JP4783495B2

JP4783495B2 - 永久磁石埋め込み式回転電機

Info

Publication number: JP4783495B2
Application number: JP2000327593A
Authority: JP
Inventors: 公朗蜂須賀
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2000-10-26
Filing date: 2000-10-26
Publication date: 2011-09-28
Anticipated expiration: 2020-10-26
Also published as: JP2002136005A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、永久磁石埋め込み式回転電機に関し、特に、コギングトルクの発生を可及的に阻止できる永久磁石埋め込み式回転電機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、永久磁石を備えるロータとステータを有する回転電機には、該ロータと該ステータとの相対的な位置関係の違いにより磁束の流れが不均一となり、コギングトルクが発生する。特に、回転電機が低回転で回転する場合、このコギングトルクによって該回転電機が滑らかに回転しないという不具合がある。このため、永久磁石をロータの軸に対して周方向に不等ピッチで配置することにより磁束の流れを略均一化して可及的にコギングトルクの発生を阻止している。
【０００３】
この従来技術に係る回転電機の一例として、特開平７−１９４０７９号公報に開示されている表面磁石構造型の回転電機がある。
【０００４】
従来技術に係る回転電機１は、アウターロータタイプであって、図４に示すように、２４個の永久磁石２−１〜２−２４を有するロータ３と、３６個のティース４を有するステータ５から構成される。この永久磁石２−１〜２−２４はロータ３の軸に対して周方向に不等ピッチで配置されている。その際、永久磁石２−１を基準として、図４において該永久磁石２−１から反時計回りに数えてｉ番目の永久磁石を２−ｉとする。このｉ番目の永久磁石２−ｉの位置と、２４個の永久磁石２−１〜２−２４をロータ３の軸に対して周方向に等ピッチで配置した場合のｉ番目の永久磁石２−ｉの位置との角度のずれをΔθｉとすると、−１８０／Ｎｃ≦Δθｉ≦１８０／Ｎｃ（ｉ＝１、２、…、Ｎｒ）の関係を満足するように該永久磁石２−ｉは配置されている。ここで、Ｎｃは、永久磁石２−１〜２−２４の個数Ｎｒと、ティース４の個数Ｎｓとの最小公倍数である。さらに、詳細には、ロータ３の１回転を１周期とする三角波と考えた場合、前記Δθｉは、Δθｉ＝７２０×ｉ／（Ｎｃ×Ｎｒ）（１≦ｉ≦Ｎｒ／４）、Δθｉ＝３６０／Ｎ−７２０×ｉ／（Ｎｃ×Ｎｒ）（Ｎｒ／４≦ｉ≦３Ｎｒ／４）及びΔθｉ＝−７２０／Ｎｃ＋７２０×ｉ／（Ｎｃ×Ｎｒ）（３Ｎｒ／４≦ｉ≦Ｎｒ）の関係をそれぞれ満足している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来技術に係る回転電機１は、ロータ３の表面に永久磁石２−１〜２−２４が貼り付けられている構造であるため、例えば、ロータ３に永久磁石が埋め込まれた埋め込み磁石構造型の回転電機のようにリラクタンストルクを有効に利用することができないという難点ある。
【０００６】
本発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、ロータ３に永久磁石が埋め込まれた埋め込み磁石構造型の回転電機においてもコギングトルクの発生を可及的に阻止するとともに、リラクタンストルクを有効に利用することが可能な永久磁石埋め込み式回転電機を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、回転軸と、該回転軸に嵌合するとともに、凹部内に埋め込まれた永久磁石を極性が交互に逆となるように周方向に間隔を置いて４以上の偶数個備えるヨークと、コイルが巻回されたティースを複数備えるステータを有する永久磁石埋め込み式回転電機であって、前記複数の永久磁石における複数のＮ極磁石のうち１つを基準に、周方向に沿って順にｎ番目（ｎ＝１、２、…、Ｎｒ／２）のＮ極磁石ととらえ、前記複数の永久磁石における複数のＳ極磁石のうち１つを基準に、周方向に沿って順にｎ番目（ｎ＝１、２、…、Ｎｒ／２）のＳ極磁石ととらえた場合において、前記ｎ番目のＮ極磁石及び前記ｎ番目のＳ極磁石は、それぞれ、該回転軸の回転方向と反対方向に、Δθｎ＝７２０（ｎ−１）／（Ｎｃ×Ｎｒ）（ｎ＝１、２、…、Ｎｒ／２）（但し、永久磁石の個数をＮｒとし、ティースの個数をＮｓとし、ＮｒとＮｓとの最小公倍数をＮｃとする）の関係式で求められるΔθｎだけずらした位置に配置され、前記ヨークにおける隣り合う前記永久磁石の間に形成された突極部の幅寸法に関し、該永久磁石を前記回転軸の周方向に等ピッチで配置した場合における隣り合う該永久磁石の間に形成された突極部の幅寸法より大きい部位を、前記幅寸法と同じにすべく、前記凹部を形成することを特徴とする。
【０００８】
本発明によれば、ヨークに埋め込まれた永久磁石を、該永久磁石を回転軸の周方向に等ピッチで配置する場合と比して該回転軸の回転方向と反対方向にずらした位置に配置する、すなわち不等ピッチに配置する。永久磁石とティースとの相対的な位置関係が同じになる周期がコギングトルクの周期であるため、永久磁石を不等ピッチで配置することにより、コギングトルクの周期を短縮化でき、コギングトルクの発生を可及的に阻止することが可能となる。
【０００９】
さらに、回転軸が回転することにより発生した磁束は、突極部を通過してティースに入りこむ。その際、本発明に係る永久磁石埋め込み式回転電機においては、不等ピッチに配置された隣り合う永久磁石の間に形成される突極部の幅に関し、等ピッチに配置された隣り合う永久磁石の間に形成される突極部の幅寸法より大きい部位を、前記幅寸法と同じになるように該永久磁石が埋め込まれる凹部を形成するため、該突極部の位相がリラクタンストルクを発生するのに適した位置にずれるので、リラクタンストルクを有効に利用することが可能となる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明に係る永久磁石埋め込み式回転電機について好適な実施の形態を挙げ、添付の図１乃至図３を参照しながら以下詳細に説明する。なお、この永久磁石埋め込み式回転電機は、その用途が限定されるものではないが、例えば、内燃機関を有する自動車などの構成部品として用いられると好ましい。
【００１１】
本実施の形態に係る永久磁石埋め込み式回転電機１０は、図１に示すように、大径部１２と小径部１４とからなる回転軸１６と、該回転軸１６に嵌合するとともに、該回転軸１６と一体的に回転動作するヨーク１８と、回転部２０を有する。このヨーク１８は高透磁率材からなる鋼板（例えば、けい素鋼板）を積層してなり、その下端面２２には前記大径部１２の側周壁に嵌合されたカバー２４の環状凸部２６が係合する。前記ヨーク１８には、その寸法が略同一な６個の永久磁石２８ａ〜２８ｆが埋め込まれている（図２参照）。前記永久磁石２８ａ〜２８ｆの配置状態については、後で詳述する。
【００１２】
前記回転軸１６には前記大径部１２の一部を切り欠くことにより環状凹部３０が形成されており、該環状凹部３０には回転部２０を弾発付勢するコイルスプリング３２が配置される。さらに、前記回転軸１６の軸方向の中心部にはテーパ状に縮径した挿入口３４が形成されるとともに、該挿入口３４の頂部に連通してボルト挿入孔３６が形成される。この挿入口３４には図示しない内燃機関を構成するクランクシャフト３８が嵌合し、前記ボルト挿入孔３６には図示しない冷却用ファンに固定されるボルト４０が挿入されて該クランクシャフト３８に螺合している。従って、前記クランクシャフト３８が回転動作する際にこれと一体的に前記ボルト４０が回転して図示しないファンが回転するに至る。なお、前記ファンに対向する位置には、例えば、ラジエータ（図示せず）等が配置される。
【００１３】
前記ヨーク１８は、該ヨーク１８と同様に高透磁率材からなる鋼板が積層された９個のティース４２ａ〜４２ｉを備えるステータ４４に囲繞されており、該ティース４２ａ〜４２ｉにはそれぞれ図示しない絶縁部材を介して第１〜第９電磁コイル４６ａ〜４６ｉが巻回されている（図２参照）。従って、ヨーク１８は、ティース４２ａ〜４２ｉに固定された第１〜第９電磁コイル４６ａ〜４６ｉにより囲繞される。また、前記ヨーク１８には、第１〜第９電磁コイル４６ａ〜４６ｉとは別の電磁コイル（図示せず）が固定されている。この図示しない電磁コイルは、永久磁石埋め込み式回転電機１０を発電機として機能させる際、誘起電圧を発生させるためのものである。
【００１４】
図２に示すように、ヨーク１８に形成された６つの凹部４８ａ〜４８ｆ内には、磁極の異なる永久磁石２８ａ〜２８ｆが交互にそれぞれ埋め込まれる。この場合、前記凹部４８ａ〜４８ｆは前記回転軸１６の周方向に沿って形成されている。従って、永久磁石２８ａ、２８ｃ、２８ｅはＮ極の永久磁石であり、永久磁石２８ｂ、２８ｄ、２８ｆはＳ極の永久磁石である。さらに、前記ヨーク１８における前記永久磁石２８ａ〜２８ｆのそれぞれの間には突極部５０ａ〜５０ｆが形成される。
【００１５】
ここで、永久磁石２８ａ〜２８ｆの配置状態について説明する。
【００１６】
一般に、磁極の異なる永久磁石が交互に配置された回転軸と、コイルが巻回されたティースを有するステータとの関係において、永久磁石の個数をＮｒとし、ティースの個数をＮｓとし、該永久磁石の個数Ｎｒと該ティースの個数Ｎｓの最小公倍数をＮｃとし、該永久磁石を該回転軸の周方向に等ピッチで配置した場合、コギング周期角θｋは、θｋ＝３６０／Ｎｃとなる。つまり、回転軸がθｋだけ回転する毎に永久磁石とティースの相対的な位置関係が同じになる。このとき、Ｎ極の磁石及びＳ極の磁石をそれぞれの基準の磁石からΔθｎだけ回転軸の回転方向と反対方向にずらして不等ピッチで配置することにより、回転軸がθｋだけ回転する間に永久磁石とティースの相対的な位置関係が同じになる場合が生じてコギングトルクの発生を可及的に阻止することができる。その際、Δθｎは、Δθｎ＝θ₀（ｎ−１）＝（ｎ−１）×θｋ／（Ｎｒ／２）（ｎ＝１、２、…、Ｎｒ／２、但し、ｎは整数）により求められる。しかしながら、各磁石のずらし方は複数パターンあり、例えば、隣り合うＮ極の磁石とＳ極の磁石との間の中心角が小さすぎるとコギングトルクの阻止にあまり効果がないこともあり得るため、最適なパターンを選択する必要がある。
【００１７】
本実施の形態においては、永久磁石２８ａ〜２８ｆの個数Ｎｒを６とし、ティース４２ａ〜４２ｉの個数Ｎｓを９としているため、ＮｒとＮｓとの最小公倍数Ｎｃは１８となり、コギング周期角θｋは２０゜となる。そして、永久磁石２８ａ〜２８ｆを回転軸１６の周方向に等ピッチで配置した場合の隣り合う磁石間の中心角θｍは６０゜となり、該永久磁石２８ａ〜２８ｆを不等ピッチで配置した場合の隣り合う磁石間の最小の中心角θｍ’を、θｍ’＝６０−θ₀とする。この場合、θ₀は、θ₀＝θｋ／（Ｎｒ／２）であるため、６゜４０’となる。すなわち、θｍ’は５３゜２０’となり、そのときの、磁石のずれ角は、Δθ₁＝０゜、Δθ₂＝６゜４０’、Δθ₃＝１３゜２０’となる。
【００１８】
従って、Ｎ極の永久磁石２８ａ、２８ｃ、２８ｅの配置は、永久磁石２８ａを基準の磁石とした場合（Δθ_1Nとした場合）、図２に示すような配置になる。すなわち、永久磁石２８ｅは等ピッチで配置した場合と比して６゜４０’（図２中、Δθ_2N）だけ回転軸１６の回転方向（図２中、矢印Ａ方向）と反対方向にずれており、永久磁石２８ｃは等ピッチで配置した場合と比して１３゜２０’ （図２中、Δθ_3N）だけ回転軸１６の回転方向と反対方向にずれている。一方、Ｓ極の永久磁石２８ｂ、２８ｄ、２８ｆの配置は、永久磁石２８ｆを基準の磁石とした場合（Δθ_1Sとした場合）、図２に示すような配置になる。すなわち、永久磁石２８ｂは等ピッチで配置した場合と比して６゜４０’ （図２中、Δθ_2S）だけ回転軸１６の回転方向と反対方向にずれており、永久磁石２８ｄは等ピッチで配置した場合と比して１３゜２０’ （図２中、Δθ_3S）だけ該回転軸１６の回転方向と反対方向にずれている。この場合、永久磁石２８ｄと永久磁石２８ｅとの間の中心角及び永久磁石２８ｅと永久磁石２８ｆとの間の中心角が隣り合う磁石間の中心角の最小角θｍ’となり、その角度は５３゜２０’となる。
【００１９】
ここで、永久磁石２８ａ及び永久磁石２８ｆを基準の磁石としたため、該永久磁石２８ａと該永久磁石２８ｆとの相対的な位置関係は、回転軸１６に対し周方向に等ピッチで磁石を配置した場合と同じになる。従って、突極部５０ａ〜５０ｆの幅において、前記永久磁石２８ａと前記永久磁石２８ｆとの間に形成された突極部５０ａの幅Ｈ１が基準の幅寸法となる。
【００２０】
そこで、回転軸１６が回転することにより発生した磁束は、突極部５０ａ〜５０ｆを通過してティース４２ａ〜４２ｉ、すなわちステータ４４に入りこむため、該突極部５０ａ〜５０ｆの幅が広すぎるとティース４２ａ〜４２ｉに入りこむ磁束密度が低くなるため磁気抵抗が高くなりリラクタンストルクを有効に利用することができなくなる。つまり、突極部５０ｂ〜５０ｆのそれぞれの幅Ｈ２〜Ｈ６の中で幅Ｈ１よりも大なる幅寸法のものを幅Ｈ１と同じにする必要がある。従って、上述した永久磁石２８ａ〜２８ｆの不等ピッチ配置においては、永久磁石２８ａと永久磁石２８ｂとの間の突極部５０ｂの幅Ｈ２と、永久磁石２８ｂと２８ｃとの間の突極部５０ｃの幅Ｈ３とが幅Ｈ１より広いため、Ｈ１＝Ｈ２＝Ｈ３となるように、凹部４８ａ及び４８ｂを形成している（図２参照）。なお、永久磁石２８ｃと永久磁石２８ｄとの間の突極部５０ｄの幅Ｈ４と、永久磁石２８ｄと２８ｅとの間の突極部５０ｅの幅Ｈ５と、永久磁石２８ｅと２８ｆとの間の突極部５０ｆの幅Ｈ６とは幅Ｈ１より狭くなっている。従って、前記Ｈ４、Ｈ５及びＨ６では充分な磁束密度が得られる。
【００２１】
永久磁石２８ａ〜２８ｆの不等ピッチ配置によりヨーク１８の回転バランスが悪化するが、本実施の形態によれば、該永久磁石２８ａ〜２８ｆを不等ピッチで配置した場合でも、回転バランスが悪化しないように該ヨーク１８を設計して回転バランスを良好に保持できる。例えば、図３に示すように、ヨーク１８に複数の抜き穴５２ａ〜５２ｆを形成することにより該ヨーク１８の重心のずれを回避することができるため回転バランスの悪化を阻止することが可能となる。この抜き穴５２ａ〜５２ｆにより、さらに、ヨーク１８の軽量化をも達成することができる。
【００２２】
以上のような構成において、回転軸１６が低速で回転動作する場合には、コイルスプリング３２の弾発力により回転部１６が図１において上方に弾発付勢される。これにより、前記回転部１６の、図１において上方に位置する図示しないブラシを介して、バッテリ（図示せず）と第１〜第９電磁コイル４６ａ〜４６ｉのうち任意の電磁コイルが電気的に接続され、該バッテリから電流が供給されて永久磁石埋め込み式回転電機１０が、モータとして機能することになる。
【００２３】
そして、回転軸１６が高速で回転動作するようになると、図示しない前記ブラシが前記バッテリ（図示せず）から電気的に切り離されることになる。この場合、ヨーク１８が回転動作しているので、該ヨーク１８に保持された永久磁石２８ａ〜２８ｆにより、第１〜第９電磁コイル４６ａ〜４６ｉとは別の図示しない電磁コイルに誘起電圧が発生する。すなわち、永久磁石埋め込み式回転電機１０は、発電機として機能することになる。
【００２４】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、ヨークに埋め込まれた永久磁石を、回転軸の周方向に等ピッチで配置する場合と比して該回転軸の回転方向と反対方向にずらした位置に配置する、すなわち不等ピッチに配置する。永久磁石とティースとの相対的な位置関係が同じになる周期がコギングトルクの周期であるため、永久磁石を前記のように不等ピッチで配置することにより、コギングトルクの周期を短縮化でき、コギングトルクの発生を可及的に阻止することが可能となる。
【００２５】
さらに、回転軸が回転することにより発生した磁束は、突極部を通過してティースに入りこむ。その際、不等ピッチに配置された隣り合う永久磁石の間に形成される突極部の幅を、等ピッチに配置された隣り合う永久磁石の間に形成される突極部の幅以下になるように該永久磁石が埋め込まれる凹部を形成するため、該突極部における磁束密度が高くなり、それにより磁気抵抗が低くなるのでリラクタンストルクを有効に利用することが可能になるという特有の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態に係る永久磁石埋め込み式回転電機の要部を示す一部省略縦断面概略構成図である。
【図２】図１におけるＩＩ−ＩＩ線からみた矢視説明図である。
【図３】図１の永久磁石埋め込み式回転電機を構成するヨークに抜き穴を形成した状態を示す平面説明図である。
【図４】従来技術に係る回転電機の要部を示す平面説明図である。
【符号の説明】
１０…永久磁石埋め込み式回転電機１６…回転軸
１８…ヨーク２８ａ〜２８ｆ…永久磁石
４２ａ〜４２ｉ…ティース４４…ステータ
４６ａ〜４６ｉ…第１〜第９電磁コイル
４８ａ〜４８ｆ…凹部５０ａ〜５０ｆ…突極部
５２ａ〜５２ｆ…抜き穴

Claims

回転軸と、該回転軸に嵌合するとともに、凹部内に埋め込まれた永久磁石を極性が交互に逆となるように周方向に間隔を置いて４以上の偶数個備えるヨークと、コイルが巻回されたティースを複数備えるステータを有する永久磁石埋め込み式回転電機であって、
前記複数の永久磁石における複数のＮ極磁石のうち１つを基準に、周方向に沿って順にｎ番目（ｎ＝１、２、…、Ｎｒ／２）のＮ極磁石ととらえ、前記複数の永久磁石における複数のＳ極磁石のうち１つを基準に、周方向に沿って順にｎ番目（ｎ＝１、２、…、Ｎｒ／２）のＳ極磁石ととらえた場合において、
前記ｎ番目のＮ極磁石及び前記ｎ番目のＳ極磁石は、それぞれ、該回転軸の回転方向と反対方向に、Δθｎ＝７２０（ｎ−１）／（Ｎｃ×Ｎｒ）（ｎ＝１、２、…、Ｎｒ／２）（但し、永久磁石の個数をＮｒとし、ティースの個数をＮｓとし、ＮｒとＮｓとの最小公倍数をＮｃとする）の関係式で求められるΔθｎだけずらした位置に配置され、
前記ヨークにおける隣り合う前記永久磁石の間に形成された突極部の幅寸法に関し、該永久磁石を前記回転軸の周方向に等ピッチで配置した場合における隣り合う該永久磁石の間に形成された突極部の幅寸法より大きい部位を、前記幅寸法と同じにすべく、前記凹部を形成することを特徴とする永久磁石埋め込み式回転電機。