JP5347588B2

JP5347588B2 - 埋め込み磁石式モータ

Info

Publication number: JP5347588B2
Application number: JP2009056667A
Authority: JP
Inventors: 草瀬　　新
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2009-03-10
Filing date: 2009-03-10
Publication date: 2013-11-20
Anticipated expiration: 2029-03-10
Also published as: JP2010213457A

Description

本発明は、ハイブリッド車両や電気自動車等の車両に用いられる埋め込み磁石式モータに関する。

従来、埋め込み磁石式モータとしては、例えば特許文献１に記載の永久磁石形同期回転電機のロータがある。この構成は、図１に示すように、薄板を軸方向に積層したロータコア１と、このロータコア１に所定ピッチで設けた矩形の永久磁石挿入穴２と、この永久磁石挿入穴２に挿入する永久磁石４ａよりなる永久磁石形同期回転電機のロータにおいて、永久磁石挿入穴２を１極ピッチ置きに設け、径方向の極性を同一とした永久磁石４ａを挿入し、永久磁石形同期回転電機のロータを構成する。永久磁石４ａを軸方向に分割し、おのおのの長さの和を永久磁石挿入穴２の軸方向長さより短くし、ロータコアの両端面を合わせたり端面より深く挿入したりして、永久磁石挿入穴２の軸方向に磁気的空間部を形成する。さらに、軸方向に３分割し、中央のロータコアに設けた挿入穴の高さを両側のものより高くし、中央の挿入穴にエネルギ積の低い永久磁石を、両側の挿入穴にエネルギ積の高い永久磁石を挿入して構成されている。更にこの種の埋め込み磁石式モータとして特許文献２の従来技術がある。

特開平８−１０７６３９号公報特開２００８−２９５２８２号公報

しかし、従来のモータにおいて、ロータに高トルクを発生させるためには、一般的に永久磁石に希土類磁石を軸心方向に埋め込み磁極表面近くの鉄心吸引トルクを活用することが考えられるが、希土類磁石は高価であるという問題がある。そこで、安価なフェライト磁石に置き換えることが考えられるが、保磁力の弱いフェライトでは十分な磁力とするためには厚くする必要がありその厚い磁石を埋め込むと表面近くの鉄の部分は過少となり鉄心吸引トルクが発揮できない問題がある。厚くせずに配置すると特に弱め界磁制御の際にステータからの減磁界が加わった時に保磁力が弱いフェライトのため不可逆減磁となってトルクの低下する恐れが生じる問題がある。特に特許文献１のロータにおいては希土類磁石にフェライト磁石を組み合わせ、少量の希土類磁石を削減する構成も採られているが、基本的に希土類磁石を用いる構成となっているので、その分、コスト高となっている。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、ロータの永久磁石にフェライト磁石を用いてもトルクの低下を招かないように低コスト化を図ることができる埋め込み磁石式モータを提供することを目的とする。

上記目的を達成するためになされた請求項１に記載の発明は、三相巻線が巻装された積層鉄心を有するステータと、このステータに所定寸法の空隙長を持って外周が離間し、且つ内周が回転軸に固定された環状の積層鉄心を有するロータとを備える埋め込み磁石式モータにおいて、前記ロータは、当該ロータの積層鉄心が、回転軸に嵌合されて固定された環状のハブ部と、このハブ部から所定幅でモータ極数本分の数放射線状に延びるスポーク部分及び当該スポーク部分の先端から分岐して所定長さ延びたＶ字状部分をＹ字状に組み合わせたＹ字状部と、このＹ字状部の２点の先端を当該ロータの外周に沿った弧形状で連接する第１の連接部を有するＹ字状スケルトン型セグメントコアで形成され、前記Ｙ字状スケルトン型セグメントコアにおける周方向に隣接する２つの前記Ｙ字状部、前記２つのＹ字状部の外周の端同士を弧形状で連接する第２の連接部及び前記ハブ部で囲まれたモータ極数個分の貫通口に、永久磁石が互いに同極が周方向で対向する状態に嵌合固定されて成ることを特徴とする。

この構成によれば、ロータのＹ字状スケルトン型セグメントコアの構成によってモータ極数個分の各々の貫通口の開口面積が広く形成されるので、その分、永久磁石も大型のものを収納することができる。このため、永久磁石が例えば磁力の弱いフェライト磁石でも高磁束がステータに向かう直軸方向に供給できるので、ステータを励磁した際の直軸方向の磁束φｄが多くなってマグネットトルクを大きくすることができる。永久磁石が希土類磁石の場合は、よりマグネットトルクを大きくすることができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の装置において、前記の連接部は、前記Ｙ字状部のスポーク部分よりも幅広に形成されていることを特徴とする。

この構成によれば、Ｙ字状部の２点の先端を連接するロータの外周の第１の連接部がスポーク部分の幅よりも広いので、ステータを励磁した際の直軸方向の磁束φｄと交差する磁束φｑが多くなってリラクタンストルクが大きくなる。この結果、ロータのトルクも大きくなる。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の埋め込み磁石式モータにおいて、前記Ｙ字状部の２点の先端を当該ロータの外周に沿った弧形状で連接する連接部を第１の連接部とすると、該第１の連接部と周方向に隣の第１の連接部とを連接する第２の連接部を備え、かつ該第２の連接部は、前記第１の連接部よりも幅狭であることを特徴とする。

この構成によれば、永久磁石から発生する磁束が漏れにくくなるので、その分、ステータを励磁した際の直軸方向の磁束φｄを多くすることができ、マグネットトルクを大きくすることができる。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の埋め込み磁石式モータにおいて、前記永久磁石は、フェライト磁石であることを特徴とする。

この構成によれば、永久磁石を安価なフェライト磁石とすることができるので、埋め込み磁石式モータのコストを低減させることができる。

以上説明したように本発明によれば、トルクの低下を招かないようにロータの永久磁石にフェライト磁石を用いて低コスト化を図ることができる埋め込み磁石式モータを提供することができるという効果がある。

従来の埋め込み磁石式モータとしての永久磁石形同期回転電機のロータの構成を示す図である。本発明の実施形態に係る埋め込み磁石式モータの構成を示し、（ａ）は埋め込み磁石式モータの断面図、（ｂ）は埋め込み磁石式モータのロータの一部表面図である。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。但し、本明細書中の全図において相互に対応する部分には同一符号を付し、重複部分においては後述での説明を適時省略する。

図２は、本発明の実施形態に係る埋め込み磁石式モータの構成を示し、（ａ）は埋め込み磁石式モータの断面図、（ｂ）は埋め込み磁石式モータのロータの一部表面図である。

図２に示す埋め込み磁石式モータ（ＩＰＭモータ）１０は、例えば電気自動車に搭載されており、電力変換用のインバータ（図示せず）に接続された三相巻線１１と、この三相巻線１１を巻装した積層鉄心１２とを有して成るステータ１３を備え、このステータ１３に対して０．３ｍｍの空隙長Ｇ１を持って外周が離間し、且つ内周が回転軸１４に固定された環状の積層鉄心１５を有して成るロータ１６を備えて構成されている。

本実施形態の特徴は、ロータ１６の環状の積層鉄心１５を、周方向に極数（例えば８）分の数８の分離したスロット（貫通口）２０ａを有するＹ字状スケルトン型セグメントコアとし、各スロット２０ａにフェライト磁石による永久磁石３０を嵌合固定した点にある。

Ｙ字状スケルトン型セグメントコア１５は、回転軸１４に嵌合されて固定された薄幅の環状の積層鉄心によるハブ部２１と、このハブ部２１から所定幅で放射線状に延びるモータ極数分の数８のスポーク部分２２ａ及び当該スポーク部分２２ａの先端から分岐して所定長さ延びたＶ字状部分２２ｂをＹ字状に組み合わせた積層鉄心によるＹ字状部２２と、Ｙ字状部２２の２点の先端をロータ１６の外周に沿った厚幅の弧状の積層鉄心で連接する厚幅連接部（第１の連接部）２４と、この厚幅連接部２４で連接されたＹ字状部２２の外周の端同士を、厚幅連接部２４よりも薄幅の弧状の積層鉄心で連接する薄幅連接部（第２の連接部）２５とを備えて構成されている。

つまり、隣り合うＹ字状部２２の間には、当該Ｙ字状部２２、ハブ部２１及び薄幅連接部２５で囲まれる概略ホームベース状の８つのスロット２０ａが形成される。これらスロット２０ａに、永久磁石３０同士が互いに同極が周方向で対向する状態に嵌合固定されてロータ１６が構成されている。但し、磁束φｄは、永久磁石３０から発生する矢印Ｙ１及びＹ２で示す磁束と、ステータ１３の励磁により発生する磁束とが直軸方向に合成された磁束である。この磁束φｄによってマグネットトルクが発生するようになっている。

また、永久磁石３０を固定するスロット２０ａのハブ部２１及び薄幅連接部２５は、厚幅連接部２４よりも狭い幅であって、永久磁石３０の矢印Ｙ１及びＹ２で示す磁束が極力漏れない幅とされている。

厚幅連接部２４は、ステータ１３の励磁によって直軸方向の磁束φｄに対して直交する磁束φｑが流れるセグメント領域となり、このセグメント領域２４を流れる磁束φｑによってリラクタンストルクが発生するようになっている。

このような構成の埋め込み磁石式モータ１０において、三相巻線１５に電流を流してステータ１３を励磁すると、この励磁による逆磁界による磁束がロータ１６の永久磁石３０の磁束と合成されて直軸方向に磁束φｄとして流れると共に、厚幅連接部２４であるセグメント領域を磁束φｄと直交方向に磁束φｑが流れる。磁束φｄはマグネットトルクとなり、磁束φｑはリラクタンストルクとなるので、双方のトルクが合成されてロータ１６のトルクとなる。

ここで、ロータ１６は、Ｙ字状スケルトン型セグメントコア１５の構成によって、極数８個の各スロット２０ａの開口面積が広く形成されているので、永久磁石３０も大型のものを収納することができる。このため、永久磁石３０が磁力の弱いフェライト磁石でも高磁束が直軸方向に供給できるので、ステータ１３を励磁した際の直軸方向の磁束φｄが多くなってマグネットトルクが大きくなる。

また、厚幅連接部２４であるセグメント領域も広くしてあるので、磁束φｄと直交方向の磁束φｑが多くなってリラクタンストルクが大きくなる。この結果、ロータ１６のトルクも大きくなる。

このようなフェライト磁石が永久磁石３０としてロータ１６に配設された埋め込み磁石式モータ１０を、従来の希土類磁石であるネオジウム磁石が永久磁石としてロータに配設された埋め込み磁石式モータと比較したところ、トルクや減磁耐力がほぼ同等であり、使用されている永久磁石３０のコストが約１／３となる効果が得られた。つまり、トルクの低下を招かないようにロータ１６の永久磁石にフェライト磁石を用いて低コスト化を図ることができた。

このように本実施形態の埋め込み磁石式モータ１０は、三相巻線１１が巻装された積層鉄心１２を有するステータ１３と、このステータ１３に所定寸法の空隙長Ｇ１を持って外周が離間し、且つ内周が回転軸１４に固定された環状の積層鉄心１５を有するロータ１６とを備えている。この構成のロータ１６は、当該ロータ１６の積層鉄心１５が、回転軸１４に嵌合されて固定された薄幅で環状のハブ部２１と、このハブ部２１から所定幅でモータ極数本分の数放射線状に延びるスポーク部分２２ａ及び当該スポーク部分２２ａの先端から分岐して所定長さ延びたＶ字状部分２２ｂをＹ字状に組み合わせたＹ字状部２２と、このＹ字状部２２の２点の先端を当該ロータ１６の外周に沿った弧形状で連接する厚幅連接部２４と、この厚幅連接部２４で連接されたＹ字状部２２同士を当該ロータ１６の外周に沿った弧形状で連接する薄幅連接部２５とを有するＹ字状スケルトン型セグメントコア１５で形成され、このコア１５におけるＹ字状部２２、第２の接続部及びハブ部２１で囲まれたモータ極数個分の貫通口であるスロット２０ａに、永久磁石３０が互いに同極が周方向で対向する状態に嵌合固定されて成る。

この構成では、ロータ１６のＹ字状スケルトン型セグメントコア１５の構成によってモータ極数個分の各々のスロット２０ａの開口面積が広く形成されるので、その分、永久磁石３０も大型のものを収納することができる。このため、永久磁石３０が例えば磁力の弱いフェライト磁石でも高磁束がステータ１３に向かう直軸方向に供給できるので、ステータ１３を励磁した際の直軸方向の磁束φｄが多くなってマグネットトルクを大きくすることができる。永久磁石３０が希土類磁石の場合は、よりマグネットトルクを大きくすることができる。

また、厚幅連接部２４は、Ｙ字状部２２のスポーク部分２２ａよりも幅広に形成されている。これによって、Ｙ字状部２２の２点の先端を連接するロータ１６の外周の厚幅連接部２４がスポーク部分２２ａの幅よりも広いので、ステータ１３を励磁した際の直軸方向の磁束φｄと交差する磁束φｑが多くなってリラクタンストルクが大きくなる。この結果、ロータ１６のトルクも大きくなる。

また、薄幅連接部２５及びハブ部２１は、厚幅連接部２４よりも幅狭である。これによって、永久磁石３０から発生する磁束が漏れにくくなるので、その分、ステータ１３を励磁した際の直軸方向の磁束φｄを多くすることができ、マグネットトルクを大きくすることができる。

また、永久磁石３０は、フェライト磁石である。これによって、永久磁石３０を安価なフェライト磁石とすることができるので、埋め込み磁石式モータのコストを低減させることができる。

１０埋め込み磁石式モータ
１１三相巻線
１２積層鉄心
１３ステータ
１４回転軸
１５積層鉄心
１６ロータ
２１ハブ部
２２ａスポーク部分
２２ｂＶ字状部分
２２Ｙ字状部
２４厚幅連接部
２５薄幅連接部
３０永久磁石

Claims

三相巻線が巻装された積層鉄心を有するステータと、このステータに所定寸法の空隙長を持って外周が離間し、且つ内周が回転軸に固定された環状の積層鉄心を有するロータとを備える埋め込み磁石式モータにおいて、
前記ロータは、当該ロータの積層鉄心が、回転軸に嵌合されて固定された環状のハブ部と、このハブ部から所定幅でモータ極数本分の数放射線状に延びるスポーク部分及び当該スポーク部分の先端から分岐して所定長さ延びたＶ字状部分をＹ字状に組み合わせたＹ字状部と、このＹ字状部の２点の先端を当該ロータの外周に沿った弧形状で連接する第１の連接部を有するＹ字状スケルトン型セグメントコアで形成され、
前記Ｙ字状スケルトン型セグメントコアにおける周方向に隣接する２つの前記Ｙ字状部、前記２つのＹ字状部の外周の端同士を弧形状で連接する第２の連接部及び前記ハブ部で囲まれたモータ極数個分の貫通口に、永久磁石が互いに同極が周方向で対向する状態に嵌合固定されて成ることを特徴とする埋め込み磁石式モータ。
前記の連接部は、前記Ｙ字状部のスポーク部分よりも幅広に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の埋め込み磁石式モータ。
前記Ｙ字状部の２点の先端を当該ロータの外周に沿った弧形状で連接する連接部を第１の連接部とすると、該第１の連接部と周方向に隣の第１の連接部とを連接する第２の連接部を備え、かつ該第２の連接部は前記第１の連接部よりも幅狭であることを特徴とする請求項１又は２に記載の埋め込み磁石式モータ。
前記永久磁石は、フェライト磁石であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の埋め込み磁石式モータ。