JP2009296841A

JP2009296841A - 回転電機

Info

Publication number: JP2009296841A
Application number: JP2008150453A
Authority: JP
Inventors: Shinya Sano; 新也佐野; Eiji Yamada; 英治山田; Kazutaka Tatematsu; 和高立松; 泰秀 ▲柳▼生; Yasuhide Yagyu
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2008-06-09
Filing date: 2008-06-09
Publication date: 2009-12-17

Abstract

【課題】ロータを段スキューさせたときにロータの面内渦電流損失の発生を抑制する回転電機を提供することである。
【解決手段】回転電機１０において、周方向に所定の間隔で永久磁石８が配置された複数のロータ部２０ａ，２０ｂ，２０ｃを積層して、各ロータ部２０ａ，２０ｂ，２０ｃの永久磁石８の周方向の位置がずれるように各ロータ部２０ａ，２０ｂ，２０ｃを周方向にずらして設けられるロータ３を備え、隣接して積層されるロータ部２０ａ，２０ｂ，２０ｃの接合部分において永久磁石８の位置に対応する位置に設けられ、ロータ３の回転軸の軸方向に垂直な断面積が永久磁石８よりも大きい大きさを有する空洞部３０ａ，３０ｂを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転電機に係り、特に、複数のロータ部を周方向にずらして積層したロータを有する回転電機に関する。

ハイブリッド自動車や電機自動車等に用いられる回転電機として、界磁に永久磁石を用いた永久磁石回転電機が知られている。代表的な永久磁石回転電機として、回転子鉄心外周に永久磁石を貼り付けた表面磁石型永久磁石回転電機、永久磁石を回転子鉄心内に埋め込んだ埋め込み型永久磁石回転電機が知られている。可変特性に適している回転電機として、リラクタンストルクと磁石トルクとを併用した永久磁石式リラクタンス型回転電機が知られている。特に、永久磁石式リラクタンス型回転電機は、磁石トルクと同等からそれ以上のトルクを得ることができるリラクタンストルクを磁石トルクとともに利用しており、可変速駆動時において、中・低速回転時はリラクタンストルクと磁石トルクとで駆動し、高速回転時は主にリラクタンストルクで駆動する。

しかし、このような永久磁石を用いたモータは、回転子が回転されると、回転電機内に誘起電圧が発生する。また、集中巻方式は通常用いられる分布巻方式に比べ、永久磁石磁束によって発生する誘起電圧が大きくひずみ、トルクリップルが大きいという問題がある。そこで、特許文献１には、電機子巻線を有する固定子と、この固定子の内側に回転可能に設けられ、回転子鉄心を有する回転子と、この回転子に隣接した鉄心の磁極間を通る電機子巻線からの磁束を打ち消すように回転子鉄心内に配置された永久磁石と、を備えた永久磁石式リラクタンス型回転電機であって、回転子は、回転軸方向で２分割され、分割された回転子が周方向にずらして配置され、分割された一方の回転子鉄心の磁極中心と分割された他方の回転子鉄心の磁極中心とが回転軸に対してなす角度をスキュー角度θとしたとき、スキュー角度θは、１３度＜θ＜３１度であるものが開示されている。

特開２００６−３０４５４６号公報

上記特許文献１の構成によれば、発生する誘起電圧波形の最大値およびトルクリップルを低減することが可能である。しかし、特許文献１の構成では、図１０（ａ）に示されるように複数のロータ部を周方向にずらして積層する、いわゆるロータを段スキューさせたときに、それぞれのスキュー段間にロータの回転軸の軸方向に沿って漏れ磁束（矢印Ａ）が発生する。そして、図１０（ｂ）に示されるように隣接するロータ部内に渦電流（矢印Ｂ）が発生し、これによって面内渦電流損失が発生することが問題となる。

本発明の目的は、ロータを段スキューさせたときにロータの面内渦電流損失の発生を抑制する回転電機を提供することである。

本発明に係る回転電機は、周方向に所定の間隔で永久磁石が配置された複数のロータ部を積層して、各ロータ部の永久磁石の周方向の位置がずれるように各ロータ部を周方向にずらして設けられるロータを備える回転電機であって、隣接して積層されるロータ部の接合部分において永久磁石の位置に対応する位置に設けられ、ロータの回転軸の軸方向に垂直な断面積が永久磁石よりも大きい大きさを有する空洞部を備えることを特徴とする。

また、本発明に係る回転電機において、空洞部に非磁性体が充填されることが好ましい。

また、本発明に係る回転電機において、ロータの回転軸の軸方向の一方端と他方端とに接続される軸流路であって、ロータの軸芯において軸方向に冷媒を流すための軸流路と、軸流路から各空洞部に対して冷媒を流入させるための流入流路と、各空洞部から軸流路に冷媒を戻すための流出流路と、を備えることが好ましい。

上記構成の回転電機によれば、接合部分において永久磁石の位置に対応する位置に、ロータの回転軸の軸方向に垂直な断面積が永久磁石よりも大きい大きさを有する空洞部を有し、空洞部の透磁率は、例えば鋼板を積層して構成するロータの透磁率よりも低く磁束が漏れにくくなる。これにより、ロータの面内渦電流損失の発生を抑制することができる。

上記構成の空洞部に非磁性体が充填された回転電機によれば、磁束の漏れを抑制することができる。これにより、ロータの面内渦電流損失の発生を抑制することができる。また、非磁性体が永久磁石の軸方向の動きを規制することにもなるため、永久磁石の軸方向のずれを防止することもできる。

上記構成の冷媒の流入流路と流出流路とを有する回転電機によれば、ロータの軸芯に設けられた軸流路から空洞部へ冷媒を流すことができる。これにより、ロータの冷却効果を向上させることができる。

以下に、本発明に係る実施の形態について添付図面を参照しながら詳細に説明する。また、この説明において、具体的な形状、材料、数値、方向等は、本発明の理解を容易にするための例示であって、用途、目的、仕様等にあわせて適宜変更することができる。

図１は、本発明の第１実施形態である回転電機１０のロータ３を示す図である。図２は、図１における領域４を矢印Ｃから見た図である。回転電機１０は、ロータ３と図示しないステータとを含んで構成される。

ロータ３は、ロータ部２０ａ，２０ｂ，２０ｃと接合部４０ａ，４０ｂとを含んで構成される。ロータ３は、回転軸９を軸として周方向に回転する回転子として機能する。ステータは、インバータ回路に接続される巻線を有し、その巻線に流れる電流によって磁束が発生する。

各ロータ部２０ａ，２０ｂ，２０ｃは、電磁鋼板が積層して構成された円柱形状であり、回転軸９を軸として周方向に所定の角度θだけずらして積層して設けられるスキュー配置が行われている。

各ロータ部２０ａ，２０ｂ，２０ｃには、それぞれ永久磁石８の埋め込み用の孔７が設けられる。孔７は、矢印Ｄ側から見たときに略Ｖ字形状をなす２つの永久磁石８を一組としたものが、所定の間隔で周方向に並んで配置されている。孔７は、各ロータ部２０ａ，２０ｂ，２０ｃを軸方向に貫通する略四角柱形状の貫通孔である。

永久磁石８は、それぞれの孔７に圧入される四角柱形状の磁石である。そして、各ロータ部２０ａ，２０ｂ，２０ｃのスキューさせる前のそれぞれ対応する永久磁石８の位置は、ロータ部２０ａを基準とすると、ロータ部２０ｂは周方向に角度θだけずれ、ロータ部２０ｃは周方向にさらに角度θずれて設けられる。

ロータ部２０ａ，２０ｂ，２０ｃの回転軸９の軸方向の厚みは、図１に示されるようにｄ₁である。ロータ部２０ａ，２０，２０ｃの永久磁石８の回転軸９の軸方向の長さもｄ₁である。

接合部４０ａ，４０ｂは、電磁鋼板を積層して構成された円盤形状の部材である。接合部４０ａは、ロータ部２０ａとロータ部２０ｂとの間に配置され、回転軸９の軸方向の厚みはｄ₂である。接合部４０ａには、周方向に所定の間隔で空洞部３０ａが設けられる。また、接合部４０ｂは、ロータ部２０ｂとロータ部２０ｃとの間に配置され、回転軸９の軸方向の厚みはｄ₂である。接合部４０ｂには、周方向に所定の間隔で空洞部３０ｂが設けられる。

空洞部３０ａ，３０ｂは、回転軸９の軸方向に垂直な平面上での面積Ｓ₂が図２に示される略Ｖ字形状を形成する永久磁石８の面積Ｓ₁の和（Ｓ₁＋Ｓ₁）よりも大きい面積（Ｓ₂＞２Ｓ₁）となる略三角形状の貫通孔である。また、空洞部３０ａ，３０ｂの内部は空気で充填されているから、電磁鋼板で構成されるロータ部２０ａ，２０ｂ，２０ｃに比べて透磁率が低い。

略Ｖ字形状をなす一組の永久磁石８と空洞部３０ａとの関係を説明すると、図２において空洞部３０ａを構成する外形の内側に略Ｖ字形状を構成する一組の永久磁石８が位置するような位置関係となっている。なお、図示しないが空洞部３０ｂとそれに対応する一組の永久磁石８との関係についても、空洞部３０ｂを構成する外形の内側に一組の永久磁石８が位置するような位置関係となっている。

続いて、上記構成からなる回転電機１０の動作について、図１，図２を参照して説明する。回転電機１０において、ステータの巻線に流れる電流により生成される磁束は、周方向に回転するロータ３の永久磁石８が発生する磁束によって打ち消される。このとき、例えば、ロータ部２０ａではステータからの磁束や永久磁石８が発生する磁束が、ロータ部２０ａの内部を回転軸９の軸方向に沿って隣接するロータ部２０ｂに向かう。しかし、ロータ部２０ａとロータ部２０ｂとの間には、透磁率の低い空洞部３０ａを有する接合部４０ａがあるため漏れ磁束を抑制することができる。また、ロータ部２０ｂにおいても、同様にステータからの磁束や永久磁石８が、ロータ部２０ｂの内部を回転軸９の軸方向に沿って隣接するロータ部２０ｃに向かう。しかし、磁束の経路に透磁率の低い空洞部３０ｂを有する接合部４０ｂがあるため漏れ磁束を抑制することができる。

上記のように、ロータ部２０ａ，２０ｂ，２０ｃの接合部分には、それぞれ接合部４０ａ，４０ｂがあるため漏れ磁束を抑制することができる。これにより、ロータ３の渦電流発生による面内渦電流損失を抑制することができる。

図３に回転電機１０の変形例を示す。図３は、変形例において図２に相当する図である。上記第１実施形態との相違は、空洞部３０ａ，３０ｂに充填される充填部５０を有する点である。充填部５０は、非磁性体で構成され、空洞部３０ａ，３０ｂと同じ形状であり、空洞部３０ａ，３０ｂに充填することができる。これにより、上記と同様に磁束の漏れを抑制することができる。また、空洞部３０ａ，３０ｂの空間部分に充填部５０が存在することにより、永久磁石８の軸方向の動きを規制することもできる。これにより、永久磁石８が軸方向にずれてしまう可能性も排除することができる。

図４に回転電機１０の別の変形例を示す。図４は、別の変形例において図２に相当する図である。上記第１実施形態との相違は、空洞部３０ａ，３０ｂに比べて、さらに大きい面積Ｓ₃を有する空洞部３１ａを有する点である。これにより、より一層磁束の漏れを抑制することができる。

図５に回転電機１０のさらに別の変形例を示す。図５は、さらに別の変形例において図２に相当する図である。上記第１実施形態との相違は、略Ｖ字形状を形成する永久磁石８の面積の和（Ｓ₁＋Ｓ₁）よりも少しだけ大きい面積Ｓ₄となる略Ｖ字形状の空洞部３２ａ，３２ａである。これによっても磁束の漏れを抑制することができる。

次に、図６を参照して本発明の第２実施形態である回転電機１１について説明する。図６は、本発明の第２実施形態である回転電機１１のロータ３を示す図である。なお、図６では、永久磁石８や一部の空洞部３０ａ，３０ｂの記載を省略し簡略化している。図７は、図６におけるＥ−Ｅ線断面図である。図８は、接合部４０ａを上面から見た図である。図９は、接合部４０ｂを上面から見た図である。ここで、回転電機１１は、上記第１実施形態の回転電機１０とほぼ同様の構成を有するため、同一構成要素には同一符号を付して重複することとなる説明を援用によって省略し、異なる構成およびその作用について説明する。

回転電機１１は、さらに軸流路６０と流入流路７０と中継流路８０と流出流路９０と中心円部６ａ，６ｂとを含む。中心円部６ａ，６ｂは、それぞれ接合部４０ａ，４０ｂの中心に設けられる円形状の貫通孔である。

流入流路７０は、接合部４０ａに設けられ、図８に示されるように中心円部６ａから各空洞部３０ａに向かって放射状に設けられる。流入流路７０は、軸芯に位置する中心円部６ａから各空洞部３０ａに冷媒を流すための流路である。流入流路７０も軸方向の厚みがｄ₂である。

中継流路８０は、各空洞部３０ａと周方向に角度θずらしたそれぞれに対応する各空洞部３０ｂと一対としてそれらを連通するためにロータ部２０ｂに設けられる。中継流路８０は、各空洞部３０ａに流れ込んだ冷媒を各空洞部３０ｂに送り出すための流路である。

流出流路９０は、接合部４０ｂに設けられ、図９に示されるように各空洞部３０ｂから中心円部６ｂに向けて放射状に設けられる。流出流路９０は、各空洞部３０ｂから軸芯である中心円部６ｂに冷媒を流すための流路である。流出流路９０も軸方向の厚みはｄ₂である。

軸流路６０は、軸流路部６０ａと軸流路部６０ｃとを含んで構成される。軸流路６０は、ロータ３の中心軸である軸芯側からロータ３の冷却用の冷媒を流すための流路である。軸流路部６０ａは、ロータ３の一方側の端面１００の上方からロータ３の軸芯に沿って、接合部４０ａの中心円部６ａに冷媒を流し込むような円柱形状の流路である。軸流路部６０ｃは、接合部４０ｂの中心円部６ｂからロータ３の軸芯に沿って、ロータ３の他方側の端面１０１から突出して下方に冷媒を排出するような円柱形状の流路である。なお、軸流路部６０ａの一方端６００ａと軸流路部６０ｃの一方端６００ｃとの間には、冷媒のためのポンプと熱交換部等が接続され回転電機１１の内部を冷媒が循環するように構成されている。

続いて、上記構成からなる回転電機１１の動作について、図６〜９を参照して説明する。回転電機１１は、回転電機１０と同様に空洞部３０ａ，３０ｂを有するため磁束の漏れを抑制することができる。また、回転電機１１の構成では軸流路６０から空洞部３０ａおよび空洞部３０ｂへ冷媒を流すことができるため、ロータ３の中心部だけでなく外周部も冷却することができる。これにより、ロータ３全体の冷却効果も高めることができる。

本発明の第１実施形態である回転電機のロータを示す図である。図１における領域を矢印Ｃから見た図である。本発明の第１実施形態の変形例において図２に相当する図である。本発明の第１実施形態の別の変形例において図２に相当する図である。本発明の第１実施形態のさらに別の変形例において図２に相当する図である。本発明の第２実施形態である回転電機のロータを示す図である。本発明の第２実施形態である回転電機の図６におけるＥ−Ｅ線断面図である。本発明の第２実施形態である回転電機の接合部を上面から見た図である。本発明の第２実施形態である回転電機の接合部を上面から見た図である。従来技術の回転電機のロータに設けられた永久磁石周辺の拡大図である。

符号の説明

３ロータ、４領域、６ａ，６ｂ中心円部、７孔、８永久磁石、９回転軸、１０，１１回転電機、２０ａ，２０ｂ，２０ｃロータ部、３０ａ，３０ｂ，３１ａ，３１ｂ空洞部、４０ａ，４０ｂ接合部、５０充填部、６０軸流路、６０ａ，６０ｃ軸流路部、７０流入流路、８０中継流路、９０流出流路、１００，１０１端面、６００ａ，６００ｃ一方端。

Claims

周方向に所定の間隔で永久磁石が配置された複数のロータ部を積層して、各ロータ部の永久磁石の周方向の位置がずれるように各ロータ部を周方向にずらして設けられるロータを備える回転電機であって、
隣接して積層されるロータ部の接合部分において永久磁石の位置に対応する位置に設けられ、ロータの回転軸の軸方向に垂直な断面積が永久磁石よりも大きい大きさを有する空洞部を備えることを特徴とする回転電機。
請求項１に記載の回転電機において、
空洞部に非磁性体が充填されたことを特徴とする回転電機。
請求項１に記載の回転電機において、
ロータの回転軸の軸方向の一方端と他方端とに接続される軸流路であって、ロータの軸芯において軸方向に冷媒を流すための軸流路と、
軸流路から各空洞部に対して冷媒を流入させるための流入流路と、
各空洞部から軸流路に冷媒を戻すための流出流路と、
を備えることを特徴とする回転電機。