JP5073692B2

JP5073692B2 - 回転電機

Info

Publication number: JP5073692B2
Application number: JP2009017041A
Authority: JP
Inventors: 雄也小田切; 健太郎永廣
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2009-01-28
Filing date: 2009-01-28
Publication date: 2012-11-14
Anticipated expiration: 2029-01-28
Also published as: JP2010178471A

Description

本発明は、回転子鉄心の内部に永久磁石が埋め込まれた構造を有するＩＰＭ（Internal Permanent Magnet）型の回転電機に関する。

ＩＰＭ型モータは、体積あたりの出力トルクが大きいこと、弱め界磁制御による高速運転が可能であることなどの理由により、電気自動車の駆動用モータとしての用途が見込まれている。しかし、永久磁石に作用する遠心力などによって回転子鉄心、特に永久磁石が埋め込まれた溝部近傍に集中応力が発生する問題があり、高速化、大口径化することが困難であった。

特に、リラクタンストルクを積極的に使用するため、永久磁石がＶ字型に配置された回転子鉄心では、回転子鉄心の２つの永久磁石によって囲まれた領域の体積が、永久磁石が回転子鉄心の外周面に対して略平行に配置された回転子鉄心と比較して大きく、このためセンターリブ（２つの永久磁石間の領域）や、サイドリブ（永久磁石端部及び回転子鉄心周面間の領域）に遠心力による集中応力がより発生する傾向がある。

このような回転子鉄心に作用する集中応力を緩和する手法として、回転子鉄心に円形の切欠きを設けた２極永久磁石型モータが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

特開平１１−３３２１４４号公報

永久磁石がＶ字型に配置された回転子鉄心において、センターリブやサイドリブに作用する集中応力は、センターリブやサイドリブの幅を広げることで緩和することができるが、短絡磁束が増加してモータの出力トルクが低下してしまう問題がある。また、特許文献１に記載の２極永久磁石型モータは、回転子鉄心に円形の切欠きを設けることにより、回転子鉄心と回転軸との大きな締め代によって生じる応力緩和を図ったものであるが、切欠き形状が円形であるため、一部において必要以上の応力緩和となって短絡磁束が増加し、結果としてモータの出力トルクが低下してしまう問題があった。また、短絡磁束の増加を抑制するため、切欠き円形の直径を単純に小さくすると、応力緩和機能が不十分となる虞があった。

本発明は、前述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、モータの出力トルク低下を抑制し、且つ回転子鉄心に作用する応力を緩和させて、高速化、大口径化が可能な回転電機を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１に係る発明は、電機子巻線を有する固定子（例えば、後述する実施形態における固定子１１）と、
回転子鉄心（例えば、後述する実施形態における回転子鉄心２１）、及び前記回転子鉄心の内部に配置されて磁極を構成する複数の永久磁石（例えば、後述する実施形態における永久磁石２２）を有し、前記固定子に対向して回転可能に配設された回転子（例えば、後述する実施形態における回転子２０）と、
を備える回転電機（例えば、後述する実施形態における回転電機１０）であって、
前記回転子鉄心には、周方向で隣り合う、前記磁極の異なる永久磁石間に切欠き部（例えば、後述する実施形態における切欠き部３０）が複数形成され、
前記切欠き部は、前記固定子に対向する前記回転子鉄心の外周面から径方向内側に向かって延びる直線部（例えば、後述する実施形態における直線部３１）と、該直線部の径方向内端部（例えば、後述する実施形態における径方向内端部３２）と連続し、前記直線部に対して径方向と直交する方向に略対称に形成され、前記径方向よりも前記径方向と直交する方向に長い長円部（例えば、後述する実施形態における楕円部３３）と、によって構成されることを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項１の構成に加えて、前記長円部は、短軸長さａと長軸長さｂとの比ａ／ｂが０．４以上、且つ０．６以下の楕円であることを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項１または請求項２の構成に加えて、周方向に隣接する、前記切欠き部間には、前記磁極が同じ一組の前記永久磁石を略Ｖ字状に配置し、
前記回転子鉄心の外周面から前記長円部の中心までの径方向長さは、前記回転子鉄心の外周面から前記永久磁石の径方向最内端部までの径方向長さと、略同じ長さであることを特徴とする。

請求項１の発明によれば、直線部と、長円部とからなる切欠き部を設けることにより、出力トルクの低下を抑えながら、回転子鉄心に作用する応力を緩和することができ、回転電機の高速化、大型化が可能となる。

請求項２の発明によれば、長円部は、短軸長さａと長軸長さｂとの比ａ／ｂを、０．４以上、且つ０．６以下である楕円としたので、過剰な応力緩和による磁束短絡増加を抑制し、出力トルクの低下を招くことなく、効果的に回転子鉄心の応力を緩和することができる。

請求項３の発明によれば、センターリブ、サイドリブ、及びスリット部などの各応力集中部に発生する応力の大きさを略同じ大きさとして、バランスのとれた効果的な応力緩和が可能となる。

本発明に係る回転電機の縦断面図である。図１における要部拡大図である。（ａ）及び（ｄ）は本発明の切欠き部の形状を示す拡大図であり、（ｂ）及び（ｃ）は、比較例として切欠き部の形状を示す拡大図である。長円部に作用する最大応力と、長円部の短軸長さと長軸長さの比との関係を示すグラフである。回転子の磁束の流れを示す図である。切欠き部の深さと、各部の応力との関係を示すグラフである。

以下、本発明の実施の形態を、添付図面に基づいて説明する。なお、図面は符号の向きに見るものとする。

図１に示すように、本実施形態の回転電機１０は、ＩＰＭ型の回転電機であり、主に固定子１１と回転子２０とから構成されている。回転子２０は、固定子１１の内側に間隙Ｃを介して回転可能に配置されている。固定子１１は、積層された電磁鋼板の内周側に複数のスロット１４及びティース１５が形成された固定子鉄心１３と、スロット１４に収容されて回転磁界を発生させて回転子２０を回転させる複数相の電機子巻線（図示せず）と、を備える。

図２も参照して、回転子２０は、積層された電磁鋼板からなる回転子鉄心２１と、回転子鉄心２１の内部に配置された複数の永久磁石２２とを備える。回転子鉄心２１には、周方向に離間してセンターリブ２５を画成すると共に、回転子鉄心２１の外周面２１ａに向かって広がる略Ｖ字状に形成された一対の埋め込み穴２３（２３ａ，２３ｂ）が円周方向に複数形成されている。このため、これら一対の埋め込み穴２３ａ，２３ｂの径方向両端部と回転子鉄心２１の外周面２１ａとの間には、サイドリブ２６が画成される。そして、これら埋め込み穴２３には、永久磁石２２（２２ａ、２２ｂ）が埋め込まれる。略Ｖ字状の一対の埋め込み穴２３ａ，２３ｂには、磁極が同じ一組の永久磁石２２ａ，２２ｂが埋め込まれ、また、周方向で隣り合う各一対の埋め込み穴２３（２３ａ，２３ｂ）では、各一組の永久磁石２２（２２ａ，２２ｂ）が磁極を異ならせ、円周方向に亙って磁極を交互に変えながら配置されている。

また、回転子鉄心２１には、周方向で隣り合う、磁極の異なる永久磁石（２２ａ、２２ｂ）間に切欠き部３０が形成されている。切欠き部３０は、固定子１１に対向する回転子鉄心２１の外周面２１ａから径方向内側に向かって延びる直線部３１と、該直線部３１の径方向内端部３２に連続して形成された長円部としての楕円部３３とを備える。楕円部３３は、径方向と直交する方向に長軸を有し、直線部３１に対して径方向と直交する方向に略対称に形成されている。

回転子鉄心２１の外周面２１ａから長円部３３の中心までの径方向長さＡは、外周面２１ａから永久磁石２２の径方向最内端部までの径方向長さＢと、略同じ長さとなっている。また、図３（ａ）に示すように、長円部３３の短軸長さａと長軸長さｂとの比ａ／ｂは、０．４以上、且つ０．６以下に設定されている。

このような回転子２０が回転すると、永久磁石２２やヨーク部の遠心力によって、応力集中部であるセンターリブ２５、サイドリブ２６、及び切欠き部３０に集中応力が発生する。切欠き部３０は、出力トルクを大きくしたいことからできるだけ小さいことが望ましい。しかしながら、図３（ｂ）に示すように、直線部４１だけで切欠き部を構成した場合、径方向内端部４２に大きな集中応力が発生するので、径方向内端部４２に発生する応力を緩和するため、径方向内端部４２にある程度の曲率を有する応力緩和部を設ける必要がある。

図３（ｃ）に示すように、応力緩和部として直線部４１の径方向内端部４２に、曲率一定の応力緩和部、即ち、円孔４３を設けた場合、大きな曲率の応力緩和部を要する領域以外では、必要以上に曲率が大きく、過大な応力緩和が行われていることなる。即ち、応力値を同じにする場合、応力緩和部を円孔４３として形成すると孔径が大きくなる。これは、トルク低下につながり、トルク面から見て最適形状とは言い難い。

従って、トルクを大きく低下させることなく、各部が必要なだけの応力緩和を行うには、図３（ａ）に示すような曲率が変動する楕円部３３が効果的である。

図４は、楕円部３３の長軸長さｂを一定とし、短軸長さａを変化させて、１３０００ｒｐｍで回転子鉄心２１を回転させたとき、短軸長さａと長軸長さｂとの比ａ／ｂと、切欠き部３０に作用する最大応力値との関係を示している。この結果、短軸長さａと長軸長さｂとの比ａ／ｂが、略０．４以上、且つ０．６以下の範囲で最大応力値が小さくなることが分かった。従って、楕円部３３の短軸長さａと長軸長さｂとの比ａ／ｂは、略０．４以上、且つ０．６以下とするのが望ましい。

ただし、楕円部３３は、製造過程において、検査及び保証を行う作業が煩雑となるため、図３（ｄ）に示すように、少なくとも４つの円孤４４ａ，４４ｂで囲まれた連接円４４で、楕円に近似させることが実用的であり、これによっても切欠き部３０に発生する応力集中を効果的に緩和することができる。この場合、連接円４４は、曲率中心を連接円４４の外部で径方向内側と外側にそれぞれ設けた円弧４４ａと、曲率中心を連接円４４の内部に設けた、円弧４４ａより曲率半径の小さな円弧４４ｂの２種類の円弧４４ａ，４４ｂで構成されている。

また、切欠き部３０の位置は、図５に示すように、永久磁石２２の磁束の流れ（ｄ軸）５０、及びリラクタンス磁束の流れ（ｑ軸）５１のいずれにも影響の少ない、図中、斜線付三角形の領域２７に設ければ、トルク低下を最小限に抑制することができる。具体的には、周方向で隣り合う磁極の異なる永久磁石２２ａ、２２ｂの周方向中央に設けるのがよい。

また、応力集中部（センターリブ２５、サイドリブ２６、及び切欠き部３０）に発生する応力の大きさは、切欠き部３０の深さによって変化する。応力面から見ると、各応力集中部の応力バランスが取れていることが望ましい。

図６は、回転子鉄心２１の外周面２１ａから永久磁石２２の径方向最内端部までの径方向長さ（図２参照）Ｂを２５ｍｍに設定した回転子鉄心２１を用いて、外周面２１ａから楕円部３３の中心までの径方向長さＡを変化させたとき各部に発生する応力の大きさを示す。即ち、外周面２１ａから楕円部３３の中心までの径方向長さＡが長くなるに従って、センターリブ２５の応力はやや斬増し、サイドリブ２６の応力は減少し、また切欠き部３０の応力は１８ｍｍ付近から急速に増加する。そして、これらの応力値は、径方向長さＡが略２５ｍｍ近傍で略同じ大きさとなる。

これは、回転子鉄心２１の外周面２１ａから楕円部３３の中心までの径方向長さＡが、外周面２１ａから永久磁石２２の径方向最内端部までの径方向長さＢと略同じ長さとなるとき、各部の応力がバランスすることを意味しており、これによってバランスのとれた効果的な応力緩和が可能となる。

以上説明したように、本実施形態に係る回転電機１０によれば、回転子鉄心２１の磁極の異なる永久磁石２２間に形成された切欠き部３０が、回転子鉄心２１の外周面２１ａから径方向内側に向かって延びる直線部３１と、該直線部３１の径方向内端部３２に連続形成された楕円部３３とから構成され、楕円部３３は、直線部３１に対して径方向と直交する方向に略対称であり、且つ径方向と直交する方向に長く形成されているので、出力トルクの低下を抑えながら、回転子鉄心２１に作用する応力を緩和することができ、回転電機１０の高速化、大型化が可能となる。

また、楕円部３３は、短軸長さａと長軸長さｂとの比ａ／ｂが、０．４以上、且つ０．６以下であるので、過剰な応力緩和による磁束短絡の増加を抑制することができ、出力トルクの低下を招くことなく効果的に応力を緩和することができる。

更に、回転子鉄心２１の外周面２１ａから長円部３３の中心までの径方向長さＡが、該外周面２１ａから略Ｖ字状に配置された永久磁石２２の径方向最内端部までの径方向長さＢと略同じ長さであるので、センターリブ２５、サイドリブ２６、及び切欠き部３０などの各応力集中部に発生する応力の大きさを略同じ大きさとすることができ、バランスのとれた効果的な応力緩和が可能となる。

尚、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、等が可能である。
例えば、上記の説明においては、永久磁石がＶ字形に配置された回転電機について説明したが、これに限定されず、永久磁石が回転子鉄心の外周面に略並行に配置された回転電機にも、同様に適用することができる。
また、本発明の長円部とは、異なる曲率を有する複数の曲線から構成されるものであればよく、図３（ｄ）に示すような連接円でもよいし、図３（ａ）に示すような曲率が変動する楕円であってもよい。

１０回転電機
１１固定子
２０回転子
２１回転子鉄心
２１ａ回転子鉄心の外周面
２２永久磁石
３０切欠き部
３１直線部
３２直線部の径方向内端部
３３楕円部（長円部）
ａ長円部の短軸長さ
ｂ長円部の長軸長さ
ａ／ｂ長円部の短軸長さと長軸長さとの比
Ａ回転子鉄心の外周面から長円部の中心までの径方向長さ
Ｂ回転子鉄心の外周面から永久磁石の径方向最内端部までの径方向長さ

Claims

電機子巻線を有する固定子と、
回転子鉄心、及び前記回転子鉄心の内部に配置されて磁極を構成する複数の永久磁石を有し、前記固定子に対向して回転可能に配設された回転子と、
を備える回転電機であって、
前記回転子鉄心には、周方向で隣り合う、前記磁極の異なる永久磁石間に切欠き部が複数形成され、
前記切欠き部は、前記固定子に対向する前記回転子鉄心の外周面から径方向内側に向かって延びる直線部と、該直線部の径方向内端部と連続し、前記直線部に対して径方向と直交する方向に略対称に形成され、前記径方向よりも前記径方向と直交する方向に長い長円部と、によって構成されることを特徴とする回転電機。
前記長円部は、短軸長さａと長軸長さｂとの比ａ／ｂが０．４以上、且つ０．６以下の楕円であることを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
周方向に隣接する、前記切欠き部間には、前記磁極が同じ一組の前記永久磁石を略Ｖ字状に配置し、
前記回転子鉄心の外周面から前記長円部の中心までの径方向長さは、前記回転子鉄心の外周面から前記永久磁石の径方向最内端部までの径方向長さと、略同じ長さであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の回転電機。