JPWO2014038062A1

JPWO2014038062A1 - 永久磁石埋込型電動機

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Publication number: JPWO2014038062A1
Application number: JP2014534123A
Authority: JP
Inventors: 慎介茅野; 井上　正哉; 正哉井上; 西村　慎二; 慎二西村
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2012-09-07
Filing date: 2012-09-07
Publication date: 2016-08-08
Anticipated expiration: 2032-09-07
Also published as: JP5868513B2; WO2014038062A1; US10199890B2; US20150194849A1

Abstract

この発明は、コギングトルクに起因する電磁加振力を低減し、乗り心地を向上させ、かつｑ軸インダクタンスを低減し、高速領域まで運転できる永久磁石埋込型電動機を得る。この発明に係る永久磁石埋込型電動機は、ロータコアが、複数の分割ロータコアを、磁極中心が軸方向に揃うように、かつ互いに密接するように同軸に配列して構成され、補助溝が、複数の分割ロータコアのそれぞれの外周面の磁極間のそれぞれに、磁極間の中央位置と分割ロータコアの軸心とを含む平面に対して面対称に、かつ分割ロータコアの軸方向一端から他端に至るように凹設され、同じ分割ロータコアの外周面に凹設された補助溝は、同じ溝形状を有し、複数の分割ロータコアの外周面に凹設された補助溝の溝幅が、複数の分割ロータコアのそれぞれに起因するコギングトルクの所定の次数の高調波成分（電気角）が互いに打ち消し合うように設定されている。

Description

この発明は、永久磁石をロータコアの外周側に埋め込んだ永久磁石埋込型電動機に関するものである。

近年、電気自動車（ＥＶ）およびハイブリッド自動車（ＨＥＶ）においては、電磁加振力を低減して乗り心地を向上させ、さらには高速領域まで運転が可能な電動機が求められている。

このような状況を鑑み、電磁加振力低減溝を永久磁石の外周に位置するようにロータコアの表面に形成した電動機が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に記載の電動機においては、電磁加振力低減溝の溝幅を、ステータコアのスリットピッチおよびスリット幅に対して適切に選択することにより、電磁加振力を低減でき、騒音を低減できるとしている。

特許第３６５５２０５号公報

特許文献１に記載の電動機では、電磁加振力低減溝の溝幅が軸方向に関して一定であるので、電磁加振力の低減には限界がある。そこで、電磁加振力低減溝を１磁極に対して複数設けて、電磁加振力の低減効果を大きくすることが考えられる。しかしながら、電磁加振力を大きく低減させるための形状パラメータ（溝幅、個数、溝位置など）が多く、形状パラメータを最適に設定することは困難である。

また、特許文献１に記載の電動機では、電磁加振力低減溝がｑ軸（磁極間の中央とロータコアの軸心とを結ぶ軸）上に存在していないので、ｑ軸インダクタンスが増加し、高速領域まで運転できなくなるという不具合があった。

このような状況を鑑み、本出願人は、コギングトルクの次数高調波成分（電気角）の正負がロータコアの外周面に形成された補助溝の溝幅を変えることにより反転することを見出し、本発明を発明するに至ったものである。

この発明は、上記課題を解決するためになされたもので、コギングトルクに起因する電磁加振力を低減し、乗り心地を向上させ、かつｑ軸インダクタンスを低減し、高速領域まで運転できる永久磁石埋込型電動機を得ることを目的とする。

この発明に係る永久磁石埋込型電動機は、円環状のステータコア、および該ステータコアに巻装されたステータコイルを有するステータと、上記ステータの内周側に上記ステータコアとの間に所定に隙間を確保して同軸に、かつ回転可能に配設されたロータコア、およびそれぞれ、上記ロータコアの外周側に埋設されて周方向に配列され、磁極を構成する複数の永久磁石を有するロータと、を備えている。上記ロータコアは、複数の分割ロータコアを、磁極中心が軸方向に揃うように、かつ互いに密接するように同軸に配列して構成され、補助溝が、上記複数の分割ロータコアのそれぞれの外周面の磁極間のそれぞれに、磁極間の中央位置と該分割ロータコアの軸心とを含む平面に対して面対称に、かつ該分割ロータコアの軸方向一端から他端に至るように凹設されている。同じ上記分割ロータコアの外周面に凹設された上記補助溝は、同じ溝形状を有し、上記複数の分割ロータコアの外周面に凹設された上記補助溝の溝幅が、上記複数の分割ロータコアのそれぞれに起因するコギングトルクの所定の次数の高調波成分（電気角）が互いに打ち消し合うように設定されている。

この発明によれば、複数の分割ロータコアの外周面に凹設された補助溝の溝幅が、複数の分割ロータコアのそれぞれに起因するコギングトルクの所定の次数の高調波成分（電気角）が互いに打ち消し合うように設定されているので、コギングトルクの所定の次数高調波成分（電気角）による電磁加振力が小さくなる。これにより、本電動機を搭載したＥＶやＨＥＶの乗り心地を向上させることができる。
また、複数の分割ロータコアの外周面に形成された補助溝が、磁極間に常に存在しているので、ｑ軸インダクタンスが小さくなる。これにより、本電動機を搭載したＥＶやＨＥＶが高速領域まで運転できるようになる。

この発明の実施の形態１に係る永久磁石埋込型電動機を示す斜視図である。この発明の実施の形態１に係る永久磁石埋込型電動機の構成を説明する分解斜視図である。この発明の実施の形態１に係る永久磁石埋込型電動機におけるロータコアを構成する第１分割ロータコアを示す斜視図である。この発明の実施の形態１に係る永久磁石埋込型電動機におけるロータコアを構成する第１分割ロータコアを示す端面図である。この発明の実施の形態１に係る永久磁石埋込型電動機におけるロータコアを構成する第２分割ロータコアを示す斜視図である。電動機モデルにおいて、補助溝の溝幅を変えてコギングトルクを磁界解析した結果を示す図である。電動機モデルにおいて、ロータ位置を変えてコギングトルクを磁界解析した結果を示す図である。電動機モデルにおいて、コギングトルクの周波数成分を分析した結果を示す図である。

以下、本発明の永久磁石埋込型電動機の好適な実施の形態について図面を用いて説明する。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る永久磁石埋込型電動機を示す斜視図、図２はこの発明の実施の形態１に係る永久磁石埋込型電動機の構成を説明する分解斜視図、図３はこの発明の実施の形態１に係る永久磁石埋込型電動機におけるロータコアを構成する第１分割ロータコアを示す斜視図、図４はこの発明の実施の形態１に係る永久磁石埋込型電動機におけるロータコアを構成する第１分割ロータコアを示す端面図、図５はこの発明の実施の形態１に係る永久磁石埋込型電動機におけるロータコアを構成する第２分割ロータコアを示す斜視図である。なお、図１および図２では、説明の便宜上、コイルエンドが省略されている。

図１および図２において、永久磁石埋込型電動機１は、円環状のステータコア３、およびステータコア３に装着されたステータコイル５を有し、フレーム（図示せず）に保持されるステータ２と、フレームに回転可能に支持されたシャフト１１に固着され、ステータコア３との間に所定のギャップを確保してステータ２の内周側に配設されるロータ１０と、を備える。

ステータコア３は、１２個のコア片４から構成されている。つまり、コア片４は、ステータコア３を周方向に１２等分割した形状に形成されている。そして、コア片４は、例えば、同一形状に打ち抜かれた多数枚の電磁鋼板を積層一体化して作製され、円弧形のコアバック部４ａと、コアバック部４ａの内周面の周方向中央から径方向内方に延設されたティース４ｂと、を有する。

コア片４のティース４ｂには、集中巻コイル５ａが巻装されている。この集中巻コイル５ａは、導体線をコア片４のティース４ｂに所定回巻回して構成されている。導体線には、絶縁被覆された銅線、アルミ線などが用いられる。

そして、集中巻コイル５ａが巻装されたコア片４を、コアバック部４ａの周方向の側面同士を突き合わせて、周方向に環状に配列して、円環状のリング体（図示せず）に圧入、固着して、ステータ２が構成される。

ここで、コア片４がコアバック部４ａの周方向の側面同士を突き合わせて円環状に配列されてステータコア３を構成している。また、コアバック部４ａが周方向に連結してステータコア３の円環状のコアバックを構成し、隣り合う２つのコア片４により形成される空間がスロットとなる。また、コア片４に巻装された１２本の集中巻コイル５ａが交流結線され、ステータコイル５が構成される。なお、集中巻コイル５ａのステータコア３から軸方向外方に突出する部分が、ステータコイル５のコイルエンド（図示せず）となる。

ロータ１０は、ロータコア１２と、ロータコア１２の軸心位置を貫通するように形成されたシャフト挿通穴１３に圧入、固定されたシャフト１１と、それぞれロータコア１２の外周側を貫通するように装着された１６個の永久磁石１４と、を備える。ロータコア１２は、第１分割ロータコア２０と第２分割ロータコア２１とに軸方向に２等分割されている。周方向に隣り合う永久磁石１４の８対は、それぞれ、周方向に交互に磁極が異なるように配置されている。

つぎに、第１分割ロータコア２０の構成について図３および図４を参照しつつ説明する。

第１分割ロータコア２０は、例えば、所定形状に打ち抜かれた電磁鋼板を積層一体化して、シャフト挿通穴１３が軸心位置に形成された円筒体に作製されている。そして、磁石挿入穴１５ａ，１５ｂの対が、それぞれ、同じ長方形断面の穴形状を有し、第１分割ロータコア２０の外周側を軸方向に貫通して、周方向に等角ピッチで８対形成されている。磁石挿入穴１５ａ，１５ｂの対は、軸心Ｏから径方向外方に向かって開いたＶ字形状に配置されている。さらに、第１補助溝１６ａが、それぞれ、同じ長方形断面の溝形状で第１分割ロータコア２０の軸方向一端から他端に至るように、第１分割ロータコア２０の外周面に等角ピッチで８つ凹設されている。第１補助溝１６ａは、溝幅Ｗ１を有し、隣り合う磁石挿入穴１５ａ，１５ｂの対間（磁極間）の中央と軸心Ｏとを通る平面１７に対して面対称に構成されている。なお、平面１７は、ｑ軸により構成される平面である。

つぎに、第２分割ロータコア２１の構成について図５を参照しつつ説明する。

第２分割ロータコア２１は、例えば、所定形状に打ち抜かれた電磁鋼板を積層一体化して、シャフト挿通穴１３が軸心位置に形成された円筒体に作製されている。そして、磁石挿入穴１５ａ，１５ｂの対が、それぞれ、同じ長方形断面の穴形状を有し、第２分割ロータコア２１の外周側を軸方向に貫通して、周方向に等角ピッチで８対形成されている。磁石挿入穴１５ａ，１５ｂの対は、軸心Ｏから径方向外方に向かって開いたＶ字形状に配置されている。さらに、第２補助溝１６ｂが、それぞれ、同じ長方形断面の溝形状で第２分割ロータコア２１の軸方向一端から他端に至るように、第２分割ロータコア２１の外周面に等角ピッチで８つ凹設されている。第２補助溝１６ｂは、溝幅Ｗ２を有し、平面１７に対して面対称に構成されている。なお、第２分割ロータコア２１は、第２補助溝１６ｂの溝幅Ｗ２が第１補助溝１６ａの溝幅Ｗ１と異なる点を除いて、第１分割ロータコア２０と同形状に形成されている。

このように構成された第１分割ロータコア２０と第２分割ロータコア２１は、ｑ軸を軸方向に揃えて密接させて同軸に配置される。これにより、第１分割ロータコア２０と第２分割ロータコア２１のシャフト挿通穴１３が連通され、第１分割ロータコア２０と第２分割ロータコア２１の磁石挿入穴１５ａ，１５ｂが連通される。そして、シャフト１１が第１分割ロータコア２０と第２分割ロータコア２１のシャフト挿通穴１３に圧入され、ロータコア１２が構成される。さらに、永久磁石１４が、磁石挿入穴１５ａ，１５ｂのそれぞれに挿入、固着され、ロータ１０が構成される。なお、隣り合う磁石挿入穴１５ａ，１５ｂの対には、逆極性となるように着磁された永久磁石１４が挿入され、磁石挿入穴１５ａ，１５ｂの対の外周側が突極となる。ロータ１０の極数は８となる。

このように構成された永久磁石埋込型電動機１は、外部電源からステータコイル５に給電され、８極１２スロットのインナーロータ型の同期電動機として動作する。

この永久磁石埋込型電動機１では、ロータコア１２が第１分割ロータコア２０と第２分割ロータコア２１とを密接させて同軸に配列して構成されている。第１分割ロータコア２０の外周面には、溝幅Ｗ１を有する第１補助溝１６ａが等角ピッチで８つ凹設されている。第２分割ロータコア２１の外周面には、溝幅Ｗ２（≠Ｗ１）を有する第２補助溝１６ｂが等角ピッチで８つ凹設されている。

ここで、後述するように、第１分割ロータコア２０によるコギングトルクの６次および１２次高調波成分（電気角）と第２分割ロータコア２１によるコギングトルクの６次および１２次高調波成分（電気角）の正負が反転するように、第１補助溝１６ａおよび第２補助溝１６ｂの溝幅Ｗ１，Ｗ２を設定している。なお、電気角は、磁極の１極対分を１周期（３６０°）として表した角度である。

そこで、第１分割ロータコア２０の第１補助溝１６ａに起因するコギングトルクの６次および１２次高調波成分（電気角）と第２分割ロータコア２１の第２補助溝１６ｂに起因するコギングトルクの６次および１２次高調波成分（電気角）とが相殺され、或いは打ち消しあい、電磁加振力が低減される。これにより、本永久磁石埋込型電動機１を搭載したＥＶおよびＨＥＶの乗り心地を向上させることができる。

第１補助溝１６ａと第２補助溝１６ｂとがｑ軸により構成される平面１７に対して面対称に形成されている。このように、第１補助溝１６ａと第２補助溝１６ｂとが常に磁極間に形成されているので、ｑ軸インダクタンスが小さくなる。なお、ｑ軸インダクタンスとは、ｑ軸方向に流れる磁束の通り易さである。これにより、本永久磁石埋込型電動機１を搭載したＥＶおよびＨＥＶは、高速領域までの運転が可能となる。

第１補助溝１６ａおよび第２補助溝１６ｂが第１分割ロータコア２０および第２分割ロータコア２１に形成されている。そこで、ロータコア１２の軽量化が図られる。さらに、ステータコア３の内周面に対向するロータコア１２の外周面の面積が増大し、ロータ１０が効率よく冷却される。

つぎに、軸方向の分割数を１としたロータコアを用いた電動機モデルに対する磁界解析に基づいて本発明による電磁加振力の低減効果について説明する。

電動機モデルは、外径：φ１３８ｍｍ、内径：φ９１ｍｍのステータコアを用い、外径：φ９０ｍｍ、内径：φ３０ｍｍ、軸長：２５ｍｍの、軸方向の分割数を１としたロータコアを用い、残留磁束密度が１．１Ｔの永久磁石を用いた。補助溝は各平面１７に対して面対称に形成され、溝深さを１ｍｍとした。

電動機モデルにおいて、補助溝の溝幅を変えてコギングトルクを磁界解析した結果を図６に示した。なお、溝幅は電気角で表されている。

図６から、補助溝の溝幅を変化させることにより、コギングトルクの振幅が変化し、補助溝の溝幅が６４°の時に、コギングトルクの振幅が最小となることが確認された。

図６から、補助溝の溝幅を変化させることにより、コギングトルクの６次および１２次高調波成分（電気角）が変化することが確認された。そして、溝幅が略７５°の前後で、コギングトルクの６次高調波成分（電気角）の正負が反転していることが分った。また、溝幅が略６２°以下および略９２°以上の範囲と、溝幅が略６２°から略９２°までの範囲とで、コギングトルクの１２次高調波成分（電気角）の正負が反転していることが分った。さらに、溝幅９６°と溝幅７２°では、コギングトルクの６次および１２次高調波成分（電気角）の正負がともに反転していることが分った。

つぎに、補助溝の溝幅を９６°とする軸方向の分割数を１としたロータコアを用いた電動機モデル（比較例１）、補助溝の溝幅を７２°とする軸方向の分割数を１としたロータコアを用いた電動機モデル（比較例２）および補助溝の溝幅を９６°とする第１分割ロータコアと補助溝の溝幅を７２°とする第２分割ロータコアとからなるロータコアを用いた電動機モデル（本発明）に対し、ロータ位置を変化させてコギングトルクを磁界解析した結果を図７に示した。なお、図７において、横軸の４８ステップは、電気的な６分の１周期に相当する。また、第１および第２分割ロータコアの軸長は、１２．５ｍｍである。そこで、本発明のロータコアの軸方向の等分割数は２となる。

図７から、本発明が、比較例１，２に対して、コギングトルクを大幅に低減できたことが確認できた。本発明では、ロータコアが補助溝の溝幅を９６°とする第１分割ロータコアと補助溝の溝幅を７２°とする第２分割ロータコアとから構成されている。図６から分るように、溝幅９６°と溝幅７２°では、コギングトルクの６次および１２次高調波成分（電気角）の正負がともに反転している。そこで、補助溝の溝幅を９６°とする第１分割ロータコアに起因する６次高調波成分（電気角）と補助溝の溝幅を７２°とする第２分割ロータコアに起因する６次高調波成分（電気角）とが相殺され、或いは打ち消しあった。さらに、補助溝の溝幅を９６°とする第１分割ロータコアに起因する１２次高調波成分（電気角）と補助溝の溝幅を７２°とする第２分割ロータコアに起因する１２次高調波成分（電気角）とが相殺され、或いは打ち消しあった。これにより、本発明が、比較例１，２に対して、コギングトルクを大幅に低減できたものと推考される。

つぎに、比較例１，２，３および本発明に対し、コギングトルクの周波数成分分析をした結果を図８に示した。なお、比較例３は、補助溝の溝幅を６４°とする軸方向の分割数を１としたロータコアを用いた電動機モデルである。

図８から、本発明は、コギングトルクが最小となった溝幅６４°の比較例３と比べても、コギングトルクを小さくできることが確認できた。

このように、コギングトルクの所定の次数の高調波成分（電気角）に着目し、第１分割ロータコアおよび第２分割ロータコアの補助溝の溝幅を、所定の次数の高調波成分（電気角）の正負が反転する溝幅に設定すれば、第１および第２分割ロータコアに起因する所定の次数の高調波成分（電気角）が互いに打ち消し合い、所定の次数の高調波成分（電気角）による電磁加振力を低減できることが確認できた。

なお、上記実施の形態１では、コギングトルクの６次および１２次高調波成分（電気角）による電磁加振力を低減するものとしているが、コギングトルクの６次高調波成分（電気角）による電磁加振力又は１２次高調波成分（電気角）による電磁加振力を低減するようにしてもよい。つまり、第１分割ロータコアおよび第２分割ロータコアの補助溝の溝幅を、所定の次数の高調波成分（電気角）の正負が反転するように設定し、所定の次数の高調波成分（電気角）による電磁加振力を低減すればよい。

また、溝幅の異なる２つの補助溝では、所定の次数の高調波成分（電気角）による電磁加振力の低減効果が不十分である場合には、ロータコアの軸方向の等分割数を例えば３とし、それぞれの分割ロータコアに起因する所定の次数の高調波成分（電気角）が互いに打ち消し合うように、３つの補助溝の溝幅を設定すればよい。

また、上記実施の形態１では、８極１２スロットの回転電機について説明しているが、極数およびスロット数は、８極１２スロットに限定されないことは言うまでもないことである。
また、上記実施の形態１では、磁極を構成する２つの永久磁石が軸心から径方向外方に向かって開いたＶ字形状に配置されているものとしているが、永久磁石の配置はこれに限定されない。例えば、永久磁石を同一円筒面に接するように周方向に等角ピッチに配置し、永久磁石のそれぞれが磁極を構成するようにしてもよい。

この発明に係る永久磁石埋込型電動機は、円環状のステータコア、および該ステータコアに巻装されたステータコイルを有するステータと、上記ステータの内周側に上記ステータコアとの間に所定に隙間を確保して同軸に、かつ回転可能に配設されたロータコア、およびそれぞれ、上記ロータコアの外周側に埋設されて周方向に配列され、磁極を構成する複数の永久磁石を有するロータと、を備えている。上記ロータコアは、２つの分割ロータコアを、磁極中心が軸方向に揃うように、かつ互いに密接するように同軸に配列して構成され、補助溝が、上記２つの分割ロータコアのそれぞれの外周面の磁極間のそれぞれに、磁極間の中央位置と該分割ロータコアの軸心とを含む平面を中心面として面対称に、かつ該分割ロータコアの軸方向一端から他端に至るように凹設されている。同じ上記分割ロータコアの外周面に凹設された上記補助溝は、同じ溝形状を有し、上記２つの分割ロータコアの外周面に凹設された上記補助溝が、一方の上記分割ロータコアに起因するコギングトルクの６次高調波成分（電気角）と他方の上記分割ロータコアに起因するコギングトルクの６次高調波成分（電気角）との正負が反転し、かつ一方の上記分割ロータコアに起因するコギングトルクの１２次高調波成分（電気角）と他方の上記分割ロータコアに起因するコギングトルクの１２次高調波成分（電気角）との正負が反転する溝幅に形成されている。

Claims

円環状のステータコア、および該ステータコアに巻装されたステータコイルを有するステータと、
上記ステータの内周側に上記ステータコアとの間に所定に隙間を確保して同軸に、かつ回転可能に配設されたロータコア、およびそれぞれ、上記ロータコアの外周側に埋設されて周方向に配列され、磁極を構成する複数の永久磁石を有するロータと、を備え、
上記ロータコアは、複数の分割ロータコアを、磁極中心が軸方向に揃うように、かつ互いに密接するように同軸に配列して構成され、
補助溝が、上記複数の分割ロータコアのそれぞれの外周面の磁極間のそれぞれに、磁極間の中央位置と該分割ロータコアの軸心とを含む平面に対して面対称に、かつ該分割ロータコアの軸方向一端から他端に至るように凹設され、
同じ上記分割ロータコアの外周面に凹設された上記補助溝は、同じ溝形状を有し、
上記複数の分割ロータコアの外周面に凹設された上記補助溝の溝幅が、上記複数の分割ロータコアのそれぞれに起因するコギングトルクの所定の次数の高調波成分（電気角）が互いに打ち消し合うように設定されていることを特徴とする永久磁石埋込型電動機。
上記ロータコアは２つの上記分割ロータコアにより構成され、
一方の上記分割ロータコアに起因するコギングトルクの６次高調波成分（電気角）と他方の上記分割ロータコアに起因するコギングトルクの６次高調波成分（電気角）との正負が反転していることを特徴とする請求項１記載の永久磁石埋込型電動機。
上記ロータコアは２つの上記分割ロータコアにより構成され、
一方の上記分割ロータコアに起因するコギングトルクの１２次高調波成分（電気角）と他方の上記分割ロータコアに起因するコギングトルクの１２次高調波成分（電気角）との正負が反転していることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の永久磁石埋込型電動機。