JP2003309953A - インナーロータ型回転電機の永久磁石ロータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】着磁が容易で性能低下、体格重量の大型化を抑
止可能なロータコアの外周面近傍に永久磁石が埋設され
るインナーロータ型回転電機の永久磁石ロータを提供す
ること。 【解決手段】ＩＰＭのすべての永久磁石４２を径方向に
おいて同一方向に磁化し、ロータコア４０の磁石間外周
面領域Mに孔を設けることにより、着磁が容易で性能低
下、体格重量の大型化を抑止可能なロータコアの外周面
近傍に永久磁石が埋設されるインナーロータ型インナー
ロータ型回転電機を提供する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、インナーロータ型
回転電機の永久磁石ロータに関する。

【０００２】

【従来の技術】永久磁石ロータを用いる同期機として周
知のように表面磁石型モータ（ＳＰＭ）と磁石内蔵型モ
ータ（ＩＰＭ）の二つの形式が知られており、後者は、
永久磁石の機械的支持が容易な点、および、磁石トルク
に加えてリラクタンストルクも期待することができる点
から主流となっている。

【０００３】従来のＩＰＭにおいて、各永久磁石は、ロ
ータコアの外周面近傍に等ピッチで埋設され、周方向極
性交互に磁化されている。

【０００４】また、ロータが磁石を全くもたないスイッ
チトリラクタンスモータ（ＳＲＭ）やシンクロナスリラ
クタンスモータ（ＳＹＮＲＭ）などのリラクタンスモー
タ（ＲＭ）も知られている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】種々の理由から産業
用、車両用用途において広く採用されているＩＰＭにお
いては小型軽量化と製造コスト低減とが強く要請されて
いる。単に製造コストの低減だけであれば、上記したRM
や安価なフェライト磁石を用いたＩＰＭの採用が考えら
れるが、性能が低下するためにモータ体格が増大し、特
に、体格重量の低減が重要な車載モータとしては好まし
い選択ではなかった。更に説明すると、フェライト磁石
は残留磁束密度が小さく、かつ必要な磁石磁束量を得る
ために周方向又は軸方向に大型化する必要があり、その
分だけモータ体格、重量が大きくなってしまう。

【０００６】モータの小型軽量化を達成するためには、
大きな残留磁束密度をもつ希土類磁石を採用したＩＰＭ
がもっとも好適であるが、それに含まれる希土類材料が
高価であり、磁石使用量の低減が要請されていた。

【０００７】磁石磁束量の低減を抑止しつつ磁石使用量
を減らすには、磁石厚さを低減することが好適である
が、磁石製造プロセス上および磁石に必要な機械的強度
を確保する上で磁石厚さを約２ｍｍ未満に薄くすること
は困難であった。

【０００８】また、ロータの外周面近傍に軸方向に貫設
された磁石挿入孔に永久磁石を装着する場合、あらかじ
め磁化された永久磁石をこの磁石挿入孔に挿入すること
が容易ではないため、未着磁の永久磁石を磁石挿入孔に
挿入した後、ロータ全体を着磁するのが通常である。し
かし、従来のロータでは、各永久磁石はロータコアの外
周近傍に周方向へ極性交互に配置されているため、ロー
タコアの外周面に面する内周面に着磁用磁極を周方向へ
極性交互に配置する必要があり、このため、これら着磁
用磁極がロータコア内に形成する着磁用磁束は、隣接す
る永久磁石間のロータコア領域を通じて流れて永久磁石
をバイパスし、永久磁石の均一な径方向着磁が容易では
なく、更に複雑な構造の着磁装置が必要となるという問
題があった。

【０００９】本発明は上記問題点に鑑みなされたもので
あり、着磁が容易で性能低下、体格重量の大型化を抑止
可能なロータコアの外周面近傍に永久磁石が埋設される
インナーロータ型回転電機の永久磁石ロータを提供する
ことをその目的としている。

【００１０】

【課題を解決するための手段】請求項１記載のインナー
ロータ型回転電機の永久磁石ロータは、ステータの内周
面に対面する外周面を有するロータコアと、前記ロータ
コアの外周面近傍に周方向所定ピッチで埋設される複数
の永久磁石とを有するインナーロータ型回転電機の永久
磁石ロータにおいて、すべての前記永久磁石が、径方向
において同一方向に磁化されていることを特徴としてい
る。このようにすれば、着磁が容易で性能低下、体格重
量の大型化を抑止可能なロータコアの外周面近傍に永久
磁石が埋設されるインナーロータ型インナーロータ型回
転電機を提供することができる。

【００１１】好適態様において、前記永久磁石は、希土
類磁石からなる。

【００１２】以下、更に詳しく説明する。

【００１３】製造コスト削減には安価な磁石材料の選択
又は磁石の廃止が好適であるが、限られたモータ体格、
モータ重量の点で実用的ではない。高い磁束密度が得ら
れる希土類磁石は脆く、磁石使用量の低減のためにそれ
を製造上の限界（現状では約２ｍｍ）以上薄くすること
は現実的ではない。ただし、従来のインナーロータ型回
転電機の永久磁石が形成する磁気回路において、隣接す
るふたつの永久磁石は磁路上において直列に重なってい
るため、実際には磁束の漏れなどの影響により有効な磁
石磁束量はある程度低下するが、理想的には２倍の厚さ
を有する一個の永久磁石を設けたのと等しいとみなすこ
とができる。

【００１４】本発明はこの現象を利用して、ロータコア
の外周面近傍に埋設されるすべての永久磁石を径方向同
一向きに着磁し、かつ、周方向に隣接する永久磁石間の
ロータコア外周面領域（磁石間外周面領域ともいう）
を、永久磁石に径方向に隣接する外周面領域（磁石隣接
外周面領域ともいう）と逆極性に磁化する。

【００１５】これにより、磁石磁束量をそれほど減少さ
せることなく、磁石使用量を半減することができ、イン
ナーロータ型回転電機の製造コストを大幅に低減するこ
とができる。

【００１６】また、本発明の永久磁石ロータでは、着磁
に際して着磁装置は、永久磁石ロータをその全周にわた
って径方向に磁化すればよいので、従来の着磁装置に比
較して構造簡単となり、そのうえ着磁用磁束の漏れを減
らすことができるので、着磁装置の小型化、低コスト化
を実現することができ、インナーロータ型回転電機の製
造コスト低減を更に促進することができる。

【００１７】更に、本発明の永久磁石ロータでは、永久
磁石を省略した部分を磁路化することができるので、こ
の部分を流れるリラクタンストルク発生用磁束φｑ（ｑ
軸電流が形成する磁束）を増大することができ、リラク
タンストルクを増大することが可能となる。

【００１８】また更に、保持すべき磁石数を半減できる
分、永久磁石ロータの機械的強度を向上することもでき
る。

【００１９】好適な態様において、各前記永久磁石の間
に位置して前記ロータコアの外周面近傍に軸方向へ貫設
された複数の孔を有する。なお、この孔はロータコアの
外周面に連通していてもよい。

【００２０】これにより、省略された永久磁石のための
ロータコアの磁石挿入孔を除去したことによる電機子反
作用の増大の悪影響を抑止することができるとともに、
ロータコアの軽量化も実現することができる。

【００２１】更に詳しく説明すると、この態様の孔は、
径方向同一向きに着磁されて周方向に隣接する２つの埋
設磁石間の領域（磁石間外周面領域ともいう）に位置し
て、ロータコアの外周面近傍に形成される。

【００２２】この磁石間外周面領域では磁石挿入孔が省
略されているために、その周方向両側の永久磁石が形成
する磁石磁束が径方向に流れるとともに、電機子電流に
より形成されて略周方向に流れる電流磁束も流れる。こ
の電流磁束の一部（ｑ軸電流磁束）はリラクタンストル
ク発生に有効であるが、このｑ軸電流磁束はｄ軸電流と
の電磁相互作用によりリラクタンストルクを生じるので
ｄ軸電流とあまり関与しない成分は、無効インダクタン
スの増大や損失の増大を生じさせる。この問題は、この
態様による孔により効果的に低減される。

【００２３】好適な態様において、前記孔は、周方向よ
りも径方向に長い断面形状を有する長孔からなるので、
上記電機子反作用の影響を磁石磁束の低減を抑止しつつ
一層低減することができる。

【００２４】好適な態様において、上記孔は籠形巻線を
収容するので、脱調抑止、誘導トルク発生などの諸効果
を、ロータコア中における磁石磁束の磁路断面積の低減
を抑止しつつ実現することができるとともに、この籠形
巻線によるロータコア用積層電磁鋼板の締結強化効果も
期待することができる。 好適な態様において、前記孔
は、磁石磁束通過用の磁路と、リラクタンストルク発生
のためにｑ軸電流が形成する磁束が通過するための磁路
とを確保可能に周方向および径方向に略行列状に配列さ
れて軸方向にそれぞれ貫設される多数の小孔からなる。

【００２５】これにより、従来、リラクタンストルク発
生のためにｑ軸電流が形成する磁束（以下、ｑ軸電流磁
束ともいう）の増加に無効の磁石挿入孔を除去して、磁
石磁束量の低減を抑止しつつｑ軸電流磁束を増加するこ
とができる。

【００２６】

【発明の実施の形態】上記説明した発明の好適な態様を
以下の実施例を参照して説明する。

【００２７】

【実施例】６極三相同期機を構成するインナーロータ型
ＩＰＭを図１に示す。

【００２８】１はフロントハウジング、２はリアハウジ
ングであり、両者はボルトにて締結されている。３は、
フロントハウジング１の内周面に固定されたステータ、
４はステータ３の径方向内側に収容されたロータであ
る。ロータ４は回転軸５に嵌着固定され、回転軸５は軸
受けを介して両ハウジング１、２に支承されている。ロ
ータ４は積層電磁鋼板製のロータコア４０と、ロータコ
アの磁石挿入孔４１に収容されてロータコア４０に埋設
された永久磁石４２とを有している。

【００２９】この実施例の特徴をなすロータ４の径方向
断面図を図２に示す。ただし、ロータコア４０の断面ハ
ッチングは省略されている。ロータコア４０は、磁石挿
入孔４１の他に、回転軸が圧入される回転軸孔４３が軸
方向に貫孔されている。

【００３０】３つの磁石挿入孔４１は、ロータコア４０
の外周面近傍に位置して回転対称配置されている。当然
のことながら、磁石挿入孔４１および永久磁石４２の個
数は上述の３ではなく、１、２又は４以上とすることが
できる。

【００３１】磁石挿入孔４１の径方向断面は、略扁平長
方形形状となっており、その２つの主面４５、４５は径
方向に対して直交している。その径方向外側の２つの角
部には磁石磁束漏洩を低減するための出っ張り部４６が
突設されている。永久磁石４２は、薄平板形状の有希土
類磁石からなり、径方向に着磁されている。

【００３２】このＩＰＭの構造自体は通常のIPMとまっ
たく同じであり、この実施例の特徴部分を以下に説明す
る。

【００３３】まず、この実施例では、各永久磁石４２は
径方向同一向きに着磁されている。これにより、磁石挿
入孔４１とその径方向外側に位置するロータコア４０の
外周面領域（磁石隣接外周面領域）Sにすべて同一極性
の磁極が形成され、磁石間外周面領域Mにすべて反対極
性の磁極が形成される。磁石間外周面領域Mおよび磁石
隣接外周面領域Sには、図２中、たとえば破線で示す向
きに磁石磁束φｄが形成され、この磁石磁束φｄとｑ軸
電流Iｑとにより磁石トルクが形成される。また、ｑ軸
電流Ｉｑが形成するｑ軸電流磁束φｑ（一点鎖線により
図示）とｄ軸電流Idとによりリラクタンストルクが形成
される。

【００３４】次に、この実施例では、ロータコア４０の
外周面近傍領域のうち、周方向に隣接して径方向同一向
きに着磁された二つの永久磁石４２、４２の間の上記磁
石間外周面領域ｍに周方向へ互いに所定ギャップｇを隔
てて径方向に長い断面形状を有する空孔４４（本発明で
いう孔）を５つ有している。

【００３５】各空孔４４は軸方向に貫孔されており、空
孔４４と磁石挿入孔４１との間の周方向のギャップｇ’
は空孔４４間のギャップｇよりも大きく形成されてい
る。また、外周側に空孔を有している。これにより、リ
ラクタンストルク形成用のｑ軸電流磁束φｑ（一点鎖
線）の減少を抑止しつつ、実線で一例を示す無効磁束φ
ｉを空孔４４により低減することができ、漏れインダク
タンスや鉄損の低減や電機子反作用の低減効果を奏する
ことができる。なお、空孔４４の数や断面形状は、種々
変更可能なことはもちろんである。

【００３６】なお、この明細書でいう孔とは、上記のご
とく、φｑの減少を抑止しつつ、φｉを低減することが
できる非磁性部であり、なんらかの理由で電磁鋼板に穴
を空けた後、非磁性体でこの孔を埋めたものであっても
よい。また、なんらかの製法にて非磁性部を埋めこみ形
成した板材を加工して円盤状とし、それらを積層したも
のであってもよい。

【００３７】この実施例構造をもつインナーロータ型Ｉ
ＰＭの効果を以下に説明する。

【００３８】まず、高い磁束密度が得られる希土類磁石
の厚みを確保しながら磁石使用量を低減して製造コスト
を低減することができる。この磁石数の低減は、有効磁
石磁束量を減少させるが、これらの低下、減少は実用上
それほど問題とならず、同一出力当たり従来のＩＰＭに
対してわずかの体格重量の増大により補償することがで
き、トータルとして従来の希土類磁石ＩＰＭと比較して
出力が等しいＩＰＭを安価に製造することができる。も
ちろん、この実施例のＩＰＭは磁石をまったく使用しな
い従来のリラクタンスモータに比較して格段に体格重量
を低減できる利点を有している。

【００３９】また、この実施例の永久磁石ロータでは、
着磁に際して着磁装置は、永久磁石ロータをその全周に
わたって径方向に磁化すればよいので、従来の着磁装置
に比較して構造簡単となり、そのうえ着磁用磁束の漏れ
を減らすことができるので、着磁装置の小型化、低コス
ト化を実現することができ、インナーロータ型回転電機
の製造コスト低減を更に促進することができる。

【００４０】更に、この実施例の永久磁石ロータでは、
永久磁石を省略した部分を磁路化することができるの
で、この部分を流れるリラクタンストルク発生用磁束φ
ｑ（ｑ軸電流が形成する磁束）を増大することができ、
リラクタンストルクを増大することが可能となる。

【００４１】また更に、保持すべき磁石数を半減できる
分、永久磁石ロータの機械的強度を向上することもで
き、空孔４４の設置により磁石挿入孔４１が減ったこと
による重量増大を抑止することもできる。

【００４２】（変形態様）空孔４４に、たとえばアルミ
ダイキャストにより籠形巻線を形成する。これにより、
誘導トルクの発生、脱調抑制効果を実現することができ
る。従来でも、ＩＰＭにおいて籠形巻線を追設すること
は公知であったが、従来のこの種の複合構造では、籠形
巻線は磁石挿入孔４１とロータコア４０の外周面との間
に設けざるを得ず、籠形巻線配置スペースに強い制約が
あり、また、磁石磁束の磁路抵抗の増大を招くという問
題もあった。この実施例では、磁石挿入孔４１を省略し
たスペースを利用して籠形巻線を配置することができる
ので、この問題を良好に改善することができる。

【００４３】（変形態様）図３に変形態様を示す。この
態様では、空孔４４’は、周方向および径方向に略行列
状に配列されて軸方向にそれぞれ貫設される多数の小孔
が２行７列形成され、これにより、磁石磁束φｄ通過用
の磁路（破線表示）と、リラクタンストルク発生のため
にｑ軸電流が形成するｑ軸電流磁束φｑが通過するため
の磁路（実線表示）とが良好に形成される。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例に採用したIPMの軸方向断面図である。

【図２】図１の永久磁石ロータの径方向断面図である。

【図３】変形態様の永久磁石ロータの部分径方向断面図
である。

【符号の説明】

３ ステータ ４ ロータ（永久磁石ロータ） ５ 回転軸 ４０ ロータコア ４１ 磁石挿入孔 ４２ 永久磁石 ４３ 回転軸孔 ４４ 空孔（孔） S 磁石隣接外周面領域 M 磁石間外周面領域

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ステータの内周面に対面する外周面を有す
   るロータコアと、 前記ロータコアの外周面近傍に周方向所定ピッチで埋設
   される複数の永久磁石とを有するインナーロータ型回転
   電機の永久磁石ロータにおいて、 すべての前記永久磁石は、径方向において同一方向に磁
   化されていることを特徴とするインナーロータ型回転電
   機の永久磁石ロータ。
2. 【請求項２】請求項１記載のインナーロータ型回転電機
   の永久磁石ロータにおいて、 前記永久磁石は、希土類磁石からなるインナーロータ型
   回転電機の永久磁石ロータ。
3. 【請求項３】請求項２記載のインナーロータ型回転電機
   の永久磁石ロータにおいて、 各前記永久磁石の間に位置して前記ロータコアの外周面
   近傍に軸方向へ貫設された複数の孔を有するインナーロ
   ータ型回転電機の永久磁石ロータ。
4. 【請求項４】請求項３記載のインナーロータ型回転電機
   の永久磁石ロータにおいて、 前記孔は、周方向よりも径方向に長い長孔断面形状を有
   するインナーロータ型回転電機の永久磁石ロータ。
5. 【請求項５】請求項３記載のインナーロータ型回転電機
   の永久磁石ロータにおいて、 前記孔は、籠形巻線を収容するインナーロータ型回転電
   機の永久磁石ロータ。
6. 【請求項６】請求項２又は５記載のインナーロータ型回
   転電機の永久磁石ロータにおいて、 前記孔は、磁石磁束通過用の磁路と、ｑ軸電流磁束通過
   用の磁路とを確保可能に周方向および径方向に略行列状
   に配列されて軸方向にそれぞれ貫設される多数の小孔か
   らなるインナーロータ型回転電機の永久磁石ロータ。