JP2017050991A - Rotor structure for rotary electric machine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、回転電機の回転子構造に関する。 The present invention relates to a rotor structure of a rotating electrical machine.
従来、埋め込み磁石同期電動機の回転子において、回転子に埋め込まれている永久磁石の外周側の領域に空隙を設けることで、回転子と固定子との間に形成されるギャップに発生する磁束の高調波成分を低減し、鉄損を抑制する技術が知られている（特許文献１参照）。 Conventionally, in a rotor of an embedded magnet synchronous motor, by providing a gap in a region on the outer peripheral side of a permanent magnet embedded in the rotor, a magnetic flux generated in a gap formed between the rotor and the stator is reduced. A technique for reducing harmonic components and suppressing iron loss is known (see Patent Document 1).
ところで、回転子に設ける上記空隙は、開口面積が大きいほど高い鉄損抑制効果が得られるため、鉄損抑制の観点からは可能な限り大きな空隙を設けることが好ましい。しかしながら、回転電機の高速回転域では、回転子に設けられた空隙の回転子径方向の端部に過大な応力がかかる。そのため、形成できる空隙の大きさに限界が生じ、問題となる。 By the way, since the said space | gap provided in a rotor has a high iron loss suppression effect, so that opening area is large, it is preferable to provide a space | gap as large as possible from a viewpoint of iron loss suppression. However, in the high-speed rotation range of the rotating electrical machine, excessive stress is applied to the end of the gap provided in the rotor in the rotor radial direction. Therefore, there is a limit to the size of the void that can be formed, which is a problem.
本発明は、空隙にかかる応力を分散させることで、回転子により大きな空隙を形成できる技術を提供することを目的とする。 An object of this invention is to provide the technique which can form a big space | gap with a rotor by dispersing the stress concerning a space | gap.
本発明による回転電機の回転子構造は、外周に沿って複数の磁石挿入孔が形成された電磁鋼板を積層して構成される回転子コアと、磁石挿入孔に埋設される永久磁石とを備え、回転子コアの径方向において永久磁石よりも外周側の領域に、該径方向に沿って二つ以上並べて設けられた空隙を有する。 A rotor structure of a rotating electrical machine according to the present invention includes a rotor core configured by laminating electromagnetic steel plates in which a plurality of magnet insertion holes are formed along an outer periphery, and a permanent magnet embedded in the magnet insertion hole. In the radial direction of the rotor core, two or more gaps are provided side by side along the radial direction in a region on the outer peripheral side of the permanent magnet.
本発明によれば、回転子が備える空隙が、回転子の径方向に沿って二つ以上並べて形成される。これにより、空隙にかかる応力を分散させることができるので、回転子により大きな空隙を形成することができる。 According to the present invention, two or more voids provided in the rotor are formed side by side along the radial direction of the rotor. Thereby, since the stress concerning a space | gap can be disperse | distributed, a big space | gap can be formed with a rotor.
−第1実施形態−
図１は、本実施形態の回転子構造を説明するための図である。図で表されるのは、電動機或いは発電機を構成する回転電機が備える回転子（ロータ）６を軸方向に垂直な断面から見た構成図であって、構成全体の一部（一極分）である。本実施形態の回転電機は、ロータ６の内部に永久磁石が埋設されたいわゆるＩＰＭ（Interior Permanent Magnet）型の回転電機であり、一極あたり一枚の永久磁石３が配置された回転子構造を有する。なお、ここでは８極構造のロータを例に挙げるが、極数についてはこれに限定されるものではない。
-First embodiment-
FIG. 1 is a view for explaining the rotor structure of the present embodiment. What is shown in the figure is a configuration diagram of a rotor (rotor) 6 provided in a rotating electrical machine that constitutes an electric motor or a generator as viewed from a cross section perpendicular to the axial direction. ). The rotating electrical machine of the present embodiment is a so-called IPM (Interior Permanent Magnet) type rotating electrical machine in which a permanent magnet is embedded in the rotor 6, and has a rotor structure in which one permanent magnet 3 is arranged per pole. Have. Here, an 8-pole rotor is taken as an example, but the number of poles is not limited to this.
回転子コア（ロータコア）１は、厚さ数百μｍの電磁鋼板を円環状に打ち抜き加工したものを軸方向に積層して形成された、いわゆる積層電磁鋼板構造により円筒形に構成されている。また、電磁鋼板単板には、永久磁石３を埋設するための磁石挿入孔２（以下、単に磁石孔２ともいう）が形成されるとともに、磁石孔２の周方向両端部にはフラックスバリア４が形成されている。 The rotor core (rotor core) 1 is formed in a cylindrical shape by a so-called laminated electrical steel sheet structure formed by laminating an electromagnetic steel sheet having a thickness of several hundreds of μm in a ring shape in an axial direction. In addition, a magnet insertion hole 2 for embedding the permanent magnet 3 (hereinafter, also simply referred to as a magnet hole 2) is formed in the electromagnetic steel sheet single plate, and a flux barrier 4 is provided at both ends in the circumferential direction of the magnet hole 2. Is formed.
磁石孔２は、上述の通り、永久磁石３を埋設するために電磁鋼板単板に形成されたＩ型の孔であって、長手方向がロータコア１の周方向に沿うように一定の機械角毎に形成される。本実施形態のロータ６は８極構造である為、磁石孔２は、機械角４５度毎に形成される。図１に示すのはその一極分である。 As described above, the magnet hole 2 is an I-type hole formed in a single electromagnetic steel sheet for embedding the permanent magnet 3, and is provided at a constant mechanical angle so that the longitudinal direction is along the circumferential direction of the rotor core 1. Formed. Since the rotor 6 of this embodiment has an octupole structure, the magnet hole 2 is formed every 45 degrees of mechanical angle. FIG. 1 shows only one pole.
磁石孔２が形成された電磁鋼板が軸方向に積層されることで、ロータコア１には永久磁石３を埋設するための孔部が形成される。そして、永久磁石３は、ロータコア１の孔部内に挿入された状態で固定される。また、永久磁石３は、ロータコア１の周方向に沿って、永久磁石３が構成する磁極が互いに等間隔で、且つ、互いに隣接する磁極の極性が異極性となるように配置される。この永久磁石３がつくる磁束の方向がｄ軸であり、ｄ軸に対して電気的磁気的に直交する方向がｑ軸である。 By laminating the electromagnetic steel sheets in which the magnet holes 2 are formed in the axial direction, holes for embedding the permanent magnets 3 are formed in the rotor core 1. And the permanent magnet 3 is fixed in the state inserted in the hole of the rotor core 1. The permanent magnets 3 are arranged along the circumferential direction of the rotor core 1 such that the magnetic poles formed by the permanent magnets 3 are equally spaced from each other and the polarities of the adjacent magnetic poles are different from each other. The direction of the magnetic flux produced by the permanent magnet 3 is the d-axis, and the direction perpendicular to the d-axis electrically and magnetically is the q-axis.
永久磁石３は、周方向幅が磁石孔２よりも小さく形成されており、磁石孔２の周方向中心とｄ軸とが一致するように磁石孔２内に埋設される。このように配置されることで、磁石孔２の周方向両端部分には、空間部分としてのフラックスバリア４が形成される。この空間部分は、電磁鋼板よりも透磁率が低く、すなわち磁気抵抗が大きい。したがって、フラックスバリア４は、永久磁石３がロータ６に構成する磁気回路において、磁束（フラックス）が通りにくい磁気的障壁として作用する。 The permanent magnet 3 has a circumferential width smaller than that of the magnet hole 2 and is embedded in the magnet hole 2 so that the center of the magnet hole 2 in the circumferential direction coincides with the d axis. By being arranged in this way, flux barriers 4 as space portions are formed at both ends in the circumferential direction of the magnet hole 2. This space portion has a lower magnetic permeability than the electromagnetic steel sheet, that is, has a large magnetic resistance. Therefore, the flux barrier 4 acts as a magnetic barrier in which the magnetic flux (flux) is difficult to pass in the magnetic circuit formed by the permanent magnet 3 in the rotor 6.
そして、空隙５が、ロータ６の略径方向に二つ並べた列となるように形成されることにより、本願発明に特徴的な回転子構造が構成される。 Then, by forming the gaps 5 so as to form two rows arranged in the substantially radial direction of the rotor 6, a rotor structure characteristic of the present invention is configured.
空隙５は、フラックスバリア４と同様、ロータコア１を構成する電磁鋼板に設けられた空間部分である。本実施形態では、図１に示すとおり、空隙５が、ロータコア１において、磁石孔２よりも外周側の領域に、ロータコア１の略径方向に２つ並べて設けられていることを特徴とする。また、二つの空隙５が作る列（空隙列７）は、磁石孔２よりも外周側の領域であって、且つ、永久磁石３の周方向両端部よりもｄ軸側に、ｄ軸と略平行となるように設けられている。 Like the flux barrier 4, the air gap 5 is a space portion provided in the electromagnetic steel sheet constituting the rotor core 1. In the present embodiment, as shown in FIG. 1, two gaps 5 are provided in the rotor core 1 in a region on the outer peripheral side of the magnet hole 2 side by side in the substantially radial direction of the rotor core 1. The row formed by the two gaps 5 (gap row 7) is a region on the outer peripheral side of the magnet hole 2, and is approximately d-axis on the d-axis side from both circumferential ends of the permanent magnet 3. It is provided so that it may become parallel.
ここで、本実施形態の特徴である空隙５の詳細を説明する前に、本発明の比較となる従来の回転子構造と、その構造による特性および問題点について、解析データ等を参照しながら説明する。 Here, before describing the details of the air gap 5 which is a feature of the present embodiment, a conventional rotor structure for comparison with the present invention, and characteristics and problems due to the structure will be described with reference to analysis data and the like. To do.
複数の磁石挿入孔を設けたロータコアに永久磁石が埋設された構造である埋込磁石型モータ（ＩＰＭモータ）は、磁石トルクだけでなく、リラクタンストルクも有効に活用することができ、モータが出力するトルク密度を向上させることができる。そのため、ＩＰＭモータは、電動車両の駆動源ならびに発電用のモータ（回転電機）として広く用いられている。図１４は、一極あたり一枚の永久磁石を配置したＩＰＭモータの一般的な回転子形状を示す。なお、図１４で示す回転子形状は、本実施形態の回転子形状が有する空隙５が設けられていない点以外は、本実施形態の回転子形状と同じである。 An embedded magnet type motor (IPM motor), which has a structure in which a permanent magnet is embedded in a rotor core with a plurality of magnet insertion holes, can effectively utilize not only magnet torque but also reluctance torque, and the motor outputs Torque density can be improved. Therefore, the IPM motor is widely used as a drive source for an electric vehicle and a motor for generating electricity (rotary electric machine). FIG. 14 shows a general rotor shape of an IPM motor in which one permanent magnet is arranged per pole. Note that the rotor shape shown in FIG. 14 is the same as the rotor shape of this embodiment, except that the gap 5 of the rotor shape of this embodiment is not provided.
ＩＰＭモータが備える回転子形状は、磁石挿入孔２の周方向両端部分に設けられたフラックスバリア４が、永久磁石３から出た磁束が該永久磁石３の異極側へ漏洩する際の磁気障壁となるため、永久磁石３からの磁石磁束を漏れなくステータ側に鎖交させることができ、トルク性能を向上させることができる。 The rotor shape of the IPM motor is such that the flux barriers 4 provided at both ends in the circumferential direction of the magnet insertion hole 2 are magnetic barriers when the magnetic flux emitted from the permanent magnet 3 leaks to the opposite pole side of the permanent magnet 3. Therefore, the magnetic flux from the permanent magnet 3 can be linked to the stator side without leakage, and the torque performance can be improved.
一方で、電動車両の航続距離の観点から、ＩＰＭモータの高効率化や連続出力性能の向上が求められており、そのためにはＩＰＭモータの損失低減が必要である。そして、損失を低減させるためには、モータの損失において高速回転域で支配的となる鉄損を低減させることが特に重要である。 On the other hand, from the viewpoint of the cruising distance of an electric vehicle, there is a demand for higher efficiency of the IPM motor and improvement of continuous output performance. To that end, it is necessary to reduce the loss of the IPM motor. And in order to reduce a loss, it is especially important to reduce the iron loss which becomes dominant in a high-speed rotation area in the loss of a motor.
これに対して、特開２０１２−３４４７３（特許文献１参照）では、図１と同様に一極あたり一箇所の永久磁石を配置したロータにおいて、永久磁石よりも外周側の領域に、斜めに空隙（フラックスバリア）を形成することを特徴とした回転子構造が提案されている（図１５参照）。この回転子構造に依れば、永久磁石から出る磁石磁束を磁極中心に集めて、磁石起磁力を正弦波に近づけることができるので、回転子と固定子との間のギャップに発生する磁束の高調波成分を減少させて、鉄損を低減させることができる。 On the other hand, in Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2012-34473 (see Patent Document 1), in the rotor in which one permanent magnet is arranged per pole as in FIG. A rotor structure characterized by forming a (flux barrier) has been proposed (see FIG. 15). According to this rotor structure, the magnetic flux generated from the permanent magnet can be collected at the center of the magnetic pole, and the magnetomotive force can be made close to a sine wave, so that the magnetic flux generated in the gap between the rotor and the stator can be reduced. Harmonic components can be reduced to reduce iron loss.
しかしながら、モータの高速回転域では、回転に伴う遠心力により空隙の径方向端部に過大な応力がかかるため、ロータコアの強度と該応力との関係から、径方向に設けられる空隙の大きさに限界が生じる。この点を解析した解析結果を、図２、３を参照して説明する。 However, in the high-speed rotation region of the motor, excessive stress is applied to the radial end of the gap due to the centrifugal force accompanying rotation, so the size of the gap provided in the radial direction depends on the relationship between the strength of the rotor core and the stress. Limits arise. An analysis result obtained by analyzing this point will be described with reference to FIGS.
図３は、図２で示す解析結果の解析対象であって、ＩＰＭモータが備えるロータの一部を表した図である。図の右側の曲線はロータコア１の外周を示しており、ロータコア１の永久磁石３よりも外周側の領域に空隙４０が設けられている。図中のＷで示す空隙４０の径方向長さが、図２の横軸で示す空隙４０の径方向長さ[Ｗ]に対応する。 FIG. 3 is an analysis target of the analysis result shown in FIG. 2 and is a diagram showing a part of the rotor provided in the IPM motor. The curve on the right side of the drawing shows the outer periphery of the rotor core 1, and a gap 40 is provided in a region on the outer peripheral side of the permanent magnet 3 of the rotor core 1. The radial length of the gap 40 indicated by W in the figure corresponds to the radial length [W] of the gap 40 indicated by the horizontal axis of FIG.
図２は、ある一定の回転速度で回転しているＩＰＭモータが備えるロータコアにおいて、埋設された永久磁石よりも外周側の領域に形成された空隙４０の径方向長さ[Ｗ]と、その空隙４０の長さに応じたステータ鉄損の低減効果[％]と、空隙４０の径方向端部にかかる最大応力との関係を表した図である。図中の破線はステータ鉄損を示し、実線は空隙４０の径方向端部にかかる最大応力を示す。そして、図中の二重線は、モータの回転に伴う応力によってステータコアが破損する限界値（応力限界）を示している。なお、実線で示す最大応力は、図右側に示す目盛りに対応しており、応力限界を１とした場合の応力限界に対する割合で表される。 FIG. 2 shows the radial length [W] of the air gap 40 formed in the outer peripheral region of the embedded permanent magnet in the rotor core provided in the IPM motor rotating at a certain rotational speed, and the air gap. FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the reduction effect [%] of the stator iron loss according to the length of 40 and the maximum stress applied to the radial end of the air gap 40. The broken line in the figure indicates the stator iron loss, and the solid line indicates the maximum stress applied to the radial end portion of the air gap 40. And the double line in a figure has shown the limit value (stress limit) which a stator core breaks with the stress accompanying rotation of a motor. The maximum stress indicated by the solid line corresponds to the scale shown on the right side of the figure, and is expressed as a ratio to the stress limit when the stress limit is 1.
図２で示す解析結果から、空隙４０が大きくなるほど、ステータ鉄損の低減効果が高まることが分かる。しかしながら一方では、空隙４０が大きくなるほど、空隙４０のロータ径方向端部にかかる最大応力が増大することが分かる。すなわち、図２で示す解析結果は、空隙４０を大きくすればするほど鉄損低減の効果を得ることができるにも関わらず、応力限界による制限のために、ある一定の大きさ以上に大きくすることはできないことを示している。また、図２の最大応力を示す実線は、モータの回転速度が高まるほどより左側に推移するので、モータの回転速度の上限値が大きくなるほど、より小さい空隙４０しか形成することができなくなる。 From the analysis results shown in FIG. 2, it can be seen that the effect of reducing the stator iron loss increases as the gap 40 increases. However, on the other hand, it can be seen that the larger the gap 40, the greater the maximum stress applied to the end of the gap 40 in the rotor radial direction. That is, in the analysis result shown in FIG. 2, the effect of reducing the iron loss can be obtained as the gap 40 is made larger, but it is made larger than a certain size due to the limitation by the stress limit. Indicates that you can't. Further, since the solid line indicating the maximum stress in FIG. 2 shifts to the left side as the motor rotation speed increases, only the smaller gap 40 can be formed as the upper limit value of the motor rotation speed increases.
本願発明は、ロータコア１の強度そのものは従来と変わらないことを前提として、ロータコア１の永久磁石３よりも外周側の領域により大きな空隙を形成する事を可能とし、より高い鉄損低減効果を得ることができる技術を提供することを目的とする。以下、本願発明に係る第1実施形態の回転子構造の詳細について説明する。 The present invention makes it possible to form a larger gap in a region on the outer peripheral side than the permanent magnet 3 of the rotor core 1 on the premise that the strength itself of the rotor core 1 is not different from the conventional one, and obtain a higher iron loss reduction effect. The purpose is to provide technology that can be used. Hereinafter, details of the rotor structure of the first embodiment according to the present invention will be described.
図１に戻って説明を続ける。上述したとおり、本実施形態では、ロータコア１において、磁石孔２よりも外周側の領域に、空隙５がロータコア１の径方向に沿って空隙列７をなすように２つ並べて設けられる。この空隙列７の方向をより具体的に言えば、空隙列７を構成する二つの空隙５は、ロータ６の回転中心から外周まで引いた任意の直線上に各空隙５の少なくとも一部が交わるように設けられる。またさらに、空隙列７はｄ軸と略平行に形成される。 Returning to FIG. 1, the description will be continued. As described above, in the present embodiment, in the rotor core 1, two gaps 5 are provided side by side so as to form the gap row 7 along the radial direction of the rotor core 1 in the region on the outer peripheral side of the magnet hole 2. More specifically, the direction of the gap row 7 is such that the two gaps 5 constituting the gap row 7 intersect at least a part of each gap 5 on an arbitrary straight line drawn from the rotation center of the rotor 6 to the outer periphery. It is provided as follows. Furthermore, the gap row 7 is formed substantially parallel to the d-axis.
図４は、磁石孔２よりも外周側の領域に一つの空隙が設けられた従来例（図４（ａ））と、本実施形態（図４（ｂ））との応力集中箇所を比較する図である。 FIG. 4 compares the stress concentration locations of the conventional example (FIG. 4A) in which one gap is provided in the outer peripheral region from the magnet hole 2 and this embodiment (FIG. 4B). FIG.
図中の楕円で示す部分がロータ６の回転に伴う応力集中箇所である。図から分かる通り、従来例では、空隙にかかる応力は、空隙の径方向端部に集中する。これに対して、本実施形態では、空隙５をロータ径方向に二つ並べて配置することで、応力が集中する箇所が二つの空隙５のそれぞれの径方向端部に分散される。また、本実施形態の二つの空隙５の大きさの合計は、従来例に係る空隙一つの大きさよりも大きい。すなわち、空隙５を略径方向に二つ並べて形成する事で、空隙５にかかる応力を分散させることができるので、磁石孔２よりも外周側の領域に、ロータ６の径方向により大きな空隙を形成することが可能となる。 A portion indicated by an ellipse in the figure is a stress concentration portion accompanying the rotation of the rotor 6. As can be seen from the figure, in the conventional example, the stress applied to the gap is concentrated at the radial end of the gap. On the other hand, in this embodiment, by arranging two gaps 5 side by side in the rotor radial direction, locations where stress concentrates are dispersed at the respective radial ends of the two gaps 5. Further, the total size of the two gaps 5 of the present embodiment is larger than the size of one gap according to the conventional example. That is, by forming two gaps 5 side by side in a substantially radial direction, stress applied to the gap 5 can be dispersed, so that a larger gap in the radial direction of the rotor 6 is formed in a region on the outer peripheral side than the magnet hole 2. It becomes possible to form.
また、図１で示す通り、本実施形態において空隙５が作る空隙列７は、磁石孔２よりも外周側の領域に、一磁極を構成する永久磁石３の周方向両端部よりもｄ軸側であって、且つ、ｄ軸に対して対称となる位置に一列ずつ、計２列形成される。空隙５をこのような配置で設けることで、ステータに鎖交する磁束がより正弦波に近づくため、ステータに鎖交する磁石磁束の高調波成分を低減することができる（図５、６参照）。 Further, as shown in FIG. 1, the gap row 7 formed by the gaps 5 in the present embodiment is located on the d-axis side in the region on the outer peripheral side of the magnet hole 2 and on the d-axis side with respect to both circumferential ends of the permanent magnet 3 constituting one magnetic pole. In addition, two rows are formed, one row at a position symmetrical with respect to the d-axis. By providing the gap 5 in such an arrangement, the magnetic flux interlinked with the stator becomes closer to a sine wave, so that the harmonic component of the magnet magnetic flux interlinked with the stator can be reduced (see FIGS. 5 and 6). .
図５は、ロータ６の電気角[°]（横軸）とステータに鎖交する磁束の磁束密度[Ｔ]（縦軸）との関係を表した図である。実線は本実施形態の測定結果を示し、点線は従来例の測定結果を示す。図から分かるように、特に電気角６０[°]及び２４０[°]付近における磁束密度が、従来例と比較してより滑らかな曲線に変化しており、ロータ６の回転に伴ってステータに鎖交する磁束の磁束密度が、より正弦波に近い波形になっていることが分かる。 FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the electrical angle [°] (horizontal axis) of the rotor 6 and the magnetic flux density [T] (vertical axis) of the magnetic flux linked to the stator. A solid line shows the measurement result of this embodiment, and a dotted line shows the measurement result of the conventional example. As can be seen from the figure, the magnetic flux density particularly in the vicinity of the electrical angles of 60 [°] and 240 [°] changes to a smoother curve as compared with the conventional example, and the chain is connected to the stator as the rotor 6 rotates. It can be seen that the magnetic flux density of the intersecting magnetic flux has a waveform closer to a sine wave.
また、図６は、ステータに鎖交する磁石磁束における高次成分（３次、５次、７次、９次）の磁束密度を示した図である。各次数において、左側が従来例の測定結果、右側が本実施形態の測定結果を示す。図から分かるとおり、特に３次と５次の高調波成分が従来例と比較して低減されていることが分かる。 FIG. 6 is a diagram showing the magnetic flux density of higher order components (third order, fifth order, seventh order, and ninth order) in the magnetic flux interlinking with the stator. In each order, the left side shows the measurement result of the conventional example, and the right side shows the measurement result of the present embodiment. As can be seen from the figure, it can be seen that the third-order and fifth-order harmonic components are reduced as compared with the conventional example.
ここで、鉄損は、ヒステリシス損と渦電流損の総計である。ヒステリシス損は、ステータ鎖交磁束の周波数に比例し、渦電流損は、ステータ鎖交磁束の周波数の２乗に比例する。したがって、本実施形態の回転子構造により、永久磁石３から出る磁石磁束の高調波成分が抑制されることにより、特にモータの高回転域における鉄損を低減することができる。 Here, the iron loss is the total of hysteresis loss and eddy current loss. The hysteresis loss is proportional to the frequency of the stator interlinkage magnetic flux, and the eddy current loss is proportional to the square of the frequency of the stator interlinkage magnetic flux. Accordingly, the rotor structure of the present embodiment suppresses the harmonic component of the magnet magnetic flux emitted from the permanent magnet 3, thereby reducing the iron loss particularly in the high rotation range of the motor.
図７（ａ）、（ｂ）は、従来例と本実施形態のトルクと鉄損とを比較した図である。本実施形態のトルクと鉄損の値（％）は、各図の左側に示す従来例のトルクと鉄損を１００％とした場合の相対比率を表している。図から分かるとおり、トルクはほぼ同じであるのに対して、鉄損は約２％低減されていることが分かる。すなわち、本実施形態の回転子構造によれば、トルクを維持したまま鉄損を低減することができる。これは、本実施形態の回転子構造において、空隙５が略径方向（ｄ軸に対して略平行）に並べて配置されているためであり、永久磁石３の主磁束を打ち消すことなく、高調波成分のみを低減できていることを示す。 FIGS. 7A and 7B are diagrams comparing the torque and iron loss of the conventional example and this embodiment. The torque and iron loss values (%) of the present embodiment represent relative ratios when the torque and iron loss of the conventional example shown on the left side of each figure are 100%. As can be seen from the figure, the torque is almost the same while the iron loss is reduced by about 2%. That is, according to the rotor structure of the present embodiment, it is possible to reduce the iron loss while maintaining the torque. This is because, in the rotor structure of the present embodiment, the gaps 5 are arranged side by side in a substantially radial direction (substantially parallel to the d-axis), and the harmonics do not cancel out the main magnetic flux of the permanent magnet 3. It shows that only the components can be reduced.
以上、第1実施形態の回転子構造は、外周に沿って複数の磁石挿入孔２が形成された電磁鋼板を積層して構成されるロータコア１と、磁石挿入孔２に埋設される永久磁石３とを備え、ロータコア１の径方向において永久磁石３よりも外周側の領域に、該径方向に沿って二つ以上並べて設けられた空隙５を有する。これにより、ロータ６の回転によって空隙にかかる応力の集中する箇所を分散させることができるので、回転子の径方向に沿って、より大きな空隙を設けることができる。 As described above, the rotor structure of the first embodiment includes the rotor core 1 configured by laminating the electromagnetic steel plates in which the plurality of magnet insertion holes 2 are formed along the outer periphery, and the permanent magnet 3 embedded in the magnet insertion hole 2. In the radial direction of the rotor core 1, there are two or more gaps 5 arranged side by side along the radial direction in a region on the outer peripheral side of the permanent magnet 3. Thereby, since the location where the stress concerning a space | gap concentrates by rotation of the rotor 6 can be disperse | distributed, a bigger space | gap can be provided along the radial direction of a rotor.
また、第1実施形態の回転子構造は、上述の通り、ロータ６の径方向により大きな空隙５を設けることができるので、ロータコア１において磁石孔２よりも外周側であって、永久磁石３の周方向両端部よりもｄ軸側の領域に、ｄ軸に対して対称となる位置に計２列設けた場合に、永久磁石３から出る磁石磁束の高調波成分の抑制効果をより高め、モータの高回転域における鉄損をより低減することができる。 In addition, since the rotor structure of the first embodiment can be provided with a larger gap 5 in the radial direction of the rotor 6 as described above, the rotor core 1 is located on the outer peripheral side of the magnet hole 2 and the permanent magnet 3. When a total of two rows are provided in a position symmetric with respect to the d axis in the region on the d axis side from both ends in the circumferential direction, the effect of suppressing the harmonic component of the magnet magnetic flux emitted from the permanent magnet 3 is further enhanced. The iron loss in the high rotation range can be further reduced.
−第２実施形態−
図８は、第２実施形態の回転子構造を説明するための図である。本実施形態の回転子構造は、第１実施形態の回転子構造と、特に、空隙列７を構成する二つの空隙５のうち、ロータ６の回転中心に近い方（永久磁石３に近い方）の空隙５が、磁石孔２と連結して形成されている点が異なる。
-Second Embodiment-
FIG. 8 is a view for explaining the rotor structure of the second embodiment. The rotor structure of the present embodiment is the same as the rotor structure of the first embodiment, in particular, the one closer to the rotation center of the rotor 6 (the one closer to the permanent magnet 3) of the two gaps 5 constituting the gap row 7. Are different in that the gap 5 is connected to the magnet hole 2.
本実施形態の空隙列７も、第1実施形態と同様に、ロータコア１において磁石孔２よりも外周側の領域であって、且つ、一磁極を構成する永久磁石３の周方向両端部よりもｄ軸側に、ｄ軸と略平行となるように設けられる。また、空隙列７は、ｄ軸に対して対称となる位置に一列ずつ、計２列形成されている。 Similarly to the first embodiment, the gap row 7 of the present embodiment is a region on the outer peripheral side of the magnet hole 2 in the rotor core 1 and also from both ends in the circumferential direction of the permanent magnet 3 constituting one magnetic pole. It is provided on the d-axis side so as to be substantially parallel to the d-axis. In addition, the gap row 7 is formed in two rows, one row at a position symmetrical with respect to the d-axis.
図９は、磁石孔２よりも外周側の領域に、一つの空隙が磁石孔２と連結して設けられた従来例（図９（ａ））と、本実施形態（図９（ｂ））との応力集中箇所を比較する図である。 FIG. 9 shows a conventional example (FIG. 9A) in which one gap is connected to the magnet hole 2 in a region on the outer peripheral side of the magnet hole 2, and the present embodiment (FIG. 9B). It is a figure which compares the stress concentration location with.
図中の楕円で示す部分がロータの回転に伴う応力集中箇所である。従来例では、空隙にかかる応力は、ロータコア１に設けられた一つの空隙における径方向端部に集中する。これに対して、本実施形態は、空隙５をロータ径方向に二つ並べて配置しているので、一方の空隙５を磁石孔２と連結させた状態であっても、第１実施形態と同様に、応力が集中する箇所が二つの空隙５のそれぞれの径方向端部に分散される。 A portion indicated by an ellipse in the figure is a stress concentration portion accompanying the rotation of the rotor. In the conventional example, the stress applied to the air gap is concentrated on the radial end portion of one air gap provided in the rotor core 1. In contrast, in the present embodiment, two gaps 5 are arranged side by side in the rotor radial direction, so even if one of the gaps 5 is connected to the magnet hole 2, the same as in the first embodiment. In addition, the locations where the stress is concentrated are dispersed at the respective radial ends of the two gaps 5.
また、空隙列７を構成する二つの空隙５の一方を磁石孔２と連結させることで、第1実施形態とは違う態様で、二つの空隙５の総計としての開口面積を従来例よりも大きく形成することができる。これにより、より大きな鉄損低減効果を得ることができる（図１０）。 Further, by connecting one of the two gaps 5 constituting the gap row 7 to the magnet hole 2, the opening area as a total of the two gaps 5 is made larger than that of the conventional example in a manner different from the first embodiment. Can be formed. Thereby, the bigger iron loss reduction effect can be acquired (FIG. 10).
図１０は、（ａ）、（ｂ）は、従来例と第２実施形態のトルクと鉄損とを比較した図である。本実施形態のトルクと鉄損の値（％）は、各図の左側に示す従来例のトルクと鉄損を１００％とした場合の相対比率を表している。図から分かる通り、トルクはほぼ同じであるのに対して、鉄損は約５％以上低減されていることが分かる。 10A and 10B are diagrams comparing torque and iron loss in the conventional example and the second embodiment. The torque and iron loss values (%) of the present embodiment represent relative ratios when the torque and iron loss of the conventional example shown on the left side of each figure are 100%. As can be seen from the figure, while the torque is almost the same, the iron loss is reduced by about 5% or more.
以上、第２実施形態の回転子構造は、二つ以上並べて設けられた空隙５のうち、ロータ６の最も回転中心側に位置する空隙が、磁石挿入孔２と連結して形成される。これにより、モータの回転によって空隙にかかる応力の集中する箇所を分散させることができるので、回転子の径方向に沿って、より大きな空隙を設けることができる。 As described above, in the rotor structure of the second embodiment, the gap that is located closest to the rotation center of the rotor 6 among the gaps 5 provided side by side is connected to the magnet insertion hole 2. Thereby, since the location where the stress applied to the air gap is concentrated by the rotation of the motor can be dispersed, a larger air gap can be provided along the radial direction of the rotor.
また、第２実施形態の回転子構造は、ロータ６の径方向により大きな空隙５を設けることができるので、ロータコア１において磁石孔２よりも外周側であって、永久磁石３の周方向両端部よりもｄ軸側の領域に、ｄ軸に対して対称となる位置に計２列設けた場合に、永久磁石３から出る磁石磁束の高調波成分の抑制効果をより高め、ロータ６の高回転域における鉄損をより低減することが可能となる。 In addition, since the rotor structure of the second embodiment can be provided with a larger gap 5 in the radial direction of the rotor 6, the rotor core 1 is on the outer peripheral side of the magnet hole 2 and at both ends in the circumferential direction of the permanent magnet 3. When a total of two rows are provided in the region closer to the d-axis than the d-axis, the effect of suppressing the harmonic component of the magnet magnetic flux emitted from the permanent magnet 3 is further enhanced, and the rotor 6 is rotated at a high speed. It is possible to further reduce the iron loss in the region.
以下では、これまで説明した第１、或いは第２実施形態に係る特徴を備えた他の実施例、すなわち、ロータコア１において磁石孔２よりも外周側の領域に、ロータ径方向に複数の空隙５を並べた空隙列７を有する回転子構造を備える他の実施例について説明する。以下で説明するような回転子構造であっても、上記特徴を備えた空隙列７を備える限り、第１、或いは第２実施形態において説明したのと同様の技術的効果を得ることができる。なお、以下の説明において、各実施例に係る回転子構造について特に言及しない点は、第1或いは第２実施形態に係る回転子構造と同様である。 In the following, another example having the characteristics according to the first or second embodiment described so far, that is, a plurality of gaps 5 in the rotor radial direction in a region on the outer peripheral side of the magnet hole 2 in the rotor core 1. Another embodiment including a rotor structure having gap rows 7 arranged in a row will be described. Even with the rotor structure as described below, the same technical effects as those described in the first or second embodiment can be obtained as long as the gap row 7 having the above characteristics is provided. In the following description, points that do not particularly mention the rotor structure according to each example are the same as those of the rotor structure according to the first or second embodiment.
−実施例１−
図１１は、実施例１の回転子構造を説明するための図である。実施例１にかかるロータ６は、一極に２枚の永久磁石３を有する。そして、この２枚の永久磁石３は、ロータ６の外周側に開口するような略Ｖ字形状に配置される。このようなロータ形状であっても、第１及び第２実施形態と同様に、ロータコア１において磁石孔２よりも外周側であって、且つ、一磁極を構成する永久磁石３の周方向両端部よりもｄ軸側の領域に、ｄ軸に対して対称となる位置に計２列の空隙列７が、ｄ軸と略平行となるように形成される。
Example 1
FIG. 11 is a diagram for explaining the rotor structure of the first embodiment. The rotor 6 according to the first embodiment has two permanent magnets 3 per pole. The two permanent magnets 3 are arranged in a substantially V shape that opens to the outer peripheral side of the rotor 6. Even in such a rotor shape, both end portions in the circumferential direction of the permanent magnet 3 constituting one magnetic pole on the outer periphery side of the magnet hole 2 in the rotor core 1 as in the first and second embodiments. Further, in the region closer to the d-axis, a total of two gap rows 7 are formed so as to be substantially parallel to the d-axis at positions symmetrical to the d-axis.
−実施例２−
図１２は、実施例２の回転子構造を説明するための図である。実施例２にかかるロータ６は、一極に３枚の永久磁石３を有する。そして、３枚の内の一枚は、第１、第２実施形態と同様に、長手方向がロータ６の外周に沿うように配置され（径方向最外周位置）、他の２枚の永久磁石３は、径方向最外周位置に配置した永久磁石３よりもロータ６の回転中心側に、ロータ６の外周側に開口するような略Ｖ字形状に配置される。なお、空隙列７は、ロータコア１において、径方向最外周位置に配置された永久磁石３よりも外周側の領域に設けられる。
-Example 2-
FIG. 12 is a diagram for explaining the rotor structure of the second embodiment. The rotor 6 according to the second embodiment has three permanent magnets 3 per pole. One of the three sheets is arranged so that the longitudinal direction is along the outer periphery of the rotor 6 (radially outermost position), as in the first and second embodiments, and the other two permanent magnets. 3 is arranged in a substantially V shape so as to open to the outer peripheral side of the rotor 6 on the rotation center side of the rotor 6 relative to the permanent magnet 3 arranged at the radially outermost peripheral position. The gap row 7 is provided in a region on the outer peripheral side of the rotor core 1 with respect to the permanent magnet 3 arranged at the radially outermost peripheral position.
−実施例３−
図１３は、実施例３の回転子構造を説明するための図である。実施例３にかかるロータ６は、第１、第２実施形態と同様、一極に一枚の永久磁石３を有する。ただし、空隙列７は、３つの空隙５から構成される。そして、空隙列７を構成する三つの空隙５のうち、ロータ６の外周に最も近い空隙５が、ロータ６の外周と連結するように形成される。
-Example 3-
FIG. 13 is a diagram for explaining the rotor structure of the third embodiment. The rotor 6 according to Example 3 has one permanent magnet 3 per pole as in the first and second embodiments. However, the gap row 7 is composed of three gaps 5. Of the three gaps 5 constituting the gap row 7, the gap 5 closest to the outer circumference of the rotor 6 is formed so as to be connected to the outer circumference of the rotor 6.
以上、実施例１から３の回転子構造のように、本願発明にかかる回転子構造においては、永久磁石３の個数、永久磁石３の配置（配置角度）に関して特に限定されるものではない。また、実施例３で示したように、空隙列７のロータ径方向位置も、ロータコア１において永久磁石３よりも外周側の領域に配置される特徴を満たす限り、特に限定されるものではない。またさらに、空隙列７を構成する空隙５は二つに限らず、三つ以上であっても良い。また、空隙列７の列数も、ｄ軸に対して対称に設けられる限り、特に限定されるものではない。 As described above, in the rotor structure according to the present invention as in the rotor structures of Examples 1 to 3, the number of permanent magnets 3 and the arrangement (arrangement angle) of the permanent magnets 3 are not particularly limited. Further, as shown in the third embodiment, the position in the rotor radial direction of the gap row 7 is not particularly limited as long as the rotor core 1 satisfies the characteristics arranged in the region on the outer peripheral side of the permanent magnet 3. Furthermore, the number of the gaps 5 constituting the gap row 7 is not limited to two, and may be three or more. Further, the number of the gap rows 7 is not particularly limited as long as it is provided symmetrically with respect to the d axis.
本発明は、上述した実施形態および実施例に限定されることはなく、様々な変形や応用が可能である。例えば、上述の説明においては、空隙５は空間部分であると説明したが、必ずしも空間である必要な無く、例えば樹脂材料のような非磁性材料で充填されていてもよい。 The present invention is not limited to the above-described embodiments and examples, and various modifications and applications are possible. For example, in the above description, the gap 5 has been described as a space portion. However, the gap 5 is not necessarily a space and may be filled with a nonmagnetic material such as a resin material.
１…ロータコア
２…磁石挿入孔
３…永久磁石
４…フラックスバリア
５…空隙
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Rotor core 2 ... Magnet insertion hole 3 ... Permanent magnet 4 ... Flux barrier 5 ... Air gap
Claims (4)
前記回転子コアは、該回転子コアの径方向において前記永久磁石よりも外周側の領域に、該径方向に沿って二つ以上並べて設けられた空隙を有する、
ことを特徴とする回転電機の回転子構造。 In a rotor structure of a rotating electrical machine comprising: a rotor core configured by laminating electromagnetic steel plates formed with a plurality of magnet insertion holes along the outer periphery; and a permanent magnet embedded in the magnet insertion hole.
The rotor core has a gap that is provided side by side along the radial direction in the radial direction of the rotor core in the outer peripheral side of the permanent magnet.
A rotor structure of a rotating electrical machine characterized by the above.
ことを特徴とする請求項１に記載の回転電機の回転子構造。 Among the gaps provided side by side, the gap located on the most central side of the rotor core is connected to the magnet insertion hole.
The rotor structure for a rotating electrical machine according to claim 1.
ことを特徴とする請求項１に記載の回転電機の回転子構造。 Among the gaps provided side by side, the gap located on the outermost peripheral side of the rotor core is connected to the outer circumference.
The rotor structure for a rotating electrical machine according to claim 1.
ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の回転電機の回転子構造。 The two or more gaps provided side by side are provided symmetrically with respect to the d-axis formed by the permanent magnet.
The rotor structure of the rotating electrical machine according to any one of claims 1 to 3, wherein the rotor structure is a rotating electrical machine.
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