(57)【要約】【課題】効率よく小型・高出力化が図れる永久磁石式回転電機を提供することである。【解決手段】実施形態の永久磁石式回転電機は、固定子と、回転子と、を持つ。固定子は、電機子巻線が巻装された固定子鉄心を持つ。回転子は、固定子に対して回転自在に設けられ、固定子鉄心と径方向で対向する周面に複数の回転子磁極が形成された回転子鉄心を持つ。回転子鉄心は、複数の永久磁石保持空洞部と、ブリッジ部と、非磁路部と、を持つ。複数の永久磁石保持空洞部は、永久磁石を埋め込み可能なように形成され、かつ複数の回転子磁極をそれぞれ一対の永久磁石で構成するように、１極の回転子磁極につき一対ずつ形成されている。ブリッジ部は、各回転子磁極に対応する一対の永久磁石保持空洞部間に形成されている。非磁路部は、ブリッジ部における回転子鉄心の径方向内側で、かつ永久磁石による磁束が飽和する領域に設けられ、磁路の形成が阻害される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電機子巻線が巻装された固定子鉄心を有する固定子と、
前記固定子に対して回転自在に設けられ、前記固定子鉄心と径方向で対向する周面に複数の回転子磁極が形成された回転子鉄心を有する回転子と、
を備え、
前記回転子鉄心は、
永久磁石を埋め込み可能なように形成され、かつ前記複数の回転子磁極をそれぞれ一対の前記永久磁石で構成するように、１極の前記回転子磁極につき一対ずつ形成されている複数の永久磁石保持空洞部と、
各前記回転子磁極に対応する一対の前記永久磁石保持空洞部間に形成されたブリッジ部と、
前記ブリッジ部における前記回転子鉄心の径方向内側で、かつ前記永久磁石による磁束が飽和する領域に設けられ、磁路の形成が阻害される非磁路部と、
を備えている永久磁石式回転電機。
【請求項２】
前記非磁路部は、前記回転子鉄心を軸方向に貫通するように形成された貫通孔である請求項１に記載の永久磁石式回転電機。
【請求項３】
前記非磁路部は、前記径方向外側に向かうに従って先細りとなるように形成されている請求項１または請求項２に記載の永久磁石式回転電機。
【請求項４】
前記非磁路部は、前記回転子鉄心の軸方向に直交する断面の形状がひし形である請求項１または請求項２に記載の永久磁石式回転電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、永久磁石式回転電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、電機子巻線が巻装された固定子と、この固定子に対し回転自在に設けられ、回転子鉄心に永久磁石が埋め込まれている回転子とを備えた永久磁石式回転電機が知られている。
ところで、近年、永久磁石の目覚しい研究開発により、高磁気エネルギー積の永久磁石が開発され、回転電機の小型・高出力化が進められている。特にハイブリット自動車向けのような車両用を用途とする回転電機では、排出ガスの抑制、燃費向上のため、高効率化を強く求められている。また、搭載スペースが小さく、限られた空間の中で高トルク、高出力化を要求されており、これを達成するためには永久磁石量を増やし、高速化する必要がある。したがって、高遠心力に伴う回転子鉄心強度が必要であり、さらには損失密度増加によって熱的な問題が発生していることから、モータ損失の低減が必要である。
【０００３】
しかしながら、上記永久磁石式回転電機では、高回転速度化による高遠心力下の回転子鉄心の強度維持の点から、埋め込むことのできる永久磁石の体積が制限されてしまう。また、回転子鉄心内の漏れ磁束により、永久磁石の磁束量を有効に活用しきれない。すなわち、発生するトルクが永久磁石の磁束量により限られてしまい、永久磁石式回転電機の小型・高出力化が効率よくなされない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第５２８８６９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明が解決しようとする課題は、効率よく小型・高出力化が図れる永久磁石式回転電機を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
実施形態の永久磁石式回転電機は、固定子と、回転子と、を持つ。固定子は、電機子巻線が巻装された固定子鉄心を持つ。回転子は、固定子に対して回転自在に設けられ、固定子鉄心と径方向で対向する周面に複数の回転子磁極が形成された回転子鉄心を持つ。回転子鉄心は、複数の永久磁石保持空洞部と、ブリッジ部と、非磁路部と、を持つ。複数の永久磁石保持空洞部は、永久磁石を埋め込み可能なように形成され、かつ複数の回転子磁極をそれぞれ一対の永久磁石で構成するように、１極の回転子磁極につき一対ずつ形成されている。ブリッジ部は、各回転子磁極に対応する一対の永久磁石保持空洞部間に形成されている。非磁路部は、ブリッジ部における回転子鉄心の径方向内側で、かつ永久磁石による磁束が飽和する領域に設けられ、磁路の形成が阻害される。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】第１の実施形態の永久磁石式回転電機を示す概略構成図。
【図２】図１のＡ部拡大図。
【図３】第１の実施形態の貫通孔の作用説明図。
【図４】第１の実施形態の回転トルクの変化を示すグラフ。
【図５】第２の実施形態の回転子鉄心を示す概略構成図。
【図６】第３の実施形態の回転子鉄心を示す概略構成図。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、実施形態の永久磁石式回転電機を、図面を参照して説明する。
【０００９】
（第１の実施形態）
まず、第１の実施形態について図１〜図４に基づいて説明する。
図１は、第１の実施形態における永久磁石式回転電機（以下、単に回転電機と称する）の概略構成図である。
同図に示すように、回転電機１は、固定子２と、固定子２に対して回転自在に設けられた回転子３と、を備えている。なお、以下の実施形態では、回転子３の回転軸方向を単に軸方向と称し、固定子２および回転子３の周方向を単に周方向と称し、軸方向に直交する固定子２および回転子３の径方向を単に径方向と称して説明する。
【００１０】
固定子２は、略円筒状に形成された固定子鉄心４を有している。固定子鉄心４は、複数の電磁鋼板５を積層して形成される。固定子鉄心４は、外周部を構成し磁路が形成される固定子鉄心本体６と、固定子鉄心本体６の内周面から径方向内側に向かって突出する複数の固定子ティース７と、を有している。
各固定子ティース７は、周方向に等間隔に配置されている。そして、各固定子ティース７間には、それぞれ固定子スロット８が形成されている。これら固定子スロット８を介し、各固定子ティース７に電機子巻線９が巻装されている。そして、電機子巻線９に電流を供給することにより、各固定子ティース７に磁束が形成される。
【００１１】
回転子３は、固定子２の径方向内側に配置され、回転軸１０と、回転軸１０に外嵌固定されている略円柱状の回転子鉄心１１と、を備えている。回転子鉄心１１の径方向中央には、回転軸１０を挿入、または圧入可能な貫通孔１２が形成されている。
ここで、回転子鉄心１１の外周部には、一対の永久磁石１３が一組となって、周方向に複数個所（本実施形態では、６か所（６組））周方向に等間隔に配置されている。各一対の永久磁石１３は、それぞれ１つの回転子磁極を構成している。例えば本実施形態では、回転子鉄心１１の外周部に、６極の回転子磁極が形成されていることになる。
【００１２】
図２は、図１のＡ部拡大図である。
同図に示すように、各回転子磁極を構成する一対の永久磁石１３は、それぞれ平板状に形成されている。そして、一対の永久磁石１３は、それぞれ径方向外側が開くように軸方向平面視で略Ｖ字状になるように、周方向に間隔をあけて配置されている。一対の永久磁石１３は、対応する回転子磁極に相当する磁極が径方向外側となるように着磁されている。すなわち、例えば、図２に示す回転子鉄心１１の外周部の回転子磁極がＮ極である場合、一対の永久磁石１３の径方向外側の面はＮ極、裏側（径方向内側）の面はＳ極となるように着磁されている。
なお、回転子磁極がＳ極に対応する位置に配置された一対の永久磁石１３は、径方向外側の面がＳ極、裏側（径方向内側）の面がＮ極となるように着磁される。
【００１３】
回転子鉄心１１には、各永久磁石１３に対応する位置に、軸方向に貫通する永久磁石保持空洞部１４が形成されている。永久磁石保持空洞部１４は、永久磁石１３が挿入、または圧入される断面略矩形状の空洞部本体１５と、空洞部本体１５の周方向両端に形成された２つの小空洞部１６，１７とにより構成されている。
空洞部本体１５に永久磁石１３を挿入、または圧入することにより、回転子鉄心１１に永久磁石１３が保持される。なお、空洞部本体１５に永久磁石１３を挿入する場合、接着剤等を用いて空洞部本体１５内に永久磁石１３を固定する。
２つの小空洞部１６，１７は、永久磁石１３の磁束を通さない（磁束の形成を阻害する）フラックスバリアとして構成されている。
【００１４】
２つの小空洞部１６，１７のうち、周方向で互いに対向する内側小空洞部１６は、その断面形状が、永久磁石１３の断面における長手方向に沿って一旦延出した後、径方向内側に向かって屈曲延出するように形成されている。そして、内側小空洞部１６の径方向内側の先端で、かつ互いに対向する側の辺は、円弧部１６ａを形成している。
このように形成された２つの内側小空洞部１６の間には、固定子鉄心４によりブリッジ部１８が形成されている。
【００１５】
ブリッジ部１８の径方向内側には、貫通孔１９が形成されている。この貫通孔１９は、一対の永久磁石１３間に生じる漏れ磁束を抑制するためのものである。すなわち、貫通孔１９は、磁路の形成を阻害する非磁路部として構成されている。以下、貫通孔１９の作用について詳述する。
【００１６】
図３は、貫通孔の作用説明図であって、図２に対応している。
同図に示すように、一対の永久磁石１３には、固定子鉄心４に向かう磁束Ｊ１と、ブリッジ部１８を通って永久磁石１３の表裏で形成される磁束Ｊ２とが形成される。
そして、固定子鉄心４に向かう磁束Ｊ１と、固定子鉄心４の電機子巻線９に電流を供給することにより形成される磁束（不図示）との間に生じる磁気的な吸引力、反発力によって、回転子３が回転する。すなわち、固定子鉄心４に向かう磁束Ｊ１は、回転電機１の回転トルクに寄与している。
【００１７】
一方、永久磁石１３の表裏で形成される磁束Ｊ２は、回転子鉄心１１内で閉磁路を形成しているので、回転電機１の回転トルクに寄与しない漏れ磁束となる。
ここで、ブリッジ部１８の径方向内側には、貫通孔１９が形成されているので、磁束Ｊ２の通り道（以下、この通り道を狭小磁路部Ｒ１と称する）が狭くなる。このため、ブリッジ部１８を通る磁束Ｊ２が減少し、この分、固定子鉄心４に向かう磁束Ｊ１が増加する。これに伴って、回転子鉄心１１の外周面において、回転子磁極に対応する箇所に形成される磁束密度と、隣り合う２極の回転子磁極間に対応する箇所の磁束密度との濃淡差が大きくなる。よって、回転電機１の回転トルクを大きくできる。
【００１８】
換言すれば、狭小磁路部Ｒ１の幅によって、ブリッジ部１８を通る磁束Ｊ２の磁束密度が変化し、これに応じて回転電機１の回転トルクが変化する。
図４は、縦軸を回転電機１の回転トルクとし、横軸を内側小空洞部１６に形成されている円弧部１６ａの始点から貫通孔１９の中心までの距離Ｄｆｂとしたときの回転トルクの変化を示すグラフである。
同図に示すように、距離Ｄｆｂの距離が短ければ短いほど、回転トルクが大きくなることが確認できる。
【００１９】
なお、距離Ｄｆｂの距離が短い方が望ましいが、貫通孔１２と内側小空洞部１６とが連通しないように貫通孔１２の大きさ、および距離Ｄｆｂを設定することが望ましい。貫通孔１２と内側小空洞部１６とが連通してしまうと、回転子鉄心１１の剛性が低下してしまい、永久磁石１３を十分な強度で保持できなくなるからである。
【００２０】
また、図４において、距離Ｄｆｂが所定値以上長くなると、回転トルクが殆ど変化しなくなることが確認できる。これは、距離Ｄｆｂが所定値以上長くなった場合における回転子鉄心１１の領域では、永久磁石１３による磁束が飽和していないので、貫通孔１２による効果が殆ど得られなくなるからである。すなわち、貫通孔１２は、ブリッジ部１８の径方向内側で、かつ永久磁石１３による磁束が飽和する領域に形成することが望ましい。
【００２１】
このように、上述の第１の実施形態では、１極の回転子磁極を構成する一対の永久磁石１３で構成する回転子鉄心１１を有する回転電機１において、一対の永久磁石１３を埋め込んで保持する一対の永久磁石保持空洞部１４の間に形成されるブリッジ部１８の径方向内側で、かつ永久磁石１３による磁束が飽和する領域に、磁路の形成を阻害する貫通孔１９が形成されている。このため、回転子鉄心１１内の漏れ磁束を減少でき、回転電機１の回転トルクを大きくでき、かつ回転子３の高回転速度化を実現できる。換言すれば、回転電機１を、効率よく小型・高出力化することができる。
【００２２】
また、回転子鉄心１１に貫通孔１９を形成することにより、この貫通孔１９に空気を通すことができ、これによって回転子鉄心１１の放熱性を高めることができる。このため、モータ効率を高めることができ、より確実に回転トルクを高めることができ、回転電機１の小型・高出力化が図れる。
【００２３】
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について、図５に基づいて説明する。
図５は、第２の実施形態における回転子鉄心の概略構成図であって、前述の第１の実施形態の図２に対応している。なお、以下の説明において、第１の実施形態と同一態様には、同一符号を付して説明を省略する（以下の実施形態についても同様）。
同図に示すように、第１の実施形態と第２の実施形態との相違点は、回転子鉄心２１に形成される貫通孔の形状が異なる点にある。
【００２４】
より具体的には、第２の実施形態の回転子鉄心２１には、ブリッジ部１８の径方向内側で、かつ永久磁石１３による磁束が飽和する領域に、径方向の断面形状が略二等辺三角形状に形成された三角孔２９が形成されている。回転子鉄心２１に三角孔２９を形成することにより、この三角孔２９と内側小空洞部１６との間の狭小磁路部Ｒ２の長さが、前述の第１の実施形態の狭小磁路部Ｒ１よりも長くなる。
【００２５】
したがって、第２の実施形態によれば、前述の第１の実施形態と同様の効果に加え、回転子鉄心２１内の漏れ磁束をさらに減少でき、回転電機１の回転トルクをさらに大きくできる。
【００２６】
なお、上述の第２の実施形態では、三角孔２９が、その径方向の断面形状が略二等辺三角形状になっている場合について説明した。しかしながら、これに限られるものではなく、三角孔２９の三辺のうち、内側小空洞部１６に対向する二辺を、図５の２点鎖線で示すように、円弧部１６ａの形状に沿わせて湾曲形成してもよい。このように構成することで、狭小磁路部Ｒ２の長さをさらに長くすることができ、より効果的に回転子鉄心２１内の漏れ磁束を減少できる。
換言すれば、三角孔２９は、径方向外側に向かうに従って先細りとなるように形成されていればよい。このように形成することにより、前述の第１の実施形態と比較して狭小磁路部Ｒ２の長さを長くすることができる。
【００２７】
（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態について、図６に基づいて説明する。
図６は、第３の実施形態における回転子鉄心の概略構成図であって、前述の第１の実施形態の図２に対応している。
同図に示すように、第１の実施形態と第３の実施形態との相違点は、回転子鉄心３１に形成される貫通孔の形状が異なる点にある。なお、第３の実施形態を説明するうえで、前述の第２の実施形態と比較すると分かりやすいので、以下の説明では、前述の第２の実施形態と比較しながら説明する。
【００２８】
すなわち、第３の実施形態の回転子鉄心３１には、ブリッジ部１８の径方向内側で、かつ永久磁石１３による磁束が飽和する領域に、径方向の断面形状が略ひし形形状に形成されたひし形孔３９が形成されている。回転子鉄心２１にひし形孔３９を形成することにより、このひし形孔３９と内側小空洞部１６との間の狭小磁路部Ｒ３の長さが、前述の第２の実施形態の狭小磁路部Ｒ２とほぼ同等になる。
これに加え、ひし形孔３９は、前述の第２の実施形態の三角孔２９と比較して開口面積が大きくなる。すなわち、ブリッジ１８の径方向内側に、三角孔２９と比較して大きな非磁路部が形成されることになるので、回転子鉄心２１内の漏れ磁束をより効果的に減少できる。このため、前述の第２の実施形態と比較して、回転電機１の回転トルクをより確実、かつ効果的に大きくできる。
【００２９】
なお、ひし形孔３９の形状についても、前述の第２実施形態と同様に、内側小空洞部１６の円弧部１６ａの形状に沿わせるように形成することにより、狭小磁路部Ｒ３の長さを、より長くすることができる。
【００３０】
また、上述の第１〜第３の実施形態では、それぞれ非磁路部として貫通孔１９、三角孔２９、ひし形孔３９を回転子鉄心１１，２１，３１に形成した場合について説明した。しかしながら、これに限られるものではなく、各孔１９，２９，３９に樹脂を充填し、この樹脂を非磁路部として構成してもよい。この場合、樹脂を充填することにより、回転子鉄心１１，２１，３１の剛性を高めることができる。
【００３１】
さらに、上述の実施形態（第１の実施形態）では、固定子鉄心４は、複数の電磁鋼板５を積層して形成される場合について説明した。しかしながら、これに限られるものではなく、例えば軟磁性粉を加圧成形して固定子鉄心４を形成してもよい。このことは、回転子鉄心１１，２１，３１にも同様のことがいえる。すなわち、回転子鉄心１１，２１，３１は、電磁鋼板を積層して形成してもよいし、軟磁性粉を加圧成形して形成してもよい。
【００３２】
そして、上述の実施形態（第１の実施形態）では、回転子鉄心１１の外周部に、６極の回転子磁極が形成されている場合について説明した。しかしながら、これに限られるものではなく、回転子磁極の磁極数は任意に設定することが可能である。また、回転子鉄心１１，２１，３１に埋め込まれる永久磁石１３の個数（一対の永久磁石１３の組数）も、回転子磁極の磁極数に応じて設定される。
【００３３】
以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、回転子鉄心１１，２１，３１におけるブリッジ部１８の径方向内側で、かつ永久磁石１３による磁束が飽和する領域に、磁路の形成を阻害する非磁路部（貫通孔１９、三角孔２９、ひし形孔３９）を設けることにより、回転子鉄心１１，２１，３１内の漏れ磁束を減少できる。このため、回転電機１の回転トルクを大きくでき、かつ回転子３の高回転速度化を実現できる。換言すれば、回転電機１を、効率よく小型・高出力化することができる。
【００３４】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００３５】
１…回転電機（永久磁石式回転電機）、２…固定子、３…回転子、４…固定子鉄心、９…電機子巻線、１１，２１，３１…回転子鉄心、１３…永久磁石、１４…永久磁石保持空洞部、１８…ブリッジ部、１９…貫通孔（非磁路部）、２９…三角孔（非磁路部）、３９…ひし形孔（非磁路部）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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