JPWO2018037529A1 - 回転電機 - Google Patents

Abstract

回転電機は、電機子と、回転子とを備え、電機子は、複数の磁性のティースを備える固定子鉄心と、ティースに巻回されティースの相互間のスロットに収められた多重の多相巻線群からなる電機子巻線とを有し、回転子は、電機子と磁気的空隙を介して配置され、且つ、回転軸を中心に回転可能に設けられており、回転子は、回転子鉄心を備え、回転子鉄心の内部には、永久磁石が埋め込まれており、回転子鉄心は、軸方向の２段以上の段スキュー構造を有しており、異なる段の異なる極性の磁石同士は、回転軸方向にそってみて、周方向に重ならないように配置されている。

Description

本発明は、回転電機に関するものである。

特許文献１には、回転子鉄心内部に永久磁石が埋め込まれ、回転子鉄心が軸方向に所定の角度ずつ段スキューされた回転子が示されている。この構成では、軸方向から見ると他段の他極の磁石が互いに重なった構成となる。

また、特許文献２には、軸方向に複数のブロックに分割され、各ブロック間で段スキューが形成された固定子鉄心であって、且つ、磁石用貫通孔と回転子鉄心の外周面との間にブリッジ部が形成された回転子鉄心が開示されている。そして、ブリッジ角度は、スキュー角度以上となっている。

特開２００４−２４８４２２号公報 特許第５７７４０８１号明細書

特許文献１に開示の構成では、回転子鉄心の積層枚数が異なる構成とした場合に、回転子を着磁する着磁ヨークは積層枚数に合わせてスキュー角を変更する必要があり、積層枚数に関わらず共用化可能なスキューされていない着磁ヨークが利用できないという課題がある。
また、特許文献２に開示の構成では、ブリッジ角度が大きく且つスキューされていない着磁ヨークが利用できるが、ブリッジ幅が厚いため、回転子の一方の磁極からブリッジを介して異極の磁極へと流れる漏れ磁束が増加し、トルクが低下する課題がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、積層枚数に合わせた着磁ヨークの製作を必ずしも必要とせず、且つ、ブリッジを介した漏れ磁束を低減することができる、回転電機を提供することを目的とする。

上述した目的を達成するため、本発明は、電機子と、回転子とを備えた回転電機であって、前記電機子は、複数の磁性のティースを備える固定子鉄心と、前記ティースに巻回され前記ティースの相互間のスロットに収められた多重の多相巻線群からなる電機子巻線とを有し、前記回転子は、前記電機子と磁気的空隙を介して配置され、且つ、回転軸を中心に回転可能に設けられており、前記回転子は、回転子鉄心を備え、前記回転子鉄心の内部には、永久磁石が埋め込まれており、前記回転子鉄心は、軸方向の２段以上の段スキュー構造を有しており、異なる段の異なる極性の磁石同士は、回転軸方向にそってみて、周方向に重ならないように配置されている。

本発明によれば、積層枚数に合わせた着磁ヨークの製作を必ずしも必要とせず、且つ、ブリッジを介した漏れ磁束を低減することができる。

実施の形態１のＶ字ＩＰＭのモータの正断面図である。 実施の形態１のＶ字ＩＰＭのロータを軸方向から見た透視図である。 説明例としての段スキューされたロータを軸方向から見た透視図である。 実施の形態１を平板型ＩＰＭとした実施例でのロータの正断面図である。

以下、本発明の実施の形態について添付図面に基づいて説明する。なお、図中、同一符号は同一又は対応部分を示すものとする。

実施の形態１．
本実施の形態１では、多重化及び多相化された電機子巻線を備え、界磁極と電機子とが対抗する間隙において各巻線が磁路を共有するように構成された多重多相巻線交流回転電機、より詳細には多重多相巻線永久磁石モータに関する例を説明する。また、この多重多相巻線永久磁石モータは、一例として、電動パワーステアリング装置に適用することができる。

図１は、実施の形態１のＶ字ＩＰＭ（Interior Permanent Magnet Motor）のモータの正断面図であり、図２は、実施の形態１のＶ字ＩＰＭのロータを軸方向から見た透視図である。

回転電機としての多重多相巻線永久磁石モータは、電機子３と、回転子５とを備える。電機子３は、複数の磁性のティース７を備える固定子鉄心９と、ティース７に巻回されてティース７の相互間のスロット１１に収められた多重の多相巻線群からなる電機子巻線１３とを有する。

回転中心を垂線とする平面である図１においてみて、固定子鉄心９の中央には、ほぼ円形の穴がある。複数のティース７の先端は、一つの円周上に位置している。この穴には、回転子５が配置されている。すなわち、回転子５は、電機子３との磁気的空隙１５を介して電機子３の周方向内側に配置され、且つ、回転軸１７を中心に回転可能に設けられている。本実施の形態１では、この磁気的空隙１５は、すなわち、穴の部分であり、中空の空間である。

回転子５の内部には、永久磁石２１が埋め込まれている。後により詳細に説明するが、回転子鉄心５ａは、２段以上の段スキュー構造を有しており、回転軸方向（回転軸の延びる方向すなわち回転中心の延びる方向）に上記の段が並んでいる。また、異なる段の異なる極性の磁石同士は、回転軸方向にそってみて、周方向に重ならないように配置されている。

以下、上記の構成をより詳細に説明する。固定子は、第１の電機子巻線、第２の電機子巻線及び固定子鉄心９を備えている。固定子鉄心９は、電磁鋼板などの磁性体で構成される環状のコアバック９ａとコアバック９ａから周方向内側に延びるティース７とを備えている。図示省略するが、電機子巻線と固定子鉄心との間には絶縁紙等が挿入され電気的絶縁を確保している。

一例として、本実施の形態１では、ティース７は、全部で４８個形成されており、従ってスロット１１も４８個となっている。１つのスロットには電機子巻線のコイルが４本ずつ納められている。

第１の電機子巻線は、Ｕ１相、Ｖ１相、Ｗ１相の３相から構成され、第２の電機子巻線は、Ｕ２相、Ｖ２相、Ｗ２相の３相から構成されている。電機子巻線の配置は、１番目のスロットから順にＵ１、Ｕ２、Ｗ１、Ｗ２、Ｖ１、Ｖ２となっており、７番目のスロット以降もＵ１、Ｕ２、Ｗ１、Ｗ２、Ｖ１、Ｖ２の順に配置されていて、４８番目まで同様の順に配置されている。

ただし、例えば１番目のスロットのＵ１と７番目のスロットのＵ１は電流の向きが互いに逆になるように、電機子巻線が配置されている。即ち、１番目のスロットから７番目のスロットに巻かれた分布巻の構成となっており、電機子巻線は、計６個のティースを跨っている。これは電気角１８０度に相当し、短節巻係数が１となる。さらに、電機子巻線は互いに電気角３０度異なる位相差で駆動されるので、分布巻係数が１となる結果、巻線係数は１となるため、小型高トルクのモータが得られ、巻線係数が小さいモータに比べて、永久磁石の使用量の少ない低コスト化が実現できるという効果がある。

１極につき２つの永久磁石２１が割り当てられており、各磁極において、２つの永久磁石２１はＶ字状に並んでいる。図示例では、合計１６個の永久磁石２１が埋め込まれており、８極の回転子５として説明されている。なお、一例であるが、永久磁石２１は、異方性磁石である。

回転子鉄心５ａには、８つの磁石収容孔２３が形成されている。すなわり、１極につき１つの磁石収容孔２３が割り当てられている。図１においてみて、磁石収容孔２３は、それぞれ、一対の矩形部２３ａと、一対のフラックスバリア部２３ｂと、１つのセンター部２３ｃとで構成されている。同極に関して一対の矩形部２３ａは、径方向内側に位置する部分ほど、周方向の間隔が狭くなるように延びている。これら一対の矩形部２３ａのそれぞれに、対応する永久磁石２１が配置されている。１つのセンター部２３ｃは、一対の矩形部２３ａの径方向内側の端部の間に位置している。一対のフラックスバリア部２３ｂはそれぞれ、対応する矩形部２３ａの径方向外側の端部のさらに径方向外側に位置している。すなわち、フラックスバリア部２３ｂは、対応する矩形部２３ａの径方向外側の端部と、回転子鉄心５ａの外周面５ｂとの間に位置している。

回転子鉄心５ａの外形は、図１においてみて、回転中心に対して真円の半径よりも小さな半径を部分的に有する花丸形状である。回転子鉄心を花丸形状とすることで、トルクリップルを低減できるので、トルクリップルの小さなモータが得られる。

回転子鉄心５ａもまた、複数の電磁鋼板などの複数の磁性体からなる薄板状部材を回転軸方向に積層することで構成されている。

回転子鉄心５ａは２段スキュー構造を有している。２段スキュー構造は、各段の形状が同じである回転子鉄心の段部分を、回転軸方向に２段積層した形態である。例えば、機械角３．７５度付近の２段スキューを回転子鉄心に施した場合、コギングトルクリップルの電気角１２次成分を小さくすることができ、コギングトルクリップルの小さなモータが得られ、ドライバーの操舵フィーリングが向上する利点がある。

回転子鉄心５ａの磁極部分の間は、ブリッジ２５で接続されている。より、詳細には、隣り合う磁極のフラックスバリア部２３ｂの間には、回転子鉄心５ａの一部であるブリッジ２５が存在する。ブリッジ２５を介して回転子鉄心内で漏れ磁束が流れるので、本来、回転子の磁極から空隙を介して固定子に流れてトルクを発生する磁束が減少する。ブリッジ幅（隣り合う一対のフラックスバリア部２３ｂの周方向距離）が厚いと、漏れ磁束が増大し、モータのトルクが減少するので、高出力モータには不適である。一方、ブリッジ幅を細くすれば、漏れ磁束は低減できるが、プレス加工時の難易度が上がり、生産性が低下する。通常、プレス加工では回転子鉄心の板厚程度の打ち抜き幅を確保しないと、プレス加工時のダレにより、打ち抜く部分近傍の板厚が薄くなる。そのようになると、ブリッジが十分に保持できなくなり、ねじれが発生し、ブリッジ部分の形状が安定しなくなるので、ひいては、トルクリップルの増大でドライバーの操舵フィーリングが悪化する影響がある。本実施の形態では、ブリッジ幅を回転子鉄心の板厚程度とすることで、モータの高出力化と低トルクリップルを両立する構成とする。

２段スキューされた回転子５を回転軸方向から見た透視図を図２に示す。異段の異なる極性の永久磁石２１が互いに重ならない構成となっている。すなわち、図２において、相対的に上段の実線で示された第１の極の永久磁石２１は、相対的に下段の点線で示された第２の極の永久磁石２１とは、回転軸方向にそってみて、周方向に重ならないように配置されていることがわかる。一方、図３には、説明例としての回転子が示されており、この回転子では、トルクリップルを低減するために、各段でのトルクリップルが互いにキャンセルされる角度とするために、図３のように異なる極性の磁石を互いに重なる構成としている。すなわち、図３では、回転軸方向にそってみて、異段の異なる極性の永久磁石が周方向に重なる領域３１が発生していることがわかる。本実施の形態１では、２重３相巻線の永久磁石モータでは、第１の電機子巻線と第２の電機子巻線の通電位相を３０度ずらすことで、電気角１周期で６山のトルクリップルをキャンセルしており、このトルクリップルをキャンセルするために機械角で７．５度（電気角３０度を極対数４で割った値）付近の大きな段スキュー角をする必要がなくなり、次に主要な１２山のトルクリップル低減のため、３．７５度付近の小さな段スキュー角で良い。このため、異段の異なる極性の磁石が互いに重ならない構成とすることが比較的、容易となる。説明例のモータでは、７．５度付近の段スキュー角とするためには、磁極の幅を小さくしなければならないので、磁石量が少なくなり、トルクが低下してしまうので、高出力モータには不適である。

このように本実施の形態１によれば、回転子鉄心が軸方向に段スキューされており、回転子の磁極が回転子鉄心で構成される永久磁石モータにおいて、回転子鉄心の積層枚数を変更することでモータのトルクや出力を変更する場合、積層枚数に合わせた着磁ヨークを製作することなく、積層枚数に関わらず同一仕様の着磁ヨークで共用可能とするで、製造装置のコストの削減、着磁ヨークの段取り替えによる生産効率のロス削減を実現することで、低コストで大量生産が可能となる。

加えて、回転子外周部分で極性の異なる磁極同士を接続する回転子鉄心のブリッジの幅をプレス加工時のねじれや変形を回避しつつ、ブリッジを介した漏れ磁束を低減できる。すなわち、モータ長違いでモータ出力の異なる高出力モータを容易に生産可能とすることが課題である。

さらに、本回転電機が、電動パワーステアリング用の永久磁石モータとして実施された場合、電動パワーステアリング用の永久磁石モータでは、車重の異なる車種ごとにドライバーの操舵に対するアシストトルクが異なるため、同じ断面形状のモータでモータ長を変更することでトルクや出力を調整することが求められる。また、車載用モータでは、モータ重量が燃費に影響するため、軽量かつ高出力のモータが要求される。このため、回転子鉄心が軸方向に段スキューされており、回転子の磁極が回転子鉄心で構成される永久磁石モータにおいて、回転子鉄心の積層枚数を変更することでモータのトルクや出力を変更する場合、積層枚数に合わせた着磁ヨークを製作することなく、積層枚数に関わらず同一仕様の着磁ヨークで共用可能とするで、製造装置のコストの削減、着磁ヨークの段取り替えによる生産効率のロス削減を実現することで、低コストで大量生産が可能となる。

以上、好ましい実施の形態を参照して本発明の内容を具体的に説明したが、本発明の基本的技術思想及び教示に基づいて、当業者であれば、種々の改変態様を採り得ることは自明である。

例えば、図４のような平板型の永久磁石１２１を用いた回転電機でも、上述した実施の形態１と同様な効果が得られる。

３ 電機子、５ 回転子、５ａ 回転子鉄心、７ ティース、１１ スロット、１３ 電機子巻線、１５ 磁気的空隙、１７ 回転軸、２１、１２１ 永久磁石、２５ ブリッジ。

Claims (3)

1. 電機子と、回転子とを備えた回転電機であって、
   前記電機子は、複数の磁性のティースを備える固定子鉄心と、前記ティースに巻回され前記ティースの相互間のスロットに収められた多重の多相巻線群からなる電機子巻線とを有し、
   前記回転子は、前記電機子と磁気的空隙を介して配置され、且つ、回転軸を中心に回転可能に設けられており、
   前記回転子は、回転子鉄心を備え、前記回転子鉄心の内部には、永久磁石が埋め込まれており、
   前記回転子鉄心は、軸方向の２段以上の段スキュー構造を有しており、
   異なる段の異なる極性の磁石同士は、回転軸方向にそってみて、周方向に重ならないように配置されている、
   回転電機。
2. 前記回転子鉄心は、複数の板状部材を回転軸方向に積層することで構成されており、
   前記回転子鉄心の磁極部分の間は、ブリッジで接続されており、
   ブリッジ幅は、前記回転子鉄心の前記板状部材の板厚と同じである、
   請求項１の回転電機。
3. 前記永久磁石は異方性磁石である、
   請求項１または２の回転電機。

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