JP5310790B2 - 回転電機のロータ - Google Patents

Description

本発明は、ハイブリッド車両や電気自動車等に搭載される回転電機のロータに関する。また、産業用機器、家庭電化製品等への適用も可能である。

回転電機として、永久磁石が埋め込まれたロータを搭載する永久磁石型回転電機が知られている。
図７に示すように、永久磁石型回転電機のロータ１００は、ロータコア１０１に形成されたスロット１０２に、永久磁石１０３を挿入してなっている。

永久磁石１０３において、ロータコア１０１のステータ側の周面である外周面１０１ａから最も離れた角部を第１角部１０３ａとし、永久磁石の磁化方向において、第１角部と対向する位置にある角部を第２角部１０３ｂとすると、第２角部１０３ｂは、ステータ側からの磁束によって反磁界を集中して受けやすく、永久減磁する虞がある。なお、反磁界とは、永久磁石１０３の磁化方向と反対方向に外部から受ける磁場のことである。すなわち、図７（ｂ）に示すように、ステータ側からの磁束が、第２角部１０３ｂ近傍のロータコア１０１を通って第１角部１０３ａ近傍のロータコア１０１に短絡する際に、第２角部１０３ｂに反磁界が集中する現象が生じる虞がある。

そこで、特許文献１では、永久磁石の反磁界を受けやすい箇所における磁化方向の厚さを厚くして、永久磁石の耐減磁性を確保する技術が開示されている。
しかし、永久減磁に耐えるためには、反磁界の最大値が大きいほど、磁化方向の厚さを大きくする必要があり、磁石量が嵩むという問題が生じる。

特開２００８−２８３８２３号公報

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、永久磁石型回転電機のロータにおいて、永久磁石がステータから受ける反磁界を平均化し、永久磁石が受ける反磁界の最大値を低減することを目的とする。

〔請求項１の手段〕
請求項１に記載の回転電機のロータは、ステータに対向する周面を有するロータコアと、このロータコアに形成されたスロット内に埋め込まれる永久磁石とを備える。
永久磁石は、ロータコアの軸方向からみて、複数の角部を有しており、ロータコアのステータに対向する周面から最も離れた角部を第１角部とし、永久磁石の磁化方向において、第１角部と対向する位置にある角部を第２角部とすると、第２角部とスロットの内周面との間に隙間が設けられている。
この隙間を形成するスロットの内周面は、第１角部に臨むスロットの内周面上に中心を有する円弧面となっている。

ステータ側からの磁束は、第２角部近傍のロータコアを通って、第１角部近傍のロータコアに短絡しようとするが、本手段によれば、第２角部とスロットの内周面との間に隙間を設けるとともに、隙間を形成するスロットの内周面を円弧状にすることで、ステータ側からの磁束が短絡しようとする第１角部近傍のロータコアから等距離に第２角部近傍のロータコアが存在するようにしている。
これによれば、第２角部近傍の磁気抵抗が平均化され、弱めの磁束が分散して第２角部近傍を通過して、第１角部近傍のロータコアに短絡する。

このため、ステータ側からの磁束による反磁界が永久磁石の第２角部に集中することがなくなり、反磁界が永久磁石の広い範囲に平均的にかかることになるので、反磁界の最大を低減することができる。この結果、永久磁石の磁化方向の厚さを薄くすることができ、磁石量を低減することができる。

〔請求項２の手段〕
請求項２に記載の回転電機のロータによれば、第１角部はスロットの内周面に当接しており、円弧面の円弧の中心は、スロットの内周面の第１角部が当接する点である。
本手段は、請求項１に記載の手段の一実施態様であって、請求項１と同様の作用効果を奏する。

〔請求項３の手段〕
請求項３に記載の回転電機のロータによれば、永久磁石において、第１角部と第２角部との間の側面を第１側面とすると、第１角部に臨むスロットの内周面は、第１側面に当接するスロットの内周面を含み、円弧面の円弧の中心は、第１側面に当接するスロットの内周面において、最も第２角部に近い点である。
本手段は、請求項１に記載の手段の一実施態様であって、請求項１と同様の作用効果を奏する。

〔請求項４の手段〕
請求項４に記載の回転電機のロータによれば、永久磁石は、磁化方向がロータコアの径方向に対して傾斜するように配置されている。そして、磁化方向に略垂直な方向の一端側に第２角部及び第１角部を有し、磁化方向に略垂直な方向の一端側での永久磁石の磁化方向の厚さが、磁化方向に略垂直な方向の他端側での永久磁石の磁化方向の厚さよりも薄い。

請求項１の構成により第２角部近傍の反磁界を低減することができるため、本手段によれば、磁化方向に垂直な方向において第２角部が存在する側では永久磁石の磁化方向の厚さを薄くすることができる。これにより、磁石量を低減することができる。

〔請求項５の手段〕
請求項５に記載の回転電機のロータによれば、永久磁石が、複数個の磁石片からなっており、複数個の磁石片は、磁化方向が同一方向を向くように、磁化方向に略垂直な方向に沿って並んで配置されている。
磁化方向に略垂直な方向の一端側に並ぶ磁石片の磁化方向の厚さが、磁化方向に略垂直な方向の他端側に並ぶ磁石片の磁化方向の厚さよりも薄い。

請求項１の構成により第２角部近傍の反磁界を低減することができるため、本手段によれば、磁化方向に垂直な方向において第２角部が存在する側では磁石片の磁化方向の厚さを薄くすることができる。これにより、磁石量を低減することができる。

〔請求項６の手段〕
請求項６に記載の回転電機のロータによれば、複数個の磁石片は、磁化方向においてステータ側を向く側面が面一となるように配置されている。
これによれば、複数個の磁石片をステータに近づけることが可能となり、磁束損失を低減することができる。

回転電機の断面図である（実施例１）。 （ａ）はロータの部分軸方向視図であり、（ｂ）は（ａ）の部分拡大図である（実施例１）。 ロータ内の磁束の流れを説明する図である（実施例１）。 ロータの部分拡大図である（実施例２）。 ロータの部分軸方向視図である（実施例３）。 ロータの断面図である（変形例）。 （ａ）は従来のロータの部分軸方向視図であり、（ｂ）は従来のロータ内の磁束の流れを説明する図である。

本発明を実施するための形態を以下の実施例により詳細に説明する。

〔実施例１〕
〔実施例１の構成〕
実施例１の回転電機１を、図１〜図３を用いて説明する。
実施例１の回転電機１は、モータジェネレータであって、図１に示すように、回転磁界を発生可能なステータ２と、ステータ２の内周側に配されて回転するロータ３とを備える。すなわち、本実施例の回転電機１は、円筒上のステータ２の内周にロータ３が配置されるインナーロータ型である。なお、図１では、中心線の片側が省略されている。

ステータ２は、複数の電磁鋼板を積層して円筒状に形成されたステータコア６と、ステータコア６に巻装されたステータコイル７とを有している。そして、ステータコイル７に３相交流電流が流れることにより回転磁界を形成し、回転磁界内に配されるロータ３を回転させることが可能である。

ロータ３は、永久磁石型であって、ステータ２と同心的にステータ２の内周に配されるロータコア９と、ロータコア９に埋め込まれて磁極を形成する複数の永久磁石１０とを有している。

ロータコア９は、複数の電磁鋼板を積層して円筒状に形成されており、その中心には回転軸となるシャフト１１が固定されている。また、ロータコア９の軸方向両端には、ロータコア９を軸方向に挟むエンドプレート１２が配されている。
そして、ロータコア９には、永久磁石１０を収容するためのスロット１３が軸方向に延びる孔として形成されている。なお、本実施例では、スロット１３は、ロータコア９の軸方向に貫通する孔として設けられている。

永久磁石１０は、それぞれ、軸方向に垂直な断面が矩形となる形状を呈している。つまり、軸方向から見て、矩形状を呈している。
永久磁石１０の磁化方向に垂直な方向を磁化垂直方向と呼ぶと、永久磁石１０は、それぞれ、磁化方向に短く、磁化垂直方向に長い長方形断面を有している。

ロータ３は複数の磁極を有している。なお、本実施例では、ロータ３は８つの磁極を有しているが、図２では、１磁極分のみを示す。
図２に示すように、本実施例では、２つの永久磁石１０（１０Ａ、１０Ｂ）で１磁極を形成している。

これに対応して、ロータコア９は、１磁極当たり、各永久磁石１０が挿入されるスロット１３として、永久磁石１０Ａが挿入されるスロット１３Ａと、永久磁石１０Ｂが挿入されるスロット１３Ｂとを有している。なお、スロット１３Ａとスロット１３Ｂとは隙間１５により連通し、１つの連続する空間を形成している。

永久磁石１０Ａ、１０Ｂは、永久磁石１０Ａ、１０Ｂの間の中心を通る径方向の仮想線Ｐを中心に対称に配置されている。具体的には、永久磁石１０Ａと永久磁石１０Ｂとは、軸方向からみて、ロータコア９の外周面９ａに向けて開くようにＶ字状に配置されている。このため、永久磁石１０Ａ、１０Ｂは、図２（ａ）に破線矢印で示すロータコア９の径方向に対して磁化方向が傾斜するように配置されている。なお、２つの永久磁石１０Ａ、１０Ｂは、互いに、同一の極が外周側を向いている。

そして、２つのスロット１３Ａ、１３Ｂは、２つの永久磁石１０Ａ、１０Ｂに対応して形成されており、スロット１３Ａとスロット１３Ｂとが、仮想線Ｐを中心に対称形状に形成されている。

〔実施例１の特徴〕
実施例１の特徴を、永久磁石１０Ａとスロット１３Ａを挙げて説明する。なお、上述の通り、永久磁石１０Ｂ及びスロット１３Ｂは、永久磁石１０Ａ及びスロット１３Ａと仮想線Ｐを中心に線対称の構成であるため説明を省略する。

図２に示すように、永久磁石１０Ａにおいて、磁化方向に互いに平行な２つの側面を、側面１７ａ、１７ｂとし、磁化垂直方向に離間して互いに平行な２つの側面を、側面１７ｃ、１７ｄとする。軸方向からみて、側面１７ａ、１７ｂは、磁化方向に垂直な側面であり、側面１７ｃ、１７ｄは、磁化垂直方向に垂直な側面である。なお、側面１７ａがステータ２側を向いた側面であり、側面１７ｄが隙間１５側を向いた側面である。

また、側面１７ａと側面１７ｃとの間の角部を角部２０ａ、側面１７ｂと側面１７ｃとの間の角部を角部２０ｂ、側面１７ｂと側面１７ｄとの間の角部を角部２０ｃ、側面１７ｄと側面１７ａとの間の角部を角部２０ｄとする。

ここで、角部２０ｃは、ロータコア９の径方向においてロータコア９の外周面９ａから最も離れた角部であり、以下では第１角部２０ｃと呼ぶ。
そして、角部２０ｄは、永久磁石１０Ａの磁化方向において、第１角部２０ｃと対向する位置にある角部であり、以下では第２角部２０ｄと呼ぶ。
また、第１角部２０ｃと第２角部２０ｄとの間の側面である側面１７ｄを、以下では第１側面１７ｄと呼ぶ。そして、磁化垂直方向において、第１角部２０ｃ及び第２角部２０ｄが存在する側を磁化垂直方向の一端側と呼び、その反対側を磁化垂直方向の他端側と呼ぶ。

次に、スロット１３Ａの穴形状について詳細に説明する。
第２角部２０ｄを含む側面１７ａの磁化垂直方向の一端側部とスロット内周面２５との間には、隙間３１が設けられている。なお、第２角部２０ｄを含む側面１７ａの磁化垂直方向の一端側部以外では、側面１７ａはスロット内周面２５に当接している。
この隙間３１を形成するスロット内周面２５、すなわち、隙間３１を介して第２角部２０ｄに臨むスロット内周面２５ａは、ロータコア９の軸方向から見て、円弧面となっている。

また、側面１７ｃとスロット内周面２５との間に隙間４０が形成されており、第１側面１７ｄとスロット内周面２５との間には、隙間１５が設けられている。なお、側面１７ｂは、スロット内周面２５に当接している。

また、スロット内周面２５は、側面１７ｃの角部２０ｂを含む端部に当接して永久磁石１０Ａを支持する磁石支持部４２と、第１側面１７ｄの角部２０ｃを含む端部に当接して永久磁石１０Ａを支持する磁石支持部４３とを有している。

そして、本実施例では、スロット内周面２５ａの円弧の中心は、第１側面１７ｄに当接するスロット内周面２５において、最も第２角部２０ｄに近い点となっている。
すなわち、第１側面１７ｄに当接する磁石支持部４３のステータ側端に位置するスロット内周面２５上の点Ｘを中心とする円弧面となっている。

なお、隙間３１、隙間４０、隙間１５は、単なる空隙であってもよいし、ロータコア９よりも透磁率の低い物質が充填されていてもよい。例えば、樹脂が充填されていてもよい。
また、側面１７ｂとスロット内周面２５との間に磁化方向の隙間が設けられていてもよい。

〔実施例１の作用効果〕
本実施例のロータ３によれば、第２角部２０ｄを含む側面１７ａの磁化垂直方向の一端側部とスロット内周面２５との間には、隙間３１が設けられており、この隙間３１を介して第２角部２０ｄに臨むスロット内周面２５ａは、第１角部２０ｃに臨むスロット内周面２５上の点Ｘを中心とする円弧面となっている。

ステータ２側からの磁束は、第２角部２０ｄ近傍のロータコア９を通って、第１角部２０ｃ近傍のロータコア９に短絡しようとするが、本実施例では、第２角部２０ｄとスロット内周面２５との間に隙間３１を設けるとともに、隙間３１を形成するスロット内周面２５ａを円弧状にすることで、ステータ２側からの磁束が短絡しようとする第１角部２０ｃ近傍のロータコア９から等距離に第２角部２０ｄ近傍のロータコア９が存在するようにしている。

これによれば、第２角部２０ｄ近傍の磁気抵抗が平均化され、ステータ２側からの磁束が分散して、第２角部２０ｄ近傍を通過し、第１角部２０ｃ近傍のロータコア９に短絡する。つまり、従来は図７（ｂ）に示すように、第２角部に集中してステータ側からの磁束による反磁界がかかっていたが、本実施例によれば、図３に示すように、ステータ２側からの磁束による反磁界が永久磁石１０の第２角部２０ｄに集中することがなくなり、反磁界が永久磁石１０の広い範囲に平均的にかかることになる。

この結果、反磁界の最大値を小さくすることができる。永久磁石１０の磁化方向の厚さは、反磁界の最大値を基に、耐減磁性を満足する厚さに設定されるため、反磁界の最大値が小さくなれば、永久磁石１０の磁化方向の厚さを小さくすることができ、この結果、磁石量を低減することができる。

〔実施例２〕
実施例２のロータ３を、実施例１とは異なる点を中心に図４を用いて説明する。
実施例２では、第１側面１７ｄの第１角部２０ｃを含む端部に当接して永久磁石１０Ａを支持する磁石支持部４３が存在しておらず、第１側面１７ｄにはスロット内周面２５が当接していない。そして、側面１７ｂ及び第１角部２０ｃは、スロット内周面２５に当接している。

そして、側面１７ｂ及び第１角部２０ｃは、スロット内周面２５に当接しており、隙間３１を形成するスロット内周面２５ａの円弧の中心は、スロット内周面２５の第１角部２０ｃが当接する点Ａとなっている。
本実施例によっても、実施例１と同様の作用効果が得られる。

〔実施例３〕
実施例３のロータ３を、実施例１とは異なる点を中心に図５を用いて説明する。
実施例３では、永久磁石１０Ａ、１０Ｂのそれぞれが、複数個の磁石片からなっている。以下、永久磁石１０Ａを取り上げて、詳細に説明する。

本実施例では、１つの永久磁石１０Ａが２つの磁石片４５ａ、４５ｂから構成されている。２つの磁石片４５ａ、４５ｂは、磁化方向が同一方向を向くように、磁化垂直方向に沿って並んで配置されている。

そして、磁化垂直方向の一端側に並ぶ磁石片４５ａの磁化方向の厚さが、磁化垂直方向の他端側に並ぶ磁石片４５ｂの磁化方向の厚さよりも薄い。
本実施例では、実施例１の効果により第２角部２０ｄ側の反磁界が低減できているため、例えば、永久磁石１０Ａの磁化垂直方向の他端側で反磁界の最大値が生じる場合であっても、反磁界が低減できている領域、つまり、第２角部２０ｄ側（磁化垂直方向の一端側）では磁化方向の厚さを小さくすることによって、磁石量の低減を図ることができる。

具体的には、永久磁石１０Ａの磁化垂直方向の他端側で反磁界の最大値が生じる場合であって、永久磁石１０Ａを分割して本実施例を適用する場合と、永久磁石１０Ａを分割せずに永久磁石１０Ａの磁化垂直方向の他端側での反磁界の最大値に応じた厚さにする場合とで比較すると、本実施例では約１１％の磁石量を低減することができる。

また、複数個の磁石片４５ａ、４５ｂは、磁化方向においてステータ２側を向く側面が面一となるように配置されている。つまり、磁石片４５ａの磁化方向と直交するステータ２側の側面４６と、磁石片４５ｂの磁化方向と直交するステータ２側の側面４７とは、同一直線上に揃えられている。
これによれば、複数個の磁石片４５ａ、４５ｂをステータ２に近づけることが可能となり、磁束損失を低減することができる。

〔変形例〕
本発明の実施態様は、実施例に限定されず種々の変形例を考えることができる。
例えば、実施例の回転電機１はステータ２の内周側にロータ３を有するインナーロータ型であったが、アウターロータ型のものに本発明を適用してもよい。

また、実施例の永久磁石１０の角部２０ａ〜２０ｄに面取りが施されていてもよい。
また、実施例では、永久磁石１０が矩形断面を有していたが、この形状には限られない。例えば、側面１７ｃと側面１７ｄとの磁化方向長さを異ならせて台形状断面としてもよい。また、側面１７ａ、１７ｂを共に内周側または外周側に中心を有する円弧としてもよいし、側面１７ｃ、側面１７ｄを円弧としてもよい。また、側面１７ａ〜１７ｄが屈曲していてもよい。

また、実施例では、２つの永久磁石１０は、ロータ３の外周側に向けて開くようにＶ字状に配置されていたが、２つの永久磁石１０を、ロータ３の内周側に向けて開くようにＶ字状に配置してもよい。

また、実施例２では、側面１７ｂ及び第１角部２０ｃがスロット内周面２５に当接していたが、側面１７ｂ及び第１角部２０ｃがスロット内周面２５に当接せず、第１角部２０ｃを含む側面１７ｂに臨むスロット内周面２５が側面１７ｂと平行であって、側面１７ｂとの間に隙間を有していてもよい。しかし、その場合は、第１角部２０ｃに対向するスロット内周面２５上の点を、隙間３１を介して第２角部２０ｄに臨むスロット内周面２５ａの円弧の中心とする。

また、実施例３では、永久磁石１０Ａが２つの磁石片４５ａ、４５ｂからなっていたが、３つ以上の磁石片からなっていてもよい。また、永久磁石１０Ａを分割せず、磁化垂直方向一端側を磁化垂直方向他端側よりも薄くしてもよい。

また、ロータ３は、図６に示すように、ロータコア９が複数（例えば２つ）のブロック９Ｘ、９Ｙに分割されており、ブロック毎にスロット１３及び永久磁石１０を設けて、各ブロックのスロット１３及び永久磁石１０の位置を周方向にずらすことによって、スキューを形成したものでもよい。この場合、各ブロックに実施例で説明したスロット形状が適用されている。

１ 回転電機
２ ステータ
３ ロータ
９ ロータコア
１０ 永久磁石
１３ スロット
１７ｄ 第１側面
２０ｃ 第１角部
２０ｄ 第２角部
２５ スロット内周面（スロットの内周面）
２５ａ スロット内周面（円弧面）
３１ 隙間
４５ａ、４５ｂ 磁石片

Claims (6)

1. ステータに対向する周面を有するロータコアと、
   このロータコアに形成されたスロット内に埋め込まれる永久磁石とを備える回転電機のロータであって、
   前記ロータコアの軸方向からみて、
   前記永久磁石は、複数の角部を有しており、
   前記ロータコアの前記ステータに対向する周面から最も離れた前記角部を第１角部とし、
   前記永久磁石の磁化方向において、前記第１角部と対向する位置にある前記角部を第２角部とすると、
   前記第２角部と前記スロットの内周面との間に隙間が設けられており、
   前記隙間を形成する前記スロットの内周面は、前記第１角部に臨む前記スロットの内周面上に中心を有する円弧面となっていることを特徴とする回転電機のロータ。
2. 請求項１に記載の回転電機のロータにおいて、
   前記第１角部は前記スロットの内周面に当接しており、
   前記円弧面の円弧の中心は、前記スロットの内周面の前記第１角部が当接する点であることを特徴とする回転電機のロータ。
3. 請求項１に記載の回転電機のロータにおいて、
   前記永久磁石において、前記第１角部と前記第２角部との間の側面を第１側面とすると、
   前記第１角部に臨む前記スロットの内周面は、前記第１側面に当接する前記スロットの内周面を含み、
   前記円弧面の円弧の中心は、前記第１側面に当接する前記スロットの内周面において、最も前記第２角部に近い点であることを特徴とする回転電機のロータ。
4. 請求項１〜３のいずれか１つに記載の回転電機のロータにおいて、
   前記永久磁石は、磁化方向が前記ロータコアの径方向に対して傾斜するように配置されており、磁化方向に略垂直な方向の一端側に前記第２角部及び前記第１角部を有し、
   磁化方向に略垂直な方向の一端側での前記永久磁石の磁化方向の厚さが、磁化方向に略垂直な方向の他端側での前記永久磁石の磁化方向の厚さよりも薄いことを特徴とする回転電機のロータ。
5. 請求項４に記載の回転電機のロータにおいて、
   前記永久磁石が、複数個の磁石片からなっており、
   前記複数個の磁石片は、磁化方向が同一方向を向くように、磁化方向に略垂直な方向に沿って並んで配置されており、
   磁化方向に略垂直な方向の一端側に並ぶ前記磁石片の磁化方向の厚さが、磁化方向に略垂直な方向の他端側に並ぶ前記磁石片の磁化方向の厚さよりも薄いことを特徴とする回転電機のロータ。
6. 請求項５に記載の回転電機のロータにおいて、
   前記複数個の磁石片は、磁化方向において前記ステータ側を向く側面が面一となるように配置されていることを特徴とする回転電機のロータ。

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