JP5608377B2 - Rotating electric machine - Google Patents
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Description
本発明は、回転子鉄心の内部に永久磁石が埋め込まれた構造を有するIPM(Internal Permanent Magnet)型の回転電機に関する。 The present invention relates to an IPM (Internal Permanent Magnet) type rotating electrical machine having a structure in which a permanent magnet is embedded in a rotor core.
IPM型の回転電機は、電動トルクが磁石磁束によるマグネットトルクの他に、回転子の周方向各部における磁気抵抗の差に起因するリラクタンストルクを利用できる利点を有している。 The IPM type rotating electrical machine has an advantage that electric torque can use reluctance torque resulting from a difference in magnetic resistance in each circumferential portion of the rotor, in addition to magnet torque due to magnet magnetic flux.
IPM型の回転電機として、例えば特許文献1では、図7に示すように、回転子鉄心121と、回転子鉄心121の内部に配置されて磁極を構成する複数の永久磁石部123とを有し、固定子111に対向して回転可能に配設された回転子120において、周方向で隣り合う永久磁石部123、123間に所定幅の溝124を形成することにより、周方向で隣り合う永久磁石部123、123間の交番磁束を遮断させてその分トルクを上昇させることを開示している。この特許文献1では、123を構成する同じ磁極の一対の永久磁石122a、122a(122b、122b)を断面長方形状として、径方向に直交する線上に並列に配置している(以下、この磁石配置を便宜上、平置き型配置と呼ぶ。)。
As an IPM type rotating electrical machine, for example, in Patent Document 1, as shown in FIG. 7, a
また、他のIPM 型回転電機として、図8に示すように、永久磁石部223を構成する同じ磁極の一対の永久磁石222a、222a(222b、222b)を断面長方形状として、回転子鉄心221の外周側に向かって拡がるV字状に配置するものが知られている。(以下、この配置を便宜上、V字状配置と呼ぶ。)。
Further, as another IPM type rotating electrical machine, as shown in FIG. 8, a pair of
ところで、回転電機の体格はトルクと出力で決まるが、小型化を維持しつつ回転電機のトルク及び出力を向上させることが望まれている。 By the way, although the physique of a rotary electric machine is decided by a torque and an output, it is desired to improve the torque and output of a rotary electric machine, maintaining size reduction.
しかしながら、特許文献1に記載の平置き型配置のIPM型回転電機及びV字状配置のIPM型回転電機では、各永久磁石と固定子までの距離tが長く、小型化を維持しつつ回転電機のトルク及び出力を向上させるのに改善の余地があった。 However, in the IPM type rotary electric machine of the flat placement type and the IPM type rotary electric machine of the V-shape arrangement described in Patent Document 1, the distance t between each permanent magnet and the stator is long, and the rotary electric machine is maintained while being downsized. There was room for improvement in improving the torque and output.
一方で、この各永久磁石の外周面とステータまでの距離を短くするために、回転子鉄心の外周面に沿うように永久磁石の外周面を円弧状に加工することが考えられるが、加工が難しく製造コストが嵩むという問題があった。 On the other hand, in order to shorten the distance between the outer peripheral surface of each permanent magnet and the stator, it is conceivable to process the outer peripheral surface of the permanent magnet into an arc shape along the outer peripheral surface of the rotor core. There was a problem that the production cost was difficult.
本発明は、前述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、回転電機の小型化を図りつつ高出力化と高トルク化の両立を実現でき、製造コストの増加を抑制可能な回転電機を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and the object of the present invention is to realize a rotation capable of realizing both high output and high torque while reducing the size of the rotating electric machine and suppressing an increase in manufacturing cost. It is to provide an electric machine.
上記目的を達成するために、請求項1に係る発明は、
電機子巻線(例えば、後述する実施形態における電機子巻線16)を有する固定子(例えば、後述する実施形態における固定子11)と、
回転子鉄心(例えば、後述する実施形態における回転子鉄心21)と、前記回転子鉄心の内部に配置されて磁極を構成する複数の永久磁石部(例えば、後述する実施形態における永久磁石部23、第1永久磁石部23A、第2永久磁石部23B)とを有し、前記固定子に対向して回転可能に配設された回転子(例えば、後述する実施形態における回転子20)と、を備え、
前記各永久磁石部は、磁極が同じ一対の永久磁石(例えば、後述する実施形態における永久磁石22a,22a、永久磁石22b,22b)が、前記回転子鉄心の周方向に離間すると共に、前記回転子鉄心のセンターリブ(例えば、実施の形態におけるセンターリブ29)を挟んで前記回転子鉄心の外周面に向かって狭まる略ハの字状に配置され、
前記永久磁石は断面が長方形状を有し、
前記センターリブの両側部は、内周側において前記永久磁石の側面に沿って延びるとともに外周側において前記永久磁石との間に隙間が設けられることで、該隙間に挟まれた前記センターリブの幅が内周側における前記センターリブの幅と等しくなるように形成されたことを特徴とする。
In order to achieve the above object, the invention according to claim 1
A stator (for example, a
A rotor core (for example, a
In each of the permanent magnet portions, a pair of permanent magnets having the same magnetic pole (for example,
The permanent magnet has a rectangular cross section,
Both side portions of the center rib extend along the side surface of the permanent magnet on the inner peripheral side, and a gap is provided between the permanent magnet and the permanent magnet on the outer peripheral side, whereby the width of the center rib sandwiched between the gaps Is formed to be equal to the width of the center rib on the inner peripheral side .
請求項2に係る発明は、請求項1の構成に加えて、前記電機子巻線は突極集中巻きであることを特徴とする。 The invention according to claim 2 is characterized in that, in addition to the configuration of claim 1 , the armature winding is a salient pole concentrated winding.
請求項3に係る発明は、請求項1又は2の構成に加えて、前記回転子は、前記固定子の内径側に対向配置され、前記固定子対向面は、前記回転子の外周面であることを特徴とする。 According to a third aspect of the invention, in addition to the configuration of the first or second aspect , the rotor is disposed to face the inner diameter side of the stator, and the stator facing surface is an outer peripheral surface of the rotor. It is characterized by that.
請求項4に係る発明は、請求項1又は2の構成に加えて、前記回転子は、前記固定子の外径側に対向配置され、前記固定子対向面は、前記回転子の内周面であることを特徴とする。 According to a fourth aspect of the invention, in addition to the configuration of the first or second aspect , the rotor is disposed to face the outer diameter side of the stator, and the stator facing surface is an inner peripheral surface of the rotor. It is characterized by being.
請求項5に係る発明は、請求項1〜4のいずれか1項の構成に加えて、電気自動車のトラクションモータとして使用される。 In addition to the structure of any one of Claims 1-4 , the invention which concerns on Claim 5 is used as a traction motor of an electric vehicle.
請求項1の発明によれば、永久磁石から固定子までの距離を短くすることでき、これによりd軸インダクタンスが小さくなるとともに、鎖交磁束数Φが増大し、回転電機の体格を維持しながら、トルクと出力の両方を増大させることができる。
また、磁石に複雑な加工を施す必要はなく、製造コストを低減させることができる。
また、応力集中を緩和することができるとともに隙間をフラックスバリアとして利用することができ、永久磁石の磁束を増加させることができる。
According to the invention of claim 1, the distance from the permanent magnet to the stator can be shortened, thereby reducing the d-axis inductance and increasing the number of interlinkage magnetic fluxes Φ while maintaining the physique of the rotating electrical machine. Both torque and power can be increased.
Further, it is not necessary to perform complicated processing on the magnet, and the manufacturing cost can be reduced.
Further, the stress concentration can be relaxed and the gap can be used as a flux barrier, so that the magnetic flux of the permanent magnet can be increased.
請求項2の発明によれば、電機子巻線をリラクタンストルクの利用率が低い突極集中巻きにすることで、より顕著な効果を得ることができる。 According to the invention of claim 2 , a more remarkable effect can be obtained by making the armature winding a salient pole concentrated winding with a low utilization rate of the reluctance torque.
請求項3及び4の発明によれば、インナーロータ型の回転電機にもアウターロータ型の
回転電機にも適用することができる。
According to the third and fourth aspects of the invention, the present invention can be applied to both an inner rotor type rotating electrical machine and an outer rotor type rotating electrical machine.
請求項5の発明によれば、回生トルクを利用して燃費を向上することができる。 According to the invention of claim 5 , the fuel consumption can be improved by utilizing the regenerative torque.
以下、本発明の実施の形態を、添付図面に基づいて説明する。なお、図面は符号の向きに見るものとする。
図1及び図2に示すように、本実施形態の回転電機10は、例えば電気自動車のトラクションモータとして使用されるIPM型の回転電機であり、主に固定子11と回転子20とから構成されている。回転子20は、固定子11の内側に間隙Cを介して回転可能に配置されている。固定子11は、積層された電磁鋼板の内周側に複数のスロット14及びティース15が形成された固定子鉄心13と、スロット14に収容され回転磁界を発生させて回転子20を回転させる複数相の電機子巻線16と、を備える。なお、本実施形態の回転電機10においては、電機子巻線16は突極集中巻きで巻装されている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. The drawings are viewed in the direction of the reference numerals.
As shown in FIGS. 1 and 2, the rotating
回転子20は、略円筒状の回転子シャフト(図示せず)と、その外周側に設けられる回転子鉄心21と、回転子鉄心21内に挿入される複数の永久磁石部23とを備えている。
The
回転子鉄心21は、複数の電磁鋼板27…27が軸方向に積層されて構成されている。各電磁鋼板27…27は、その内部に孔部24を有するとともに、その外周部に回転子鉄心21の固定子対向面である外周面21aに向かって狭まる略ハの字状に形成された一対の埋め込み穴25,25が円周方向に複数形成された略円環形状を有する。
The
回転子鉄心21の一対の埋め込み穴25,25は、一様幅を有するセンターリブ29で区画され、永久磁石部23を構成する磁極(磁化方向)が同じ一対の永久磁石22a,22a(22b,22b)が周方向に交互に配置される。また、この磁極が同じ一対の永久磁石22a,22a(22b,22b)は、図3に示すように、回転子20の回転中心から径方向に延びる線Pに対し角度θで対向配置される。なお、角度θは、0°<θ<90°の範囲で永久磁石22a′′(22b′′)と外周面21aまでの距離、センターリブ29の剛性等を考慮して適宜設定される。従って、磁極が同じ2つの永久磁石22a,22aにより構成される第1永久磁石部23Aと、これらの永久磁石22a,22aと磁極が異なる2つの永久磁石22b,22bにより構成される第2永久磁石部23Bとが、周方向に交互に配列され、各永久磁石部23A(23B)を構成する磁極が同じ一対の永久磁石22a,22a(22b,22b)が、回転子鉄心21の固定子対向面である外周面21aに向かって狭まる略ハの字状に配置される。
The pair of embedded
各永久磁石22a(22b)は、図3に示すように、同一形状で構成され、且つ、断面が略台形をなしている。この台形は、下底61を挟む内角α同士は略等しい角度を有し、上底62を挟む内角β同士も略等しい角度を有している。内角αは内角βより小さく設定される。なお、図3及び図4中、点線は、比較のため従来の平置き型配置の回転電機の永久磁石を示している。
As shown in FIG. 3, each
そして、磁極が同じ永久磁石22a(22b)を2つ一組として、それぞれが長手方向寸法の長い下底61を外周側に、下底61より長手方向寸法の短い上底62を内周側に向けて一様幅のセンターリブ29を挟んで配置することで、一対の永久磁石22a,22a(22b,22b)が対向配置される。このとき、外周側で対向する一対の永久磁石22a,22a(22b,22b)の内角の和2αが、内周側で対向する一対の永久磁石22a,22a(22b,22b)の内角の和2βよりも小さくなっている。また、下底61が外周側に向けて配置されるため、内周側よりも外周側で永久磁石22a(22b)の長手方向長さが長くなっている。
Then, two
また、回転子鉄心21を構成する各電磁鋼板27には、磁極が異なる第1永久磁石部23Aと第2永久磁石部23Bとを区画する溝26が形成されている(図2参照)。溝26を形成することにより、永久磁石22a、22bの磁極からの交番磁束を遮断することができる。よって、隣り合う磁極への磁束短絡を防ぐことができ、その分トルクを上昇させることができる。また、電磁鋼板27での鉄損による発熱を抑えることができ、これにより、永久磁石部23が受ける熱を低減することができる。
Each
ここで、回転電機10のトルクTrqと出力Powは以下の式で与えられる。
Φは鎖交磁束数、Tはモータトルク、Tmはマグネットトルク、Trはリラクタンストルク、Pは極対数、Ldはd軸インダクタンス、Lqはq軸インダクタンス、Idはd軸電流、Iqはq軸電流、Iは最大電流である。 Φ is the number of flux linkages, T is motor torque, Tm is magnet torque, Tr is reluctance torque, P is the number of pole pairs, Ld is d-axis inductance, Lq is q-axis inductance, Id is d-axis current, and Iq is q-axis current , I is the maximum current.
式(1)及び(2)式からわかるように、鎖交磁束数Φが大きく、Ldが小さいほど回転電機10のトルクと出力が増大する。インダクタンスは磁束の通りやすさを表わす物理量なので磁気抵抗が大きいほどインダクタンスは小さくなる。透磁率は、電磁鋼板>>空気、磁石で、磁気抵抗は磁路断面積が小さいほど大きいので、d軸インダクタンスLdは永久磁石22a、22bから固定子11までの距離tを短くすることで、小さくすることができる。
また、永久磁石22a、22bから固定子11までの距離tを短くすることで、Y方向(図2参照)の磁気抵抗も下がるため、鎖交磁束数Φが増大する。
Equation (1) and (2) As can be seen from the equation, flux linkage number Φ is large, the torque output of the rotary
Further, by shortening the distance t from the
ここで、本実施形態では、各永久磁石部23A(23B)は、磁極が同じ一対の永久磁石22a,22a(22b,22b)が、回転子鉄心21の周方向に離間すると共に、回転子鉄心21の外周面21aに向かって狭まる略ハの字状に配置することにより、図3に示すように、従来の平置き型配置とV字状配置のIPM型回転電機よりも距離tを短くすることができる。これにより、本実施形態では、d軸インダクタンスLdが小さくなるとともに、鎖交磁束数Φが増大し、回転電機10の体格を維持しながら、回転電機10のトルクと出力の両方を増大させることができる。
Here, in the present embodiment, each
また、各永久磁石22a(22b)の断面が略台形をなすので、円弧状に加工する必要はなく、また、全て同一形状であるため製造コストの増加を抑制することができる。
Further, since the cross section of each
さらに、電機子巻線16はリラクタンストルクTrの利用率の低い突極集中巻きで巻装されているため、鎖交磁束数Φを増大させることでマグネットトルクTmを積極的に利用できるため、特に顕著な効果が発揮される。 Furthermore, since the armature winding 16 is wound with salient pole concentrated winding with a low utilization rate of the reluctance torque Tr, the magnet torque Tm can be actively used by increasing the number of flux linkages Φ. A remarkable effect is exhibited.
図4には、本実施形態の第1変形例を示す。本変形例では、各永久磁石22a′(22b′)は、同一形状で構成され、且つ、断面が略平行四辺形をなしている。この平行四辺形は、一方の辺(以下、長辺71と呼ぶ。)が他方の辺(以下、短辺72と呼ぶ。)よりも長く設定される。
FIG. 4 shows a first modification of the present embodiment. In this modification, each
そして、磁極が同じ永久磁石22a′(22b′)を2つ一組として、それぞれが長辺71を外周側と内周側に、短辺72を略周方向に一様幅のセンターリブ29を挟んで回転子20の回転中心から径方向に延びる線Pに対し角度θで対向配置することで、一対の永久磁石22a′、22a′(22b′、22b′)が略ハの字状に配置される。このとき、外周側で対向する一対の永久磁石22a′、22a′(22b′、22b′)の内角の和2αが、内周側で対向する一対の永久磁石22a,22a(22b,22b)の内角の和2γよりも小さくなっている。
本変形例によっても、永久磁石22a′(22b′)から固定子11までの距離tを短くすることでき、これにより、d軸インダクタンスLdが小さくなるとともに、鎖交磁束数Φが増大し、回転電機の体格を維持しながら、回転電機10のトルクと出力の両方を増大させることができる。
Then, two
Also according to this modification, the distance t from the
図5には、本実施形態の第2変形例を示す。本変形例では、各永久磁石22a′′(22b′′)は、同一形状で構成され、且つ、断面が略長方形をなしている。
FIG. 5 shows a second modification of the present embodiment. In this modification, each
そして、磁極が同じ永久磁石22a′′(22b′′)を2つ一組として、それぞれが長辺81を外周側と内周側に、短辺82を略周方向にセンターリブ29を挟んで回転子20の回転中心から径方向に延びる線Pに対し角度θで対向配置することで、一対の永久磁石22a′′、22a′′(22b′′、22b′′)が略ハの字状に配置される。また、回転子鉄心21に形成された埋め込み穴25は、外周面21a側が周方向両側に曲面状に膨らむにように形成され、埋め込み穴25に配置された永久磁石22a′′(22b′′)との間に隙間30が形成される。なお、この隙間30の大きさは、センターリブ29の剛性を考慮して、隙間30によって挟まれるセンターリブ29の幅が、対向する同じ磁極の永久磁石22a′′,22a′′(22b′′,22b′′)の内径側の離間距離と略等しくなるように設定されている。
Then, two
このように構成された本変形例によっても、永久磁石22a′(22b′)から固定子11までの距離tを短くすることでき、これにより、d軸インダクタンスLdが小さくなるとともに、鎖交磁束数Φが増大し、回転電機の体格を維持しながら、回転電機10のトルクと出力の両方を増大させることができる。また、隙間30により、応力が集中する回転子鉄心21の外周部の応力集中を緩和することができ、さらにこの隙間30をフラックスバリアとして利用することができ、磁束漏れを低減することで永久磁石22a′(22b′)の磁束を増加させることができる。
Also in this modified example configured as described above, the distance t from the
(1)ここで、本実施形態の回転電機と、従来の平置き型配置の回転電機と、従来のV字状配置の回転電機を同じトルク、同じ出力がでるようにシミュレーションしたとき、従来の平置き型配置の回転電機を基準とすると、本実施形態の回転電機は−3%の軸方向長さで達成され、従来のV字状配置の回転電機は+3%の軸方向長さで達成されることが確認された。
これにより、従来の平置き型配置の回転電機及び従来のV字状配置の回転電機と比べても、軸方向長さを短くできることが分かった。軸方向長さを短くすることは、電磁鋼板の積層厚を小さくすることができることを意味し、回転電機を小型・軽量化できるとともに製造コストを低減できることを意味している。
(1) Here, when the rotary electric machine of the present embodiment, the conventional flat-type rotary electric machine, and the conventional V-shaped rotary electric machine are simulated to produce the same torque and the same output, Based on the rotating electric machine of the flat placement type, the rotating electric machine of this embodiment is achieved with an axial length of −3%, and the rotating electric machine with a conventional V-shaped arrangement is achieved with an axial length of + 3%. It was confirmed that
Thus, it has been found that the axial length can be shortened as compared with the conventional rotary electric machine with the flat arrangement and the conventional V electric machine. Shortening the length in the axial direction means that the laminated thickness of the electromagnetic steel sheets can be reduced, which means that the rotating electrical machine can be reduced in size and weight and the manufacturing cost can be reduced.
(2)また、本実施形態の回転電機と同じ体格の平置き型配置の回転電機を同じ条件で運転した場合、磁石とステータ間の磁束密度が明らかに増大し、従来の平置き型配置の回転電機を基準とすると、最高トルク及び最高出力ともに+3%の値を示した。
これにより、本実施形態によれば、従来の平置き型配置の回転電機と比べて、トルク及び出力が向上することが分かった。
(2) In addition, when a rotary electric machine having a flat configuration of the same size as that of the rotary electric machine of the present embodiment is operated under the same conditions, the magnetic flux density between the magnet and the stator is clearly increased, Based on the rotating electrical machine, both the maximum torque and the maximum output showed + 3%.
Thereby, according to this embodiment, it turned out that a torque and an output improve compared with the rotary electric machine of the conventional flat placement type | mold arrangement | positioning.
尚、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良等が可能である。例えば、上記実施形態では、固定子11の内側に回転子20を備えたインナーロータ型の回転電機10を例示したが、これに限らず、図6に示す固定子11′の外側に回転子20′を備えたアウターロータ型の回転電機10′に適用することができる。この回転電機10′においても、回転子20′は、磁極が同じ2つの永久磁石22a′′,22a′′により構成される第1永久磁石部23Aと、これらの永久磁石22a′′,22a′′と磁極が異なる2つの永久磁石22b′′,22b′′により構成される第2永久磁石部23Bとが、周方向に交互に配列され、各永久磁石部23A(23B)を構成する磁極が同じ一対の永久磁石22a′′,22a′′(22b′′,22b′′)が、回転子鉄心21の固定子対向面である内周面21bに向かって狭まる略ハの字状に配置される。
In addition, this invention is not limited to embodiment mentioned above, A deformation | transformation, improvement, etc. are possible suitably. For example, in the above embodiment, the inner rotor type rotating
さらに、電機子巻線16は、突極集中巻きに限らず分布巻でもよい。また、電気自動車のトラクションモータに限らず、様々な用途に使用することができる。 Further, the armature winding 16 is not limited to salient pole concentrated winding, and may be distributed winding. Moreover, it can be used not only for the traction motor of an electric vehicle but for various uses.
10、10′ 回転電機
11、11′ 固定子
16 電機子巻線
20、20′ 回転子
21 回転子鉄心
21a 回転子鉄心の外周面(固定子対向面)
21b 回転子鉄心の内周面(固定子対向面)
22a、22a′、22a′′ 永久磁石
22b、22b′、22b′′ 永久磁石
23 永久磁石部
23A 第1永久磁石部(永久磁石部)
23B 第2永久磁石部(永久磁石部)
29 センターリブ
30 隙間
10, 10 'Rotating
21b Inner peripheral surface of rotor core (facing surface of stator)
22a, 22a ', 22a''
23B 2nd permanent magnet part (permanent magnet part)
29
Claims (5)
回転子鉄心と、前記回転子鉄心の内部に配置されて磁極を構成する複数の永久磁石部とを有し、前記固定子に対向して回転可能に配設された回転子と、を備え、
前記各永久磁石部は、磁極が同じ一対の永久磁石が、前記回転子鉄心の周方向に離間すると共に、前記回転子鉄心のセンターリブを挟んで固定子対向面に向かって狭まる略ハの字状に配置され、
前記永久磁石は断面が長方形状を有し、
前記センターリブの両側部は、内周側において前記永久磁石の側面に沿って延びるとともに外周側において前記永久磁石との間に隙間が設けられることで、該隙間に挟まれた前記センターリブの幅が内周側における前記センターリブの幅と等しくなるように形成されたことを特徴とする回転電機。 A stator having armature windings;
A rotor iron core, and a plurality of permanent magnet portions that are arranged inside the rotor iron core to form magnetic poles, and are arranged so as to be rotatable facing the stator,
Each of the permanent magnet portions has a substantially square shape in which a pair of permanent magnets having the same magnetic poles are separated from each other in the circumferential direction of the rotor core and narrow toward the stator facing surface with the center rib of the rotor core interposed therebetween. Arranged in a shape ,
The permanent magnet has a rectangular cross section,
Both side portions of the center rib extend along the side surface of the permanent magnet on the inner peripheral side, and a gap is provided between the permanent magnet and the permanent magnet on the outer peripheral side, whereby the width of the center rib sandwiched between the gaps Is formed so as to be equal to the width of the center rib on the inner peripheral side .
前記固定子対向面は、前記回転子の外周面であることを特徴とする請求項1又は2に記載の回転電機。 The rotor is disposed opposite to the inner diameter side of the stator,
The stator facing surface, rotating electrical machine according to claim 1 or 2, characterized in that an outer peripheral surface of the rotor.
前記固定子対向面は、前記回転子の内周面であることを特徴とする請求項1又は2に記載の回転電機。 The rotor is disposed opposite to the outer diameter side of the stator,
The stator facing surface, rotating electrical machine according to claim 1 or 2, characterized in that the inner peripheral surface of the rotor.
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