JP5897441B2

JP5897441B2 - 回転電機

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Publication number: JP5897441B2
Application number: JP2012212210A
Authority: JP
Inventors: 孝石上; 佐藤　克己; 克己佐藤; 尚文尾方
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2012-09-26
Filing date: 2012-09-26
Publication date: 2016-03-30
Anticipated expiration: 2032-09-26
Also published as: CN103683594A; JP2014068473A; CN103683594B

Description

本発明は、モータや発電機などの回転電機に関するものである。

地球規模での温暖化現象に関連して、モータや発電機などの回転電機の高効率化と、小型大トルクの回転電機による車両電動化の促進が、温暖化を抑制する有効な手段として期待されている。モータは産業の米と呼ばれ、工場の消費電力の約７０％がモータによるものである。したがって、モータの効率を数％上げるだけで、数十万ｋＷ級の発電所に相当する省エネルギー効果が期待できるといわれている。

一方、運輸部門における温暖化抑制の手段として、自動車各部の電動化、ＨＥＶ（ＨｙｂｒｉｄＥｌｅｃｔｒｉｃＶｅｈｉｃｌｅ）やＥＶ（ＥｌｅｃｔｒｉｃＶｅｈｉｃｌｅ）などの環境対応自動車の普及が挙げられる。例えばＨＥＶは、従来のガソリン車に比べて燃費を半減し、ＣＯ_２の排出量を大幅に減らすことができる。また、車両電動化の一例として、パワーステアリングを従来の油圧駆動からモータ駆動に変更すると、アイドリングストップ効果により３〜５％燃費が向上し、やはりＣＯ_２の排出量を削減することができる。

回転電機に用いられるネオジム磁石、サマリウムコバルト磁石などの希土類磁石は、従来から用いられていたフェライト磁石と比べて約３倍の残留磁束密度を持ち、強力な吸引力を発揮することができる。このため近年では、小型大トルクの要請の強い自動車用モータや、高いエネルギー効率を求められるエアコンの圧縮機用モータなどを中心として、これらの希土類磁石を用いた磁石ロータ（ＰｅｒｍａｎｅｎｔＭａｇｎｅｔＲｏｔｏｒ）の採用が進み、大きな効果が得られてきた。

しかし、これら希土類磁石の材料は希少金属（レアアース）と呼ばれ、埋蔵量が鉄やアルミニウムなどのベースメタルと比べて極端に少なく、採掘される場所も限られている。このため、従来のフェライト磁石に比べて非常に高額である。このような背景から、希土類磁石は回転電機の高効率化と小型大トルク化を実現する有効な材料である一方で、低価格の回転電機を提供していくために、希土類磁石を用いずに、同等のモータ性能を実現させようとする動きが活性化している。

下記特許文献１に記載されている技術では、保持力は小さいが重量単価の安いフェライト磁石を用いて、ネオジム磁石と同等の吸引力を発生させる手段として、Ｉ型埋め込み磁石ロータを採用している。

下記特許文献２に記載されている技術では、磁性金属からなる円柱体２ａに永久磁石５ａおよび５ｂを埋め込んだ回転子を固定する手段として、円筒体４を用いる構成が開示されている。

特開２０１０−１８３６８４号公報特開２０１１−２３９６５０号公報

上記特許文献１に記載されている技術では、磁極を固定する手段として樹脂を用いている。しかし、樹脂で磁極ピースと磁石を支持するロータ構造は、強度の観点で大きな反力を受けることができない。また、自動車用のモータや発電機など、温度や湿度などの使用環境が厳しい回転電機においては、樹脂の熱変形や劣化なども心配される。

上記特許文献２に記載されている技術では、永久磁石５ａおよび５ｂの内周側が磁性体によって構成されているので、磁性体と永久磁石の間で磁束が流れることにより、回転力が減少すると考えられる。

本発明は、以上のような課題に鑑みてなされたものであり、Ｉ型の埋め込み磁石ロータを採用した、堅牢かつ効率のよい回転電機を提供することを目的とする。

本発明に係る回転電機は、非磁性体の筒状部品の外周部分に磁極ピースを固定し、隣接する磁極ピース間に永久磁石を配置した構造を有する。

本発明に係る回転電機によれば、ロータの内周側に無駄な磁束を流すことなく、磁極ピースと永久磁石をロータとして一体化し、強固に保持することができる。これにより、フェライト磁石などの安価な永久磁石を採用した、堅牢かつ効率のよいＩ型埋め込み磁石ロータを得ることができる。
上記した以外の課題、構成、および効果は、以下の実施形態の説明により明らかになるであろう。

Ｉ型埋め込み磁石ロータのロータ部分を示す図である。従来型の表面磁石モータのロータ部分を示す図である。Ｉ型埋め込み磁石ロータの磁束の流れを示す図である。既存のＩ型埋め込み磁石ロータにおいて部材を固定する手段を示す図である。筒状部品７の斜視図である。磁極ピース３の斜視図である。磁極ピース３と筒状部品７を嵌合した状態を示す斜視図である。Ｉ型埋め込み磁石ロータ１４の構成図である。Ｉ型埋め込み磁石ロータ１４とステータ１５を組み合わせた状態を示す斜視図である。実施形態２における筒状部品７の斜視図である。実施形態３における筒状部品７の斜視図である。実施形態４において板状部材１７を形成するブロック部材２０の上面図である。実施形態５における筒状部材７の斜視図である。実施形態６においてＩ型埋め込み磁石ロータ１４を構成する１層分の部材を示す斜視図である。図１４に示す１層分の部材を積層して形成した筒状部材７の斜視図である。

＜従来のI型埋め込み磁石ロータ＞
以下ではまず、比較例として従来のＩ型埋め込み磁石ロータについて説明し、その後に本発明に係る回転電機の構成を説明する。

図１は、Ｉ型埋め込み磁石ロータのロータ部分を示す図である。Ｉ型埋め込み磁石ロータは、保持力は小さいが重量単価の安いフェライト磁石を用いて、ネオジム磁石と同等の吸引力を発生させる手段として用いられる。

Ｉ型埋め込み磁石ロータにおいては、セグメント磁石１の長手方向がロータ２の径方向を向くように配置される。すなわち、ロータ２の外周側にステータの内周面が位置する。周方向に配置されたセグメント磁石１の間には、電磁鋼板などの磁性体で構成した磁極ピース３が配置される。

図２は、従来型の表面磁石（ＳＰＭ：ＳｕｒｆａｃｅＰｅｒｍａｎｅｎｔＭａｇｎｅｔ）モータのロータ部分を示す図である。表面磁石モータにおいては、磁石１の長手方向がロータ２の周方向に沿うように配置されている。すなわち、ロータ２の外周側にステータの内周面が位置する。

図１に示すＩ型埋め込み磁石ロータは、磁石を埋め込む方向を変えることにより、図２に示す従来型の表面磁石ロータよりも、磁石１の長手方向の寸法を大きくすることができる。Ｉ型埋め込み磁石ロータにおいては、保持力が希土類磁石に比べて１／３程度のフェライト磁石を用いても、磁石表面積を例えば３倍にすることにより、希土類磁石を用いたロータと同等の吸引力を発生させることができる。なお、磁石表面積を増やすと使用する磁石の体積は増加するが、重量単価が低い分、回転電機のコストを下げることができる。

図３は、Ｉ型埋め込み磁石ロータの磁束の流れを示す図である。図３（ａ）は永久磁石１の内周部４が磁性体である場合の磁束の流れを示し、図３（ｂ）は非磁性体である場合の磁束の流れを示す。

Ｉ型埋め込み磁石ロータは、磁極ピース３同士を接触させることなくロータ内周部４に固定する必要がある。ロータ内周部４が磁性体である場合、図３（ａ）に示すようにロータ内周部４と永久磁石１の間に無駄な磁束が流れてしまい、ステータ５と永久磁石１の間で流れる磁束量が減少する。このため、所望のトルクを得ることができなくなる可能性がある。ロータ内周部４を非磁性体部品で構成することにより、図３（ｂ）に示すようにロータ内周部４に流れる無駄な磁束をなくし、磁束を有効活用して吸引力を確保することができる。

図４は、既存のＩ型埋め込み磁石ロータにおいて部材を固定する手段を示す図である。図４において、磁極ピース３と永久磁石１を周方向に沿って交互に配置し、全体を非磁性体である樹脂６でモールドし、回転軸と組み合わせてロータを構成している。樹脂６の例としては、ＰＢＴ（ＰｏｌｙＢｕｔｈｙｌｅｎｅＴｅｒｅｐｈｔｈａｌｅｔｅ）、ＰＰＳ（ＰｏｌｙｐｈｅｎｙｌｅｎｅＳｕｌｆｉｄｅ）、ＬＣＰ（ＬｉｑｕｉｄＣｒｙｓｔａｌＰｏｌｙｍｅｒ）樹脂などの熱可塑性樹脂や、ＢＭＣ（ＢｕｌｋＭｏｌｄｉｎｇＣｏｍｐｏｕｎｄ）樹脂などの熱硬化性樹脂などが挙げられる。

樹脂６を用いて磁極ピース３と永久磁石１を固定すると、図３（ａ）に示すような無駄な磁束の流れは抑制することができるが、強度や温度耐性の観点において懸念がある。そこで本発明では、無駄な磁束の流れを抑えつつ堅牢性を増したＩ型埋め込み磁石ロータの構造を提案する。

＜実施の形態１＞
以下では図５〜図９を用いて、本発明の実施形態１に係る回転電機を製造する過程を説明する。本発明に係る回転電機は、非磁性体を用いて構成された筒状部品７の外周に磁極ピース３と永久磁石１を固定する構造を有する。

図５は、筒状部品７の斜視図である。アルミニウム（ＪＩＳ（ＪａｐａｎＩｎｄｕｓｔｒｉａｌＳｔａｎｄａｒｄ）規格のＡ５０５２、Ａ２０１７、Ａ７０７５）、ステンレス（ＪＩＳ規格のＳＵＳ３０４）などの非磁性金属を用いて、図５に示すような筒状部品７を製作する。筒状部品７を塊状の一体部品として製作する場合は、切削、押し出し成形、鋳造などの製造手法を用いる。筒状部品７の外周部分には、磁極ピース３と嵌合させるための係合部８を設ける。係合部８は、磁極ピース３が備える対応する係合部の形状に合わせて、溝形状または突起形状とする。

図６は、磁極ピース３の斜視図である。磁極ピース３は、粉末状の磁性体を焼結やバインド材（接着剤）によって固めて構成してもよいし、表面を絶縁コーティングした電磁鋼板を打ち抜き・積層し、（かしめ、溶接などにより）固定して構成してもよい。磁極ピース３の根元側には筒状部品７と嵌合させるための係合部９が設けられる。係合部９は、筒状部品７が備える係合部８の形状に合わせて、突起形状または溝形状とする。また、永久磁石１がロータの外周に飛び出さないように、磁極ピース３の先端にブリッジ１０を設ける。これに代えて、磁極ピース３の先端に楔を挿入する溝を設けてもよい。

図７は、磁極ピース３と筒状部品７を嵌合した状態を示す斜視図である。磁極ピース３の係合部９と筒状部品７の係合部８の位置を合わせて嵌合させ、さらに筒状部品７と各磁極ピース３の間に形成される空間に板状の永久磁石１を挿入する。永久磁石１の破損を防止するために、接着材などを用いて、磁極ピース３、筒状部品７、永久磁石１を固着してもよい。

図８は、Ｉ型埋め込み磁石ロータ１４の構成図である。図８（ａ）はＩ型埋め込み磁石ロータ１４の斜視図、図８（ｂ）は一部を抜粋した上面図である。

磁極ピース３が変形して永久磁石１が周方向に飛び出さないように、磁極ピース３のブリッジ１０の内周側に、絶縁紙、樹脂、金属などで構成された板材を楔１１として挿入する（図８（ｂ））。さらに、永久磁石１がロータ軸方向に飛び出さないように、また、磁極ピース３と筒状部品７がロータ軸方向に分解しないように、筒状部品７の軸方向に沿った両端面に円板１２を張り付ける。そして、回転軸１３と筒状部品７を、ボルト締め、キー、ナーリング（回転軸１３の表面に軸方向に沿って配置した突起を、筒状部品７の内周面に噛み込ませる）、圧入などを用いて一体化させ、Ｉ型埋め込み磁石ロータ１４を構成する。

図９は、Ｉ型埋め込み磁石ロータ１４とステータ１５を組み合わせた状態を示す斜視図である。図９に示すように、Ｉ型埋め込み磁石ロータ１４をステータ１５の内周に組み込み、回転軸１３の両端をベアリングで回転可能に支持する（図示せず）。ステータ１５は、内周に複数の溝（スロット）を設けた筒状に電磁鋼板を打ち抜いて積層・固定し、ティースの周りを樹脂製のインシュレータで保護した後、コイルを巻線し、コイルの端末線を接続して電気回路を構成したものである。ステータコイルの入力線に電流を流すと、ステータコイルの電磁石によってステータコアの内周面に回転する磁界が生じ、Ｉ型埋め込み磁石１４の永久磁石１と引き付け合って同期して回転をする。

＜実施の形態１：まとめ＞
以上のように、本実施形態１に係る回転電機は、非磁性金属を用いて構成された筒状部品７と磁極ピース３を軸方向に嵌合させることにより、磁極ピース３の内周側に無駄な磁束を通さずに、磁極ピース３を強固に保持することができる。これにより、高額な希土類磁石を用いずに、大出力の回転電機を実現することができる。

＜実施の形態２＞
磁極ピース３と筒状部品７の嵌合寸法は、ＪＩＳ規格におけるＨ７穴とｇ６軸程度の寸法公差で組み立てることが望ましい。しかし、外周面に多数（本実施形態２では５６）の係合部８を上記寸法精度で形成した筒状部品７を、切削、押し出し、鋳造などの手法によって製造するのは時間がかかり、部品が高額となる。そこで本発明の実施形態２では、上記寸法精度の係合部８を設けた板状部材を積層することによって筒状部品７を形成する構成例を説明する。その他の構成は実施形態１と同様である。

図１０は、本実施形態２における筒状部品７の斜視図である。実施形態１で説明したものと同じ非磁性金属板（例えば厚さ０．８ｍｍ、１．０ｍｍなど）を打ち抜いて形成した板状部材１７を積層・固定（かしめ、溶接など）し、筒状部品７を構成する。

板材（ロール材）を打ち抜き積層する手法は、従来の回転電機のステータやロータを製造するため電磁鋼板を打ち抜き積層する際にも用いられている手法であり、短時間で高精度に係合部８を設けた板状部材１７を製造することができる。さらに、板状部材１７の表面に絶縁コーティングを施しておけば、渦電流による損失を抑制することができる。強度を要求しない場合は、板状部材１７の材料は金属に限定する必要はなく、樹脂などを用いても構わない。

以上のように、本実施形態２によれば、非磁性体の板状部材１７を積層・固定することにより、筒状部品７の係合部８を高精度かつ短時間に形成することができる。また、板状部材１７（または打ち抜き前の板材）の表面を絶縁コーティングすることにより、渦電流の発生を防止し、回転電機の効率低下を抑制することができる。

＜実施の形態３＞
板状部材１７を積層することによって筒状部品７を形成すると、金型形状や板厚偏差によって層毎に僅かな形状差が生じ、筒状部品７の形状精度が低下する可能性がある。そこで本発明の実施形態３では、実施形態２で説明した手法において、筒状部品７の形状精度をさらに向上させる構成例を説明する。

図１１は、本実施形態３における筒状部品７の斜視図である。本実施形態３では、図１１に示すように、板状部材１７を積層して筒状部品７を形成する際に、係合部８と同じピッチまたはその整数倍のピッチで金型と板材を相対的に回転させながら打ち抜き、層毎の位置を回転方向に沿ってずらしながら積層する。積層位置を層毎にずらす点以外は実施形態２と同様である。

層毎に積層位置をずらすことにより、金型形状や素材の板厚偏差を吸収し、筒状部品７の外周の垂直度を高めることができる。これにより、ステータ内周とＩ型埋め込み磁石ロータ１４の間のギャップが均一となるので、回転電機のコギングを小さく抑えることができる。

なお、必ずしも全ての層の積層位置が互いに異なるようにする必要はなく、少なくともいずれかの層の積層位置が他の層とは異なるようにすれば、相応の効果を発揮することができる。

＜実施の形態４＞
直径の大きなロータの場合、非磁性体の筒状部品７をリング状部材の打ち抜き・積層によって一体的に構成しようとすると、材料利用率が悪く、コスト増の要因となる。そこで本発明の実施形態４では、複数の部材を連結することにより板状部材１７を形成する構成例を説明する。その他の構成は実施形態３と同様である。

図１２は、本実施形態４において板状部材１７を形成するブロック部材２０の上面図である。ブロック部材２０は、板状部材１７を周方向に沿って分割し、周方向に沿った一端に突起１８を設け、他端に溝１９を設けた部材である。層間を安定的に固定するため、さらにかしめ２１を設けてもよい。ブロック部材２０を周方向に沿って連結し、隣接する突起１８と溝１９を嵌合することにより、板状部材１７を形成することができる。

本実施形態４によれば、個々のブロック部材２０は板状部材１７よりも遥かに小さいので、筒状部品７を高い材料利用率で製造することができる。

＜実施の形態５＞
本発明の実施形態５では、実施形態３で説明した層毎に積層位置をずらす手法を、実施形態４で説明したブロック部材２０を連結する構成の下において適用した構成例を説明する。その他の構成は実施形態４と同様である。

図１３は、本実施形態５における筒状部材７の斜視図である。まず、最終的な筒状部品７の積厚よりも薄くブロック部材２０を積層し、これを周方向に沿って連結してリング状部材を構成する。ブロック部材２０の連結位置が層毎に異なるように各層を積層する。

積層したブロック部材２０同士は、実施形態４で説明したような突起１８と溝１９を用いて固定してもよいし、溶接・かしめなどによって連結してもよい。

連結位置が層毎に異なるようにすることにより、筒状部品７を周方向に分割した場合でも、軸方向においては形状と寸法が均一化されるため、筒状部品７の垂直度が向上し、実施形態３と同様に回転電機のコギングを低く抑えることができる。

なお、必ずしも全ての層においてブロック部材２０同士の連結位置が異なるようにする必要はなく、少なくともいずれかの層の連結位置が他の層とは異なるようにすれば、相応の効果を発揮することができる。

＜実施の形態６＞
実施形態３と５では、板状部材１７またはブロック部材２０の積層位置を層毎にずらすことにより、筒状部品７の形状精度を向上させることを説明した。本発明の実施形態６では、磁極ピース３を形成する板状磁極ピース２２と板状部材１７を連結して積層することにより回転電機を形成する構成例を説明する。その他の構成は実施形態１〜５と同様であるため、以下では板状磁極ピース２２と板状部材１７を連結した部材を中心に説明する。

図１４は、本実施形態６においてＩ型埋め込み磁石ロータ１４を構成する１層分の部材を示す斜視図である。電磁鋼板の打ち抜きなどによって生成した板状磁極ピース２２と、実施形態２で説明した板状部材１７を、図１４に示すように係合部８と９によって連結する。図１４では記載の便宜上、板状磁極ピース２２を１つのみ示しているが、板状部材１７の全周にわたって板状磁極ピース２２を連結する。

図１５は、図１４に示す１層分の部材を積層して形成した筒状部材７の斜視図である。図１４に示す部材を積層する際に、実施形態３と同様に各層を一定角度で回転させながら積層し、溶接などを用いて固定する。磁極ピース３と円筒状部品７が構成する空隙の形状に合わせて永久磁石１を配置すると、スキュー（軸方向に対して磁気回路が斜めになっていること）の付いたＩ型埋め込み磁石ロータ１４を構成することができる。

各層を回転しながら積層することにより、実施形態３と同様に筒状部品７の形状寸法を軸方向で均一化し、Ｉ型埋め込み磁石ロータ１４の円筒度を高めて回転電機のコギングを低くすることができる。さらに、板状部材１７と板状磁極ピース２２を連結した層部材を層毎に回転方向にずらしながら積層することにより、スキューを形成して回転電機のコギングを抑制することができる。

本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。上記実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることもできる。また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることもできる。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成を追加・削除・置換することもできる。

１：永久磁石、２：ロータ、３：磁極ピース、４：ロータ内周部、５：ステータ、６：樹脂、７：筒状部品、８〜９：係合部、１０：ブリッジ、１１：楔、１２：円板、１３：回転軸、１４：Ｉ型埋め込み磁石ロータ、１５：ステータ、１７：板状部材、１８：突起、１９：溝、２０：ブロック部材、２１：かしめ、２２：板状磁極ピース。

Claims

磁性体を用いて構成された複数の磁極ピースと、
非磁性体を用いて構成された筒状部品と、
前記筒状部品に連結された回転軸と、
を備え、
前記筒状部品の外周に設けられた係合部と前記磁極ピースが有する係合部とが嵌合して前記磁極ピースと前記筒状部品が固定され、
隣接する前記磁極ピースの空隙部分に永久磁石が配置され、
前記筒状部品は、非磁性体を用いて構成された板状部材を積層して形成され、前記板状部材の表面には絶縁コーティングが施されている
ことを特徴とする回転電機。
積層された前記板状部材のうち少なくとも一部は、前記回転軸の回転方向に沿った位置が他の前記板状部材とは異なるようにして積層されている
ことを特徴とする請求項１記載の回転電機。
前記筒状部品は、
前記筒状部品の外周部分の一部を成すブロック部材を前記回転軸の回転方向に沿って連結することにより構成した前記板状部材を積層して形成されている
ことを特徴とする請求項１記載の回転電機。
積層された前記板状部材のうち少なくとも一部は、
前記板状部材を構成する前記ブロック部材の前記回転方向に沿った連結位置が、他の前記板状部材を構成する前記ブロック部材の前記回転方向に沿った連結位置のうち少なくとも一部と異なるように積層されている
ことを特徴とする請求項３記載の回転電機。
前記磁極ピースは、磁性体を用いて構成された板状部材を積層して形成されている
ことを特徴とする請求項１記載の回転電機。
前記磁極ピースと前記筒状部品は、層部材を積層して形成されており、
前記層部材においては、前記磁極ピースを形成する板状部材と、前記筒状部品を形成する板状部材とがそれぞれ各前記係合部によって嵌合されている
ことを特徴とする請求項５記載の回転電機。
前記層部材は、前記回転軸の回転方向に沿った位置が層毎に一定の回転角でずれるようにして積層されている
ことを特徴とする請求項６記載の回転電機。
前記筒状部品は、非磁性金属を用いて構成されている
ことを特徴とする請求項１記載の回転電機。
前記筒状部品は、ＪＩＳ規格が規定している非磁性金属である、Ａ５０５２、Ａ２０１７、Ａ７０７５、ＳＵＳ３０４のうち少なくともいずれかを用いて構成されている
ことを特徴とする請求項８記載の回転電機。