JP2021078208A

JP2021078208A - 回転電機

Info

Publication number: JP2021078208A
Application number: JP2019202188A
Authority: JP
Inventors: 道成福岡; Michinari Fukuoka
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2019-11-07
Filing date: 2019-11-07
Publication date: 2021-05-20
Anticipated expiration: 2039-11-07
Also published as: JP7331643B2

Abstract

【課題】磁化方向が非一直線方向に設定された磁石部材での渦電流の低減を可能とした回転電機を提供すること。【解決手段】回転電機１１は、磁化方向が非一直線方向に設定されて１つの磁極を構成する磁石部材４１を周方向に複数備える。磁石部材４１は、非単一方向に分割された磁石片４４が絶縁層４５を介して並設されてなる。【選択図】図２

Description

本発明は、回転電機に関するものである。

従来、回転電機としては、例えば、絶縁層を介して並設された複数の永久磁石片を備えた磁石部材（永久磁石ユニット）が回転子に固定されたものがある（例えば、特許文献１参照）。この磁石部材は、周方向や軸方向といった単一方向に分割された永久磁石片が絶縁層を介して並設されて構成されている。この磁石部材では、回転電機の駆動時に磁界の変化によって生じる渦電流が低減される。

国際公開（ＷＯ）２０１７／０５１７６９号

しかしながら、上記のような磁石部材は、永久磁石片の分割方向が単一方向であるため、極異方性磁石やハルバッハ配列磁石等のように磁化方向が非一直線方向に設定されて、渦電流が三次元的に生じる磁石部材では、磁石部材での渦電流を効果的に低減できない虞があった。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、磁化方向が非一直線方向に設定された磁石部材での渦電流の低減を可能とした回転電機を提供することにある。

上記課題を解決する回転電機（１１）は、磁化方向が非一直線方向に設定されて１つの磁極を構成する磁石部材（４１，５２）を周方向に複数備えた回転電機（１１）であって、前記磁石部材は、非単一方向に分割された磁石片（４４，５３ａ，５４ａ）が絶縁層（４５）を介して並設されてなる。

同構成によれば、磁石部材は、非単一方向に分割された磁石片が絶縁層を介して並設されてなるため、磁化方向が非一直線方向に設定されて渦電流が三次元的に生じるような場合でも、その渦電流を低減することが可能となる。

一実施形態における回転電機の断面図。一実施形態における回転電機の一部拡大断面図。一実施形態における磁石部材の斜視図。一実施形態における回路構成を示す回路図。一実施形態におけるキャリア信号の波形図。一実施形態における制御信号の波形図。別例における磁石部材の斜視図。別例における磁石部材の斜視図。別例における制御信号の波形図。

以下、回転電機の一実施形態を図１〜図６に従って説明する。
図１に示すように、回転電機１１は、図示しないハウジングに対して固定された略円筒状の固定子１３と、固定子１３の径方向内側で回転可能に支持された回転子１４とを備える。

固定子１３は、固定子鉄心１５に巻線１６が巻装されてなる。詳しくは、固定子鉄心１５は、環状のヨーク部１５ａと該ヨーク部１５ａから径方向内側に延びる周方向に複数のティース部１５ｂとを有し、それらティース部１５ｂに巻線１６が巻装されている。

回転子１４は、ハウジングに対して回転可能に支持された回転軸２０と、該回転軸２０に固定された回転子鉄心２１と、該回転子鉄心２１の外表面に固定された磁石ユニット２２とを備え、該磁石ユニット２２が固定子１３と径方向に対向して配置されている。

図４に示すように、前記巻線１６は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の巻線１６がＹ結線された多相巻線であり、それら各相の巻線１６の端子には制御装置３１が接続されている。
制御装置３１は、直流電源Ｅの直流電力から１２０度位相の異なる三相の駆動電力を生成するためのインバータ回路としての三相インバータ回路３２を備えている。三相インバータ回路３２は、直流電源Ｅに接続された高電位側電源線Ｌ１とグランド線ＧＮＤとの間に直列接続された３対のパワー半導体デバイスであるＭＯＳＦＥＴ３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄ，３３ｅ，３３ｆを有するブリッジ回路で構成されている。なお、各ＭＯＳＦＥＴ３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄ，３３ｅ，３３ｆには、それぞれ還流ダイオードＤ１〜Ｄ６が接続されている。

そして、Ｕ相用のＭＯＳＦＥＴ３３ａ，３３ｂ間の出力端子ＳｕはＵ相の巻線１６の端子に接続され、Ｖ相用のＭＯＳＦＥＴ３３ｃ，３３ｄ間の出力端子ＳｖはＶ相の巻線１６の端子に接続され、Ｗ相用のＭＯＳＦＥＴ３３ｅ，３３ｆ間の出力端子ＳｗはＷ相の巻線１６の端子に接続されている。

また、制御装置３１は、電流指令部３４を備え、電流指令部３４は、例えば、図示しない上位の制御部からの指令信号Ｓ及び回転子１４の回転検出信号Ｐに応じて各ＭＯＳＦＥＴ３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄ，３３ｅ，３３ｆのゲートＧａ〜Ｇｆに制御信号を出力し、ＰＷＭ制御を行う。

このとき、ＭＯＳＦＥＴ３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄ，３３ｅ，３３ｆは回転子１４の同期周波数より高い周波数でスイッチング駆動される。
具体的には、本実施形態では、図５に示す三角波のキャリア信号Ｋと図示しない基準正弦波とを比較して生成された図６に示す矩形波の制御信号Ａによって、ＭＯＳＦＥＴ３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄ，３３ｅ，３３ｆがスイッチング駆動される。そして、本実施形態ではキャリア信号Ｋのキャリア周波数が２０ｋＨｚ以上に設定されている。

ここで、図２に示すように、磁石ユニット２２は、１つの磁極を構成する磁石部材４１を周方向に複数備える。本実施形態の磁石部材４１は、周方向に一対の極異方性磁石４２によって構成されている。また、磁石ユニット２２は、各極異方性磁石４２の周方向両側及び径方向両側を覆いつつ各極異方性磁石４２を保持して回転子鉄心２１の外表面に固定される保持部材４３を備える。保持部材４３は、例えば樹脂材よりなる。

一対の極異方性磁石４２によって構成される磁石部材４１は、磁化方向Ｘが非一直線方向に設定されている。具体的には、例えば、磁石部材４１における周方向一方側の極異方性磁石４２の磁化方向Ｘは、軸方向から見て、周方向一方側端面から周方向他方側端面に向かうにつれて径方向外側端面に向かって湾曲するように設定されている。また、磁石部材４１における周方向他方側の極異方性磁石４２の磁化方向Ｘは、軸方向から見て、周方向他方側端面から周方向一方側端面に向かうにつれて径方向外側端面に向かって湾曲するように設定されている。なお、磁石部材４１は、回転子１４として周方向に交互の磁極を構成すべく、図２中、矢印の方向であって磁化方向Ｘの向きが反対に設定された磁極が周方向に交互に配置される。

そして、図２及び図３に示すように、磁石部材４１、すなわち一対の極異方性磁石４２は、非単一方向に分割された形状の磁石片４４が絶縁性材料よりなる絶縁層４５を介して並設されてなる。

詳しくは、各極異方性磁石４２は、磁化方向Ｘと交差する面であって本実施形態では磁化方向Ｘと直交する面に沿って分割された磁石片４４が絶縁層４５を介して並設されてなる。なお、本実施形態では、各極異方性磁石４２は、軸方向から見て略正方形に形成されており、その１つの角を頂点として略等角度に５つに分割された磁石片４４が絶縁層４５を介して並設されてなる。

次に、上記のように構成された回転電機１１の作用について説明する。
制御装置３１から固定子１３の巻線１６に三相の駆動電流が供給されると、固定子１３にて回転磁界が発生されて回転子１４が回転駆動される。

このとき、巻線１６に供給する駆動電流は、理想的には歪みの無い正弦波としたいが、現実には例えば上記したようなＰＷＭ制御によって高次成分が重畳してしまうことになる。これにより、固定子１３で発生される磁界には高次成分が含まれることになり、磁石部材４１の内部には、渦電流損が生じてしまう。このとき、極異方性磁石４２によって構成される磁石部材４１は、磁化方向Ｘが非一直線方向に設定されているため、渦電流は、径方向と直交する平面上だけでなく三次元的に生じるが、極異方性磁石４２は非単一方向に分割された形状の磁石片４４が絶縁層４５を介して並設されてなるため、渦電流の経路が分断されて渦電流が低減される。

次に、上記実施形態の効果を以下に記載する。
（１）磁石部材４１は、非単一方向に分割された磁石片４４が絶縁層４５を介して並設されてなるため、磁化方向Ｘが非一直線方向に設定されて渦電流が三次元的に生じるような場合でも、その渦電流を低減することが可能となる。具体的には、本実施形態では、磁石部材４１は、極異方性磁石４２によって構成され、極異方性磁石４２は、磁化方向Ｘと直交する面に沿って分割された磁石片４４が絶縁層４５を介して並設されてなるため、径方向と直交する平面上だけでなく三次元的に生じる渦電流の経路が分断されて渦電流を低減することができる。

（２）三相インバータ回路３２をＰＷＭ制御する際のキャリア周波数が２０ｋＨｚ以上に設定されるため、一般的な５ｋＨｚ〜１０ｋＨｚに設定された場合に比べて、巻線１６に供給される電流波形に含まれる高次成分の振幅を小さくすることができる。よって、固定子１３で発生される磁界の高次成分の振幅を抑えることができ、ひいては磁界変動に基づく磁石部材４１の渦電流を低減することができる。

上記実施形態は以下のように変更して実施することができる。また、本実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。
・上記実施形態では、各極異方性磁石４２は、磁化方向Ｘと直交する面に沿って分割された磁石片４４が絶縁層４５を介して並設されてなるとしたが、これに限定されず、非単一方向に分割された磁石片を含んでいれば変更してもよい。

例えば、図７に示すように、上記実施形態の磁石片４４（図３参照）を更に軸方向と直交する面に沿って分割した磁石片４６が絶縁層４５を介して並設されてなる極異方性磁石４２としてもよい。

また、例えば、極異方性磁石４２は、磁化方向Ｘと直交しておらず磁化方向Ｘと交差する面、すなわち磁化方向Ｘと直交する面に対して傾いた面に沿って分割された磁石片が絶縁層を介して並設されてなるものとしてもよい。また、極異方性磁石４２は、平面以外の面であって例えば湾曲した面に沿って分割された磁石片が絶縁層を介して並設されてなるものとしてもよい。

また、例えば、極異方性磁石４２は、軸方向から見て略長方形や扇形形状のものとしてもよいし、１つの角を頂点として分割されず、２つの辺に亘って分割された磁石片が絶縁層を介して並設されてなるものとしてもよい。また、
また、例えば、極異方性磁石４２は、５つ以外の数に分割された磁石片が絶縁層を介して並設されてなるものとしてもよい。

・上記実施形態では、磁石部材４１は、極異方性磁石４２によって構成されるとしたが、磁化方向が非一直線方向に設定されて１つの磁極を構成する他の磁石部材に変更してもよい。

例えば、図８に示すように、ハルバッハ配列磁石５１によって構成された磁石部材５２としてもよい。ハルバッハ配列磁石５１は、周方向の両側に配置されて磁化方向Ｘａが周方向に向かうように設定された側方磁石５３と、周方向の中央に配置されて磁化方向Ｘｂが径方向に向かうように設定された中央磁石５４とを有する。そして、側方磁石５３と中央磁石５４とは、それぞれ磁化方向Ｘａ，Ｘｂと直交する面に沿って分割された磁石片５３ａ，５４ａが絶縁層４５を介して並設されてなる。このようにしても、絶縁層４５によって、三次元的に生じる渦電流の経路が分断されて渦電流を低減することができる。

・上記実施形態では、図５に示す三角波のキャリア信号Ｋと図示しない基準正弦波とを比較して生成された図６に示す矩形波の制御信号Ａによって、ＭＯＳＦＥＴ３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄ，３３ｅ，３３ｆを駆動するとしたが、これに限定されず、他の制御信号によって駆動してもよい。

例えば、図９に示すように、予め記憶したパルスパターンの制御信号ＢによってＭＯＳＦＥＴ３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄ，３３ｅ，３３ｆを駆動するようにしてもよい。図９に示す制御信号Ｂのパルスパターンは、一定の周期で必ずスイッチング動作を行わせるパターンではなく、スイッチング動作が必要最小限となるように予め設定された時間はＭＯＳＦＥＴ３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄ，３３ｅ，３３ｆのオン状態又はオフ状態が継続されるように設定されたパターンである。このようにすると、固定子１３で発生される磁界の高次成分の発生を抑えることができ、ひいては磁界変動に基づく磁石部材４１の渦電流を低減することができる。

・上記実施形態では、三相インバータ回路３２をＰＷＭ制御する際のキャリア周波数が２０ｋＨｚ以上に設定されるとしたが、これに限定されず、キャリア周波数は変更してもよい。例えば、キャリア周波数を３５ｋＨｚ以上に変更すると、固定子１３で発生される磁界の高次成分の振幅をより抑えることができ、ひいては磁界変動に基づく磁石部材４１の渦電流をより低減することができる。また、キャリア周波数を２０ｋＨｚ未満に変更してもよい。

・上記実施形態では、磁石部材４１が樹脂材よりなる保持部材４３に保持されて磁石ユニット２２とされた状態で回転子鉄心２１に固定されるとしたが、これに限定されず、例えば、保持部材４３に保持されずに回転子鉄心２１に直接固定される構成としてもよい。また、例えば、保持部材４３は、金属材料よりなるものとしてもよい。

・上記実施形態では、インナーロータ型の回転電機１１に具体化したが、これに限定されず、例えば、アウターロータ型やアキシャルギャップ型の回転電機に具体化してもよいし、リニアモータに具体化してもよい。

・上記実施形態の制御装置３１は、他の構成に変更してもよく、例えば、パワー半導体デバイスとしてのＭＯＳＦＥＴ３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄ，３３ｅ，３３ｆをＩＧＢＴ等に変更した制御装置としてもよい。

１１…回転電機、１３…固定子、１６…巻線、４１，５２…磁石部材、４２…極異方性磁石、４４，４６，５３ａ，５４ａ…磁石片、４５…絶縁層、５１…ハルバッハ配列磁石。

Claims

磁化方向が非一直線方向に設定されて１つの磁極を構成する磁石部材（４１，５２）を周方向に複数備えた回転電機（１１）であって、
前記磁石部材は、非単一方向に分割された磁石片（４４，４６，５３ａ，５４ａ）が絶縁層（４５）を介して並設されてなる回転電機。
前記磁石部材（４１）は、極異方性磁石（４２）によって構成された請求項１に記載の回転電機。
前記磁石部材（５２）は、ハルバッハ配列磁石（５１）によって構成された請求項１に記載の回転電機。
前記磁石部材は、磁化方向と交差する面に沿って分割された前記磁石片が絶縁層を介して並設されてなる請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の回転電機。
前記磁石部材は、磁化方向と直交する面に沿って分割された前記磁石片が絶縁層を介して並設されてなる請求項４に記載の回転電機。
固定子（１３）の巻線（１６）に駆動電流を供給するためのインバータ回路（３２）を備え、該インバータ回路をＰＷＭ制御する際のキャリア周波数が２０ｋＨｚ以上に設定された請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の回転電機。
前記キャリア周波数が３５ｋＨｚ以上に設定された請求項６に記載の回転電機。