JP6020629B2 - 回転電機のロータ - Google Patents
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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。
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。
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。
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。
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。
(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。
・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)
- 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。 - 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。
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