JP2014007796A - 回転電機のロータ構造 - Google Patents

Abstract

【課題】埋込磁石型同期モータのロータ構造において、簡単な構造で、製造コストの上昇を抑えつつ、同じ入力電流に対する発生トルクを増大させる。
【解決手段】ステータ５の内方に設けられ、ロータ軸方向とロータ径方向とに直交する方向が長手方向となるように長方形状のスロット７ｂが形成され且つ７個のネオジム磁石９を各スロット７ｂ内で長手方向に直列状に配置した回転電機１のロータ構造である。中央部ネオジム磁石９ｂの磁化方向は、ロータ軸方向と長手方向とに直交する方向に設定されている一方、両端部ネオジム磁石９ａの磁化方向は、ロータ軸方向と長手方向とに直交する方向から所定角度だけ各スロット７ｂにおける長手方向内側に傾斜する方向に設定されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転電機のロータ構造に関し、特に、埋込磁石型同期モータのロータ構造に関するものである。

従来から、埋込磁石型同期モータ（ＩＰＭＳＭ）は、自動車の走行用モータやポンプ類駆動用モータ、パワステ駆動用モータ、さらには冷蔵庫や洗濯機、乾燥機といった家電製品の駆動用モータに用いられており、その高出力化が求められている。

例えば、特許文献１には、モータの高出力化に伴う渦電流の増大による、モータの効率低下を抑えるべく、ロータに複数の穴（スロット）を設け、当該穴内の永久磁石を円周方向において複数の永久磁石に分割した永久磁石モータが開示されている。

特開２０００−２２８８３８号公報

しかしながら、上記特許文献１のものでは、モータの高効率化を図ることは可能であるものの、トルクを増大させてモータの高出力化を図ることは困難である。のみならず、特許文献１のものでは、分割された磁石間で、磁束成分の一部が打消し合う現象が起こるため、鎖交磁束量の減少によりトルクが減少するおそれすらある。

そこで、特許文献１のものにおいて、分割された複数の永久磁石に、例えばＨａｌｂａｃｈ配列を施して、トルクの増大を図ることも考えられるが、Ｈａｌｂａｃｈ配列は複雑であることから、製造コストの上昇を招くという問題がある。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、埋込磁石型同期モータのロータ構造において、簡単な構造で、製造コストの上昇を抑えつつ、同じ入力電流に対する発生トルクを増大させる技術を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明に係るロータ構造では、ロータに形成された各スロットに複数の永久磁石を配置するとともに、当該各スロットに配置された一群の永久磁石の漏れ磁束成分を低減させるように、各永久磁石の磁化方向を設定するようにしている。

具体的には、第１の発明は、回転電機のステータの内方に設けられ、ロータ軸方向とロータ径方向とに直交する方向が長手方向となるように複数のスロットが形成されるとともに、複数個の永久磁石を当該各スロット内で長手方向に直列状に配置した回転電機のロータ構造を対象とする。

そして、上記複数個の永久磁石のうち、各スロット内における両端の永久磁石以外の永久磁石の磁化方向は、ロータ軸方向と長手方向とに直交する方向に設定され、上記複数個の永久磁石のうち、各スロット内における両端の永久磁石の磁化方向は、ロータ軸方向と長手方向とに直交する方向から所定角度だけ各スロットにおける長手方向内側に傾斜する方向に設定されていることを特徴とするものである。

第１の発明によれば、ロータ軸方向とロータ径方向とに直交する方向が長手方向であるスロットに、複数個の永久磁石が長手方向に直列状に配置されているとともに、各スロット内における両端の永久磁石以外の永久磁石（以下、「中央部永久磁石」ともいう）の磁化方向は、ロータ軸方向と長手方向とに直交する方向に設定されていることから、かかる中央部永久磁石からステータ側またはロータ中心側に、一方向且つ集中的に磁束を発生することができる。

加えて、各スロット内における両端の永久磁石（以下、「両端部永久磁石」ともいう）の磁化方向は、ロータ軸方向と長手方向とに直交する方向から所定角度だけ各スロットにおける長手方向内側に傾斜する方向に設定されていることから、かかる両端部永久磁石から出る磁束が、あたかも障壁のように作用して、中央部永久磁石から一方向且つ集中的に発生する磁束から漏れようとする磁束成分を、両側から長手方向内側に押し込んで、１つの極を構成する永久磁石群全体としての漏れ磁束成分を低減することができる。

このように、両端部永久磁石の磁化方向を、中央部永久磁石の磁化方向から長手方向内側に所定角度傾斜させるという簡単な構造で、ステータとロータとの間のギャップを介して形成される磁路から磁束が漏れるのを抑えて、ギャップの磁束密度を向上させることができ、これにより、同じ入力電流に対する発生トルクを増大させることが可能となる。

第２の発明は、上記第１の発明において、上記所定角度は、０度を超え８０度以下であることを特徴とするものである。

第２の発明によれば、中央部永久磁石から出る磁束を抑えるように、両端部永久磁石の磁化方向を傾斜させることから、漏れ磁束成分を確実に低減して、同じ入力電流に対する発生トルクを確実に増大させることができる。

第３の発明は、上記第２の発明において、上記所定角度は、３０度以上６０度以下であることを特徴とするものである。

第３の発明によれば、漏れ磁束成分をより一層確実に低減して、同じ入力電流に対する発生トルクをより確実に増大させることができる。

第４の発明は、上記第１〜第３のいずれか１つの発明において、上記複数個の永久磁石は、同材種であることを特徴とするものである。

第４の発明によれば、複数個の永久磁石として、同材種の永久磁石を用いることから、製造コストの上昇を抑えることができる。

本発明に係る回転電機のロータ構造によれば、各スロット内における両端部永久磁石の磁化方向は、ロータ軸方向と長手方向とに直交する方向から所定角度だけ各スロットにおける長手方向内側に傾斜する方向に設定されていることから、かかる両端部永久磁石から出る磁束によって、中央部永久磁石から一方向且つ集中的に発生する磁束から漏れようとする磁束成分を長手方向内側に押し込んで、漏れ磁束成分の低減を図ることができる。

このように、両端部永久磁石の磁化方向を、中央部永久磁石の磁化方向から長手方向内側に所定角度傾斜させるという簡単な構造で、ステータとロータとの間のギャップの磁束密度を向上させることができ、これにより、同じ入力電流に対する発生トルクを増大させることが可能となる。

本発明の実施形態に係る回転電機を示す平面図である。 スロットの長手方向を説明するためのロータコアの斜視図である。 一群のネオジム磁石の磁化方向を模式的に説明する図である。 回転電機のトルク向上のメカニズムを概念的に説明する模式図である。 回転電機内部の磁束の流れを視覚化した解析図であり、同図（ａ）は、比較例２であり、同図（ｂ）は、本発明例である。 本発明例及び比較例１〜３の算出された平均トルクを示すグラフ図である。 本発明例における、平均トルクと傾斜角度との関係を示すグラフ図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

〈回転電機の構造〉
図１は、本実施形態に係る回転電機を示す平面図である。回転電機１は、例えば自動車の走行用モータ等、１０ｋＷ程度の出力が要求されるモータに好適に用いられるものである。この回転電機１は、図１に示すように、ステータ５と、当該ステータ５の内方に設けられる、ネオジム磁石（永久磁石）９が埋め込まれたロータ３とを備える、所謂埋込磁石型同期モータとなっている。

ステータ５は、略円筒状に形成されたステータコア１５と、円周方向に等間隔で設けられた、当該ステータコア１５よりも径方向内方に突出する１８個のティース２５を有していて、これら１８個のティース２５にはコイル３５がそれぞれ巻回されている。

一方、ロータ３は、回転中心となる金属製のロータシャフト１１と、当該ロータシャフト１１の外側に設けられた略円筒形状のロータコア７と、当該ロータコア７に埋め込まれるネオジム磁石９と、を備えている。ロータコア７は、例えばプレスで打ち抜いた薄い磁性鋼板をロータシャフト１１の軸方向に連なるように積層一体化することにより形成されていて、その中央部に断面円形の中央貫通孔７ａが形成されているとともに、その外周部に当該ロータコア７の円周方向に等間隔で並ぶ（ロータ軸対称に形成された）１２個の断面長方形状のスロット７ｂが形成されている。なお、図中の符号７ｃは、漏れ磁束低減を目的とした切欠部である。

ロータコア７に形成された各スロット７ｂは、図２に示すように、ロータ軸方向Ｚとロータ径方向Ｒとに直交する方向Ｌが長手方向となるような断面長方形状に形成されている。換言すると、各スロット７ｂは、当該スロット７ｂを区画する長手方向Ｌの辺の垂直二等分線がロータコア７の中心を通るような断面長方形状に形成されている。なお、図２では、図を見易くするために、１２個のスロット７ｂのうち１つのスロット７ｂだけを表示しているが、他のスロット７ｂについても、同様に長手方向が決定される。

そうして、中央貫通孔７ａには、ロータシャフト１１が挿通固定されている一方、各スロット７ｂには、ロータ軸方向Ｚに延びる、７つの断面矩形状のネオジム磁石９が、当該各スロット７ｂ内で長手方向Ｌに直列状に配置されるようにそれぞれ挿通固定されている。換言すると、ネオジム磁石９は、その配列方向がスロット７ｂの長手方向Ｌと一致するように、当該スロット７ｂに収容されている。これら７つのネオジム磁石９は全て同材種のネオジム磁石であり、７つのネオジム磁石９によって構成される一群のネオジム磁石９は、ロータコア中心側とステータ側とにＮ極とＳ極とが交互に並ぶように磁化方向が設定されていて、１２個の磁極を形成するようになっている。つまり、本実施形態の回転電機１は、１２極１８スロットの埋込磁石型同期モータとなっている。なお、「同材種」とは、例えばネオジム磁石といった大きな括りではなく、同じネオジム磁石でも、磁石のグレードまで同じことを意味する。

さらに、これら一群のネオジム磁石９は、Ｎ極とＳ極とが交互に並ぶように配列されているのみならず、入力電流に対する発生トルクを増大させるべく、その磁化方向が、以下のように設定されている。すなわち、図１および図３に示すように、７個のネオジム磁石９のうち、各スロット７ｂ内における両端のネオジム磁石９ａ以外のネオジム磁石９ｂ（以下、「中央部ネオジム磁石」ともいう）の磁化方向は、ラジアル配向とは異なり、ロータ軸方向Ｚと長手方向Ｌとに直交する方向に設定されている。これにより、ステータ側がＮ極の場合は、中央部ネオジム磁石９ｂからステータ側へ、一方向且つ集中的に磁束１９ｂを発生することができる一方、ロータコア中心側がＮ極の場合は、中央部ネオジム磁石９ｂからロータコア中心側へ、一方向且つ集中的に磁束１９ｂを発生することができるようになっている。

一方、７個のネオジム磁石９のうち、各スロット７ｂ内における両端のネオジム磁石９ａ（以下、「両端部ネオジム磁石」ともいう）の磁化方向は、ロータ軸方向Ｚと長手方向Ｌとに直交する方向から所定角度θだけ各スロット７ｂにおける長手方向内側に傾斜する方向に設定されている。ここで、所定角度（傾斜角度）θは、図３に示すように、両端のネオジム磁石９ａの磁化方向が、ロータ軸方向Ｚと長手方向Ｌとに直交する方向、すなわち中央部ネオジム磁石９ｂの磁化方向からどれだけ長手方向内側に傾斜しているかを示す値であり、仮に、両端部ネオジム磁石９ａの磁化方向と中央部ネオジム磁石９ｂの磁化方向とが同じであれば、θ＝０度である一方、両端部ネオジム磁石９ａの磁化方向が完全に長手方向内側を向いていれば、θ＝９０度である。なお、所定角度θの範囲は、０度を超え９０度以下であるが、後述するように、０度を超え８０度以下であることが好ましく、３０度以上６０度以下であることがより好ましい。

このように、中央部ネオジム磁石９ｂの磁化方向を、ロータ軸方向Ｚと長手方向Ｌとに直交する方向に設定するとともに、両端部ネオジム磁石９ａの磁化方向を、中央部ネオジム磁石９ｂの磁化方向よりも長手方向内側に向かって所定角度θ傾斜させることにより、この回転電機１では、両端部ネオジム磁石９ａから出る磁束１９ａが、中央部ネオジム磁石９ｂからステータ側に流入しようとする磁束１９ｂから漏れようとする磁束成分を、両側から長手方向内側に押し込んで、１つの極を構成するネオジム磁石群全体としての漏れ磁束成分を低減するようになっている。

そうして、回転電機１におけるトルクは、図４に示すように、ステータ５とロータ３との間のギャップを介して形成される磁路２９（磁束１９ｂの流れる通路）が最短になるように働く磁気吸引力・反発力に基づく回転力であるところ、この回転電機１では、両端部ネオジム磁石９ａから出る磁束１９ａがあたかも障壁のように作用して、磁束が磁路２９から外れるのを抑えることができる。これにより、ギャップの磁束密度が向上して鎖交磁束量が増大することから、同じ入力電流に対する発生トルクを増大させることが可能となる。

〈解析結果〉
次に、本実施形態に係る回転電機１のロータ構造による、トルク改善効果を確認するために行った所定条件の下でＣＡＥ解析の解析結果について詳述する。

先ず、磁場解析プログラムとして、株式会社ＪＳＯＬ製の「ＪＭＡＧ」を用いて、所定条件（例えば、モータ形式：埋め込み磁石式三相交流同期モータ、モータ出力：１０ｋＷ級、磁石グレード：残留磁束密度１．１６（Ｔ）且つ保磁力２．７（ＭＡ／ｍ）、極数：１２極１８スロット、温度条件：２５（℃）、電流値（三相ピーク値）：１７０（Ａ）、電流周波数（基本波）：３００（Ｈｚ）、電流位相：０（ｄｅｇ）、回転数：３０００（ｒｐｍ）等）でＣＡＥ解析を行った。

具体的には、スロット内の永久磁石を７分割するとともに、５つの中央部永久磁石の磁化方向を、ロータ軸方向Ｚと長手方向Ｌとに直交する方向に設定（固定）するとともに、２つの両端部永久磁石の磁化方向を、中央部永久磁石の磁化方向から所定角度θだけ長手方向内側に傾斜する方向に設定したものを本発明例とした。そうして、同じ波高値の正弦波電流源を設定して、傾斜角度θを０度から９０度まで１０度刻みで変化させながら、各角度における平均トルクを算出した。

一方、永久磁石の分割数及び磁化方向を変えたこと以外は、本発明例と全く同じロータ構造に設定したものを比較例１〜３とした。より詳しくは、スロット内の永久磁石を３分割するとともに各永久磁石の磁化方向をロータ軸方向Ｚと長手方向Ｌとに直交する方向としたものを比較例１とし、スロット内の永久磁石を７分割するとともに各永久磁石の磁化方向をロータ軸方向Ｚと長手方向Ｌとに直交する方向としたもの比較例２とし、スロット内の永久磁石を分割しなかったものを比較例３とした。そして、これらについても本発明例と同じ波高値の正弦波電流源を設定して、平均トルクを算出した。

図５は、回転電機内部の磁束の流れを視覚化した解析図であり、同図（ａ）は、比較例２であり、同図（ｂ）は、両端部永久磁石の磁化方向を、中央部永久磁石の磁化方向よりも長手方向内側に４０度傾斜させた本発明例である。各磁石の磁化方向をロータ軸方向Ｚと長手方向Ｌとに直交する方向とした比較例２では、図５（ａ）に示すように、極間（図中の白丸で囲んだ部分）に漏れ磁束成分が大量に発生しているのに対し、本発明例では、図５（ｂ）に示すように、極間（図中の白丸で囲んだ部分）における漏れ磁束成分が明らかに低減されているのが分かる。また、数値上も、比較例２では無負荷鎖交磁束量が０．２６５（Ｗｂ）であったのに対し、本発明例では無負荷鎖交磁束量が０．３０２（Ｗｂ）であり、約１４％鎖交磁束量が増加することが確認された。

次いで、図６は、入力電流に対する本発明例及び比較例１〜３の算出された平均トルクを示すグラフ図である。図６から、スロット内の磁石を分割するとともに各磁石の磁化方向をロータ軸方向Ｚと長手方向Ｌとに直交する方向とした比較例１及び２は、スロット内の磁石を分割しなかった比較例３よりも平均トルクが減少しているのみならず、分割数が多くなるに従って、平均トルクが減少していることが分かる。これは、分割することにより、それぞれの磁石の磁束成分の一部が、打消し合う現象が起こり、これにより、主磁束（鎖交磁束）が減少したためであると考えられる。これに対し、本発明例では、スロット内の磁石を分割しなかった比較例３よりも平均トルクが増大しているとともに、同じ分割数の比較例２と比べると、約１１％も平均トルクが増大している。これは、両端部永久磁石の磁化方向を、中央部永久磁石の磁化方向よりも長手方向内側に４０度傾斜させたことにより、図５（ｂ）に示したように、極間の漏れ磁束量が減少した結果、鎖交磁束量が増加したためと考えられる。

次いで、図７は、本発明例における、平均トルクと傾斜角度との関係を示すグラフ図である。図７から、傾斜角度θが０度を超え８０度以下の範囲では、スロット７ｂ内の磁石を分割しなかった比較例３よりも平均トルクが大きくなり、特に、所定角度θが３０度以上６０度以下の範囲では、平均トルクが７２（Ｎｍ）を超えて大幅に増大していることが分かる。これらにより、所定角度θは、０度を超え８０度以下であることが好ましく、３０度以上６０度以下であることがより好ましいことが解析上確認できた。

−効果−
本実施形態によれば、ロータ軸方向Ｚとロータ径方向Ｒとに直交する方向が長手方向Ｌである断面長方形状のスロット７ｂに、７個のネオジム磁石９が長手方向Ｌに直列状に配置されているとともに、各スロット７ｂ内における中央部ネオジム磁石９ｂの磁化方向が、ロータ軸方向Ｚと長手方向Ｌとに直交する方向に設定されていることから、かかる中央部ネオジム磁石９ｂから一方向且つ集中的に磁束１９ｂを発生することができる。

加えて、各スロット７ｂ内における両端部ネオジム磁石９ａの磁化方向は、ロータ軸方向Ｚと長手方向Ｌとに直交する方向から所定角度θだけ各スロット７ｂにおける長手方向内側に傾斜する方向に設定されていることから、かかる両端部ネオジム磁石９ａから出る磁束１９ａが、あたかも障壁のように作用して、中央部ネオジム磁石９ｂから一方向且つ集中的に発生する磁束１９ｂから漏れようとする磁束成分を長手方向内側に押し込んで、１つの極を構成するネオジム磁石９全体としての漏れ磁束成分を低減することができる。

このように、両端部ネオジム磁石９ａの磁化方向を、中央部ネオジム磁石９ｂの磁化方向に対して長手方向内側に所定角度θ傾斜させるという簡単な構造で、ステータ５とロータ３との間のギャップを介して形成される磁路２９から磁束が漏れるのを抑えて、ギャップの磁束密度を向上させることができ、これにより、同じ入力電流に対する発生トルクを増大させることが可能となる。

また、複数個の永久磁石として、同材種の永久磁石を用いることから、製造コストの上昇を抑えることができる。

（その他の実施形態）
本発明は、実施形態に限定されず、その精神又は主要な特徴から逸脱することなく他の色々な形で実施することができる。

上記実施形態では、各スロット７ｂ内の永久磁石を７分割したが、３分割以上であり、且つ、両端部ネオジム磁石９ａの磁化方向を、中央部ネオジム磁石９ｂの磁化方向に対して長手方向内側に所定角度θ傾斜させるのであれば、これに限らず、どのような分割数としてもよい。

また、上記実施形態では、複数個の永久磁石として、同材種のネオジム磁石を用いたが、これに限らず、異材種の永久磁石を用いてもよい。なお、この場合の異材種とは、ネオジム磁石、フェライト磁石、サマリウムコバルト磁石等の組合せのみならず、例えば、同じネオジム磁石同士の組合せでも、磁石のグレードが異なるネオジム磁石を組み合わせることも含む。

さらに、上記実施形態では、本発明のロータ構造を、１２極１８スロット７ｂの埋込磁石型同期モータに適用したが、これに限らず、全ての永久磁石式同期モータに適用可能である。

このように、上述の実施形態はあらゆる点で単なる例示に過ぎず、限定的に解釈してはならない。さらに、特許請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本発明の範囲内のものである。

以上説明したように、本発明は、ロータ軸方向とロータ径方向とに直交する方向が長手方向となるように、複数のスロットが形成され、複数個の永久磁石を当該各スロット内で長手方向に直列状に配置した回転電機のロータ構造等について有用である。

１ 回転電機
３ ロータ
５ ステータ
７ｂ スロット
９ ネオジム磁石（永久磁石）
Ｌ 長手方向
Ｒ ロータ径方向
Ｚ ロータ軸方向
θ 所定角度

Claims (4)

1. 回転電機のステータの内方に設けられ、ロータ軸方向とロータ径方向とに直交する方向が長手方向となるように複数のスロットが形成されるとともに、複数個の永久磁石を当該各スロット内で長手方向に直列状に配置した回転電機のロータ構造であって、
   上記複数個の永久磁石のうち、各スロット内における両端の永久磁石以外の永久磁石の磁化方向は、ロータ軸方向と長手方向とに直交する方向に設定され、
   上記複数個の永久磁石のうち、各スロット内における両端の永久磁石の磁化方向は、ロータ軸方向と長手方向とに直交する方向から所定角度だけ各スロットにおける長手方向内側に傾斜する方向に設定されていることを特徴とする回転電機のロータ構造。
2. 請求項１記載の回転電機のロータ構造において、
   上記所定角度は、０度を超え８０度以下であることを特徴とする回転電機のロータ構造。
3. 請求項２記載の回転電機のロータ構造において、
   上記所定角度は、３０度以上６０度以下であることを特徴とする回転電機のロータ構造。
4. 請求項１〜３のいずれか１つに記載の回転電機のロータ構造において、
   上記複数個の永久磁石は、同材種であることを特徴とする回転電機のロータ構造。