特開 2024-85309 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】P2024085309

(43)【公開日】2024-06-26

(54)【発明の名称】回転電機

(51)【国際特許分類】

   H02K 21/14 20060101AFI20240619BHJP

   H02K 1/276 20220101ALI20240619BHJP

【ＦＩ】

H02K21/14 M

H02K1/276

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022199775

(22)【出願日】2022-12-14

(71)【出願人】

【識別番号】000003997

【氏名又は名称】日産自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002468

【氏名又は名称】弁理士法人後藤特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】尾崎 高一郎

【テーマコード（参考）】

5H621

5H622

【Ｆターム（参考）】

5H621AA03

5H621BB07

5H621PP10

5H622AA03

5H622CA02

5H622CA07

5H622CA10

5H622PP10

(57)【要約】

【課題】回転電機の効率を向上させることを目的とする。
【解決手段】磁石挿入孔２２内に永久磁石２５を有するロータ２０と、ステータ１０とを備える回転電機１であって、ロータ２０は、永久磁石２５よりも内径側に磁束の通過を抑制するフラックスバリア２３１ｂを備え、フラックスバリア２３１ｂ内には、フラックスバリア２３１ｂの内壁２３１１に近接することで永久磁石２５の磁束を短絡させる磁束短絡部材１００と、ロータ２０の回転速度が大きいほど、磁束短絡部材１００を内壁へと近接させる可動機構１０１と、を備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

磁石挿入孔内に永久磁石を有するロータと、ステータとを備える回転電機であって、
前記ロータは、前記永久磁石よりも内径側に、磁束の通過を抑制するフラックスバリアを備え、
前記フラックスバリア内には、前記フラックスバリアの内壁に近接することで前記永久磁石の磁束を短絡させる磁束短絡部材と、前記ロータの回転速度が大きいほど、前記磁束短絡部材を前記内壁へと近接させる可動機構と、を備える、
回転電機。

【請求項2】

請求項１に記載の回転電機であって、
前記可動機構は、前記磁束短絡部材を内径側に付勢する付勢部材を備え、
前記磁束短絡部材は、前記ロータの回転による遠心力により外径側に移動可能に構成される、
回転電機。

【請求項3】

請求項２に記載の回転電機であって、
前記付勢部材は、バネにより構成される、
回転電機。

【請求項4】

請求項１に記載の回転電機であって、
前記磁束短絡部材は、前記内壁に対向する箇所に緩衝部材を備える、
回転電機。

【請求項5】

請求項１に記載の回転電機であって、
前記磁石挿入孔は、前記フラックスバリアに連通する連通部を有し、
前記磁束短絡部材は、前記連通部を通じて前記永久磁石に対向する凸部を有し、前記凸部は、前記永久磁石との衝突を防止する緩衝部材を備える、
回転電機。

【請求項6】

請求項４又は５に記載の回転電機であって、
前記緩衝部材は、非磁性体により構成される、
回転電機。

【請求項7】

請求項１に記載の回転電機であって、
前記永久磁石は矩形形状を有し、前記ロータにおけるｑ軸上で、その長手方向が径方向となるように配置される、
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】

ロータに永久磁石を有する回転電機では、回転速度の増加に伴ってステータコイルに誘起電圧が発生する。誘導電圧は回転速度が高くなるに従って増加するので、高速回転時にはステータコイルに弱め界磁電流を流して誘導電圧を抑制することが一般的に行われている。しかしながら、弱め界磁電流を流すことによりステータの銅損が増加するので、回転電機の効率が低下するという問題があった。特許文献１には、ロータの軸方向端面に磁束可変機構を備え、磁束可変機構を軸方向から永久磁石に近づけることで、ステータコイルに向かう磁束を低減させて、誘起電圧が過大になることを防止する回転電機が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１９－９７３５９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１に記載のものでは、磁束可変機構をロータの軸方向端面から軸方向に永久磁石に近づける構成であるので、永久磁石の軸方向端部付近しか磁束を低減することができない。さらに、ロータの軸方向端面に磁束可変機構を設けることにより、ロータの軸方向の大きさが増加するという問題があった。

【0005】

本発明はこのような課題に鑑みてなされたもので、ロータの大きさが増加することなく高回転時の誘起電圧を抑制して、回転電機の効率を向上させることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明のある態様は、磁石挿入孔内に永久磁石を有するロータと、ステータとを備える回転電機に適用される。ロータは、永久磁石よりも内径側に、磁束の通過を抑制するフラックスバリアを備える。フラックスバリア内には、フラックスバリアの内壁に近接することで永久磁石の磁束を短絡させる磁束短絡部材と、ロータの回転速度が大きいほど、磁束短絡部材を内壁へと近接させる可動機構と、を備える。

【発明の効果】

【0007】

本発明によれば、ロータのフラックスバリア内に磁束短絡部材を備え、ロータの回転速度が大きいほど可動機構によって磁束短絡部材をフラックスバリアの内壁に近接させることで、永久磁石から生じる磁束を短絡させる。これにより、ロータの回転速度が大きいほどステータへの鎖交磁束を減少させて誘起電圧を抑制できるので、回転電機の効率を向上させることが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】回転電機の要部を示す図である。

【図2】中回転速度の磁束短絡部材の状態を示す図である。

【図3】高回転速度の磁束短絡部材の状態を示す図である。

【図4】本実施形態の変形例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。

【0010】

図１は本実施形態の回転電機１の説明図であり、回転軸方向から見た場合の回転電機１の要部の断面図を示す。

【0011】

回転電機１は、円環形状のステータ１０と、ステータ１０と同心円上でステータ１０との間にギャップを介して配置され円筒形状のロータ２０と備える。回転電機１は、インナーロータ構造の回転電機として構成される。

【0012】

本実施形態の回転電機１は、電動自動車やハイブリッド自動車に搭載され、車輪を駆動する電動モータとして機能する。また、回転電機１は、車輪の回転による駆動力を受けて発電（回生）を行なう発電機としても機能する。なお、回転電機１は、自動車以外の装置、例えば各種電気機器又は産業機械の駆動源として用いられてもよい。

【0013】

ステータ１０は、リング状の電磁鋼板が積層されて構成されるステータコア１１を備える。ステータコア１１は、ステータコア１１から内径側に向けて突出する複数のティース１２と、隣接するティース１２間の空間であるスロット１３とを有する。ティース１２には、図示しない巻線が巻回される。

【0014】

ロータ２０は、円板状の電磁鋼板が積層されて構成されるロータコア２１と複数の永久磁石２５とを備える。ロータコア２１には矩形形状の複数の磁石挿入孔２２が回転軸方向に貫通して形成されており、磁石挿入孔２２には矩形形状の永久磁石２５が埋め込まれる。ロータ２０の軸中心部分には回転軸２９が固定される。

【0015】

ロータコア２１の磁石挿入孔２２のうち、第１磁石挿入孔２２１が、ｑ軸上に沿って長手方向が径方向となるように配置される。第１磁石挿入孔２２１には、第１永久磁石２５１が挿入される。

【0016】

ロータコア２１は、さらに、第２磁石挿入孔２２２と第３磁石挿入孔２２３とがｄ軸を中心とした位置に横向きに配置される。これら第２磁石挿入孔２２２及び第３磁石挿入孔２２３には、それぞれ、第２永久磁石２５２及び第３永久磁石２５３が挿入される。

【0017】

このように、ロータ２０に複数の永久磁石（第１永久磁石２５１～第３永久磁石２５３）が挿入されることで、一つの磁極が構成される。図１は、ロータ２０が有する複数の磁極のうち一つのみを示すが、ロータ２０には、このように構成された磁極が周方向に渡って所定の間隔で複数配置される。

【0018】

第１磁石挿入孔２２１には、その長手方向の端部に連通するフラックスバリア２３１ａ、２３１ｂが形成される。フラックスバリア２３１ａは、第１磁石挿入孔２２１の径方向における外側（外径側）に配置される。フラックスバリア２３１ｂは、第１磁石挿入孔２２１の径方向における内側（内径側）に配置される。

【0019】

フラックスバリア２３１ａ、２３１ｂは、ロータコア２１の回転軸方向に貫通して形成される空孔として構成され、空孔に存在する空気が磁束を妨げる。これにより、第１永久磁石２５１の磁束が第１永久磁石２５１の長手方向の端部付近で短絡することが抑制されて、磁束がよりステータ１０側に向かうように構成される。特に、第１磁石挿入孔２２１よりも内径側に配置されるフラックスバリア２３１ｂは、複数の永久磁石２５で構成される磁極全体の磁束がロータ２０の内径側へと流れることを抑制してステータ１０側に流れるように、他のフラックスバリアと比較して大きな断面積となるように構成されている。

【0020】

第１磁石挿入孔２２１の内径側の端部では、第１永久磁石２５１を係止してフラックスバリア２３１ｂ側に移動しないように位置決めする係止部２２１ａを有する。係止部２２１ａは、第１磁石挿入孔２２１の短手方向幅が小さくなるように第１磁石挿入孔２２１の両側から突出形成される。第１磁石挿入孔２２１とフラックスバリア２３１ｂとは、向かい合う係止部２２１ａ、２２１ａに挟まれた間隙部分である連通部２２１ｂを通じて連通する。

【0021】

なお、フラックスバリア２３１ｂの周方向の両側には、同様の型状のフラックスバリア２３２、２３３が隣接して配置される。フラックスバリア２３１ｂと、フラックスバリア２３２、２３３とは、磁束の通過を最小限とし、かつ機械強度を十分に保つように形成された壁部２３２ａ、２３３ａを介して隣接する。

【0022】

第２磁石挿入孔２２２及び第３磁石挿入孔２２３についても、それぞれ同様にフラックスバリアが備えられる。

【0023】

次に、第１磁石挿入孔２２１のフラックスバリア２３１ｂについて詳細に説明する。

【0024】

フラックスバリア２３１ｂは、連通部２２１ｂにおいて第１磁石挿入孔２２１と連通し、第１磁石挿入孔２２１から内径側に向かうに従って周方向の幅が拡大する第１側部２３１１と、第１側部２３１１から内径側に向かうに従って周方向の幅が縮小するように形成される第２側部２３１２と、外径側に向かう面を有する平面状に形成される底部２３１３とにより囲まれて形成される概ね五角形の空孔として構成される。

【0025】

第１永久磁石２５１よりも内径側にこのように構成されたフラックスバリア２３１ｂを有することにより、図１中の曲線矢印で示すように、第１永久磁石２５１付近の磁束がステータ１０側へと向かうように構成される。

【0026】

ここで、ステータに巻線、ロータに永久磁石を有する回転電機における問題点を説明する。このような構成の回転電機では、ロータの回転速度が上昇するに従って永久磁石の磁束による誘起電圧が増加し、誘起電圧によりステータの巻線に発生する逆起電力が増加する。これを抑制するために、ステータにおいて、ｄ軸電流を負方向に印加する弱め界磁制御を行うことが一般的である。しかしながら、弱め界磁制御によりステータの巻線に弱め界磁電流を流すと、ステータの銅損が増加して、回転電機の効率が低下するという問題がある。

【0027】

そこで、本実施形態では、弱め界磁制御による回転電機１の効率の低下を抑制するため、次に説明するように、フラックスバリア２３１ｂに磁束短絡部材１００を備えた。

【0028】

図１に示すように、フラックスバリア２３１ｂの空孔内には、断面が略台形形状であって、軸方向に柱状に形成される磁束短絡部材１００が備えられる。磁束短絡部材１００は、フラックスバリア２３１ｂの底部２３１３に可動機構１０１を介して支持される。可動機構１０１は、磁束短絡部材１００をフラックスバリア２３１ｂの底部２３１３側へと引きつける方向の付勢力を有するコイルバネ（引張りバネ）からなる付勢部材により構成される。可動機構１０１は、後述するように、ロータ２０の回転による遠心力が大きくなるほど磁束短絡部材１００を外径側へと移動させる。可動機構１０１は、磁束短絡部材１００を軸方向に渡って均一に付勢力を与えるように、軸方向に複数の付勢部材（例えば３つ）を備える。

【0029】

磁束短絡部材１００は、ロータ２０が不回転の状態では、可動機構１０１による付勢力によりフラックスバリア２３１ｂの底部２３１３側に位置する。磁束短絡部材１００は、この状態で、フラックスバリア２３１ｂが磁束の短絡を抑制する機能を損なわないような位置及び形状とされる。

【0030】

磁束短絡部材１００は、ｑ軸を中心として対称の形状に形成され、その先端部分が第１磁石挿入孔２２１の連通部２２１ｂを通じて第１永久磁石２５１に対向する凸部１００ａを有する。磁束短絡部材１００は、凸部１００ａから周方向外側に向かうに従って、フラックスバリア２３１ｂの第１側部２３１１に対向するような傾斜面を有し、内径側は、フラックスバリア２３１ｂの底部２３１３に対向する平面状に形成される。

【0031】

磁束短絡部材１００は、ロータコア２１と同様に電磁鋼板を回転軸方向に積層して構成され、その軸方向長さが、ロータコア２１の軸方向長さと同一となるように形成される。

【0032】

次に、このように構成された磁束短絡部材１００の作用を説明する。

【0033】

図２は、回転電機１の駆動によりロータ２０が回転している状態であって、ロータ２０の回転速度が中回転速度（例えば４０００ｒｐｍ）の状態を示す。

【0034】

ロータ２０の回転速度が上昇するに従って、磁束短絡部材１００は、その質量による遠心力が増加することにより、可動機構１０１の付勢力に打ち勝って、図２に示すように、徐々に外径側へと移動する。磁束短絡部材１００がフラックスバリア２３１ｂの内壁（第１側部２３１１）に近づくにつれて、第１永久磁石２５１付近でのフラックスバリア２３１ｂの空孔が縮小する。これにより、磁束の一部が磁束短絡部材１００内を通過するようになり、フラックスバリア２３１ｂにおける磁束を妨げる効果が徐々に減少する。

【0035】

図３は、回転電機１の駆動によりロータ２０が回転している状態であって、ロータ２０の回転速度が高回転速度（例えば９０００ｒｐｍ）の状態を示す。

【0036】

ロータ２０の回転速度がある回転速度（高速回転速度）を超えた場合には、磁束短絡部材１００は、遠心力により、フラックスバリア２３１ｂの第１側部２３１１に接触するほど近接する。これにより、第１永久磁石２５１付近でのフラックスバリア２３１ｂの空孔が存在しなくなるほど減少する。

【0037】

この状態では、第１永久磁石２５１の内径側で、磁束が内径側の磁束短絡部材１００を短絡して流れる磁場を形成するようになり、ステータ１０に向かう磁束が減少する。この結果、ステータ１０における鎖交磁束が減少する。ステータ１０における鎖交時速が減少することで、ステータ１０の誘起電圧が抑制され、巻線の逆起電力が減少する。

【0038】

このように、誘起電圧が抑制され逆起電力が減少することで、ステータ１０の巻線に印加する弱め界磁電流を抑制することができる。この結果、ステータ１０における銅損が低減され、回転電機１の効率向上が図れる。

【0039】

その後、ロータ２０の回転速度が低下した場合は、可動機構１０１の付勢力により、磁束短絡部材１００が回転速度の低下に伴って、次第に内径側（フラックスバリア２３１ｂの底部２３１３側）に移動する。

【0040】

磁束短絡部材１００の凸部１００ａの表面には、緩衝部材１１０が備えられる。緩衝部材１１０は、例えば弾性を有する樹脂や不織布等の非磁性体の部材から構成される。

【0041】

磁束短絡部材１００の凸部１００ａは、第１永久磁石２５１の端部に対峙する箇所であるので、この箇所に緩衝部材１１０を備えることによって、磁束短絡部材１００が第１永久磁石２５１の端部に衝撃的に接触しないようにすることができる。これにより、磁束短絡部材１００や第１永久磁石２５１の破損を防止することができる。

【0042】

なお、緩衝部材１１０は、凸部１００ａの表面だけでなく、フラックスバリア２３１ｂの内壁（第１側部２３１１）に対向する磁束短絡部材１００の面の全てに備えてもよい。これにより、磁束短絡部材１００が、係止部２２１ａやフラックスバリア２３１ｂの内壁に接触するときの衝撃を緩衝できる。

【0043】

次に、本実施形態の変形例について説明する。

【0044】

図４は、本実施形態の変形例の回転電機１の説明図である。

【0045】

図４に示す変形例では、可動機構１０１が支持軸１０２を備えるように構成した。その他の構成は、前述した図１～３と同様であるため、説明を省略する。

【0046】

支持軸１０２は、フラックスバリア２３１ｂの底部２３１３から外径側に向かって延設される棒状の部材である。支持軸１０２は、可動機構１０１を中心として対称となる位置に一組が備えられる。磁束短絡部材１００には、支持軸１０２が貫通する貫通穴１００ｂが備えられる。

【0047】

このように、磁束短絡部材１００が支持軸１０２を介して支持されることで、磁束短絡部材１００が遠心力により移動するとき、回転速度の変化によって磁束短絡部材１００が周方向に揺動することが規制される。これにより、磁束短絡部材１００が揺動することが防止でき、磁束短絡部材１００をより確実にフラックスバリア２３１ｂの内壁へと近接させることができる。なお、支持軸１０２は、磁束短絡部材１００を軸方向に渡って均一に可動させるように、軸方向に複数箇所（例えば３つ）備えられる。

【0048】

以上説明したように、本発明の実施形態は、磁石挿入孔２２内に永久磁石２５を有するロータ２０と、ステータ１０とを備える回転電機１である。ロータ２０は、永久磁石２５よりも内径側に、磁束の通過を抑制するフラックスバリア２３１ｂを備え、フラックスバリア２３１ｂ内には、フラックスバリア２３１ｂの内壁（第１側部２３１１）に近接することで永久磁石２５の磁束を短絡させる磁束短絡部材１００と、ロータ２０の回転速度が大きいほど、磁束短絡部材１００を内壁へと近接させる可動機構１０１と、を備える。

【0049】

この構成では、ロータ２０の回転速度が大きいほど磁束短絡部材１００をフラックスバリア２３１ｂの内壁に近接させることで、フラックスバリア２３１ｂにより妨げられる磁束を短絡させて、ステータ１０に向かう磁束を減少させることができる。これにより、ロータ２０の回転速度が大きいほどステータ１０への鎖交磁束を減少させて誘起電圧を抑制できるので、回転電機１の効率を向上させることが可能になる。

【0050】

また、本実施形態では、可動機構１０１は、磁束短絡部材１００を内径側に付勢する付勢部材を備え、磁束短絡部材１００は、ロータ２０の回転による遠心力により外径側に移動可能に構成される。

【0051】

この構成では、遠心力により磁束短絡部材１００を外径側に移動させることができるので、簡易な構成により、磁束短絡部材１００を移動させることができる。

【0052】

また、本実施形態では、付勢部材はバネにより構成されるので、より簡易な構成で磁束短絡部材１００を移動させることができる。

【0053】

また、本実施形態では、磁束短絡部材１００は、内壁に対向する箇所に緩衝部材１１０を備えるので、磁束短絡部材１００がフラックスバリア２３１ｂの第１側部２３１１に接触するときの衝撃を緩衝できる。

【0054】

また、本実施形態では、第１磁石挿入孔２２１は、フラックスバリア２３１ｂに連通する連通部２２１ｂを有し、磁束短絡部材１００は、連通部２２１ｂを通じて第１永久磁石２５１に対向する凸部１００ａを有する。この凸部１００ａは、第１永久磁石２５１との衝突を防止する緩衝部材１１０を備える。

【0055】

この構成では、磁束短絡部材１００の凸部１００ａが第１永久磁石２５１の端部に衝撃的に接触しないようにすることができ、磁束短絡部材１００や第１永久磁石２５１の破損を防止できる。

【0056】

また、本実施形態では、緩衝部材１１０は、非磁性体により構成されるので、磁束短絡部材１００による磁束の短絡を妨げることなく、磁束短絡部材１００の衝撃を緩衝できる。

【0057】

また、本実施形態では、第１永久磁石２５１は矩形形状を有し、ロータ２０におけるｑ軸上で、その長手方向が径方向となるように配置される。

【0058】

この構成では、ロータ２０のｑ軸の磁束を磁束短絡部材１００により変化させることができるので、回転電機１の回転トルクに寄与する鎖交磁束を減少させて誘起電圧を抑制できるので、回転電機１の効率を向上できる。

【0059】

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

【0060】

本実施形態では、可動機構１０１の付勢部材をコイルバネとして説明したが、これに限られない。可動機構１０１の付勢部材が、例えば板バネ等の他の形状のバネで構成されてもよいし、弾性力を伴って伸縮するゴムやエラストマ等の材質で構成されてもよい。

【0061】

また、本実施形態では、可動機構１０１は、フラックスバリア２３１ｂの底部２３１３と磁束短絡部材１００との間に配置されると説明したが、これに限られない。可動機構１０１が、フラックスバリア２３１ｂの第１側部２３１１と磁束短絡部材１００との間に配置される圧縮バネであって、遠心力により縮小することで磁束短絡部材１００を第１側部２３１１側に移動させるように構成してもよい。

【0062】

また、本実施形態では、ｑ軸上にある第１永久磁石２５１の内径側にあるフラックスバリア２３１ｂに磁束短絡部材１００を設けたが、これに限られない。第１永久磁石２５１の外径側にあるフラックスバリア２３１ａに磁束短絡部材１００及び可動機構１０１を設けてもよい。また、他の永久磁石（第２永久磁石２５２及び第３永久磁石２５３）のフラックスバリアに、同様の構成を設けて、回転速度の上昇に伴って、ステータ１０の鎖交磁束を変化させるように構成してもよい。

【符号の説明】

【0063】

１：回転電機、１０：ステータ、２０：ロータ、２２：磁石挿入孔、２５：永久磁石、１００：磁束短絡部材、１００ａ：凸部、１０１：可動機構、１０２：支持軸、１１０：緩衝部材、２２１：第１磁石挿入孔、２２１ｂ：連通部、２３１ａ：フラックスバリア、２３１ｂ：フラックスバリア、２５１：第１永久磁石、２３１１：第１側部、２３１３：底部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】