JP6137854B2 - 永久磁石式電動機 - Google Patents

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Description

本発明は、永久磁石式電動機に関する。
電動機の一つとして埋込磁石型の永久磁石式電動機がある。埋込磁石型永久磁石式電動機は、回転子の内部に永久磁石を備えている。埋込磁石型永久磁石式電動機は、マグネットトルクとリラクタンストルクとを利用した電動機であり、小型高出力の電動機として広く用いられている。また、永久磁石を回転子内部に埋込む構成であるため、高速回転時の遠心力による磁石飛散が抑制される。
一般に、埋込磁石型永久磁石式電動機においては、回転子と固定子との間のクリアランスであるギャップ部にて永久磁石が形成する磁束の周方向における変化は、矩形波に近い波形となる。この矩形波の磁束のうち、トルクとして利用可能なのは基本波成分のみであり、それ以外の高調波成分はトルクに寄与しない。それどころか、高調波成分はトルクリプルの原因となり、電動機の制御性を悪化させるなど多くの悪影響を及ぼす。このため、ギャップ部にて永久磁石が形成する磁束の周方向における変化は、正弦波に近いことが望まれる。
特許文献1には、複数の磁極の各々と対応させて、少なくとも二つずつのカシメ部を回転子コアに形成することにより、カシメ部の透磁率をその周囲の部分よりも低下させることが記載されている。この場合、磁束はカシメ部を避けて流れようとする。そのため、カシメの位置を適切に設定することにより、磁極の中心部における磁束の大きさが相対的に大きくなり、永久磁石の磁束がより正弦波に近づく。
また、特許文献2には、永久磁石の周方向の両端部に高透磁率部材を設けることによって、この高透磁率部材に渦電流を発生させ、この渦電流によって、ステータ巻線を流れる電流が形成する磁束とは反対向きの磁束を生成する結果、永久磁石の端部に集中する磁束を減衰させて、モータの高効率化を図ることができる旨の記載がある。
特開2011−125163号公報 特開2012−235608号公報
しかしながら、特許文献1のように、カシメ部を形成することによって回転子コアの一部分の透磁率を下げることは、磁気回路全体として見たときの磁気抵抗を増加させることになるため、回転子からギャップ部へと流れる磁束の総量を減少させることに繋がる。このため、特許文献1の技術は、電動機のトルク密度を十分に得るという点において、必ずしも十分とは言えない。
また、特許文献2の技術では、永久磁石の周方向の両端部に高透磁率部材を設けることによって、ステータ巻線を流れる電流が形成する磁束とは反対向きの磁束を生成して、永久磁石の端部に集中する磁束を減衰させる。このため、特許文献2の技術は、電動機のトルク密度を十分に得るという点において、必ずしも十分とは言えない。
本発明は、上記の課題に鑑みなされたものであり、トルク密度が高く、トルクリプルが小さく、より高効率の永久磁石式電動機を提供する。
本発明に係る永久磁石式電動機は、回転子を備えている。この回転子は、回転子コアと、回転子コアの内部に埋め込まれた複数の永久磁石と、d軸方向における透磁率が回転子コアよりも高い高透磁率部と、を有する。複数の永久磁石は、回転子の周方向において複数の磁極を形成している。高透磁率部は、複数の磁極の各々と対応して設けられている。各高透磁率部は、それと対応する磁極を形成する永久磁石よりも回転子の径方向における外側に配置されている。各高透磁率部は、第1直線と第2直線とに挟まれた領域に配置され、且つ、d軸と交わっている。第1直線は、回転子の回転軸に対して直交する断面内において、各高透磁率部と対応する磁極を形成する永久磁石の磁束発生面の、回転子コアの周方向における一端と、回転子の回転中心と、を通る直線である。第2直線は、回転子の回転軸に対して直交する断面内において、各高透磁率部と対応する磁極を形成する永久磁石の磁束発生面の、回転子コアの周方向における他端と、回転子の回転中心と、を通る直線である。
この永久磁石式電動機によれば、d軸方向における透磁率が回転子コアよりも高い高透磁率部が、第1直線と第2直線とに挟まれた領域に配置され、且つ、d軸と交わっている。これにより、永久磁石からの磁束を磁極の中央部に集めることができる。その結果、ギャップ部にて永久磁石が形成する磁束の周方向における変化をより正弦波に近づけることができる。
なお、回転子コアにカシメ部を形成するのではなく、回転子コアに高透磁率部を設けるため、回転子からギャップ部へと流れる磁束の総量を減少させることなく、永久磁石の磁束を正弦波に近づけることができる。よって、永久磁石の磁束を有効に利用することができるので、より高効率の永久磁石式電動機を実現することができる。
本発明によれば、トルク密度が高く、トルクリプルが小さく、より高効率の永久磁石式電動機が得られる。
第1の実施形態に係る永久磁石式電動機の断面図である。 第1の実施形態に係る永久磁石式電動機の回転子の断面図である。 図2のA−A線に沿った断面図である。 第1の実施形態に係る永久磁石式電動機の回転子における磁束の流れを示す断面図である。 ギャップ部にて永久磁石が形成する磁束の周方向における変化曲線を示す図である。 第3の実施形態に係る永久磁石式電動機の回転子の断面図である。 第4の実施形態に係る永久磁石式電動機の回転子の断面図である。
以下、本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。なお、すべての図面において、同様の構成要素には同一の符号を付し、適宜に説明を省略する。
〔第1の実施形態〕
図1は第1の実施形態に係る永久磁石式電動機100の断面図である。図2は永久磁石式電動機100の回転子1の断面図であり、回転軸に対して直交する断面を示している。
本実施形態に係る永久磁石式電動機100は、回転子1を備えている。この回転子1は、回転子コア2と、回転子コア2の内部に埋め込まれた複数の永久磁石3と、d軸方向における透磁率が回転子コア2よりも高い高透磁率部6と、を有する。複数の永久磁石3は、回転子1の周方向において複数の磁極を形成している。高透磁率部6は、複数の磁極の各々と対応して設けられている。各高透磁率部6は、それと対応する磁極を形成する永久磁石3よりも回転子1の径方向における外側に配置されている。各高透磁率部6は、第1直線7と第2直線8とに挟まれた領域に配置され、且つ、d軸10と交わっている。第1直線7は、回転子1の回転軸に対して直交する断面内において、各高透磁率部6と対応する磁極を形成する永久磁石3の磁束発生面16の、回転子コア2の周方向における一端16aと、回転子1の回転中心と、を通る直線である。第2直線8は、回転子1の回転軸に対して直交する断面内において、各高透磁率部6と対応する磁極を形成する永久磁石3の磁束発生面16の、回転子コア2の周方向における他端16bと、回転子1の回転中心と、を通る直線である。
永久磁石式電動機100は、このような高透磁率部6を有するので、永久磁石3によってギャップ部5に形成される磁束を磁極の中心に集めることができる。よって、永久磁石3によってギャップ部5に形成される磁束の、回転子1の周方向における変化曲線を、正弦波に近づけることができる。その結果、永久磁石式電動機100のトルク密度の向上と、トルクリプルの低減とを実現することができる。ここで、ギャップ部5とは、回転子1の外周面と、後述する固定子12の内周面との間の隙間(クリアランス)である。また、ここで、磁極の中心とは、ギャップ部5において、d軸10と交差する部分である。なお、以下においては、永久磁石3によってギャップ部5に形成される磁束の、回転子1の周方向における変化曲線を、正弦波に近づけることを、単に、磁石の磁束を正弦波に近づける、という。
永久磁石式電動機100は、ファン用、ポンプ用、EV(電気自動車)用などが挙げられるが、その他の用途のものであっても良い。
永久磁石式電動機100は、固定子12と、固定子12内に配置された回転子1と、を備えている。
固定子12は、円筒状のヨーク12aと、ヨーク12aの内周面から径方向内側に突出した複数のティース12bと、ティース12bに巻回された巻線13と、を有している。なお、巻線13は、集中巻きであっても良いし、分布巻きであっても良い。
回転子1は円柱状に形成されている。回転子1は、その回転軸周りに回転可能な状態で、固定子12内に保持されている。回転子1は、当該回転子1の円柱形状の中心軸に沿って配置されたシャフト4を有している。シャフト4の軸中心が回転子1の回転軸である。
上記のように、回転子1の回転子コア2には、複数の永久磁石3が埋め込まれている。本実施形態の場合、永久磁石3は、いわゆるV字型と呼ばれる配置となっている。この場合、回転子1の回転軸に対して直交する断面内においてV字状に配置された一対の永久磁石3によって、1つの磁極が形成されている。なお、永久磁石3の配置がV字型の場合、後述する一文字型の場合と比べて、磁石の磁束が磁極の中心に集まるため、一文字型の場合と比べて、磁石の磁束が正弦波に近づく。
具体的には、例えば、回転子コア2には、回転子1の回転軸に対して直交する断面内における8箇所に、それぞれ永久磁石3が埋め込まれている。このうち、回転子1の周方向において隣り合う2つずつの永久磁石3が、回転子1の回転軸側に向けて凸なV字状に配置されている。この隣り合う2つずつの永久磁石3によって、それぞれ磁極が形成されている。よって、回転子1は、例えば、4つの磁極を有している。ただし、回転子1が有する磁極の数は、4以外の偶数であっても良い。また、1つの磁極を形成する永久磁石3の配置はV字に限らない。また、1つの磁極を形成する永久磁石3の数は2つに限らない。
上記のように、永久磁石式電動機100は、複数の磁極の各々と対応して設けられた高透磁率部6を備えている。高透磁率部6は、それと対応する磁極を形成する一対の永久磁石3よりも、回転子1の径方向における外側に配置されている。
更に、高透磁率部6は、それと対応する磁極を形成する一対の永久磁石3のカバー角αの範囲内に配置されている。なお、カバー角αの範囲内に、永久磁石式電動機100のd軸10が位置している。カバー角αは、第1直線7と第2直線8とのなす角度である。
第1直線7は、回転子1の回転軸に対して直交する断面内において、高透磁率部6と対応する磁極を形成する永久磁石3の磁束発生面16の一端16aと、回転子1の回転中心(シャフト4の中心)と、を通る直線である。また、第2直線8は、回転子1の回転軸に対して直交する断面内において、高透磁率部6と対応する磁極を形成する永久磁石3の磁束発生面16の他端16bと、回転子1の回転中心(シャフト4の中心)と、を通る直線である。ここで、本実施形態のように、複数(例えば2つ)の永久磁石3により1つの磁極が形成されている場合、この複数の永久磁石3の磁束発生面を一連の磁束発生面16とみなす。そして、この一連の磁束発生面16の、回転子1の周方向における一端および他端が、それぞれ一端16aおよび他端16bである。
このように高透磁率部6がカバー角αの範囲内に配置されていることにより、磁石の磁束が磁極の中心部に集められる。
なお、高透磁率部6は、1つの磁極に対して1箇所に配置されていても良いし、1つの磁極に対して複数箇所に配置されていても良い。高透磁率部6を1つの磁極に対して複数箇所に配置する際に、複数箇所の高透磁率部6のグレードを統一しても良いし、統一しなくても良い。また、高透磁率部6は、永久磁石3から離間していても良いし、永久磁石3に対して直接接していても良い。
高透磁率部6は、回転子1の回転軸に対して直交する断面内において、d軸10を対称軸とする線対称形に形成されていることが好ましい。高透磁率部6がd軸10を対称軸とする線対称形であることにより、永久磁石3の磁束がd軸10に対して非対称となることを抑制でき、磁石の磁束を正弦波により近づけることができる。すなわち、磁石の磁束をd軸10に対してより対称な正弦波に近づけることができる。
高透磁率部6は、例えば、方向性電磁鋼からなる。方向性電磁鋼からなる高透磁率部6は、d軸方向における透磁率が高くなるように作製及び配置される。高透磁率部6を方向性電磁鋼により構成することによって、d軸方向の透磁率を選択的に高めることができる。
より具体的には、高透磁率部6を構成する方向性電磁鋼は、例えば、方向性電磁鋼板である。方向性電磁鋼板は無方向性電磁鋼板よりも圧延方向の透磁率が高いため、永久磁石3の磁束を集めるために有効な材料である。ただし、方向性電磁鋼板の圧延方向に対して直交する方向の透磁率は極端に低い。このため、方向性電磁鋼板の圧延方向が永久磁石式電動機100のd軸方向に沿うように、高透磁率部6が配置される。より好ましくは、高透磁率部6を構成する方向性電磁鋼板の圧延方向がd軸方向と平行になるように、高透磁率部6が配置される。
一方、回転子コア2は、例えば、無方向性電磁鋼からなる。回転子コア2においては、磁束は様々な方向に流れるため、回転子コア2の材料としては、磁気特性の異方性が少ない無方向性の電磁鋼が用いられる。より具体的には、回転子コア2を構成する無方向性電磁鋼は、例えば、無方向性電磁鋼板からなる。
図3は図2のA−A線に沿った断面図である。
図3に示すように、回転子コア2は、例えば、複数枚の無方向性電磁鋼板15を積層することにより構成されている。各層の無方向性電磁鋼板15の表面には、それぞれ絶縁性のコーティングが施されている。コーティングの材料は、無機系材料と有機系材料の何れでも良い。これら無方向性電磁鋼板15は、例えば、プレス打ち抜き加工などに形成されたものである。
また、高透磁率部6は、例えば、複数枚の方向性電磁鋼板14を積層することにより構成されている。各層の方向性電磁鋼板14の表面には、それぞれ絶縁性のコーティングが施されている。コーティングの材料は、無機系材料と有機系材料の何れでも良い。これら方向性電磁鋼板14は、例えば、プレス打ち抜き加工などに形成されたものである。無方向性電磁鋼板15には、該無方向性電磁鋼板15を表裏に貫通する孔部15aが形成されている。高透磁率部6を構成する方向性電磁鋼板14は、無方向性電磁鋼板15の孔部15a内に嵌め込まれて、無方向性電磁鋼板15に固定されている。
ここで、無方向性電磁鋼板15の厚みと、方向性電磁鋼板14の厚みとは、互いに同じであっても良いし、互いに異なっていても良い。図3には、方向性電磁鋼板14の方が、無方向性電磁鋼板15よりも薄い例を示している。
また、無方向性電磁鋼板15には、該無方向性電磁鋼板15を表裏に貫通する孔部15bが形成されている。永久磁石3は、無方向性電磁鋼板15の孔部15b内に差し込まれて、無方向性電磁鋼板15に固定されている。なお、回転子コア2の軸方向における両端間に亘って一体の永久磁石3が差し込まれていても良いし、永久磁石3が回転子コア2の軸方向において複数の部分に分割されていても良い。
なお、回転子コア2には、高透磁率部6を嵌め込むための空隙(孔部15a)と永久磁石3を差し込むための空隙(孔部15b)の他にも、空隙(例えば、回転子1の軽量化のための空隙など)が形成されていても良い。
図4は回転子1における磁束の流れを示す断面図である。図4に示す矢印が磁束の流れを示している。図5はギャップ部5にて永久磁石3が形成する磁束の、回転子1の周方向における変化曲線を示す図である。図5の横軸は、ギャップ部5内において、回転子1の周方向における位置を示し、図5の縦軸は、磁束の密度を示す。図5に示す曲線L1は、本実施形態の場合の変化曲線、すなわち高透磁率部6が存在する場合の変化曲線である。一方、曲線L2は、比較例の場合の変化曲線である。比較例の構成(図示略)では、回転子1が高透磁率部6を有しておらず、実施形態において高透磁率部6が配置されている領域も、回転子コア2と同じ材料により埋められている。
上記のようにd軸10の方向における透磁率が回転子コア2よりも高い高透磁率部6が、上記のような配置で回転子コア2内に埋め込まれていることにより、図4に示すように、永久磁石3が発生する磁束を磁極の中心に集めることができる。これにより、図5に示すように、ギャップ部5にて永久磁石3が形成する磁束の回転子1の周方向における変化曲線を、矩形波に近い形(曲線L2)から、正弦波に近い形(曲線L1)に改善することができる。その結果、永久磁石式電動機100のトルク密度の向上と、永久磁石式電動機100のトルクリプルの低減と、を実現することができる。
更に、高透磁率部6がd軸10と交わるように配置されている。換言すれば、高透磁率部6を配置する部分は、d軸10の一部分を必ず含んでいる。これにより、磁石の磁束をより磁極の中心部に集めることができる。
以上のような第1の実施形態によれば、永久磁石3が回転子コア2に埋め込まれた構造の永久磁石式電動機100において、以下に説明するように、特性を向上させることができる。
すなわち、d軸方向における透磁率が回転子コア2よりも高い高透磁率部6が、回転子1の回転軸に対して直交する断面内において、永久磁石3よりも径方向外側、且つ、第1直線7と第2直線8とに挟まれた領域に配置され、且つ、d軸10と交わっている。これにより、永久磁石3からの磁束を磁極の中央部に集めることができる。その結果、ギャップ部5にて永久磁石3が形成する磁束の周方向における変化をより正弦波に近づけることができる。
また、回転子コア2にカシメ部を形成するのではなく、回転子コア2に高透磁率部6を設けるため、回転子1からギャップ部5へと流れる磁束の総量を減少させることなく、磁石の磁束を正弦波に近づけることができる。よって、永久磁石3の磁束を有効に利用することができるので、より高効率の永久磁石式電動機100を実現することができる。
なお、カシメ部の形状および配置を任意に変更するよりも、高透磁率部6の形状及び配置を任意に変更する方が容易である。このため、永久磁石式電動機100においては、永久磁石3の配置などの様々な特性に応じて、高透磁率部6の形状及び配置を容易に変更し、磁石の磁束を正弦波に近づけることができるという利点もある。
〔第2の実施形態〕
方向性電磁鋼板からなる高透磁率部6をプレス打ち抜き加工などにより形成する場合、高透磁率部6には残留応力が発生するので、方向性電磁鋼板の透磁率が低下し、磁束を集める能力が低下してしまう可能性がある。特に、高透磁率部6が小さな部品である場合ほど、その懸念が高まる。そこで、本実施形態では、方向性電磁鋼板からなる高透磁率部6として、プレス打ち抜き可能などの加工工程後に焼鈍を施したものを用いる。方向性電磁鋼板は、焼鈍することによって、磁気特性(透磁率)が回復する。これにより、方向性電磁鋼板からなる高透磁率部6は、磁束を集める効果を十分に発揮することができる。その結果、磁石の磁束をより正弦波に近づけることが可能となる。ここで、方向性電磁鋼板の焼鈍は、例えば、窒素雰囲気中にて700℃で2時間程度行う。なお、方向性電磁鋼板の焼鈍は、プレス打ち抜き加工などの加工工程後に限らず、当該加工工程の前に施されていても良い。
第2の実施形態によれば、高透磁率部6を構成する方向性電磁鋼が焼鈍されているので、高透磁率部6を構成する方向性電磁鋼の透磁率を十分なものとすることができ、高透磁率部6により好適に磁束を集めることができる。
〔第3の実施形態〕
図6は第3の実施形態に係る永久磁石式電動機(全体図示略)の回転子1の断面図であり、回転軸に対して直交する断面を示している。
本実施形態に係る永久磁石式電動機は、高透磁率部6の構成が以下に説明する点で上記の第1の実施形態に係る永久磁石式電動機100と相違し、その他の点では、第1の実施形態に係る永久磁石式電動機100と同様に構成されている。
本実施形態の場合、回転子1の径方向における高透磁率部6の寸法は、d軸10に近づくにつれて大きくなっている。これにより、回転子1における永久磁石3よりも外側の領域の透磁率は、d軸10に近い部分ほど大きくなる。よって、永久磁石3から発生する磁束の集中の度合いを、d軸10に近づくにつれて次第に高めることができる。これにより、磁石の磁束をより正弦波に近づけることができる。
〔第4の実施形態〕
図7は第4の実施形態に係る永久磁石式電動機(全体図示略)の回転子1の断面図であり、回転軸に対して直交する断面を示している。
本実施形態に係る永久磁石式電動機は、回転子1の構成が以下に説明する点で上記の第1の実施形態に係る永久磁石式電動機100と相違し、その他の点では、第1の実施形態に係る永久磁石式電動機100と同様に構成されている。
本実施形態の場合、永久磁石3は、回転子1の回転軸に対して直交する断面内において直線状に延在している。すなわち、永久磁石3は、いわゆる一文字型と呼ばれる配置となっている。永久磁石3が延在する方向は、d軸10に対して直交する方向である。このため、永久磁石3はd軸10に対して平行な方向に磁束を発生させる。回転子1は、1つの磁極あたり1個の永久磁石3を備えている。
なお、図7では、高透磁率部6が永久磁石3に対して接触している例を示しているが、上記の第1の実施形態と同様に、高透磁率部6と永久磁石3とが相互に離間していても良い。
以上のような第4の実施形態によっても、上記の第1の実施形態と同様の効果が得られる。
なお、上記においては、一の磁極を形成する永久磁石3がV字状に配置されている例と、直線状に配置されている例とを説明したが、一の磁極を形成する永久磁石3の配置は、他の配置となっていても良い。
1 回転子
2 回転子コア
3 永久磁石
4 シャフト
5 ギャップ部
6 高透磁率部
7 第1直線
8 第2直線
9 磁束
10 d軸
11 q軸
12 固定子
13 巻線
14 方向性電磁鋼板
15 無方向性電磁鋼板
16 磁束発生面
16a 一端
16b 他端
100 永久磁石式電動機
α 永久磁石のカバー角

Claims (7)

  1. 回転子コアと、回転子コアの内部に埋め込まれた複数の永久磁石と、d軸方向における透磁率が前記回転子コアよりも高い高透磁率部と、を有する回転子を備え、
    前記複数の永久磁石は、前記回転子の周方向において複数の磁極を形成しており、
    前記高透磁率部は、前記複数の磁極の各々と対応して設けられ、
    各高透磁率部は、当該高透磁率部と対応する磁極を形成する前記永久磁石よりも前記回転子の径方向における外側に配置されているとともに、前記回転子の回転軸に対して直交する断面内において、当該永久磁石の磁束発生面の前記周方向における一端と前記回転子の回転中心とを通る第1直線と、当該磁束発生面の前記周方向における他端と前記回転中心とを通る第2直線と、に挟まれた領域に配置され、且つ、d軸と交わっており、
    前記断面内において、前記高透磁率部の長さは、前記d軸方向に直交する方向において、前記永久磁石の前記磁束発生面の前記一端と前記永久磁石の前記磁束発生面の前記他端の間の距離よりも短く、
    前記高透磁率部は、方向性電磁鋼からなり、
    前記方向性電磁鋼は、方向性電磁鋼板であり、当該方向性電磁鋼板の圧延方向が前記d軸に沿っている永久磁石式電動機。
  2. 前記方向性電磁鋼は、焼鈍されている請求項に記載の永久磁石式電動機。
  3. 前記高透磁率部は、前記断面内において、前記d軸を対称軸とする線対称形である請求項1又は2に記載の永久磁石式電動機。
  4. 前記回転子コアは無方向性電磁鋼からなる請求項1から3までの何れか一項に記載の永久磁石式電動機。
  5. 前記無方向性電磁鋼は、無方向性電磁鋼板である請求項に記載の永久磁石式電動機。
  6. 前記回転子の径方向における前記高透磁率部の寸法は、前記d軸に近づくにつれて大きくなっている請求項1から5までの何れか一項に記載の永久磁石式電動機。
  7. 回転子コアと、回転子コアの内部に埋め込まれた複数の永久磁石と、d軸方向における透磁率が前記回転子コアよりも高い高透磁率部と、を有する回転子を備え、
    前記複数の永久磁石は、前記回転子の周方向において複数の磁極を形成しており、
    前記高透磁率部は、前記複数の磁極の各々と対応して設けられ、
    各高透磁率部は、当該高透磁率部と対応する磁極を形成する前記永久磁石よりも前記回転子の径方向における外側に配置されているとともに、前記回転子の回転軸に対して直交する断面内において、当該永久磁石の磁束発生面の前記周方向における一端と前記回転子の回転中心とを通る第1直線と、当該磁束発生面の前記周方向における他端と前記回転中心とを通る第2直線と、に挟まれた領域に配置され、且つ、d軸と交わっており、
    前記断面内において、前記高透磁率部の長さは、前記d軸方向に直交する方向において、前記永久磁石の前記磁束発生面の前記一端と前記永久磁石の前記磁束発生面の前記他端の間の距離よりも短く、
    前記断面内において、前記高透磁率部は、前記d軸方向に直交する方向に伸びている永久磁石式電動機。
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