JP6630690B2

JP6630690B2 - 回転電機のロータ

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Publication number: JP6630690B2
Application number: JP2017031531A
Authority: JP
Inventors: 慶介梓沢
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2017-02-22
Filing date: 2017-02-22
Publication date: 2020-01-15
Anticipated expiration: 2037-02-22
Also published as: US10680475B2; JP2018137924A; US20180241266A1; CN108462268B; CN108462268A

Description

本発明は、回転電機のロータに関する。

回転電機に使用されるロータとしては、ロータコアに周方向に所定の間隔で複数個の永久磁石を配置したものが知られている（例えば、特許文献１〜３参照）。

特許第５２７８００３号公報特開２００２−７８２６０号公報国際公開第２０１２／０１４８３６号

特許文献１に記載の電動機のロータは、ロータ外周部に設けられた溝の位置を、該溝に最も近い磁極の中心線に対して電気角で４０°〜４４°に配置することで、トルクリプル及び鉄損を低減している。また、電気角で４４°〜５３°とすることで、無負荷誘起電圧中の高調波成分の減少を図っている。特許文献２に記載の永久磁石電動機のロータは、ロータコアの外周部に設けられた２本の外周溝の角度を、固定子側の２つの磁極の角度と等しい角度で配置することで、起電圧に含まれる高調波成分によるピーク値の上昇を抑制して高速回転を可能としている。また、特許文献３に記載のロータは、ロータコア外径を、磁極中心から極ピッチ角の周方向両端部に近づくにつれて小さくすることで、コギングトルクおよびトルクリプルを低減している。

トルクリプルはロータの円環振動の主要因であるため、トルクリプルを低減できればロータの振動及びノイズをさらに抑えることができる。特許文献１〜３に記載の技術によってもトルクリプルは低減できるが、回転電機を搭載した車両の静粛性を向上するためには、更なるトルクリプル低減が求められる。

本発明の目的は、トルクリプルを低減可能な回転電機のロータを提供することである。

上記の目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、
周方向に所定の間隔で配置された複数の磁極部（例えば、後述の実施形態での磁極部５０）と、
磁性材料によって構成された略円環状のロータコア（例えば、後述の実施形態でのロータコア２０）と、を備えた回転電機のロータ（例えば、後述の実施形態での回転電機のロータ１０）であって、
各磁極部は、前記ロータコアに略Ｖ字状に形成された３つの空孔（例えば、後述の実施形態での空孔４０ａ，４０ｂ，４０ｃ）にそれぞれ挿入されて、略Ｖ字状に配置された３つの永久磁石片（例えば、後述の実施形態での永久磁石片３０ａ，３０ｂ，３０ｃ）から構成され、
前記ロータコアは、外周面（例えば、後述の実施形態での外周面２０ａ）と、各磁極部の略Ｖ字状に配置された前記３つの永久磁石片とによって囲まれた領域を形成するロータヨーク（例えば、後述の実施形態でのロータヨーク４０ｄ）を有し、
前記３つの空孔は、各磁極部のｄ軸と交差する位置に配置された中央側空孔（空孔４０ｂ）と、該中央側空孔の周方向両端側に配置された一対の周端側空孔（空孔４０ａ，４０ｃ）と、によって構成され、
前記中央側空孔の外径側壁面は、前記ｄ軸と直交する直線状であり、
前記中央側空孔の前記外径側壁面には、前記ｄ軸と交差する位置に、径方向外側に突出した空隙部が形成されており、
前記ロータヨークは、周方向において、各磁極部の前記ｄ軸と交差する位置で、前記空隙部の周方向両端部よりも前記ｄ軸側の領域に形成された孔部（例えば、後述の実施形態での孔部４５）を備え、
前記孔部は、前記回転電機が低進角領域の際に前記ロータヨークに形成される磁路を遮らず、かつ前記回転電機が高進角領域の際に前記ロータヨークに形成される磁路を遮るように配置される。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、
前記孔部は、前記ロータコアの径方向に指向した長軸を有する長孔である。

また、請求項３に記載の発明では、請求項２に記載の発明において、
前記ロータコアは積層鋼板（例えば、後述の実施形態での電磁鋼板２１）によって形成され、
前記孔部の短軸方向の幅（例えば、後述の実施形態での短軸方向の幅Ｗ）は、前記ロータコアを構成する１枚の鋼板の厚さ（例えば、後述の実施形態での厚さｔ）の２倍以上である。

また、請求項４に記載の発明では、請求項２又は３に記載の発明において、
前記ロータコアの外周面から前記孔部の長軸方向中心までの深さ（例えば、後述の実施形態での深さＤ）は、前記ロータヨークの前記ｄ軸方向に沿った厚み（例えば、後述の実施形態での厚みＴ）の半分未満である。

請求項１の発明によれば、ロータコアの磁石挿入孔よりも外周側には、永久磁石によって構成される各磁極の略ｄ軸上に孔部が設けられているため、回転電機のトルクリプルを低減できる。また、孔部を設けることによって、ロータコアの外周面とステータとの間の隙間における磁束変動を抑制することができるため、磁気損失が抑制される。さらに、孔部を設けることによって、ロータコアの磁石挿入孔よりも外周側の重量が低減するので、回転時に発生する遠心力が小さくなり、ロータをより高速で回転させることが可能となる。

請求項２の発明によれば、孔部は、ロータコアの径方向に指向した長軸を有する長孔であるので、回転電機が低進角領域ではトルクを低減させることなく、進角が進んだ領域ではトルクリプルを低減できる。

請求項３の発明によれば、孔部の短軸方向の幅は、積層鋼板によって形成されたロータコアを構成する１枚の鋼板の厚さの２倍以上であるため、金型を用いた打ち抜きによる鋼板の形成時に、金型の磨耗を低減できる。その結果、金型の寿命が延びる。

請求項４の発明によれば、ロータコアの外周面から孔部の長軸方向中心までの深さは、ロータヨークのｄ軸方向に沿った厚みの半分未満であるため、孔部によるトルクリプルの低減効果が大きい。

第１実施形態の回転電機のロータの正面図である。図１に示す回転電機のロータの１つの磁極部を抜き出して示す拡大図である。図２に示す回転電機のロータの要部拡大正面図である。回転電機の低トルク出力時における磁路の一例を示す要部拡大図である。回転電機の高トルク出力時における磁路の一例を示す要部拡大図である。孔部のロータ外周からの深さと回転電機のトルクリプルとの関係を示すグラフである。孔部の長さと回転電機の平均トルク及びトルクリプルとの関係を示すグラフである。孔部の幅と回転電機の平均トルク及びトルクリプルとの関係を示すグラフである。第２実施形態の回転電機のロータの要部拡大正面図である。第３実施形態の回転電機のロータの要部拡大正面図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態の回転電機のロータの正面図である。図２は、図１に示す回転電機のロータの１つの磁極部を抜き出して示す拡大図である。図３は、図２に示す回転電機のロータの要部拡大正面図である。

回転電機では、円環状に配置されたステータ（図示せず）の内周側に、複数の永久磁石３０を有するロータ１０が回転自在に設けられており、ステータに巻回されたコイルに通電することによりロータ１０が回転するように構成されている。

図１〜図３に示すように、本実施形態の回転電機のロータ１０は、円周方向に沿って複数の磁石挿入孔４０が形成されたロータコア２０と、各磁石挿入孔４０に挿入固定された永久磁石３０とを備える。

ロータコア２０は、略同一形状の円環状に打ち抜き形成された電磁鋼板２１を多数積層して形成されていると共に、その外周部に周方向に所定の間隔で複数の磁石挿入孔４０が形成されている。電磁鋼板２１は磁性材料によって形成される。

磁石挿入孔４０は、周方向に３分割された３つの空孔４０ａ，４０ｂ，４０ｃから構成されている。３つの空孔４０ａ，４０ｂ，４０ｃは、周方向に隣り合う空孔の長手方向中心線同士が１８０°未満の角度をなすよう、略Ｖ字形状に形成されている。

永久磁石３０は、周方向に３分割された３つの永久磁石片３０ａ，３０ｂ，３０ｃによって構成されており、これら３つの永久磁石片３０ａ，３０ｂ，３０ｃは、同一の断面略矩状に形成される。永久磁石片３０ａ，３０ｂ，３０ｃは、ロータコア２０の磁石挿入孔４０を構成する３つの空孔４０ａ，４０ｂ，４０ｃにそれぞれ挿入されて固定される。

磁石挿入孔４０に挿入固定された３つの永久磁石片３０ａ，３０ｂ，３０ｃは、１つの磁極部５０を構成する。ロータ１０の各磁極部５０は、ロータ１０の径方向に磁化され、且つ周方向で交互に磁化方向が異なる。より具体的には、図１に示すように、永久磁石３０Ａが磁石挿入孔４０に挿入されて構成された磁極部５０Ａにおいて、その外周側がＮ極とすると、隣接する磁極部５０Ｂは、その外周側がＳ極となるように、永久磁石３０Ｂが磁石挿入孔４０に挿入されて構成されている。

本実施形態では、ロータコア２０の磁石挿入孔４０よりも外周側を形成するロータヨーク４０ｄに、ロータコア２０の径方向に指向した長軸を有する孔部４５が、各磁極部５０のｄ軸上に形成されている。磁石挿入孔４０よりも外周側のｄ軸上に空隙としての孔部４５を設ければ、当該孔部４５によって永久磁石３０の磁束が遮られる。なお、空隙として形成された孔部４５には、樹脂などの非磁性材料が充填されていてもよい。また、孔部４５は、ｄ軸上に限定されず、図３に破線で示すようにｄ軸近傍に設けられても良い。但し、この場合も、孔部４５の長軸はロータコア２０の径方向に指向する。

図３に示すように、孔部４５の短軸方向の幅Ｗ（以下、単に「幅Ｗ」ともいう。）は、ロータコア２０を構成する１枚の電磁鋼板２１の厚さｔの２倍以上に設定されている。すなわち、「Ｗ≧２ｔ」の関係を有する。この関係を満たす幅Ｗの孔部４５であれば、金型を用いた打ち抜きによって電磁鋼板２１を形成する際に金型の磨耗が低減し、金型の寿命が長くなる。

孔部４５の長軸方向の長さＬ（以下、単に「長さＬ」ともいう。）は、回転電機のトルクリプルや出力トルクを勘案した最適値に設定される。

ロータコア２０の外周面２０ａから孔部４５の長軸方向中心までの深さＤ（以下、単に「深さＤ」ともいう。）は、ロータヨーク４０ｄのｄ軸方向に沿った厚みＴの半分未満に設定されている。すなわち、「Ｄ＜Ｔ／２」の関係を有する。上述の幅Ｗ、長さＬ及び深さＤの各設定値については後述する。

このように構成された回転電機のロータ１０が、図示しないステータの内周側に回転自在に配置されている回転電機において、ステータのコイルに通電すると、ステータには回転磁界が発生する。ステータに発生した回転磁界に応じてロータ１０が回転することによって、回転電機はトルクを出力する。図４は、回転電機の低トルク出力時における磁路の一例を示す要部拡大図であり、図５は、回転電機の高トルク出力時における磁路の一例を示す要部拡大図である。なお、図４及び図５では、ステータの各ティースに巻線が１回巻回された構成が示されているが、巻線が複数回巻回された構成であっても良い。

図４に示すように、ステータのコイルを流れる電流の進角が低く回転電機が低トルクを出力する際の、ロータコア２０の磁石挿入孔４０よりも外周側を形成するロータヨーク４０ｄには、ロータコア２０の径方向に磁路が形成される。このとき、ロータヨーク４０ｄのｄ軸上に設けられた孔部４５は、長軸がロータコア２０の径方向に指向した形状を有するため、ロータヨーク４０ｄに形成された磁路を遮らない。したがって、回転電機が低進角領域では、孔部４５の影響によるトルク低減は抑えられる。一方、図５に示すように、ステータのコイルを流れる電流の進角が進み回転電機が高トルクを出力する際の、ロータコア２０の磁石挿入孔４０よりも外周側を形成するロータヨーク４０ｄには、ロータコア２０の周方向に磁路が形成される。孔部４５は、長軸がロータコア２０の径方向に指向した形状を有するため、ロータヨーク４０ｄに形成された磁路を遮る。その結果、回転電機の進角が進んだ領域では、孔部４５の影響によるトルクリプル低減が実現できる。

次に、孔部４５の長さＬ、深さＤ及び幅Ｗの各設定値について説明する。

図６は、孔部４５のロータコア２０の外周面２０ａからの深さＤと回転電機のトルクリプルとの関係を示すグラフである。図６に示すように、孔部４５の深さＤが小さいほどトルクリプルは低下し、孔部４５によるトルクリプルの低減効果は大きくなる。しかし、過度に孔部４５を外周面２０ａに接近させると、孔部４５と外周面２０ａとの繋ぎ部４６が細くなって機械的強度が低下するため、Ｄ＝２ｍｍ程度に設定するのが好ましい。なお、約２ｍｍの深さＤに設けられた孔部４５は、上述した「Ｄ＜Ｔ／２」の関係を有する。

図７は、孔部４５の長軸方向の長さＬと回転電機の平均トルク及びトルクリプルとの関係を示すグラフである。図７に示すように、孔部４５の長さＬが長いほどトルクリプルは低下するが、平均トルクも低下する。このため、孔部４５の長さＬは、平均トルクの低下が比較的小さく、且つトルクリプルの低減効果が期待できる０．５ｍｍ程度に設定するのが好ましい。

図８は、孔部４５の短軸方向の幅Ｗと回転電機の平均トルク及びトルクリプルとの関係を示すグラフである。図８に示すように、孔部４５の幅Ｗが大きいほどトルクリプルは低下するが、平均トルクもわずかに低下する。上述した孔部４５の幅Ｗと、ロータコア２０を構成する１枚の電磁鋼板２１の厚さｔとの関係（Ｗ≧２ｔ）を考慮すると、電磁鋼板２１の厚さｔが０．３ｍｍの場合、孔部４５の幅Ｗは０．６ｍｍ程度に設定するのが好ましい。

以上説明したように、本実施形態によれば、ロータコア２０の磁石挿入孔４０よりも外周側を形成するロータヨーク４０ｄには、永久磁石３０によって構成される各磁極部５０の略ｄ軸上に孔部４５が形成されている。孔部４５を設ければ、図６〜図８に示すように、回転電機のトルクリプルを低減することができる。本実施形態のロータ１０を有する回転電機を車両に搭載すれば、車両の静粛性が向上する。また、ロータ１０からステータに流れる磁束量が孔部４５によって調整されるため、ロータコア２０の外周面２０ａとステータとの間の隙間における急激な磁束変動を抑制することができ、磁気損失が抑制される。さらに、空隙としての孔部４５を設けることによって、ロータコア２０の磁石挿入孔４０よりも外周側の重量が低減するので、回転時に発生する遠心力が小さくなり、ロータ１０をより高速で回転させることが可能となる。

また、孔部４５は、ロータコア２０の径方向に指向した長軸を有する長孔であるので、低進角領域でのトルクを低減させることなく、進角が進んだ領域でトルクリプルを低減できる。

また、ロータコア２０は積層された複数の電磁鋼板２１により形成され、孔部４５の短軸方向の幅Ｗは、ロータコア２０を構成する一枚の電磁鋼板２１の厚さｔの２倍以上であるので、金型を用いた打ち抜きによる電磁鋼板２１の形成時に、金型の磨耗を低減できる。その結果、金型の寿命が延びる。

（第２実施形態）
図９は、第２実施形態の回転電機のロータの要部拡大正面図である。第２実施形態の回転電機のロータ１０Ａが第１実施形態の回転電機のロータ１０と異なる点は、１つの磁極部５０が、略Ｖ字形に形成された磁石挿入孔４０に配置された２つの永久磁石片３０ａ，３０ｃによって構成されていることである。この点以外は第１実施形態と同様であり、図９において、図１と共通する構成要素には同じ参照符号が付されている。

第２実施形態の回転電機のロータ１０Ａであっても、第１実施形態の回転電機のロータ１０と同様に、孔部４５によるトルクリプルの低減効果を奏することができる。

（第３実施形態）
図１０は、第３実施形態の回転電機のロータの要部拡大正面図である。第３実施形態の回転電機のロータ１０Ｂが第１実施形態の回転電機のロータ１０と異なる点は、１つの磁極部５０が、回転電機のロータ１０Ｂの径方向に直交する方向に直線状に形成された磁石挿入孔４０に配置された１つの永久磁石３０によって構成されていることである。この点以外は第１実施形態と同様であり、図１０において、図１と共通する構成要素には同じ参照符号が付されている。

第３実施形態の回転電機のロータ１０Ｂはリラクタンストルクが低いため、孔部４５によるトルクリプル低減効果は低いが、孔部４５がない場合よりも上記効果を奏することができる。

本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、等が可能である。

１０，１０Ａ，１０Ｂロータ
２０ロータコア
２１電磁鋼板
３０，３０Ａ，３０Ｂ永久磁石
３０ａ，３０ｂ，３０ｃ永久磁石片
４０磁石挿入孔
４０ａ，４０ｂ，４０ｃ空孔
４０ｄロータヨーク
４５孔部
５０，５０Ａ，５０Ｂ磁極部
Ｄ孔部の深さ
Ｌ孔部の長軸方向の長さ
Ｗ孔部の短軸方向の幅
ｔ電磁鋼板の厚さ

Claims

周方向に所定の間隔で配置された複数の磁極部と、
磁性材料によって構成された略円環状のロータコアと、を備えた回転電機のロータであって、
各磁極部は、前記ロータコアに略Ｖ字状に形成された３つの空孔にそれぞれ挿入されて、略Ｖ字状に配置された３つの永久磁石片から構成され、
前記ロータコアは、外周面と、各磁極部の略Ｖ字状に配置された前記３つの永久磁石片とによって囲まれた領域を形成するロータヨークを有し、
前記３つの空孔は、各磁極部のｄ軸と交差する位置に配置された中央側空孔と、該中央側空孔の周方向両端側に配置された一対の周端側空孔と、によって構成され、
前記中央側空孔の外径側壁面は、前記ｄ軸と直交する直線状であり、
前記中央側空孔の前記外径側壁面には、前記ｄ軸と交差する位置に、径方向外側に突出した空隙部が形成されており、
前記ロータヨークは、周方向において、各磁極部の前記ｄ軸と交差する位置で、前記空隙部の周方向両端部よりも前記ｄ軸側の領域に形成された孔部を備え、
前記孔部は、前記回転電機が低進角領域の際に前記ロータヨークに形成される磁路を遮らず、かつ前記回転電機が高進角領域の際に前記ロータヨークに形成される磁路を遮るように配置される、回転電機のロータ。
請求項１に記載の回転電機のロータであって、
前記孔部は、前記ロータコアの径方向に指向した長軸を有する長孔である、回転電機のロータ。
請求項２に記載の回転電機のロータであって、
前記ロータコアは積層鋼板によって形成され、
前記孔部の短軸方向の幅は、前記ロータコアを構成する１枚の鋼板の厚さの２倍以上である、回転電機のロータ。
請求項２又は３に記載の回転電機のロータであって、
前記ロータコアの外周面から前記孔部の長軸方向中心までの深さは、前記ロータヨークの前記ｄ軸方向に沿った厚みの半分未満である、回転電機のロータ。