JP3818205B2 - インナーロータ型回転電機の永久磁石ロータ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、インナーロータ型回転電機の永久磁石ロータに関する。
【0002】
【従来の技術】
永久磁石ロータを用いる同期機として周知のように表面磁石型モータ(SPM)と磁石内蔵型モータ(IPM)の二つの形式が知られており、後者は、永久磁石の機械的支持が容易な点、および、磁石トルクに加えてリラクタンストルクも期待することができる点から主流となっている。
【0003】
従来のIPMにおいて、各永久磁石は、ロータコアの外周面近傍に等ピッチで埋設され、周方向極***互に磁化されている。
【0004】
また、ロータが磁石を全くもたないスイッチトリラクタンスモータ(SRM)やシンクロナスリラクタンスモータ(SYNRM)などのリラクタンスモータ(RM)も知られている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
種々の理由から産業用、車両用用途において広く採用されているIPMにおいては小型軽量化と製造コスト低減とが強く要請されている。単に製造コストの低減だけであれば、上記したRMや安価なフェライト磁石を用いたIPMの採用が考えられるが、性能が低下するためにモータ体格が増大し、特に、体格重量の低減が重要な車載モータとしては好ましい選択ではなかった。更に説明すると、フェライト磁石は残留磁束密度が小さく、かつ必要な磁石磁束量を得るために周方向又は軸方向に大型化する必要があり、その分だけモータ体格、重量が大きくなってしまう。
【0006】
モータの小型軽量化を達成するためには、大きな残留磁束密度をもつ希土類磁石を採用したIPMがもっとも好適であるが、それに含まれる希土類材料が高価であり、磁石使用量の低減が要請されていた。
【0007】
磁石磁束量の低減を抑止しつつ磁石使用量を減らすには、磁石厚さを低減することが好適であるが、磁石製造プロセス上および磁石に必要な機械的強度を確保する上で磁石厚さを約2mm未満に薄くすることは困難であった。
【0008】
また、ロータの外周面近傍に軸方向に貫設された磁石挿入孔に永久磁石を装着する場合、あらかじめ磁化された永久磁石をこの磁石挿入孔に挿入することが容易ではないため、未着磁の永久磁石を磁石挿入孔に挿入した後、ロータ全体を着磁するのが通常である。しかし、従来のロータでは、各永久磁石はロータコアの外周近傍に周方向へ極***互に配置されているため、ロータコアの外周面に面する内周面に着磁用磁極を周方向へ極***互に配置する必要があり、このため、これら着磁用磁極がロータコア内に形成する着磁用磁束は、隣接する永久磁石間のロータコア領域を通じて流れて永久磁石をバイパスし、永久磁石の均一な径方向着磁が容易ではなく、更に複雑な構造の着磁装置が必要となるという問題があった。
【0009】
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、着磁が容易で性能低下、体格重量の大型化を抑止可能なロータコアの外周面近傍に永久磁石が埋設されるインナーロータ型回転電機の永久磁石ロータを提供することをその目的としている。
【0010】
【課題を解決するための手段】
ステータの内周面に対面する外周面を有するロータコアと、前記ロータコアの外周面近傍に周方向所定ピッチで埋設される複数の永久磁石とを有し、すべての前記永久磁石は、径方向において同一方向に磁化され、前記ロータコアの外周面近傍領域は、周方向に隣接する永久磁石間のロータコア外周面近傍領域である磁石間外周面領域と、前記永久磁石に径方向に隣接する外周面領域である磁石隣接外周面領域とを有し、前記永久磁石は、前記磁石間外周面領域を前記磁石隣接外周面領域に対して逆極性に磁化するインナーロータ型回転電機の永久磁石ロータにおいて、各前記永久磁石の間の前記磁石間外周面領域の少なくとも周方向中央部に位置して前記ロータコアの外周面近傍に周方向へ互いに所定ギャップを隔てて軸方向へ貫設された複数の孔を有し、前記孔は、各前記永久磁石の間の前記磁石間外周面領域の少なくとも周方向中央部に位置して磁石磁束を通過させる磁路と、前記孔と前記永久磁石との間に位置してq軸電流が形成する磁束を通過させる磁路とを前記ロータコア内に確保可能に形成されることを特徴としている。このようにすれば、着磁が容易で性能低下、体格重量の大型化を抑止可能なロータコアの外周面近傍に永久磁石が埋設されるインナーロータ型インナーロータ型回転電機を提供することができる。
【0011】
好適態様において、前記永久磁石は、希土類磁石からなる。
【0012】
以下、更に詳しく説明する。
【0013】
製造コスト削減には安価な磁石材料の選択又は磁石の廃止が好適であるが、限られたモータ体格、モータ重量の点で実用的ではない。高い磁束密度が得られる希土類磁石は脆く、磁石使用量の低減のためにそれを製造上の限界(現状では約2mm)以上薄くすることは現実的ではない。ただし、従来のインナーロータ型回転電機の永久磁石が形成する磁気回路において、隣接するふたつの永久磁石は磁路上において直列に重なっているため、実際には磁束の漏れなどの影響により有効な磁石磁束量はある程度低下するが、理想的には2倍の厚さを有する一個の永久磁石を設けたのと等しいとみなすことができる。
【0014】
本発明はこの現象を利用して、ロータコアの外周面近傍に埋設されるすべての永久磁石を径方向同一向きに着磁し、かつ、周方向に隣接する永久磁石間のロータコア外周面領域(磁石間外周面領域ともいう)を、永久磁石に径方向に隣接する外周面領域(磁石隣接外周面領域ともいう)と逆極性に磁化する。
【0015】
これにより、磁石磁束量をそれほど減少させることなく、磁石使用量を半減することができ、インナーロータ型回転電機の製造コストを大幅に低減することができる。
【0016】
また、本発明の永久磁石ロータでは、着磁に際して着磁装置は、永久磁石ロータをその全周にわたって径方向に磁化すればよいので、従来の着磁装置に比較して構造簡単となり、そのうえ着磁用磁束の漏れを減らすことができるので、着磁装置の小型化、低コスト化を実現することができ、インナーロータ型回転電機の製造コスト低減を更に促進することができる。
【0017】
更に、本発明の永久磁石ロータでは、永久磁石を省略した部分を磁路化することができるので、この部分を流れるリラクタンストルク発生用磁束φq(q軸電流が形成する磁束)を増大することができ、リラクタンストルクを増大することが可能となる。
【0018】
また更に、保持すべき磁石数を半減できる分、永久磁石ロータの機械的強度を向上することもできる。
【0019】
本発明では、各前記永久磁石の間の磁石間外周面領域の少なくとも周方向中央部に位置してロータコアの外周面近傍に周方向へ互いに所定ギャップを隔てて軸方向へ貫設された複数の孔を有する。なお、この孔はロータコアの外周面に連通していてもよい。
【0020】
これにより、省略された永久磁石のためのロータコアの磁石挿入孔を除去したことによる電機子反作用の増大の悪影響を抑止することができるとともに、ロータコアの軽量化も実現することができる。
【0021】
更に詳しく説明すると、この態様の孔は、径方向同一向きに着磁されて周方向に隣接する2つの埋設磁石間の領域(磁石間外周面領域ともいう)に位置して、ロータコアの外周面近傍に形成される。
【0022】
この磁石間外周面領域では磁石挿入孔が省略されているために、その周方向両側の永久磁石が形成する磁石磁束が径方向に流れるとともに、電機子電流により形成されて略周方向に流れる電流磁束も流れる。この電流磁束の一部(q軸電流磁束)はリラクタンストルク発生に有効であるが、このq軸電流磁束はd軸電流との電磁相互作用によりリラクタンストルクを生じるのでd軸電流とあまり関与しない成分は、無効インダクタンスの増大や損失の増大を生じさせる。この問題は、この態様による孔により効果的に低減される。
【0023】
好適な態様において、前記孔は、周方向よりも径方向に長い断面形状を有する長孔からなるので、上記電機子反作用の影響を磁石磁束の低減を抑止しつつ一層低減することができる。
【0024】
好適な態様において、上記孔は籠形巻線を収容するので、脱調抑止、誘導トルク発生などの諸効果を、ロータコア中における磁石磁束の磁路断面積の低減を抑止しつつ実現することができるとともに、この籠形巻線によるロータコア用積層電磁鋼板の締結強化効果も期待することができる。
本発明では、前記孔は、磁石磁束通過用の磁路と、リラクタンストルク発生のためにq軸電流が形成する磁束が通過するための磁路とを確保可能に配列されて軸方向にそれぞれ貫設される。
【0025】
これにより、従来、リラクタンストルク発生のためにq軸電流が形成する磁束(以下、q軸電流磁束ともいう)の増加に無効の磁石挿入孔を除去して、磁石磁束量の低減を抑止しつつq軸電流磁束を増加することができる。
【0026】
【発明の実施の形態】
上記説明した発明の好適な態様を以下の実施例を参照して説明する。
【0027】
【実施例】
6極三相同期機を構成するインナーロータ型IPMを図1に示す。
【0028】
1はフロントハウジング、2はリアハウジングであり、両者はボルトにて締結されている。3は、フロントハウジング1の内周面に固定されたステータ、4はステータ3の径方向内側に収容されたロータである。ロータ4は回転軸5に嵌着固定され、回転軸5は軸受けを介して両ハウジング1、2に支承されている。ロータ4は積層電磁鋼板製のロータコア40と、ロータコアの磁石挿入孔41に収容されてロータコア40に埋設された永久磁石42とを有している。
【0029】
この実施例の特徴をなすロータ4の径方向断面図を図2に示す。ただし、ロータコア40の断面ハッチングは省略されている。ロータコア40は、磁石挿入孔41の他に、回転軸が圧入される回転軸孔43が軸方向に貫孔されている。
【0030】
3つの磁石挿入孔41は、ロータコア40の外周面近傍に位置して回転対称配置されている。当然のことながら、磁石挿入孔41および永久磁石42の個数は上述の3ではなく、1、2又は4以上とすることができる。
【0031】
磁石挿入孔41の径方向断面は、略扁平長方形形状となっており、その2つの主面45、45は径方向に対して直交している。その径方向外側の2つの角部には磁石磁束漏洩を低減するための出っ張り部46が突設されている。永久磁石42は、薄平板形状の有希土類磁石からなり、径方向に着磁されている。
【0032】
このIPMの構造自体は通常のIPMとまったく同じであり、この実施例の特徴部分を以下に説明する。
【0033】
まず、この実施例では、各永久磁石42は径方向同一向きに着磁されている。これにより、磁石挿入孔41とその径方向外側に位置するロータコア40の外周面領域(磁石隣接外周面領域)Sにすべて同一極性の磁極が形成され、磁石間外周面領域Mにすべて反対極性の磁極が形成される。磁石間外周面領域Mおよび磁石隣接外周面領域Sには、図2中、たとえば破線で示す向きに磁石磁束φdが形成され、この磁石磁束φdとq軸電流Iqとにより磁石トルクが形成される。また、q軸電流Iqが形成するq軸電流磁束φq(一点鎖線により図示)とd軸電流Idとによりリラクタンストルクが形成される。
【0034】
次に、この実施例では、ロータコア40の外周面近傍領域のうち、周方向に隣接して径方向同一向きに着磁された二つの永久磁石42、42の間の上記磁石間外周面領域mに周方向へ互いに所定ギャップgを隔てて径方向に長い断面形状を有する空孔44(本発明でいう孔)を5つ有している。
【0035】
各空孔44は軸方向に貫孔されており、空孔44と磁石挿入孔41との間の周方向のギャップg’は空孔44間のギャップgよりも大きく形成されている。また、外周側に空孔を有している。これにより、リラクタンストルク形成用のq軸電流磁束φq(一点鎖線)の減少を抑止しつつ、実線で一例を示す無効磁束φiを空孔44により低減することができ、漏れインダクタンスや鉄損の低減や電機子反作用の低減効果を奏することができる。なお、空孔44の数や断面形状は、種々変更可能なことはもちろんである。
【0036】
なお、この明細書でいう孔とは、上記のごとく、φqの減少を抑止しつつ、φiを低減することができる非磁性部であり、なんらかの理由で電磁鋼板に穴を空けた後、非磁性体でこの孔を埋めたものであってもよい。また、なんらかの製法にて非磁性部を埋めこみ形成した板材を加工して円盤状とし、それらを積層したものであってもよい。
【0037】
この実施例構造をもつインナーロータ型IPMの効果を以下に説明する。
【0038】
まず、高い磁束密度が得られる希土類磁石の厚みを確保しながら磁石使用量を低減して製造コストを低減することができる。この磁石数の低減は、有効磁石磁束量を減少させるが、これらの低下、減少は実用上それほど問題とならず、同一出力当たり従来のIPMに対してわずかの体格重量の増大により補償することができ、トータルとして従来の希土類磁石IPMと比較して出力が等しいIPMを安価に製造することができる。もちろん、この実施例のIPMは磁石をまったく使用しない従来のリラクタンスモータに比較して格段に体格重量を低減できる利点を有している。
【0039】
また、この実施例の永久磁石ロータでは、着磁に際して着磁装置は、永久磁石ロータをその全周にわたって径方向に磁化すればよいので、従来の着磁装置に比較して構造簡単となり、そのうえ着磁用磁束の漏れを減らすことができるので、着磁装置の小型化、低コスト化を実現することができ、インナーロータ型回転電機の製造コスト低減を更に促進することができる。
【0040】
更に、この実施例の永久磁石ロータでは、永久磁石を省略した部分を磁路化することができるので、この部分を流れるリラクタンストルク発生用磁束φq(q軸電流が形成する磁束)を増大することができ、リラクタンストルクを増大することが可能となる。
【0041】
また更に、保持すべき磁石数を半減できる分、永久磁石ロータの機械的強度を向上することもでき、空孔44の設置により磁石挿入孔41が減ったことによる重量増大を抑止することもできる。
【0042】
(変形態様)
空孔44に、たとえばアルミダイキャストにより籠形巻線を形成する。これにより、誘導トルクの発生、脱調抑制効果を実現することができる。従来でも、IPMにおいて籠形巻線を追設することは公知であったが、従来のこの種の複合構造では、籠形巻線は磁石挿入孔41とロータコア40の外周面との間に設けざるを得ず、籠形巻線配置スペースに強い制約があり、また、磁石磁束の磁路抵抗の増大を招くという問題もあった。この実施例では、磁石挿入孔41を省略したスペースを利用して籠形巻線を配置することができるので、この問題を良好に改善することができる。
【0043】
(変形態様)
図3に変形態様を示す。この態様では、空孔44’は、周方向および径方向に略行列状に配列されて軸方向にそれぞれ貫設される多数の小孔が2行7列形成され、これにより、磁石磁束φd通過用の磁路(破線表示)と、リラクタンストルク発生のためにq軸電流が形成するq軸電流磁束φqが通過するための磁路(実線表示)とが良好に形成される。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例に採用したIPMの軸方向断面図である。
【図2】図1の永久磁石ロータの径方向断面図である。
【図3】変形態様の永久磁石ロータの部分径方向断面図である。
【符号の説明】
3 ステータ
4 ロータ(永久磁石ロータ)
5 回転軸
40 ロータコア
41 磁石挿入孔
42 永久磁石
43 回転軸孔
44 空孔(孔)
S 磁石隣接外周面領域
M 磁石間外周面領域
Claims (4)
- ステータの内周面に対面する外周面を有するロータコアと、前記ロータコアの外周面近傍に周方向所定ピッチで埋設される複数の永久磁石とを有し、すべての前記永久磁石は、径方向において同一方向に磁化され、前記ロータコアの外周面近傍領域は、周方向に隣接する永久磁石間のロータコア外周面近傍領域である磁石間外周面領域と、前記永久磁石に径方向に隣接する外周面領域である磁石隣接外周面領域とを有し、前記永久磁石は、前記磁石間外周面領域を前記磁石隣接外周面領域に対して逆極性に磁化するインナーロータ型回転電機の永久磁石ロータにおいて、
各前記永久磁石の間の前記磁石間外周面領域の少なくとも周方向中央部に位置して前記ロータコアの外周面近傍に周方向へ互いに所定ギャップを隔てて軸方向へ貫設された複数の孔を有し、
前記孔は、各前記永久磁石の間の前記磁石間外周面領域の少なくとも周方向中央部に位置して磁石磁束を通過させる磁路と、前記孔と前記永久磁石との間に位置してq軸電流が形成する磁束を通過させる磁路とを前記ロータコア内に確保可能に形成されることを特徴とするインナーロータ型回転電機の永久磁石ロータ。 - 請求項1記載のインナーロータ型回転電機の永久磁石ロータにおいて、
前記永久磁石は、希土類磁石からなるインナーロータ型回転電機の永久磁石ロータ。 - 請求項1記載のインナーロータ型回転電機の永久磁石ロータにおいて、
前記孔は、周方向よりも径方向に長い長孔断面形状を有するインナーロータ型回転電機の永久磁石ロータ。 - 請求項1記載のインナーロータ型回転電機の永久磁石ロータにおいて、
前記孔は、籠形巻線を収容するインナーロータ型回転電機の永久磁石ロータ。
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