JP6331506B2 - 回転電機のロータ構造 - Google Patents

Description

本発明は、永久磁石型の回転電機のロータ構造に関する。

永久磁石型の回転電機のロータ構造として、例えば、特許文献１には一磁極あたり３つの帯板状の永久磁石を用いて、これをロータの軸方向にΔ状に貫通配置したものが知られている。

具体的にはロータの永久磁石を、一対の帯板状の永久磁石をロータ外周面に向けてＶ字状の開き角度を持って配置したＶ字磁石と、該Ｖ字磁石が開いた部分にロータ外周面と平行に配置した帯板状の外側磁石と、で構成してΔ状の配置としたものである。

これにより、Ｖ字磁石にてそのステータに対向する表面積を大きくし、鎖交磁束を増大して大きなマグネットトルクを得ると共に、Ｖ字磁石と外側磁石の配置によりｑ軸インダクタンスが増大し、ｄ軸インダクタンスが減少することで大きなリラクタンストルクを得ようとするものである。

特開平１０−５１９８４号公報

特許文献１の開示技術では、各永久磁石のロータ外周側端部に対応する部分にフラックスバリアを空隙として設けることで、永久磁石の漏れ磁束とｄ軸磁束の回り込みを抑制しマグネットトルクとリラクタンストルクの増大を図っている。

しかし、この構成ではフラックスバリアとロータ外周面との間でコアが薄肉のブリッジ状となり、高速回転時の遠心力による応力集中のためロータ強度が確保できず、高トルク化と高速回転化の両立ができない。

そこで、本発明はロータにおける帯板状永久磁石の貫通部の幅方向端部に回転時の遠心力により応力が集中するのを緩和し、高トルク化と高速回転化とを両立することができる永久磁石型の回転電機のロータ構造を提供するものである。

本発明の回転電機のロータ構造は、軸方向に貫通配置した永久磁石を周方向に複数備えてステータに内装されるロータであって、

前記永久磁石は、一対の帯板状の永久磁石をロータ外周に向けてＶ字状の開き角度を持って配置したＶ字磁石と、該Ｖ字磁石が開いた部分にロータ外周面と略平行に配置した帯板状の外側磁石と、で構成している。

そして、前記ロータの、前記Ｖ字磁石と前記外側磁石とで囲まれた領域に空洞を設定したことを主要な特徴としている。

本発明によれば、ロータの帯板状の永久磁石を配置した貫通孔の幅方向端部には高速回転時に遠心力による応力が集中する傾向となるが、Ｖ字磁石と外側磁石とで囲まれた領域に空洞を設定してあることで該領域の質量が低減してこの応力が緩和され、回転電機の高速回転化が可能となって高トルク化との両立を実現できる。

本発明の対象とする回転電機のロータとステータとの配置関係を示す説明図。 本発明の第１実施形態におけるロータの一磁極相当部分を拡大して示す説明図。 空洞の設定とトルク性能との関係を示す説明図。 本発明の第２実施形態を示す図２と同様の説明図。 空洞設定部分の壁厚と応力との関係を示す説明図。 空洞の変形例を（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）にて示す説明図。 空洞の変形例を（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）にて示す説明図。

以下、本発明の実施形態を図面と共に詳述する。

図１は、本発明の対象とする永久磁石型の回転電機１におけるロータ２と、その周囲に所要の空隙をおいて配置したステータ３との配置関係を示している。

ロータ２は、磁性金属からなる複数のコア単板の積層体で構成され、その外周近傍には周方向に等ピッチで複数の永久磁石４を軸方向に貫通して圧入配置してある。

本実施形態は８極タイプの回転電機１を例示しており、永久磁石４を一磁極あたり３つの帯板状の永久磁石４ａ、４ｂ、４ｃを用いてΔ配置とした構成として、これをロータ２の周方向に交互に極性を変えて等ピッチに配置している。

図２に一磁極相当部分の永久磁石４の配置構造を拡大して示す。この永久磁石４は、一対の帯板状の永久磁石４ａ、４ｂをロータ２の外周面に向けてＶ字状の開き角度を持って配置して構成したＶ字磁石と、該Ｖ字磁石４ａ、４ｂが開いた部分にロータ２の外周面と略平行に配置した帯板状の外側磁石４ｃと、で該外側磁石４ｃを底辺とする三角形のΔ配置構成としている。

図示する例ではＶ字磁石４ａ、４ｂと外側磁石４ｃの各幅方向端部に対応する位置に、漏れ磁束対策としてフラックスバリア５を設定している。

フラックスバリア５は、Ｖ字磁石４ａ、４ｂと外側磁石４ｃを圧入したロータ２の各貫通孔６を幅方向に延長した空隙として形成してあり、ここにＶ字磁石４ａ、４ｂおよび外側磁石４ｃの各幅方向端部を臨設配置している。

フラックスバリア５の延設基部には、これらＶ字磁石４ａ、４ｂおよび外側磁石４ｃの各幅方向端部の圧入位置決めを行うための段部７を設けてある。

そして、ロータ２の前記Ｖ字磁石４ａ、４ｂと外側磁石４ｃとで囲まれた領域に空洞８を設定してある。

図１、図２に示す例では空洞８をＶ字磁石４ａ、４ｂと外側磁石４ｃに平行な３辺を有する略三角形に形成している。

上述のようにロータ２の外周近傍に配設した永久磁石４を、帯板状のＶ字磁石４ａ、４ｂと外側磁石４ｃとでΔ配置とした構造にあっては、Ｖ字磁石４ａ、４ｂと外側磁石４ｃの各幅方向端部がロータ外周面に近接する部分、およびこれら幅方向端部同士が近接する部分に薄肉のブリッジ部９が生じる。

特に、本実施形態のように各磁石４ａ〜４ｃの幅方向端部に対応する位置にフラックスバリア５を空隙として設定した構造では、図２に示すようにブリッジ部９の薄肉化が助長される。

この薄肉のブリッジ部９では、回転電機１の回転時に遠心力により応力が集中するため高速回転が抑制されてしまうが、Ｖ字磁石４ａ、４ｂと外側磁石４ｃとで囲まれた領域に空洞８を設定することで該領域の質量が低減して各ブリッジ部９の応力を緩和し、回転電機１の高速回転化が可能となる。

この結果、帯板状の永久磁石４ａ〜４ｃのΔ配置とそれらの幅方向端部でのフラックスバリア５の設定による回転電機１の高トルク化と高速回転化との両立を実現することができる。

ここで、Ｖ字磁石４ａ、４ｂと外側磁石４ｃとで囲まれた領域に空洞８を設定すると、電気子鎖交磁束φａの低下によるトルク性能の悪化が考えられる。

空洞８の設定とトルク性能は、空洞８とＶ字磁石４ａ、４ｂとの間の最短距離Ｄａ（ｍｍ）と、空洞８と外側磁石４ｃとの間の最短距離Ｄｂ（ｍｍ）と、Ｖ字磁石４ａ、４ｂの残留磁束密度Ｂｒ（Ｔ）とに密接に関係している。

図３は本発明者の実験結果を示すもので、これらＤａ、Ｄｂ、Ｂｒの間に、（Ｄａ＋Ｄｂ）/Ｂｒ≧８、Ｄａ/Ｂｒ≧１、Ｄｂ/Ｂｒ≧１の関係が成り立つように前記空洞８を適
切に設定することにより、トルクの低下率を殆ど無視できるほど小さく出来ることが判明している。

また、これと併せて図４に示す第２実施形態のように上述のＤａとＤｂとの関係を、Ｄａ＜Ｄｂに設定することにより、Ｄａ≧Ｄｂの範囲で空洞８を形成した場合に較べて該空洞８の体積を大きく出来るため、高速回転時の応力低減効果を大きくすることができる。しかも、ｄ軸中心側（Ｖ字磁石４ａ、４ｂの内周側）のブリッジ部９を通る磁束を低減できるため、リラクタンストルクを向上することができる。

図２、図４に示す何れの実施形態にあってもＶ字磁石４ａ、４ｂの内周側のブリッジ部９は隣接のフラックスバリア５、５が近接しているため、ここが最大応力部となりうる。

そこで、例えば前述のＤａ、Ｄｂの関係をＤａ＝Ｄｂ＝２．５ｍｍとして空洞８を設定した図２の構造例と、Ｄａ＝１．５ｍｍ、Ｄｂ＝３．５ｍｍとして空洞８を設定した図４の構造例とした場合では、図５に示すように空洞８の無い比較例に対して、何れも高速回転時の最大応力を１８％、２１％の割合で低減できることが分かる。

因みに、例えばＢｒ＝０．４５Ｔのフェライト磁石をＶ字磁石４ａ、４ｂに用いた場合、図２、図４の構造例では共に（Ｄａ＋Ｄｂ）/Ｂｒ＝１１．１（＞８）ｍｍ/Ｔとなるため、空洞８が無いものと較べてトルク性能の低下は無い（図３参照）。

空洞８の構成態様は前記実施形態に限ることはなく、例えば図６、図７に示す変形例の
構成とすることもできる。

図６の（Ａ）は空洞８のＶ字磁石４ａ、４ｂに沿う辺をそれらと非平行として、Ｖ字磁石４ａ、４ｂと空洞８との距離がロータ外周面に向かって広がるようにした構造例を、（Ｂ）は空洞８をｄ軸中心からずらしてＶ字磁石４ａ、４ｂの一方に偏って形成した構造例を、（Ｃ）は空洞８の三角コーナー部を平坦にカットして多角形に形成した構造例を示している。

また、図７の（Ａ）は空洞８を円形に形成した構造例を、（Ｂ）はＶ字磁石４ａ、４ｂおよび外側磁石４ｃを弧状の帯板形状とし、空洞８の各辺をそれらと平行に弧状に形成した構造例を、（Ｃ）は空洞８を複数の小さな円形孔をＶ字磁石４ａ、４ｂと外側磁石４ｃと平行に集合した形状として形成した構造例を示している。

ところで、このような永久磁石型の回転電機１では、稼働時における永久磁石４の発熱に起因して減磁することによるモータ運転効率の低下を抑制する必要がある。

そこで、前記空洞８を有効利用してこれを冷却油等の冷媒通路として構成することが可能で、この場合Ｖ字磁石４ａ、４ｂおよび外側磁石４ｃに近接して冷媒通路８を構成できるため、永久磁石４の冷却効率を高めてその発熱による減磁を抑制することができる。

なお、前記実施形態では帯板状の永久磁石４ａ〜４ｃの各幅方向端部にフラックスバリア５を空隙として設定した構造例を示したが、低透磁率の材料でフラックスバリア５を構成した構造や、フラックスバリア５を設定していないものにも適用することができる。

１…回転電機
２…ロータ
３…ステータ
４…永久磁石
４ａ、４ｂ…Ｖ字磁石
４ｃ…外側磁石
５…フラックスバリア
６…貫通孔
７…位置決め段部
８…空洞（冷媒通路）
９…ブリッジ部

Claims (4)

1. 軸方向に貫通配置した永久磁石を周方向に複数備えてステータに内装されるロータであって、
   前記永久磁石は、一対の帯板状の永久磁石をロータ外周面に向けてＶ字状の開き角度を持って配置したＶ字磁石と、該Ｖ字磁石が開いた部分にロータ外周面と略平行に配置した帯板状の外側磁石と、
   前記Ｖ字磁石のロータ内周側の幅方向端部に隣接して設けられた空隙であるフラックスバリアと、で構成し、
   前記ロータの、前記Ｖ字磁石と前記外側磁石とで囲まれた領域に空洞を設定したことを特徴とする回転電機のロータ構造。
2. 前記空洞と前記Ｖ字磁石との間の最短距離Ｄａ（ｍｍ）と、
   前記空洞と前記外側磁石との間の最短距離Ｄｂ（ｍｍ）と、
   前記Ｖ字磁石の残留磁束密度Ｂｒ（Ｔ）との間に、
   （Ｄａ＋Ｄｂ）/Ｂｒ≧８、Ｄａ/Ｂｒ≧１、Ｄｂ/Ｂｒ≧１（ｍｍ/Ｔ）
   の関係が成り立つように前記空洞を形成したことを特徴とする請求項１に記載の回転電機のロータ構造。
3. 前記空洞と前記Ｖ字磁石との間の最短距離Ｄａ（ｍｍ）と、
   前記空洞と前記外側磁石との間の最短距離Ｄｂ（ｍｍ）と、の間に、
   Ｄａ＜Ｄｂ
   の関係が成り立つように前記空洞を形成したことを特徴とする請求項１または２に記載の回転電機のロータ構造。
4. 前記空洞を冷媒通路としたことを特徴とする請求項１〜３の何れか１つに記載の回転電機のロータ構造。

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