WO2025224955A1 - 電動機 - Google Patents

Abstract

電動機は、コイルを有するティースが周方向に離間して配置された固定子と、ティースに対応する部分に永久磁石が設けられた回転子と、隣接するティースの先端部間に設けられた磁性楔と、を備える。磁性楔の飽和磁束密度は、ティースの飽和磁束密度以下である。

Description

電動機

　本発明は、電動機に関する。

　ＪＰ２０００－２６１９９８Ａには、電動機が開示されている。この電動機は、部位毎に透磁率が異なる複雑構造の磁性楔を固定子のティース間に配置して回転効率を高めている。

　この電動機にあっては、ティース間に設けられた磁気楔によってティース間には常に漏れ磁束が流れる。このため、この電動機は、高トルク駆動時におけるトルク特性が悪化するという問題があった。

　本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、磁性楔を用いた場合であってもトルク特性を改善することが可能な電動機を提供することを目的とする。

　本発明のある態様によれば、電動機は、コイルを有するティースが周方向に離間して配置された固定子と、ティースに対応する部分に永久磁石が設けられた回転子と、隣接するティースの先端部間に設けられた磁性楔と、を備える。磁性楔の飽和磁束密度は、ティースの飽和磁束密度以下である。

　この電動機において、磁性楔の飽和磁束密度は、ティースの飽和磁束密度以下であり、ティース間に設けられた磁性楔は、磁気飽和し易い。

　このため、高トルク駆動時に磁性楔が磁気飽和した際には、ティース間に流れる漏れ磁束の増加が抑えられ、トルクアップに寄与する主磁路に沿った磁束の流れの減少を抑制することができる。

　したがって、電動機は、磁性楔を用いた場合であっても高トルク駆動時のトルク特性を改善することが可能となる。

図１は、本実施形態に係る電動機の要部を示す拡大図である。 図２は、本実施形態に係る電動機の磁性楔を示す斜視図である。 図３は、第一変形例に係る電動機の要部を示す拡大図である。 図４は、第一変形例に係る電動機の磁性楔を示す斜視図である。 図５は、第二変形例に係る電動機の要部を示す拡大図である。

　＜実施形態＞
　以下、図面等を参照して、本発明の実施形態について説明する。

　図１は、本実施形態に係る電動機１０の要部を示す拡大図であり、図１には、電動機１０の内部の一部が示されている。図２は、本実施形態に係る電動機１０の磁性楔３６を示す斜視図である。

　図１に示す電動機１０は、いわゆるインナーロータ型の電動機であって、例えば電気自動車で用いられる。電動機１０は、車両に搭載され、車両に設けられた駆動輪を駆動するとともに、減速時に発電機として機能する。

　電動機１０としては、回転子２０の表面に永久磁石２２が設けられた表面磁石型（Ｓｕｒｆａｃｅ　Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ　Ｍａｇｎｅｔ）の永久磁石同期モータが知られている。また、電動機１０としては、回転子２０の内部に永久磁石（図示省略）が埋め込まれた埋込磁石型（Ｉｎｔｅｒｉｏｒ　ｐｅｒｍａｎｅｎｔ　Ｍａｇｎｅｔ）の永久磁石同期モータが知られている。

　本実施形態の電動機１０は、表面磁石型の永久磁石同期モータの例として説明するが、本実施形態に係る電動機１０は、埋込磁石型の永久磁石同期モータに適用することも可能である。

　電動機１０は、コイル３０を有するティース３２が周方向Ｓに離間して配置された固定子３４と、ティース３２に対応する部分である対向面（ロータコア表面）２０Ａに永久磁石２２が設けられた回転子２０と、を備える。電動機１０は、隣接するティース３２の先端部間に設けられた磁性楔３６を備える。回転子２０は、固定子３４の内側に配置されている。回転子２０は、固定子３４に対して回転可能である。

　（固定子）
　固定子３４は、ケーシング（図示省略）に固定されている。固定子３４は、例えば複数積層された円形リング状の電磁鋼板で構成されており、固定子３４は、円筒状に形成される。固定子３４を構成する電磁鋼板としては、全方向に優れた磁気特性を有する無方向性電磁鋼板が用いられる。

　固定子３４の内縁３４Ａには、複数の切欠きが周方向Ｓに等間隔をおいて形成されている。固定子３４には、この切欠きによって内側へ向けて開口したスロット４０が形成されている。隣接するスロット４０間には、内側へ向けて延在するティース３２が形成されている。

　ティース３２は、固定子３４におけるリング状の外縁部５０から内側へ向けて延びる胴部３２Ａを備える。胴部３２Ａの先端には、先端側へ向かうに従って幅寸法が広くなる拡幅部３２Ｂが形成されている。拡幅部３２Ｂの先端には、先端に達するまで幅寸法が一定な幅広部３２Ｃが形成されている。

　各ティース３２の胴部３２Ａには、巻き線が巻かれており、各ティース３２は、巻き線で構成されたコイル３０を有する。各ティース３２が有するコイル３０の一部は、ティース３２間に形成されたスロット４０内に配置される。

　各コイル３０には、駆動装置（図示省略）からの電流が入力される。各ティース３２は、コイル３０に入力される電流によって励磁される。

　（回転子）
　回転子２０は、例えば円柱状に形成されている。回転子２０の回転中心Ｃには、回転軸６０が設けられている。回転軸６０は、軸受けを介してケーシング（図示省略）に支持される。回転子２０は、回転軸６０を中心として回転可能である。

　回転子２０の外周面は、固定子３４の各ティース３２の端面に対向する対向面２０Ａを構成する。対向面２０Ａには、前述した永久磁石２２が設けられている。

　永久磁石２２は、当該回転子２０の周方向Ｓに配置された複数の主磁石７０（７０Ａ、７０Ｂ）と、各主磁石７０（７０Ａ、７０Ｂ）の間に配置され、隣接する主磁石７０（７０Ａ、７０Ｂ）の磁化方向と異なる方向に磁化された補助磁石７２（７２Ａ、７２Ｂ、７２Ｃ、７２Ｄ）と、を有するハルバッハ配列の磁気回路を構成する。補助磁石７２（７２Ａ、７２Ｂ、７２Ｃ、７２Ｄ）の磁化方向は、主磁石７０（７０Ａ、７０Ｂ）の磁化方向に対して、９０度以下の範囲で傾いている。

　なお、明細書及び図面において、主磁石７０を構成する第一主磁石は、主磁石を示す符号「７０」に「Ａ」を加えた符号「７０Ａ」を付して説明する。主磁石７０を構成する第二主磁石は、主磁石を示す符号「７０」に「Ｂ」を加えた「７０Ｂ」を付して説明する。

　また、補助磁石７２を構成する第一補助磁石は、補助磁石を示す符号「７２」に「Ａ」を加えた符号「７２Ａ」を付して説明する。補助磁石７２を構成する第二補助磁石は、補助磁石を示す符号「７２」に「Ｂ」を加えた符号「７２Ｂ」を付して説明する。補助磁石７２を構成する第三補助磁石は、補助磁石を示す符号「７２」に「Ｃ」を加えた符号「７２Ｃ」を付して説明する。補助磁石７２を構成する第四補助磁石は、補助磁石を示す符号「７２」に「Ｄ」を加えた符号「７２Ｄ」を付して説明する。

　具体的に説明すると、主磁石７０は、ティース３２側である回転子２０の径方向Ｒ外側がＮ極となるように磁化された第一主磁石７０Ａと、回転軸６０側である径方向Ｒ内側がＮ極となるように磁化された第二主磁石７０Ｂと、を有する。

　第一主磁石７０Ａの周方向Ｓ一方側には、第一補助磁石７２Ａと第二補助磁石７２Ｂとが順に配置されている。第二補助磁石７２Ｂの一方側には、第二主磁石７０Ｂが配置されており、第一主磁石７０Ａと第二主磁石７０Ｂとの間には、第一補助磁石７２Ａと第二補助磁石７２Ｂが配置されている。

　第一主磁石７０Ａの周方向Ｓ他方側には、第三補助磁石７２Ｃと第四補助磁石７２Ｄとが順に配置されている。第四補助磁石７２Ｄの他方側には、第二主磁石７０Ｂが配置されており、第一主磁石７０Ａと第二主磁石７０Ｂとの間には、第三補助磁石７２Ｃと第四補助磁石７２Ｄが配置されている。

　第一補助磁石７２Ａは、ティース３２側である径方向Ｒ外側へ向かうに従って隣接する第一主磁石７０Ａへ近づくように傾斜した傾斜方向がＮ極となるように磁化されている。第二補助磁石７２Ｂは、回転軸６０側である径方向Ｒ内側へ向かうに従って隣接する第二主磁石７０Ｂから離れるように傾斜した傾斜方向がＮ極となるように磁化されている。

　第三補助磁石７２Ｃは、ティース３２側である径方向Ｒ外側へ向かうに従って隣接する第一主磁石７０Ａへ近づくように傾斜した傾斜方向がＮ極となるように磁化されている。第四補助磁石７２Ｄは、回転軸６０側である径方向Ｒ内側へ向かうに従って隣接する第二主磁石７０Ｂから離れるように傾斜した傾斜方向がＮ極となるように磁化されている。

　各補助磁石７２Ａ、７２Ｂ、７２Ｃ、７２Ｄの磁化方向を示す傾斜方向は、径方向Ｒに対して４５度傾斜した方向である。

　これにより、回転子２０は、対向面２０Ａの永久磁石２２から固定子３４の各ティース３２へ向けた磁場強度が高まるように構成されている。

　（磁性楔）
　図１及び図２に示すように、磁性楔３６は、隣接したティース３２の拡幅部３２Ｂ間に配置される本体部３６Ａと、本体部３６Ａから突出し隣接したティース３２の幅広部３２Ｃ間に配置される突出部３６Ｂと、を有する。本体部３６Ａは、回転子２０側へ向かうに従って幅寸法が狭くなる側面視台形状に形成されている。突出部３６Ｂは、側面視矩形状に形成されている。突出部３６Ｂの先端面３６Ｃは、回転子２０の永久磁石２２との間に間隙を形成した状態で回転子２０の外周面を構成する永久磁石２２に対向する。

　磁性楔３６は、軟磁性体で構成される。軟磁性体は、例えば低透磁率磁性材料で形成される。低透磁率磁性材料は、例えば酸化鉄を主成分としてコバルト、ニッケル、マンガンなどを混合焼結した材料が挙げられる。

　磁性楔３６の飽和磁束密度は、固定子３４に形成されたティース３２の飽和磁束密度以下に設定されており、磁性楔３６の飽和磁束密度は、高トルク駆動時に磁性楔３６が磁気飽和する大きさに設定されている。なお、磁性楔３６の飽和磁束密度は、ティース３２の飽和磁束密度よりも小さいことが望ましい。

　具体的に説明すると、磁性楔３６は、室温における初透磁率が、５０００Ｈ／ｍ以下であって、飽和磁束密度が、４００ｍＴ以上の磁性体で形成される。

　これに対して、ティース３２を有する固定子３４は、室温における比透磁率が、１７，０００Ｈ／ｍ程度であって、飽和磁束密度が、２Ｔ以下の磁性体で形成される。

　また、磁性楔３６は、圧延方向に優れた磁気特性を有する方向性電磁鋼板で構成される。この場合、磁性楔３６は、例えば圧延方向が、隣接したティース３２間を流れる磁束の通流方向としての周方向Ｓとなるように積層された複数の方向性電磁鋼板で形成することができる。これにより、磁性楔３６は、隣接したティース３２間を流れる磁束の通流方向としての周方向Ｓの透磁率が、通流方向と交差する交差方向としての径方向Ｒの透磁率よりも高い。

　このように、磁性楔３６は、方向性電磁鋼板で構成することで、インダクタンスに異方性を持たせることができる。これにより、磁性楔３６は、隣接するティース３２間において磁束を通し易くすることが可能となる。

　具体的に説明すると、本実施形態の磁性楔３６は、周方向Ｓの比透磁率を約５，０００Ｈ／ｍとし、径方向Ｒの比透磁率は５，０００Ｈ／ｍ以下の値となるようにする。

　なお、磁性楔３６は、周方向Ｓの比透磁率と径方向Ｒの比透磁率とが同じ値でも良いが、径方向Ｒの比透磁率が周方向Ｓの比透磁率よりも大きくならないようにする。好ましくは、磁性楔３６は、径方向Ｒの比透磁率が周方向Ｓの比透磁率よりも小さくなるようにする。

　なお、本実施形態は、磁性楔３６を方向性電磁鋼板で形成する場合を例に挙げて説明するが、磁性楔３６は、この構成に限定されるものではない。例えば、透磁率が高い板体と透磁率が低い板体とを径方向Ｒに交互に積層し、隣接したティース３２間を流れる磁束の通流方向としての周方向Ｓの透磁率が、通流方向と交差する交差方向としての径方向Ｒの透磁率よりも高い磁性楔３６を構成してもよい。

　さらに、磁性楔３６の透磁率は、固定子３４に形成されたティース３２の透磁率以下に設定されている。磁性楔３６の透磁率は、ティース３２の透磁率よりも小さいことが望ましい。

　磁性楔３６が方向性電磁鋼板で構成された本実施形態において、磁性楔３６の周方向Ｓの透磁率は、無方向性電磁鋼板で構成された固定子３４のティース３２の透磁率以下に設定されている。この場合にも磁性楔３６の周方向Ｓの透磁率は、ティース３２の透磁率よりも小さいことが望ましい。

　具体的に説明すると、本実施形態の磁性楔３６の周方向Ｓの比透磁率は約５，０００Ｈ／ｍであるのに対し、ティース３２を有した固定子３４の比透磁率は５，０００Ｈ／ｍ以下の値となるようにする。

　なお、本実施形態では、磁性楔３６が方向性電磁鋼板で構成された構成において、磁性楔３６の周方向Ｓの透磁率が固定子３４のティース３２の透磁率以下である場合を例に挙げて説明したが、電動機１０は、この構成に限定されるものではない。

　例えば、磁性楔３６が方向性電磁鋼板でない構成において、磁性楔３６の透磁率を固定子３４に形成されたティース３２の透磁率以下に設定してもよい。このような電動機１０においても、磁性楔３６の透磁率は、ティース３２の透磁率よりも小さいことが望ましい。

　以下に、上記実施形態の変形例について説明する。変形例において、前述した実施形態と同一又は同等部分については、同符号を付して説明を割愛し、前述した実施形態と異なる部分についてのみ説明する。いずれの変形例も上記実施形態と同様に本発明の範囲に属する。

　（第一変形例）
　図３は、第一変形例に係る電動機１０の要部を示す拡大図である。図４は、第一変形例に係る電動機１０の磁性楔３６を示す斜視図である。第一変形例に係る電動機１０は、前述した実施形態と比較して、磁性楔３６の構成が異なる。

　（磁性楔）
　図３及び図４に示すように、第一変形例に係る電動機１０の磁性楔３６は、回転子２０と対向する面としての先端面３６Ｃとは反対側に位置する面としての反対面３６Ｄに、当該電動機１０の回転軸６０が延びる回転軸方向に沿って延在する溝１００を備える。反対面３６Ｄは、ティース３２間に形成されたスロット４０内に配置される。

　反対面３６Ｄに形成された溝１００は、反対面３６Ｄにおける周方向Ｓの中心に位置する。これにより、磁性楔３６は、溝１００が形成された反対面３６Ｄの周方向Ｓの中心部の磁気抵抗が大きくなる。

　なお、本変形例は、溝１００が反対面３６Ｄにおける周方向Ｓの中心に設けられた場合を例に挙げて説明するが、溝１００は、反対面３６Ｄにおける周方向Ｓの中心と異なる位置に設けてもよい。

　また、反対面３６Ｄは、溝１００を境とした周方向Ｓ一方側の一方側反対面３６Ｄ１と、周方向Ｓ他方側の他方側反対面３６Ｄ２とに区画される。一方側反対面３６Ｄ１は、当該反対面３６Ｄが配置されたスロット４０の周方向Ｓ一方側のティース３２に設けられたコイル３０の端面に面する。他方側反対面３６Ｄ２は、当該反対面３６Ｄが配置されたスロット４０の周方向Ｓ他方側のティース３２に設けられたコイル３０の端面に面する。

　反対面３６Ｄに形成された溝１００は、横断面形状が円弧状に形成されている。

　なお、本変形例は、溝１００の横断面形状が円弧状の場合を例に挙げて説明するが、溝１００の横断面形状は、この形状に限定されるものではない。溝１００の横断面形状は、例えば、三角形状又は矩形状であってもよい。

　ここで、横断面形状が矩形状の溝１００を有する磁性楔３６は、磁束の大きさに応じて生ずる力が溝１００の角部に集中し易く、高トルク駆動時において折れが生ずる虞がある。そこで、本変形例は、溝１００の横断面形状を円弧状とすることで、局所的な応力集中が抑制され、磁性楔３６の予期せぬ破損の抑制が可能となる。

　（第二変形例）
　図５は、第二変形例に係る電動機１０の要部を示す拡大図である。第二変形例に係る電動機１０は、いわゆるアウターロータ型の電動機であって、前述した実施形態と比較して、固定子３４と回転子２０との位置関係が異なる。

　図５に示すように、第二変形例に係る電動機１０は、コイル３０を有するティース３２が周方向Ｓに離間して配置された固定子３４と、ティース３２に対向する対向面２０Ａに永久磁石２２が設けられた回転子２０と、を備える。また、第二変形例に係る電動機１０は、隣接するティース３２の先端部間に設けられた磁性楔３６を備える。回転子２０は、固定子３４の外側に配置されている。回転子２０は、固定子３４に対して回転可能である。

　回転子２０の対向面２０Ａの永久磁石２２は、回転子２０の周方向Ｓに配置された複数の主磁石７０と、各主磁石７０の間に配置され隣接する主磁石７０の磁化方向と異なる方向に磁化された補助磁石７２と、を有するハルバッハ配列の磁気回路を構成する。補助磁石７２の磁化方向は、主磁石７０の磁化方向に対して、９０度以下の範囲で傾いている。

　（作用及び効果）
　以上説明したように、本実施形態の電動機１０は、コイル３０を有するティース３２が周方向Ｓに離間して配置された固定子３４と、ティース３２に対応する部分に永久磁石２２が設けられた回転子２０と、を備える。電動機１０は、隣接するティース３２の先端部間に設けられた磁性楔３６を備える。磁性楔３６の飽和磁束密度は、ティース３２の飽和磁束密度以下である。

　このような電動機１０において、磁性楔３６の飽和磁束密度は、ティース３２の飽和磁束密度以下であり、ティース３２間に設けられた磁性楔３６は、磁気飽和し易い。

　このため、電動機１０は、高トルク駆動時に磁性楔３６が磁気飽和する際には、磁性楔３６の透磁率を下げることができる。これにより、ティース３２間に流れる漏れ磁束は、増加が抑えられるので、トルクアップに寄与する主磁路に沿った磁束の流れの減少を抑制することができる。

　したがって、電動機１０は、磁性楔３６を用いた場合であっても高トルク駆動時のトルク特性を改善することが可能となる。

　また、電動機１０は、回転子２０が高速回転する高速域であって低トルク駆動時には、隣接するティース３２間に流れる漏れ磁束を形成することができるので、回転効率を高めることができる。

　よって、電動機１０は、高トルク駆動時のトルク特性の悪化を抑制しつつ、高速域での回転効率を向上することが可能となる。

　また、本実施形態において、磁性楔３６は、隣接したティース３２間を流れる磁束の通流方向としての周方向Ｓの透磁率が、通流方向と交差する交差方向としての径方向Ｒの透磁率よりも高い。

　このような構成において、磁性楔３６は、ティース３２間を流れる漏れ磁束を交差方向としての径方向Ｒに流れる磁束よりも増加することができる。これにより、電動機１０は、高速域での低トルク時における回転効率をさらに高めることが可能となる。

　また、本実施形態において、磁性楔３６は、方向性電磁鋼板で構成される。

　このような構成の電動機１０は、方向性電磁鋼板を用いることによって、通流方向としての周方向Ｓの透磁率が交差方向としての径方向Ｒの透磁率よりも高い磁性楔３６を形成することが可能となる。

　また、本実施形態において、磁性楔３６の透磁率は、ティース３２の透磁率以下である。

　このような構成において、電動機１０は、磁性楔３６の透磁率をティース３２の透磁率以下とすることによって、ティース３２間を流れる漏れ磁束を確保して、高速域での低トルク時における回転効率を高めることが可能となる。

　なお、磁性楔３６の透磁率をティース３２の透磁率よりも小さくすれば、磁性楔３６の透磁率がティース３２の透磁率よりも大きい場合と比較して、磁性楔３６に流れる磁束の集中を抑制することができる。これにより、電動機１０は、ティース３２を流れる磁束を確保できるので、トルク特性をより向上させることが可能となる。

　また、本実施形態において、永久磁石２２は、回転子２０の周方向Ｓに配置された複数の主磁石７０（７０Ａ、７０Ｂ）と、主磁石７０（７０Ａ、７０Ｂ）の間に配置され隣接する主磁石７０（７０Ａ、７０Ｂ）の磁化方向と異なる方向に磁化された補助磁石７２（７２Ａ、７２Ｂ、７２Ｃ、７２Ｄ）と、を有するハルバッハ配列の磁気回路を構成する。

　このような構成において、回転子２０の永久磁石２２は、ハルバッハ配列の磁気回路を構成するので、ティース３２へ向けた磁場強度を大きくすることが可能となる。

　また、本実施形態において、磁性楔３６は、回転子２０と対向する面とは反対側に位置する面としての反対面３６Ｄに、電動機１０の回転軸６０が延びる回転軸方向に沿って延在する溝１００を備える（図３及び図４参照）。

　このような構成において、磁性楔３６は、スロット４０側に位置する反対面３６Ｄに溝１００が形成される。これにより、スロット４０側に位置する反対面３６Ｄに溝１００を備えない場合と比較して、スロット４０へ向かう磁束を抑制することができるので、前述した磁性楔３６による効果の向上が可能となる。

　また、本実施形態において、溝１００は、周方向Ｓの中心に位置し、横断面形状が円弧状である（図４参照）。

　このような構成において、磁性楔３６の反対面３６Ｄに形成された溝１００は、横断面形状が円弧状に形成されている。このため、電動機１０は、溝１００の横断面形状が例えば矩形状に形成された場合と比較して、溝１００の内面に生ずる応力を分散することが可能となり、磁性楔３６の予期せぬ破損を抑制することが可能となる。

　以上、本発明の実施形態及び各変形例について説明したが、上記実施形態及び各変形例は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態及び各変形例の具体的構成に限定する趣旨ではない。

　前述した本実施形態及び各変形例の電動機１０は、電気自動車で用いられる電動機１０を例に説明したが、電動機１０は、これに限定されるものではなく、他の装置で用いられる電動機１０であってもよい。

　前述した本実施形態及び各変形例の電動機１０は、磁性楔３６の透磁率がティース３２の透磁率以下である場合を例に挙げて説明したが、磁性楔３６の透磁率は、ティース３２の透磁率以下でなくてもよい。

Claims (7)

1. 　コイルを有するティースが周方向に離間して配置された固定子と、
   　前記ティースに対応する部分に永久磁石が設けられた回転子と、
   　隣接する前記ティースの先端部間に設けられた磁性楔と、を備え、
   　前記磁性楔の飽和磁束密度は、前記ティースの飽和磁束密度以下である、
   　電動機。
2. 　請求項１に記載の電動機であって、
   　前記磁性楔は、隣接した前記ティース間を流れる磁束の通流方向の透磁率が、前記通流方向と交差する交差方向の透磁率よりも高い、
   　電動機。
3. 　請求項２に記載の電動機であって、
   　前記磁性楔は、方向性電磁鋼板で構成される、
   　電動機。
4. 　請求項１に記載の電動機であって、
   　前記磁性楔の透磁率は、前記ティースの透磁率以下である、
   　電動機。
5. 　請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の電動機であって、
   　前記永久磁石は、前記回転子の周方向に配置された複数の主磁石と、前記主磁石の間に配置され隣接する前記主磁石の磁化方向と異なる方向に磁化された補助磁石と、を有するハルバッハ配列の磁気回路を構成する、
   　電動機。
6. 　請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の電動機であって、
   　前記磁性楔は、前記回転子と対向する面とは反対側に位置する面に、電動機の回転軸方向に沿って延在する溝を備える、
   　電動機。
7. 　請求項６に記載の電動機であって、
   　前記溝は、周方向の中心に位置し、横断面形状が円弧状である、
   　電動機。