JP6806352B2 - 回転電機、回転子鉄心の製造方法 - Google Patents

Description

開示の実施形態は、回転電機及び回転子鉄心の製造方法に関する。

特許文献１には、回転子鉄心に永久磁石を所定間隔で埋め込んだ磁石埋め込み型の回転子を備えた電動機が記載されている。

特開２００９−１１２１６６号公報

上記電動機において性能の向上を図る場合、回転子鉄心の形状の更なる最適化が要望される。

本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、性能を向上可能な回転電機及び回転子鉄心の製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の一の観点によれば、回転子鉄心と、前記回転子鉄心に埋め込まれた複数の永久磁石と、を有し、前記回転子鉄心は、前記複数の永久磁石の配置に応じて周方向の複数箇所に形成され、軸方向に垂直な方向の断面形状が前記回転子鉄心の最大外径部分の円周である外周円とは異なる曲率の円弧形状である円弧面を備えた複数の磁極部を有する回転電機が適用される。

また、本発明の別の観点によれば、回転電機の回転子鉄心の製造方法であって、円筒状の回転子鉄心の外周面の周方向複数箇所を切り欠くことにより、前記外周面と異なる曲率の複数の円弧面を形成し、切り欠かない部分に前記外周面の一部を構成する複数の突起部を形成すること、を有する回転子鉄心の製造方法が適用される。

本発明によれば、回転電機の性能を向上できる。

実施形態に係る回転電機の全体構成の一例を表す断面図である。 回転子鉄心の隣合う３つの磁極部の構成の一例を拡大して示す断面図である。 外周円と円弧面の間の曲率半径比に対する誘起電圧とコギングトルクの変化曲線の一例を示す図である。 ２つの磁極部の間に位置する１つの突起部の構成の一例を拡大して示す断面図である。 突起部の周方向幅比に対する負荷電流の変化曲線の一例を示す図である。

以下、一実施の形態について図面を参照しつつ説明する。

＜１：回転電機の全体構成＞
図１を参照しつつ、本実施形態に係る回転電機１の全体構成の一例について説明する。なお、図１ではフレーム、巻線、及びシャフトなどの図示は省略されている。

図１において、回転電機１は、固定子鉄心２と、回転子鉄心３と、永久磁石４を有する。回転電機１は、モータとして使用されてもよいし、発電機として使用されてもよい。

固定子鉄心２は、全体が略円筒形状に形成され、図示しない筒状のフレームの内周に設けられている。回転子鉄心３は、全体が略円筒形状に形成され、図示しないシャフトの外周に固定されるとともに、上記固定子鉄心２の内周面に対して径方向に対向するように配置される。固定子鉄心２及び回転子鉄心３は、それぞれ略円環状の薄板電磁鋼をシャフトの軸方向（図１中の紙面直交方向）に積層して形成される。

図１に示す例では、固定子鉄心２は、図示しない巻線が巻回される複数のティース（この例では３６本）を内周部に有している。また、回転子鉄心３は、複数の永久磁石４の配置に応じて周方向（回転方向）の複数箇所に形成された複数の磁極部５（この例では１２箇所）を外周部に有している。これにより、本実施形態の回転電機１は、いわゆる１２Ｐ３６Ｓ（１２極３６スロット）のスロットコンビネーション構成となっている。但し、回転電機１のスロットコンビネーション構成は上記以外でもよい。

＜２：回転子鉄心における各磁極部の構成＞
図２を用いて、各磁極部５の構成の一例について説明する。図２は、回転子鉄心３において周方向に隣合う３つの磁極部５を拡大して示している。この図２において、各永久磁石４は、軸方向に垂直な方向の断面（以下、軸直交断面という）において例えば略矩形形状に形成されている。そして、軸直交断面において外周側に向けて開いた態様の略Ｖ字状に配置された一対の永久磁石４が、回転子鉄心３の外周部に複数対埋め込まれている。つまり、回転子鉄心３はいわゆるＩＰＭ型（Ｉｎｔｅｒｎａｌ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ）である。そして、回転子鉄心３のうち略Ｖ字状に配置された一対の永久磁石４の間に挟まれた領域（Ｖ字の内周角領域）が磁極部５に相当する。

なお、回転子鉄心３の固定子鉄心２と対向する外周側面のうち、一対の永久磁石４の間に挟まれた領域の面（後述の円弧面５ａ）を磁極部という場合もあるが、本実施形態では円弧面５ａの径方向内側の領域である一対の永久磁石４の間に挟まれた内部領域も含めて磁極部という。

そして、各磁極部５における一対の永久磁石４は、Ｎ極の磁極部５では磁束が互いに向かい合うように、Ｓ極の磁極部５では磁束が互いに離れ合うような磁化方向に着磁されている。例えば、図２中の左側に位置する磁極部５は、一対の永久磁石４が互いに磁束が向かい合うようにそれぞれ着磁されているため、Ｎ極の磁極部である。そして、複数の磁極部５は、周方向に隣接する磁極部５どうしが互いに逆の極性となるように、周方向に等間隔に配置されている。

なお、上記「等間隔」は厳密な意味ではなく、設計上、製造上の公差、誤差等が許容される。すなわち、「実質的に等間隔」という意味である。

各磁極部５は、軸直交断面における形状が回転子鉄心３の最大外径部分の円周である外周円１１とは異なる曲率の円弧形状となる円弧面５ａを有している。また、回転子鉄心３は、隣合う磁極部５の間に周方向の幅が所定の寸法となるように形成された突起部６を有している。以下、これら円弧面５ａと突起部６について順に詳述する。

＜３：各磁極部の円弧面について＞
図２において、外周円１１は、図示しないシャフトの回転軸上に位置する中心ＯＣを中心とする半径Ｒの円周である。回転子鉄心３は、最大外径部分が外周円１１上に位置する（言い換えれば内接する）ように形成されている。つまり、回転子鉄心３の最大外径は２Ｒである。

各磁極部５の外周側面である円弧面５ａは、軸直交断面における形状が回転子鉄心３の外周円１１の半径Ｒよりも小さな曲率半径ｒの円弧形状となるように形成されている。円弧形状の中心ＯＡは、上記中心ＯＣと磁極部５の周方向における中心位置Ｐ１とを結ぶ直線上において、中心位置Ｐ１から曲率半径ｒだけ径方向内側に位置する。

なお、上記外周円１１や円弧面５ａ等における「円」は厳密な意味ではなく、設計上、製造上の公差、誤差等が許容される。すなわち、「実質的に円」という意味である。

回転子鉄心３は、上記のように円弧面５ａの曲率半径ｒが外周円１１の半径Ｒよりも小さく設定されることで、各磁極部５において外周側に膨らみ磁極部５相互間において内周側に凹んだ形状（いわゆる花弁形状）となる。また、磁極部５の円弧面５ａは、当該磁極部５の周方向における中心位置Ｐ１において外周円１１上に位置している。つまり、磁極部５の円弧面５ａは、中心位置Ｐ１で外周円１１に内接している。これにより、固定子鉄心２と回転子鉄心３とのギャップｄの大きさは、磁極部５の周方向中心位置Ｐにおいて最小となり、磁極部５の周方向両側に向けて徐々に増大する。その結果、ギャップｄの大きさを最適化して磁束密度分布を正弦波状に近似させ、コギングトルクを低減することが可能となる。

次に、円弧面５ａの曲率半径ｒの設定手法の一例について説明する。図３に、外周円１１と円弧面５ａの曲率半径比に対する誘起電圧とコギングトルクの変化曲線の一例を示す。この図３において、横軸は外周円１１の曲率半径Ｒに対する円弧面５ａの曲率半径ｒの比ｒ／Ｒに対応する。また縦軸は、誘起電圧とコギングトルクのそれぞれについて、外周円１１と円弧面５ａで曲率半径が同じ場合（つまり比ｒ／Ｒ＝１００％）における最大値を１とした場合に対する変化値の割合を正規化して示した数値に対応する。

この図３に示す例では、曲率半径比ｒ／Ｒの増加に対して誘起電圧とコギングトルクのいずれも増加するよう変化する。しかし、誘起電圧は曲率半径比ｒ／Ｒが約５０％以上で約９０％以上の高い値を維持していることに対し、コギングトルクは曲率半径比ｒ／Ｒが１００％から少しでも減少すると急激に低下する傾向がある。

ここで一般的な回転電機１の設計においては、その回転電機１の特性上、誘起電圧は低下させずにできるだけ高い値（例えば約９０％以上）に設定することが望ましい。また、コギングトルクは回転子（回転子鉄心３）の回転に伴って生じるトルクの脈動である。回転電機１においては、コギングトルクが大きいと回転子の滑らかな回転が阻害され、効率や回転制御の精度が低下する可能性がある。また、コギングトルクは騒音や振動の原因となりうる。このためコギングトルクは、できるだけ低い値（例えば約１０％以下）に抑えることが望ましい。以上から、図３に示す例においては、外周円１１に対する円弧面５ａの曲率半径比ｒ／Ｒを最小値Ｘ１と最大値Ｘ２の間（５０％前後）に設定することが望ましい。本実施形態では、図２に示すように、円弧面５ａの曲率半径ｒは外周円１１の半径Ｒの約５０％となるように設定されている。

＜４：各磁極部間の突起部について＞
図４は、２つの磁極部５の間に位置する１つの突起部６を拡大して示している。この図４において、回転子鉄心３は複数の突起部６を有しており、各突起部６は周方向に隣合う磁極部５の間にそれぞれ位置している。突起部６は、磁極部５同士の中間位置において円弧面５ａに対して径方向外側に向けて突出しており、当該突起部６の外周側の表面６ａが外周円１１上に位置する。

各突起部６は、周方向の両側に円弧面５ａとの角度θが鋭角となる側面６ｂを有することで、軸直交断面における形状が略矩形状となるように形成されている。なお、突起部６の断面形状は上記矩形以外にも、例えば台形や円弧等でもよい。

各突起部６は、周方向において、周方向に隣り合う一対の永久磁石４Ａ，４Ｂと一対の永久磁石４Ｃ，４Ｄとの間に配置される。具体的には、各突起部６は、周方向の位置が、一方側の永久磁石４Ｂの最も外周側となる角部Ｐ２と他方側の永久磁石４Ｃの最も外周側となる角部Ｐ３との間となるように配置される。そして、突起部６の周方向幅Ｗ２は、一方側の永久磁石４Ｂの角部Ｐ２と他方側の永久磁石４Ｃの角部Ｐ３との間の周方向の距離Ｗ１に対して所定の割合となるように設定されている。

次に、突起部６の周方向幅Ｗ２の設定手法の一例について説明する。図５に、突起部６の周方向幅比に対する負荷電流の変化曲線の一例を示す。この図５において、横軸は上記角部Ｐ２，Ｐ３間の距離Ｗ１に対する突起部６の周方向幅Ｗ２の比Ｗ２／Ｗ１に対応する。また縦軸は、同じ負荷状態において流れる負荷電流について、突起部６を設けていない場合（つまりＷ２／Ｗ１＝０％）における最大値を１とした場合に対する変化値の割合を正規化して示した数値に対応する。

この図５に示す例では、突起部６の周方向幅比Ｗ２／Ｗ１が約５５％の場合に負荷電流が最小値を取り、そこから突起部６の周方向幅比Ｗ２／Ｗ１が増減するに伴って負荷電流が増加するように変化する。このような負荷電流における放物曲線状の変化は、リラクタンストルクと漏れ磁束量の変化に起因している。

ここでリラクタンストルクとは、各磁極部５において固定子鉄心２側の磁界から径方向に受ける引力と斥力の周方向分力により生じるトルクである。回転子鉄心３が上述のように花弁形状（ｒ＜Ｒ）に形成されている場合、突起部６の周方向幅比Ｗ２／Ｗ１を小さくすると、各磁極部５におけるインダクタンスの突極比が減少し、リラクタンストルクが低下する。これにより、同じ負荷状態に対して回転電機１に流れる電流（負荷電流）が増加し、損失が増加（効率が低下）する。

一方、突起部６の周方向幅比Ｗ２／Ｗ１を大きくすると、回転子鉄心３が上述の花弁形状（ｒ＜Ｒ）に形成されている場合であっても、ｑ軸磁束を増加させて突極比とリラクタンストルクを増加できる。しかしながら、突起部６の周方向幅比Ｗ２／Ｗ１を大きくしすぎると、突起部６と隣接する磁極部５との間で漏れ磁束量が増加してしまい、磁石トルクが減少（負荷電流が増加、効率が低下）する。

以上から、図５に示す例においては、突起部６の周方向幅比Ｗ２／Ｗ１を約５０％〜約６０％に設定することが望ましい。この範囲では、負荷電流の放物曲線状の変化が最小値近傍となるからである。これにより、磁石トルクとリラクタンストルクとの合成トルクが最大となり、負荷電流が最小となるように、突起部６の幅Ｗ２を最適化できる。本実施形態では、図４に示すように突起部６の周方向幅比Ｗ２／Ｗ１が約５５％となるよう設定されている。

＜５：回転子鉄心の製造方法＞
以上説明した外形である回転子鉄心３の製造方法の一例を説明する。例えば、半径Ｒの円筒状の回転子鉄心の外周面（軸直交断面形状が外周円１１と同一の形状である外周面）の周方向複数箇所を円弧状に切り欠く（言い換えると円弧状の凹部を形成する）ことが考えられる。このときに切り欠かれる部分である切り欠き部（凹部）Ｙ１，Ｙ２を、図４にハッチングで示す。これにより、切り欠かれた結果の形状が外周面と異なる曲率の円弧形状となった円弧面５ａが形成されると共に、磁極部５間の切り欠かない部分に上記外周面の一部を構成する複数の突起部６を形成することができる。

具体的には、例えば、回転子鉄心３を構成する各電磁鋼薄板に対し、円形状の外周縁部から上記切り欠き部Ｙ１，Ｙ２に相当する部分が例えば打ち抜き加工等によって削除され、それらの電磁鋼薄板が軸方向に積層されることで、回転子鉄心３が製造される。

＜６：実施形態の効果＞
以上説明したように、本実施形態の回転電機１によれば、回転子鉄心３の磁極部５が、軸直交断面における形状が回転子鉄心３の外周円１１とは異なる曲率の円弧形状である円弧面５ａを備える。これにより、回転子鉄心３と固定子鉄心２とのギャップｄの大きさを最適化して磁束密度分布を正弦波状に近似させ、コギングトルクを低減することが可能となる。その結果、高効率化や回転制御の高精度化が可能となると共に、騒音や振動についても低減できる。したがって、回転電機１の性能が向上する。

また、本実施形態では特に、磁極部５の円弧面５ａの曲率半径ｒは、回転子鉄心３の外周円１１の半径Ｒよりも小さく設定される。これにより、回転子鉄心３を、各磁極部５において外周側に膨らみ磁極部５相互間において内周側に凹んだ形状とすることができる。その結果、回転子鉄心３と固定子鉄心２とのギャップｄの大きさを磁極部５において小さくしつつ磁極部５相互間では増大させて最適化することが可能となるので、コギングトルクを低減できる。

また、本実施形態では特に、曲率半径ｒの半径Ｒに対する割合ｒ／Ｒは、曲率半径ｒと半径Ｒが等しい場合に比べて、コギングトルクが所定の割合（例えば１０％）以下に低減され、且つ、誘起電圧の低下が所定の割合（例えば１０％）以内に収まるように、設定される。これにより、誘起電圧の低下を抑制しつつ、コギングトルクを大幅に低減することができるので、回転電機１の性能を向上できる。

また、本実施形態では特に、磁極部５の円弧面５ａは、当該磁極部５の周方向における中心位置Ｐ１において外周円１１上に位置する。これにより、回転子鉄心３と固定子鉄心２とのギャップｄの大きさを磁極部５の周方向中心位置Ｐ１において最小としつつ磁極部５の周方向両側に向けて徐々に増大させて最適化することが可能となるので、コギングトルクの低減効果を高めることができる。

また、本実施形態では特に、回転子鉄心３が複数の磁極部５の間に外周側の表面６ａが外周円１１上に位置する突起部６を有する。これにより、ｑ軸磁束を増加させて突極比を増大できるので、リラクタンストルクを増大でき、効率の低下を抑制できる。

また、本実施形態では特に、突起部６は、周方向の両側に磁極部５の円弧面５ａとの角度θが鋭角となる側面６ｂを有する。これにより、突起部６の断面形状を略矩形状とすることができるので、突起部６の幅を精度良く設定できる。また、突起部６を台形状とする場合に比べて、永久磁石４の外周側端部との間の漏れ磁束の量が増加する可能性を低減できる。

また、本実施形態では特に、永久磁石４のＶ字状配置により各磁極部５における磁束の集中効果を高め、磁石トルクを増大できる。また、突起部６を一方側の永久磁石４Ｂの最も外周側となる角部Ｐ２と他方側の永久磁石４Ｃの最も外周側となる角部Ｐ３との間に配置することにより、永久磁石４Ｂ，４Ｃの角部Ｐ２，Ｐ３と磁極部５の円弧面５ａとの間の隙間を小さくでき、永久磁石４Ｂ，４Ｃの角部Ｐ２，Ｐ３近傍における漏れ磁束の量を低減できる。

また、本実施形態では特に、突起部６は、一方側の永久磁石４Ｂの角部Ｐ２と他方側の永久磁石４Ｃの角部Ｐ３との間の周方向の距離Ｗ１を１００％とした場合に、周方向の幅Ｗ２が５０％〜６０％となるように形成されている。これにより、磁石トルクとリラクタンストルクとの合成トルクが最大となり、負荷電流が最小となるように、突起部６の幅Ｗ２を最適化することが可能となる。

また、回転子鉄心３は、円筒状の回転子鉄心の外周面を切り欠いて複数の円弧面５ａを形成すると共に、切り欠かない部分を残して複数の円弧面５ａの間に複数の突起部６を形成することによって、製造される。このような回転子鉄心３の製造方法によれば、回転子鉄心３の製造を容易化できる。

なお、以上の説明において、「垂直」「平行」「平面」等の記載がある場合には、当該記載は厳密な意味ではない。すなわち、それら「垂直」「平行」「平面」とは、設計上、製造上の公差、誤差が許容され、「実質的に垂直」「実質的に平行」「実質的に平面」という意味である。

また、以上の説明において、外観上の寸法や大きさが「同一」「等しい」等の記載がある場合は、当該記載は厳密な意味ではない。すなわち、それら「同一」「等しい」とは、設計上、製造上の公差、誤差が許容され、「実質的に同一」「実質的に等しい」という意味である。

また、以上既に述べた以外にも、上記実施形態や各変形例による手法を適宜組み合わせて利用しても良い。その他、一々例示はしないが、上記実施形態や各変形例は、その趣旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更が加えられて実施されるものである。

１ 回転電機
２ 固定子鉄心
３ 回転子鉄心
４，４Ａ〜４Ｄ 永久磁石
５ 磁極部
５ａ 円弧面
６ 突起部
６ａ 外周側の表面
６ｂ 側面
１１ 外周円
Ｐ 中心位置Ｐ１
Ｒ 半径
ｒ 曲率半径

Claims (5)

1. 回転子鉄心と、
   前記回転子鉄心に埋め込まれた複数の永久磁石と、を有し、
   前記回転子鉄心は、
   前記複数の永久磁石の配置に応じて周方向の複数箇所に形成され、軸方向に垂直な方向の断面形状が前記回転子鉄心の最大外径部分の円周である外周円とは異なる曲率の円弧形状である円弧面を備えた複数の磁極部と、
   前記複数の磁極部の間にそれぞれ位置し、外周側の表面が前記外周円上に位置する複数の突起部と、を有し、
   前記突起部の前記周方向の幅は、当該突起部に対して前記周方向の一方側に隣り合う前記永久磁石の最も外周側となる角部と前記周方向の他方側に隣り合う前記永久磁石の最も外周側となる角部との間の前記周方向の距離に対して小さく設定されており、
   前記円弧面は、
   前記磁極部の前記周方向における中心位置において前記外周円上に位置し、
   前記複数の永久磁石は、
   前記軸方向に垂直な方向の断面においてＶ字状に配置された一対の前記永久磁石を複数対含み、
   前記磁極部は、
   前記一対の永久磁石の間に形成され、
   前記突起部は、
   前記周方向の位置が、前記周方向に隣り合う前記一対の永久磁石と前記一対の永久磁石との間であって、当該突起部に対して前記周方向の一方側に隣り合う前記永久磁石の最も外周側となる前記角部と前記周方向の他方側に隣り合う前記永久磁石の最も外周側となる前記角部との間となるように配置され、
   前記突起部の前記周方向の幅は、
   当該突起部に対して前記周方向の一方側に隣り合う前記永久磁石の最も外周側となる前記角部と前記周方向の他方側に隣り合う前記永久磁石の最も外周側となる前記角部との間の前記周方向の距離を１００％とした場合に、５０％〜６０％となるように設定されている
   ことを特徴とする回転電機。
2. 前記突起部は、
   前記周方向の両側に前記円弧面との角度が鋭角となる側面を有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
3. 前記磁極部の前記円弧面の曲率半径は、
   前記回転子鉄心の前記外周円の半径よりも小さい
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の回転電機。
4. 前記曲率半径の前記半径に対する割合は、
   前記曲率半径と前記半径が等しい場合に比べて、コギングトルクが所定の割合以下に低減され、且つ、誘起電圧の低下が所定の割合以内に収まるように、設定される
   ことを特徴とする請求項３記載の回転電機。
5. 回転電機の回転子鉄心の製造方法であって、
   回転子鉄心を構成する電磁鋼薄板の外周面の周方向複数箇所を切り欠くことにより、軸方向に垂直な方向の断面形状が前記回転子鉄心の最大外径部分の円周である外周円とは異なる曲率の円弧形状であり且つ前記円弧形状の前記周方向における中心位置が前記外周円上に位置する複数の円弧面を備えた複数の磁極部であって、それぞれが軸方向に垂直な方向の断面においてＶ字状に配置される予定の一対の永久磁石の間に形成される、複数の磁極部を形成するとともに、切り欠かない部分に前記複数の磁極部の間にそれぞれ位置し且つ外周側の表面が前記外周円上に位置し且つ前記外周面の一部を構成する複数の突起部を形成することと、
   前記突起部を、前記周方向の位置が、前記周方向に隣り合うように配置される予定の前記一対の永久磁石と前記一対の永久磁石との間であって、当該突起部に対して前記周方向の一方側に隣り合うように配置される予定の前記永久磁石の最も外周側となる角部と前記周方向の他方側に隣り合う予定の前記永久磁石の最も外周側となる角部との間となるように配置することと、
   前記突起部の前記周方向の幅を、前記一対の永久磁石を複数対含む複数の前記永久磁石のうち、当該突起部に対して前記周方向の一方側に隣り合うように配置される予定の前記永久磁石の最も外周側となる前記角部と前記周方向の他方側に隣り合うように配置される予定の前記永久磁石の最も外周側となる前記角部との間の前記周方向の距離を１００％とした場合に、５０％〜６０％となるように設定することと、
   前記複数の磁極部及び前記複数の突起部をそれぞれ備えた複数の前記電磁鋼薄板を前記軸方向に積層して、円筒状の前記回転子鉄心を製造することと、
   を有することを特徴とする回転子鉄心の製造方法。

Images