JP2011083114A

JP2011083114A - 電動機

Info

Publication number: JP2011083114A
Application number: JP2009233022A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Aoyama; 真大青山
Original assignee: Suzuki Motor Corp
Current assignee: Suzuki Motor Corp
Priority date: 2009-10-07
Filing date: 2009-10-07
Publication date: 2011-04-21

Abstract

【課題】本発明は、電気角に対する磁気抵抗の脈動を抑制すること、コギントルクやトルクリップル、鉄損をより低減することを目的としている。
【解決手段】このため、複数の永久磁石群を有するロータと、等間隔に配置されたティースと、ティース間に形成されたスロットとを備えた電動機において、各々の永久磁石群は、等間隔に配置され、かつ２つの永久磁石から構成され、２つの永久磁石は、ロータ中心から外方に向かって開いたＶ字形状に配置され、ロータの外周の内、等間隔に配置され、かつＶ字形状を備えた永久磁石群同士の間に位置する部分の形状が、凹部形状を有している。
【選択図】図１

Description

この発明は電動機に係り、特に電気角に対する磁気抵抗の脈動の抑制を図るとともに、コギントルクやトルクリップル、鉄損の低減をも図る電動機に関するものである。

ＥＶ、ＨＥＶ、ＰＨＥＶ、ＦＣＶ等の車両に搭載される駆動用モータには、回転子に永久磁石を埋め込んだ電動機（永久磁石埋め込み型モータ：ＩＰＭモータ）が採用されている。
この電動機では、磁石の形状、配置、磁束の通り道を工夫することによって、自己インダクタンスの位置による磁気エネルギの変化によって生じる回転力であるリラクタンストルクを有効に活用することができ、このリラクタンストルクを有効に活用することで、永久磁石の磁界が形成する鎖交磁束と電機子電流との積によって生じるマグネットトルクとを合わせて、総トルク（モータトルク）を増強することができる。

特開２００４−３２８９５６号公報特開２００５−１０２４６１号公報

ところで、従来の電動機において、ＨＥＶ、ＥＶなどの駆動用モータに利用される電動機は、低回転減で大トルクに加えて、広い可変速特性が求められる。
これを実現するためには、前記のようにリラクタンストルクを有効的に使うことが有効で、そのために回転子の形状としては、永久磁石をＶ字形状に配置する方法が広く採用されている。

永久磁石１０６、１０７をＶ字形状に配置したロータ１０２を備えた電動機１０１には、図５に示すものがある。
図５において、前記電動機１０１は、前記ロータ１０２と、このロータ１０２の外周側に配設したステータ１０３とを備えている。
前記ロータ１０２は、複数の永久磁石群１０５を周方向に等間隔に配置している。
そして、永久磁石群１０５は、２つの永久磁石１０６、１０７から構成され、ロータ１０２の中心から外方に向かって開いたＶ字形状に配置されている。
前記ステータ１０３は、内周側に等間隔に配置された複数のティース１１２と、このティース１１２間に形成されたスロット１１３とを有している。
このティース１１２には、巻線相としてのＵ相コイル１１４とＶ相コイル１１５とＷ相コイル１１６とをスロット１１３に通して巻回している。
また、前記電動機１０１は、永久磁石１０６、１０７をＶ字形状に配置するＶ字形型配置を採用することで、平板型配置に比べて、永久磁石１０６、１０７の開口度を調整することによりパーミアンスの微調整が可能になり、誘起電圧高調波含有率を下げることができ、高調波成分による鉄損低減の効果がある。

しかし、前記永久磁石をＶ字形状に配置してＶ字型配置とした電動機は、リラクタンストルクの比率が大きくなると、すなわち突極比が大きくなると、電気角に対する磁気抵抗の差が大きくなることから、モータトルクのトルクリップルの増加につながるという不都合がある。
そして、ｑ軸磁路を確保し、リラクタンストルクを有効利用することができるＶ字型配置は、永久磁石を回転子外径近くに平板型に配置した場合に比べ突極比が大きくなるため、モータトルクのトルクリップルが増加するという不都合がある。
このモータトルクのトルクリップルの増加は、電動機を車両の駆動用モータとして利用した場合に乗り心地に影響するため、できるだけ小さいことが望ましい。
また、モータトルクのトルクリップル、すなわち高調波トルクは電磁騒音増加にもつながり、運転者にとって不快な音となるため、できるだけ低減すべきである。

上述の特許文献１のような箇所に溝を設けることで、モータトルクのトルクリップル低減と鉄損低減とを図る方策では、溝形状が複雑であるため製品バラツキが出やすいという不都合がある。
また、遠心力が集中する箇所であり、亀裂の恐れがあることや、プレス打ち抜きによる残留応力によりＢＨ特性が劣化し、ｑ軸磁路の抵抗が高くなることが懸念される。

この発明は、電気角に対する磁気抵抗の脈動を抑制すること、コギントルクやトルクリップル、鉄損をより低減することを目的としている。

そこで、この発明は、上述不都合を除去するために、複数の永久磁石群を有するロータと、等間隔に配置されたティースと、このティース間に形成されたスロットとを備えた電動機において、各々の永久磁石群は、等間隔に配置され、かつ２つの永久磁石から構成され、２つの永久磁石は、前記ロータ中心から外方に向かって開いたＶ字形状に配置され、前記ロータの外周の内、等間隔に配置され、かつＶ字形状を備えた永久磁石群同士の間に位置する部分の形状が、凹部形状を有していることを特徴とする。

以上詳細に説明した如くこの発明によれば、複数の永久磁石群を有するロータと、等間隔に配置されたティースと、ティース間に形成されたスロットとを備えた電動機において、各々の永久磁石群は、等間隔に配置され、かつ２つの永久磁石から構成され、２つの永久磁石は、ロータ中心から外方に向かって開いたＶ字形状に配置され、ロータの外周の内、等間隔に配置され、かつＶ字形状を備えた永久磁石群同士の間に位置する部分の形状が、凹部形状を有している。
従って、電気角に対する磁気抵抗の脈動を抑制することが可能である。
また、コギントルク、トルクリップル、鉄損をより低減することが可能である。

図１は電動機の部分断面図である。（実施例）図２は変形例を示す電動機の部分断面図である。（実施例）図３は無負荷誘起電圧波形の比較を示す図である。（実施例）図４は削り深さとトルクリップルの比較を示す図である。（実施例）図５はこの発明の従来技術を示す電動機の部分断面図である。

以下図面に基づいてこの発明の実施例を詳細に説明する。

図１〜図４はこの発明の実施例を示すものである。
図１において、１は電動機、２はロータ（「回転子」または「ロータコア」とも換言できる。）、３はロータ２の外周側に配設したステータ（「固定子」または「ステータコア」とも換言できる。）である。
前記ロータ２は、回転軸４に固定された磁性材料により円筒形状に形成され、このロータ２に複数の永久磁石群５を周方向に等間隔に配置している。
また、前記ロータ２の周方向に隣り合う永久磁石群５は、それぞれ周方向に交互に磁極が異なるように配置している。
そして、各々の永久磁石群５は、等間隔に配置され、かつ２つの第１、第２永久磁石６、７から構成される。
前記ロータ２には、各々の永久磁石群５を構成する２つの第１、第２永久磁石６、７をそれぞれ挿入して固定するための、２つの第１、第２磁石挿入孔８、９を軸方向に形成している。
このとき、一対の第１、第２磁石挿入孔８、９は、断面長四角形状に形成され、長手方向を前記ロータ２の中心から外方に向かって開いたＶ字形状に配置される。
前記第１、第２磁石挿入孔８、９の長手方向両端には、図１に示す如く、磁束の通過を阻止するフラックスバリア１０、１１を形成している。
前記第１、第２永久磁石６、７は、前記第１、第２磁石挿入孔８、９と同じ断面長四角形状に夫々形成され、第１、第２磁石挿入孔８、９に各々挿入されて固定される。
そして、前記第１永久磁石６が固定された第１磁石挿入孔８の長手方向両端には、前記フラックスバリア１０が配置されるとともに、前記第２永久磁石７が固定された第２磁石挿入孔９の長手方向両端には、前記フラックスバリア１１が配置される。

また、前記電動機１の前記ステータ３は、図１に示す如く、磁性材料により円筒形状に形成され、ステータ３の内周側に等間隔に配置されたティース１２と、このティース１２間に形成されたスロット１３とを有している。
前記ティース１２には、巻線相としてのＵ相コイル１４とＶ相コイル１５とＷ相コイル１６とを、例えば５つのティース１２に跨りスロット１３に通して巻回している。
このとき、前記Ｕ相コイル１４は、ティース１２の内周側に位置し、周方向に一つのティース１２を挟んで配置している。
また、前記Ｖ相コイル１５は、前記Ｕ相コイル１４の外周側に位置し、周方向に一つのティース１２を挟んで配置し、かつＵ相コイル１４に対して周方向にずらして重なるように配置している。
更に、前記Ｗ相コイル１６は、前記Ｖ相コイル１５の外周側に位置し、周方向に一つのティース１２を挟んで配置し、かつＶ相コイル１５に対して周方向にずらして重なるように配置している。
前記電動機１は、ロータ２の周方向に等間隔に永久磁石群５を配置し、ステータ３のＵ相コイル１４とＶ相コイル１５とＷ相コイル１６とにより回転磁界を発生させ、永久磁石群５の磁界との相互作用によりロータ２を回転させる。

そして、前記電動機１において、前記ロータ２の外周の内、等間隔に配置され、かつＶ字形状を備えた永久磁石群５同士の間に位置する部分の形状が、凹部１７形状を有している。
詳述すれば、前記ロータ２の外周に複数の永久磁石群５を設けた際に、図１及び図２に示す如く、隣接する永久磁石群５同士の間において、各々の永久磁石群５を構成する２つの第１、第２永久磁石６、７の内、一方の永久磁石群５の第１永久磁石６の外端角部６ｔと他方の永久磁石群５の第２永久磁石７の外端角部７ｔとの間、または一方の永久磁石群５の第２永久磁石７の外端角部７ｔと他方の永久磁石群５の第１永久磁石６の外端角部６ｔとの間を削って前記凹部１７を形成するものである。
また、前記電動機１は、従来の電動機（図５）がロータ２に永久磁石をＶ字型に配置した真円ロータ構造に対して、図１及び図２に示す如く、ロータ２外径形状に凹部１７を形成して非真円ロータ構造としている。
前記電動機１は、ロータ２が３極対、前記ステータ３が３６個のスロット１３、ティース１２に５ピッチで巻線された、一般的な３相ＩＰＭモータである。
ＩＰＭモータである前記電動機１のモータトルクは、マグネットトルクとリラクタンストルクとを足し合わせた大きさになる。
そのため、モータトルクのトルクリップルは、当然マグネットトルクとリラクタンストルクとの両方のリップルを足し合わせた大きさになる。
前記電動機１のロータ２形状では、追加したロータ２外径形状の凹部１７により、ｑ軸磁路のエアギャップ長を長くしてｑ軸磁束の磁気抵抗を大きくすることで電気角に対する磁気抵抗の差を低減することができる。

また、前記電動機１は、ｑ軸電機子反作用磁束が通り難くなることで突極比が低くなり、その結果リラクタンストルクのリップルを小さくすることが可能になる。
トルクリップルは、マグネットトルクとリラクタンストルクのリップルを足し合わせたものなので、当然トルクリップルが低減することにつながる。
従って、前記電動機１は、従来の電動機と比べて、コギントルクやトルクリップルをより低減することが可能である。
トルクリップルの低減は、図４の実線およびその他の線分ａ、ｂ、ｃから明らかなように、追加したロータ２外径形状の凹部１７の削り深さ（ａ：０．２ｍｍ、ｂ：０．３ｍｍ、ｃ：０．４ｍｍ）にかかわらず可能になる。
よって、前記電動機１のロータ２に、図２に示す如く、極端に削り深さを大きくした凹部２７を形成した場合でも、トルクリップルを低減することが可能である。ただし、リラクタンストルクが小さくなるため、モータトルクは低下することとなる。このため、適切なロータ２外径形状の凹部１７の削り深さは、要求トルクとトルクリップルの低減量とによって決定する必要がある。
また、追加するロータ２外径形状の凹部１７の削り深さや削り幅を調整することで、誘起電圧高調波含有率を下げることができ、高調波成分による鉄損低減の効果があり、鉄損をより低減することが可能である。

なお、図３においては、従来のＶ字型配置（図３の実線の「ベースモデル」が該当。）による無負荷誘起電圧波形とこの発明のロータ２外径形状に凹部１７（削り深さ０．３ｍｍ）を形成したＶ字型配置（図３の破線の「削り深さ０．３ｍｍ」が該当。）による無負荷誘起電圧波形とがほぼ一致している。

このように、前記電動機１において、前記ロータ２の外周の内、等間隔に配置され、かつＶ字形状を備えた永久磁石群５同士の間に位置する部分の形状が、凹部１７形状を有する。
これにより、前記電動機１は、モータトルクのトルクリップルを低減することが可能であり、電動機１を車両の駆動用モータとして利用した場合には、快適性向上に貢献できる。

また、１つの永久磁石群５を構成する２つの前記第１、第２永久磁石６、７の外端角部６ｔ、７ｔが、１つのティース１２の両側左右方向に配置されたスロット１３を数えて、各々２番目のスロット１３の幅方向中心と、ロータ２中心とを結ぶ直線上に位置している。
つまり、２つの前記第１、第２永久磁石６、７を線対称に分け、かつロータ２の中心Ｒ０（アール・ゼロ）を通る直線Ｌ１とした際に、図１に示す如く、この直線Ｌ１上に幅方向中心を位置する１つのティース１２を基準のティース１２ａとする。
また、この基準のティース１２ａの両側左右方向に配置されるスロット１３を左側第１スロット１３ａと右側第１スロット１３ｘとする。
そして、左側第１スロット１３ａから数えて２番目のスロット１３を左側第３スロット１３ｃとするとともに、右側第１スロット１３ｘから数えて２番目のスロット１３を右側第３スロット１３ｚとする。
このとき、左側第３スロット１３ｃの幅方向中心とロータ２の中心Ｒ０を通る直線をＬ２とする。
また、右側第３スロット１３ｚの幅方向中心とロータ２の中心Ｒ０を通る直線をＬ３とする。
さすれば、図１に示す如く、前記第１永久磁石６の外端角部６ｔが直線Ｌ２上に位置する一方、前記第２永久磁石７の外端角部７ｔが直線Ｌ３上に位置することとなる。従って、コギントルク、トルクリップルをより低減することが可能である。

更に、前記ロータ２を鉄心とした際に電気子電流が鎖交する磁束線の妨げにならないような位置に前記永久磁石群２は配置される。
つまり、磁束線は、磁場中のある一定面積を通りぬける磁力線の垂直成分を足し合わせた磁束（「磁気誘導束」とも言う。）を仮想線分にて表示されるものであり、この磁束線が前記永久磁石群２によって妨げられないように配置する必要がある。
例えば、この発明の実施例に開示されるように複数の前記永久磁石群２を等間隔、かつＶ字型配置とする。
従って、前記永久磁石群２を電気子電流が鎖交する磁束線の妨げにならないような位置に配置することが可能となり、前記電動機１の駆動効率の向上に寄与できる。

１電動機
２ロータ（「回転子」または「ロータコア」とも換言できる。）
３ステータ（「固定子」または「ステータコア」とも換言できる。）
４回転軸
５永久磁石群
６第１永久磁石
６ｔ外端角部
７第２永久磁石
７ｔ外端角部
８第１磁石挿入孔
９第２磁石挿入孔
１０、１１フラックスバリア
１２ティース
１３スロット
１４Ｕ相コイル
１５Ｖ相コイル
１６Ｗ相コイル
１７、２７凹部

Claims

複数の永久磁石群を有するロータと、等間隔に配置されたティースと、このティース間に形成されたスロットとを備えた電動機において、各々の永久磁石群は、等間隔に配置され、かつ２つの永久磁石から構成され、２つの永久磁石は、前記ロータ中心から外方に向かって開いたＶ字形状に配置され、前記ロータの外周の内、等間隔に配置され、かつＶ字形状を備えた永久磁石群同士の間に位置する部分の形状が、凹部形状を有していることを特徴とする電動機。
１つの永久磁石群を構成する２つの永久磁石の外端角部が、前記１つのティースの両側左右方向に配置されたスロットを数えて、各々２番目のスロットの幅方向中心と、ロータ中心とを結ぶ直線上に位置していることを特徴とする請求項１に記載の電動機。
ロータを鉄心とした際に電気子電流が鎖交する磁束線の妨げにならないような位置に前記永久磁石群は配置されることを特徴とする請求項２に記載の電動機。