JPWO2012014834A1

JPWO2012014834A1 - 回転電機用ローター

Info

Publication number: JPWO2012014834A1
Application number: JP2012526488A
Authority: JP
Inventors: 徹仲田
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2010-07-28
Filing date: 2011-07-25
Publication date: 2013-09-12
Anticipated expiration: 2031-07-25
Also published as: CN103026587A; EP2600499A4; US9024499B2; CN103026587B; WO2012014834A1; EP2600499A1; US20130119807A1; JP5609976B2; EP2600499B1

Abstract

回転電機用ローターは、ローターコアと、ローターコアの外周方向に開くＶ字型に配置された一対の永久磁石と、を備える。そして、一対の永久磁石同士は、ローターコアの内周方向で離間しており、ローターコアは、少なくとも離間している永久磁石間を結んで形成される一つの空隙を含む。

Description

この発明は、回転電機に用いられるローターに関する。

ローターコアに永久磁石が埋め込まれた埋め込み磁石型永久磁石式電動機(Interior Permanent Magnet モーター(以下適宜「ＩＰＭモーター」と称する)は、電流の位相がｄ軸電流、ｑ軸電流の２軸で制御される。この結果、永久磁石による磁界が弱められ、リラクタンストルクが有効に利用され、高出力運転が広範囲にわたって可能になる。

また特に磁石がＶ字型に配置されたＩＰＭモーターは、永久磁石によるトルク（マグネットトルク）とリラクタンストルクとを共に有効に利用できる。この結果、出力がさらに高められる。

ｄ軸電流が流されて永久磁石に逆磁場が掛けられれば、永久磁石による磁界が弱められる。しかしながら、逆磁場が大きくなると、永久磁石が不可逆減磁を起こす可能性がある。特に磁石がＶ字型に配置されたＩＰＭモーターは、逆磁場がｄ軸近傍に集中しやすく不可逆減磁が生じやすい。

これに対してＪＰ２００３−１４３７８８Ａでは、磁石のｄ軸側端面に空隙が形成される。この結果、ｄ軸近傍部位の磁気抵抗が大きくなり、ｄ軸近傍で生じる局所的な逆磁場が永久磁石内を通過することが防止され、不可逆減磁が抑制される。

そしてＪＰ２００３−１４３７８８Ａでは、ｄ軸近傍に設けた２つの空隙の間にブリッジが形成される。これによって、遠心力に抗する強度が得られる。しかしながら、このような構成であると、ブリッジから永久磁石の磁束が漏れるので、ローターからステーターに鎖交してトルク発生源となる磁束(以下適宜「鎖交磁束」と称する)が低下する。この結果、出力トルクが低下してしまう。

本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、本発明の目的は、鎖交磁束の低下が抑制され、高い出力トルクが得られる回転電機用ローターを提供することである。

本発明のある態様によれば、ローターコアと、前記ローターコアの外周方向に開くＶ字型に配置された一対の永久磁石と、を備える。そして、前記一対の永久磁石同士は、ローターコアの内周方向で離間しており、前記ローターコアは、少なくとも離間している永久磁石間を結んで形成される一つの空隙を含む回転電機用ローターが提供される。

本発明の実施形態、本発明の利点については、添付された図面とともに以下に詳細に説明される。

図１は、本発明による回転電機用ローターの第１実施形態を示す図である。図２Ａは、図１の部分拡大図であって、ローターコアに形成された空隙の先端付近を示す。図２Ｂは、図１の部分拡大図であって、ローターコアに形成された空隙のローターシャフト側の根元付近を見た拡大図を示す。図３は、第１実施形態の効果を説明する図である。図４Ａは、本発明による回転電機用ローターの第２実施形態を示す図であって、矩形磁石を用いた場合を示す。図４Ｂは、本発明による回転電機用ローターの第２実施形態を示す図であって、矩形でなく互いに平行な面がない磁石を用いた場合を示す。図５は、本発明による回転電機用ローターの第３実施形態を示す図である。図６は、式(2)による作用効果を説明する図である。図７Ａは、空隙の根元部分のその他の実施形態を示す図である。図７Ｂは、空隙の根元部分のその他の実施形態を示す図である。図７Ｃは、空隙の根元部分のその他の実施形態を示す図である。図７Ｄは、空隙の根元部分のその他の実施形態を示す図である。図７Ｅは、空隙の根元部分のその他の実施形態を示す図である。図７Ｆは、空隙の根元部分のその他の実施形態を示す図である。図８は、空隙の先端部分のその他の実施形態を示す図である。図９Ａは、さらに永久磁石を配置した実施形態を示す図である。図９Ｂは、さらに永久磁石を配置した実施形態を示す図である。図１０Ａは、第１の比較形態を示す図であって、ローターシャフトに直交する断面であって全周の１／４(機械角９０°)を示す。図１０Ｂは、第１の比較形態を示す図であって、ローターコアに形成された空隙のローターシャフト側の根元付近を見た拡大図であって磁束の分布を示す。図１１は、第２の比較形態を示す図である。

（第１実施形態）
図１は本発明による回転電機用ローターの第１実施形態を示す図であり、ローターシャフトに直交する断面であって全周の１／４(機械角９０°)を示す。図２は図１の部分拡大図であり、図２Ａはローターコアに形成された空隙の先端付近を示し、図２Ｂはローターコアに形成された空隙のローターシャフト側の根元付近を見た拡大図を示す。

回転電機用ローター１は、ローターシャフト１０と、ローターコア２０と、永久磁石３１のグループ３０と、を有する。

ローターシャフト１０は、ローター１の回転軸である。

図１に示されるように、ローターコア２０は、ローターシャフト１０に周囲に設けられる。ローターコア２０は、多数の電磁鋼板がローターシャフト方向に積層されて形成される。ローターコア２０には、対称軸７の回りに線対称な形状の空隙２１のグループが形成される。空隙２１は、ローターシャフト側の根元部分が対称軸７に達する。先端部分は対称軸７から離れ、図２Ａに示されるようにｑ軸に近づくとともに、ローター外周に近づく。そして空隙２１の先端部のｑ軸側の内壁面２１１がｑ軸に平行である。また空隙２１の先端部の外周側内壁面２１２はｑ軸から離れるほど外周面に近づく。また図２Ｂに示されるように、空隙２１の根元部分は、永久磁石の磁極面に対向する内壁面のうちローターシャフト側の内壁面２１４から内側に向かって凸設されて永久磁石の側面３１ｃに当接して永久磁石の側面３１ｃを対称軸７から離す当接面２１５を備える。

図１に示されるように、永久磁石グループ３０は、ローターコア２０に設けられる。永久磁石グループ３０は、ひとつの空隙２１に対して１ペアずつ挿入された永久磁石３１のグループである。空隙２１が対称軸７の回りに線対称な形状であるので、各ペアの永久磁石３１も対称軸７の回りに線対称である。そしてペアの永久磁石３１が１つの極を形成する。図１では、上側のペアの永久磁石３１は、ローターの外周側がＮ極であり、ローターシャフト側がＳ極である。下側のペアの永久磁石３１は、ローターの外周側がＳ極であり、ローターシャフト側がＮ極である。このような構成であると、永久磁石３１のｄ軸は、対称軸７に一致する。

そして図２Ｂに示されるように、永久磁石３１の磁極面に対向する、空隙２１の内壁面のうち根元部分の外周側内壁面２１３は、永久磁石３１の磁石幅よりも長い。したがって永久磁石３１の磁極面３１ａ(図２ＢではＮ極面)が全長に渡って空隙２１の内壁面２１３に対面する。また永久磁石３１の磁極面に対向する、空隙２１の内壁面のうち根元部分のローターシャフト側内壁面２１４は、永久磁石３１の磁石幅と同じ長さである。したがってこの場合も永久磁石３１の磁極面３１ｂ(図２ＢではＳ極面)が全長に渡って空隙２１の内壁面２１４に対面する。永久磁石３１の側面３１ｃは、空隙２１の当接面２１５に当接する。永久磁石３１の側面３１ｃは、対称軸７から離れている。

続いて本実施形態の作用効果について説明する。

図１０は第１の比較形態を示す図であり、図１０Ａは、ローターシャフトに直交する断面であって全周の１／４(機械角９０°)を示し、図１０Ｂは、ローターコアに形成された空隙のローターシャフト側の根元付近を見た拡大図であって磁束の分布を示す。

なお以下では前述と同様の機能を果たす部分には同一の符号を付して重複する説明を適宜省略する。

本実施形態では、図２Ｂに示されるように、空隙２１が対称軸７の回りに線対称な形状であってローターシャフト側の根元部分は対称軸７に達する。したがって空隙２１は、対称軸７を跨いだひとつの空隙である。

一方、第１の比較形態では、図１０Ｂに示されるように、空隙２１のローターシャフト側の根元部分は対称軸７に達しない。すなわち空隙２１は、対称軸７を挟んで２つに分かれており、空隙２１と空隙２１との間にブリッジ２２が形成される。このような構成であると、図１０Ｂに示されるように、ブリッジ２２から永久磁石の磁束が漏れるので、ローターからステーターに鎖交してトルク発生源となる鎖交磁束が低下する。その結果、出力トルクが低下してしまう。

これに対して、本実施形態によれば、図２Ｂに示されるように、空隙２１が対称軸７の回りに線対称な形状であってローターシャフト側の根元は対称軸７に達し、空隙２１は、対称軸７を跨いだひとつの空隙である。したがって比較形態に存在していたブリッジがなく、永久磁石の磁束の漏れを低減でき、鎖交磁束の低下を抑制できる。つまりトルク低下が抑制される。

また本実施形態では、比較形態において遠心力に抗するように設けられていたブリッジがない。そのため遠心力応力が極間(q軸部)に集中して耐遠心力強度が低下するようにも見える。しかしながら、本実施形態の空隙２１は、ｑ軸部に集中する遠心力応力を分散させることができ、回転中の遠心力に対してｑ軸部分の鉄心(鋼板)のみで耐えるように形成されている。具体的には、本実施形態の空隙２１は、先端が対称軸７から離れ、図２Ａに示されるようにｑ軸に近づく。そして空隙２１のｑ軸側の内壁面２１１がｑ軸に平行である。また空隙２１の外周側の内壁面２１２はｑ軸から離れるほど外周面に近づく。このように形成されているので、ｑ軸部に集中する遠心力応力を分散させることができ、回転中の遠心力に対してｑ軸部分の鉄心(ｑ軸鋼板)のみで耐えることができ、耐遠心力強度が低下しない。特に本実施形態のように、空隙２１の外周側の内壁面２１２はｑ軸から離れるほど外周面に近づき電磁鋼板部分がＹ字状であるので、ｑ軸部分の鋼板幅が細いまま有効的に遠心力応力を分散させることが可能となる。

図１１は第２の比較形態を示す図である。

また本実施形態では、図２Ｂに示されるように、永久磁石３１の磁極面に対向する外周側内壁面２１３は、永久磁石３１の磁石幅よりも長い。したがって永久磁石３１の磁極面３１ａ(図２ＢではＮ極面)が全長に渡って空隙２１の内壁面２１３に対面する。

これに対して、第２の比較形態では、図１１に示されるように、永久磁石３１の磁極面に対向する外周側内壁面２１３は、永久磁石３１の磁石幅よりも短い。したがって永久磁石３１の磁極面３１ａ(図１１ではＮ極面)は、一部が空隙２１の内壁面２１３に対面しない。

永久磁石３１の外周側の磁極面３１ａは、トルク発生の主因子である鎖交磁束量に大きく関わる面である。この面から、より多くの磁束をステーター側に鎖交させるには、永久磁石３１の外周側の磁極面３１ａをできる限りローターコア２０(外周側内壁面２１３)に接近させて漏れ磁束を低減する必要がある。

第２の比較形態のような構成では、外周側の磁極面３１ａとローターコア２０(外周側内壁面２１３)とが離れることにより、鎖交磁束が低下する。

これに対して、本実施形態では、永久磁石３１の磁極面に対向する外周側内壁面２１３が、永久磁石３１の磁石幅よりも長いので、永久磁石３１の磁極面３１ａ(図２ＢではＮ極面)が全長に渡って空隙２１の内壁面２１３に対面する。したがって鎖交磁束の低下を抑制できる。その結果、トルク低下を抑えることが可能となる。

図３は、本実施形態のさらなる効果を説明する図である。

また本実施形態では、永久磁石３１の側面３１ｃが対称軸７から離される。すなわち２つの永久磁石３１が接することなく離れている。２つの永久磁石３１の距離が近いと(特に２つの永久磁石３１の距離がゼロであって互いに接していると)、図３に示されているように、ｄ軸近傍で逆磁場か急激に大きくなる。この結果、永久磁石３１のｄ軸近傍部位に不可逆減磁が生じてしまう。

これに対して本実施形態では、Ｖ字を形成する２つの永久磁石３１がｄ軸から離されるので、ｄ軸近傍に局所的に集中する逆磁場による影響を緩和し不可逆減磁を防止することができ、耐減磁性能が向上する。

そして耐減磁性能が向上したことにより入力可能な電流が向上し、かつ鎖交磁束が低下しない。この結果、トルクが大きく向上される。

（第２実施形態）
図４は、本発明による回転電機用ローターの第２実施形態を示す図であり、ローターシャフトに直交する断面であってローターコアに形成された空隙のローターシャフト側の根元付近を示す。図４Ａは矩形磁石を用いた場合を示し、図４Ｂは矩形でなく互いに平行な面がない磁石を用いた場合を示す。

そして、図４Ｂのように、矩形でなく互いに平行な面がない永久磁石の場合は、磁石幅Ｗｍは、外周側の磁極面３１ａの長さである。また磁石厚Ｔｍは、ｄ軸(対称軸７)側の側面３１ｃの長さである。

このとき磁石間クリアランスＧｍは、磁石幅Ｗｍが大きいほど大きく、磁石厚Ｔｍが大きいほど小さくする。すなわち次式(1)が満たされる。

このようにすることで、矩形でなく互いに平行な面がない永久磁石など、どのような形状の永久磁石を使用しても、一義的に磁石間クリアランス寸法が容易に導出される。

また磁石間クリアランスＧｍが確保されることで、Ｖ字に形成される２つの永久磁石３１がｄ軸から離れるので、ｄ軸近傍に局所的に集中する逆磁場による影響が緩和され不可逆減磁が防止されるので、耐減磁性能が向上する。

（第３実施形態）
図５は、本発明による回転電機用ローターの第３実施形態を示す図であり、ローターシャフトに直交する断面であってローターコアに形成された空隙のローターシャフト側の根元付近を示す。

本実施形態では、磁石間クリアランスＧｍ、磁石厚Ｔｍ、磁石幅Ｗｍとしたときに、次式(2)を満たすようにする。

なお磁石間クリアランスＧｍは、永久磁石３１とｄ軸(対称軸７)との距離である。すなわち、磁石間クリアランスＧｍは、永久磁石３１の側面３１ｃから、空隙２１の外周側内壁面２１３の延長線とｄ軸(対称軸７)との交点までの距離である。

図６は、式(2)による作用効果を説明する図である。

まず、逆磁場最大値の推移から分かるように、「Ｇｍ×Ｔｍ／Ｗｍ」は、Ｇｍ×Ｔｍ／Ｗｍ＝０で最大である。Ｇｍ×Ｔｍ／Ｗｍが大きくなるにつれて、逆磁場最大値は低下する。逆磁場最大値＝０．１５付近でほぼ飽和するものの、その後も緩やかではあるが低下する。すなわちＧｍ×Ｔｍ／Ｗｍが意図的に大きくされれば、逆磁場最大値を低下させることが可能である。

次に、鎖交磁束については、Ｇｍ×Ｔｍ／Ｗｍ＝０．２５程度から、低下していることがわかる。これは、磁石をｄ軸から離すことによって鎖交磁束波形が歪み、トルクに起因する電気的な１次成分が低下し、トルクに起因しない高調波成分が増加するためである。しかし、Ｇｍ×Ｔｍ／Ｗｍ＝０．２５までであれば、鎖交磁束の１次成分が低下しないことがわかる。

以上より、上式(2)のようにすることで、逆磁場最大値を低下させるが鎖交磁束を低下させないので、効果を最大限に引き出すことが可能であることがわかる。

以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明の技術的範囲に含まれることが明白である。

上述の通り、空隙２１の根元側の形状は、対称軸７に達し、かつ内壁面２１３が永久磁石３１の磁極面３１ａの全長に渡って対面し、さらにローターシャフト側の内壁面２１４から内側に向かって凸設されて永久磁石の側面３１ｃに当接する当接面２１５が形成されていればよい。

そこでたとえば、図７Ａに示されるように、内壁面２１３が延設されて対称軸７(ｄ軸)に達するような形状であってもよい。

また図７Ｂに示されるように、空隙２１のローターシャフト側の内壁面２１６が永久磁石３１の端面３１ｃから、対称軸７(ｄ軸)に直交するように延設された形状であってもよい。

また図７Ｃに示されるように、内壁面２１６が永久磁石３１の磁極面に平行に延設された後、対称軸７(ｄ軸)に直交するような形状であってもよい。

さらに図７Ｄに示されるように、外周側内壁面２１３が外周側に凸状に形成されるとともに、ローターシャフト側の内壁面２１６が外周側に凸状に形成されていてもよい。

また図７Ｂに似た形状であるが、図７Ｅに示されるように、外周側内壁面２１３も永久磁石３１の端面３１ｃから、対称軸７(ｄ軸)に直交するように延設された形状であってもよい。

さらに図７Ｄに似た形状であるが、図７Ｆに示されるように、外周側内壁面２１３も永久磁石３１の端面３１ｃから、外周側に凸状に形成されていてもよい。

また上述の実施形態では、空隙２１の先端は、空隙２１の外周側の内壁面２１２はｑ軸から離れるほど外周面に近づくようにされたが(図２Ａ)、図８に示されるように、内壁面２１１に直交するようにされてもよい。このとき電磁鋼板部分がＴ字状である。このように形成されても、ｑ軸部に集中する遠心力応力が分散される。また耐遠心力強度が低下しない。なおこの場合は、Ｙ字状に形成されたときよりも、ｑ軸部分の鋼板幅が太くされることが望ましい。

上記実施形態に加えて、さらに永久磁石が配置されていてもよい。図９Ａに示されるように、永久磁石３２が、永久磁石３１よりも外周側であって永久磁石３１と平行に配置されていてもよい。また図９Ｂに示されるように、永久磁石３３が、永久磁石３１よりも外周側であってｄ軸(対称軸７)に直交するように配置されていてもよい。これらのような構成であっても、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。

さらに空隙に、樹脂、アルミニウム、ステンレス(SUS)などの非磁性材料が介在されていてもよい。また空隙が、非磁性材料で埋められていてもよい。磁束の通過を妨げるという特性は、空隙も非磁性材料も同様である。そして空隙の機能である磁束の通過を妨げるいわゆるフラックスバリアとしての機能を非磁性材料が担うことで、前述と同様の効果が得られる。

さらには、樹脂等で空隙がモールドされれば(空隙が埋められれば)、磁石がローターコアの内部に固定される。この結果、駆動中に磁石がローターコアの内部で移動して削れたり割れたりすることが防止される。

本願は、２０１０年７月２８日に日本国特許庁に出願された特願２０１０−１６９４６４に基づく優先権を主張し、この出願の全ての内容は参照により本明細書に組み込まれる。

本発明のある態様によれば、ローターコアと、前記ローターコアの外周方向に開くＶ字型に配置された一対の永久磁石と、を備える。そして、前記一対の永久磁石同士は、ローターコアの内周方向で離間しており、前記ローターコアは、少なくとも離間している永久磁石間を結んで形成される一つの空隙を含む。さらに、前記ローターコア(２０)は、ローターシャフト(１０)の周囲に設けられ、前記空隙(２１)は、前記ローターシャフト(１０)に直交する断面で見たときに線対称な形状であってローターシャフト側の根元部分は対称軸(７)に達し、永久磁石(３１)の磁極面に対向する内壁面のうち根元部分のローターシャフト側内壁面(２１４)から内側に向かって凸設されて永久磁石(３１)の側面に当接して永久磁石(３１)の側面(３１ｃ)を対称軸(７)から離す当接面(２１５)を備え、前記永久磁石(３１)は、前記ローターシャフト(１０)に直交する断面で見たときに、磁極面(３１ａ，３１ｂ)が全長に渡って前記空隙(２１)の内壁面(２１３，２１４)に対面し、側面(３１ｃ)が前記当接面(２１５)のみに当接するように、前記空隙(２１)に対して一対ずつ配置される、回転電機用ローターが提供される。

まず、逆磁場最大値の推移から分かるように、「逆磁場最大値」は、Ｇｍ×Ｔｍ／Ｗｍ＝０で最大である。Ｇｍ×Ｔｍ／Ｗｍが大きくなるにつれて、逆磁場最大値は低下する。逆磁場最大値＝０．１５付近でほぼ飽和するものの、その後も緩やかではあるが低下する。すなわちＧｍ×Ｔｍ／Ｗｍが意図的に大きくされれば、逆磁場最大値を低下させることが可能である。

Claims

ローターコア(２０)と、
前記ローターコア(２０)の外周方向に開くＶ字型に配置された一対の永久磁石(３１)と、
を備え、
前記一対の永久磁石(３１)同士は、ローターコア(２０)の内周方向で離間しており、
前記ローターコア(２０)は、少なくとも離間している永久磁石(３１)間を結んで形成される一つの空隙(２１)を含む、
回転電機用ローター。
請求項１に記載の回転電機用ローターにおいて、
前記ローターコア(２０)は、ローターシャフト(１０)の周囲に設けられ、
前記空隙(２１)は、前記ローターシャフト(１０)に直交する断面で見たときに線対称な形状であってローターシャフト側の根元部分は対称軸(７)に達し、永久磁石(３１)の磁極面に対向する内壁面のうち根元部分のローターシャフト側内壁面(２１４)から内側に向かって凸設されて永久磁石(３１)の側面に当接して永久磁石(３１)の側面(３１ｃ)を対称軸(７)から離す当接面(２１５)を備え、
前記永久磁石(３１)は、前記ローターシャフト(１０)に直交する断面で見たときに、磁極面(３１ａ，３１ｂ)が全長に渡って前記空隙(２１)の内壁面(２１３，２１４)に対面し、側面(３１ｃ)が前記当接面(２１５)に当接するように、前記空隙(２１)に対して一対ずつ配置される、
回転電機用ローター。
請求項２に記載の回転電機用ローターにおいて、
前記永久磁石(３１)と前記対称軸(７)との距離である磁石間クリアランス(Ｇｍ)は、外周側の磁極面(３１ａ)の長さである磁石幅(Ｗｍ)が大きいほど大きく、磁石厚(Ｔｍ)が大きいほど小さい、
回転電機用ローター。
請求項２に記載の回転電機用ローターにおいて、
前記永久磁石(３１)と前記対称軸(７)との距離である磁石間クリアランスＧｍと、外周側の磁極面の長さである磁石幅Ｗｍと、磁石厚Ｔｍと、の間に次式が成立する、

回転電機用ローター。
請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の回転電機用ローターにおいて、
前記空隙(２１)の先端部分は、ｑ軸側の内壁面(２１１)がｑ軸に平行になるように形成される、
回転電機用ローター。