JP2008199846A - 永久磁石式回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】リラクタンストルクを有効に利用し、しかもトルク脈動を低減することができる永久磁石式回転電機を提供する。
【解決手段】固定子１１は、円筒状で内側に複数のティース１２が等間隔で設けられ、ティース１２には巻線１３が集中巻で巻回されている。固定子１１の内側に配置された回転子１４の各磁極に、回転子１４の内周側に向かって凸となるようにフラックスバリア１７が設けられ、フラックスバリア１７内に永久磁石１８が装着されている。回転子１４には、回転子１４のｑ軸１９上に位置する状態で孔２０が形成されている。孔２０は、回転子外周面との最短距離Ｌ１がフラックスバリア１７の回転子外周面との最短距離Ｌ２よりも小さく形成されるとともに、フラックスバリア１７との最短距離Ｌ３がフラックスバリア１７の回転子外周面との最短距離Ｌ２と同等に形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、永久磁石式回転電機に係り、詳しくはマグネットトルクだけでなくリラクタンストルクも利用する永久磁石式回転電機に関する。

永久磁石を回転子（ロータ）のコア内に埋め込み、永久磁石のトルク以外にリラクタンストルクを利用する永久磁石式電動機が知られている。この種の永久磁石式電動機（永久磁石埋込形モータ）として、図４に示すような４極構造の回転子を有するものが提案されている（特許文献１参照）。なお、図４は電動機の１／４の部分を示し、２つの極が１／２ずつ表された模式図である。この電動機においては、固定子５０の内側に設けられる回転子５１は、複数個の円形鉄板５２が積層されるとともに、ボルト挿通孔５３に挿通されるボルトによって締結されて形成されている。回転子５１は、１極当たり３個の平板状の永久磁石５４が全体として回転子５１の内周側に向かって凸となるように埋設されている。また、回転子５１の周縁部にはｑ軸と対応する箇所に、所定の幅と深さを持つ磁束漏泄防止溝５５が形成されている。

隣接する極に埋設された永久磁石５４から発生する磁束Ｆは、図４に示すように、回転子５１と固定子５０との間の空隙を経由して固定子５０のティース５０ａに流入した後、ティース５０ａから出て回転子５１に流入する閉ループを形成する。その際、磁束漏泄防止溝５５が存在せず回転子５１の外周縁が回転子５１の軸を中心とした円形になっていると、磁束の一部は回転子５１の周縁部を通って隣の極の永久磁石５４に直接流れ込むようになる。この磁束は回転子５１の回転に寄与しない。しかし、回転子５１の周縁部に磁束漏泄防止溝５５が存在すると、永久磁石５４から出た磁束Ｆが、回転子５１の周縁部を通って隣の極の永久磁石５４に直接流れ込むことが抑制され、永久磁石５４から出た磁束Ｆが回転子５１の回転に寄与する割合が増加する。
特開平１１−３１８０４９号公報

永久磁石がロータコア内に埋め込まれた永久磁石式回転電機においてリラクタンストルクを有効に利用するためには、固定子で発生した磁束が回転子のｑ軸と対応する部分から回転子に流入し易いことが要求される。ところが、特許文献１に記載された電動機では、回転子５１の周縁部のｑ軸と対応する箇所に磁束漏泄防止溝５５が存在する。そのため、回転子５１のｑ軸と対応する箇所で、固定子５０のティース５０ａと回転子５１の周面との距離が大きくなり、固定子５０で発生した磁束がｑ軸と対応する箇所から回転子５１内に流入し難くなり、リラクタンストルクを有効に利用することができない。

また、単純にリラクタンストルクを活用した構成では、トルク脈動が大きくなり騒音や振動が問題になる。
本発明は、前記従来の問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、リラクタンストルクを有効に利用し、しかもトルク脈動を低減することができる永久磁石式回転電機を提供することにある。

前記の目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、複数個の永久磁石がロータコア内に埋め込まれた回転子を備えた永久磁石式回転電機であって、ティースに巻線が集中巻により巻回された固定子と、前記回転子の各磁極に回転子の内周側に向かって凸となるように設けられたフラックスバリアと、前記フラックスバリア内に装着された永久磁石とを備えている。また、前記回転子のｑ軸上に位置する状態で形成され、かつ回転子外周面との最短距離（Ｌ１）が前記フラックスバリアの回転子外周面との最短距離（Ｌ２）よりも小さく形成されるとともに、前記フラックスバリアとの最短距離（Ｌ３）が前記フラックスバリアの回転子外周面との最短距離（Ｌ２）と同等に形成されている孔を備えている。

ここで、「フラックスバリアとの最短距離（Ｌ３）がフラックスバリアの回転子外周面との最短距離（Ｌ２）と同等に形成されている」とは、固定子で発生してティースから回転子のｑ軸と対応する箇所に流入する磁束が、永久磁石の表側と、裏側（回転子の中心軸と対応する側）とに同じ割合で流入するように形成されていることを意味する。

この発明では、回転子のｑ軸上、即ち隣り合う極（磁極）の境界上の回転子外周に近い位置に孔が形成され、その孔の回転子外周面との最短距離（Ｌ１）がフラックスバリアの回転子外周面との最短距離（Ｌ２）よりも小さく形成されている。そのため、ある極（磁極）に設けられた永久磁石から発生した磁束の一部が回転子の周縁部を通って隣の極の永久磁石に直接流れ込むこと、即ち隣の極の永久磁石に漏れることが抑制される。しかし、従来技術のように回転子のｑ軸と対応する箇所における外周面に溝が設けられた場合と異なり、回転子のｑ軸と対応する箇所における外周面とティースとの距離が大きくならないため、リラクタンストルクを有効に利用することができる。また、前記孔のフラックスバリアとの最短距離（Ｌ３）がフラックスバリアの回転子外周面との最短距離（Ｌ２）と同等に形成されているため、固定子で発生してティースから回転子のｑ軸と対応する箇所に流入する磁束が、永久磁石の表側（回転子の外周と対応する側）と、裏側（回転子の中心軸と対応する側）とにバランス良く通過する状態となる。その結果、リラクタンストルクを有効に利用し、しかもトルク脈動を低減することができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記フラックスバリアは、回転子外周側の端部が前記永久磁石の端部より回転子外周に近くなるように膨出されている。この発明では、フラックスバリアが永久磁石の端部より回転子外周に近くなるように膨出されていない場合に比較して、永久磁石から発生した磁束の一部が回転子の周縁部を通って当該永久磁石に流入し難くなる。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の発明において、前記孔は、回転子内周側端部の回転子外周面までの距離が、前記永久磁石の回転子のｑ軸側の端部における回転子内周側の角部の回転子外周面までの距離と同等に形成されている。孔の回転子径方向の長さを長くすると強度の面では良くないが、あまり短くても、発明の効果が低くなり、この発明の長さとすることにより効果が良好に発揮される。

本発明によれば、リラクタンストルクを有効に利用し、しかもトルク脈動を低減することができる。

以下、本発明を電動機に具体化した一実施形態を図１及び図２にしたがって説明する。図１（ａ）は永久磁石式回転電機としての電動機の半分に対応する模式図である。
図１（ａ）に示すように、固定子（ステータ）１１は、円筒状で内側に複数のティース１２が等間隔で設けられている。ティース１２には、巻線（コイル）１３が集中巻で巻回されている。この実施形態ではティース１２が１２個設けられ、固定子１１の極数は１２となっている。

固定子１１の内側には、回転子（ロータ）１４が配置されている。回転子１４は、円板状の電磁鋼板を複数枚（例えば数十枚）積層したロータコア１５と、ロータコア１５の中心に貫挿されたロータ軸（回転軸）１６とを備えている。そして、回転子１４は、ロータコア１５の外周面がティース１２と所定の間隔を置いた状態で、図示しないハウジングの軸受けにロータ軸１６を介して回転可能に支持されている。

ロータコア１５には、ロータコア１５を周方向に等分割（この実施形態では８分割）した各仮想領域に、フラックスバリア（孔）１７がそれぞれロータコア１５の外周側に向かって拡がるＶ字状に一対ずつ、即ち回転子の内周側に向かって凸となるように形成されている。そして、各フラックスバリア１７内に断面矩形の平板状に形成された永久磁石１８が装着されている。各永久磁石１８は、着磁方向（磁化方向）が厚さ方向となるように着磁されている。永久磁石１８は、一極（磁極）当たり２個ずつ設けられるとともに、回転子１４の外周側に向かって拡がるＶ字状で同じ側（例えば、回転子１４の外周側）が同極になるように配置されている。また、隣り合う仮想領域に配置された永久磁石１８同士は、回転子１４の外周側が異なる極になるように配置されている。例えば、ある一組のＶ字配置の永久磁石１８が、ティース１２側がＳ極になるように配置されると、隣の仮想領域に配置される永久磁石１８は、ティース１２側がＮ極になるように配置される。即ち、回転子１４の各磁極に、永久磁石１８が回転子１４の内周側に向かって凸となるように設けられている。したがって、この実施形態の電動機は、固定子１１の極数が１２で、回転子１４の極数が８の構成になっている。

フラックスバリア１７は、永久磁石１８が装着された状態でその一部が、永久磁石１８の装着位置より回転子１４の外周面側に膨出する膨出部１７ａを有するように形成されている。詳述すると、フラックスバリア１７は、永久磁石１８のｑ軸側の端部に連続する状態で、永久磁石１８の最も回転子外周に近い部分（端部）よりも回転子外周に近い外周近接部１７ｂを有する膨出部１７ａを備えている。この実施形態では、外周近接部１７ｂは永久磁石１８の外側部の延長線上に存在するように形成されている。

ロータコア１５には、即ち回転子１４には、回転子１４のｑ軸１９上に位置する状態で孔２０が形成されている。図１（ｂ）に示すように、孔２０は、回転子１４の軸方向から見た形状が回転子１４の径方向に延びる長円状（２個の半円弧が直線で結ばれた形状）に形成されている。孔２０は、回転子外周面との最短距離Ｌ１、即ち孔２０の回転子外周側端部２０ａと回転子外周面との距離が、フラックスバリア１７の回転子外周面との最短距離Ｌ２よりも小さく形成されている。孔２０は、フラックスバリア１７との最短距離Ｌ３がフラックスバリア１７の回転子外周面との最短距離Ｌ２と同等に形成されている。また、図１（ｃ）に示すように、孔２０は、回転子内周側端部２０ｂの回転子外周面までの距離Ｌ４が、永久磁石１８の回転子のｑ軸１９側の端部における回転子内周側の角部１８ａの回転子外周面までの距離Ｌ５と同等に形成されている。距離Ｌ４と距離Ｌ５とが同等とは、回転子内周側端部２０ｂの位置が、ｑ軸１９を挟む永久磁石１８の両角部１８ａを含む平面と、回転子の中心軸を中心として両角部１８ａを通る円弧面との間に存在することを意味する。

次に前記のように構成された電動機の作用を説明する。
電動機が負荷状態で駆動される場合は、固定子１１の巻線１３に電流が供給されて固定子１１に回転磁界が発生し、回転子１４に回転磁界が作用する。そして、回転磁界と永久磁石１８との間の磁気的な吸引力及び反発力により回転子１４が回転磁界と同期して回転する。

永久磁石１８で発生した磁束が回転子１４の回転に効率よく寄与するためには、永久磁石１８で発生した磁束がティース１２に入力されるとともに、入力されたティース１２と異なるティース１２を経てとなりの極の永久磁石１８に流入する必要がある。回転子１４にはｑ軸１９上に位置する状態で孔２０が存在し、孔２０は、回転子外周面との最短距離Ｌ１がフラックスバリア１７の回転子外周面との最短距離Ｌ２よりも小さく形成されているため、永久磁石１８で発生した磁束の一部が、ｑ軸１９と対応する部分の回転子１４の周縁部を経て隣りの極の永久磁石１８に直接流入するのが抑制される。

また、特許文献１の構成と異なり、回転子１４のｑ軸１９と対応する位置に溝が存在しないため、ｑ軸１９と対応する箇所における回転子１４の外周面とティース１２との距離が大きくならず、固定子１１で発生した磁束がティース１２から回転子１４のｑ軸１９と対応する箇所へ円滑に流入し、リラクタンストルクを有効に利用することができる。

また、孔２０は、フラックスバリア１７との最短距離Ｌ３がフラックスバリア１７の回転子外周面との最短距離Ｌ２と同等に形成されている。そのため、図１（ｃ）に示すように、固定子１１で発生してティース１２から回転子１４のｑ軸１９と対応する箇所に流入する磁束Ｆが、永久磁石１８の表側（回転子１４の外周と対応する側）と、裏側（回転子１４の中心軸と対応する側）とにバランス良く通過する状態となる。その結果、リラクタンストルクを有効に利用し、しかもトルク脈動を低減することができる。

前記構成の固定子１１及び回転子１４を備えた電動機のトルクをシミュレーションで求めた。結果を図２に示す。なお、図２において、横軸の回転子角度は機械角度を示す。また、点線は孔２０を形成しない場合の比較例を示し、実線は孔２０を形成した場合の実施例を示す。

図２から、トルクは所定周期で最大値及び最小値となるように変動するが、孔２０を設けた場合は、最大値が減少するとともに最小値が増加する。そして、孔２０を設けた場合、トルクの平均値は若干増加し、変動幅（最大値と最小値との差）は１５％程度小さくなることが確認された。

この実施形態によれば、以下に示す効果を得ることができる。
（１）電動機は、ティース１２に巻線１３が集中巻により巻回された固定子１１と、回転子１４の各磁極に回転子１４の内周側に向かって凸となるように設けられたフラックスバリア１７と、フラックスバリア１７内に装着された永久磁石１８とを備えている。そして、回転子１４のｑ軸１９上に位置する状態で形成され、かつ回転子外周面との最短距離（Ｌ１）がフラックスバリア１７の回転子外周面との最短距離（Ｌ２）よりも小さく形成されている。したがって、ある極（磁極）に設けられた永久磁石１８から発生した磁束の一部が回転子１４の周縁部を通って隣の極の永久磁石１８に直接流れ込むこと、即ち隣の極の永久磁石１８に漏れることが抑制される。また、孔２０は、フラックスバリア１７との最短距離（Ｌ３）がフラックスバリア１７の回転子外周面との最短距離（Ｌ２）と同等に形成されている。したがって、リラクタンストルクを有効に利用し、しかもトルク脈動を低減することができる。

（２）フラックスバリア１７は、回転子外周側の端部が永久磁石１８の端部より回転子外周に近くなるように膨出されている。したがって、フラックスバリア１７が永久磁石１８の端部より回転子外周に近くなるように膨出されていない場合に比較して、永久磁石１８から発生した磁束の一部が回転子１４の周縁部を通って当該永久磁石１８に流入し難くなる。その結果、永久磁石１８から発生した磁束が回転子１４の回転に有効に寄与する状態になる。

（３）孔２０は、回転子内周側端部２０ｂの回転子外周面までの距離Ｌ４が、永久磁石１８の回転子１４のｑ軸１９側の端部における回転子内周側の角部１８ａの回転子外周面までの距離Ｌ５と同等に形成されている。孔２０の回転子径方向の長さを長くすると強度の面では良くないが、あまり短くても、発明の効果が低くなる。しかし、前記距離Ｌ４を距離Ｌ５と同等にすることにより、（１），（２）の効果が良好に発揮される。

実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
○ 孔２０の形状は断面長円状に限らず、例えば、楕円状や矩形状あるいは矩形の角を面取りした形状としてもよい。

○ フラックスバリア１７は、回転子外周側の端部が永久磁石１８の端部より回転子外周に近くなるように膨出されている必要はなく、フラックスバリア１７を永久磁石１８と同じ大きさに形成し、永久磁石１８が装着された状態でフラックスバリア１７との間に隙間が無い状態であってもよい。この場合、外周近接部１７ｂは、永久磁石１８の回転子外周側の端部となる。しかし、フラックスバリア１７に永久磁石１８の端部より回転子外周に近くなる膨出部１７ａが存在する方が好ましい。

○ 孔２０は、回転子内周側端部２０ｂの回転子外周面までの距離Ｌ４が、永久磁石１８の回転子１４のｑ軸１９側で、回転子内周側の角部１８ａの回転子外周面までの距離Ｌ５と同等に形成されていなくてもよい。

○ 各極（磁極）に埋設される永久磁石１８は、平板状の永久磁石１８が２個Ｖ字状に配置された構成に限らない。例えば、永久磁石１８を平板状ではなく、図３（ａ）に示すように、円弧状に湾曲した板状とし、各磁極に１個の永久磁石１８を回転子１４の内周側が凸となる状態で設けてもよい。この場合、２個の平板状の永久磁石１８をＶ字状に配置する場合に比較して、磁束の流れにとっては好ましい。しかし、永久磁石１８の製作し易さ及び取り扱い易さの点からは、平板状の永久磁石１８のＶ字配置の方が好ましく、ロータコア１５の強度の面からもＶ字配置の方が好ましい。

○ 図３（ｂ）に示すように、平板状に形成されるとともに厚さ方向に着磁された永久磁石１８が、各磁極に３個ずつ、３個の永久磁石１８全体として回転子１４の内周側が凸となる状態で設けてもよい。

○ 各磁極の永久磁石１８を複数に分割された永久磁石１８で構成する場合、各永久磁石１８を円弧状に湾曲した板状としてもよい。断面円弧状の永久磁石１８は、円弧が長いと割れ易いが、円弧が短い永久磁石１８を使用することにより、断面円弧状でも割れ難くなる。

○ 回転子１４の極数は８極に限らず、４極以上の偶数極であればよく、回転子１４の大きさにより適宜設定される。また、固定子１１の極数も１２極に限らず、回転子１４の極数に対応して増減してもよい。

○ 電動機に限らず発電機に適用してもよい。

（ａ）は電動機の半分を示す模式図、（ｂ）は（ａ）の部分拡大図、（ｃ）は磁束の流れを示す模式図。 回転子角度とトルクの関係を示すグラフ。 （ａ），（ｂ）はそれぞれ異なる別の実施形態の部分模式図。 従来技術の模式図。

符号の説明

Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３…最短距離、Ｌ４，Ｌ５…距離、１１…固定子、１２…ティース、１３…巻線、１４…回転子、１５…ロータコア、１７…フラックスバリア、１８…永久磁石、１８ａ…角部、１９…ｑ軸、２０…孔、２０ａ…回転子外周側端部、２０ｂ…回転子内周側端部。

Claims (3)

1. 複数個の永久磁石がロータコア内に埋め込まれた回転子を備えた永久磁石式回転電機であって、
   ティースに巻線が集中巻により巻回された固定子と、
   前記回転子の各磁極に回転子の内周側に向かって凸となるように設けられたフラックスバリアと、
   前記フラックスバリア内に装着された永久磁石と、
   前記回転子のｑ軸上に位置する状態で形成され、かつ回転子外周面との最短距離（Ｌ１）が前記フラックスバリアの回転子外周面との最短距離（Ｌ２）よりも小さく形成されるとともに、前記フラックスバリアとの最短距離（Ｌ３）が前記フラックスバリアの回転子外周面との最短距離（Ｌ２）と同等に形成されている孔とを備えていることを特徴とする永久磁石式回転電機。
2. 前記フラックスバリアは、回転子外周側の端部が前記永久磁石の端部より回転子外周に近くなるように膨出されている請求項１に記載の永久磁石式回転電機。
3. 前記孔は、回転子内周側端部の回転子外周面までの距離が、前記永久磁石の回転子のｑ軸側の端部における回転子内周側の角部の回転子外周面までの距離と同等に形成されている請求項１又は請求項２に記載の永久磁石式回転電機。

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