JP5482423B2

JP5482423B2 - 電動機

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Publication number: JP5482423B2
Application number: JP2010109529A
Authority: JP
Inventors: 真谷口; 飛鳥田中
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2010-05-11
Filing date: 2010-05-11
Publication date: 2014-05-07
Anticipated expiration: 2030-05-11
Also published as: JP2011239593A; FR2960109B1; KR20110124735A; US20110278978A1; US8796897B2; CN102244427B; KR101231024B1; FR2960109A1; DE102011050245A1; CN102244427A

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、軟磁性材料による回転子コアに永久磁石を組み合わせた電動機に関する。

近年、高性能な希土類磁石を利用したモータ（電動機）が盛んに各機器に採用されているが、資源リスクの観点から希土類磁石を極力使用しないモータの研究が行われている。特許文献１には、磁石極の反対極に軟磁性材をそのまま使用し磁化させて磁気回路を構成した所謂コンシクエントポール型回転子が採用され、モータ性能を維持したまま希土類磁石を削減する研究が行われている。

一方で、電機子の現在並びに将来的な傾向は、従来の分布巻きではコイルエンド体積が大きすぎる難点と製造困難性より所謂集中巻きが主流となっている。比較的巻き線係数が良好な１０極１２スロットや１４極１２スロットの集中巻きが性能ダウンを極限まで切り詰められるとして提案されている。

特開２００４−３５７４８９号公報

しかし、上述した１０極１２スロットのモータにおいても回転子は従来の永久磁石を利用したものであり資源リスクは相変わらず存在する。そこで特許文献１のように、コンシクエントポール型回転子を１０極１２スロットに採用した場合、電機子鉄心半径方向の振動が増大して騒音問題が発生することが発明者等の実験で分かった。

この振動の要因は例えば１０極１２スロットのモータにおいては回転子の磁極対数が５であるのに対し、電機子電流の生成する回転磁界の磁極対数が４であることの不整合から生じることが要因である。更に言及するならば、図９及び図１０に示すように、回転子１回転中に実在する１２個のティースの電気角が同じ値のものが存在しないこと、即ち機械１回転中に電気角度の繰り返し性が欠落していることに起因している。

上記の回転子磁極対数と電機子電流による回転磁界の磁極対数との不整合に起因する振動を回避すべく、実在する電機子ティースの電気角に繰り返し性を備えるもの、例えば図１１及び図１２に示すように、全節ピッチの分布巻き、具体的には１０極６０スロットを採用する。

この際に、１磁極対ピッチ中の磁気回路に複数の電機子ティースを備える分布巻きにおいて、従来のコンシクエントポールの如く磁石極と疑似極の対向ティース数を等分に設計した場合、磁石極材に対して疑似極材の飽和磁束密度が高いため、磁束量が磁石極に依存してしまい疑似極を飽和させるまでの磁束量を得ることができないという問題がある。つまり、所望の磁束量をうる為には電動機を大型化しなければならないので、小型高出力を追求する自動車用電機においては不経済となってしまう。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、磁束量を増加させることができ、これによって小型化を図ることができる電動機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、円環状の回転子の軟磁性材に全てが同一の極性に配置された永久磁石を組み合わせた磁石極と、軟磁性材のみで構成され前記磁石極とは反対の極性の疑似極とを回転子の周方向に交互に配置してなるコンシクエントポール型電動機の電機子として、電機子ティースの空間的配列が回転子の１磁極対ピッチ間に電気角度で１周期し、且つその並びが他の１磁極対ピッチ間にも繰り返し出現する構造の電動機において、前記１磁極対ピッチ間の電機子ティースの数が２ｋ個（ｋは２以上の自然数）で、前記磁石極が対向する電機子ティースの数がｋ＋１以上であることを特徴とする。

この構成によれば、コンシクエントポール型では１磁極対ピッチ中の磁気回路に磁石が１か所のみしか存在せず、表面磁石型等に比べて比較的磁気抵抗が小さい。また、疑似極側は軟磁性材で構成されるので磁石極に対して飽和磁束密度を大きくとることができる。分布巻きを採用すると１磁極ピッチ間に複数のティースをまたぐように磁気回路が形成されるが、本発明の如く設定することで電機子巻線への鎖交磁束を増強できトルク性能維持と小型化を両立することができる。

請求項２に記載の発明は、前記磁石極は、前記回転子の外周面の内側に一対の永久磁石が配設されて成ることを特徴とする。

この構成においても、上記請求項１と同様の作用効果を得ることが出来る上に製造が容易である。

請求項３に記載の発明は、前記磁石極は、前記回転子の外周面の内側に１つの永久磁石が配設されて成ることを特徴とする。

この構成においても、上記請求項１と同様の作用効果を得ることが出来る上に、所謂リラクタンストルクを発生させることが出来、磁石使用量を削減できる。

請求項４に記載の発明は、前記疑似極が対向する前記電機子ティースの数は、ｋ−１以下であることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、前記電機子ティースの空間配列が、互いに隣接する電機子ティース間ピッチが電気角で６０度の約数になっていることを特徴とする。

この構成によれば、電動機の設計が容易と成る上に、電機子ティースの電気角繰り返し性を確実に生成することができるので一層騒音低減に寄与できる。

請求項６に記載の発明は、前記電機子ティースは１極１相のスロット数を２とした時に、電機子ティース間ピッチが電気角で３０度、前記磁石極に対向する電機子ティースの数が７、前記疑似極に対向する電機子ティースの数が５であることを特徴とする。

請求項７に記載の発明は、前記電機子ティースは１極１相のスロット数を３とした時に、電機子ティース間ピッチが電気角で２０度、前記磁石極に対向する電機子ティース数が１０、前記疑似極に対向する電機子ティース数が８であることを特徴とする。

これら請求項４，６，７の構成によれば、まず、請求項４に記載のように、疑似極が対向するティース数がｋ−１以下にすることが望ましく、具体的には上記請求項６に記載のように、１極１相のスロット数が２の分布巻き、即ちｋ＝６、たとえば１０極の回転子であれば６０個のティースを備えるものでは、磁石極の対向する電機子ティース数は７個（＝ｋ＋１）、疑似極の対向する電機子ティース数は５個（＝ｋ−１）とする。あるいは請求項７に記載のように、１極１相のスロット数が３の分布巻き、即ちｋ＝９、たとえば６極の回転子であれば５４個のティースを備えるものでは、磁石極の対向する電機子ティース数は１０（＝ｋ＋１）、疑似極の対抗する電機子ティース数は８（＝ｋ−１）とするのがよい。

請求項８に記載の発明は、前記疑似極の曲率半径中心は、前記回転子の回転軸中心よりも外周側に設定されていることを特徴とする。

この構成によれば、疑似極の曲率半径中心を、回転子の回転軸中心よりも外周側に設定することで、コギングトルクが小さくなるように抑制することができる。

請求項９に記載の発明は、前記磁石極の曲率半径は、前記疑似極の曲率半径より大きいことを特徴とする。

この構成によれば、磁石極の曲率半径を疑似極の曲率半径より大きくすることで、コギングトルクが小さくなるように抑制することができる。

請求項１０に記載の発明は、前記磁石極を構成する永久磁石は、半径方向の内周側の少なくとも一部に平坦部を備えることを特徴とする。

この構成によれば、ヨークに磁石辺を張り付ける際の位置決めや、磁石辺そのものの成形など、製造効率を向上させることが出来る。

請求項１１に記載の発明は、前記磁石極を構成する永久磁石は、残留磁束密度をＢｒ、前記疑似極を構成する軟磁性材の飽和磁束密度をＢｓｔとすると、当該磁石極のθ方向長さ：当該疑似極のθ方向長さ＝Ｂｓｔ：Ｂｒの関係が成立していることを特徴とする。

この構成によれば、材料を選定した段階で各々の磁極のθ方向長さを一義的に設計することができる。一般にＢｓｔ＞Ｂｒである。例えばＢｓｔ＝１．９テスラに対してＢｒ＝１．４テスラの材料を使用すると磁石辺のθ方向の角度は電気角で約２０７度と設定できる。Ｂｓｔ＝１．９テスラ、Ｂｒ＝１．２テスラなら磁石辺の角度は電気角で約２２０度と設計すればよい。なお、磁石極に対向する電機子ティース数と疑似極に対向する電機子ティース数の和が必ずしも２ｋに等しくなくとも良い。

請求項１２に記載の発明は、前記回転子の回転軸は非磁性体であることを特徴とする。

請求項１３に記載の発明は、前記電機子の導体は、ヘアピン状に分割された複数の導体を一方の軸方向端から電機子鉄心に挿入し、他方の軸端側で所定スロットピッチ分だけ前記導体の端を曲げて隣接する磁極ピッチの導体と接合されるセグメントコンダクタ型であることを特徴とする。

この構成によれば、一般的には分布巻きは集中巻きに対してコイルエンド部が増大して電動機全体の小型化を阻害するが、本発明の如くセグメントコンダクタ型にすることでコイルエンドの増大を抑制することが可能である。

本発明の実施形態に係る１０極６０スロットの電動機の構成を示す断面図である。本実施形態の電動機における回転子の他の磁石極構成を示す断面図である。本実施形態の電動機における回転子のその他の磁石極構成を示す断面図である。本発明の実施形態の変形例１に係る６極５４スロットの電動機の構成を示す断面図である。本発明の実施形態の変形例２に係る電動機の回転子の構成を示す断面図である。疑似極と磁石極の曲率半径比とコギングトルクの従来からの低減比の関係を示す図である。本発明の実施形態の変形例３に係る電動機の導体セグメントの構成を示す斜視図である。本発明の実施形態の変形例３に係る電動機の電機子の構成を示す一部斜視図である。従来の１０極１２スロットの電機子ティースの機械角度と電気角度との相関図である。従来の１０極１２スロットの電機子ティース番号、機械角度、電気角度の相関表を示す図である。１０極６０スロットの電機子ティースの機械角度と電気角度の相関図である。従来の１０極１２スロットの電機子ティース番号、機械角度、電気角度の相関表を示す図である。

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１は、本発明の実施形態に係る１０極６０スロットの電動機の構成を示す断面図である。この断面図は概略円筒状の電動機を径方向に切断したものである。

図１に示す電動機１０は、１磁極ピッチ中に電機子ティース２２が２ｋ（ｋは２以上の自然数）個存在する。ここではｋ＝６とし、１２個存在するものとする。このため、隣接するスロット間隔は電気角で３０度である。即ち６０度の約数である。

符号２は円環状の電機子鉄心であり、２１は電機子鉄心のヨーク、２２は電機子鉄心のティース（電機子ティース）であり、等間隔に６０個配置されている。隣接ティース２２とヨーク２１で囲われる空間がスロットであり同じく６０個存在する。当該スロットに図示しない電機子巻線を巻装する。巻き線はセグメント構造のコンダクタでも、平角断面を備える連続線導体でも可能である。

３は円環状の回転子であり、３１はネオジウムとディスプロシウムを用いた希土類磁石で成る５個の磁石極であり、３２は後述の疑似極３３を５個含む軟磁性材で構成されるヨークである。疑似極３３とは、回転子３の外周に一定間隔で配置された磁石極３１の間の凸部である。４は回転軸であり、ステンレスなどの非磁性材で構成される。

この例では、磁石極３１に対向する電機子ティース２２の数を７（＝ｋ＋１）、疑似極３３に対向するティース数を５（＝ｋ−１）に設計している。磁極の設計では磁石極３１のθ方向角度が電気角度で２０７度に、疑似極の角度を電気角度で１４５度に設計している。

磁石極３１を形成する磁石材を残留磁束密度がＢｒ＝１．４テスラのものを選択し、電磁鋼板の飽和磁束密度をＢｓｔ＝１．９テスラとした。電機子巻線への鎖交磁束を極大化するには互いの磁極を通過する磁束量を限界までに設計すればよく、磁石極３１の磁束量は、φｍ∝θｍ×Ｂｒ、疑似極３３の磁束量は、φｓ∝（２π−θｍ）×Ｂｓｔ、と算出できる。選択したＢｒ、Ｂｓｔの材料でφｍ＝φｓとなるθｍを求めると略θｍ＝２０７度となる。これは、疑似極３３との境に磁気バリアを少々設けるために疑似極３３の幅を略１４５度に設計する例である。

このような本実施形態の電動機１０によれば、磁石のθ方向長さを従来構成に比べ１５％増加（２０７／１８０＝１．１５）させたので、従来の磁石極と疑似極を等分設計する場合に比べ約１５％の磁束量を増強可能となる。

即ち、この効果を得るために電動機１０を、円環状の回転子３の軟磁性材に永久磁石を組み合わせた磁石極３１と、軟磁性材のみで構成された疑似極３３とを回転子３の周方向に交互に配置してなるコンシクエントポール型電動機の電機子として、電機子ティース２２の空間的配列が回転子３の１磁極対ピッチ間に電気角度で１周期し、且つその並びが他の１磁極対ピッチ間にも繰り返し出現する構造において、本実施形態の特徴として、１磁極対ピッチ間の電機子ティースの数を２ｋ個（ｋは２以上の自然数）とし、磁石極３１が対向する電機子ティース２２の数をｋ＋１以上とした。

更に、この構成によれば、コンシクエントポール型では１磁極対ピッチ中の磁気回路に磁石が１か所のみしか存在せず、表面磁石型等に比べて比較的磁気抵抗が小さい。また、疑似極側は軟磁性材で構成されるので磁石極３１に対して飽和磁束密度を大きくとることができる。分布巻きを採用すると１磁極ピッチ間に複数の電機子ティース２２をまたぐように磁気回路が形成されるが、本実施形態の如く設定することで電機子巻線への鎖交磁束を増強できトルク性能維持と小型化を両立することができる。

また、疑似極３３が対向する電機子ティース２２の数を、ｋ−１以下とした。

また、電機子ティース２２の空間配列を、互いに隣接する電機子ティース２２間ピッチが電気角で６０度の約数になっているようにした。

更に、電機子ティース２２は１極１相のスロット数を２とした時に、電機子ティース２２間ピッチが電気角で３０度、磁石極３１に対向する電機子ティース２２の数が７、疑似極３３に対向する電機子ティース２２の数が５であるようにした。

この他、図２に示すように、磁石極３１を、回転子３の外周面の内側に、互いに対向状態に配置した一対の永久磁石３１ａ、３１ｂを配設して構成しても良い。更に、図３に示すように、磁石極３１を、回転子３の外周面の内側に１つの永久磁石３１ｃを配設して構成しても良い。

（実施形態の変形例１）
図４は、本発明の実施形態の変形例１に係る６極５４スロットの電動機の構成を示す断面図である。

図４に示す電動機１０−１は、１磁極ピッチ中に１８ティース存在する（ｋ＝９）構造であり、これによって隣接するスロット間隔が電気角で２０度となっている。

符号５は円環状の電機子鉄心であり、５１は電機子鉄心５のヨーク、５２は電機子鉄心５のティースであり等間隔に５４個配置されている。隣接する電機子ティース５２でとヨーク５１で囲われる空間がスロットであり同じく５４個存在する。当該スロットに図示しない電機子巻線を巻装する。

６は円環状の回転子であり、６１は希土類磁石で成る３個の磁石極、６２は疑似極６３を３個含む軟磁性材で構成されるヨークである。４は回転軸でありステンレスなどの非磁性材で構成される。

この例では、磁石極６１に対向する電機子ティース５２の数が１１（＝ｋ＋２）、疑似極６３に対向するティース数が６（＝ｋ−３）に設計している。磁極の設計では磁石極６１のθ方向角度が電気角度で２２０度に、疑似極６３の角度を電気角度で１３０度に設計している。

磁石材を残留磁束密度がＢｒ＝１．２テスラのものを選択し、電磁鋼板の飽和磁束密度をＢｓｔ＝１．９テスラとした。電機子巻線への鎖交磁束を極大化するには互いの磁極を通過する磁束量を限界までに設計すればよく、磁石極６１の磁束量は、φｍ∝θｍ×Ｂｒ、疑似極６３の磁束量は、φｓ∝（２π−θｍ）×Ｂｓｔ、と算出できる。選択したＢｒ、Ｂｓｔ材でφｍ＝φｓとなるθｍを求めると略θｍ＝２２０度となる。これは、疑似極６３との境に磁気バリアを少々設けるために疑似極６３の幅を略１３０度に設計する例である。

このような本実施形態の電動機１０−１によれば、磁石のθ方向長さが２２％増加（２２０／１８０＝１．２２）するようにしたので、従来の磁石極と疑似極を等分設計する場合に比べ約２２％の磁束量を増強可能である。また、トルク同等でよければ、電動機１０−１の磁気回路軸長を２２％低減することが可能となる。

即ち、この効果を得るために電動機１０−１を、電機子ティース５２が１極１相のスロット数を３とした時に、電機子ティース間ピッチが電気角で２０度、磁石極６１に対向する電機子ティース５２の数が１０、疑似極６３に対向する電機子ティース５２の数が８である構造とする。

（実施形態の変形例２）
図５は、本発明の実施形態の変形例２に係る電動機の回転子の構成を示す断面図である。

図５に示す回転子３は、疑似極３３の曲率半径ｒ１の中心位置３３ａが回転軸の中心４ａよりも外周側に設定されている。磁石極３１の曲率半径ｒ２の中心位置は回転軸中心４ａに一致しているので、本例では疑似極３３の曲率半径ｒ１が磁石極３１の疑似極半径ｒ２よりも小さいことを意味する。このように設計することで電動機１０のコギングトルクを小さく抑制することができる。

図６に疑似極３３と磁石極３１の曲率半径比ｒ１／ｒ２とコギングトルクの従来からの低減比の関係を示す。図６においてｒａ１が従来の比率、ｒａ２〜ｒａ４が本実施形態の比率であり小さいほうが、コギングトルクが小さくなるように抑制することを示す。つまり、コギングトルクが小さくなるように抑制することができる。

なお、回転子磁極数と電機子ティース数はこの事例に示したものに限らず、一般的な全節分布巻きであればどんな組み合わせでもよいことは言うまでもない。また、回転子３の磁石極３１の配置構造は表面磁石型に限らず埋め込み磁石型でも適用可能である。

この他、磁石極３１を構成する永久磁石は、半径方向の内周側の少なくとも一部に、図１及び図４に矢印Ｙ１で示す平坦部を備える構造とする。この構造によって、ヨークに磁石辺を張り付ける際の位置決めや、磁石辺そのものの成形など、製造効率を向上させることが出来る。

また、磁石極３１を構成する永久磁石は、残留磁束密度をＢｒ、疑似極３３を構成する軟磁性材の飽和磁束密度をＢｓｔとすると、当該磁石極３１のθ方向長さ：当該疑似極３３のθ方向長さ＝Ｂｓｔ：Ｂｒの関係が成立している。更に、回転子３の回転軸４は非磁性体としても良い。

（実施形態の変形例３）
図７は、本発明の実施形態の変形例３に係る電動機の導体セグメントの構成を示す斜視図、図８はその電機子の構成を示す一部斜視図である。

本実施形態の分布巻きの実現手段の１例としては、図７に示すように、ヘアピン状の導体セグメント７を、先ずは破線で示す如く伸直させた状態で図８に示す電機子鉄心２に軸方向から挿入（図８の紙面下側から挿入）し、反対側に貫通（図８紙面上側）させた後、図７の実線で示すようにθ方向に所定角度だけ曲げて開き、図８に符号７１で示すように所望の導体セグメント７と溶接にて接合する。同様に全ての導体セグメント７を挿入して曲げて開き、溶接して電機子巻線を構成する。これによって、コイルエンドが整列されてコンパクトに収めることができる。つまり電動機１０の小型化を図ることができる。さらに、一般的には分布巻きは集中巻きに対してコイルエンド部が増大して電動機全体の小型化を阻害するが、本実施形態のようにセグメントコンダクタ型にすることでコイルエンドの増大を抑制することが可能である。

１０，１０−１電動機
２，５電機子鉄心
２１，５１電動機鉄心のヨーク
２２，５２電機子ティース
３，６回転子
３１，６１磁石極
３１ａ，３１ｂ，３１ｃ永久磁石
３２，６２回転子鉄心のヨーク
３３，６３疑似極
３３ａ疑似極の中心位置
４回転軸
４ａ回転軸中心
７導体セグメント
７１導体セグメント同士の接合部
ｒ１疑似極の曲率半径
ｒ２磁石極の曲率半径

Claims

円環状の回転子の軟磁性材に全てが同一の極性に配置された永久磁石を組み合わせた磁石極と、軟磁性材のみで構成され前記磁石極とは反対の極性の疑似極とを回転子の周方向に交互に配置してなるコンシクエントポール型電動機の電機子として、電機子ティースの空間的配列が回転子の１磁極対ピッチ間に電気角度で１周期し、且つその並びが他の１磁極対ピッチ間にも繰り返し出現する構造の電動機において、
前記１磁極対ピッチ間の電機子ティースの数が２ｋ個（ｋは２以上の自然数）で、前記磁石極が対向する電機子ティースの数がｋ＋１以上であることを特徴とする電動機。
前記磁石極は、前記回転子の外周面の内側に一対の永久磁石が配設されて成ることを特徴とする請求項１に記載の電動機。
前記磁石極は、前記回転子の外周面の内側に１つの永久磁石が配設されて成ることを特徴とする請求項１に記載の電動機。
前記疑似極が対向する前記電機子ティースの数は、ｋ−１以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電動機。
前記電機子ティースの空間配列が、互いに隣接する電機子ティース間ピッチが電気角で６０度の約数になっていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の電動機。
前記電機子ティースは１極１相のスロット数を２とした時に、電機子ティース間ピッチが電気角で３０度、前記磁石極に対向する電機子ティースの数が７、前記疑似極に対向する電機子ティースの数が５であることを特徴とする請求項５に記載の電動機。
前記電機子ティースは１極１相のスロット数を３とした時に、電機子ティース間ピッチが電気角で２０度、前記磁石極に対向する電機子ティース数が１０、前記疑似極に対向する電機子ティース数が８であることを特徴とする請求項５記載の電動機。
前記疑似極の曲率半径中心は、前記回転子の回転軸中心よりも外周側に設定されていることを特徴とする請求項３〜７のいずれか１項に記載の電動機。
前記磁石極の曲率半径は、前記疑似極の曲率半径より大きいことを特徴とする請求項８に記載の電動機。
前記磁石極を構成する永久磁石は、半径方向の内周側の少なくとも一部に平坦部を備えることを特徴とする請求項３〜７のいずれか１項に記載の電動機。
前記磁石極を構成する永久磁石は、残留磁束密度をＢｒ、前記疑似極を構成する軟磁性材の飽和磁束密度をＢｓｔとすると、当該磁石極のθ方向長さ：当該疑似極のθ方向長さ＝Ｂｓｔ：Ｂｒの関係が成立していることを特徴とする請求項３〜７のいずれか１項に記載の電動機。
前記回転子の回転軸は非磁性体であることを特徴とする請求項３〜７のいずれか１項に記載の電動機。
前記電機子の導体は、ヘアピン状に分割された複数の導体を一方の軸方向端から電機子鉄心に挿入し、他方の軸端側で所定スロットピッチ分だけ前記導体の端を曲げて隣接する磁極ピッチの導体と接合されるセグメントコンダクタ型であることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載の電動機。