JP4848169B2

JP4848169B2 - IPM motor

Info

Publication number: JP4848169B2
Application number: JP2005306298A
Authority: JP
Inventors: 謙二藤原; 功馬場
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2005-10-20
Filing date: 2005-10-20
Publication date: 2011-12-28
Anticipated expiration: 2025-10-20
Also published as: JP2007116833A

Description

本発明は、ＩＰＭ（Internal Permanent Magnet）モータに関する。 The present invention relates to an IPM (Internal Permanent Magnet) motor.

ロータ鉄心の内部に永久磁石が埋め込まれた構造を有するＩＰＭモータは、体積あたりの出力トルクが大きく、且つ、弱め界磁制御によって高速運転が可能であるという特徴を有している。このような特徴から、ＩＰＭモータは、電気自動車の駆動用モータへの応用が検討されている。なお、「モータ」という用語は、動力を発生するために使用可能な回転電機を意味しており、「モータ」という用語の使用によって本発明のＩＰＭモータが発電機としても使用されることが排除されていると解釈されてはならない。 An IPM motor having a structure in which a permanent magnet is embedded inside a rotor core has a feature that output torque per volume is large and high-speed operation is possible by field-weakening control. Due to these characteristics, application of the IPM motor to a drive motor for an electric vehicle is being studied. The term “motor” means a rotating electrical machine that can be used to generate power, and the use of the term “motor” excludes the use of the IPM motor of the present invention as a generator. Should not be interpreted as being.

ＩＰＭモータの永久磁石の位置は、ＩＰＭモータの特性に大きな影響を及ぼす。出願人は、特開２０００−１５３０３３号公報において永久磁石をロータ側面の近傍に位置させることによってマグネットトルクを増大させる技術を提案している。加えて、特開平１１−２７５７８４も永久磁石をロータ側面の近傍に位置させることが好適であることを開示している。 The position of the permanent magnet of the IPM motor greatly affects the characteristics of the IPM motor. The applicant has proposed a technique for increasing the magnet torque by positioning a permanent magnet in the vicinity of the rotor side surface in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-153033. In addition, Japanese Patent Laid-Open No. 11-275784 also discloses that it is preferable to locate the permanent magnet in the vicinity of the rotor side surface.

しかしながら、永久磁石をロータ側面の近傍に位置させることは、ロータの機械的強度に影響し得る。ＩＰＭモータでは、ロータ鉄心の一部分（外側部分）が永久磁石の外側に位置している。永久磁石がロータ側面の近傍に位置していると、ロータ鉄心の外側部分と中心部分とを接続する接続部の幅が小さくなり、ロータ鉄心の外側部分及び永久磁石を保持する機械的強度が低下する。これは、特に、高速でＩＰＭモータが運転される場合に問題になり得る。 However, positioning the permanent magnet near the rotor side can affect the mechanical strength of the rotor. In the IPM motor, a part (outer part) of the rotor iron core is located outside the permanent magnet. If the permanent magnet is located in the vicinity of the rotor side surface, the width of the connecting portion connecting the outer portion and the center portion of the rotor core is reduced, and the mechanical strength for holding the outer portion of the rotor core and the permanent magnet is reduced. To do. This can be a problem especially when the IPM motor is operated at high speed.

このような問題に対処するために、実開平７−１１８４９号公報、及び特開２００５−６４８４号公報は、界磁の一極を複数の永久磁石で構成し、その複数の永久磁石の間に外側部分と中心部分とを接続するブリッジを設ける技術を開示している。このブリッジは複数の永久磁石が発生する磁束が漏れる経路となることから、一般に、ブリッジの幅は機械的強度が許す限り小さくされる。 In order to cope with such a problem, Japanese Utility Model Laid-Open No. 7-11849 and Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-6484 are configured such that one pole of a field is composed of a plurality of permanent magnets, and between the plurality of permanent magnets. A technique for providing a bridge for connecting an outer portion and a central portion is disclosed. Since this bridge serves as a path through which magnetic flux generated by a plurality of permanent magnets leaks, generally, the width of the bridge is made as small as the mechanical strength allows.

ＩＰＭモータの電気自動車への応用において考慮すべきもう一つの事項は、ＩＰＭモータにトルクの発生が要求されていないときにも、ロータが外力によって高速に回転されるときにはＩＰＭモータに弱め界磁電流を供給する必要があることである。例えば、パラレルハイブリッド電気自動車では、ＩＰＭモータのロータはエンジンに機械的に結合されているため、パラレルハイブリッド電気自動車がエンジンによって駆動される場合にはロータがエンジンによって回転される。ロータがエンジンによって回転されると、電機子巻線に誘起電圧が発生し、この誘起電圧は、ロータの回転数が高くなるほど高くなる。誘起電圧が過剰に高くなると、ＩＰＭモータを駆動するインバータやバッテリが損傷する可能性がある。したがって、ＩＰＭモータ自体にはトルクの発生を要求されていない場合でも、ロータが外力によって高速に回転される場合には、ＩＰＭモータに弱め界磁電流を供給して誘起電圧を低減する必要がある。弱め界磁電流は、トルクの発生に寄与せず、むしろ、鉄損による損失を増加させる。これは、電気自動車の効率を低下させるため好ましくない。 Another matter to be considered in the application of an IPM motor to an electric vehicle is that when the rotor is rotated at a high speed by an external force even when the IPM motor is not required to generate torque, the field current weakening is applied to the IPM motor. It is necessary to supply. For example, in a parallel hybrid electric vehicle, since the rotor of the IPM motor is mechanically coupled to the engine, the rotor is rotated by the engine when the parallel hybrid electric vehicle is driven by the engine. When the rotor is rotated by the engine, an induced voltage is generated in the armature winding, and this induced voltage becomes higher as the rotational speed of the rotor increases. If the induced voltage becomes excessively high, the inverter and the battery that drive the IPM motor may be damaged. Therefore, even when the IPM motor itself is not required to generate torque, if the rotor is rotated at high speed by an external force, it is necessary to supply a field weakening current to the IPM motor to reduce the induced voltage. . The field weakening current does not contribute to the generation of torque, but rather increases the loss due to iron loss. This is not preferable because it reduces the efficiency of the electric vehicle.

電機子巻線に発生する誘起電圧は、永久磁石が電機子巻線に鎖交させる磁束に依存するから、飽和磁化が小さい永久磁石を採用し、永久磁石が発生する磁束を少なくすることによって誘起電圧を低減することも考えられるかもしれない。しかし、このようなアプローチは、ＩＰＭモータが発生可能な最大のトルクを低減させるため好ましくないことは明らかである。 The induced voltage generated in the armature winding depends on the magnetic flux linked to the armature winding by the permanent magnet. Therefore, it is induced by using a permanent magnet with a small saturation magnetization and reducing the magnetic flux generated by the permanent magnet. It may also be possible to reduce the voltage. However, it is clear that such an approach is undesirable because it reduces the maximum torque that an IPM motor can generate.

このような背景から、要求されている場合には大きなトルクを発生するできる一方、ロータが外力によって高速に回転されたときの誘起電圧を低減できるようなＩＰＭモータの提供が望まれている。
特開２０００−１５３０３３号公報特開平１１−２７５７８４号公報実開平７−１１８４９号公報特開２００５−６４８４号公報 From such a background, it is desired to provide an IPM motor that can generate a large torque when required and can reduce an induced voltage when the rotor is rotated at high speed by an external force.
JP 2000-153033 A JP 11-275784 A Japanese Utility Model Publication No.7-11849 JP 2005-6484 A

したがって、本発明の目的は、要求されている場合には大きなトルクを発生できる一方、ロータが外力によって高速に回転されたときの誘起電圧を低減できるようなＩＰＭモータを提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to provide an IPM motor that can generate a large torque when required, and can reduce an induced voltage when a rotor is rotated at high speed by an external force.

上記の課題を解決するために、本発明は、以下に述べられる手段を採用する。その手段を構成する技術的事項の記述には、［特許請求の範囲］の記載と［発明を実施するための最良の形態］の記載との対応関係を明らかにするために、［発明を実施するための最良の形態］で使用される番号・符号が付加されている。但し、付加された番号・符号は、［特許請求の範囲］に記載されている発明の技術的範囲を限定的に解釈するために用いてはならない。 In order to solve the above problems, the present invention employs the means described below. In the description of technical matters constituting the means, in order to clarify the correspondence between the description of [Claims] and the description of [Best Mode for Carrying Out the Invention] Number / symbol used in the best mode for doing this is added. However, the added number / symbol should not be used to limit the technical scope of the invention described in [Claims].

本発明によるＩＰＭモータは、ロータ（１１）と、ロータ（１１）に対向するステータ（１２）とを具備する。ロータ（１１）は、ロータ鉄心（１７）と、界磁（１３）とを含む。前記界磁（１３）の１極は、複数の永久磁石（１９、２０）で構成されている。前記ロータ鉄心（１７）は、ロータ鉄心本体（１７ｂ）と、複数の永久磁石（１９、２０）の外側に位置する外側部分（１７ａ）と、複数の永久磁石（１９、２０）の間を通過して外側部分（１７ａ）をロータ鉄心本体（１７ｂ）に連結するブリッジ部分（１７ｃ）とを備えている。ロータ（１１）の周方向におけるブリッジ部分（１７ｃ）の幅は、複数の永久磁石（１９、２０）の周方向における幅の和の０．０５倍以上である。 The IPM motor according to the present invention includes a rotor (11) and a stator (12) facing the rotor (11). The rotor (11) includes a rotor iron core (17) and a field magnet (13). One pole of the field magnet (13) is composed of a plurality of permanent magnets (19, 20). The rotor core (17) passes between the rotor core body (17b), the outer portion (17a) positioned outside the plurality of permanent magnets (19, 20), and the plurality of permanent magnets (19, 20). And a bridge portion (17c) for connecting the outer portion (17a) to the rotor core body (17b). The width of the bridge portion (17c) in the circumferential direction of the rotor (11) is not less than 0.05 times the sum of the widths in the circumferential direction of the plurality of permanent magnets (19, 20).

このような構成のＩＰＭモータでは、大きなトルクが要求されておらず、駆動電流が小さい状態では、永久磁石（１９、２０）が発生した磁束のうちの相当の量がブリッジ部分（１７ｃ）を介して漏れるため、ステータ（１２）に鎖交する磁束が少ない。従って、誘起電圧を小さくできる。その一方で、大きなトルクが要求され、大きな駆動電流が供給される場合には、駆動電流による起磁力によってブリッジ部分（１７ｃ）に漏れる磁束が少なくなり、永久磁石（１９、２０）が発生した磁束の多くがステータ（１２）に鎖交する。従って、要求されている場合には大きなトルクを発生することができる。 In the IPM motor having such a configuration, a large torque is not required, and when the drive current is small, a considerable amount of the magnetic flux generated by the permanent magnets (19, 20) is passed through the bridge portion (17c). Therefore, there is little magnetic flux interlinking with the stator (12). Therefore, the induced voltage can be reduced. On the other hand, when a large torque is required and a large drive current is supplied, the magnetic flux leaking to the bridge portion (17c) due to the magnetomotive force due to the drive current is reduced, and the magnetic flux generated by the permanent magnets (19, 20). Most of them are linked to the stator (12). Therefore, a large torque can be generated when required.

ロータ（１１）の周方向におけるブリッジ部分（１７ｃ）の幅は、複数の永久磁石（１９、２０）の周方向における幅の和の０．１０倍以上であることが好適であり、０．２０倍以上であることが一層に好適である。 The width of the bridge portion (17c) in the circumferential direction of the rotor (11) is preferably not less than 0.10 times the sum of the widths in the circumferential direction of the plurality of permanent magnets (19, 20). It is more preferable that the ratio is twice or more.

また、最大トルクの減少を抑制するためには、ロータ（１１）の周方向におけるブリッジ部分（１７ｃ）の幅は、複数の永久磁石（１９、２０）の周方向における幅の０．５０倍以下であることが好ましい。 Moreover, in order to suppress the reduction | decrease in a maximum torque, the width | variety of the bridge part (17c) in the circumferential direction of a rotor (11) is 0.50 times or less of the width in the circumferential direction of several permanent magnets (19, 20). It is preferable that

当該ＩＰＭモータが、３相電力で駆動され、界磁（１３）の極数はｎ_１であり、ステータ（１２）が、ｎ_２本の電機子歯（１４）と、電機子歯（１４）のそれぞれに集中巻で巻きつけられた電機子巻線（１８）と、隣接する２つの電機子歯（１４）の間に形成されたｎ_２個のスロット（１５）を有する場合には、前記ｎ_１、ｎ_２は、下記組み合わせ：
ｎ_１＝１２，ｎ_２＝９，
ｎ_１＝１４，ｎ_２＝１２，
ｎ_１＝１６，ｎ_２＝１２，
ｎ_１＝２０，ｎ_２＝１５，
ｎ_１＝２０，ｎ_２＝１８，
ｎ_１＝２４，ｎ_２＝１８，
ｎ_１＝２６，ｎ_２＝２４，
ｎ_１＝２８，ｎ_２＝２４，
ｎ_１＝３０，ｎ_２＝２７．
から選択されることが好ましい。 The IPM motor is driven by 3-phase power, field number of poles (13) is _{n 1,} the stator (12), and _{n 2} pieces of armature teeth (14), the armature teeth (14) Each having an armature winding (18) wound in a concentrated winding and n ₂ slots (15) formed between two adjacent armature teeth (14), n ₁ and n ₂ are the following combinations:
n ₁ = 12, n ₂ = 9,
n ₁ = 14, n ₂ = 12,
n ₁ = 16, n ₂ = 12,
n ₁ = 20, n ₂ = 15,
n ₁ = 20, n ₂ = 18,
n ₁ = 24, n ₂ = 18,
n ₁ = 26, n ₂ = 24,
n ₁ = 28, n ₂ = 24,
n ₁ = 30, n ₂ = 27.
Is preferably selected from.

一方、当該ＩＰＭモータが、５相電力で駆動される場合には、前記ｎ_１、ｎ_２は、下記組み合わせ：
ｎ_１＝１２，ｎ_２＝１０，
ｎ_１＝１４，ｎ_２＝１０，
ｎ_１＝２２，ｎ_２＝２０，
ｎ_１＝２４，ｎ_２＝２０，
ｎ_１＝２６，ｎ_２＝２０，
ｎ_１＝２８，ｎ_２＝２０．
から選択されることが好ましい。 On the other hand, when the IPM motor is driven with five-phase power, the n ₁ and n ₂ are the following combinations:
n ₁ = 12, n ₂ = 10,
n ₁ = 14, n ₂ = 10,
n ₁ = 22, n ₂ = 20,
n ₁ = 24, n ₂ = 20,
n ₁ = 26, n ₂ = 20,
n ₁ = 28, n ₂ = 20.
Is preferably selected from.

他の観点において、本発明によるＩＰＭモータは、ロータ（１１）と、電機子巻線（１８）を備えるステータ（１２）とを具備する。ロータ（１１）は、ロータ鉄心（１７）と、界磁（１３）とを含む。界磁（１３）の１極は、複数の永久磁石（１９、２０）で構成されている。ロータ鉄心（１７）は、ロータ鉄心本体（１７ｂ）と、複数の永久磁石（１９、２０）の外側に位置する外側部分（１７ａ）と、複数の永久磁石（１９、２０）の間を通過して外側部分（１７ａ）をロータ鉄心本体（１７ｂ）に連結するブリッジ部分（１７ｃ）とを備えている。ロータ（１１）の周方向におけるブリッジ部分（１７ｃ）の幅は、電機子巻線（１８）に駆動電流が流されていない状態において複数の永久磁石（１９、２０）が発生する磁束の１０％以上がブリッジ部分（１７ｃ）を通過するように決定されている。好適には、前記ロータ（１１）の周方向におけるブリッジ部分（１７ｃ）の幅は、電機子巻線（１８）に駆動電流が流されていない状態において複数の永久磁石（１９、２０）が発生する磁束の２０％以上がブリッジ部分（１７ｃ）を通過するように決定されていることが好ましく、３０％以上がブリッジ部分（１７ｃ）を通過するように決定されていることが一層に好ましい。 In another aspect, the IPM motor according to the present invention includes a rotor (11) and a stator (12) including an armature winding (18). The rotor (11) includes a rotor iron core (17) and a field magnet (13). One pole of the field magnet (13) is composed of a plurality of permanent magnets (19, 20). The rotor core (17) passes between the rotor core body (17b), the outer portion (17a) located outside the plurality of permanent magnets (19, 20), and the plurality of permanent magnets (19, 20). And a bridge portion (17c) for connecting the outer portion (17a) to the rotor core body (17b). The width of the bridge portion (17c) in the circumferential direction of the rotor (11) is 10% of the magnetic flux generated by the plurality of permanent magnets (19, 20) in a state where no drive current is passed through the armature winding (18). The above is determined so as to pass through the bridge portion (17c). Preferably, the width of the bridge portion (17c) in the circumferential direction of the rotor (11) is such that a plurality of permanent magnets (19, 20) are generated when no drive current is passed through the armature winding (18). Preferably, 20% or more of the magnetic flux to be transmitted is determined to pass through the bridge portion (17c), and more preferably, 30% or more is determined to pass through the bridge portion (17c).

本発明によれば、要求されている場合には大きなトルクを発生できる一方、ロータが外力によって高速に回転されたときの誘起電圧を低減できるようなＩＰＭモータを提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide an IPM motor capable of generating a large torque when required, and reducing an induced voltage when the rotor is rotated at high speed by an external force.

図１は、本発明の一実施形態に係るＩＰＭモータ１０の構成を示す断面図である。ＩＰＭモータ１０は、ロータ１１とステータ１２とを備えている。ステータ１２は、ロータ１１のロータ側面１１ａに対向している。ステータ１２は、電磁的作用によってロータ１１にトルクを与え、ロータ１１を中心軸１１ｂの周りに回転させる。ＩＰＭモータ１０は、外部から動力を供給することにより発電機としても機能する。 FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of an IPM motor 10 according to an embodiment of the present invention. The IPM motor 10 includes a rotor 11 and a stator 12. The stator 12 faces the rotor side surface 11 a of the rotor 11. The stator 12 applies torque to the rotor 11 by electromagnetic action, and rotates the rotor 11 about the central axis 11b. The IPM motor 10 also functions as a generator by supplying power from the outside.

本実施気の形態のＩＰＭモータ１０は、１４極１２スロット構造を採用している。即ち、ロータ１１には１４極の界磁磁石１３が設けられ、ステータ１２には、１２本の電機子歯１４_１〜１４_１２が設けられ、隣接する２つの電機子歯の間に１２個のスロット１５が形成されている。以下において、電機子歯１４_１〜１４_１２は、互いに区別される必要がない場合には電機子歯１４と表記される。隣接する２つの界磁磁石１３は、互いに逆の方向の磁力線を発生する、即ち、隣接する２つの界磁磁石１３の極性は逆である。電機子歯１４は、同一円周上に等間隔に配置されている。ロータ１１は、シャフト１６とロータ鉄心１７とを含む。シャフト１６は、図示されない軸受によって回転可能に支持されている。ロータ鉄心１７は、シャフト１６に固定的に接合され、シャフト１６と同体に回転する。ロータ鉄心１７は、珪素鋼板のような磁性材料で形成されている。 The IPM motor 10 according to the present embodiment employs a 14-pole 12-slot structure. In other words, the rotor 11 is provided with a 14-pole field magnet 13, the stator 12 is provided with 12 armature teeth 14 _{1 to} 14 ₁₂ , and 12 pieces of armature teeth are disposed between two adjacent armature teeth. A slot 15 is formed. In the following, the armature teeth 14 _{1 to} 14 ₁₂ are referred to as the armature teeth 14 when they do not need to be distinguished from each other. Two adjacent field magnets 13 generate lines of magnetic force in opposite directions, that is, the polarities of the two adjacent field magnets 13 are opposite. The armature teeth 14 are arranged at equal intervals on the same circumference. The rotor 11 includes a shaft 16 and a rotor iron core 17. The shaft 16 is rotatably supported by a bearing (not shown). The rotor core 17 is fixedly joined to the shaft 16 and rotates in the same body as the shaft 16. The rotor core 17 is made of a magnetic material such as a silicon steel plate.

電機子歯１４_１〜１４_１２には、それぞれ、電機子巻線１８_１〜１８_１２が集中巻で巻かれている。ステータ１２の内側に回転磁界を発生するために、電機子巻線１８_１〜１８_１２には、三相の電機子電流が供給される。詳細には、電機子巻線１８_１、１８_２、１８_７、１８_８には、Ｕ相電流が供給され、電機子巻線１８_３、１８_４、１８_９、１８_１０には、Ｖ相電流が供給され、電機子巻線１８_５、１８_６、１８_１１、１８_１２には、Ｗ相電流が供給される。電機子巻線１８_１、１８_４、１８_５、１８_８、１８_９、１８_１２は、第１方向に（例えば、時計周りに）電機子電流が流れるように巻かれており、電機子巻線１８_２、１８_３、１８_６、１８_７、１８_１０、１８_１１は、第１方向と逆の第２方向に（例えば、反時計周りに）電機子電流が流れるように巻かれている。電機子巻線１８_１〜１８_１２は、互いに区別される必要がない場合には、電機子巻線１８と表記される。 Armature windings 18 ₁ to 18 ₁₂ are wound around the armature teeth 14 _{1 to} 14 ₁₂ in a concentrated manner, respectively. In order to generate a rotating magnetic field inside the stator 12, a three-phase armature current is supplied to the armature windings 18 ₁ to 18 ₁₂ . Specifically, the U-phase current is supplied to the armature windings 18 ₁ , 18 ₂ , 18 ₇ , and 18 ₈ , and the V-phase current is supplied to the armature windings 18 ₃ , 18 ₄ , 18 ₉ , and 18 _10. Is supplied to the armature windings 18 ₅ , 18 ₆ , 18 ₁₁ , and 18 ₁₂ . The armature windings 18 ₁ , 18 ₄ , 18 ₅ , 18 ₈ , 18 ₉ , 18 ₁₂ are wound so that an armature current flows in the first direction (for example, clockwise), and the armature windings 18 ₂ , 18 ₃ , 18 ₆ , 18 ₇ , 18 ₁₀ and 18 ₁₁ are wound so that an armature current flows in a second direction (for example, counterclockwise) opposite to the first direction. The armature windings 18 ₁ to 18 ₁₂ are expressed as armature windings 18 when they do not need to be distinguished from each other.

図２は、ロータ１１の表面部の構造を示す拡大図である。界磁磁石１３のそれぞれは、ロータ１１の円周方向に並んだ同一極性を有する２つの永久磁石１９、２０から構成されている。即ち、界磁の一極は、２つの永久磁石１９、２０から構成されている。永久磁石１９、２０は、ロータ鉄心１７に設けられた開口に挿入されている。永久磁石１９、２０は、ロータ１１の半径方向の外側に磁極面１９ａ、２０ａを有し、半径方向の内側に磁極面１９ｂ、２０ｂを有する。磁極面１９ａ、２０ａは同一平面上にあり、及び磁極面１９ｂ、２０ｂは同一平面上にある。永久磁石１９、２０が発生する磁束は、磁極面１９ａ、１９ｂ、２０ａ、２０ｂから半径方向に放射される。一の界磁磁石１３に含まれる一組の永久磁石１９、２０は、同一の方向に磁力線を発生する、即ち、同一の極性を有する。 FIG. 2 is an enlarged view showing the structure of the surface portion of the rotor 11. Each of the field magnets 13 includes two permanent magnets 19 and 20 having the same polarity arranged in the circumferential direction of the rotor 11. That is, one pole of the field is composed of two permanent magnets 19 and 20. The permanent magnets 19 and 20 are inserted into openings provided in the rotor iron core 17. The permanent magnets 19 and 20 have magnetic pole surfaces 19a and 20a on the outer side in the radial direction of the rotor 11, and magnetic pole surfaces 19b and 20b on the inner side in the radial direction. The magnetic pole surfaces 19a and 20a are on the same plane, and the magnetic pole surfaces 19b and 20b are on the same plane. The magnetic flux generated by the permanent magnets 19 and 20 is radiated in the radial direction from the magnetic pole surfaces 19a, 19b, 20a, and 20b. A set of permanent magnets 19 and 20 included in one field magnet 13 generates magnetic lines of force in the same direction, that is, has the same polarity.

永久磁石１９、２０は、ロータ側面１１ａの近傍に設けられている。このような構造は、永久磁石１９、２０が発生する磁束の多くを電機子巻線１８に鎖交させ、マグネットトルクを増大させる。その一方で、永久磁石１９、２０がロータ側面１１ａの近傍に位置する構造では、発生するリラクタンストルクは小さくなる。即ち、本実施形態のＩＰＭモータは、一般的なＩＰＭモータとは異なり、その出力トルクの主成分はマグネットトルクであり、リラクタンストルクは補助的に使用されるに過ぎない。しかし、発明者の検討によれば、ＩＰＭモータであっても、マグネットトルクを最大限に利用する構成は、全体としての出力トルクを増大させるため好適である。 The permanent magnets 19 and 20 are provided in the vicinity of the rotor side surface 11a. Such a structure increases the magnet torque by linking most of the magnetic flux generated by the permanent magnets 19 and 20 to the armature winding 18. On the other hand, in the structure in which the permanent magnets 19 and 20 are located in the vicinity of the rotor side surface 11a, the reluctance torque generated is small. That is, the IPM motor of the present embodiment is different from a general IPM motor in that the main component of the output torque is a magnet torque, and the reluctance torque is only used as an auxiliary. However, according to the inventor's study, even in the case of an IPM motor, a configuration that makes maximum use of magnet torque is preferable because it increases the output torque as a whole.

隣接する２つの界磁磁石１３の間には、Ｖ字型の溝２１が設けられている。溝２１は、永久磁石１９、２０が発生する磁束が、（永久磁石１９、２０の間ではなく）永久磁石１９、２０の外側を通過して漏れることを抑制し、マグネットトルクの増大に寄与する。 A V-shaped groove 21 is provided between two adjacent field magnets 13. The groove 21 prevents the magnetic flux generated by the permanent magnets 19 and 20 from leaking outside the permanent magnets 19 and 20 (not between the permanent magnets 19 and 20) and contributes to an increase in magnet torque. .

永久磁石１９、２０は、ロータ側面１１ａの近傍に設けられるが、永久磁石１９、２０は電機子歯１４に直接に対向しているわけではない；ロータ鉄心１７には、永久磁石１９、２０の半径方向外側に位置する部分１７ａ（外側部分１７ａ）が設けられる。この外側部分１７ａの存在は、弱め界磁制御を容易にするために重要である。外側部分１７ａの存在は、ｄ軸インダクタンスＬｄを増加させ、少ないｄ軸電流Ｉｄで弱め界磁制御を行うことを可能にする。 Although the permanent magnets 19 and 20 are provided in the vicinity of the rotor side surface 11a, the permanent magnets 19 and 20 are not directly opposed to the armature teeth 14; A portion 17a (outer portion 17a) located on the radially outer side is provided. The presence of the outer portion 17a is important for facilitating field weakening control. The presence of the outer portion 17a increases the d-axis inductance Ld and makes it possible to perform field-weakening control with a small d-axis current Id.

永久磁石１９、２０の間には、外側部分１７ａをロータ鉄心本体１７ｂに機械的に連結するブリッジ部分１７ｃが通されている。このブリッジ部分１７ｃの役割は、２つある。一つは、ロータ１１の機械的強度を向上させることである。本実施形態では、永久磁石１９、２０がロータ側面１１ａの近傍に設けられているため、永久磁石１９、２０の隅部とロータ側面１１ａとの間のロータ鉄心１７の厚みが薄い。これは、外側部分１７ａ及び永久磁石１９、２０を保持する上で問題になり得る。ブリッジ部分１７ｃは、外側部分１７ａをロータ鉄心本体１７ｂに機械的に強固に結合し、ロータ１１の機械的強度を有効に向上させる。 A bridge portion 17c that mechanically connects the outer portion 17a to the rotor core body 17b is passed between the permanent magnets 19 and 20. The bridge portion 17c has two roles. One is to improve the mechanical strength of the rotor 11. In this embodiment, since the permanent magnets 19 and 20 are provided in the vicinity of the rotor side surface 11a, the thickness of the rotor core 17 between the corners of the permanent magnets 19 and 20 and the rotor side surface 11a is thin. This can be a problem in holding the outer portion 17a and the permanent magnets 19,20. The bridge portion 17c mechanically and firmly couples the outer portion 17a to the rotor core body 17b, and effectively improves the mechanical strength of the rotor 11.

ブリッジ部分１７ｃのもう一つの役割は、ＩＰＭモータ１０に高トルクの出力が要求されていない場合に、永久磁石１９、２０が発生する磁束を、ブリッジ部分１７ｃを介して積極的に漏洩させることである；図２の矢印は、永久磁石１９、２０が発生する磁束の方向を示していることに留意されたい。このような設計は、通常に採用されている手法と相反するものである。一般的には、ブリッジ部分は漏れ磁束の経路になるため、ブリッジ部分は細く設計される。発明者が知り得る限りにおいて、界磁の一極が２つの永久磁石で構成されるような公知のＩＰＭモータでは、ブリッジ部分の幅は、最大でも、該２つの永久磁石の幅の和の２〜４％であり、また、公知のＩＰＭモータでは、ブリッジ部分を介して漏れる漏れ磁束は、永久磁石が発生する磁束全体の５％以下である。本実施形態のＩＰＭモータ１０は、逆に、ブリッジ部分１７ｃの幅を積極的に増大させることにより、永久磁石１９、２０が発生する磁束を積極的に漏洩させる。このような構成は、ＩＰＭモータ１０に要求される出力トルクが小さい状態でロータ１１が外力によって高速に回転される場合の誘起電圧を低減し、必要な弱め界磁電流の大きさを有効に低減させることができる。 Another role of the bridge portion 17c is to actively leak the magnetic flux generated by the permanent magnets 19 and 20 through the bridge portion 17c when the IPM motor 10 is not required to output high torque. Note that the arrows in FIG. 2 indicate the direction of the magnetic flux generated by the permanent magnets 19, 20. Such a design is contrary to the method usually employed. In general, since the bridge portion becomes a path of leakage magnetic flux, the bridge portion is designed to be thin. As far as the inventor can know, in a known IPM motor in which one pole of a field is composed of two permanent magnets, the width of the bridge portion is at most 2 of the sum of the widths of the two permanent magnets. In the known IPM motor, the leakage magnetic flux leaking through the bridge portion is 5% or less of the total magnetic flux generated by the permanent magnet. Conversely, the IPM motor 10 of this embodiment actively leaks the magnetic flux generated by the permanent magnets 19 and 20 by actively increasing the width of the bridge portion 17c. Such a configuration reduces the induced voltage when the rotor 11 is rotated at high speed by an external force in a state where the output torque required for the IPM motor 10 is small, and effectively reduces the magnitude of the necessary field weakening current. Can be made.

ブリッジ部分１７ｃの幅が大きいことは、漏れ磁束を増大させ、従って、ＩＰＭモータ１０の最大トルクに悪影響を及ぼすと考えられるかもしれない；しかしながら、発明者の検討によれば、これは正しくない。発明者の重要な発見の一つは、永久磁石１９、２０の間に設けられているブリッジ部分１７ｃの幅が大きくても、そのことがマグネットトルクの最大値に及ぼす影響は大きくないことである。これは、大きなトルクを発生するために電機子巻線１８に大きな駆動電流が流されている場合には、ブリッジ部分１７ｃを通過する漏れ磁束と反対方向の起磁力が発生し、漏れ磁束が自動的に小さくなることに起因している。 The large width of the bridge portion 17c increases the leakage flux and may therefore be considered to adversely affect the maximum torque of the IPM motor 10; however, according to the inventors' investigation, this is not correct. One of the important discoveries of the inventor is that even if the width of the bridge portion 17c provided between the permanent magnets 19 and 20 is large, the influence on the maximum value of the magnet torque is not great. . This is because, when a large drive current is passed through the armature winding 18 to generate a large torque, a magnetomotive force in the direction opposite to the leakage magnetic flux passing through the bridge portion 17c is generated, and the leakage magnetic flux is automatically generated. This is due to the fact that it becomes smaller.

図３は、電機子巻線１８に大きな駆動電流が流されているときに発生する起磁力の方向を示す概念図である。電機子巻線１８に大きな駆動電流が流されると、この駆動電流は、ある界磁磁石１３_ｉからそれに対向する電機子歯１４_ｉ、電機子歯１４_ｉに隣接する電機子歯１４_ｉ＋１、及び界磁磁石１３_ｉに隣接する界磁磁石１３_ｉ＋１を通って界磁磁石１３_ｉに戻る経路に沿った起磁力を発生させる。この起磁力は、永久磁石１９、２０が発生した磁束がブリッジ部分１７ｃを通過することを阻害し、永久磁石１９、２０が発生した磁束のほぼ全部を電機子歯１４に鎖交させる。したがって、ブリッジ部分１７ｃの幅が大きくても、最大の出力トルクに及ぼす影響は小さい。 FIG. 3 is a conceptual diagram showing the direction of the magnetomotive force generated when a large drive current is passed through the armature winding 18. When a large drive current is supplied to the armature winding 18, the drive current, the armature teeth _{14 i + 1} adjacent armature teeth 14 facing from one field magnet 13 _i it _i, the armature teeth 14 _i and, generating a magnetomotive force along the path back through the field magnet 13 i _{+ 1} adjacent to the field magnet 13 _i in the field magnet 13 _i. This magnetomotive force inhibits the magnetic flux generated by the permanent magnets 19 and 20 from passing through the bridge portion 17 c, and causes almost all of the magnetic flux generated by the permanent magnets 19 and 20 to be linked to the armature teeth 14. Therefore, even if the width of the bridge portion 17c is large, the influence on the maximum output torque is small.

このように、永久磁石１９、２０の間に設けられているブリッジ部分１７ｃの幅が大きい構造は、要求されている場合には大きなトルクを発生できる一方で、ロータ１１が外力によって高速に回転される場合の誘起電圧を低減し、必要な弱め界磁電流の大きさを有効に低減させることができる。 As described above, the structure in which the bridge portion 17c provided between the permanent magnets 19 and 20 has a large width can generate a large torque when required, while the rotor 11 is rotated at a high speed by an external force. Inductive voltage can be reduced, and the required field-weakening current can be effectively reduced.

図４を参照して、小さいトルクの出力しか要求されていないときの誘起電圧を低減させるためには、ブリッジ部分１７ｃの（周方向の）幅ｃ（即ち、最も接近する位置における永久磁石１９、２０の間の距離）は、下記式を満足させることが好ましい：
ｃ≧０．０５・（ａ＋ｂ）．
ここで、ａ、ｂは、それぞれ、永久磁石１９、２０の（周方向の）幅である。公知のＩＰＭモータでは、２つの永久磁石の間のブリッジ部分の幅は、上述のように、永久磁石の幅の和の０．０２〜０．０４倍（２％〜４％）以下であることに留意されたい。 Referring to FIG. 4, in order to reduce the induced voltage when only a small torque output is required, the (circumferential) width c of the bridge portion 17c (ie, the permanent magnet 19 at the closest position, The distance between 20) preferably satisfies the following formula:
c ≧ 0.05 · (a + b).
Here, a and b are the (circumferential) widths of the permanent magnets 19 and 20, respectively. In the known IPM motor, the width of the bridge portion between the two permanent magnets is 0.02 to 0.04 times (2% to 4%) or less of the sum of the widths of the permanent magnets as described above. Please note that.

誘起電圧を充分に低減させるためには、ブリッジ部分１７ｃの幅ｃは、０．１０×（ａ＋ｂ）以上であることが一層に好ましく、０．２０×（ａ＋ｂ）以上であることが更に好ましい。 In order to sufficiently reduce the induced voltage, the width c of the bridge portion 17c is more preferably 0.10 × (a + b) or more, and further preferably 0.20 × (a + b) or more.

一実施形態では、永久磁石１９、２０の幅ａ＋ｂの和は、２０ｍｍ〜３０ｍｍである。この場合、ブリッジ部分１７ｃの幅ｃは、２．０ｍｍ以上であることが好ましく、３．０ｍｍ以上であることが更に好ましい。 In one embodiment, the sum of the widths a + b of the permanent magnets 19 and 20 is 20 mm to 30 mm. In this case, the width c of the bridge portion 17c is preferably 2.0 mm or more, and more preferably 3.0 mm or more.

一方、ＩＰＭモータ１０の最大トルクの過剰な減少を避けるためには、ブリッジ部分１７ｃの幅ｃは、０．５０×（ａ＋ｂ）以下であることが好ましい。 On the other hand, in order to avoid an excessive decrease in the maximum torque of the IPM motor 10, the width c of the bridge portion 17c is preferably 0.50 × (a + b) or less.

また、小さいトルクの出力しか要求されていない場合（即ち、駆動電流が小さい場合）の誘起電圧を低減させるためには、ブリッジ部分１７ｃの幅ｃは、無負荷状態（即ち、電機子巻線１８に駆動電流が流されていない状態）で永久磁石１９、２０が発生した磁束の１０％以上がブリッジ部分１７ｃを通過して漏洩するように決定されていることが好ましい。公知のＩＰＭモータでは、ブリッジ部分を介して漏れる漏れ磁束は、出願人が知る限りにおいて、永久磁石が発生する磁束全体の５％以下であることに留意されたい。より好適には、ブリッジ部分１７ｃの幅ｃは、無負荷状態で永久磁石１９、２０が発生した磁束の２０％以上がブリッジ部分１７ｃを通過して漏洩するように決定されていることが好ましく、３０％以上がブリッジ部分１７ｃを通過して漏洩するように決定されていることが一層に好ましい。 Further, in order to reduce the induced voltage when only a small torque output is required (that is, when the drive current is small), the width c of the bridge portion 17c is not loaded (that is, the armature winding 18). Preferably, it is determined that 10% or more of the magnetic flux generated by the permanent magnets 19 and 20 leaks through the bridge portion 17c in a state in which no drive current is passed through. It should be noted that in known IPM motors, the leakage flux that leaks through the bridge portion, to the best of the applicant's knowledge, is less than 5% of the total flux generated by the permanent magnet. More preferably, the width c of the bridge portion 17c is preferably determined such that 20% or more of the magnetic flux generated by the permanent magnets 19 and 20 leaks through the bridge portion 17c in an unloaded state. More preferably, 30% or more is determined to leak through the bridge portion 17c.

図３に示されているような経路（即ち、界磁磁石１３_ｉからそれに対向する電機子歯１４_ｉ、電機子歯１４_ｉに隣接する電機子歯１４_ｉ＋１、及び界磁磁石１３_ｉに隣接する界磁磁石１３_ｉ＋１を通って界磁磁石１３_ｉに戻る経路）で起磁力を発生させるためには、ＩＰＭモータ１０の極数とスロット数（即ち、電機子歯の数）が重要な役割をする。好適には、電機子巻線１８が集中巻で電機子歯１４に巻きつけられており、界磁の極数ｎ_１がスロットの数ｎ_２よりも大きく、且つ、極数ｎ_１とスロットの数ｎ_２との差が小さいことが好ましい。このような構成は、多くの数の界磁磁石１３を電機子歯１４に正対させ、図３に示されているような経路で起磁力を発生させるために好適である。界磁の極数ｎ_１がスロットの数ｎ_２の数よりも少ない構成は、一の電機子歯１４に複数の界磁磁石１３を正対させ、上述した経路で起磁力を発生させるために好適でない。 Path as shown in FIG. 3 (i.e., adjacent the armature teeth _{14 i + 1,} and the field magnet 13 _i adjacent to the armature teeth 14 _i, the armature teeth 14 _i facing thereto from the field magnet 13 _i The number of poles and the number of slots (that is, the number of armature teeth) of the IPM motor 10 is an important role in order to generate magnetomotive force in a path that passes through the field magnet 13 _{i + 1} to return to the field magnet 13 _i. do. Preferably, the armature winding 18 is wound around the armature tooth 14 in a concentrated manner, the number of poles n _{1 of the} field is larger than the number n _{2 of} slots, and the number of poles n ₁ and the number of slots and the difference between the number n ₂ is small. Such a configuration is suitable for causing a large number of field magnets 13 to face the armature teeth 14 and generating magnetomotive force along a path as shown in FIG. The configuration in which the number of field poles n ₁ is smaller than the number of slots n ₂ is to cause a plurality of field magnets 13 to face one armature tooth 14 and generate magnetomotive force in the above-described path. Not suitable.

具体的には、ＩＰＭモータ１０が３相電力で駆動される場合には、下記の極数ｎ_１とスロットの数ｎ_２の組み合わせが好適である：
ｎ_１＝１２，ｎ_２＝９，
ｎ_１＝１４，ｎ_２＝１２，
ｎ_１＝１６，ｎ_２＝１２，
ｎ_１＝２０，ｎ_２＝１５，
ｎ_１＝２０，ｎ_２＝１８，
ｎ_１＝２４，ｎ_２＝１８，
ｎ_１＝２６，ｎ_２＝２４，
ｎ_１＝２８，ｎ_２＝２４，
ｎ_１＝３０，ｎ_２＝２７． Specifically, when the IPM motor 10 is driven with three-phase power, the following combination of the number of poles n ₁ and the number of slots n ₂ is preferable:
n ₁ = 12, n ₂ = 9,
n ₁ = 14, n ₂ = 12,
n ₁ = 16, n ₂ = 12,
n ₁ = 20, n ₂ = 15,
n ₁ = 20, n ₂ = 18,
n ₁ = 24, n ₂ = 18,
n ₁ = 26, n ₂ = 24,
n ₁ = 28, n ₂ = 24,
n ₁ = 30, n ₂ = 27.

ＩＰＭモータ１０は、５相電力で駆動されることも可能である。この場合には、下記の極数ｎ_１とスロットの数ｎ_２の組み合わせが好適である：
ｎ_１＝１２，ｎ_２＝１０，
ｎ_１＝１４，ｎ_２＝１０，
ｎ_１＝２２，ｎ_２＝２０，
ｎ_１＝２４，ｎ_２＝２０，
ｎ_１＝２６，ｎ_２＝２０，
ｎ_１＝２８，ｎ_２＝２０． The IPM motor 10 can also be driven with five-phase power. In this case, the following combination of the number of poles n ₁ and the number of slots n ₂ is preferred:
n ₁ = 12, n ₂ = 10,
n ₁ = 14, n ₂ = 10,
n ₁ = 22, n ₂ = 20,
n ₁ = 24, n ₂ = 20,
n ₁ = 26, n ₂ = 20,
n ₁ = 28, n ₂ = 20.

図１は、本発明による一実施形態に係るＩＰＭモータの構成を示す断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of an IPM motor according to an embodiment of the present invention. 図２は、本実施形態のロータの表面部の構成を示す拡大図である。FIG. 2 is an enlarged view showing the configuration of the surface portion of the rotor of the present embodiment. 図３は、駆動電流が流されたときの起磁力の経路を示す概念図である。FIG. 3 is a conceptual diagram showing a path of magnetomotive force when a driving current is passed. 図４は、本実施形態に係るＩＰＭモータのロータ鉄心のブリッジ部分の構成を示す断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view showing the configuration of the bridge portion of the rotor core of the IPM motor according to the present embodiment.

Explanation of symbols

１０：ＩＰＭモータ
１１：ロータ
１２：ステータ
１３：界磁磁石
１４：電機子歯
１５：スロット
１６：シャフト
１７：ロータ鉄心
１８：電機子巻線
１９、２０：永久磁石
２１：溝 10: IPM motor 11: Rotor 12: Stator 13: Field magnet 14: Armature tooth 15: Slot 16: Shaft 17: Rotor core 18: Armature winding 19, 20: Permanent magnet 21: Groove

Claims

A rotor,
A stator facing the rotor and supplied with three-phase power ;
The rotor is
Rotor core,
Including field,
The number of poles of the field is n ₁ ,
The stator includes n ₂ armature teeth, an armature winding wound around each of the armature teeth by concentrated winding, and n ₂ pieces formed between two adjacent armature teeth. Slot
N ₁ and n ₂ are the following combinations:
n ₁ = 12, n ₂ = 9,
n ₁ = 14, n ₂ = 12,
n ₁ = 16, n ₂ = 12,
n ₁ = 20, n ₂ = 15,
n ₁ = 20, n ₂ = 18,
n ₁ = 24, n ₂ = 18,
n ₁ = 26, n ₂ = 24,
n ₁ = 28, n ₂ = 24,
n ₁ = 30, n ₂ = 27,
Selected from
One pole of the field is composed of a plurality of permanent magnets,
The rotor core is
A rotor core body,
An outer portion located outside the plurality of permanent magnets;
A bridge portion that passes between the plurality of permanent magnets and connects the outer portion to the rotor core body;
The width of the bridge portion in the circumferential direction of the rotor is not less than 0.05 times the sum of the widths in the circumferential direction of the plurality of permanent magnets and not more than 0.50 times. IPM motor.

The IPM motor according to claim 1,
The width of the bridge portion in the circumferential direction of the rotor is 0.10 times or more the sum of the widths in the circumferential direction of the plurality of permanent magnets. IPM motor.

The IPM motor according to claim 1,
The width of the bridge portion in the circumferential direction of the rotor is equal to or greater than 0.20 times the width in the circumferential direction of the plurality of permanent magnets.