JP5665660B2 - 永久磁石式回転電機 - Google Patents

Description

この発明は、回転子鉄心の内部に永久磁石が埋め込まれた永久磁石式回転電機に関する。

従来、回転子鉄心に永久磁石が埋め込まれた、インテリアル・パーマネントマグネット・モータ（以下、「ＩＰＭ」と略記する）の一例として、特許文献１に記載されたＩＰＭが知れている。
このＩＰＭは、永久磁石のそれぞれの外周側磁極面に形成される回転子磁極部の外周形状が、周方向中央部で回転子鉄心の中心からの距離が最も長くなり、隣接した永久磁石間に形成される極間部で回転子鉄心の中心からの距離が最も短くなると共に、前記回転子磁極部の端面が円弧状に形成されている。
また、円弧状の永久磁石が収納される収納孔の外側の回転子鉄心の外周面は円弧状であり、回転子鉄心の外周面と永久磁石の外周面との間の表皮部の肉厚がほぼ周方向において同一である。

特許第４５９１０８５号明細書

上記ＩＰＭは、コギングトルクを少なくし、トルクリニアリティーが向上する利点を有している。
しかしながら、上記ＩＰＭは、永久磁石が回転子鉄心の表面に露出しているサーフェス・パーマネントマグネット・モータ（以下、「ＳＰＭ」と略記する）と比較して、回転子鉄心の内部に永久磁石が埋め込まれており、永久磁石が遠心力で飛散しにくいという利点があるものの、永久磁石内部で発生する渦電流の影響等により、磁石の温度が上がり易いことから、減磁耐力が小さい。
そして、特に、固定子巻線に大きな電流を通電した際に、永久磁石の両端部は、固定子巻線への通電により固定子から生じる、永久磁石への反作用磁界を受け、減磁が発生し易いという問題点があった。

この発明は、かかる問題点を解決することを課題とするものであって、簡単な構成で永久磁石の端部の減磁耐力が向上する等の永久磁石式回転電機を得ることを目的とする。

この発明に係る永久磁石式回転電機は、回転子と、この回転子の周囲に隙間を空けて設けられた固定子とを備え、
前記回転子は、回転子鉄心と、この回転子鉄心の外周部に周方向に間隔をおいて形成された各収納孔に埋め込まれた永久磁石とを有する永久磁石式回転電機であって、
前記回転子鉄心は、前記収納孔の外径側であって全周にわたって形成された表皮部と、隣接した前記永久磁石間に形成された極間部とを有し、
前記極間部は、周方向に突出した極間段部と、この極間段部よりも周方向の寸法が小さく極間段部から径方向外側に延びて前記表皮部に接続された柱部とから構成されており、
前記永久磁石は、前記回転子の軸線に対して垂直断面形状のうち、外径側周面が円弧状であり、
前記回転子鉄心は、前記表皮部の肉厚寸法が周方向において均一であり、
前記回転子鉄心は、前記収納孔の周方向の直線長さをｌｈ、前記永久磁石の周方向の直線長さをｌｍとしたときに、０．７２ｌｈ≦ｌｍ≦０．９３ｌｈである。

この発明に係る永久磁石式回転電機によれば、永久磁石間に形成された極間部は、周方向に突出した極間段部と、この極間段部よりも周方向の寸法が小さく極間段部から径方向外側に延びて表皮部に接続された柱部とから構成されているので、回転子内部の永久磁石による磁束の流れが永久磁石の端部付近においても固定子側に指向しており、固定子巻線への通電により固定子から生じる、永久磁石への反作用磁界と逆方向であり、永久磁石の端部の減磁耐力が向上する。

この発明の実施の形態１に係る永久磁石式電動機を示す要部断面図である。 図１の回転子を示す要部拡大図である。 図１の回転子での永久磁石による磁束の流れを示す図である。 この実施の形態１の回転子の変形例を示す要部断面図である。 この発明の実施の形態１の永久磁石式電動機における、回転子鉄心の表皮部での固定子からの磁束の流れを示す説明図である。 図２の回転子との比較例を示す、回転子鉄心の表皮部での固定子からの磁束の流れを示す説明図である。 図２の回転子の変形例を示す要部断面図である。 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要部断面図である。 図８の永久磁石式電動機の回転子起磁力の高調波の和の基本波に対する比率を示す特性図である。 この発明の実施の形態３に係る永久磁石式電動機の回転子を示す断面図である。 図１０の回転子のｑ軸インダクタンスが小さくなることを示す説明図である。 この発明の実施の形態４に係る永久磁石式電動機の回転子を示す要部断面図である。 この発明の実施の形態４に係る永久磁石式電動機の回転子の変形例を示す要部断面図である。 この発明の実施の形態１に係る永久磁石式電動機の回転子の比較例である回転子を示す要部断面図である。

以下、この発明の各実施の形態の永久磁石式電動機について図に基づいて説明するが、各図において同一、または相当部材、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はこの発明の実施の形態１に係る永久磁石式電動機を示す要部断面図、図２は図１の回転子１を示す要部拡大図である。
永久磁石式回転電機である永久磁石式電動機（以下、電動機と略称する）は、回転子１と、回転子１の周囲に隙間を空けて設けられた固定子２とを備えている。
回転子１は、磁極ごとに収納孔３を有する回転子鉄心４と、各収納孔３に収納された円弧形状の永久磁石５とを備えている。永久磁石５は、フェライト系磁石、ネオジ磁石、及びサマリウムコバルト系磁石等が用いられる。
外周形状が真円の回転子鉄心４は、複数枚の電磁鋼板を積層して構成され、シャフト１０に対して、焼きばめ、または圧入等により嵌着されている。

固定子２は、周方向に等分間隔をおいて先端部が径方向の内側に突出して形成されたティース６によりスロット７が画成された固定子鉄心８と、各ティース６に導線が巻回されてスロット７内に装着された固定子巻線９とを備えている。
固定子鉄心８は、複数枚の電磁鋼板を積層して構成されている。
この例では、回転子１内の永久磁石５の個数（磁極数）を１０であり、固定子鉄心８のティース６の数は１２個である。

回転子鉄心４は、収納孔３の外径側であって全周にわたって形成された真円の表皮部１１と、隣接した永久磁石５間に形成された極間部１２とを有している。この表皮部１１は、周方向において肉厚が等しい。この肉厚の厚さは、電磁鋼板のプレス打ち抜きが可能である範囲であり、電磁鋼板の板厚の３倍以内である。
極間部１２は、周方向に突出した極間段部１３と、この極間段部１３よりも周方向の寸法が小さく極間段部１３から径方向外側に延びて表皮部１１に接続された柱部１４とから構成されている。この極間段部１３の両側壁面は、永久磁石５の周方向の両側面の内径部と面接触している。

この電動機は、固定子２内の固定子巻線９に交流電流を通電することによって形成される回転磁界と、回転子１内の永久磁石５の起磁力との相互作用により、回転子１が回転磁界に同期して回転して、回転トルクが発生する。

この実施の形態では、極間段部１３の高さをｈｃ、永久磁石５の端部の磁石厚みをｈｍとした場合に、極間段部１３の高さｈｃは、磁石厚みｈｍに対して、ｈｃ＜ｈｍ／２の関係が成立する。
以下、極間段部１３の高さｈｃと磁石厚みｈｍとの関係について説明する。

図１４は、実施の形態１の回転子１との比較例を示す回転子１Ａであり、隣接した永久磁石５間の極間部１２には、極間段部１３及び柱部１４は形成されていない。
この例では、回転子１Ａ内には矢印イに示す磁束の流れが生じ、永久磁石５の両端部には閉じた磁束が発生する。この磁束は固定子２に鎖交しないため、発生トルクに寄与せず、電動機のトルクが減少してしまう。なお、この図では、永久磁石５は外径側がＮ極である。
一方、図３はこの実施の形態１の回転子１における磁束の流れを示す。
この実施の形態では、回転子１内には矢印ロに示す磁束の流れが生じ、永久磁石５の両端部には閉じた磁束が発生しない。ここで、永久磁石５は外径側をＮ極としている。
従って、図１４のものと比較して、永久磁石５による磁束は、固定子２に有効に鎖交する。

図４は、この実施の形態１の変形例を示す回転子１Ｂを示す要部断面図であり、隣接した永久磁石５間の極間部１２には、極間段部１３Ａ及び柱部１４は形成されているものの、極間段部１３Ａの高さｈｃと磁石厚みｈｍとの関係は、ｈｃ≧ｈｍ／２の関係が成立している。
この例の場合も、回転子１Ｂ内には矢印ハに示す磁束の流れが生じ、図３に示した回転子１と比較して、永久磁石５の端部付近の磁束の流れが永久磁石５の周方向の中心から大きく離れる方向に指向している。
しかしながら、この例の場合にも、永久磁石５の両端部には図１４に示したような閉じた磁束が発生せず、図１４のものと比較して、永久磁石５による磁束は、固定子２に有効に鎖交する。

以上の説明から分かるように、この実施の形態１による電動機によれば、隣接した永久磁石５間に周方向に突出した極間段部１３が形成されているので、永久磁石５の端部では閉じた磁束が発生することなく、永久磁石５による磁束は、固定子２に有効に鎖交するため、電動機のトルクが向上する。
また、永久磁石５の両端部でも、閉じた磁束は発生せず磁束の流れが固定子側２に指向しており、固定子巻線９への通電により固定子２から生じる、永久磁石５への反作用磁界と逆方向になり、永久磁石５の両端部での減磁耐力が向上する。

また、表皮部１１の肉厚は、電磁鋼板のプレス打ち抜きが可能である範囲であり、電磁鋼板の板厚の３倍以内で小さく設定されているので、永久磁石５の磁束が表皮部１１を通過して有効に固定子２に鎖交し、大きなトルクを得ることができる。

図５はこの実施の形態１の回転子１を示す要部拡大図であり、永久磁石５は、円弧状であり、表皮部１１の肉厚は周方向において一定であって、固定子２からの磁束は矢印ニのように流れる。
一方、図６は、図２の回転子１との比較例を示す、回転子１Ｃの要部拡大図である。
この例では、永久磁石５Ａは、直方体形状であり、永久磁石５Ａの中間点から両側に向かうに従って表皮部１１Ａの肉厚は小さくなっており、磁束は矢印ホのように流れる。
図５及び図６において、固定子２の界磁により発生した磁束の流れを比較すると、この実施の形態の回転子１では、図６の回転子１Ｃと比較して磁束が表皮部１１を通りにくく、ｑ軸インダクタンスが小さくなる。
その結果、ｑ軸インダクタンスとｄ軸インダクタンスとの差が小さいため、ｄ軸電流を通電して弱め界磁制御を行った場合にもトルクリップルにつながるリラクタンストルクの発生を抑制することができる。
また、永久磁石５は、周方向の両端面が回転子鉄心４の極間段部１３に面接触により固定されているため、回転子１の各磁極の磁束ばらつきを低減することができ、コギングトルク・トルクリップルを低減することができる。

なお、回転子鉄心４の断面形状については、図７に示すように、収納孔３Ａの径方向外側の角部、及び極間段部１３Ａの角部について面取り形状としてもよい。
面取り形状とすることで、電磁鋼板のプレス打ち抜きが容易となる。

実施の形態２．
図８はこの発明の実施の形態２に係る電動機の回転子１Ｄを示す要部断面図である。
この実施の形態では、収納孔３の周方向の直線長さをｌｈ、永久磁石５の周方向の直線長さをｌｍとしたときに、０．７２ｌｈ≦ｌｍ≦０．９３ｌｈの関係が成立する。
他の構成は、実施の形態１の電動機と同じである。

以下、収納孔３の周方向の直線長さｌｈと、永久磁石５の周方向の直線長さｌｍとの関係について説明する。
電動機のトルクリップルの主成分として、駆動電源周波数の６次高調波成分、１２次高調波成分がある。トルクリップル６次高調波成分の要因の一つとして、回転子起磁力の基本波に対する５次高調波、７次高調波があり、トルクリップル１２次高調波成分の要因の一つとして、回転子起磁力の基本波に対する１１次高調波、１３次高調波がある。
図９は、ｌｍ／ｌｈと回転子起磁力の５次高調波、７次高調波、１１次高調波、１３次高調波について、これらの絶対値の和の基本波に対する比と、ｌｍ／ｌｈの比の関係を示す図であり、本願発明者が電磁界解析により求めた図である。
磁間部１２において、磁間段部１３が無く、永久磁石５の両側壁面の全域が収納孔３の側壁面と密接して、永久磁石５が収納孔３に挿入されている場合（ｌｍ／ｌｈ＝１００％）には、回転子起磁力の高調波が大きくなり、トルクリップルが最大である。
一方、磁間段部１３の周方向の寸法が大きくなり、ｌｍ／ｌｈの値が小さい領域でも高調波の和が大きくなる。
この図から、０．７２ｌｈ≦ｌｍ≦０．９３ｌｈの時、高調波の和が基本波に対して４割以下となり、十分にトルクリップルが小さくなることが分かる。

実施の形態３．
図１０はこの発明の実施の形態３に係る電動機の回転子１Ｅを示す断面図である。
この実施の形態では、回転子鉄心４Ａの各磁極部２０での円弧半径をＲｐとし、回転子鉄心４Ａの直径をＤｒとした場合に、Ｒｐ＜０．５Ｄｒの関係が成立している。磁極部２０は、永久磁石５のそれぞれに対応した表皮部１１Ｂの表面の磁極面である。
回転子鉄心４Ａの各磁極部２０における表皮部１１Ｂは、周方向において肉厚が等しい。
他の構成は、実施の形態１の電動機と同じである。

この実施の形態では、Ｒｐ≦０．５Ｄｒとすることで、図１１に示すように、極間部１２において固定子２との隙間が大きくなり、その隙間での磁気抵抗Ｒが大きくなる。
従って、ｑ軸のインダクタンスを低減させることができ、トルクリップルの要因となるリラクタンストルクの発生が抑制される。

実施の形態４．
図１２はこの発明の実施の形態４に係る電動機の回転子１Ｆを示す要部断面図である。
この永久磁石５Ｂは、内径側の面が平面である。
他の構成は、実施の形態１と同じである。
この実施の形態では、永久磁石５Ｂの内径側の面を平面にすることで、永久磁石５Ｂの曲率を有する面が外径側のみとなり、永久磁石５Ｂの加工費を低減することができる。
なお、図１３に示す回転子１Ｇのように、図１２と同様の永久磁石５Ｂを実施の形態３の回転子鉄心４Ａに組み入れる、即ち永久磁石５Ｂを直径をＤｒ、永久磁石５Ｂの外径側の磁極部の円弧半径をＲｐとしたときに、Ｒｐ≦０．５Ｄｒの関係が成立する回転子鉄心４Ａに組み入れることもできる。

なお、上記各実施の形態では、永久磁石式回転電機として永久磁石式電動機について説明したが、永久磁石式発電機についてもこの発明は適用できる。

１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ，１Ｆ，１Ｇ 回転子、２ 固定子、３，３Ａ 収納孔、４，４Ａ 回転子鉄心、５，５Ａ，５Ｂ 永久磁石、６ ティース、７ スロット、８ 固定子鉄心、９ 固定子巻線、１０ シャフト、１１，１１Ａ，１１Ｂ 表皮部、１２ 極間部、１３，１３Ａ 極間段部、１４ 柱部、２０ 磁極部。

Claims (5)

1. 回転子と、この回転子の周囲に隙間を空けて設けられた固定子とを備え、
   前記回転子は、回転子鉄心と、この回転子鉄心の外周部に周方向に間隔をおいて形成された各収納孔に埋め込まれた永久磁石とを有する永久磁石式回転電機であって、
   前記回転子鉄心は、前記収納孔の外径側であって全周にわたって形成された表皮部と、隣接した前記永久磁石間に形成された極間部とを有し、
   前記極間部は、周方向に突出した極間段部と、この極間段部よりも周方向の寸法が小さく極間段部から径方向外側に延びて前記表皮部に接続された柱部とから構成されており、
   前記永久磁石は、前記回転子の軸線に対して垂直断面形状のうち、外径側周面が円弧状であり、
   前記回転子鉄心は、前記表皮部の肉厚寸法が周方向において均一であり、
   前記回転子鉄心は、前記収納孔の周方向の直線長さをｌｈ、前記永久磁石の周方向の直線長さをｌｍとしたときに、０．７２ｌｈ≦ｌｍ≦０．９３ｌｈであることを特徴とする永久磁石式回転電機。
2. 前記回転子鉄心は、前記極間段部の径方向の厚みをｈｃ、前記永久磁石の端部の径方向の厚みをｈｍとしたときに、ｈｃ＜ｈｍ／２である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。
3. 前記回転子鉄心は、直径をＤｒ、前記永久磁石の外径側の磁極部の円弧半径をＲｐとしたときに、Ｒｐ≦０．５Ｄｒであることを特徴とする請求項１または２に記載の永久磁石式回転電機。
4. 前記永久磁石は、前記回転子の軸線に対して垂直断面形状の内径側では平面であることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の永久磁石式回転電機。
5. 永久磁石式回転電機は、永久磁石式電動機であることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の永久磁石式回転電機。

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