁石３３は、それぞれ平面形状が同一の細長い長方形状を有し、長軸方向が略ロータコア半径方向に沿う逆ハの字型に離間するように配置した、２個一組からなる。同一極の永久磁石の間には、２個の永久磁石のそれぞれの内側に位置する２個の第１スリット３４,３４が開けられ、異極の永久磁石の間には、１個の第２スリット３５が開けられている。その他の構成及び作用は、ロータ１０と同様である。

２個の第１スリット３４，３４は、共にｄ軸に平行に配置されており、永久磁石のロータコア半径方向長さの略中心から第２スリット３５のシャフト１２側に達する長さを有している。また、各第１スリット３４には、永久磁石のシャフト１２側端のシャフト１２側に、永久磁石側に延びて永久磁石の短軸方向反対側辺に達し第２スリット３５に隣接する長さの枝部３４ａを有している。第２スリット３５は、各永久磁石のシャフト１２側端からシャフト１２側に離間して隣接する永久磁石間に位置し、且つ、長軸がｑ軸と直交するように、配置されている。

このロータ３０は、同一極の永久磁石を逆ハの字型に配置しているので、同一極の永久磁石を平行に配置した場合（ロータ１０，２０、図１，２参照）に比べて、ステータと鎖交する磁石磁束を大きくすることができる。また、各第１スリット３４による空気層がｄ軸と平行に配置されており、隣接する同一極の永久磁石間において対向するエアギャップが平行に位置する。このため、永久磁石端部の漏れ磁束の低減が可能になると共に、ｑ軸の磁気抵抗を大きくすることができる。従って、ｄ軸のインダクタンスＬｄをｑ軸のインダクタンスＬｑより大きくする（Ｌｄ＞Ｌｑ）ことができ、順凸極型となる。

図４は、この発明の第４実施の形態に係る回転電機のロータの平面図である。図４に示すように、回転電機のロータ４０は、ロータコア４１に、Ｎ極永久磁石３２とＳ極永久磁石３３を、２個一組の永久磁石がｄ軸に平行に、且つ、離間するように配置している。また、第１スリット３４を形成せず、第２スリット３５が、両端を、異極の各永久磁石のシャフト１２側端の側辺に隣接させて、隣接する永久磁石間に位置するように配置している。その他の構成及び作用は、ロータ３０と同様である。

つまり、隣接する同一極の永久磁石は、逆ハの字型ではなく、ロータコア半径方向と平行に配置されており、異極の永久磁石間には、隣接する永久磁石をつなぐように空気層が設けられることになる。また、隣接する永久磁石間が、異極の距離よりも同一極の距離の方が格段に短く、即ち、隣接異極ピッチが隣接同一極ピッチより大きくなり、その結果、異極の２個の永久磁石と第２スリット３５とロータコア４１の外周で囲まれるコア面積が広くなったため、ｄ軸の磁気抵抗をｑ軸の磁気抵抗よりも小さく保つことができる。これにより、結果として、ｑ軸の磁気抵抗がｄ軸の磁気抵抗よりも大きくなり、ｄ軸のインダクタンスＬｄをｑ軸のインダクタンスＬｑより大きくする（Ｌｄ＞Ｌｑ）ことができ、順凸極型を実現することができる。

図５は、この発明の第５実施の形態に係る回転電機のロータの平面図である。図５に示すように、回転電機のロータ５０は、ロータコア５１に、Ｎ極永久磁石３２とＳ極永久磁石３３を、２個一組の永久磁石が、長軸方向を略ロータコア半径方向に沿う逆ハの字型に離間するように、配置している。その他の構成及び作用は、ロータ４０と同様である。

つまり、隣接する同一極の永久磁石は、平行ではなく逆ハの字型に配置されており、その結果、異極の２個の永久磁石と第２スリット３５とロータコア４１の外周で囲まれるコア面積が、ロータ４０のコア面積よりも小さくなる。小さくなった分、ｄ軸のインダクタンスＬｄとｑ軸のインダクタンスＬｑの比である凸極比（Ｌｄ／Ｌｑ）は低下するが、永久磁石の磁束を大きくすることができる。

このように、この発明によれば、極性の異なる複数の永久磁石の異極間に、非磁性部を配置して、同一極毎に周方向に並ぶ２個の磁石間のロータ半径方向の磁気抵抗が、磁石表面に沿った磁気抵抗よりも小さくなるようにしたため、ｄ軸のインダクタンスＬｄをｑ軸のインダクタンスＬｑより大きくする（Ｌｄ＞Ｌｑ）ことができ、順凸極型となる。

順凸極型となることにより、磁石磁束の磁気回路抵抗が小さいため、逆凸極型に対し少ない磁石量で磁束を発生させることができ、また、磁界を強めるようにｄ軸電流を流すため、反磁界による減磁が低下してリラクタンストルクを出力することができる。よって、永久磁石が減磁するのを回避して高温動作が可能となる。

なお、上記各実施の形態において、凹部１５、スリット２２、第１スリット３４、第２スリット３５によりエアギャップを形成したが、これに限るものではなく、凹部１５、スリット２２、第１スリット３４、第２スリット３５に、例えば埋設状態に非磁性材料を装着して、エアギャップと同様の効果を得てもよい。非磁性材料としては、銅、ステンレス、アルミニウム、真鍮等を用いることができる。また、Ｎ極永久磁石１３（３２）、Ｓ極永久磁石１４（３３）と、凹部１５、スリット２２、第１スリット３４、第２スリット３５は、それぞれの配置等の構成において、任意に組み合わせることができる。

この発明の第１実施の形態に係る回転電機のロータの平面図である。 この発明の第２実施の形態に係る回転電機のロータの平面図である。 この発明の第３実施の形態に係る回転電機のロータの平面図である。 この発明の第４実施の形態に係る回転電機のロータの平面図である。 この発明の第５実施の形態に係る回転電機のロータの平面図である。

符号の説明

１０，２０，３０，４０，５０ ロータ
１１，２１，３１，４１，５１ ロータコア
１２ シャフト
１３，３２ Ｎ極永久磁石
１４，３３ Ｓ極永久磁石
１５ 凹部
２２ スリット
３４ 第１スリット
３５ 第２スリット

Claims (3)

1. 磁性体からなる円盤状のロータコアと、
   前記ロータコアに、周方向に並ぶ２個一組からなり、交互に極性を変え周方向に沿って配置した複数の永久磁石と、
   前記ロータコアに、隣接する異極の前記永久磁石の間に配置して形成した非磁性部とを有し、
   前記永久磁石は、それぞれ長方形状を有し、長軸方向がロータコア半径方向に沿う逆ハの字型に離間して配置され、同一極間のそれぞれの磁石内側にスリットが開けられて、同一極間において対向するエアギャップが並行に位置する回転電機のロータ。
2. 前記非磁性部は、前記ロータコアに開けられた空間によって形成された空気層である請求項１に記載の回転電機のロータ。
3. 前記非磁性部は、隣接する異極の前記永久磁石をつなぐように配置されている請求項１または２に記載の回転電機のロータ。

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