JP6711082B2

JP6711082B2 - 回転電機

Info

Publication number: JP6711082B2
Application number: JP2016072689A
Authority: JP
Inventors: 真大青山
Original assignee: Suzuki Motor Co Ltd
Current assignee: Suzuki Motor Co Ltd
Priority date: 2016-03-31
Filing date: 2016-03-31
Publication date: 2020-06-17
Anticipated expiration: 2036-03-31
Also published as: JP2017184579A

Description

本発明は、ＩＰＭ型の回転電機に関する。

動力源として回転電機が各種装置に搭載されている。このような回転電機としては、高残留磁束密度のネオジム磁石を回転子の鉄心内部に埋め込んだ永久磁石式の同期モータであるＩＰＭ（Interior Permanent Magnet）型が多用されている（例えば、特許文献１、２を参照）。

特開２００９−１１８７３１号公報特開２０１２−２４９５２０号公報

本発明は、軽量化かつエネルギ変換効率の向上が図れるＩＰＭ型の回転電機を提供することを目的としている。

上記課題を解決する本発明に係る回転電機は、磁極ごとに磁極を形成するための一対の永久磁石が埋め込まれている回転子と、前記回転子に対面する複数のティース間のスロットにコイルが収容されている固定子と、を備えた回転電機であって、前記回転子に、前記一対の永久磁石の間および前記回転子の回転軸の軸心を通るｄ軸に沿って、前記一対の永久磁石の間から前記回転子の回転軸側に伸びるようにフラックスバリアが形成されており、前記回転子は、前記磁極間および前記回転子の回転軸の軸心を通るｑ軸上に、磁束の通過経路を導く透磁率の小さな整流空隙を備え、前記整流空隙は、前記ｑ軸上において複数個所に分離されるように配置されており、前記フラックスバリアは、前記ｑ軸上に配置されている整流空隙のうち前記回転軸側に位置する前記整流空隙と周方向で重なる位置まで前記回転子の回転軸側に伸びている。

このように本発明の一態様によれば、軽量化かつエネルギ変換効率の向上が図れるＩＰＭ型の回転電機を提供することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係るＩＰＭ型の回転電機の概略全体構成を示す平面図である。図２は、図１に示す回転電機の一部の構成を示す拡大平面図である。図３は、第１２次空間高調波成分の磁束線および第１２次空間高調波磁束ベクトル分布を示す平面図である。図４は、図３に示す第１２次空間高調波成分の磁束線および第１２次空間高調波磁束ベクトル分布との比較例における第１２次空間高調波成分の磁束線および第１２次空間高調波磁束ベクトル分布を示す平面図である。図５は、サイドエンド溝の有無に対応した応じた磁束波形をフーリエ級数展開して求めた静止座標系での第９次〜第１５次の空間高調波磁束成分における磁束強度を示すグラフである。図６は、図１に示すＩＰＭ型の回転電機の最大負荷駆動における磁石磁束と電機子磁束との合成磁束の磁束線を示す平面図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。図１〜図３、図５および図６は本発明に係るＩＰＭ（Interior Permanent Magnet）型の回転電機の一実施形態を示す図である。本実施形態の説明では、各図に向かって、固定子に対して回転子を反時計方向に回転させる場合を一例として説明する。

図１において、回転電機１０は、概略円筒形状に形成された固定子１１と、固定子１１内に回転自在に収容された回転子１２とを備える。回転子１２は軸心を中心に回転する回転軸１３に固定されていて回転軸１３とともに回転する。回転電機１０は、例えば、ハイブリッド自動車（ＨＥＶ：Hybrid Electric Vehicle）や電気自動車（ＥＶ：Electric Vehicle）において、内燃機関と同様の駆動源として、あるいは車輪ホイール内に搭載する電動機として好適な性能を有している。

固定子１１には、内側の周面に沿って均等な間隔をおいて複数のステータティース１５が形成されている。複数のステータティース１５は、回転軸１３の軸心を通過する径方向の回転軸１３に向かう方向に延出されている。複数本のステータティース１５の回転軸１３側の先端面によって形成されている内周面１５ａが、ギャップＧを介して回転子１２の外周面１２ａに対面している。

各ステータティース１５には、３相巻線が分布巻により巻き付けられていて、３相巻線に電力が供給されると３相巻線は回転子１２を回転駆動させる磁束を発生する。隣り合う一対のステータティース１５の間にはスロット１８が形成されている。スロット１８には、ステータティース１５に巻かれた３相巻線が配置されている。

回転子１２には、回転方向に沿って、複数の対の空間１７が均等な間隔をおいて形成されている。各対の空間１７は、概略、外周面１２ａに向かって開くＶ字型を形成している。各空間１７は、後述する永久磁石１６が埋め込まれた矩形の空間１７ａと、空間１７ａの長手方向の両端側に形成されていて、磁束の回り込みを制限するフラックスバリアとして機能する空間１７ｂ、１７ｃ（以下ではフラックスバリア１７ｂ、１７ｃともいう）とからなる。

各空間１７ａには、一枚の平板状の永久磁石１６が埋め込まれている。これにより、一対の永久磁石１６が、外周面１２ａに向かって開くＶ字型になるように配置されることになり、一対の永久磁石１６によって１磁極が構成されている。各永久磁石１６はエッジ部１６ａを有している。エッジ部１６ａは、各空間１７ａの縁に引っかかっていて永久磁石１６が空間１７ａ内で動かないようになっている。

隣り合う一対の空間１７ｃの間にはセンタブリッジ２０が形成されている。センタブリッジ２０は、永久磁石１６を高速回転時の遠心力に抗して動かないように保持し、さらに、空間１７ｃの間を通過して軸心を通過する直径方向に延長されていることによって回転子１２の外周側の部分と内周側の部分とを連結する。

このように、回転子１２内に永久磁石１６をＶ字に埋め込んだＩＰＭ構造では、磁極が作る磁束の方向に関して、回転軸１３の軸心からＶ字を形成する一対の永久磁石１６の間を通る中心軸をｄ軸とし、また、隣接する磁極間となる隣接する一対の永久磁石１６同士の間を通り、ｄ軸と電気的・磁気的に直交する中心軸をｑ軸とする。

回転電機１０では、ｄ軸に対応するステータティース１５から進入する電機子磁束Ψｒにトルクリプル増加原因となる５次や７次の空間高調波が多く重畳しないように、回転子１２の外周面１２ａにセンタ溝２１が形成されている。センタ溝２１の深さは、センタ溝２１のない寸法形状を基準として、最大負荷時に発生するトルクリプルが低減可能になるように決定される。また、センタ溝２１は、固定子１１のステータティース１５に対する相対的な位置関係から寸法形状が決定される。

また、回転電機１０では、トルクの減少を最小限にしつつ、無負荷時のコギングトルクや低負荷時および最大負荷時のトルクリプルを低減して全駆動領域でのトルクの脈動を抑えるためにサイド溝２２が回転子１２の外周面１２ａ上に形成されている。各サイド溝２２の形成されている位置は、外周面１２ａ上において、１磁極を形成する一対の永久磁石１６のそれぞれの外周面１２ａに近い角部からｄ軸側の位置である。

サイド溝２２を回転子１２の外周面１２ａの最適位置に形成することにより、いずれでもトルクリプルを低減することができている。

さらに、回転電機１０は、サイド溝２２を回転子１２の外周面１２ａの最適位置に形成することにより、コギングトルクを５０％以上低減することができている。

回転電機１０では、回転子１２の一対の永久磁石１６で構成される１磁極に、回転子１２の６本のステータティース１５が対面する。すなわち、回転電機１０は、隣り合う１磁極ごとに永久磁石１６のＮ極とＳ極との組合せが反転し、８極（４極対）、４８スロット、単相分布巻５ピッチで巻線した３相のＩＰＭモータとなるように構成されている。言い換えると、回転電機１０は、毎極毎相スロット数ｑ＝（スロット数／極数）／相数＝２のＩＰＭ型構造を持つ。

これにより、回転電機１０は、固定子１１のスロット１８内のコイルに通電してステータティース１５から対面する回転子１２内に磁束を通すことにより回転駆動することができる。より詳しく説明すると、回転電機１０は、固定子１１による回転磁界の極と永久磁石１６との間に生じる吸引力または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って回転駆動することができる。これにより、回転電機１０は、通電入力する電気的エネルギを、固定子１１に対して回転子１２と一体回転する回転軸１３から、機械的エネルギとして出力することができる。

固定子１１と回転子１２は、ケイ素鋼などの電磁鋼板材料の薄板が所望の出力トルクに応じた厚さになるように、回転軸１３の長手方向に沿った軸方向に積み重ねられて形成されている。回転子１２は、積層状態を維持するようにカシメ１９などにより一体に作製されている。

また、回転子１２の外周面１２ａ上に、外周面１２ａとｑ軸との交差する位置の近くの所定の位置にサイドエンド溝２３が形成されている。所定の位置は、ｑ軸の近傍であり、第１２次の空間高調波の磁束成分が集中する位置である。サイドエンド溝２３の最適な幅ＭＨの寸法は、固定子１１のステータティース１５間に形成されるスロット１８の開口幅ＳＯの寸法と同一である。サイドエンド溝２３の深さＲＧ２は、サイド溝２２の溝深さＲＧ１と同様に、磁界解析等により回転電機１０の構造に応じて決定することができる。

このように、回転子１２の外周面１２ａ上にサイドエンド溝２３を形成することにより、サイドエンド溝２３の位置を通過する磁気の抵抗を増加させることができる。このため、図３に示す破線で囲まれた領域ＥＭに示すように、サイドエンド溝２３の位置では第１２次の空間高調波の磁束成分の鎖交が制限される。言い換えると、フラックスバリア１７ｂのｑ軸近傍に第１２次の空間高調波の磁束成分が集中することを抑制することができるようになる。

図４に、サイドエンド溝２３のない回転子１２Ｅによる磁束線図を比較例として示す。図４の磁束線図に示すように、フラックスバリア１７ｂのｑ軸側近傍の破線で囲まれた領域ＥＭにおいては、図３の破線で示された領域ＥＭに示す第１２次の空間高調波の磁束成分よりも、第１２次の空間高調波の磁束成分が集中していることが分かる。この比較例のように、空間高調波磁束の鎖交が集中すると、トルクリプルや電磁騒音や鉄損の増加の要因となる。

また、図５は、回転子１２とステータティース１５との間で鎖交する磁束波形をフーリエ級数展開して求めた磁束量を示す図で、サイドエンド溝の有無に応じた第９次数から第１５次数までの空間高調波の磁束量を示す。図５から、回転子１２にサイドエンド溝２３が形成されたことにより、第１１次と第１３次の空間高調波（第１２次の空間高調波磁束を回転座標系から静止座標系に変換したときの空間高調波）の磁束量が低減できていることが分かる。この結果、回転電機１０では、トルクリプルや電磁騒音や鉄損を低減することができる。

また、図１および図２に戻って説明すると、回転子１２において、各対の永久磁石１６が形成する各磁極間のｑ軸上に整流空隙３０が形成されている。整流空隙３０は、第１整流空隙３１と第２整流空隙３２とからなる。第１整流空隙３１および第２整流空隙３２は、ｑ軸上に直列に配置されている。

第１整流空隙３１および第２整流空隙３２は、永久磁石１６よりも回転軸１３側に位置しており、空隙内部に透磁率の低い空気を存在させて磁束の通過を制限するように機能する。これにより、磁気飽和の発生しない範囲で磁束の流れを整流してｑ軸に沿って磁路の形成を促しながら性能に不要な磁路部分の鉄心を除くことができるため回転子の軽量化とイナーシャ低減を図ることができる。また、磁極毎に磁気抵抗の小さい磁気回路を形成することができる。

図２からわかるように、整流空隙３０の全体的な概略の形状は、整流空隙３１の外周面１２ａ寄りの一端側が外周面１２ａ側ほど細くなる先細り形状であり、反対に整流空隙３２の回転軸１３寄りの他端側が回転軸１３側ほど幅広形状である。

具体的に説明すると、第１整流空隙３１は、第２整流空隙３２よりも外周面１２ａ側に位置していて、回転軸１３より外周面１２ａ側に位置する先端部３１ａと、回転軸１３側に位置する後端部３１ｂとからなる。先端部３１ａは、図２に示すように、三角形状に形成されており、後端部３１ｂは直径方向に長辺を有する長方形状に形成されている。第２整流空隙３２は、外周面１２ａ側から回転軸１３側に向かって幅広になる台形に形成されている。整流空隙３２の外周面１２ａ側の幅は、第１整流空隙３１の後端部３１ｂの幅と略同一である。

図６は、回転電機１０の最大負荷駆動における磁石磁束と電機子磁束との合成磁束の磁束線を示す。図６からわかるように、ｄ軸を挟む一対の空間１７ｃはステータティース１５から回転子１２内に進入する電機子磁束Ψｒを回転軸１３側に迂回させる。これに合わせて、整流空隙３０は永久磁石１６よりも回転軸１３側に迂回する電機子磁束Ψｒが隣接する磁極に向かってしまわないように磁束の流れを整流する。これにより、回転子１２に、磁気飽和しない範囲で磁気抵抗が小さな磁気回路が形成される。この結果、回転電機１０は、効率よくトルクＴを発生させることができるようになる。

回転電機１０は、図６に磁束線図として図示するように、１磁極を構成する一対の永久磁石１６に対応する複数のステータティース１５毎に、固定子１１の外周側から回転子１２内を通過する電機子磁束による磁路が形成されている。このような磁路を形成するように、ステータティース１５に巻線コイルが分布巻きされている。永久磁石１６は、電機子磁束Ψｒの磁路に沿うように、言い換えると、その電機子磁束Ψｒの形成を妨げないように、Ｖ字の一対の空間１７の空間１７ａ内に収容されている。

回転子１２内に永久磁石１６をＶ字型に埋め込むＩＰＭ構造の回転電機１０の場合、トルクＴは、下記の式（１）で表すことができ、マグネットトルクＴｍとリラクタンストルクＴｒとの和が最大となる電流位相にて駆動することで高トルク・高効率運転を実現している。

Ｐｐ：極対数、Ψｍ：電機子（ステータティース１５）鎖交磁石磁束、
ｉｄ：線電流のｄ軸成分、ｉｑ：線電流のｑ軸成分、
Ｌｄ：ｄ軸インダクタンス、Ｌｑ：ｑ軸インダクタンス

ところで、回転電機１０のトルクリプルは、３相の場合、１相１極毎の磁束波形に重畳する空間高調波と相電流に含まれる時間高調波に起因して、電気角で６ｆ次成分（ｆ＝１、２，３...：自然数）で発生することが分かっている。

以下に、トルクリプルの発生原因について説明すると、３相出力（電力）Ｐ（ｔ）とトルクτ（ｔ）は、角速度をωｍ、各相の誘起起電力をＥｕ（ｔ）、Ｅｖ（ｔ）、Ｅｗ（ｔ）、角相の電流をＩｕ（ｔ）、Ｉｖ（ｔ）、Ｉｗ（ｔ）とすると、次の式（４）、式（５）で求めることができる。
Ｐ(t)＝Ｅ_ｕ(t)Ｉ_ｕ(t)＋Ｅ_ｖ(t)Ｉ_ｖ(t)＋Ｅ_ｗ(t)Ｉ_ｗ(t) ・・・（４）
τ(t)＝Ｐ（ｔ）／ω_ｍ
＝[Ｅ_ｕ(t)Ｉ_ｕ(t)＋Ｅ_ｖ(t)Ｉ_ｖ(t)＋Ｅ_ｗ(t)Ｉ_ｗ(t)] ・・・（５）

３相トルクは、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のそれぞれのトルクの和であり、ｍを電流の高調波成分、ｎを電圧の高調波成分を表すものとし、Ｕ相電流Ｉ_ｕ（ｔ）を次の式（６）と置くと、Ｕ相トルクτ_ｕ（ｔ）は次の式（７）のように表すことができる。

相電流Ｉ（ｔ）と相電圧Ｅ（ｔ）は、いずれも対称波であるために「ｎ」と「ｍ」は奇数のみとなる。Ｕ相以外のＶ相トルクとＷ相トルクは、それぞれＵ相誘起電圧Ｅ_ｕ（ｔ）、Ｕ相電流Ｉ_ｕ（ｔ）に対して「＋２π／３（ｒａｄ）」、「−２π／３（ｒａｄ）」の位相差であることから、全体のトルクとしては、「６」の係数の項だけが残るようにキャンセル（相殺）されて、
６ｆ＝ｎ±ｍ（ｆ：自然数）、ｓ＝ｎα_ｎ＋ｍβ_ｍ、ｔ＝ｎα_ｎ−ｍβ_ｍ
と、置くと、次の式（８）のように表すことができる。

また、この誘起電圧は、磁束を時間微分して求めることができることから、各誘起電圧に含まれる高調波の次数と１相１極磁束に含まれる高調波も同じ次数成分が発生することになる。その結果、３相交流モータにおいては、磁束（誘起電圧）に含まれる空間高調波次数ｎと相電流に含まれる時間高調波次数ｍとの組み合わせが６ｆになるときに、その６ｆ次成分のトルクリプルが発生していることになる。

よって、３相モータのトルクリプルは、上述するように、１相１極における磁束波形における空間高調波ｎと相電流の時間高調波ｍにおいては、ｎ±ｍ＝６ｆ（ｆ：自然数）のときに発生することから、例えば、１１次と１３次の空間高調波（ｎ＝１１、１３）が重畳していると相電流の基本波（ｍ＝１）との合わせにより１２次の高調波トルクが発生することが分かる。

そして、この回転電機１０では、回転子１２におけるＶ字空間１７のフラックスバリア１７ｃとして、永久磁石１６を比率δ＝１．４４の寸法形状にしつつ軸心に向けての拡大サイズを最適化するために、軸心側の端部壁面位置を決定する。

回転電機１０では、上記のトルクリプルなどのトルク特性に基づいて、回転子１２におけるセンタ溝２１の最適な寸法形状を決定している。

また、本実施形態の他の態様としては、図示することは省略するが、回転電機１０のように径方向にギャップＧを形成するラジアルギャップ構造に限らずに、回転軸方向にギャップを形成するアキシャルギャップ構造に適用することも可能である。また、軸心側を固定子として、外周側を回転子とする、所謂、アウターロータタイプに適用することもできる。

また、回転電機１０は、車載用に限定されるものではなく、例えば、風力発電や、工作機械などの駆動源として好適に採用することができる。

本発明の実施形態を開示したが、当業者によっては本発明の範囲を逸脱することなく変更が加えられうることは明白である。すべてのこのような修正及び等価物が次の請求項に含まれることが意図されている。

１０回転電機（ＩＰＭ型）
１１固定子
１２回転子
１２ａ外周面
１３回転軸
１５ステータティース
１６永久磁石
１７Ｖ字空間
１７ｂ、１７ｃフラックスバリア
１８スロット
２０センタブリッジ
２１センタ溝
２２サイド溝
２３サイドエンド溝
３０、３１、３２整流空隙
３５、３６連結ブリッジ
Ｇエアギャップ

Claims

磁極ごとに磁極を形成するための一対の永久磁石が埋め込まれている回転子と、前記回転子に対面する複数のティース間のスロットにコイルが収容されている固定子と、を備えた回転電機であって、
前記回転子に、前記一対の永久磁石の間および前記回転子の回転軸の軸心を通るｄ軸に沿って、前記一対の永久磁石の間から前記回転子の回転軸側に伸びるようにフラックスバリアが形成されており、
前記回転子は、前記磁極間および前記回転子の回転軸の軸心を通るｑ軸上に、磁束の通過経路を導く透磁率の小さな整流空隙を備え、
前記整流空隙は、前記ｑ軸上において複数個所に分離されるように配置されており、
前記フラックスバリアは、前記ｑ軸上に配置されている整流空隙のうち前記回転軸側に位置する前記整流空隙と周方向で重なる位置まで前記回転子の回転軸側に伸びている、回転電機。
前記ｑ軸上の複数個所に分離している前記整流空隙のうち、前記回転軸側に位置する前記整流空隙の前記回転子の回転軸と直交する断面形状は、前記回転子の内周面側ほど太くなる形状に形成されている、請求項１に記載の回転電機。
前記回転子の外周面には、前記ｄ軸を挟んで対称に配置された一対のサイド溝と、前記ｄ軸を挟んで前記一対のサイド溝の外側に配置された一対のサイドエンド溝とが形成されており、
前記サイド溝は前記サイドエンド溝よりも幅広に形成されて、前記サイドエンド溝は前記固定子側のスロットと同等の幅に形成されており、
前記サイドエンド溝は、前記ｑ軸の近傍に配置されている、請求項１または請求項２に記載の回転電機。
永久磁石が埋め込まれている回転子と、前記回転子に対面する複数のティース間のスロットにコイルが収容されている固定子と、を備える回転電機であって、
前記回転子において、前記永久磁石が形成する磁極間のｑ軸上に、磁束の通過経路を導く透磁率の小さな整流空隙を備え、
前記整流空隙は、前記ｑ軸上において複数個所に分離されるように配置されており、
前記回転子は、カシメ部によって連結された複数の電磁鋼板で構成され、
前記カシメ部は、前記ｑ軸上に分離して配置される整流空隙同士の間に配置されている、回転電機。