JP7189816B2

JP7189816B2 - Ｉｐｍモータのロータ

Info

Publication number: JP7189816B2
Application number: JP2019051991A
Authority: JP
Inventors: 智永岩津; 進藤原; 智治重富
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp; Nippon Steel Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp; Nippon Steel Corp
Priority date: 2019-03-19
Filing date: 2019-03-19
Publication date: 2022-12-14
Anticipated expiration: 2039-03-19
Also published as: JP2020156192A

Description

本発明は、鉄損特性に優れ高速回転に適したＩＰＭモータのロータに関する。

ＩＰＭモータは、永久磁石を使用した高効率ＰＭモータの中でも、永久磁石がロータ鉄心に埋め込まれているため高速回転が可能なモータである。ＩＰＭモータの鉄心は、ステータ鉄心とロータ鉄心とに分けられる。ステータ鉄心には巻線コイルから交流磁界が付与されるので、効率を高くするため鉄損の小さい鋼板をステータ鉄心に用いる必要がある。一方、ロータ鉄心には永久磁石が埋め込まれるため、ステータ鉄心に比べると交流磁界の影響は小さい。しかし、ロータ鉄心にも一定の鉄損が生じるため、ステータ鉄心と同様に鉄損の小さい鋼板をロータ鉄心に用いる必要がある。一般にステータ鉄心及びロータ鉄心には、極低炭素鋼にＳｉを添加して軟磁気特性を改善した電磁鋼板が用いられる。

近年、モータサイズを維持したまま出力向上を求められている。トルクの増加には限界があるため、ロータのさらなる高速回転化が求められている。そのため、例えば特許文献１のように高速回転における遠心力で永久磁石が飛び出さないよう、ロータ鉄心の材料として電磁鋼板ではなく、高強度鋼板を用いたロータが発明されている。

図１は、特許文献１に示されたＩＰＭモータのロータ（８極）の一例である。この８極のロータでは、１つの極が２つの永久磁石３から構成されているので、１６個の永久磁石が用いられている。また、図２に示すように、ＩＰＭモータにおいて、１つの極をなす永久磁石の中心軸をｄ軸５と呼び、極と極との間の軸をｑ軸６と呼び、永久磁石とその外側にかかる遠心力を支える部分をブリッジ部７と呼ぶ。ロータ鉄心の材料として電磁鋼板を用いた従来設計のまま高速回転化すると、ブリッジ部７にかかる遠心力が増加してロータの破壊にいたるおそれがある。ロータの破壊を招かないための１つの手段として、ブリッジ部７の高強度化が有効である。

しかし、高強度鋼板は電磁鋼板と同様に低い鉄損特性を有する材料ではないため、高強度鋼板をロータ鉄心に用いると、鉄損の増加によりモータ効率の低下を招くことが分かっている。

特開２０１２－２１７３１８号公報特開平６－３３０２５５号公報特開２０１６－２９８７６号公報

そのため、特許文献２では、ロータに用いられる鋼板の鉄損の増加を抑制しつつ、高強度化を図る試みがなされている。しかし、その降伏強度は７８０ＭＰａ以下に留まっている。ロータ鉄心の高強度化と低鉄損化とは相反関係にあり、同一材料での両立は困難である。

また特許文献３は、ロータ鉄心のｑ軸周辺の領域を非磁性の樹脂に置換えることで、風損を抑制しつつ、ロータとステータとの間の空間磁束分布を最適化し、モータの高効率化を図っている。しかし、ロータ鉄心に電磁鋼板を用いているため、ブリッジ部の強度は低く、高速回転による遠心力には耐えられない。

本発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、降伏強度７８０ＭＰａ以上の高強度鋼板をロータ鉄心のベース鋼板として用いつつ、ロータ鉄損を低減できるＩＰＭモータのロータを提供することである。

本発明者らは、上記課題を解決すべく、高強度鋼板をロータ鉄心に用いたモータの電磁界シミュレーションを実施した。その結果、図３に示すように、ロータにおいて鉄損が発生している主な部位は、ロータ外周部の、特にｄ軸からブリッジ部の間であることを見出した。この知見に基づき、高強度鋼板をロータ鉄心のベース鋼として用いつつ、この鉄損発生部位を低鉄損材と置き換えることによりロータ鉄損の発生を低減できることを新たに見出した。

なお、この図３の電磁界シミュレーションは、ロータ鉄心とステータ鉄心の材料として電磁鋼板５０Ａ２９０を用い、ＩＰＭモータの回転速度は７，０００ｒｐｍ、トルク５Ｎｍの条件で行った。

そこで、ＩＰＭモータのロータに用いられているベース鋼板が降伏強度７８０ＭＰａ以上の鋼板であっても、鉄損発生部位の一部のベース鋼板を低鉄損鋼板と置き換え、ベース鋼板と低鉄損鋼板とを一体としたＩＰＭモータのロータとすることにより、高強度化と低鉄損化を両立させることが可能となる。

本発明のＩＰＭモータのロータは、複数の鋼板が積層されたロータ本体と、一対の挿入孔をそれぞれ含み、ロータ本体の周方向に離間してロータ本体に設けられた複数の挿入孔対と、複数の挿入孔対の各々に挿入された複数の永久磁石とを備え、挿入孔に挿入された各永久磁石をロータ本体の軸方向に沿って見たとき、各永久磁石は、長方形の外形を有するとともに、ロータ本体の外径側に位置する外径側長辺を有しており、ロータ本体の外縁と、挿入孔対に含まれる一対の挿入孔に挿入された一対の永久磁石の外径側長辺及び該外径側長辺の延長線と、一対の永久磁石の外側の短辺をロータ本体の外縁に向けて延長した線とで区切られる領域を領域Ｍとするとき、鋼板には、ブリッジ部を含み、降伏強度７８０ＭＰａ以上であるベース鋼板と、領域Ｍの一部の領域に設けられるとともにベース鋼板と一体とされ、ベース鋼板よりも鉄損が低い低鉄損鋼板とが含まれており、領域Ｍは、ロータ本体の外縁を形成する低鉄損鋼板によって占められる領域と、低鉄損鋼板に占められる領域の径方向内縁に隣接するとともに、一対の挿入孔における永久磁石の外径側長辺の全域と面するベース鋼板によって占められる領域とを含んでいる。

このとき、ベース鋼板が降伏強度７８０ＭＰａ以上であることが好ましい。また、低鉄損鋼板は、磁気特性Ｗ_15/50が１５Ｗ／ｋｇ以下の鋼板であることが好ましい。なお、Ｗ_15/50とは、磁束密度１．５Ｔ、周波数５０Ｈｚの条件で求めた鉄損であることを示す。

低鉄損鋼板が設けられた領域Ｍの少なくとも一部の領域は、ロータ本体の外縁を含むとともに、領域Ｍの総面積の１／４の領域であることが好ましく、１／２の領域であることがさらに好ましい。

また、ロータ本体の外縁において、ロータ本体の周方向に隣り合う２つの挿入孔対の中心に凹部を設けても良い。

本発明のＩＰＭモータのロータによれば、ロータ本体を構成する鋼板に、ベース鋼板と、領域Ｍの少なくとも一部の領域に設けられるとともにベース鋼板と一体とされ、ベース鋼板よりも鉄損が低い低鉄損鋼板とが含まれているので、降伏強度７８０ＭＰａ以上の高強度鋼板をロータ鉄心のベース鋼板として用いつつ、ロータ鉄損を低減できる。

特許文献１の一実施形態に係る、降伏強度７８０ＭＰａ以上の高強度鋼板を用いたロータの平面図である。図１のロータについて、ロータのｄ軸、ｑ軸を示した平面図である。図１のロータについて、電磁界シミュレーションにより求めた鉄損分布である。本発明の実施の形態１によるＩＰＭモータのロータを示す正面図である。図４の一対の永久磁石３及びその周辺を拡大して示す正面図である。図４のＩＰＭモータのロータを示す斜視図である。図４のロータを用いたモータの電磁界シミュレーションの結果を示す説明図である。本発明の実施の形態２によるＩＰＭモータのロータを示す正面図である。

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。本発明は各実施の形態に限定されるものではなく、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できる。また、各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、実施の形態に示される全構成要素からいくつかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態の構成要素を適宜組み合わせてもよい。

実施の形態１．
図４は本発明の実施の形態１によるＩＰＭモータのロータを示す正面図であり、図５は図４の一対の永久磁石３及びその周辺を拡大して示す正面図であり、図６は図４のＩＰＭモータのロータを示す斜視図である。

図４に示すように、本実施の形態のＩＰＭモータのロータは、ロータ本体１と、複数の挿入孔対２及び複数の永久磁石３を有している。

ロータ本体１は、中央部に貫通孔１０を有する円環状の部材である。図６に特に現れているように、ロータ本体１は、複数の鋼板１１が積層されることで形成されている。鋼板１１は、ロータ本体１の軸方向１ａに互いに重ねられて一体化されている。

図４に特に現れているように、ロータ本体１には、ロータ本体１の周方向１ｂに離間して複数の挿入孔対２が設けられている。各挿入孔対２は、一対の挿入孔２０をそれぞれ含んでいる。挿入孔２０は、軸方向１ａに係るロータ本体１の一端から他端までロータ本体１を貫通している。各挿入孔対２に含まれる一対の挿入孔２０は、ロータ本体１の径方向１ｃの外方に向かって広がるＶ字をなすように配置されている。一対の挿入孔２０は、ロータ本体１の径方向１ｃの内方において互いに離間されている。

各挿入孔２０には、永久磁石３が挿入されている。永久磁石３は、直方体状の外形を有しており、軸方向１ａに係るロータ本体１の一端から他端まで延在されている。図４及び図５に示すように、挿入孔２０に挿入された各永久磁石３をロータ本体１の軸方向１ａに沿って見たとき、各永久磁石３は、長方形の外形を有しており、ロータ本体１の外径側に位置する外径側長辺３０を有している。外径側長辺３０の両側には短辺３１が設けられている。短辺３１と各挿入孔２０の内壁との間には空隙２１が設けられている。空隙２１は、漏れ磁束の低減に寄与する。

ここで、図５に示すように、ロータ本体１の外縁１２と、挿入孔対２に含まれる一対の挿入孔２０に挿入された一対の永久磁石３の外径側長辺３０及びその外径側長辺３０の延長線３０ａと、それら一対の永久磁石３の外側の短辺３１をロータ本体１の外縁１２に向けて延長した線３１ａとで区切られる領域を領域Ｍと呼ぶこととする。領域Ｍは、挿入孔対２ごとに定義することができる。すなわち、複数の領域Ｍがロータ本体１の周方向に互いに離間して存在する。

ロータ本体１には、ロータ鉄心１００と、ロータ鉄心１００と一体とされたヨーク１０１とが含まれている。ロータ鉄心１００は、ロータ本体１の全体において領域Ｍの一部の領域（ヨーク１０１が占める領域）を除く部分を占めている。ヨーク１０１は、挿入孔対２ごとに領域Ｍの少なくとも一部の領域を占めている。本実施の形態のヨーク１０１は、ロータ本体１の外縁を含むとともに、領域Ｍの総面積の１／４の領域を占めている。ヨーク１０１の外縁は、領域Ｍにおけるロータ本体１の外縁を構成している。また、ヨーク１０１は、ロータ本体１の外縁を含むとともに、領域Ｍの総面積の１／２の領域を占めることがさらに好ましい。ヨーク１０１は、領域Ｍのすべてを占めてもよい。

ロータ鉄心１００は、ベース鋼板１１０が積層されることにより作製される。ベース鋼板１１０は、降伏強度７８０ＭＰａ以上であることが好ましい。より具体的には、プレス加工にて貫通孔１０及び挿入孔２０が打ち抜かれたベース鋼板１１０が積層されることによりロータ鉄心１００が作製される。各ベース鋼板１１０の外縁には、円形に対する欠落部が設けられている。ベース鋼板１１０が積層された際、欠落部は、ヨーク１０１が挿入されるヨーク挿入孔を形成する。欠落部は、ロータ鉄心１００の外縁から離れるに従って互いに離れるように延在された一対の側壁部を有している。

ヨーク１０１は、ベース鋼板１１０よりも鉄損が低い低鉄損鋼板１１１が積層されることにより作製される。低鉄損鋼板１１１としては、磁気特性Ｗ_15/50が１５Ｗ／ｋｇ以下の鋼板を用いることが好ましい。Ｗ_15/50は、磁束密度１．５Ｔ、周波数５０Ｈｚの条件で求めた鉄損を示す。ヨーク１０１は、プレス加工にて所定形状に打ち抜かれた複数の低鉄損鋼板１１１をロータ鉄心１００と同じ積厚まで積層した後に、それら低鉄損鋼板１１１をかしめ等で一体化することよって作製される。ヨーク１０１は、ベース鋼板１１０が積層された際に欠落部によって形成されたヨーク挿入孔に挿入される。ヨーク１０１は、ロータ鉄心１００の上面および下面より点付溶接１０２（図６参照）によりロータ鉄心１００と一体とすることができる。

すなわち、本実施の形態のＩＰＭモータのロータでは、ロータ本体１を構成する鋼板１１に、ベース鋼板１１０と、領域Ｍの一部の領域に設けられるとともにベース鋼板１１０と一体とされ、ベース鋼板１１０よりも鉄損が低い低鉄損鋼板１１１とが含まれている。ベース鋼板１１０は、降伏強度７８０ＭＰａ以上であることが好ましい。

次に、図７は、図４のロータを用いたモータの電磁界シミュレーションの結果を示す説明図である。図４のロータを用いたモータの電磁界シミュレーションを実施した。条件は、図３の電磁界シミュレーションと同一である。すなわち、ロータ鉄心とステータ鉄心の材料として電磁鋼板５０Ａ２９０を用い、ＩＰＭモータの回転速度は７，０００ｒｐｍ、トルク５Ｎｍの条件で行った。図７に示すように、図３の電磁界シミュレーション（図１に示す降伏強度７８０ＭＰａ以上の高強度鋼板を用いたロータ）と比較して、図４に示す領域Ｍの１／４を低鉄損材と置換えたロータでは、ロータ外周部の、特にｄ軸からブリッジ部の間で発生していた鉄損が抑制された。より具体的には、回転速度７５００ｒｐｍ、トルク５．７Ｎｍにおいて、図１に示す降伏強度７８０ＭＰａ以上の高強度鋼板を用いたロータで２１Ｗ発生していたロータ鉄損が、図４に示す領域Ｍの１／４を低鉄損材と置換えたロータでは１７Ｗと約２０％低減した。

このようなＩＰＭモータのロータでは、ロータ本体１を構成する鋼板１１に、ベース鋼板１１０と、領域Ｍの少なくとも一部の領域に設けられるとともにベース鋼板１１０と一体とされ、ベース鋼板１１０よりも鉄損が低い低鉄損鋼板１１１とが含まれているので、降伏強度７８０ＭＰａ以上の高強度鋼板をロータ鉄心のベース鋼板１１０として用いつつ、ロータ鉄損を低減できる。高速回転時に遠心力により応力集中するロータのブリッジ部近傍は降伏強度７８０ＭＰａ以上の高強度鋼板が用いられていることから、高速回転に耐える強度を備えており、高速回転化による出力向上のメリットは確保されている。

実施の形態２．
図８は、本発明の実施の形態２によるＩＰＭモータのロータを示す正面図である。図８に示すように、本実施の形態２のＩＰＭモータのロータでは、ロータ本体１の外縁に複数の凹部４が形成されている。凹部４は、ロータ本体１の周方向１ｂに隣り合う２つの挿入孔対２の中心に配置されている。ここでいう中心とは、周方向１ｂに関する２つの挿入孔対２の中央位置を意味する。その他の構成は、実施の形態１と同様である。

さらに、ロータ本体の外縁において、ロータ本体の周方向に隣り合う２つの挿入孔対２の中心に凹部４が設けられているので、鉄損抑制効果が高まる。

１ロータ本体
１１鋼板
１１０ベース鋼板
１１１低鉄損鋼板
２挿入孔対
２０挿入孔
３永久磁石
３０外径側長辺
３１短辺
４凹部

Claims

複数の鋼板が積層されたロータ本体と、
一対の挿入孔をそれぞれ含み、前記ロータ本体の周方向に離間して前記ロータ本体に設けられた複数の挿入孔対と、
前記複数の挿入孔対の各々に挿入された複数の永久磁石と
を備え、
前記挿入孔に挿入された各永久磁石をロータ本体の軸方向に沿って見たとき、各永久磁石は、長方形の外形を有するとともに、前記ロータ本体の外径側に位置する外径側長辺を有しており、
前記ロータ本体の外縁と、前記挿入孔対に含まれる前記一対の挿入孔に挿入された一対の前記永久磁石の前記外径側長辺及び該外径側長辺の延長線と、前記一対の永久磁石の外側の短辺を前記ロータ本体の外縁に向けて延長した線とで区切られる領域を領域Ｍとするとき、
前記鋼板には、
ブリッジ部を含み、降伏強度７８０ＭＰａ以上であるベース鋼板と、
前記領域Ｍの一部の領域に設けられるとともに前記ベース鋼板と一体とされ、前記ベース鋼板よりも鉄損が低い低鉄損鋼板と
が含まれており、
前記領域Ｍは、
前記ロータ本体の外縁を形成する前記低鉄損鋼板によって占められる領域と、
前記低鉄損鋼板に占められる領域の径方向内縁に隣接するとともに、前記一対の挿入孔における前記永久磁石の外径側長辺の全域と面する前記ベース鋼板によって占められる領域とを含んでいる、
ＩＰＭモータのロータ。
前記低鉄損鋼板は、前記ロータ本体の軸方向両端面より点付溶接により前記ベース鋼板に固定されている、
請求項１記載のＩＰＭモータのロータ。
前記低鉄損鋼板は、磁気特性Ｗ_15/50が１５Ｗ／ｋｇ以下の鋼板である、
請求項１又は請求項２に記載のＩＰＭモータのロータ。
前記低鉄損鋼板が設けられた前記領域Ｍの少なくとも一部の領域は、前記ロータ本体の外縁を含むとともに、前記領域Ｍの総面積の１／４の領域である、
請求項１から３までのいずれか１項に記載のＩＰＭモータのロータ。
前記低鉄損鋼板が設けられた前記領域Ｍの少なくとも一部の領域は、前記ロータ本体の外縁を含むとともに、前記領域Ｍの総面積の１／２の領域である、
請求項１から３までのいずれか１項に記載のＩＰＭモータのロータ。
前記ロータ本体の外縁において、前記ロータ本体の周方向に隣り合う２つの挿入孔対の中心に凹部が設けられている、
請求項１から５までのいずれか１項に記載のＩＰＭモータのロータ。