JP6466612B1 - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】トルク特性を維持しつつ重量の低減が可能な永久磁石型の回転電機を提供する。
【解決手段】実施形態によれば、回転電機は、固定子１２と、固定子に対して回転軸の回りで回転自在に設けられた回転子１４と、を備えている。回転子は、回転子鉄心２４と、回転子鉄心に埋設された複数の磁極を形成した複数の永久磁石２６とを有している。回転子鉄心は、各磁極中心軸の両側に設けられ、それぞれ永久磁石が装填された２つの埋め込み孔３４と、それぞれ隣合う磁極中心軸の間に設けられ、間隔を置いて埋め込み孔に対向する複数の空隙孔３０と、を有している。埋め込み孔の外周側空隙３４ｃと隣の磁極の埋め込み孔の外周側空隙３４ｃとの間隔をＷ１、空隙孔と埋め込み孔の装填領域との間隔をＷ２、空隙孔と埋め込み孔の内周側空隙３４ｂとの間隔をＷ３、回転子鉄心の内孔と埋め込み孔の内周側空隙３４ｂとの間隔をＷ４とした場合、回転子鉄心は、Ｗ１≦Ｗ２、Ｗ１≦Ｗ３、Ｗ１≦Ｗ４に形成されている。
【選択図】図２

Description

この発明の実施形態は、回転子に永久磁石が設けられた回転電機に関する。

近年、永久磁石の目覚しい研究開発により、高磁気エネルギー積の永久磁石が開発され、このような永久磁石を用いた永久磁石型の回転電機が電車や自動車の電動機あるいは発電機として適用されつつある。通常、永久磁石型の回転電機は、円筒状の固定子と、この固定子の内側に回転自在に支持された円柱形状の回転子と、を備えている。回転子は、回転子鉄心と、この回転子鉄心内に埋め込まれた複数の永久磁石と、を備えている。

このような永久磁石型の回転電機では、外周面側に向かって開くＶ字形となるように永久磁石を回転子内に埋め込むことにより、マグネットトルクに加えて、リラクタンストルクも利用できる磁気回路を形成することが提案されている。

特開２０１４−７５８８２号公報 特開２０１０−８０７９９号公報

移動体の駆動源として用いられる回転電機では、取り付けスペースが小さく、限られた空間の中で高トルク、高出力化することが要求される。更に、同じトルクであれば、より軽量であることが望まれている。
この発明は以上の点に鑑みなされたもので、その課題は、トルク特性を維持しつつ重量の低減が可能な永久磁石型の回転電機を提供することにある。

実施形態によれば、回転電機は、内周面に開口する複数のスロットと、それぞれ隣り合うスロット間に形成された複数のティースと、を有する固定子鉄心と、前記複数のティースに巻回された電機子巻線と、を有する固定子と、前記固定子鉄心の内周面に隙間を置いて対向する外周面と前記外周面に沿って並んだ複数の磁極とを有する回転子鉄心と、前記各磁極に設けられた複数の永久磁石と、を具備し、中心軸線の回りで回転自在に設けられた回転子と、を備えている。前記回転子鉄心は、それぞれ前記中心軸線に対して放射方向に延び前記磁極の中心を通る複数の磁極中心軸と、各磁極において、前記磁極中心軸の両側に設けられ、それぞれ前記永久磁石が装填された２つの埋め込み孔と、を有している。前記２つの埋め込み孔および２つの永久磁石は、前記磁極中心軸に隣接する内周側端と前記外周面に隣接する外周側端とを有し、前記磁極中心軸に対して線対称に配置され、前記内周側端から外周側端に向かうに従って、前記磁極中心軸からの距離が徐々に広がるように配置されている。前記埋め込み孔の各々は、前記永久磁石が装填された装填領域と、前記永久磁石の内周側端から前記磁極中心軸に向かって拡がる内周側空隙と、前記永久磁石の外周側端から前記外周面に向かって拡がる外周側空隙と、を含んでいる。前記回転子鉄心の磁極数をＰ、各磁極の磁極角をθ、前記外周側空隙から前記回転子鉄心の外周面までの最短距離をＤ、前記固定子のスロット数をＮ、前記ティースの幅をＷ、１磁極において、磁極角θに相当する部分で発生する起磁力の総和をＨ０、磁極角θの内側に位置する１ティースに発生する起磁力をＨ１とすると、
前記回転子鉄心は、 Ｄ≧ Ｗ × （Ｈ０／Ｈ１）に形成されている。

図１は、実施形態に係る永久磁石型の回転電機を示す断面図。 図２は、前記回転電機の回転子および固定子の一部を拡大して示す断面図。 図３は、前記回転電機の回転子鉄心および永久磁石を示す斜視図。

以下に、図面を参照しながら、種々の実施形態について説明する。なお、実施形態を通して共通の構成には同一の符号を付すものとし、重複する説明は省略する。また、各図は実施形態とその理解を促すための模式図であり、その形状や寸法、比などは実際の装置と異なる個所があるが、これらは以下の説明と公知の技術を参酌して適宜、設計変更することができる。

図１は、実施形態に係る永久磁石型の回転電機の断面図、図２は、回転子の一部を拡大して示す断面図、図３は、回転子を示す斜視図である。
図１に示すように、回転電機１０は、例えば、インナーロータ型の回転電機として構成され、図示しない固定枠に支持された環状あるいは円筒状の固定子１２と、固定子の内側に中心軸線Ｃの回りで回転自在に、かつ固定子１２と同軸的に支持された回転子１４と、を備えている。回転電機１０は、例えば、ハイブリッド自動車（ＨＥＶ）や電気自動車（ＥＶ）において、駆動モータあるいは発電機に好適に適用される。

固定子１２は、円筒状の固定子鉄心１６と固定子鉄心１６に巻き付けられた電機子巻線１８とを備えている。固定子鉄心１６は、磁性材、例えば、ケイ素鋼などの円環状の電磁鋼板を多数枚、同芯状に積層して構成されている。固定子鉄心１６の内周部には、複数のスロット２０が形成されている。複数のスロット２０は、円周方向に等間隔を置いて並んでいる。各スロット２０は、固定子鉄心１６の内周面に開口し、この内周面から放射方向に延出している。また、各スロット２０は、固定子鉄心１６の軸方向の全長に亘って延在している。複数のスロット２０を形成することにより、固定子鉄心１６の内周部は、回転子１４に面する複数（例えば、本実施形態では４８個）の固定子ティース２１を構成している。複数のスロット２０に電機子巻線１８が埋め込まれ、各固定子ティース２１に巻き付けられている。電機子巻線１８に電流を流すことにより、固定子１２（固定子ティース２１）に所定の鎖交磁束が形成される。

図１および図３に示すように、回転子１４は、両端が図示しない軸受により回転自在に支持された円柱形状のシャフト（回転軸）２２と、このシャフト２２の軸方向ほぼ中央部に固定された円筒形状の回転子鉄心２４と、回転子鉄心２４内に埋め込まれた複数の永久磁石２６と、を有している。回転子１４は、固定子１２の内側に僅かな隙間を置いて同軸的に配置されている。すなわち、回転子１４の外周面は、僅かな隙間をおいて、固定子１２の内周面に対向している。回転子鉄心２４は中心軸線Ｃと同軸的に形成された内孔２５を有している。シャフト２２は内孔２５に挿通および嵌合され、回転子鉄心２４と同軸的に延在している。回転子鉄心２４は、磁性材、例えば、ケイ素鋼などの円環状の電磁鋼板２４ａを多数枚、同芯状に積層した積層体として構成されている。

本実施形態において、回転子１４は、複数磁極、例えば、８磁極に設定されている。回転子鉄心２４において、中心軸線Ｃに対して径方向あるいは放射方向に各磁極の中心を通って延びる軸をｄ軸、およびｄ軸に対して電気的、磁気的に９０°離間した軸をｑ軸と称する。ここでは、固定子１２によって形成される鎖交磁束の流れ易い方向をｑ軸と称する。ｄ軸およびｑ軸は、回転子鉄心２４の円周方向に交互に、かつ、所定の位相で設けられている。回転子鉄心２４の１磁極分とは、ｑ軸間の領域（１／８周の周角度領域）をいう。このため、回転子鉄心２４は、８極（磁極）に構成されている。１磁極のうちの周方向中央がｄ軸となる。

図１および図２に示すように、回転子鉄心２４には、１磁極ごとに、２つの永久磁石２６が埋設されている。回転子鉄心２４の円周方向において、各ｄ軸の両側に、永久磁石２６の形状に対応した形状の磁石埋め込み孔（以下、埋め込み孔と称する）３４が形成され、これらの埋め込み孔３４に永久磁石２６がそれぞれ配置されている。永久磁石２６は、例えば、接着剤等により回転子鉄心２４に固定されている。

各埋め込み孔３４は、回転子鉄心２４を軸方向に貫通して延びている。埋め込み孔３４は、ほぼ矩形の断面形状を有し、それぞれｄ軸に対して傾斜している。回転子鉄心２４の中心軸線Ｃと直交する断面でみた場合、２つの埋め込み孔３４は、例えば、ほぼＶ字状に並んで配置されている。すなわち、２つの埋め込み孔３４の内周側の端はそれぞれｄ軸に隣接し、僅かな隙間をおいて互いに対向している。回転子鉄心２４において、２つの埋め込み孔３４の内周側端の間に、幅の狭い磁路狭隘部（ブリッジ部）３６が形成されている。２つの埋め込み孔３４の外周側の端は、回転子鉄心２４の円周方向に沿ってｄ軸から離間し、回転子鉄心２４の外周面の近傍およびｑ軸の近傍に位置している。これにより、埋め込み孔３４の外周側の端は、隣合う磁極の埋め込み孔３４の外周側端と、ｑ軸を挟んで対向している。回転子鉄心２４において、各埋め込み孔３４の外周側端と回転子鉄心２４の外周縁との間に幅の狭い磁路狭隘部（ブリッジ部）３８が形成されている。このように、２つの埋め込み孔３４は、内周側端から外周側端に向かうに従って、ｄ軸からの距離が徐々に広がるように配置されている。

図２に示すように、各永久磁石２６は、矩形状の断面形状を有し、互いに平行に対向する第１表面および第２表面（裏面）、および互いに対向する一対の側面を有している。各磁石２６は、第１表面および第２表面に垂直な方向に磁化されている。
各埋め込み孔３４は、永久磁石２６の断面形状に対応した矩形状の装填領域３４ａと、この装填領域３４ａの長手方向（永久磁石２６の磁化方向に垂直な方向）の両側に延出する２つの空隙（内周側空隙３４ｂおよび外周側空隙３４ｃ）と、更に、装填領域３４ａの長手方向両端において埋め込み孔３４の内周側端面３５ａから埋め込み孔３４内に突出した一対の係止凸部３４ｄと、を有している。

装填領域３４ａは、平坦な矩形状の内周側端面３５ａと、この内周側端面３５ａと平行に対向する平坦な矩形状の外周側端面３５ｂとの間に規定されている。内周側空隙３４ｂは、第１内側面４４ａと、第２内側面４４ｂと、第３内側面４４ｃと、により規定されている。第１内側面４４ａは、装填領域３４ａの外周側端面３５ｂの一端（ｄ軸側の端）から回転子鉄心２４の外周面に向かってｄ軸とほぼ平行に延出している。第２内側面４４ｂは、装填領域３４ａの内周側端面３５ａの一端（ｄ軸側の端、ここでは、係止凸部３４ｄ）から回転子鉄心２４の中心軸線Ｃに向かってｄ軸とほぼ平行に延出している。第３内側面４４ｃは、第１内側面４４ａの延出端と第２内側面４４ｂの延出端とに跨り、ｄ軸とほぼ平行に延在している。なお、第３内側面４４ｃの両端部は、円弧面を介して第１内側面４４ａおよび第２内側面４４ｂに繋がっている。２つの埋め込み孔３４の内周側空隙３４ｂは、第３内側面４４ｂ同志がｄ軸およびブリッジ部３６を挟んで互いに対向して配置されている。

外周側空隙３４ｃは、第１内側面４６ａと、第２内側面４６ｂと、第３内側面４６ｃと、により規定されている。第１内側面４６ａは、装填領域３４ａの外周側端面３５ｂの他端（回転子鉄心外周面側の端）から回転子鉄心２４の外周面に向かって延出している。第２内側面４６ｂは、装填領域３４ａの内周側端面３５ａの他端（回転子鉄心外周面側の端、ここでは、係止凸部３４ｄ）から回転子鉄心２４の外周面に向かって延出している。第３内側面４６ｃは、第１内側面４６ａの延出端と第２内側面４６ｂの延出端とに跨り、回転子鉄心２４の外周面に沿って延出している。第３内側面４６ｃと回転子鉄心２４の外周面との間に、ブリッジ部３８が規定されている。

内周側空隙３４ｂおよび外周側空隙３４ｃは、永久磁石２６の長手方向両端部から回転子鉄心２４への磁束漏れを抑制するフラックスバリアとして機能するとともに、回転子鉄心２４の軽量化にも寄与する。
回転子鉄心２４に複数の空隙孔（空洞部）３０が形成されている。空隙孔３０は、それぞれ回転子鉄心２４を軸方向に貫通して延びている。空隙孔３０は、それぞれｑ軸上で、回転子鉄心２４の径方向ほぼ中央に位置し、隣合う磁極の２つ埋め込み孔３４の間に設けられている。空隙孔３０は、多角形、例えば、三角形の断面形状を有している。空隙孔３０の断面は、ｑ軸に直交する一辺３０ａと、それぞれ埋め込み孔３４に間隔を置いて対向する２辺３０ｂ、３０ｃと、を有している。各空隙孔３０は、磁束を通り難くするフラックスバリアとして機能し、固定子１２の鎖交磁束の流れや永久磁石２６の磁束の流れを規制する。また、空隙孔３０を形成することにより、回転子鉄心２４の軽量化を図ることができる。

図２および図３に示すように、永久磁石２６は、各埋め込み孔３４に装填され、回転子鉄心２４に埋め込まれている。永久磁石２６は、例えば、横断面が矩形状の細長い平板状に形成され、回転子鉄心２４の軸方向長さとほぼ等しい長さＬ１を有している。永久磁石２６は、軸方向（長手方向）に複数に分割された磁石を組み合わせて構成されてもよく、この場合、複数の磁石の合計の長さが回転子鉄心２４の軸方向長さとほぼ等しくなうように形成される。各永久磁石２６は回転子鉄心２４のほぼ全長に亘って埋め込まれている。永久磁石２６の磁化方向は、永久磁石２６の表面および裏面と直交する方向としている。

永久磁石２６は、埋め込み孔３４の装填領域３４ａに装填され、接着剤等により回転子鉄心２４に固定されている。更に、永久磁石２６は、一対の角部が係止凸部３４ｄにそれぞれ当接している。これにより、永久磁石２６は、装填領域３４ａ内に位置決めされている。各ｄ軸の両側に位置する２つの永久磁石２６は、ほぼＶ字状に並んで配置されている。すなわち、２つの永久磁石２６は、内周側端から外周側端に向かうに従って、ｄ軸からの距離が徐々に広がるように配置されている。

各ｄ軸の両側に位置する２つの永久磁石２６、すなわち、１磁極を構成する２つの永久磁石２６は、磁化方向が同一となるように配置されている。また、各ｑ軸の両側に位置する２つの永久磁石２６は、磁化方向が逆向きとなるように配置されている。複数の永久磁石２６を上記のように配置することにより、回転子鉄心２４の外周部において各ｄ軸上の領域は１つの磁極４０を中心に形成し、各ｑ軸上の領域は磁極間部４２を中心に形成している。本実施形態では、回転電機１０は、隣接する１磁極４０毎に永久磁石２６のＮ極とＳ極の表裏を交互に配置した、８極（４極対）、４８スロットで、単層分布巻で巻線した永久磁石埋め込み型の回転電機を構成している。

図２に示すように、本実施形態では、回転子鉄心２４において、内周側空隙３４ｂと回転子鉄心２４の外周面との間の距離（最短距離）をＤ、各固定子ティース２１の幅（回転子の周方向に沿った最少幅）をＷ、１磁極の磁極角（電気角、ラジアン）をθ、磁極数をＰ、固定子１２のスロット数をＮとする。なお、本実施形態において、磁極角θは、ｄ軸の両側に位置する２つの外周側空隙３４ｃの間の内角、より詳細には、第３内側面４６ｃのｄ軸側端の間の内角、としている。
回転子１４の円周方向に、起磁力がほぼ正弦波状に極対数分だけ、分布すると仮定する。また、起磁力の振幅を１とする。磁路幅を距離Ｄとする磁路を流れる磁束について、ｑ軸の起磁力を考える。各磁極におけるｑ軸の起磁力について、磁極角θに相当する部分で発生する起磁力の総和Ｈ０は、

となる。
ｑ軸の起磁力について、磁極角θの内側に位置する１ティース分の起磁力Ｈ１は、

となる。

１ティース２１の磁束密度は、ティース幅Ｗと、１ティースの起磁力から、Ｈ１／Ｗに比例する。また、距離Ｄの領域（磁路）の磁束密度は、起磁力Ｈ０と距離Ｄから、Ｈ０／Ｄに比例する。回転子鉄心２４における距離Ｄの領域（幅Ｄの磁路）が、磁気飽和しないようにするため、距離Ｄは、Ｄ≧ Ｗ × （Ｈ０／Ｈ１）としている。より望ましくは、回転子鉄心２４は、
０．８×Ｗ×（Ｈ０／Ｈ１）≦ Ｄ ≦１．８×Ｗ×（Ｈ０／Ｈ１）
の関係を満たすように構成される。内周側空隙３４ｂおよび外周側空隙３４ｃは、距離（幅）Ｄが上記関係を満たす範囲内で、最大に形成されている。

上記のように構成された永久磁石型の回転電機１０によれば、電機子巻線１８に通電することにより、電機子巻線１８から発生する鎖交磁束と、永久磁石２６の発生磁界との相互作用により、回転子１４がシャフト２２を中心に回転する。回転電機１０は、固定子１２と永久磁石２６との間に生じる吸引力と反発力に起因するマグネットトルクに加えて、磁束が通過する磁路を最短にしようとするリラクタンストルクとの総合トルクにより回転駆動される。回転電機１０は、通電入力する電気的エネルギを、回転子１４と一体回転するシャフト２２から機械的エネルギとして出力することができる。

また、回転子鉄心２４における磁路の幅Ｄを、磁気飽和が生じない範囲で最小限の幅とすることにより、その分、内周側空隙３４ｂおよび外周側空隙３４ｃを最大化することが可能となる。すなわち、トルク特性の低下を抑制しつつ、空隙を最大化し、回転子１４の重量低減を図ることができる。
以上により、本実施形態によれば、トルク特性を維持しつつ重量の低減が可能な永久磁石型の回転電機が得られる。

なお、この発明は上述した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可能である。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、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾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よい。
例えば、回転子の磁極数、寸法、形状等は、前述した実施形態に限定されることなく、設計に応じて種々変更可能である。内周側空隙、外周側空隙、および空隙孔の断面形状は、実施形態の形状に限定されることなく、種々の形状を選択可能である。

１０…回転電機、１２…固定子、１４…回転子、１６…固定子鉄心、
１８…電機子巻線、２０…スロット、２２…回転軸、２４…回転子鉄心、
２６…永久磁石、３０…空隙孔、３４…埋め込み孔、３４ａ…装填領域、
３４ｂ…内周側空隙、３４ｃ…外周側空隙

Claims (3)

1. 内周面に開口する複数のスロットと、それぞれ隣り合うスロット間に形成された複数のティースと、を有する固定子鉄心と、前記複数のティースに巻回された電機子巻線と、を有する固定子と、
   前記固定子鉄心の内周面に隙間を置いて対向する外周面と前記外周面に沿って並んだ複数の磁極とを有する回転子鉄心と、前記各磁極に設けられた複数の永久磁石と、を具備し、中心軸線の回りで回転自在に設けられた回転子と、を備え、
   前記回転子鉄心は、それぞれ前記中心軸線に対して放射方向に延び前記磁極の中心を通る複数の磁極中心軸と、各磁極において、前記磁極中心軸の両側に設けられ、それぞれ前記永久磁石が装填された２つの埋め込み孔と、それぞれ隣合う前記磁極の間に設けられ、間隔を置いて前記埋め込み孔に対向する複数の空隙孔と、を有し、
   前記２つの埋め込み孔および２つの永久磁石は、前記磁極中心軸に隣接する内周側端と前記外周面に隣接する外周側端とを有し、前記磁極中心軸に対して線対称に配置され、前記内周側端から外周側端に向かうに従って、前記磁極中心軸からの距離が徐々に広がるように配置され、
   前記埋め込み孔の各々は、前記永久磁石が装填された装填領域と、前記永久磁石の内周側端から前記磁極中心軸に向かって拡がる内周側空隙と、前記永久磁石の外周側端から前記外周面に向かって拡がる外周側空隙と、を含み、
   前記回転子鉄心の磁極数をＰ、各磁極の磁極角をθ、前記外周側空隙から前記回転子鉄心の外周面までの最短距離をＤ、前記固定子のスロット数をＮ、前記ティースの幅をＷとし、１磁極において、磁極角θに相当する部分で発生する起磁力の総和をＨ０、磁極角θの内側に位置する１ティースに発生する起磁力をＨ１とすると、
   前記回転子鉄心は、 Ｄ≧ Ｗ × （Ｈ０／Ｈ１）に形成されている
   回転電機。
2. 前記回転子鉄心は、
   ０．８×Ｗ×（Ｈ０／Ｈ１）≦ Ｄ ≦１．８×Ｗ×（Ｈ０／Ｈ１）
   の関係を満たすように形成されている請求項１に記載の回転電機。
3. 前記回転子鉄心は、前記埋め込み孔の前記装填領域を規定した内周側端面および内周側端面と対向する外周側端面と、前記内周側空隙を規定する第１内側面、第２内側面、第３内側面を有し、前記第１内側面は、前記外周側端面の前記磁極中心軸側の端から前記回転子鉄心の外周面に向かって延出し、第２内側面は、前記内周側端面の前記磁極中心軸側の端から前記回転子鉄心２４の回転中心軸線に向かって延出し、前記第３内側面は、前記第１内側面の延出端と第２内側面の延出端とに跨り前記磁極中心軸に沿って延在し、
   前記距離Ｄは、前記第１内側面の延出端と前記回転子鉄心の外周面との間の最短距離である請求項１又は２に記載の回転電機。

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