JP2008148391A - 回転電機の回転子及び回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】回転子の外周に近い部分における永久磁石の不可逆減磁を抑制することができる回転電機の回転子及び回転電機を提供する。
【解決手段】電動機を構成する回転子１４には複数個の永久磁石１７が埋め込まれており、永久磁石１７のｑ軸側の端部に連続する状態でフラックスバリア１８が設けられている。フラックスバリア１８は、永久磁石１７の最も回転子外周に近い部分１７ａよりも回転子外周に近い外周近接部１８ａを有し、かつ外周近接部１８ａと永久磁石１７の最も回転子外周に近い部分１７ａとの間に、永久磁石１７の外側部の延長線Ｌに対して回転子内周側に回転子外周からの距離が遠くなる部分１８ｂを有する形状に形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転電機の回転子及び回転電機に係り、詳しくは永久磁石が埋設されている回転電機の回転子及び回転電機に関する。

永久磁石を回転子（ロータ）のコア（鉄心）に埋め込んだ埋込磁石型同期電動機（所謂ＩＰＭモータ）は、電流位相を制御することにより、リラクタンストルクを利用することができ、電流位相を制御することにより最大トルクの制御が可能になる。従来、ＩＰＭモータにおける永久磁石の不可逆減磁の防止構造が開示されている（特許文献１参照。）。特許文献１には、図４（ａ），（ｂ）に示すように、ロータ鉄心５１の外周側に向かって広がるＶ字状に配置された永久磁石５２Ａ，５２Ｂの近傍に位置するように空気穴５３Ａ，５３Ｂを形成して不可逆減磁防止機能を持たせることが開示されている。空気穴５３Ａ，５３Ｂは、ｄ軸側でかつ永久磁石５２Ａ，５２Ｂのロータ鉄心５１の外周側に位置する角部にそれぞれ位置するように形成されている。空気穴５３Ａ，５３Ｂは、ロータ鉄心外周側の面５３Ａ−１，５３Ｂ−１が、磁石用スロット５４Ａ，５４Ｂのロータ鉄心外周側の面５４Ａ−１，５４Ｂ−１を永久磁石５２Ａ，５２Ｂの間の中央側に延長した面であって永久磁石５２Ａ，５２Ｂのロータ鉄心外周側の面５２Ａ−１，５２Ｂ−１と面一になるように形成されている。この構成により、永久磁石５２Ａ，５２Ｂの間のロータ鉄心部５１ａにおいて短絡する磁束を永久磁石５２Ａ，５２Ｂの角ｂ，ｃから遠ざけることができ、永久磁石５２Ａ，５２Ｂの角ｂ，ｃに作用する局部的な反磁界が低減されるため、永久磁石５２Ａ，５２Ｂの局部的な不可逆減磁を防止することができるとしている。
特開２００３−１４３７８８号公報

回転子に磁石を埋め込む所謂ＩＰＭモータの利点である、弱め界磁制御まで考えた場合には、磁石にかかる反磁界の作用が大きくなる回転子の外周に近い部分、即ちｑ軸に対応する部分の不可逆減磁を考える必要がある。ところが、特許文献１ではｄ軸に対応する部分の不可逆減磁しか考えていない。

本発明は、前記従来の問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、回転子の外周に近い部分における永久磁石の不可逆減磁を抑制することができる回転電機の回転子及び回転電機を提供することにある。

前記の目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、回転子に複数個の永久磁石が埋め込まれるとともに、前記永久磁石のｑ軸側の端部に連続する状態でフラックスバリアが設けられ、前記フラックスバリアは、前記永久磁石の最も回転子外周に近い部分よりも回転子外周に近い外周近接部を有し、かつ前記外周近接部と前記永久磁石の最も回転子外周に近い部分との間に、前記永久磁石の外側部の延長線に対して回転子内周側に回転子外周からの距離が遠くなる部分を有する形状に形成されている。

永久磁石のｑ軸側の端部に連続して形成されたフラックスバリアの形状が、永久磁石の最も回転子外周に近い部分よりも回転子外周に近い部分が無い形状では、永久磁石のｑ軸側の端部からフラックスバリアに向かって進む磁束は、回転子の外周から遠ざかるように曲げられる。そのため、永久磁石の磁気双極子の配列方向が乱される方向に磁束が進むようになり、不可逆減磁が生じ易くなる。しかし、この発明では、フラックスバリアは、永久磁石の最も回転子外周に近い部分よりも回転子外周に近い外周近接部を有し、かつ前記外周近接部と前記永久磁石の最も回転子外周に近い部分との間に、前記永久磁石の外側部の延長線に対して回転子内周側に回転子外周からの距離が遠くなる部分を有する形状に形成されている。そのため、永久磁石のｑ軸側の端部からフラックスバリアに向かって進む磁束は、フラックスバリアから回転子のコアに進入した後、外周近接部と回転子外周との間に向かって進む。その結果、永久磁石の磁気双極子の配列方向が乱される方向に磁束が進むことが抑制され、不可逆減磁が生じ難くなる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記永久磁石は、平板状に形成されるとともに厚さ方向に着磁されたものが一極当たり２個ずつ設けられ、かつ回転子の外周側に向かって拡がるＶ字状で同じ側（例えば、回転子の外周側）が同極となるように配置されている。この発明では、永久磁石を回転子の半径方向と直交する方向に延びるように配置した構成に比較して、リラクタンストルクを効率良く利用することができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記永久磁石は、平板状に形成されるとともに厚さ方向に着磁されたものが一極当たり１個ずつ設けられ、かつ回転子の半径方向と直交する方向に延びる状態で配置されている。この発明では、同じ極数であればＶ字状配置に比較して、永久磁石の数が少なくなり、回転子の組立が容易になる。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の発明において、前記フラックスバリアは、回転子の外周面に最も近い部分が外側に凸の曲面となるように形成されている。この発明では、回転子の外周面に最も近い部分が曲面でない場合に比較して応力集中が緩和される。

請求項５に記載の発明の回転電機は、請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の回転子を備えている。この発明の回転電機は、対応する前記請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の発明の作用、効果を奏する。

本発明によれば、回転子の外周に近い部分における永久磁石の不可逆減磁を抑制することができる回転電機の回転子及び回転電機を提供することができる。

（第１の実施形態）
以下、本発明を電動機に具体化した一実施形態を図１にしたがって説明する。図１（ａ）は電動機の回転子（ロータ）及び固定子（ステータ）全体の１／２の部分に対応する模式図である。

図１（ａ）に示すように、固定子１１は、円筒状で内側に複数のティース１２が等間隔に設けられている。ティース１２にはコイル（巻線）１３が巻かれている。コイル１３の巻き付け方法は分布巻であっても集中巻であってもよい。

固定子１１の内側には、回転子が配置されている。回転子１４は、円板状の電磁鋼板を複数枚（例えば数十枚）積層したロータコア１５と、ロータコア１５の中心に貫挿されたロータ軸（回転軸）１６とを備えている。そして、回転子１４は、ロータコア１５の外周面がティース１２と所定の間隔を置いた状態で、図示しないハウジングの軸受けにロータ軸１６を介して回転可能に支持されている。

図１（ａ），（ｂ）に示すように、ロータコア１５には、複数個の永久磁石１７が埋め込まれている。永久磁石１７は、ロータコア１５を周方向に等分割した各仮想領域に、電気角が３６０°毎に配置されている。この実施形態では、各永久磁石１７は、断面矩形の平板状に形成され、着磁方向が厚さ方向となるように着磁されている。また、永久磁石１７は、一極当たり２個ずつ設けられるとともに、回転子１４の外周側に向かって拡がるＶ字状で同じ側（例えば、回転子１４の外周側）が同極になるように配置されている。また、隣り合う仮想領域に配置された永久磁石１７は、回転子１４の外周側が異なる極になるように配置されている。例えば、ある一組のＶ字配置の永久磁石１７が、ティース１２側がＳ極になるように配置されると、隣の仮想領域に配置される永久磁石１７は、ティース１２側がＮ極になるように配置される。

回転子１４（ロータコア１５）には、永久磁石１７のｑ軸側の端部に連続する状態でフラックスバリア（孔）１８が設けられている。フラックスバリア１８は、永久磁石１７の最も回転子外周に近い部分１７ａよりも回転子外周に近い外周近接部１８ａを有し、外周近接部１８ａと永久磁石１７の最も回転子外周に近い部分１７ａとの間に、永久磁石１７の外側部の延長線Ｌに対して回転子内周側に回転子外周からの距離が遠くなる部分１８ｂを有する形状に形成されている。この実施形態では、外周近接部１８ａは永久磁石１７の外側部の延長線Ｌ上に存在するように形成されている。

フラックスバリア１８は、永久磁石１７のｑ軸側の端部の全面と対向するのではなく、永久磁石１７の回転子１４内側寄りの端部とは対向しない。また、フラックスバリア１８は、回転子１４の外周面に最も近い部分、この実施形態では外周近接部１８ａが外側に凸の曲面となるように形成されている。隣り合う永久磁石１７及びフラックスバリア１８は、回転子１４の中心を含む仮想平面に対して対称に設けられている。

なお、図において、固定子１１及び回転子１４の大きさの比や、永久磁石１７及びフラックスバリア１８の大きさの比や永久磁石１７の配置角度等は図示の都合上、実際と異なっている。

次に前記のように構成された電動機の作用を図１（ｃ），（ｄ）を用いて説明する。図１（ｃ）は本実施形態、図１（ｄ）は比較例のフラックスバリア１８の周囲の永久磁石の磁束を模式的に示している。

電動機が負荷状態で駆動される場合は、固定子１１のコイル１３に通電されて回転子１４に回転磁界が作用する。そして、図１（ｃ），（ｄ）に示すように、ロータコア１５には、永久磁石１７の回転子外周側の部分に磁束（破線で図示）が流れる状態となる。この磁束の量が多いため、永久磁石１７から発生して回転子外周側に向かって進もうとする磁束は、コイル１３の通電による磁束の影響を受ける。そして、図１（ｄ）に示すように、フラックスバリア１８の形状が永久磁石１７の端部の最も回転子外周に近い部分１７ａよりも回転子外周から遠ざかるような形状の場合は、永久磁石１７の回転子外周側の部分を流れる磁束が部分１７ａと対応する部分を通過した後、拡がるようになる。その結果、永久磁石１７の端部から回転子外周に向かって進もうとする磁束の一部の進路が回転子外周から離れる（遠ざかる）ように大きく曲げられる。そのため、永久磁石１７のｑ軸側の端部における磁気双極子の配列方向が乱される方向に磁束が進むようになり、不可逆減磁が生じ易くなる。

しかし、この実施形態のフラックスバリア１８は、永久磁石１７の最も回転子外周に近い部分１７ａよりも回転子外周に近い外周近接部１８ａを有するため、図１（ｃ）に示すように、永久磁石１７の回転子外周側の部分を流れる磁束は、フラックスバリア１８の外周近接部１８ａと回転子外周の間に向かって流れる状態となる。そのため、永久磁石のｑ軸側の端部から回転子外周に向かって進もうとする磁束の一部の進路が回転子外周から離れる（遠ざかる）ように大きく曲げられることが回避される。また、フラックスバリア１８は、外周近接部１８ａと永久磁石１７の最も回転子外周に近い部分１７ａとの間に、永久磁石１７の外側部の延長線Ｌに対して回転子内周側に回転子外周からの距離が遠くなる部分１８ｂを有する形状に形成されているため、ロータコア１５の一部が回転子外周側からフラックスバリア１８内に突出する凸部が存在する。そのため、図１（ｃ）に示すように、永久磁石１７のｑ軸側の端部からフラックスバリア１８に向かって進む磁束は、フラックスバリア１８からロータコア１５の凸部に進入した後、外周近接部１８ａと回転子外周との間に向かって進むようになる。その結果、永久磁石１７のｑ軸側の端部における磁気双極子の配列方向が乱される方向に磁束が進むことが抑制され、不可逆減磁が生じ難くなる。

この実施形態によれば、以下に示す効果を得ることができる。
（１）回転子１４に複数個の永久磁石１７が埋め込まれるとともに、永久磁石１７のｑ軸側の端部に連続する状態でフラックスバリア１８が設けられている。フラックスバリア１８は、永久磁石１７の最も回転子外周に近い部分１７ａよりも回転子外周に近い外周近接部１８ａを有し、かつ外周近接部１８ａと永久磁石１７の最も回転子外周に近い部分１７ａとの間に、永久磁石１７の外側部の延長線Ｌに対して回転子内周側に回転子外周からの距離が遠くなる部分１８ｂを有する形状に形成されている。したがって、フラックスバリア１８の形状を工夫するだけで、永久磁石１７の回転子１４の外周に近い部分において磁気双極子の配列方向が乱される方向に磁束が進むことが抑制され、不可逆減磁が生じ難くなり、回転子１４の外周に近い部分における永久磁石１７の不可逆減磁を抑制することができる。

（２）永久磁石１７は、平板状に形成されるとともに厚さ方向に着磁されたものが一極当たり２個ずつ設けられ、かつ回転子１４の外周側に向かって拡がるＶ字状で同じ側が同極となるように配置されている。したがって、永久磁石１７を回転子１４の半径方向と直交する方向に延びるように配置した構成に比較して、リラクタンストルクを効率良く利用することができる。

（３）フラックスバリア１８は、回転子１４の外周面に最も近い外周近接部１８ａが外側に凸の曲面となるように形成されている。したがって、回転子１４が電動機に組み立てられて使用された状態において、回転子１４が回転した際に、外周近接部１８ａが曲面でない場合に比較して遠心力により生じる応力集中が緩和される。

（４）永久磁石１７が断面矩形の平板状に形成されているため製造が容易である。
実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
○ 永久磁石１７のｑ軸側の端部に連続する状態でフラックスバリア１８が設けられていれば、永久磁石１７の配置はＶ字状に限らない。例えば、図２（ａ），（ｂ）に示すように、永久磁石１７が、平板状に形成されるとともに厚さ方向に着磁されたものが一極当たり１個ずつ設けられ、かつ回転子１４の半径方向と直交する方向に延びる状態で配置されている構成でもよい。この場合、同じ極数であればＶ字状配置に比較して、永久磁石１７の数が少なくなり、回転子１４の組立が容易になる。

○ 永久磁石１７は平板状に限らず、厚さ方向において円弧状に湾曲した板状としてもよい。例えば、図３（ａ），（ｂ）に示すように、１極当たり１個の永久磁石１７を回転子外周側が凹となる状態で設けてもよい。この場合、２個の平板状の永久磁石１７をＶ字状に配置する場合に比較して、磁束の流れにとっては好ましいが、永久磁石１７の製作し易さ及び取り扱い易さの点からは、平板状の永久磁石１７のＶ字配置の方が好ましい。

○ 平板状の永久磁石１７を一極当たり１個ずつ設ける場合、永久磁石１７は必ずしも半径方向と直交する状態で配置される構成に限らず、多少傾いた状態で配置されてもよい。

○ 外周近接部１８ａは永久磁石１７の外側部の延長線Ｌ上に存在するように形成される必要はなく、永久磁石１７の最も回転子外周に近い部分１７ａよりも回転子外周に近い位置であれば、延長線Ｌより回転子外周に近くても、延長線Ｌより回転子外周に遠くてもよい。

○ 永久磁石１７は断面矩形状に限らず、矩形の両端に半円が連続する形状や矩形の両端に三角形が連続する形状としてもよい。
○ フラックスバリア１８のうち、Ｎ極が回転子外周側となるように配置された永久磁石１７のｑ軸側の端部と対応する位置に形成されたフラックスバリア１８のみ、外周近接部１８ａ及び永久磁石１７の外側部の延長線Ｌに対して回転子内周側に回転子外周からの距離が遠くなる部分１８ｂを有する形状に形成してもよい。Ｓ極が回転子外周側となるように配置された永久磁石１７の場合、永久磁石のｑ軸側の端部から回転子外周に向かって進む磁束がないので外周近接部１８ａ及び部分１８ｂを有さない図１（ｄ）に示すような形状のフラックスバリア１８であってもよい。しかし、ロータコア１５を形成する手間はほとんど変わらないため、永久磁石１７のｑ軸側の端部と対応する位置に設けるフラックスバリア１８は永久磁石１７の着磁方向に限らず、外周近接部１８ａ及び部分１８ｂを有する形状に形成する方が、永久磁石１７をロータコア１５に組み付ける際の手間が少なくなる。

○ フラックスバリア１８は孔（空隙）のままに限らず、樹脂を充填してもよい。
○ 電動機の極数は８極に限らず偶数極で有ればよいが、４極以上が好ましい。
○ 電動機に限らず発電機に適用してもよい。

以下の技術的思想（発明）は前記実施形態から把握できる。
（１）請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の発明において、前記フラックスバリアは、Ｎ極が回転子外周側となるように配置された永久磁石のｑ軸側の端部と対応する位置にのみ設けられている。

（ａ）は一実施形態のロータとステータの関係を示す部分模式図、（ｂ）は（ａ）の部分拡大図、（ｃ）は作用を説明する模式図、（ｄ）は比較例の作用を説明する模式図。 （ａ）は別の実施形態のロータとステータの関係を示す部分模式図、（ｂ）は（ａ）の部分拡大図。 （ａ）は別の実施形態のロータとステータの関係を示す部分模式図、（ｂ）は（ａ）の部分拡大図。 （ａ）は従来技術のコアの模式図、（ｂ）は（ａ）の部分拡大図。

符号の説明

Ｌ…延長線、１４…回転子、１７…永久磁石、１７ａ，１８ｂ…部分、１８…フラックスバリア、１８ａ…外周近接部。

Claims (5)

1. 回転子に複数個の永久磁石が埋め込まれるとともに、前記永久磁石のｑ軸側の端部に連続する状態でフラックスバリアが設けられ、前記フラックスバリアは、前記永久磁石の最も回転子外周に近い部分よりも回転子外周に近い外周近接部を有し、かつ前記外周近接部と前記永久磁石の最も回転子外周に近い部分との間に、前記永久磁石の外側部の延長線に対して回転子内周側に回転子外周からの距離が遠くなる部分を有する形状に形成されていることを特徴とする回転電機の回転子。
2. 前記永久磁石は、平板状に形成されるとともに厚さ方向に着磁されたものが一極当たり２個ずつ設けられ、かつ回転子の外周側に向かって拡がるＶ字状で同じ側が同極となるように配置されている請求項１に記載の回転電機の回転子。
3. 前記永久磁石は、平板状に形成されるとともに厚さ方向に着磁されたものが一極当たり１個ずつ設けられ、かつ回転子の半径方向と直交する方向に延びる状態で配置されている請求項１に記載の回転電機の回転子。
4. 前記フラックスバリアは、回転子の外周面に最も近い部分が外側に凸の曲面となるように形成されている請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の回転電機の回転子。
5. 請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の回転子を備えた回転電機。

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