JP5444756B2 - Ｉｐｍモータ用ロータとｉｐｍモータ - Google Patents

Description

本発明は、磁石埋め込み型のＩＰＭモータ用のロータと、該ロータを備えたＩＰＭモータに関するものである。

ブラシレスＤＣモータをはじめとする各種モータの中で、ロータコア内部に複数の永久磁石が埋め込まれてなる永久磁石埋込型のロータを具備するモータ（以下、ＩＰＭモータという）はよく知られるところである。例えば、ハイブリット車両の駆動用モータには、上記するＩＰＭモータが使用されている。

ところで、ステータティースには巻線が集中巻き若しくは分布巻きされることによってコイルが形成されており、コイルに電流を通電することによって磁束を生じさせ、永久磁石による磁束との間でマグネットトルクおよびリラクタンストルクを発生させている。この分布巻きコイルの場合には、集中巻きコイルの場合に比して一極当たりのティース数も多くなり、したがって、ロータ回転時にティース側からロータの永久磁石に入ってくる磁束（または磁束の変化）は相対的に連続性がある。そのため、ロータ回転時の磁束密度の変化は相対的に少ない。それに対し、集中巻きコイルの場合には、磁束密度の変化が相対的に大きくなることから永久磁石には渦電流が生じ易く、渦電流の発生によって永久磁石は発熱し、不可逆な熱減磁が招来されることで永久磁石自体の磁気特性が低下することとなる。

近時のハイブリッド自動車や電気自動車で使用される駆動用モータに関して言えば、モータの出力性能アップが追求されている中でたとえばその回転数や極数の増加が図られており、この回転数の増加等によって磁石に作用する磁界の単位時間当たりの変動回数が大きくなり、その結果として上記渦電流が発生し易く、発熱によって齎される磁石の熱減磁によってモータ性能が逆に低下し、モータの耐久性の低下に繋がるといった課題が生じている。

上記する渦電流の発生およびそれに起因する熱減磁の招来を防止するために、ＩＰＭモータにおいては、該永久磁石を複数の分割磁石から形成しておき、この分割磁石を束ねてロータスロットに挿入設置する方策が講じられており、この構造のＩＰＭモータ用ロータに関する技術として、特許文献１に開示のモータを挙げることができる。

特許文献１に開示のモータでは、たとえば、一つの永久磁石が、ロータ回転軸に直交する方向（たとえば水平方向）に分割された３つの分割磁石から構成されるものである。この永久磁石を、ステータ側から該永久磁石側に入ってくる磁束とともに図６に模擬している。同図において、永久磁石Ｐは、中央の分割磁石ｐ２と端部の分割磁石ｐ１、ｐ３とから構成されており、この端部の分割磁石ｐ１、ｐ３では、ステータＳ側から入ってくる磁束：ｆ２が永久磁石から発生する磁束とぶつかり、永久磁石ｐの上下方向に曲げられるために、永久磁石Ｐに対しては、ステータＳ側からロータＲのロータ軸ｄ側に広がる傾斜方向で該ステータＳ側からの磁束：ｆ２が入射することとなる。これにより、図７で示すように、永久磁石ｐ端部の分割磁石ｐ１では、該永久磁石ｐ中央の分割磁石ｐ２に比して発生する渦電流径が大きくなり（中央の磁束：ｆ１によって生じる渦電流ｕ１の径に比して、端部の磁束：ｆ２によって生じる渦電流ｕ２の径が大きくなる）、このことは、永久磁石の端部領域での渦電流損失増加の原因となっている。なお、永久磁石の中央部位に比して、この端部部位には図示のごとくステータ側から入ってくる磁束が曲げられて入射してくるために磁束が集中し、上記する渦電流損失の増加はより顕著である。

特開２０００−３２４７３６号公報

本発明は、上記する問題に鑑みてなされたものであり、分割磁石からなる永久磁石に対して簡易な構造変更をおこなうことで、特に永久磁石の端部領域において渦電流径が大きくなり、これに起因して渦電流損失が増加することを効果的に抑止することのできる、ＩＰＭモータ用ロータと該ロータを具備するＩＰＭモータを提供することを目的とする。

前記目的を達成すべく、本発明によるＩＰＭモータ用ロータは、ロータ軸に沿う方向に設けられたスロット内に永久磁石が埋設されてなるＩＰＭモータ用ロータであって、前記永久磁石は、複数の分割磁石が前記ロータ軸方向に積層されて形成されており、前記分割磁石のうち、少なくとも、永久磁石の端部もしくは端部領域の分割磁石は、そのステータ側の端面からロータ軸側の端面に向かって広がる傾斜方向に配設されているものである。

本発明のＩＰＭモータ用ロータは、該ロータに埋設される複数の分割磁石からなる永久磁石に構造変更を加えたものであり、具体的には、ステータ側から入射する磁束がより集中する永久磁石の端部もしくは端部領域に位置する分割磁石が少なくとも、そのステータ側の端面からロータ軸側の端面に向かって広がる傾斜方向に配設されているものであり、この端部もしくは端部領域の分割磁石が傾斜方向に配設されていることにより、曲げられて永久磁石に入射してきた磁束によって該分割磁石内に形成される渦電流半径を可及的に小さくすることができ、もって永久磁石端部の渦電流損失を低減できるロータである。

ここで、「少なくとも、永久磁石の端部もしくは端部領域の分割磁石」とは、永久磁石の上下端部の分割磁石や、上下端部領域（端部近傍）の複数の分割磁石を意味しており、特にステータ側から入射する磁束が集中する領域に位置する分割磁石を示すものである。

また、本発明のロータに埋設される永久磁石は、希土類磁石やフェライト磁石、アルニコ磁石等を包含するものであり、希土類磁石としては、ネオジムに鉄とボロンを加えた３成分系のネオジム磁石、サマリウムとコバルトとの２成分系の合金からなるサマリウムコバルト磁石、サマリウム鉄窒素磁石、プラセオジム磁石などを挙げることができる。中でも、希土類磁石はフェライト磁石やアルニコ磁石に比して最大エネルギー積（ＢＨ）_ｍａｘが高いことから、高出力が要求されるハイブリッド車等の駆動用モータへの適用に好適である。

また、ロータは、電磁鋼板を積層してなる鋼板積層体のほか、鉄、鉄−シリコン系合金、鉄−窒素系合金、鉄−ニッケル系合金、鉄−炭素系合金、鉄−ホウ素系合金、鉄−コバルト系合金、鉄−リン系合金、鉄−ニッケル−コバルト系合金および鉄−アルミニウム−シリコン系合金などの軟磁性金属粉末、もしくは軟磁性金属酸化物粉末がシリコーン樹脂等の樹脂バインダーで被覆された磁性粉末などからなる圧粉磁心、高密度圧粉磁心（ＨＤＭＣ）などから成形できる。

上記する本発明のロータによれば、複数の分割磁石から形成される永久磁石が埋設されるロータにおいて、従来構造の分割磁石、すなわち、水平方向に分割された分割磁石が積層されてなる永久磁石に対して、少なくとも永久磁石の端部もしくは端部領域の分割磁石を、ステータ側の端面からロータ軸側の端面に向かって広がる傾斜方向に配設させただけの極めて簡易な構造変更により、特に該端部もしくは端部領域における分割磁石内での渦電流径を可及的に小さくでき、渦電流損失低減効果に一層優れたＩＰＭ用ロータとなる。

また、本発明によるＩＰＭモータ用ロータの他の実施の形態において、前記永久磁石は、略同一の厚みを有する分割磁石が積層されてなるものであり、該永久磁石は、スロットの略中央位置を通る略水平面の上下に形成される２つの分割磁石積層ユニットが該略水平面に対して面対称に配設されているものである。

この実施の形態では、永久磁石がその中央位置で２分される上下２つの分割磁石積層ユニットから形成されるものであり、かつ、それぞれの分割磁石積層ユニットはこの中央位置の水平面で面対称であり、それぞれの分割磁石積層ユニットを構成する複数の分割磁石はともに同程度の厚みを有するものである。ここで、「略中央位置」とは、中央位置、中央位置から若干ずれた位置を包含するものであり、「略水平面」とは、水平面、水平面から若干傾斜した面を包含するものである。

本実施の形態によれば、永久磁石の端部が傾斜しているとともに、永久磁石の全体が薄厚の分割磁石にて形成されることから、渦電流損失低減効果は一層向上する。

さらに、本発明によるＩＰＭモータ用ロータの他の実施の形態において、前記永久磁石は、ステータ側の端面の厚みに比してロータ軸側の端面の厚みが相対的に厚く成形された分割磁石が積層されてなるものであり、該永久磁石は、スロットの略中央位置を通る略水平面の上下に形成される２つの分割磁石積層ユニットが該略水平面に対して面対称に配設されているものである。

本実施の形態では、２つの分割磁石積層ユニットを構成する複数の分割磁石がともに、ステータ側の端面の厚みに比してロータ軸側の端面の厚みが相対的に厚く成形されたものであり、この構成により、ステータ側から入射してきた磁束周りに形成される渦電流径を、可及的に薄厚なステータ側の端面の厚みで規定することができ、もって渦電流損失低減効果を高めることのできるロータである。

上記する本発明によるロータ、すなわち、上記する分割磁石からなる永久磁石を埋設してなるロータを具備するＩＰＭモータは、近時その量産が盛んになっており、かつ高い出力性能が期待されるハイブリッド自動車や電気自動車の駆動用モータに好適である。

以上の説明から理解できるように、本発明のＩＰＭモータ用ロータによれば、複数の分割磁石からなる永久磁石を埋設してなるロータにおいて、永久磁石のうち、その端部もしくは端部領域に位置する分割磁石を傾斜配置させただけの極めて簡易な構造変更により、従来構造の永久磁石を具備するロータに比して、永久磁石内に生じ得る渦電流損失をより一層低減することが可能となる。

本発明のロータを具備するＩＰＭモータの斜視図である。 図１のII−II矢視図であって、ＩＰＭモータの縦断面図である。 図２の縦断面図を使用して、ステータ側から入る磁束の流れと、該磁束によって形成される渦電流を模擬した図である。 図２の矢視図に対応する図であって、本発明のロータおよびＩＰＭモータの他の実施の形態を示した縦断面図である。 図２の矢視図に対応する図であって、本発明のロータおよびＩＰＭモータのさらに他の実施の形態を示した縦断面図である。 従来構造のＩＰＭモータにおいて、ステータ側から入る磁束の流れを説明した縦断面図である。 図６の一部を拡大した図であって、永久磁石を構成する端部の分割磁石、および中央の分割磁石に形成される渦電流を模擬した図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。なお、図示するＩＰＭモータにおいて、ティース周りに形成されるコイルや、コイルボビン、相間絶縁紙などの図示は省略している。また、図示のごとく円環状に一体に形成されたステータ以外にも、平面視が弧状のヨークと、ヨークから径方向内側に突出するティースと、からなる電磁鋼板が積層されてなる分割コアが円周方向に組み付けられ、その外周が筒体にて締結されてなる分割ステータであってもよい。

図１は、本発明のロータを具備するＩＰＭモータを斜視図で示したものであり、図２は、図１のII−II矢視図であって、ＩＰＭモータの縦断面的に見た図である。

図１で示すＩＰＭモータは、平面視が略環状のヨーク２２と、該ヨーク２２から径方向内側に突出するティース２１と、からなり、電磁鋼板２，…が積層されて形成されているステータ２０と、ステータ２０の内側に回転自在に配設され、円盤状の電磁鋼板１，…が積層されてなるロータ１０と、から大略構成されている。このロータ１０には、その中央位置においてロータ軸１１（駆動シャフトスロット）が開設されており、その周縁部には、所定数で該ロータ軸１１に沿う方向に延びる磁石用スロットが開設されており、この磁石用スロットに永久磁石３０が挿入され、たとえば該スロットと永久磁石３０の間に固定用樹脂が充填されて永久磁石３０のスロット内固定が補償されている。なお、図示例は、一極当たり一個の永久磁石３０が、平面視でその長手方向をティース２１に正対させた姿勢で配設された形態であるが、これ以外にも、２つの永久磁石で一極を形成するものであって、これらの永久磁石が平面視でＶ字状に配置された形態であってもよい。

ステータ２０は、たとえば、そのヨーク２２でかしめられて積層された電磁鋼板２，…が一体に形成されており、ロータ１０も、永久磁石３０とロータ軸１１の間の領域でかしめられて電磁鋼板１，…が一体に形成されている。

なお、ステータ２０、ロータ１０ともに、電磁鋼板を積層した形態以外にも、鉄、鉄−シリコン系合金、鉄−窒素系合金、鉄−ニッケル系合金、鉄−炭素系合金、鉄−ホウ素系合金、鉄−コバルト系合金、鉄−リン系合金、鉄−ニッケル−コバルト系合金および鉄−アルミニウム−シリコン系合金などの軟磁性金属粉末、もしくは軟磁性金属酸化物粉末がシリコーン樹脂等の樹脂バインダーで被覆された磁性粉末などからなる圧粉磁心にて成形されるものであってもよい。

また、永久磁石３０は、図２で示すように、略同一の厚み：ｔを有する分割磁石３，…が積層されてなる２つの分割磁石積層ユニット３１，３１から構成されており、この分割磁石積層ユニット３１，３１は、磁石用スロットの略中央位置を通る略水平面：ＣＬ（永久磁石３０の略中央位置を通る略水平面）の上下において、該略水平面：ＣＬに対して面対称に配設されている。

それぞれの磁石積層ユニット３１において、各分割磁石３，…は、そのステータ側の端面からロータ軸側の端面に向かって広がる傾斜方向に配設されており、略水平面：ＣＬを挟んで上下方向に開いた姿勢で配設されている。

なお、分割磁石３は、ネオジムに鉄とボロンを加えた３成分系のネオジム磁石、サマリウムとコバルトとの２成分系の合金からなるサマリウムコバルト磁石、サマリウム鉄窒素磁石、プラセオジム磁石などから成形されており、たとえば、この分割磁石３，…が耐熱性を有する熱硬化性の接着剤等で接着されて磁石積層ユニット３１が形成され、２つの磁石積層ユニット３１，３１同士も同様に接着剤等で接着されて永久磁石３０が形成される。

図３は、図２で示す永久磁石３０に対してステータ側から入る磁束の流れと、該磁束によって分割磁石３内で形成される渦電流を模擬したものである。

図示するように、ステータ側からロータ１０および永久磁石３０に入ってくる磁束は、永久磁石３０自身から発生する磁束とぶつかることで、その入射方向は永久磁石３０の端部側（図では上下方向）に曲げられる結果、中央位置（水平面：ＣＬ）付近以外の領域では傾斜方向に磁束が入射してくる。たとえば、図示するように、中央近傍から磁束：ｆ１、ｆ２、ｆ３といった磁束は、ともに傾斜方向に流れて永久磁石３０に入射する。

永久磁石３０を構成する分割磁石３内に入ってきた磁束は、該分割磁石３内を通過する際に、その流れ方向軸周りに渦電流ｕを形成する。

この渦電流ｕの径が大きい程、永久磁石内で生じる渦電流損失が大きくなるが、この分割磁石３は、ステータ側の端面からロータ軸側の端面に向かって広がる傾斜方向に配設されていることから、磁束の流れ方向がこの分割磁石３の傾斜方向に近似し、もしくは一致し、形成される渦電流径を可及的に小さくすることができる。

このことは、従来構造の永久磁石に入ってくる磁束を説明した図７を参照するとより明瞭となる。すなわち、同図において、分割磁石ｐ１、ｐ２が水平方向に分割されている構造では、永久磁石端部に位置する分割磁石ｐ１において形成される渦電流径は、中央位置で水平方向に磁束が入ってくる分割磁石ｐ２内で形成される渦電流径に比して大きくなり、特に入射する磁束が集中する永久磁石端部領域で大径の渦電流が形成されることで、永久磁石内に生じる渦電流損失は大きくなってしまうのである。

図４は、図２の矢視図に対応する形で示した図であり、本発明のロータおよびＩＰＭモータの他の実施の形態を示したものである。

このロータ１０Ａは、スロット内に挿入設置される永久磁石３０Ａにおいて、その端部領域にのみ薄厚の分割磁石３Ａ，…が配されたものであり、この分割磁石３Ａは、ステータ側の端面からロータ軸側の端面に向かって広がる傾斜方向に配設されている。そして、永久磁石３０Ａの中央には略水平面：ＣＬを跨ぐ極厚の分割磁石３Ｂが配されている。

この永久磁石３０Ａは、特に磁束が集中する端部領域にのみ、傾斜配置される分割磁石を配したものであり、永久磁石３０に比して分割数が格段に低減することで、可及的に製造コストを廉価にできる。

図５は、図２、図４の矢視図に対応する形で示した図であり、本発明のロータおよびＩＰＭモータのさらに他の実施の形態を示したものである。

このロータ１０Ｂにおいて、スロット内に挿入設置される永久磁石３０Ｂは、永久磁石３０と同様に、分割磁石３Ｃ，…が積層されてなる２つの分割磁石積層ユニット３２，３２から構成されており、この分割磁石積層ユニット３２，３２は、磁石用スロットの略中央位置を通る略水平面：ＣＬの上下において、該略水平面：ＣＬに対して面対称に配設されている。ここで、積層される分割磁石３Ｃは、ステータ側の端面の厚み：ｔ１に比してロータ軸側の端面の厚み：ｔ２が相対的に厚く成形されており、この構成が永久磁石３０と相違する点である。

この永久磁石３０Ｂは、永久磁石の中央位置から端部に向かって、ステータ側から入ってくる磁束の流れ方向（傾斜方向）が除々に変化し、端部にいくにつれて傾斜角が立つ（９０度に近づく）という実際の磁束の流れをより精緻に反映したものである。

しかも、ステータ側の端面の厚み：ｔ１が相対的に薄くなっていることで、分割磁石３Ｃ内で形成される渦電流の径をこの厚み：ｔ１で規定することができ、可及的に小径の渦電流に抑えることが可能となる。

上記するロータ１０，１０Ａ，１０Ｂを具備するＩＰＭモータは、埋設される永久磁石の構造を簡易に変更しただけで、該永久磁石内で生じ得る渦電流損失を効果的に低減することができ、もって、トルク性能、回転性能、モータ効率に優れ、車載機器に高い性能を要求する近時のハイブリッド自動車や電気自動車の駆動用モータに好適である。

以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。

１…電磁鋼板、１０，１０Ａ,１０Ｂ…ロータ、１１…ロータ軸（回転軸）、２…電磁鋼板、２０…ステータ、３０，３０Ａ，３０Ｂ…永久磁石、３，３Ａ,３Ｂ,３Ｃ…分割磁石、３１，３２…分割磁石積層ユニット、ｆ１、ｆ２、ｆ３…磁束、ｕ…渦電流、ＣＬ…略中央位置を通る略水平面

Claims (4)

1. ロータ軸に沿う方向に設けられたスロット内に永久磁石が埋設されてなるＩＰＭモータ用ロータであって、
   前記永久磁石は、複数の分割磁石が前記ロータ軸方向に積層されて形成されており、
   前記分割磁石は、スロットのロータ軸方向の中心位置に対してロータ軸方向で相対的に外側の外側積層面およびロータ軸方向で相対的に内側の内側積層面と、外側積層面と内側積層面を繋ぐステータ側の端面およびロータ軸側の端面と、を有し、
   前記分割磁石は、外側積層面と内側積層面がそのステータ側からロータ軸側へ向かうにつれてスロットのロータ軸方向の略中心位置に対して相対的に外側に位置するようにロータ軸方向に対して傾斜するように配設されている、ＩＰＭモータ用ロータ。
2. 前記永久磁石は、外側積層面に対して垂直な方向での外側積層面から内側積層面までの距離で規定される厚みが略同一である分割磁石が積層されてなるものであり、
   前記ロータ軸方向を上下方向とした際に、前記永久磁石は、スロットの上下方向の略中央位置を通る略水平面の上下に形成される２つの分割磁石積層ユニットが該略水平面に対して面対称に配設されている、請求項１に記載のＩＰＭモータ用ロータ。
3. 前記永久磁石は、外側積層面に対して垂直な方向でのステータ側の端面と外側積層面の交線から内側積層面までの距離で規定される厚みに比してロータ軸側の端面と内側積層面の交線から外側積層面までの距離で規定される厚みが相対的に厚く成形された分割磁石が積層されてなるものであり、
   前記ロータ軸方向を上下方向とした際に、前記永久磁石は、スロットの上下方向の略中央位置を通る略水平面の上下に形成される２つの分割磁石積層ユニットが該略水平面に対して面対称に配設されている、請求項１に記載のＩＰＭモータ用ロータ。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載のロータを少なくとも備えている、ＩＰＭモータ。

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