JP5948161B2 - 回転電機及び永久磁石同期機 - Google Patents

Description

本発明は特にコンプレッサ、ＨＥＶ、ＥＶ、燃料電池自動車などの用途で、小型高出力を求められる回転電機、特に永久磁石同期機に関するものである。

近年、希土類磁石の供給量の不足から、特に小型モータでは希土類レスモータの希求が高まっている。このため、エアコンや冷蔵庫に用いられるコンプレッサをはじめＥＶ、ＨＥＶ、燃料電池自動車に搭載される電動機も、磁石使用量低減を含む希土類レス化と小型高効率との両方が求められている。

永久磁石同期機の出力密度向上の手段として、磁石磁束によって発生する磁石トルクを利用することのほかに、回転子のインダクタンスの差によって生じるリラクタンストルクを活用することが挙げられる。リラクタンストルクはｄ軸インダクタンスＬｄとｑ軸インダクタンスＬｑの突極比Ｌｑ／Ｌｄで決まり、突極比が大きいほどリラクタンストルクは大きくなる。

磁束は磁気抵抗Ｒが小さいほど流れやすく、磁気抵抗Ｒは磁束経路を構成する要素の形状および透磁率によって決まり、（１）式であらわされる。
Ｒ＝ｌ／（μ・μ₀Ｓ） …（１）
ただし、ｌ：要素の磁路長、Ｓ：要素の磁束断面積、μ：要素の比透磁率、μ₀：真空の透磁率である。（１）式より、μとＳが大きいほど磁気抵抗は小さくなる。

図６に特許文献１に記載された永久磁石型回転子の斜視図を示す。図６に示す特許文献１に記載された永久磁石型回転子では第一の磁性体６で構成された回転子１０に磁石挿入孔４を備える構成であり、永久磁石５に磁性ブロック３を厚さ方向に重ね合わせて磁石挿入孔４に挿入している。磁性ブロック３は高い飽和磁束密度を有する磁性材料、あるいは高い磁束密度にて透磁率の高い磁性材料のいずれかとしている。すなわち、第一の磁性体６より透磁率の大きい磁性ブロック３を備えることで、磁性ブロック３での磁気抵抗Ｒが小さくなることから、磁石トルクを下げることなくリラクタンストルクの発現が可能となる。

特許第３８７１８７３号公報

先行技術文献１では課題が２つある。

１つはリラクタンストルクである。リラクタンストルクはｄ軸とｑ軸のインダクタンス突極比、Ｌｑ／Ｌｄの大きさに依存する。特許文献１のｄ軸１、ｑ軸２は図１に示すとおりであり、透磁率の低い永久磁石がｄ軸１、ｑ軸２に配置されることから、透磁率の高い磁性ブロック３を配置しても突極比の増加は小さく、リラクタンストルクの増加量は小さい。

さらに、もう１つの課題として、出力密度向上の効果が小さいことが挙げられる。（１）式にも示した通り、磁束断面積Ｓと比透磁率μの増加により磁気抵抗は減少することから、第二の磁性体の断面積を大きくすることは、出力密度の増加につながる。特許文献１のような構造においては、磁性体の断面積確保が難しい。

本発明の目的は、出力密度またはリラクタンストルクを向上して高効率化した永久磁石同期機を含む回転電機を提供することにある。

回転子コアに永久磁石を埋め込んだ埋め込み磁石回転子を備え、永久磁石の横断面が回転子外径側から回転子内径側に向かって凹形状をした回転電機において、前記回転子コアを構成する第一の磁性体のうち、前記永久磁石よりも外周側部分の一部または複数部を前記第一の磁性体よりも透磁率が高い第二の磁性体で構成し、回転子外周側の永久磁石端部と面し、周方向に延びる磁性体で構成されたリブを、前記第二の磁性体で構成することを特徴とする回転電機。

本発明によれば、出力密度またはリラクタンストルクを向上して高効率化した永久磁石同期機を含む回転電機を提供することができる。

本発明の第１の実施例による永久磁石同期機の回転子の軸方向断面図。 本発明の第１の実施例による永久磁石同期機の回転子の軸方向断面図。 本発明の第１の実施例による永久磁石同期機の回転子の軸方向断面図。 磁性体における磁束密度と透磁率の関係。 本発明の第２の実施例による軸方向断面図。 背景技術としての永久磁石型回転子を示す図。

以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。

本発明の第１の実施例による永久磁石同期機の回転子軸方向断面図を図１に示す。回転子１０は第一の磁性体６で構成され、回転子外径側から回転子内径側に向かって凹形状となる複数の磁石挿入孔４が配置され、磁石挿入孔４に永久磁石５を有する構成である。永久磁石５は磁石挿入孔４に挿入されるため、磁石挿入孔４と同様に、その横断面（回転子の回転軸に垂直な断面）における形状が、回転子外径側から回転子内径側に向かって凹形状となる形状になっている。すなわち、永久磁石５は周方向における両端部に対して、その中央部が回転子の外周面から遠ざかるように、或いは回転中心側に近づくように、湾曲して凹形状を成している。また、永久磁石５の回転子内径側に第二の磁性体挿入孔９を設け、ここに第二の磁性体７を有する構成としている。第二の磁性体７は第一の磁性体６より高透磁率の磁性体材料であり、第二の磁性体７の透磁率が第一の磁性体６より大きいことから、第二の磁性体７の磁気抵抗は（１）式にしたがい減少する。これにより第二の磁性体７での磁束密度は増加し、出力密度は向上する。また、図１の例ではｑ軸２に第二の磁性体７を配置する構成とすることで、Ｌｑは大きくなる。これに対しＬｄは変わらないことから突極比が増加し、リラクタンストルクも増加する。

また、第二の磁性体７は隣接する２つの永久磁石５の中間に配置され、かつ回転子外径側から回転子内径側に向かって凹形状をした永久磁石５に対して内径側に配置されるので、永久磁石５の配置スペースを確保し易い。このため、第二の磁性体７の横断面面積（径方向における厚み）を大きくすることができる。

第二の磁性体７の配置を変えた例を図２に示す。図１ではｑ軸２に第二の磁性体７を配置したのに対し、磁束が集中する磁極部８に第二の磁性体７を配置する構成とする。磁石挿入孔４は第二の磁性体挿入孔９と一体の構造となり、磁石挿入孔４にて第二の磁性体７を保持する構成である。図２の永久磁石５も、図１の永久磁石５と同様に、その横断面における形状が、回転子外径側から回転子内径側に向かって凹形状となる形状になっているため、第二の磁性体７を配置する磁極部８の面積（横断面における面積）が大きく確保されているため、第二の磁性体７の横断面における面積（径方向における厚み）を大きくすることができる。

この構成により、第二の磁性体７による磁束密度の増加化効果は大きくなり、出力密度は向上する。磁石挿入孔４と第二の磁性体挿入孔９を一体とすることで、第二の磁性体挿入孔９のクリアランスを確保することが不要となることから、回転子内の磁気抵抗を下げることなく出力密度の向上が可能となる。

また保磁力１０００kA／ｍ以下の永久磁石を用いた場合には、磁極部８は磁場の低い状態で運転する。図４に示すように、アモルファスやファインメットなど、低磁場で高い透磁率を持つ磁性体を第二の磁性体７とすることで、磁石の起磁力が小さい場合でも磁束量が増加し、出力密度が向上する。この実施形態として図３がある。この場合、磁極部８における回転方向の進み側１５は第一の磁性体６で構成し、遅れ側１６にのみアモルファスやファインメットなどを第二の磁性体７に配置する構成としている。進み側１５に比べ、遅れ側１６の方で磁場が小さくなることから、第二の磁性体７の透磁率が高い状態で運転可能である。

第一の永久磁石５は希土類を主成分とした焼結磁石でも良いし、ボンド磁石で形成しても良いし、フェライト磁石、アルニコ磁石で形成しても良い。また、第一の永久磁石５は、同一種類の一体構成の永久磁石としても良いし、複数枚に分割した永久磁石を軸方向、または周方向に配置しても良い。第一の永久磁石５はそれぞれ同一種類の１枚の磁石でも良いし、異なる種類の磁石でも良い。第一の永久磁石は曲線形状をしているが、Ｉ字形状でも良いし、Ｕ字形状でも良い。第二の磁性体７は図２に示すように、磁石挿入孔４で保持する構成としてもよいし、図１のように、第二の磁性体挿入孔９で構成し保持しても良い。図２では第二の磁性体７は半円形状をしているが、円でも良いし、円弧で形成しても良いし、四角形でも良いし、多角形でも良い。１極あたりの第二の磁性体７は１個であるが、複数個に分割しても良い。回転子は６極で構成されているが２極以上であれば何極でも良い。

本発明の第２の実施例による永久磁石同期機の回転子軸方向断面図を図５に示す。回転子の基本構成は実施例１に準ずるので説明を省略する。回転子外周側の永久磁石端部と面するリブ１２（図１参照）を第二の磁性体７で構成し、回転子外周部を周方向に伸びる第二の磁性体７を回転子１０に設けられた溝１４にて保持する構成とする。図５の永久磁石５も、図１の永久磁石５と同様に、その横断面における形状が、回転子外径側から回転子内径側に向かって凹形状となる形状になっている。このとき、回転子外周側の永久磁石５の端部は、回転子外周面に沿う面として構成されている。

この構成では、特にアモルファスのように高磁場では透磁率が低くなるような材料を第二の磁性体とする。リブ１２の磁場は１００Ａ／ｍ以上と、アモルファスの透磁率が電磁鋼板より低くなる。磁気飽和状態のリブ１２では磁束が流れにくくなることから、回転子外周部で生じる漏れ磁束１３の低減が可能となり、トルク脈動の低減および出力の向上が可能となる。また、漏れ磁束の低減効果はリブ１２を空孔とする場合や、非磁性体で構成する場合も同様の効果が得られるが、非磁性体や空孔と異なり磁性体であることから、磁極部８の磁束経路を阻害せずに運転可能である。

第一の永久磁石５は希土類を主成分とした焼結磁石でも良いし、ボンド磁石で形成しても良いし、フェライト磁石、アルニコ磁石で形成しても良い。また、第一の永久磁石５は、同一種類の一体構成の永久磁石としても良いし、複数枚に分割した永久磁石を軸方向、または周方向に配置しても良い。第一の永久磁石５はそれぞれ同一種類の１枚の磁石でも良いし、異なる種類の磁石でも良い。第一の永久磁石は曲線形状をしているが、Ｉ字形状でも良いし、Ｕ字形状でも良い。回転子外周部形状は図２に示すように、溝１４を設け保持しているが、溝を設けず樹脂などでモールドしても良いし、ＳＵＳ管などで保持しても良いし、第一の磁性体６に磁性体挿入孔９を設け、第二の磁性体７を挿入しても良い。回転子は２極以上であれば何極で構成しても良い。

１ ｄ軸
２ ｑ軸
３ 磁性ブロック
４ 磁石挿入孔
５ 永久磁石
６ 第一の磁性体
７ 第二の磁性体
８ 磁極部
９ 第二の磁性体挿入孔
１０ 回転子
１２ リブ
１３ 漏れ磁束経路
１４ 溝
１５ 進み側
１６ 遅れ側

Claims (5)

1. 回転子コアに永久磁石を埋め込んだ埋め込み磁石回転子を備え、前記永久磁石の横断面が回転子外径側から回転子内径側に向かって凹形状をした回転電機において、
   前記回転子コアを構成する第一の磁性体のうち、前記永久磁石よりも外周側部分の一部または複数部を、前記第一の磁性体よりも透磁率が高い第二の磁性体で構成し、
   回転子外周側の永久磁石端部と面し、周方向に延びる磁性体で構成されたリブを、前記第二の磁性体で構成したことを特徴とする回転電機。
2. 請求項１に記載の回転電機において、永久磁石を埋め込むための磁石挿入孔と第二の磁性体を挿入する挿入孔を１つの孔で構成したことを特徴とする回転電機。
3. 請求項１に記載の回転電機において、磁極部の遅れ側の一部または複数部を第二の磁性体で構成することを特徴とする回転電機。
4. 請求項１に記載の回転電機において、前記第二の磁性体部分が磁石抑えを兼ねることを特徴とする回転電機。
5. 請求項１に記載の回転電機において、前記第二の磁性体を低磁束密度領域で高透磁率の磁性体とすることを特徴とする回転電機。