JP5971142B2

JP5971142B2 - 回転電機の磁石埋め込み型ロータおよび回転電機

Info

Publication number: JP5971142B2
Application number: JP2013020309A
Authority: JP
Inventors: 新也佐野
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2013-02-05
Filing date: 2013-02-05
Publication date: 2016-08-17
Anticipated expiration: 2033-02-05
Also published as: JP2014155242A

Description

本発明は、回転電機の磁石埋め込み型ロータ、および、これを用いた回転電機に関する。

従来、例えば特開２０１１−１９９９４４号公報（以下、特許文献１という。）には、回転電機の永久磁石埋設型回転子が開示されている。この特許文献１の回転子は、図８に示すように、ロータコア８２に形成された収容孔８４に永久磁石８６が収容されている。この収容孔８４は、永久磁石８６を収容する収容部８７と、収容部８７の周方向外側に連通する空隙９０とを含む。空隙９０の形成面は、永久磁石８６の径方向外側面である磁極面８６ａと向き合う収容孔８４の磁極対向面８８ａに連なる磁極側形成面９２ａと、永久磁石８６の径方向内側面である反磁極面８６ｂと向き合う収容孔８４の反磁極対向面８８ｂに連なる反磁極側形成面９２ｂとから構成されている。そして、空隙９０の磁極側形成面９２ａと反磁極側形成面９２ｂには、突部９４，９６が互いに対向して形成されている。

特開２０１１−１９９９４４号公報

上記の特許文献１に記載される回転子では、ロータコア８２の外周面から内部に流れ込んだ反磁界の磁束Ｆが永久磁石８６の磁極面８６ａに向かうものと、空隙９０の突部９４，９６を介して永久磁石８６の反磁極面８６ｂ側へ誘導されるものとに分散される。これにより、反磁界の作用により永久磁石８６が減磁するのを抑制できる効果がある。

しかしながら、空隙９０に設けられる突部９４，９６は、反磁界磁束の誘導経路になるだけでなく、図８中に破線で示すように、永久磁石８６の磁極面８６ａから生じた磁束が短絡して反磁極面８６ｂへと回り込んでしまうことになる。そうすると、このような磁束の回り込み又は短絡は回転子のトルク発生に寄与しないことなり、回転電機のトルク発生効率が低下するという問題がある。

本発明の目的は、回転電機の磁石埋め込み型ロータにおいて、反磁界による磁石の減磁を抑制しながら、トルク発生効率を向上させることである。

本発明に係る回転電機の磁石埋め込み型ロータは、磁性材料からなるロータコアと、ロータコアに形成された磁石収容孔の中に配置される磁石とを備える回転電機の磁石埋め込み型ロータであって、前記磁石は少なくともロータ軸方向の両端部分に他の磁石領域よりも保磁力が高い高保磁領域を備え、前記磁石収容孔は前記磁石を収容する収容部と前記収容部に連通する空隙部とを含み、前記空隙部を形成する壁面には前記磁石の周方向端面近傍において前記空隙部の内側に突出する突部が形成され、前記突部は、前記磁石の両端部分以外の前記他の磁石領域に対応する位置で前記空隙部内においてロータ軸方向に沿って形成されているものである。

本発明に係る回転電機の磁石埋め込み型ロータにおいて、前記突部は、前記空隙部の外径側壁面に形成されて、前記空隙部の内径側壁面に向かって突出していてもよい。

また、本発明に係る回転電機の磁石埋め込み型ロータにおいて、前記空隙部の内径側壁面には、前記外径側壁面から突出する突部に対向するように別の突部が形成されていてもよい。

さらに、本発明に係る回転電機の磁石埋め込み型ロータにおいて、前記空隙部の内径側壁面に形成された突部は、前記磁石収容孔の収容部に配置された前記磁石の位置決め機能を有してもよい。

本発明の別の態様である回転電機は、上記いずれかの構成の磁石埋め込み型ロータと、前記ロータにギャップを隔てて対向するステータとを備える。

本発明に係る回転電機の磁石埋め込み型ロータ及びこれを用いた回転電機によれば、反磁界による磁石の減磁を抑制しながら、トルク発生効率を向上させることができる。

本発明の一実施の形態に係る回転電機の横断面図である。図１に示す回転電機の軸方向断面図である。（ａ）はロータコアの端部を構成する電磁鋼板と磁石とを示す部分拡大図であり、（ｂ）はロータコアの端部以外を構成する電磁鋼板と磁石とを示す部分拡大図である。磁石の斜視図である。磁石収容孔内に配置された磁石をロータコアの軸方向端部から見た様子を示す斜視図である。（ａ）は磁石の別の実施形態を示す、図４に対応する斜視図であり、（ｂ）は磁石の更に別の実施形態を示す、図４に対応する斜視図である。磁石収容孔の変形例を示す、図３（ｂ）に対応する部分拡大図である。従来の磁石埋埋設型ロータの一例を示す部分拡大図である。

以下に、本発明に係る実施の形態（以下、実施形態という。）について添付図面を参照しながら詳細に説明する。この説明において、具体的な形状、材料、数値、方向等は、本発明の理解を容易にするための例示であって、用途、目的、仕様等にあわせて適宜変更することができる。また、以下において複数の実施形態や変形例などが含まれる場合、それらの特徴部分を適宜に組み合わせて用いることは当初から想定されている。

図１は、本実施形態に係る回転電機１０の回転中心軸Ｃと直交する方向に沿った横断面図である。以下において、回転中心軸Ｃに沿う方向を軸方向といい、回転中心軸Ｃを基点とする半径方向を径方向といい、回転中心軸Ｃ周りの方向を周方向という。図２は、図１に示す回転電機１０の軸方向に沿った断面図である。

図１及び図２に示すように、回転電機１０は、略円筒状をなすステータ１２と、ステータ１２の内周側に設けられたロータ１４とを備える。ロータ１４は、ステータ１２にギャップを隔てて対向して回転可能に配置されている。

ステータ１２は、例えば電磁鋼板等からなる多数枚の磁性板を積層して構成されている。ステータ１２は、円環状のヨーク部１６と、ヨーク部１６から径方向内側に突出するとともに周方向に均等配置で形成されたティース部１８とを有する。ステータ１２のティース部１８の周囲には、コイル１９が例えば分布巻きによって巻装されている。

ロータ１４は、永久磁石埋め込み型の回転子であり、略円筒状のロータコア２０と、ロータコア２０内に埋め込まれている磁石２２とを備える。ロータコア２０もまた、例えば電磁鋼板等からなる多数枚の磁性板を積層して構成されている。

ロータコア２０の中心部には、軸穴２４が貫通形成されている。軸穴２４には、図示しないシャフトが例えば締り嵌め、圧入等によって貫通して固定される。このシャフトが回転電機１０を収容するケースに設けられた軸受部材によって回転可能に支持される。

また、図２に示すように、ロータコア２０は、軸方向の両端部側に位置する端部領域２０ａと、これらの端部領域２０ａ以外の中間領域２０ｂとに区画されている。端部領域２０ａと中間領域２０ｂとでは、ロータコア２０に形成される磁石収容孔の空隙部の形状が異なっている。その詳細については後述する。

ロータ１４は、複数の磁極２６を有する。本実施形態では、８つの磁極２６が周方向に均等な間隔で設けられている。各磁極２６に埋め込まれた磁石２２は、一対の磁石２２ａ，２２ｂによって構成される。

一対の磁石２２ａ，２２ｂは、同じ形状及び大きさに形成されており、矩形状の端面形状および横断面形状を有してロータコア２０と略同じ長さで軸方向に延伸している。また、一対の磁石２２ａ，２２ｂは、各磁極２６においてロータコア２０の外周面２１側に向かって略Ｖ字状に広がるように配置されている。

なお、本実施形態では、１つの磁極２６に２つの磁石２２ａ，２２ｂが含まれる例について説明するが、これに限定されるものではなく、１つの各磁極２６に１つの磁石が含まれてもよいし、または、３つ以上の磁石が含まれてもよい。

一対の磁石２２ａ，２２ｂは、ロータコア２０に形成された磁石収容孔２８ａ，２８ｂ内に軸方向へ挿入されて配置される。各磁石２２ａ，２２ｂは、磁石収容孔２８ａ，２８ｂ内に例えば樹脂等の接着剤を用いてロータコア２０に固定されている。

図３は軸方向から見た磁極２６の部分拡大図であり、（ａ）はロータコア２０の端部領域２０ａを構成する電磁鋼板と磁石２２ａ，２２ｂとを示し、（ｂ）はロータコア２０の中間領域２０ｂを構成する電磁鋼板と磁石２２ａ，２２ｂとを示す。

図３（ａ），（ｂ）に示すように、ロータコア２０に形成されている磁石収容孔２８ａ，２８ｂは、磁石２２ａ，２２ｂを収容する収容部３０ａ，３０ｂと、収容部３０ａ，３０ｂに対して磁極２６の周方向外側にそれぞれ連通する空隙部３２ａ，３２ｂとを含む。

これらの空隙部３２ａ，３２ｂは、電磁鋼板に比べて磁気抵抗が格段に大きい空隙を含むために磁気フラックスバリア（磁束障壁）として機能する。これにより、磁石２２ａ，２２ｂの径方向外側の表面である磁極面から出た磁束が、磁石２２ａ，２２ｂの径方向内側の表面である反磁極面にロータコア２０を構成する電磁鋼板内を通って回り込んで短絡するのを防止または抑制している。

磁石収容孔２８ａ，２８ｂの収容部３０ａ，３０ｂは、磁石２２ａ，２２ｂに略対応する矩形状に形成されている。磁極２６の周方向中央位置において収容部３０ａ，３０ｂの壁面と磁石２２ａ，２２ｂとの間には、磁石収容孔２８ａ，２８ｂ内に磁石２２ａ，２２ｂを固定するための樹脂等を充填する隙間３４が形成されている。

磁石収容孔２８ａ，２８ｂの空隙部３２ａ，３２ｂを形成する壁面は、径方向外側に位置する外径側壁面３６ａと、径方向内側に位置して外径側壁面３６ａに空隙を挟んで対向する内径側壁面３６ｂとを含む。

図３（ｂ）に示すように、ロータコア２０の中間領域２０ｂ（図２参照）では、空隙部３２ａ，３２ｂの外径側壁面３６ａに第１突部３８が形成されている。第１突部３８は、磁石２２ａ，２２ｂの周方向外側の端面近傍に位置して、空隙部３２ａ，３２ｂの内径側壁面３６ｂに向かって突設されている。

他方、空隙部３２ａ，３２ｂの内径側壁面３６ｂには、第２突部４０が形成されている。第２突部４０は、磁石２２ａ，２２ｂの周方向外側の端面近傍に位置して、空隙部３２ａ，３２ｂの外径側壁面３６ａに向かって突設されて第１突部３８に対向している。ここで、第２突部４０の根元部は、収容部３０ａ，３０ｂ内に収容された磁石２２ａ，２２ｂを位置決めする位置決め部としても機能する。

このように、ロータコア２０の中間領域２０ｂにおける磁石収容孔２８ａ，２８ｂでは、空隙部３２ａ，３２ｂに設けられた第１および第２突部３８，４０が互いに接近して磁気抵抗が比較的小さくなっていることで、外周面２１からロータコア２０内部に進入した反磁界の磁束Ｆ（図８参照）の一部を磁石２２ａ，２２ｂの反磁極面側へと誘導して分散させる機能を果たす。

これに対し、ロータコア２０の端部領域２０ａ（図１参照）では、図３（ａ）に示すように、磁石収容孔２８ａ，２８ｂの空隙部３２ａ，３２ｂに上記のような第１および第２突部３８，４０が設けられていない。具体的には、空隙部３２ａ，３２ｂの外径側壁面３６ａは、磁石収容孔２８ａ，２８ｂの収容部３０ａ，３０ｂの外径側壁面と略真っ直ぐに連なった形状を有する。また、空隙部３２ａ，３２ｂの内径側壁面３６ｂは、収容部３０ｂ内の磁石２２ａ，２２ｂを位置決めする段部３６ｃが形成されているだけで、外径側壁面３６ａ側に突出するような形状となっていない。

このようにロータコア２０の端部領域２０ａにおける磁石収容孔２８ａ，２８ｂでは、空隙部３２ａ，３２ｂの壁面に突部が設けられていないことでフラックスバリアとして有効に機能し、磁石２２ａ，２２ｂの周方向外側端部における磁束の回り込みを抑制して該磁束をロータコア２０の外部へと向かわせ、その結果、トルク発生効率の向上に寄与することができる。

この場合、空隙部３２ａ，３２ｂにおいて反磁界の磁束Ｆを分散させる機能はないため、磁石２２ａ，２２ｂの軸方向端部における反磁界による減磁が懸念される。そこで、本実施形態では、軸方向の両端部分に他の磁石領域よりも保磁力が高い高保磁領域を備える磁石２２ａ，２２ｂを用いている。

図４は、本実施形態における磁石２２ａ，２２ｂを示す斜視図である。図５は、磁石収容孔２８ｂ内に配置された磁石２２ｂをロータコア２０の軸方向一端部から見た様子を示す斜視図である。

図４に示すように、磁石２２ａ，２２ｂは、軸方向の両端部に保磁力が高い部分である高保磁領域２３を備える。このような高保磁領域２３は、磁石２２ａ，２２ｂの基材の端部表面に例えばジスプロシウム（Ｄｙ）やテルビウム（Ｔｂ）等の希土類元素を拡散させることによって形成することができる。具体的には、例えばジスプロシウム等をスパッタリング法、蒸着法、塗布等の方法で磁石２２ａ，２２ｂの端部領域だけに付着させ、その後、磁石２２ａ，２２ｂを加熱してジスプロシウム等を磁石内部の粒界内に拡散または浸透させることによって形成される。

図５に示すように、磁石２２ｂが磁石収容孔２８ｂ内に配置されたとき、空隙部３２ｂの第１および第２突部３８，４０は、磁石２２ｂの高保磁領域２３を避けた位置で空隙部３２ｂ内において軸方向に形成されている。より詳しくは、第１および第２突部３８，４０の軸方向端面がロータコア２０の軸方向端面から奥まって位置しており、この突部端面が磁石２２ｂにおける高保磁領域２３と他の磁石領域との境界に略一致している。このことは、図５に示されていない磁石２２ａについても同様である。

このように本実施形態におけるロータ１４では、軸方向両端部に高保磁領域２３を有する磁石２２ａ，２２ｂを用いると共に、磁石２２ａ，２２ｂにおいて保磁力が相対的に低い部分である上記高保磁領域以外の部分に対応して、磁石収容孔２８ａ，２８ｂの空隙部３２ａ，３２ｂに反磁界磁束の分散機能を果たす第１および第２突部３８，４０を設けている。これにより、磁石２２ａ，２２ｂの軸方向全体について反磁界による減磁を効果的に抑制することできると共に、磁石２２ａ，２２ｂの軸方向端部における磁束の回り込みを防止又は低減してトルク発生効率を向上させることができる。

なお、本発明に係るロータは、上述した構成のものに限定されず、本願の特許請求の範囲に記載された事項およびそれに均等な範囲において種々の変更や改良が可能である。

例えば、上記においては、ロータ１４に埋め込まれる磁石２２ａ，２２ｂは軸方向の両端部に高保磁領域２３を有するものとして説明したが、これに限定されるものではなく、磁石は少なくとも軸方向の両端部分に他の磁石領域よりも保磁力が高い領域を備えていればよい。

例えば、図６（ａ）に示すように、磁石２２ａ，２２ｂは、軸方向両端部分に高保磁領域２３を有するのに加えて、反磁界による減磁が生じやすい部分であることが分かっている軸方向に沿った稜線角部２５の周辺にもジスプロシウム等の拡散によって高保磁領域を形成してもよい。

また、図６（ｂ）に示すように、磁石２２ａ，２２ｂの表面全体にジスプロシウム等を付着および拡散してもよい。この場合でも、図６（ｂ）に指紋状の等濃度線で示すように、磁石２２ａ，２２ｂの表面から内部に向かうにつれてジスプロシウム等の拡散濃度が低くなるため、軸方向両端部分が磁石内部領域よりも保磁力が高い部分であるといえる。

さらに、上記においては、磁石収容孔２８ａ，２８ｂの空隙部３２ａ，３２ｂの外径側壁面３６ａに第１突部３８を設けるとともに内径側壁面３６ｂに第２突部４０を設けるものと説明したが、これに限定されるものではない。例えば、図７に示すように、ロータコア２０の中間領域２０ｂにおいて、磁石収容孔２８ａ，２８ｂの外径側壁面３６ａだけに第１突部３８を設けてもよいし、これとは逆に、内径側壁面３６ｂだけに第２突部４０を設けてもよい。

１０回転電機、１２ステータ、１４ロータ、１６ヨーク部、１８ティース部、１９コイル、２０ロータコア、２０ａ端部領域、２０ｂ中間領域、２１外周面、２２，２２ａ，２２ｂ磁石、２３高保磁領域、２４軸穴、２５稜線角部、２６磁極、２８ａ，２８ｂ磁石収容孔、３０ａ，３０ｂ収容部、３２ａ，３２ｂ空隙部、３４隙間、３６ａ外径側壁面、３６ｂ内径側壁面、３６ｃ段部、３８第１突部（突部）、４０第２突部（突部）。Ｃ回転中心軸、Ｆ磁束。

Claims

磁性材料からなるロータコアと、ロータコアに形成された磁石収容孔の中に配置される磁石とを備える回転電機の磁石埋め込み型ロータであって、
前記磁石は少なくともロータ軸方向の両端部分に他の磁石領域よりも保磁力が高い高保磁領域を備え、
前記磁石収容孔は前記磁石を収容する収容部と前記収容部に連通する空隙部とを含み、
前記空隙部を形成する壁面には前記磁石の周方向端面近傍において前記空隙部の内側に突出する突部が形成され、前記突部は、前記磁石の両端部分以外の前記他の磁石領域に対応する位置で前記空隙部内においてロータ軸方向に沿って形成されている、回転電機の磁石埋め込み型ロータ。
請求項１に記載の回転電機の磁石埋め込み型ロータにおいて、
前記突部は、前記空隙部の外径側壁面に形成されて、前記空隙部の内径側壁面に向かって突出している、回転電機の磁石埋め込み型ロータ。
請求項２に記載の回転電機の磁石埋め込み型ロータにおいて、
前記空隙部の内径側壁面には、前記外径側壁面から突出する突部に対向するように別の突部が形成されている、回転電機の磁石埋め込み型ロータ。
請求項３に記載の回転電機の磁石埋め込み型ロータにおいて、
前記空隙部の内径側壁面に形成された突部は、前記磁石収容孔の収容部に配置された前記磁石を位置決めする、回転電機の磁石埋め込み型ロータ。
請求項１ないし４のいずれか一項に記載の磁石埋め込み型ロータと、
前記ロータにギャップを隔てて対向するステータと、を備える回転電機。