JP5111535B2

JP5111535B2 - 永久磁石型回転電機

Info

Publication number: JP5111535B2
Application number: JP2010023951A
Authority: JP
Inventors: 祥子川崎; 裕之秋田; 公康古澤
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2010-02-05
Filing date: 2010-02-05
Publication date: 2013-01-09
Anticipated expiration: 2030-02-05
Also published as: JP2011166868A

Description

この発明は、界磁が電機子の外周側に配置され、界磁の構造に特徴がある永久磁石型回転電機（ブラシ付ＤＣモータ）に関する。

従来、ポール数（磁極数）Ｐが４以上の偶数である永久磁石式ロータと、スロット数ＳがＰの倍数でないステータとを有し、永久磁石がロータ中心に対して張るマグネット角度を約６７．５°とし、１周あたりのコギングトルクの数を、ポール数Ｐとスロット数Ｓの最小公倍数ＬＣＭの２倍以上の整数倍にすることにより、コギングトルクを著しく小さくすることができる永久磁石型回転電機が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００３−１３４７７２号公報（段落番号［００１３］、図２等）

近年、あらゆる製品への適用が増えつつある永久磁石型回転電機において、低コスト化・高品質化が求められている傾向にある。特に、生産台数が多く、構成部品点数の多い自動車などにおいては、電動パワーステアリング装置、排ガス循環装置などにも永久磁石型回転電機を用いる例が多く、構成部品そのものの低コスト化に加え、操舵性や装置の動作性などから低コギング化も同時に求められている。

低コギング化の手段としては、以下に示すものが従来からよく知られている。
（１）界磁石のスキュー（段スキュー、スキュー着磁）、界磁石の端部カット、円弧形状などにより磁束密度分布（厳密には磁束密度の二乗の分布）を滑らかにする手段；
（２）電機子のティース先端のダミースロット設置、端部のカットなど、パーミアンス分布を滑らかにする手段。

また、分布巻を採用して電機子スロット数が多い場合には、コギングの次数が高くなるため、集中巻でスロット数が少ない場合に比べ、コギングが小さい傾向にある。

しかしながら、上記（１）の磁束密度分布を滑らかにする手段は、部品点数が多くなったり、着磁装置が複雑になることなどにより、磁石コストが高くなる傾向にあった。

さらに、上記特許文献１のように、電機子コアのスロット数Ｓとポール数（磁極数）Ｐの最小公倍数ＬＣＭの２倍以上のコギング数になるように、永久磁石がロータ中心に対して張る角度を設定しただけでは、パーミアンスの変化が比較的大きい電機子コア（例えば、スロット開口部が広い場合など）においては、コギングトルクを十分に低減できない可能性があった。

また、上記（２）のパーミアンス分布を滑らかにする手段は、ダミースロットや端部カットにより、等価的なギャップが大きくなり、電機子と界磁を組み込んだときの磁束が低下する、すなわち、トルク特性が落ちやすい傾向にあった。さらに、ダミースロットは特定の次数のコギング成分を低減するのには効果があるが、界磁側の磁束密度の高調波分布が多岐にわたるような場合には、合計のコギング（ｐ−ｐ（ピーク・トゥ・ピーク））が低減しないこともあった。

また、製品の寸法ばらつきによるコギングのばらつきの低減も、上記のような製品については重要な課題である。永久磁石であれば、磁石の幅・厚み、取り付け位置のばらつき、電機子コアにおいては、ダミースロットを設ける位置や寸法のばらつきなどが、コギングのばらつきに影響していた。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、コギングの各成分を最小限にしつつ、製品ばらつきによるコギングのばらつきも抑えられるような、界磁を備える永久磁石型回転電機を提供する。

この発明に係る永久磁石型回転電機は、電機子と、前記電機子の外周側もしくは内周側に空隙を介して設けられる界磁と、を有する永久磁石型回転電機において、
界磁は、
断面が略円筒状のヨークと、
ヨークの内周面もしくは外周面に設けられ、磁極数分の永久磁石と、を備え、
永久磁石は、電機子中心軸から見た磁極角αが電気角で１３０〜１３５°であり、
さらに永久磁石は、電機子と対向面側の磁石表面角度βが約１２５°となるように、永久磁石の周方向端部の電機子と対向面側の角に、所定の形状の面取り部が形成されることを特徴とする。

この発明に係る永久磁石型回転電機は、永久磁石の電機子中心軸から見た磁極角αが電気角で１３０〜１３５°であり、さらに永久磁石の電機子と対向面側の磁石表面角度βが約１２５°となるように、永久磁石の周方向端部の電機子と対向面側の角に、所定の形状の面取り部が形成されるようにしたので、コギングトルクの各成分を最小限にし、製品の寸法ばらつきによるコギングトルクのばらつきを抑えることができる。

実施の形態１を示す図で、永久磁石型回転電機１００の横断面図。図１の界磁１０の横断面図。実施の形態１を示す図で、永久磁石１１の拡大図。図３のＡ部拡大図。図２のヨーク１２の横断面図。図５のＢ部拡大図。実施の形態１を示す図で、変形例のヨーク１１２の横断面図。図１の電機子３０の横断面図。図８の電機子鉄心３１の横断面図。実施の形態１を示す図で、図９のスロット３３の拡大図。実施の形態１を示す図で、磁極角α（電気角）に対するコギング成分及び磁束量の変化を示す図。実施の形態１を示す図で、磁極角α（電気角）が１３０°で、面取り角度θが３０°のときの面取り第１辺の長さＬとコギング成分（振幅）との関係を示す図。実施の形態１を示す図で、磁極角α（電気角）が１３０°で、面取り角度θが４５°のときの面取り第１辺の長さＬとコギング成分（振幅）との関係を示す図。実施の形態１を示す図で、磁極角α（電気角）が１３０°で、磁石表面角度βがコギング最小となる角度になる面取り部１１ｄの形状を示す図。実施の形態１を示す図で、磁極角α（電気角）が１３５°で、磁石表面角度βがコギング最小となる角度になる面取り部１１ｄの形状を示す図。実施の形態１を示す図で、磁性体部１３ａの有無で、各コギング成分におけるＢ（磁束密度）＾２を表す図。

実施の形態１．
本実施の形態では、電機子がロータ（回転子）、界磁がステータ（固定子）であるインナーロータ形のブラシ付ＤＣモータ（永久磁石型回転電機）を対象とする（但し、電機子がステータ（固定子）、界磁がロータ（回転子）であるアウターロータ形のブラシ付ＤＣモータでも良い）。

図１乃至図１０は実施の形態１を示す図で、図１は永久磁石型回転電機１００の横断面図、図２は図１の界磁１０の横断面図、図３は永久磁石１１の拡大図、図４は図３のＡ部拡大図、図５は図２のヨーク１２の横断面図、図６は図５のＢ部拡大図、図７は変形例のヨーク１１２の横断面図、図８は図１の電機子３０の横断面図、図９は図８の電機子鉄心３１の横断面図、図１０は図９のスロット３３の拡大図である。

本実施の形態の永久磁石型回転電機１００は、例えば、以下に示す仕様のブラシ付ＤＣモータである。
（１）出力：１０〜２０Ｗ；
（２）外径：φ５０［ｍｍ］；
（３）永久磁石厚：４［ｍｍ］；
（４）極数：４極；
（５）電機子のスロット数：６。

図１乃至図８により、永久磁石型回転電機１００の構成について説明する。永久磁石型回転電機１００は、少なくとも界磁１０と、界磁１０の内側に空隙を介して配置される電機子３０とを備える。

界磁１０は、断面が略円筒状のヨーク１２と、ヨーク１２の内周面に沿って、周方向に略等間隔に設けられる円弧状の永久磁石１１とを備える。永久磁石１１のヨーク１２への固定方法は、接着、樹脂モールド等である。

永久磁石１１は、１磁極つき１個設けられる。図２の例は、４極の界磁１０であるので、４個の永久磁石１１を使用している。

永久磁石１１には、本実施の形態の永久磁石型回転電機１００が、低出力（１０〜２０Ｗ）のブラシ付ＤＣモータであるので、フェライト焼結磁石を用いる。フェライト焼結磁石は、Ｆｅ_２Ｏ_３（酸化第２鉄）とＢａＣＯ_３（炭酸バリウム）もしくはＳｒＣＯ_３（炭酸ストロンチュウム）を主原料とし、粉末冶金法により製造されるコストパフォーマンスの優れたマグネットである。

永久磁石１１は、同心円の円弧を持つセグメント（分割、ここでは４分割）磁石であり、ラジアル方向に配向あるいは着磁されている。図３に示すように、永久磁石１１の内周面１１ａは断面が円弧であり、永久磁石１１の外周面１１ｂも、断面が内周面１１ａの円弧と同心円の円弧である。永久磁石１１の側面１１ｃ（周方向の端面）は、ラジアル方向（径方向）を向いている。

永久磁石１１の磁極角（界磁１０の中心から見た角度）をαとする。後述するように、この磁極角αを、本実施の形態では、電気角で１３０〜１３５°とする（機械角は、４極であれば６５〜６７．５ｄｅｇ）。

また、永久磁石１１の磁極表面角（内周面１１ａ）をβとする。後述するように、この磁極表面角βを、本実施の形態では、電気角で約１２５°とする（機械角は、４極であれば約６２．５°）。

さらに、磁極角αが電気角で１３０〜１３５°であり、且つ磁極表面角βが電気角で約１２５°の条件を満たすために、永久磁石１１の側面１１ｃにおける内周面１１ａ側の角に、面取り加工を施して面取り部１１ｄを形成している。

永久磁石１１の両端の面取り部１１ｄは、例えば、金型成形時に形成するようにしてもよい。

また、永久磁石の両端の面取り部１１ｄは、焼結後の追加工により形成するようにしてもよい。

図４に示すように、面取り部１１ｄの面取り角度をθ、面取り第１辺の長さをＬとする。面取り部１１ｄの面取り角度θは、面取り部１１ｄと永久磁石１１の側面１１ｃの延長線とのなす角度である。面取り第１辺は、永久磁石１１の側面１１ｃの延長線上における辺である。

永久磁石１１は、その他のエッジも、割れ・欠け防止のため全て面取りあるいは丸取りされているが、Ｃ面取り（４５ｄｅｇ）でも良い。

図５に示すように、ヨーク１２は、例えば、鋼板製（磁性体であればよい）の略円筒状のもので、永久磁石１１の間に内側に所定の長さ陥没（突出）する凸部１３が、周方向に略等間隔に形成されている。凸部１３の周方向両端は、永久磁石１１に当接（隣接）している。この部分を、磁性体部１３ａとする。

図５の場合は、極間を間にする二つの磁性体部１３ａが、凸部１３に一体に形成されているが、図７に示す変形例のヨーク１１２のように、極間を間にする二つの磁性体部１１３ａが、別々に形成されている鋼板を円筒状に曲げたものでもよい。この場合は、界磁１０が４極であれば、８箇所に磁性体部１１３ａが設けられる。

磁性体部１３ａの径方向内部への突出量Ｎ（図６参照）は、永久磁石１１の厚さＭ（図６参照）の慨略半分程度が好ましい。永久磁石１１の端部の漏れ磁束を抑制するためである。

ヨーク１２は、例えば、平板上の薄板（例えば、厚さ２ｍｍ程度の鋼板）を環状にまげて、端部を溶接や事前に設けたアリ溝を嵌め合わせて形成する。

一方、電機子３０は、図８に示すように、少なくとも電機子鉄心３１と、スロット３３内に絶縁材（図示せず）を介して挿入される電機子巻線３４と、回転軸３５と、を備える。尚、整流子、ブラシ等は省略している。

電機子鉄心３１は、図９に示すように、外周縁に沿って周方向に略等間隔に配置される６個のスロット３３が形成されている。スロット３３の間は、鉄心部でここをティース３２と呼ぶ。ティース３２は、径方向に周方向の幅が略一定になるように形成されている。スロット３３が６個であるから、その間に形成されるティース３２の数も６個である。６個のティース３２は、電機子鉄心３１の内部において、環状のコアバック３６に連結している。コアバック３６の内側に、回転軸３５が嵌合する軸孔３７を有する。

スロット３３は、図１０に示すように、電機子鉄心３１の外周縁に開口している。この部分をスロット開口部３３ａ（スロットオープニング）と呼ぶ。電機子巻線３４は、スロット開口部３３ａから、絶縁材（図示せず）が施されたスロット３３に挿入される。

図１１は実施の形態１を示す図で、磁極角α（電気角）に対するコギング成分及び磁束量の変化を示す図である。図１１では、コギング成分については、１２調波、２４調波、３６調波、４８調波について図示している。また、磁束量は、磁極角α（電気角）が１８０°のときを１００％としている。

図１１に示すように、磁石表面角度β（電機子３０に対向する面の磁極角αを磁石表面角度βとして区別する）は、略１２５°（電気角）において、コギング成分が最小となる。従って、永久磁石１１の磁極角αを１２５°（電気角）に設定すればコギング成分は小さくできるが、一方で永久磁石１１の磁束量は、磁極角αが小さくなるとともに低下する。

そこで、永久磁石１１の磁極角αを、磁束量が余り低下しない、１３０°〜１３５°（電気角）に設定する。しかし、磁極角αが１３０°〜１３５°（電気角）であると、図１１に示すように、磁石表面角度βの狙い値である略１２５°（電気角）からずれて、コギング成分が大きくなる。この傾向は、低次の１２調波や２４調波で顕著である。

本実施の形態の永久磁石型回転電機１００は、永久磁石１１の磁極角αを磁束量を確保できる１３０°〜１３５°（電気角）に設定するとともに、永久磁石１１の側面１１ｃにおける内周面１１ａ側の角に、面取り加工を施して面取り部１１ｄを形成することにより、電機子３０に対向する磁石表面角度βを磁石表面角度βの狙い値である略１２５°（電気角）に近づけるようにしている。このとき、面取り部１１ｄの面取り角度θは、３０°程度が好ましい。

図１２、図１３は実施の形態１を示す図で、図１２は磁極角α（電気角）が１３０°で、面取り角度θが３０°のときの面取り第１辺の長さＬとコギング成分（振幅）との関係を示す図、図１３は磁極角α（電気角）が１３０°で、面取り角度θが４５°のときの面取り第１辺の長さＬとコギング成分（振幅）との関係を示す図である。

図１２に示すように、例えば、磁極角α（電気角）が１３０°で、面取り角度θが３０°のとき、面取り第１辺の長さＬが約０．７５ｍｍで、コギング成分（振幅）が最小となる。また、面取り第１辺の長さＬが長くなっても、低次のコギング成分（１２調波、２４調波）においても、面取り第１辺の長さＬが２．０ｍｍでもコギング成分（振幅）は０．０１程度である。即ち、面取り部１１ｄの寸法のばらつきによるコギングのばらつきを、小さくすることができる。

これに対し、図１３に示すように、磁極角α（電気角）が１３０°で、面取り角度θが４５°のときは、面取り第１辺の長さＬが約０．５ｍｍで、コギング成分（振幅）が最小となる。そして、面取り第１辺の長さＬが１．０ｍｍより大きくなると、特に低次のコギング成分（１２調波、２４調波）において、コギング成分（振幅）が大きくなり、図１２の面取り角度θが３０°のときより、例えば、１２調波のコギング成分（振幅）は、面取り第１辺の長さＬが約２．０ｍｍで、２倍にもなる。従って、面取り部１１ｄの面取り角度θは、３０°程度が好ましいと言える。

図１４、図１５は実施の形態１を示す図で、図１４は磁極角α（電気角）が１３０°で、磁石表面角度βがコギング最小となる角度になる面取り部１１ｄの形状を示す図、図１５は磁極角α（電気角）が１３５°で、磁石表面角度βがコギング最小となる角度になる面取り部１１ｄの形状を示す図である。

図１４に示すように、磁極角α（電気角）が１３０°で、磁石表面角度β（電気角）がコギング最小となる角度（約１２５°）にするのは、面取り部１１ｄの形状を以下に示すようにする。
（１）面取り角度θ＝３０°；
（２）面取り第１辺の長さＬ＝０．７５ｍｍ。

また、図１５に示すように、磁極角α（電気角）が１３５°で、磁石表面角度β（電気角）がコギング最小となる角度（約１２５°）にするのは、面取り部１１ｄの形状を以下に示すようにする。
（１）面取り角度θ＝３０°；
（２）面取り第１辺の長さＬ＝１．５ｍｍ。

図１６は実施の形態１を示す図で、磁性体部１３ａの有無で、各コギング成分におけるＢ＾２（磁束密度の二乗）を表す図である。図１６において、横軸はコギング成分（１２調波、２４調波、３６調波、４８調波、６０調波、７２調波）で、縦軸は磁束密度の二乗（Ｂ＾２（ＦＦＴ（ＦａｓｔＦｏｕｒｉｅｒＴｒａｎｓｆｏｒｍ、高速フーリエ変換）の振幅）である。

永久磁石１１の両端に隣接するように磁性体部１３ａ，１１３ａ（図６、図７参照）を設けることにより、永久磁石１１の側面１１Ｃ付近の磁路がラジアル配向より外角よりに向くため、空隙磁束密度分布がより滑らかになり、コギング各成分をより低減することができる。

以上のように、本実施の形態の永久磁石型回転電機１００は、界磁１０の一周当たり、スロット３３の数Ｓと磁極数Ｐの最小公倍数ＬＣＭの整数倍の数のコギングが発生する（例えば、６スロット４極であれば、１２、２４、３６、４８・・・の成分）が、永久磁石１１の磁極角αを１３０°〜１３５°にすることで、モータ特性（磁束量）を確保しつつ、永久磁石１１の周方向端部の面取り（面取り部１１ｄ）によって磁石表面の角度βを１２５°にすることにより、各コギング成分（例えば、６スロット４極であれば、１２、２４、３６、４８・・・の成分）ともに最小となる（図１１参照）。

永久磁石１１の端部の面取り部１１ｄの面取り角度θを約３０°にすることにより、面取り寸法のばらつきによるコギングのばらつきを小さくすることができる（図１２、図１３参照）。

永久磁石１１の両端に隣接するように磁性体部１３ａ，１１３ａを設けることにより、永久磁石１１の側面１１ｃ付近の磁路がラジアル配向より外角よりに向くため、空隙磁束密度分布がより滑らかになり、コギング各成分をより低減することができる。

磁性体部１３ａ，１１３ａの径方向内部への突出量Ｍは、永久磁石１１の厚さＮの半分程度にすることにより、永久磁石１１の端部の漏れ磁束を抑制することができる。

永久磁石１１の端部の角度３０°の面取り第１辺の長さＬを、磁石角αが１３５°であれば１．５ｍｍ、磁石角αが１３０°であれば０．７５ｍｍ程度にすることによって、磁石表面角度βがコギング最小となる角度になる磁石表面角度βを約１２５°とすることができる。

１０界磁、１１永久磁石、１１ａ内周面、１１ｂ外周面、１１ｃ側面、１１ｄ面取り部、１２ヨーク、１３凸部、１３ａ磁性体部、３０電機子、３１電機子鉄心、３２ティース、３３スロット、３３ａスロット開口部、３４電機子巻線、３５回転軸、３６コアバック、１００永久磁石型回転電機、１１２ヨーク、１１３ａ磁性体部。

Claims

電機子と、前記電機子の外周側もしくは内周側に空隙を介して設けられる界磁と、を有する永久磁石型回転電機において、
前記界磁は、
断面が略円筒状のヨークと、
前記ヨークの内周面もしくは外周面に設けられた永久磁石であって、磁極数分の永久磁石と、を備え、
前記永久磁石は、前記電機子中心軸から見た永久磁石側面同士が成す磁極角αが電気角で１３０〜１３５°であり、
さらに前記永久磁石は、前記電機子と対向面側の円弧の両端が成す角度である磁石表面角度βが電気角で１２５°となるように、前記永久磁石の周方向端部の前記電機子と対向面側の角に、前記永久磁石の側面に対して３０°の角度の面取り部が形成されることを特徴とする永久磁石型回転電機。
前記ヨークは、前記永久磁石の両側面に隣接する部分に、前記ヨーク内径より内周側に突出する磁性体部が設けられ、前記磁性体部の径方向の突出量Ｎは、前記永久磁石の厚さＭの半分であることを特徴とする請求項１に記載の永久磁石型回転電機。
前記永久磁石は、ラジアル配向またはラジアル着磁されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の永久磁石型回転電機。
前記ヨークと前記磁性体部とは、一体に形成されることを特徴とする請求項２に記載の永久磁石型回転電機。
前記磁性体部は、前記ヨークの前記永久磁石の間の部分を内径側に陥没させて形成される凸部に設けられることを特徴とする請求項４に記載の永久磁石型回転電機。
前記ヨークは、平板状の磁性材料の一部を陥没させて前記凸部を形成し、さらに環状に成形して端部同士を接合することで構成されることを特徴とする請求項５に記載の永久磁石型回転電機。