JPWO2015141415A1 - 回転電機のロータ構造 - Google Patents

Abstract

帯板状の永久磁石（４）と、永久磁石（４）の幅方向端部（４ａ）に臨設されたフラックスバリア（５）と、フラックスバリア（５）の近傍で、かつ、フラックスバリア（５）を挟んでステータ（３）の反対側となる位置に設けられ、永久磁石（４）の幅方向端部（４ａ）におけるステータ（３）側に偏在する減磁領域（Ｓ１）に近づく形状を有する減磁防止穴（８）と、を備えた回転電機のロータ構造。

Description

本発明は、永久磁石型の回転電機のロータ構造に関する。

永久磁石型の回転電機のロータ構造として、特許文献１は、ロータに軸方向に貫通して配置した帯板状の永久磁石の幅方向端部に、漏れ磁束対策としてフラックスバリア（空隙）を設定した構造を開示している。

具体的には、帯板状の永久磁石は、ロータの外周面近傍において軸方向に貫通し、周方向に等ピッチで複数配置されている。フラックスバリアは、ロータにおいて永久磁石の幅方向端部に対応する位置に設けられ、ロータ外周面に近接する位置にまで伸びている。フラックスバリアは、永久磁石の幅方向端部に臨設されている。

永久磁石の幅方向端部にフラックスバリアを設定することにより、ロータ外周面とフラックスバリアとの間の幅を狭めて漏れ磁束（ステータに鎖交せず、トルクに寄与しない磁束）を抑制し、モータトルクとして活用できる磁石磁束を増加させてモータトルクを向上させている。

特開２００８−２１１９３４

一般に、永久磁石は素材の持つクニック点を下回ると、不可逆減磁が始まって永久減磁し、発生することのできる磁力が低下することは広く知られている。

そして、永久磁石型の回転電機では、特許文献１の技術のように、ロータ内に配置した帯板状の永久磁石の幅方向端部にフラックスバリアを設定した構造であっても、永久磁石のステータ側の部分、即ち、外部磁界の供給側に近い部分では、磁石内磁束密度が小さくなることから不可逆減磁し易い傾向にある。

これは、外部磁界の大きさにより不可逆減磁のし易さが決定されるためで、外部磁界の発生源であるステータ側に近い部分が不可逆減磁し易くなる傾向となり、特に帯板状の永久磁石の幅方向端部では、この外部磁界の影響を受け易くなってしまう。

本発明の目的は、ロータ内に軸方向に貫通配置した帯板状の永久磁石の幅方向端部における減磁を抑制することができる回転電機のロータ構造を提供することである。

本発明の一態様は、帯板状の永久磁石と、永久磁石の幅方向端部に臨設されたフラックスバリアと、フラックスバリアの近傍で、かつ、フラックスバリアを挟んでステータの反対側となる位置に設けられ、永久磁石の幅方向端部におけるステータ側に偏在する減磁領域に近づく形状を有する減磁防止穴と、を備えた回転電機のロータ構造である。

図１は、本発明の一実施形態の要部を模式的に示す図である。 図２は、図１のＡ部の拡大図である。 図３は、図２の実施形態の永久磁石の幅方向端部における磁束密度の分布状況を、比較例と比較して示す図である。 図４は、図２の実施形態の永久磁石の幅方向端部における磁束の流れ状況を、比較例と比較して示す図である。 図５は、図２に示す永久磁石の幅方向端部における磁石温度と減磁率との関係を示すグラフである。 図６は、図２に示す永久磁石の幅方向端部におけるステータ側端縁部分−減磁防止穴間の距離と減磁率との関係を示すグラフである。 図７は、図２に示す永久磁石の幅方向端部における減磁防止穴の位置と減磁率との関係を示すグラフである。 図８は、永久磁石の配置の変形例を示す図である。 図９は、永久磁石の断面形状の変形例を示す図である。

以下、本発明の実施形態を図面と共に詳述する。

図１は、本発明の実施形態にかかる永久磁石型の回転電機１におけるロータ２と、その周囲に所要の空隙をおいて配置されたステータ３との配置関係を模式的に示している。

ロータ２は、磁性金属からなる複数のコア単板の積層体で構成され、その外周面２ａ近傍には、軸方向に貫通して圧入された永久磁石４が周方向に等ピッチで複数配置されている。

各永久磁石４は、帯板状に形成されており、ロータ２の軸方向に垂直な断面において、矩形状を呈している。永久磁石４は、その厚さ方向（上記矩形断面における短辺に平行な方向）に着磁されており、主面（上記矩形断面において長辺をなす面）の一方にＮ極を、他方にＳ極を有している。永久磁石４は、ロータ２の外周面２ａにおいてＮ極とＳ極が周方向に交互に並ぶように複数配置されている。

永久磁石型の回転電機１では、永久磁石４の幅方向端部４ａ付近にステータ３に鎖交せずトルクに寄与しない磁束、所謂、漏れ磁束が生じる。永久磁石４の幅方向端部４ａに対応する位置には、漏れ磁束への対策として、フラックスバリア５が設けられている。なお、永久磁石４の幅方向とは、上記厚さ方向及びロータ２の軸方向と直交する方向（上記矩形断面における長辺に平行な方向）である。

フラックスバリア５は、永久磁石４が圧入される貫通孔６を、永久磁石４の幅方向に延長した空隙として形成されており、永久磁石４の幅方向端部４ａに臨設している。すなわち、フラックスバリア５は、永久磁石４の幅方向端部４ａに隣接して配置されており、フラックスバリア５の空隙内に永久磁石４の幅方向端部４ａが臨んだ状態となっている。なお、フラックスバリア５の空隙を画成している内周面５ａは、ロータ２の軸方向に垂直な断面において略円弧状を呈している。

フラックスバリア５の基部には、図２に示すように、貫通孔６に圧入される永久磁石４の幅方向位置の位置決めを行うための段部７が設けられている。

本実施形態では、永久磁石４の幅方向端部４ａにフラックスバリア５を設定することで、ロータ２の外周面２ａとフラックスバリア５との間の磁路幅を狭め、これにより漏れ磁束を抑制している。

また、ロータ２には、フラックスバリア５の近傍で、かつ、フラックスバリア５を挟んでステータ３の反対側となる位置に、永久磁石４の幅方向端部４ａの減磁を抑制するための減磁防止穴８が設けられている。ここで、永久磁石４の周辺領域を当該永久磁石４の中心面（永久磁石４の厚さ方向中心を通る、永久磁石４の２つの主面に平行な仮想面）によって二分したとき、ロータ２の外周面２ａにより近い主面４ｂと接する方を、ステータ３側の領域と呼び、ロータ２の外周面２ａからより離れた主面４ｃに接する方を、ステータ３の反対側の領域と呼ぶ。ロータ２の外周面２ａと永久磁石４の各主面との間の距離は、例えば、ロータ２の軸方向に垂直な断面において、ロータ２の外周面２ａ上の点から永久磁石４の当該主面に下ろした垂線の長さとして定義することができる。本実施形態では、減磁防止穴８は、フラックスバリア５を挟んでステータ３の反対側となる位置に設けられているので、永久磁石４の厚さ方向視において、フラックスバリア５と重複している。

図３は、ロータ２の軸方向に垂直な断面における永久磁石４の磁石内磁束密度の分布を、磁束密度ランクＳ１〜Ｓ１０に分けて示している。図３に示すように、永久磁石４のステータ３側の端縁部分、より具体的には、永久磁石４の幅方向端部４ａにおけるステータ３側の部位（ロータ２の外周面２ａにより近い部位）に減磁領域Ｓ１が偏在している。

そこで本実施形態では、減磁防止穴８に対して、減磁防止穴８自体が減磁領域Ｓ１に可及的に近づくような形状を付与している。

例えば、減磁防止穴８は、図２に示すように、ロータ２の軸方向に垂直な断面において、フラックスバリア５の周囲に沿って延びる弧状に形成されており、永久磁石４の幅方向端部４ａの周りをロータ２の中央側（ステータ３の反対側）から外側（ステータ３側）に回り込むように延びている。すなわち、減磁防止穴８は、フラックスバリア５の周囲に沿ってステータ３の反対側の領域からステータ３側の領域に向けて延びている。また、減磁防止穴８の先端部８ａ（永久磁石４の幅方向位置において永久磁石４の幅方向中心から最も離れた部分）は、永久磁石４の幅方向位置において、フラックスバリア５の先端部５ｂよりも外側に位置している。なお、減磁防止穴８の先端部８ａのフラックスバリア５との位置関係は、これに限定されず、ロータの仕様に応じて適宜設定できる。

また、減磁防止穴８は、永久磁石４の幅方向端部４ａからｄ軸に平行な線分０を延長した箇所に存在する。本実施形態では、ｄ軸は、ロータ２の回転中心軸と永久磁石４の幅方向中心とを結ぶ直線と一致している。すなわち、減磁防止穴８の基端部８ｂは、ロータ２の軸方向に垂直な断面において、永久磁石４の幅方向端部４ａを通る永久磁石４の厚さ方向に平行な直線と交差している。

また、フラックスバリア５と減磁防止穴８との間には、フラックスバリア５と減磁防止穴８とを区画する隔壁９が延在している。隔壁９は、フラックスバリア５の空隙を画成する内周面５ａの一部（ステータ３の反対側の部分）を構成している。隔壁９の基端部９ｂは、上述の段部７を構成している。隔壁９の先端部９ａは、フラックスバリア５の先端部５ｂ近傍まで延びている。隔壁９の幅寸法ｔ（厚さ寸法）は、隔壁９の基端部９ｂから先端部９ａにかけて略一定である。

以上のように本実施形態では、ロータ２には帯板状の永久磁石４の幅方向端部４ａに設定したフラックスバリア５の近傍で該フラックスバリア５を跨ぐ位置に、永久磁石４の幅方向端部４ａの減磁を防止する減磁防止穴８を設けている。

これにより、ロータ２における帯板状の永久磁石４の幅方向端部４ａではフラックスバリア５により漏れ磁束を抑制できることに加えて、減磁防止穴８の設定により永久磁石４の幅方向端部４ａに流れ込むステータ３からの逆磁界を抑制して減磁を低減することができる。これにより、モータトルクとして活用できる磁石磁束をより増加させ、モータトルクを向上させることができる。

図３は、永久磁石４の幅方向端部４ａのステータ３側に分布する減磁領域Ｓ１の範囲を示している。（Ａ）は本実施形態を、（Ｂ）は減磁防止穴８がない比較例を示す。本実施形態では、永久磁石４の幅方向端部４ａに対応する所定の位置に減磁防止穴８が設けられているため、比較例よりも永久磁石４の幅方向端部４ａの減磁領域Ｓ１の範囲が小さくなる。

図５は、本実施形態と比較例におけるロータ２の永久磁石４の温度を変化させたときに、同一電流をステータ３に印加して逆磁界を発生させた場合の、電流投入前後のモータ誘起電圧の低下率、即ち、減磁率を示している。ａ線は、本実施形態における減磁率を、ｂ線は、減磁防止穴８がない比較例の減磁率を示す。図５に示したように、本実施形態の減磁率は低く、比較例の減磁率の略半分の値である。

図４は、永久磁石４の幅方向端部４ａにおける逆磁界のイメージを示している。（Ａ）は本実施形態を、（Ｂ）は減磁防止穴８がない比較例を示す。矢印の太さは、ステータ３からの磁束の流れの強弱を示しており、矢印がより太いほどその向きの磁束がより強いことを示している。本実施形態は、図４に示すように、永久磁石４の幅方向端部４ａに流れ込むステータ３からの逆磁界を、比較例より低減させることができる。これは、減磁防止穴８を付設することで、永久磁石４の幅方向端部４ａに流れようとする磁束の磁気抵抗が増加するためである。

本実施形態では、減磁防止穴８が、永久磁石４の幅方向端部４ａをロータ２の中央側からステータ３側に回り込むように、フラックスバリア５に略沿った弧状に形成されていて、減磁防止穴８が、減磁領域Ｓ１に可及的に近づく形状となっている。

これにより、永久磁石４のステータ３側の端縁部分と減磁防止穴８との間の距離が短くなって、上述の隔壁９における磁気飽和が促進され、耐減磁性能を向上することができる。

図６は、永久磁石４のステータ３側端縁部分−減磁防止穴８間の距離と減磁率との関係を示すグラフである。上述のように隔壁９で磁気飽和させることで、永久磁石４の幅方向端部４ａに流れ込むステータ３からの逆磁界が抑制されるのであるが、隔壁９が永久磁石４のステータ３側端縁部分に近ければ近いほど、その部分が磁気飽和し易くなって、図６に示すように減磁を抑制する効果が大きくなる。

また、隔壁９の幅寸法ｔが略一定であるので、隔壁９のブリッジ長さ範囲にわたって磁気飽和を略同一にして、上述のステータ３からの逆磁界の抑制効果を高めることができる。なお、幅寸法ｔは小さいほど減磁抑制の効果が大きくなり望ましいが、幅寸法ｔが小さすぎると、積層鋼板の打ち抜き加工が困難になるという問題が発生する。幅寸法ｔの下限値としては、例えば積層鋼板１枚の厚さの２倍、上限値としては、例えば永久磁石４の厚さ（ｄ軸と平行な永久磁石４の寸法）の２倍が好ましい。

また、減磁防止穴８は、永久磁石４の幅方向端部４ａからｄ軸に平行な線分０を延長した箇所に存在するように設定している。

図７は、減磁防止穴８の位置と減磁率との関係を示すグラフである。このグラフから分かるように、減磁防止穴８が線分０よりも永久磁石４の裏側に隠れるマイナス側に存在する場合、すなわち、永久磁石４の幅方向位置において永久磁石４の幅方向端部４ａよりも内側に減磁防止穴８が存在する場合に、その効果がサチレーションすることが分かる。従って、線分０を延長した箇所に減磁防止穴８を存在させることが、耐減磁性能を向上する上で望ましい。

以上、本発明の実施形態について説明したが、この実施形態は本発明の理解を容易にするために記載された単なる例示に過ぎず、本発明は当該実施形態に限定されるものではない。本発明の技術的範囲は、上記実施形態で開示した具体的な技術事項に限らず、そこから容易に導きうる様々な変形、変更、代替技術なども含むものである。

例えば、上記実施形態では一磁極あたり１つの帯板状の永久磁石４を用いたものを例示したが、本発明は、図８に示す変形例のように、一磁極あたり複数の帯板状の永久磁石４を用いたものにも適用することができる。

図８において、（Ａ）は一つの磁極をΔ配置した３つの永久磁石４から構成した例を、（Ｂ）は一つの磁極をＶ字状に配置した２つの永久磁石４から構成した例を、（Ｃ）は一つの磁極を、互いに幅方向長さが異なる２つの永久磁石４をｄ軸方向に多段に配置して構成した例を示している。（Ａ）〜（Ｃ）では、便宜上フラックスバリア５を省略している。

また、ロータ２の軸方向に垂直な断面における永久磁石４の断面形状は、矩形断面に限らず、例えば、図９の（Ａ）に示す台形、（Ｂ）に示す半長円形、図示は省略するが円弧状に湾曲した形状など、ロータの仕様によって任意に選択することができる。

本出願は、２０１４年３月１８日に出願された日本国特許願第２０１４−０５４２６５号に基づく優先権を主張しており、これらの出願の全内容が参照により本明細書に組み込まれる。

本発明は、永久磁石型の回転電機に利用することができる。

１ 回転電機
２ ロータ
３ ステータ
４ 永久磁石
４ａ 永久磁石の幅方向端部
５ フラックスバリア
６ 貫通孔
８ 減磁防止穴
９ 隔壁
Ｓ１ 減磁領域
０ ｄ軸に平行な線分
ｔ 隔壁の幅寸法

Claims (3)

1. ロータの周方向に複数配置され、各々ロータの軸方向に貫通して配置された帯板状の永久磁石と、
   前記永久磁石の幅方向端部に対応する位置に設けられた空隙である、前記永久磁石の幅方向端部に臨設されたフラックスバリアと、
   前記フラックスバリアの近傍で、かつ、前記フラックスバリアを挟んでステータの反対側となる位置に設けられ、前記永久磁石の幅方向端部の減磁を抑制する減磁防止穴と、
   を備え、
   前記減磁防止穴は、前記永久磁石の幅方向端部におけるステータ側に偏在する減磁領域に近づく形状を有する回転電機のロータ構造。
2. 前記減磁防止穴を、前記永久磁石の幅方向端部からｄ軸に平行な線分を延長した箇所に存在するように形成した、請求項１に記載の回転電機のロータ構造。
3. 前記フラックスバリアと前記減磁防止穴との間の隔壁の幅寸法を略一定に設定した、請求項１または２に記載の回転電機のロータ構造。
   
   

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