JP5372296B2 - 永久磁石型回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、車両電動機などの回転電機に係り、特に、回転子の内部に永久磁石を配置した回転電機の回転子の構造に関する。

従来、回転子の界磁発生手段として永久磁石を用いる永久磁石式モータがあり、さらに、この永久磁石式モータを高速回転域に適用するため、永久磁石を回転子の内部に埋め込んで耐遠心力性を高めた磁石埋込型モータ（Interior Permanent Magnet Motor：以下「ＩＰＭモータ」と称する）が知られている（例えば、下記特許文献１）。

この特許文献１に記載のＩＰＭモータでは、トルクリプルを低減するため、回転子の極間部（ｑ軸）に溝（スリット）を設けることが提案されている。

特開２００９−１１８７３１号公報

しかしながら、上記特許文献１の技術では、ｑ軸磁路に形成される溝の深さを回転子に埋め込んだ永久磁石の内周側の端部付近まで延ばす必要がある。このため、積層する磁性鋼板の加工が難しく、回転子鉄心の外径精度を出しにくいという課題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、回転子鉄心の外径精度を損なうことなく、トルクリプルの低減を可能とする永久磁石型回転電機を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明に係る永久磁石型回転電機は、スロットの内部に固定子コイルを収納する複数のスロットを有する固定子と、前記固定子に回転空隙を介して回転可能に配置される回転子鉄心を有し、この回転子鉄心の内部に１極あたり複数個の永久磁石が埋め込まれる回転子と、を備え、前記回転子鉄心には前記複数個の永久磁石を埋め込む磁石挿入穴が回転子中心に向かって凸型に形成され、前記各磁石挿入穴に永久磁石を埋め込んだときに、両側に位置する永久磁石の少なくとも外周部側の側面部には空洞部が形成され、前記複数個の永久磁石からなる一の永久磁石群と、当該一の永久磁石群に隣接する他の永久磁石群との間の極間部には、磁極間の中心線を基準として対称形を成す一対の磁束制御穴が各磁極毎に設けられ、前記各磁束制御穴の直径をｄ、当該一対の磁束制御穴の中心間距離をｍ、前記極間部の幅をｂ、前記永久磁石群の極ピッチをτとするとき、前記中心間距離ｍを前記永久磁石群の極ピッチτで規格化したｍ／τの値が、０．０８＜ｍ／τ＜（ｂ−２ｄ）／τを満足するように当該磁束制御穴が設けられていることを特徴とする。

本発明に係る永久磁石型回転電機によれば、回転子鉄心の外径精度を維持しつつ、トルクリプルを低減することができるという効果を奏する。

図１は、実施の形態１に係る永久磁石型回転電機の一例である永久磁石型電動機の断面図である。 図２は、回転子に埋め込まれる永久磁石の磁極構成を示す回転子の模式断面図である。 図３は、図２の破線部で示した部分の永久磁石が挿入されていない場合の部分拡大図である。 図４は、永久磁石が挿入されている場合の図３に対応する部分拡大図である。 図５は、実施の形態１に係る磁束制御穴の詳細な位置を説明する図である。 図６は、実施の形態１に係る磁束制御穴の有無に応ずるトルクリプルの時間変化を示す図である。 図７は、実施の形態１に係る磁束制御穴の中心間距離とトルクリプルの振幅の関係を示す図である。 図８は、かしめ構造によって形成される実施の形態２に係る磁束制御穴の軸方向断面図である。 図９は、かしめ構造によって形成される実施の形態２に係る磁束制御穴の中心間距離とトルクリプル振幅との関係を示す図である。 図１０は、実施の形態３に係る永久磁石型回転電機の回転子鉄心の一部の構造を示す模式断面図である。 図１１は、実施の形態３に係る回転子構造による磁束制御穴の中心間距離とトルクリプル振幅との関係を示す図（シミュレーション結果）である。 図１２は、実施の形態４に係る永久磁石型回転電機の回転子鉄心の一部の構造を示す模式断面図である。

以下、添付図面を参照し、本発明の実施の形態に係る永久磁石型回転電機について説明する。なお、以下に示す実施の形態により本発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る永久磁石型回転電機の一例である永久磁石型電動機の断面図であり、図２は、回転子に埋め込まれる永久磁石の磁極構成を示す回転子の模式断面図であり、図３は、図２の破線部で示した部分の永久磁石が挿入されていない場合の部分拡大図であり、図４は、永久磁石が挿入されている場合の図３に対応する部分拡大図である。

実施の形態１に係る永久磁石型電動機１は、固定子２および回転子５を備えている。固定子２は、円筒形状を成す固定子鉄心３を有し、この固定子鉄心３は、その内周部側に、例えば３６個のティース３ｂを等角ピッチで、且つ、間欠的に形成することによって３６個のスロット３ａが形成されている。なお、スロット３ａには、固定子コイル４が、ティース３ｂの所定数個分を内部に含むように巻装されて収納される。

回転子５は、例えば所定枚数の磁性鋼板を積層および一体化して作製され、外周面が円筒面を成し、１８個の磁石挿入穴７が等角ピッチで配列されるように形成された回転子鉄心６と、各磁石挿入穴７内にそれぞれ収納された永久磁石８（８ａ〜８ｃ：図２，４参照）および永久磁石１６（１６ａ〜１６ｃ：図２参照）と、を備え、固定子２に対し回転空隙１８を介して回転可能となるように配置されている。

ここで、磁石挿入穴７の配置は、図３に示すように、１つの磁石挿入穴７ｂの両端部に２つの磁石挿入穴７ａ，７ｃがあり、回転子鉄心６の外周面（外周方向）に向かって開くように概略Ｕ字状に６組配置（形成）されている。そして、第１の永久磁石の組である永久磁石８ａ〜８ｃによる磁束の向きが回転子鉄心６の外周面に向かって収束する方向に着磁（磁化）される一方で、隣接する組（第２の永久磁石の組）の永久磁石１６ａ〜１６ｃは、磁束の向きが回転子鉄心６の中心部に向かって広がる方向に着磁されている。すなわち、実施の形態１の永久磁石型電動機における回転子では、永久磁石による磁束の向きが回転子の外周面に向かって収束する方向に着磁された永久磁石群と、回転子の中心部に向かって広がる方向に着磁された永久磁石群と、が交互に配列されるように構成されている。

永久磁石群による着磁方向を上記のように構成したのは、固定子コイルの誘起電圧を正弦波状にするためであり、固定子コイルの誘起電圧を正弦波状にする必要のない用途では、この限りではない。すなわち回転子の外周面に向かう方向または回転子の中心部に向かう方向に着磁された各永久磁石群の各着磁方向が平行であっても構わない。

また、磁石挿入穴７ａ〜７ｃに埋め込まれた永久磁石８ａ〜８ｃの両側面部には、図４に示すような空洞部９（永久磁石８ａの両側面部には空洞部９ａ１，９ａ２、永久磁石８ｂの両側面部には空洞部９ｂ１，９ｂ２、永久磁石８ｃの両側面部には空洞部９ｃ１，９ｃ２が形成されるようになっている。

さらに、実施の形態１では、一の永久磁石群を成す８ａ〜８ｃと、隣接する永久磁石群を成す１６ａ〜１６ｃとの間の極間部２２において、一の永久磁石群の永久磁石８ｃに形成される空洞部９ｃ２の近傍に磁束制御穴２０ａを設けると共に、隣接する永久磁石群の永久磁石１６ａに形成される空洞部１７ａ１の近傍に磁束制御穴２０ｂを設けるようにしている。これらの磁束制御穴２０ａ，２０ｂは、トルクリプルの低減を可能とする穴であり、穴の深さは、回転子鉄心６に埋め込まれる永久磁石８の厚さと同程度まで形成されることが好ましい。

なお、図１では、３６個のスロット３ａが固定子２の周方向に等角ピッチで配列され、６個の永久磁石群を成す１８個の永久磁石８，１６が回転子鉄心６の周方向に埋め込まれ、さらに６個の永久磁石群間の６個の極間部に６対（１２個）の磁束制御穴２０が設けられる電動機（１極あたり６個のスロット、１極あたり３個の永久磁石、１磁極間あたり２個の磁束制御穴２０）を一例として示しているが、電動機の極数やスロットの数および永久磁石の数、磁束制御穴の数等、図１の構成に限定されるものではなく、任意の数の選択が可能である。

つぎに、これらの磁束制御穴２０ａ，２０ｂのより詳細な位置について、図５を参照して説明する。

図５には、回転子鉄心６の中心を通り、一の永久磁石群の右端にある磁石挿入穴７ｃと、隣接する永久磁石群の左端にある磁石挿入穴１５ａとから等距離にある磁極間中心線３０が引かれており、磁束制御穴２０ａ，２０ｂは、磁極間中心線３０から等距離、即ち、磁極間中心線３０に対して線対称に設けられている。

つぎに、磁束制御穴２０の形状が、例えば円形である場合について、図示のように、磁束制御穴２０ａ，２０ｂの中心間距離ｍ、各磁束制御穴の直径ｄ、永久磁石群の極ピッチτをパラメータとするときのトルクリプルについて考察する。なお、磁束制御穴２０の形状が円形である場合、ｍ＝０は、磁束制御穴２０ａ，２０ｂが重なって一つになることを意味し、ｍ＝ｄは、磁束制御穴２０ａと磁束制御穴２０ｂの一点が接していることを意味する。したがって、０＜ｍ＜ｄである場合、磁束制御穴２０ａ，２０ｂの各一部が重なり合って一つの略楕円形状を成していることを意味する。

図６は、磁束制御穴２０の有無に応ずるトルクリプルの時間変化を示す図（シミュレーション結果）であり、横軸にはモータの回転位置をプロットし、縦軸にはトルクをプロットしている。また、実線は磁束制御穴２０を設けた場合であり、破線は磁束制御穴２０を設けない場合である。同図に示すように、磁束制御穴２０を設けることにより、トルクリプルが大きく低減していることが分かる。

図７は、磁束制御穴２０の中心間距離とトルクリプルの振幅の関係を示す図（シミュレーション結果）である。この図７では、横軸には磁束制御穴２０ａ，２０ｂの中心間距離を磁石の極ピッチτで規格化した値をプロットし、縦軸には磁束制御穴２０を有する場合のトルクリプルの振幅値を磁束制御穴２０を有さない場合のトルクリプルの振幅値で規格化した値を磁束制御穴２０の直径（極ピッチτに対する規格値）をパラメータとしてプロットしている。

図７において、実線は磁束制御穴２０ａ，２０ｂの各直径が０．０２６τの場合であり、一点鎖線は磁束制御穴２０ａ，２０ｂの各直径が０．０３６τの場合であり、破線は磁束制御穴２０ａ，２０ｂの各直径が０．０４６τの場合である。なお、これら３つのケースの何れも、磁束制御穴２０ａ，２０ｂ同士が重なり合うことはなく、また、磁束制御穴２０ａ，２０ｂの一部が磁石挿入穴７ｃまたは磁石挿入穴１５ａと重なり合うことはない設定条件である（図５参照）。

図７に示すように、磁束制御穴２０の大きさ（直径）に関わらず磁束制御穴２０ａ，２０ｂの中心間距離ｍを極ピッチτで規格化した値（ｍ／τ）を０．０８以上とすれば、磁束制御穴２０を設けない場合に比してトルクリプルを低減することができる。また、ｍ／τの値を０．１以上とすれば、図７の３つのケースにおいて、２０％以上のトルクリプル低減率を得ることができるので、より好ましい設定値である。

なお、図７のシミュレーションでは、ｍ／τの値を０．２未満としているが、この条件は、磁束制御穴２０ａ，２０ｂの一部が磁石挿入穴７ｃまたは磁石挿入穴１５ａと重なり合うことはないという条件、即ち、一の永久磁石群と当該一の永久磁石群に隣接する他の永久磁石群との間の極間部の幅をｂとするとき、ｍ＜（ｂ−２ｄ）（ｍ／τ＜（ｂ−２ｄ）／τ）という条件が守られている。

以上説明したように、実施の形態１の永久磁石型回転電機によれば、回転子の極間部に一対の磁束制御穴を設け、これら一対の磁束制御穴同士が重ならず、且つ、これら一対の磁束制御穴のそれぞれが隣接する磁石挿入穴の一部と重ならず、且つ、これら一対の磁束制御穴の中心間距離ｍを極ピッチτで規格化した値（ｍ／τ）が０．０８以上となるように設定したので、トルクリプルの低減が可能となる。また、この手法は、回転子鉄心の一部に穴を設けるという簡易な手法であるため、回転子鉄心の外径精度を得やすいという利点がある。

なお、実施の形態１では磁束制御穴という概念で説明したが、穴の部分が空隙（空気）である必要はなく、回転子鉄心よりも透磁率の低い材料（樹脂など）が埋め込まれていても構わない。

実施の形態２．
実施の形態１では、回転子の極間部にトルクリプルの低減を可能とする一対の磁束制御穴２０ａ，２０ｂを設けるようにしているが、これら磁束制御穴２０ａ，２０ｂの部分を図８に示すようなかしめ構造としてもよい。図８は、かしめ構造によって形成される磁束制御穴の軸方向断面図である。

また、図９は、かしめ構造によって形成される磁束制御穴２０の中心間距離とトルクリプル振幅との関係を示す図（シミュレーション結果）である。なお、横軸と縦軸の関係および、パラメータとする磁束制御穴２０の直径についても、実施の形態１と同一である。

図９に示すように、磁束制御穴２０の大きさ（直径）に関わらず磁束制御穴２０同士の中心間距離ｍを極ピッチτで規格化した値（ｍ／τ）を０．０８以上とすれば、かしめを設けない場合に比してトルクリプルを低減することができる。

磁束制御穴２０の部分をかしめ構造とした場合、回転子鉄心６の透磁率よりも磁束制御穴２０の部分の透磁率は小さくなる。このため、実施の形態１の構造と等価となり、トルクリプルを低減することが可能となる。また、かしめ構造により、回転子軸方向の固定もでき、工作性も容易となる。すなわち、磁束制御穴２０の部分をかしめ構造とすることにより、回転子鉄心６を構成する磁性鋼板を固着して一体化する作用と、回転子２の内部の磁束を制御してトルクリプルを低減する作用との、双方の作用を得ることができる。

以上説明したように、実施の形態２の永久磁石型回転電機によれば、回転子の極間部にかしめ構造による一対の穴（かしめ穴）を設け、これら一対のかしめ穴のそれぞれが隣接する磁石挿入穴とも重ならず、且つ、これら一対のかしめ穴の中心間距離ｍを極ピッチτで規格化した値（ｍ／τ）が０．０８以上となるように設定したので、これら一対のかしめ穴が実施の形態で説明した磁束制御穴として作用し、トルクリプルの低減が可能となる。また、この手法は、回転子鉄心の一部にかしめ構造の穴を設けるという簡易な手法であるため、回転子鉄心の外径精度を損なうことがないという効果が得られる。

実施の形態３．
図１０は、実施の形態３に係る永久磁石型回転電機の回転子鉄心の一部の構造を示す模式断面図である。実施の形態１，２では、１極あたり３個の永久磁石を概略Ｕ字状に配置したが、この実施の形態では、図１０に示すように、１極あたり２個の永久磁石をＶ字形状に配置し、実施の形態１と同様な磁束制御穴２０ａ，２０ｂを極間部に設けている。

また、図１１は、実施の形態３に係る回転子構造による磁束制御穴２０の中心間距離とトルクリプル振幅との関係を示す図（シミュレーション結果）である。なお、横軸と縦軸の関係および、パラメータとする磁束制御穴２０の直径についても、実施の形態１と同一である。

図１１に示すように、磁束制御穴２０の大きさ（直径）に関わらず磁束制御穴２０ａ，２０ｂの中心間距離ｍを極ピッチτで規格化した値（ｍ／τ）を０．０７５以上とすれば、磁束制御穴２０を設けない場合に比してトルクリプルを低減することが可能となる。ただし、実施の形態１と同様に、磁束制御穴２０ａ，２０ｂの一部が隣接する磁石挿入穴と重なり合わないための条件として、ｍ／τ＜（ｂ−２ｄ）／τという条件を満足する必要がある。

また、実施の形態３に係る回転子鉄心の構造によれば、永久磁石の数が実施の形態１よりも１極あたり１個少ないので、磁石挿入工程が少なくなり、工作性が容易になるという効果が得られる。

実施の形態４．
図１２は、実施の形態４に係る永久磁石型回転電機の回転子鉄心の一部の構造を示す模式断面図である。実施の形態１では、本発明の実施の形態４における回転子断面詳細図を示す。実施の形態１では、図３，４に示すように、３つの磁石挿入穴７ａ〜７ｃに永久磁石を挿入したときに全ての両側に空隙部が形成される構造としているが、実施の形態４では、図１２の破線部２４ａ，２４ｃで示すように、両側に位置する磁石挿入穴７ａ，７ｃの各内側には空洞部が形成されない構造としている。破線部２４ａ，２４ｃで示す部分は、磁束制御穴２０ａ，２０ｂから離れているため、図６および図７に示すシミュレーション結果に及ぼす影響は小さい。このため、実施の形態４に係る回転子鉄心の構造であっても、実施の形態１と同様の効果が得られる。

また、実施の形態４に係る回転子鉄心の構造によれば、中央の永久磁石の側面部の空洞を大きくすることができるため、永久磁石固定用の接着剤の挿入が容易となり、モータを組み立てやすいという効果が得られる。

なお、以上の実施の形態１〜４に示した構成は、本発明の構成の一例であり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、一部を省略する等、変更して構成することも可能であることは言うまでもない。

例えば、実施の形態１〜４では、１極あたり２個または３個の永久磁石を外周面に向かってＶ字状もしくはＵ字状（即ち、外周面に向かって凹型もしくは回転子中心に向かって凸型）に並べて配置する回転子の構成を例示したが、１極あたり永久磁石数が４個以上であっても構わない。即ち、本発明に係る永久磁石型回転電機では、１極あたり複数個の永久磁石を外周面に向かって凹型もしくは回転子中心に向かって凸型に並べて配置する構成であっても構わない。

また、実施の形態１〜４では、磁石挿入穴７に埋め込む永久磁石８として、例えば図４に示すような概略矩形形状のものを例示したが、このような矩形形状に限定されるものではなく、例えば台形形状のものを用いても構わない。

また、実施の形態１〜４では、磁束制御穴２０の形状は、一例として円形である場合について説明したが、円形に限定されるものではなく、他の形状であっても構わない。ただし、円形の場合には、加工が容易になるという利点があり、製造工程の短縮化には有効である。

以上のように、本発明は、回転子鉄心の外径精度を維持しつつ、トルクリプルの低減を可能とする永久磁石型回転電機として有用である。

１ 永久磁石型電動機
２ 固定子
３ 固定子鉄心
３ａ スロット
３ｂ ティース
４ 固定子コイル
５ 回転子
６ 回転子鉄心
７（７ａ〜７ｃ），１５ａ 磁石挿入穴
８（８ａ〜８ｃ），１６（１６ａ〜１６ｃ） 永久磁石
９（９ａ１，９ａ２，９ｂ１，９ｂ２，９ｃ１，９ｃ２），１７ａ１ 空洞部
１８ 回転空隙
２０ａ，２０ｂ 磁束制御穴
２２ 極間部
２４ａ，２４ｃ 破線部
３０ 磁極間中心線

Claims (3)

1. スロットの内部に固定子コイルを収納する複数のスロットを有する固定子と、
   前記固定子に回転空隙を介して回転可能に配置される回転子鉄心を有し、この回転子鉄心の内部に１極あたり複数個の永久磁石が埋め込まれる回転子と、
   を備え、
   前記回転子鉄心には前記複数個の永久磁石を埋め込む磁石挿入穴が回転子中心に向かって凸型に形成され、前記各磁石挿入穴に永久磁石を埋め込んだときに、両側に位置する永久磁石の少なくとも外周部側の側面部には空洞部が形成され、
   前記複数個の永久磁石からなる一の永久磁石群と、当該一の永久磁石群に隣接する他の永久磁石群との間の極間部には、磁極間の中心線を基準として対称形を成す一対の磁束制御穴が各磁極毎に設けられ、
   前記回転子鉄心は、積層した電磁鋼板をかしめによって一体化する構造であり、
   前記一対の磁束制御穴は、かしめ構造の穴である
   ことを特徴とする永久磁石型回転電機。
2. 前記回転子鉄心には１極あたり３個以上の永久磁石を埋め込む磁石挿入穴が形成され、当該磁石挿入穴は、前記回転子鉄心の外周方向に向かって開くように概略Ｕ字状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の永久磁石型回転電機。
3. 前記磁石挿入穴は、前記回転子鉄心の外周方向に向かって開くようにＶ字状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の永久磁石型回転電機。

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