JP5347587B2

JP5347587B2 - クローポール型モータ

Info

Publication number: JP5347587B2
Application number: JP2009056647A
Authority: JP
Inventors: 草瀬　　新
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2009-03-10
Filing date: 2009-03-10
Publication date: 2013-11-20
Anticipated expiration: 2029-03-10
Also published as: JP2010213455A

Description

本発明は、ハイブリッド車両や電気自動車等の車両に用いられるクローポール型モータに関する。

従来、高トルクモータの代表格としてＩＰＭ（埋め込み磁石式）モータがあり、これはロータにおいてリラクタンストルクとマグネットトルクとを発生させる磁束を磁極に通すように磁極部に主として希土類磁石による永久磁石を収納して構成されている。この種のモータのロータとして例えば特許文献１に記載の永久磁石形同期回転電機のロータがある。この構成は、図１に示すように、薄板を軸方向に積層したロータコア１と、このロータコア１に所定ピッチで設けた矩形の永久磁石挿入穴２と、この永久磁石挿入穴２に挿入する永久磁石４よりなる永久磁石形同期回転電機のロータにおいて、永久磁石挿入穴２を１極ピッチ置きに設け、径方向の極性を同一とした永久磁石４ａを挿入し、永久磁石形同期回転電機のロータを構成する。永久磁石を軸方向に分割し、おのおのの長さの和を永久磁石挿入穴２の軸方向長さより短くし、ロータコアの両端面を合わせたり端面より深く挿入したりして、永久磁石挿入穴２の軸方向に磁気的空間部を形成する。さらに、軸方向に３分割し、中央のロータコアに設けた挿入穴の高さを両側のものより高くし、中央の挿入穴にフェライト磁石などのエネルギ積の低い永久磁石を、両側の挿入穴に希土類磁石などのエネルギ積の高い永久磁石を挿入して構成されている。

特開平８−１０７６３９号公報

しかし、従来のモータにおいて、ロータに高トルクを発生させるためには、一般的に永久磁石に希土類磁石を軸心方向に埋め込み磁極表面近くの鉄心吸引トルクを活用することが考えられるが、希土類磁石は高価であるという問題がある。そこで、安価なフェライト磁石に置き換えることが考えられるが、保磁力の弱いフェライト磁石では十分な磁力とするためには厚くする必要がありその厚い磁石を埋め込むと表面近くの鉄の部分は過少となり鉄心吸引トルクが発揮できない問題がある。厚くせずに配置すると特に弱め界磁制御の際にステータからの減磁界が加わった時に保磁力が弱いフェライト磁石のため不可逆減磁となってトルクの低下する恐れが生じる問題がある。上記特許文献１のロータにおいては希土類磁石にフェライト磁石を組み合わせ、少量の希土類磁石を削減する構成も採られているが、基本的に希土類磁石を用いる構成となっているので、その分、コスト高となっている。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、ロータの永久磁石にフェライト磁石を用いてもトルクの低下を招かないように低コスト化を図ることができるこれまでにないクローポール型モータを提供することを目的とする。

上記目的を達成するためになされた請求項１に記載の発明は、三相巻線が巻装された積層鉄心を有するステータと、このステータに所定寸法の空隙長を持って外周が離間し、且つ内周が回転軸に固定された環状のロータとを備えるクローポール型モータにおいて、前記ロータは、前記回転軸から前記ステータ側へ伸びる側壁部の根元が当該回転軸に直接又は非磁性体のブッシングを介して互いに離間して固定され、これら側壁部の爪部がロータ外周側で対向方向に折れ曲がって外周方向に交互に配置された第１のクローポール鉄心及び第２のクローポール鉄心と、前記第１のクローポール鉄心と前記第２のクローポール鉄心との間に且つ外周側に磁気的に離間して配置され、Ｓ極とＮ極との中間的な磁気ポテンシャルとなり、N極にもS極にも磁化されていない無極性の無極性クローポール鉄心と、前記第１及び第２のクローポール鉄心及び前記無極性クローポール鉄心で囲まれた環形状の空洞に嵌合固定された環形状の永久磁石とを備えることを特徴とする。

この構成によれば、第１及び第２のクローポール鉄心の離間した側壁部と、各クローポール鉄心の間で外周側に配置された無極性クローポール鉄心とで囲まれて空洞が形成されるので、空洞を環形状の大寸法とすることができる。永久磁石はその空洞に嵌合固定されるので環形状で大寸法とすることができるので、大きな起磁力の発生と大量の磁束の供給が可能となる大寸法のフェライト磁石を用いることができる。従って、ステータを励磁した際の逆磁界による磁束が、フェライト磁石でＳ極とＮ極に磁化された第１及び第２のクローポール鉄心の間を流れる磁束と合成されて直軸方向に多量の磁束φｄが流れ、この磁束φｄによりマグネットトルクが発生する。この際、無極性クローポール鉄心ではステータの励磁によって直軸方向の磁束φｄに直交する横軸方向の磁束φｑが流れ、この磁束φｑによりリラクタンストルクが発生するので、双方のトルクが合成されてロータ１６のトルクを高めることができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のクローポール型モータにおいて、前記無極性クローポール鉄心のロータ外周側で折れ曲がり、前記第１及び第２のクローポール鉄心の爪部の間に配置される爪部を、前記第１及び第２のクローポール鉄心の爪部の中間位置から外周方向に所定距離ずらして配設したことを特徴とする。

この構成によれば、第１及び第２のクローポール鉄心でマグネットトルクを発生させるための直軸方向磁束φｄと、無極性クローポール鉄心でリラクタンストルクを発生させるための横軸方向磁束φｑとのピークを一致させることができる。双方のピークが一致した場合、マグネットトルクとリラクタンストルクとのトータルトルクが増加する。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載のクローポール型モータにおいて、前記無極性クローポール鉄心は、当該無極性クローポール鉄心の回転軸への対向面の中央部分と当該回転軸とを環状に接合する所定幅の円盤部を有して成り、その円盤部の両側に開口した２つの空洞にそれぞれ永久磁石が嵌合固定されていることを特徴とする。

この構成によれば、無極性クローポール鉄心の円盤部が回転軸まで延びているので、その分、横軸方向磁束φｑの通路面積が広くなり、当該横軸方向磁束φを増加させることができ、これによってリラクタンストルクを増加させ、マグネットトルクとのトータルトルクを増加させることができる。また、無極性クローポール鉄心が回転軸に固定されるのでロータの機械的な強度を増すことができる。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載のクローポール型モータにおいて、前記永久磁石は、フェライト磁石又はボンド系磁石であることを特徴とする。

この構成によれば、永久磁石を安価なフェライト磁石又はボンド系磁石とすることができるので、埋め込み磁石式モータのコストを低減させることができる。

以上説明したように本発明によれば、ロータの永久磁石にフェライト磁石を用いてもトルクの低下を招かないように低コスト化を図ることができるクローポール型モータを提供することができるという効果がある。

従来の永久磁石形同期回転電機のロータの構成を示す図である。本発明の実施形態に係るクローポール型モータの構成を示し、（ａ）はクローポール型モータの断面図、（ｂ）はクローポール型モータのロータの環状面の概略半分の図、クローポール型モータのロータの周回面の図である。本実施形態のクローポール型モータにおける無極性クローポール鉄心の爪部の配置を示し、（ａ）は無極性クローポール鉄心の爪部が第１のクローポール鉄心の爪部側へずれて配置された様子を示す図、（ｂ）は無極性クローポール鉄心の爪部が第２のクローポール鉄心の爪部側へずれて配置された様子を示す図である。本実施形態のクローポール型モータにおける無極性クローポール鉄心の他の構成を示す図である。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。但し、本明細書中の全図において相互に対応する部分には同一符号を付し、重複部分においては後述での説明を適時省略する。

図２は、本発明の実施形態に係るクローポール型モータの構成を示し、（ａ）はクローポール型モータの断面図、（ｂ）はクローポール型モータのロータの環状面の概略半分の図、クローポール型モータのロータの周回面の図である。

図２に示すクローポール型モータ１０は、例えば電気自動車に搭載されており、電力変換用のインバータ（図示せず）に接続された三相巻線１１と、この三相巻線１１を巻装した積層鉄心１２とを有して成るステータ１３を備え、このステータ１３に対して所定の空隙長Ｇ１を持って外周が離間し、且つ内周が回転軸１４に固定された環状のロータ１６を備えて構成されている。

ロータ１６は、回転軸１４からステータ１３側へ伸びる側壁部の根元が回転軸１４に直接又は非磁性ステンレス製のブッシング２０を介して互いに離間して固定され、これら側壁部の爪部２１ａ，２１ｂがロータ１６外周側で対向方向に折れ曲がって外周方向に交互に配置された第１のクローポール鉄心２１及び第２のクローポール鉄心２２と、第１のクローポール鉄心２１と第２のクローポール鉄心２２との間に且つ外周側に磁気的に離間して配置され、Ｓ極とＮ極との中間で磁化されていない無極性クローポール鉄心２３と、第１のクローポール鉄心２１、第２のクローポール鉄心２２及び無極性クローポール鉄心２３で囲まれた大寸法の環形状の空洞に嵌合固定された環形状の永久磁石２５とを備えて構成されている。但し、無極性クローポール鉄心２３は、その爪部２３ａも、他の爪部２１ａ，２１ｂの間に配置されている。

また、永久磁石２５は、回転軸１４の軸１４ａ方向に着磁され、例えば矢印Ｙ１で示す方向の着磁によって第１のクローポール鉄心２１がＳ極、第２のクローポール鉄心２２がＮ極に磁化されているとする。また、第１及び第２のクローポール鉄心２１，２２及び無極性クローポール鉄心２３は、それぞれ鍛造製であるとする。また、無極性クローポール鉄心２３は、第１及び第２のクローポール鉄心２１，２２の間に配置されるが、その爪部２３ａも、第１及び第２の爪部２１ａと２２aとの間に配置される構成となっている。

このような構成のクローポール型モータ１０においては、第１のクローポール鉄心２１、第２のクローポール鉄心２２及び無極性クローポール鉄心２３で囲まれて形成される空洞が、大寸法の環形状を成すので、この空洞内に嵌合固定する永久磁石２５も環形状の大寸法のフェライト磁石を用いることができる。従って、大寸法の永久磁石２５では、弱いエネルギ積のものであっても大きな起磁力の発生と大量の磁束の供給が可能となる。

三相巻線１５に電流を流してステータ１３を励磁した際の逆磁界による磁束が、永久磁石２５でＳ極とＮ極に磁化された第１及び第２のクローポール鉄心２１，２２の間を流れる磁束と合成されて直軸方向に多量の磁束φｄが流れる。この直軸の磁束φｄによってマグネットトルクが発生する。この現象と合わせて、無極性クローポール鉄心２３においては、ステータ１３の励磁によって直軸方向の磁束φｄに対して直交する横軸方向の磁束φｑが流れる。この横軸方向の磁束φｑによってリラクタンストルクが発生する。このリラクタンストルクとマグネットトルクとが合成されてロータ１６のトルクとなる。

このようなフェライト磁石が永久磁石２５としてロータ１６に配設されたクローポール型モータ１０を、従来の希土類磁石であるネオジウム磁石が永久磁石としてロータに配設された同サイズの埋め込み磁石式モータと比較したところ、トルクを２０％高くして、使用されている永久磁石２５のコストを約１／３とする効果が得られた。つまり、ロータ１６の永久磁石２５にフェライト磁石を用いもトルクの低下を招かないように低コスト化を図ることができた。

このように本実施形態のクローポール型モータ１０は、ステータ１３に空隙長Ｇ１を持って外周が離間し、且つ内周が回転軸１４に固定された環状のロータ１６を、根元が回転軸１４に直接又は非磁性体のブッシング２０を介して互いに離間して固定され、ロータ１６外周側の爪部が対向方向に折れ曲がって外周方向に交互に配置された第１のクローポール鉄心２１及び第２のクローポール鉄心２２と、第１のクローポール鉄心２１と第２のクローポール鉄心２２との間で且つ外周側に磁気的に離間して配置された無極性クローポール鉄心２３と、第１及び第２のクローポール鉄心２１，２２及び無極性クローポール鉄心２３で囲まれた環形状の空洞に嵌合固定された環形状の永久磁石２５とを備えて構成した。

これによって、互いに離間した第１及び第２のクローポール鉄心２１，２２と、各クローポール鉄心の間で外周側に配置された無極性クローポール鉄心２３とで囲まれて空洞が形成されるので、空洞は環形状の大寸法となる。永久磁石２５はその空洞に嵌合固定されるので環形状で大寸法とすることができ、このため、永久磁石２５として大きな起磁力の発生と大量の磁束の供給が可能となる大寸法のフェライト磁石を用いることができる。従って、ステータ１３を励磁した際の逆磁界による磁束が、フェライト磁石でＳ極とＮ極に磁化された第１及び第２のクローポール鉄心の間を流れる磁束と合成されて直軸方向に多量の磁束φｄが流れ、この磁束φｄによりマグネットトルクが発生する。この際、無極性クローポール鉄心２３ではステータ１３の励磁によって直軸方向の磁束φｄに直交する横軸方向の磁束φｑが流れ、この磁束φｑによりリラクタンストルクが発生するので、双方のトルクが合成されてロータ１６１６のトルクを高めることができる。

また、図３（ａ）及び（ｂ）に示すように、無極性クローポール鉄心２３の爪部２３ａを、第１のクローポール鉄心２１の爪部２１ａ（Ｂ１）と第２のクローポール鉄心２２の爪部２２ａ（Ｂ２）との中間位置Ｃ１から円周方向Ｙ２又はＹ３に所定距離ずらして配設してもよい。

これによって、マグネットトルクを発生させるための直軸方向磁束φｄと、リラクタンストルクを発生させるための横軸方向磁束φｑとのピークを一致する方向に接近させることができる。双方のピークが接近するとマグネットトルクとリラクタンストルクとのトータルトルクを増加させることができる。

更に、図４に示すように、クローポール型モータ１０を、ロータ１６の外周側に配設されている無極性クローポール鉄心２３−１を、当該無極性クローポール鉄心２３−１の回転軸１４への対向面の中央部分と回転軸１４とを環状に接合する所定幅の円盤部２３−１ａを備えて形成し、その円盤部２３−１ａの両側に開口した２つの空洞にそれぞれ永久磁石２５ａ，２５ｂを嵌合固定して構成してもよい。

但し、各永久磁石２５ａ，２５ｂは、双方とも回転軸１４の軸１４ａ方向に着磁され、例えば矢印Ｙ２，Ｙ３で示す方向の着磁によって第１のクローポール鉄心２１がＳ極、第２のクローポール鉄心２２がＮ極に磁化されているとする。

この構成によれば、無極性クローポール鉄心２３−１が円盤部２３−１ａで回転軸１４まで延びるので、その分、横軸方向磁束φｑの通路面積が広くなる。従って、横軸方向磁束φを増加させることができるのでリラクタンストルクを増加させ、マグネットトルクとのトータルトルクを増加させることができる。また、無極性クローポール鉄心２３が回転軸１４に固定されるのでロータ１６の機械的な強度を増すことができる。

また、永久磁石２５を、樹脂にネオジウム等の希土類磁石の粉末を混合した安価なボンド系磁石としても良い。この場合、永久磁石２５をフェライト磁石とした場合と同様に磁石コストが低減するので、クローポール型モータ１０のコストを低減させることができる。

更には、永久磁石２５を希土類磁石とすれば、より高トルクのクローポール型モータ１０とすることができる。

なお、無極性クローポール鉄心２３は、鍛造型以外に積層鉄心型としても良い。

１０クローポール型モータ
１１三相巻線
１２積層鉄心
１３ステータ
１４回転軸
１６ロータ
２０ロータのブッシング
２１第１のクローポール鉄心
２２第２のクローポール鉄心
２３，２３−１無極性クローポール鉄心
２１ａ，２１ｂ，２３ａ爪部
２３−１ａ無極性クローポール鉄心の円盤部
２５，２５ａ，２５ｂ永久磁石２５

Claims

三相巻線が巻装された積層鉄心を有するステータと、このステータに所定寸法の空隙長を持って外周が離間し、且つ内周が回転軸に固定された環状のロータとを備えるクローポール型モータにおいて、
前記ロータは、前記回転軸から前記ステータ側へ伸びる側壁部の根元が当該回転軸に直接又は非磁性体のブッシングを介して互いに離間して固定され、これら側壁部の爪部がロータ外周側で対向方向に折れ曲がって外周方向に交互に配置された第１のクローポール鉄心及び第２のクローポール鉄心と、前記第１のクローポール鉄心と前記第２のクローポール鉄心との間に且つ外周側に磁気的に離間して配置され、Ｓ極とＮ極との中間的な磁気ポテンシャルとなり、N極にもS極にも磁化されていない無極性の無極性クローポール鉄心と、前記第１及び第２のクローポール鉄心及び前記無極性クローポール鉄心で囲まれた環形状の空洞に嵌合固定された環形状の永久磁石とを備えることを特徴とするクローポール型モータ。
前記無極性クローポール鉄心のロータ外周側で折れ曲がり、前記第１及び第２のクローポール鉄心の爪部の間に配置される爪部を、前記第１及び第２のクローポール鉄心の爪部の中間位置から外周方向に所定距離ずらして配設したことを特徴とする請求項１に記載のクローポール型モータ。
前記無極性クローポール鉄心は、当該無極性クローポール鉄心の回転軸への対向面の中央部分と当該回転軸とを環状に接合する所定幅の円盤部を有して成り、その円盤部の両側に開口した２つの空洞にそれぞれ永久磁石が嵌合固定されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のクローポール型モータ。
前記永久磁石は、フェライト磁石又はボンド系磁石であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のクローポール型モータ。