(57)【要約】【課題】最大トルクの低下を抑制しつつ、誘起電圧を低減させることができる回転電機を提供する。【解決手段】電機子巻線を有する固定子１１と、複数の永久磁石２２を有し固定子１１に対向して回転可能に配設された回転子２０と、を備える回転電機１０であって、永久磁石２２が回転子鉄心２１の外周面２１ａに向かって広がる略Ｖ字状に配置され、永久磁石２２より外周面２１ａ側には、回転子鉄心２１の外周面２１ａに向かってＶ字状に広がる非磁性部３０が設けられている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電機子巻線を有する固定子と、
回転子鉄心、及び前記回転子鉄心の内部に配置されて磁極を構成する複数の永久磁石を有し、前記固定子に対向して回転可能に配設された回転子と、を備え、
前記永久磁石は、前記磁極が同じ少なくとも２個の前記永久磁石が、前記回転子鉄心の周方向に離間すると共に、前記回転子鉄心の外周面に向かって広がる略Ｖ字状に配置された回転電機であって、
前記回転子鉄心の前記永久磁石より前記外周面側には、前記回転子鉄心の前記外周面に向かって広がるＶ字状に形成された非磁性部が設けられたことを特徴とする回転電機。
【請求項２】
前記非磁性部のＶ字形状の狭角θａは、略Ｖ字状に配置された前記永久磁石の狭角θｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
【請求項３】
前記非磁性部の外周面側端部は、前記永久磁石の外周側端部より外周面寄りに位置することを特徴とする請求項１または２に記載の回転電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転子鉄心の内部に永久磁石が埋め込まれた構造を有するＩＰＭ（Internal Permanent Magnet）型の回転電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＩＰＭ型モータは、体積あたりの出力トルクが大きいこと、弱め界磁制御による高速運転が可能であることなどの理由により、電気自動車の駆動用モータとしての用途が見込まれている。しかし、ＩＰＭ型モータを電気自動車の駆動用モータとする場合、ＩＰＭ型モータのロータがエンジンなどによって回転されると、固定子の電機子巻線に誘起電圧が発生する。誘起電圧はロータの回転数に比例して発生し、誘起電圧が高くなると制御回路やバッテリなどの電気機器に損傷を与える虞がある。従って、誘起電圧を電気機器の耐電圧以下に抑制する必要がある。
【０００３】
このような電気機器の損傷を防止するため、ＩＰＭ型モータに弱め界磁電流を供給して誘起電圧を低減させる弱め界磁制御が行われることがある。しかし、弱め界磁制御には、高い電圧が必要となり、モータ効率の低下の要因となっていた。
【０００４】
発生する誘起電圧の低下を図るためには、磁化が小さい磁石や鋼板を使用したり、センターリブやサイドリブを大きくして漏れ磁束を増大させることも考えられるが、これらはモータトルク低下に繋がり好ましくない。
【０００５】
また、従来の永久磁石式リラクタンス型回転電機１００は、図６に示すように、固定子鉄心１０３及び電機子巻線１０４を有する固定子１０１の内側に、回転子１０２が回転自在に配置されている。回転子１０２は、回転子鉄心１０５と、回転子鉄心１０５に埋め込まれて周方向に略Ｖ字状に配置された複数の永久磁石１０６とを有する。回転子鉄心１０５の互いに隣接する磁極１０７間に、非磁性部である三角穴１１０を形成することによって、電機子巻線１０４に向けて生じる鎖交磁束量を制限して誘起電圧の低減を図ったものがある（例えば、特許文献１参照。）。
【０００６】
また、特許文献１に記載の永久磁石式リラクタンス型回転電機は、軸方向で分割された２つの回転子を、周方向にずらして配置することにより所定のスキュー角度を与え、誘起電圧波形の最大値及びトルク脈動を低減している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−３０４５４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、図６に示すように、磁極１０７間に、非磁性部である三角穴１１０を形成して、電機子巻線１０４に向けて生じる鎖交磁束量を制限すると、誘起電圧は低減するものの、その分、最大トルクが低下してしまう問題があり、改善の余地があった。
【０００９】
本発明は、前述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、最大トルクの低下を抑制しつつ、誘起電圧を低減させることができる回転電機を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、請求項１に係る発明は、電機子巻線を有する固定子（例えば、後述する実施形態における固定子１１）と、
回転子鉄心（例えば、後述する実施形態における回転子鉄心２１）、及び前記回転子鉄心の内部に配置されて磁極を構成する複数の永久磁石（例えば、後述する実施形態における永久磁石２２）を有し、前記固定子に対向して回転可能に配設された回転子（例えば、後述する実施形態における回転子２０）と、を備え、
前記永久磁石は、前記磁極が同じ少なくとも２個の前記永久磁石が、前記回転子鉄心の周方向に離間すると共に、前記回転子鉄心の外周面（例えば、後述する実施形態における外周面２１ａ）に向かって広がる略Ｖ字状に配置された回転電機（例えば、後述する実施形態における回転電機１０）であって、
前記回転子鉄心の前記永久磁石より前記外周面側には、前記回転子鉄心の前記外周面に向かって広がるＶ字状に形成された非磁性部（例えば、後述する実施形態におけるＶ字溝３０）が設けられたことを特徴とする。
【００１１】
請求項２に係る発明は、請求項１の構成に加えて、前記非磁性部のＶ字形状の狭角θａ（例えば、後述する実施形態における狭角θａ）は、略Ｖ字状に配置された前記永久磁石の狭角θｍ（例えば、後述する実施形態における狭角θｍ）以下であることを特徴とする。
【００１２】
請求項３に係る発明は、請求項１または２の構成に加えて、前記非磁性部の外周面側端部（例えば、後述する実施形態における外周面側端部３１）は、前記永久磁石の外周側端部（例えば、後述する実施形態における外周側端部２５）より外周面寄りに位置することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
請求項１の発明によれば、永久磁石が回転子鉄心の外周面に向かって略Ｖ字状に配置され、回転子鉄心の永久磁石より外周面側にはＶ字状の非磁性部が設けられているので、誘起電圧の低減を図ると共に、最大トルクの低下を抑制することができる。
【００１４】
請求項２の発明によれば、Ｖ字形状の非磁性部の狭角θａが、永久磁石の狭角θｍ以下であるので、磁気飽和を防止することができ、最大トルクの低下を抑制することができる。
【００１５】
請求項３の発明によれば、非磁性部の外周面側端部が、永久磁石の外周側端部より外周面寄りに位置するので、効果的に誘起電圧定数を下げることができ、これによって誘起電圧を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明に係る回転電機の縦断面図である。
【図２】図１における要部拡大図である。
【図３】磁束の流れを示す図２の要部拡大図である。
【図４】各種形態の回転電機の要部拡大図である。
【図５】（ａ）は、図４（ａ）に示す回転電機の逆起電力のグラフであり、（ｂ）は図４（ｃ）に示す回転電機の逆起電力のグラフである。
【図６】従来の回転電機の縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態を、添付図面に基づいて説明する。なお、図面は符号の向きに見るものとする。
【００１８】
図１及び図２に示すように、本実施形態の回転電機１０は、ＩＰＭ型の回転電機であり、主に固定子１１と回転子２０とから構成されている。回転子２０は、固定子１１の内側に間隙Ｃを介して回転可能に配置されている。固定子１１は、積層された電磁鋼板の内周側に複数のスロット１４及びティース１５が形成された固定子鉄心１３と、スロット１４に収容され回転磁界を発生させて回転子２０を回転させる複数相の電機子巻線（図示せず）と、を備える。
【００１９】
回転子２０は、積層された電磁鋼板からなる回転子鉄心２１と、回転子鉄心２１の内部に配置された複数の永久磁石２２とを備える。回転子鉄心２１には、周方向に離間してセンターリブ２６を画成すると共に、回転子鉄心２１の外周面２１ａに向かって広がる略Ｖ字状に形成された一対の埋め込み穴２３（２３ａ，２３ｂ）が円周方向に複数形成されている。このため、これら一対の埋め込み穴２３ａ，２３ｂの径方向両端部と回転子鉄心２１の外周面２１ａとの間には、サイドリブ２７が画成される。そして、これら埋め込み穴２３には、永久磁石２２（２２ａ、２２ｂ）が埋め込まれる。略Ｖ字状の一対の埋め込み穴２３ａ，２３ｂには、磁極が同じ一組の永久磁石２２ａ，２２ｂが埋め込まれ、また、周方向で隣り合う各一対の埋め込み穴２３（２３ａ，２３ｂ）では、各一組の永久磁石２２（２２ａ，２２ｂ）が磁極を異ならせ、円周方向に亙って磁極を交互に変えながら配置されている。
【００２０】
回転子鉄心２１には、一組の永久磁石２２（２２ａ、２２ｂ）より外周面２１ａ側に、外周面２１ａ側に向かって広がるＶ字状に形成されたＶ字溝３０が設けられている。Ｖ字溝３０は非磁性部であり、Ｖ字溝３０中の空気によって空気層が形成されている。尚、Ｖ字溝３０中には、樹脂などを充填するようにしてもよい。
【００２１】
このように、略Ｖ字状に配置された永久磁石２２の外周面２１ａ側に非磁性部であるＶ字溝３０を設け、永久磁石２２から電機子巻線に向けて生じる鎖交磁束を制限することによって、電機子巻線に生じる誘起電圧Ｖが低減する。
【００２２】
電機子巻線に生じる誘起電圧Ｖは、式１及び式２によって与えられる。
【００２３】
【数１】
2010178470.tif 000003
【００２４】
【数２】
2010178470.tif 000004
【００２５】
ここで、Ｋｅは誘起電圧定数、ωは回転子の回転数、Ｎは電機子巻線の巻数、Ｋは巻線定数、Φは鎖交磁束数である。
【００２６】
即ち、誘起電圧Ｖは、式１に示すように、誘起電圧定数Ｋｅ、及び回転子２０の回転数ωに比例し、誘起電圧定数Ｋｅは、式２に示すように、電機子巻線の巻数Ｎ、巻線定数Ｋ、及び鎖交磁束数Φに比例する。ここで、電機子巻線の巻数Ｎと巻線定数Ｋは、固定子１１側で決定されるので、回転子２０の回転数ωが一定の場合、誘起電圧Ｖを低減するためには、永久磁石２２から電機子巻線に向けて生じる鎖交磁束数Φを低減させる必要がある。換言すれば、鎖交磁束数Φを低減させることによって、誘起電圧Ｖが低減する。
【００２７】
一方、鎖交磁束数Φの低減によってモータトルクが低下することが懸念される。しかし、このトルク低下分は、リラクタンストルクの増加によって補うことができるので、回転電機１０の総合トルクとしては、トルク低下を最小限に抑制することが可能である。モータのトルクは、式３によって求められる。
【００２８】
【数３】
2010178470.tif 000005
【００２９】
ここで、Ｔｑはモータトルク、Ｔｍはマグネットトルク、Ｔｒはリラクタンストルク、Ｐｎは極対数、Ｌｄはｄ軸インダクタンス、Ｌｑはｑ軸インダクタンス、ｉｄはｄ軸電流、ｉｑはｑ軸電流である。
【００３０】
式３に示すように、マグネットトルクＴｍは、鎖交磁束数Φに比例する。従って、誘起電圧Ｖを低減させるためにＶ字溝３０を設けて鎖交磁束数Φを制限すると、その分マグネットトルクＴｍは低下する。
【００３１】
一方、リラクタンストルクＴｒを増加させるためには、突極比（Ｌｑ−Ｌｄ）を大きくする必要がある。非磁性部として三角穴を設けた場合（図６参照）にはｑ軸磁束の流れが三角穴によって遮られるが、図２に示すように、永久磁石２２より外周面２１ａ側に設けた非磁性部がＶ字溝３０であるので、ｑ軸磁束の流れが遮られることが少なく、ｄ軸の磁気抵抗の低下と比較して、ｑ軸の磁気抵抗の低下が抑制される。これによって、突極比（Ｌｑ−Ｌｄ）が増加するので、リラクタンストルクＴｒが増加する。
【００３２】
即ち、永久磁石２２より外周面２１ａ側に設ける非磁性部をＶ字溝３０とすることにより、電機子巻線に向けて生じる鎖交磁束数Φを抑制して誘起電圧Ｖを低減させ、且つトルク低下を最小限に抑制することができる。
【００３３】
図２に示すように、回転子鉄心２１の外周面２１ａに向かってＶ字状に広がるＶ字溝（非磁性部）３０の狭角θａは、永久磁石２２の狭角θｍ以下の角度に設定されている（θａ≦θｍ）。また、Ｖ字溝３０の外周面側端部３１から回転子鉄心２１の外周面２１ａまでの径方向長さＡは、永久磁石２２の外周側端部２５から回転子鉄心２１の外周面２１ａまでの径方向長さＢより小さくなっている（Ａ＜Ｂ）。即ち、Ｖ字溝３０の外周面側端部３１は、永久磁石２２の外周側端部２５より外周面２１ａ寄りに位置する。
【００３４】
図３に示すように、磁束は回転子鉄心２１の外周面２１ａに近づくに従って集中するので、図３（ｂ）に示すように、Ｖ字溝の狭角θａが永久磁石２２の狭角θｍより大きいと（θａ＞θｍ）、部分的に磁気飽和が生じてリラクタンストルクが低下する。しかし、図３（ａ）に示すように、Ｖ字溝の狭角θａを永久磁石２２の狭角θｍ以下とすれば（θａ≦θｍ）、この磁気飽和を防止することができる。
【００３５】
また、Ｖ字溝３０の外周面側端部３１が、永久磁石２２の外周側端部２５より外周面２１ａ寄りに位置するので、効率的に電機子巻線に向けて生じる鎖交磁束数Φを抑制することができる。尚、Ｖ字溝３０の狭角θａ、大きさ、及び永久磁石２２に対する位置などは、誘起電圧Ｖの目標とする低下レベルによって決定される。
【００３６】
さらに、Ｖ字溝３０の幅は、鎖交磁束数Φを低減させる程度に応じて、製造上プレス加工が可能な範囲において設定される。
【００３７】
図４は、複数の永久磁石２２が略Ｖ字状に配置された各種形態の回転電機を示しており、（ａ）は非磁性部のない基本形状の回転電機、（ｂ）は鎖交磁束数Φを抑制するためのセンターリブ２６及びサイドリブ２７を大きくした従来の回転電機、（ｃ）は鎖交磁束数Φを抑制するための非磁性部がＶ字溝３０である回転電機１０、（ｄ）は鎖交磁束数Φを抑制するための非磁性部が三角穴３２である回転電機を示す。これら各種形態の回転電機について、誘起電圧、及び最大トルクについて比較を行った。
【００３８】
図５（ａ）に示すように、非磁性部を有しない基本形状の回転電機（図４（ａ）参照）によると、電気角９０°及び２７０°付近で大きな誘起電圧Ｖのピークが発生する。図に示す実施例では、回転子２０を１０００ｒｐｍで回転させたときの誘起電圧Ｖは、ピーク値が４２．５４Ｖ、平均値が２９．３９Ｖと大きい。
【００３９】
一方、図５（ｂ）に示すように、非磁性部としてＶ字溝３０を設けた本発明の回転電機１０（図４（ｃ）参照）によると、電気角９０°及び２７０°付近で発生する誘起電圧Ｖのピークを抑制することができる。図に示す実施例では、回転子２０を１０００ｒｐｍで回転させたときの誘起電圧Ｖは、ピーク値が４０．４６Ｖ、平均値が２７．９１Ｖに抑制されており、非磁性部としてＶ字溝３０を設けることの効果が確認できた。
【００４０】
また、誘起電圧定数Ｋｅを、例えば、基本形状の回転電機の９５％に低減させて、誘起電圧Ｖの低減を図った各種形態の回転電気の最大トルクを比較した。比較結果を表１に示す。
【００４１】
【表１】
2010178470.tif 000006
【００４２】
表１に示すように、誘起電圧定数Ｋｅを同じ値としたとき、換言すれば、誘起電圧Ｖの低減効果を同じにしたとき、非磁性部がＶ字溝３０である本発明の回転電機１０の最大トルクは、基本形状の回転電機の最大トルクの９８．８％であり、最も大きなトルクが得られることがわかる。これは、非磁性部によるｑ軸磁束の流れ阻害が、他の回転電機と比較して小さいことによる。
【００４３】
以上説明したように、本実施形態に係る回転電機１０によれば、磁極が同じ少なくとも２個の永久磁石２２が、回転子鉄心２１の周方向に離間すると共に回転子鉄心２１の外周面２１ａに向かって広がる略Ｖ字状に配置され、且つ回転子鉄心２１の永久磁石２２より外周面２１ａ側には、非磁性部（Ｖ字溝）３０が回転子鉄心２１の外周面２１ａに向かって広がるＶ字状に設けられているので、非磁性部３０によって永久磁石２２から電機子巻線に向けて生じる鎖交磁束Φを制限することができ、誘起電圧Ｖの低減が図られる。また、非磁性部３０がＶ字状であるので、ｑ軸磁束の流れが非磁性部３０によって遮られることが少なく、最大トルクの低下を抑制することができる。
【００４４】
また、非磁性部３０のＶ字形状の狭角θａは、永久磁石２２の狭角θｍ以下であるので、回転子鉄心２１の外周面２１ａに近づくに従って集中する磁束の磁気飽和を防止することができ、最大トルクの低下を効果的に抑制することができる。
【００４５】
更に、非磁性部３０の外周面側端部３１は、永久磁石２２の外周側端部２５より外周面２１ａ寄りに位置するので、効果的に鎖交磁束Φを抑制して誘起電圧定数Ｋｅを下げることができ、これによって誘起電圧Ｖを低減することができる。
【００４６】
尚、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良等が可能である。
【符号の説明】
【００４７】
１０      回転電機
１１      固定子
２０      回転子
２１      回転子鉄心
２１ａ    回転子鉄心の外周面
２２      永久磁石
２５      永久磁石の外周側端部
３０      Ｖ字溝（非磁性部）
３１      非磁性部の外周面側端部
θａ      非磁性部の狭角
θｍ      永久磁石の狭角
【図１】
2010178470.tif 000007
【図２】
2010178470.tif 000008
【図３】
2010178470.tif 000009
【図４】
2010178470.tif 000010
【図５】
2010178470.tif 000011
【図６】
2010178470.tif 000012