JP5089325B2 - 電動モータ - Google Patents

Description

本発明は、回転子に永久磁石を配設した固定子電機子型同期電動モータに関する。

近時、ハイブリッド自動車、燃料電池自動車や電気自動車等の動力源として用いられる電動モータは、回転子に永久磁石を配設した固定子電機子型のＰＭ（Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ）モータが主流となっている。

ＰＭモータは、マグネットトルクに加えてリラクタンストルクをも併用して、小型軽量でありながら低速回転域から高速回転域までの広範囲に亘り効率よく出力を発生させ得る（例えば、下記特許文献を参照）。
特開２００２−０９５１９４号公報 特開２００７−１３５３２７号公報

本発明は、ＰＭモータのさらなる出力向上及び永久磁石の使用量の低減を所期の目的とする。

本発明では、固定子巻線を有する固定子の内側に回転子を配してなる電動モータにおいて、回転子が、回転軸心に対し直交する径方向に放射状に突出した複数の突極と、各突極にそれぞれ埋め込まれ突極の突出方向と略平行な方向に磁束を発生する磁石と、一の突極に埋め込まれた磁石の磁極とその突極に隣接する他の突極に埋め込まれた磁石の磁極とを短絡する短絡磁路と、回転軸心と短絡磁路との間を遮るように設けられたフラックスバリアとを具備し、各突極にそれぞれ複数の磁石が並列的に埋め込まれており、一の突極における複数の磁石間の領域とその突極に隣接する他の突極における複数の磁石間の領域とを短絡することで両突極の先端同士を短絡している短絡磁路が存在し、各突極における複数の磁石間にフラックスバリアが設けられ、前記フラックスバリアは、各突極の先端部位において当該突極の中央軸を跨いで複数並存しており、その各々が、当該突極の先端部位から隣接する他の突極に向かって延伸して、前記回転軸心と前者の（即ち、一の突極に埋め込まれた磁石の磁極とその突極に隣接する他の突極に埋め込まれた磁石の磁極とを短絡する）短絡磁路との間を遮っているものとした。

上記の構成により、ｄ軸に沿った磁束を増しつつ、ｑ軸に沿った磁束を減じることができる。従って、ｄ軸インダクタンス＞＞ｑ軸インダクタンスとなり、リラクタンストルクが増大する。結果、低速回転域での大トルク化と高速回転域での高効率化（弱め界磁電機子電流の低減）とが両立し、出力の向上を実現できる。そして、出力向上に伴い、磁石の使用量を削減することが許容され、コストダウンが可能となる。

各突極にそれぞれ複数の磁石が並列的に埋め込まれており、一の突極における複数の磁石間の領域とその突極に隣接する他の突極における複数の磁石間の領域とを短絡することで両突極の先端同士を短絡している短絡磁路が存在していれば、ｑ軸を横切りｄ軸に沿って流れる磁束が増加する。

各突極における複数の磁石間にフラックスバリアが設けられていれば、ｄ軸を横切りｑ軸に沿って流れる磁束が減少する。加えて、磁石自体も、その透磁率が低いことからｄ軸を横切る磁束の減少に寄与する。

同一の磁石のＮ極とＳ極とを繋ぐ短絡磁路を遮るためには、各磁石の回転軸心周りの周方向の側面に隣接してフラックスバリアが設けられていることが好ましい。

本発明によれば、ＰＭモータのさらなる出力向上及び永久磁石の使用量の低減を実現できる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。図１に示すように、本実施形態の電動モータは、いわゆるＩＰＭ（Ｉｎｔｅｒｉｏｒ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ）モータであり、固定子巻線を有する固定子２の内側に永久磁石１６を埋め込んだ回転子１を配してなる。

よく知られている通り、ＩＰＭモータのトルクＴは下式で表される。
Ｔ＝ｐΨ_mＩ_q＋ｐ（Ｌ_d−Ｌ_q）Ｉ_dＩ_q
ここで、ｐは極対数、Ψ_mは磁石１６の磁束、Ｌ_dはｄ軸インダクタンス、Ｌ_qはｑ軸インダクタンス、Ｉ_dはｄ軸電流、Ｉ_qはｑ軸電流である。上式の右辺の第一項がマグネットトルク、第二項がリラクタンストルクである。リラクタンストルクを増強するには、Ｌ_d＞＞Ｌ_qとする必要がある。そのために、本実施形態では、ｄ軸に沿った磁束を増しつつｑ軸に沿った磁束を減じる措置を講じている。

本実施形態の電動モータは、回転子１の構造に特徴を有する。詳述すると、回転子１は、強磁性体、例えば積層鋼板等を鉄心１０とし、回転軸心に対して直交する径方向に複数の突極１１を放射状に突出させている。図示例では、９０°間隔で四方に突極１１を突出させている。鉄心１０の回転軸心を含む中心部は、中空状をなす。

各突極１１には、突極１１の突出方向と略平行な方向に磁束を発生する磁石１６を埋め込んでいる。図示例では、各突極１１にそれぞれ複数の磁石１６を、突極１１の中央軸即ちｄ軸に対称に位置している。各突極１１の磁石１６は、その突極１１の突出方向と略平行な方向を向く。これら磁石１６は、径方向寸法が周方向寸法に比べて大きい。また、周方向に隣り合う突極１１の磁石１６の磁極は互いに相反している。要すれば、ある突極１１の磁石１６がＮ極を外方に／Ｓ極を内方に向けているとき、隣接する突極１１の磁石１６はＳ極を外方に／Ｎ極を内方に向けている。各突極１１は、磁気的に順突極となる。

その上で、周方向に隣り合う突極１１の磁石１６の相反する磁極同士を短絡するように、短絡磁路１２を設けている。この短絡磁路１２は、鉄心１０の外周部にあって、一の突極１１の磁石１６の内方の磁極と、この磁石１６に近い側にある他の突極１１の磁石１６の内方の磁極とを短絡する。

さらに、鉄心１０の中心部と短絡磁路との間を遮るフラックスバリア１３を設けている。フラックスバリア１３、１５は、鉄心１０に空隙を穿ち、または磁束を通しにくい材料を埋め込むことで形成する。このフラックスバリア１３は、一の突極１１の先端近傍、離間して対をなす磁石１６間の領域を始端として短絡磁路１２に並行して延伸し、その終端が隣接した他の突極１１の先端近傍、やはり磁石１６間の領域に達している。

各突極１１の先端部位では、突極１１の中央軸を跨いで複数のフラックスバリア１３が並存している。翻って、それらフラックスバリア１３に挟まれた突極１１の中央軸部は、鉄心１０の中心部とフラックスバリア１３との間に成立した短絡磁路１４を介して、他の突極１１の中央軸部に短絡する。つまり、短絡磁路１４を介して、一の突極１１の先端と他の突極１１の先端とが短絡している。

加えて、磁石１６の周方向に沿った両側面に隣接したフラックスバリア１５を別途設けている。

上記の構成により、本実施形態の電動モータにおいて、図２に示すようにｄ軸に沿って流れるｄ軸磁束は増す。各突極１１は、電機子反作用によっても増磁される。一方で、フラックスバリア１３、１５及び磁石１６の存在により、図３に示すようにｑ軸に沿って流れるｑ軸磁束は減る。

本実施形態によれば、回転子１を、回転軸心に対し直交する径方向に放射状に突出した複数の突極１１と、各突極１１にそれぞれ埋め込まれ突極１１の突出方向と略平行な方向に磁束を発生する磁石１６と、一の突極１１に埋め込まれた磁石１６の磁極とその突極１１に隣接する他の突極１１に埋め込まれた磁石１６の磁極とを短絡する短絡磁路１２と、回転軸心と短絡磁路１２との間を遮るように設けられたフラックスバリア１３とを具備するものとしたため、突極１１には磁石１６が発生する磁束により磁極が形成され、これに対向する固定子巻線に電流を流すことによりトルクを発生できる。

各突極１１にそれぞれ複数の磁石１６が並列的に埋め込まれており、一の突極１１における複数の磁石１６間の領域とその突極１１に隣接する他の突極１１における複数の磁石１６間の領域とを短絡することで両突極１１の先端同士を短絡している短絡磁路１４が存在しているため、固定子巻線に突極１１を励磁する電流を流すと、電機子反作用によりｑ軸を横切りｄ軸に沿って流れる磁束が増加する。

各突極１１における複数の磁石１６間にフラックスバリア１３が設けられているため、ｄ軸を横切りｑ軸に沿って流れる磁束が減少する。加えて、磁石１６自体も、その透磁率が低いことからｄ軸を横切る磁束の減少に寄与する。従って、Ｌ_d＞＞Ｌ_qとなってリラクタンストルクが増大する。結果、低速回転域での大トルク化と高速回転域での高効率化とを両立でき、出力の向上を達成できる。そして、出力向上に伴い、磁石１６の使用量の削減が可能となり、コストダウンに資する。

各磁石１６の回転軸心周りの周方向の側面に隣接してフラックスバリア１５が設けられているため、同一の磁石１６のＮ極とＳ極とを繋ぐ短絡磁路を遮断して出力低下を回避できる。

各磁石１６の径方向寸法が周方向寸法に比べて大きく設定されているため、磁極の磁化方向即ちｄ軸方向に磁石１６が厚く、減磁に対して強くなる。保磁力の小さい磁石１６を使用可能となることから、磁石１６のコストが低減する。

なお、本発明は以上に詳述した実施形態に限られるものではない。各部の具体的構成、例えば突極の対数、各突極に埋め込む磁石の個数や配置、短絡磁路及びフラックスバリアの数や形状等は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

本発明の一実施形態の電動モータを示す端面図。 同電動モータにおけるｄ軸磁束を示す図。 同電動モータにおけるｑ軸磁束を示す図。

符号の説明

１…回転子
１１…突極
１２、１４…短絡磁路
１３、１５…フラックスバリア
１６…磁石
２…固定子

Claims (2)

1. 固定子巻線を有する固定子の内側に回転子を配してなる電動モータにおいて、
   回転子が、回転軸心に対し直交する径方向に放射状に突出した複数の突極と、
   各突極にそれぞれ埋め込まれ突極の突出方向と略平行な方向に磁束を発生する磁石と、
   一の突極に埋め込まれた磁石の磁極とその突極に隣接する他の突極に埋め込まれた磁石の磁極とを短絡する短絡磁路と、
   回転軸心と短絡磁路との間を遮るように設けられたフラックスバリアとを具備し、
   各突極にそれぞれ複数の磁石が並列的に埋め込まれており、
   一の突極における複数の磁石間の領域とその突極に隣接する他の突極における複数の磁石間の領域とを短絡することで両突極の先端同士を短絡している短絡磁路が存在し、
   各突極における複数の磁石間にフラックスバリアが設けられ、
   前記フラックスバリアは、各突極の先端部位において当該突極の中央軸を跨いで複数並存しており、
   その各々が、当該突極の先端部位から隣接する他の突極に向かって延伸して、前記回転軸心と前者の短絡磁路との間を遮っている
   ことを特徴とする電動モータ。
2. 各磁石の回転軸心周りの周方向の側面に隣接してフラックスバリアが設けられている請求項１記載の電動モータ。

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