特開 2023-139933 永久磁石式回転子および永久磁石式回転電機

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023139933

(43)【公開日】2023-10-04

(54)【発明の名称】永久磁石式回転子および永久磁石式回転電機

(51)【国際特許分類】

   H02K 1/276 20220101AFI20230927BHJP

   H02K 1/278 20220101ALI20230927BHJP

   H02K 1/06 20060101ALI20230927BHJP

   H02K 1/22 20060101ALI20230927BHJP

【ＦＩ】

H02K1/276

H02K1/278

H02K1/06 A

H02K1/22 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022045717

(22)【出願日】2022-03-22

(71)【出願人】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(71)【出願人】

【識別番号】598076591

【氏名又は名称】東芝インフラシステムズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001092

【氏名又は名称】弁理士法人サクラ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】内山 恭輔

(72)【発明者】

【氏名】佐々木 直哉

(72)【発明者】

【氏名】山岸 大介

【テーマコード（参考）】

5H601

5H622

【Ｆターム（参考）】

5H601AA22

5H601AA24

5H601CC15

5H601DD01

5H601DD11

5H601DD25

5H601EE39

5H601FF04

5H601GA02

5H601GA24

5H601GA25

5H601GA39

5H622AA02

5H622AA03

5H622CA02

5H622CA05

5H622CA10

5H622CA14

5H622CB03

5H622CB05

(57)【要約】

【課題】永久磁石式回転子の有効なｑ軸補助溝の形成を可能とする。
【解決手段】実施形態によれば、永久磁石式回転子１００は、ロータシャフトと、各ｑ軸に関し互いに対称なＶ字に２つの永久磁石収納孔１２２が形成された回転子鉄心１２０と、永久磁石収納孔１２２に収納された永久磁石１３０を具備する。回転子鉄心１２０には、ｑ軸を中心とした対称形となるように回転子鉄心１２０の外周面の外接円に対して径方向内側にオフセットしたｑ軸補助溝１２１が形成されている。ｑ軸補助溝１２１に対向する補助溝対向壁１２２ａはｑ軸補助溝１２１に沿った曲面状である。補補助溝対向壁１２２ａのｑ軸に垂直な方向に対する軸ラベル角度は所定の角度範囲内にあり、外接円とｑ軸補助溝１２１に挟まれたｑ軸補助溝１２１の面積のｄ軸間のギャップ空間面積に対して所定の面積割合の範囲内にある。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

軸方向に延びたロータシャフトと、
前記ロータシャフトの径方向外側に取り付けられ、前記ロータシャフトの回転軸の垂直断面においてそれぞれのｑ軸に関し互いに対称にＶ字配置された２つの永久磁石収納孔が形成された回転子鉄心と、
それぞれの前記永久磁石収納孔に収納された永久磁石と、
を具備する永久磁石式回転子であって、
前記回転子鉄心には、前記垂直断面において、前記ｑ軸を中心とした対称形となるように当該回転子鉄心の外周面の外接円に対して径方向内側にオフセットしたｑ軸補助溝が形成されており、
それぞれの前記永久磁石収納孔の前記ｑ軸補助溝に対向する補助溝対向壁は前記ｑ軸補助溝に沿った曲面状であり、前記垂直断面において、前記補補助溝対向壁の前記ｑ軸に垂直な方向に対する軸ラベル角度は、所定の角度範囲内にあり、
前記垂直断面において、前記外接円と前記ｑ軸補助溝に挟まれた部分の面積は、互いに隣接するｄ軸に挟まれたギャップ空間の断面積に対して所定の面積割合の範囲内にある、
ことを特徴とする永久磁石式回転子。

【請求項2】

前記垂直断面において、前記ｑ軸補助溝は、前記ｑ軸方向の軸および前記ｑ軸に垂直な方向の軸を有する楕円の一部であるように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の永久磁石式回転子。

【請求項3】

前記所定の角度範囲は、０度以上かつ２３度以下であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の永久磁石式回転子。

【請求項4】

前記所定の面積割合の範囲は、５％以上かつ４５％以下であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の永久磁石式回転子。

【請求項5】

請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の永久磁石式回転子と、
前記ギャップ空間を介して前記永久磁石式回転子の径方向外側に配された固定子鉄心と、前記固定子鉄心内を貫通する固定子巻線と、を有する固定子と、
を備えることを特徴とする永久磁石式回転電機。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、永久磁石式回転子および永久磁石式回転電機に関する。

【背景技術】

【0002】

同期機のうち、永久磁石式回転電機は、巻線形回転電機のような界磁調整の機能を有しない一方、界磁巻線や巻線への直流電力の供給回路が不要であり構造が比較的単純であるというメリットがある。

【0003】

永久磁石式回転電機は、たとえば、電動機の場合、永久磁石が回転子鉄心に埋め込まれた埋込磁石構造の同期電動機（ＩＰＭＳＭ）と、永久磁石が回転子鉄心の外周面に配された表面磁石構造の同期電動機（ＳＰＭＳＭ）がある。

【0004】

ＩＰＭＳＭは、エアギャップ磁束密度に高調波を多く含み、ＳＰＭＳＭと比べて、トルク脈動やコギングトルクが大きくなる傾向がある。

【0005】

このトルク脈動は、たとえば、回転子鉄心の外周のｑ軸磁路付近に補助溝を設けることにより、低減効果が得られることが知られている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２０１７－０２８８０７号公報

【特許文献2】特許第６５０７９５６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

回転子鉄心の外周のｑ軸磁路付近に補助溝を設ける方法を用いる場合、トルク脈動の効果を確保するために補助溝を深く設定すると、トップブリッジを侵食し構造強度上、成立しなくなり、有効な補助溝の形成が難しいという問題があった。

【0008】

本発明の目的は、有効なｑ軸補助溝の形成を可能とする永久磁石式回転子および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】

【0009】

上述の目的を達成するため、本発明の実施形態に係る永久磁石式回転子は、軸方向に延びたロータシャフトと、前記ロータシャフトの径方向外側に取り付けられ、前記ロータシャフトの回転軸の垂直断面においてそれぞれのｑ軸に関し互いに対称にＶ字配置された２つの永久磁石収納孔が形成された回転子鉄心と、それぞれの前記永久磁石収納孔に収納された永久磁石と、を具備する永久磁石式回転子であって、前記回転子鉄心には、前記垂直断面において、前記ｑ軸を中心とした対称形となるように当該回転子鉄心の外周面の外接円に対して径方向内側にオフセットしたｑ軸補助溝が形成されており、それぞれの前記永久磁石収納孔の前記ｑ軸補助溝に対向する補助溝対向壁は前記ｑ軸補助溝に沿った曲面状であり、前記垂直断面において、前記補補助溝対向壁の前記ｑ軸に垂直な方向に対する軸ラベル角度は、所定の角度範囲内にあり、前記垂直断面において、前記外接円と前記ｑ軸補助溝に挟まれた部分の面積は、互いに隣接するｄ軸に挟まれたギャップ空間の断面積に対して所定の面積割合の範囲内にある、ことを特徴とする。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】実施形態に係る永久磁石式回転電機の構成を示す断面図である。

【図2】実施形態に係る永久磁石式回転子に形成されたｑ軸補助溝と永久磁石収納孔との関係並びにｑ軸補助溝面積割合および軸ラベル角度を説明する永久磁石式回転子の部分断面図である。

【図3】永久磁石式回転子にｑ軸補助溝を設けない場合を説明する永久磁石式回転子の部分断面図である。

【図4】実施形態に係る永久磁石式回転子に形成されたｑ軸補助溝および永久磁石収納孔の第１の例を示す永久磁石式回転子の部分断面図である。

【図5】実施形態に係る永久磁石式回転子に形成されたｑ軸補助溝および永久磁石収納孔の第２の例を示す永久磁石式回転子の部分断面図である。

【図6】実施形態に係る永久磁石式回転子に形成されたｑ軸補助溝および永久磁石収納孔の第３の例を示す永久磁石式回転子の部分断面図である。

【図7】実施形態に係る永久磁石式回転子の平均トルク減少率およびリップル率の減少率のｑ軸補助溝面積割合への依存性を示すグラフである。

【図8】実施形態に係る永久磁石式回転子の平均トルク減少率およびリップル率の減少率の軸ラベル角度への依存性を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る永久磁石式回転子および永久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。

【0012】

図１は、実施形態に係る永久磁石式回転電機１の構成を示す断面図である。

【0013】

永久磁石式回転電機１は、永久磁石式回転子１００、および固定子ティース１１ａが形成された固定子鉄心１１を有する固定子１０を備える。

【0014】

永久磁石式回転子１００は、回転軸方向（軸方向）に延びたロータシャフト１１０、ロータシャフト１１０の径方向外側に取り付けられた円筒状の回転子鉄心１２０、および回転子鉄心１２０に収納され軸方向に延びた板状の永久磁石１３０を有する。すなわち、図１は、ロータシャフト１１の回転軸に垂直な断面（以下、「垂直断面」）を示す。

【0015】

回転子鉄心１２０には、それぞれの磁極間のｑ軸の近傍に、永久磁石１３０を収納するための、軸方向に延びた２つの永久磁石収納孔１２２が形成されている。２つの永久磁石収納孔１２２は、径方向内側に向けて凸のＶ字配置となるように形成されている。また、２つの永久磁石収納孔１２２は、垂直断面において、ｑ軸に関して互いに対称となるように形成されている。

【0016】

回転子鉄心１２０には、垂直断面において、ｑ軸ごとに、当該ｑ軸を中心とした対称形となるように当該回転子鉄心１２０の外周面の外接円Ｃｓ（図２）に対して径方向内側にオフセットしたｑ軸補助溝１２１が形成されている。

【0017】

図２は、実施形態に係る永久磁石式回転子１００に形成されたｑ軸補助溝１２１と永久磁石収納孔１２２との関係並びにｑ軸補助溝面積割合Ｓおよび軸ラベル角度Θを説明する永久磁石式回転子１００の部分断面図である。なお、固定子鉄心１１については、固定子ティース１１ａの図示は省略し、固定子鉄心１１の内接円Ｃｏを示している。

【0018】

回転子鉄心１２０の外周面に形成されたｑ軸補助溝１２１は、垂直断面においては、ｑ軸に沿った軸およびｑ軸に垂直な方向の軸を有する楕円Ｃｅの一部であるように形成されている。ただし、ｑ軸補助溝１２１の形状は、これに限定されず、寸法、形状が図面等で指定できれば、他の形状であってもよい。ｑ軸補助溝１２１は、同一の形状で軸方向に延びている。

【0019】

ここで、垂直断面において、１つのｑ軸補助溝１２１と回転子鉄心１２０の外接円Ｃｓとに挟まれた領域の面積をｑ軸補助溝面積Ａで表す。また、ｑ軸に隣接する両側のｄ軸間であって、回転子鉄心１２０の外接円Ｃｓと固定子鉄心１１の内接円Ｃｏに挟まれた領域の面積をギャップ面積Ｇで表す。さらに、ｑ軸補助溝面積Ａのギャップ面積Ｇに対する割合、すなわちＡ／Ｇ（％）をｑ軸補助溝面積割合Ｓ（％）というものとする。

【0020】

次に、永久磁石収納孔１２２について説明する。永久磁石収納孔１２２は、図２に示すように、軸方向に延びた５つの壁で形成されている。

【0021】

補助溝対向壁１２２ａは曲面状であり、補助溝対向壁１２２ａとｑ軸補助溝１２１により形成されるトップブリッジ１２３の厚みが周方向に沿ってほぼ均一となるように、ｑ軸補助溝１２１の形状に沿った形に形成されている。この結果、構造強度上好ましいトップブリッジ１２３の厚さを確保することができる。

【0022】

補助溝対向壁１２２ａに隣接するｑ軸に近い側のｑ軸平行壁１２２ｂは、垂直断面においてｑ軸に平行に形成されている。

【0023】

平板状の永久磁石１３０の形状に対応して、補助溝対向壁１２２ａに隣接するｑ軸から遠い径方向外側壁１２２ｃと、ｑ軸平行壁１２２ｂに隣接する径方向内側壁１２２ｄは、互いに対向するように形成されている。

【0024】

径方向外側壁１２２ｃと径方向内側壁１２２ｄの両者に隣接するｄ軸平行壁１２２ｅは、ｄ軸に平行に形成されている。なお、これに限定せず、平行な場合でなくともよい。

【0025】

ここで、垂直断面において、補助溝対向壁１２２ａの両端Ｐ１およびＰ２を結ぶ直線Ｌｃと、ｑ軸に垂直な直線Ｌｖとがなす角度を、軸ラベル角度Θ〔ｍｄｅｇ〕で表す。ここで「ｍｄｅｇ」は機械的な角度であり電気角ではないことを意味する。軸ラベル角度Θは、ｑ軸から離れるに従って直線Ｌｃが径方向の外側に向かう場合の角度を正とする。

【0026】

図３は、永久磁石式回転子にｑ軸補助溝を設けない場合を説明する永久磁石式回転子１００の部分断面図である。図３は、ｑ軸補助溝を設けない場合の、ｑ軸補助溝面積割合Ｓおよび軸ラベル角度Θがどのようになるかを参考として示すものである。

【0027】

ｑ軸補助溝を設けない場合には、回転子鉄心１２０の外周と外周円とは一致するので、ｑ軸補助溝面積Ａ_０およびｑ軸補助溝面積割合Ｓ_０はゼロである。また、回転子鉄心１２０の外周にほぼ平行な補助溝対向壁１２２ａに相当する壁についての直線Ｌｃは、当該壁がｑ軸から離れるほど径方向の内側に向かうので、軸ラベル角度Θ_０は負の値となる。

【0028】

図４は、実施形態に係る永久磁石式回転子に形成されたｑ軸補助溝および永久磁石収納孔の第１の例を示す永久磁石式回転子の部分断面図である。この第１の例では、ｑ軸補助溝１２１は、垂直断面において、ｑ軸に垂直な方向に形成されている。すなわち、ｑ軸補助溝１２１は、周方向に広がり、軸方向に延びた平面状である。

【0029】

この場合は、永久磁石収納孔１２２の補助溝対向壁１２２ａも、周方向に広がり、軸方向に延びた平面状となる。

【0030】

したがって、ｑ軸補助溝面積Ａ_１およびｑ軸補助溝面積割合Ｓ_１は正の値となる。一方、垂直断面において、補助溝対向壁１２２ａについての直線Ｌｃはｑ軸に垂直な直線Ｌｖと平行となるため、軸ラベル角度Θ_１はゼロとなる。

【0031】

図５は、実施形態に係る永久磁石式回転子に形成されたｑ軸補助溝１２１および永久磁石収納孔１２２の第２の例を示す永久磁石式回転子の断面図である。この第２の例では、ｑ軸補助溝１２１がさらに径方向内側にまで形成されている場合を示している。

【0032】

この場合は、ｑ軸補助溝面積Ａ_２およびｑ軸補助溝面積割合Ｓ_２、並びに、軸ラベル角度Θ_２は正の値となる。

【0033】

図６は、実施形態に係る永久磁石式回転子に形成されたｑ軸補助溝１２１および永久磁石収納孔１２２の第３の例を示す永久磁石式回転子の部分断面図である。この第３の例では、第２の例よりも、ｑ軸補助溝１２１がさらに径方向内側にまで形成されている場合を示している。

【0034】

この場合は、図６に示すように、ｑ軸平行壁１２２ｂが形成されない場合もあるが、補助溝対向壁１２２ａについての直線Ｌｃが引けることから、前述の例２までと同様に、ｑ軸補助溝面積Ａ_３およびｑ軸補助溝面積割合Ｓ_３、並びに、軸ラベル角度Θ_３が定義され、その値は、第２の例よりさらに大きな値となる。

【0035】

次に、本実施形態の効果について説明する。

【0036】

図７は、実施形態に係る永久磁石式回転子の平均トルク減少率およびリップル率の減少率のｑ軸補助溝面積割合への依存性を示すグラフである。また、図８は、実施形態に係る永久磁石式回転子の平均トルク減少率およびリップル率の減少率の軸ラベル角度への依存性を示すグラフである。

【0037】

図７の横軸はｑ軸補助溝面積割合Ｓ〔％〕、図８の横軸は軸ラベル角度Θ〔ｍｄｅｇ〕である。図７および図８の縦軸は、平均トルク減少率〔％〕およびリップル率の減少率〔％〕である。

【0038】

図７および図８では、摘出された８つのケースのｑ軸補助溝１２１および永久磁石収納孔１２２の組み合わせのそれぞれについて、ｑ軸補助溝面積割合Ｓ〔％〕および軸ラベル角度Θ〔ｍｄｅｇ〕を算出し、その結果としての平均トルク減少率〔％〕およびリップル率の減少率〔％〕を示したものである。

【0039】

なお、平均トルクは、トルクの時間平均の値である。また、リプル率は、最大値から最小値を減じた値を単純平均で除した値を用いている。平均トルク減少率およびリプル率の減少率は、ｑ軸補助溝１２１を設けない場合を基準とした値である。

【0040】

ｑ軸補助溝１２１の深さを増大させると、永久磁石式回転電機１のトルクは低下し、永久磁石式回転電機１としては好ましくない方向に移行する。一方、ｑ軸補助溝１２１の深さを増大させると、リプル率は減少し、永久磁石式回転電機１としては好ましい方向に移行する。ｑ軸補助溝１２１の深さを増大させることによって、ｑ軸補助溝面積割合Ｓおよび軸ラベル角度Θが増大することから、これまで説明したように、これらをパラメータとして選定している。

【0041】

この摘出されたケースは、リプル率の減少率と平均トルクの減少率という互いに利益が相反する指標に関しての最適化のパレート解から摘出したケースに、さらにｑ軸補助溝の深さについて変形したケースを加えたものである。

【0042】

図７では、ｑ軸補助溝面積割合Ｓの増加に対して、平均トルク減少率はそれほど大きくないこと、およびリプル率の低減については、所定のｑ軸補助溝面積割合Ｓの範囲では大きく低減する効果があるが、ある値以上では効果にそれ以上の変化がないことを示している。

【0043】

ここで、リプル率の低減について効果が大きい所定のｑ軸補助溝面積割合Ｓの範囲は、図７から、５％ないし４５％、すなわち、５％以上かつ４５％以下の範囲である。

【0044】

図８では、軸ラベル角度Θの増加に対して、平均トルク減少率はそれほど大きくないこと、およびリプル率の低減については、所定の軸ラベル角度Θの範囲では大きく低減する効果があるが、ある値以上では効果にそれ以上の変化がないことを示している。

【0045】

ここで、リプル率の低減について効果が大きい所定の軸ラベル角度Θの範囲は、図８から、０度ないし２３度、すなわち、０度以上かつ２３度以下の範囲である。

【0046】

以上のように、本実施形態によれば、ｑ軸補助溝１２１の形成に際して、所定のｑ軸補助溝面積割合Ｓおよび軸ラベル角度Θの範囲で永久磁石収納孔１２２を形成することにより、トップブリッジ１２３を侵食することなく、かつ、平均トルクの減少を抑制しながらリプル率を大幅に低減することができる。

【0047】

［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。

【符号の説明】

【0048】

１…永久磁石式回転電機、１０…固定子、１１…固定子鉄心、１１ａ…固定子ティース、１２…固定子内側包絡面、１００…永久磁石式回転子、１１０…ロータシャフト、１２０…回転子鉄心、１２１…ｑ軸補助溝、１２２…永久磁石収納孔、１２２ａ…補助溝対向壁、１２２ｂ…ｑ軸平行壁、１２２ｃ…径方向外側壁、１２２ｄ…径方向内側壁、１２２ｅ…ｄ軸平行壁、１２３…トップブリッジ、１３０…永久磁石

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】