特開 2024-112185 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】P2024112185

(43)【公開日】2024-08-20

(54)【発明の名称】回転電機

(51)【国際特許分類】

   H02K 1/276 20220101AFI20240813BHJP

【ＦＩ】

H02K1/276

【審査請求】未請求

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023017085

(22)【出願日】2023-02-07

(71)【出願人】

【識別番号】000003609

【氏名又は名称】株式会社豊田中央研究所

(71)【出願人】

【識別番号】000000011

【氏名又は名称】株式会社アイシン

(74)【代理人】

【識別番号】110001210

【氏名又は名称】弁理士法人ＹＫＩ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】平本 健二

(72)【発明者】

【氏名】大谷 裕子

(72)【発明者】

【氏名】浦田 信也

(72)【発明者】

【氏名】井手上 薫樹

(72)【発明者】

【氏名】津田 哲平

(72)【発明者】

【氏名】興梠 怜士

【テーマコード（参考）】

5H622

【Ｆターム（参考）】

5H622AA03

5H622CA02

5H622CA07

5H622CB03

5H622CB05

5H622PP03

(57)【要約】

【課題】ロータの空間高調波を抑制し、モータの高調波鉄損やヒス損を低減させて回転電機の効率を向上させる。
【解決手段】回転電機であって、ロータ１０４は、外周側から回転軸側に向かって第１磁石孔２０及び第２磁石孔２２の２層構造の磁石孔を備え、第１磁石孔２０に第１磁石２４が配置され、第２磁石孔２２に第１磁石２４と同じ厚さの第２磁石２６が配置されており、第１磁石２４と第２磁石２６の幅の比率が１：２．２から１：３．０の範囲である回転電機とする。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ステータと、前記ステータに対して相対的に回転するロータと、を備える回転電機であって、
前記ロータは、
外周側から回転軸側に向かって第１磁石孔及び第２磁石孔の２層構造の磁石孔を備え、
前記第１磁石孔に第１磁石が配置され、前記第２磁石孔に前記第１磁石と同じ厚さの第２磁石が配置されており、
前記第１磁石と前記第２磁石の幅の比率が１：２．２から１：３．０の範囲であることを特徴とする回転電機。

【請求項2】

請求項１に記載の回転電機であって、
前記第１磁石と前記第２磁石の幅の比率が１：２．５であることを特徴とする回転電機。

【請求項3】

請求項１又は２に記載の回転電機であって、
前記第１磁石を同じ幅をもつ２つの分割磁石で構成し、
前記第２磁石を前記分割磁石と同じ幅をもつ５つの分割磁石で構成することを特徴とする回転電機。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、回転電機に関する。

【背景技術】

【0002】

回転電機は、電車や自動車の電動機として適用されている。通常、回転電機は、円筒状のステータとこのステータの内側で回転自在に支持されるロータを備えている。

【0003】

ロータの外周に軸方向に沿って溝を設け、溝の最深部がロータの表面磁束密度分布を示す波形に含まれる基本波成分の正負符号と高調波成分の正負符号が一致する範囲に位置するように形成した構成が開示されている（特許文献１）。

【0004】

外周側に向かって開くＶ字状に配置され、永久磁石が挿入された磁石スロットが半径方向に２層構造となるように形成されたロータにおいて、中央に位置する中央ブリッジと、回転子の外面との間に位置する２個の外径ブリッジのそれぞれの外径ブリッジとの間に形成された１対のスロットで構成した回転子が開示されている（特許文献２）。ここで、各永久磁石から発生する磁束のうち、各ブリッジを磁気飽和させる磁束を除いた磁束を有効磁束としたとき、外径側の永久磁石から発生される有効磁束が内径側の永久磁石から発生する有効磁束の半分以下となるようにしている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０２１－１０６４７４号公報

【特許文献2】特許２０２２－１５７９６３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

特許文献１に係る回転電機では、ロータの外周表面に溝を設けるので、磁気抵抗が増加し、回転トルクの減少を招くという問題がある。

【0007】

特許文献２に係る回転電機では、１層目磁石の有効磁束に対し、２層目磁石の有効磁束を半分以下にしたときに、振動と騒音の原因となる高調波含有率が小さくなることが示されている。しかしながら、特定の高調波のみに着目すれば、更なる改善の余地がある。例えば、モータ鉄損のうち高調波渦損やヒステリシス損に影響を及ぼすために３次高調波はモータ効率を向上させることにおいて重要であり、３次高調波を効果的に低減させることが期待される。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明の１つの態様は、ステータと、前記ステータに対して相対的に回転するロータと、を備える回転電機であって、前記ロータは、外周側から回転軸側に向かって第１磁石孔及び第２磁石孔の２層構造の磁石孔を備え、前記第１磁石孔に第１磁石が配置され、前記第２磁石孔に前記第１磁石と同じ厚さの第２磁石が配置されており、前記第１磁石と前記第２磁石の幅の比率が１：２．２から１：３．０の範囲であることを特徴とする回転電機である。

【0009】

ここで、前記第１磁石と前記第２磁石の幅の比率が１：２．５であることが好適である。

【0010】

また、前記第１磁石を同じ幅をもつ２つの分割磁石で構成し、前記第２磁石を前記分割磁石と同じ幅をもつ５つの分割磁石で構成することが好適である。

【発明の効果】

【0011】

本発明によれば、ロータの空間高調波が抑制され、モータの高調波鉄損やヒステリシス損を低減させることで回転電機の効率を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本発明の実施の形態における回転電機の構成を示す断面図である。

【図2】本発明の実施の形態におけるロータの構成を示す部分拡大図である。

【図3】本発明の実施の形態におけるロータの磁気回路の等価回路を示す図である。

【図4】本発明の実施の形態におけるステータとロータとの間隙（ギャップ）に生ずる磁束を示す図である。

【図5】本発明の実施の形態における磁石の幅の比に対する磁束の空間３次高調波成分を示す図である。

【図6】本発明の実施の形態におけるロータの構成の別例を示す部分拡大図である。

【図7】本発明の実施の形態におけるロータの構成の別例を示す部分拡大図である。

【図8】本発明の実施の形態におけるロータの構成の別例を示す部分拡大図である。

【図9】本発明の実施の形態におけるロータの構成の別例を示す部分拡大図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

本発明の実施の形態における回転電機１００は、図１に示すように、ステータ１０２及びロータ１０４を含んで構成される。回転電機１００は、モータ、発電機及びモータ・ジェネレータとして使用することができる。

【0014】

ステータ１０２とロータ１０４は回転軸１０６上において同軸に配置される。ステータ１０２に回転磁場を発生させることで、ロータ１０４に回転トルクを生じさせて回転軸１０６を回転中心としてロータ１０４を回転させる。

【0015】

ステータ１０２は、中空の円筒形状をしている。ステータ１０２は、複数の電磁鋼板を回転軸方向に沿って積層して形成されている。ステータ１０２は、周方向にスロット１０とティース１２が複数交互に配置された構造を有する。スロット１０には、コイルが巻回されている。ティース１２は、ロータ１０４の外周と対向し、ロータ１０４からの磁束を受ける面として作用する。スロット１０とティース１２の外周には、バックヨーク１４が配置されている。バックヨーク１４は、各ティース１２の間の磁束を結合するための鉄心であり、磁気回路を構成するものである。

【0016】

ロータ１０４は、円筒形状をしている。ロータ１０４は、中空円筒形状のステータ１０２の内部において回転軸を中心に回転可能に配置される。ロータ１０４は、その外周面がステータ１０２の内周面と隙間を空けて配置される。ロータ１０４は、複数の電磁鋼板を回転軸方向に沿って積層して構成されている。

【0017】

ロータ１０４は、第１磁石孔２０及び第２磁石孔２２を備える。本実施の形態における回転電機１００では、ロータ１０４の外周側から回転軸側に向かって第１磁石孔２０及び第２磁石孔２２が２層構造で設けられている。第１磁石孔２０及び第２磁石孔２２は、ロータ１０４を構成する電磁鋼板よりも透磁率が低い領域であり、例えば、ロータ１０４の内部に設けられた空間で構成される。

【0018】

第１磁石孔２０及び第２磁石孔２２の内部には、それぞれ第１磁石２４及び第２磁石２６が配置される。第１磁石孔２０及び第２磁石孔２２によって、第１磁石２４及び第２磁石２６から出る磁束がロータ１０４の側面から漏れることが抑制され、ロータ１０４の外周面上の磁束密度を高めることができる。

【0019】

第１磁石孔２０及び第２磁石孔２２に埋め込まれた第１磁石２４及び第２磁石２６は、ロータ１０４における磁極を構成する。第１磁石２４及び第２磁石２６は、各磁極において磁束の方向がロータ１０４の径方向を向くように配置される。すなわち、各磁極における磁束中心はｄ軸と一致する。第１磁石２４及び第２磁石２６は、周方向に隣り合う磁極の磁化方向が反対になるように配置され、磁極対をなすＳ磁極とＮ磁極が周方向に沿って交互に形成される。ロータ１０４において、Ｓ磁極とＮ磁極の中央がｑ軸と一致する。

【0020】

第１磁石孔２０及び第２磁石孔２２は、ｄ軸を中心としてロータ１０４の周方向に沿って延設され、その両側の先端部がロータ１０４の外周面に向かうように湾曲した形状を有することが好適である。また、第１磁石孔２０及び第２磁石孔２２の両端の先端領域にはブリッジ２８が形成される。ブリッジ２８は、第１磁石孔２０及び第２磁石孔２２の両端側において、第１磁石孔２０及び第２磁石孔２２の先端部とロータ１０４の外面とを繋ぐ狭小な鉄心部分である。

【0021】

図２は、本実施の形態におけるロータ１０４の構成を示す部分拡大図である。図２では、ロータ１０４において電気角０ｄｅｇ．から１８０ｄｅｇ．までの範囲を部分的に拡大して示している。

【0022】

ここで、第１磁石２４の磁石幅をＷｍｇａ、磁気抵抗をＲｍｇａ、起磁力をＦｍｇａとする。第２磁石２６の磁石幅をＷｍｇｂ、磁気抵抗をＲｍｇｂ、起磁力をＦｍｇｂとする。なお、第１磁石２４の幅Ｗｍｇａと第２磁石２６の幅Ｗｍｇｂは、ロータ１０４の周方向に沿った幅である。

【0023】

また、１層目である第１磁石孔２０のロータ１０４側の外周の幅をＷｒｇａとする。１層目である第１磁石孔２０と２層目である第２磁石孔２２のロータ１０４の外周の幅をそれぞれＷｒｇｂ１，Ｗｒｇｂ２とする。２層目である第２磁石孔２２のロータ１０４の外周の幅をＷｒｇｃとする。ロータ１０４の外周に沿った幅Ｗｒｇａの領域におけるステータ１０２とロータ１０４の間の間隙の磁気抵抗をＲｒｇａとし、当該間隙を通過する磁束をφｒｇａとする。ロータ１０４の外周に沿った幅Ｗｒｇｂ１，Ｗｒｇｂ２におけるステータ１０２とロータ１０４の間の間隙の磁気抵抗をそれぞれＲｒｇｂ１，Ｒｒｇｂ２とし、当該間隙を通過する磁束をφｒｇｂ１，φｒｇｂ２とする。

【0024】

図３は、当該構成を有するロータ１０４の磁気回路の等価回路を示す。図３の磁気回路より、ステータ１０２とロータ１０４の間隙を通過する磁束φｒｇａ，φｒｇｂ１，φｒｇｂ２を計算し、それぞれ幅Ｗｒｇａ，Ｗｒｇｂ１，Ｗｒｇｂ２で除算することで各間隙の磁束密度Ｂｒｇａ，Ｂｒｇｂ１，Ｂｒｇｂ２を求めることができる。その結果を用いて、図４に示すように、ギャップ磁束密度分布を求め、当該ギャップ磁束密度分布を次数分解することで空間高調波振幅が求まる。

【0025】

図５は、ロータ１０４の径方向に沿った第１磁石２４及び第２磁石２６の厚さＴが同一であり、間隙の幅Ｗｒｇａと第１磁石２４の幅Ｗｍｇａとの比Ｗｒｇａ／Ｗｍｇａ＝１．２５、間隙の幅Ｗｒｇｃ＝２５ｄｅｇ．において、第１磁石２４の幅Ｗｍｇａと第２磁石２６の幅Ｗｍｇｂの比Ｗｍｇｂ／Ｗｍｇａに対する空間３次高調波振幅を示す。

【0026】

図５より、空間３次高調波は第１磁石２４の幅Ｗｍｇａと第２磁石２６の幅Ｗｍｇｂの比Ｗｍｇｂ／Ｗｍｇａが２．５のとき最小値を示し、破線で示すように２．２から３．０の範囲において顕著に抑制される。すなわち、空間３次高調波を低減するためには、第１磁石２４と第２磁石２６の幅の比率は１：２．２から１：３．０の範囲とすることが好適である。さらに、第１磁石２４と第２磁石２６の幅の比率は１：２．５とすることが最適である。

【0027】

なお、第１磁石２４と第２磁石２６の幅の比率を１：２．２～１：３．０にする構成であれば、第１磁石２４及び第２磁石２６の配置は変更してもよい。

【0028】

例えば、第１磁石２４又は第２磁石２６を複数の磁石に分割した構成としてもよい。具体例として、図６に示すように、第２磁石２６を２つに分割して第２磁石孔２２に配置する構成としてもよい。

【0029】

また、例えば、第１磁石２４又は第２磁石２６を同じ幅及び厚さを有する複数個に分割した磁石で構成するようにしてもよい。具体例として、図７に示すように、第１磁石孔２０に配置する第１磁石２４を同じ幅及び厚さをもつ２つの分割磁石で構成し、第２磁石孔２２に配置する第２磁石２６を第１磁石２４と同じ幅及び厚さをもつ５つの分割磁石で構成する。すなわち、１極分の第１磁石２４及び第２磁石２６を７等分の分割磁石で構成する。なお、第１磁石孔２０及び第２磁石孔２２への分割磁石の配置は、特に限定されるものではなく、図８に示すような配置としてもよい。

【0030】

このように、第１磁石２４及び第２磁石２６を構成するすべての分割磁石の形状及び大きさを同じにすることで、磁石の製造コストを低減でき、これに伴って回転電機１００の製造コストも抑制できる。

【0031】

また、例えば、第１磁石孔２０及び第２磁石孔２２の形状を変更してもよい。具体例として、図９に示すように、第１磁石孔２０及び第２磁石孔２２を断面が円弧形状である形状としてもよい。この場合、第１磁石２４及び第２磁石２６の形状は、それぞれ第１磁石孔２０及び第２磁石孔２２の形状に合わせて円弧形状とすることが好適である。この場合も、第１磁石２４と第２磁石２６の幅の比率を１：２．５にすることが好適である。

【0032】

なお、本発明は上述した実施形態およびその変形例に限定されるものではなく、本願の特許請求の範囲に記載された事項の範囲内において種々の変更や改良が可能であることは勿論である。

【0033】

［発明の構成］
［構成１］
ステータと、前記ステータに対して相対的に回転するロータと、を備える回転電機であって、
前記ロータは、
外周側から回転軸側に向かって第１磁石孔及び第２磁石孔の２層構造の磁石孔を備え、
前記第１磁石孔に第１磁石が配置され、前記第２磁石孔に前記第１磁石と同じ厚さの第２磁石が配置されており、
前記第１磁石と前記第２磁石の幅の比率が１：２．２から１：３．０の範囲であることを特徴とする回転電機。
［構成２］
構成１に記載の回転電機であって、
前記第１磁石と前記第２磁石の幅の比率が１：２．５であることを特徴とする回転電機。
［構成３］
構成１又は２に記載の回転電機であって、
前記第１磁石を同じ幅をもつ２つの分割磁石で構成し、
前記第２磁石を前記分割磁石と同じ幅をもつ５つの分割磁石で構成することを特徴とする回転電機。

【符号の説明】

【0034】

１０ スロット、１２ ティース、１４ バックヨーク、２８ ブリッジ、１００ 回転電機、１０２ ステータ、１０４ ロータ、１０６ 回転軸。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】