JP5288724B2 - 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。

一般に、電気自動車やハイブリット車などの車両用モータのように使用電圧が高いところで使用される回転電機には、トルクリプル、鉄損及び高調波の低減が求められている。そのため、回転子鉄心の外周部に外周溝部を形成した回転電機の回転子が考えられている（例えば、特許文献１参照）。

図５には、従来の回転子を構成する回転子鉄心１０１の外周部の一部が示されている。回転子鉄心１０１は、円環状の多数の珪素鋼板を積層して構成されている。回転子鉄心１０１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１０２，１０２が複数対、周方向に一定の間隔を存して設けられている（図５では一対図示）。この場合、一対の磁石挿入孔部１０２，１０２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１０２には、磁極形成用の永久磁石１０３が夫々挿入固定され、これにより、磁石挿入孔部１０２の両端部に逃げ孔部１０４，１０５が形成される。ここで、逃げ孔部１０４は、一対の永久磁石１０３，１０３間（磁極）の中心部分、即ち、固定子鉄心（図示せず）側で生じる磁束の通り難い部分のｄ軸に近い側に位置し、逃げ孔部１０５は、外周側に位置する。又、近接する逃げ孔部１０４，１０４間にブリッジ部１０６が必然的に形成され、磁石挿入孔部１０２の逃げ孔部１０５の端部と回転子鉄心１０１の外周との間にチップ部１０７が必然的に形成される。尚、図示はしないが、ｄ軸と周方向に隣合うｄ軸との間にあって、固定子鉄心側で生じた磁束が通り易い部分をｑ軸とする。

ここで、回転子鉄心１０１の外周部には、永久磁石１０３に対応して外周溝部１０８が形成されている。この外周溝部１０８の底部の範囲は、所定の角度（ｄ軸に対して電気角φ_１）を存する位置から、所定の角度（ｄ軸に対して電気角φ_２）を存する位置までである。電気角φ_１に溝があると、トルクリプル及び鉄損の低減が可能になり、電気角φ_２に溝があると、永久磁石１０３の磁束の立上がりが制限され、高調波の低減が可能になる。電気角φ_２は、例えば、ｄ軸より離れる方向側（ｑ軸側）に存するチップ部１０７近傍（ｑ軸に最も近い永久磁石１０３の短尺の端面１０３ａの延長線と回転子鉄心１０１の外周と交差する位置）と回転子鉄心１０１の中心とを結ぶ直線と、ｄ軸とのなす角である。
特開２００４−３２８９５６号公報

回転子鉄心１０１の外周部に外周溝部１０８が形成されている回転子が回転すると、外周溝部１０８で空気抵抗が増加して損失となり、効率が悪くなる虞がある。
又、電気自動車やハイブリット車などの車両用モータとして使用される回転電機は、回転子や固定子の摩耗や発熱を防ぐために、潤滑油や冷却油に一部が浸漬されることがある。この場合、回転子鉄心１０１の外周部に外周溝部１０８が形成されていると、この外周溝部１０８によって潤滑油や冷却油等が攪拌される。そのため、潤滑油や冷却油等が抵抗となり、損失が増加して効率が悪くなる。

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、鉄損及び高調波の低減ができ、且つ、回転子の回転による抵抗の発生を抑制できて、効率の向上を図ることができる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一定の間隔を存して設けられた複数対の磁石挿入孔部と、これらの磁石挿入孔部に夫々挿入固定された磁極形成用の永久磁石と、前記回転子鉄心の外周部に設けられ、対となる前記永久磁石間にある前記磁極の中心（ｄ軸）に対する所定の角度位置（ｄ軸に対して電気角φ１を存する位置）から前記中心（ｄ軸）より離れる方向側の所定の角度位置（ｄ軸に対して電気角φ２を存する位置）までの範囲にわたる外周孔部とを具備し、前記複数対の磁石挿入部は、夫々前記回転子鉄心の外周に向かうに従って対向距離が順次大となる対に構成され、前記外周孔部は、前記回転子鉄心の同心円上に位置する複数個の孔で構成され、これらの複数の孔は、前記ｄ軸に最も近い側の孔がそのｄ軸に対して電気角φ１を存する位置に設けられ、前記ｄ軸から最も離れる側の孔がそのｄ軸に対して電気角φ２を存する位置に設けられているとともに、前記ｄ軸から離れる孔ほど周方向に長くなるように形成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、固定子鉄心と、この固定子鉄心に着装されたコイルと、請求項１に記載の回転子とを具備したことを特徴としている（請求項２の発明）。

本発明によれば、回転子鉄心の外周部に、磁極の中心（ｄ軸）に対する所定の角度位置（ｄ軸に対して電気角φ１を存する位置）から中心（ｄ軸）より離れる方向側の所定の角度位置（ｄ軸に対して電気角φ２を存する位置）までの範囲にわたる外周孔部を設けたので、外周孔部でトルクリプル、鉄損及び高調波の低減が可能になる。
そして、外周孔部は、従来の外周溝部とは異なり、回転子鉄心の外周面に位置しないので、回転子鉄心の外周で空気、潤滑油或いは冷却油を攪拌することは無く、損失の発生を抑制できて、効率の向上を図ることができる。
更に、前記外周孔部は、前記回転子鉄心の同心円上に位置する複数個の孔で構成され、これらの複数の孔は、前記ｄ軸に最も近い側の孔がそのｄ軸に対して電気角φ１を存する位置に設けられ、前記ｄ軸から最も離れる側の孔がそのｄ軸に対して電気角φ２を存する位置に設けられているとともに、前記ｄ軸から離れる孔ほど周方向に長くなるように形成されているので、永久磁石の磁束の立上がりを滑らかにすることができる。

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第１の実施形態を、図１及び図２を参照して説明する。
図２に本実施形態に係る回転電機１の固定子２及び固定子２の内周側に位置する回転子３の概略構成を示す。
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、各相のコイル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、周方向に一定の間隔を存して設けられている（図１では一対図示）。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、磁極形成用の永久磁石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（磁極）の中心部分、即ち、固定子鉄心４側で生じた磁束が通り難い部分のｄ軸に近い側に位置し、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の外周との間にチップ部１８が必然的に形成される。チップ部１８の厚さ寸法（逃げ孔部１６から回転子鉄心１１の外周部までの最短の長さ）は、回転子３の回転によって永久磁石１４による遠心力を受けても破損しない強度を有し、且つ、永久磁石１４の端部の磁束漏洩が大きくならないように設定されている。
尚、ｄ軸と周方向に隣合うｄ軸との間にあって、固定子鉄心４側で生じる磁束の通り易い部分をｑ軸（図２参照）とする。

ここで、回転子鉄心１１の一対の永久磁石１４，１４間の外周部には、永久磁石１４に対応して外周孔部１９が形成されている。外周孔部１９の、回転子鉄心１１の周方向の範囲は、ｄ軸に対する所定の角度（ｄ軸に対して電気角φ_１）を存する位置から、ｄ軸に対する所定の角度（ｄ軸に対して電気角φ_２）を存する位置まで、即ち、ｄ軸より離れる方向側（ｑ軸側）に存するチップ部１８近傍までである。電気角φ_１に孔があると、トルクリプル及び鉄損の低減が可能になり、電気角φ_２に孔があると、永久磁石１０３の磁束の立上がりが制限され、高調波の低減が可能になる。この場合、電気角φ_２は、例えば、ｑ軸側に存するチップ部１８近傍（例えば、外周孔部１９のｑ軸側の円弧端部のうちの、回転子鉄心１１の外周側の端部）と回転子鉄心１１の中心とを結ぶ直線と、ｄ軸とのなす角である。又、外周孔部１９の、回転子鉄心１１の径方向に対向して位置する二辺は、略平行の関係である。

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には、磁束の通り難い部分のｄ軸と、磁束の通り易い部分のｑ軸とが形成される（所謂磁気的凹凸が形成される）ので、これらｄ軸及びｑ軸と、固定子２との空隙部分で、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トルクが発生する。又、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もトルクは発生する。これにより、回転子３が回転するようになる。

このような本実施形態によれば、回転子鉄心１１の外周部に、電気角φ_１から電気角φ_２の位置までの範囲にわたる外周孔部１９を設けたので、外周孔部１９でトルクリプル、鉄損及び高調波の低減が可能になる。
そして、外周孔部１９は、従来の外周溝部１０８とは異なり、回転子鉄心１１の外周面には位置していないので、回転子３が回転しても、例えば空気抵抗は少なく、損失の発生を抑制できて、効率の向上を図ることができる。

特に、回転子３の一部が、潤滑油、冷却油等の液体に浸漬される場合、従来では外周溝部１０８が液体を攪拌することになって、回転子の抵抗が著しく大きくなり、損失が増大するが、本実施形態では、外周孔部１９が液体を攪拌することは無く、或いは、攪拌してもそれほどでも無く、従って、損失の発生を著しく抑制することができて、効率の向上を一層図ることができる。

次に、本発明の第２の実施形態の回転子を、図３を参照して説明する。尚、上記第１の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。
図３には、本発明の第２の実施形態の回転子を構成する回転子鉄心２１の一部が示されている。回転子鉄心２１の外周面には、第１の実施形態の回転子鉄心１１の形状と同様に、溝部が形成されていない。

ここで、回転子鉄心２１の永久磁石１４より外周側の外周部には、第１の実施形態の回転子鉄心１１と同様に、永久磁石１４に対応して外周孔部２２が形成されている。そして、第２の実施形態の外周孔部２２は、複数個の孔、例えば３個の孔２２ａ，２２ｂ，２２ｃで構成され、これら孔２２ａ，２２ｂ，２２ｃは、回転子鉄心２１の同心円上に位置している。孔２２ａは、ｄ軸に対する所定の角度（ｄ軸に対して電気角φ_１）を存する位置に設けられている。孔２２ｃは、ｄ軸に対する所定の角度（ｄ軸に対して電気角φ_２）を存する位置、即ち、ｄ軸より離れる方向側（ｑ軸側）に存するチップ部１８近傍に設けられている。孔２２ｂは、孔２２ａと孔２２ｃとの中間に設けられている。

孔２２ａ，２２ｂ，２２ｃは、ｄ軸から離れる方向に向かうに従って、孔の形状が周方向に長く形成されており、孔２２ａ，２２ｂ，２２ｃのうちでは、孔２２ｃが最も周方向に長い形状をなしている。尚、この場合、孔２２ｃのｄ軸から最も離れた端部付近（例えば、外周孔部２２のｑ軸側の円弧端部のうちの、回転子鉄心２１の外周側の端部）に電気角φ_２がある。
外周孔部２２において、回転子鉄心２１の径方向に対向して位置する二辺は、略平行の関係である。

第２の実施形態の回転子においても、第１の実施形態の回転子と同様の作用効果を奏する。又、外周孔部２２の孔２２ａ，２２ｂ，２２ｃを、ｄ軸から離れる方向に向かうに従って、孔の形状が周方向に長く形成したので、永久磁石１４の磁束の立上がりを滑らかにすることができる。

次に、本発明の第３の実施形態の回転子を、図４を参照して説明する。尚、上記第１の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３の実施形態では、回転子を構成する回転子鉄心３１の外周部に設けられる磁石挿入孔部３２及び永久磁石３３の形状及び配置が、上記第１の実施形態と異なる。即ち、本実施形態の磁石挿入孔部３２は、回転子鉄心３１のｄ軸に対応する箇所、本実施形態では８箇所に形成されている。この磁石挿入孔部３２には、永久磁石３３が挿入固定されている。この場合、永久磁石３３の長尺方向の辺の一方が回転子鉄心３１の外周と近接するように対向配置され、永久磁石３３の長尺方向の辺の中心がｄ軸と一致して配置されている。又、永久磁石３３の端面３３ａの延長線と後述する外周孔部３４のｑ軸側の端部付近（例えば、外周孔部３４のｑ軸側の円弧端部のうちの、回転子鉄心３１の外周側の端部）との交点部分が電気角φ_２になるように、永久磁石３３の大きさが設定されている。尚、図示はしないが、ｄ軸と周方向に隣合うｄ軸との間にあって、固定子鉄心４側で生じた磁束の通り易い部分をｑ軸とする。

この磁石挿入孔部３２に永久磁石３３が挿入固定されると、永久磁石３３の両端部に逃げ孔部３５，３５が形成され、回転子鉄心３１の外周部において、逃げ孔部３５と回転子鉄心３１の外周との間にチップ部３６が必然的に形成される。

ここで、回転子鉄心３１の永久磁石３３より外周側の外周部には、前述したように、外周孔部３４，３４が形成されている。各外周孔部３４の、回転子鉄心３１の周方向の範囲は、ｄ軸に対する所定の角度（ｄ軸に対して電気角φ_１）を存する位置から、ｄ軸に対する所定の角度（ｄ軸に対して電気角φ_２）を存する位置まで、即ち、ｄ軸より離れる方向側（ｑ軸側）に存するチップ部３６近傍までである。

上記構成の回転子（回転子鉄心３１）には、上述したように、永久磁石３３の長尺方向の辺の中心を通ようにｄ軸が形成され、又、周方向に隣合うｄ軸間にｑ軸が形成される（所謂磁気的凹凸が形成される）ので、第１の実施形態と同様に、トルクが発生する。又、回転子鉄心３１には、永久磁石３３が設けられているので、永久磁石３３と固定子２（図２参照）の磁極との間の磁気吸引力及び磁気反発力によってもトルクは発生する。
又、外周孔部３４を形成したので、第３の実施形態の回転子においても、第１の実施形態の回転子と同様の効果を奏する。

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。
第２の実施形態の回転電機の回転子の外周孔部を、４個以上の孔で構成しても良い。
第３の実施形態の回転電機の回転子の外周孔部を、第２の実施形態の外周孔部のように、複数個の孔で構成しても良い。
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。更に、上記した構成部品の寸法等についても、適宜変更することができる。又、車両用回転電機に限定されない。

本発明の第１の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 本発明の第２の実施形態を示す図１相当図 本発明の第３の実施形態を示す図１相当図 従来の回転子の回転子鉄心を示す図１相当図

符号の説明

図面中、１は回転電機、３は回転子、４は固定子鉄心、５はＵ相コイル、６はＶ相コイル、７はＷ相コイル、１１，２１，３１は回転子鉄心、１３，３２は磁石挿入孔部、１４，３３は永久磁石、１９，２２，３４は外周孔部、２２ａ，２２ｂ，２２ｃは孔を示す。

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一定の間隔を存して設けられた複数対の磁石挿入孔部と、
   これらの磁石挿入孔部に夫々挿入固定された磁極形成用の永久磁石と、
   前記回転子鉄心の外周部に設けられ、対となる前記永久磁石間にある前記磁極の中心（ｄ軸）に対する所定の角度位置（ｄ軸に対して電気角φ１を存する位置）から前記中心（ｄ軸）より離れる方向側の所定の角度位置（ｄ軸に対して電気角φ２を存する位置）までの範囲にわたる外周孔部とを具備し、
   前記複数対の磁石挿入孔部は、夫々前記回転子鉄心の外周に向かうに従って対向距離が順次大となる対に構成され、
   前記外周孔部は、前記回転子鉄心の同心円上に位置する複数個の孔で構成され、
   これらの複数の孔は、前記ｄ軸に最も近い側の孔がそのｄ軸に対して電気角φ１を存する位置に設けられ、前記ｄ軸から最も離れる側の孔がそのｄ軸に対して電気角φ２を存する位置に設けられているとともに、前記ｄ軸から離れる孔ほど周方向に長くなるように形成されていることを特徴とする回転電機の回転子。
2. 固定子鉄心と、
   この固定子鉄心に着装されたコイルと、
   請求項１記載の回転子とを具備したことを特徴とする回転電機。

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