JP6515448B2 - 回転電機のロータ構造 - Google Patents

Description

本発明は、永久磁石型の回転電機のロータ構造に関する。

永久磁石型の回転電機のロータ構造として、例えば、特許文献１にはロータに軸方向に貫通して配置した帯板状の永久磁石の幅方向端部に、漏れ磁束対策としてフラックスバリア（空隙）を設定した構造が開示されている。

具体的には、帯板状の永久磁石はロータの外周近傍に軸方向に貫通して、その複数個を周方向に等ピッチで配置してある。フラックスバリアはロータの前記永久磁石を貫通配置した貫通孔の幅方向両側に延設され、ここに永久磁石の幅方向端部を臨設配置している。

フラックスバリアは永久磁石の厚みよりも小さな厚み方向寸法として、前記貫通孔との連設部分に段部を設定することにより、該段部で永久磁石の幅方向の位置決めを行ってロータ回転の遠心力による位置ずれを防止するようにしている。

このように、永久磁石の幅方向端部にフラックスバリアを設けることで、該永久磁石の幅方向端部での漏れ磁束（ステータに鎖交せずトルクに寄与しない磁束）を低減してトルク性能を向上させ、前記段部で永久磁石の幅方向の位置決めを行うことで磁石位置ずれによる性能低下の抑制を図っている。

特開２００６−７４８８７号公報

特許文献１の開示技術では、フラックスバリアの厚み方向寸法を永久磁石の厚みよりも小さく設定して、永久磁石の位置決め段部を形成しているため、該フラックスバリアの厚み方向寸法が小さく抑制されてその分、磁気抵抗が小さく抑制される。

この結果、ステータから永久磁石の幅方向端部に流入する逆磁界の磁束が増加して、この部分が不可逆減磁し易くなる。この磁石減磁を回避するためには、ステータ電流を抑えてトルク・出力を制限したり、永久磁石が高温となって減磁し易くならないように連続出力時間を制限するなど、性能への跳ね返りが大きくなってしまう。また、性能を維持するためには永久磁石の厚みの増加や高保磁力の磁石材料を使用する等、材料コストの増加が避けられない。

そこで、本発明はロータを構成する複数枚のコア単板単位におけるフラックスバリアの厚み方向寸法の設定と、これらコア単板の積層の組み合わせとを適切に調整することで、ロータ総体としてフラックスバリアの十分な厚み方向寸法の確保と永久磁石の幅方向の位置決めとが可能な回転電機のロータ構造を提供するものである。

本発明の回転電機のロータ構造は、電磁鋼板からなる複数枚のコア単板を積層して構成したロータと、このロータの外周近傍に軸方向に貫通して周方向に等ピッチで対をなして配置された複数の帯板状の第１永久磁石であって、幅方向において、端部がロータ外周面に向かうとともに、対をなすそれぞれにおける離間距離が径方向の内側から外側に向かって大きくなるように配置される第１永久磁石と、対をなす第１永久磁石の径方向外側の幅方向端部の間において、幅方向が前記ロータの周方向に沿って配置される第２永久磁石と、ロータの第１永久磁石を貫通配置した各貫通孔の幅方向両側に延設されて、第１永久磁石の幅方向端部を臨設配置したフラックスバリアと、を備えている。

そして、前記フラックスバリアのは、第１永久磁石の厚みと同等以上の厚み方向寸法の第１のフラックスバリアと、第１永久磁石の厚みよりも小さな厚み方向寸法の第２のフラックスバリアを有し、第１のフラックスバリアと第２のフラックスバリアとが前記コア単板の積層方向に混在して形成され、前記第２のフラックスバリアの延設基部に形成される幅方向一対の段部より第１永久磁石の幅方向端部を係止して、ロータ回転による第１永久磁石への遠心力による位置ずれを防止し、第１永久磁石の周方向外側の径方向端部においては、段部が第２永久磁石に対して反対側に設けられることを主要な特徴としている。

本発明によれば、ロータを構成する複数枚のコア単板の各コア単板単位で第１のフラックスバリアおよびまたは第２のフラックスバリアの設定と、これらコア単板の積層の組み合わせとを適切に調整することで、ロータ総体としてロータ軸方向でフラックスバリアの十分な厚み方向寸法の確保と永久磁石の幅方向の位置決めとが可能となる。

即ち、ロータの各フラックスバリアにおける第１のフラックスバリアが混在する割合分に応じた永久磁石の幅方向端部の減磁耐力の向上と、第２のフラックスバリアの延設基部に形成される段部による永久磁石の回転位置ずれ防止機能の確保とを行えて、モータ性能の向上を実現することができる。

本発明の対象とする回転電機のロータとステータとの配置関係を示す説明図。 本発明の第１実施形態におけるロータの一磁極相当部分を拡大して示す説明図。 図２のＡ−Ａ線に沿う断面図。 ロータを構成する第１のコア単板を示す説明図。 ロータを構成する第２のコア単板を示す説明図。 図２に示す永久磁石の幅方向端部における減磁率と定格電流との関係を示す説明図。 本発明の第２実施形態におけるロータのコア単板を示す説明図。 図７のコア単板の積層形態を示す斜視図。 本発明の第２実施形態におけるコア単板の変形例を示す説明図。 本発明の第２実施形態におけるコア単板の変形例を示す説明図。 本発明の第２実施形態におけるコア単板の変形例を示す説明図。 本発明の第２実施形態におけるコア単板の変形例を示す説明図。

以下、本発明の実施形態を図面と共に詳述する。

図１は、本発明の対象とする永久磁石型の回転電機１におけるロータ２と、その周囲に所要の空隙をおいて配置したステータ３との配置関係を示している。

ロータ２は、後述する薄い電磁鋼板からなる複数枚のコア単板７の積層体で構成され、その外周近傍には周方向に等ピッチで複数の永久磁石４を軸方向に貫通して圧入配置してある。

本実施形態は８極タイプの回転電機１を示しており、永久磁石４を一磁極あたり３つの帯板状の永久磁石４ａ、４ｂ、４ｃを用いてΔ配置とした構成として、これをロータ２の周方向に極性を変えて等ピッチに配置している。

図２に永久磁石４の配置構造を拡大して示す。この永久磁石４は、一対の帯板状の永久磁石４ａ、４ｂをロータ２の外周面に向けてＶ字状の開き角度を持って配置したＶ字磁石と、該Ｖ字磁石４ａ、４ｂが開いた部分にロータ２の外周面と略平行に配置した帯板状の外側磁石４ｃと、で該外側磁石４ｃを底辺とする三角形のΔ配置としている。

Ｖ字磁石４ａ、４ｂと外側磁石４ｃの各幅方向端部に対応する位置には、漏れ磁束対策としてフラックスバリア５を設定している。

フラックスバリア５は、Ｖ字磁石４ａ、４ｂと外側磁石４ｃをそれぞれ圧入したロータ２の各貫通孔６を幅方向に延長した空隙として形成してあり、ここにＶ字磁石４ａ、４ｂおよび外側磁石４ｃの各幅方向端部を臨設配置している。

フラックスバリア５のそれぞれは、各対応する永久磁石４ａ、４ｂ、４ｃの厚みと同等以上の厚み方向寸法の第１のフラックスバリア５Ａと、これらの厚みよりも小さな厚み方向寸法の第２のフラックスバリア５Ｂとがコア単板７の積層方向に混在した状態に形成してある。

本実施形態では上述のロータ２を、コア単板単位のフラックスバリアとして貫通孔６に連設して前記第１のフラックスバリア５Ａのみを形成した図４に示す第１のコア単板７Ａの複数枚と、コア単板単位のフラックスバリアとして貫通孔６に連設して前記第２のフラックスバリア５Ｂのみを形成した図５に示す第２のコア単板７Ｂの少なくとも１枚とを積層した構成としている。

これら第１のコア単板７Ａと第２のコア単板７Ｂとの積層形態は任意に設定することができ、例えば図３に図２のＡ−Ａ線断面として示すように第１のコア単板７Ａの所要枚数置きに少なくとも１枚の第２のコア単板７Ｂを介装した積層ピッチの構成とすることができる。

このような積層構成の採用により、前記ロータ２の各フラックスバリア５の主体を前記第１のフラックスバリア５Ａで構成し、それらのロータ軸方向の領域（コア単板の積層方向）に前記第２のコア単板７Ｂにおける第２のフラックスバリア５Ｂの延設基部に形成される幅方向一対の段部８の少なくとも１つが存在して、該段部８により永久磁石４の幅方向端部を係止して位置決めした構造としている。

この第１実施形態の構造によれば、コア単板単位のフラックスバリアとして第１のフラックスバリア５Ａのみを形成した第１のコア単板７Ａと、コア単板単位のフラックスバリアとして第２のフラックスバリア５Ｂのみを形成した第２のコア単板７Ｂの積層の組み合わせを適切に調整することで、ロータ２の総体としてロータ軸方向でフラックスバリア５の十分な厚み方向寸法の確保と永久磁石４の幅方向の位置決めとが可能となる。

具体的には、第１のフラックスバリア５Ａは第２のフラックスバリア５Ｂと比較して厚み方向寸法が大きく磁気抵抗が高いため、ステータ３から永久磁石４の幅方向端部に流入する逆磁界の磁束を低減し、該永久磁石４の着磁方向（厚み方向）に対する磁束の乱れが軽減される。即ち、第１のフラックスバリア５Ａは第２のフラックスバリア５Ｂと比較してステータ電流（逆磁界）に対する永久磁石４の不可逆減磁を抑制できる。

これにより、本実施形態における第２のフラックスバリア５Ｂに相当する、厚み方向寸法の小さいフラックスバリアのみで構成される前記特許文献１の構造に対して、厚み方向寸法の大きい第１のフラックスバリア５Ａを主体にロータ軸方向（コア単板の積層方向）に混在させた本実施形態では、その混在割合分だけ減磁耐力が高められる。

また、貫通孔６と第２のフラックスバリア５Ｂとの連設部分に形成される段部８により永久磁石４の幅方向端部を係止してその位置決めを行って、ロータ回転の遠心力による該永久磁石４の回転位置ずれを防止する。

従って、各フラックスバリア５における第１のフラックスバリア５Ａが混在する割合分に応じた永久磁石４の幅方向端部の減磁耐力の向上と、第２のフラックスバリア５Ｂの延設基部に形成される段部８による永久磁石４の回転位置ずれ防止機能の確保とを行えて、モータ性能の向上を実現することができる。

図６は本実施形態における永久磁石４の幅方向端部における減磁率と定格電流との関係を示している。ここでは回転電機における減磁前後の電気子鎖交磁束φａの減少率を減磁率としている。また、減磁電流は定格電流を１とした場合の比で示しており、電流位相角βは永久磁石４に対して逆磁界が最も大きくなる９０°としている。

図６のａ線は本実施形態における減磁率を、ｂ線はフラックスバリアを永久磁石の厚みよりも小さな厚み方向寸法とした比較例の減磁率を示しており、比較例では減磁電流１．３において減磁率０．５％であるのに対して、本実施形態では同電流において減磁率０．２％に低減している。

また、同図より本実施形態にあっては減磁率０．５％となる減磁電流は１．４であり、比較例に対して８％程度高い電流まで減磁耐力が向上している。即ち、本実施形態では減磁耐力向上分、定格電流を増加させてトルク性能を向上できる。

この結果、磁石減磁を回避するためにステータ電流を抑えてトルク・出力を制限したり、永久磁石が高温となって減磁し易くならないように連続出力時間を制限するなどの性能上の規制を受けることがない。また、モータ性能を維持するために永久磁石の厚みを増加したり高保磁力の磁石材料を使用する等、材料コストの増加を伴うことがなくコスト的に有利に得ることができる。

図７は本発明の第２実施形態におけるコア単板７を示すもので、本実施形態にあってはコア単板単位のフラックスバリアとして前記第１のフラックスバリア５Ａと、前記第２のフラックスバリア５Ｂとの２種類が混在したコア単板７の複数枚を積層して前述のロータ２を構成するようにしている。

図７に示す例では、コア単板７の１磁極分にのみ永久磁石４ａ、４ｂ、４ｃの各幅方向端部に対応した部分に第２のフラックスバリア５Ｂを形成し、他の７つの磁極に相当する部分には第１のフラックスバリア５Ａを形成して、その複数枚を順次回転方向に１ピッチ（機械角４５°）ずらして積層してロータ２を構成するようにしている。

これにより、図３に示す断面構造と同様なロータ積層構造が得られ、ロータ総体としてロータ軸方向で第１のフラックスバリア５Ａを主体としてその中に第２のフラックスバリア５Ｂが混在したフラックスバリア５を構成することができる。

このコア単板７は、１枚ずつ順次回転方向に１ピッチずらして積層する他、図８に示すようにコア単板７の所要枚数を同位相で積層したものを１ブロック７Ｃとし、その複数ブロックを順次回転方向に１ピッチずらして積層してロータ２を構成することもできる。

この第２実施形態によれば、前記第１実施形態と同様の作用効果が得られる他、１種類のコア単板７を積層してロータ２を構成することができ、コア単板７を成形するプレス設
備を複数種類必要とすることがないのでより一層コスト的に有利に得ることができる。

図９〜図１２に前記第２実施形態におけるコア単板７の変形例を示す。図９に示す例は、コア単板７の周方向に隣接する２つの磁極における各永久磁石４ａ、４ｂ、４ｃの各幅方向端部に対応した部分に第２のフラックスバリア５Ｂを形成し、他の６つの磁極に相当する部分では全て第１のフラックスバリア５Ａを形成して、その複数枚を順次回転方向に２磁極を１ピッチ（機械角９０°）として１ピッチずつずらして積層してロータ２を構成するようにしている。

図１０に示す例は、コア単板７の１磁極における外側磁石４ｃの幅方向端部に対応した部分と、この磁極と対向位置にある磁極のＶ字磁石４ａ、４ｂの各幅方向端部に対応した部分をそれぞれ第２のフラックスバリア５Ｂとし、その他のフラックスバリアを全て第１のフラックスバリア５Ａとしたものである。

この変形例のコア単板７もその複数枚を回転方向にピッチをずらして積層してロータ２を構成する。この変形例のコア単板７では、コア単板単位で第１のフラックスバリア５Ａと第２のフラックスバリア５Ｂとが周方向に隣接した配置となるので、第２のフラックスバリア５Ｂ同士が周方向に隣接するものに較べて上述の永久磁石４の着磁方向（厚み方向）に対する磁束の乱れがより一層軽減される。

図１１に示す例は、コア単板７の全ての磁極におけるＶ字磁石４ａ、４ｂの各幅方向端部に対応した部分を第２のフラックスバリア５Ｂとする一方、各外側磁石４ｃの幅方向端部に対応した部分を第１のフラックスバリア５Ａとしたものである。

これとは逆に図１２に示す例では、コア単板７の全ての磁極におけるＶ字磁石４ａ、４ｂの各幅方向端部に対応した部分を第１のフラックスバリア５Ａとする一方、各外側磁石４ｃの幅方向端部に対応した部分を第２のフラックスバリア５Ｂとしている。

これら図１１、図１２に示す変形例のコア単板７では、前記図１０に示した変形例と同様の作用効果が得られる。また、それらの積層形態としては、図１１、図１２のコア単板７と図４に示したコア単板７との積層の組み合わせ、積層枚数、積層順を任意に選択してロータ２を積層構成することができる。

前記実施形態では一磁極あたり３つの永久磁石４をΔ配置した構造例を示したが、これに限定されるものでなく、一磁極あたり２つの永久磁石４をＶ字状配置としたものや、一磁極あたり１つの永久磁石４をｄ軸と交差して配置した構造に適用することができる。

１…回転電機
２…ロータ
３…ステータ
４…永久磁石
５…フラックスバリア
５Ａ…第１のフラックスバリア
５Ｂ…第２のフラックスバリア
６…貫通孔
７…コア単板
７Ａ…第１のコア単板
７Ｂ…第２のコア単板
７Ｃ…コア単板の積層ブロック
８…段部

Claims (4)

1. 電磁鋼板からなる複数枚のコア単板を積層して構成したロータと、
   前記ロータの外周近傍に、軸方向に貫通して周方向に等ピッチで対をなして配置された複数の帯板状の第１永久磁石であって、幅方向において、端部がロータ外周面に向かうとともに、対をなすそれぞれにおける離間距離が径方向の内側から外側に向かって大きくなるように配置される第１永久磁石と、
   対をなす前記第１永久磁石の径方向外側の幅方向端部の間において、幅方向が前記ロータの周方向に沿って配置される第２永久磁石と、
   前記ロータの前記第１永久磁石を貫通配置した各貫通孔の幅方向両側に延設されて、該第１永久磁石の幅方向端部を臨設配置したフラックスバリアと、を備え、
   前記フラックスバリアは、前記第１永久磁石の厚みと同等以上の厚み方向寸法の第１のフラックスバリアと、前記第１永久磁石の厚みよりも小さな厚み方向寸法の第２のフラックスバリアとを有し、前記第１のフラックスバリアと前記第２のフラックスバリアとが前記コア単板の積層方向に混在して形成され、前記第２のフラックスバリアの延設基部に形成される幅方向一対の段部より前記第１永久磁石の幅方向端部を係止して、ロータ回転による前記第１永久磁石への遠心力による位置ずれを防止し、
   前記第１永久磁石の径方向外側の幅方向端部においては、前記段部が前記第２永久磁石に対して反対側に設けられる、ことを特徴とする回転電機のロータ構造。
2. 前記ロータを、コア単板単位のフラックスバリアとして前記第１のフラックスバリアのみを形成した第１のコア単板の複数枚と、コア単板単位のフラックスバリアとして前記第２のフラックスバリアのみを形成した第２のコア単板の少なくとも１枚とを積層して構成したことを特徴とする請求項１に記載の回転電機のロータ構造。
3. 前記ロータを、コア単板単位のフラックスバリアとして前記第１のフラックスバリアと前記第２のフラックスバリアとの２種類を混在して形成したコア単板の複数枚を積層して構成し、これらコア単板の積層方向で前記第１のフラックスバリアと前記第２のフラックスバリアとを混在させたことを特徴とする請求項１に記載の回転電機のロータ構造。
4. 前記フラックスバリアは、前記第２永久磁石の厚みと同等以上の厚み方向寸法の第３のフラックスバリアと、前記第２永久磁石の厚みよりも小さな厚み方向寸法の第４のフラックスバリアとを有し、前記第３のフラックスバリアと前記第４のフラックスバリアとが前記コア単板の積層方向に混在して形成され、前記第４のフラックスバリアの延設基部に形成される幅方向一対の段部より前記第２永久磁石の幅方向端部を係止して、ロータ回転による前記第２永久磁石への遠心力による位置ずれを防止し、
   前記コア単板のそれぞれは、前記第１のフラックスバリアと前記第４のフラックスバリアとが周方向に隣接する、または、前記第２のフラックスバリアと前記第３のフラックスバリアとが周方向に隣接する配置としたことを特徴とする請求項３に記載の回転電機のロータ構造。

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