JP6870708B2 - 回転子 - Google Patents

Description

本発明は、電動車両（ＥＶ、ＨＥＶ、ＰＨＥＶ等）用のモータ、特に、永久磁石を多層に備えた永久磁石モータの回転子に関する。

電動車両には低振動、低騒音化の要望がある。永久磁石を多層に配したモータの騒音を低減させる手法としては、例えば、永久磁石間の幅をステータのスロットの開口幅以上にする手法が採られている（特許文献１）。

特開平９−２６６６４６号公報

しかしながら、上記の従来の手法においては、磁束密度の抑制が十分でないことから、振動及び騒音の原因となるトルクリプル及び電磁加振力を十分に低減できない。

本発明は、以上の事情を鑑み、振動及び騒音の原因となるトルクリプル及び電磁加振力のより一層の低減を図ることを課題とする。

そこで、本発明の一態様は、永久磁石モータの回転子であって、この回転子の鉄心にはその一方の端面から他方の端面に亘って前記永久磁石モータのモータシャフトと同一方向に貫通すると共に当該回転子のｄ軸を線対称に配置される一対の永久磁石挿入孔が形成され、この一対の永久磁石挿入孔は前記回転子の外周側から軸心にかけて複数層に配置形成され、最も外周側の一対の永久磁石挿入孔には、前記回転子のｑ軸側の当該一対の永久磁石挿入孔の端部から当該回転子の外周に沿ってｄ軸側に延びると共に鉄心の一端から他端に亘って前記モータシャフトと同一方向に貫通する第一の磁気遮断部が形成され、前記第一の磁気遮断部は、前記ｄ軸から電気角で１４°から４６°の範囲に形成されている。

本発明の一態様は、前記回転子において、前記外周側の一対の永久磁石挿入孔よりも軸心側に複数層に配置形成された一対の永久磁石挿入孔のｑ軸側端部には、前記回転子のｄ軸上外径側端部を中心した同心の円弧を成す第二の磁気遮断部がさらに形成されている。

本発明の一態様は、前記回転子において、前記永久磁石挿入孔に挿入される永久磁石の横断面の長手方向の長さは、前記回転子の外周側から軸心側につれて長くなる。

本発明の一態様は、前記回転子において、前記一対の永久磁石挿入孔に挿入される永久磁石のＶの字の配置角度は、前記回転子の外周側から軸心側につれて小さくなる。

本発明の一態様は、前記回転子において、前記軸心側に配置される永久磁石は複数に分割され、この分割された個々の永久磁石は前記回転子のｄ軸上外径側端部を中心した同心に配置される。

以上の本発明によれば、磁束密度が抑制されるので、振動及び騒音の原因となるトルクリプル及び電磁加振力のより一層の低減が図られる。

本発明の一態様である回転子の軸方向に直交する当該回転子の断面図。 磁気遮断部を有しない従来の回転子のギャップ磁束密度波形図。 磁気遮断部を有する図１の回転子のギャップ磁束密度波形図 図１の回転子の高調波成分の変化を示した特性図。 図１の回転子のトルクリプルの変化を示した特性図。 図１のスリットの周辺部位の拡大図。 図６のスリットの範囲を示した説明図。 本発明の一態様である回転子の軸方向に直交する当該回転子の断面図。 本発明の一態様である回転子の軸方向に直交する当該回転子の断面図。 前記従来の回転子の軸方向に直交する当該回転子の断面図。

以下に図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。

［実施形態１］
図１は本発明の一態様である永久磁石モータの回転子１の軸方向に直交する断面の構造を示す。本図においては、回転子１の一つの主磁極のみが示され、その他の主磁極は主磁極と同様の構成であるので図示省略されている。

前記永久磁石モータは、回転子１と、これと同軸に回転子１に周設される固定子２を備える。固定子２には、ステータコイル２１が装着される複数のステータスロット２２が回転子１の外周に沿って等間隔に配置形成されている。

（鉄心１０）
回転子１の鉄心１０は、珪素鋼板を積層して形成した略円筒状の部材である。そして、この鉄心１０の軸芯部には、モータシャフト１１が嵌入されており、モータシャフト１１は軸受（図示省略）により回転自在に支持される。

鉄心１０は、図１の回転子１（モータシャフト１１）の軸心と、マグネットトルクを生成する任意の主磁極の中心（例えば、一対の永久磁石１３ａ，１３ｂ（１５ａ，１５ｂ）間の中央位置）とを結ぶ図７の直線ｄで示す軸が、ｄ−ｑ軸座標のｄ軸となる。また、鉄心１０のうち、一磁極分の主磁極の永久磁石１３ａ，１３ｂ（１５ａ，１５ｂ）と、この主磁極に周方向に隣接する主磁極の永久磁石１３ａ，１３ｂ（１５ａ，１５ｂ）との間の鉄心は、リアクタンストルクを生成する補助磁極部１６となる。さらに、回転子１（モータシャフト１１）の軸心と補助磁極部１６の中心軸とを結ぶ同図の直線ｑで示す軸、即ち、前記ｄ軸と電気角で直交する軸が、ｄ−ｑ軸座標のｑ軸となる。

（永久磁石挿入孔１２ａ，１２ｂ，１４ａ，１４ｂ）
図１に示されたように、主磁極には、一対の永久磁石挿入孔が、回転子１の外周側及び軸心側にＶの字に配置形成されることにより、後述の永久磁石が二層に配置される。

すなわち、鉄心１０の外周側にて、一対の永久磁石挿入孔１２ａ，１２ｂが、鉄心１０の一方の端面から他方の端面に亘ってモータシャフト１１と同一方向に鉄心１０を貫通するように形成されている。そして、この永久磁石挿入孔１２ａ，１２ｂは、鉄心１０の周方向に沿い等間隔に配置形成されている。

また、この永久磁石挿入孔１２ａ，１２ｂよりもさらに回転子１の軸心側にて、一対の永久磁石挿入孔１４ａ，１４ｂが、永久磁石挿入孔１２ａ，１２ｂと同様に、鉄心１０を貫通するように形成されている。特に、永久磁石挿入孔１４ａ，１４ｂは、永久磁石挿入孔１２ａ，１２ｂよりも長径に形成されている。そして、この永久磁石挿入孔１２ａ，１２ｂも、鉄心１０の周方向に沿い等間隔に配置形成されている。

永久磁石挿入孔１２ａ，１２ｂ，１４ａ，１４ｂは、回転子１のｄ軸を線対称、且つ、回転子１の外周に近づくにつれて配置角度が広くなるＶの字状に配置形成されている。特に、軸心側の永久磁石挿入孔１４ａ，１４ｂのＶの字の配置角度は、外周側の永久磁石挿入孔１２ａ，１２ｂの当該配置角度よりも小さく設定されている。

（永久磁石１３ａ，１３ｂ，１５ａ，１５ｂ）
永久磁石挿入孔１２ａ，１２ｂには、回転子１の軸方向に沿う長板状の永久磁石１３ａ，１３ｂが挿入されることにより、鉄心１０の周方向に沿って一対の永久磁石１３ａ，１３ｂがＶの字状に配置される。

一方、永久磁石挿入孔１４ａ，１４ｂには、回転子１の軸方向に沿う長板状の永久磁石１５ａ，１５ｂが挿入されることにより、鉄心１０の軸心側に一対の永久磁石１５ａ，１５ｂがＶの字状に配置される。特に、図１に示したように、永久磁石１５ａ，１５ｂの横断面の長手方向の長さＬ２は、永久磁石１３ａ，１３ｂの横断面の長手方向の長さＬ１よりも長く設定されている。

以上のように、回転子１において一対の永久磁石が二層構造で配置された態様となる。特に、本態様においては、図７に示した永久磁石１３ａ，１３ｂ，１５ａ，１５ｂの外周側磁極面１３ｏｕ，１５ｏｕは、同一の磁気極性（Ｓ極またはＮ極）になっている。これにより、永久磁石１３ａ，１３ｂ，１５ａ，１５ｂにより、一つの主磁極が形成される。

（磁気遮断部１７ａ，１７ｂ）
図１，６に示したように、永久磁石挿入孔１２ａのｑ軸側の端部には、外周に沿ってｄ軸側に延びると共に鉄心１０の一端から他端に亘ってモータシャフト１１と同一方向に貫通する磁気遮断部１７ａ（第一の磁気遮断部）が形成されている。

同様に、永久磁石挿入孔１２ｂのｑ軸側端部にも、ｄ軸を中心に磁気遮断部１７ａと線対称に外周に沿ってｄ軸側に延びると共に鉄心１０の一端から他端に亘ってモータシャフト１１と同一方向に貫通する磁気遮断部１７ｂ（第一の磁気遮断部）が形成されている。

特に、磁気遮断部１７ａ，１７ｂは、図７に示されたｄ軸からの電気角Ａが１４°から４６°の範囲に収まるように形成されている。磁気遮断部１７ａ，１７ｂは、孔（空間）であるため、鉄心１０に比べて透磁率が極めて小さく、磁束が極めて通り難くなっており、磁気的な遮断部として機能する。尚、磁気遮断部１７ａ，１７ｂを形成する孔（空間）内に、非磁性で透磁率の低い金属（例えば、アルミニウムや真鍮など）や、接着剤、ワニス、樹脂等を充填していても、磁気遮断部であることに変わりはない。

（本実施形態の効果）
以上の回転子１の構造によれば、磁気遮断部１７ａ，１７ｂが回転子１のｄ軸とｑ軸との間に形成されることにより、永久磁石１３ａ，１３ｂによって回転子１の外周面に発生する磁束密度分布の変化、特に主磁極の周方向の両端部分での磁束密度分布を正弦波に近づけることができる。これにより、回転子１のトルクリプル及び電磁加振力を効果的に低減することができ、永久磁石モータの騒音及び振動のさらなる低減化が図られる。

特に、磁気遮断部１７ａ，１７ｂがｄ軸から電気角Ａが１４°から４６°の範囲に収まるように形成されることにより、当該範囲の回転子１の磁石磁束が抑制されるので、回転子１の外周と磁気遮断部１７ａ，１７ｂとの間のギャップ円周上の磁束密度分布が正弦波形状に近くなる。したがって、トルクリプル及び電磁加振力が低減し、振動及び騒音のさらなる低減を図ることができる。そして、電気角Ａが約４６°の範囲（例えば図６に示されたｄ軸から一番目と二番目のステータスロット２２の範囲）以下とすることにより、磁極中心（ｄ軸）から二つ目のティース２３の磁石磁束が抑制され、磁路幅も確保できるのでトルクも向上する。また、前記磁束密度分布の動径方向成分の１３次高調波も抑制される。

図２は磁気遮断部１７ａ，１７ｂを有しない図１０に示された従来の回転子１のギャップ磁束密度の波形を示す。また、図３は磁気遮断部１７ａ，１７ｂを有する回転子１のギャップ磁束密度の波形を示す。特に、図３の特性図は、ｄ軸から磁気遮断部１７ａのｄ軸側端部までの電気角Ａが１６°の場合のギャップ磁束密度の波形を示す。図２，３の特性図の比較から明らかなように、ギャップ磁束密度は電気角Ａが６０°及び１２０°前後の磁束密度が低減して正弦波形状に近似している。そして、この傾向は磁気遮断部１７ａ，１７ｂがｄ軸からの電気角Ａが１４°から４６°の範囲で特に顕著に示された。

図４に回転子１のｄ軸側端までの電気角Ａとギャップ磁束密度波形の高調波成分の変化を、図５に回転子１のトルクリプルの変化（電気角Ａ＝２８°基準）を示した。図４，５のグラフを比較すると、トルクリプルと１３次高調波の波形が似通っている。これは、磁気遮断部１７ａ，１７ｂを設けることにより、１３次高調波が抑制され、トルクリプルが低減することを示唆する。そして、１３次高調波は電気角Ａが小さくしすぎると増加する傾向にあり、１３次高調波を低減できる範囲としては１４°≦Ａ＜２８°がより好ましいことが示された。

尚、本発明に係る磁気遮断部は二層以上の例えば後述の三層構造の配置であっても最も外周側の磁気遮断部が上記と同じ範囲にあれば同様の傾向となる。さらに、永久磁石１３ａ，１３ｂ，１５ａ，１５ｂの配置状態は、上述の「Ｖの字」の配置に限らず、「逆Ｖの字」、「Ｕ字状」、「アーチ状」、「台形状」などであっても、同様の効果が得られる。

［実施形態２］
図８に例示の実施形態２の回転子１は、最も外周側の一対の永久磁石１３ａ，１３ｂよりも軸心側に複数層配置される一対の永久磁石のｑ軸側に、回転子１のｄ軸上外径側端部Ｅを中心した同心の円弧を成す磁気遮断部１８ａ，１８ｂ，３２ａ，３２ｂ（第二の磁気遮断部）が形成されている。

図示の態様においては、一対の永久磁石が三層に配置されている。すなわち、回転子１の外周側から軸心にかけて永久磁石挿入孔１２ａ，１２ｂ、永久磁石挿入孔１４ａ，１４ｂ、永久磁石挿入孔３０ａ，３０ｂが順次、回転子１のｄ軸を線対称に、且つ、回転子１の外周に近づくにつれて配置角度が広くなるＶの字状に配置形成されている。尚、永久磁石挿入孔３０ａ，３０ｂは永久磁石挿入孔１４ａ，１４ｂよりも長い円弧に形成されている。

そして、永久磁石挿入孔１２ａ，１２ｂ、永久磁石挿入孔１４ａ，１４ｂ、永久磁石挿入孔３０ａ，３０ｂに、永久磁石１３ａ，１３ｂ、永久磁石１５ａ，１５ｂ及び永久磁石３１ａ，３１ｂが各々挿入されることで軸心側に永久磁石１３ａ，１３ｂ，１５ａ，１５ｂ，３１ａ，３１ｂがＶの字状に一対に配置される。尚、図８に示されたように、永久磁石３１ａ，３１ｂの横断面の長手方向の長さＬ３は、永久磁石１５ａ，１５ｂの横断面の長手方向の長さＬ２よりも長く設定されている。以上のように、回転子１において一対の永久磁石が三層構造で配置された態様となる。

そして、永久磁石挿入孔１４ａ，１４ｂのｑ軸側端部には、回転子１のｄ軸上外径側端部Ｅを中心した同心の円弧を成して延びると共に鉄心１０の一端から他端に亘ってモータシャフト１１と同一方向に貫通する磁気遮断部１８ａ，１８ｂが形成されている。

同様に、永久磁石挿入孔３０ａ，３０ｂのｑ軸側端部にも、回転子１のｄ軸上外径側端部Ｅを中心した同心の円弧を成して延びると共に鉄心１０の一端から他端に亘ってモータシャフト１１と同一方向に貫通する磁気遮断部３２ａ，３２ｂが形成されている。

本態様の回転子１の構造によれば、実施形態１の効果に加えて、磁気遮断部１８ａ，１８ｂ，３２ａ，３２ｂが同心の円弧となっているので、直線状のバリアの態様と比較しても、磁束の流れがスムーズとなり、トルクの向上、損失低減効果が期待される。特に、回転子１のｄ軸端を円弧の中心とすることにより、磁路幅を確保しつつ、永久磁石をより回転子１の内径側に埋め込むことができるため、磁石の損失を低減できる。

また、同図のように、永久磁石１３ａ，１３ｂ，１５ａ，１５ｂ，３１ａ，３１ｂの横断面の長手方向の長さＬ１，Ｌ２，Ｌ３が回転子１の外周側から軸心側につれて長くなることにより、回転子１のマグネットトルクがさらに向上する。

さらに、同図のように、Ｖの字に配置される一対の永久磁石１３ａ，１３ｂ，１５ａ，１５ｂ，３１ａ，３１ｂの配置角度が回転子１の外周側から軸心側につれて小さくなることにより、各層のｄ軸側の当該一対の永久磁石間の距離が次第に離間する。これにより、各層間で発生する磁気飽和が抑制され、リアクタンストルクが向上する。

尚、図９に例示された回転子１の構造のように、回転子１の軸心側に配置される永久磁石１５が複数（例えば３つ以上）に分割され、個々の永久磁石１５が回転子１のｄ軸上外径側端部Ｅを中心した同心に配置されるとよい。軸心側の永久磁石１５は回転子１のｄ軸上外径側端部Ｅを中心とした同心に円弧に配置された永久磁石挿入孔１４に挿入されている。本態様によれば、複数の永久磁石１５が前記同心に配置されることにより、永久磁石１５の渦電流損失がさらに低減する。そして、各層に配置される複数の永久磁石の配置が回転子１の外周側から軸心側につれてＵ字に近づくことにより、磁束の流れがスムーズとなり、リアクタンストルクがさらに向上する。

１…回転子
２…固定子
１０…鉄心
１１…モータシャフト
１２ａ，１２ｂ，１４，１４ａ，１４ｂ，３０ａ，３０ｂ…永久磁石挿入孔
１３ａ，１３ｂ，１５，１５ａ，１５ｂ，３１ａ，３１ｂ…永久磁石
１６…補助磁極部
１７ａ，１７ｂ，１８ａ，１８ｂ，３２ａ，３２ｂ…磁気遮断部
２１…ステータコイル、２２…ステータスロット、２３…ティース

Claims (4)

1. 永久磁石モータの回転子であって、
   この回転子の鉄心にはその一方の端面から他方の端面に亘って前記永久磁石モータのモータシャフトと同一方向に貫通すると共に当該回転子のｄ軸を線対称とするＶの字に配置される一対の永久磁石挿入孔が形成され、
   この一対の永久磁石挿入孔は前記回転子の外周側から軸心にかけて複数層に配置形成され、
   最も外周側の一対の永久磁石挿入孔には、前記回転子のｑ軸側の当該一対の永久磁石挿入孔の端部から当該回転子の外周に沿ってｄ軸側に延びると共に鉄心の一端から他端に亘って前記モータシャフトと同一方向に貫通する第一の磁気遮断部が形成され、
   前記第一の磁気遮断部は、前記ｄ軸から電気角で１４°≦電気角＜２８°の範囲に形成され、
   前記外周側の一対の永久磁石挿入孔よりも軸心側に複数層に配置形成された一対の永久磁石挿入孔のｑ軸側端部には、前記回転子のｄ軸上外径側端部を中心した同心の円弧を成す第二の磁気遮断部がさらに形成されたことを特徴とする記載の回転子。
2. 前記永久磁石挿入孔に挿入される永久磁石の横断面の長手方向の長さは、前記回転子の外周側から軸心側につれて長くなることを特徴とする請求項１に記載の回転子。
3. 前記一対の永久磁石挿入孔に挿入される永久磁石のＶの字の配置角度は、前記回転子の外周側から軸心側につれて小さくなることを特徴とする請求項１または２に記載の回転子。
4. 前記軸心側に配置される永久磁石は複数に分割され、この分割された個々の永久磁石は前記回転子のｄ軸上外径側端部を中心した同心に配置された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。

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