JP5594304B2 - 回転電機 - Google Patents

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Description

本発明は、回転電機に関する。
従来、ロータコアを備える電動機(回転電機)が知られている(たとえば、特許文献1参照)。
上記特許文献1には、複数の永久磁石を含むロータコアを備える電動機(回転電機)が開示されている。この電動機では、複数の永久磁石は、ロータコアの外周部に所定の間隔を隔てて周状に配置されている。また、隣接する永久磁石の間のロータコアは、突起状に形成されている。すなわち、永久磁石とロータコアの突起状の部分とが、1つずつ交互に配置されている。これにより、永久磁石とステータに設けられる巻線との間の磁石トルクと、ロータコアとステータに設けられる巻線との間のリラクタンストルクとを得るように構成されている。
特開平1−286758号公報
しかしながら、上記特許文献1に記載の電動機(回転電機)では、隣接する永久磁石の間にロータコアの突起状の部分が設けられているため、永久磁石の磁束がロータコアの突起状の部分に漏れてしまうという問題点がある。
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の1つの目的は、永久磁石の磁束が漏れるのを抑制することが可能な回転電機を提供することである。
上記目的を達成するために、この発明の一の局面における回転電機は、永久磁石を有する複数の第1磁極部と、永久磁石を有さない複数の第2磁極部とが1つずつ交互に周状に配置されたロータコアを備え、第1磁極部の永久磁石の側面は、ロータコアに覆われており、第2磁極部の永久磁石側の部分と永久磁石の側面を覆うロータコアの部分との間には、切り込みが設けられており、切り込みのロータコアの内周側の端部のロータコアにおける深さ位置は、永久磁石の側面のロータコアの内周側の端部よりもロータコアの外周側に位置している
本発明の一の局面によれば、永久磁石の磁束が漏れるのを抑制することが可能な回転電機を提供することができる。
本発明の第1実施形態によるモータの平面図である。 図1に示したモータを拡大した図である。 本発明の第1実施形態によるモータの永久磁石の平面図である。 本発明の第1実施形態によるモータのロータコアの平面図である。 比較例によるモータの平面図である。 本発明の第1実施形態によるモータに発生する磁束を説明するための図である。 本発明の第1実施形態によるモータおよび比較例によるモータの電流とインダクタンスとの関係を示す図である。 本発明の第2実施形態によるモータの平面図である。 本発明の第1実施形態の変形例によるモータの平面図である。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
(第1実施形態)
まず、図1〜図4を参照して、本発明の第1実施形態によるモータ100の構成について説明する。なお、モータ100は、本発明の「回転電機」の一例である。
図1に示すように、モータ100は、ステータ1と、ロータ2とを備えている。ステータ1は、ロータ2(ロータコア21)の外周部と対向するように配置されている。また、ステータ1は、ステータコア11と、巻線12とを備えている。ステータコア11の内側には、複数のスロット13が形成されている。
また、ロータ2は、ロータコア21と、シャフト22と、永久磁石23とから構成されている。ここで、第1実施形態では、ロータコア21には、永久磁石23を有する複数の第1磁極部24と、永久磁石23を有さない複数の第2磁極部25とが1つずつ交互に周状に配置されている。なお、第2磁極部25は、隣接する2つの永久磁石23の間に位置するロータコア21の突起状の部分から構成されている。
図3に示すように、永久磁石23のステータコア11側の表面23aは、軸方向から見て、ステータコア11側に向かって凸状(円弧状)に形成されている。また、表面23aの曲率半径は、ステーコア11の内周部の曲率半径よりも小さい。また、永久磁石23の両方の側面23bと、永久磁石23のロータコア21の内周側の表面23cとは、軸方向から見て、直線状(平坦面状)に形成されている。そして、第1実施形態では、永久磁石23は、周方向の端部における厚みt1よりも周方向の中央部における厚みt2が大きい形状を有する。また、図1および図2に示すように、永久磁石23は、周方向に沿って略等間隔に複数配置されている。また、永久磁石23は、隣接する2つの第1磁極部24の永久磁石23の間の最小の間隔L1(隣接する2つの永久磁石23の間の最も内周側の距離)よりも大きい厚みt2(t1)を有する。また、永久磁石23は、フェライト系の永久磁石により構成されている。
また、第1実施形態では、永久磁石23は、ロータコア21の外周部近傍に周方向に沿うように埋め込まれている。具体的には、永久磁石23は、ロータコア21の外周部に設けられる取付部21aに配置されている。また、図4に示すように、取付部21aは、ステータコア11側が開放している溝状に形成されている。これにより、図2に示すように、永久磁石23のステータコア11側の表面23aの一部(永久磁石23の両端部以外の部分)は、露出している。取付部21aは、図4に示すように、永久磁石23の側面23b(図2参照)と当接し軸方向から見て直線状の側部21bと、永久磁石23のロータコア21の内周側の表面23c(図2参照)と当接し軸方向から見て直線状の底部21cと、永久磁石23の表面23a(図2参照)の周方向の端部近傍と係合する爪部21dとを有する。なお、爪部21dは、ロータコア21が回転した際に、永久磁石23がロータコア21から飛び出すのを抑制する機能を有する。
ここで、第1実施形態では、図2に示すように、ロータコア21は、第2磁極部25におけるステータコア11に対する平均のギャップ長L2が、第1磁極部24におけるステータコア11に対する平均のギャップ長L3よりも大きくなるように構成されている。なお、第1磁極部24(永久磁石23)は、ステータコア11側の表面23aがステータコア11の内周よりも曲率半径の小さい円弧状に形成されており、永久磁石23は、永久磁石23の周方向の中央部において、ステータコア11に最も近接する。たとえば、永久磁石23がステータコア11に最も近接する部分のギャップ長L3は、約0.4mmである。また、第2磁極部25の外周面は、ステータコア11と略同じ曲率半径を有するように構成されている。これにより、ステータコア11と第2磁極部25との間のギャップ長L2は、周方向に沿って、略等しい。たとえば、ロータコア21と第2磁極部25との間のギャップ長L2は、約1mmである。
また、図1および図2に示すように、第2磁極部25の永久磁石23側の部分には、切り込み26が設けられている。この切り込み26は、ロータコア21の軸方向(紙面と垂直な方向)に延びるように形成されている。なお、切り込み26は、複数の第2磁極部25のそれぞれに設けられている。図2に示すように、切り込み26は、第2磁極部25の周方向の一方側(矢印R1方向側)に隣接する永久磁石23側の部分に設けられる切り込み部26aと、第2磁極部25の周方向の他方側(矢印R2方向側)に隣接する永久磁石23側の部分に設けられる切り込み部26bとを含む。これにより、第2磁極部25は、モータ100のq軸に対して対称な形状となる。
また、ロータコア21のうち切り込み部26aと切り込み部26aに隣接する永久磁石23の側面23bとの間に位置する部分21eの厚み(図2参照)L4は、切り込み部26aと切り込み部26bとの間の第2磁極部25の幅(半径方向と直交する方向の長さ)(図2参照)のL5よりも小さい。同様に、ロータコア21のうち切り込み部26bと切り込み部26bに隣接する永久磁石23の側面23bとの間に位置する部分21fの厚み(図2参照)L6は、切り込み部26aと切り込み部26bとの間の第2磁極部25の幅(半径方向と直交する方向の長さ)(図2参照)L5よりも小さい。なお、ロータコア21の部分21e(部分21f)の厚みL4(L)と、ロータコア21の爪部21dの半径方向の長さL7とは、略等しい。
また、切り込み26は、軸方向から見て、ロータコア21の内周側に向かって切り込み26の幅W1が小さくなるように略V字形状に形成されている。また、切り込み26のロータコア21の内周側の端部26cのロータコア21における深さ位置は、永久磁石23の側面23bのロータコア21の内周側の端部23dよりもロータコア21の外周側に位置している。また、切り込み26の端部26cのロータコア21における深さ位置は、永久磁石23の側面23bの厚み方向の中点(点A)よりも、ロータコア21の内周側に位置している。
また、切り込み26(切り込み部26a、切り込み部26b)の永久磁石23と反対側の内側面26d(内側面26e)は、モータ100のq軸に沿った方向に配置されている。すなわち、切り込み部26aの内側面26dと、切り込み部26bの内側面26eとは、q軸と略平行に配置されている。なお、q軸は、主磁束に沿った方向の軸であるd軸と電気的に直交する方向の軸を意味する。また、切り込み26の永久磁石23側の内側面26f(内側面26g)は、永久磁石23の側面23bと略平行な方向(q軸と交差する方向)に配置されている。
次に、図5〜図7を参照して、本発明の第1実施形態によるモータ100の巻線12に供給される電流とインダクタンスとの関係を図5に示す比較例と比較しながら説明する。
図5に示すように、比較例によるモータ200には、V字形状に配置された2つの永久磁石223aおよび223bが設けられている。また、比較例によるモータ200では、上記第1実施形態のモータ100と異なり、ロータコア221は、第2磁極部225におけるステータコア211に対する平均のギャップ長L8と、第1磁極部224におけるステータコア211に対する平均のギャップ長L9とが等しくなるように構成されている。
比較例によるモータ200では、d軸電流による磁束は、ロータコア221において、永久磁石223aおよび223bを通過するように発生する。また、q軸電流による磁束は、ロータコア221において、V字形状に配置される永久磁石223aおよび223bの内側と外側とを通過するように発生する。
これに対して、第1実施形態のモータ100では、図6に示すように、d軸電流による磁束は、ロータコア21において、隣接する2つの永久磁石23を通過するように発生する。また、q軸電流による磁束は、ロータコア21において、永久磁石23の内周側を通過するように発生する。なお、モータ100では、永久磁石23は、ロータコア21の外周部近傍に埋め込まれているため、永久磁石23の外周側のロータコア21の部分にq軸電流による磁束が発生するのが抑制される。
図7に示すように、比較例によるモータ200では、巻線212に流れる電流が、比較的小さいとき(約20(A)〜約80(A))(軽負荷時)では、q軸インダクタンスLqは、比較的大きく(約0.5(mH)〜約0.55(mH))なる。このため、比較例によるモータ200では、高速回転で出力する場合において、電圧飽和(モータ200の発生トルクを所望のトルクにするために生成されるべき電圧の大きさが電圧の制限値を超えている状態)により出力が制限されてしまう。また、比較例によるモータ200では、巻線212に流れる電流が比較的大きいとき(約200(A)〜約320(A))(高負荷時)には、q軸インダクタンスLqは、軽負荷時に比べて急激に減少する。これは、比較例によるモータ200では、2つの永久磁石223aおよび223bがV字形状に配置されており、電流が大きくなった場合に、V字形状に配置される永久磁石223aおよび223bの内側および外側のロータコア221において磁束が飽和するためであると考えられる。また、比較例によるモータ200では、d軸インダクタンスLdは、軽負荷時には、巻線212に流れる電流が大きくなるのに従って、徐々に小さくなり、その後、略一定になる。
また、第1実施形態によるモータ100では、巻線12に流れる電流が、比較的小さいとき(約20(A)〜約80(A))(軽負荷時)では、q軸インダクタンスLqは、約0.35(mH)〜約0.4(mH)になり、比較例によるモータ200のq軸インダクタンスLq(約0.5(mH)〜約0.55(mH))と比べて小さくなる。また、第1実施形態では、高負荷時には、q軸インダクタンスLqは、軽負荷時に比べて減少する一方、比較例によるモータ200と比べて、q軸インダクタンスLqの減少の度合いは緩やかである。
また、第1実施形態によるモータ100では、d軸インダクタンスLdは、巻線12に流れる電流が大きくなるのに従って、徐々に小さくなり、その後、略一定になる。なお、第1実施形態によるモータ100のd軸インダクタンスLdは、比較例によるモータ200のd軸インダクタンスLdに比べて小さくなっている。これは以下の理由によるものと考えられる。すなわち、第2磁極部25に切り込み26(切り込み部26a、切り込み部26b)(空気)が設けられている分、d軸電流による磁束が第2磁極部25を通過しにくくなることによって、d軸インダクタンスLdが小さくなったと考えられる。また、巻線12(巻線212)に流れる電流が、比較的大きいとき(約200(A)〜約320(A))(高負荷時)では、比較例によるモータ200のq軸インダクタンスLqとd軸インダクタンスLdとの差よりも、第1実施形態によるモータ100のq軸インダクタンスLqとd軸インダクタンスLdとの差の方が大きくなっている。すなわち、第1実施形態によるモータ100の方が、比較例によるモータ200よりも大きなリラクタンストルクを得ることが可能となる。
第1実施形態では、上記のように、第2磁極部25の永久磁石23側の部分に、切り込み26を設ける。これにより、隣接する永久磁石23の間が、切り込み26が設けられない第2磁極部によって構成されている場合と異なり、永久磁石23の磁束が第2磁極部25に漏れるのを切り込み26により容易に抑制することができる。また、第2磁極部25に切り込み26(空気)が設けられている分、d軸電流による磁束が第2磁極部25を通過しにくくなるので、d軸インダクタンスLdを小さくすることができる。
また、第1実施形態では、上記のように、切り込み26を、第2磁極部25の周方向の一方側に隣接する永久磁石23側の部分に設けられる切り込み部26aと、第2磁極部25の周方向の他方側に隣接する永久磁石23側の部分に設けられる切り込み部26bとを含むように構成する。これにより、第2磁極部25に切り込み部26aまたは切り込み部26bのうちの一方のみが設けられている場合と異なり、永久磁石23の磁束が第2磁極部25に漏れるのを2つの切り込み部(切り込み部26aおよび切り込み部26b)により効果的に抑制することができる。
また、第1実施形態では、上記のように、ロータコア21のうち切り込み部26aと切り込み部26aに隣接する永久磁石23の側面23bとの間に位置する部分21eの厚みL4、および、ロータコア21のうち切り込み部26bと切り込み部26bに隣接する永久磁石23の側面23bとの間に位置する部分21fの厚みL6を、切り込み部26aと切り込み部26bとの間の第2磁極部25の幅(半径方向と直交する方向の長さ)L5よりも小さくする。これにより、ロータコア21のうち切り込み部26a(切り込み部26b)と切り込み部26a(切り込み部26b)に隣接する永久磁石23の側面23bとの間に位置する部分21e(21f)の厚みL4(L5)が小さい分、この部分21e(21f)において磁束が飽和しやすくなるので、永久磁石23の磁束が第2磁極部25に漏れるのをより抑制することができる。
また、第1実施形態では、上記のように、切り込み26を、軸方向から見て、ロータコア21の内周側に向かって切り込み26の幅W1が小さくなるように略V字形状に形成する。これにより、容易に、切り込み26の永久磁石23と反対側の内側面26d(内側面26e)を、モータ100のq軸に沿った方向に配置しながら、切り込み26の永久磁石23側の内側面26f(内側面26g)を、永久磁石23の側面23bに沿った方向に配置することができる。
また、第1実施形態では、上記のように、切り込み26のロータコア21の内周側の端部26cのロータコア21における深さ位置を、永久磁石23の側面23bのロータコア21の内周側の端部23dよりもロータコア21の外周側に位置させる。これにより、切り込み26の端部26cの深さ位置が、永久磁石23の側面23bの端部23dよりもロータコア21の内周側に位置する場合(切り込み26の深さが大きい場合)と異なり、ロータコア21の機械的強度を高めることができる。
また、第1実施形態では、上記のように、切り込み26の永久磁石23と反対側の内側面26d(内側面26e)を、モータ100のq軸に沿った方向に配置する。これにより、切り込み26の永久磁石23と反対側の内側面26d(内側面26e)をq軸と交差するように配置して第2磁極部25がステータコア11側に向かって先細になる形状を有する場合と比べて、第2磁極部25の幅(半径方向と直交する方向の長さ)L5を大きくすることができる。その結果、リラクタンストルクを大きくすることができる。
また、第1実施形態では、上記のように、切り込み26の永久磁石23側の内側面26f(内側面26g)を、永久磁石23の側面23bに沿った方向に配置する。これにより、容易に、切り込み26と永久磁石23との間のロータコア21の部分21e(21f)の厚みL4(L6)を小さくすることができる。その結果、永久磁石23の磁束が漏れるのをより抑制することができる。
(第2実施形態)
次に、図8を参照して、第2実施形態のモータ101について説明する。この第2実施形態のモータ101は、第2磁極部26に2つの切り込み26(切り込み部26aおよび26b)(図2参照)が設けられていた上記第1実施形態と異なり、第2磁極部33に1つの切り込み34が設けられている。なお、モータ101は、本発明の「回転電機」の一例である。
図8に示すように、第2実施形態のモータ101のロータコア31には、永久磁石23を有する複数の第1磁極部32と、永久磁石23を有さない複数の第2磁極部33とが1つずつ交互に周状に配置されている。ここで、第2実施形態では、第2磁極部33の永久磁石23側の部分の一方(たとえば矢印R2方向)に1つの切り込み34が設けられている。すなわち、第2磁極部33は、モータ101のq軸に対して非対称な形状に形成されている。なお、第2実施形態のその他の構成は、上記第1実施形態と同様である。
第2実施形態では、上記のように、第2磁極部33を、モータ101のq軸に対して非対称な形状に形成する。これにより、第2磁極部がq軸に対して対称な形状に形成されている場合と異なり、q軸の磁束が飽和するのを対称のときと変化させて回転方向によってモータ特性が異なるようにすることができる。また、第2実施形態のその他の効果は、上記第1実施形態と同様である。
なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。
たとえば、上記第1および第2実施形態では、モータに本発明を適用する例について説明したが、本発明はこれに限られない。たとえば、発電機に本発明を適用してもよい。また、本発明の回転電機は、車両や船舶などに利用可能である。
また、上記第1および第2実施形態では、切り込みが、軸方向から見て、略V字形状に形成されている例について説明したが、本発明はこれに限られない。たとえば、切り込みを、軸方向から見て、V字形状以外のたとえば矩形状に形成してもよい。
また、上記第1および第2実施形態では、切り込みのロータコアの内周側の端部のロータコアにおける深さ位置が、永久磁石の側面のロータコアの内周側の端部よりもロータコアの外周側に位置している例について説明したが、本発明はこれに限られない。たとえば、切り込みのロータコアの内周側の端部のロータコアにおける深さ位置が、永久磁石の側面のロータコアの内周側の端部のロータコアにおける深さ位置と等しくなるように構成してもよい。
また、上記第1および第2実施形態では、切り込みの永久磁石と反対側の内側面が、モータのq軸に沿った方向に配置されている例について説明したが、本発明はこれに限られない。たとえば、切り込みの永久磁石と反対側の内側面が、モータのq軸と交差する方向に配置されていてもよい。
また、上記第1および第2実施形態では、切り込みの永久磁石側の内側面が、永久磁石の側面に沿った方向に配置されている例について説明したが、本発明はこれに限られない。たとえば、切り込みの永久磁石側の内側面が、永久磁石の側面と交差する方向に配置されていてもよい。
また、上記第1および第2実施形態では、永久磁石がフェライト系の永久磁石により構成されている例について説明したが、本発明はこれに限られない。たとえば、永久磁石がネオジウムなどレアアースを含む材料により構成されていてもよい。
また、上記第1および第2実施形態では、切り込み26の端部26cのロータコア21における深さ位置が、永久磁石23の側面23bの厚み方向の中点(点A)よりも、ロータコア21の内周側に位置している(図2参照)例について説明したが、本発明はこれに限られない。たとえば、図9に示す変形例によるモータ102のように、切り込み45のロータコア41の内周側の端部45aのロータコア41における深さ位置が、永久磁石42の側面42bの厚み方向の中点(点B)よりもロータコア41の外周側に位置していてもよい。なお、モータ102は、本発明の「回転電機」の一例である。
変形例によるモータ102では、永久磁石42は、永久磁石42(第1磁極部43)ののステータコア11側の表面42aが露出しないように、穴状に形成された取付部41aに埋め込まれている。また、第2磁極部44には、2つの切り込み45が設けられている。また、切り込み45のロータコア41の内周側の端部45aのロータコア41における深さ位置は、永久磁石42の側面42bのロータコア41の内周側の端部42c(および永久磁石42の側面42bの厚み方向の中点(点B))よりもロータコア41の外周側に位置している。
また、上記第1および第2実施形態では、第2磁極部に2つの切り込み(切り込み部)を設ける例について説明したが、本発明はこれに限られない。たとえば、第2磁極部に3つ以上の切り込み(切り込み部)を設けてもよい。
また、上記第1および第2実施形態では、永久磁石が、ステータコア側の表面が円弧状の断面形状を有するように形成されている例について説明したが、本発明はこれに限られない。たとえば、永久磁石が、略長方形形状の断面形状を有するように形成されていてもよい。
21、31、41 ロータコア
21e、21f 部分
23、42 永久磁石
23b、42b 側面
23d、42c 端部
24、32、43 第1磁極部
25、33、44 第2磁極部
26、34、45 切り込み
26a 切り込み部(第1切り込み部)
26b 切り込み部(第2切り込み部)
26c、45a 端部
100、101、102 モータ(回転電機)

Claims (8)

  1. 永久磁石を有する複数の第1磁極部と、前記永久磁石を有さない複数の第2磁極部とが1つずつ交互に周状に配置されたロータコアを備え、
    前記第1磁極部の前記永久磁石の側面は、前記ロータコアに覆われており、
    前記第2磁極部の前記永久磁石側の部分と前記永久磁石の側面を覆う前記ロータコアの部分との間には、切り込みが設けられており、
    前記切り込みの前記ロータコアの内周側の端部の前記ロータコアにおける深さ位置は、前記永久磁石の側面の前記ロータコアの内周側の端部よりも前記ロータコアの外周側に位置している、回転電機。
  2. 前記切り込みは、前記第2磁極部の周方向の一方側に隣接する永久磁石側の部分に設けられる第1切り込み部と、前記第2磁極部の周方向の他方側に隣接する永久磁石側の部分に設けられる第2切り込み部とを含む、請求項1に記載の回転電機。
  3. 前記ロータコアのうち前記第1切り込み部と前記第1切り込み部に隣接する前記永久磁石の側面との間に位置する部分の厚み、および、前記ロータコアのうち前記第2切り込み部と前記第2切り込み部に隣接する前記永久磁石の側面との間に位置する部分の厚みは、前記第1切り込み部と前記第2切り込み部との間の前記第2磁極部の周方向の幅よりも小さい、請求項2に記載の回転電機。
  4. 前記切り込みは、軸方向から見て、前記ロータコアの内周側に向かって前記切り込みの幅が小さくなるように略V字形状に形成されている、請求項1〜3のいずれか1項に記載の回転電機。
  5. 前記切り込みの前記永久磁石と反対側の内側面は、前記回転電機のq軸に沿った方向に配置されている、請求項1〜のいずれか1項に記載の回転電機。
  6. 前記切り込みの前記永久磁石側の内側面は、前記永久磁石の側面に沿った方向に配置されている、請求項1〜のいずれか1項に記載の回転電機。
  7. 前記第2磁極部は、前記回転電機のq軸に対して対称な形状に形成されている、請求項1〜のいずれか1項に記載の回転電機。
  8. 前記第2磁極部は、前記回転電機のq軸に対して非対称な形状に形成されている、請求項1〜のいずれか1項に記載の回転電機。
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