JP5259927B2

JP5259927B2 - 永久磁石式回転電機

Info

Publication number: JP5259927B2
Application number: JP2006096376A
Authority: JP
Inventors: 豊松延; 隆安原; 徳昭日野; 文男田島; 正司北村
Original assignee: Hitachi Automotive Systems Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2006-03-31
Filing date: 2006-03-31
Publication date: 2013-08-07
Anticipated expiration: 2026-03-31
Also published as: JP2007274798A

Description

本発明は、永久磁石を回転子鉄心の周方向に間隔を置いて多層に埋め込んだ回転子と、分布巻きコイルを有する固定子鉄心とを備えた永久磁石式回転電機に関する。

電動車両、特に、電気自動車（ＥＶ）やハイブリット自動車（ＨＥＶ）の駆動等に用いる電動機としては、小形軽量，高効率であることが望まれる。近年、高性能磁石材の開発によって、電動車両（特に、ＥＶやＨＥＶ）の駆動用モータは、誘導電動機やリラクタンスモータよりも小型軽量，高効率にできる点に着目して永久磁石電動機が主流となっている。

永久磁石電動機では、大電流を流さなくても大きな磁束量が発生でき、特に低速時で、高トルクの領域において、その特徴を発揮することができる。

電動車両、特にＥＶやＨＥＶ駆動等に用いる電動機の特徴的な回転子構造は、鉄損発生，高電圧発生対策，永久磁石の保持等を考慮して積層珪素鋼板の中に永久磁石を埋め込む埋め込み型の永久磁石式回転電機が主流になりつつある。

その反面、電動機の振動あるいは騒音の素となるトルクリップル及びコギングトルクが大きいといった問題がある。

特許文献１にはこの種トルクリップル及びコギングトルクを、回転子鉄心にＶ字状にして埋込んで設けた一対の永久磁石の外側に非磁路端部設け、周方向に隣り合う非磁路形成部の近接する一対の非磁路端部を、その周方向に隣り合う一対の非磁路端部に対して異なる形状に形成することにより低減することが記載されている。

特開２００５−３１２１０２号公報特許第３１７２５０６号公報

しかしながら、特許文献１ではトルクリップル及びコギングトルクの低減効果はあるものの、出力トルクに関しては考慮されていない。

本発明は、コギングトルク及びトルクリプルを低減した上で出力トルクも満足できる永久磁石式回転電機を提供する。

ここに、本発明は、周方向に等間隔で、かつ軸心方向に向かって延びる複数の歯部に固定子巻線を巻装した固定子鉄心と、該固定子鉄心に回転空隙をもって対向し、周方向に極性が交互に着磁された複数の永久磁石を埋設して磁極部を形成した回転子鉄心とを有し、前記永久磁石は周方向に、磁極中心に対して線対称で、前記回転子鉄心の外周面に向かって開口角を持つように径方向に多層に配置され、磁極の多層になっている磁石の層の外側に位置するそれぞれの磁石は少なくとも径方向外側に非磁性領域を隣接し、磁極の多層になっている磁石の層の内側に位置するそれぞれの磁石は、少なくとも径方向内側に非磁性領域を隣接するとともに、前記回転子鉄心に形成された磁石挿入孔に挿入され、径方向外側に前記回転子鉄心の部分が存在するように前記回転子鉄心の内部に埋設されており、前記磁石の長辺の長さを幅、前記磁石の短辺の長さを厚さとしたとき、前記磁極の多層になっている磁石の層の内側に位置するそれぞれの磁石は前記磁極の多層になっている磁石の層の外側に位置するそれぞれの磁石より幅を狭くし、厚さを厚くしていることを特徴とする。

本発明において、磁極の外側に位置するそれぞれの磁石の径方向内側に非磁性領域を形成することが好ましい。

本発明において、磁極の外側に位置するそれぞれの磁石の径方向両側に非磁性領域を形成することが好ましい。

本発明において、磁極の外側に位置するそれぞれの磁石の径方向両側に非磁性領域を形成し、磁極の内側に位置するそれぞれの磁石の径方向両側に非磁性領域を形成することが好ましい。

本発明において、磁極の内，外側に位置するそれぞれの磁石を、非磁性領域を介してＶ字状に配置することが好ましい。

本発明において、磁極の内，外側に位置するそれぞれの磁石を、非磁性領域を介してＵ字状に配置することが好ましい。

本発明において、非磁性領域は、回転子鉄心を貫通する空孔であることが好ましい。

本発明によれば、コギングトルク及びトルクリプルを低減した上で出力トルクも満足できる永久磁石式回転電機を提供できる。

また、本発明によれば、低トルクリプルの永久磁石式回転電機得ることができ、低振動で低騒音の電動車両を得ることができる。

以下、図１〜図３及び図６を用いて、本発明の第１の実施形態による永久磁石式回転電機の構成について説明する。ここでは、一例として、回転電機は、固定子として分布巻の巻線構造で、回転子の極数は８極の永久磁石電動機の例で説明する。最初に、図１及び図２を用いて、本実施形態による永久磁石式回転電機の全体構成について説明する。

なお、図面に用いられる符号で同一のものは同一部分を示し、同一機能を有すものとする。

図１，図２に示すように、永久磁石式回転電機１は、固定子２と、回転子３と、エンドブラケット４Ａ，４Ｂとを備えている。前記固定子２は、磁性鋼板を積層して形成した固定子鉄心４と、固定子巻線５とを備えている。前記回転子３は、前記固定子鉄心同様磁性鋼板を積層して形成した回転子鉄心６と、その鉄心の回転中心に貫通して固着されたシャフト７とを備えている。また、前記回転子３は、シャフト７を介して、前記エンドブラケット４Ａ，４Ｂに装着したベアリング８Ａ，８Ｂにて回転可能に保持されている。

なお、固定子鉄心４の外周は放熱性を考慮して開放型になっているが、用途に応じては密閉型にして強制冷却するのもよい。

前記回転子３のシャフト７上には、回転子３の位置を検出する磁極位置検出器ＰＳと、位置検出器Ｅとが備えられている。この磁極位置検出器ＰＳ，位置検出器Ｅによって検出された回転子位置に応じて固定子巻線５に３相の電流を加えることによって回転磁界を発生させる。この回転磁界と回転子３に装着された永久磁石９，１０，１１，１２の間に発生する磁気的な吸引，反発力を発生させて、連続的な回転力を発生させるものである。ここで、電流の位相を適切に選択することによって低速大トルク領域では永久磁石９，１０，１１，１２によるトルクと、補助突極６１によるリラクタンストルクとの合成トルクが最大になるように制御される。

一方、前記永久磁石の誘起電圧がモータの端子電圧（バッテリ電圧）以上となる高速領域では、電流のベクトルを進ませることによって永久磁石９，１０，１１，１２の中心に固定子巻線電流による回転磁界が減磁力となって作用するように、弱め界磁制御する。これによって、効果的に永久磁石９，１０，１１，１２の磁束を減少させることで、回転電機の鉄損を低減させて高効率の運転を可能にする。

次に、図２に示すように、固定子鉄心４は、円環状のヨーク部４１と、鉄心歯部４２とからなる。この鉄心歯部４２を形成することによって、隣接する鉄心歯部４２間には固定子巻線５を収納するスロット４３を形成することになる。ここで、前記固定子巻線５には、一般の３相（Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相）の分布巻の巻線が巻回されている。なお、前記鉄心歯部４２の数は４８個であり、スロット４３の数も４８個である。一相辺りの固定子歯部
（突極）４２の数は、１６個である。

前記回転子鉄心６は、図２，図３から分かるように周方向に等間隔で、かつＶ字状で周方向に多層に配置される前記永久磁石９，１０，１１，１２の挿入孔９Ａ，１０Ａ，11Ａ，１２Ａを有している。回転子３の極数は、８極であり、前記挿入孔９Ａ，１０Ａは一磁極あたり４個で３２個備えている。例えば、４個の挿入孔９Ａ，１０Ａに挿入された永久磁石９，１０は、同極となり、これにより一極を構成する。例えば、永久磁石９，１０の極性をＳ極とすると、これに対して周方向に隣接する永久磁石１１，１２の極性はＮ極となっており、周方向に交互の極性となっている。前期挿入孔９Ａ，１０Ａ,１１Ａ,１２Ａは、回転子鉄心６の半径方向に対して、線対称にとなるように配置されていて、対向する外側の挿入孔９Ａ，１１Ａ及び内側の挿入孔１０Ａ，１２Ａはそれぞれ外周面に向かってＶ字状に４０度の開口角を持って配置されている。したがって、一磁極当たり４個の永久磁石９，１０が配置されることになるため、一磁極当たりの磁束密度を高くできる。

さらに、前記磁石の挿入孔９Ａ，１０Ａ，１１Ａ，１２Ａは、永久磁石９，１０の外周部にそれぞれ磁極片６２，６３，６４，６５を形成することになり、永久磁石９，１０，１１，１２が発生する磁束を回転子３と固定子２の間にある回転空隙を介して固定子２側に流れて磁気回路を形成する。

ここで、前記永久磁石９，１０，１１，１２の形状及びその配置について述べる。

前述したとおり磁極毎に周方向に等間隔に配置される永久磁石９，１０，１１，１２は回転子鉄心６を軸方向に貫通して、多層Ｖ字状に形成されたそれぞれの挿入孔９Ａ，10Ａ，１１Ａ，１２Ａに挿入され接着剤等により固着されている。

ここで一極を構成する永久磁石の配置構造は、図３を用いて説明するならば、磁極中心に対して線対称で、かつＶ字状に配置された２層構造の永久磁石の外側磁石９は、ほぼ
８０度の開角度で、回転子鉄心６の外周部周囲に位置している。そして該磁石の半径方向両端及び磁石の内側先端間には漏洩磁束を阻止するための磁気空間９ｂ，９ｃ，９ｄを形成している。なお、上記空間９ｂ，９ｃは他の空間９ｄ１，０ｄと共に通常積層鋼板をパンチングプレスで打ち抜くため磁石挿入孔９Ａの形成と同時に行い、磁石が周方向及び半径方向に移動できないような寸法形状にしてしっくり納められている。

次に内側に位置する永久磁石１０は、前記磁石同様に対を成して内側磁石１０を形成していて、前記外側磁石と平行に配置されている。その磁石は周方向から見て予め台形状に打ち抜いた磁石挿入孔１０Ａに装着されている。従って断面四角状の磁石を装着した状態では前記磁石同様に半径方向両端に磁気空間１０ｂ，１０ｃが形成される。１０ｄは磁極の中心で回転子鉄心６の外周部に形成される磁気空間で有効磁束の漏洩を阻止するものである。

前記内側磁石は、電動機の回転トルクを向上させるために設けたものであるが、磁石電動機特有の問題である弱め界磁時に流れるｄ軸電流が流れ、内側磁石に減磁作用が働くことを考慮しなければならない。従って、本構造では減磁作用の影響が少ない外側磁石より起磁力の大きな磁石を用いている。

具体的一実施例では、外側磁石９の周方向厚さが４mmで有るのに対し、内側磁石１０の周方向厚さは５.５mm としてある。磁石厚さは減磁力に比例しているため、内側磁石１０は外側磁石９よりも１.３７５倍、減磁に対して強い構成と言える。このような構成をとることによって、弱め界磁時に流れるｄ軸電流によって内側磁石１０に減磁作用が働いてもその内側磁石１０の減磁体力が外側磁石９に対して１.３７５倍と大きく、減磁に対して強いモータとする事が出来る。

この状況は図６に示した出力トルク特性図から見ても明らかである。すなわち、図６は本願の先行技術として上げた単層磁石の構成を従来技術とした場合の出力特性比較図で、図３に示した範囲（電気回転角０〜１８０度）を示している。特に内側磁石１０を設けたことにより電気回転角６０〜１２０度の範囲での出力向上が顕著である。

また、現状の体格のまま、内側磁石１０を外側磁石９に並設すれば外側磁石９を内側磁石１０よりも０.７３倍薄くする事が出来るのでその分磁石量を低減できる利点がある。

図４は他の実施例を示すもので、内側磁石１１を台形の磁石挿入打ち抜き孔１１Ａに合わせて埋設したもので、前記実施例に加えて内側磁石１１を増量できるので一段と出力を向上させることができる。ここで用いられる磁石は一般に金型を用いて成形されるのが一般的であるため、その形状は任意で、自由で有り生産性を損ねることはない。

図５は更に他の実施例を示すもので、内側磁石１２の磁石挿入打ち抜き孔１２Ａの角を曲面Ｒとし、その形状に合わせて内側磁石１２を埋設したもので、前記同様出力の増加が図れる。また、回転子の回転時に角部に集中して生じる磁石の遠心応力を角部自身の曲面Ｒに沿って分散させることが出来、高速回転時の遠心応力集中を簡単に避けることが出来る。

このような構成をとることによって１００００rpm 以上の高速回転が可能となり、一方上記で述べた本発明の性能的特徴は同時に得られる効果がある。

なお、上記実施例では，いずれもＶ字状で２層構造に磁石を配置したものを示したが，必要に応じて２層以上にすることも容易である。また、Ｕ字状の配列でも同等の効果が得られる。

本発明の第１実施形態による永久磁石式回転電機の要部縦断側面図である。図１におけるＡ−Ａ矢視断面図である。図２における一部拡大断面図である。本発明の第２実施形態による永久磁石式回転電機の要部横断正面図である。本発明の第３実施形態による永久磁石式回転電機の要部横断正面図である。図１の永久磁石式回転電機の出力トルク特性図である。

符号の説明

３…回転子、４…固定子鉄心、５…固定子巻線、６…回転子鉄心、９，１０，１１，
１２…永久磁石、９Ａ，１０Ａ，１１Ａ，１２Ａ…磁石の挿入孔、９ｂ，９ｃ，１０ｂ，１０ｃ…非磁性領域、９ｄ，１０ｄ…磁気空隙、６１…補助突極。

Claims

周方向に等間隔で、かつ軸心方向に向かって延びる複数の歯部に固定子巻線を巻装した固定子鉄心と、
該固定子鉄心に回転空隙をもって対向し、周方向に極性が交互に着磁された複数の永久磁石を埋設して磁極部を形成した回転子鉄心とを有し、
前記永久磁石は周方向に、磁極中心に対して線対称で、前記回転子鉄心の外周面に向かって開口角を持つように径方向に多層に配置され、
磁極の多層になっている磁石の層の外側に位置するそれぞれの磁石は少なくとも径方向外側に非磁性領域を隣接し、
磁極の多層になっている磁石の層の内側に位置するそれぞれの磁石は、少なくとも径方向内側に非磁性領域を隣接するとともに、前記回転子鉄心に形成された磁石挿入孔に挿入され、径方向外側に前記回転子鉄心の部分が存在するように前記回転子鉄心の内部に埋設されており、
前記磁石の長辺の長さを幅、前記磁石の短辺の長さを厚さとしたとき、
前記磁極の多層になっている磁石の層の内側に位置するそれぞれの磁石は前記磁極の多層になっている磁石の層の外側に位置するそれぞれの磁石より幅を狭くし、厚さを厚くしていることを特徴とする永久磁石式回転電機。
請求項１に記載の永久磁石式回転電機において、
磁極の多層になっている磁石の層の外側に位置するそれぞれの磁石はその径方向内側に非磁性領域を形成していることを特徴とする永久磁石式回転電機。
請求項１に記載の永久磁石式回転電機において、
磁極の多層になっている磁石の層の外側に位置するそれぞれの磁石はその径方向両側に非磁性領域を形成していることを特徴とする永久磁石式回転電機。
請求項１に記載の永久磁石式回転電機において、
磁極の多層になっている磁石の層の外側に位置するそれぞれの磁石はその径方向両側に非磁性領域を形成し、磁極の多層になっている磁石の層の内側に位置するそれぞれの磁石も径方向両側に非磁性領域を形成していることを特徴とした永久磁石式回転電機。
請求項１乃至４のいずれかに記載の永久磁石式回転電機において、
磁極の多層になっている磁石の層の内，外側に位置するそれぞれの磁石は、非磁性領域を介してＶ字状に配置され、前記Ｖ字状の頂点が軸中心に向かって形成されていることを特徴とした永久磁石式回転電機。
請求項１乃至４のいずれかに記載の永久磁石式回転電機において、
磁極の多層になっている磁石の層の内，外側に位置するそれぞれの磁石は、非磁性領域を介してＵ字状に配置され、前記Ｕ字状の頂点が軸中心に向かって形成されていることを特徴とした永久磁石式回転電機。
請求項１乃至６のいずれかに記載の永久磁石式回転電機において、
非磁性領域は回転子鉄心を貫通する空孔であることを特徴とした永久磁石式回転電機。