JP6020629B2 - 回転電機のロータ - Google Patents

Description

本発明は、回転電機のロータに関するものである。

特許文献１等において永久磁石埋込式回転電機が開示されている。詳しくは、特許文献１の回転電機においては、図７に示すように、ロータコア２００に形成された円弧形状の永久磁石挿入孔２０１，２０２に永久磁石２０３，２０４，２０５が挿入されており、円弧形状の永久磁石挿入孔２０１，２０２を有することでリラクタンストルクを増加させることができる。

特開２０１４−１０００４８号公報

ところが、図７に示した構成を採用すると、永久磁石２０３，２０４，２０５の形状として複数種類必要となり、例えば、複数種類の永久磁石製造用金型が必要となり、コストアップを招くことになる。

本発明の目的は、永久磁石についてコスト低減を図ることができる回転電機のロータを提供することにある。

請求項１に記載の発明では、コイルを巻装したステータの内周側に円筒状のロータコアの外周面がギャップを介して対向するように配置された回転電機のロータであって、前記ロータコアに、永久磁石がｑ軸側端部にフラックスバリアを配する状態で径方向において複数層埋め込まれ、複数層において埋め込まれた各永久磁石は、円弧状をなし、かつ、同一形状、同一寸法であり、前記フラックスバリアは、ｑ軸磁路幅を確保するように、外径側のフラックスバリアにおける前記フラックスバリアの内壁のうちの内径側壁面が外径側に移動させた形状であることを要旨とする。

請求項１に記載の発明によれば、ロータコアに、永久磁石がｑ軸側端部にフラックスバリアを配する状態で径方向において複数層埋め込まれ、複数層において埋め込まれた各永久磁石は、円弧状をなし、かつ、同一形状、同一寸法であるので、永久磁石が１種類となることでコスト低減を図ることができる。

請求項２に記載のように、請求項１に記載の回転電機のロータにおいて、前記フラックスバリアは、ロータコアにおいてｑ軸磁路に沿って延びており、複数層のフラックスバリアのうちの最も内径側の層のフラックスバリアは、内壁のうち内径側壁面がｑ軸磁路に沿った位置より隣の磁極側へ広がって形成されているとよい。

本発明によれば、永久磁石についてコスト低減を図ることができる。

実施形態における回転電機の模式図。 実施形態における回転電機の部分拡大模式図。 ロータの部分拡大模式図。 ｄ軸磁束を表す回転電機の部分拡大模式図。 ｑ軸磁束を表す回転電機の部分拡大模式図。 別例における回転電機の部分拡大模式図。 背景技術を説明するための図。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
図１に示すように、回転電機１０は、磁石埋込式回転電機であって、ロータ（回転子）２０と、ステータ（固定子）１００とを備える。円筒状をなすロータ２０の外周側にステータ１００が配置されている。ステータ１００の内周面は、ロータ２０の外周面とギャップＧ（図２参照）を介して対向している。なお、図は何れも模式図であり、形状を強調して記載している。回転電機１０は、極数が「４」である。

図１および図２に示すように、ステータ１００は、ステータコア１０１が円筒状をなし、ステータコア１０１の内側には周方向に複数（３６個）のスロット１０２が形成されている。各スロット１０２は内周面に開口している。スロット１０２間にティース１０３が形成されている。ステータ１００は一極あたりのスロット数が「９」であり（一極あたりのティース数が「９」であり）、一極あたりの中心Ｏからの角度θｒは９０°である。等間隔で設けられているティース１０３には、３相交流が通電されるコイル（巻線）１０４が巻回されている。このように、ステータ１００は、内周側にコイル１０４が巻回されたティース１０３が周方向に並設され、コイル１０４を巻装した構成となっている。

ステータ１００の内側にはロータ２０が配置されており、ロータ２０は、略円板状の電磁鋼板を複数枚（例えば数十枚）積層した円筒状のロータコア３０を備え、ロータコア３０の中心にシャフト５０が貫挿されている。ロータ２０は、ロータコア３０の外周面がティース１０３と所定の間隔を置いた状態で、図示しないハウジングの軸受けにシャフト５０を介して回転可能に支持されている。このように、ロータ２０が、ステータ１００の内周側にロータコア３０の外周面がギャップＧを介して対向するように配置されている。

ロータコア３０に、永久磁石４０，４１が、ｑ軸側端部にフラックスバリア３３，３４、３５，３６を配する状態で径方向において複数層埋め込まれている。詳しくは、ロータコア３０には円弧状の永久磁石挿入孔３１，３２が形成されている。永久磁石挿入孔３１，３２は軸方向に延びている。内径側に永久磁石挿入孔３１が位置しているとともに外径側に永久磁石挿入孔３２が位置している。永久磁石挿入孔３１には永久磁石４０が挿入されている。永久磁石４０はｄ軸上に位置し、永久磁石４０は厚さ方向に着磁されている。永久磁石挿入孔３２には永久磁石４１が挿入されている。永久磁石４１はｄ軸上に位置し、永久磁石４１は厚さ方向に着磁されている。

複数層において埋め込まれた各永久磁石４０，４１は、円弧状をなし、かつ、同一形状、同一寸法である。
より詳しくは、永久磁石４０においては、外径側の表面の曲率半径がＲ１であり、径方向の幅がＷ１であり、中心での長さがＬ１であり、永久磁石４１においては、外径側の表面の曲率半径がＲ２であり、径方向の幅がＷ２であり、中心での長さがＬ２である。ここで、永久磁石４０，４１においては、外径側の表面の曲率半径が同一であり、Ｒ１＝Ｒ２である。また、径方向の幅が同一であり、Ｗ１＝Ｗ２である。さらに、中心での長さが同一であり、Ｌ１＝Ｌ２である。また、永久磁石４０の中心Ｏ１と永久磁石４１の中心Ｏ２はｄ軸上に位置し、永久磁石４０の中心Ｏ１と永久磁石４１の中心Ｏ２とは、ロータコア３０の中心Ｏから延びる線分上（ｄ軸上）において距離Ｌ１０だけ離間している。さらに、本実施形態では永久磁石４０と永久磁石４１とは同一の材料よりなる。

図１に示すように、隣り合う領域（一極）に配置された永久磁石４０同士および永久磁石４１同士は、ロータ２０の外周側が異なる極になるように配置されている。例えば、ある永久磁石４０が、ティース１０３側がＳ極になるように配置されると、隣の領域（一極）に配置される永久磁石４０は、ティース１０３側がＮ極になるように配置される。

ロータコア３０は、永久磁石挿入孔３１のｑ軸側の端部に連続する状態で延びる円弧状のフラックスバリア（孔）３３，３４を有する。同様に、ロータコア３０は、永久磁石挿入孔３２のｑ軸側の端部に連続する状態で延びる円弧状のフラックスバリア（孔）３５，３６を有する。フラックスバリア３３，３４，３５，３６は軸方向に延びている。

図４には、ｄ軸磁束を可視化したものを示す。図５には、ｑ軸磁束を可視化したものを示す。なお、図４，５は永久磁石挿入孔３１，３２、フラックスバリア３３〜３６および永久磁石４０，４１がない場合の磁束を示しているが、参考に永久磁石挿入孔３１，３２、フラックスバリア３３〜３６および永久磁石４０，４１を一点鎖線で示す。

図２に示すように、フラックスバリア３３，３４は、ｑ軸磁束（図５参照）に沿って延びている。フラックスバリア３５，３６は、ｑ軸磁束（図５参照）に沿って延びている。フラックスバリア３３，３４は内径側に位置し、フラックスバリア３５，３６は外径側に位置ており、ロータコア３０は、径方向に形成された複数層のフラックスバリアを有する。

フラックスバリア３３は、内壁として、内径側壁面３３ａを有するとともに外径側壁面３３ｂを有する。フラックスバリア３３の外径側壁面３３ｂは円弧状をなしている。フラックスバリア３４は、内壁として、内径側壁面３４ａを有するとともに外径側壁面３４ｂを有する。フラックスバリア３４の外径側壁面３４ｂは円弧状をなしている。

フラックスバリア３５は、内壁として、内径側壁面３５ａを有するとともに外径側壁面３５ｂを有する。フラックスバリア３５の外径側壁面３５ｂは円弧状をなしている。フラックスバリア３６は、内壁として、内径側壁面３６ａを有するとともに外径側壁面３６ｂを有する。フラックスバリア３６の外径側壁面３６ｂは円弧状をなしている。

径方向に形成された複数層のフラックスバリア３３，３４および３５，３６のうちの最も内径側の層のフラックスバリア３３，３４は、内壁のうち内径側壁面３３ａ，３４ａがｑ軸磁束に沿った位置より隣の磁極側へ広がって形成されている。より詳しくは、フラックスバリア３３，３４の内径側壁面３３ａ，３４ａが、磁極の境界Ｂｍに平行である。

図３において、フラックスバリア３５，３６の内径側壁面３５ａ，３６ａの形状については、２点鎖線で示す曲率半径Ｒ１０でｑ軸磁路幅Ｗ２０を形成するとｄ軸上でのｑ軸磁路幅Ｗ１０より狭くなる。そこで、フラックスバリア３５，３６の内径側壁面３５ａ，３６ａの形状を、外径側にくるように直線化しており、これにより、ｑ軸磁路幅Ｗ１０，Ｗ１１，Ｗ１２を均一化している。このようにして、フラックスバリア３５，３６は、ｑ軸磁路幅を確保するように円弧状の永久磁石４１の円弧の延長線（図３の２点鎖線）に対して外径側に移動させた形状となっている。

特に、内径側壁面３５ａ，３６ａが外径側に移動させた形状のフラックスバリア３５，３６は、径方向に形成された複数層のフラックスバリア３３，３４、３５，３６のうちの最も外径側の層のフラックスバリア３５，３６である。即ち、外径側のフラックスバリアにおけるフラックスバリア３５，３６の内壁のうちの内径側壁面３５ａ，３６ａが外径側に移動させた形状となっている。

図２に示すように、ロータコア３０の外周面でのｄ軸上において軸方向に沿って延びる切欠き（凹部）３７を有する。切欠き（凹部）３７は一極あたり１つ形成され、ｄ軸に対称に設けられている。また、切欠き３７の断面形状は底面が円弧状をなしている。

次に、このように構成した回転電機１０の作用を説明する。
回転電機が駆動される場合は、ステータ１００のコイル１０４に３相の電流が供給されてステータ１００に回転磁界が発生し、ロータ２０に回転磁界が作用する。そして、回転磁界と永久磁石４０，４１との間の磁気的な吸引力および反発力によりロータ２０が回転磁界と同期して回転する。

図２に示す形状において、永久磁石４０，４１の曲率半径Ｒ１を各層で同一とする。また、各層の永久磁石４０，４１の曲率半径Ｒ１，Ｒ２の中心Ｏ１，Ｏ２を、それぞれ、ずらす。これにより、同一曲率半径で多層の永久磁石４０，４１を配置することができる。その結果、永久磁石４０，４１の形状を１種類とすることができる。

このように、多層の永久磁石４０，４１を有する形状において、永久磁石４０，４１の形状が１種類となることでコスト低減を図ることができる。つまり、永久磁石の形状が複数種類となると、永久磁石の金型費が形状分必要となり、非常にコスト増加となる。これに対し本実施形態では、永久磁石を１種類とすることができるため、大幅なコスト低減を図ることができる。

また、図２に示すように、永久磁石挿入孔を除くフラックスバリア３３，３４の内径側壁面３３ａ，３４ａにおいて、磁束密度を飽和させない幅まで磁路の幅を狭くする形状を採用してｄ軸磁路におけるフラックスバリアの幅を広げることにより図４に示すように効果的にｄ軸磁束を妨げることができる。その結果、ｄ軸インダクタンスＬｄが低下し、突極比（Ｌｑ／Ｌｄ）を増加させることができる。このようにして、磁束密度に余裕のある部位の形状工夫により、ｑ軸インダクタンスＬｑの変化を少なくしつつｄ軸インダクタンスＬｄを小さくすることで、突極比（Ｌｑ／Ｌｄ）を増加させ、リラクタンストルクを増加させることができる。

上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）回転電機のロータ２０の構成として、コイル１０４を巻装したステータ１００の内周側に円筒状のロータコア３０の外周面がギャップＧを介して対向するように配置された回転電機１０のロータ２０である。ロータコア３０に、永久磁石４０，４１がｑ軸側端部にフラックスバリア３３，３４、３５，３６を配する状態で径方向において複数層埋め込まれている。複数層において埋め込まれた各永久磁石４０，４１は、円弧状をなし、かつ、同一形状、同一寸法である。よって、各永久磁石４０，４１は、円弧状をなし、かつ、同一形状、同一寸法であるので、永久磁石が１種類となることでコスト低減を図ることができる。

（２）フラックスバリア３３，３４、３５，３６は、ｑ軸磁路幅を確保するように円弧状の永久磁石４０，４１の円弧の延長線（図３において２点鎖線で示す）に対して移動させた形状をなすので、実用的である。

（３）外径側のフラックスバリア３５，３６におけるフラックスバリア３３，３４の内壁のうちの内径側壁面３５ａ，３６ａが外径側に移動させた形状であるので、実用的である。

（４）フラックスバリア３３，３４、３５，３６は、ロータコア３０においてｑ軸磁路に沿って延びており、複数層のフラックスバリア３３，３４、３５，３６のうちの最も内径側の層のフラックスバリア３３，３４は、内壁のうち内径側壁面３３ａ，３４ａがｑ軸磁路に沿った位置より隣の磁極側へ広がって形成されている。つまり、ｑ軸磁路に磁束密度余裕があり、有効にロータコア３０を活用しきれていないことを考慮して、ロータコア３０におけるｑ軸磁路に沿って延びるフラックスバリア３３，３４は、内壁のうち内径側壁面３３ａ，３４ａがｑ軸磁路に沿った位置より隣の磁極側へ広がって形成されている。これにより、ｑ軸インダクタンスＬｑの変化を少なくしつつｄ軸インダクタンスＬｄを小さくすることにより突極比（Ｌｑ／Ｌｄ）を大きくすることができる。

実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
・永久磁石は各層に１枚でなくてもよい。例えば、図６のように内径側の層に２枚の永久磁石４０ａ，４０ｂを配置してもよい。即ち、ロータコア３０に、永久磁石４１がｑ軸側端部にフラックスバリア３５，３６を配する状態で外径側に埋め込まれ、また、永久磁石４０ａがｑ軸側端部にフラックスバリア４２，４３を配する状態で内径側に埋め込まれているとともに永久磁石４０ｂがｑ軸側端部にフラックスバリア４４，４５を配する状態で内径側に埋め込まれている。この場合、各永久磁石４０ａ，４０ｂ，４１は、円弧状をなし、かつ、同一形状、同一寸法である。

・永久磁石挿入孔３１，３２以外のフラックスバリア形状は、永久磁石挿入孔と同一曲率半径でなくてよい。
・フラックスバリアおよび永久磁石は径方向において２層設けたが、３層以上でもよくその層数は問わない。

・極数は４極に限らない。４極より多くても、少なくてもよい。

１０…回転電機、２０…ロータ、３０…ロータコア、３３，３４，３５，３６…フラックスバリア、３３ａ，３４ａ…内径側壁面、３５ａ，３６ａ…内径側壁面、４０，４１…永久磁石、１００…ステータ、１０４…コイル、Ｇ…ギャップ。

Claims (2)

1. コイルを巻装したステータの内周側に円筒状のロータコアの外周面がギャップを介して対向するように配置された回転電機のロータであって、
   前記ロータコアに、永久磁石がｑ軸側端部にフラックスバリアを配する状態で径方向において複数層埋め込まれ、
   複数層において埋め込まれた各永久磁石は、円弧状をなし、かつ、同一形状、同一寸法であり、
   前記フラックスバリアは、ｑ軸磁路幅を確保するように、外径側のフラックスバリアにおける前記フラックスバリアの内壁のうちの内径側壁面が外径側に移動させた形状であることを特徴とする回転電機のロータ。
2. 前記フラックスバリアは、ロータコアにおいてｑ軸磁路に沿って延びており、
   複数層のフラックスバリアのうちの最も内径側の層のフラックスバリアは、内壁のうち内径側壁面がｑ軸磁路に沿った位置より隣の磁極側へ広がって形成されていることを特徴とする請求項１に記載の回転電機のロータ。