JP2004173491A - 電気機械用のロータ装置及び永久磁石モータ - Google Patents

Abstract

【課題】 コギングトルクを排除若しくは低減可能で埋め込み磁石を有する電気機械用のロータ装置を提供する。
【解決手段】 本発明の電気機械用のロータ装置は、内部開口部６２を有する略円筒形状のロータ本体部１８と、該本体部１８に形成されているスロット５８に配置された永久磁石２０−３０と、を備える。スロット５８は、内部開口部６２から本体部１８の外周に向かって延伸する。該スロット５８の少なくとも１つは、該本体部１８の外周近傍に、その幅が拡大された領域を有する端部４４−５４を具備する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、永久磁石（Permanent Magnet, P.M.）型電気機械用のロータ装置若しくは該ロータ装置を有する直流モータに関する。さらに一般的には、本発明は、永久磁石を備える永久磁石モータ及びブラシレス直流モータの分野に関し、該モータは、ステータにより囲まれた内部ロータを含むように構成可能であり（インナーロータ型モータ）、若しくは、外部ロータ構成に基づいて構成可能である（アウターロータ型モータ）。より詳細には、本発明は、電気機械用のロータ装置に関し、このロータ装置は、略円筒形状の本体部であって該本体部をシャフトに共軸に装着するための内部開口部を有する本体部と、該本体部に埋め込まれた永久磁石とを備える。

内部ロータを有する電気機械は、ロータシャフトに装着されたロータ装置、１つ又は２以上の永久磁石、並びに、コイルを備え多数の金属薄板が積層されたステータ等から構成されるステータ装置を含む。ロータ装置は、ステータ装置に共軸に挿入されている。外部ロータを有する電気機械では、ロータ装置は、ステータ装置を囲繞する。

図５は、内部ロータを有する従来の電気機械の通常の構成を模式的に示し、該電気機械は、ステータ装置１１８、ロータ装置１１６、並びに、該ロータ装置を回転可能に支持するための軸受１２６，１２８を含む筐体１１４を備える。ステータ装置１１８は、金属薄板１５５及びコイル１６０を備え、ロータ装置１１６が挿入され得る内部キャビティを規定する。ロータ装置１１６は、シャフト１１０、ヨーク１１２及び永久磁石１２２を含む。ロータ装置用の軸受１２６，１２８は、モータ筐体１１４のフランジ１２４に一体化可能である。

埋め込まれた磁石を有するロータは、当該分野で通常知られ、これまで説明されてきた。半径方向に延在する埋設された磁石と共に多極「スポーク」構造を有し保持リングにより囲繞されるロータ構成は、例えば、下記の非特許文献１に、示されている。そこに示されるように、埋め込まれ、半径方向に延在する磁石を具備するロータ本体部を有することが知られ、該磁石は、ロータ本体部を囲むリング若しくは筒により保護される。磁石が埋め込まれたロータ本体部は、ヨークの機能を有する。
"Design of Brushless Permanent Magnet Motors", J.R. Hendershot Jr., T.J.E. Miller 著 Magna Physics Publishing and Clarendon Press, Oxford,１９９４年発行

埋設された磁石の共通の形状が、下記の特許文献１及び特許文献２に示されている。これらの文献は、外部ロータ表面に形成されたスロットに挿入される複数の磁石を示す。これらの文献に開示された構成によれば、シャフト近傍のロータ背面の鉄部材を通過する漂遊磁束が形成される。従って、この領域に散逸される磁石エネルギーは、有効には使用できない。下記の特許文献３は、類似の構成を開示し、その構成では、永久磁石が外側のロータ表面で閉成されたロータ本体部のスロットに挿入される。その際、ロータは、所定の部分に分割されており、これらの部分はフレームに装着されることが必要である。
欧州特許第０６４１０５９Ｂ１号公報 欧州特許第０６９１７２７Ｂ１号公報 独国特許第１０１００７１８Ａ１号公報

下記の特許文献４は、回転電気機械用であって所謂「磁束集中型」に埋め込まれた磁石から形成される多極永久磁石ロータを記載する。この文献に示されたロータ構成では、永久磁石は、ロータ本体部に固定されたヨーク間の溝状の間隙にロータ軸の半径方向に配置された扁平な立方体として形成されている。永久磁石を容易に装着するために、この文献は、ヨークを、２つの極を有し隣接する２つのヨーク半体に分割することを提案し、ここで、磁石は、その間に配置されてロータ本体部にそれぞれ固定可能な極要素を形成する。
ＷＯ００／５７５３７公報

下記の特許文献５は、埋め込まれた磁石を有する別のロータ構成を示し、その構成では、磁石は、ロータ本体部の半径方向若しくは半径方向に平行に配置される。
欧州特許第０８７２９４４Ａ１号公報

類似の構成が、下記の特許文献６に示されている。ロータは、強磁性材料の本体部から構成され、該本体部は、ロータ用に所望の数の極を提供するように永久磁石が埋め込まれ半径方向に延びる複数のスロットを規定する。永久磁石を受け入れるためのスロットは、ロータ本体部の外周にブリッジを、ロータ本体部の内径に開口部を、それぞれ有して構成され、その結果、永久磁石は、該スロットに挿入されて保持可能である。半径方向に延びるスロットにより分離されるロータ本体部の台形要素は、ロータの極を形成することになる。
欧州特許第０８０３９６２Ｂ１号公報

埋め込まれた永久磁石を有するロータを示すさらなる特許文献は、下記の特許文献７、特許文献８及び特許文献９である。
英国特許第１１７７２４７号公報 欧州特許第０９５５７１４Ａ２号公報 米国公開公報２００２／００６７０９６Ａ１明細書

本発明に基づくロータ装置の好ましい用途は、ブラシレス直流モータ又は永久磁石同期モータである。そのようなモータは、広範囲の用途に使用可能であり、例を上げると、ディスク記憶装置のスピンドルモータ、自動車の操縦システム及びブレーキシステム補助用の電気モータ、電動工具及び多数の他の用途のモータがある。

永久磁石の半径方向への配置については、従来技術で示され記載されているように、永久磁石の規則的な配置がコギングトルク（cogging torque）効果を発生させるという問題が出現する可能性があり、このコギングトルクは、永久磁石モータの作動に不利である。表面磁石を有するロータ装置では、急な位相切り換えを回避し、それによりコギングトルクを低減するために、例えば、Hendershot及びMillerの上述した文献に開示されているように、傾斜した磁石配置（スキューされた磁石）を提供することが知られている。しかしながら、ロータ極を傾斜させて磁化すること（スキュー着磁）は、磁力の軸方向成分を生成し、そのため、トルク損失が発生する。さらに、永久磁石モータの作動中に形成されるコギングトルクの問題は、ロータが上述したタイプの埋め込み磁石を有するために、満足できる程度には、まだ解決されていない。

そこで、本発明の目的は、電気機械の効率を改善可能な、より詳細には、コギングトルクを排除し若しくは低減することが可能で埋め込み磁石を有するロータ装置を提供することである。

この目的は、請求項１の特徴を有するロータ装置によって解決される。

本発明によれば、内部開口部を有する略円筒状の本体部を備える電気機械用のロータ装置が提供される。このロータ本体部には、スロットが形成され、該スロットは、内部開口部から本体部の外周に向かって延びて、永久磁石は、このスロットに配置される。本発明では、少なくとも１つのスロットが、本体部の外周近傍にあってその幅が拡大された領域を有する端部を備える。スロットの外側端部にあってその幅が拡大された領域は、ステータとロータとの間の空隙における磁束（フラックス）集中を改善する。

好ましくは、本体部の外周近傍にあるスロットの端部は、外部に対して閉成されており、スロットの幅が拡大された領域を形成する凹部若しくは切り込みを含む。好ましい実施形態では、上記スロットに挿入された永久磁石は、その幅が拡大された上記領域には延在しない。別の実施形態では、永久磁石は、幅が拡大された領域に、部分的に若しくは完全に延在する。永久磁石により占有されていない端部の部分は、空気若しくは磁気特性を有しない別の媒体で充満され得る。コギングトルクを低減するためには、永久磁石が、スロットの外側端部にあってその幅が拡大された領域に、その全体には延在しないことが望ましい。このことは、結果的に、ロータ装置の外周近傍にスロットの「空」端が形成される構造をもたらし、この「空」端は、コギングトルクに関して正の影響を有する。

本体部の外周近傍に、幅が拡大されたスロット端部を形成することによって、通常、ロータ装置及びステータ装置を通る磁束集中を制御する、より詳細には、コギングトルクを低減することが可能である。このため、モータの作動は、好適な端部の形状を選択することにより、及び、スロット内の磁石の配置を制御することにより、調整され得る。

従来の埋め込み磁石の配置は、空隙における電磁誘導の半径方向の分布及び磁束集中のような、モータを制御するパラメータに対して２つの自由度、すなわち、各磁石の幅と各磁石の高さ、のみを提供したが、本発明は、モータ調整用に４つのパラメータを許容する。本発明によれば、モータは、各磁石の幅、各磁石の高さ、永久磁石を保持するスロットの端部にある凹みの形状及び寸法、並びに、端部に延在する永久磁石の長さの関数として、調整可能である。そのため、従来技術に基づく配置よりも、空隙における磁束集中及び電磁誘導の分布に影響を与えることが容易である。磁石部の配置及びスロットの形状を最適化することにより、従来技術で使用されてきた傾斜配置技術（スキュー技術）を用いる必要なくして、コギングトルクを低減することが可能である。より詳細には、幅広の開口部を有するスロット端部を形成することによって、磁束は、より小さい領域に集中されて空隙の磁束分布を変更可能であり、特に、コギングトルクを低減することができる。狭い端部を有するスロットを選択することは、より高い誘導を発生させるであろう。さらに、コギングトルクは、スロット内の永久磁石の位置を変更することにより制御可能である。より詳細には、永久磁石が端部に延在しない場合には、より小さいコギングトルクだけでなくより小さい誘導が達成される。

ロータ本体部の外周では、スロットがブリッジにより閉成され、該ブリッジは、磁石をおこり得る機械的及び電磁気的損傷から保護し、且つ、各磁石の両側の極を結合する。しかしながら、これらのブリッジは、大部分の漂遊磁束を伝導する。そのため、ブリッジの厚さは、慎重に、永久磁石の保護及び漂遊磁束の低減に関する両方の要求特性を満たすように設計されなければならない。

本発明によれば、永久磁石を保護し且つ該永久磁石をそこで保持するために必要な（金属の）保持筒は存在しない。従って、空隙の寸法は、低減可能であり、そして磁石からのエネルギーは、より効率的にステータに伝達可能であり、その結果、エネルギー損失は小さくなる。結果として、そうでなければ、同等の条件で設計される表面磁石と比較した場合に、磁性材料の体積は、低減可能である。従って、本体部の外周で閉成されるスロット内の磁石部の提案された配置を用いて、モータの全体効率が増加され得る。

本発明は、ロータ本体部が磁性コアを構成し、そこに埋め込まれる磁石を有するロータ装置を提供する。好ましくは、ロータ本体部の内部開口部は、ロータ本体部をシャフトに共軸に装着するために形成されている。より詳細には、該本体部は、ハブを介してシャフトに装着される。このハブは、非磁性材料から成るべきである。

代替的な実施形態では、ロータ本体部は、電気機械のステータを囲繞するように構成され、空隙は、ロータとステータとの間に形成されている。

本発明の１つの特別な実施形態では、ロータ本体部の外周には、隣接する２つの永久磁石の間に凸状部若しくは凹状部が形成されている。この凸状部若しくは凹状部は、電磁誘導の半径方向成分の分布を制御するための追加的な手段として機能する。通常、隣接する２つの永久磁石の間に形成される磁極は、電磁誘導の分布を制御するための異なる形状、より詳細には、異なる凸状部若しくは凹状部を有することができる。

本発明によれば、コギングトルクを排除若しくは低減可能で埋め込み磁石を有する電気機械用のロータ装置、及び該ロータ装置を有する永久磁石モータを提供することができる。

本発明の実施の形態にかかるロータ装置及び永久磁石モータについて、以下図面を参照して説明する。

図１は、本発明にかかる永久磁石モータの断面図を模式的に示す。モータは、ステータ装置１０と、本発明にかかるロータ装置１２とを備える。ロータ装置１２は、シャフト１４に装着されている。ロータ装置１２は、磁性コア及びヨークを含むロータ本体部１８及び永久磁石２０，２２，２４，２６，２８，３０を有する。磁極３２，３４，３６，３８，４０，４２は、永久磁石２０乃至３０の間に形成されている。ロータ本体部１８のコア材料の磁化は、Ｎ（北）及びＳ（南）により図面中に示されている。

永久磁石２０乃至３０は、ロータ本体部１８のスロット（図２）に埋め込まれており、該スロットは、その幅が拡大された端部４４，４６，４８，５０，５２，５４を有する。これらの端部４４乃至５４は、ロータ本体部１８の外周近傍にあるスロット端部に形成された凹み若しくは切り込みにより形成可能である。

さらに、空隙５６が、ステータ装置１０とロータ装置１２との間に形成されており、当業者は、永久磁石モータが、図５に示すように、コイル、ハウジング、電気及び電子的制御部品のような追加的な構成要素を備えることを理解するであろう。

本発明は、図２を参照してさらに詳細に説明され、この図２は、本発明にかかるロータ装置の拡大された断面図を示す。図１と同一の構成要素は、同一の参照番号で表されている。わかり易いという理由で、永久磁石２０乃至３０及び磁極３２乃至４２のいくつかの参照番号が省略されている。

ロータ本体部１８は、ヨークを含む磁性コアを形成し、そのため、好適な磁気特性を有する材料から構成されている。シャフト１４は、該シャフトとロータ本体部１８との間の磁気的な分離が確保されている限り、磁性若しくは非磁性材料から構成可能である。ロータ本体部１８は、ハブ（図示しない）を介して、シャフト１４に装着可能である。

永久磁石２０乃至３０は、ロータ本体部１８に形成されたスロット５８に配置されている。スロット５８は、ロータ本体部１８の内部開口部６２で開放し、ロータ本体部１８の外周で、相対的に薄いブリッジ６４により閉成されている。永久磁石２０乃至３０は、ロータ本体部１８の内部開口部６２からスロット５８に挿入可能であり、そこに確実に保持される。ロータ本体部１８の外周にあるブリッジ６４は、永久磁石２０乃至３０を、いかなる機械的及び電磁気的な損傷から保護する。このブリッジは、漂遊磁束の重要な部分を伝導するので、機械的安定性及び漂遊磁束に関する要求特性を満たすように、慎重にこれらのブリッジ６４の厚さを規定することが重要である。

図２に示すように、スロット５８は、その幅が拡大された端部５０を有する。この端部は、各スロットの幅を変更するために、該端部に切り込み若しくは凹みを提供することにより形成可能である。図１及び図２において、永久磁石２０，２２，２４，２６，２８，３０が完全に端部４４，４６，４８，５０，５２，５４に挿入されていることが示される一方で、当業者は、永久磁石が上記端部４４，４６，４８，５０，５２，５４に部分的にのみ延びることも可能であり、あるいは、端部に到達しないで（端部から離間して）終端してもよい、ということを理解するであろう。

端部の形状、特に、端部におけるスロットの幅は、磁極３２乃至４２の外縁部（磁極弧）を通る磁束集中を制御するように機能し、該磁極弧は、スロットの端部４４乃至５４の間で規定される。端部が幅広になるほど、これらの端部の間の磁極弧は小さくなる。このため、スロットの端部の形状を選択することにより、磁性コア及び空隙における磁束分布は制御可能である。さらに、各永久磁石２０乃至３０の長さを、端部４４乃至５４に完全に若しくは部分的に延びるように、あるいは、端部から離間して終端するように調整することにより、永久磁石モータの誘導及びコギングトルクを制御することができる。

図３は、本発明にかかるロータ装置の変形例を示す。同一の構成要素は、図２で使用された同一の参照番号により表されている。

図２及び図３の実施形態の間の相異は、ロータ本体部の磁極３２乃至４２が、永久磁石２０，２２，２４，２６，２８，３０の間に、凸状部７０を有して形成されているということである。ロータ本体部の形状は、空隙における電磁誘導の半径方向成分の分布を制御するさらなる手段である。この電磁誘導を制御するために、異なる形状を有する凸状若しくは凹状の極を形成することが可能である。

図４は、ロータ本体部及びステータ装置から形成される磁性コアを通過する磁束を図解するために、図１のモータの一部の模式的な断面図を示す。図４は、拡大された幅を有するスロット端部が、磁束の半径方向の分布にどのような影響を及ぼすか、より詳細には、該スロット端部がコギングトルクを低減するために役立つ磁束集中効果をどのように有するかを示す。当業者は、スロット端部の形状が変更可能であること、より詳細には、用途の特定の要求に応じて誘導及びコギングトルクを調整するために、スロット端部の形状がより広く若しくはより狭くされ得ることを理解するであろう。

上記明細書、特許請求の範囲及び図面に開示された特徴は、本発明の種々の実施形態を実行するために、単独で若しくはこれらを組み合わせて、関連し得る。

本発明は、上記の実施形態に限定されず、本発明の思想を逸脱しない範囲で、その応用及び変形等は任意である。
例えば、上記実施の形態では、モータは、内部ロータを有する（インナーロータ型の）永久磁石モータとして説明したが、外部ロータを有する（アウターロータ型の）モータであってもよい。
さらに、本発明のロータ装置は、永久磁石モータ又はブラシレス直流モータに好適に使用されるが、これに限らず、ロータ装置を有する永久磁石電気機械若しくは直流モータに適用可能である。

本発明にかかるロータ装置及びステータ装置を備えるモータの模式的な断面図である。 本発明にかかるロータ装置の模式的な断面図である。 本発明のさらなる実施形態に係るロータ装置の模式的な断面図である。 磁束が示されている図１のモータの一部の模式的な断面図である。 従来の永久磁石モータの長手方向の模式的な断面図である。

符号の説明

１０ ステータ装置
１２ ロータ装置
１４ シャフト
１８ ロータ本体部
２０ 永久磁石
２２ 永久磁石
２４ 永久磁石
２６ 永久磁石
２８ 永久磁石
３０ 永久磁石
３２ 磁極
３４ 磁極
３６ 磁極
３８ 磁極
４０ 磁極
４２ 磁極
４４ 端部
４６ 端部
４８ 端部
５０ 端部
５２ 端部
５４ 端部
５６ 空隙
５８ スロット
６２ 内部開口部
６４ ブリッジ
７０ 凸状部
１１０ シャフト
１１２ ヨーク
１１４ 筐体
１１６ ロータ装置
１１８ ステータ装置
１２２ 永久磁石
１２４ フランジ
１２６ 軸受
１２８ 軸受
１５５ 金属薄板
１６０ コイル

Claims (12)

1. 内部開口部（６２）を有する略円筒形状のロータ本体部（１８）と、
   該本体部（１８）に形成されているスロット（５８）に配置された永久磁石（２０−３０）と、
   を備え、
   前記スロット（５８）は、前記内部開口部（６２）から前記本体部（１８）の外周に向かって延伸し、
   該スロット（５８）の少なくとも１つは、前記本体部（１８）の外周近傍に、その幅が拡大された領域を有する端部（４４−５４）を具備する、
   ことを特徴とする電気機械用のロータ装置。
2. 前記スロット（５８）は、前記本体部（１８）の外周近傍の前記端部で閉成され、
   該スロット（５８）は、前記外周近傍にてその幅が拡大された前記領域を形成する凹みを有する、
   ことを特徴とする請求項１に記載のロータ装置。
3. 前記永久磁石（２０−３０）は、その幅が拡大された前記領域から離間して終端する、ことを特徴とする請求項１又は２に記載のロータ装置。
4. 前記永久磁石（２０−３０）は、その幅が拡大された前記領域に延在する、ことを特徴とする請求項１又は２に記載のロータ装置。
5. 前記端部（４４−５４）は、磁気特性を有しない媒体により充填されている、ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のロータ装置。
6. 前記ロータ本体部（１８）は、磁性コアを構成する、ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のロータ装置。
7. 前記永久磁石（２０−３０）が配置された前記スロット（５８）は、前記本体部を通って略半径方向に延びる、ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のロータ装置。
8. 前記内部開口部（６２）は、前記本体部（１８）をシャフト（１４）に共軸に装着するように構成されている、ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載のロータ装置。
9. 前記本体部（１８）は、ハブを介して前記シャフト（１４）に装着されている、ことを特徴とする請求項８に記載のロータ装置。
10. 前記ハブは、非磁性材料から成る、ことを特徴とする請求項９に記載のロータ装置。
11. 前記本体部（１８）の外周には、隣接する２つの永久磁石の間に、凸状部（７０）若しくは凹状部が形成されている、ことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載のロータ装置。
12. 請求項１乃至１１のいずれかに記載されたロータ装置（１２）と、該ロータ装置と協働するステータ（１０）とを備える、ことを特徴とする永久磁石モータ。

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