JP2023035442A - 埋込磁石型回転子および回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】１磁極に３つの磁石を適用する埋込磁石型回転子において、回転電機の最大トルクを向上させるとともに、製造時のコストを抑制する。【解決手段】鉄心の周方向に磁極を複数形成した埋込磁石型回転子であって、各々の磁極は、磁極中心に配置される第１磁石と、磁極中心に対して傾斜して回転子反転側に配置される第２磁石と、磁極中心に対して傾斜して回転子正転側に配置される第３磁石と、を備える。第１磁石、第２磁石および第３磁石は、同一形状であり、第２磁石および第３磁石は、磁極中心に対して非対称に配置され、磁極中心と第１磁石の磁極面のなす角度θ１、磁極中心と第２磁石の磁極面のなす角度θ２、磁極中心と第３磁石の磁極面のなす角度θ３は、θ３＞θ２＞１／２（θ１）の関係を満たす。【選択図】図２

Description

本発明は、埋込磁石型回転子および回転電機に関する。

従来から、回転電機の最大トルクを向上させるために、埋込磁石型回転子の１磁極に２つの磁石を配置するとともに、磁極中心に対して磁石を非対称に配置する構成が知られている（例えば、特許文献１、２参照）。また、特許文献２では、回転電機の製造コストを抑制するために、１磁極に同一形状かつ同一寸法の２つの磁石を適用することも提案されている。

特開２０１９－２０１４７９号公報 特開２０１９－５０６８９号公報

しかし、上記の特許文献には、１磁極に３つの磁石を適用する場合の磁石の配置については考慮されていない。また、１磁極に３つの磁石を適用する場合においても、製造時のコストの抑制を図ることが好ましい。

本発明は、上記の状況に鑑みてなされたものであって、１磁極に３つの磁石を適用する埋込磁石型回転子において、回転電機の最大トルクを向上させるとともに、製造時のコストを抑制することを目的とする。

本発明の一態様は、鉄心の周方向に磁極を複数形成した埋込磁石型回転子である。各々の磁極は、磁極中心に配置される第１磁石と、磁極中心に対して傾斜して回転子反転側に配置される第２磁石と、磁極中心に対して傾斜して回転子正転側に配置される第３磁石と、を備える。第１磁石、第２磁石および第３磁石は、同一形状であり、第２磁石および第３磁石は、磁極中心に対して非対称に配置され、磁極中心と第１磁石の磁極面のなす角度θ１、磁極中心と第２磁石の磁極面のなす角度θ２、磁極中心と第３磁石の磁極面のなす角度θ３は、θ３＞θ２＞１／２（θ１）の関係を満たす。

上記の埋込磁石型回転子において、第２磁石および第３磁石は、磁極中心を隔てて、鉄心の外周側に近づくにつれて互いの間隔が広がるパターンで配置されていてもよい。
上記の埋込磁石型回転子において、第１磁石の磁極面は、磁極中心と直交する線に対して傾いていてもよい。
上記の埋込磁石型回転子において、鉄心は、第１磁石の内周側で、かつ第２磁石および第３磁石の間に磁気遮断部をさらに有していてもよい。
上記の埋込磁石型回転子において、角度θ１は９３°であってもよく、角度θ２は４８°であってもよく、角度θ３は５２°であってもよい。
また、本発明の他の態様に係る回転電機は、固定子と、上記の埋込磁石型回転子とを備える。

本発明の一態様によれば、１磁極に３つの磁石を適用する埋込磁石型回転子において、回転電機の最大トルクを向上させるとともに、製造時のコストを抑制できる。

第１実施形態の回転電機の横断面図である。 第１実施形態における１磁極分のロータの構成例を示す図である。 比較例１の１磁極分のロータの構成例を示す図である。 第１実施形態および比較例１のトルクの変化率を示すグラフである。 第２実施形態における１磁極分のロータの構成例を示す図である。 比較例２の１磁極分のロータの構成例を示す図である。 第２実施形態および比較例２のトルクの変化率を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
実施形態では説明を分かり易くするため、本発明の主要部以外の構造や要素については、簡略化または省略して説明する。また、図面において、同じ要素には同じ符号を付す。なお、図面に示す各要素の形状、寸法などは模式的に示したもので、実際の形状、寸法などを示すものではない。

＜第１実施形態＞
図１は、第１実施形態の回転電機における回転軸Ａｘに直交する方向の横断面を示す断面図である。

図１に示す回転電機１は、インナーロータ型モータであり、埋込磁石型回転子の一例であるロータ２と、ロータ２の外周に配置される円筒形状のステータ３とを有する。図１において、回転電機１の回転軸Ａｘの延長方向は紙面垂直方向である。また、回転電機１は、左回り方向を正転方向とする。

ロータ２の外周には、エアギャップを隔ててステータ３が配置される。回転電機１においては、コイルの電流制御によりステータ３の磁界を順番に切り替えることで、ロータ２の磁界との吸引力または反発力により、回転軸Ａｘを中心としてロータ２が回転する。

ステータ３は、回転軸Ａｘを中心とする中央の空間部分にロータ２を収容する。ステータ３の内周側には、それぞれ回転軸Ａｘに向けて径方向内側に突出するティース３ａが周方向に等間隔をおいて複数並んで設けられている。隣り合うティース３ａの間の空間は、それぞれスロット３ｂを形成する。スロット３ｂには、ロータ２の外周に沿って図示しないステータコイルが装着される。

ロータ２は、鉄心４と、シャフト５と、永久磁石６を有する。
ロータ２の鉄心４は、例えば、打ち抜き加工された珪素鋼板を軸方向に積層して形成される円筒状の部材である。鉄心４を構成する個々の珪素鋼板の間には絶縁性接着剤が介在しており、個々の珪素鋼板は互いに絶縁状態にある。そして、鉄心４の軸心部には、回転軸Ａｘに沿ってシャフト５が嵌入されている。回転電機１において、シャフト５は軸受（不図示）により回転自在に支持されている。

第１実施形態のロータ２は８極ロータであり、ロータ２の鉄心４には、周方向に沿って等間隔に８つの磁極が構成されるように所定の配列で複数の永久磁石６が配置される。なお、ロータ２において周方向に隣り合う磁極は、それぞれ逆の極性となるように永久磁石６が配置される。

図２は、第１実施形態における１磁極分のロータ２の構成例を示す図である。
鉄心４の１磁極において、図１のロータ２の軸心（回転軸Ａｘ）と、マグネットトルクを生成する磁極中心を結ぶ軸がｄ－ｑ軸座標のｄ軸となる。また、上記のｄ軸と電気角で直交する軸がｄ－ｑ軸座標のｑ軸となる。

鉄心４のｄ軸上には、第１磁石孔１１と、空隙部１４が形成されている。また、鉄心４には、第２磁石孔１２および第３磁石孔１３が形成されている。第２磁石孔１２および第３磁石孔１３は、ｄ軸および空隙部１４を隔てて対向し、鉄心４の外周に近づくにつれて互いの間隔が広がるパターンで鉄心４に形成されている。

第１磁石孔１１、第２磁石孔１２、第３磁石孔１３および空隙部１４は、回転軸Ａｘの延長方向と平行に鉄心４を貫通して形成されている。また、第１磁石孔１１、第２磁石孔１２および第３磁石孔１３には、同一形状の永久磁石６がそれぞれ嵌入される。

各々の永久磁石６は、長手方向（回転軸Ａｘの延長方向と平行な方向）の寸法が鉄心４の長手方向寸法とほぼ同一である矩形のブロック状に形成される。また、永久磁石６は、回転軸Ａｘと直交する平面において長辺と直交する方向に磁化されている。そして、同一磁極における各々の永久磁石６は、外周側に臨む磁極面がいずれも同一の磁気極性（Ｓ極またはＮ極）に揃えられている。

第１磁石孔１１は、鉄心４の外周近傍に形成され、回転軸Ａｘと直交する平面においてｄ軸と交差する方向に長辺が延長している。第１磁石孔１１は、永久磁石６が嵌入される磁石配置部１１ａと、磁石配置部１１ａの両側に形成されるフラックスバリア部１１ｂとを有している。磁石配置部１１ａに嵌入される永久磁石６は、第１磁石の一例である。なお、磁極に形成されるフラックスバリア部は、磁束の流れを円滑化してトルクの向上や磁石の損失を低減する機能を担う。

本実施形態において、第１磁石孔１１における磁石配置部１１ａの長辺は、ｄ軸に直交する線に対して傾いている。換言すれば、ｄ軸に対して磁石配置部１１ａの長辺（第１磁石の磁極面）がなす角度θ１は、９０°からずれている。例えば、角度θ１は機械角で９３°である。

第２磁石孔１２は、図２中右側に位置し、回転軸Ａｘと直交する平面においてｄ軸に対して長辺が斜めに延びている。第２磁石孔１２は、永久磁石６が嵌入される磁石配置部１２ａと、磁石配置部１２ａの両側に形成されるフラックスバリア部１２ｂとを有している。磁石配置部１２ａに嵌入される永久磁石６は、第２磁石の一例である。第２磁石孔１２において、ｄ軸に対して磁石配置部１２ａの長辺（第２磁石の磁極面）がなす角度θ２は、例えば機械角で４８°である。

第３磁石孔１３は、図２中左側に位置し、回転軸Ａｘと直交する平面においてｄ軸に対して長辺が斜めに延びている。第３磁石孔１３は、永久磁石６が嵌入される磁石配置部１３ａと、磁石配置部１３ａの両側に形成されるフラックスバリア部１３ｂとを有している。磁石配置部１３ａに嵌入される永久磁石６は、第３磁石の一例である。第３磁石孔１３において、ｄ軸に対して磁石配置部１３ａの長辺（第３磁石の磁極面）がなす角度θ３は、例えば機械角で５２°である。

上記のように、第２磁石孔１２における角度θ２と、第３磁石孔１３における角度θ３は異なっており、第２磁石孔１２の永久磁石６と第３磁石孔１３の永久磁石６はｄ軸を基準として非対称に配置されている。

第１実施形態では、回転電機１の正転側に位置する第３磁石孔１３の永久磁石６に比べ、反転側に位置する第２磁石孔１２の永久磁石６は、ｄ軸に対する長辺の角度θ（つまり、ｄ軸に対する傾き）が小さくなっている（θ３＞θ２）。より具体的には、角度θ１、θ２、θ３がθ３＞θ２＞１／２（θ１）の関係を満たす条件で、１磁極に３つの永久磁石６が配置されている。

また、空隙部１４は、第１磁石孔１１よりも鉄心４の内周側に形成され、第２磁石孔１２および第３磁石孔１３に挟まれて配置されている。空隙部１４は、回転軸Ａｘと直交する平面での断面形状が矩形状をなし、その短辺は、第２磁石孔１２の内周側のフラックスバリア部１２ｂと、第３磁石孔１３の内周側のフラックスバリア部１３ｂにそれぞれ臨んでいる。空隙部１４は、第１磁石孔１１に嵌入された永久磁石６からロータ２の内側に漏れ出す磁束を抑制する機能を担う。

空隙部１４および上記の各フラックスバリア部はいずれも孔（空間）であり、鉄心４に比べて透磁率が極めて小さくて磁束が通り難くなるので、磁気遮断部として機能する。なお、これらの空隙部１４やフラックスバリア部内に、非磁性で透磁率の低い金属（例えば、アルミニウムや真鍮など）や、接着剤、ワニス、樹脂等を充填した場合も、それぞれ磁気遮断部として機能する。

以下、第１実施形態の作用を述べる。
第１実施形態のロータ２の磁極は、ｄ軸に配置される第１磁石孔１１の第１磁石と、ｄ軸に対して傾斜して反転側に配置される第２磁石孔１２の第２磁石と、ｄ軸に対して傾斜して正転側に配置される第３磁石孔１３の第３磁石とを備える。第２磁石および第３磁石は、ｄ軸に対して非対称に配置され、ｄ軸と第１磁石の磁極面のなす角度θ１、ｄ軸と第２磁石の磁極面のなす角度θ２、ｄ軸と第３磁石の磁極面のなす角度θ３は、θ３＞θ２＞１／２（θ１）の関係を満たす。

第１実施形態のロータ２では、第２磁石の磁極面のｄ軸に対する傾きが第３磁石よりも小さくなるように、第２磁石および第３磁石がｄ軸に対して非対称に配置されている。これにより、回転電機１の正転時においてマグネットトルクの最大となる電流位相が、リラクタンストルクの最大となる電流位相側にずれる。したがって、第１実施形態によれば、回転電機１の正転時の最大トルクを向上させることができる。例えば、第１実施形態の回転電機１を電動車両に搭載する場合、電動車両の前進側の最大トルクの向上により電動車両の性能向上を図ることができる。

また、第１実施形態のロータ２では、１磁極に使用される３つの永久磁石６（第１磁石、第２磁石、第３磁石）はいずれも同一形状である。したがって、第１実施形態では複数種類の永久磁石６を準備しなくてもよいので、永久磁石６の金型代の低減により製造コストを抑制できる。また、第１実施形態では複数種類の永久磁石６を使用する場合に比べ、磁石のサイズや重量のばらつきによる遠心力の増加を抑制することもできる。

次に、第１実施形態の構成に基づくトルクの変化率について説明する。
図３は、第１実施形態に対する比較例１のロータ２の構成例を示す図である。比較例１のロータ２はｄ軸を中心に線対称のパターンをなしており、ｄ軸を中心として鉄心４ａに永久磁石６が線対称に配置されている点で、図２に示す第１実施形態の構成と相違する。つまり、図３の比較例１の場合、角度θ１’は機械角で９０°である。また、角度θ２’、θ３’は互いに等しい（θ２’＝θ３’）。

図４は、第１実施形態および比較例１のトルクの変化率を示すグラフである。図４の横軸は電流位相[degree]を示す。図４の左側の縦軸はトルク[％]を示し、図４の右側の縦軸は、比較例１に対する第１実施形態のトルクの変化率を示す。
図４に示すように、第１実施形態の構成におけるトルクは、比較例１と比べて最大トルク（図４の電流位相３０度のとき）が大きくなり、比較例１からの変化率は最大トルク側が約１．０２となることが分かる。

＜第２実施形態＞
図５は、第２実施形態における１磁極分のロータ２の構成例を示す図である。なお、以下の説明において、第１実施形態と同様の構成には同じ符号を付して重複説明を省略する。

第２実施形態のロータ２は、第１実施形態の変形例であり、鉄心４のｄ軸上に空隙部１４を形成せずに、第２磁石孔１２および第３磁石孔１３のフラックスバリア部によって第１磁石孔１１の内周側に磁気遮断部を形成する例である。

具体的に、第２実施形態のロータ２では、第２磁石孔１２の内周側のフラックスバリア部１２ｂ１と、第３磁石孔１３の内周側のフラックスバリア部１３ｂ１がそれぞれｄ軸に向けて内周側に延びている。そして、フラックスバリア部１２ｂ１とフラックスバリア部１３ｂ１は、ｄ軸を隔てて互いに先端が対向するパターンをなしている。なお、第２実施形態での永久磁石６は、第１実施形態と同様にｄ軸を基準として非対称に配置され、角度θ１、θ２、θ３の値はそれぞれ第１実施形態と同様である。

次に、第２実施形態の構成に基づくトルクの変化率について説明する。
図６は、第２実施形態に対する比較例２のロータ２の構成例を示す図である。比較例２のロータ２はｄ軸を中心に線対称のパターンをなしており、ｄ軸を中心として鉄心４ａに永久磁石６が線対称に配置されている点で、図５に示す第２実施形態の構成と相違する。つまり、図６の比較例２の場合、角度θ１’は機械角で９０°である。また、角度θ２’、θ３’は互いに等しい（θ２’＝θ３’）。

図７は、第２実施形態および比較例２のトルクの変化率を示すグラフである。図７の縦軸および横軸は図４のグラフと同様である。
図７に示すように、第２実施形態の構成におけるトルクは、比較例２と比べて最大トルク（図７の電流位相３０度のとき）が大きくなり、比較例２からの変化率は最大トルク側が約１．０１となることが分かる。以上のように、第２実施形態においても第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

本発明は、上記実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の改良並びに設計の変更を行ってもよい。

例えば、本発明における角度θ１、θ２、θ３の値は、θ３＞θ２＞１／２（θ１）の関係を満たすものであれば、上記の実施形態の値には限定されない。例えば、角度θ１を機械角で９０°とし、第１磁石孔１１の永久磁石６の長辺がｄ軸に対して直交する配置としてもよい。

上記の実施形態では８極ロータでの構成例を説明したが、ロータ２の極数は上記の実施形態には限定されない。また、上記の実施形態では、回転電機１の左回り方向を正転方向とする例を説明したが、回転電機１の右回り方向を正転方向としてもよい。なお、右回り方向を正転方向とする場合、ロータ２の磁極のパターンは上記の実施形態から左右が反転した形状となる。

また、上記実施形態ではモータの構成例を説明したが、本発明の埋込磁石型回転子は、発電機のロータとして適用されてもよい。また、本発明の埋込磁石型回転子をモータに適用する場合、モータの用途は電動車両に限定されない。

加えて、今回開示された実施形態は、全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

１…回転電機、２…ロータ、３…ステータ、４…鉄心、５…シャフト、６…永久磁石、１１…第１磁石孔、１２…第２磁石孔、１３…第３磁石孔、１４…空隙部、１２ｂ１，１３ｂ１…フラックスバリア部

Claims (6)

1. 鉄心の周方向に磁極を複数形成した埋込磁石型回転子であって、
   各々の前記磁極は、
   磁極中心に配置される第１磁石と、前記磁極中心に対して傾斜して回転子反転側に配置される第２磁石と、前記磁極中心に対して傾斜して回転子正転側に配置される第３磁石と、を備え、
   前記第１磁石、前記第２磁石および前記第３磁石は、同一形状であり、
   前記第２磁石および前記第３磁石は、前記磁極中心に対して非対称に配置され、
   前記磁極中心と前記第１磁石の磁極面のなす角度θ１、前記磁極中心と前記第２磁石の磁極面のなす角度θ２、前記磁極中心と前記第３磁石の磁極面のなす角度θ３は、θ３＞θ２＞１／２（θ１）の関係を満たす
   埋込磁石型回転子。
2. 前記第２磁石および前記第３磁石は、前記磁極中心を隔てて、前記鉄心の外周側に近づくにつれて互いの間隔が広がるパターンで配置されている。
3. 前記第１磁石の磁極面は、前記磁極中心と直交する線に対して傾いている
   請求項１または請求項２に記載の埋込磁石型回転子。
4. 前記鉄心は、前記第１磁石の内周側で、かつ前記第２磁石および前記第３磁石の間に磁気遮断部をさらに有する
   請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の埋込磁石型回転子。
5. 前記角度θ１は９３°であり、前記角度θ２は４８°であり、前記角度θ３は５２°である
   請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の埋込磁石型回転子。
6. 固定子と、
   請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の埋込磁石型回転子と
   を備える回転電機。
   
   

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