JP6737354B1

JP6737354B1 - 回転子

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Publication number: JP6737354B1
Application number: JP2019020270A
Authority: JP
Inventors: 駿上野
Original assignee: Meidensha Corp
Current assignee: Meidensha Corp
Priority date: 2019-02-07
Filing date: 2019-02-07
Publication date: 2020-08-05
Anticipated expiration: 2039-02-07
Also published as: US20220045564A1; JP2020129853A; US11404924B2; WO2020161960A1

Abstract

【課題】機械強度を確保しつつ、トルク及び回転速度を向上させることを可能とする回転子を提供する。【解決手段】複数の外径側磁石溝１２，１３と、複数の内径側磁石溝１４，１５と、各外径側磁石溝１２，１３に嵌合する複数の外径側磁石２１，２２と、各内径側磁石溝１４，１５に嵌合する複数の内径側磁石２３，２４とを備え、外径側磁石溝１２，１３の各凹部１２ａ〜１２ｄ，１３ａ〜１３ｄのなかで最もｄ軸に近い凹部１２ｃ，１３ｃの径方向の長さをＬｂ１とし、内径側磁石溝１４，１５の各凹部のなかで最も前記ｄ軸に近い凹部１４ｄ，１５ｄの径方向の長さをＬｂ２とすると、Ｌｂ２＞Ｌｂ１となるものとする。【選択図】図２

Description

本発明は、回転電機に設けられる回転子に関するものである。

回転電機に設けられる回転子のうち、磁石が埋め込まれた回転子においては、磁石の量を増加させることなくトルクを向上させるため、例えば下記特許文献１に開示されるように、磁石を多層配置とし、突極比を向上させる手法が知られている。

特許第５２５９９２７号公報

上記特許文献１には、磁石を多層配置にすることで、トルクリプルを低減しつつ出力を向上させることが開示されているが、回転子の強度については検討されておらず、回転子が高速回転する場合に損傷する可能性がある。

本発明は、上記技術的課題に鑑み、機械的強度を確保しつつ、トルク及び回転速度を向上させることを可能とする回転子を提供することを目的とする。

上記課題を解決するための第１の発明に係る回転子は、
回転子鉄心に、径方向断面視において各ｄ軸を中心として線対称に離間して配され、それぞれの四隅には外向きに広がる凹部が形成される複数の外径側磁石溝と、
前記回転子鉄心に、径方向断面視において各前記ｄ軸を中心として線対称に離間して配され、それぞれの各前記ｄ軸側の一端は、前記外径側磁石溝における各前記ｄ軸側の一端よりも内径側に位置し、それぞれの四隅には外向きに広がる凹部が形成される複数の内径側磁石溝と、
径方向断面視において矩形状であり、各前記外径側磁石溝に嵌合する複数の外径側磁石と、
径方向断面視において矩形状であり、各前記内径側磁石溝に嵌合する複数の内径側磁石とを備え、
前記外径側磁石溝の各前記凹部のなかで最も前記ｄ軸に近い凹部の径方向の長さをＬｂ１とし、前記内径側磁石溝の各前記凹部のなかで最も前記ｄ軸に近い凹部の径方向の長さをＬｂ２とすると、Ｌｂ２＞Ｌｂ１となる
ことを特徴とする。

上記課題を解決するための第２の発明に係る回転子は、
上記第１の発明に係る回転子において、
前記外径側磁石の径方向断面視における長手方向の長さをＷ１とし、前記内径側磁石の径方向断面視における長手方向の長さをＷ２とすると、０．４２≦Ｗ１／Ｗ２≦０．６３となる
ことを特徴とする。

上記課題を解決するための第３の発明に係る回転子は、
上記第２の発明に係る回転子において、
さらに、０．４５≦Ｗ１／Ｗ２≦０．６３となる
ことを特徴とする。

上記課題を解決するための第４の発明に係る回転子は、
上記第１から３のいずれか１つの発明に係る回転子において、
前記外径側磁石と回転子軸心との最短距離をＬ１、前記外径側磁石の最もｑ軸側の角部と前記回転子軸心との距離をＬ２、前記内径側磁石と前記回転子軸心との最短距離をＬ３、内径側磁石と前記回転子軸心との最大距離をＬ４とすると、α＝（Ｌ１−Ｌ３）／（Ｌ４−Ｌ３），０．５≦α≦１，Ｌ１＜Ｌ２となる
ことを特徴とする。

上記課題を解決するための第５の発明に係る回転子は、
上記第４の発明に係る回転子において、
さらに、０．５≦α≦０．８５となる
ことを特徴とする。

上記課題を解決するための第６の発明に係る回転子は、
上記第１から５のいずれか１つの発明に係る回転子において、
前記内径側磁石は、複数の内径側磁石片からなる
ことを特徴とする。

本発明に係る回転子によれば、機械強度を確保しつつ、トルク及び回転速度を向上させることが可能となる。

本発明の実施例１における回転子鉄心の部分拡大図である。本発明の実施例１に係る回転子の部分拡大図である。外径側ブリッジ部の径方向の長さよりも内径側ブリッジ部の径方向の長さの方が長く、さらに、内径側磁石溝のｄ軸側の一端が外径側磁石溝に接近した形状となっている回転子の部分拡大図である。本発明の実施例１における、磁石幅比とトルク変化率との関係の解析結果を表すグラフである。本発明の実施例１における、外径側磁石と回転子の軸心との最短距離、外径側磁石の最もｑ軸側の角部と回転子の軸心との距離、内径側磁石と回転子の軸心との最短距離、及び、内径側磁石と回転子の軸心との最大距離と、トルク変化率との関係の解析結果を表すグラフである。本発明の実施例２に係る回転子の部分拡大図である。

以下、本発明に係る回転子について、実施例にて図面を用いて説明する。

［実施例１］
まず、図１，２の部分拡大図を用いて、本実施例に係る回転子（回転子１）の構成を説明する。図１，２中において、破線で表しているｄ軸は主磁束方向を、ｑ軸はｄ軸と電気的及び磁気的に直交する方向を、それぞれ示す一般的な表記である。そして図１，２は、１つのｑ軸からそのｑ軸に対して周方向に隣り合うｑ軸までの範囲を表している。

回転子１は、磁石を径方向に多層配置する構造であり、複数の磁石溝１２〜１５を有する回転子鉄心１１、及び、この磁石溝１２〜１５にそれぞれ配される、複数の径方向断面視において矩形状の磁石２１〜２４を備えている。なお、回転子１のうち、図示されていない部分においても、図示されている部分と同様の構成となっているが、以下では説明の重複を避けるため省略する。

図２に示すように、２つの外径側磁石溝１２，１３は（径方向断面視において）、回転子鉄心１１の外縁１１ａ近傍で、ｄ軸を中心として線対称に配されている。また、外径側磁石溝１２，１３は、それぞれ、ｄ軸側の一端（後述する凹部１２ｃ，１２ｄ，１３ｃ，１３ｄ）が、ｑ軸側の他端（後述する凹部１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂ）よりも回転子１の内径側に位置するように延伸して形成されている。

同じく図２に示すように、２つの内径側磁石溝１４，１５は（径方向断面視において）、ｄ軸を中心として線対称に配されている。また、内径側磁石溝１４，１５は、それぞれ、ｄ軸側の一端（後述する凹部１４ｃ，１４ｄ，１５ｃ，１５ｄ）が、ｑ軸側の他端（後述する凹部１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂ）よりも回転子１の内径側に位置するように延伸して形成されている。

また、内径側磁石溝１４，１５のｄ軸側の一端（後述する凹部１４ｃ，１４ｄ，１５ｃ，１５ｄ）は、上述した外径側磁石溝１２，１３におけるｄ軸側の一端よりも内径側に位置している。

さらに、内径側磁石溝１４，１５のｑ軸側の他端（後述する凹部１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂ）は、周方向において、上述した外径側磁石溝１２，１３におけるｑ軸側の他端と当該他端に最も近いｑ軸との間に位置している。

そして、磁石溝１２〜１５は、それぞれ四隅には外向きに広がる凹部が形成されている。すなわち、図１に示すように、外径側磁石溝１２の四隅には凹部１２ａ〜１２ｄが、外径側磁石溝１３の四隅には凹部１３ａ〜１３ｄが、内径側磁石溝１４の四隅には凹部１４ａ〜１４ｄが、内径側磁石溝１５の四隅には凹部１５ａ〜１５ｄが、それぞれ形成されている。

図２に示すように、外径側磁石溝１２，１３に配される磁石を、それぞれ外径側磁石２１，２２とする。外径側磁石２１，２２は、外径側磁石溝１２，１３（の各凹部以外の部分）に嵌合して配されている。同じようにして、内径側磁石溝１４，１５に配される磁石を、それぞれ内径側磁石２３，２４とする。内径側磁石２３，２４は、内径側磁石溝１４，１５（の各凹部以外の部分）に嵌合して配されている。

磁石溝１２〜１５にそれぞれ磁石２１〜２４が１つずつ配された状態において、上記各凹部と磁石１２〜１５との間には、それぞれ非磁性領域（フラックスバリア）としての空隙が形成される形状となっている。

すなわち、図２に示すように、外径側磁石溝１２については、凹部１２ａと外径側磁石２１との間には空隙１２Ａが、凹部１２ｂと外径側磁石２１との間には空隙１２Ｂが、凹部１２ｃと外径側磁石２１との間には空隙１２Ｃが、凹部１２ｄと外径側磁石２１との間には空隙１２Ｄが、それぞれ形成されることとなる。ただし、このうち空隙１２Ｃについては、外径側磁石２１の角部が凹部１２ｃに当接していることで、空間が２分割されている。

そして、その他の磁石溝１３，１４，１５の凹部１３ａ〜１３ｄ，１４ａ〜１４ｄ，１５ａ〜１５についても同様に、磁石２２〜２４がそれぞれ配された状態において、空隙１３Ａ〜１３Ｄ，１４Ａ〜１４Ｄ，１５Ａ〜１５Ｄがそれぞれ形成され、空隙１３Ｃ，１４Ｃ，１５Ｃにおいては、磁石２２，２３，２４により、それぞれ空間が２分割されている。

また、回転子鉄心１１は、外径側磁石溝１２の凹部１２ｃと外径側磁石溝１３の凹部１３ｃとの間に、外径側ブリッジ部１６が形成されており、内径側磁石溝１４の凹部１４ｄと内径側磁石溝１５の凹部１５ｄとの間には、内径側ブリッジ部１７が形成されている。

換言すれば、回転子鉄心１１において、外径側磁石溝１２と外径側磁石溝１３とは互いに離間して形成されており、内径側磁石溝１４と内径側磁石溝１５も互いに離間して形成されているということである。

回転子鉄心１１は、図１に示すように、外径側ブリッジ部１６の径方向の長さ、すなわち凹部１２ｃ，１３ｃ（外径側磁石溝１２，１３の各凹部のなかで最もｄ軸に近い凹部）の径方向の長さを、Ｌｂ１とし、内径側ブリッジ部１７の径方向の長さ、すなわち凹部１４ｄ，１５ｄ（外径側磁石溝１４，１５の各凹部のなかで最もｄ軸に近い凹部）の径方向の長さを、Ｌｂ２とすると、Ｌｂ２＞Ｌｂ１となっている。

そして、図２に示すように、外径側磁石２１，２２の（径方向断面視における）長手方向（図１の外径側磁石溝１２，１３の延伸方向）の長さをＷ１、内径側磁石２３，２４の（径方向断面視における）長手方向（図１の内径側磁石溝１４，１５の延伸方向）の長さをＷ２とすると、０．４２≦Ｗ１／Ｗ２≦０．６３、好ましくは、０．４５≦Ｗ１／Ｗ２≦０．６３となる。

さらに、外径側磁石２１，２２と回転子１の軸心（図示略）との最短距離をＬ１、外径側磁石２１，２２の最もｑ軸側の角部と回転子１の軸心との距離をＬ２、内径側磁石２３，２４と回転子１の軸心との最短距離をＬ３、内径側磁石２３，２４と回転子１の軸心との最大距離をＬ４とすると、α＝（Ｌ１−Ｌ３）／（Ｌ４−Ｌ３），０．５≦α≦１，Ｌ１＜Ｌ２となるものとする。ただし、好ましくは０．５≦α≦０．８５とする。
以上が回転子１の構成についての説明である。

ここで、仮に、外径側磁石２１，２２と内径側磁石２３，２４との磁石幅比を、Ｗ１／Ｗ２＜０．４２とすると、外径側磁石２１，２２のサイズが小さすぎてしまい、マグネットトルクが低下するが、当該磁石幅比を、０．６３＜Ｗ１／Ｗ２としても、外径側磁石２１，２２のサイズが大きすぎて、回転子鉄心１１の磁路（特に後述する磁路Ｍ２）が狭くなってしまい、リラクタンストルクが低下する。

図４は、磁石幅比Ｗ１／Ｗ２とトルク変化率との関係の解析結果を表すグラフである。なお、当該グラフにおけるトルク変化率については、Ｗ１／Ｗ２＝０．３５を基準（０％）としている。そして、当該グラフには、Ｗ１／Ｗ２＜０．４２及び０．６３＜Ｗ１／Ｗ２の領域において、トルク率が大きく減少することが示されている。

したがって、本実施例のように、０．４２≦Ｗ１／Ｗ２≦０．６３、より好ましくは、０．４５≦Ｗ１／Ｗ２≦０．６３とすることで、高トルク特性を有することができる。

また、一般的に、磁石を径方向に多層配置する構造の回転子の回転中においては、外径側ブリッジ部１６に比べ、内径側ブリッジ部１７の方が大きな応力が発生する。これは、回転子１の内径側に回転軸を焼き嵌めする製造工程に起因するもので、回転子１の内径側は、遠心力に加え、焼き嵌め時の応力を受けるためである。

そこで、回転子１は、Ｌｂ２＞Ｌｂ１とすることで、内径側ブリッジ１７の方が外径側ブリッジ部１６より緩やかに湾曲することとなり、強度を高めることができ、高速回転時の損傷を防止することができる。

しかしながら、単にＬｂ２＞Ｌｂ１の関係にするだけでは、例えば、図３の回転子１１´の形状であっても成立する。図３に示す回転子１´は、回転子鉄心１１´に形成される磁石溝１２´〜１５´のうち、外径側磁石溝１２´，１３´は、図１，２における外径側磁石溝１２，１３と同様の形状であるが、内径側磁石溝１４´，１５´は、図１，２における内径側磁石溝１４，１５に比べ、ｄ軸側の一端が外径側磁石溝１２´，１３´に接近した形状となっている。

磁石を径方向に多層配置する構造の回転子においては、図２に一点鎖線矢印で示すように、外径側磁石溝１３と外縁１１ａとの間を通る磁路Ｍ１、外径側磁石溝１３と内径側磁石溝１５との間を通る磁路Ｍ２、及び、内径側磁石溝１５とそれに最も近いｑ軸との間を通る磁路Ｍ３がある。

図３に示す回転子１´の場合、外径側磁石溝１２´，１３´と内径側磁石溝１４´，１５´との距離が狭くなる。すなわち、図３中に一点鎖線矢印で示すような、外径側磁石溝１２´，１３´と内径側磁石溝１４´，１５´との間を通る磁路Ｍ２´（図２の磁路Ｍ２に対応）の幅が、特に破線円Ａ周辺の位置（ｄ軸側の一端周辺）において狭くなる。これにより、磁気飽和を引き起こしてリラクタンストルクが低下する虞がある。

そこで、磁石２１〜２４のサイズを、０．４２≦Ｗ１／Ｗ２≦０．６３、より好ましくは、０．４５≦Ｗ１／Ｗ２≦０．６３とするとともに、磁石溝１２〜１５の配置を、α＝（Ｌ１−Ｌ３）／（Ｌ４−Ｌ３），０．５≦α≦１，Ｌ１＜Ｌ２とすることで、磁石２１〜２４の径方向断面視における断面積を同一にしながら、磁石溝１２〜１５間の距離、すなわち、磁路Ｍ１、磁路Ｍ２、及び、磁路Ｍ３を確保することができる。これにより、回転子１は、磁気飽和が抑制され、トルクの向上を実現することができる。

図５は、αとトルク変化率との関係の解析結果を表すグラフである。なお、当該グラフは、Ｗ１／Ｗ２＝０．５７，Ｌ３＝４５ｍｍ，Ｌ４＝５９ｍｍを前提条件とし、トルクの変化率については、α＝０．５を基準（０％）としている。当該グラフには、α＜０．５の領域はα≧０．５の領域よりトルクの減少率が大きいことが示されている。

さらに、トルクリプルは、α＜０．５の領域では一度減少してから大きく増加する。これは、すなわち、製造ばらつきに対する感度が大きい（影響を受けやすい）ことを示している。

よって、αは０．５≦α≦１が適しており、好ましくは、トルクが最大、トルクリプルは最小となる０．５≦α≦０．８５の範囲が適している。

このようにして本実施例においては、特に大きい応力が発生する内径側ブリッジ部を緩やかに湾曲させることで、機械強度が向上し、高速回転を可能とするとともに、外径側磁石溝と内径側磁石溝との距離を広げることで、ブリッジ部を緩やかに湾曲させることで非磁性領域が大きくなっても、磁気飽和すなわちトルクの低下を抑制することができ、高トルクかつ高速回転を可能とするものである。

［実施例２］
図６の部分拡大図を用いて、本実施例に係る回転子（回転子２）の構成を説明する。以下では、実施例１の回転子１と相違する構成を中心に説明し、実施例１の回転子１と同一の構成については極力説明を省略する。

なお、図６中においても、図１，２同様、破線で表しているｄ軸は主磁束方向を、ｑ軸はｄ軸と電気的及び磁気的に直交する方向を、それぞれ示しており、図６は、１つのｑ軸からそのｑ軸に対して周方向に隣り合うｑ軸までの範囲を表していることになる。

回転子２では、図６に示すように、内径側磁石溝１４に収まる内径側磁石（回転子１における内径側磁石２３）が、（径方向断面視における）長手方向に並べられた内径側磁石片２３ａ，２３ｂから成るものとし、内径側磁石溝１５に収まる内径側磁石（回転子１における内径側磁石２４）が、（径方向断面視における）長手方向に並べられた内径側磁石片２４ａ，２４ｂから成るものとしている。

内径側磁石片２３ａ，２３ｂは、内径側磁石溝１４に収まる内径側磁石（回転子１における内径側磁石２３）を（径方向断面視における）長手方向に２等分したものであり、内径側磁石片２４ａ，２４ｂは、内径側磁石（回転子１における内径側磁石２４）を（径方向断面視における）長手方向に２等分したものである。

回転子２は、上述の構成とすることで、磁石の損失を低減することができ、それにより、モータ効率が向上し、温度上昇も低減されるため、より長い連続運転時間を実現することができる。

なお、本実施例においては、内径側磁石溝１４，１５に収まる内径側磁石が、それぞれ（径方向断面視において）長手方向に２等分されたものとしたが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、内径側磁石が、分割の角度、分割の個数、互いの分割幅比に依らず、複数の内径側磁石片からなるものとすればよい。

本発明は、回転電機に設けられる回転子として好適である。

１，１´，２回転子
１１，１１´ 回転子鉄心
１１ａ（回転子鉄心の）外縁
１２，１３，１２´，１３´ 外径側磁石溝
１４，１５，１４´，１５´ 内径側磁石溝
１２ａ〜１２ｄ，１３ａ〜１３ｄ，１４ａ〜１４ｄ，１５ａ〜１５ｄ凹部
１２Ａ〜１２Ｄ，１３Ａ〜１３Ｄ，１４Ａ〜１４Ｄ，１５Ａ〜１５Ｄ空隙
１６外径側ブリッジ部
１７内径側ブリッジ部
２１，２２外径側磁石
２３，２４内径側磁石
２３ａ，２３ｂ，２４ａ，２４ｂ内径側磁石片
Ｍ１，Ｍ２，Ｍ２´，Ｍ３磁路

Claims

回転子鉄心に、径方向断面視において各ｄ軸を中心として線対称に離間して配され、それぞれの四隅には外向きに広がる凹部が形成される複数の外径側磁石溝と、
前記回転子鉄心に、径方向断面視において各前記ｄ軸を中心として線対称に離間して配され、それぞれの各前記ｄ軸側の一端は、前記外径側磁石溝における各前記ｄ軸側の一端よりも内径側に位置し、それぞれの四隅には外向きに広がる凹部が形成される複数の内径側磁石溝と、
径方向断面視において矩形状であり、各前記外径側磁石溝に嵌合する複数の外径側磁石と、
径方向断面視において矩形状であり、各前記内径側磁石溝に嵌合する複数の内径側磁石と、
前記両外径側磁石溝の凹部間に湾曲状に形成された外径側ブリッジ部と、
前記両内径側磁石溝の凹部間に湾曲状に形成された内径側ブリッジ部と、を備え、
前記外径側磁石溝の各前記凹部のなかで最も前記ｄ軸に近い凹部の径方向の長さをＬｂ１とし、前記内径側磁石溝の各前記凹部のなかで最も前記ｄ軸に近い凹部の径方向の長さをＬｂ２とすると、Ｌｂ２＞Ｌｂ１となり、
前記内径側ブリッジ部が、外径側ブリッジ部よりも緩やかに湾曲することを特徴とする回転子。
前記外径側磁石の径方向断面視における長手方向の長さをＷ１とし、前記内径側磁石の径方向断面視における長手方向の長さをＷ２とすると、０．４２≦Ｗ１／Ｗ２≦０．６３となる
ことを特徴とする請求項１に記載の回転子。
さらに、０．４５≦Ｗ１／Ｗ２≦０．６３となる
ことを特徴とする請求項２に記載の回転子。
前記外径側磁石と回転子軸心との最短距離をＬ１、前記外径側磁石の最もｑ軸側の角部と前記回転子軸心との距離をＬ２、前記内径側磁石と前記回転子軸心との最短距離をＬ３、内径側磁石と前記回転子軸心との最大距離をＬ４とすると、α＝（Ｌ１−Ｌ３）／（Ｌ４−Ｌ３），０．５≦α≦１，Ｌ１＜Ｌ２となる
ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の回転子。
さらに、０．５≦α≦０．８５となる
ことを特徴とする請求項４に記載の回転子。
前記内径側磁石は、複数の内径側磁石片からなる
ことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の回転子。