JP5360219B2 - 回転子、永久磁石形同期回転電機、車両、昇降機、流体機械、および加工機 - Google Patents

回転子、永久磁石形同期回転電機、車両、昇降機、流体機械、および加工機 Download PDF

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Description

本発明は、回転子、永久磁石形同期回転電機、車両、昇降機、流体機械、および加工機に関する。
従来において、永久磁石形同期回転電機の効率を向上させる技術が提案されている(例えば、特許文献1参照)。この技術では、永久磁石を回転子に内蔵した同期モータ、いわゆる埋込磁石型同期モータ(IPMモータ:Interior Permanent Magnet Moter)を採用している。この技術では、1磁極を構成する2つの永久磁石をV字に配置し、各永久磁石を、極ピッチ角を2等分する中心線に対して非対称に配置すると共に、各永久磁石の長手方向の幅を異ならせることにより、効率を向上させている。
特開2008−236890号公報
近年、地球温暖化の防止、資源確保の観点から、二酸化炭素の排出削減、エネルギーの消費量削減、エネルギー効率の改善等がより強く求められている。このため、ハイブリッド自動車、燃料電池自動車、および電気自動車などの車両や、昇降機、流体機械、および加工機などの産業用省力機械などが果たすべき役割が益々重要視されている。そして、これら車両や産業用省力機械などに用いられる永久磁石形同期回転電機についても、さらなる効率の向上が求められている。
そこで、本発明は、効率をさらに向上させた永久磁石形同期回転電機の回転子、当該永久磁石形同期回転電機、車両、昇降機、流体機械、および加工機を提供することを目的とする。
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、本発明の一の局面に係る回転子は、ティース部を有する固定子を備える回転電機に用いられる回転子であって、外周が前記ティース部と対向する回転子コアと、前記回転子コアの内部に設けられ、前記回転子の回転軸に対し垂直な前記回転子コアの断面において前記回転子の回転中心側を頂点とするV字の各辺を互いで描くように磁極ごとに設けられた第1および第2永久磁石と、を備え、前記回転軸に対し垂直な前記回転子コアの断面において、前記V字の頂点は、前記回転子コアの周方向に隣り合う前記磁極の間を仕切る極仕切線であって当該周方向に隣り合う極仕切線の間を2等分する中心線上に位置し、前記第1永久磁石は、前記V字の頂点を基準として、前記中心線から前記周方向のうちの第1方向側へ第1角度だけ傾いており、前記第2永久磁石は、前記V字の頂点を基準として、前記中心線から前記第1方向とは反対の第2方向側へ前記第1角度よりも大きい第2角度だけ傾いており、前記第1永久磁石が描く前記V字の辺と平行な方向における前記第1永久磁石の幅は、前記第2永久磁石が描く前記V字の辺と平行な方向における前記第2永久磁石の幅よりも短くなっており、前記回転子コアの外周側かつ前記第2方向側に存在する前記第1永久磁石の一方端部が、前記回転子コアの径方向において前記ティース部の前記第1方向側の一方端部と対向するとき、前記回転子コアの内周側かつ前記第2方向側に存在する前記第1永久磁石の他方端部が、一方端部が前記第1永久磁石の一方端部と対向する前記ティース部の前記第2方向側の他方端部と前記回転子コアの径方向において対向するものである。
また、本発明の別の局面に係る永久磁石形同期回転電機は、ティース部を有する固定子と、前記ティース部に対向して設けられた回転子と、を備え、前記回転子は、外周が前記ティース部と対向する回転子コアと、前記回転子コアの内部に設けられ、前記回転子の回転軸に対し垂直な前記回転子コアの断面において前記回転子の回転中心側を頂点とするV字の各辺を互いで描くように磁極ごとに設けられた第1および第2永久磁石と、を有し、前記回転軸に対し垂直な前記回転子コアの断面において、前記V字の頂点は、前記回転子コアの周方向に隣り合う前記磁極の間を仕切る極仕切線であって当該周方向に隣り合う極仕切線の間を2等分する中心線上に位置し、前記第1永久磁石は、前記V字の頂点を基準として、前記中心線から前記周方向のうちの第1方向側へ第1角度だけ傾いており、前記第2永久磁石は、前記V字の頂点を基準として、前記中心線から前記第1方向とは反対の第2方向側へ前記第1角度よりも大きい第2角度だけ傾いており、前記第1永久磁石が描く前記V字の辺と平行な方向における前記第1永久磁石の幅は、前記第2永久磁石が描く前記V字の辺と平行な方向における前記第2永久磁石の幅よりも短くなっており、前記回転子コアの外周側かつ前記第2方向側に存在する前記第1永久磁石の一方端部が、前記回転子コアの径方向において前記ティース部の前記第1方向側の一方端部と対向するとき、前記回転子コアの内周側かつ前記第2方向側に存在する前記第1永久磁石の他方端部が、一方端部が前記第1永久磁石の一方端部と対向する前記ティース部の前記第2方向側の他方端部と前記回転子コアの径方向において対向するものである。
本発明によれば、効率をさらに向上させた永久磁石形同期回転電機の回転子、当該永久磁石形同期回転電機、車両、昇降機、流体機械、および加工機を提供することができる。
本発明の一実施形態に係る回転子コア形成用に打ち抜いた電磁鋼板形成体の正面図である。 本発明の一実施形態に係る永久磁石形同期回転電機の正断面図である。 本発明の一実施形態に係る永久磁石形同期回転電機の一部を拡大した正断面図である。 本発明の一実施形態に係る永久磁石形同期回転電機の磁界解析結果を示す図である。 本発明の一実施形態との比較例に係る永久磁石形同期回転電機の磁界解析結果を示す図である。 本発明の一実施形態に係る永久磁石形同期回転電機の高効率領域特性を示す図である。 本発明の一実施形態との比較例に係る永久磁石形同期回転電機の高効率領域特性を示す図である。
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。各図において、同一の構成を示すものについては、同一の符号を付し、その説明を適宜省略する。
<実施形態>
図1を参照して、本実施形態に係る回転子の回転子コア形成用に打ち抜いた電磁鋼板形成体について説明する。図1は、本実施形態に係る回転子の回転子コア形成用に打ち抜いた電磁鋼板形成体の正面図である。図1において、Oは、回転子の回転軸であり、回転子の回転中心でもある。OPは、回転子コアの周方向に隣り合う磁極の間を仕切る極仕切線である。θは、極ピッチ角であり、周方向に隣り合う極仕切線OPのなす角度である。本実施形態では、一例として、回転子の磁極数を8極としている。この場合、図1に示すように、極仕切線OPは8本となり、極ピッチ角θは45°となる。
図1において、電磁鋼板形成体1は、1枚の薄肉円盤状の電磁鋼板よりなる。電磁鋼板形成体1には、各々に永久磁石が挿入される磁石穴2および3が磁極ごとに形成されている。磁石穴2および3は、回転中心O側を頂点とするV字を互いで描くように形成されている。磁石穴2および3の形状は、細長形状である。図1の例では、磁石穴2および3の形状を、細長形状である略楕円形状としている。磁石穴3の長手方向の幅は、磁石穴2の長手方向の幅よりも短くなっている。極仕切線OP上には、空洞部4が形成されている。V字の頂点とは反対側(電磁鋼板形成体1の外周側)の磁石穴2および3の端部と、電磁鋼板形成体1の外周と間には、アウターブリッジ5が形成されている。V字の頂点側の磁石穴2の端部とV字の頂点側の磁石穴3の端部との間には、磁石穴2および3を仕切るセンターブリッジ6が形成されている。このように構成された電磁鋼板形成体1を複数枚積層してブロック状に形成することにより、回転子コアが製作される。
次に、図2を参照して、本実施形態に係る回転子を備える永久磁石形同期回転電機について説明する。図2は、本実施形態に係る永久磁石形同期回転電機の正断面図である。図2では、回転子の回転軸Oに対し垂直な方向から永久磁石形同期回転電機を切断したときの永久磁石形同期回転電機の断面を示している。図2において、OCは、周方向に隣り合う極仕切線OPの間を2等分する(つまり、極ピッチ角θを2等分する)中心線である。
図2において、永久磁石形同期回転電機は、固定子7と回転子8を備える。固定子7は、固定子コア71と巻線72を備える。固定子コア71は、ヨーク部73およびティース部74より構成される。ティース部74は、ヨーク部73の内周側に複数形成される。ティース部74間にはスロット75が形成され、スロット75には巻線72が装着される。本実施形態では、回転子8の極数は8極であり、固定子7のスロット75の数が48スロットであるので、1つのティース部74のピッチ幅は、機械角で7.5°となる。巻線72の電流位相差は、電気角で120°(機械角で30°)となるから、回転子8は、電流位相が変化するたびに、4つのティース部74分だけ、回転することになる。
回転子8は、その外周が固定子7のティース部74に対向し、X方向を主の回転方向とする。回転子8は、回転子コア81、永久磁石82および83を備える。回転子コア81は、図1に示した電磁鋼板形成体1により構成される。永久磁石82は、各磁石穴2に挿入され、永久磁石83は、各磁石穴3に挿入される。これにより、永久磁石82および83は、回転子8の回転中心O側を頂点とするV字の各辺を互いで描くように設けられ、かつ、磁極ごとに設けられることになる。回転子8の磁極数は、上述したように、8極である。図2に示すように、永久磁石82および83の断面形状は、長方形状となる。永久磁石82の長手方向は、永久磁石82が描くV字の辺と平行な方向となっており、永久磁石83の長手方向は、永久磁石83が描くV字の辺と平行な方向となっている。永久磁石83の長手方向の幅Lbは、永久磁石82の長手方向の幅Laよりも短くなっている。本実施形態では、永久磁石82および83は、中心線OCで仕切られている。V字を互いで描く永久磁石82および83の外周側には磁極が形成され、極性が交互に反対となる磁極が回転子コア81の周方向に並んでいる。
次に、図3を参照して、回転子8の詳細構成について説明する。図3は、本実施形態に係る永久磁石形同期回転電機の一部を拡大した正断面図である。図3では、図2に示した巻線72の図示を省略している。図3において、EはV字の頂点を示しており、中心線OC上に位置している。直線DEは、永久磁石83の長手方向に平行な直線であり、直線FEは、永久磁石82の長手方向に平行な直線である。図3では、説明の便宜上、ティース部74として、ティース部741〜747と符号を付している。Y方向は、回転子コア81の周方向のうちの一方向であり、Z方向は、Y方向とは反対の方向である。直線OGは、回転中心Oと、回転子コア81の外周側かつY方向側に存在する永久磁石83の一方端部83aとを通る直線であり、回転中心Oと、ティース部743のZ方向側の一方端部743aとを通る直線でもある。直線OHは、回転中心Oと、回転子コア81の内周側かつY方向側に存在する永久磁石83の他方端部83bとを通る直線であり、回転中心Oと、ティース部743のY方向側の他方端部743bとを通る直線でもある。角度γは、回転中心Oを基準として、直線OGと直線OHとがなす角度である。永久磁石82および83の外周には、磁石穴2および3によって短絡防止用の円弧空間20〜25が形成される。
なお、図3において、1つのd軸内における回転子8の表面のうち、磁力の強い部分は、回転子コア81の外周側かつZ方向側に存在する永久磁石82の一方端部82a付近の表面、永久磁石83の一方端部83a付近の表面、中心線OC上の表面付近、となる。なお、本実施形態では、永久磁石82および83が中心線OCで仕切られていたため、永久磁石82と永久磁石83の磁力の組合せにより、中心線OC上の表面付近の磁力が強くなる。また、図3では、回転子コア81の径方向において永久磁石83の一方端部83aがティース部743の一方端部743aと対向するときの様子を示している。
図3に示すように、永久磁石83は、V字の頂点Eを基準として、中心線OCからZ方向側へ角度αだけ傾いており、第2永久磁石82は、V字の頂点Eを基準として、中心線OCからY方向側へ角度αよりも大きな角度βだけ傾いている。また、回転子コア81の径方向において永久磁石83の一方端部83aがティース部743の一方端部743aと対向するとき、回転子コア81の径方向において永久磁石83の他方端部83bがティース部743の他方端部743bと対向するように、永久磁石83が配置されている。換言すれば、例えば、永久磁石83の一方端部83aと回転中心Oを通る直線を第1直線とし、永久磁石83の他方端部83bと回転中心Oを通る直線を第2直線とし、ティース部743の一方端部743aと回転中心Oを通る直線を第3直線とし、ティース部743の他方端部743bと回転中心Oを通る直線を第4直線とする。このとき、第1直線と第2直線とのなす角度が第3直線と第4直線とのなす角度(図3では、角度γ)で同じ角度となるように、永久磁石83が配置されている。
次に、図4Aおよび図4Bを参照して、本実施形態に係る永久磁石形同期回転電機の束分布について説明する。図4Aは、図3に示した本実施形態に係る永久磁石形同期回転電機の磁界解析結果を示した図である。図4Bは、本実施形態との比較例である磁界解析結果を示した図である。図4Aおよび図4Bでは、便宜上、ティース部741〜747は、それぞれの外周位置を示すように記載している。
図3に示したように、永久磁石83の一方端部83aがティース部743の一方端部743aと対向するとき、永久磁石83の他方端部83bがティース部743の他方端部743bと対向するように、永久磁石83が配置されている場合、図3に示した永久磁石形同期回転電機の一部の磁束分布は、図4Aに示すようになる。図4Aに示すように、固定子7のヨーク部73を通る、1磁極あたりの磁束は、ティース部742からティース747の範囲に分布していることが分かる。この1磁極あたりの磁束は、ティース部741とティース部742の間できれいに右隣の磁極の磁束と分かれており、ティース部747とその左隣のティース部の間で、きれいに左隣の磁極の磁束と分かれている。つまり、ティース部742に右隣の磁極から磁束が回り込んでおらず、ティース747についても左隣の磁極から磁束が回り込んでいない。また、1磁極内のヨーク部73には、磁束密度が中程度となる磁束密度部Iaが1つ存在していることが分かる。また、1磁極内において磁束密度が最も高い場所は、ティース部747となっていることが分かる。
また、図4Aに示すように、ティース742のギャップ磁束密度は、永久磁石83の内側の反発成分により、ほぼ零に近くなる。このため、巻線72によるマグネットトルクを引き出すための磁束は、ティース部742、永久磁石83の内周側、永久磁石82の内周側、ティース部747、ヨーク部73の順でこれらを通るようになり、きれいな磁路が形成される。
一方、永久磁石83の一方端部83aが、図3に示す状態より右側であってティース742の下部に少し入った位置に配置された場合、図3に相当する永久磁石形同期回転電機の一部の磁束分布は、図4Bに示すようになる。図4Bに示すように、固定子7のヨーク73を通る、1磁極当たりの磁束は、ティース部741からティース747の範囲に分布していることが分かる。ティース部741には、右隣の磁極から磁束が回り込んでおり、ティース747には、左隣の磁極から磁束が回り込んでいる。また、1磁極内のヨーク部73には、磁束密度が中程度となる磁束密度部Ibが3つ存在していることが分かる。これは、図4Aの磁束密度部Iaよりも鉄損が大きいことを示している。また、1磁極内において磁束密度が最も高い場所は、ティース部741とティース部747となっていることが分かる。この2つのティース部741および747の磁束密度は、隣の磁極から磁束が流れこんでくるため、図4Aにおいて磁束密度が最も高くなったティース部747よりもさらに高くなる。
また、図4Bに示すように、ティース742はS極であるため、永久磁石82および83のN極成分がティース742と少しでも対向すると、ティース部743が主となって磁路を形成するものの、ティース部742も、吸引磁束として磁路の一部を形成してしまう。このため、巻線72によるマグネットトルクを引き出すための磁束は、ティース742だけでは足りず、ティース部742とティース部741の一部、永久磁石83の内周側、永久磁石82の内周側、ティース部747とティース部746の一部、ヨーク部73の順でこれらを通るようになり、局部的に磁束密度が高くなる複雑な磁路が形成される。
なお、図示していないが、永久磁石83の一方端部83aを図4Bに示す状態よりさらに右側に配置した場合でも、図3に相当する永久磁石形同期回転電機の一部の磁束分布は、図4Bと同様の結果となる。また、永久磁石83の一方端部83aを図3に示す状態より左側に配置した場合でも、磁束密度が高くなる部分がヨーク部73に図4Aよりも多く発生し、ティース部743での磁束密度が、図4Aにおいて磁束密度が最も高くなったティース部747よりもさらに高くなる。
以上の図4Aおよび図4Bから、本実施形態では、図3に示したように永久磁石82および83を配置することで、固定子コア71内において磁束密度が高い部分を減らすことができることがわかる。これにより、永久磁石83の位置を特に規定していなかった従来に対し、鉄損を効果的に減少させることができ、マグネットトルクおよびリラクタンストルクを向上させることができる。その結果、永久磁石形同期回転電機の効率を従来よりも向上させることができる。
次に、図5Aおよび図5Bを参照して、本実施形態に係る永久磁石形同期回転電機の高効率領域特性について説明する。図5Aは、図3および図4Aに示した本実施形態の構成がもつ高効率領域特性を示す図である。図5Bは、本実施形態との比較例である図4Bに示した構成がもつ高効率領域特性を示す図である。図5Aおよび図5Bにおいて、横軸は、モータ回転数(rpm)を示し、縦軸は、トルク(N・m)を示している。また、図5Aおよび図5Bにおいて、JaおよびJbは、効率が95%以上となる領域を示しており、JaはJbよりも広くなっている。なお、図示していないが、Jaは、永久磁石83の一方端部83aを図3に示す状態より左側に配置した場合の高効率領域特性における、効率が95%以上となる領域よりも広くなる。
図5Aおよび図5Bから、本実施形態では、図3に示したように永久磁石82および83を配置することで、95%以上の高効率となる領域が広くなることがわかる。これにより、永久磁石形同期回転電機の高効率領域を従来よりも拡大させることができる。
以上のように、本実施形態では、永久磁石形同期回転電機の効率を従来よりも向上させることができるとともに、永久磁石形同期回転電機の高効率領域も従来よりも拡大させることができる。
なお、以上に説明した本実施形態に係る永久磁石形同期回転電機は、車両や産業用省力機械などの駆動用モータ、発電機に適用可能である。車両の例としては、ハイブリッド自動車や、燃料電池自動車、電気自動車などが挙げられる。産業用省力機械の例としては、昇降機(クレーンや巻上げ機、エレベータ、立体駐車場等)、流体機械(風水力用のコンプレッサやブロワ、ポンプ等)、加工機(半導体製造装置や工作機械等)などが挙げられる。
以上、本発明の実施形態について説明した。ただし、いわゆる当業者であれば、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、上記実施形態から適宜変更が可能であり、また、上記実施形態と変更例による手法を適宜組み合わせて利用することも可能である。すなわち、このような変更等が施された技術であっても、本発明の技術的範囲に含まれることは言うまでもない。
例えば、永久磁石82および83の断面形状は、長方形状に限定されず、楕円形状や円弧形状等の他の細長形状であってもよい。
1 電磁鋼板形成体
2、3 磁石穴
4 空洞部
5 アウターブリッジ
6 センターブリッジ
7 固定子
8 回転子
71 固定子コア
72 巻線
73 ヨーク部
74 ティース部
75 スロット部
81 回転子コア
82、83 永久磁石
20〜25 円弧空間

Claims (8)

  1. ティース部を有する固定子を備える回転電機に用いられる回転子であって、
    外周が前記ティース部と対向する回転子コアと、
    前記回転子コアの内部に設けられ、前記回転子の回転軸に対し垂直な前記回転子コアの断面において前記回転子の回転中心側を頂点とするV字の各辺を互いで描くように磁極ごとに設けられた第1および第2永久磁石と、を備え、
    前記回転軸に対し垂直な前記回転子コアの断面において、
    前記V字の頂点は、前記回転子コアの周方向に隣り合う前記磁極の間を仕切る極仕切線であって当該周方向に隣り合う極仕切線の間を2等分する中心線上に位置し、
    前記第1永久磁石は、前記V字の頂点を基準として、前記中心線から前記周方向のうちの第1方向側へ第1角度だけ傾いており、
    前記第2永久磁石は、前記V字の頂点を基準として、前記中心線から前記第1方向とは反対の第2方向側へ前記第1角度よりも大きい第2角度だけ傾いており、
    前記第1永久磁石が描く前記V字の辺と平行な方向における前記第1永久磁石の幅は、前記第2永久磁石が描く前記V字の辺と平行な方向における前記第2永久磁石の幅よりも短くなっており、
    前記回転子コアの外周側かつ前記第2方向側に存在する前記第1永久磁石の一方端部が、前記回転子コアの径方向において前記ティース部の前記第1方向側の一方端部と対向するとき、前記回転子コアの内周側かつ前記第2方向側に存在する前記第1永久磁石の他方端部が、一方端部が前記第1永久磁石の一方端部と対向する前記ティース部の前記第2方向側の他方端部と前記回転子コアの径方向において対向する、回転子。
  2. 前記回転軸に対し垂直な前記回転子コアの断面において、
    前記第1永久磁石は、長手方向が前記第1永久磁石の描く前記V字の辺と平行な方向となる細長形状を有し、
    前記第2永久磁石は、長手方向が前記第2永久磁石の描く前記V字の辺と平行な方向となる細長形状を有する、請求項1に記載の回転子。
  3. ティース部を有する固定子と、
    前記ティース部に対向して設けられた回転子と、を備え、
    前記回転子は、
    外周が前記ティース部と対向する回転子コアと、
    前記回転子コアの内部に設けられ、前記回転子の回転軸に対し垂直な前記回転子コアの断面において前記回転子の回転中心側を頂点とするV字の各辺を互いで描くように磁極ごとに設けられた第1および第2永久磁石と、を有し、
    前記回転軸に対し垂直な前記回転子コアの断面において、
    前記V字の頂点は、前記回転子コアの周方向に隣り合う前記磁極の間を仕切る極仕切線であって当該周方向に隣り合う極仕切線の間を2等分する中心線上に位置し、
    前記第1永久磁石は、前記V字の頂点を基準として、前記中心線から前記周方向のうちの第1方向側へ第1角度だけ傾いており、
    前記第2永久磁石は、前記V字の頂点を基準として、前記中心線から前記第1方向とは反対の第2方向側へ前記第1角度よりも大きい第2角度だけ傾いており、
    前記第1永久磁石が描く前記V字の辺と平行な方向における前記第1永久磁石の幅は、前記第2永久磁石が描く前記V字の辺と平行な方向における前記第2永久磁石の幅よりも短くなっており、
    前記回転子コアの外周側かつ前記第2方向側に存在する前記第1永久磁石の一方端部が、前記回転子コアの径方向において前記ティース部の前記第1方向側の一方端部と対向するとき、前記回転子コアの内周側かつ前記第2方向側に存在する前記第1永久磁石の他方端部が、一方端部が前記第1永久磁石の一方端部と対向する前記ティース部の前記第2方向側の他方端部と前記回転子コアの径方向において対向する、永久磁石形同期回転電機。
  4. 前記回転軸に対し垂直な前記回転子コアの断面において、
    前記第1永久磁石は、長手方向が前記第1永久磁石の描く前記V字の辺と平行な方向となる細長形状を有し、
    前記第2永久磁石は、長手方向が前記第2永久磁石の描く前記V字の辺と平行な方向となる細長形状を有する、請求項3に記載の永久磁石形同期回転電機。
  5. 請求項3に記載の永久磁石形同期回転電機を備えた、車両。
  6. 請求項3に記載の永久磁石形同期回転電機を備えた、昇降機。
  7. 請求項3に記載の永久磁石形同期回転電機を備えた、流体機械。
  8. 請求項3に記載の永久磁石形同期回転電機を備えた、加工機。
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