JP5394756B2 - 永久磁石式回転電機の回転子 - Google Patents

Description

この発明は、外周面より内側に孔が形成された回転子鉄心と、孔に挿入された永久磁石とを備えた永久磁石式回転電機の回転子に関する。

従来、外周面より内側に複数の孔が周方向に間隔をおいて形成された回転子鉄心と、各孔に挿入された直方体形状である永久磁石とを備え、回転子鉄心は、径方向に沿って各孔の外側に形成された回転子表面部と、径方向に沿って孔の内側に形成された中心部と、周方向に沿った各回転子表面部の端部と中心部とを接続したブリッジ部とを有した永久磁石式電動機の回転子が知られている（例えば、特許文献１参照）。
この永久磁石式電動機の回転子では、回転子鉄心の外周面は、周方向に沿った永久磁石の中間部に対向した中間対向部が、ブリッジ部に対向したブリッジ対向部より径方向の外側へ向かって突出した円弧形状に形成されている。
また、この永久磁石式電動機の回転子では、ブリッジ部に、回転子鉄心の周方向に沿って突出した突出部が形成されている。
突出部は、永久磁石に当接することで、永久磁石が回転子鉄心の周方向に沿って移動することを規制している。

特開２００７−２０３５０号公報

しかしながら、このものの場合、突出部が、ブリッジ部から、回転子鉄心の周方向に沿って突出しているので、周方向に沿った永久磁石の幅が小さくなる。
その結果、固定子と電磁的作用をする永久磁石の有効磁束量が低減してしまい、永久磁石式電動機の出力トルクが低下してしまうという問題点があった。

この発明は、上述のような問題点を解決することを課題とするものであって、その目的は、永久磁石が周方向に沿って移動することを規制するとともに、固定子と電磁的作用をする永久磁石の有効磁束量を増大させることができる永久磁石式回転電機の回転子を提供するものである。

この発明に係る永久磁石式回転電機の回転子は、外周面より内側に複数の孔が周方向に間隔をおいて形成された回転子鉄心と、各前記孔に挿入された永久磁石とを備え、前記回転子鉄心は、前記回転子鉄心の径方向に沿って各前記孔の外側に形成された回転子表面部と、前記径方向に沿って前記孔の内側に形成された中心部と、前記周方向に沿った各前記回転子表面部の端部と前記中心部とを接続したブリッジ部とを有し、前記外周面は、前記周方向に沿った前記永久磁石の中間部に対向した中間対向部が、前記ブリッジ部に対向したブリッジ対向部より前記径方向の外側に突出した円弧形状に形成され、前記孔は、前記ブリッジ部の少なくとも前記径方向の内側における前記周方向の肉厚が前記径方向において一定となるように、前記回転子鉄心の軸線に直交した断面がほぼ台形形状に形成されており、前記周方向に沿った前記回転子表面部の端部における前記径方向に沿った肉厚は、前記回転子鉄心を構成する電磁鋼板の板厚の２倍以上、１０倍以下であり、前記孔の前記径方向の幅の寸法は、前記ブリッジ部の前記径方向の長さの寸法とほぼ等しい。

この発明に係る永久磁石式回転電機の回転子によれば、回転子鉄心の径方向に沿ったブリッジ部の少なくとも内側における肉厚が、回転子鉄心の径方向に沿った位置によらず一定となるように、回転子鉄心の軸線に直交した孔の断面がほぼ台形形状に形成されているので、永久磁石の周方向の幅を大きくすることができ、永久磁石が周方向に沿って移動することを規制するとともに、固定子と電磁的作用をする永久磁石の有効磁束量を増大させることができる。

この発明の実施の形態１に係る永久磁石式電動機の回転子が取り付けられた永久磁石式電動機を軸線に沿って視た平面図である。 図１の回転子を示す平面図である。 図２の回転子の要部を示す拡大図である。 図２の回転子の要部を示す拡大図である。 図１の永久磁石の埋め込み深さとコギングトルクおよび銅損との関係をシミュレーションした結果を示す図である。 図１の永久磁石式電動機における応力解析の条件を示す図である。 図６の条件に基づいた永久磁石式電動機における応力解析結果を示す図である。 この発明の実施の形態１に係る永久磁石式電動機の固定子の変形例を示す平面図である。 この発明の実施の形態２に係る永久磁石式電動機の回転子を示す平面図である。

以下、この発明の各実施の形態を図に基づいて説明するが、各図において、同一または相当の部材、部位については、同一符号を付して説明する。
実施の形態１．
図１はこの実施の形態に係る永久磁石式回転電機である永久磁石式電動機の回転子１が取り付けられた永久磁石式電動機を軸線に沿って視た平面図である。
この実施の形態に係る永久磁石式電動機の回転子１は、円筒形状の固定子２の内側に、固定子２の内縁部から離間して挿入されており、回転可能となっている。
回転子１は、外周面４ａより内側に複数の孔３が周方向に間隔をおいて並べて形成された回転子鉄心４と、孔３のそれぞれに挿入された永久磁石５とを備えている。
回転子鉄心４は、積層鋼板によって構成されている。
回転子鉄心４の中心には、回転軸６が焼き嵌めによって固定されている。なお、回転子鉄心４と回転軸６との固定は、焼き嵌めに限らず、例えば、圧入による嵌合であってもよい。
固定子２は、積層鋼板によって構成された固定子鉄心７と、この固定子鉄心７の内縁部に形成されたティース７ａに取り付けられたコイル８とを備えている。
ティース７ａは、複数個形成されており、それぞれが径方向の内側に突出し、周方向に間隔をおいて並べられている。

図２は図１の回転子１の要部を示す平面図、図３は図２の回転子１の要部を示す拡大図である。
回転子鉄心４は、回転子鉄心４の径方向に沿って各孔３の外側に形成された回転子表面部９と、回転子鉄心４の径方向に沿って孔３の内側に形成された中心部１０と、回転子鉄心４の周方向に沿った回転子表面部９の端部と中心部１０とを接続したブリッジ部１１とを有している。

回転子鉄心４の外周面４ａは、回転子鉄心４の周方向に沿った永久磁石５の中間部に対向した中間対向部１２が、ブリッジ部１１に対向したブリッジ対向部１３より径方向の外側へ向かって突出した円弧形状に形成されている。
つまり、回転子鉄心４の外周面４ａに接する外接円の半径Ｒ０が、中間対向部１２における円弧半径Ｒ１より大きくなっている。
これにより、回転子１の起磁力高調波成分を低減させて、無負荷時の脈動トルクであるコギングトルクを低減させることができる。
また、回転子鉄心４の外周面４ａは、ブリッジ対向部１３が、凹んだ円弧形状に形成されている。

孔３は、回転子表面部９側の端部を除いたブリッジ部１１における、回転子鉄心４の周方向に沿った肉厚Ｃ１が、回転子鉄心４の径方向において一定となるように、回転子鉄心４の軸線に直交した断面がほぼ台形形状に形成されている。
つまり、孔３は、回転子鉄心４の径方向の外側における回転子鉄心４の周方向に沿った幅Ｍｈｕの寸法が、回転子鉄心４の径方向の内側における回転子鉄心４の周方向に沿った幅Ｍｈｄの寸法より大きくなっている。
永久磁石５は、中心部１０側のブリッジ部１１に当接することで、回転子鉄心４の周方向に沿った移動が規制される。

また、孔３は、回転子鉄心４の径方向に沿った幅ＭＬの寸法が、回転子鉄心４の径方向に沿ったブリッジ部１１の長さＣ２の寸法とほぼ等しくなるように形成されている。
また、孔３は、回転子鉄心４の径方向の外側の隅部３ａが、凹んだ円弧形状に形成されている。
ブリッジ対向部１３の円弧半径Ｒ２は、隅部３ａの円弧半径Ｒ３より大きくなるように形成されている。
これにより、回転子鉄心４の周方向に沿ったブリッジ部１１の肉厚Ｃ１と、隣接した回転子表面部９の隣接した端部における径方向に沿った肉厚Ｂ１を小さくすることができる。
なお、ブリッジ部１１の肉厚Ｃ１および隣接した回転子表面部９の隣接した端部における径方向に沿った肉厚Ｂ１は、工作性および機械強度を考慮すると、電磁鋼板の板厚の２倍〜１０倍以下にすることが望ましい。
また、外周面４ａのブリッジ対向部１３を、径方向の外側へ突出した円弧形状に形成することで、隣接した回転子表面部９の隣接した端部における径方向に沿った肉厚Ｂ１を大きくして、工作性および機械強度を向上させてもよい。

図４は図２の回転子１の要部を示す拡大図である。
永久磁石５は、回転子鉄心４の軸線に直交した断面積Ｓｍが、回転子鉄心４の軸線に直交した回転子表面部９の断面積Ｓｃとほぼ等しくなるように形成されている。
なお、回転子鉄心４の軸線に直交した永久磁石５の断面積Ｓｍは、回転子鉄心４の軸線に直交した回転子表面部９の断面積Ｓｃより大きくしてもよい。

次に、永久磁石式電動機の出力トルクＴについて説明する。
一般的に、永久磁石式電動機では、固定子２のコイル８に流れる電流量を回転子１の座標系に変換して、出力トルクＴを算出することができる。
回転子１の座標系とは、永久磁石５からコイル８へ向かった磁束の方向をｄ軸、このｄ軸と電気的・磁気的に直交する方向をｑ軸としたｄ−ｑ軸座標系である。
ｄ−ｑ軸座標系では、永久磁石式電動機の出力トルクＴは、下記の（１）式によって算出することができる。
Ｔ＝Ｐ×φ_ｆ×ｉ_ｑ＋Ｐ×（Ｌ_ｄ−Ｌ_ｑ）×Ｉ_ｄ×ｉ_ｑ （１）
ただし、Ｐは極対数、ｉ_ｄはｄ軸電流、ｉ_ｑはｑ軸電流、Ｌ_ｄはｄ軸インダクタンス、Ｌ_ｑはｑ軸インダクタンス、φ_ｆは永久磁石５からコイル８へ向かった磁束におけるｄ軸上にあるコイル８との鎖交磁束である。
このとき、固定子２のコイル８に流れる電流量Ｉは、下記の（２）式によって算出することができる。
Ｉ＝（１／√３）×√（ｉ_ｄ ^２＋ｉ_ｑ ^２） （２）
上記の（１）式の第１項は、永久磁石５によって発生するマグネットトルクＴ_ｍ、第２項は、リラクタンスの変化によって発生するリラクタンストルクＴ_ｒである。
固定子２のコイル８に流れる電流量Ｉを増加させずに、永久磁石式電動機の出力トルクＴを増大させるためには、上記の式（１）に示すように、φ_ｆまたはＬ_ｄ−Ｌ_ｑを大きくすればよい。

回転子１は、回転子鉄心４の外周面４ａに永久磁石５が取り付けられた回転子１と比較して、回転子鉄心４の径方向に沿って孔３の外側に回転子表面部９が形成され、この回転子表面部９によって、Ｌ_ｄ−Ｌ_ｑを大きくすることができるので、リラクタンストルクＴ_ｒを大きくして、出力トルクＴを増大させることができる。

孔３は、ブリッジ部１１の肉厚Ｃ１が、回転子鉄心４の径方向において一定となるように、回転子鉄心４の軸線に直交した断面がほぼ台形形状に形成されているので、回転子鉄心４の周方向に沿った永久磁石５の幅を大きくすることができ、その結果、φ_ｆを大きくして、永久磁石式電動機の出力トルクＴをさらに増大させることができる。

ブリッジ部１１は、肉厚Ｃ１が、回転子鉄心４の径方向において一定となっているので、強度を維持したまま肉厚Ｃ１を薄くすることができる。
ブリッジ部１１の肉厚Ｃ１を薄くすることで、ブリッジ部１１を常に磁気飽和させた状態とすることができるので、隣接した永久磁石５間に発生する磁束の漏れを抑制し、φ_ｆを大きくして、永久磁石式電動機の出力トルクＴをさらに増大させることができる。

次に、回転子鉄心４の外周面４ａからの永久磁石５の埋め込み深さについて説明する。
永久磁石５を回転子鉄心４の外周面４ａから内側に配置することで、リラクタンストルクＴ_ｒが増大し、永久磁石式電動機の出力トルクＴを増大させることができる。
しかしながら、永久磁石５を回転子鉄心４の外周面４ａから内側に配置することで、無負荷時の脈動トルクであるコギングトルクが増大してしまう。
また、永久磁石５を回転子鉄心４の外周面４ａから内側に配置することで、永久磁石５とコイル８との間の距離が大きくなるので、φ_ｆが低減してしまい、そのφ_ｆの低減を補って同じ大きさの出力トルクＴを得るためには、コイル８に流れる電流量Ｉを増大させなければならず、コイル８に発生する銅損が増大する。
図５は、図１の永久磁石５の埋め込み深さとコギングトルクおよび銅損との関係をシミュレーションした結果を示す図である。
図５では、銅損およびコギングトルクは、永久磁石５の埋め込み深さＭｈを、回転子鉄心４の外周面４ａに接する外接円の半径Ｒ０で割った値が０．１の場合を基準とした。
図５に示すように、永久磁石５の埋め込み深さＭｈを、回転子１の最外形の半径Ｒ０の１０％〜１２％程度とすることで、コギングトルクを最も低減させることができることがわかる。
一方、銅損については、永久磁石５の埋め込み深さＭｈを浅くすることで、低減させることができるので、コギングトルクと銅損との両方を考慮して、永久磁石５の埋め込み深さＭｈを、回転子１の最外形の半径Ｒ０の１０％〜１１％程度とするが最適であると言える。

次に、この回転子１が取り付けられた永久磁石式電動機のインダクタンスについて説明する。
永久磁石５は、周囲の温度の変化に伴って残留磁束密度が変化するという特性がある。永久磁石５の残留磁束密度が温度の変化に伴って変化することで、永久磁石５が挿入された回転子鉄心４を通過する磁束の量が変化し、永久磁石式電動機のインダクタンスが変化してしまう。
しかしながら、この回転子１は、ブリッジ部１１の肉厚Ｃ１の寸法を薄く形成することができ、これにより、ブリッジ部１１が常に磁気飽和した状態となるので、永久磁石５の残留磁束密度が温度の変化に伴って変化した場合であっても、ブリッジ部１１を通過する磁束の量の変化が低減され、永久磁石式電動機のインダクタンスの変化を抑制することができる。
これにより、永久磁石式電動機にエンコーダ等の位置センサを取り付けることなく、インダクタンスの変化を検出して、永久磁石式電動機を駆動させることができる。

次に、回転子１を高速回転させた場合に、隣接した回転子表面部９における互いに隣接した端部に働く応力について説明する。
図６は図１の永久磁石式電動機における応力解析の条件を示す図、図７は図６の条件に基づいた永久磁石式電動機における応力解析結果を示す図である。
図６に示すように、Ｃａｓｅ０は、隅部３ａを円弧形状にせず、さらに、回転子鉄心４の外周面４ａのブリッジ対向部１３を円弧形状にしない場合、Ｃａｓｅ１は、隅部３ａのみを円弧形状とした場合、Ｃａｓｅ２は、ブリッジ対向部１３のみを円弧形状にした場合、Ｃａｓｅ３は、隅部３ａおよびブリッジ対向部１３を円弧形状にした場合である。
図７に示すように、隅部３ａおよびブリッジ対向部１３を円弧形状にすることで、隣接した回転子表面部９における互いに隣接した端部に働く応力を低減させることができる。

回転子１が高速回転したときに、隣接した回転子表面部９における互いに隣接した端部に働く応力は、永久磁石５および回転子表面部９の体積、つまり、回転子鉄心４の軸線に直交した断面積と、回転子鉄心４の軸線に沿った長さとの積によって決定される。
つまり、回転子鉄心４の軸線に直交した永久磁石５の断面積Ｓｍおよび回転子表面部９の断面積Ｓｃを小さくすることで、隣接した回転子表面部９における互いに隣接した端部に働く応力を低減させることができる。
さらに、永久磁石５に用いられるネオジウム磁石の密度は、７．５ｇ／ｃｍ^３であり、また、フェライト磁石の密度は、５．０ｇ／ＣＭ^３であるのに対し、回転子鉄心４に用いられる鉄の密度７．９ｇ／ｃｍ^３と比較して小さい。
つまり、回転子鉄心４の軸線に直交した永久磁石５の断面積Ｓｍが、回転子表面部９の断面積Ｓｃより大きくすることで、隣接した回転子表面部９における互いに隣接した端部に働く応力をさらに低減させることができる。

以上説明したように、この実施の形態に係る永久磁石式電動機の回転子１によれば、回転子鉄心４の径方向に沿ったブリッジ部１１の少なくとも内側における肉厚Ｃ１が、回転子鉄心４の径方向において一定となるように、回転子鉄心４の軸線に直交した孔３の断面がほぼ台形形状に形成されているので、永久磁石５の周方向の幅を大きくすることができ、永久磁石５が周方向に沿って移動することを規制するとともに、固定子２と電磁的作用をする永久磁石５の有効磁束量を増大させることができる。

また、回転子鉄心４の径方向に沿った孔３の幅ＭＬの寸法は、回転子鉄心４の径方向に沿ったブリッジ部１１の長さＣ２とほぼ等しいので、回転子１が回転したときに、隣接した回転子表面部９における互いに隣接した端部に働く応力をさらに低減させることができる。

また、回転子鉄心４の外周面４ａにおけるブリッジ対向部１３の円弧半径Ｒ２は、孔３の隅部３ａの円弧半径Ｒ３より大きいので、回転子鉄心４の周方向に沿ったブリッジ部１１の肉厚Ｃ１と、隣接した回転子表面部９の隣接した端部における回転子鉄心４の径方向に沿った肉厚Ｂ１を小さくすることができる。

また、永久磁石５は、回転子鉄心４の軸線に直交した断面積Ｓｍが、回転子鉄心４の軸線に直交した断面積Ｓｃ以上であるので、回転子１が回転したときに、隣接した回転子表面部９における互いに隣接した端部に働く応力をさらに低減させることができる。

なお、この実施の形態では、回転子１の極数が８個、固定子２のスロット数が４８個の分布巻と呼ばれる永久磁石式電動機について説明したが、図８に示すように、回転子１の極数が８個、固定子２のスロット数が１２個の集中巻と呼ばれる永久磁石式電動機であってもよい。
また、回転子１の極数に関しては、８極以上が望ましい。

実施の形態２．
図９は、この実施の形態に係る永久磁石式電動機の回転子１を示す平面図である。
この実施の形態に係る永久磁石式電動機の回転子１は、回転子鉄心４の軸線に直交した永久磁石５の断面積Ｓｍが、回転子鉄心４の軸線に直交した孔３の形状と同じ形状に形成されている。
その他の構成は、実施の形態１と同様である。

以上説明したように、この実施の形態に係る永久磁石式電動機の回転子１によれば、回転子鉄心４の軸線に直交した永久磁石５の断面積Ｓｍが、回転子鉄心４の軸線に直交した孔３の形状と同じ形状に形成されているので、永久磁石５を最大限に大きくすることができ、固定子２と電磁的作用をする永久磁石５の有効磁束量をさらに増大させることができる。

なお、上記各実施の形態では、永久磁石式回転電機の回転子１として、永久磁石式電動機の回転子１を例に説明したが、勿論このものに限らず、永久磁石式発電機の回転子１であってもよい。

１ 回転子、２ 固定子、３ 孔、３ａ 隅部、４ 回転子鉄心、４ａ 外周面、５ 永久磁石、６ 回転軸、７ 固定子鉄心、７ａ ティース、８ コイル、９ 回転子表面部、１０ 中心部、１１ ブリッジ部、１２ 中間対向部、１３ ブリッジ対向部。

Claims (4)

1. 外周面より内側に複数の孔が周方向に間隔をおいて形成された回転子鉄心と、
   各前記孔に挿入された永久磁石とを備え、
   前記回転子鉄心は、前記回転子鉄心の径方向に沿って各前記孔の外側に形成された回転子表面部と、前記径方向に沿って前記孔の内側に形成された中心部と、前記周方向に沿った各前記回転子表面部の端部と前記中心部とを接続したブリッジ部とを有し、
   前記外周面は、前記周方向に沿った前記永久磁石の中間部に対向した中間対向部が、前記ブリッジ部に対向したブリッジ対向部より前記径方向の外側に突出した円弧形状に形成され、
   前記孔は、前記ブリッジ部の少なくとも前記径方向の内側における前記周方向の肉厚が前記径方向において一定となるように、前記回転子鉄心の軸線に直交した断面がほぼ台形形状に形成されており、
   前記周方向に沿った前記回転子表面部の端部における前記径方向に沿った肉厚は、前記回転子鉄心を構成する電磁鋼板の板厚の２倍以上、１０倍以下であり、
   前記孔の前記径方向の幅の寸法は、前記ブリッジ部の前記径方向の長さの寸法とほぼ等しいことを特徴とする永久磁石式回転電機の回転子。
2. 前記孔は、前記径方向の外側の隅部が、凹んだ円弧形状に形成され、
   前記外周面の前記ブリッジ対向部は、凹んだ円弧形状に形成され、その円弧半径が前記隅部の円弧半径より大きいことを特徴とする請求項１に記載の永久磁石式回転電機の回転子。
3. 前記永久磁石は、前記軸線に直交した断面積が、前記軸線に直交した前記回転子表面部の断面積以上であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の永久磁石式回転電機の回転子。
4. 前記永久磁石は、前記軸線に直交した断面積が、前記軸線に直交した前記孔の形状と同じ形状に形成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３の何れか１項に記載の永久磁石式回転電機の回転子。

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