JP2010200480A - 埋め込み磁石式モータ - Google Patents

Abstract

【課題】トルクの低下を招かないようにロータの永久磁石にフェライト磁石を用いて低コスト化を図ること。
【解決手段】三相巻線１１が巻装された積層鉄心を有するステータ１３と、このステータ１３に所定寸法の空隙長Ｇ１を持って外周が離間し、且つ内周が回転軸に固定された環状の積層鉄心を有するロータ１６とを備える埋め込み磁石式モータ１０において、ロータ１６の環状の表面に、当該環状の中心から延びる仮想放射線に長手方向軸が沿った長方形状のスリット２１と、仮想放射線に長手方向軸が沿った長方形状の永久磁石２２とを、当該環状の周方向に所定間隔で交互にモータ極数Ｐの１／２個づつ配設し、各々のスリット２１と永久磁石２２との間に、モータ極数Ｐ箇所のセグメント領域２３が形成され、これらセグメント領域２３が周方向に沿ってＮ極とＳ極に交互に磁化されるようにした。
【選択図】図２

Description

本発明は、ハイブリッド車両や電気自動車等の車両に用いられる埋め込み磁石式モータに関する。

従来、埋め込み磁石式モータとしては、例えば特許文献１に記載の永久磁石形同期回転電機のロータがある。この構成は、図１に示すように、薄板を軸方向に積層したロータコア１と、このロータコア１に所定ピッチで設けた矩形の永久磁石挿入穴２と、この永久磁石挿入穴２に挿入する永久磁石４ａよりなる永久磁石形同期回転電機のロータにおいて、永久磁石挿入穴２を１極ピッチ置きに設け、径方向の極性を同一とした永久磁石４ａを挿入し、永久磁石形同期回転電機のロータを構成する。永久磁石を軸方向に分割し、おのおのの長さの和を永久磁石挿入穴２の軸方向長さより短くし、ロータコアの両端面を合わせたり端面より深く挿入したりして、永久磁石挿入穴２の軸方向に磁気的空間部を形成する。さらに、軸方向に３分割し、中央のロータコアに設けた挿入穴の高さを両側のものより高くし、中央の挿入穴にエネルギ積の低い永久磁石を、両側の挿入穴にエネルギ積の高い永久磁石を挿入して構成されている。

特開平８−１０７６３９号公報

しかし、上記の特許文献１において、ロータに高トルクを発生させるためには、一般的に永久磁石に希土類磁石を軸心方向に埋め込み磁極表面近くの鉄心吸引トルクを活用することが考えられるが、希土類磁石は高価であるという問題がある。そこで、安価なフェライト磁石に置き換えることが考えられるが、保磁力の弱いフェライトでは十分な磁力とするためには厚くする必要がありその厚い磁石を埋め込むと表面近くの鉄の部分は過少となり鉄心吸引トルクが発揮できない問題がある。厚くせずに配置すると特に弱め界磁制御の際にステータからの減磁界が加わった時に保磁力が弱いフェライトのため不可逆減磁となってトルクの低下する恐れが生じる問題がある。上記特許文献１のロータにおいては希土類磁石にフェライト磁石を組み合わせ、少量の希土類磁石を削減する構成も採られているが、基本的に希土類磁石を用いる構成となっているので、その分、コスト高となっている。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、トルクの低下を招かないようにロータの永久磁石にフェライト磁石を用いて低コスト化を図ることができる埋め込み磁石式モータを提供することを目的とする。

上記目的を達成するためになされた請求項１に記載の発明は、三相巻線が巻装された積層鉄心を有するステータと、このステータに所定寸法の空隙長を持って外周が離間し、且つ内周が回転軸に固定された環状の積層鉄心を有するロータとを備える埋め込み磁石式モータにおいて、前記ロータの環状の表面に、当該環状の中心から延びる仮想放射線に長手方向軸が沿った長方形状のスリットと、前記仮想放射線に長手方向軸が沿った長方形状の永久磁石とを、当該環状の周方向に所定間隔で交互にモータ極数Ｐの１／２個づつ配設し、各々のスリットと永久磁石との間に、モータ極数Ｐ箇所のセグメント領域（前記の表面近くの鉄心部領域）が形成され、これらセグメント領域が周方向に沿ってＮ極とＳ極に交互に磁化されるようにしたことを特徴とする。

この構成によれば、ステータからロータへ弱め界磁制御を行った場合、ステータから見ると、スリットと永久磁石とが並列に配置されているので、ステータからの逆磁界による磁束が永久磁石のみならずスリットにも流れる。従って、永久磁石への過大な減磁界の印加を防止して高速回転域でのトルク低下を防止することができる。また、永久磁石が、極数Ｐの１／２の数でよく、且つスリット２１の間に配置されるため、永久磁石一個の幅を広くすることができ、これによって磁力が強められる。従って、永久磁石がフェライト磁石の場合はトルクの低下を来たすことが無くなり、希土類磁石の場合はトルクが向上する。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の埋め込み磁石式モータにおいて、前記スリットの前記仮想放射線に沿った長手方向軸と直交する方向の幅は、前記ステータと前記ロータとの空隙長よりも幅広で、且つ前記永久磁石の前記仮想放射線に沿った長手方向軸と直交する方向の幅よりも狭い寸法であることを特徴とする。

この構成によれば、スリットの幅が空隙長よりも幅広なので、永久磁石からの磁束はスリットには流れにくく前記空隙を通してステータの方に流れ易く、更に、スリットの幅は永久磁石の幅よりも狭いので、高速回転領域などで弱め界磁作用をさせるステータからの逆磁界が加わったときに逆磁界は前記磁石よりも前記スリットに流し易くなりその結果前記永久磁石への逆磁界は緩和されるという作用が得られる。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の埋め込み磁石式モータにおいて、前記スリットは、前記永久磁石間の中央乃至は略中央に配置されていることを特徴とする。

この構成によれば、逆界磁により永久磁石及びスリットに発生する磁束をバランスよく流すことができるので、トルクが安定的に発生してロータをスムーズに回転させることができる。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の埋め込み磁石式モータにおいて、前記永久磁石は、当該永久磁石の長手方向軸が前記仮想放射線に対して斜めに配置されていることを特徴とする。

この構成によれば、ステータに対向する方向の永久磁石の面積が広がるので、その分、逆磁界による磁束を多く流すことができ、トルクを増大させることができる。

請求項５に記載の発明は、請求項１〜４のいずれか１項に記載の埋め込み磁石式モータにおいて、前記永久磁石は、フェライト磁石であることを特徴とする。

この構成によれば、永久磁石を安価なフェライト磁石とすることができるので、埋め込み磁石式モータのコストを低減させることができる。

請求項６に記載の発明は、請求項１，３，４のいずれか１項に記載の埋め込み磁石式モータにおいて、前記永久磁石を希土類磁石とし、この希土類磁石の前記仮想放射線に沿った長手方向軸と直交する方向の幅を、前記スリットの前記仮想放射線に沿った長手方向軸と直交する方向の幅以下の寸法としたことを特徴とする。

この構成によれば、永久磁石が希土類磁石であっても、当該希土類磁石の幅が狭く且つモータ極数の１／２の数で済むので、全体的に希土類磁石の使用量を減少させることができ、その分、モータ製作コストを低減させることができる。

以上説明したように本発明によれば、トルクの低下を招かないようにロータの永久磁石にフェライト磁石を用いて低コスト化を図ることができる埋め込み磁石式モータを提供することができるという効果がある。

従来の埋め込み磁石式モータとしての永久磁石形同期回転電機のロータの構成を示す図である。 本発明の実施形態に係る埋め込み磁石式モータの構成を示し、（ａ）は埋め込み磁石式モータの断面図、（ｂ）は埋め込み磁石式モータのロータの一部表面図である。 本実施形態の埋め込み磁石式モータのロータの他の構成を示す一部表面図である。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。但し、本明細書中の全図において相互に対応する部分には同一符号を付し、重複部分においては後述での説明を適時省略する。

図２は、本発明の実施形態に係る埋め込み磁石式モータの構成を示し、（ａ）は埋め込み磁石式モータの断面図、（ｂ）は埋め込み磁石式モータのロータの一部表面図である。

図２に示す埋め込み磁石式モータ（ＩＰＭモータ）１０は、例えば電気自動車に搭載されており、電力変換用のインバータ（図示せず）に接続された三相巻線１１と、この三相巻線１１を巻装した積層鉄心１２とを有して成るステータ１３を備え、このステータ１３に対して０．３ｍｍの空隙長Ｇ１を持って外周が離間し、且つ内周が回転軸１４に固定された環状の積層鉄心１５を有して成るロータ１６を備えて構成されている。

本実施形態の特徴は、ロータ１６の環状の表面に、当該環状の中心から延びる仮想の放射線上に長手方向が沿った細長い長方形状のスリット２１と、同様に仮想放射線上に沿った長方形状のフェライト磁石による永久磁石２２とを、周方向に所定間隔で交互に当該モータの極数Ｐの１／２個づつ配設し、各々のスリット２１と永久磁石２２との間に、極数Ｐ箇所のセグメント領域２３が形成され、これらセグメント領域２３が周方向に沿ってＮ極とＳ極に交互に磁化されるように構成した点にある。ここで、極数が８であるとし、スリット２１及び永久磁石２２が各々４個づつ配設されているとする。また、矢印Ｙ１がロータ１６の回転方向である。

また、スリット２１の仮想放射線と直交方向の幅２１ｗは、ステータ１３とロータ１６との空隙長Ｇ１よりも幅広で且つ永久磁石２２の仮想放射線と直交方向の幅２２ｗよりも狭い寸法である。ここでは、空隙長Ｇ１が０．３ｍｍであり、永久磁石２２の幅２２ｗが８ｍｍである場合に、スリット２１の幅２１ｗが１．５ｍｍであるとする。

このような構成の埋め込み磁石式モータ１０において、高速回転域などで制限電圧を超える駆動領域で、ステータ１３からロータ１６へ弱め界磁制御を行ったとする。この場合、ステータ１３から見ると、スリット２１と永久磁石２２とが並列に配置されているので、ステータ１３からの逆磁界による磁束が図３にφ２２、φ２１で示すように、永久磁石２２とスリット２１に流れる。つまり、永久磁石２２のみならず、スリット２１にもセグメント領域２３を通って磁束φ２１が分散されて流れるので、これがリラクタンストルクとなる。なお、ロータ１６のトルクは、永久磁石２２を流れる磁束φ２２によるマグネットトルクと、リラクタンストルクとの和となる。

従って、永久磁石２２のみに減磁界による過大な磁束φ２２が流れることなく、スリット２１にも磁束φ２１が分散して流れることになる。このように分散して磁束φ２１が最適に流れるようにするため、スリット２１の幅２１ｗを空隙長Ｇ１よりも幅広としてある。更にその幅２１ｗが永久磁石２２の幅２２ｗよりも狭くなっているのは、磁束φ２１を分散して流しすぎないようにするためである。

また、弱め界磁制御を行なわない場合、スリット２１の幅２１ｗが空隙長Ｇ１よりも幅広で永久磁石２２の幅２２ｗよりも狭くしてあるので、スリット２１への磁束φ２１の漏れも永久磁石２２に対して相対的に少ない。更に、永久磁石２２が、極数Ｐの１／２の数でよくスリット２１の間に配置されるため、永久磁石２２一個の幅２２ｗを広くすることができ、これによって磁力が強められるのでトルクの低下を来たすことはない。

このようなフェライト磁石が永久磁石２２としてロータ１６に配設された埋め込み磁石式モータ１０を、従来の希土類磁石であるネオジウム磁石が永久磁石としてロータに配設された埋め込み磁石式モータと比較したところ、トルクや減磁耐力がほぼ同等であり、使用されている永久磁石２２のコストが約１／３となる効果が得られた。つまり、トルクの低下を招かないようにロータ１６の永久磁石にフェライト磁石を用いて低コスト化を図ることができる。

このように本実施形態の埋め込み磁石式モータ１０は、ロータ１６の環状の表面に、当該環状の中心から延びる仮想放射線に長手方向軸が沿った長方形状のスリット２１と、仮想放射線に長手方向軸が沿った長方形状の永久磁石２２とを、当該環状の周方向に所定間隔で交互にモータ極数Ｐの１／２個づつ配設し、各々のスリット２１と永久磁石２２との間に、モータ極数Ｐ箇所のセグメント領域２３が形成され、これらセグメント領域２３が周方向に沿ってＮ極とＳ極に交互に磁化されるようにしてある。

これによって、ステータ１３からロータ１６へ弱め界磁制御を行った場合、ステータ１３から見ると、スリット２１と永久磁石２２とが並列に配置されているので、ステータ１３からの逆磁界による磁束が永久磁石２２のみならずスリット２１にも流れる。従って、永久磁石２２への過大な減磁界の印加を防止して高速回転域でのトルク低下を防止することができる。また、永久磁石２２が、極数Ｐの１／２の数でよく、且つスリット２１２１の間に配置されるため、永久磁石２２一個の幅を広くすることができ、これによって磁力が強められる。従って、永久磁石２２がフェライト磁石の場合はトルクの低下を来たすことが無くなる。永久磁石２２が希土類磁石の場合はトルクが向上する。

また、スリット２１の仮想放射線に沿った長手方向軸と直交する方向の幅を、ステータ１３とロータ１６との空隙長Ｇ１よりも幅広で、且つ永久磁石２２の仮想放射線に沿った長手方向軸と直交する方向の幅よりも狭い寸法とする。

これによって、スリット２１の幅が空隙長Ｇ１よりも幅広なので、永久磁石２２からの磁束はスリット２１には流れにくく空隙Ｇ１を通してステータの方に流れ易く、更に、スリット２１の幅は永久磁石２２の幅よりも狭いので、高速回転領域などで弱め界磁作用をさせるステータ１３からの逆磁界が加わったときに逆磁界は永久磁石２２よりもスリット２１に流し易くなりその結果永久磁石２２への逆磁界は緩和されることになる。

更に、スリット２１を、永久磁石２２間の中央乃至は略中央に配置する。これによって、逆界磁により永久磁石２２及びスリット２１に発生する磁束をバランスよく流すことができるので、トルクが安定的に発生してロータ１６をスムーズに回転させることができる。

更には、永久磁石２２を、当該永久磁石２２の長手方向軸が仮想放射線に対して斜めに配置する。これによって、ステータ１３に対向する方向の永久磁石２２の面積が広がるので、その分、逆磁界による磁束を多く流すことができ、トルクを増大させることができる。

この他、図３に示すように、永久磁石をネオジウム磁石等の希土類磁石３２とし、この希土類磁石３２の仮想放射線に沿った長手方向軸と直交する方向の幅３２ｗを、スリット２１の幅１９ｗ以下の寸法としても良い。この構成の場合、永久磁石が希土類磁石３２であっても、当該希土類磁石３２の幅３２ｗが狭く且つモータ極数の１／２の数で済むので、全体的に希土類磁石３２の使用量を減少させることができ、その分、モータ製作コストを低減させることができる。

１０ 埋め込み磁石式モータ
１１ 三相巻線
１２ 積層鉄心
１３ ステータ
１４ 回転軸
１５ 積層鉄心
１６ ロータ
２１ スリット
２２ 永久磁石
２３ セグメント領域
３２ 希土類磁石

Claims (6)

1. 三相巻線が巻装された積層鉄心を有するステータと、このステータに所定寸法の空隙長を持って外周が離間し、且つ内周が回転軸に固定された環状の積層鉄心を有するロータとを備える埋め込み磁石式モータにおいて、
   前記ロータの環状の表面に、当該環状の中心から延びる仮想放射線に長手方向軸が沿った長方形状のスリットと、前記仮想放射線に長手方向軸が沿った長方形状の永久磁石とを、当該環状の周方向に所定間隔で交互にモータ極数Ｐの１／２個づつ配設し、各々のスリットと永久磁石との間に、モータ極数Ｐ箇所のセグメント領域が形成され、これらセグメント領域が周方向に沿ってＮ極とＳ極に交互に磁化されるようにしたことを特徴とする埋め込み磁石式モータ。
2. 前記スリットの前記仮想放射線に沿った長手方向軸と直交する方向の幅は、前記ステータと前記ロータとの空隙長よりも幅広で、且つ前記永久磁石の前記仮想放射線に沿った長手方向軸と直交する方向の幅よりも狭い寸法であることを特徴とする請求項１に記載の埋め込み磁石式モータ。
3. 前記スリットは、前記永久磁石間の中央乃至は略中央に配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の埋め込み磁石式モータ。
4. 前記永久磁石は、当該永久磁石の長手方向軸が前記仮想放射線に対して斜めに配置されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の埋め込み磁石式モータ。
5. 前記永久磁石は、フェライト磁石であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の埋め込み磁石式モータ。
6. 前記永久磁石を希土類磁石とし、この希土類磁石の前記仮想放射線に沿った長手方向軸と直交する方向の幅を、前記スリットの前記仮想放射線に沿った長手方向軸と直交する方向の幅以下の寸法としたことを特徴とする請求項１，３，４のいずれか１項に記載の埋め込み磁石式モータ。

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