JP7600730B2

JP7600730B2 - 回転電機

Info

Publication number: JP7600730B2
Application number: JP2021019003A
Authority: JP
Inventors: 亮介赤木
Original assignee: Suzuki Motor Corp
Current assignee: Suzuki Motor Corp
Priority date: 2021-02-09
Filing date: 2021-02-09
Publication date: 2024-12-17
Anticipated expiration: 2041-02-09
Also published as: EP4047788A1; JP2022121978A; EP4047788B1

Description

本発明は、回転電機に関する。

従来の回転電機にあっては、一対の磁石をＶ字形に配置するための一対の磁石穴が形成されたロータコアは、一対の磁石穴の外周側部分にアウターブリッジ部を有し、一対の磁石穴の間の部分に、径方向に延びる帯状のセンターブリッジ部を有しており、これらのブリッジ部にはロータの回転による遠心力が大きく作用する（特許文献１参照）。特許文献１に記載の従来の回転電機は、センターブリッジ部に、幅の狭いネック部が設けられている。特許文献１に記載の回転電機は、ネック部を設けたことによる切り欠き強化という現象により、切り欠きの底部分での塑性が拘束され（塑性拘束）、センターブリッジ部の強度が高くなり高回転数化が可能となる。

特開２００５－５７９５８号公報

しかしながら、特許文献１に記載の回転電機にあっては、より高回転に対応させようとした場合、アウターブリッジ部およびセンターブリッジ部の厚みを大きくしてロータのサイズを大きくする必要が生じてしまう問題と、アウターブリッジ部およびセンターブリッジ部を通る漏れ磁束が増加して磁束密度が低下してしまう問題とがあった。

本発明は、上述のような事情に鑑みてなされたもので、ブリッジ部の厚みを大きくすることなく遠心力によるブリッジ部の変形を抑制でき、漏れ磁束の増加による磁束密度の低下を抑制できる回転電機を提供することを目的としている。

本発明は、上記目的を達成するため、電機子巻線が配置されるスロットが複数形成されたステータと、前記ステータ側に向かって広がるＶ字型に配置された一対の永久磁石がロータコアに複数対埋め込まれたロータと、を備えた回転電機であって、前記ロータコアは、一対の前記永久磁石の外周側の端部に隣接してそれぞれ形成された第１のフラックスバリアと、一対の前記永久磁石の内周側の端部に隣接して形成された第２のフラックスバリアと、前記第１のフラックスバリアの外周側において前記ロータコアの外周面に沿って周方向に延びるアウターブリッジ部と、前記第２のフラックスバリア内を径方向に延び、前記ロータコアの外周側と内周側とを連結するセンターブリッジ部と、前記第１のフラックスバリア内を通過し、前記アウターブリッジ部と前記ロータコアの内周部とを連結する橋掛け部と、を有し、前記橋掛け部は、前記アウターブリッジ部の周方向の中央部と、前記第１のフラックスバリアにおける前記永久磁石の外周側の端部に周方向に対向する位置で径方向に延びる壁面の径方向の中央部と、を連結していることを特徴とする。

本発明によれば、ブリッジ部の厚みを大きくすることなく遠心力によるブリッジ部の変形を抑制でき、漏れ磁束の増加による磁束密度の低下を抑制できる回転電機を提供することができる。

図１は、本発明の一実施例に係る回転電機を回転軸に直交する平面で切断した断面図である。図２は、本発明の一実施例に係る回転電機のロータの一部の断面図である。図３は、本発明の一実施例に係る回転電機のロータの第１のフラックスバリアの近傍の拡大図である。図４は、本発明の一実施例に係る回転電機における遠心力による応力分布を示す図である。図５は、本発明の一実施例に係る回転電機における磁束分布を示す図である。図６は、比較例に係る回転電機における遠心力による応力分布を示す図である。図７は、比較例に係る回転電機における磁束分布を示す図である。

本発明の一実施の形態に係る回転電機は、電機子巻線が配置されるスロットが複数形成されたステータと、ステータ側に向かって広がるＶ字型に配置された一対の永久磁石がロータコアに複数対埋め込まれたロータと、を備えた回転電機であって、ロータコアは、一対の永久磁石の外周側の端部に隣接してそれぞれ形成された第１のフラックスバリアと、一対の永久磁石の内周側の端部に隣接して形成された第２のフラックスバリアと、第１のフラックスバリアの外周側においてロータコアの外周面に沿って周方向に延びるアウターブリッジ部と、第２のフラックスバリア内を径方向に延び、ロータコアの外周側と内周側とを連結するセンターブリッジ部と、第１のフラックスバリア内を通過し、アウターブリッジ部とロータコアの内周部とを連結する橋掛け部と、を有することを特徴とする。これにより、本発明の一実施の形態に係る回転電機は、ブリッジ部の厚みを大きくすることなく遠心力によるブリッジ部の変形を抑制でき、漏れ磁束の増加による磁束密度の低下を抑制できる。

以下、本発明に係る回転電機の一実施例について、図面を用いて説明する。

図１において、本実施例に係る回転電機１は、永久磁石をロータ内部に埋め込んだ埋込磁石同期回転電機(Interior Permanent Magnet Synchronous Motor：以下、ＩＰＭＳＭという)である。回転電機１は、例えばハイブリッド自動車や電気自動車に搭載するのに好適な性能を有している。

回転電機１は、環状に形成されたステータ１０と、ステータ１０内に回転自在に収容されたロータ２０とを備えている。ロータ２０は、軸心Ｏを中心に回転する回転軸２に固定されており、回転軸２と一体回転するようになっている。

ステータ１０は、図示しないモータケースに固定されている。ステータ１０は、高透磁率の磁性材料からなる環状のステータコア１１を備えている。ステータコア１１は、回転軸２の軸線に沿った軸方向に電磁鋼板を積層したものからなる。

ステータコア１１には、径方向の内方側に突出したステータティース１２が周方向に沿って複数設けられている。周方向に隣り合うステータティース１２の間には、溝状の空間であるスロット１３が複数形成されている。

径方向とは、上述の軸方向と直交する方向を示す。径方向の内方側とは、径方向において回転軸２に近い側を示し、径方向の外方側とは、径方向において回転軸２から遠い側を示す。周方向とは、回転軸２を中心とする円周方向を示す。

ステータコア１１の各スロット１３には、ステータコア１１の周方向に沿ってＷ相、Ｖ相、Ｕ相の三相の電機子巻線１４がそれぞれ配置されている。Ｗ相、Ｖ相、Ｕ相の各電機子巻線１４は、それぞれのステータティース１２に分布巻されている。

ステータ１０は、電機子巻線１４に三相交流が供給されることで、周方向に回転する回転磁界を発生させる。ステータ１０で発生した磁束は、ロータ２０に鎖交するようになっている。これにより、ステータ１０は、ロータ２０を回転させることができる。

図２において、ロータ２０は、環状のロータコア２１と、複数の永久磁石対２３と、磁極部２４とを含んで構成されている。

ロータコア２１は、回転軸２の軸線に沿った軸方向に、高透磁率の磁性材料である電磁鋼板を積層したものからなる。ロータコア２１には、ロータ２０の周方向に沿って複数のスリット対２２が形成されている。ロータコア２１の内周面２１Ｂは回転軸２に固定されている。

スリット対２２は、一対のスリット２２Ａ、２２Ｂからなる。一対のスリット２２Ａ、２２Ｂは、径方向の内方側から径方向の外方側、すなわちステータ側に向かって広がるＶ字型になるよう設けられている。

一対のスリット２２Ａ、２２Ｂには、永久磁石２３Ａ、２３Ｂが嵌め込まれている。一対の永久磁石２３Ａ、２３Ｂは、径方向の内方側から径方向の外方側、すなわちステータ側に向かって広がるＶ字型に配置され、永久磁石対２３を構成する。

永久磁石２３Ａと永久磁石２３Ｂとは、同一の極性面が互いに対向するように配置されている。これにより、永久磁石２３Ａと永久磁石２３Ｂとの間には、対向する極性面と同一の極性を有する磁極部２４が形成される。このように、磁極部２４は、Ｖ字型に配置された永久磁石２３Ａ、２３Ｂの極性によってＮ磁極又はＳ磁極として形成される。

一対の永久磁石２３Ａ、２３Ｂは、周方向に隣り合う永久磁石対２３同士で極性面の向きが逆向きとなるよう配置されている。これにより、磁極部２４は、周方向に隣り合う磁極部２４同士で極性が逆、すなわち逆極性となる。したがって、ロータ２０においては、周方向にＮ磁極の磁極部２４（図１中、「Ｎ」と記載）とＳ磁極の磁極部２４（図１中、「Ｓ」と記載）とが交互に形成される。

このように、ロータ２０は、一対の永久磁石２３Ａ、２３ＢをＶ字型に配置した永久磁石対２３が複数設けられた逆突極構造を有している。

回転電機１は、このような逆突極構造をロータ２０が有しているため、一対の永久磁石２３Ａ、２３Ｂの間を通る軸方向（以下、ｄ軸方向という）のインダクタンスが、周方向に隣り合う永久磁石対２３の間を通り、ｄ軸と電気的・磁気的に直交する軸方向（以下、ｑ軸方向という）のインダクタンスよりも小さい特性を有する。したがって、逆突極構造では、永久磁石対２３が発生するマグネットトルクに加えて、ｄ軸方向のインダクタンスとｑ軸方向のインダクタンスとの差に応じたリラクタンストルクを発生することができる。これにより、回転電機１におけるトルク密度を向上させることができる。

また、ロータコア２１には、一対の永久磁石２３Ａ、２３Ｂに隣接するようにして、第１のフラックスバリア２５Ａおよび第２のフラックスバリア２５Ｂが形成されている。第１のフラックスバリア２５Ａおよび第２のフラックスバリア２５Ｂは、磁束の回り込みを制限するための空隙である。

第１のフラックスバリア２５Ａは、一対の永久磁石２３Ａ、２３Ｂの外周側の端部に隣接してそれぞれ形成されている。第２のフラックスバリア２５Ｂは、一対の永久磁石２３Ａ、２３Ｂの間であって、これらの永久磁石２３Ａ、２３Ｂの内周側の端部に隣接して形成されている。

なお、ロータコア２１に永久磁石２３Ａ、２３Ｂを嵌め込む前の状態では、永久磁石２３Ａ、２３Ｂのそれぞれに対応するスリット２２Ａ、２２Ｂおよび第１のフラックスバリア２５Ａおよび第２のフラックスバリア２５Ｂは、これらが連続する一体化した空間を形成している。

ロータコア２１は、第１のフラックスバリア２５Ａとロータコア２１の外周面２１Ａとの間に、アウターブリッジ部３２を有している。また、ロータコア２１は、第２のフラックスバリア２５Ｂ内を通る帯状のセンターブリッジ部３１を有している。

アウターブリッジ部３２は、第１のフラックスバリア２５Ａの外周側において、ロータコア２１の外周面２１Ａに沿って周方向に延びている。センターブリッジ部３１は、第２のフラックスバリア２５Ｂ内を径方向に延びており、ロータコア２１の外周側と内周側とを連結している。ここで、ロータコア２１の外周側とは、ロータコア２１における第２のフラックスバリア２５Ｂよりも径方向の外方の部位をいう。また、ロータコア２１の内周側とは、ロータコア２１における第２のフラックスバリア２５Ｂよりも径方向の内方の部位をいう。したがって、センターブリッジ部３１は、第２のフラックスバリア２５Ｂを径方向に挟んで、ロータコア２１の外周側と内周側とを連結している。

ここで、ロータ２０の回転時は、永久磁石２３Ａ、２３Ｂに作用する遠心力、およびロータコア２１における永久磁石２３Ａ、２３Ｂよりも外周側の部位に作用する遠心力は、センターブリッジ部３１およびアウターブリッジ部３２に集中する。そのため、回転電機１の最高回転数は、ロータコア２１のセンターブリッジ部３１およびアウターブリッジ部３２の強度に依存する。

センターブリッジ部３１およびアウターブリッジ部３２の強度を大きくするために、センターブリッジ部３１およびアウターブリッジ部３２の厚みを大きくした場合、センターブリッジ部３１およびアウターブリッジ部３２を通過する漏れ磁束が大きくなり、磁束密度が低下してしまう。そのため、これらのブリッジ部の厚みを大きくすることなくブリッジ部の変形を抑制することが望ましい。

図２、図３において、ロータコア２１は橋掛け部３３を有している。第１のフラックスバリア２５Ａ内を通過し、橋掛け部３３は、アウターブリッジ部３２とロータコア２１の内周部とを連結している。詳しくは、橋掛け部３３は、アウターブリッジ部３２と、ロータコア２１の壁面３４とを連結している。壁面３４は、第１のフラックスバリア２５Ａにおける永久磁石２３Ａ、２３Ｂの外周側の端部に周方向に対向する位置で径方向に延びている。橋掛け部３３は、ロータ２０の径方向に対して傾斜する姿勢で直線状に延びている。

アウターブリッジ部３２は、橋掛け部３３との連結位置よりも周方向の一方側に位置する第１のアウターブリッジ部３２Ａと、橋掛け部３３との連結位置よりも周方向の他方側に位置する第２のアウターブリッジ部３２Ｂと、から構成されている。そして、第２のアウターブリッジ部３２Ｂの厚さは、第１のアウターブリッジ部３２Ａの厚さよりも小さくなっている。ここで、第１のアウターブリッジ部３２Ａおよび第２のアウターブリッジ部３２Ｂの厚さとは、これらの径方向の寸法をいう。言い換えれば、第２のアウターブリッジ部３２Ｂは、第１のアウターブリッジ部３２Ａよりも薄く形成されている。

第１のアウターブリッジ部３２Ａおよび第２のアウターブリッジ部３２Ｂの周方向の寸法は、ともにＬ１に設定されている。ロータコア２１の壁面３４における橋掛け部３３との連結部の径方向の外側と内側との寸法は、ともにＬ２に設定されている。したがって、橋掛け部３３は、アウターブリッジ部３２の周方向の中央部と、壁面３４の径方向の中央部と、を連結している。

以上のように、本実施例に係る回転電機１において、ロータコア２１は、図２、図３に示すように、一対の永久磁石２３Ａ、２３Ｂの外周側の端部に隣接してそれぞれ形成された第１のフラックスバリア２５Ａと、一対の永久磁石２３Ａ、２３Ｂの内周側の端部に隣接して形成された第２のフラックスバリア２５Ｂと、第１のフラックスバリア２５Ａの外周側においてロータコア２１の外周面２１Ａに沿って周方向に延びるアウターブリッジ部３２と、第２のフラックスバリア２５Ｂ内を径方向に延び、ロータコア２１の外周側と内周側とを連結するセンターブリッジ部３１と、を有している。

このように構成された回転電機１において、図４に示すように、ロータ２０の回転時の遠心力Ｆｃは、一対の永久磁石２３Ａ、２３Ｂと、ロータコア２１における永久磁石２３Ａ、２３Ｂよりも外周側の部位である外周部位２９と、に作用する。この遠心力Ｆｃは、アウターブリッジ部３２およびセンターブリッジ部３１とに集中し、アウターブリッジ部３２およびセンターブリッジ部３１に対して引っ張り方向の応力として作用する。この遠心力Ｆｃに対して、センターブリッジ部３１は径方向内側への抗力Ｆ１を発揮し、アウターブリッジ部３２は周方向外側への抗力Ｆ２、Ｆ３を発揮している。

そして、本実施例に係る回転電機１は、アウターブリッジ部３２とロータコア２１の内周部とを連結するように第１のフラックスバリア２５Ａ内を通過する橋掛け部３３を有している。

これにより、アウターブリッジ部３２に作用する応力の一部を橋掛け部３３に受け持たせることができ、橋掛け部３３は抗力Ｆ４、Ｆ５を発揮することができる。このため、ロータコア２１に作用する遠心力をセンターブリッジ部３１、アウターブリッジ部３２および橋掛け部３３に分散させることができる。したがって、アウターブリッジ部３２およびセンターブリッジ部３１の厚さを大きくすることなく遠心力によるブリッジ部の変形を抑制できる。

また、アウターブリッジ部３２の厚さを大きくしていないので、アウターブリッジ部３２を通る漏れ磁束が増加することを防止でき、漏れ磁束の増加による磁束密度の低下を抑制できる。

この結果、ブリッジ部の厚さを大きくすることなく遠心力によるブリッジ部の変形を抑制でき、漏れ磁束の増加による磁束密度の低下を抑制できる。

一方、図６に示す比較例の回転電機１Ａでは、ロータ２０Ａが橋掛け部３３を有していないので、遠心力Ｆｃによる応力の全てを、センターブリッジ部３１による抗力Ｆ１と、アウターブリッジ部３２による抗力Ｆ２、Ｆ３とによって受け持っており、応力を分散させることができない。このため、アウターブリッジ部３２が変形するおそれがあり、変形を抑制するためにアウターブリッジ部３２の厚さを大きくした場合はアウターブリッジ部３２を通る漏れ磁束が増加してトルクが低下するおそれがある。

また、本実施例に係る回転電機１において、橋掛け部３３は、図３に示すように、アウターブリッジ部３２と、第１のフラックスバリア２５Ａにおける永久磁石２３Ａ、２３Ｂの外周側の端部に周方向に対向する位置で径方向に延びる壁面３４と、を連結している。

このため、図４に示すように、遠心力Ｆｃによる応力の一部を、橋掛け部３３による抗力Ｆ４、Ｆ５として受け持たせることができ、この抗力Ｆ４、Ｆ５をさらに壁面３４に受け持たせることができる。

したがって、アウターブリッジ部３２を外周側に変形させようとする応力を、橋掛け部３３が連結された壁面３４に受け持たせることができる。また、橋掛け部３３が連結された壁面３４が径方向に延びているので、壁面３４を変形させることなく応力を壁面３４に受け持たせることができ、橋掛け部３３に大きな応力を受け持たせることができる。

一方、図６に示す比較例の回転電機１Ａでは、ロータ２０Ａが橋掛け部３３を有していないので、遠心力Ｆｃによる応力の全てを、センターブリッジ部３１による抗力Ｆ１と、アウターブリッジ部３２による抗力Ｆ２、Ｆ３とによって受け持っており、応力を分散させることができない。このため、センターブリッジ部３１またはアウターブリッジ部３２の少なくとも一方が変形するおそれがある。

また、本実施例に係る回転電機１において、アウターブリッジ部３２は、橋掛け部３３との連結位置よりも周方向の一方側に位置する第１のアウターブリッジ部３２Ａと、橋掛け部３３との連結位置よりも周方向の他方側に位置する第２のアウターブリッジ部３２Ｂと、から構成されている。そして、第２のアウターブリッジ部３２Ｂの厚さは、第１のアウターブリッジ部３２Ａの厚さよりも小さくなっている。

つまり、第１のアウターブリッジ部３２Ａおよび第２のアウターブリッジ部３２Ｂに作用する応力の一部を橋掛け部３３に受け持たせることができるので、アウターブリッジ部３２の一部である第２のアウターブリッジ部３２Ｂの厚さを小さくすることができる。第２のアウターブリッジ部３２Ｂの厚さを小さくしたことにより、第２のアウターブリッジ部３２Ｂを通過する漏れ磁束量を低減できるので、ロータコア２１の磁束密度を増加させることができ、トルクを増加させることができる。

詳しくは、図５の本実施例において、第１のアウターブリッジ部３２Ａを通った漏れ磁束は、第２のアウターブリッジ部３２Ｂと橋掛け部３３とに分岐しており、第２のアウターブリッジ部３２Ｂを通る漏れ磁束と橋掛け部３３を通る漏れ磁束の合計は５本であった。つまり、アウターブリッジ部３２の全体を通る漏れ磁束は５本であった。一方、図７の比較例の回転電機１Ａにおいて、ロータ２０Ａのアウターブリッジ部３２を通る漏れ磁束は６本であった。このように、本実施例では、アウターブリッジ部３２を通る漏れ磁束を比較例よりも低減できる。漏れ磁束を低減できることにより、図５に示す本実施例の回転電機１におけるステータ１０とロータ２０とのエアギャップＡの磁束密度は、図７に示す比較例の回転電機１Ａにおけるステータ１０とロータ２０ＡとのエアギャップＢの磁束密度よりも大きくなっている。

ここで、磁束は最短経路を通って対となる磁極に戻ろうとする性質があるため、橋掛け部３３をアウターブリッジ部３２の周方向の中央部よりも永久磁石２３Ａ、２３Ｂに近い側に連結した場合、橋掛け部３３を通る漏れ磁束が増加してしまい、トルクが低下してしまうおそれがある。

一方、第１のアウターブリッジ部３２Ａに作用する応力は、橋掛け部３３と第２のアウターブリッジ部３２Ｂとに分散されるので、橋掛け部３３をアウターブリッジ部３２の周方向の中央部から永久磁石２３Ａ、２３Ｂから遠い側に配置した場合、第１のアウターブリッジ部３２Ａに作用する応力が大きくなり、第１のアウターブリッジ部３２Ａが大きく変形するおそれがある。

そこで、本実施例に係る回転電機１において、橋掛け部３３は、アウターブリッジ部３２の周方向の中央部と、壁面３４の径方向の中央部と、を連結している。

このように、橋掛け部３３をアウターブリッジ部３２の周方向の中央部に連結することにより、漏れ磁束量の低減と応力の分散を両立することができる。また、橋掛け部３３を壁面３４の径方向の中央部に連結することにより、橋掛け部３３をロータコア２１の径方向に対して傾斜して配置できるので、アウターブリッジ部３２に周方向（引っ張り方向）に作用する応力と径方向に作用する応力との両方に対して、橋掛け部３３による抗力を作用させることができる。

なお、回転電機１は、ハイブリッド自動車や電気自動車の駆動源としてだけでなく、例えば風力発電や工作機械などの駆動源としても好適に用いることができる。

本発明の実施例を開示したが、当業者によっては本発明の範囲を逸脱することなく変更が加えられうることは明白である。すべてのこのような修正及び等価物が次の請求項に含まれることが意図されている。

１回転電機
１０ステータ
１３スロット
１４電機子巻線
２０ロータ
２１ロータコア
２３Ａ、２３Ｂ永久磁石
２５Ａ第１のフラックスバリア
２５Ｂ第２のフラックスバリア
２９外周部位
３１センターブリッジ部
３２アウターブリッジ部
３２Ａ第１のアウターブリッジ部
３２Ｂ第２のアウターブリッジ部
３３橋掛け部
３４壁面

Claims

電機子巻線が配置されるスロットが複数形成されたステータと、
前記ステータ側に向かって広がるＶ字型に配置された一対の永久磁石がロータコアに複数対埋め込まれたロータと、を備えた回転電機であって、
前記ロータコアは、
一対の前記永久磁石の外周側の端部に隣接してそれぞれ形成された第１のフラックスバリアと、
一対の前記永久磁石の内周側の端部に隣接して形成された第２のフラックスバリアと、
前記第１のフラックスバリアの外周側において前記ロータコアの外周面に沿って周方向に延びるアウターブリッジ部と、
前記第２のフラックスバリア内を径方向に延び、前記ロータコアの外周側と内周側とを連結するセンターブリッジ部と、
前記第１のフラックスバリア内を通過し、前記アウターブリッジ部と前記ロータコアの内周部とを連結する橋掛け部と、を有し、
前記橋掛け部は、前記アウターブリッジ部の周方向の中央部と、前記第１のフラックスバリアにおける前記永久磁石の外周側の端部に周方向に対向する位置で径方向に延びる壁面の径方向の中央部と、を連結していることを特徴とする回転電機。
前記アウターブリッジ部は、
周方向の中央部よりも周方向で一対の前記永久磁石に近い側に位置する第１のアウターブリッジ部と、
周方向の中央部よりも周方向で一対の前記永久磁石から遠い側に位置する第２のアウターブリッジ部と、から構成されており、
前記第２のアウターブリッジ部の厚さは、前記第１のアウターブリッジ部の厚さよりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の回転電機。