WO2024084541A1

WO2024084541A1 - 埋込磁石式回転子および埋込磁石式回転電機

Info

Publication number: WO2024084541A1
Application number: PCT/JP2022/038531
Authority: WO
Inventors: 正克松原; 大介森; 直哉佐々木; 将鹿野
Original assignee: 株式会社東芝; 東芝インフラシステムズ株式会社
Priority date: 2022-10-17
Filing date: 2022-10-17
Publication date: 2024-04-25
Also published as: JPWO2024084541A1; CN118633226A

Abstract

実施形態によれば、埋込磁石式回転子（１０）は、回転軸方向に延びたロータシャフトと、各磁極に少なくとも一つ設けられた複数の永久磁石と、ロータシャフトの径方向の外側に取り付けられ複数の永久磁石のそれぞれを収納する複数の永久磁石収納孔（１１０）が形成された回転子鉄心（１００）と、を具備する。それぞれの永久磁石は、回転軸を含む仮想平面に対して傾きを有して配され、それぞれの収納孔は、回転子鉄心の径方向の外側に連通し回転子鉄心の開口部周方向内側チップ（１１２）および開口部周方向外側チップ（１１３）に挟まれた開口部（１１４）を有する。回転子鉄心（１００）は、開口部（１１４）において形成された緩和部（１２０）を有する。

Description

埋込磁石式回転子および埋込磁石式回転電機

　本発明の実施形態は、埋込磁石式回転子およびこれを有する埋込磁石式回転電機に関する。

　低・脱炭素化社会の実現に向け、ハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）、電気自動車（ＥＶ）のような電動車両の普及が進んでいる。これらの動力源には、一般的に永久磁石モータが用いられている。永久磁石モータは、可変速運転特性に優れることから、たとえば、各磁極に２つの永久磁石を周方向に対向して径方向外側に開くように配置した構成が提案され用いられている。なお、２つの永久磁石が同一仕様で当該磁極の中心（ｄ軸）に関して対称な位置に配置されている場合には、いわゆるＶ字配置と呼ばれる。

　埋込磁石式回転子において、永久磁石を収納し、かつ、フラックスバリアを形成する回転子鉄心の永久磁石収納孔が、回転子鉄心の外側に連通していない場合、すなわち、外径側の鉄心や永久磁石に作用する遠心力を機械的に支持するため、当該永久磁石収納孔と回転子鉄心の外表面との間、すなわち外周側のブリッジであるトップブリッジが存在する方式がある。

　しかしながら、トップブリッジが存在する場合は、これが磁路となって漏れ磁束を生じ、トルク性能の低下を引き起こす要因となる。

　このため、トップブリッジを設けず、回転子鉄心の永久磁石収納孔が、回転子鉄心の外側に連通する開口部の設けられたトップブリッジレスの方式が知られている。

特開２０２０－０１４３２２号公報

　トップブリッジレスの方式においては、回転子鉄心の外表面に開口部が設けられていることになる。このため、固定子から回転子に浸透する磁束に対する磁気抵抗が、ロータ外周面付近における鉄心の有る部分と無い部分、すなわち開口部と鉄心を有する部分の間で急変し、コギングトルクが生じ、コギングトルクに伴う騒音が発生するという問題があった。

　本発明の目的は、磁気抵抗の変化を小さくし、コギングトルクを低減可能な埋込磁石式回転子および埋込磁石式回転電機を提供することである。

　上述の目的を達成するため、本発明の実施形態に係る埋込磁石式回転子は、回転軸方向に延びたロータシャフトと、各磁極に少なくとも一つ設けられた複数の永久磁石と、前記ロータシャフトの径方向の外側に取り付けられ複数の前記永久磁石のそれぞれを収納する複数の収納孔が形成された回転子鉄心と、を具備する埋込磁石式回転子であって、それぞれの前記永久磁石は、前記回転軸を含む仮想平面に対して傾きを有して配され、それぞれの前記収納孔は、前記回転子鉄心の径方向の外側に連通し前記回転子鉄心の開口部周方向内側チップおよび開口部周方向外側チップに挟まれた開口部を有し、前記回転子鉄心は、前記開口部において形成された緩和部を有する、ことを特徴とする。

第１の実施形態に係る埋込磁石式回転電機の構成を示す横断面図である。第１の実施形態に係る埋込磁石式回転子の永久磁石収納孔を示す回転子鉄心の部分横断面図である。第１の実施形態に係る埋込磁石式回転子の永久磁石収納孔の緩和部を示す部分横断面図である。第１の実施形態に係る埋込磁石式回転子の効果を示す磁束密度の時間変化の比較を示すグラフである。第１の実施形態に係る埋込磁石式回転子の効果を示す磁束密度の時間変化の詳細の比較を示すグラフである。第１の実施形態に係る埋込磁石式回転子の効果を示すトルクの時間変化の比較を示すグラフである。第１の実施形態に係る埋込磁石式回転子の効果を示すトルクの大きさの比較を示すグラフである。第１の実施形態に係る埋込磁石式回転子の効果を示すコギングトルク高調波成分の大きさの比較を示すグラフである。第１の実施形態に係る埋込磁石式回転子の効果を示す鉄損の大きさの比較を示すグラフである。第２の実施形態に係る埋込磁石式回転子の永久磁石収納孔の緩和部を示す部分横断面図である。第３の実施形態に係る埋込磁石式回転子の永久磁石収納孔の緩和部を示す部分横断面図である。第４の実施形態に係る埋込磁石式回転子の永久磁石収納孔の緩和部を示す部分横断面図である。

　以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る埋込磁石式回転子および埋込磁石式回転電機について説明する。ここで、互いに同一または類似の部分には、共通の符号を付して、重複説明は省略する。

　［第１の実施形態］
　図１は、第１の実施形態に係る埋込磁石式回転電機１の構成を示す横断面図である。

　埋込磁石式回転電機１は、埋込磁石式回転子１０および固定子２０を有する。

　埋込磁石式回転子１０は、回転軸ＣＬの方向に延びて図示しない２つの軸受により回転可能に支持されたロータシャフト１１、ロータシャフト１１の径方向外側に取り付けられた円筒状の回転子鉄心１００、および回転子鉄心１００内に配置された複数の収納された永久磁石１２を有する。

　固定子２０は、回転子鉄心１００の径方向外側を囲むように配された円筒状の固定子鉄心２１、および固定子鉄心２１の内周面に形成された複数の固定子スロット２２内を通過して固定子鉄心２１に巻回された図示しない固定子巻線を有する。

　ここで、説明の便宜のために、方向を定義する。ロータシャフト１１の回転軸ＣＬから離れる方向を径方向と呼ぶ。また、埋込磁石式回転子１０が回転する方向を周方向と呼ぶ。また、回転軸ＣＬの延びる方向に平行な方向を軸方向と呼ぶ。

　永久磁石１２は、各磁極に２つずつ配置されており、互いに磁極中心軸に関して周方向に対称の位置に配されている。各磁極の２つの永久磁石１２は、径方向外側になるにしたがって、周方向の間隔が広くなるように配されている。すなわち、各磁極における２つの永久磁石１２は、径方向外側に向かって開くように配置されている。

　以下では、このような場合を例にとって説明するが、埋込磁石式回転子１０は、以上説明した磁石の配置を有する場合には限定されない。すなわち、各磁極に配置される永久磁石１２の数は、２つに限定されない。また、磁極の中心軸に関して対称であることにも限定されず、非対称であってもよい。

　図２は、第１の実施形態に係る埋込磁石式回転子１０の永久磁石収納孔１１０を示す回転子鉄心１００の部分横断面図である。

　図２は、回転子鉄心１００の各磁極の中心軸（ｄ軸）に関して対称に配された２つの永久磁石収納孔１１０の一方を示している。永久磁石収納孔１１０は、径方向の内側において２つのセンターブリッジ１３０を介して隣接する他方の永久磁石収納孔１１０に対向している。

　永久磁石収納孔１１０には、磁石保持外側突起１１６および磁石保持内側突起１１７が突出しており、永久磁石１２（図１）がこれらに挟まれた領域に収納され、保持される。

　永久磁石収納孔１１０の径方向外側は、回転子鉄心外周面１００ａの径方向外側に連通している。すなわち、永久磁石収納孔１１０の径方向外側部分には、開口部１１４が形成されている。

　１つの磁極の領域において、回転子鉄心１００は、２つの互いに対向する永久磁石収納孔１１０によって、これらに挟まれた領域であって２つのセンターブリッジ１３０から径方向外側に拡がる扇状部１００ｘと、扇状部１００ｘの周方向の外側に隣接する磁極外側部１００ｙとに区分される。

　開口部１１４は、扇状部１００ｘ側の突出部分である開口部周方向内側チップ１１２と、磁極外側部１００ｙ側の突出部である開口部周方向外側チップ１１３との互いに対向する２つの壁によって形成される。

　開口部周方向内側チップ１１２は、貫通孔径方向外側壁１１１からみて、凹部１１５を介した径方向の外側部分である。

　開口部周方向外側チップ１１３は、磁石保持外側突起１１６からみて、径方向外側における突出部分である。

　緩和部１２０は、回転子鉄心１００の径方向外側から回転子鉄心１００の内部に浸透する磁束に対する磁気抵抗の周方向についての急激な変化を緩和する。このために、開口部１１４を形成する開口部周方向内側チップ１１２および開口部周方向外側チップ１１３を、この磁気抵抗の周方向の変化が緩やかになるような形状に形成されている。緩和部１２０の詳細は、図３を引用しながら後述する。

　図３は、第１の実施形態に係る埋込磁石式回転子１０の永久磁石収納孔１１０の緩和部１２０を示す部分横断面図である。

　破線は、従来の例であり、本実施形態に係る永久磁石収納孔１１０の緩和部１２０の内容と効果の説明のための比較例として示すものである。比較例においては、開口部１１４を形成する扇状部１００ｘ側の突出部分である開口部周方向内側チップ１１２の内側チップ対向壁１１２ａと、これに対向する磁極外側部１００ｙ側の突出部である開口部周方向外側チップ１１３の外側チップ対向壁１１３ａは、軸方向に延びる平面Ｓａおよび平面Ｓｂにぞれぞれ含まれる。平面Ｓａおよび平面Ｓｂは、互いに平行であり、その周方向の中間の位置にある仮想平面Ｓｃは、ロータシャフト１１の回転軸ＣＬを通る平面である。

　一方、本実施形態に係る緩和部１２０の開口部周方向内側チップ１１２における対向面である内側チップ延長壁１２１は、貫通孔径方向外側壁１１１と同一の平面内にあるように形成されている。具体的には、内側チップ延長壁１２１は、比較例の内側チップ対向壁１１２ａよりは開口部１１４に径方向外側が突出するように形成されている。

　一方、開口部周方向外側チップ１１３における対向面である外側チップ対向壁１２２は、開口部周方向内側チップ１１２における対向面である内側チップ延長壁１２１に平行となるように形成されている。具体的には、比較例には、比較例における開口部１１４の周方向の幅、すなわち内側チップ対向壁１１２ａと外側チップ対向壁１１３ａとの間隔として幅ｗ０を維持するように形成されている。したがって、外側チップ対向壁１２２は、比較例の外側チップ対向壁１１３ａよりは開口部１１４から径方向外側が後退するように形成されている。

　ここで、開口部の中央を通り、内側チップ延長壁１２１および外側チップ対向壁１２２に平行な仮想平面Ｓｅを想定すると、仮想平面Ｓｅは、仮想平面Ｓｃに対して角度Θ傾いている。

　このように、比較例では、内側チップ対向壁１１２ａと外側チップ対向壁１１３ａとが、ともにほぼ径方向に沿って形成されていることから、径方向外側の固定子２０から回転軸ＣＬの方向をみれば、開口部１１４の幅はｗ０であり、かつ、開口部１１４を径方向に沿ってこの幅ｗ０で見通せるように形成されている。

　一方、本実施形態による緩和部１２０は、内側チップ延長壁１２１と外側チップ対向壁１２２が形成されていることによって、径方向外側の固定子２０からみれば、開口部１１４を径方向に沿って回転軸ＣＬの方向に見通したときの開口部１１４の幅はｗ１（＝ｗ０・ｃｏｓΘ）に減少する。また、径方向外側の固定子２０からみて開口部１１４を径方向に沿って見通せるｗ１の幅の両側にある開口部周方向内側チップ１１２と開口部周方向外側チップ１１３の厚みは、開口部１１４に近づくにつれて連続的に減少している。

　次に、以上説明した本実施形態に係る埋込磁石式回転子１０の作用、効果を説明する。

　図４は、第１の実施形態に係る埋込磁石式回転子１０の効果を示す磁束密度の時間変化の比較を示すグラフである。また、図５は、第１の実施形態に係る埋込磁石式回転子１０の効果を示す磁束密度の時間変化の詳細の比較を示すグラフである。図４および図５の横軸は角度（電気角）、縦軸は磁束密度［Ｔ］である。また、破線は比較例、実線は本実施形態の場合を示す。

　たとえば、図４で、磁束密度が上昇し最大値に到達する前後のＣ部の変化の様子を、図５により詳細に比較してみる。図５に示すように、Ａ部に示す本実施形態の場合の変化は、Ｂ部に示す比較例の場合の変化に比べて、緩やかである。

　図６は、第１の実施形態に係る埋込磁石式回転子１０の効果を示すトルクの時間変化の比較を示すグラフである。横軸は時間、縦軸はトルク（ｐ．ｕ．）である。

　破線は比較例、実線は本実施形態の場合である。図６に示すように、比較例は各サイクルでの変化が、本実施形態の場合に比べて大きくなっている。

　図７は、第１の実施形態に係る埋込磁石式回転子１０の効果を示すトルクの大きさの比較を示すグラフである。横軸はケース、すなわち比較例の場合と本実施形態の場合である。縦軸はトルクの時間平均の相対値である。本実施形態におけるトルク値は、比較例の場合のトルク値に比べて低いが、その減少分は、約０．３％未満にとどまっている。

　図８は、第１の実施形態に係る埋込磁石式回転子１０の効果を示すコギングトルク高調波成分の大きさの比較を示すグラフである。横軸は、ケースであり、コギングトルク高調波成分として有意に現れる第１２調波と第２４調波のケースである。縦軸はトルクの振幅値の相対値である。

　図８に示すように、コギングトルク高調波成分については、本実施形態の場合は比較例に比べて、第１２調波では約４％増加するが、第２４調波については約８０％減少しており、全体としては、高調波の抑制効果が得られている。

　図９は、第１の実施形態に係る埋込磁石式回転子１０の効果を示す鉄損の大きさの比較を示すグラフである。横軸は、横軸はケース、すなわち比較例の場合と本実施形態の場合である。縦軸は鉄損の相対値である。

　図９に示すように、鉄損については、本実施形態の場合は比較例に比べて、約３％減少している。

　以上のように、本実施形態の緩和部１２０においては、内側チップ延長壁１２１と外側チップ対向壁１２２を設けることにより、径方向外側の固定子２０からみた開口部１１４の幅が減少する。また、開口部１１４を径方向に沿って見通せるｗ１の幅の両側で開口部周方向内側チップ１１２と開口部周方向外側チップ１１３の厚みが開口部に近づくにつれて連続的に減少する。これらの結果、回転子鉄心１００の径方向外側から回転子鉄心１００の内部に浸透する磁束に対する磁気抵抗の周方向についての急激な変化が緩和される。

　この結果、回転子鉄心１００に形成された開口部１１４の存在によるコギングトルクが抑制され、また、鉄損も減少し効率の向上を図ることができる。

　［第２の実施形態］
　図１０は、第２の実施形態に係る埋込磁石式回転子１０の永久磁石収納孔１１０の緩和部１２０ａを示す部分横断面図である。本実施形態は、第１の実施形態の変形であり、緩和部１２０ａの形状のみが異なる。

　本実施形態の緩和部１２０ａは、開口部周方向内側チップ１１２の内側チップ対向壁１１２ａは比較例と同様である。一方、開口部周方向外側チップ１１３の外側チップ内壁１１３ｂには、外側チップ内面傾斜壁１２３が形成され、開口部周方向外側チップ１１３の径方向の厚みは、開口部１１４に近づくにつれて連続的に減少する。なお、開口部周方向内側チップ１１２の内側チップ内壁の方に、内側チップ内面傾斜壁を設けてもよい。

　このように、本実施形態では、比較例における開口部周方向外側チップ１１３の一部を切り欠くのみで、回転子鉄心１００の径方向外側から回転子鉄心１００の内部に浸透する磁束に対する磁気抵抗の周方向についての急激な変化が緩和される。

　［第３の実施形態］
　図１１は、第３の実施形態に係る埋込磁石式回転子１０の永久磁石収納孔１１０の緩和部１２０ｂを示す部分横断面図である。本実施形態は、第１の実施形態の変形であり、緩和部１２０ｂの形状のみが異なる。

　本実施形態の緩和部１２０ｂは、開口部周方向内側チップ１１２の内側チップ外壁１１２ｃには、内側チップ外面傾斜壁１２４が形成されている。また、開口部周方向外側チップ１１３の外側チップ外壁１１３ｃには、外側チップ外面傾斜壁１２５が形成されている。この結果、開口部周方向内側チップ１１２および開口部周方向外側チップ１１３の径方向の厚みは、開口部１１４に近づくにつれて連続的に減少する。なお、内側チップ外面傾斜壁１２４または外側チップ外面傾斜壁１２５のいずれかが形成されている場合であってもよい。

　このように、本実施形態では、比較例における開口部周方向内側チップ１１２および開口部周方向外側チップ１１３の一部を切り欠くのみで、回転子鉄心１００の径方向外側から回転子鉄心１００の内部に浸透する磁束に対する磁気抵抗の周方向についての急激な変化が緩和される。

　［第４の実施形態］
　図１２は、第４の実施形態に係る埋込磁石式回転子１０の永久磁石収納孔１１０の緩和部１２０ｃを示す部分横断面図である。本実施形態は、第２の実施形態と第３の実施形態の組合せであり、緩和部１２０ｃの形状のみが異なる。

　本実施形態の緩和部１２０ｃは、開口部周方向内側チップ１１２の内側チップ外壁１１２ｃには、内側チップ外面傾斜壁１２４が形成されている。また、開口部周方向外側チップ１１３の外側チップ内壁１１３ｂには外側チップ内面傾斜壁１２３が、また、外側チップ外壁１１３ｃには外側チップ外面傾斜壁１２５が形成されている。この結果、開口部周方向内側チップ１１２および開口部周方向外側チップ１１３の径方向の厚みは、開口部１１４に近づくにつれて連続的に減少する。

　以上、説明した実施形態によれば、磁気抵抗の変化を小さくし、コギングトルクを低減可能な埋込磁石式回転子および埋込磁石式回転電機を提供することができる。

　［その他の実施形態］
　以上、本発明の実施形態を説明したが、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。また、各実施形態の特徴を組み合わせてもよい。さらに、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。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。

　１…永久磁石回転電機、１０…永久磁石回転子、１１…ロータシャフト、１２…永久磁石、２０…固定子、２１…固定子鉄心、２２…固定子スロット、１００…回転子鉄心、１００ａ…回転子鉄心外周面、１００ｘ…扇状部、１００ｙ…磁極外側部、１１０…永久磁石収納孔、１１１…貫通孔径方向外側壁、１１２…開口部周方向内側チップ、１１２ａ…内側チップ対向壁、１１２ｂ…内側チップ内壁、１１２ｃ…内側チップ外壁、１１３…開口部周方向外側チップ、１１３ａ…外側チップ対向壁、１１３ｂ…外側チップ内壁、１１３ｃ…外側チップ外壁、１１４…開口部、１１５…凹部、１１６…磁石保持外側突起、１１７…磁石保持内側突起、１２０、１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃ…緩和部、１２１…内側チップ延長壁、１２２…外側チップ対向壁、１２３…外側チップ内面傾斜壁、１２４…内側チップ外面傾斜壁、１２５…外側チップ外面傾斜壁、１３０…センターブリッジ、ＣＬ…回転軸

Claims

　回転軸の方向に延びたロータシャフトと、
　各磁極に少なくとも一つ設けられた複数の永久磁石と、
　前記ロータシャフトの径方向の外側に取り付けられ複数の前記永久磁石のそれぞれを収納する複数の永久磁石収納孔が形成された回転子鉄心と、
　を具備する埋込磁石式回転子であって、
　それぞれの前記永久磁石収納孔は、前記回転子鉄心の径方向の外側に連通し前記回転子鉄心の開口部周方向内側チップおよび開口部周方向外側チップに挟まれた開口部を有し、
　前記回転子鉄心は、当該回転子鉄心の径方向外側から当該回転子鉄心の内部に浸透する磁束に対する磁気抵抗の周方向についての急激な変化を緩和するように前記開口部周方向内側チップおよび前記開口部周方向外側チップの形状が形成された緩和部を有する、
　ことを特徴とする埋込磁石式回転子。
　前記開口部周方向内側チップが前記開口部に面する第１の面と前記開口部周方向外側チップが前記開口部に面する第２の面は、互いに平行に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の埋込磁石式回転子。
　前記緩和部は、前記開口部周方向内側チップが前記開口部に面する内側チップ延長壁と前記開口部周方向外側チップが前記開口部に面する外側チップ対向壁を有し、
　前記内側チップ延長壁と前記外側チップ対向壁との中央に位置する仮想的な平面が、前記開口部の中央と前記回転軸とを含む仮想的平面に対して角度を有するように形成されている、
　ことを特徴とする請求項１に記載の埋込磁石式回転子。
　前記緩和部は、前記開口部周方向外側チップの外側チップ内壁に形成された外側チップ内面傾斜壁、または、前記開口部周方向内側チップの内側チップ内壁に形成された内側チップ内面傾斜壁を有することを特徴とする請求項１に記載の埋込磁石式回転子。
　前記緩和部は、前記開口部周方向内側チップの内側チップ外壁に形成された内側チップ外面傾斜壁、または、前記開口部周方向外側チップの外側チップ外壁に形成された外側チップ外面傾斜壁とを有することを特徴とする請求項１に記載の埋込磁石式回転子。
　複数の前記永久磁石は、それぞれの前記磁極に、周方向に並び互いに対向するように配された２つの前記永久磁石を含むことを特徴とする請求項１に記載の埋込磁石式回転子。
　請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の埋込磁石式回転子と、
　前記回転子鉄心の径方向外側を囲むように配された円筒状の固定子鉄心と、前記固定子鉄心の内周面に形成された複数の固定子スロット内を通過して前記固定子鉄心に巻回された固定子巻線を有する固定子と、
　前記ロータシャフトを支持する２つの軸受と、
　を備えることを特徴とする埋込磁石式回転電機。