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1. WO2016147946 - ROTOR FOR ROTATING ELECTRICAL MACHINE

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明 細 書

発明の名称 回転電機のロータ

技術分野

0001  

背景技術

0002  

先行技術文献

特許文献

0003  

発明の概要

発明が解決しようとする課題

0004   0005  

課題を解決するための手段

0006  

図面の簡単な説明

0007  

発明を実施するための形態

0008   0009   0010   0011   0012   0013   0014   0015   0016   0017   0018   0019   0020   0021   0022   0023   0024   0025   0026   0027   0028   0029   0030   0031   0032  

請求の範囲

1   2   3   4   5  

図面

1   2   3   4   5   6   7  

明 細 書

発明の名称 : 回転電機のロータ

技術分野

[0001]
 本発明は、回転電機のロータに関するものである。

背景技術

[0002]
 特許文献1等において永久磁石埋込式回転電機が開示されている。詳しくは、特許文献1の回転電機においては、図7に示すように、ロータコア200に形成された円弧形状の永久磁石挿入孔201,202に永久磁石203,204,205が挿入されて特許文献1の回転電機は、円弧形状の永久磁石挿入孔201,202を有することでリラクタンストルクを増加させている。

先行技術文献

特許文献

[0003]
特許文献1 : 特開2014-100048号公報

発明の概要

発明が解決しようとする課題

[0004]
 ところが、図7に示した構成を採用すると、永久磁石203,204,205として永久磁石挿入孔201,202の形状に応じた異なる形状のものが複数種類必要となり、例えば、複数種類の永久磁石製造用金型が必要となり、コストアップを招くことになる。
[0005]
 本発明の目的は、永久磁石についてコスト低減を図ることができる回転電機のロータを提供することにある。

課題を解決するための手段

[0006]
 上記課題を解決するための回転電機のロータは、コイルが巻装されたステータの径方向内側に配置されるように構成された円筒状のロータコアを有し、該ロータコアの外周面がギャップを介して前記ステータと対向する回転電機のロータであって、前記ロータコアは周方向に複数の磁極領域を有するとともに、各磁極領域には径方向に並ぶように複数の永久磁石が埋め込まれ、前記ロータコアは、複数の前記永久磁石の各々の周方向両側の端部からそれぞれ延びるフラックスバリアを有し、径方向に並ぶ複数の前記永久磁石は、円弧状をなし、かつ、同一形状、同一寸法である。

図面の簡単な説明

[0007]
[図1] 一実施形態における回転電機の模式図。
[図2] 同実施形態における回転電機の部分拡大図。
[図3] 同実施形態におけるロータの部分拡大図。
[図4] 例示的な回転電機のd軸磁束を表す図。
[図5] 例示的な回転電機のq軸磁束を表す図。
[図6] 別例における回転電機の部分拡大図。
[図7] 背景技術を説明するための図。

発明を実施するための形態

[0008]
 以下、本発明の一実施形態を図面に従って説明する。
 図1に示すように、回転電機10は、磁石埋込式回転電機であって、ロータ20と、ステータ100とを備える。円筒状をなすロータ20の外周側にステータ100が配置されている。ステータ100の内周面は、ロータ20の外周面とギャップG(図2参照)を介して対向している。なお、図は何れも模式図であり、形状を強調して記載している。本実施形態の回転電機10における極数は「4」である。
[0009]
 図1および図2に示すように、ステータ100は、円筒状のステータコア101を有し、ステータコア101の内側には周方向に並ぶように複数(本実施形態では36個)のスロット102が形成されている。各スロット102はステータコア101の内周面に開口している。周方向に隣り合うスロット102間にティース103が形成されている。本実施形態のステータ100では、一極あたりのスロット数が「9」であり(すなわち一極あたりのティース数が「9」であり)、一極あたりの中心Oからの角度θrは90°である。周方向に等間隔で設けられているティース103には、3相交流が通電されるコイル104が巻回されている。コイル104は、ステータ100の内周部に配置されている。
[0010]
 ステータ100の径方向内側にはロータ20が配置されており、ロータ20は、略円板状の電磁鋼板を複数枚(例えば数十枚)積層した円筒状のロータコア30を備え、ロータコア30の中心にシャフト50が貫挿されている。ロータ20は、ロータコア30の外周面がティース103と所定の間隔を置いた状態で、図示しないハウジングの軸受けにシャフト50を介して支持されており、ハウジングに対して回転可能である。つまり、ステータ100の内周面にロータコア30の外周面がギャップGを介して対向するように、ロータ20が配置されている。
[0011]
 ロータ20は周方向に4つの磁極領域を有しており、各磁極領域の角度θrは90°である。ロータコア30には、各磁極領域において、径方向に並ぶように複数の永久磁石40,41が埋め込まれ、本実施形態では、各磁極領域に2つの永久磁石40,41が設けられている。すなわち、各磁極領域に、2つの永久磁石層が径方向に並んで設けられている。各永久磁石40,41の周方向両側にはそれぞれフラックスバリア33,34、35,36が配置されている。詳しくは、ロータコア30の各磁極領域には円弧状の永久磁石挿入孔31,32が形成されている。各永久磁石挿入孔31,32は、ロータコア30の軸方向に延びている。永久磁石挿入孔31が径方向内側に位置しているとともに永久磁石挿入孔32が径方向外側に位置している。永久磁石挿入孔31には永久磁石40が挿入されている。永久磁石40はd軸上に位置し、永久磁石40はその厚さ方向(ロータコア30の径方向)に着磁されている。永久磁石挿入孔32には永久磁石41が挿入されている。永久磁石41はd軸上に位置し、永久磁石41はその厚さ方向(ロータコア30の径方向)に着磁されている。
[0012]
 径方向に並ぶようにロータコア30に埋め込まれた複数の永久磁石40,41は、円弧状をなし、かつ、同一形状、同一寸法である。
 より詳しくは、永久磁石40においては、径方向外側の表面の曲率半径がR1であり、径方向の幅がW1であり、径方向中心での長さ(幅W1と直交する方向の寸法)がL1である。永久磁石41においては、径方向外側の表面の曲率半径がR2であり、径方向の幅がW2であり、径方向中心での長さ(幅W2と直交する方向の寸法)がL2である。ここで、永久磁石40,41においては、径方向外側の表面の曲率半径が同一であり、すなわちR1=R2である。また、径方向の幅が同一であり、すなわちW1=W2である。さらに、径方向中心での長さが同一であり、すなわちL1=L2である。また、永久磁石40の中心O1と永久磁石41の中心O2とはいずれもd軸上に位置し、永久磁石40の中心O1と永久磁石41の中心O2とは、ロータコア30の中心Oから延びる線分上(d軸上)において距離L10だけ離間している。さらに、本実施形態では永久磁石40と永久磁石41とは同一の材料よりなる。
[0013]
 図1に示すように、永久磁石40,41は、隣り合う磁極領域の極性が異なるように配置されている。例えば、ある磁極領域の各永久磁石40,41が、ティース103と対向する側の極性がS極になるように配置されると、隣の磁極領域の各永久磁石40,41は、ティース103と対向する側の極性がN極になるように配置される。
[0014]
 ロータコア30は、永久磁石挿入孔31の周方向両側の端部に連続し且つその周方向両端部からそれぞれ延びる円弧状のフラックスバリア33,34を有する。同様に、ロータコア30は、永久磁石挿入孔32の周方向両端部に連続し且つその周方向両端部からそれぞれ延びる円弧状のフラックスバリア35,36を有する。フラックスバリア33,34,35,36の各々は、ロータコア30の軸線方向に延びる孔又はスリットによって形成されている。
[0015]
 図4,5は、例示的な回転電機10aの磁束を示している。図4には、d軸磁束を可視化して示す。図5には、q軸磁束を可視化して示す。なお、図4,5は永久磁石挿入孔31,32、フラックスバリア33~36および永久磁石40,41がない場合にコイル104で生じる磁束を示しているが、参考に、本実施形態における永久磁石挿入孔31,32、フラックスバリア33~36、および永久磁石40,41の配置を一点鎖線で示す。
[0016]
 図2に示すように、本実施形態では、フラックスバリア33,34は、q軸磁束(図5参照)に沿って延びている。本実施形態では、フラックスバリア35,36は、q軸磁束(図5参照)に沿って延びている。フラックスバリア33,34は径方向内側に位置し、フラックスバリア35,36は径方向外側に位置しており、ロータコア30は、径方向に並んで配置された複数のフラックスバリア層を有する。
[0017]
 フラックスバリア33の内壁は、言い換えればフラックスバリア33を形成するスリット(孔)の内壁は、径方向内側壁面33aを有するとともに径方向外側壁面33bを有する。径方向外側壁面33bは円弧状をなしている。フラックスバリア34の内壁は、言い換えればフラックスバリア34を形成するスリット(孔)の内壁は、径方向内側壁面34aを有するとともに径方向外側壁面34bを有する。径方向外側壁面34bは円弧状をなしている。
[0018]
 フラックスバリア35の内壁は、言い換えればフラックスバリア35を形成するスリット(孔)の内壁は、径方向内側壁面35aを有するとともに径方向外側壁面35bを有する。径方向外側壁面35bは円弧状をなしている。フラックスバリア36の内壁は、言い換えればフラックスバリア36を形成するスリット(孔)の内壁は、径方向内側壁面36aを有するとともに径方向外側壁面36bを有する。径方向外側壁面36bは円弧状をなしている。
[0019]
 フラックスバリア33,34は、フラックスバリア33,34および35,36のうち、最も径方向内側に位置する。フラックスバリア33,34の径方向内側壁面33a,34aがq軸磁束に沿った位置より隣の磁極領域へ向かって広がって(張り出すように)形成されている。より詳しくは、径方向内側壁面33a,34aは、磁極領域の境界Bmに平行な部分を有する。
[0020]
 図3において、仮に、フラックスバリア35,36の径方向内側壁面35a,36aが永久磁石41の径方向内側の表面の円弧の延長線(2点鎖線で示す、曲率半径R10を有する円弧)上にあるとすると、フラックスバリア35,36の径方向内側壁面35a,36aとフラックスバリア33,34の径方向外側壁面33b,34bとの間に形成されるq軸磁路幅W20,W21は、d軸上でのq軸磁路幅W10(永久磁石挿入孔31,32間のq軸磁路幅W10)より狭くなる。そこで、フラックスバリア35,36の径方向内側壁面35a,36aをロータコア30の径方向外側にずらし、かつ直線状に形成しており、これにより、q軸磁路幅W10,W11,W12を均一化している。このようにして、フラックスバリア35,36は、q軸磁路幅を確保するように永久磁石41の円弧の延長線(図3の2点鎖線)に対してロータコア30の径方向外側(矢印Aで示す方向)にずれて配置されている。
[0021]
 特に、径方向内側壁面35a,36aが径方向外側にずれて配置されているフラックスバリア35,36は、径方向に並んで配置された複数のフラックスバリア33,34、35,36のうち、最も径方向外側に位置する。即ち、径方向外側のフラックスバリア35,36の径方向内側壁面35a,36aが径方向外側にずれて配置される。
[0022]
 図2に示すように、ロータコア30は、その外周面においてd軸が通る箇所に、ロータコア30の軸線方向に沿って延びる切欠き(凹部)37を有する。切欠き(凹部)37は一極あたり1つ形成され、d軸に対称に設けられている。また、ロータコア30の軸線に直交した断面では、切欠き37は円弧状の底面部を有している。
[0023]
 次に、このように構成した回転電機10の作用を説明する。
 回転電機10が駆動される場合は、ステータ100のコイル104に3相の電流が供給されてステータ100に回転磁界が発生し、ロータ20に回転磁界が作用する。そして、回転磁界と永久磁石40,41との間の磁気的な吸引力および反発力によりロータ20が回転磁界と同期して回転する。
[0024]
 図2に示すように、径方向に並ぶ永久磁石40,41の曲率半径R1(R2)を互いに同一とする。また、径方向に並ぶ永久磁石40,41の曲率半径R1,R2の中心O1,O2は、互いにずれて(離間するように)配置されている。これにより、同一曲率半径で多層の永久磁石40,41を配置することができる。その結果、永久磁石40,41の形状を1種類とすることができる。
[0025]
 このように、径方向に並ぶように配置された複数の永久磁石40,41を有するロータコア30において、永久磁石40,41の形状が1種類となることでコスト低減を図ることができる。つまり、永久磁石の形状が複数種類となると、永久磁石の金型費が形状の種類だけ必要となり、非常にコスト増加となる。これに対し本実施形態では、永久磁石の形状を1種類とすることができるため、大幅なコスト低減を図ることができる。
[0026]
 また、図2に示すように、フラックスバリア33,34の径方向内側壁面33a,34aの形状として、磁束密度を飽和させない程度に磁路の幅を狭くし得る形状を採用して、d軸磁路に沿った方向におけるフラックスバリア33,34の幅を広げている。これにより、図4に示すように効果的にd軸磁束を妨げることができる。その結果、d軸インダクタンスLdが低下し、突極比(Lq/Ld)を増加させることができる。このようにして、磁束密度に余裕のある部位の形状工夫により、q軸インダクタンスLqの変化を少なくしつつd軸インダクタンスLdを小さくすることで、突極比(Lq/Ld)を増加させ、リラクタンストルクを増加させることができる。
[0027]
 上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
 (1)回転電機10のロータ20は、コイル104が巻装されたステータ100の径方向内側に配置されるように構成された円筒状のロータコア30を有し、ロータコア30の外周面がギャップGを介してステータ100と対向する。ロータコア30には、各磁極領域において、径方向に並ぶように複数の永久磁石40,41が埋め込まれ、各永久磁石40,41の周方向両側にフラックスバリア33,34、35,36が配置されている。径方向に並ぶように埋め込まれた永久磁石40,41は、円弧状をなし、かつ、同一形状、同一寸法である。よって、永久磁石が1種類となることでコスト低減を図ることができる。
[0028]
 (2)フラックスバリア33,34、35,36は、q軸磁路幅を確保するように永久磁石40,41の円弧の延長線(図3において2点鎖線で示す)に対してずれて配置されるので、実用的である。
[0029]
 (3)径方向外側に位置するフラックスバリア35,36の径方向内側壁面35a,36aが、径方向外側にずれて配置されるので、実用的である。
 (4)フラックスバリア33,34、35,36は、q軸磁路に沿って延びている。フラックスバリア33,34は、径方向に並ぶように配置された複数のフラックスバリア33,34、35,36の層のうち、最も径方向内側に位置している。フラックスバリア33,34の径方向内側壁面33a,34aは、q軸磁路に沿った位置より隣の磁極領域へ向かって広がっている。図5に示す例における回転電機10aは、q軸磁路での磁束密度に余裕がある部位を有しており、有効にロータコアを活用しきれていない。このことを考慮して、本実施形態では、フラックスバリア33,34の径方向内側壁面33a,34aがq軸磁路に沿った位置より隣の磁極領域へ向かって広がっている。これにより、q軸インダクタンスLqの変化を少なくしつつd軸インダクタンスLdを小さくすることにより突極比(Lq/Ld)を大きくすることができる。
[0030]
 実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
 ・各磁極領域において径方向に並んで配置された複数の永久磁石層の各々には、永久磁石が1つ配置されていたが、これに限らない。例えば、図6のように径方向内側に位置する永久磁石層に2つの永久磁石40a,40bを配置してもよい。即ち、ロータコア30の各磁極領域において、径方向外側の層に1つの永久磁石41が配置され、径方向内側の層に2つの永久磁石40a,40bが配置される。永久磁石41の周方向両側にはそれぞれフラックスバリア35,36が配置され、永久磁石40aの周方向両側にはそれぞれフラックスバリア42,43が配置されるとともに永久磁石40bの周方向両側にはそれぞれフラックスバリア44,45が配置されている。この場合、3つの永久磁石40a,40b,41は、円弧状をなし、かつ、同一形状、同一寸法である。
[0031]
 ・各永久磁石挿入孔31,32の周方向両側のフラックスバリアは、永久磁石挿入孔と同一曲率半径でなくてよい。
 ・フラックスバリアおよび永久磁石を含む層は径方向において2つ並んで配置されたが、3つ以上並んで配置されてもよく、その配置数は問わない。
[0032]
 ・回転電機の極数は4極に限らない。4極より多くても、少なくてもよい。

請求の範囲

[請求項1]
 コイルが巻装されたステータの径方向内側に配置されるように構成された円筒状のロータコアを有し、該ロータコアの外周面がギャップを介して前記ステータと対向する回転電機のロータであって、
 前記ロータコアは周方向に複数の磁極領域を有するとともに、各磁極領域には径方向に並ぶように複数の永久磁石が埋め込まれ、
 前記ロータコアは、複数の前記永久磁石の各々の周方向両側の端部からそれぞれ延びるフラックスバリアを有し、
 径方向に並ぶ複数の前記永久磁石は、円弧状をなし、かつ、同一形状、同一寸法である回転電機のロータ。
[請求項2]
 前記フラックスバリアは、q軸磁路幅を確保するように前記永久磁石の円弧の延長線に対してずれて配置される請求項1に記載の回転電機のロータ。
[請求項3]
 前記フラックスバリアの内壁は径方向内側壁面をそれぞれ有し、径方向に並ぶ複数の前記フラックスバリアのうち、径方向外側に位置する前記フラックスバリアの前記径方向内側壁面が、該永久磁石の円弧の延長線に対して径方向外側にずれて配置される請求項2に記載の回転電機のロータ。
[請求項4]
 前記フラックスバリアはq軸磁路に沿って延びるとともに、前記フラックスバリアの内壁は径方向内側壁面をそれぞれ有し、
 径方向に並ぶ複数の前記フラックスバリアのうち、最も径方向内側に位置する前記フラックスバリアの前記径方向内側壁面は、前記q軸磁路に沿った位置より隣の磁極領域へ向かって広がっている請求項1又は2に記載の回転電機のロータ。
[請求項5]
 前記フラックスバリアは前記q軸磁路に沿って延びており、
 径方向に並ぶ複数の前記フラックスバリアのうち、最も径方向内側に位置する前記フラックスバリアの前記径方向内側壁面は、前記q軸磁路に沿った位置より隣の磁極領域へ向かって広がっている請求項3に記載の回転電機のロータ。

図面

[ 図 1]

[ 図 2]

[ 図 3]

[ 図 4]

[ 図 5]

[ 図 6]

[ 図 7]