JP3818205B2

JP3818205B2 - インナーロータ型回転電機の永久磁石ロータ

Info

Publication number: JP3818205B2
Application number: JP2002112389A
Authority: JP
Inventors: 二郎浅井
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2002-04-15
Filing date: 2002-04-15
Publication date: 2006-09-06
Anticipated expiration: 2022-04-15
Also published as: JP2003309953A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、インナーロータ型回転電機の永久磁石ロータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
永久磁石ロータを用いる同期機として周知のように表面磁石型モータ（ＳＰＭ）と磁石内蔵型モータ（ＩＰＭ）の二つの形式が知られており、後者は、永久磁石の機械的支持が容易な点、および、磁石トルクに加えてリラクタンストルクも期待することができる点から主流となっている。
【０００３】
従来のＩＰＭにおいて、各永久磁石は、ロータコアの外周面近傍に等ピッチで埋設され、周方向極性交互に磁化されている。
【０００４】
また、ロータが磁石を全くもたないスイッチトリラクタンスモータ（ＳＲＭ）やシンクロナスリラクタンスモータ（ＳＹＮＲＭ）などのリラクタンスモータ（ＲＭ）も知られている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
種々の理由から産業用、車両用用途において広く採用されているＩＰＭにおいては小型軽量化と製造コスト低減とが強く要請されている。単に製造コストの低減だけであれば、上記したRMや安価なフェライト磁石を用いたＩＰＭの採用が考えられるが、性能が低下するためにモータ体格が増大し、特に、体格重量の低減が重要な車載モータとしては好ましい選択ではなかった。更に説明すると、フェライト磁石は残留磁束密度が小さく、かつ必要な磁石磁束量を得るために周方向又は軸方向に大型化する必要があり、その分だけモータ体格、重量が大きくなってしまう。
【０００６】
モータの小型軽量化を達成するためには、大きな残留磁束密度をもつ希土類磁石を採用したＩＰＭがもっとも好適であるが、それに含まれる希土類材料が高価であり、磁石使用量の低減が要請されていた。
【０００７】
磁石磁束量の低減を抑止しつつ磁石使用量を減らすには、磁石厚さを低減することが好適であるが、磁石製造プロセス上および磁石に必要な機械的強度を確保する上で磁石厚さを約２ｍｍ未満に薄くすることは困難であった。
【０００８】
また、ロータの外周面近傍に軸方向に貫設された磁石挿入孔に永久磁石を装着する場合、あらかじめ磁化された永久磁石をこの磁石挿入孔に挿入することが容易ではないため、未着磁の永久磁石を磁石挿入孔に挿入した後、ロータ全体を着磁するのが通常である。しかし、従来のロータでは、各永久磁石はロータコアの外周近傍に周方向へ極性交互に配置されているため、ロータコアの外周面に面する内周面に着磁用磁極を周方向へ極性交互に配置する必要があり、このため、これら着磁用磁極がロータコア内に形成する着磁用磁束は、隣接する永久磁石間のロータコア領域を通じて流れて永久磁石をバイパスし、永久磁石の均一な径方向着磁が容易ではなく、更に複雑な構造の着磁装置が必要となるという問題があった。
【０００９】
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、着磁が容易で性能低下、体格重量の大型化を抑止可能なロータコアの外周面近傍に永久磁石が埋設されるインナーロータ型回転電機の永久磁石ロータを提供することをその目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
ステータの内周面に対面する外周面を有するロータコアと、前記ロータコアの外周面近傍に周方向所定ピッチで埋設される複数の永久磁石とを有し、すべての前記永久磁石は、径方向において同一方向に磁化され、前記ロータコアの外周面近傍領域は、周方向に隣接する永久磁石間のロータコア外周面近傍領域である磁石間外周面領域と、前記永久磁石に径方向に隣接する外周面領域である磁石隣接外周面領域とを有し、前記永久磁石は、前記磁石間外周面領域を前記磁石隣接外周面領域に対して逆極性に磁化するインナーロータ型回転電機の永久磁石ロータにおいて、各前記永久磁石の間の前記磁石間外周面領域の少なくとも周方向中央部に位置して前記ロータコアの外周面近傍に周方向へ互いに所定ギャップを隔てて軸方向へ貫設された複数の孔を有し、前記孔は、各前記永久磁石の間の前記磁石間外周面領域の少なくとも周方向中央部に位置して磁石磁束を通過させる磁路と、前記孔と前記永久磁石との間に位置してｑ軸電流が形成する磁束を通過させる磁路とを前記ロータコア内に確保可能に形成されることを特徴としている。このようにすれば、着磁が容易で性能低下、体格重量の大型化を抑止可能なロータコアの外周面近傍に永久磁石が埋設されるインナーロータ型インナーロータ型回転電機を提供することができる。
【００１１】
好適態様において、前記永久磁石は、希土類磁石からなる。
【００１２】
以下、更に詳しく説明する。
【００１３】
製造コスト削減には安価な磁石材料の選択又は磁石の廃止が好適であるが、限られたモータ体格、モータ重量の点で実用的ではない。高い磁束密度が得られる希土類磁石は脆く、磁石使用量の低減のためにそれを製造上の限界（現状では約２ｍｍ）以上薄くすることは現実的ではない。ただし、従来のインナーロータ型回転電機の永久磁石が形成する磁気回路において、隣接するふたつの永久磁石は磁路上において直列に重なっているため、実際には磁束の漏れなどの影響により有効な磁石磁束量はある程度低下するが、理想的には２倍の厚さを有する一個の永久磁石を設けたのと等しいとみなすことができる。
【００１４】
本発明はこの現象を利用して、ロータコアの外周面近傍に埋設されるすべての永久磁石を径方向同一向きに着磁し、かつ、周方向に隣接する永久磁石間のロータコア外周面領域（磁石間外周面領域ともいう）を、永久磁石に径方向に隣接する外周面領域（磁石隣接外周面領域ともいう）と逆極性に磁化する。
【００１５】
これにより、磁石磁束量をそれほど減少させることなく、磁石使用量を半減することができ、インナーロータ型回転電機の製造コストを大幅に低減することができる。
【００１６】
また、本発明の永久磁石ロータでは、着磁に際して着磁装置は、永久磁石ロータをその全周にわたって径方向に磁化すればよいので、従来の着磁装置に比較して構造簡単となり、そのうえ着磁用磁束の漏れを減らすことができるので、着磁装置の小型化、低コスト化を実現することができ、インナーロータ型回転電機の製造コスト低減を更に促進することができる。
【００１７】
更に、本発明の永久磁石ロータでは、永久磁石を省略した部分を磁路化することができるので、この部分を流れるリラクタンストルク発生用磁束φｑ（ｑ軸電流が形成する磁束）を増大することができ、リラクタンストルクを増大することが可能となる。
【００１８】
また更に、保持すべき磁石数を半減できる分、永久磁石ロータの機械的強度を向上することもできる。
【００１９】
本発明では、各前記永久磁石の間の磁石間外周面領域の少なくとも周方向中央部に位置してロータコアの外周面近傍に周方向へ互いに所定ギャップを隔てて軸方向へ貫設された複数の孔を有する。なお、この孔はロータコアの外周面に連通していてもよい。
【００２０】
これにより、省略された永久磁石のためのロータコアの磁石挿入孔を除去したことによる電機子反作用の増大の悪影響を抑止することができるとともに、ロータコアの軽量化も実現することができる。
【００２１】
更に詳しく説明すると、この態様の孔は、径方向同一向きに着磁されて周方向に隣接する２つの埋設磁石間の領域（磁石間外周面領域ともいう）に位置して、ロータコアの外周面近傍に形成される。
【００２２】
この磁石間外周面領域では磁石挿入孔が省略されているために、その周方向両側の永久磁石が形成する磁石磁束が径方向に流れるとともに、電機子電流により形成されて略周方向に流れる電流磁束も流れる。この電流磁束の一部（ｑ軸電流磁束）はリラクタンストルク発生に有効であるが、このｑ軸電流磁束はｄ軸電流との電磁相互作用によりリラクタンストルクを生じるのでｄ軸電流とあまり関与しない成分は、無効インダクタンスの増大や損失の増大を生じさせる。この問題は、この態様による孔により効果的に低減される。
【００２３】
好適な態様において、前記孔は、周方向よりも径方向に長い断面形状を有する長孔からなるので、上記電機子反作用の影響を磁石磁束の低減を抑止しつつ一層低減することができる。
【００２４】
好適な態様において、上記孔は籠形巻線を収容するので、脱調抑止、誘導トルク発生などの諸効果を、ロータコア中における磁石磁束の磁路断面積の低減を抑止しつつ実現することができるとともに、この籠形巻線によるロータコア用積層電磁鋼板の締結強化効果も期待することができる。
本発明では、前記孔は、磁石磁束通過用の磁路と、リラクタンストルク発生のためにｑ軸電流が形成する磁束が通過するための磁路とを確保可能に配列されて軸方向にそれぞれ貫設される。
【００２５】
これにより、従来、リラクタンストルク発生のためにｑ軸電流が形成する磁束（以下、ｑ軸電流磁束ともいう）の増加に無効の磁石挿入孔を除去して、磁石磁束量の低減を抑止しつつｑ軸電流磁束を増加することができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
上記説明した発明の好適な態様を以下の実施例を参照して説明する。
【００２７】
【実施例】
６極三相同期機を構成するインナーロータ型ＩＰＭを図１に示す。
【００２８】
１はフロントハウジング、２はリアハウジングであり、両者はボルトにて締結されている。３は、フロントハウジング１の内周面に固定されたステータ、４はステータ３の径方向内側に収容されたロータである。ロータ４は回転軸５に嵌着固定され、回転軸５は軸受けを介して両ハウジング１、２に支承されている。ロータ４は積層電磁鋼板製のロータコア４０と、ロータコアの磁石挿入孔４１に収容されてロータコア４０に埋設された永久磁石４２とを有している。
【００２９】
この実施例の特徴をなすロータ４の径方向断面図を図２に示す。ただし、ロータコア４０の断面ハッチングは省略されている。ロータコア４０は、磁石挿入孔４１の他に、回転軸が圧入される回転軸孔４３が軸方向に貫孔されている。
【００３０】
３つの磁石挿入孔４１は、ロータコア４０の外周面近傍に位置して回転対称配置されている。当然のことながら、磁石挿入孔４１および永久磁石４２の個数は上述の３ではなく、１、２又は４以上とすることができる。
【００３１】
磁石挿入孔４１の径方向断面は、略扁平長方形形状となっており、その２つの主面４５、４５は径方向に対して直交している。その径方向外側の２つの角部には磁石磁束漏洩を低減するための出っ張り部４６が突設されている。永久磁石４２は、薄平板形状の有希土類磁石からなり、径方向に着磁されている。
【００３２】
このＩＰＭの構造自体は通常のIPMとまったく同じであり、この実施例の特徴部分を以下に説明する。
【００３３】
まず、この実施例では、各永久磁石４２は径方向同一向きに着磁されている。これにより、磁石挿入孔４１とその径方向外側に位置するロータコア４０の外周面領域（磁石隣接外周面領域）Sにすべて同一極性の磁極が形成され、磁石間外周面領域Mにすべて反対極性の磁極が形成される。磁石間外周面領域Mおよび磁石隣接外周面領域Sには、図２中、たとえば破線で示す向きに磁石磁束φｄが形成され、この磁石磁束φｄとｑ軸電流Iｑとにより磁石トルクが形成される。また、ｑ軸電流Ｉｑが形成するｑ軸電流磁束φｑ（一点鎖線により図示）とｄ軸電流Idとによりリラクタンストルクが形成される。
【００３４】
次に、この実施例では、ロータコア４０の外周面近傍領域のうち、周方向に隣接して径方向同一向きに着磁された二つの永久磁石４２、４２の間の上記磁石間外周面領域ｍに周方向へ互いに所定ギャップｇを隔てて径方向に長い断面形状を有する空孔４４（本発明でいう孔）を５つ有している。
【００３５】
各空孔４４は軸方向に貫孔されており、空孔４４と磁石挿入孔４１との間の周方向のギャップｇ’は空孔４４間のギャップｇよりも大きく形成されている。また、外周側に空孔を有している。これにより、リラクタンストルク形成用のｑ軸電流磁束φｑ（一点鎖線）の減少を抑止しつつ、実線で一例を示す無効磁束φｉを空孔４４により低減することができ、漏れインダクタンスや鉄損の低減や電機子反作用の低減効果を奏することができる。なお、空孔４４の数や断面形状は、種々変更可能なことはもちろんである。
【００３６】
なお、この明細書でいう孔とは、上記のごとく、φｑの減少を抑止しつつ、φｉを低減することができる非磁性部であり、なんらかの理由で電磁鋼板に穴を空けた後、非磁性体でこの孔を埋めたものであってもよい。また、なんらかの製法にて非磁性部を埋めこみ形成した板材を加工して円盤状とし、それらを積層したものであってもよい。
【００３７】
この実施例構造をもつインナーロータ型ＩＰＭの効果を以下に説明する。
【００３８】
まず、高い磁束密度が得られる希土類磁石の厚みを確保しながら磁石使用量を低減して製造コストを低減することができる。この磁石数の低減は、有効磁石磁束量を減少させるが、これらの低下、減少は実用上それほど問題とならず、同一出力当たり従来のＩＰＭに対してわずかの体格重量の増大により補償することができ、トータルとして従来の希土類磁石ＩＰＭと比較して出力が等しいＩＰＭを安価に製造することができる。もちろん、この実施例のＩＰＭは磁石をまったく使用しない従来のリラクタンスモータに比較して格段に体格重量を低減できる利点を有している。
【００３９】
また、この実施例の永久磁石ロータでは、着磁に際して着磁装置は、永久磁石ロータをその全周にわたって径方向に磁化すればよいので、従来の着磁装置に比較して構造簡単となり、そのうえ着磁用磁束の漏れを減らすことができるので、着磁装置の小型化、低コスト化を実現することができ、インナーロータ型回転電機の製造コスト低減を更に促進することができる。
【００４０】
更に、この実施例の永久磁石ロータでは、永久磁石を省略した部分を磁路化することができるので、この部分を流れるリラクタンストルク発生用磁束φｑ（ｑ軸電流が形成する磁束）を増大することができ、リラクタンストルクを増大することが可能となる。
【００４１】
また更に、保持すべき磁石数を半減できる分、永久磁石ロータの機械的強度を向上することもでき、空孔４４の設置により磁石挿入孔４１が減ったことによる重量増大を抑止することもできる。
【００４２】
（変形態様）
空孔４４に、たとえばアルミダイキャストにより籠形巻線を形成する。これにより、誘導トルクの発生、脱調抑制効果を実現することができる。従来でも、ＩＰＭにおいて籠形巻線を追設することは公知であったが、従来のこの種の複合構造では、籠形巻線は磁石挿入孔４１とロータコア４０の外周面との間に設けざるを得ず、籠形巻線配置スペースに強い制約があり、また、磁石磁束の磁路抵抗の増大を招くという問題もあった。この実施例では、磁石挿入孔４１を省略したスペースを利用して籠形巻線を配置することができるので、この問題を良好に改善することができる。
【００４３】
（変形態様）
図３に変形態様を示す。この態様では、空孔４４’は、周方向および径方向に略行列状に配列されて軸方向にそれぞれ貫設される多数の小孔が２行７列形成され、これにより、磁石磁束φｄ通過用の磁路（破線表示）と、リラクタンストルク発生のためにｑ軸電流が形成するｑ軸電流磁束φｑが通過するための磁路（実線表示）とが良好に形成される。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例に採用したIPMの軸方向断面図である。
【図２】図１の永久磁石ロータの径方向断面図である。
【図３】変形態様の永久磁石ロータの部分径方向断面図である。
【符号の説明】
３ステータ
４ロータ（永久磁石ロータ）
５回転軸
４０ロータコア
４１磁石挿入孔
４２永久磁石
４３回転軸孔
４４空孔（孔）
S 磁石隣接外周面領域
M 磁石間外周面領域

Claims

ステータの内周面に対面する外周面を有するロータコアと、前記ロータコアの外周面近傍に周方向所定ピッチで埋設される複数の永久磁石とを有し、すべての前記永久磁石は、径方向において同一方向に磁化され、前記ロータコアの外周面近傍領域は、周方向に隣接する永久磁石間のロータコア外周面近傍領域である磁石間外周面領域と、前記永久磁石に径方向に隣接する外周面領域である磁石隣接外周面領域とを有し、前記永久磁石は、前記磁石間外周面領域を前記磁石隣接外周面領域に対して逆極性に磁化するインナーロータ型回転電機の永久磁石ロータにおいて、
各前記永久磁石の間の前記磁石間外周面領域の少なくとも周方向中央部に位置して前記ロータコアの外周面近傍に周方向へ互いに所定ギャップを隔てて軸方向へ貫設された複数の孔を有し、
前記孔は、各前記永久磁石の間の前記磁石間外周面領域の少なくとも周方向中央部に位置して磁石磁束を通過させる磁路と、前記孔と前記永久磁石との間に位置してｑ軸電流が形成する磁束を通過させる磁路とを前記ロータコア内に確保可能に形成されることを特徴とするインナーロータ型回転電機の永久磁石ロータ。
請求項１記載のインナーロータ型回転電機の永久磁石ロータにおいて、
前記永久磁石は、希土類磁石からなるインナーロータ型回転電機の永久磁石ロータ。
請求項１記載のインナーロータ型回転電機の永久磁石ロータにおいて、
前記孔は、周方向よりも径方向に長い長孔断面形状を有するインナーロータ型回転電機の永久磁石ロータ。
請求項１記載のインナーロータ型回転電機の永久磁石ロータにおいて、
前記孔は、籠形巻線を収容するインナーロータ型回転電機の永久磁石ロータ。