(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
スロットを有する固定子と、回転子と、該回転子の軸方向に沿って挿入された永久磁石を有する回転電機において、前記回転子の軸方向端部には、前記回転子の外径形状とは異なると共に前記永久磁石の軸方向端部を一部塞ぐような複数の突起部を備え、該突起部の外周は前記永久磁石の径方向の表面を全て塞ぐ径を有する調整鉄心を具備することを特徴とする回転電機。
【請求項２】
前記調整鉄心は前記回転子の軸方向両端部に具備す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】
前記突起部は前記永久磁石と同数有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の回転電機。
【請求項４】
前記突起部は前記永久磁石の周方向中央部に位置することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の回転電機。
【請求項５】
前記突起部は前記永久磁石の周方向端部に位置することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の回転電機。
【請求項６】
前記突起部は前記永久磁石の２倍の数を有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の回転電機。
【請求項７】
前記突起部は前記永久磁石の周方向中央部と周方向端部に位置することを特徴とする請求項６に記載の回転電機。
【請求項８】
前記突起部は前記スロットと同数有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の回転電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、永久磁石型回転電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の永久磁石を有する回転子を備えた永久磁石型回転電機においては、回転子を構成する回転子鉄心の外周面に対向配置された固定子のスロットに起因して、回転子の回転時における磁気随伴エネルギーが変動し、その結果、トルクの脈動であるコギングトルクが発生する。このコギングトルクは、回転子の滑らかな回転を妨げ、音や振動の発生要因となるので、十分に低減する必要がある。
【０００３】
永久磁石型回転電機におけるコギングトルク低減方法として、従来では永久磁石の軸方向側端面に近接して、各々独立に軸方向に可動可能な複数のコギング補償機を設け、隣り合うコギング補償機の間隔が、回転子の回転軸に対する相対角度で（９０／Ｐ）度＋（３６０ｍ/Ｐ）度となるように配置する方法が提案されている。ここで、Ｐは回転子の極数、ｍはＰ未満の整数である（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
また、従来の回転子は磁性材からなる回転子コアと、この回転子コアに埋設された複数の永久磁石と、回転子コアの端面に当接する回転子カバーを備え、この回転子カバーを磁性材により形成することで、各永久磁石の漏れ磁束が回転子カバーによって導かれることにより、固定子によって導かれる永久磁石の磁束密度を減少させ、回転子のコギングトルクを低減させる永久磁石型回転電機が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第４４６６２７５号公報（第１３頁、第１図）
【特許文献２】特開２００９−２７７６８号公報（第６頁、第１図）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来の永久磁石型回転電機は、以上のように構成されているので、永久磁石の軸方向側端面に近接して各々独立に軸方向に可動可能な複数のコギング補償機を配置する構造では、コギングトルクの調整に限界があり、十分にコギングトルクを低減することができないという問題点がある。
【０００７】
また、回転子コアの端面に当接する磁性材の回転子カバーの外形が回転子コアの外形と等しく配設されているため、磁石と固定子スロットの相互作用によって生じる磁気的な脈動を正弦波に近づけることができず、十分にコギングトルクを低減することができないという問題点がある。さらに、回転子カバーの質量増加により慣性モーメントが大きくなるという問題点がある。
【０００８】
この発明は、上述のような問題を解決するためになされたもので、その目的は、コギングトルクの調整を不要にしながら、コギングトルクの低減および、慣性モーメントを低減させる永久磁石型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】
【０００９】
この発明に係る回転電機においては、スロットを有する固定子と、回転子と、回転子の軸方向に沿って挿入された永久磁石を有し、回転子の軸方向端部には、回転子の外径形状とは異なると共に永久磁石の軸方向端部を一部塞ぐような複数の突起部を備え、突起部の外周は永久磁石の径方向の表面を全て塞ぐ径を有する調整鉄心を具備する。
【発明の効果】
【００１０】
この発明は、回転子の軸方向端部に回転子の外径形状とは異なる突起部を有する調整鉄心を配設したので、コギングトルクの調整を不要にしながら、コギングトルクを十分に低減でき、高いトルク密度を確保しながら小さいトルク変動下で安定した動力伝達を実現でき、さらに、慣性モーメントを低減することで高応答性を確保できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】この発明の実施の形態１を示す回転電機の断面図である。
【図２】この発明の実施の形態１を示す回転電機のコギングトルク調整鉄心を示す斜視図である。
【図３】この発明の実施の形態１を示す回転電機の回転子の斜視図である。
【図４】この発明の実施の形態１を示す回転電機の回転子の斜視図である。
【図５】この発明の実施の形態１を示す回転電機の回転子の斜視図である。
【図６】この発明の実施の形態１を示す回転電機のコギングトルク調整鉄心を配設しない場合の磁束密度を示す図である。
【図７】この発明の実施の形態１を示す回転電機のコギングトルク調整鉄心を配設した場合の磁束密度を示す図である。
【図８】この発明の実施の形態１を示す回転電機のコギングトルク波形を示す図である。
【図９】この発明の実施の形態１を示す回転電機の回転子の斜視図である。
【図１０】この発明の実施の形態１を示す回転電機のコギングトルクの大きさを示す図である。
【図１１】この発明の実施の形態２を示す回転電機の回転子の斜視図である。
【図１２】この発明の実施の形態３を示す回転電機の回転子の斜視図である。
【図１３】この発明の実施の形態４を示す回転電機の回転子の斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１を示す回転電機の断面図、図２はこの発明の実施の形態１を示す回転電機のコギングトルク調整鉄心を示す斜視図である。図３から図５はこの発明の実施の形態１を示す回転電機の回転子の斜視図である。
【００１３】
回転電機１の内部には、回転軸が挿入された円筒状の回転子３があり、回転子３は軸受ベアリング１０によって軸両端がブラケット９を介してフレーム７で支持されている。また、回転子３の円周方向に沿って設けられ軸方向に沿って形成された複数の開口に、回転子３の内部にＮ極とＳ極が交互に配置するように永久磁石６が挿入され、貼り付けられている。回転子３の外周には、微小空隙を介して固定子２が配設されている。固定子２の内周側に配置されたスロット１１にはコイル８が収容され、このコイル８に電流を流すことで、固定子２に回転磁界が形成され、回転磁界に同期して回転子３が回転する。
【００１４】
なお、固定子２を構成する固定子鉄心４と回転子３を構成する回転子鉄心５は、複数の電磁鋼板を回転軸方向に積層することで形成されるが、圧粉鉄心等から形成されても良い。また、分割鉄心構造や薄肉連結鉄心構造を有するもの等、種々の公知のものを用いても良い。
【００１５】
図４に示すように、この発明の実施の形態１を示す回転電機は、回転子３の外周面と対向する固定子２の固定子内周面１２の周方向には、スロット１１の開口部である複数のスロット開口部１３と、固定子２を構成する歯部１４とが交互に存在するため、スロット開口部１３の透磁率μ１と歯部１４の透磁率μ２が交互に存在することになり、固定子内周面１２の周方向には交互に透磁率差が生じることになる。電磁鋼板等を積層することで構成される歯部１４の透磁率μ２の値は、スロット１１の内部の空気とコイル８とによって定まるスロット開口部１３における透磁率μ１の値よりも、一般的に１０００倍以上大きい。このため、回転子３から発生する磁束は、磁気抵抗が大きいスロット開口部１３を通らずに、歯部１４を通ることになり、結果として、磁束は歯部１４において密、スロット開口部１３において粗となり、周方向に沿って磁束密度Ｂの粗密分布が生じる。
【００１６】
Ｂ×Ｂ／μによって得られる物理量は、磁気随伴エネルギーと呼ばれる。回転子３の回転に伴い、永久磁石６の中央部の磁気随伴エネルギーが変動し、トルクの脈動であるコギングトルクが発生する。このコギングトルクは、回転子３が１回転する毎に、スロット１１の数と永久磁石６の数の最小公倍数の回数（永久磁石６が６枚、スロット１１が３６個、すなわち６極３６スロットでは３６回）だけ発生し、コギングトルクの周期は機械角で１０°（＝３６０°／３６）となる。このコギングトルクは、位置決め精度や振動騒音等の原因になることがある。永久磁石６を回転子３の内部に埋設した磁石埋め込み型回転電機では、特にコギングトルクが大きい。
【００１７】
このようなコギングトルクを低減するために、この発明の実施の形態１では、図２から図５に示すように、回転子３を構成する回転子鉄心５の軸方向両端部に回転子３の外径形状とは異なり、回転子３の円周方向に沿って設けられ軸方向に沿って形成された複数の開口に挿入された永久磁石６の周方向中央部を一部塞ぎ、永久磁石６の径方向の表面を全て塞ぐような、永久磁石６の数と同数の突起部３０を、軸中心から永久磁石６の中央部方向、すなわちｄ軸方向に有する磁性体のコギングトルクを調整する調整鉄心であるコギングトルク調整鉄心２０、２０ａ、２０ｂを配設している。
【００１８】
図６はこの発明の実施の形態１を示す回転電機のコギングトルク調整鉄心を配設しない場合の磁束密度を示す図、図７はこの発明の実施の形態１を示す回転電機のコギングトルク調整鉄心を配設した場合の磁束密度を示す図、図８はこの発明の実施の形態１を示す回転電機のコギングトルク波形を示す図である。
【００１９】
図６に示すように、コギングトルク調整鉄心２０ａ、２０ｂを配設する前の磁束密度５０に対し、磁性体のコギングトルク調整鉄心２０ａ、２０ｂを配設することにより、図７に示すように、回転子鉄心５の軸方向両端部の磁束がコギングトルク調整鉄心２０ａ、２０ｂの方に漏れて、磁束密度５１のように低下する。この磁束密度５１の低下は、コギングトルクの逆位相成分を発生させ、このコギングトルクの逆位相成分が従来から存在するコギングトルクを打ち消す方向に作用する。このように、永久磁石６の周方向中央部を一部塞ぐような、永久磁石６の数と同数の突起部３０をｄ軸方向に有するコギングトルク調整鉄心２０ａ、２０ｂを配設し、回転子鉄心５の軸方向両端部の磁束密度を低下させることにより、図８に示すように、永久磁石６の枚数とスロット１１の数の最小公倍数で決まる周期のコギングトルク６０と、コギングトルク６０とは逆位相の新たな極周期のコギングコギングトルク６１が生じる。
【００２０】
逆位相の新たな極周期のコギングコギングトルク６１は、突起部３０が永久磁石６を全く塞いでいない状態、もしくは永久磁石６を全面にわたって塞いでいる状態では発生せず、永久磁石６を一部塞いでいる状態になることで初めて発生する。このとき、コギングトルク６０は、逆位相のコギングトルク６１により相殺され、コギングトルク６１の差分だけコギングトルクを低減させることができる。
【００２１】
このように、回転子３の軸方向端部に回転子３の外径形状とは異なる突起部３０を有するコギングトルク調整鉄心２０ａ、２０ｂを配設したので、コギングトルクの調整を不要にしながら、コギングトルクを十分に低減でき、高いトルク密度を確保しながら小さいトルク変動下で安定した動力伝達を実現でき、さらに、慣性モーメントを低減することで高応答性を確保できる回転電機を可能にする。
【００２２】
なお、コギングトルク調整鉄心２０ａ、２０ｂの軸方向の厚みや永久磁石６の周方向中央部を一部塞ぐ突起部３０の面積、すなわち、動径方向及び周方向の大きさは、永久磁石６の形状や回転子鉄心５の積層幅である積幅等で変えることができ、この発明の実施の形態１に限定されるものではない。
【００２３】
また、この発明の実施の形態１では、回転子鉄心５の軸方向両端部にコギングトルク調整鉄心２０ａ、２０ｂを配設しているが、回転子鉄心５の片側の軸方向端部のみに配設してもコギングトルクの低減効果を得ることができる。
【００２４】
図９はこの発明の実施の形態１を示す回転電機の回転子の斜視図であり、回転子鉄心５の外径、具体的にはｄ軸方向の回転子鉄心５の直径をＤ、回転子鉄心５の積幅をＬとしている。図１０はこの発明の実施の形態１を示す回転電機のコギングトルクの大きさを示す図である。図１０に示すように、回転子鉄心５の外径Ｄと回転子鉄心５の積幅Ｌの関係をＤ／Ｌ＞１．０の範囲にすることで、コギングトルクの低減効果をより大きくすることができる。
【００２５】
図７に示すように、永久磁石６の枚数とスロット１１の数の最小公倍数で決まる周期のコギングトルク６０と、逆位相の新たな極周期のコギングコギングトルク６１は、回転子鉄心５の軸方向両端部でのみ発生するため、回転子鉄心５の積幅Ｌが極端に長い場合、回転子鉄心５の軸方向両端部で発生する逆位相のコギングトルク６１の積幅Ｌ全体に与える影響は限定的なものになり、回転子鉄心５の軸方向両端部にコギングトルク調整鉄心２０ａ、２０ｂを配設したのみでは、回転子鉄心５の軸方向中央部の磁束密度を十分に低減することができない。そのため、十分なコギングトルクの低減効果を得るためには、回転子鉄心５の積幅Ｌが短い構成の回転電機、例えば、薄型の回転電機にこの発明を適用することが好ましい。
【００２６】
実施の形態２．
実施の形態１では、突起部３０を軸中心から永久磁石６の周方向中央部方向、すなわちｄ軸方向に備える磁性体のコギングトルク調整鉄心２０、２０ａ、２０ｂを配設した構成について説明したが、回転子３の円周方向に沿って設けられ軸方向に沿って形成された複数の開口に挿入された永久磁石６の周方向端部を一部塞ぎ、永久磁石６の径方向の表面を全て塞ぐような、永久磁石６の数と同数の突起部を、軸中心から永久磁石６の周方向端部境界方向、すなわちｑ軸方向に配設しても同様の効果を得ることができる。
【００２７】
図１１はこの発明の実施の形態２を示す回転電機の回転子の斜視図である。この実施の形態２では、回転子３を構成する回転子鉄心５の軸方向両端部に回転子３の外径形状と異なる突起部３１を有する磁性体のコギングトルク調整鉄心２１を配設しているが、実施の形態１とは異なり、回転子３のｑ軸方向に永久磁石６の数と同数の突起部３１を有するコギングトルク調整鉄心２１を配設している。
【００２８】
その結果、実施の形態１と同様に、回転子鉄心５の軸方向端部の磁束を低下させることが可能となり、図８に示すように、スロット１１の数と永久磁石６の数の最小公倍数で決まる周期のコギングトルク６０と、逆位相の新たな極周期のコギングコギングトルク６１が生じ、スロット１１の数と永久磁石６の数の最小公倍数で決まる周期のコギングトルク６０は、逆位相のコギングトルク６１により相殺され、コギングトルク６１の差分だけコギングトルクを低減させることができる。逆位相の新たな極周期のコギングコギングトルク６１は、突起部３１が永久磁石６を全く塞いでいない状態、もしくは永久磁石６を全面にわたって塞いでいる状態では発生せず、永久磁石６を一部塞いでいる状態になることで初めて発生する。
【００２９】
このように、回転子３の軸方向端部に回転子３の外径形状とは異なる突起部３１を有するコギングトルク調整鉄心２１を配設したので、コギングトルクの調整を不要にしながら、コギングトルクを十分に低減でき、高いトルク密度を確保しながら小さいトルク変動下で安定した動力伝達を実現でき、さらに、慣性モーメントを低減することで高応答性を確保できる回転電機を可能にする。
【００３０】
実施の形態３．
実施の形態１では、突起部３０の数と永久磁石６の数が同数の場合の構成について説明したが、回転子３の円周方向に沿って設けられ軸方向に沿って形成された複数の開口に挿入された永久磁石６の周方向中央部と周方向端部を一部塞ぎ、永久磁石６の径方向の表面を全て塞ぐような突起部を、永久磁石６の数の２倍配設した構成にしても同様の効果を得ることができる。
【００３１】
図１２はこの発明の実施の形態３を示す回転電機の回転子の斜視図である。実施の形態１では、スロット１１の数と永久磁石６の数の最小公倍数で決まる周期のコギングトルクの基本波成分を低減する方法について説明したが、この実施の形態３では、永久磁石６の数の２倍の突起部３２を有するコギングトルク調整鉄心２２を配設することで、コギングトルクの基本波成分の２倍の脈動成分であるコギングトルクの第２高調波成分を低減することができる。実施の形態３では、突起部３２は回転子３のｄ軸方向に永久磁石６の数と同数の突起部と、回転子３のｑ軸方向に永久磁石６の数と同数の突起部をそれぞれ有している。
【００３２】
永久磁石６の数の２倍の突起部３２を有するコギングトルク調整鉄心２２を配設した場合、スロット１１の数と永久磁石６の数の最小公倍数で決まる周期のコギングトルクの基本波成分の２倍の脈動成分である逆位相の周期のコギングトルクが生じる。このとき、コギングトルクは、基本波成分の２倍の脈動成分である逆位相のコギングトルクにより相殺され、コギングトルクの差分だけコギングトルクを低減させることができる。逆位相の新たな極周期のコギングコギングトルクは、突起部３２が永久磁石６を全く塞いでいない状態、もしくは永久磁石６を全面にわたって塞いでいる状態では発生せず、永久磁石６を一部塞いでいる状態になることで初めて発生する。
【００３３】
このように、回転子３の軸方向端部に回転子３の外径形状とは異なる突起部３２を有するコギングトルク調整鉄心２２を配設したので、コギングトルクの調整を不要にしながら、コギングトルクを十分に低減でき、高いトルク密度を確保しながら小さいトルク変動下で安定した動力伝達を実現でき、さらに、慣性モーメントを低減することで高応答性を確保できる回転電機を可能にする。
【００３４】
実施の形態４
実施の形態１では、突起部３０の数と永久磁石６の数が同数の構成について説明したが、回転子３の円周方向に沿って設けられ軸方向に沿って形成された複数の開口に挿入された永久磁石６の周方向を一部塞ぎ、永久磁石６の径方向の表面を全て塞ぐような突起部を、スロット１１の数と同数配設した構成にしても同様の効果を得ることができる。
【００３５】
図１３はこの発明の実施の形態４を示す回転電機の回転子の斜視図である。実施の形態１から３では、スロット１１の数と永久磁石６の数の最小公倍数で決まる周期のコギングトルクの基本波成分、または、第２高調波成分を低減する方法について説明したが、この実施の形態４では、スロット１１の数と同数の突起部３３を有するコギングトルク調整鉄心２３を配設することで、固定子２が要因で発生するコギングトルクの高調波成分を低減させることができる。
【００３６】
スロット１１の数と同数の突起部３３を有するコギングトルク調整鉄心２３を配設した場合、スロット１１の数と永久磁石６の数の最小公倍数で決まる周期のコギングトルクの高調波成分である逆位相の周期のコギングトルクが生じる。このとき、コギングトルクは、基本波成分の高調波の脈動成分である逆位相のコギングトルクにより相殺され、コギングトルクの差分だけコギングトルクを低減させることができる。逆位相の新たな極周期のコギングコギングトルクは、突起部３３が永久磁石６を全く塞いでいない状態、もしくは永久磁石６を全面にわたって塞いでいる状態では発生せず、永久磁石６を一部塞いでいる状態になることで初めて発生する。
【００３７】
このように、回転子３の軸方向端部に回転子３の外径形状とは異なる突起部３３を有するコギングトルク調整鉄心２３を配設したので、コギングトルクの調整を不要にしながら、コギングトルクを十分に低減でき、高いトルク密度を確保しながら小さいトルク変動下で安定した動力伝達を実現でき、さらに、慣性モーメントを低減することで高応答性を確保できる回転電機を可能にする。
【符号の説明】
【００３８】
１  回転電機、２  固定子、３  回転子、４  固定子鉄心、５  回転子鉄心、６  永久磁石、７  フレーム、８  コイル、９  ブラケット、１０  軸受ベアリング、１１  スロット、１２  固定子内周面、１３  スロット開口部、１４  歯部、２０、２０ａ、２０ｂ、２１、２２、２３  コギングトルク調整鉄心、３０、３１、３２、３３  突起部、５０、５１  磁束密度、６０、６１  コギングトルク
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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