JP7173480B2 - Permanent magnet rotors and rotating electrical machines - Google Patents
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Description
本発明は、永久磁石回転子および回転電気機械に関し、さらに詳しくは、ロータコアに永久磁石が埋め込まれた永久磁石回転子およびそのような永久磁石回転子を有する回転電気機械に関するものである。 The present invention relates to permanent magnet rotors and rotating electrical machines, and more particularly to permanent magnet rotors with permanent magnets embedded in the rotor core and rotating electrical machines having such permanent magnet rotors.
永久磁石埋め込み（ＩＰＭ）モータ等の回転電気機械に用いられる永久磁石回転子において、出力トルクを向上させること、また、トルクリプルやコギングトルクを低減することが求められる。そのために、ロータコアに永久磁石を埋設するためのスロットの配置や形状について、改良が試みられている。 2. Description of the Related Art Permanent magnet rotors used in rotary electric machines such as embedded permanent magnet (IPM) motors are required to improve output torque and reduce torque ripple and cogging torque. Therefore, attempts have been made to improve the arrangement and shape of the slots for embedding the permanent magnets in the rotor core.
例えば、特許文献１においては、複数層のスリット部（スロット）の大きさや、各層のスリット部に埋設される永久磁石の残留磁束密度を、所定の関係を満たすように規定するとともに、スリット部の一部に、永久磁石を埋設しない空スリット部を形成している。それらの構成により、回転電機に組み込まれた状態で固定子との間の隙間に形成される磁束密度分布が、正弦波に近い階段状の分布形状になり、トルクリプルやコギングトルクの低減に効果を有するとされている。
For example, in
永久磁石回転子において、永久磁石を埋設しない空スリットは、フラックスバリアとも称され、磁石の中心を通ってロータコアの内周側から外周側に向かうｄ軸に沿った磁束経路において、磁気抵抗を増加させることにより、永久磁石回転子のリラクタンストルクを向上させる働きをする。図７に示すように、特許文献１に開示されたものをはじめ、従来一般の永久磁石回転子１００においては、フラックスバリア１１７は、永久磁石１１６が埋設されるスリット１１３，１１４，１１５と同様に、ロータコア１１１の径方向中央部に向かって凸の円弧状に形成されている。特許文献１では、フラックスバリア１１７の長さＬ（円弧の周方向に沿った寸法）については、固定子との間の隙間に形成される磁束密度の正弦波化の観点から、各層に設けられたフラックスバリアの間で、関係性が規定さているが、フラックスバリア１１７の形状および寸法については、永久磁石１１６が埋設されたスリット１１３，１１４，１１５と同様の円弧形状のもの以外に検討されていない。
In a permanent magnet rotor, empty slits in which permanent magnets are not embedded are also called flux barriers, and increase magnetic resistance in the magnetic flux path along the d-axis from the inner circumference side to the outer circumference side of the rotor core through the center of the magnet. This works to improve the reluctance torque of the permanent magnet rotor. As shown in FIG. 7, in conventional general
しかし、フラックスバリア１１７の形状を工夫することで、永久磁石回転子１００が組み込まれた回転電気機械において、リラクタンストルクの向上を、さらに図ることができる可能性がある。リラクタンストルクの向上により、回転電気機械の出力トルクを向上させることができる。
However, by devising the shape of the
本発明が解決しようとする課題は、フラックスバリアの形状の検討により、大きなリラクタンストルクを与えることができる永久磁石回転子およびそのような永久磁石回転子を有する回転電気機械を提供することにある。 The problem to be solved by the present invention is to provide a permanent magnet rotor capable of giving a large reluctance torque and a rotary electric machine having such a permanent magnet rotor by examining the shape of the flux barrier.
上記課題を解決するために、本発明にかかる永久磁石回転子は、ロータコアと、前記ロータコアに埋設され、磁極を構成する永久磁石とを有する永久磁石回転子において、前記ロータコアは、前記永久磁石が埋設される複数のスロットを前記ロータコアの周方向に有するとともに、前記複数のスロットの間の位置に、前記永久磁石が埋設されない空隙として、フラックスバリアを有し、前記フラックスバリアは、前記ロータコアの内周側の端縁と外周側の端縁との間の距離が、前記スロットの該距離よりも大きい部位を有するものである。 In order to solve the above-described problems, a permanent magnet rotor according to the present invention is a permanent magnet rotor having a rotor core and permanent magnets embedded in the rotor core and forming magnetic poles. A plurality of embedded slots are provided in the circumferential direction of the rotor core, and flux barriers are provided between the plurality of slots as gaps in which the permanent magnets are not embedded, and the flux barriers are provided inside the rotor core. The distance between the edge on the peripheral side and the edge on the outer peripheral side has a portion larger than the distance of the slot.
ここで、相互に隣接する前記スロットと前記フラックスバリアの間には、前記ロータコアの外周側の部位と内周側の部位とをつなぐブリッジが、前記ロータコアと一体に形成されており、前記ロータコアの回転軸に直交する断面において、前記ブリッジは、前記スロットと前記フラックスバリアの隣接方向に沿った幅方向の寸法が最も小さくなった狭窄部を有するとともに、前記狭窄部から、前記幅方向に交差する方向に沿って両側に、前記幅方向の寸法が漸次広がった形状を有し、前記狭窄部の幅方向両側において、前記スロットおよび前記フラックスバリアの端縁が、直線形状、または、前記ブリッジの幅方向内側に向かって凸な曲線形状をとっているとよい。 Here, between the slots and the flux barriers adjacent to each other, a bridge connecting an outer peripheral portion and an inner peripheral portion of the rotor core is formed integrally with the rotor core. In a cross section perpendicular to the axis of rotation, the bridge has a constricted portion with the smallest dimension in the width direction along the adjacent direction of the slot and the flux barrier, and crosses the constricted portion in the width direction. Along the direction, the widthwise dimension gradually widens, and the edges of the slot and the flux barrier on both sides of the narrowed portion in the widthwise direction are linear or extend the width of the bridge. It is preferable that it has a curved shape that is convex toward the inside of the direction.
この場合、前記ブリッジに面した前記スロットの外周側の隅部であるスロット外隅部が、Ｒ形状を有するとともに、前記スロット外隅部のＲ形状に外接する遠心力の方向に沿った接線が、前記ブリッジを通って、前記フラックスバリアの端縁と交差する位置であるバリア内隅部が、Ｒ形状を有するとよい。 In this case, the slot outer corner, which is the corner on the outer peripheral side of the slot facing the bridge, has an R shape, and the tangent along the direction of the centrifugal force circumscribing the R shape of the slot outer corner is , an inner corner of the barrier that passes through the bridge and intersects the edge of the flux barrier may have an R shape.
前記バリア内隅部の前記Ｒ形状の曲率半径は、前記スロット外隅部の前記Ｒ形状の曲率半径よりも大きいとよい。 The radius of curvature of the R shape of the inner corner of the barrier is preferably larger than the radius of curvature of the R shape of the outer corner of the slot.
また、前記ブリッジを挟んで相互に対向する前記スロットの内周側の隅部であるスロット内隅部および前記フラックスバリアの外周側の隅部であるバリア外隅部にも、Ｒ形状が形成されており、前記Ｒ形状の曲率半径が、前記バリア内隅部および前記スロット外隅部において、前記スロット内隅部および前記バリア外隅部よりも大きいとよい。 In addition, an R shape is also formed in the inner corner of the slot, which is the corner on the inner peripheral side of the slot, and the outer barrier corner, which is the corner on the outer peripheral side of the flux barrier, which are opposed to each other with the bridge interposed therebetween. Preferably, the radius of curvature of the R shape is larger at the inner barrier corner and the outer slot corner than at the inner slot corner and the outer barrier corner.
そして、前記フラックスバリアにおいて、前記ロータコアの周方向の中途部に、前記フラックスバリアの外周側の部位と内周側の部位をつなぐブリッジが、前記ロータコアと一体に形成されているとよい。 In the flux barrier, it is preferable that a bridge connecting an outer peripheral portion and an inner peripheral portion of the flux barrier is formed integrally with the rotor core at a circumferentially intermediate portion of the rotor core.
本発明にかかる回転電気機械は、上記のような永久磁石回転子を有するものである。 A rotary electric machine according to the present invention has a permanent magnet rotor as described above.
上記発明にかかる永久磁石回転子においては、フラックスバリアに、ロータコアの内周側の端縁と外周側の端縁との間の距離（径方向寸法）が、スロットの径方向寸法よりも大きい部位が設けられている。フラックスバリアの径方向寸法が長い位置においては、ｄ軸磁束経路の磁気抵抗が大きくなる。その結果、特許文献１に開示されたもののように、フラックスバリアの径方向寸法が、スロットの径方向寸法と同じになった単純な円弧形状のフラックスバリアを用いる場合と比較して、大きなリラクタンストルクを与える永久磁石回転子となる。 In the permanent magnet rotor according to the above-described invention, the flux barrier has a portion in which the distance (radial dimension) between the inner peripheral edge and the outer peripheral edge of the rotor core is larger than the radial dimension of the slots. is provided. At a position where the radial dimension of the flux barrier is long, the magnetic resistance of the d-axis magnetic flux path increases. As a result, a large reluctance torque is obtained compared to the case of using a simple arc-shaped flux barrier in which the radial dimension of the flux barrier is the same as the radial dimension of the slot, as disclosed in US Pat. It becomes a permanent magnet rotor that gives
ここで、相互に隣接するスロットとフラックスバリアの間に、ロータコアの外周側の部位と内周側の部位とをつなぐブリッジが、ロータコアと一体に形成されており、ロータコアの回転軸に直交する断面において、ブリッジが、スロットとフラックスバリアの隣接方向に沿った幅方向の寸法が最も小さくなった狭窄部を有するとともに、狭窄部から、幅方向に交差する方向に沿って両側に、幅方向の寸法が漸次広がった形状を有し、狭窄部の幅方向両側において、スロットおよびフラックスバリアの端縁が、直線形状、または、ブリッジの幅方向内側に向かって凸な曲線形状をとっている場合には、ブリッジに、幅が狭くなった狭窄部が存在することで、永久磁石の磁束やｄ軸磁束、ｑ軸磁束など有効となる磁束の漏れを低減することができる。すると、モータに生じるマグネットトルクとリラクタンストルクが向上され、有効磁束の漏れによるトルク低下を抑制することで、高出力と安定な高速回転が両立可能な永久磁石回転子とすることができる。また、狭窄部の幅方向両側において、スロットおよびフラックスバリアの端縁が、直線形状、または、ブリッジの幅方向内側に向かって凸な曲線形状をとっていることにより、永久磁石回転子が回転した際に、狭窄部の幅方向両側の位置に、曲げ応力が集中するのを緩和できる。その結果、ブリッジに狭窄部を設けても、高速回転に耐えられる十分な機械的強度を、ブリッジにおいて確保することができる。 Here, between the slots and flux barriers adjacent to each other, a bridge connecting the outer peripheral side portion and the inner peripheral side portion of the rotor core is formed integrally with the rotor core. in which the bridge has a constriction with the smallest widthwise dimension along the adjacent direction of the slot and the flux barrier, and from the constriction on both sides along the direction intersecting the widthwise direction, the widthwise dimension has a shape that gradually expands, and on both sides of the constricted portion in the width direction, the edges of the slot and the flux barrier take a straight shape or a curved shape that is convex toward the inside in the width direction of the bridge. , the presence of narrowed portions in the bridge can reduce leakage of effective magnetic flux such as permanent magnet magnetic flux, d-axis magnetic flux, and q-axis magnetic flux. As a result, the magnet torque and reluctance torque generated in the motor are improved, and by suppressing torque reduction due to leakage of effective magnetic flux, a permanent magnet rotor capable of achieving both high output and stable high-speed rotation can be obtained. In addition, on both sides of the constricted portion in the width direction, the edges of the slots and the flux barriers are linear or convex inward in the width direction of the bridge, so that the permanent magnet rotor rotates. In this case, it is possible to alleviate the concentration of bending stress on both sides of the constricted portion in the width direction. As a result, even if the narrowed portion is provided in the bridge, sufficient mechanical strength to withstand high-speed rotation can be secured in the bridge.
この場合、ブリッジに面したスロットの外周側の隅部であるスロット外隅部が、Ｒ形状を有するとともに、スロット外隅部のＲ形状に外接する遠心力の方向に沿った接線が、ブリッジを通って、フラックスバリアの端縁と交差する位置であるバリア内隅部が、Ｒ形状を有する構成によれば、永久磁石回転子が回転した際に、ブリッジの対角に位置するスロット外隅部およびバリア内隅部に、曲げ応力が集中するのを、Ｒ形状の存在によって、緩和することができる。その結果、ブリッジの幅を狭くしても、高速回転に耐えられる十分な機械的強度を確保しやすくなる。 In this case, the slot outer corner, which is the corner on the outer peripheral side of the slot facing the bridge, has an R shape, and the tangent line along the direction of the centrifugal force circumscribing the R shape of the slot outer corner faces the bridge. According to the configuration in which the barrier inner corner, which passes through and intersects the edge of the flux barrier, has an R shape, when the permanent magnet rotor rotates, the slot outer corner located diagonally of the bridge And the concentration of bending stress on the inner corner of the barrier can be mitigated by the presence of the R shape. As a result, even if the width of the bridge is narrowed, it becomes easier to ensure sufficient mechanical strength to withstand high-speed rotation.
バリア内隅部のＲ形状の曲率半径が、スロット外隅部のＲ形状の曲率半径よりも大きい構成によれば、ブリッジにおいて、幅の狭い領域を形成しやすくなる。その結果、ブリッジでの有効な磁束の漏れを効果的に低減することができる。 According to the configuration in which the radius of curvature of the R shape of the inner corner of the barrier is larger than the radius of curvature of the R shape of the outer corner of the slot, it becomes easier to form a narrow region in the bridge. As a result, effective magnetic flux leakage in the bridge can be effectively reduced.
また、ブリッジを挟んで相互に対向するスロットの内周側の隅部であるスロット内隅部およびフラックスバリアの外周側の隅部であるバリア外隅部にも、Ｒ形状が形成されており、Ｒ形状の曲率半径が、バリア内隅部およびスロット外隅部において、スロット内隅部およびバリア外隅部よりも大きい場合には、ブリッジにおいて、幅の狭い領域を長く形成しやすい。その結果、ブリッジにおける磁束の漏れを効果的に低減することができる。 In addition, an R shape is also formed in the slot inner corner, which is the inner peripheral corner of the slot, and the barrier outer corner, which is the outer peripheral corner of the flux barrier, which face each other with the bridge interposed therebetween. When the radius of curvature of the R shape is larger at the inner barrier corner and the outer slot corner than at the inner slot corner and the outer barrier corner, it is easy to form a long narrow region in the bridge. As a result, magnetic flux leakage in the bridge can be effectively reduced.
そして、フラックスバリアにおいて、ロータコアの周方向の中途部に、フラックスバリアの外周側の部位と内周側の部位をつなぐブリッジが、ロータコアと一体に形成されている場合には、永久磁石回転子が回転した際に発生する遠心力が、スロットとフラックスバリアの間に設けたブリッジに集中せずに、フラックスバリアの中途部に設けたブリッジにも、引張応力として分散されるようになる。その結果、各ブリッジの幅を狭く形成しながら、永久磁石回転子の高速回転に一層対応しやすくなる。 In the flux barrier, when a bridge connecting the outer peripheral side portion and the inner peripheral side portion of the flux barrier is formed integrally with the rotor core in the middle of the rotor core in the circumferential direction, the permanent magnet rotor is formed. The centrifugal force generated during rotation is not concentrated on the bridge provided between the slot and the flux barrier, but is distributed as tensile stress to the bridge provided in the middle of the flux barrier. As a result, it becomes easier to cope with high-speed rotation of the permanent magnet rotor while narrowing the width of each bridge.
本発明にかかる回転電気機械は、上記の永久磁石回転子を有しており、永久磁石回転子に設けられたフラックスバリアに、径方向寸法が大きくなった部位が設けられていることの効果により、大きなリラクタンストルクを発生するものとなる。 A rotary electric machine according to the present invention has the above-described permanent magnet rotor, and the flux barrier provided in the permanent magnet rotor is provided with a portion having a larger radial dimension. , generates a large reluctance torque.
以下、本発明の実施形態にかかる永久磁石回転子および回転電気機械について、図面を参照しながら詳細に説明する。 A permanent magnet rotor and a rotary electric machine according to embodiments of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings.
［１］第一の実施形態
まず、本発明の第一の実施形態にかかる永久磁石回転子および回転電気機械について、詳細に説明する。
[1] First Embodiment First, a permanent magnet rotor and a rotating electric machine according to a first embodiment of the present invention will be described in detail.
［回転電気機械の構成］
本発明の第一の実施形態にかかる回転電気機械の概略を、図１に示す。回転電気機械１は、本発明の第一の実施形態にかかる永久磁石回転子１０を有している。本明細書においては、回転電気機械１がモータである場合を中心に説明するが、発電機である場合にも、同様の構成を適用することができる。
[Configuration of Rotating Electric Machine]
A schematic of a rotating electric machine according to a first embodiment of the present invention is shown in FIG. The rotary
回転電気機械１は、永久磁石埋め込み（ＩＰＭ）モータとして構成されている。モータ１は、中空筒状のステータ（固定子）３０と、ステータ３０の中空部内に、同軸状に、軸回転可能に支持されたロータ（永久磁石回転子）１０と、を有している。
The rotating
ステータ３０は、ステータコア３１とコイル（図略）とを有している。ステータコア３１は、複数層の電磁鋼板を積層してなるものであり、円環形状のバックヨーク部３１ａとバックヨーク部３１ａから円環形状の内側に向かって突出した複数のティース３１ｂを一体に備えている。そして、各ティース３１ｂの外周に、コイルが巻き回されている。
The
ロータ１０は、略円柱状の外形を有するロータコア１１と、ロータコア１１に埋設された複数の永久磁石１６とを有している。ロータコア１１の中心には、駆動軸４０を挿通可能な中空部１２が貫通されている。ロータ１０をステータ３０の中空部１２に同軸状に収容した状態で、ステータコア３１のティース３１ｂとロータコア１１の外周面の間には、空隙が確保される。ロータ１０の構成の詳細について、次に説明する。
The
［永久磁石回転子の構成］
上記のように、ロータ（永久磁石回転子）１０は、ロータコア１１と、永久磁石１６とを有している。ロータ１０の構成を、図１～３に示す。図２は、ロータ１０の磁極１つ分を示したものであり、永久磁石１６の極性を交互に変えながら、複数（ここでは８個）の磁極を回転対称に連続的に配置したものが、図１のようなロータ１０の全体構造となる。なお、以下では、「周方向」「内周」「外周」「径方向」等、回転体における方向を示す語は、特記しないかぎり、ロータコア１１についての方向を指すものとする。
[Configuration of Permanent Magnet Rotor]
As described above, the rotor (permanent magnet rotor) 10 has the
ロータコア１１は、複数層の電磁鋼板を積層して構成されており、略円柱形状の外形を有している。ロータコア１１には、軸方向に貫通または陥没した空隙として、スロット１３，１４，１５とフラックスバリア１７とが形成される。スロット１３，１４，１５には、永久磁石１６を埋設することができる。フラックスバリア１７は、永久磁石１６を埋設されず、空隙のままで維持される。あるいは、フラックスバリア１７の中に、非磁性体が充填されてもよい。
The
スロット１３，１４，１５は、ロータコア１１の回転中心側に向かって凸な形状を有している。スロット１３，１４，１５の具体的な形状は特に限定されるものではないが、ここでは、それぞれが、略円弧形状を有している。つまり、ロータコア１１の内周側に位置する内周側端縁（１３ｂ等）と、ロータコア１１の外周側に位置する外周側端縁（１３ａ等）が、それぞれ、ロータコア１１の内側に向かって凸な円弧として形成されている。そして、それら内周側端縁（１３ｂ等）と外周側端縁（１３ａ等）の間が、径方向端縁（１３ｃ等）によってつながれている。
スロット１３，１４，１５の層数は特に限定されるものではないが、本実施形態においては、リラクタンストルク向上等の観点から、永久磁石１６を埋設できるスロット１３，１４，１５を多層に設けている。つまり、ロータコア１１の径方向に沿って、複数層（ここでは３層）のスロット１３，１４，１５を、相互に離間させて配置している。各スロット１３，１４，１５には、同極性の永久磁石１６が埋設されている。永久磁石１６としては、金属磁石を用いることが好ましい。なお、本実施形態においては、３層全てのスロット１３，１４，１５に永久磁石１６を埋設しているが、永久磁石回転子１０の質量の低減等を目的として、一部のスロット、例えば最外層のスロット１５に、永久磁石１６を埋設しない形態としてもよい。
Although the number of layers of the
最内層、中間層、最外層の各層を構成するスロット１３，１４，１５は、ロータコア１１の周方向に、それぞれ２つに分割されている。中間層および最外層においては、それぞれ２つに分割されたスロット１４，１５が、ブリッジ１８を介して、ロータコア１１の周方向に隣接している。一方、最内層においては、２つに分割されてロータコア１１の周方向に隣り合ったスロット１３の間の位置に、フラックスバリア１７が形成されている。本実施形態においては、各層のスロット１３，１４，１５およびフラックスバリア１７をはじめ、ロータ１０の各構成要素が、ロータコア１１の径方向に沿った回転子ｄ軸（図中ｄ’にて表示）に対して、対称に形成されている。
The
ロータコア１１においては、各スロット１３，１４，１５および各フラックスバリア１７の内周側の部位と外周側の部位との間をつなぐブリッジ１８，１９，２０が、ロータコア１１と一体に形成されている。各ブリッジ１８，１９，２０は、ロータ１０を軸回転させた際に、遠心力の作用によって、ロータコア１１の外周側の部位が内周側の部位から分離すること、またスロット１３，１４，１５に埋設した永久磁石１６が飛散することを防止する役割を果たす。
In
本実施形態においては、フラックスバリア１７の形状および最内層のスロット１３とフラックスバリア１７の間に形成されるブリッジ２０の形状の効果によって、ロータ１０の高出力化と、高速での安定回転を達成する。以下に、それらの形状について、主に図３を参照しながら、詳細に説明する。
In this embodiment, due to the effect of the shape of the
（１）フラックスバリアの径方向長さ
本実施形態においては、フラックスバリア１７と、フラックスバリア１７に隣接するスロット（ここでは最内層のスロット）１３の間で、径方向長さが、所定の関係をなしている。ここで、フラックスバリア１７およびスロット１３の径方向長さとは、ロータコア１１の周方向に交差する方向の長さ寸法、つまり、それぞれの内周側端縁１７ｂ／１３ｂと外周側端縁１７ａ／１３ａとの間の距離を指す。
(1) Radial Length of Flux Barrier In the present embodiment, the radial length between the
スロット１３は、略円弧形状に形成されており、径方向長さｌｍが、円弧形状の長手方向に沿って略均一となっている。これに対し、フラックスバリア１７の径方向長さＬｍは、スロット１３に対向する径方向端縁１７ｃ近傍の位置（回転子ｄ軸から離れた位置）では、スロット１３の径方向長さｌｍと略等しくなっているものの、スロット１３から離れた位置（回転子ｄ軸に近づく位置）では、スロット１３の径方向長さｌｍよりも大きくなっている。
The
フラックスバリア１７においては、外周側端縁１７ａは、ロータコア１１の内周側に向かって凸な略円弧形状をとっており、隣接するスロット１３の外周側端縁１３ａを外挿したものに相当する形状と位置を有している。しかし、フラックスバリア１７の内周側端縁１７ｂは、スロット１３に対向する径方向端縁１７ｃの位置から、周方向に沿って離れるに従って（回転子ｄ軸側に向かうに従って）、外周側端縁１７ａから離れて、ロータコア１１の内周側に向かって延びている。これにより、フラックスバリア１７の径方向長さＬｍが、スロット１３から離れた位置で（回転子ｄ軸側に向かう位置で）、スロット１３の径方向長さｌｍよりも大きくなっている。
In the
ロータコア１１にフラックスバリア１７を設けておくことで、ロータ１０において、ｄ軸磁束経路の磁気抵抗が増大する。すると、ｑ軸磁束経路との間で、磁気抵抗の差が大きくなり、モータ１のリラクタンストルクを向上させることができる。ｄ軸磁束経路に沿ったフラックスバリア１７の寸法が大きいほど、このような効果は大きくなる。よって、上記のように、フラックスバリア１７に、径方向長さＬｍがスロット１３の径方向長さｌｍよりも大きくなった部位を設けておくことで、図７に示す従来一般のロータ１００のように、フラックスバリア１１７が、スロット１１３と同じ均一な径方向長さを有する場合よりも、ロータ１０に生じるリラクタンストルクを大きくすることができる。
By providing the
リラクタンストルク向上の効果は、フラックスバリア１７の径方向長さＬｍを大きくするほど高くなる。十分にリラクタンストルクを向上させる観点から、フラックスバリア１７の径方向長さＬｍの最大値は、スロット１３の径方向長さｌｍの１．５倍以上とすることが好ましい。一方、フラックスバリア１７の径方向長さＬｍを大きくしすぎても、リラクタンストルク向上の効果が飽和するうえ、ロータコア１１の機械的強度が低下する可能性があるので、最大値を、スロット１３の径方向長さｌｍの５．０倍以下に抑えておくことが好ましい。
The effect of improving the reluctance torque increases as the radial length Lm of the
上記のように、フラックスバリア１７に、径方向長さＬｍの大きい部分を設けることで、ロータ１０に生じるリラクタンストルクを向上させる効果が得られるが、スロット１３と対向する径方向端縁１７ｃ近傍の位置においては、ブリッジ２０における機械強度の低下を防ぐ観点から、径方向長さＬｍを、スロット１３の径方向長さｌｍと同程度に留めておく方がよい。
As described above, by providing the
フラックスバリア１７を設ける層は特に限定されるものではないが、本実施形態のように、フラックスバリア１７を最内層のスロット１３に隣接させて設けることで、ロータ１０に生じるリラクタンストルクを効果的に向上させることができ、またロータ１０とステータ３０の間の空隙における磁束密度波形の正弦波化の達成が容易となる。また、他層のスロット１４，１５等との間の干渉を避けながら、フラックスバリア１７に径方向長さＬｍが大きい部分を形成しやすい。ただし、必要に応じて、最内層以外のスロット１４，１５の間の位置にも、径方向長さＬｍが大きくなった部位を有する上記のようなフラックスバリア１７を設けるように構成してもよい。さらに、フラックスバリア１７の具体的な形状も、特に限定されるものではないが、本実施形態のように、フラックスバリア１７の外周側端縁１７ａではなく、内周側端縁１７ｂを、他方の端縁から離れさせることで、径方向長さＬｍを広げるように構成すれば、最内層のスロット１３よりも内周側のスロットが形成されていないロータコア１１の面を利用して、径方向長さＬｍを大きく確保しやすい。
The layer on which the
（２）ブリッジの形状
上記のように、ロータコア１１には、各スロット１３，１４，１５およびフラックスバリア１７の内周側の部位と外周側の部位との間をつなぐブリッジ１８，１９，２０が形成されている。これらのうち、最内層のスロット１３とフラックスバリア１７との間の位置に設けられたブリッジ２０に着目する。このブリッジ２０の形状は、ブリッジ２０を挟んで相互に対向するスロット１３とフラックスバリア１７の端縁の形状によって規定される。
(2) Bridge Shape As described above, the
スロット１３においては、ブリッジ２０に面する２つの隅部１３ｄ，１３ｅのうち、ロータコア１１の外周側に位置するスロット外隅部１３ｅが、Ｒ形状を有している。つまり、ロータ１０の横断面において、スロット外隅部１３ｅが、スロット１３の外周側端縁１３ａの外挿線および径方向端縁１３ｃの外挿線よりもスロット１３の内側を通る、スロット１３の外に向かって凸な曲線として構成され、外周側端縁１３ａおよび径方向端縁１３ｃと滑らかに接合されている。
In the
一方、フラックスバリア１７においては、ブリッジ２０に面する二つの隅部１７ｄ，１７ｅのうち、ロータコア１１の内周側に位置するバリア内隅部１７ｄが、Ｒ形状を有している。つまり、ロータ１０の横断面において、バリア内隅部１７ｄが、フラックスバリア１７の内周側端縁１７ｂの外挿線および径方向端縁１７ｃの外挿線よりもフラックスバリア１７の内側を通る、フラックスバリア１７の外に向かって凸な曲線として構成され、内周側端縁１７ｂおよび径方向端縁１７ｃと滑らかに接合されている。なお、図示した形態では、バリア内隅部１７ｄのＲ形状の曲率半径が大きいうえ、フラックスバリア１７の径方向長さＬｍも大きくなっているため、バリア内隅部１７ｄと内周側端縁１７ｂの間の区別が必ずしも明確ではないが、そのように、内周側端縁１７ｂが滑らかなＲ形状で径方向端縁１７ｃにつながる形態も含むものとする。スロット外隅部１３ｅのＲ形状に外接する遠心力の方向に沿った接線として規定される対角線ｂが、ブリッジ２０を通って、フラックスバリア１７の端縁と交差する位置を含む曲線部を、バリア内隅部１７ｄとし、そのバリア内隅部１７ｄが、Ｒ形状を有していればよい。
On the other hand, in the
本実施形態においては、スロット外隅部１３ｅとバリア内隅部１７ｄのＲ形状を比較すると、バリア内隅部１７ｄの曲率半径が、スロット外隅部１３ｅの曲率半径よりも大きくなっている。つまり、バリア内隅部１７ｄの方が、スロット外隅部１３ｅより緩やかに曲がったＲ形状を有している。
In this embodiment, comparing the rounded shapes of the slot
ブリッジ２０に面するスロット外隅部１３ｅとバリア内隅部１７ｄ以外の隅部、つまり、スロット１３の内周側に位置するスロット内隅部１３ｄ、およびフラックスバリア１７の外周側に位置するバリア外隅部１７ｅは、Ｒ形状を有していても、Ｒ形状を有さず、角形状に形成されていてもよい。図示した形態では、スロット内隅部１３ｄおよびバリア外隅部１７ｅもＲ形状を有しているが、それらの曲率半径よりも、スロット外隅部１３ｅおよびバリア内隅部１７ｄの曲率半径が大きくなっており、スロット内隅部１３ｄおよびバリア外隅部１７ｅの方が、角形状に近い形状をとっている。図示した形態では、曲率半径の関係は、次のようになっている。
（バリア内隅部１７ｄ）＞（スロット外隅部１３ｅ）＞（バリア外隅部１７ｅ）≒（スロット内隅部１３ｄ）
Corners other than the slot
(barrier
本実施形態にかかるロータ１０においては、ブリッジ２０の形状を規定するスロット１３およびフラックスバリア１７の端縁において、上記のように、バリア内隅部１７ｄおよびスロット外隅部１３ｅ、さらにはバリア外隅部１７ｅおよびスロット内隅部１３ｄに、Ｒ形状が形成されていることにより、ブリッジ２０の幅ｗ、つまりスロット１３とフラックスバリア１７の隣接方向に沿った方向のブリッジ２０の寸法が、長手方向ａ（幅方向に交差し、ブリッジ２０の内周側と外周側を結ぶ方向）に沿って、変化している。つまり、ブリッジ２０の長手方向ａに沿った中途部に、幅ｗの最も狭くなった狭窄部２０ａを有している。狭窄部２０ａは、長手方向ａに沿って、ブリッジ２０の一部の長さ領域を占めているが、その狭窄部２０ａから、長手方向ａに沿って両側、つまり外周側および内周側の両側に向かって、ブリッジ２０の幅ｗが、漸次広がっている。
In the
このように、ブリッジ２０に、幅ｗが狭くなった狭窄部２０ａを設けておくことで、ブリッジ２０において、有効となる磁束の漏れ、つまり永久磁石１６の磁束およびｄ軸磁束、またｑ軸磁束に相当するコイルからの磁束のロータコア１１内での短絡を、抑制することができる。ブリッジ２０における有効な磁束の漏れを低減することで、ロータ１０が組み込まれたモータ１のマグネットトルクおよびリラクタンストルクを高めることができる。その結果、モータ１において、安定した高速回転と高出力化を両立することができる。
Thus, by providing the
ブリッジ２０において、長手方向ａに沿って、幅ｗの狭い狭窄部２０ａが存在していれば、ブリッジ２０を通る磁束量が、その狭窄部２０ａの幅ｗによって規定されるため、狭窄部２０ａよりも幅ｗの広い部位がブリッジ２０に存在していても、ブリッジ２０全体における磁束の漏れを抑制することができる。特に、長手方向ａの両側の部位から、狭窄部２０ａに向かって、ブリッジｗの幅が急激に小さくなっていることで、ブリッジ２０全体が狭い幅を有する場合よりもさらに、磁束の漏れを、効果的に低減することができる。従って、ブリッジ２０が、狭窄部２０ａから長手方向両側に幅ｗが広がった形状を有していることで、狭窄部２０ａの存在による漏れ磁束の低減と、幅ｗが広がった部分における機械的強度の確保とを、両立することができる。図７に示すような従来一般のロータ１００においては、ブリッジ１２０は、長手方向ａに沿って、略均一な幅ｗを有しており、ブリッジ１２０の機械的強度を確保する観点から、ブリッジ１２０の幅ｗを大きくすると（図９参照）、ブリッジ１２０における漏れ磁束が大きくなってしまう。
In the
ロータ１０が高速で回転され、遠心力が発生すると、ブリッジ２０の長手方向ａがロータコア１１の径方向に対して角度を有しているため、ブリッジ１２０に曲げ応力が印加される。ブリッジ２０に、狭窄部２０ａが設けられていると、その幅ｗの狭さのため、ブリッジ２０の具体的な形状によっては、狭窄部２０ａの幅方向両側の部位に、曲げ応力が集中しやすくなる場合がある。例えば、スロット１３の径方向端縁１３ｃおよびフラックスバリア１７の径方向端縁１７ｃが、狭窄部２０ａの幅方向両端の位置に、ブリッジ２０の内側に向かって凸な角形状を有していると、その角形状の部分に、応力が集中しやすくなる。ブリッジ２０の特定の箇所に曲げ応力が集中することで、その箇所における機械的強度が低下しやすくなる。すると、ロータ１０を高速で回転させることが難しくなる。
When the
しかし、本実施形態では、図３に示すように、スロット１３の径方向端縁１３ｃおよびフラックスバリア１７の径方向端縁１７ｃが、狭窄部２０ａの幅方向両側の位置において、角のない直線形状を有している。そのため、ロータ１０を高速回転させても、狭窄部２０ａの幅方向両側の位置に、応力が集中しにくい。よって、ブリッジ２０に狭窄部２０ａを設けても、高速回転に耐えられる十分な機械的強度を確保しやすくなっている。
However, in the present embodiment, as shown in FIG. 3, the
さらに、本実施形態にかかるロータ１０においては、ブリッジ２０の形状の効果により、ブリッジ２０の狭窄部２０ａのみならず、対角部においても、高速回転時の応力の集中を緩和することができる。図７に示すような従来一般のロータ１００においては、ブリッジ１２０に面する４つの隅部１１３ｄ，１１３ｅ，１１７ｄ，１１７ｅのいずれにおいても、ロータコア１１１にスロット１１３およびフラックスバリア１１７を設ける際に、製造上要求される程度の曲率半径の小さなＲ形状しか形成されていない。後の実施例にも示すように、ロータ１００を高速回転させた際に、曲げ応力は、ブリッジ１２０において対角線ｂをなして相互に対向するスロット外隅部１１３ｅとバリア内隅部１１７ｄに、集中して印加される。スロット外隅部１１３ｅとバリア内隅部１１７ｄを結ぶ対角線ｂの方向が、遠心力が印加される方向であるロータコア１１１の径方向に近いからである。
Furthermore, in the
しかし、本実施形態にかかるロータ１０においては、ブリッジ２０を挟んで、対角線ｂをなして相互に対向するスロット外隅部１３ｅとバリア内隅部１７ｄに、それぞれ、Ｒ形状が形成されている。そのため、ロータ１０が高速で回転され、ロータコア１１の径方向に遠心力が印加されても、遠心力によってロータコア１１に発生する応力が、後の実施例に示すように、スロット外隅部１３ｅとバリア内隅部１７ｄの狭い領域に局所的に集中せずに、ブリッジ２０内の広い領域に分散されるようになる。
However, in the
このように、スロット外隅部１３ｅとバリア内隅部１７ｄにＲ形状を設け、ブリッジ２０の特定の箇所に曲げ応力を集中させないようにすることで、ブリッジ２０において、高速回転に耐えられる機械的強度を確保しやすくなる。機械的強度の確保のために、ブリッジ２０の幅ｗを過度に大きくすることも必要でなくなる。ブリッジ２０の幅ｗを狭くしておくこと、特に、局所的に幅ｗの狭くなった狭窄部２０ａを設けておくことで、ブリッジ２０における有効となる磁束の漏れ、つまり永久磁石１６の磁束およびコイルからの磁束の漏れを抑制し、磁束の漏れによるトルク低下を抑えて、ロータ１０が組み込まれたモータ１のマグネットトルクおよびリラクタンストルクを高めることができる。その結果、モータ１において、安定した高速回転と高出力化を両立することができる。スロット外隅部１３ｅとバリア内隅部１７ｄにＲ形状を設けることは、ブリッジ２０への狭窄部２０ａの形成と、対角部への曲げ応力の集中の緩和の両方に効果を有し、安定した高速回転と高出力化の両立に資するものである。
In this way, by providing the slot
それらの効果を十分に得る観点から、スロット外隅部１３ｅとバリア内隅部１７ｄのＲ形状の曲率半径は、スロット１３の径方向長さｌｍの２５％以上とすることが好ましい。一方、それら隅部１３ｅ，１７ｄのＲ形状の曲率半径を大きくしすぎても、ブリッジ２０の幅方向両側で応力集中が起きやすくなるため、スロット１３の径方向長さｌｍの５倍以下とすることが好ましい。また、スロット外隅部１３ｅおよびバリア内隅部１７ｄのＲ形状の接線の方向が、遠心力が作用するロータコア１１の径方向に近い方が、応力を分散させる効果に優れ、例えば、それら接線の方向が、ロータコア１１の径方向に対して、±１８０°／［極数］程度の範囲に収まるようにすることが好ましい。なお、本実施形態においては、極数は８である。
From the viewpoint of sufficiently obtaining these effects, it is preferable that the radius of curvature of the R-shape of the slot
さらに、本実施形態においては、上記のように、バリア内隅部１７ｄのＲ形状の曲率半径が、スロット外隅部１３ｅのＲ形状の曲率半径よりも大きくなっている。フラックスバリア１７は、径方向長さＬｍがスロット１３の径方向長さｌｍよりも大きくなった部位を有しており、このような状況で、バリア内隅部１７ｄのＲ形状の曲率半径を大きくすることにより、ブリッジ２０において、幅ｗが狭い領域を長手方向ａに沿って長く設けながら、曲げ応力の集中の緩和を効果的に達成することができる。
Furthermore, in the present embodiment, as described above, the radius of curvature of the R shape of the barrier
もし、フラックスバリア１７の径方向長さＬｍが、スロット１３の径方向長さｌｍと同程度であり、バリア内隅部１７ｄのＲ形状の曲率半径がスロット外隅部１３ｅと同程度に小さいとすれば、図３中に点線ｓで示すように、径方向端縁１７ｃに対して、バリア内隅部１７ｄの外縁が大きく内側を通るようになる（矢印ｓ１で表示）。これに対し、バリア内隅部１７ｄのＲ形状の曲率半径を実線で示すように大きくとることで、バリア内隅部１７ｄの外縁が、径方向端縁１７ｃに近接した位置を通る領域が長くなるので、ブリッジ２０の幅ｗが狭い領域が、長手方向ａに沿って長く続く。すると、ブリッジ２０における、永久磁石１６の磁束等、有効磁束の漏れを、低減することができる。このようなブリッジ２０の幅ｗの狭さによる磁束漏れの低減と、Ｒ形状の曲率半径の大きさによるバリア内隅部１７ｄへの曲げ応力の集中の効果的な緩和とが、両立される。
If the radial length Lm of the
上記効果を十分に得る観点から、バリア内隅部１７ｄのＲ形状の曲率半径は、スロット外隅部１３ｅのＲ形状の曲率半径の２倍以上であることが好ましい。一方、上記の効果が飽和することや、バリア内隅部１７ｄの曲率半径が大きくなりすぎて、かえってブリッジ２０への応力集中を招くことを避ける観点から、バリア内隅部１７ｄのＲ形状の曲率半径は、スロット外隅部１３ｅのＲ形状の曲率半径の２５倍以下に抑えておくことが好ましい。
From the viewpoint of sufficiently obtaining the above effect, it is preferable that the radius of curvature of the R shape of the barrier
本実施形態においては、上記のように、スロット外隅部１３ｅおよびバリア内隅部１７ｄだけでなく、スロット内隅部１３ｄおよびバリア外隅部１７ｅにも、Ｒ形状が設けられているが、その曲率半径は、スロット外隅部１３ｅおよびバリア内隅部１７ｄのＲ形状の曲率半径よりも小さくなっている。ロータコア１１の径方向に近い方向に向いた対角線ｂ上に位置するスロット外隅部１３ｅおよびバリア内隅部１７ｄには、その配置に起因して、ロータ１０の回転によって生じる曲げ応力が集中しやすいため、これらの隅部１３ｅ，１７ｄにＲ形状を形成することが、応力集中の緩和に効果的であるが、スロット内隅部１３ｄおよびバリア外隅部１７ｅは、そもそも応力が集中しにくい配置にあるため、同様の目的でＲ形状を形成することは必要でない。むしろ、スロット内隅部１３ｄおよびバリア外隅部１７ｅについては、Ｒ形状を設ける場合でも、その曲率半径を小さくしておいた方が、それらの隅部１３ｄ，１７ｅの外縁がスロット１３およびフラックスバリア１７の内側に向かって退避する量が小さくなるので、ブリッジ２０の幅ｗを、長手方向ａの全域にわたって、小さく抑えることができる。すると、ブリッジ２０における磁束漏れを低減しやすくなる。スロット内隅部１３ｄおよびバリア外隅部１７ｅのＲ形状の曲率半径は、スロット外隅部１３ｅのＲ形状の曲率半径の７５％以下であることが好ましい。スロット内隅部１３ｄおよびバリア外隅部１７ｅは、Ｒ形状を有さない角形状としてもよい。
In this embodiment, as described above, not only the slot
以上のように、ロータ１０のスロット１３とフラックスバリア１７の間に設けられたブリッジ２０において、幅ｗの狭くなった狭窄部２０ａを設けておくことで、永久磁石１６の磁束等、有効となる磁束のブリッジ２０における漏れを低減し、モータ１のマグネットトルクおよびリラクタンストルクを大きくすることができる。スロット外隅部１３ｅおよびバリア内隅部１７ｄにＲ形状を形成することで、狭窄部２０ａを簡便に形成することができるとともに、それらスロット外隅部１３ｅおよびバリア内隅部１７ｄにおいて、配置に起因して起こりやすい高速回転時の応力集中を緩和し、モータ１の回転速度を高速側へ拡大することが可能となる。そして、Ｒ形状の曲率半径を、バリア内隅部１７ｄで特に大きくすること、さらにはスロット内隅部１３ｄおよびバリア外隅部１７ｅで小さくすることにより、狭窄部２０ａの形成の効果と併せて、ブリッジ２０における永久磁石１６の磁束等、有効磁束の漏れを低減し、モータ１のマグネットトルクおよびリラクタンストルクの向上に寄与することができる。その結果、フラックスバリア１７に、径方向長さＬｍがスロット１３の径方向長さｌｍよりも大きい部位を設けることにより、リラクタンストルクを向上させることの効果と合わせて、モータ１の出力トルクを向上させることができる。このように、フラックスバリア１７およびブリッジ２０の形状の効果により、モータ１の高速回転の安定化と高出力化を同時に達成することができる。
As described above, in the
（３）フラックスバリア中途部へのブリッジの配置
さらに、本実施形態にかかるロータ１０においては、周方向に沿って、フラックスバリア１７の中途部に、ブリッジ２１が形成されている。ブリッジ２１は、フラックスバリア１７の外周側の部位と内周側の部位をつないで、ロータコア１１と一体に形成されている。フラックスバリア１７は、このブリッジ２１によって周方向に２分割されている。図示した形態では、ブリッジ２１は、フラックスバリア１７の周方向中央の位置に、回転子ｄ軸に沿って設けられている。
(3) Arrangement of Bridge in Flux Barrier Midway Portion Further, in the
フラックスバリア１７の中途部にブリッジ２１を設けることで、ロータコア１１の機械的強度を高めることができる。特に、ロータ１０を高速で回転させた際に、ロータコア１１の各部に印加される曲げ応力を低減するのに効果を有する。
By providing the
フラックスバリア１７は、周方向に２分割された最内層のスロット１３の間の位置に設けられており、フラックスバリア１７の周方向中途部に内周側と外周側をつないで設けられたブリッジ２１は、フラックスバリア１７とスロット１３の間に設けられたブリッジ２０よりも、ロータコア１１の径方向に近い方向に長手方向が延びることになる。すると、ロータ１０の回転時に遠心力によって印加される応力として、フラックスバリア１７とスロット１３の間のブリッジ２０においては、曲げ応力の成分、つまりロータコア１１の周方向に沿った成分が大きいのに対して、フラックスバリア１７の中途部に設けられたブリッジ２１においては、引張応力の成分、つまりロータコア１１の径方向に沿った成分が大きくなる。図示した形態のように、フラックスバリア１７の周方向中央の位置にブリッジ２１を設ける場合には、ブリッジ２１の方向がロータコア１１の径方向（回転子ｄ軸）に一致するため、応力として、ほぼ引張応力のみが印加される状態となる。ロータコア１１において、ブリッジ１８～２１のように幅の狭い部位に曲げ応力が印加されると、材料の機械的強度の低下や変形につながりやすいが、引張応力であれば、幅の狭い部位に印加されても、それらの事態が起こりにくい。
The
よって、フラックスバリア１７の中途部にブリッジ２１を設けておき、ロータ１０の回転時に遠心力によってロータコア１１に印加される応力の一部を、そのブリッジ２１に印加される引張応力として分布させることで、スロット１３とフラックスバリア１７の間のブリッジ２０をはじめ、幅が狭く、機械的強度が低くなりやすい部位に印加される応力、特に曲げ応力を分散させることができる。その結果、ロータコア１１全体として、高速での回転に耐えられる機械的強度を確保しやすくなる。フラックスバリア１７の周方向中途部にブリッジ２１を設けずに、スロット１３とフラックスバリア１７の間のブリッジ２０を幅広に形成する場合と比較して、両ブリッジ２０，２１の合計の幅を狭くしても、同等の機械的強度を確保することができる。
Therefore, by providing a
図示した形態では、ブリッジ２１は、フラックスバリア１７の周方向中央部に１本のみ設けているが、特に、応力分散の効果を高めたい場合等には、１つのフラックスバリア１７内に、複数のブリッジ２１を設けるように構成してもよい。逆に、応力分散の必要性が低い場合等には、フラックスバリア１７の周方向中途部にブリッジ２１を設けない形態としてもよい。この場合には、図４に変形形態にかかるロータ１０’として示すように、周方向に連続した１つのフラックスバリア１７’が、回転子ｄ軸を挟んで対称に設けられる。そして、径方向長さＬｍの長い部位が、回転子ｄ軸を横切って周方向に連続することになる。
In the illustrated embodiment, only one
図３に示した形態では、ブリッジ２１に面する両側のフラックスバリア１７の隅部１７ｆ，１７ｇにも、Ｒ形状を設けている。これにより、ブリッジ２１の幅の狭さと、これら隅部１７ｆ，１７ｇへの応力集中によるブリッジ２１の破断の回避を、両立しやすくなる。また、ロータ１０の製造における鋼板の加工工程において、現状想定できる加工機で、容易にブリッジ２１の加工を行えるようになる。
In the form shown in FIG. 3, the
［２］第二の実施形態
スロットとフラックスバリアの間のブリッジとしては、スロットとフラックスバリアの隣接方向に沿った幅方向の寸法が最も小さくなった狭窄部を有するとともに、狭窄部から、幅方向に交差する方向に沿って両側に、幅方向の寸法が漸次広がった形状を有し、さらに、その狭窄部の幅方向両側において、スロットおよびフラックスバリアの端縁が、直線形状、または、ブリッジの幅方向内側に向かって凸な曲線形状していれば、上記第一の実施形態に示した具体形状を有するブリッジに限らず、ブリッジでの有効となる磁束の漏れを低減するとともに、ブリッジの狭窄部の幅方向両側での応力の集中を緩和することができる。以下、本発明の第二の実施形態および第三の実施形態にかかる永久磁石回転子１０Ａ，１０Ｂとして、第一の実施形態にかかる永久磁石回転子１０と異なる形状のブリッジを有する場合について、説明する。
[2] Second Embodiment As a bridge between the slot and the flux barrier, a constricted portion having the smallest dimension in the width direction along the adjacent direction of the slot and the flux barrier is provided. In addition, on both sides of the constricted portion in the width direction, the edges of the slots and flux barriers are linear or bridge-like. As long as the curved shape is convex toward the inside in the width direction, it is not limited to the bridge having the specific shape shown in the first embodiment, and the leakage of magnetic flux that is effective in the bridge can be reduced and the bridge can be constricted. stress concentration on both sides in the width direction of the portion can be alleviated. A case where the
以下では、第一の実施形態と異なる部分を中心に説明し、共通する部分については、対応する符号を図中に付し、詳細な説明を省略する。また、第二の実施形態および第三の実施形態にかかる永久磁石回転子１０Ａ，１０Ｂも、第一の実施形態にかかる永久磁石回転子１０と同様に、回転電気機械１を構成することができる。
In the following, the parts different from the first embodiment will be mainly described, and the common parts will be denoted by corresponding reference numerals in the drawings, and detailed description thereof will be omitted. Further, the
図５に、本発明の第二の実施形態にかかる永久磁石回転子１０Ａの、フラックスバリア１７Ａ近傍の状態を示す。第一の実施形態にかかる永久磁石回転子１０においては、図３に示すように、フラックスバリア１７の径方向端縁１７ｃが、略直線状の端縁として形成されており、その径方向端縁１７ｃと内周側端縁１７ｂの間に、Ｒ形状を有するバリア内隅部１７ｄが形成されていた。これに対し、第二の実施形態にかかる永久磁石回転子１０Ａにおいては、フラックスバリア１７Ａにおいて、スロット１３Ａに対向する径方向端縁１７ｃの全体が、ブリッジ２０Ａの内側に向かって凸な曲線形状、具体的には略円弧形状を有している。
FIG. 5 shows the state in the vicinity of the
そして、その略円弧状の径方向端縁１７ｃの中途部に相当する位置で、ブリッジ２０Ａの幅ｗが最も狭くなっており、狭窄部２０ａが形成されている。狭窄部２０ａの幅方向両側には、フラックスバリア１７Ａの径方向端縁１７ｃと、スロット１３Ａのスロット外隅部１３ｅのＲ形状の端縁が、面している。フラックスバリア１７Ａの径方向端縁１７ｃの略円弧形状、そしてスロット１３Ａのスロット外隅部１３ｅのＲ形状、また内周側ほどスロット１３Ａの内側に向かう径方向端縁１３ｃの傾斜形状により、ブリッジ２０Ａは、狭窄部２０ａから長手方向ａに沿って両側に、幅ｗが漸次広がった形状を有している。
The width w of the
このように、第二の実施形態にかかるロータ１０Ａにおいても、第一の実施形態にかかるロータ１０と同様に、相互に隣接するスロット１３Ａとフラックスバリア１７Ａの間に設けられたブリッジ２０Ａが、幅ｗの狭くなった狭窄部２０ａを有するとともに、狭窄部２０ａから長手方向ａに沿って両側に、幅ｗが漸次広がった形状をとっている。ブリッジ２０Ａがこのような形状を有することで、狭窄部２０ａの存在によるブリッジで２０Ａでの有効磁束の漏れの低減と、幅ｗが広がった部位による機械的強度の確保を、両立することができる。その結果、高速回転の安定化と高出力化を両立することが可能となる。
Thus, also in the
また、第二の実施形態にかかるロータ１０Ａにおいては、ブリッジ２０Ａの狭窄部２０ａの幅方向両側に、スロット１３Ａのスロット外隅部１３ｅの端縁と、フラックスバリア１７Ａの径方向端縁１７ｃとが面している。それらスロット外隅部１３ｅおよび径方向端縁１７ｃは、いずれも、狭窄部２０ａの位置において、ブリッジ２０Ａの内側に向かって凸な曲線形状をとっている。このように、狭窄部２０ａの幅方向両側に面する端縁が、ブリッジの幅方向内側に向かって凸な曲線形状をとっていることで、狭窄部２０ａの幅方向両側に面する端縁が直線形状をとっている第一の実施形態にかかるロータ１０と同様に、狭窄部２０ａの幅方向両側の部位に、ロータ回転時に応力が集中するのを、緩和することができる。
Further, in the
上記のように、第二の実施形態にかかるロータ１０Ａのフラックスバリア１７Ａにおいては、径方向端縁１７ｃ全体が略円弧形状に形成されており、その径方向端縁１７ｃと、内周側端縁１７ｂの間が、内周側に向かうほどフラックスバリア１７Ａの内側に傾斜した傾斜端縁１７ｈによって接合されている。このような場合にも、上記第一の実施形態と同様に、スロット外隅部１３ｅのＲ形状に外接する遠心力の方向に沿った接線として規定される対角線ｂが、ブリッジ２０Ａを通って、フラックスバリア１７Ａの端縁と交差する位置をバリア内隅部１７ｄとし、第一の実施形態において、スロット外隅部１３ｅについて、曲率等に関して記載した好ましい形態を適用することができる。図５に示した形態においては、略円弧形状の径方向端縁１７ｃのうち、内周側の一部の領域が、そのように規定されるバリア内隅部１７ｄとなる。
As described above, in the
以上のように、フラックスバリア１７／１７Ａにおいて、第一の実施形態のように、径方向端縁１７ｃを直線的に形成し、その内周側の端部に、Ｒ形状を有するバリア内隅部１７ｄを設ける場合でも、第二の実施形態のように、径方向端縁１７ｃ全体を、バリア内隅部１７ｄをその一部に含む略円弧形状に形成する場合でも、ブリッジ２０／２０Ａに、幅方向両側の端縁が、直線形状またはブリッジ２０／２０Ａの幅方向内側に向かって凸な曲線形状となった狭窄部２０ａを設けておくことで、狭窄部２０ａの幅方向両端部への応力の集中を避けながら、ブリッジ２０／２０Ａにおける漏れ磁束を低減することができる。応力集中の緩和と漏れ磁束の低減の観点からは、いずれの形態をとってもよいが、第二の実施形態では、径方向端縁１７ｂ、傾斜端縁１７ｈ、内周側端縁１７ｂが、一連の滑らかな形状に結合され、径方向長さＬｍが大きくなった部位を有するフラックスバリア１７Ａを、第一の実施形態におけるよりも、滑らかな端縁で構成しやすい。
As described above, in the
［３］第三の実施形態
最後に、本発明の第三の実施形態にかかる永久磁石回転子１０Ｂについて説明する。図６に第三の実施形態にかかる永久磁石回転子１０Ｂのフラックスバリア１７Ｂ近傍の状態を示す。
[3] Third Embodiment Finally, a
第三の実施形態においても、ブリッジ２０Ｂは、幅ｗが最も狭くなった狭窄部２０ａを有している。そして、狭窄部２０ａから、長手方向ａに沿って両側に、幅ｗが漸次広がっている。
Also in the third embodiment, the
ブリッジ２０Ｂの幅方向の一方側に面するフラックスバリア１７Ｂの径方向端縁は、２つの直線状部１７ｃ１，１７ｃ２を有している。第一の直線状部１７ｃ１は、狭窄部２０ａよりも外周側に位置し、外周側に向かうほど、フラックスバリア１７Ｂの内側に向かう傾斜を有した直線よりなっている。第二の直線状部１７ｃ２は、狭窄部２０ａよりも内周側に位置し、内周側に向かうほど、フラックスバリア１７Ｂの内側に向かう傾斜を有した直線よりなっている。つまり、２つの直線部１７ｃ１，１７ｃ２は、略Ｖ字状の相互配置をとっている。しかし、２つの直線状部１７ｃ１，１７ｃ２の接合部には、角形状の頂点が形成されるのではなく、２つの直線状部１７ｃ１，１７ｃ２が、ブリッジ２０Ｂの内側に向かって凸なＲ形状を有する接合部１７ｃ３によって、滑らかに接合されている。
A radial edge of the
ブリッジ２０Ｂの幅方向ｗの他方側に面するスロット１３Ｂの径方向端縁も、２つの直線状部１３ｃ１，１３ｃ２を有している。第一の直線状部１３ｃ１は、狭窄部２０ａよりも外周側に位置し、外周側に向かうほど、スロット１３Ｂの内側に向かう傾斜を有した直線よりなっている。第二の直線状部１３ｃ２は、狭窄部２０ａよりも内周側に位置し、内周側に向かうほど、スロット１３Ｂの内側に向かう傾斜を有した直線よりなっている。つまり、２つの直線部１３ｃ１，１３ｃ２は、略Ｖ字状の相互配置をとっている。しかし、２つの直線状部１３ｃ１，１３ｃ２の接合部には、角形状の頂点が形成されるのではなく、２つの直線状部１３ｃ１，１３ｃ２が、ブリッジ２０Ｂの内側に向かって凸なＲ形状を有する接合部１３ｃ３によって、滑らかに接合されている。
A radial edge of the
このように、ブリッジ２０Ｂにおいて、長手方向ａに沿って幅方向両側に、直線状部１７ｃ１，１７ｃ２よりなるフラックスバリア１７Ｂの幅方向端縁と、直線状部１３ｃ１，１３ｃ２よりなるスロット１３Ｂの幅方向端縁が設けられていることで、狭窄部２０ａを中心として、長手方向ａに沿って両側に、末広がり状にブリッジ２０Ｂが広がった状態となっている。このように、直線状部１７ｃ１，１７ｃ２，１３ｃ１，１３ｃ２を利用することで、ブリッジ２０Ｂにおいて、長手方向ａに沿った幅ｗの変化を形成しやすく、狭窄部２０ａによる漏れ磁束の低減と、幅ｗが広くなった部位による機械的強度の確保を両立できるブリッジ２０Ｂを設計しやすくなる。
In this way, in the
そして、２つの直線状部の間（直線状部１７ｃ１と１７ｃ２の間、直線状部１３ｃ１と１３ｃ２の間）が、Ｒ形状を有する接合部１７ｃ３，１３ｃ３によって滑らかに接合されていることで、上記第二の実施形態と同様に、狭窄部２０ａの幅方向両側において、スロット１３Ｂおよびフラックスバリア１７Ｂの端縁が、ブリッジ２０Ｂの幅方向内側に向かって凸な曲線形状をとった状態となっている。これにより、ロータ１０Ｂの回転時に、狭窄部２０ａの幅方向両側の位置に、応力が集中するのを緩和することができる。
The two linear portions (between the linear portions 17c1 and 17c2, and between the linear portions 13c1 and 13c2) are smoothly joined by the joint portions 17c3 and 13c3 having an R shape, so that the above-described As in the second embodiment, the edges of the
以下、実施例を用いて本発明を詳細に説明する。 The present invention will be described in detail below using examples.
＜応力分布の解析＞
まず、ロータコアに設けるフラックスバリアやブリッジの形状を変えた場合に、ロータの回転によってロータコアの各部に印加される応力の分布がどのようになるかを解析した。解析は、構造解析プログラムを用いて行った。
<Analysis of stress distribution>
First, we analyzed the distribution of the stress applied to each part of the rotor core due to the rotation of the rotor when the shapes of the flux barriers and bridges provided in the rotor core were changed. Analysis was performed using a structural analysis program.
（解析方法）
ロータのモデルとして、以下の４種を準備した。
・従来形態Ａ：図７に示す、フラックスバリアがスロットと同じ径方向長さを有する円弧形状に形成された、従来一般の構成を有するロータを採用した。フラックスバリア１１７とスロット１１３間のブリッジ１２０の幅ｗは、後述する実施形態Ａ，Ｂにおける狭窄部の幅ｗと略同一とした。
・従来形態Ｂ：上記従来形態Ａを基本とし、フラックスバリア１１７とスロット１１３の間のブリッジ１２０の幅ｗを、約２倍に広げた。
・実施形態Ａ：図５に示す本発明の第二の実施形態にかかるロータを採用した。フラックスバリア１７Ａがスロット１３Ａよりも径方向長さが大きくなった部位を有している。そして、フラックスバリア１７Ａは、略円弧形状の径方向端縁１７ｃを有している。フラックスバリア１７Ａの中途部には、ブリッジ２１を形成している。
・実施形態Ｂ：図６に示す本発明の第三の実施形態にかかるロータを採用した。フラックスバリア１７Ｂがスロット１３Ｂよりも径方向長さが大きくなった部位を有している。そして、フラックスバリア１７Ｂおよびスロット１３Ｂがそれぞれ、径方向端縁に、Ｒ形状を有する接合部１７ｃ３，１３ｃ３で滑らかに接合された２つの直線状部（１７ｃ１および１７ｃ２，１３ｃ１および１３ｃ２）を有している。フラックスバリア１７Ｂの中途部には、ブリッジ２１を形成している。
上記のように、スロットとフラックスバリアの間のブリッジの最も幅の狭い部位（狭窄部）の幅ｗは、従来形態Ａおよび実施形態Ａ，Ｂで、略等しくなっており、従来形態Ｂで、それらの約２倍となっている。
(analysis method)
The following four types of rotor models were prepared.
Conventional configuration A: As shown in FIG. 7, a rotor having a general configuration in which the flux barrier is formed in an arc shape having the same radial length as the slot was employed. The width w of the
- Conventional configuration B: Based on the above-described conventional configuration A, the width w of the
- Embodiment A: The rotor according to the second embodiment of the present invention shown in Fig. 5 was adopted. The
- Embodiment B: The rotor according to the third embodiment of the present invention shown in Fig. 6 was adopted. The
As described above, the width w of the narrowest portion (constricted portion) of the bridge between the slot and the flux barrier is substantially the same in Conventional Form A and Embodiments A and B. In Conventional Form B, about twice as many.
上記従来形態Ａ，Ｂおよび実施形態Ａ，Ｂのそれぞれのロータについて、軸回転させた際に、遠心力によってロータの各部に印加される応力の分布を解析した。シミュレーションに用いたパラメータを、表１にまとめる。 The distribution of the stress applied to each part of the rotor due to the centrifugal force when the rotors of the above-described conventional forms A and B and the embodiments A and B were rotated was analyzed. Table 1 summarizes the parameters used in the simulation.
（結果）
図８～１１に、各形態についての解析結果を示す。図８が従来形態Ａ、図９が従来形態Ｂ、図１０が実施形態Ａ、図１１が実施形態Ｂの結果を示している。各図は、印加される主応力の大きさ（単位：ＭＰａ）を、グレースケールで表示しており、応力が大きくなるほど、濃い色で表示している。
(result)
8 to 11 show the analysis results for each form. 8 shows the results of conventional form A, FIG. 9 shows the results of conventional form B, FIG. 10 shows the results of embodiment A, and FIG. In each figure, the magnitude of the applied principal stress (unit: MPa) is displayed in grayscale, and the greater the stress, the darker the color.
図８の従来形態Ａの結果を見ると、スロットとフラックスバリアの間のブリッジの特定の場所に、大きな応力が分布している。詳細には、スロット外隅部とバリア内隅部に相当する、ブリッジの右上部と左下部の狭い領域に、大きな応力が局在している。これらの部位における応力の最大値は、５１０ＭＰａである。 Looking at the results for Conventional Configuration A in FIG. 8, large stresses are distributed at specific locations in the bridge between the slot and the flux barrier. Specifically, large stresses are localized in narrow regions at the upper right and lower left corners of the bridge, corresponding to the outer slot corners and the inner barrier corners. The maximum stress at these sites is 510 MPa.
図９の従来形態Ｂの結果を見ると、スロットとフラックスバリアの間のブリッジにおいて、特定の領域に応力が集中する傾向は緩和されている。応力の最大値は、フラックスバリアの径方向端縁の中央近傍において観測され、３００ＭＰａと、上記従来形態Ａの場合よりも小さくなっている。従来形態Ａの場合よりも、ブリッジの幅を広げることで、ブリッジにおいて、大きな面積に応力が分散されるようになった結果であると解釈できる。 Looking at the results of Conventional Form B in FIG. 9, the tendency of stress to concentrate in specific areas in the bridge between the slot and the flux barrier is reduced. The maximum value of the stress is observed near the center of the radial edge of the flux barrier, which is 300 MPa, which is smaller than that of the conventional form A described above. It can be interpreted that this is the result of widening the width of the bridge compared to the case of the conventional form A, so that the stress is distributed over a large area in the bridge.
さらに、図１０の実施形態Ａの結果を見ると、各ブリッジには、ブリッジ以外の領域と比べると、大きな応力が印加されているが、特定のブリッジに著しく大きな応力が分布しているような状態は見られない。比較的大きな応力が分布しているのは、フラックスバリアの中途部のブリッジであり、スロットとフラックスバリアの間のブリッジに分布している応力は、それよりも小さくなっている。 Furthermore, looking at the results of embodiment A in FIG. 10, each bridge is subjected to a higher stress than the regions other than the bridge. status is not visible. A relatively large stress is distributed in the bridge in the middle of the flux barrier, and a smaller stress is distributed in the bridge between the slot and the flux barrier.
図１０（ｂ）に拡大図を示すように、スロットとフラックスバリアの間のブリッジにおいて、スロット外隅部とバリア内隅部に相当する、ブリッジの右上部と左下部の領域に、他の領域と比較して、やや大きな応力が印加されているが、応力の集中の程度は、図８の従来形態Ａの場合より、顕著に小さい。また、それらスロット外隅部とバリア内隅部における応力の最大値は、２７５ＭＰａとなっており、従来形態Ａにおける最大値と比較して、５４％に抑えられている。ブリッジの幅を広げた従来形態Ｂと比較しても、応力の最大値が小さくなっている。ブリッジにおいて幅が最も狭くなっている狭窄部の幅方向両側の部分に、応力が集中するような挙動も、見られていない。 As shown in the enlarged view of FIG. 10(b), in the bridge between the slot and the flux barrier, other regions are added to the upper right and lower left regions of the bridge, which correspond to the outer corner of the slot and the inner corner of the barrier. However, the degree of stress concentration is remarkably smaller than in the case of the conventional form A in FIG. Moreover, the maximum value of the stress at the outer corner of the slot and the inner corner of the barrier is 275 MPa, which is suppressed to 54% of the maximum value in the conventional form A. The maximum value of the stress is smaller than that of the conventional form B in which the width of the bridge is widened. Behavior such as concentration of stress on both sides in the width direction of the constricted portion where the width is the narrowest in the bridge was not observed.
上記のように、フラックスバリアの中途部に設けたブリッジには、比較的大きな応力が分布しているが、図１０（ｃ）に拡大図を示すように、応力は、ブリッジの長手方向に沿って均一性高く分布し、特定の位置に大きな応力が分布しているような状態は見られない。このブリッジにおける応力の最大値は、２９０ＭＰａとなっている。 As described above, a relatively large stress is distributed in the bridge provided in the middle of the flux barrier. The distribution of the stress is highly uniform across the entire surface, and no state in which a large stress is distributed at a specific position is observed. The maximum value of stress in this bridge is 290 MPa.
このように、図１０の実施形態Ａにおいては、図８の従来形態Ａと比較して、ロータコア全体に応力が分散して印加されており、スロットとフラックスバリアの間のブリッジ、特に、狭窄部、およびスロット外隅部とバリア内隅部への応力の集中を緩和できている。これは主に、狭窄部の幅方向両側の端縁の曲線形状およびスロット外隅部とバリア内隅部のＲ形状によって、スロットとフラックスバリアの間のブリッジの内部で応力が分散されていること、およびフラックスバリアの中途部に設けたブリッジへの引張応力の印加によって、それ以外の部位に印加される応力が低減されていることによるものであると解釈できる。 Thus, in the embodiment A of FIG. 10, compared with the conventional embodiment A of FIG. , and the concentration of stress on the slot outer corner and the barrier inner corner can be alleviated. This is mainly due to the fact that stress is dispersed inside the bridge between the slot and the flux barrier due to the curvilinear shape of the edges on both sides in the width direction of the constriction and the R shape of the outer corner of the slot and the inner corner of the barrier. , and the application of tensile stress to the bridge provided in the middle of the flux barrier reduces the stress applied to other portions.
図１１に示した実施形態Ｂの結果を見ると、スロットとフラックスバリアの間のブリッジにおいて、幅が最も狭くなった狭窄部の幅方向両側の位置に、やや大きな応力が印加されている。しかし、その応力の集中の程度は、図８の従来形態Ａの場合におけるスロット外隅部とバリア内隅部への応力の集中と比較して、顕著に小さい。狭窄部の幅方向両側における応力の最大値は、２９５ＭＰａであり、従来形態Ａの場合の５８％に抑えられている。図１０の実施形状Ａの場合と比較して、ブリッジの幅方向両側の端縁の形状が、狭窄部近傍において急激に変化していることにより、狭窄部の幅方向両側の位置において、大きな応力が分布するようになっているものの、狭窄部の幅方向両側の端縁が、ブリッジの内側に向かって凸な角形状ではなく、曲線形状を有していることにより、応力集中の程度が小さく抑えられていると、解釈できる。 Looking at the result of embodiment B shown in FIG. 11, in the bridge between the slot and the flux barrier, a slightly larger stress is applied to the positions on both widthwise sides of the narrowest constriction. However, the degree of stress concentration is significantly smaller than the concentration of stress on the outside corners of the slot and the inside corners of the barrier in the case of the conventional form A in FIG. The maximum value of the stress on both widthwise sides of the constricted portion is 295 MPa, which is suppressed to 58% of that in the case of the conventional form A. Compared to the embodiment shape A in FIG. 10, the shape of the edges on both sides in the width direction of the bridge abruptly changes in the vicinity of the narrowed portion, so that a large stress is generated at the positions on both sides in the width direction of the narrowed portion. However, the edges on both sides of the constricted portion in the width direction are curved, instead of convex angular shapes toward the inside of the bridge, so that the degree of stress concentration is small. If it is suppressed, it can be interpreted.
＜モータの出力特性＞
上記の従来形態Ａ，Ｂおよび実施形態Ａのロータについて、シミュレーションを行い、トルク特性および出力特性を解析した。シミュレーションは、有限要素法（ＦＥＭ）を用いた電磁界解析によって行った。
<Motor output characteristics>
A simulation was performed on the rotors of the above-described conventional forms A and B and the embodiment A to analyze the torque characteristics and the output characteristics. The simulation was performed by electromagnetic field analysis using the finite element method (FEM).
シミュレーションには、上記表１のパラメータを用いた。また、インバータ直流電圧を、６５０Ｖとした。 The parameters in Table 1 above were used for the simulation. Moreover, the inverter DC voltage was set to 650V.
（結果）
図１２，１３に、トルク特性の解析結果を示す。図１２（ａ）が従来形態Ａ、図１２（ｂ）が従来形態Ｂ、図１３が実施形態Ａの結果を示している。それぞれ、電流位相角の関数として、総合トルク（Ｔｏｔａｌ）を、マグネットトルク（ｍａｇｎｅｔ）およびリラクタンストルク（ｒｅｌｕｃｔａｎｃｅ）とともに示している。いずれの図においても、図１２（ｂ）の従来形態Ｂにおける総合トルクの最大値を１として、トルクの値を規格化して示している。
(result)
12 and 13 show analysis results of torque characteristics. FIG. 12(a) shows the results of the conventional type A, FIG. 12(b) shows the results of the conventional type B, and FIG. Total torque is shown along with magnet torque and reluctance as a function of current phase angle, respectively. In both figures, the torque values are normalized with the maximum value of the total torque in the conventional configuration B of FIG. 12(b) set to 1.
図１２（ａ）の従来形態Ａと、図１３の実施形態Ａを比較すると、実施形態Ａの方で、マグネットトルクとリラクタンストルクの両方が大きくなり、その結果として、総合トルクも大きくなっている。総合トルクは、最大値で、従来形態Ａを基準として、約４％大きくなっている。実施形態Ａにおけるリラクタンストルクの向上は、フラックスバリアが、スロットよりも径方向長さの大きい部位を有することの結果であると解釈される。さらに、実施形態Ａにおいては、スロットとフラックスバリアの間のブリッジに、他の部分よりも急激に幅が狭くなった狭窄部が設けられていることで、ブリッジにおける永久磁石の磁束およびステータのコイルからの磁束の漏れが低減され、マグネットトルクおよびリラクタンストルクの向上に効果がもたらされていると解釈される。このように、実施形態Ａにおいては、フラックスバリアに径方向長さの大きい部位を設けることと、スロットとフラックスバリアの間のブリッジに狭窄部を設けることにより、トルクの向上を、上記応力分布のシミュレーションによって示された機械的強度の確保と、両立することが可能となっている。 Comparing the conventional embodiment A shown in FIG. 12(a) and the embodiment A shown in FIG. 13, both the magnet torque and the reluctance torque are increased in the embodiment A, and as a result, the total torque is also increased. . The total torque, at its maximum value, is about 4% larger than that of conventional form A. It is interpreted that the improvement in reluctance torque in Embodiment A is a result of the flux barrier having a portion of greater radial length than the slot. Furthermore, in embodiment A, the bridge between the slot and the flux barrier is provided with a constriction that is abruptly narrower than the rest of the bridge, so that the flux of the permanent magnets in the bridge and the coils of the stator It is interpreted that the leakage of the magnetic flux from the magnet is reduced, and the magnet torque and the reluctance torque are improved. As described above, in Embodiment A, torque is improved by providing the flux barrier with a portion having a large radial length and by providing a constricted portion in the bridge between the slot and the flux barrier. It is possible to ensure both the mechanical strength shown by the simulation and compatibility.
一方、図１２（ｂ）の従来形態Ｂにおけるトルク特性を見ると、図１２（ａ）の従来形態Ａおよび図１３の実施形態Ａのいずれと比べても、マグネットトルク、リラクタンストルクともに、顕著に小さくなっている。その結果、総合トルクも小さくなっている。総合トルクは、最大値で、従来形態Ａを基準として、約３％小さくなっている。これは、スロットとフラックスバリアの間のブリッジの幅を大きくしていることで、このブリッジにおける永久磁石の磁束、およびステータのコイルからの磁束の漏れが大きくなったことによると解釈できる。つまり、スロットとフラックスバリアの間のブリッジの幅が略一定となった従来一般のロータにおいては、ブリッジに印加される応力を低減するためにブリッジの幅を大きくすると、得られるトルクが低下することになり、機械的強度の確保とトルクの向上を両立させることは難しいと言える。 On the other hand, looking at the torque characteristics of the conventional form B in FIG. It's getting smaller. As a result, the total torque is also small. The total torque, at its maximum value, is about 3% smaller than that of conventional form A. This can be interpreted to be due to the increase in the width of the bridge between the slots and the flux barrier, which increases the leakage of the magnetic flux of the permanent magnets in this bridge and the magnetic flux from the stator coils. In other words, in a conventional general rotor in which the width of the bridge between the slot and the flux barrier is substantially constant, increasing the width of the bridge in order to reduce the stress applied to the bridge reduces the torque that can be obtained. Therefore, it can be said that it is difficult to achieve both securing of mechanical strength and improvement of torque.
図１４（ａ）に、最大トルク発生時のトルク特性（次元：Ｎｍ）を、ロータの回転速度の関数として示し、従来形態Ａ，Ｂと実施形態Ａで比較する。ここでも、従来形態Ｂにおける最大値が１になるように、規格化して結果を示している。 FIG. 14(a) shows the torque characteristics (dimension: Nm) when the maximum torque is generated as a function of the rotational speed of the rotor, and compares the conventional forms A and B with the embodiment A. FIG. Again, the results are normalized so that the maximum value in the conventional form B is 1.
図１４（ａ）によると、全ての速度領域で、実施形態Ａにおいて、従来形態Ａ，Ｂよりも、大きなトルクが得られている。最大値を比較すると、実施形態Ａにおいて、従来形態Ｂを基準として、約７％大きな値となっており、従来形態Ａを基準とした場合にも、約３％大きな値となっている。 According to FIG. 14(a), in the entire speed range, in the embodiment A, a larger torque than in the conventional embodiments A and B is obtained. Comparing the maximum values, in the embodiment A, the value is about 7% larger than the conventional type B, and even when the conventional type A is used as the standard, the value is about 3% larger.
さらに、図１４（ｂ）に、出力特性（次元：Ｗ）を、ロータの回転速度の関数として示し、従来形態Ａ，Ｂと実施形態Ａで比較する。ここでも、従来形態Ｂにおける最大値が１になるように、規格化して結果を示している。 Further, FIG. 14(b) shows the output characteristics (dimension: W) as a function of the rotational speed of the rotor, and compares the conventional forms A and B with the embodiment A. As shown in FIG. Again, the results are normalized so that the maximum value in the conventional form B is 1.
図１４（ｂ）によると、全ての速度領域で、実施形態Ａにおいて、従来形態Ａ，Ｂよりも、大きな出力が得られている。最大出力は、実施形態Ａにおいて、従来形態Ｂを基準として、約８％大きな値となっており、従来形態Ａを基準とした場合にも、約５％大きな値となっている。また、図示した最高速度での出力は、実施形態Ａにおいて、従来形態Ｂを基準として約１８％大きな値となっており、従来形態Ａを基準とした場合にも、約１０％大きな値となっている。そして、回転速度が大きくなるほど、従来形態Ａ，Ｂの値に対する実施形態Ａの値の差が大きくなっている。 According to FIG. 14(b), a larger output is obtained in the embodiment A than in the conventional embodiments A and B in all speed ranges. The maximum output of the embodiment A is about 8% higher than that of the conventional type B, and is about 5% higher than that of the conventional type A as well. In addition, the output at the maximum speed shown in the figure is about 18% larger than the conventional type B in the embodiment A, and about 10% larger than the conventional type A as well. ing. As the rotation speed increases, the difference in the value of the embodiment A from the values of the conventional embodiments A and B increases.
このように、図１４（ａ），（ｂ）の回転速度の関数としてのトルク特性および出力特性は、図１２および図１３に示した電流位相角の関数としてのトルク特性とよく整合したものとなっている。これらの結果より、実施形態Ａのように、フラックスバリアに径方向長さの大きくなった部位を設けるとともに、スロットとフラックスバリアの間のブリッジに狭窄部を設けることで、従来形態Ａ，Ｂのように、フラックスバリアの径方向長さをスロットと等しくするとともに、スロットとフラックスバリアの間のブリッジの幅を略均一に構成する場合と比較して、トルク特性および出力特性を向上させられることが分かる。 Thus, the torque characteristics and output characteristics as a function of rotational speed in FIGS. 14(a) and 14(b) match well with the torque characteristics as a function of current phase angle shown in FIGS. 12 and 13. It's becoming From these results, as in Embodiment A, by providing the flux barrier with a portion having a large radial length and providing a constricted portion in the bridge between the slot and the flux barrier, the conventional Embodiments A and B can be obtained. , compared to the case where the radial length of the flux barrier is equal to the slot and the width of the bridge between the slot and the flux barrier is substantially uniform, the torque and output characteristics can be improved. I understand.
最後に、図１５に、永久磁石磁束の巻線磁束鎖交数を、実施形態Ａと、従来形態Ａ，Ｂで比較したものを示す。ここでは、実施形態Ａの値を１として規格化して、各形態の磁束鎖交数を示している。 Finally, FIG. 15 shows a comparison of the number of winding magnetic flux linkages of the permanent magnet magnetic flux between the embodiment A and the conventional forms A and B. As shown in FIG. Here, the value of embodiment A is normalized as 1, and the number of magnetic flux linkages of each form is shown.
磁束鎖交数が大きいほど、永久磁石がステータのコイルの位置に形成する磁束が大きいことを示しており、ロータコアのブリッジ等における漏れ磁束が小さいことになる。図１５によると、磁束鎖交数が、実施形態Ａにおいて最も大きく、従来形態Ａにおいて小さくなり、従来形態Ｂにおいてさらに小さくなっている。実施形態Ａの値を基準として、従来形態Ｂにおいては、磁束鎖交数が約８％小さくなっている。この結果は、スロットとフラックスバリアの間のブリッジの形状との間に相関を有しており、ブリッジの幅が広い従来形態Ｂにおいては、磁束の漏れが大きくなっていると言える。ブリッジの幅が小さくなった従来形態Ａおよび実施形態Ａにおいては、磁束の漏れが小さく抑えられており、特に、狭窄部でブリッジの幅が急激に小さくなっている実施形態Ａにおいては、磁束の漏れが効果的に抑えられていると言える。 The larger the number of flux linkages, the larger the magnetic flux formed by the permanent magnets at the coils of the stator, and the smaller the leakage flux in the rotor core bridges and the like. According to FIG. 15, the number of magnetic flux linkages is the largest in the embodiment A, the smaller in the conventional form A, and the smaller in the conventional form B. FIG. Based on the value of the embodiment A, in the conventional form B, the number of magnetic flux linkages is reduced by about 8%. This result has a correlation with the shape of the bridge between the slot and the flux barrier, and it can be said that the leakage of the magnetic flux is increased in the conventional configuration B having the wide bridge. In the conventional embodiment A and the embodiment A, in which the width of the bridge is small, the leakage of the magnetic flux is suppressed. It can be said that leakage is effectively suppressed.
以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。 Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications are possible without departing from the gist of the present invention.
なお、本発明の上記実施形態にかかる永久磁石回転子１０（１０Ａ，１０Ｂ）および回転電気機械１においては、大きなリラクタンストルクを与えることを課題とし、複数のスロット１３（１３Ａ，１３Ｂ）の間に位置するフラックスバリア１７（１７Ａ，１７Ｂ）が、ロータコア１１の内周側の端縁と外周側の端縁との間の距離Ｌｍが、スロット１３（１３Ａ，１３Ｂ）の該距離ｌｍよりも大きい部位を有することを必須としていたが、スロット１３（１３Ａ，１３Ｂ）とフラックスバリア１７（１７Ａ，１７Ｂ）の間に設けられたブリッジ２０（２０Ａ，２０Ｂ）において、特定の部位に応力集中が起こるのを緩和することを課題とする場合に、任意の距離Ｌｍを有するフラックスバリアを形成するとともに、上記で「（２）ブリッジの形状」、また「（３）フラックスバリア中途部へのブリッジの配置」として記載した各ブリッジ２０（２０Ａ，２０Ｂ），２１の構成を採用することができる。
In the permanent magnet rotor 10 (10A, 10B) and the rotary
１ モータ（回転電気機械）
１０，１０Ａ，１０Ｂ ロータ（永久磁石回転子）
１１ ロータコア
１２ 中空部
１３，１４，１５ スロット
１３Ａ，１３Ｂ スロット
１３ａ （スロットの）外周側端縁
１３ｂ （スロットの）内周側端縁
１３ｃ （スロットの）径方向端縁
１３ｄ スロット内隅部
１３ｅ スロット外隅部
１６ 永久磁石
１７，１７Ａ，１７Ｂ フラックスバリア
１７ａ （フラックスバリアの）外周側端縁
１７ｂ （フラックスバリアの）内周側端縁
１７ｃ （フラックスバリアの）径方向端縁
１７ｄ バリア内隅部
１７ｅ バリア外隅部
１７ｈ 傾斜端縁
１８，１９ ブリッジ
２０，２０Ａ，２０Ｂ ブリッジ
２１ ブリッジ
３０ ステータ（固定子）
ａ ブリッジの長手方向
ｂ ブリッジの対角線
ｄ’ 回転子ｄ軸
ｌｍ スロットの径方向長さ
Ｌｍ フラックスバリアの径方向長さ
ｗ ブリッジの幅
1 motor (rotary electrical machine)
10, 10A, 10B rotor (permanent magnet rotor)
11
a Bridge longitudinal direction b Bridge diagonal d′ Rotor d axis lm Slot radial length Lm Flux barrier radial length w Bridge width
Claims (4)
前記ロータコアは、前記永久磁石が埋設される複数のスロットを前記ロータコアの周方向に有するとともに、
前記複数のスロットの間の位置に、前記永久磁石が埋設されない空隙として、フラックスバリアを有し、
前記フラックスバリアは、前記ロータコアの内周側の端縁と外周側の端縁との間の距離が、前記スロットの該距離よりも大きい部位を有し、
前記複数のスロットのうち隣り合う２つのスロットは、前記ロータコアの内周側の端縁および前記外周側の端縁がそれぞれ前記ロータコアの内側に向かって凸な円弧となった形状が、２つに分割されたものとして形成されており、それら隣り合う２つのスロットの間の位置に前記フラックスバリアが形成されており、
前記フラックスバリアにおいて、前記ロータコアの周方向の中途部に、前記フラックスバリアの外周側の部位と内周側の部位をつなぐ第一のブリッジが、前記ロータコアと一体に形成されており、前記第一のブリッジに面する両側の前記フラックスバリアの隅部に、Ｒ形状が設けられており、
相互に隣接する前記スロットと前記フラックスバリアの間には、前記ロータコアの外周側の部位と内周側の部位とをつなぐ第二のブリッジが、前記ロータコアと一体に形成されており、
前記ロータコアの回転軸に直交する断面において、前記第二のブリッジは、前記スロットと前記フラックスバリアの隣接方向に沿った幅方向の寸法が最も小さくなった狭窄部を有するとともに、前記狭窄部から、前記幅方向に交差する方向に沿って両側に、前記幅方向の寸法が漸次広がった形状を有し、
前記狭窄部の幅方向両側において、前記スロットおよび前記フラックスバリアの端縁が、直線形状、または、前記第二のブリッジの幅方向内側に向かって凸な曲線形状をとっており、
前記第二のブリッジに面した前記スロットの外周側の隅部であるスロット外隅部が、Ｒ形状を有するとともに、
前記スロット外隅部のＲ形状に外接する遠心力の方向に沿った接線が、前記第二のブリッジを通って、前記フラックスバリアの端縁と交差する位置であるバリア内隅部が、Ｒ形状を有し、かつ
前記第二のブリッジを挟んで相互に対向する前記スロットの内周側の隅部であるスロット内隅部、および前記フラックスバリアの外周側の隅部であるバリア外隅部にも、Ｒ形状が形成されており、
前記Ｒ形状の曲率半径が、前記バリア内隅部、および前記スロット外隅部において、前記スロット内隅部、および前記バリア外隅部よりも大きくなっており、
前記スロット内隅部、および前記バリア外隅部の前記Ｒ形状の曲率半径は、前記スロット外隅部の前記Ｒ形状の曲率半径の７５％以下である永久磁石回転子。 A permanent magnet rotor having a rotor core and permanent magnets embedded in the rotor core and forming magnetic poles,
The rotor core has a plurality of slots in which the permanent magnets are embedded in a circumferential direction of the rotor core,
having a flux barrier as a gap in which the permanent magnet is not embedded at a position between the plurality of slots;
The flux barrier has a portion in which the distance between the inner peripheral edge and the outer peripheral edge of the rotor core is greater than the distance of the slot,
Adjacent two slots among the plurality of slots have an inner peripheral edge of the rotor core and an outer peripheral edge of the rotor core each formed into a convex circular arc shape toward the inside of the rotor core. is formed as a segmented one, the flux barrier is formed at a position between two adjacent slots,
In the flux barrier, a first bridge that connects an outer peripheral portion and an inner peripheral portion of the flux barrier is formed integrally with the rotor core in a circumferentially intermediate portion of the rotor core, and the first bridge is formed integrally with the rotor core. The corners of the flux barrier on both sides facing the bridge of are provided with an R shape,
Between the slots and the flux barriers that are adjacent to each other, a second bridge that connects an outer peripheral side portion and an inner peripheral side portion of the rotor core is formed integrally with the rotor core,
In a cross section orthogonal to the rotation axis of the rotor core, the second bridge has a constricted portion having the smallest dimension in the width direction along the adjacent direction of the slot and the flux barrier, and from the constricted portion, having a shape in which the dimension in the width direction gradually widens on both sides along the direction intersecting the width direction;
On both sides of the narrowed portion in the width direction, the edges of the slot and the flux barrier have a straight shape or a curved shape that is convex toward the inside in the width direction of the second bridge,
A slot outer corner, which is a corner on the outer peripheral side of the slot facing the second bridge, has an R shape,
The barrier inner corner at a position where a tangent along the direction of centrifugal force circumscribing the R shape of the slot outer corner intersects the edge of the flux barrier through the second bridge has an R shape. and
The inner corner of the slot, which is the corner on the inner peripheral side of the slot, and the outer corner of the barrier, which is the corner on the outer peripheral side of the flux barrier, which are opposed to each other with the second bridge interposed therebetween also have rounded shapes. is formed and
a curvature radius of the R shape is larger at the barrier inner corner and the slot outer corner than at the slot inner corner and the barrier outer corner;
The permanent magnet rotor, wherein the curvature radius of the R shape of the slot inner corner and the barrier outer corner is 75% or less of the curvature radius of the R shape of the slot outer corner.
前記スロット外隅部および前記バリア内隅部の前記Ｒ形状の接線の方向が、前記ロータコアの径方向に対して、±１８０°／［極数］の範囲に収まっている、請求項１または２に記載の永久磁石回転子。 When the number of poles of the permanent magnet rotor is described as [number of poles],
3. A direction of a tangent line of the R-shape of the outer corner of the slot and the inner corner of the barrier is within a range of ±180°/[number of poles] with respect to the radial direction of the rotor core . A permanent magnet rotor as described in .
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