JP6189030B2

JP6189030B2 - 永久磁石式回転電機、回転子、及び固定子

Info

Publication number: JP6189030B2
Application number: JP2012240563A
Authority: JP
Inventors: 真琴松下; 則雄高橋; 豊橋場; 大輔三須; 活徳竹内; 寿郎長谷部; 耕二藤原; 康人高橋
Original assignee: Toshiba Corp; Doshisha
Current assignee: Toshiba Corp; Doshisha
Priority date: 2012-10-31
Filing date: 2012-10-31
Publication date: 2017-08-30
Anticipated expiration: 2032-10-31
Also published as: JP2014090638A

Description

本発明の実施形態は、永久磁石式回転電機、回転子、及び固定子に関する。

従来、電車、ハイブリッド自動車、電気自動車向けの回転電機においては、艤装スペースが小さく、限られた空間での高トルク、高出力化の要求がある。この要求を満たす回転電機としては、近年の目覚しい研究開発によって高磁気エネルギー積の永久磁石が開発されたことから、永久磁石式リアクタンス型回転電機（以下、永久磁石式回転電機）が注目されている。

永久磁石式回転電機においては、回転子の磁気変動に起因するコギングトルクがスムーズな回転を妨げる場合がある。また、高エネルギー密度の永久磁石式回転電機では、電磁加振力も増加し、振動、騒音の増加がある。特に電車やハイブリッド自動車向けでは、車室内の静粛性、並びに車外への騒音低減が厳しく求められる。このため、永久磁石式回転電機では、回転子の表面で、且つ磁極中心に対応する位置に溝を配置し、コギングトルクの抑制、振動、騒音の抑制、且つ鉄損の低減を行うものがある。

特開平１１−１６４５０１号公報特開２００４−３２８９５６号公報

しかしながら、上述した従来技術では、回転子の表面に配置された溝によって、高速軽負荷時、または無負荷運転の低磁束密度時においてはコギングトルクを抑制することが可能であるが、高トルク運転（低速高負荷時）の高磁束密度では溝で磁束の流れが阻害されるためトルクが大幅に低下する場合があった。したがって、高速域を含む全領域において、トルクを低下させることなく、コギングトルクを低減させることの両立は困難であった。

上述した課題を解決するために、実施形態の永久磁石式回転電機は、固定子鉄心に電機子巻線を有する固定子と、前記固定子内に回転可能に配置される回転子鉄心に永久磁石を埋設し、前記回転子鉄心の外周に複数の磁極部を有する回転子と、前記回転子鉄心の外周の少なくとも前記磁極部の中心位置の近傍を起点として前記磁極部とその隣り合う磁極部との中心位置に向かう方向の所定区間において所定の厚みで磁気特性を劣化させた磁気劣化部と、を備える。前記磁気劣化部は、前記磁極部の中心位置に近づくほど薄く、前記磁極部間の中心位置に近づくほど厚く形成される。前記磁気劣化部の磁気特性は、０〜１．５Ｔ近傍までの低磁束密度の範囲で、前記回転子鉄心の磁気特性よりも劣化している。

また、実施形態の永久磁石式回転電機は、電機子巻線を収納する固定子スロットに挟まれた固定子ティースを固定子鉄心の内周に有する固定子と、前記固定子内に回転可能に配置される回転子鉄心に永久磁石を埋設し、前記回転子鉄心の外周に複数の磁極部を有する回転子と、前記固定子ティースの前記回転子に面する先端部の全部又は一部において所定の厚みで磁気特性を劣化させた磁気劣化部と、を備える。前記磁気劣化部は、前記先端部の中心位置に近づくほど薄く、前記先端部の両端に近づくほど厚く形成される。前記磁気劣化部の磁気特性は、０〜１．５Ｔ近傍までの低磁束密度の範囲で、前記固定子鉄心の磁気特性よりも劣化している。

また、実施形態の永久磁石式回転電機の回転子は、固定子内に回転可能に配置される回転子鉄心に永久磁石を埋設し、前記回転子鉄心の外周に複数の磁極部を有し、前記回転子鉄心の外周の少なくとも前記磁極部の中心位置の近傍を起点として前記磁極部とその隣り合う磁極部との中心位置に向かう方向の所定区間において所定の厚みで磁気特性を劣化させた磁気劣化部を備える。前記磁気劣化部は、前記磁極部の中心位置に近づくほど薄く、前記磁極部間の中心位置に近づくほど厚く形成される。前記磁気劣化部の磁気特性は、０〜１．５Ｔ近傍までの低磁束密度の範囲で、前記回転子鉄心の磁気特性よりも劣化している。

また、実施形態の永久磁石式回転電機の固定子は、電機子巻線を収納する固定子スロットに挟まれた固定子ティースを固定子鉄心の内周に有し、前記固定子ティースの先端部の全部又は一部において所定の厚みで磁気特性を劣化させた磁気劣化部を備える。前記磁気劣化部は、前記先端部の中心位置に近づくほど薄く、前記先端部の両端に近づくほど厚く形成される。前記磁気劣化部の磁気特性は、０〜１．５Ｔ近傍までの低磁束密度の範囲で、前記固定子鉄心の磁気特性よりも劣化している。

図１は、第１の実施形態にかかる永久磁石式回転電機の回転子径方向断面図である。図２は、図１における拡大領域の拡大図である。図３は、磁気特性の劣化を示すグラフである。図４は、磁気特性の劣化を示すグラフである。図５は、磁気特性の劣化の有無におけるコギングトルクを例示するグラフである。図６は、第２の実施形態にかかる拡大領域の拡大図である。図７は、第２の実施形態の変形例にかかる拡大領域の拡大図である。

以下、添付図面を参照して実施形態にかかる永久磁石式回転電機、回転子、及び固定子を詳細に説明する。なお、本実施形態では極数が８極である場合の永久磁石式回転電機を説明するが、他の極数でも同様に適用できることは言うまでもないことである。また、各実施形態において、同一の構成には同一の符号を付して、重複する説明は省略している。

［第１の実施形態］
図１は、第１の実施形態にかかる永久磁石式回転電機１００の回転子径方向断面図である。図２は、図１における拡大領域Ｒの拡大図である。図１、２に示すように、永久磁石式回転電機１００は、固定子鉄心１１に電機子巻線２０を有する固定子１０と、固定子１０内に回転可能に配置される回転子３０とを備える。固定子鉄心１１は、電磁鋼板を積層（図１に向かった奥行き方向に）した構成である。固定子鉄心１１の内周側には、電機子巻線２０を収容するスロット４０と、スロット４０に挟まれたティース５０とを具備している。

回転子３０は、ティース５０の内周側の先端であるティース先端部５１との間隙（エアギャップ）を介して固定子１０の内側に配置される（図２参照）。回転子３０は、回転軸（図示しない）と回転軸受部３２を介して接合され、回転軸が中心１２０を中心に回転することにより、固定子１０内で回転する。回転子３０は、電磁鋼板を積層（図１に向かった奥行き方向に）した回転子鉄心３１に複数の永久磁石６０を埋設した構成である。

回転子３０の回転子鉄心３１には、中心１２０に対する円周方向に磁化容易方向と磁化困難方向とが交互に形成されている。さらに、回転子３０は、外周面に磁気的な凹凸を形成するために、永久磁石埋め込み穴６１が磁化容易方向に沿って形成され、永久磁石６０が永久磁石埋め込み穴６１に埋め込まれて接着剤などにより固定されている。これにより、回転子３０では、永久磁石６０が磁気的な凸部を複数形成するように回転子鉄心３１内部に配置され、具体的には回転子３０において８極の磁極部８０を構成する。

この回転子３０の外周において、中心１２０から磁極部８０の中心位置を通る方向がｄ軸方向、磁極部８０間の中心位置を通る方向がｑ軸方向となる。なお、図示例では、拡大領域Ｒで拡大した１極分の磁極部８０について、直線１２１を中心１２０からｄ軸方向に沿った直線、直線１２２を中心１２０からｑ軸方向に沿った直線としている。

図２に示すように、回転子鉄心３１の外周には、所定の厚みで磁気特性を劣化させた磁気特性劣化部７０が形成されている。この磁気特性劣化部７０は、回転子鉄心３１の外周から中心１２０の方向、又は回転子鉄心３１の正面方向（図１に向かった奥行き方向）に向けた機械的圧力の印加、局部加熱又はレーザーピーニング等による応力で形成される。なお、機械的圧力を印加して形成する場合は、印加後に略真円となるように予め弾性変形分の形状が考慮されているものとする。また、回転子鉄心３１の正面方向に向けた機械的圧力の印加、局部加熱又はレーザーピーニング等による応力で磁気特性劣化部７０を形成する場合は、回転子鉄心３１の外周面に接することなく、回転子鉄心３１の内部に形成可能である。

具体的には、磁気特性劣化部７０は、磁極部８０の中心位置を通る直線１２１に近づくほど薄く、磁極部８０間の中心位置を通る直線１２２に近づくほど厚く形成される。なお、磁気特性劣化部７０は、回転子鉄心３１の外周の全周にわたって形成されてもよい。回転子鉄心３１の外周の全周にわたって形成される場合も、磁極部８０の中心位置を通る直線１２１に近づくほど薄く、磁極部８０間の中心位置を通る直線１２２に近づくほど厚く形成されることが好ましい。このように、磁気特性劣化部７０を磁極部８０の中心位置を通る直線１２１に近づくほど薄く、磁極部８０間の中心位置を通る直線１２２に近づくほど厚く形成することで、磁気特性劣化部７０によるトルク、出力特性の低下を抑えることができる。

また、図２に示すように、磁気特性劣化部７０は、回転子鉄心３１の外周部分において、約８割程度を覆う部分に形成されてもよい。具体的には、磁気特性劣化部７０において、ｄ軸側の端から中心１２０に向かう直線を直線１２３、ｑ軸側の端から中心１２０に向かう直線を直線１２４とした場合、直線１２１から直線１２２に至る範囲１３０に対し、約８割程度の範囲１３１を覆う部分に形成されてもよい。すなわち、磁気特性劣化部７０は、極弧率が８割程度の外周面に形成されてもよい。なお、磁気特性劣化部７０は、回転子鉄心３１の外周部分において、磁極部８０の中心位置を通る直線１２１を中心に所定幅を除いた範囲に形成されることが好ましい。このように、磁極部８０の中心位置を通る直線１２１を中心に所定幅を除いた範囲に磁気特性劣化部７０を形成することで、磁気特性劣化部７０によるトルク、出力特性の低下を抑えることができる。

ここで、磁気特性劣化部７０の磁気特性について説明する。図３、図４は、磁気特性の劣化を示すグラフである。図５は、磁気特性の劣化の有無におけるコギングトルクを例示するグラフである。

図３、図４において、グラフ曲線Ｇ１は、応力による磁気特性の劣化がない回転子鉄心３１の磁界の強さに対する磁束密度の関係を示している。グラフ曲線Ｇ２は、応力により磁気特性を劣化させた磁気特性劣化部７０の磁界の強さに対する磁束密度の関係を示している。なお、グラフ曲線Ｇ２ａ…Ｇ２ｎは、加える応力を段階的に調整して得られたグラフである。なお、グラフ曲線Ｇ２ａは磁気特性の劣化を最小とし、グラフ曲線Ｇ２ｎは磁気特性の劣化を最大としている。

図３のグラフ曲線Ｇ１、Ｇ２を比較しても明らかなように、磁気特性劣化部７０は、磁界の強さに対する、磁束密度の変化が小さく、低磁束密度の範囲での磁気特性が劣化している。そして、磁界の強さが増すに従って緩やかに磁束密度を増していき、磁束飽和に至る。

より具体的には、図４に示すように、磁気特性劣化部７０では、０〜１．５Ｔ近傍までの低磁束密度の範囲で、回転子鉄心３１の磁気特性よりも劣化している。また、１．７Ｔ程度の磁束飽和以後は、磁気特性を劣化させていない回転子鉄心３１と略同じ磁気特性となっている。

このように、回転子鉄心３１の外周部分において、低磁束密度の範囲、すなわち高速軽負荷時、または無負荷運転時に磁気特性が劣化する磁気特性劣化部７０を有することから、永久磁石式回転電機１００では、図５に示すように、コギングトルク低下の効果を得ることができる。また、高トルク運転（低速高負荷時）の高磁束密度時には、磁気特性劣化部７０の磁気特性が回転子鉄心３１の磁気特性と略同じになることから、トルクの低下を防止できる。

［第２の実施形態］
次に、第２の実施形態について説明する。上述した第１の実施形態では回転子鉄心３１の外周部分に磁気特性を劣化させた磁気特性劣化部７０を形成する構成を例示したが、第２の実施形態では、ティースのティース先端部に磁気特性を劣化させた磁気特性劣化部を形成した点が第１の実施形態と異なる。

図６は、第２の実施形態にかかる拡大領域Ｒの拡大図である。図６に示すように、固定子１０ａのティース５０ａにおいて回転子３０ａに面するティース先端部５１には、所定の厚みで磁気特性を劣化させた磁気特性劣化部５２が形成されている。この磁気特性劣化部５２は、固定子１０ａの内周側から外側に向けた機械的圧力の印加、局部加熱又はレーザーピーニングによる応力で形成される。なお、磁気特性劣化部５２の磁気特性については、磁気特性劣化部７０と同様である。

したがって、低磁束密度の範囲、すなわち高速軽負荷時、または無負荷運転時に磁気特性が劣化する磁気特性劣化部５２をティース５０ａのティース先端部５１に有することから、永久磁石式回転電機１００では、図５に示すように、コギングトルク低下の効果を得ることができる。また、高トルク運転（低速高負荷時）の高磁束密度時には、磁気特性劣化部５２の磁気特性が固定子１０ａの磁気特性と略同じになることから、トルクの低下を防止できる。

図７は、第２の実施形態の変形例にかかる拡大領域Ｒの拡大図である。図７に示すように、固定子１０ｂのティース５０ｂにおいて回転子３０ａに面するティース先端部５１には、ティース先端部５１の中心位置に近づくほど薄く、ティース先端部５１の両端に近づくほど厚く磁気特性劣化部５２ａが形成される。また、図示例に示すように、磁気特性劣化部５２ａは、ティース先端部５１の中心位置を覆わず、ティース先端部５１の両端に形成されることがより好ましい。このように磁気特性劣化部５２ａを形成することで、磁気特性劣化部５２ａによるトルク、出力特性の低下を抑えることができる。上述した第２の実施形態は、第１の実施形態と別に実施してもよいし、第１の実施形態と組み合わせて実施してもよい。

なお、本発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化することができる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成することができる。例えば、実施形態に示される全構成要素からいくつかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせても良い。

１００…永久磁石式回転電機、１０、１０ａ、１０ｂ…固定子、１１…固定子鉄心、２０…電機子巻線、３０、３０ａ…回転子、３１…回転子鉄心、３２…回転軸受部、４０…スロット、５０、５０ａ、５０ｂ…ティース、５１…ティース先端部、５２、５２ａ、７０…磁気特性劣化部、６０…永久磁石、６１…永久磁石埋め込み穴、８０…磁極部、１２０…中心、１２１〜１２４…直線、１３０、１３１…範囲、Ｇ１、Ｇ２、Ｇ２ａ〜Ｇ２ｎ…グラフ曲線、Ｒ…拡大領域

Claims

固定子鉄心に電機子巻線を有する固定子と、
前記固定子内に回転可能に配置される回転子鉄心に永久磁石を埋設し、前記回転子鉄心の外周に複数の磁極部を有する回転子と、
前記回転子鉄心の外周の少なくとも前記磁極部の中心位置の近傍を起点として前記磁極部とその隣り合う磁極部との中心位置に向かう方向の所定区間において所定の厚みで磁気特性を劣化させた磁気劣化部と、
を備え、
前記磁気劣化部は、前記磁極部の中心位置に近づくほど薄く、前記磁極部間の中心位置に近づくほど厚く形成され、
前記磁気劣化部の磁気特性は、０〜１．５Ｔ近傍までの低磁束密度の範囲で、前記回転子鉄心の磁気特性よりも劣化している、永久磁石式回転電機。
前記磁気劣化部は、前記回転子鉄心の外周において前記複数の磁極部の中心位置から所定幅を除いた範囲に形成される、
請求項１に記載の永久磁石式回転電機。
電機子巻線を収納する固定子スロットに挟まれた固定子ティースを固定子鉄心の内周に有する固定子と、
前記固定子内に回転可能に配置される回転子鉄心に永久磁石を埋設し、前記回転子鉄心の外周に複数の磁極部を有する回転子と、
前記固定子ティースの前記回転子に面する先端部の全部又は一部において所定の厚みで磁気特性を劣化させた磁気劣化部と、
を備え、
前記磁気劣化部は、前記先端部の中心位置に近づくほど薄く、前記先端部の両端に近づくほど厚く形成され、
前記磁気劣化部の磁気特性は、０〜１．５Ｔ近傍までの低磁束密度の範囲で、前記固定子鉄心の磁気特性よりも劣化している、永久磁石式回転電機。
前記磁気劣化部は、前記先端部の両端に形成される、
請求項３に記載の永久磁石式回転電機。
前記磁気劣化部は、機械的圧力の印加、局部加熱、レーザーピーニングによる応力で形成される、
請求項１乃至４のいずれか一項に記載の永久磁石式回転電機。
固定子内に回転可能に配置される回転子鉄心に永久磁石を埋設し、前記回転子鉄心の外周に複数の磁極部を有し、前記回転子鉄心の外周の少なくとも前記磁極部の中心位置の近傍を起点として前記磁極部とその隣り合う磁極部との中心位置に向かう方向の所定区間において所定の厚みで磁気特性を劣化させた磁気劣化部を備え、
前記磁気劣化部は、前記磁極部の中心位置に近づくほど薄く、前記磁極部間の中心位置に近づくほど厚く形成され、
前記磁気劣化部の磁気特性は、０〜１．５Ｔ近傍までの低磁束密度の範囲で、前記回転子鉄心の磁気特性よりも劣化している、永久磁石式回転電機の回転子。
電機子巻線を収納する固定子スロットに挟まれた固定子ティースを固定子鉄心の内周に有し、前記固定子ティースの先端部の全部又は一部において所定の厚みで磁気特性を劣化させた磁気劣化部を備え、
前記磁気劣化部は、前記先端部の中心位置に近づくほど薄く、前記先端部の両端に近づくほど厚く形成され、
前記磁気劣化部の磁気特性は、０〜１．５Ｔ近傍までの低磁束密度の範囲で、前記固定子鉄心の磁気特性よりも劣化している、永久磁石式回転電機の固定子。