JP6755840B2 - 回転電機 - Google Patents

Description

この発明の実施形態は、回転子に永久磁石が埋め込ま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積極的に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、永久磁石型の回転電機は、固定子鉄心および電機子巻線を有する固定子と、回転子鉄心と、前記回転子鉄心に埋設され円周方向に並ぶ複数の磁極を形成した複数の永久磁石と、を有し、前記固定子に対して中心軸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、前記中心軸と同軸的に形成され駆動軸が嵌合される内孔と、それぞれ前記中心軸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、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、前記永久磁石の磁化方向と直交する方向において前記永久磁石の内周側と外周側とにそれぞれ延出する内周側空隙および外周側空隙と、を含み、、各内周側空隙は、前記装填領域の内周側の側縁の延長線よりも前記中心軸の側に膨出して形成され、前記２つの埋め込み孔の内周側空隙は、前記磁極中心軸を挟んで互いに対向して位置し、前記２つの埋め込み孔の外周側空隙は、前記磁極中心軸から離間し、隣の磁極の埋め込み孔の外周側空隙に隣接対向して位置し、前記埋め込み孔の外周側空隙と隣の磁極の埋め込み孔の外周側空隙との間隔をＷ１、前記空隙孔と前記埋め込み孔の装填領域との間隔をＷ２、前記空隙孔と前記埋め込み孔の内周側空隙との間隔をＷ３、前記回転子鉄心の内孔と前記埋め込み孔の内周側空隙との間隔をＷ４とした場合、前記回転子鉄心は、Ｗ１≦Ｗ２、Ｗ１≦Ｗ３、Ｗ１≦Ｗ４、かつ、Ｗ３＜Ｗ２に形成されている。

図１は、実施形態に係る永久磁石型回転電機を示す断面図。 図２は、前記永久磁石型回転電機の回転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。 図４は、変形例に係る永久磁石型回転電機の回転子の一部を拡大して示す断面図。

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に面する多数の固定子ティース２１を構成している。そして、複数のスロット２０に電機子巻線１８が埋め込まれ、固定子ティース２１に巻き付けられている。

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回転軸２２と、この回転軸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Ｃと同軸的に形成された内孔２５を有している。回転軸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。回転子鉄心２４は、それぞれ回転子鉄心２４の半径方向あるいは放射方向に延びるｄ軸、およびｄ軸に対して電気的に９０°離間したｑ軸を有している。ここでは、界磁磁極の中心軸をｄ軸とし、ｄ軸に対して電気的に直角な方向をｑ軸としている。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。

図１および図２に示すように、回転子鉄心２４の円周方向において、各ｄ軸の両側に２つの磁石埋め込み孔３４が形成されている。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Ｃと直交する平面でみた場合、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。ここでは、磁石埋め込み孔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。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軸を挟んで隣接対向している。回転子鉄心２４において、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。

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。

回転子鉄心２４に複数の空隙孔（透孔）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。

隣合う２つの磁極の外周側空隙３４ｃ間の間隔をＷ１、空隙孔３０と埋め込み孔３４の装填領域３４ａとの間隔をＷ２、空隙孔３０と埋め込み孔３４の内周側空隙３４ｂとの間隔をＷ３、更に、回転軸２２、すなわち、回転子鉄心２４の内孔２５と埋め込み孔３４の内周側空隙３４ｂとの間隔をＷ４とした場合、回転子鉄心２４は、Ｗ１≦Ｗ２、かつＷ１≦Ｗ３、かつＷ１≦Ｗ４の関係を満たすように形成されている。間隔Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３、Ｗ４の内、間隔Ｗ１が最も狭く、最も狭い磁路を形成している。また、Ｗ２≦Ｗ４およびＷ３≦Ｗ４であり、埋め込み孔３４の内周側空隙３４ｂと内孔２５との間に、最も広い間隔Ｗ４の磁路が形成されている。なお、間隔Ｗ２、Ｗ３は、Ｗ２≦Ｗ３あるいはＷ３≦Ｗ２のいずれでもよく、埋め込み孔３４と空隙孔３０との間に形成される磁路の幅が、間隔Ｗ１よりも大きく、間隔Ｗ４よりも小さければよい。

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、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。各ｄ軸の両側に位置する２つの永久磁石２６は、回転子鉄心２４の円周方向において磁化方向が逆向きとなるように配置され、また、各ｑ軸の両側に位置する２つの永久磁石２６は、磁化方向が同一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。

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から発生する回転磁界と、永久磁石２６の発生磁界との相互作用により、回転子１４が回転軸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と一体回転する回転軸２２から機械的エネルギとして出力することができる
回転子１４の各部の間隔Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３、Ｗ４は、それぞれ磁束が流れる磁路の幅に相当している。これらの間隔をＷ１≦Ｗ２、Ｗ１≦Ｗ３、Ｗ１≦Ｗ４とすることにより、すなわち、隣合う磁極４０の埋め込み孔３４の外周側空隙３４ｃの間隔Ｗ１を最も狭くすることにより、この部分の磁路の幅を最も狭くしている。これにより、磁束の流れを規制し、隣接磁極への磁束漏れを防止し、磁極中心軸（ｄ軸）側の磁路に効率よく磁束を流すことができる。電機子巻線１８から回転子１４内を流れる磁束および永久磁石２６の磁束を有効にトルク発生に寄与させることができ、回転電機のトルク特性向上を図ることが可能となる。更に、上述した間隔、つまり、磁路幅を設定するために空隙孔３０を複数設けることにより、回転子鉄心２４の重量を低減し、回転電機１０の軽量化に貢献することができる。前記間隔をＷ１≦Ｗ２、Ｗ１≦Ｗ３、Ｗ１≦Ｗ４とすることにより、ｑ軸の磁束の低下によるトルクの低下を最小限としつつ、略三角形の空隙孔３０を最大化することができる。

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。空隙孔３０の断面形状は、三角形に限らず、種々の形状を選択可能である。例えば、図４に示すように、空隙孔３０は、五角形の断面形状を有する孔としてもよい。空隙孔３０は、埋め込み孔３４に所定の間隔を置いて対向する少なくとも２辺３０ａ、３０ｂを有する形状であればよい。

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…磁石埋め込み孔、３４ａ…装填領域、
３４ｂ…内周側空隙、３４ｃ…外周側空隙

Claims (4)

1. 固定子鉄心および電機子巻線を有する固定子と、
   回転子鉄心と、前記回転子鉄心に埋設され円周方向に並ぶ複数の磁極を形成した複数の永久磁石と、を有し、前記固定子に対して中心軸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、前記中心軸と同軸的に形成され駆動軸が嵌合される内孔と、それぞれ前記中心軸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、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、前記永久磁石の磁化方向と直交する方向において前記永久磁石の内周側と外周側とにそれぞれ延出する内周側空隙および外周側空隙と、を含み、各内周側空隙は、前記装填領域の内周側の側縁の延長線よりも前記中心軸の側に膨出して形成され、
   前記２つの埋め込み孔の内周側空隙は、前記磁極中心軸を挟んで互いに対向して位置し、前記２つの埋め込み孔の外周側空隙は、前記磁極中心軸から離間し、隣の磁極の埋め込み孔の外周側空隙に隣接対向して位置し、
   前記埋め込み孔の外周側空隙と隣の磁極の埋め込み孔の外周側空隙との間隔をＷ１、前記空隙孔と前記埋め込み孔の装填領域との間隔をＷ２、前記空隙孔と前記埋め込み孔の内周側空隙との間隔をＷ３、前記回転子鉄心の内孔と前記埋め込み孔の内周側空隙との間隔をＷ４とした場合、前記回転子鉄心は、Ｗ１≦Ｗ２、Ｗ１≦Ｗ３、Ｗ１≦Ｗ４、かつ、Ｗ３＜Ｗ２に形成されている永久磁石型の回転電機。
2. 前記空隙孔は、それぞれ前記埋め込み孔と間隔を置いて対向する少なくとも２辺を有する断面形状に形成されている請求項１に記載の永久磁石型の回転電機。
3. 前記各磁極中心軸の両側に設けられた２つの前記埋め込み孔および２つの永久磁石は、Ｖ字形状に配置され、前記内周側空隙が互いに隣接対向し、前記外周側空隙が前記磁極中心軸から離間している請求項１又は２に記載の永久磁石型の回転電機。
4. 前記永久磁石は、矩形の断面形状を有する板状に形成され、前記回転子鉄心の軸方向全長に亘って延在している請求項１から３のいずれか１項に記載の永久磁石型の回転電機。

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