JP2017201849A - 埋め込み永久磁石式同期電動機 - Google Patents

Abstract

【課題】従来技術においては、さらなる小型高トルク高効率化が望まれる。【解決手段】埋め込み永久磁石式同期電動機は、固定子の内周側に形成されかつ誘導コイルが巻回された複数の歯を有する固定子と、前記固定子の内側に設けられた回転子であって、複数の外周磁性体部よりも内側においてそれぞれ前記各外周磁性体部に対向するように外周方向で並置された複数の磁石を有する回転子とを備えた埋め込み永久磁石式同期電動機であって、前記複数の歯の先端部と前記複数の外周磁性体部との少なくとも一方は、上記固定子の内周と上記回転子の外周との間の、回転方向の前方側における距離が、回転方向の後方側の距離よりも短くなるように、回転方向で非対称な円弧形状を有する。【選択図】図１

Description

本開示は、三相界磁巻線を有する固定子と永久磁石と回転子からなる埋め込み永久磁石式同期電動機（ＩＰＭ（Interior Permanent Magnet Motor））に関する。

近年、車の電動化が加速する中、車載機器の小型高効率化がこれまでに増して強く求められている。そのなかで、埋め込み永久磁石式同期電動機は小型高効率で高速回転に優れるという特徴から車載用の電動機として広く使われている。

例えば、従来技術に係る埋め込み永久磁石式同期電動機が例えば特許文献１において開示されている。当該埋め込み永久磁石式同期電動機においては、固定子の歯先端の形状は、ギャップの距離を一様にするために左右に広がりを持つ突出形状とし、コイルスロットの開口部を狭くすることで、ギャップ間の磁気抵抗を下げ、有効磁束を増やしている。また、回転子は、磁石と磁石の間の突極部に切り欠きを設けることでコギングを抑制していることが多い。さらに、一般的には固定子及び回転子の構造は振動や騒音対策のため、対称性をもつ。

特開２００３−０８８０１９号公報

従来技術においては、さらなる小型高トルク高効率化が望まれる。

本開示の一態様に係る埋め込み永久磁石式同期電動機は、
固定子の内周側に形成されかつ誘導コイルが巻回された複数の歯を有する固定子と、
前記固定子の内側に設けられた回転子であって、複数の外周磁性体部よりも内側においてそれぞれ前記各外周磁性体部に対向するように外周方向で並置された複数の磁石を有する回転子とを備えた埋め込み永久磁石式同期電動機であって、
前記複数の歯の先端部と前記複数の外周磁性体部との少なくとも一方は、上記固定子の内周と上記回転子の外周との間の、回転方向の前方側における距離が、回転方向の後方側の距離よりも短くなるように、回転方向で非対称な円弧形状を有する。

本開示によれば、固定子の歯の先端部及び回転子の外周磁性体部の少なくとも一方を、回転方向で非対称な円弧形状とすることで、ギャップ内の磁束密度分布の差が大きくなるため、トルクを増やすことができる。また、非対称の円弧形状により固定子及び回転子の磁束が一部に集中することを緩和し、駆動時の鉄損を減らすことができる。結果として、従来技術に比較して高トルク化及び小型化を図ることができ、従来技術に比較して効率が大幅に改善される。

実施形態１に係る埋め込み永久磁石式同期電動機１００の概略構成を示す断面図である。 図１の埋め込み永久磁石式同期電動機１００の固定子１２０の歯１２１の先端形状の構成例を示す断面図である。 図１の埋め込み永久磁石式同期電動機１００の回転子１１０の外形形状の構成例を示す断面図である。 図１の埋め込み永久磁石式同期電動機１００における固定子１２０と回転子１１０との第１の位置関係を示す断面図である。 図１の埋め込み永久磁石式同期電動機１００における固定子１２０と回転子１１０との第２の位置関係を示す断面図である。 図６の比較例に係る埋め込み永久磁石式同期電動機２００及び図１の実施形態１に係る埋め込み永久磁石式同期電動機１００のシミュレーション結果である。 比較例に係る埋め込み永久磁石式同期電動機２００の概略構成を示す断面図である。

以下、本開示に係る比較例及び実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の各実施形態において、同様の構成要素については同一の符号を付している。

（比較例及び本発明者の着眼点）
図６は比較例に係る埋め込み永久磁石式同期電動機２００の概略構成を示す断面図である。なお、図示の便宜上、誘導コイル１２２及び永久磁石１１１ａ，１１１ｂのみをハッチングし、回転子１１０及び固定子１２０のハッチングを省略した。

図６において、埋め込み永久磁石式同期電動機２００は、固定子（電機子ステータ）１２０の内側にＩＰＭ型の回転子（界磁ロータ）１１０を配置して構成される。固定子１２０の内周から突出する例えば１２個である３ｍ個（ｍは正の整数である）の歯１２１が所定角度間隔で形成され、各歯１２１には誘導コイル１２２が集中巻きで巻回されている。回転軸中心Ｃ１を中心として回転方向１０で回転する回転子１１０には、一対の永久磁石（例えばフェライト磁石）１１１ａ，１１１ｂが当該円周方向に等間隔に埋め込まれ、合計で例えば１０極である２ｎ極（ｎはｍとは異なる正の整数である）の永久磁石１１１ａ，１１１ｂが形成されている。ここで、各一対の永久磁石１１１ａ，１１１ｂは長方形の断面を有し、その長方形の長手方向が回転子１１０の外周の接線方向と平行となりかつ互いに隣接する永久磁石１１１ａ，１１１ｂが異なる極を有するように形成されている。

なお、永久磁石１１１ａ，１１１ｂと回転子１１０の外周との間に位置する回転子１１０の外周縁端部は各永久磁石１１１ａ，１１１ｂにそれぞれ対向するように外側に突出する円弧形状（永久磁石１１１ａ，１１１ｂの長手方向の中心を通過する径方向線を対称軸として対称）の突出部１１５を有する。突出部１１５は磁性体にてなり、その円弧形状は、回転子１１０の外周の半径よりも小さい半径を有する。また、互いに隣接する永久磁石１１１ａ，１１１ｂの間には、磁束の漏洩及び短絡を防止するための磁束バリア１１２，１１３がそれぞれ、回転子１１０を厚さ方向に切り欠けすることで形成されている。

比較例では、固定子１２０の歯１２１における先端部の片側の内側を切り欠き、非対称構造にすることで、トルク変動を抑え、トルクの増加と効率の向上を図る構成例が開示されている。しかし、図６の構造のように、歯１２１の先端を切り欠くと、磁束の経路が狭まるため、磁気抵抗が上がり、固定子１２０の鉄損を増やす恐れがある。また、最近では特性向上のために様々な構造上の工夫がなされている。しかし、例えば、高トルク化のために歯１２１の先端の広がりが小さく、互いに隣接する歯１２１，１２１の各縁端部間のスロット開口部１２３を大きくした構造の場合は、特許文献１を適用すると返ってトルクが低下するという問題点があった。

以上の課題認識に基づいて、本発明者は、下記の実施形態に示される構成を創作するに至った。

（実施形態１）
図１は実施形態１に係る埋め込み永久磁石式同期電動機１００の概略構成を示す断面図である。また、図２は図１の埋め込み永久磁石式同期電動機１００の固定子１２０の歯１２１の先端形状の構成例を示す断面図である。さらに、図３は図１の埋め込み永久磁石式同期電動機１００の回転子１１０の外形形状の構成例を示す断面図である。図１〜図３において，図６と同様の構成要素については同様の符号を付す。また、図示の便宜上、誘導コイル１２２及び永久磁石１１１ａ，１１１ｂのみをハッチングし、回転子１１０及び固定子１２０のハッチングを省略した。

図１において、埋め込み永久磁石式同期電動機１００は、固定子（電機子ステータ）１２０の内側にＩＰＭ型の回転子（界磁ロータ）１１０を配置して構成される。固定子１２０の内周から突出する例えば１２個である３ｍ個（ｍは正の整数である）の歯１２１ａ，１２１ｂ（総称して、符号１２１を付す）が所定角度間隔で形成され、各歯１２１には誘導コイル１２２が集中巻きで巻回されている。回転軸中心Ｃ１を中心として回転方向１０で回転する回転子１１０には、一対の永久磁石（例えばフェライト磁石）１１１ａ，１１１ｂ（総称して，符号１１１を付す）が当該円周方向に等間隔に埋め込まれ、合計で例えば１０極である２ｎ極（ｎはｍとは異なる正の整数である）の永久磁石１１１が形成されている。ここで、各一対の永久磁石１１１は長方形の断面を有し、その長方形の長手方向が回転子１１０の外周の接線方向と平行となりかつ互いに隣接する永久磁石１１１が異なる極を有するように形成されている。

なお、永久磁石１１１と回転子１１０の外周との間に位置する回転子１１０の外周縁端部は各永久磁石１１１にそれぞれ対向する外周磁性体部１１５Ａを有する。また、互いに隣接する永久磁石１１１の間には、磁束の漏洩及び短絡を防止するための磁束バリア１１２Ａ，１１３がそれぞれ、回転子１１０を厚さ方向に切り欠けすることで形成されている。さらに、互いに隣接する歯１２１，１２１の各縁端部間においてスロット開口部１２３Ａが形成される。

図１の実施形態１に係る埋め込み永久磁石式同期電動機１００は、図６の比較例に係る埋め込み永久磁石式同期電動機２００に比較して以下の点が異なる。

（特徴構成１）図６の固定子の１２０の内周に沿った先端円周を有しかつ各歯１２１の幅方向の中心線Ｌ１（図２）を対称軸として線対称である図６の先端部１２１に比較して、図１の固定子１２０の歯１２１の先端部１２１Ａは、固定子の１２０の内周に沿った先端円周を有するが各歯１２１の幅方向の幾何学的中心線（以下、中心線という）Ｌ１（図２）を対称軸として非対称である先端部１２１Ａを有する。具体的には、実施形態１に係る先端部１２１Ａを、図２の中心線Ｌ１、歯１２１の径方向外形線（歯１２１の側面に対応する断面上の線をいう）Ｌ２，Ｌ３を境界線として用いて、図２に示すように部分１２１Ａａ，１２１Ａｂ，１２１Ａｃに３分割したときに、径方向外形線Ｌ２の側面の先端部１２１Ａには周方向に突出する部分１２１Ａａを有するが、径方向外形線Ｌ２の側面の先端部１２１Ａには周方向に突出する部分がないように、すなわち先端部１２１Ａは周方向で非対称となるように先端部１２１Ａが形成されている。この詳細は図２を参照して後述する。

（特徴構成２）先端部１２１Ａの歯１２１の径方向外形線Ｌ３に沿った長さＬ１３は、先端部１２１Ａの歯１２１の径方向外形線Ｌ２に沿った長さＬ１２よりも短くなるように、すなわち、歯１２１の先端部１２１Ａが回転方向１０の前方部で歯１２１と回転子１１０との距離が小さくなり近接するように先端部１２１Ａが形成される。この詳細は図２を参照して後述する。

（特徴構成３）図６の回転子１１０の各突出部１１５は周方向で対称となる円弧形状を有する。図１では、突出部１１５に代えて、周方向で非対称となる円弧形状の切り欠き部１１６を有する外周磁性体部１１５Ａを備える。この詳細は図３を参照して後述する。

まず、歯１２１の先端部１２１Ａの構成例について図２を参照して以下詳述する。

図２において、歯１２１の先端部１２１Ａを、中心線Ｌ１、歯１２１の径方向外形線Ｌ２，Ｌ３を境界線として用いて、図２に示すように部分１２１Ａａ，１２１Ａｂ，１２１Ａｃに３分割して考える。すなわち、先端部１２１Ａは部分１２１Ａａ，１２１Ａｂ，１２１Ａｃから構成される。部分１２１Ａｃはその先端において径方向外形線Ｌ３に沿って延在する外形側面を有する。これに対して、部分１２１Ａｂはその先端において周方向に延在する部分１２１Ａａと連結されている。すなわち、歯１２１の先端部１２１Ａは中心線Ｌ１を対称軸として非対称の形状を有する。

図２の実施形態では、先端部１２１Ａの部分１２１Ａａは周方向の前方側に位置するが、本開示はこれに限らず、周方向の後方側において部分１２１Ａｃに連結するように形成してもよい。

また、先端部１２１Ａの歯１２１の径方向外形線Ｌ３に沿った長さＬ１３は、先端部１２１Ａの歯１２１の径方向外形線Ｌ２に沿った長さＬ１２よりも短くなるように先端部１２１Ａが形成されている。すなわち、歯１２１の先端部１２１Ａが回転方向１０の前方部で歯１２１と回転子１１０との距離が小さくなるように先端部１２１Ａが形成される。言い換えれば、歯１２１の先端部１２１Ａが回転方向１０の前方部で歯１２１と回転子１１０とがより近接するように先端部１２１Ａが形成される。

以上において、特徴構成１とその変形例及び特徴構成２について説明したが、本開示は特徴構成１とその変形例と、特徴構成２とのうちいずれか１つのみを構成してもよい。

次いで、回転子１１０の外周磁性体部１１５Ａの構成例について図３を参照して以下詳述する。

図３において、回転子１１０の外周磁性体部１１５Ａは各永久磁石１１１に対応させて回転子１１０の外周縁端部に形成される。ここで、各外周磁性体部１１５Ａは周方向で非対称となる円弧形状を有する切り欠き部１１６を有し、当該円弧形状は、回転軸中心Ｃ１よりも回転子１１０内の外周側に位置する中心Ｃ２を中心として、回転子１１０の半径Ｒ１よりも小さい半径Ｒ２を有する。図３において、回転軸中心Ｃ１から永久磁石１１１の長手方向の中心を通過する軸をｄ軸とし、回転軸中心Ｃ１から、互いに隣接する永久磁石１１１ａ，１１１ｂ間に中間点を通過する軸をｑ軸とする。各外周磁性体部１１５Ａの切り欠き部１１６は、回転子１１０の外周と、中心Ｃ２を中心として半径Ｒ２の円弧と、ｑ軸とを囲む回転子１１０の部分を除去することで形成される。以上のように構成された外周磁性体部１１５Ａは、各永久磁石１１１の周方向の前方側は、切り欠き部がなく磁束経路が広くなるため、周方向前方側の磁束バリア１１２Ａを周方向後方側の磁束バリア１１３よりも大きくすることが好ましい。具体的には、磁束バリア１１２Ａは磁束バリア１１３に比較して径方向の長さを長くする。

以上のように構成された実施形態１に係る埋め込み永久磁石式同期電動機１００によれば、以下に示す作用効果が得られる。

図４Ａは図１の埋め込み永久磁石式同期電動機１００における固定子１２０と回転子１１０との第１の位置関係を示す断面図である。また、図４Ｂは図１の埋め込み永久磁石式同期電動機１００における固定子１２０と回転子１１０との第２の位置関係を示す断面図である。ここで、図４Ａは回転子１１０の永久磁石１１１ａが固定子１２０の歯１２１ａに近接する場合を表し、図４Ｂは回転子１１０の永久磁石１１１ａが固定子１２０の歯１２１ａから遠ざかる場合を表す。

図４Ａに示すように、永久磁石１１１ａが歯１２１ａへ近づく場合は、永久磁石１１１ａから出た磁束は、固定子１２０と回転子１１０との間のギャップ内を回転方向１０に進み、回転方向１０の前方側に位置する歯１２１ａへ到達するため、回転方向１０の応力が発生する。従って、歯１２１ａの先端部１２１Ａは、回転方向１０の後方側に突出部はなく（なお、前方側には図２の部分１２１Ａａがある）、固定子１２０と回転子１１０との間のギャップ内の磁束密度の差が大きくなるため、回転方向１０の応力は強くなり、結果としてトルクが大きくなる。同時に永久磁石１１１ａの回転方向１０の前方側には切り欠きがなくギャップは狭いので、永久磁石１１１ａから出た磁束線は歯１２１ａへ到達しやすい。すると、有効磁束が増えるため、トルクはさらに増化する。

一方、図４Ｂに示すように、回転子１１０の永久磁石１１１ａが歯１２１ａから遠ざかる場合は、永久磁石１１１ａから発生する磁束は、回転方向１０の前方側と後方側とで、進む方向が２つに分かれる。前方側の磁束は、固定子１２０と回転子１１０との間のギャップ内を回転方向１０に進み、回転方向１０の前方側に位置する歯１２１ｂへ向かうため、回転方向１０の応力を生む。しかし、回転方向１０の後方側の磁束は、固定子１２０と回転子１１０との間のギャップ内を回転方向１０とは逆方向に進み、回転方向１０の後方側に位置する歯１２１ａに向かうため、回転方向１０と逆方向の応力を発生することになる。従って、歯１２１ａの先端部１２１Ａは、回転方向１０の後方側に突出部はなく、磁束が逆方向に進む範囲が狭くなるため、回転方向１０とは逆方向の応力は小さくなり、結果としてトルクの低減が抑えられる。同時に永久磁石１１１ａ上の回転方向１０の後方側には切り欠き部１１６ａがありギャップが広いので、磁石から出た磁束線は固定子１２０へは到達しにくい。すると有効磁束は少ないため、トルクの低減はさらに抑えられる。

図５は、図６の比較例に係る埋め込み永久磁石式同期電動機２００及び図１の実施形態１に係る埋め込み永久磁石式同期電動機１００のシミュレーション結果である。図５において、横軸は回転角（ｄｅｇ）、縦軸は回転角に対する、比較例のトルク平均値を１として正規化したトルクを示す。

図５から明らかなように、回転子１１０の回転位置に応じて増減を繰り返すトルクにおいて、比較例と比べて最大点が高くなり、最小点が持ち上げられることがわかる。このように、最小点での持ち上げ分は最大点での増加分よりも大きいため、コギングが抑制されることが分かる。

また、実施形態１で示す構成によれば、駆動時に磁束が集中する歯１２１ａの先端部１２１Ａの回転方向１０の後方側において、磁気抵抗が高い部分がないため、鉄損を低減できる。また、駆動時に磁束が集中する永久磁石１１１の外周磁性体部１１５Ａにおいて、切り欠き部１１６がない側の面積は広いため、磁束集中が緩和され、鉄損を低減できる。同一の磁束入力に対して、駆動時の鉄損が減るため、電動機１００の効率は上がる。同じ鉄損量が許容できる電動機１００を想定すれば、同体積における鉄損量が低減するため、小型化が図れる。

以上説明したように、本実施形態によれば、回転方向１０の前方側における回転子１１０と固定子１２０との間の距離が、回転方向１０の後方側における回転子１１０と固定子１２０との間の距離よりも短くなるように、固定子１２０及び／又は回転子１１０を非対称な形状とすることで、ギャップ内の磁束密度分布の差が大きくなるため、トルクを増やすことができる。また、非対称形状により固定子１２０及び回転子１１０の磁束が一部に集中することを緩和し、駆動時の鉄損を減らすことができる。結果として、高トルク化及び小型化を図ることができ、効率が改善される。

以上の実施形態においては、永久磁石１１１，１１１ａ，１１１ｂを用いているが、本開示はこれに限らず、磁石をもちいてもよい。

実施形態のまとめ．
本開示の第１の態様に係る埋め込み永久磁石式同期電動機は、
固定子の内周側に形成されかつ誘導コイルが巻回された複数の歯を有する固定子と、
前記固定子の内側に設けられた回転子であって、複数の外周磁性体部よりも内側においてそれぞれ前記各外周磁性体部に対向するように外周方向で並置された複数の磁石を有する回転子とを備えた埋め込み永久磁石式同期電動機であって、
前記複数の歯の先端部と前記複数の外周磁性体部との少なくとも一方は、上記固定子の内周と上記回転子の外周との間の、回転方向の前方側における距離が、回転方向の後方側の距離よりも短くなるように、回転方向で非対称な円弧形状を有する。

本開示の第２の態様に係る埋め込み永久磁石式同期電動機は、第１の態様に係る埋め込み永久磁石式同期電動機において、前記複数の歯の先端部は、回転方向の後方側の径方向外形側面に沿って配置される一方、回転方向の前方側の径方向外形側面から回転方向で突出する部分を有するように構成される。

本開示の第３の態様に係る埋め込み永久磁石式同期電動機は、第１又は第２の態様に係る埋め込み永久磁石式同期電動機において、前記複数の歯の先端部は、当該歯の回転方向の前方側の径方向外形側面の長さが、当該歯の回転方向の後方側の径方向外形側面の長さよりも長い。

本開示の第４の態様に係る埋め込み永久磁石式同期電動機は、第１〜第３の態様のうちのいずれか１つに係る埋め込み永久磁石式同期電動機において、前記複数の外周磁性体部はそれぞれ、前記回転子の半径よりも短い半径を有する円弧形状を有する切り欠き部を備える。

本開示の第５の態様に係る埋め込み永久磁石式同期電動機は、第４の態様に係る埋め込み永久磁石式同期電動機において、前記切り欠き部は、前記回転子の外周と、互いに隣接する前記各磁石の間の径方向中心線であるｑ軸と、上記各外周磁性体部の円弧とで囲まれる外周磁性体部の領域を除去することにより構成される。

本開示の第６の態様に係る埋め込み永久磁石式同期電動機は、第４又は第５の態様に係る埋め込み永久磁石式同期電動機において、前記回転子は、互いに隣接する前記各磁石の間であって前記各磁石の両端部に配置された複数の磁束バリアを備え、
前記複数の磁束バリアは、前記各磁石において、回転方向の前方側の磁束バリアの周方向の長さは、回転方向の後方側の磁束バリアの周方向の長さよりも長い。

本開示の電動機は、例えば、車両用電動機に利用されうる。

１００…電動機、
１１０…回転子、
１１１，１１１ａ，１１１ｂ…磁石、
１１２Ａ，１１３…磁束バリア、
１１５Ａ…外周磁性体部、
１１６ａ，１１６ｂ…切り欠き部、
１２０…固定子、
１２１，１２１ａ，１２１ｂ…歯、
１２１Ａ…歯の先端部、
１２１Ａａ，１２１Ａｂ，１２１Ａｃ…歯の先端部の部分、
１２２…誘導コイル。

Claims (6)

1. 固定子の内周側に形成されかつ誘導コイルが巻回された複数の歯を有する固定子と、
   前記固定子の内側に設けられた回転子であって、複数の外周磁性体部よりも内側においてそれぞれ前記各外周磁性体部に対向するように外周方向で並置された複数の磁石を有する回転子とを備えた埋め込み永久磁石式同期電動機であって、
   前記複数の歯の先端部と前記複数の外周磁性体部との少なくとも一方は、上記固定子の内周と上記回転子の外周との間の、回転方向の前方側における距離が、回転方向の後方側の距離よりも短くなるように、回転方向で非対称な円弧形状を有する、
   埋め込み永久磁石式同期電動機。
2. 前記複数の歯の先端部は、回転方向の後方側の径方向外形側面に沿って配置される一方、回転方向の前方側の径方向外形側面から回転方向で突出する部分を有するように構成された
   請求項１記載の埋め込み永久磁石式同期電動機。
3. 前記複数の歯の先端部は、当該歯の回転方向の前方側の径方向外形側面の長さが、当該歯の回転方向の後方側の径方向外形側面の長さよりも長い、
   請求項１又は２記載の埋め込み永久磁石式同期電動機。
4. 前記複数の外周磁性体部はそれぞれ、前記回転子の半径よりも短い半径を有する円弧形状を有する切り欠き部を備えた、
   請求項１〜３のうちのいずれか１つに記載の埋め込み永久磁石式同期電動機。
5. 前記切り欠き部は、前記回転子の外周と、互いに隣接する前記各磁石の間の径方向中心線であるｑ軸と、上記各外周磁性体部の円弧とで囲まれる外周磁性体部の領域を除去することにより構成された、
   請求項４記載の埋め込み永久磁石式同期電動機。
6. 前記回転子は、互いに隣接する前記各磁石の間であって前記各磁石の両端部に配置された複数の磁束バリアを備え、
   前記複数の磁束バリアは、前記各磁石において、回転方向の前方側の磁束バリアの周方向の長さは、回転方向の後方側の磁束バリアの周方向の長さよりも長い、
   請求項４又は５記載の埋め込み永久磁石式同期電動機。

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