JP5248048B2 - 回転電機の回転子及び回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、磁極として永久磁石を備えた回転電機の回転子及び回転電機に関する。

電気自動車やハイブリット車などの車両用モータには、埋込み型永久磁石モータや永久磁石式リラクタンスモータ等の回転電機が使用されている。これらの回転電機に使用される回転子は、磁極を構成する複数の永久磁石が回転子鉄心の磁石挿入孔部に夫々挿入されて構成されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００２−７８２６０号公報

一般に、電気自動車やハイブリット車などの車両用回転電機には、トルクリプルの低減が求められている。トルクリプルは、出力トルクの変動分を、平均トルクに対する百分率で示すものであり、このトルクリプルが大きいほど、回転電機の騒音、振動が大きくなることは知られている。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、トルクリプルが低減された回転電機の回転子及び回転電機を提供することである。

本発明の回転電機の回転子は、回転子鉄心と、この回転子鉄心の外周部に周方向に所定の間隔を存して配設され、１つの磁極を構成する一対の永久磁石が外周に向かうに従って対向距離が順次大となるように配置されてなる複数の磁極とを備える。前記回転子鉄心の各磁極部分の外周部には、前記磁極の中心から周方向に向かうに従って固定子との間のギャップが連続して大になる形態の一対の外周溝部が形成されている。前記外周溝部の端部のうち前記磁極の中心から離れる方向に位置する端部は、前記磁極の中心と隣の磁極の中心との中間にあたる位置まで延びている。前記固定子に対する磁極の中心におけるギャップの寸法が最小ギャップの寸法に設定されているとともに、該磁極の中心と隣接する磁極の中心との中間にあたる位置におけるギャップの寸法が最大ギャップの寸法に設定されている。前記最小ギャップの寸法をｇｏとし、前記最大ギャップの寸法をｇｍとした場合、比ｇｍ／ｇｏが１．５〜４．０の範囲になるように設定されていることを特徴としている（請求項１の発明）。
又、本発明の回転電機は、固定子と、この固定子の界磁空間に配置された請求項１記載の回転子とを具備してなることを特徴としている（請求項２の発明）。

本発明は、回転子の回転子鉄心の磁極部分の外周部が、磁極の中心から周方向に向かうに従って固定子との間のギャップが連続して大になる形態に構成されているので、磁極からの磁束の立ち上がりがなだらかになり、トルクリプルの低減ができる。

以下、本発明を電気自動車、ハイブリット車等の車両に搭載された車両用回転電機に適用した一実施形態を、図１乃至図３を参照して説明する。
図２には、本実施形態に係る回転電機１を構成する固定子２と、この固定子２の界磁空間、例えば固定子２の内周側に位置された回転子３とが概略的に示されている。
固定子２は、固定子鉄心４に、複数相、例えば三相コイルたるＵ相コイル５、Ｖ相コイル６、Ｗ相コイル７が着装されて構成される。

固定子鉄心４は、複数枚の鋼板が積層されて一体的に結着されて形成された円環形状をなしている。そして、固定子鉄心４の内周面には、三相のコイル５，６，７を配設させるためのスロット８が複数個所、例えば４８箇所に形成され、各コイル５，６，７は６スロット毎に巻回され、全体として８極形成されている。
回転子３は、円環状の多数の珪素鋼板を積層してなる回転子鉄心１１と、回転子鉄心１１の内部に設けたれた回転軸１２を有している。

図１には、回転子鉄心１１の外周部の一部が示されている。
回転子鉄心１１の外周部には、外周に向かうに従って対向距離が順次大となる一対の磁石挿入孔部１３，１３が複数対、例えば八対、周方向に所定の間隔を存して設けられている（図１ではそのうちの一部を拡大して図示）。この場合、一対の磁石挿入孔部１３，１３は、外周側からみてハ字形になっている。

これらの磁石挿入孔部１３には、磁極を構成する永久磁石１４が夫々挿入固定され、これにより、磁石挿入孔部１３の両端部に逃げ孔部１５，１６が形成される。ここで、逃げ孔部１５は、一対の永久磁石１４，１４間の磁極部分、即ち、固定子鉄心４側で生じた磁束が通り難い部分に位置し、逃げ孔部１６は、外周側に位置する。この場合、近接する逃げ孔部１５，１５間にブリッジ部１７が必然的に形成され、逃げ孔部１６と回転子鉄心１１の外周面との間にチップ部１８が必然的に形成される。チップ部１８は、漏洩磁束の低減のために、回転子鉄心１１の径方向の厚さ寸法は短く設定されている。

さて、回転子鉄心１１の各磁極部分の外周部には、磁極の中心から周方向に向かうに従って固定子２との間のギャップが連続して大になる形態の一対の外周溝部２１，２１が構成されている。
一対の外周溝部２１，２１の形状について図１を参照して説明する。尚、一対の外周溝部２１，２１は、磁極に対応して形成されており、本実施形態では、回転子鉄心１１の周方向に八対形成されている。そのため、一対の外周溝部２１，２１についてのみ説明し、他の外周溝部２１の説明は省略する。

同図において、回転子鉄心１１の中心をＣ１、回転子鉄心１１の半径をＲＯで示す。又、中心Ｃ１から磁極の中心に沿って径方向へ任意の距離Ｄずれた位置をＣ２とし、回転子鉄心１１の外周面の磁極の中心の位置をＣ３とすると、位置Ｃ２から位置Ｃ３の寸法ＲＤは、ＲＤ＝ＲＯ−Ｄで示される。そして、外周溝部２１と固定子２との間のギャップが最小になる回転子３側の位置は、上記のように、回転子鉄心１１の外周面の磁極の中心にあたる位置Ｃ３である。ここで、固定子２に対する磁極の中心におけるギャップの寸法、即ち、外周溝部２１の位置Ｃ３と固定子２との間の最小ギャップの寸法をｇｏで示す。

一方、一対の外周溝部２１，２１の外径の形状は、中心が位置Ｃ２で半径ＲＤの円弧形状をなし、円弧部分の中心が位置Ｃ３と一致し、位置Ｃ３を中心に左右方向（周方向両側）に外周溝部２１が夫々形状されている。従って、この位置Ｃ３では、回転子鉄心１１の外周円（半径ＲＯ）と、位置Ｃ２を中心にした半径ＲＤの円弧部分とが接している。

各外周溝部２１の端部のうちの磁極の中心から離れる方向に位置する端部は、磁極の中心と隣の磁極の中心との中間にあたる位置Ｃ４まで延びており、この位置Ｃ４では、外周溝部２１の位置Ｃ４と固定子２との間のギャップは最大になる。この最大ギャップの寸法、即ち、この外周溝部２１の位置Ｃ４と固定子２との間の最大ギャップの寸法をｇｍで示す。

次に、ギャップの寸法ｇｏ，ｇｍと、トルクリプルとの関係を確認するために、本発明者は、磁界解析を行なった。トルクリプルは、出力トルクの変動分を、平均トルクに対する百分率で示すものである。磁界解析は、有限要素法により、電圧等の特性を計算によって求めるものであり、一般に市販されている電磁界解析ソフトを用いた。

磁界解析では、寸法ＲＤの値を変化（距離Ｄを変化）させて、最大ギャップの寸法ｇｍを変化させた。そして、最小ギャップの寸法ｇｏと最大ギャップの寸法ｇｍとの比（ｇｍ／ｇｏ）を異にして、トルクリプルの値を計算で算出した。その結果を図３に示す。同図中の横軸は、比（ｇｍ／ｇｏ）を示し、縦軸はトルクリプルの値を示している。尚、回転電機においては、一般に、トルクリプルは低い次数（電気角）ほど大きくて、騒音、振動の問題になりやすい。本実施形態においては、回転電機１は８極４８スロットであり、この場合のトルクリプルは、最も低い次数が６次（電気角）であるので、６次のトルクリプルの値を計算した。

従来の一般的な回転子の外周部には、外周溝部２１が設けられていないため、最小ギャップの寸法ｇｏと最大ギャップの寸法ｇｍは同じ値であり、比（ｇｍ／ｇｏ）は１である。その場合のトルクリプルの値は約１．５％であった。

最大ギャップの寸法ｇｍを大きくして比（ｇｍ／ｇｏ）を１より大きくすると、トルクリプルの値は減少し、比（ｇｍ／ｇｏ）が２のときに最小となり、その値は約０．４％であった。引き続き比（ｇｍ／ｇｏ）を大きくすると、トルクリプルの値は増加した。そして、比（ｇｍ／ｇｏ）が６を超えたところで、比（ｇｍ／ｇｏ）が１である従来の回転子３のトルクリプルの値と同等になった。更に、比（ｇｍ／ｇｏ）を大きくすると共に、トルクリプルの値も増加した。

これにより、比（ｇｍ／ｇｏ）が１より大きく６までの範囲では、従来の回転子よりもトルクリプルを低減することができる。更に、比（ｇｍ／ｇｏ）が１．５〜４．０の範囲であると、従来の回転子の比（ｇｍ／ｇｏ）が１の場合に対して、トルクリプルを半減させることができる。比（ｇｍ／ｇｏ）が２の場合に最もトルクリプルを低減することができる。

次に、回転子３の作用及び効果について説明する。
上記構成の回転子３の回転子鉄心１１には、永久磁石１４が設けられているので、永久磁石１４と固定子２の磁極との間の磁気吸引力及び磁気反発力によってトルクは発生する。これにより、回転子３が回転するようになる。

本実施形態によれば、回転子３の回転子鉄心１１の磁極部分の外周部が、磁極の中心から周方向に向かうに従って固定子２との間のギャップが連続して大になる形態に構成されているので、磁極からの磁束の立ち上がりがなだらかになり、トルクリプルの低減ができる。

そして、最小ギャップの寸法ｇｏと最大ギャップの寸法ｇｍとの比（ｇｍ／ｇｏ）を１より大きく、比（ｇｍ／ｇｏ）が６までの範囲にすると、従来の回転子よりもトルクリプルを低減することができる。更に、比（ｇｍ／ｇｏ）が１．５〜４．０の範囲であると、従来の回転子の比（ｇｍ／ｇｏ）が１の場合に対して、トルクリプルを半減させることができる。比（ｇｍ／ｇｏ）が２の場合に、最もトルクリプルを低減できる。

次に、第１の参考例の回転子を、図４を参照して説明する。尚、上記一実施形態と同様な一部分には同符号を付し、その詳細な説明は省略する。
第１の参考例では、回転子３の磁石挿入孔部３１及び永久磁石３２の形状及び配置が、上記一実施形態と異なる。即ち、第１の参考例の磁石挿入孔部３１は、上記一実施形態の１対の磁石挿入孔部１３に対応する箇所、第１の参考例では８箇所に形成されている。磁石挿入孔部３１は、回転子鉄心１１の軸方向に延びて断面が矩形状をなし、矩形状の長手方向の一辺が回転子鉄心１１の外周面に略対向して配置されている。この磁石挿入孔部３１には、永久磁石３２が挿入固定されている。

磁石挿入孔部３１に永久磁石３２が挿入固定されると、永久磁石３２の両端部に逃げ孔部３３，３３が形成され、回転子鉄心１１の外周部において、逃げ孔部３３，３３は、位置Ｃ４に近接した位置にある。
第１の参考例の回転子３においても、上記一実施形態の回転子３と同様の作用効果を奏する。

次に、第２の参考例の回転子を、図５，６を参照して説明する。尚、上記一実施形態と同様な一部分には同符号を付し、その詳細な説明は省略する。
第２の参考例では、図５，６に示すように、回転子３の外周部の形状が、上記一実施形態と異なる。即ち、第２の参考例の外周溝部４１が上記一実施形態の外周溝部２１と異なる。

一対の外周溝部４１，４１の外径の形状は、中心が位置Ｃ２で半径ＲＤの円弧形状をなし、円弧部分の中心が位置Ｃ３と一致し、位置Ｃ３を中心に左右方向（周方向両側）に外周溝部４１が夫々形状されている。

ここで、外周溝部４１の端部のうちの磁極の中心から離れる方向に位置する端部は、磁極の中心と、隣の磁極の中心との中間にあたる位置Ｃ４まで延びておらず、位置Ｃ４よりやや磁極の中心側の位置Ｃ５で、最大のギャップｇｍになっている。そして、位置Ｃ４では、外周溝部４１と固定子２との間のギャップが最小になっており、その最小ギャップの寸法はｇｏである。即ち、回転子鉄心１１の外周部で、一対の永久磁石１４のうちの一方と、その一対の永久磁石１４の隣に位置する一対の永久磁石１４のうちの近接している一方との間に、固定子２側に突出する凸状の突極部４２が形成された形状になる。尚、突極部４２は、図５に示すように、回転子鉄心１１の周方向に８箇所形成されている。

上記構成の回転子３においても、上記一実施形態の場合と同様にトルクリプルの低減ができる。
又、回転子３の回転子鉄心１１に永久磁石１４が設けられているので、永久磁石１４と固定子２の磁極との間の磁気吸引力及び磁気反発力によってトルクが発生し、更に、磁束の通り難い部分と、磁束の通り易い部分（突極部４２）とが形成される（所謂磁気的凹凸が形成される）ので、固定子２に着装されたコイル５，６，７に電流を流すことにより、それらの部分で蓄えられる磁気エネルギーが異なり、この磁気エネルギーの変化によりリラクタンストルクが容易に発生できる。

次に、第３の参考例の回転子を、図７を参照して説明する。尚、上記第２の参考例と同様な一部分には同符号を付し、その詳細な説明は省略する。
第３の参考例では、図７に示すように、回転子３の磁石挿入孔部５１及び永久磁石５２の形状及び配置が、上記第２の参考例と異なる。即ち、第３の参考例の磁石挿入孔部５１は、第２の参考例の一対の磁石挿入孔部１３に対応する箇所、第３の参考例では８箇所に形成されている。磁石挿入孔部５１は、回転子鉄心１１の軸方向に延びて断面が矩形状をなし、矩形状の長手方向の一辺が回転子鉄心１１の外周面に略対向して配置されている。この磁石挿入孔部５１には、永久磁石５２が挿入固定されている。

磁石挿入孔部５１に永久磁石５２が挿入固定されると、永久磁石５２の両端部に逃げ孔部５３，５３が形成され、回転子鉄心１１の外周部において、逃げ孔部５３，５３は、位置Ｃ５，Ｃ５に近接した位置にある。
第３の参考例の回転子３においても、第２の参考例の回転子３と同様の作用効果を奏する。

尚、本発明は上記し且つ図面に示す実施形態に限定されず、次のような変形、拡張が可能である。
上記一実施形態及び第１乃至第３の参考例の回転電機の回転子の外周溝部は、円弧形状であったが、直線状でも良い。
又、本発明の回転電機の回転子及び回転電機は、三相コイルに適用して説明したが、三相コイル以外の複数相のコイルにも適用できる。

本発明の一実施形態を示す回転子の回転子鉄心の拡大図 回転電機の全体構成を概略的に示す側面図 最小ギャップの寸法ｇｏと最大ギャップの寸法ｇｍとの比（ｇｍ／ｇｏ）と、トルクリプルの関係を示す図 第１の参考例を示す図１相当図 第２の参考例を示す図２相当図 図１相当図 第３の参考例を示す図１相当図

符号の説明

図面中、１は回転電機、２は固定子、３は回転子、１１は回転子鉄心、１４，３２，５２は永久磁石、２１、４１は外周溝部を示す。

Claims (2)

1. 回転子鉄心と、
   この回転子鉄心の外周部に周方向に所定の間隔を存して配設され、１つの磁極を構成する一対の永久磁石が外周に向かうに従って対向距離が順次大となるように配置されてなる複数の磁極とを備え、
   前記回転子鉄心の各磁極部分の外周部には、前記磁極の中心から周方向に向かうに従って固定子との間のギャップが連続して大になる形態の一対の外周溝部が形成され、
   前記外周溝部の端部のうち前記磁極の中心から離れる方向に位置する端部は、前記磁極の中心と隣の磁極の中心との中間にあたる位置まで延びており、
   前記固定子に対する磁極の中心におけるギャップの寸法が最小ギャップの寸法に設定されているとともに、該磁極の中心と隣接する磁極の中心との中間にあたる位置におけるギャップの寸法が最大ギャップの寸法に設定され、
   前記最小ギャップの寸法をｇｏとし、前記最大ギャップの寸法をｇｍとした場合、比ｇｍ／ｇｏが１．５〜４．０の範囲になるように設定されていることを特徴とする回転電機の回転子。
2. 固定子と、
   この固定子の界磁空間に配置された請求項１記載の回転子とを具備してなることを特徴とする回転電機。

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