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公開番号2021166456
公報種別公開特許公報(A)
公開日20211014
出願番号2020069763
出願日20200408
発明の名称回転子及び回転電機
出願人日立Astemo株式会社
代理人特許業務法人開知国際特許事務所
主分類H02K 1/27 20060101AFI20210917BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】幅広い運転状態において、トルク脈動の低減を図る。
【解決手段】回転子150は、回転子鉄心152と、回転子鉄心152に固定される複数の永久磁石154と、を備える。回転子鉄心152は、回転対称形状に形成される。回転子150の磁極数は、偶数である。永久磁石154によって形成される第1磁極161と、永久磁石154によって形成される第2磁極162とは、周方向に交互に配置される。第1磁極161の磁束の中心軸Cm1と第1磁極161に周方向一方側で隣接する第2磁極162の磁束の中心軸Cm2との間隔φ1と、第1磁極161の磁束の中心軸Cm1と第1磁極161に周方向他方側で隣接する第2磁極162の磁束の中心軸Cm2との間隔φ2と、は異なる。
【選択図】図4
特許請求の範囲【請求項1】
永久磁石埋込型回転電機の回転子であって、
回転子鉄心と、
前記回転子鉄心に固定される複数の永久磁石と、を備え、
前記回転子鉄心は、回転対称形状に形成され、
前記回転子の磁極数は、偶数であり、
前記永久磁石によって形成される第1磁極と、前記永久磁石によって形成される第2磁極とは、周方向に交互に配置され、
前記第1磁極の磁束の中心軸と前記第1磁極に周方向一方側で隣接する前記第2磁極の磁束の中心軸との間隔と、前記第1磁極の磁束の中心軸と前記第1磁極に周方向他方側で隣接する前記第2磁極の磁束の中心軸との間隔とが異なる、
回転子。
続きを表示(約 930 文字)【請求項2】
請求項1に記載の回転子において、
前記第1磁極を形成する前記永久磁石の重心と前記第1磁極に周方向一方側で隣接する前記第2磁極を形成する前記永久磁石の重心との間隔と、前記第1磁極を形成する前記永久磁石の重心と前記第1磁極に周方向他方側で隣接する前記第2磁極を形成する前記永久磁石の重心との間隔とが異なる、
回転子。
【請求項3】
請求項1に記載の回転子において、
前記第2磁極を形成する前記永久磁石の数は、前記第1磁極を形成する前記永久磁石の数よりも多い、
回転子。
【請求項4】
請求項3に記載の回転子において、
前記第1磁極及び前記第2磁極は、前記永久磁石としての主磁石を有し、
前記第2磁極は、前記永久磁石としての補助磁石を有し、
前記補助磁石の磁力と前記主磁石の磁力とが異なる、
回転子。
【請求項5】
請求項1に記載の回転子において、
前記第1磁極を形成する前記永久磁石の大きさと、前記第2磁極を形成する前記永久磁石の大きさとが異なる、
回転子。
【請求項6】
請求項1に記載の回転子において、
前記第1磁極の磁束の中心軸をd軸とし、前記d軸から電気角で90度進んだ位置に定めた軸をq軸とし、前記q軸から電気角で90度進んだ位置に定めた軸を−d軸としたとき、前記第2磁極の磁束の中心軸が、前記−d軸から磁石トルクの周期の半分だけ前記回転子の回転方向にずれている、
回転子。
【請求項7】
請求項1に記載の回転子において、
前記回転子鉄心は、
前記第1磁極と前記第1磁極に周方向一方側で隣接する前記第2磁極との間に形成される第1補助突極と、
前記第1磁極と前記第1磁極に周方向他方側で隣接する前記第2磁極との間に形成される第2補助突極と、を有し、
前記第1補助突極と前記第2補助突極とは、互いに異なる形状である、
回転子。
【請求項8】
請求項1に記載の回転子と、固定子とを備えた回転電機。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明は、回転子及び回転電機に関する。
続きを表示(約 7,700 文字)【背景技術】
【0002】
電気自動車、ハイブリッド自動車等の移動体向けの回転電機には、小型で高出力な回転電機が要望されている。このため、磁力が強い希土類の永久磁石を用いた永久磁石埋込型の回転電機が、移動体向けの回転電機に適している。回転電機は、固定子の電流と回転子の磁束の相互作用によりトルクを発生する。その総トルクは、回転子の永久磁石による磁石トルクと、回転子鉄心の突極性によるリラクタンストルクの合計となる。
【0003】
移動体向けの回転電機では、乗り心地に影響を与えるトルク脈動の低減が重要である。特許文献1には、回転電機のトルク脈動を低減するための技術が開示されている。特許文献1に記載の回転子は、通電時のトルク脈動が打ち消されるように、磁気的補助突極部において、d軸に対して非対称かつq軸に対して対称に磁気的空隙が形成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
特開2015−29421号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
移動体向けの回転電機では、低速から高速まで、及び低トルクから高トルクまでの幅広い運転状態において、移動体の乗り心地を改善するためにトルク脈動を抑制することが要望されている。しかしながら、特許文献1に記載の技術のように、代表的な運転状態においてトルク脈動を低減する技術では、運転状態が変わると、トルク脈動を十分に低減することができなくなってしまうおそれがあり、改善の余地がある。
【0006】
本発明は、幅広い運転状態において、トルク脈動の低減を図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明の一態様による回転子は、永久磁石埋込型回転電機の回転子であって、回転子鉄心と、前記回転子鉄心に固定される複数の永久磁石と、を備え、前記回転子鉄心は、回転対称形状に形成され、前記回転子の磁極数は、偶数であり、前記永久磁石によって形成される第1磁極と、前記永久磁石によって形成される第2磁極とは、周方向に交互に配置され、前記第1磁極の磁束の中心軸と前記第1磁極に周方向一方側で隣接する前記第2磁極の磁束の中心軸との間隔と、前記第1磁極の磁束の中心軸と前記第1磁極に周方向他方側で隣接する前記第2磁極の磁束の中心軸との間隔とが異なる。
【発明の効果】
【0008】
本発明によれば、幅広い運転状態において、トルク脈動の低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【0009】
本実施形態に係る回転電機の構成を示す側面断面図。
本実施形態に係る回転電機の構成を示す平面断面図。
本実施形態に係る固定子鉄心の斜視図。
本実施形態に係る回転子の平面図。
本実施形態の比較例に係る回転電機を本実施形態に係る回転電機とともに示す図。
本実施形態の比較例に係る回転電機(モータA)のトルク波形図であり、第1運転条件でモータAを駆動したときに発生するトルクの波形を示す。
本実施形態の比較例に係る回転電機(モータA)のトルク波形図であり、第2運転条件でモータAを駆動したときに発生するトルクの波形を示す。
本実施形態の比較例に係る回転電機(モータA)の総トルクTqt、磁石トルクTqm及びリラクタンストルクTqrの平均値と脈動率について示す表であり、第1運転条件でモータAを駆動したときに発生するトルクの平均値と脈動率について示す。
本実施形態の比較例に係る回転電機(モータA)の総トルクTqt、磁石トルクTqm及びリラクタンストルクTqrの平均値と脈動率について示す表であり、第2運転条件でモータAを駆動したときに発生するトルクの平均値と脈動率について示す。
本実施形態に係る回転電機(モータC)の磁石トルク波形図であり、第1運転条件で回転電機を駆動したときに発生する磁石トルクの波形を示す。
本実施形態に係る回転電機(モータC)の磁石トルク波形図であり、第2運転条件で回転電機を駆動したときに発生する磁石トルクの波形を示す。
本実施形態に係る回転電機(モータC)を第1運転条件で駆動したときに発生する総トルクの波形を示す図。
本実施形態に係る回転電機(モータC)を第2運転条件で駆動したときに発生する総トルクの波形を示す図。
第1運転条件で各モータを駆動したときの磁石トルクの平均値と脈動率について示す表。
第2運転条件で各モータを駆動したときの磁石トルクの平均値と脈動率について示す表。
第1運転条件で各モータを駆動したときの総トルクの平均値と脈動率について示す表。
第2運転条件で各モータを駆動したときの総トルクの平均値と脈動率について示す表。
回転子鉄心の平面図。
本実施形態の変形例1に係る回転子について示す図。
本実施形態の変形例2に係る回転子の第1磁極と第2磁極の構成について示す図。
本実施形態の変形例3−2に係る回転子の第1磁極と第2磁極の構成について示す図。
本実施形態の変形例4−1に係る回転子の第1磁極と第2磁極の構成について示す図。
本実施形態の変形例4−2に係る回転子の第1磁極と第2磁極の構成について示す図。
本実施形態の変形例6に係る回転子について示す図。
【発明を実施するための形態】
【0010】
図面を参照して、本発明の実施形態に係る回転電機及び回転電機の回転子について説明する。本実施形態に係る回転電機は、自動車の走行に使用するのが好適な回転電機である。本実施形態に係る回転電機は、回転電機のみによって走行する純粋な電気自動車、及び、エンジンと回転電機の双方によって駆動されるハイブリッド型の電気自動車のいずれにも適用することができる。
【0011】
図1は、本発明の実施形態に係る回転電機100の構成を示す側面断面図である。図1では、回転電機100の一部分を断面とすることで、回転電機100の内部を示している。図2は、回転電機100の構成を示す平面断面図である。図2では、回転電機100を軸方向からみた断面を示している。図1及び図2に示すように、回転電機100は、ハウジング112(図1参照)に固定される固定子130と、固定子130の内周側に隙間をあけて回転可能に設けられる回転子150と、を備える。
【0012】
回転電機100は、永久磁石埋込型の三相同期モータである。回転電機100は、固定子鉄心132に巻回される固定子コイル138に三相交流電流が供給されることで、回転子150を回転させる電動機として作動する。なお、回転電機100は、エンジン(不図示)によって駆動されることにより、発電機として作動して三相交流の発電電力を出力するものであってもよい。つまり、回転電機100は、電気エネルギーに基づいて回転トルクを発生する電動機としての機能と、機械エネルギーに基づいて発電を行う発電機としての機能の両方を有していてもよい。
【0013】
図1に示すように、回転電機100は、ハウジング112に収容されている。ハウジング112は、第1エンドブラケット113と、第2エンドブラケット114と、第1エンドブラケット113及び第2エンドブラケット114によって軸方向に挟持される円筒状のセンターブラケット117と、を有する。第1エンドブラケット113には第1軸受14Aが設けられ、第2エンドブラケット114には第2軸受14Bが設けられる。
【0014】
回転子150は、シャフト118に固定されている。シャフト118が第1軸受14Aと第2軸受14Bによって支承されることにより、回転子150が固定子鉄心132の内側で回転可能に保持される。
【0015】
図1及び図2に示すように、固定子130は、円筒状の固定子鉄心132と、この固定子鉄心132に装着される固定子コイル138と、を備える。図3は、固定子鉄心132の斜視図である。図3に示すように、固定子鉄心132の内周部には、固定子鉄心132の中心軸方向に平行な複数(本実施形態では48個)のスロット133が形成される。複数のスロット133は、固定子鉄心132の円周方向に等間隔で形成される。
【0016】
図2に示すように、各スロット133には、固定子コイル138が収容される。スロット133間にはティース134が形成される。本実施形態では、複数のティース134が、環状のコアバック135と一体となっている。つまり、固定子鉄心132は、複数のティース134とコアバック135とが一体成形された一体型コアである。ティース134は径方向の磁路を形成し、コアバック135は周方向の磁路を形成する。ティース134は、固定子コイル138によって発生した回転磁界を回転子150に導き、回転子150に回転トルクを発生させる。なお、固定子コイル138の巻線方式は、分布巻きであってもよいし、集中巻きであってもよい。
【0017】
固定子鉄心132は、例えば、円環形状の電磁鋼板を複数枚積層することにより形成される。固定子鉄心132は、円筒状のセンターブラケット117(図1参照)の内側に焼嵌め、圧入等により嵌合固定される。
【0018】
図4は、回転子150の平面図である。回転子150の回転中心軸Caは、円筒形状の固定子130の中心軸に一致する。以下の説明では、回転子150の回転中心軸Caに平行な方向を軸方向と記し、回転子150の回転中心軸Caに直交し、かつ回転子150の回転中心軸Caを中心とする放射方向を径方向と記し、回転子150の回転中心軸Caに直交し、かつ回転子150の回転中心軸Caを中心とする円周方向を周方向と記す。
【0019】
図2及び図4に示すように、回転子150は、回転子鉄心152と、回転子鉄心152に固定される複数の永久磁石154と、を備える。回転子鉄心152は、例えば、円環形状の電磁鋼板を複数枚積層することにより形成される。永久磁石154は、回転子150の界磁極を形成する。回転子鉄心152の外周部には、永久磁石154が固定される凹部153が、周方向に等間隔で形成される。永久磁石154は、円弧状に形成される。永久磁石154は、接着剤などによって、その内周面が凹部153の底部に接着固定される。凹部153の周方向の幅は、永久磁石154の周方向の幅よりも大きい。永久磁石154の周方向両端と凹部153の周方向両側面との間には磁気的空隙156が形成される。磁気的空隙156には接着剤を埋め込んでもよいし、樹脂で永久磁石154と一体に固めてもよい。
【0020】
永久磁石154の磁化方向は径方向を向いており、界磁極毎に磁化方向の向きが反転している。つまり、図2に示すように、ある磁極を形成するための永久磁石154の固定子130側の面がN極、シャフト118側の面がS極に磁化されていたとすると、隣の磁極を形成する永久磁石154の固定子130側の面はS極、シャフト118側の面はN極に磁化されている。本実施形態に係る回転子150は、磁極数が偶数(本実施形態では、8)の回転子(8極の回転子)である。
【0021】
回転子鉄心152の極間には、磁気的補助突極部である補助突極165が設けられる。補助突極165は、周方向に隣り合う凹部153間の部位であり、凹部153の底部から径方向外方に突出するように設けられる。補助突極165は、固定子コイル138が発生するq軸の磁束の磁気抵抗が小さくなるように作用する。補助突極165により、q軸の磁束の磁気抵抗がd軸の磁束の磁気抵抗に比べて非常に小さくなるため、大きなリラクタンストルクが発生する。
【0022】
本実施形態に係る回転子鉄心152の形状(凹部153及び補助突極165の形状)は、回転中心軸Caを中心とした回転対称形状を呈している。回転対称形状とは、対称軸である回転中心軸Ca周りに一定の角度だけ回転移動させたときに、その形状が変わらない形状のことである。本実施形態に係る回転子150は、回転中心軸Ca周りで45度、すなわち(360/n)度(n=8)回転させると、自らと重なる8回回転対称の形状を有する。
【0023】
上述したように、本実施形態に係る回転電機100は、永久磁石埋込型のモータである。このため、回転電機100は、固定子130側からみて回転子150の角度が変わると磁気抵抗が変わる性質(磁気的突極性)を有している。したがって、本実施形態に係る回転電機100では、固定子コイル138に供給される電流と回転子150の永久磁石154の相互作用により発生する磁石トルクに加え、回転子鉄心152と固定子コイル138に供給される電流の吸引力によるリラクタンストルクが発生する。リラクタンストルクを利用し、磁石トルクとリラクタンストルクの合計トルク(総トルク)を大きくすることで、高価な永久磁石の使用量を少なくすることができる。しかしながら、磁気的突極性を有する回転電機100では、回転角度によって磁気抵抗が変わることに起因するトルク脈動が生じやすい。
【0024】
従来、永久磁石埋込型モータのトルク脈動を低減させる技術が提案されている(特許文献1参照)。しかしながら、特許文献1に記載の技術のように、代表的な運転状態においてトルク脈動を低減する技術では、運転状態が変わると(固定子の電流値が変わると)、磁石トルクとリラクタンストルクの割合(比率)が変わるため、総トルクのトルク脈動を十分に低減することができなくなってしまうおそれがあり、改善の余地がある。
【0025】
これに対して、本実施形態では、回転電機100で発生するトルクを磁石トルクとリラクタンストルクとに分離し、磁石トルクに起因するトルク脈動及びリラクタンストルクに起因するトルク脈動を個別に低減することにより、幅広い運転状態においてトルク脈動の低減を図っている。なお、本実施形態では、補助磁石を設けることにより、磁石トルクの脈動を低減し、回転子鉄心152の形状によってリラクタンストルクを低減する。以下、詳しく説明する。
【0026】
まず、磁石トルクの脈動を低減させるための構成について説明する。本実施形態では、永久磁石154として、主磁石154Aと補助磁石154Bとがある。主磁石154Aは、回転電機100によって、要求仕様を満足できる出力トルクを発生させるために設けられる。補助磁石154Bは、永久磁石154を設けたことに起因するトルク脈動、すなわち磁石トルクの脈動を低減するために設けられる。本実施形態に係る回転子150は、一つの主磁石154Aによって第1磁極161が形成され、一つの主磁石154Aと一つの補助磁石154Bとによって第2磁極162が形成される。つまり、第2磁極162を形成する永久磁石154の数は、第1磁極161を形成する永久磁石154の数よりも一つ多い。第1磁極161と第2磁極162は、周方向に交互に配置される。永久磁石154には、ネオジウム系、サマリウム系の焼結磁石、フェライト磁石、ネオジウム系のボンド磁石などを用いることができる。
【0027】
図4に示すように、複数の凹部153のそれぞれには、主磁石154Aが配置される。8つの主磁石154Aは、各主磁石154Aの重心G11の位置が周方向で等間隔となるように配置される。本実施形態では、主磁石154Aは、45度間隔で配置される。補助磁石154Bは、周方向に設けられる複数の凹部153に対して、一つ置きに配置される。補助磁石154Bは、主磁石154Aの周方向一端側(図示反時計方向の端部側)に設けられる。なお、回転子150の回転方向Rは、図示反時計方向である。つまり、補助磁石154Bは、主磁石154Aにおける回転子150の回転方向R側に設けられている。4つの補助磁石154Bは、各補助磁石154Bの重心G12の位置が周方向で等間隔となるように配置される。本実施形態では、補助磁石154Bは、90度間隔で配置される。永久磁石154(主磁石154A及び補助磁石154B)の配置は、回転中心軸Ca周りで90度、すなわち(360/n)度(n=4)回転させると、自らと重なる4回回転対称の配置となっている。
【0028】
ある補助磁石154Bの180度回転対称位置に、別の補助磁石154Bが設けられるため、回転子150の重心を回転中心軸Ca(シャフト118の中心)に一致させることができる。その結果、回転子150をスムーズに回転させることができる。
【0029】
本実施形態に係る回転子150は8極、4極対であるため、機械角90度が電気角360度となる。第1磁極161の磁束の中心軸Cm1、すなわち第1磁極161を形成する永久磁石154(すなわち主磁石154A)の磁束軸(磁束の中心軸)をd軸とし、d軸から回転方向Rに電気角で90度進んだ位置に定めた軸をq軸とする。また、q軸から回転方向Rに電気角で90度進んだ位置に定めた軸を−d軸とし、−d軸から回転方向Rに電気角で90度進んだ位置に定めた軸を−q軸とする。−q軸から回転方向Rに電気角で90度進んだ位置には、d軸が設定されている。なお、−d軸とは、第2磁極162を形成する主磁石154Aの磁束軸(磁束の中心軸)に相当する。
【0030】
図示するように、回転子鉄心152は、d軸に対して線対称の形状である。なお、回転子鉄心152は、q軸に対しても線対称の形状である。これに対して、回転子鉄心152に固定される永久磁石154は、d軸に対して線対称には配置されていない。具体的には、主磁石154Aはd軸に対して線対称に配置されているが、補助磁石154Bはd軸に対して非対称となるように配置されている。本実施形態では、補助磁石154Bは、主磁石154Aにおける回転子150の回転方向R側の端部に隣接するように設けられ、主磁石154Aにおける回転子150の回転方向Rとは反対側の端部に隣接するようには設けられていない。
(【0031】以降は省略されています)

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