JP4719183B2

JP4719183B2 - 回転電機

Info

Publication number: JP4719183B2
Application number: JP2007144452A
Authority: JP
Inventors: 新也佐野; 英治山田; 和高立松; 健二平本; 宏介相木
Original assignee: Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2007-05-31
Filing date: 2007-05-31
Publication date: 2011-07-06
Anticipated expiration: 2027-05-31
Also published as: JP2008301610A; WO2008149865A1

Description

本発明は、固定子と回転子とが回転子の回転軸方向と直交する径方向に対向配置された回転電機に関する。

この種の回転電機の関連技術が下記特許文献１に開示されている。特許文献１においては、回転子（回転子鉄心）を、その周方向に分割された複数のコア部材を互いに結合することで構成しており、各コア部材の外周部には、永久磁石が固定子と対向して埋設されている。

その他にも、下記特許文献２〜４による回転電機が開示されている。

特開２００５−１６８１２８号公報特開２０００−２２４７９０号公報特開平１１−２９９１５２号公報特開２００２−２６２４９６号公報

回転子鉄心内を回転子の回転軸方向と垂直な面内方向に流れる磁束が飽和してくると、磁束が回転軸方向にも流れ出すようになる。そして、回転軸方向に流れる磁束が変動すると、回転軸方向と垂直な面内方向に渦電流が流れることで、この渦電流による損失（鉄損）が発生する。特に、回転子鉄心における磁石付近では、磁束が回転軸方向に流れやすく、面内方向の渦電流による損失も発生しやすい。

例えば特許文献１のように、回転子鉄心を、その周方向に分割された複数のコア部材により構成することで、面内方向に流れる渦電流の経路が分断されて渦電流が循環する部分の断面積（面内方向の面積）が減少するため、面内方向の渦電流を低減することが可能となる。しかし、回転子鉄心に形成したスロット内に磁石が配設された回転子においては、回転子鉄心を複数のコア部材に分割して構成すると、回転子の強度を確保するために、固定子と対向する外周面とスロットとの距離を増大させる必要がある。しかし、外周面とスロットとの距離を増大させると、外周面とスロットとの間に形成される磁気的な橋絡部分も増大するため、磁石の磁束がこの橋絡部分を通過することによる漏れ磁束が増大する。この漏れ磁束分、回転子のトルクへの有効磁束が減少し、回転子に作用するトルクが低下する。

また、回転子鉄心を、その周方向に分割された複数のコア部材により構成した場合でも、周方向に隣接するコア部材が合わされた結合面とスロット（磁石）との間で渦電流が面内方向に流れる。面内方向の渦電流による損失の低減効果を向上させるためには、この結合面とスロットとの間に発生する面内方向の渦電流を低減することが望ましい。

本発明は、回転子鉄心内を回転軸方向と垂直な面内方向に渦電流が流れる場合に生じる損失を効率よく低減することができる回転電機を提供することを目的の１つとする。さらに、本発明は、回転子の強度を確保しながら回転子に作用するトルクを効率よく増大させることができる回転電機を提供することを目的の１つとする。

本発明に係る回転電機は、上述した目的の少なくとも一部を達成するために以下の手段を採った。

本発明に係る回転電機は、固定子と回転子とが回転子の回転軸方向と直交する径方向に対向配置された回転電機であって、回転子は、その周方向に分割された複数の鉄心分割片を互いに結合してなる回転子鉄心を含み、各鉄心分割片にはスロットが形成され、当該スロット内に磁石が配設されており、各鉄心分割片においては、前記周方向に隣接する鉄心分割片が合わされた結合面とスロットとの距離が、固定子との対向面とスロットとの距離より短く、前記周方向に隣接するスロット間に位置する前記結合面においては、当該結合面より回転子回転方向前方に位置するスロットとの距離が、当該結合面より回転子回転方向後方に位置するスロットとの距離より短いことを要旨とする。

本発明によれば、回転子鉄心内を回転軸方向と垂直な面内方向に渦電流が流れる場合に生じる損失を効率よく低減することができる。さらに、回転子の強度を確保しながら回転子に作用するトルクを効率よく増大させることができる。

また、本発明に係る回転電機は、固定子と回転子とが回転子の回転軸方向と直交する径方向に対向配置された回転電機であって、回転子は、その周方向に分割された複数の鉄心分割片を互いに結合してなる回転子鉄心を含み、各鉄心分割片にはスロットが形成され、当該スロット内に磁石が配設されており、前記周方向に隣接する鉄心分割片が合わされた結合面であって当該周方向に隣接するスロット間に位置する結合面においては、当該結合面より回転子回転方向前方に位置するスロットとの距離が、当該結合面より回転子回転方向後方に位置するスロットとの距離より短いことを要旨とする。

本発明によれば、回転子鉄心内を回転軸方向と垂直な面内方向に渦電流が流れる場合に生じる損失を効率よく低減することができる。

本発明の一態様では、各鉄心分割片にはスロットが略Ｖ字状に形成され、略Ｖ字状に形成されたスロット内に磁石が配設されていることが好適である。

以下、本発明を実施するための形態（以下実施形態という）を図面に従って説明する。

図１〜３は、本発明の実施形態に係る回転電機の概略構成を示す図である。図１は軸心２２と直交する方向から見た固定子１２及び回転子１４の内部構成の概略を示し、図２は軸心２２と平行方向から見た固定子１２及び回転子１４の内部構成の一部を示し、図３は軸心２２と平行方向から見た回転子１４の内部構成の一部を示す。ただし、図２，３において図示を省略している部分の構成は、図示している部分と同様の構成である。本実施形態に係る回転電機は、図示しないケーシングに固定された固定子（ステータ）１２と、固定子１２の径方向内側に配置され固定子１２に対し回転可能な回転子（ロータ）１４と、を備えるラジアル型の回転電機である。

固定子１２は、固定子鉄心（ステータコア）２６と、固定子鉄心２６に配設された複数の固定子コイル２８と、を含む。固定子鉄心２６には、径方向内側（回転子１４側）へ突出した複数のティース３０が固定子１２の周方向に沿って間隔をおいて配列されており、各固定子コイル２８は、これらのティース３０に配設されている。

回転子１４は、回転子鉄心（ロータコア）１６と、回転子鉄心１６の外周部に配設された複数の永久磁石１８と、を含む。複数の永久磁石１８は、回転子１４の周方向（回転方向）に沿って間隔をおいて配列されている。回転子１４には、その回転中心軸に沿って軸心２２が配設されており、軸心２２はケーシングに回動可能に支持されている。そして、固定子鉄心２６の内周部（ティース先端部３０ａ）と永久磁石１８（回転子鉄心１６の外周部）とは、回転子１４の回転軸方向（軸心２２の長手方向、以下単に回転軸方向とする）と直交する径方向に対向配置されている。

本実施形態では、回転子鉄心１６は、分割面４０で複数の鉄心分割片３６に分割されて構成されている。ここでの分割面４０は、回転子１４の径方向に略平行で且つ回転子１４の周方向に略直交する平面を含み、回転子鉄心１６が、回転子１４の周方向に関して分割された複数の鉄心分割片３６により構成されている。各鉄心分割片３６については、例えば薄い珪素鋼板（電磁鋼板）を回転軸方向に積層して形成することができる。

複数の鉄心分割片３６を円環状に並べて互いに結合することで回転子鉄心１６が構成される。ここでの鉄心分割片３６同士の結合方法については、例えば、図２，３に示すように、鉄心分割片３６同士が合わされる結合面に互いに噛み合う凹凸部を設け、鉄心分割片３６同士を結合する際に両者が噛み込む方向に圧力を加えて固定することができる。ただし、例えばねじ留めや接着等の他の結合方法を用いることも可能である。なお、複数の鉄心分割片３６の結合の際に鉄心分割片３６同士が合わされる結合面は、前述の分割面４０に一致する。

各鉄心分割片３６内における外周部にはスロット４２が形成されており、永久磁石１８は、このスロット４２内に挿入されている。そのため、回転子鉄心１６が永久磁石１８の表面上（永久磁石１８よりも回転子１４の径方向外側）にも配設されており、永久磁石１８が回転子鉄心１６の内部に埋設されている。そして、本実施形態では、各鉄心分割片３６においては、図３に示すように、回転子１４の周方向に隣接する鉄心分割片３６が合わされる結合面（分割面４０）とスロット４２の端部との距離ｂが、固定子１２との対向面である外周面３６ａとスロット４２の端部との距離ａより短く設定されている（ｂ＜ａ）。なお、図２，３では、各鉄心分割片３６においてスロット４２が略Ｖ字状に形成され、永久磁石１８が略Ｖ字状のスロット４２内に配設された例、つまり永久磁石１８が各極毎に略Ｖ字状に配置された例を示している。ただし、永久磁石１８の配置はこの例に限定されるものではない。また、各鉄心分割片３６に、磁極を複数形成することもできる。

固定子１２においては、各固定子コイル２８に順次電流を流すことにより各ティース３０が順次磁化され、回転磁界が形成される。そして、回転子１４の永久磁石１８の界磁束がこの回転磁界と相互作用して、吸引及び反発作用が生じ回転子１４が回転し、磁石トルクを得ることができる。さらに、略Ｖ字状の永久磁石１８の表面上に配設された回転子鉄心１６の部分、及び周方向に隣接する永久磁石１８間（スロット４２間）に配設された回転子鉄心１６の部分が突極として機能して、固定子１２の回転磁界に吸引されることで、リラクタンストルクも磁石トルクに加えて得ることができる。

前述したように、回転子鉄心１６については、例えば電磁鋼板を回転軸方向に積層することで、回転軸方向の磁気抵抗を増大させて、磁束を回転軸方向に流れにくくしている。しかし、回転子鉄心１６内を回転軸方向と垂直な平面の面内方向に流れる磁束が飽和してくると、磁束が回転軸方向にも流れ出すようになる。特に、回転子１４のトルクが大きい場合には、回転子鉄心１６内を流れる磁束が飽和しやすくなり、磁束が回転軸方向に流れやすくなる。回転子鉄心１６を周方向に分割しない構成では、回転子鉄心１６内を回転軸方向に流れる磁束が変動すると、例えば図４に示すように、回転軸方向と垂直な面内方向に渦電流３４が流れることで、この渦電流３４による損失（鉄損）が発生する。特に、回転子鉄心１６における永久磁石１８の近接部にて回転軸方向に流れる磁束が多く発生し、面内方向の渦電流３４による損失が発生しやすい。また、電磁鋼板を回転軸方向に積層して回転子鉄心１６を構成している場合は、回転軸方向と垂直な面内方向の比抵抗（電気抵抗）が低いため、面内方向の渦電流３４が増大しやすい。

これに対して本実施形態では、回転子鉄心１６を、分割面４０で周方向に分割された複数の鉄心分割片３６を互いに結合して構成しているため、図５に示すように、分割面４０によって回転子鉄心１６内を面内方向に流れる渦電流３４の経路が分断され、渦電流３４が循環する部分の断面積（面内方向の面積）が減少する。そのため、回転子鉄心１６内を面内方向に流れる渦電流３４を低減することができ、面内方向の渦電流３４による損失を低減することができる。

ただし、回転子鉄心１６に形成したスロット４２内に永久磁石１８が配設された回転子１４においては、回転子鉄心１６を複数の鉄心分割片３６に分割して構成すると、回転子１４の強度を確保するために、固定子１２と対向する面である外周面３６ａとスロット４２との距離ａを増大させる必要がある。しかし、外周面３６ａとスロット４２との距離ａを増大させると、例えば図６に示すように、外周面３６ａとスロット４２との間に形成される磁気的な橋絡部分４３も増大するため、永久磁石１８の磁束がこの橋絡部分４３を通過することによる漏れ磁束４４が増大しやすくなる。この漏れ磁束４４は回転子１４のトルクにほとんど寄与しない磁束であるため、橋絡部分４３を通過して漏れ出した磁束分、回転子１４に作用するトルクが低下する。

これに対して本実施形態では、各鉄心分割片３６において、分割面４０とスロット４２との距離ｂを、外周面３６ａとスロット４２との距離ａより短くしている。これによって、回転子鉄心１６を複数の鉄心分割片３６に分割して構成しても、外周面３６ａとスロット４２との距離ａを増大させて、回転子１４の強度を十分に確保することができる。さらに、分割面４０とスロット４２との距離ｂを減少させることで、外周面３６ａとスロット４２との距離ａが増大しても、図７に示すように、永久磁石１８の磁束が橋絡部分４３を通過することによる漏れ磁束４４を抑えることができ、回転子１４のトルクへの有効磁束を増大させることができる。したがって、回転子１４に作用するトルクを効率よく増大させることができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、回転子鉄心１６内を回転軸方向と垂直な面内方向に渦電流が流れる場合に生じる損失を効率よく低減することができるとともに、回転子１４の強度を確保しながら回転子１４に作用するトルクを効率よく増大させることができる。その結果、回転電機の高効率化を実現することができる。

また、図８に示すように、周方向に隣接する永久磁石１８間（スロット４２間）に配置された回転子鉄心１６の部分（突極部分）においては、回転軸方向の磁束が突極部分の中心１６ａに対して回転子回転方向前方に偏って分布することで、回転軸方向と垂直な面内方向の渦電流３４が突極部分の中心１６ａに対して回転子回転方向前方に偏って発生する。そこで、本実施形態では、例えば図９に示すように、各分割面（結合面）４０を、突極部分の中心１６ａに対して回転子回転方向前方へずらして（オフセットさせて）形成することもできる。つまり、各分割面４０においては、図９に示すように、分割面４０より回転子回転方向前方に位置するスロット４２ａ（永久磁石１８ａ）との距離ｂ１を、分割面４０より回転子回転方向後方に位置するスロット４２ｂ（永久磁石１８ｂ）との距離ｂ２より短く設定することもできる（ｂ１＜ｂ２）。図９では、１つの分割面４０について図示しているが、他の分割面４０についても同様の構成である。

図９に示す構成によれば、突極部分の中心１６ａに対して回転子回転方向前方に偏った回転軸方向の磁束分布のほぼ中心を分断するように、分割面４０を突極部分の中心１６ａに対して回転子回転方向前方にずらすことで、スロット４２ａ，４２ｂ間を面内方向に流れる渦電流３４の経路を分割面４０によって効率よく分断することができる。そのため、分割面４０とスロット４２ａ，４２ｂとの間を面内方向に流れる渦電流３４を効率よく低減することができる。その結果、面内方向に渦電流３４が流れる場合に生じる損失をさらに効率よく低減することができる。

なお、本実施形態において、各鉄心分割片３６については、鉄等の強磁性体の微小粒の表面に電気を通さない膜のコーティングを施した粉体を押し固めた圧粉磁心材料により成形することもできる。

以上、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

本発明の実施形態に係る回転電機の概略構成を示す図である。本発明の実施形態に係る回転電機の概略構成を示す図である。本発明の実施形態に係る回転電機の概略構成を示す図である。回転子鉄心を周方向に分割しない構成において、回転子鉄心内を回転子の回転軸方向と垂直な面内方向に流れる渦電流を説明する図である。本発明の実施形態に係る回転電機において、回転子鉄心内を回転子の回転軸方向と垂直な面内方向に流れる渦電流を説明する図である。鉄心分割片の外周面とスロットとの間の磁気的な橋絡部分を通過して漏れる磁束を説明する図である。本発明の実施形態に係る回転電機において、永久磁石の磁束の流れを説明する図である。回転子鉄心を周方向に分割しない構成において、回転子鉄心内を回転子の回転軸方向と垂直な面内方向に流れる渦電流を説明する図である。本発明の実施形態に係る回転電機の他の概略構成を示す図である。

符号の説明

１２固定子、１４回転子、１６回転子鉄心、１８永久磁石、２２軸心、２６固定子鉄心、２８固定子コイル、３０ティース、３６鉄心分割片、４０分割面、４２スロット。

Claims

固定子と回転子とが回転子の回転軸方向と直交する径方向に対向配置された回転電機であって、
回転子は、その周方向に分割された複数の鉄心分割片を互いに結合してなる回転子鉄心を含み、
各鉄心分割片にはスロットが形成され、当該スロット内に磁石が配設されており、
各鉄心分割片においては、前記周方向に隣接する鉄心分割片が合わされた結合面とスロットとの距離が、固定子との対向面とスロットとの距離より短く、
前記周方向に隣接するスロット間に位置する前記結合面においては、当該結合面より回転子回転方向前方に位置するスロットとの距離が、当該結合面より回転子回転方向後方に位置するスロットとの距離より短い、回転電機。
固定子と回転子とが回転子の回転軸方向と直交する径方向に対向配置された回転電機であって、
回転子は、その周方向に分割された複数の鉄心分割片を互いに結合してなる回転子鉄心を含み、
各鉄心分割片にはスロットが形成され、当該スロット内に磁石が配設されており、
前記周方向に隣接する鉄心分割片が合わされた結合面であって当該周方向に隣接するスロット間に位置する結合面においては、当該結合面より回転子回転方向前方に位置するスロットとの距離が、当該結合面より回転子回転方向後方に位置するスロットとの距離より短い、回転電機。
請求項１または２に記載の回転電機であって、
各鉄心分割片にはスロットが略Ｖ字状に形成され、略Ｖ字状に形成されたスロット内に磁石が配設されている、回転電機。