JP6299173B2

JP6299173B2 - 永久磁石埋込型回転電機

Info

Publication number: JP6299173B2
Application number: JP2013239174A
Authority: JP
Inventors: 智宏佐藤
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; Aisin Corp
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 2013-11-19
Filing date: 2013-11-19
Publication date: 2018-03-28
Anticipated expiration: 2033-11-19
Also published as: JP2015100208A

Description

本発明は、永久磁石がロータコアに埋設されている永久磁石埋込型回転電機に関する。

リラクタンスモータの一例として、特許文献１に記載の発明が挙げられる。特許文献１に記載のリラクタンスモータは、所定の等値線に沿って磁気障壁層が回転子に形成されている。特許文献１に記載の発明は、回転子に所定の磁気障壁層を設けることによって、突極比を大きくしてリラクタンストルクを増大させている。

特開２００４−９６９０９号公報

しかしながら、特許文献１に記載の発明では、分布巻方式の回転電機を前提としており、集中巻き方式の回転電機に適用することは困難である。例えば、集中巻き方式は、分布巻方式と比べて、ロータコアを通る磁束がロータの回転位置によって大きく変動する。そのため、特許文献１に記載の発明を集中巻き方式の永久磁石埋込型回転電機に適用すると、ロータの回転位置によってはｑ軸方向の磁気抵抗が大きくなる。また、磁束の変動によりｄ軸方向の磁束経路が増加して、ｄ軸方向の磁気抵抗が低下する状態も生じる。その結果、突極比が低下して、リラクタンストルクも低下する。

本発明は、このような事情に鑑みて為されたものであり、突極比を大きくしてリラクタンストルクを増大することが可能な集中巻き方式の永久磁石埋込型回転電機を提供することを課題とする。

請求項１に記載の永久磁石埋込型回転電機は、コイル導体が集中巻き方式で巻装されているステータと、前記ステータに対して回転可能に支持され、電磁鋼板が回転軸方向に複数枚積層されて円柱状に形成されているロータコアを備え、所定磁極分の複数の永久磁石が前記ロータコアの各磁石収容部にそれぞれ埋設されているロータと、を備える永久磁石埋込型回転電機であって、前記ロータコアの一部であって前記磁石収容部の径方向外周側に位置する部分をｄ軸側コア表面部とするとき、前記ｄ軸側コア表面部の周方向両端部には、当該端部を通過する磁束を飽和させるフラックスバリアを有し、前記ｄ軸側コア表面部の径方向厚みは、前記フラックスバリアの径方向厚みと比べて肉厚に形成されており、前記磁石収容部の径方向外周側側面および前記永久磁石の径方向外周側側面のうちの少なくとも前記磁石収容部の径方向外周側側面は、前記磁石収容部の径方向内周側側面と比べて径方向外方に膨らんだ状態に形成されており、前記ロータの回転軸方向視において前記磁石収容部の径方向外周側側面によって形成される二次曲線をコア表面部曲線とするとき、前記コア表面部曲線は、前記二次曲線がｄ軸に対して対称な円であり、曲率半径を算出する円の中心と前記ロータの回転軸とは、ｄ軸上に配されており、前記コア表面部曲線のｄ軸上における前記曲率半径は、前記ロータコアの外径と比べて大きく設定されている。

請求項１に記載の永久磁石埋込型回転電機によれば、ｄ軸側コア表面部の径方向厚みは、フラックスバリアの径方向厚みと比べて肉厚に形成されている。そのため、請求項１に記載の永久磁石埋込型回転電機は、フラックスバリアを通過する漏れ磁束を低減することができ、ｄ軸方向の磁気抵抗を増加することができる。また、集中巻き方式によりｄ軸方向の磁束変動が大きい場合であっても、フラックスバリア以外のｄ軸側コア表面部の磁気飽和を抑制することができる。

さらに、磁石収容部の径方向外周側側面および永久磁石の径方向外周側側面のうちの少なくとも磁石収容部の径方向外周側側面は、磁石収容部の径方向内周側側面と比べて径方向外方に膨らんだ状態に形成されている。そのため、ロータの回転軸方向視において、ｄ軸側コア表面部の面積を低減することができ、磁石収容部が上記形状に形成されていない場合と比べて、ｄ軸方向の磁気抵抗を増加することができる。これらにより、請求項１に記載の永久磁石埋込型回転電機は、突極比を大きくしてリラクタンストルクを増大することができる。
また、ロータは、電磁鋼板が回転軸方向に複数枚積層されて円柱状に形成されているロータコアを備える。コア表面部曲線は、二次曲線がｄ軸に対して対称な円であり、曲率半径を算出する円の中心とロータの回転軸とは、ｄ軸上に配されており、コア表面部曲線のｄ軸上における曲率半径は、ロータコアの外径と比べて大きく設定されている。そのため、請求項１に記載の永久磁石埋込型回転電機は、磁束分布を均一にすることができ、磁束の不均一による漏れ磁束の増加を抑制することができ、ｄ軸方向の磁気抵抗の低下を抑制することができる。また、請求項１に記載の永久磁石埋込型回転電機は、コア表面部曲線の曲率半径とロータコアの外径とを用いて、ｄ軸側コア表面部の形状を規定することができ、ロータの製作が容易である。

請求項２に記載の永久磁石埋込型回転電機は、請求項１に記載の永久磁石埋込型回転電機において、前記磁石収容部の周方向両端部には、前記永久磁石が前記磁石収容部に埋め込まれたときに、当該永久磁石の周方向側面と前記ロータコアとの間に空隙を形成する空隙形成部が設けられている。そのため、請求項２に記載の永久磁石埋込型回転電機は、空隙形成部を有しない場合と比べて、磁極間の磁気抵抗を増加させることができ、ｄ軸方向の磁気抵抗を増加することができる。

請求項３に記載の永久磁石埋込型回転電機は、前記ロータの回転軸方向視において、前記永久磁石の周方向側面は、当該永久磁石の径方向内周側側面に対して周方向外方に機械角で９０°以上、かつ、前記永久磁石の周方向側面が当該永久磁石と周方向に隣接する前記永久磁石の周方向側面と平行になる角度以下に設定されている請求項１または２に記載の永久磁石埋込型回転電機である。

請求項３に記載の永久磁石埋込型回転電機は、永久磁石の径方向内周側側面に対する周方向側面の角度が上記角度に設定されているので、当該角度が機械角で９０°より小さい場合と比べて、マグネットトルクを増大することができる。つまり、請求項３に記載の永久磁石埋込型回転電機は、リラクタンストルクを増大することができるとともに、マグネットトルクをも増大することができる。また、請求項３に記載の永久磁石埋込型回転電機は、永久磁石の径方向内周側側面に対する周方向側面の角度が上記角度に設定されているので、磁極間の距離を適切に確保することができ、磁極間の磁気的な短絡を防止することができる。

ロータ３の回転軸ＡＸ２と垂直な方向に永久磁石埋込型回転電機１を切断した断面図である。図１のロータ３の一部を拡大した部分拡大図である。図２の磁石収容部３２の拡大図である。図２の永久磁石３６の拡大図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図は概念図であり、細部構造の寸法まで規定するものではない。

図１は、ロータ３の回転軸ＡＸ２と垂直な方向に永久磁石埋込型回転電機１を切断した断面図である。同図に示すように、本実施形態の永久磁石埋込型回転電機１は、ステータ２およびロータ３を備えており、ロータ３は、回転軸ＡＸ２を軸心にして、ステータ２に対して回転可能に支持されている。なお、本実施形態では、８極１２スロットの永久磁石埋込型回転電機１を例に説明するが、極数およびスロット数は、これに限定されるものではない。

ステータ２は、ステータコア２１を有しており、コイル導体２２が集中巻き方式で巻装されている。ステータコア２１は、薄板状の電磁鋼板がステータ２の軸心（ロータ３の回転軸ＡＸ２と同軸）方向に、複数枚積層されて形成されている。電磁鋼板は、例えば、ケイ素鋼板を用いることができる。ステータコア２１は、ステータ２の周方向（矢印ＡＣ１方向）に延在するヨーク部２１１と、ヨーク部２１１からステータ２の軸芯（ロータ３の回転軸ＡＸ２と同軸）方向に突出する１２個のティース部２１２とを有している。

ティース部２１２、２１２の間には、コイル導体２２を収容可能にスロット２１３が形成されており、コイル導体２２は、集中巻き方式でスロット２１３に収容されている。具体的には、スロット２１３は、Ｕ相のコイル導体２２が巻装されたスロット２１３と、Ｖ相のコイル導体２２が巻装されたスロット２１３と、Ｗ相のコイル導体２２が巻装されたスロット２１３とを有しており、この順にステータ２の周方向（矢印ＡＣ１方向）に配されている。３相のコイル導体２２の接続方法は、例えば、Ｙ結線やΔ結線にすることができる。コイル導体２２には、交流電圧が印加され、これにより、ステータ２に回転磁界が発生する。なお、ティース部２１２の先端部は、ステータ２の周方向（矢印ＡＣ１方向）に幅広になっており、ロータ３と対向している。

コイル導体２２は、導体表面がエナメルなどの絶縁層で被覆されている。コイル導体２２の断面形状は、特に限定されるものではなく、任意の断面形状とすることができる。例えば、コイル導体２２は、断面円形状の丸線、断面多角形状の角線などの種々の断面形状の導体を用いることができる。また、複数のより細い導体素線を組み合わせた並列細線を用いることもできる。並列細線を用いる場合、単線の場合と比べてコイル導体２２に発生する渦電流損を低減させることができ、永久磁石埋込型回転電機１の効率が向上する。また、成形に要する力を小さくすることができるので、成形性が向上して製作が容易になる。

ロータ３は、所定磁極分の複数の永久磁石３６（本実施形態では８極であり、８個の永久磁石３６）がロータコア３１の各磁石収容部３２にそれぞれ埋設されている。ロータコア３１は、薄板状の電磁鋼板がロータ３の回転軸ＡＸ２方向に、複数枚積層されて円柱状に形成されている。ステータコア２１と同様に、電磁鋼板は、例えば、ケイ素鋼板を用いることができる。ロータコア３１の内周側には、シャフト３Ｓが嵌合されており、シャフト３Ｓは、筺体に設けられる軸受によって回転可能に支持されている。これにより、ロータ３は、回転軸ＡＸ２を軸心にして、ステータ２に対して回転可能になっている。

ロータコア３１には、周方向（矢印ＡＣ１方向）に所定ピッチで所定磁極分の磁石収容部３２が形成されている。本実施形態の永久磁石埋込型回転電機１は、８極１２スロットであり、８個の磁石収容部３２が機械角で４５°毎に設けられている。各磁石収容部３２は、ロータ３の回転軸ＡＸ２方向に貫通しており、永久磁石３６が埋設されている。

図２は、図１のロータ３の一部を拡大した部分拡大図である。図３は、図２の磁石収容部３２の拡大図である。ｄ軸（矢印ＡＤ１）は、磁極による磁束方向を示し、ｑ軸（矢印ＡＱ１）は、ｄ軸（矢印ＡＤ１）と電気的に直交（電気角で９０°）する軸を示している。図２および図３に示すように、磁石収容部３２の径方向外周側側面３２１は、磁石収容部３２の径方向内周側側面３２２と比べて、径方向外方（矢印ＡＲ１１方向）に膨らんだ状態に形成されている。

また、図２に示すように、ｄ軸側コア表面部３３の周方向（矢印ＡＣ１方向）両端部には、フラックスバリア３４、３４を有している。ｄ軸側コア表面部３３とは、ロータコア３１の一部であって磁石収容部３２の径方向外周側（矢印ＡＲ１１方向側）に位置する部分をいう。フラックスバリア３４は、当該端部を通過する磁束を飽和させて、漏れ磁束を低減することができる。

本実施形態では、ｄ軸側コア表面部３３の径方向厚みｔ１は、フラックスバリア３４の径方向厚みｔ２と比べて肉厚に形成されている。そのため、本実施形態の永久磁石埋込型回転電機１は、フラックスバリア３４を通過する漏れ磁束を低減することができ、ｄ軸方向の磁気抵抗を増加することができる。また、集中巻き方式によりｄ軸方向の磁束変動が大きい場合であっても、フラックスバリア３４以外のｄ軸側コア表面部３３の磁気飽和を抑制することができる。

さらに、磁石収容部３２の径方向外周側側面３２１は、磁石収容部３２の径方向内周側側面３２２と比べて、径方向外方（矢印ＡＲ１１方向）に膨らんだ状態に形成されている。そのため、ロータ３の回転軸ＡＸ２方向視において、ｄ軸側コア表面部３３の面積を低減することができ、磁石収容部３２が上記形状に形成されていない場合と比べて、ｄ軸方向の磁気抵抗を増加することができる。

突極比ＳＰは、下記数１で表すことができ、リラクタンストルクＲＴは、下記数２で表すことができる。ここで、数式における変数は、ｄ軸インダクタンスＬｄ、ｑ軸インダクタンスＬｑ、ｄ軸磁気抵抗Ｒｄ、ｑ軸磁気抵抗Ｒｑ、極対数Ｐｐ、ｄ軸電流Ｉｄおよびｑ軸電流Ｉｑとする。本実施形態の永久磁石埋込型回転電機１は、磁石収容部３２およびｄ軸側コア表面部３３が上記形状に形成されているので、ｑ軸方向の磁気抵抗と比べて、ｄ軸方向の磁気抵抗を増加することができ、突極比を大きくしてリラクタンストルクを増大することができる。
（数１）
ＳＰ＝Ｌｑ／Ｌｄ＝Ｒｄ／Ｒｑ
（数２）
ＲＴ＝Ｐｐ×（Ｌｄ−Ｌｑ）×Ｉｄ×Ｉｑ

また、磁石収容部３２の周方向（矢印ＡＣ１方向）両端部には、空隙形成部３５、３５が設けられていると好適である。空隙形成部３５は、永久磁石３６が磁石収容部３２に埋め込まれたときに、当該永久磁石３６の周方向側面３６３とロータコア３１との間に空隙Ｇ１を形成する。これにより、本実施形態の永久磁石埋込型回転電機１は、空隙形成部３５を有しない場合と比べて、磁極間の磁気抵抗を増加させることができ、ｄ軸方向の磁気抵抗を増加することができる。

さらに、図２に示すように、コア表面部曲線Ｌ１のｄ軸（矢印ＡＤ１）上における曲率半径Ｒ１は、ロータコア３１の外径Ｒ２と比べて大きく設定されている。コア表面部曲線Ｌ１とは、ロータ３の回転軸ＡＸ２方向視において、磁石収容部３２の径方向外周側側面３２１によって形成される二次曲線をいう。二次曲線には、円、楕円、放物線および双曲線が含まれるが、本実施形態では、二次曲線は、円である。

図２に示すコア表面部曲線Ｌ１は、二次曲線が円（同図では円弧で示す）の場合を示している。曲率半径Ｒ１は、コア表面部曲線Ｌ１とｄ軸（矢印ＡＤ１）の交点と、曲率半径Ｒ１を算出する円の中心ＡＸ１と、の間の距離であり、ロータコア３１の外径Ｒ２と比べて大きく設定されている。本実施形態の永久磁石埋込型回転電機１は、コア表面部曲線Ｌ１の曲率半径Ｒ１とロータコア３１の外径Ｒ２とを用いて、ｄ軸側コア表面部３３の形状を規定することができ、ロータ３の製作が容易である。

また、コア表面部曲線Ｌ１は、ｄ軸（矢印ＡＤ１）に対して対称である。さらに、曲率半径Ｒ１を算出する円の中心ＡＸ１と、ロータ３の回転軸ＡＸ２とは、ｄ軸（矢印ＡＤ１）上に配されている。これらにより、本実施形態の永久磁石埋込型回転電機１は、磁束分布を均一にすることができ、磁束の不均一による漏れ磁束の増加を抑制することができ、ｄ軸方向の磁気抵抗の低下を抑制することができる。

次に、永久磁石３６について説明する。永久磁石３６の種類は、特に限定されない。例えば、永久磁石３６は、ネオジウム磁石（Ｎｄ_２Ｆｅ_１４ＢなどのＮｄ‐Ｆｅ‐Ｂ系磁石）をはじめとした公知の希土類系焼結磁石を用いることができる。希土類元素は、ネオジムＮｄ以外にも、プラセオジムＰｒ、サマリウムＳｍなどの種々の希土類元素を用いることができ、複数種類の希土類元素を含むこともできる。また、永久磁石３６は、改質元素や不可避不純物を含むこともでき、保磁力材を含むこともできる。

改質元素には、例えば、永久磁石３６の耐熱性の向上に寄与するコバルトＣｏ、ランタンＬａ、磁気特性の向上に寄与するアルミニウムＡｌ、ケイ素ＳｉやチタンＴｉ、バナジウムＶ、クロムＣｒ、マンガンＭｎ、ニッケルＮｉ、銅Ｃｕ、イットリウムＹ、ジルコニウムＺｒ、ニオブＮｂ、モリブデンＭｏ等の遷移元素などが挙げられる。不可避不純物は、製造上除去することが困難な元素であり、例えば、酸素Ｏ、窒素Ｎ、炭素Ｃなどが挙げられる。保磁力材は、永久磁石３６の保磁力を高める希土類元素であり、例えば、ジスプロシウムＤｙ、テルビウムＴｂなどを用いることができる。保磁力材は、これら以外にも種々の希土類元素を用いることができ、複数種類の希土類元素を含むこともできる。なお、１つの磁石収容部３２に対して、複数の永久磁石３６を埋設することもできる。

永久磁石３６の固定方法は、特に限定されない。例えば、接着剤によって永久磁石３６を磁石収容部３２に固定することができる。また、別途、弾性部材を設けて、弾性部材の付勢力によって、永久磁石３６を磁石収容部３２に固定することもできる。これにより、ロータコア３１および永久磁石３６が発熱した場合に、両部材の熱膨張差を吸収することができ、固定部分が剥離することを防止できる。また、永久磁石３６の径方向（矢印ＡＲ１方向）厚みは、永久磁石３６が減磁しない適切な厚みに設定すると良い。例えば、磁界解析によって、永久磁石３６に印加される逆磁界を推定し、推定された逆磁界に対して保磁力が大きくなるように、永久磁石３６の径方向（矢印ＡＲ１方向）厚みを設定することができる。

図４は、図２の永久磁石３６の拡大図である。図４に示すように、永久磁石３６の径方向外周側側面３６１は、永久磁石３６の径方向内周側側面３６２（磁石収容部３２の径方向内周側側面３２２）と比べて、径方向外方（矢印ＡＲ１１方向）に膨らんだ状態に形成されている。そのため、本実施形態の永久磁石埋込型回転電機１は、永久磁石３６の径方向外周側側面３６１が上記形状に形成されていない場合と比べて、永久磁石３６による起磁力を増大することができる。

なお、永久磁石３６の透磁率は、真空中の透磁率と略等しいので、永久磁石３６が埋設されている部分は、磁気的には空隙と等価になる。そのため、少なくとも磁石収容部３２の径方向外周側側面３２１が、磁石収容部３２の径方向内周側側面３２２と比べて、径方向外方（矢印ＡＲ１１方向）に膨らんだ状態に形成されていれば良い。これにより、ｄ軸方向の磁気抵抗を増加することができ、突極比を大きくしてリラクタンストルクを増大することができる。

また、永久磁石３６の周方向側面３６３は、図４に示す角度θ１に設定されていると好適である。具体的には、ロータ３の回転軸ＡＸ２方向視において、永久磁石３６の周方向側面３６３は、当該永久磁石３６の径方向内周側側面３６２に対して周方向外方に機械角で９０°以上、かつ、永久磁石３６の周方向側面３６３が当該永久磁石３６と周方向（矢印ＡＣ１方向）に隣接する永久磁石３６の周方向側面３６３と平行になる角度以下に設定されていると好ましい。なお、図３に示すように、当該角度θ１に合わせて、磁石収容部３２の形状を変更する。

本実施形態の永久磁石埋込型回転電機１は、永久磁石３６の径方向内周側側面３６２に対する周方向側面３６３の角度が上記角度θ１に設定されている。そのため、当該角度θ１が機械角で９０°より小さい場合と比べて、マグネットトルクを増大することができる。つまり、本実施形態の永久磁石埋込型回転電機１は、リラクタンストルクを増大することができるとともに、マグネットトルクをも増大することができる。

また、上記角度θ１が周方向（矢印ＡＣ１方向）に隣接する永久磁石３６の周方向側面３６３と平行になる角度より大きくなると、磁極間の距離が狭くなる。本実施形態の永久磁石埋込型回転電機１は、永久磁石３６の径方向内周側側面３６２に対する周方向側面３６３の角度が上記角度θ１に設定されているので、磁極間の距離を適切に確保することができ、磁極間の磁気的な短絡を防止することができる。

本発明は上記し且つ図面に示した実施形態のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施することができる。

１：永久磁石埋込型回転電機、
２：ステータ、２２：コイル導体、
３：ロータ、３１：ロータコア、
３２：磁石収容部、３２１：磁石収容部３２の径方向外周側側面、３２２：磁石収容部３２の径方向内周側側面、３２３：磁石収容部３２の周方向側面、
３３：ｄ軸側コア表面部、
３４：フラックスバリア、
３５：空隙形成部、
３６：永久磁石、３６１：永久磁石３６の径方向外周側側面、３６２：永久磁石３６の径方向内周側側面、３６３：永久磁石３６の周方向側面、
ｔ１：ｄ軸側コア表面部３３の径方向厚み、
ｔ２：フラックスバリア３４の径方向厚み、
Ｌ１：コア表面部曲線、
Ｒ１：コア表面部曲線Ｌ１の曲率半径、Ｒ２：ロータコア３１の外径、
ＡＤ１：ｄ軸、ＡＸ１：曲率半径Ｒ１を算出する円の中心、ＡＸ２：ロータ３の回転軸。

Claims

コイル導体が集中巻き方式で巻装されているステータと、
前記ステータに対して回転可能に支持され、電磁鋼板が回転軸方向に複数枚積層されて円柱状に形成されているロータコアを備え、所定磁極分の複数の永久磁石が前記ロータコアの各磁石収容部にそれぞれ埋設されているロータと、
を備える永久磁石埋込型回転電機であって、
前記ロータコアの一部であって前記磁石収容部の径方向外周側に位置する部分をｄ軸側コア表面部とするとき、前記ｄ軸側コア表面部の周方向両端部には、当該端部を通過する磁束を飽和させるフラックスバリアを有し、
前記ｄ軸側コア表面部の径方向厚みは、前記フラックスバリアの径方向厚みと比べて肉厚に形成されており、
前記磁石収容部の径方向外周側側面および前記永久磁石の径方向外周側側面のうちの少なくとも前記磁石収容部の径方向外周側側面は、前記磁石収容部の径方向内周側側面と比べて径方向外方に膨らんだ状態に形成されており、
前記ロータの回転軸方向視において前記磁石収容部の径方向外周側側面によって形成される二次曲線をコア表面部曲線とするとき、
前記コア表面部曲線は、前記二次曲線がｄ軸に対して対称な円であり、曲率半径を算出する円の中心と前記ロータの回転軸とは、ｄ軸上に配されており、
前記コア表面部曲線のｄ軸上における前記曲率半径は、前記ロータコアの外径と比べて大きく設定されている永久磁石埋込型回転電機。
前記磁石収容部の周方向両端部には、前記永久磁石が前記磁石収容部に埋め込まれたときに、当該永久磁石の周方向側面と前記ロータコアとの間に空隙を形成する空隙形成部が設けられている請求項１に記載の永久磁石埋込型回転電機。
前記ロータの回転軸方向視において、前記永久磁石の周方向側面は、当該永久磁石の径方向内周側側面に対して周方向外方に機械角で９０°以上、かつ、前記永久磁石の周方向側面が当該永久磁石と周方向に隣接する前記永久磁石の周方向側面と平行になる角度以下に設定されている請求項１または２に記載の永久磁石埋込型回転電機。