JP5446140B2 - 回転電機の回転子 - Google Patents

Description

本発明は、複数に分かれている、異なる極対数の複数の回転子を一体に統合し、１つのモータの体格に構成した回転電機の回転子に関する。

従来、この種の技術としては、例えば以下に示す文献に記載されたものが知られている（特許文献１、２参照）。文献１には、それぞれの組が異なる磁極数で構成される複数の磁石の組に相当する複数の磁石磁束を例えば固定子側であるエアーギャップ側の表面に合算して発生される磁束発生部材を持つ回転子を備え、磁束発生部材を構成する複数の磁石の各組に、別個に作用する電流を含む複合電流を供給し、複合電流・２軸出力方式モータによる電流損失および小型化のメリットを享受しつつ、１軸のみの出力を可能にした同期電動機の技術が記載されている。

また、文献２には、それぞれの組が異なる磁極数で構成される複数の磁石の組に相当する複数の磁石磁束を合算して発生される磁束発生部材であって、複数の磁石の組に相当する磁石磁束の各々の間で、磁石の一部を相殺するように発生させ、磁束が相殺される箇所は、磁束が相殺されない箇所に比べて磁束量を少なくするように、複数の磁石の組を構成する磁石を配置するか、もしくは配置しないような磁束発生部材を持つ回転子を備えた同期電動機の回転子の技術が記載されている。
特開２００７−３３９００６ 特開２００７−１７４８８５

上記従来の技術では、同期電動機の回転子において、２つのモータの永久磁石をお互いに重ね合わせて配置しているが、永久磁石を重ねる合わせる際の配置は、重ね合わせる前の永久磁石の配置により一義的に決まっていた。

このため、電動機のトルクを向上させるという観点からは必ずしも好適とは言えず、磁石配置の最適化が要望されていた。

そこで、本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、構成の小型化ならびにトルクの増大を両立させた回転電機の回転子を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の課題を解決する手段は、回転子に備えられた永久磁石磁束発生部材の幅は磁束の基本波１極あたりの長さよりも小さく、かつＮ極ならびにＳ極の前記永久磁石磁束発生部の中心は磁束の基本波１極あたりの長さの中心に対して互いに異なる方向にずれ、ずれのずれ量は、その最小が磁束の基本波１極あたりの長さ（Ｈｍ）の１／２に対して１０％とし、その最大は、ずれ量０％の場合の永久磁石磁束発生部材あたりのトルクを１としたときトルク比１を超えた範囲にあることを特徴とする。

本発明によれば、トルクを向上させることができることに加えて、構成の小型化を図ることができる。

以下、図面を用いて本発明を実施するための最良の実施例を説明する。

図１は本発明の実施例１に係る回転電機の構成を示す断面図である。図１に示す実施例１の回転電機は、円筒状のステータ（固定子）１１の内側に所定の隙間（エアーギャップ）１２を介してロータ（回転子）１３が同軸に回転可能に配置され、同期型電動機を構成している。

ステータ１１は、１８個の分割されたコア１４から構成され、１８個の分割されたコア１４には、それぞれ巻線（コイル）１５が集中的に巻かれている。この巻線１５は、６個おきに配置されている３個が１セット（トータル６セット）となっており、直列あるいは並列に接続され、その一方が中性点として他の相の一方と接続され、他方は図示しないインバータの内部で、電源ラインのＰ側・Ｎ側にスイッチング素子を介して接続されている。このインバータは６相を制御する構成となっている。

なお、このステータ１１は、分割されたコア１４で記述されているが、分割されないコアでも同様の動作ができること、或いはスロットレス型モータでも本発明を適用することが可能である。また、巻線１５は集中巻に限らず分布巻でも適用可能である。

ロータ１３は、内側から順に電動機の負荷と連結されるシャフト１６、ロータコア１７ならびに永久磁石１８が配置されている。永久磁石１８（１８Ｎ,１８Ｓ）は、コアまたは空気１９を介してＮ極の３つの永久磁石１８ＮとＳ極の３つの永久磁石１８Ｓがロータ１３の最外殻の表層部の円周に沿ってロータ１３内に配置されている。これらの永久磁石１８は３極対（６極）と６極対（１２極）の２種類の極対数を備える２組の磁石として機能する。

ここで、３極対、６極対の極対数とはロータ１３が一周（０deg〜３６０deg）する間にロータ１３の表面に現れる磁束のことである。この場合の２組の磁石は、概念的なものであり、部材が明確に分離されているものではなく、固定子の巻線に供給される複合電流を構成する１つの電流に対して、３極対の磁石のセットとして振る舞う磁石の組が１つあり、複合電流を構成するもう１つの電流に対して、６極対の磁石のセットとして振る舞う磁石の組が１つあることを意味するものであり、各永久磁石１８が同時に双方の組の磁石として機能するものである。

図１において、磁束の基本波１極当たりの長さをＨｍで示し、永久磁石１８または磁石磁束発生部の幅をＬｍで表し、軸方向の長さをＺｍで示している。図１に示すように、Ｈｍの中心線とＬｍの中心線は異なっており、永久磁石１８は等間隔には配置されていない。

通常使用されている永久磁石を用いたモータにおいては、磁極の中心と、磁石幅または磁石磁束発生部幅の中心が同一であり、可能な限り高調波磁束を発生させない構成となっている。一方、磁極の中心と、磁石幅または図２に対して次式（１）で定義される磁石磁束発生部の中心を意図的にずらし、かつＮ極とＳ極とは互いに異なる方向にずれており、ステータ１１のコイル１５に通電する電流を基本波電流に２次高調波電流を重畳した複合電流で構成することで、２次高調波の磁束を含有させることが可能となり、トルクを向上することが可能となる。図２（ｂ）に示す磁束密度分布では、発生する磁束は基本波と二次高調波となる。

ここで、ｘはロータ１３の表面に沿った回転方向座標を表し、Ｂｍ（ｘ）は位置ｘでの磁束密度を表している。

磁束の基本波１極当たりの長さの中心に対する磁石磁束発生部の中心のずれに対するトルクの計算例を図３に示す。図３において、同図（ｂ）に示すように、Ｈｍの一端からＨｍの中心までの距離をＫとし、Ｈｍの一端から磁石磁束発生部の中心までの距離をＫｍとし、ＬｍはＨｍの４０％程度とすると、ずれ量（Ｋ−Ｋｍ）／Ｋ［％］は、同図（ａ）に示すようになる。図３（ａ）において、それぞれの中心が一致している場合のトルクを１とすると、トルクはずれ量がほぼ３０％程度で最大となる。これは永久磁石をずらしたことで２次高調波磁束を大きくすることができるためである。

図４はＨｍに対するＬｍを１０％〜５０％、７０％、８０％とそれぞれ固定したときのずれ量とトルクの関係を示している。Ｌｍが小さくなるとトルク値そのものは小さくなるが、トルク比極大値も大きくなる。一般にＬｍはおよそ４０％程度以上とする場合が多いので、ずれ量を最低１０％以上確保すれば、ずれていない一般的なモータに対してトルクを向上することができる。

すなわち、永久磁石の中心ＭｍとＨｍ／２の差をδとし、次式（２）で表されるずれ量の最小値を１０％程度とする一方、最大値はずれ量０％時の磁石当たりのトルクを１としたときトルク比１を超えた範囲で設定する。
（数２）
δ／（Ｈｍ／２） …（２）
図５は磁石幅または磁石磁束発生部の幅比（Ｌｍ／Ｈｍ）［％］をパラメータとした場合の最適なずれ量の関係を示す。図５の曲線上に沿って永久磁石をずらして配置することで最大のトルクを発生させることができる。

このように、上記実施例１にあっては、磁束の基本波に対する磁極中心と磁石磁束発生部の中心を一致させない（不一致とする）ようにしたことで、磁束密度分布において磁束の基本波とその他の高調波が発生し、ステータのコイルに通電する電流を基本波と高調波の複合電流とすることでトルクを発生させることができ、従来に比べて単位磁石量あたりのトルクが増加して磁石量を低減することが可能となる。

また、上記実施例１において、ロータ１３に配設される永久磁石１８を、同一極を形成するも異なる特性を有する磁石で構成することで、例えば高い磁束密度が要求される場所では残留磁束密度の高い磁石を用いる一方、耐熱性が優先して要求される場所では保持力の高い磁石を用いることで、通常ＢＨ積が高く、かつ耐熱性の高い磁石を用いる電動車両用モータにおいては、そのコストを低減することができる。

高い磁束密度が要求される部位では残留磁束密度の高い磁石を使用する代わりに、比較的残留磁束密度が低くてもその表面積を増やすように永久磁石をＶ字形に配置することで、容易に磁束密度を増大させることができる。

磁極の中心と磁石磁束幅の中心とのずれ量の最小値を１０％程度とし、最大値がずれ量０％時の磁石当たりのトルクを１としたときトルク比１を超えない範囲とすることで、永久磁石を用いた従来の同期電動機に比べてトルクを向上させることが可能となる。

磁極の中心と磁石磁束幅の中心とのずれ量と磁石磁束発生部の幅比との最適な関係を、予め実験やシミュレーション等により算出し、算出した特性に基づいて磁石量または磁石磁束発生部幅に対するずれ量を設定することで、最適なずれ量を設定することが可能となり、最適なずれ量が設定されることで最大のトルクを得ることができる。

図６は本発明の実施例２に係る回転電機の構成を示す断面図である。図６に示す実施例２の回転電機の特徴とするところは、先の図１に示す実施例１の構成に比べて、実施例１で採用した永久磁石１８に代えて、長方形状の永久磁石２０（２０Ｎ、２０Ｓ）における一方の面をロータ１３の最外周からエアーギャップ１２側に露出させてロータ１３に配置したことにあり、他は先の実施例１と同様である。

このような配置構成を採用することで、製造を容易化することが可能となる。

図７は本発明の実施例３に係る回転電機の構成を示す断面図である。図７に示す実施例３の回転電機の特徴とするところは、先の図６に示す実施例２の構成に比べて、長方形状の永久磁石２０（２０Ｎ，２０Ｓ）をロータ１３のコア内部に埋め込んで配置することで永久磁石２０をロータコアを構成する磁性材料で覆い、かつ各永久磁石２０の両側にフラックスバリア２１を設けたことにあり、他は先の実施例２と同様である。

このような配置構成を採用することで、回転強度を向上させることができる。さらに、永久磁石２０の間がロータ１３のコア部となっているので、ステータ１１の巻線１５に基本波電流ならびに２次高調波電流を流すことで、永久磁石２０間を占めているロータ１３のコア部でリアクタンストルクを得ることが可能となり、永久磁石２０によるトルクと合わせることでトルクを増大させることができる。

図８は本発明の実施例４に係る回転電機の構成を示す断面図である。図８に示す実施例４の回転電機の特徴とするところは、先の図７に示す実施例３の構成に比べて、各磁極を構成する長方形状の永久磁石２０（２０Ｎ，２０Ｓ）をＶ字形状にロータ１３のコア内部に埋め込んで配置し、かつ各永久磁石２０の両側にフラックスバリア２１を設けたことにあり、他は先の実施例３と同様である。

このような配置構成を採用することで、先の実施例３で得られる効果に加えて、先の図７の構成に比べて磁石の表面積を広くとれることで磁石磁束を大きくすることが可能となり、これによりトルクを増大させることができる。

図９は本発明の実施例４に係る回転電機の構成を示す断面図である。図９に示す実施例５の回転電機の特徴とするところは、各磁極がＶ字形状に配置された永久磁石が先の実施例１と同様の方式で８極対（１６極）と１６極対（３２極）の２種類の極対数を備える２組の磁石として機能し、ロータ１３の１極対（Ｎ極とＳ極）当たりのステータ１１のティースを３とし（１極当たりのティースは１．５）、１極対に対応する３つのティースをＵ相ティース２２Ｕ、Ｖ相ティース２２Ｖ、Ｗ相ティース２２Ｗとし、各相の巻線１５をＵ相巻線１５Ｕ、Ｖ相巻線１５Ｖ、Ｗ相巻線１５Ｗとして全体で８相駆動方式を採用したことにある。

このような構成を採用することで、先の実施例１〜４に比べてトルクを向上させることができることに加えて、３相のインバータで駆動制御することが可能となる。

本発明の実施例１に係る回転電機の構成を示す断面図である。 磁束密度の中心と磁極の中心との関係を示す図である。 ずれ量とトルクとの関係を示す図である。 永久磁石磁束発生部の幅比とトルクとの関係を示す図である。 永久磁石磁束発生部の幅比と最適なずれ量との関係を示す図である。 本発明の実施例２に係る回転電機の構成を示す断面図である。 本発明の実施例３に係る回転電機の構成を示す断面図である。 本発明の実施例４に係る回転電機の構成を示す断面図である。 本発明の実施例５に係る回転電機の構成を示す断面図である。

符号の説明

１１…ステータ
１２…エアーギャップ
１３…ロータ
１４…コア
１５…巻線
１５Ｕ…Ｕ相巻線
１５Ｖ…Ｖ相巻線
１５Ｗ…Ｗ相巻線
１６…シャフト
１７…ロータコア
１８，１８Ｎ，１８Ｓ，２０…永久磁石
１９…コアまたは空気
２１…フラックスバリア
２２Ｕ…Ｕ相ティース
２２Ｖ…Ｖ相ティース
２２Ｗ…Ｗ相ティース

Claims (8)

1. 異なる複数の磁極数に相当する磁石磁束を合算して発生させる永久磁石磁束発生部材を有し、前記永久磁石磁束発生部材の幅（Ｌｍ）は磁束の基本波１極あたりの長さ（Ｈｍ）よりも小さく、かつＮ極ならびにＳ極の前記永久磁石磁束発生部材の中心は磁束の基本波１極あたりの長さ（Ｈｍ）の中心に対してずれ、Ｎ極側とＳ極側とは互いに異なる方向にずれ、
   前記ずれのずれ量は、その最小が磁束の基本波１極あたりの長さ（Ｈｍ）の１／２に対して１０％とし、その最大は、ずれ量０％の場合の前記永久磁石磁束発生部材あたりのトルクを１としたときトルク比１を超えた範囲にある
   ことを特徴とする回転電機の回転子。
2. 前記永久磁石磁束発生部材は、同一極を形成するも、異なる磁力特性を有している
   ことを特徴とする請求項１に記載の回転電機の回転子。
3. 前記永久磁石磁束発生部材は、局部的に磁束密度が高い
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の回転電機の回転子。
4. 前記ずれ量は、前記永久磁石磁束発生部材の幅に対して所定の特性を有している
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の回転電機の回転子。
5. 前記永久磁石磁束発生部材は、長方形状に形成され、その一部表面が前記回転子と固定子との間に介在する空間に露出されて回転子に配置されている
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の回転電機の回転子。
6. 前記永久磁石磁束発生部材は、長方形状に形成され、前記回転子に埋め込まれ、かつ前記永久磁石磁束発生部材が磁性材料で覆われている
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の回転電機の回転子。
7. 前記永久磁石磁束発生部材は、長方形状に形成され、前記回転子にＶ字形状に埋め込まれて配置されている
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の回転電機の回転子。
8. 磁束の基本波１極あたりの固定子のティース数を１．５とした
   ことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の回転電機の回転子。

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