JP2004364369A - 磁石埋め込み型モータ - Google Patents

Abstract

【課題】モータを従来より大型化せずに出力トルクを向上させることが可能な磁石埋め込み型モータを提供する。
【解決手段】本発明の磁石埋め込み型モータは、回転子１０に埋設された各永久磁石３０の長手方向に磁束が貫通しているので、永久磁石の短手方向に磁束が貫通した従来のものより永久磁石３０による磁路を長くすることができる。そして、本実施形態では、永久磁石３０のうち磁束が貫通した長手方向を、回転子１０の径方向と直交した方向に向けたので、回転子１０を径方向に大型化せずにパーミアンスを向上させることができる。即ち、モータを従来より大型化せずに出力トルクを大きくすることが可能になる。また、本発明では、永久磁石３０の断面形状を台形とし、その斜辺を回転子１０の外側に向けることで正弦曲線に近くなり、モータをスムーズに回転させることが可能になる。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転子の内部に複数の界磁用の永久磁石を埋設した磁石埋め込み型モータ（ＩＰＭモータ：Ｉｎｔｅｒｉｏｒ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ＭａｇｎｅｔＭｏｔｏｒ）に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図４には、従来の磁石埋め込み型モータに備えた回転子１が示されている。この回転子１には、周方向に沿って複数の磁石収容孔２が形成され、それら各磁石収容孔２に永久磁石３が収容されている。これら磁石収容孔２及び永久磁石３は共に断面が長方形をなし、その厚さ方向が回転子１の径方向に向けられている。そして、各永久磁石３は厚さ方向（短手方向）に磁束が貫通するように着磁されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平０９−２８５０８８号公報（段落［００１３］ 第２図）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、モータの出力トルクを大きくするためには、回転子に埋設された永久磁石の磁路を長くしてパーミアンスを大きくする必要がある。
【０００５】
しかしながら、上記した従来の磁石埋め込み型モータでは、永久磁石３における磁束の貫通方向が回転子１の径方向を向いているので、永久磁石３による磁路を長くした場合には、回転子１が径方向に大きくなり、モータの小型化が困難になる。
また、上記した従来の磁石埋め込み型モータでは、磁石収容孔２及び永久磁石３の断面が共に長方形をなしているので、永久磁石３のうち磁束が貫通する両端面３Ａ，３Ｂの何れかと磁石収容孔２の内面との間にギャップが生じ得る。このためパーミアンスが低下し、出力トルクの向上を図ることが困難であった。
【０００６】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、モータを従来より大型化せずに出力トルクを向上させることが可能な磁石埋め込み型モータの提供を目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するためになされた請求項１の発明に係る磁石埋め込み型モータは、磁性体で構成された回転子の内部に複数の永久磁石を環状に並べて埋設した磁石埋め込み型モータであって、回転子の軸方向から見た永久磁石の断面形状は、回転子の径方向より径方向と直交する方向に長い扁平形状をなしかつ、各永久磁石は、扁平形状の断面の長手方向に磁束が貫通するように着磁されたところに特徴を有する。
【０００８】
請求項２の発明は、請求項１に記載の磁石埋め込み型モータにおいて、永久磁石の数を偶数としかつ、隣り合った永久磁石の近い側の端部を同極としたところに特徴を有する。
【０００９】
請求項３の発明は、請求項１又は２に記載の磁石埋め込み型モータにおいて、永久磁石の断面の扁平形状は、その長手方向の両端部に１対の斜辺を備えた台形とされかつ、それら斜辺が回転子の外側に向けられたところに特徴を有する。
【００１０】
請求項４の発明は、請求項１に記載の磁石埋め込み型モータにおいて、永久磁石の数を偶数としかつ、隣り合った永久磁石の近い側の端部を同極とする共に、永久磁石の断面の扁平形状は、その長手方向の両端部に１対の斜辺を備えた台形とされ、それら斜辺を回転子の外側に向けかつ各斜辺と回転子の中心を通る線と平行な基準線とがなす角度θを、回転子の極数をｎとしたときに、
０＜θ＜（９０−１８０／ｎ）
となるように設定したところに特徴を有する。
【００１１】
請求項５の発明は、請求項１に記載の磁石埋め込み型モータにおいて、永久磁石の数を偶数としかつ、隣り合った永久磁石の近い側の端部を同極とする共に、永久磁石の断面の扁平形状は、その長手方向の両端部に１対の斜辺を備えた台形とされ、それら斜辺を回転子の外側に向けかつ各斜辺と回転子の中心を通る線と平行な基準線とがなす角度θを、回転子の極数をｎとしたときに、
（２２．５−４５／ｎ）＜θ＜（６７．５−１３５／ｎ）
となるように設定したところに特徴を有する。
【００１２】
請求項６の発明は、請求項３乃至５の何れかに記載の磁石埋め込み型モータにおいて、回転子には、永久磁石が嵌合挿入された断面台形の磁石収容孔が備えられたところに特徴を有する。
【００１３】
請求項７の発明は、請求項６に記載の磁石埋め込み型モータにおいて、磁石収容孔は、永久磁石の断面形状である台形の斜辺が磁石収容孔の内面に当接した状態で、台形の上辺と磁石収容孔の内面との間に隙間が生じるように構成されたところに特徴を有する。
【００１４】
【発明の作用及び効果】
＜請求項１の発明＞
請求項１の磁石埋め込み型モータでは、回転子に埋設された各永久磁石の長手方向に磁束が貫通しているので、永久磁石の短手方向に磁束が貫通した従来のものより永久磁石による磁路を長くすることができる。そして、本発明では、永久磁石のうち磁束が貫通した長手方向を、回転子の径方向と直交した方向に向けたので、回転子を径方向に大型化せずにパーミアンスを向上させることができる。即ち、磁石埋め込み型モータを従来より大型化せずに出力トルクを大きくすることが可能になる。
【００１５】
＜請求項２，３，４，５の発明＞
請求項２の磁石埋め込み型モータのように、複数の永久磁石の数を偶数としかつ、隣り合った永久磁石の近い側の端部を同極にしたことで、回転子の周囲の磁束密度分布が正弦曲線に近くなり、これにより回転子をスムーズに回転させることが可能になる。また、請求項３の磁石埋め込み型モータでは、永久磁石の断面形状を台形とし、その斜辺を回転子の外側に向けることで、回転子の周囲の磁束密度分布が正弦曲線に近くなり、回転子をスムーズに回転させることが可能になる。
【００１６】
ここで、請求項２及び請求項３の構成を備えた上で、回転子の中心を通る線と平行な基準線に対する台形の斜辺の角度θを、
０＜θ＜（９０−１８０／ｎ）
ｎ：回転子の極数
に設定することで、回転子の周囲の磁束密度分布をさらに正弦曲線に近づけることができる（請求項４の発明）。また、その角度θを、
（２２．５−４５／ｎ）＜θ＜（６７．５−１３５／ｎ）
に設定することで、回転子の周囲の磁束密度分布をより一層正弦曲線に近づけることができる（請求項５の発明）。
【００１７】
＜請求項６，７の発明＞
請求項６の磁石埋め込み型モータでは、回転子の磁石収容孔に永久磁石を嵌合挿入して組み付けることができる。ここで、永久磁石の断面形状である台形の斜辺が磁石収容孔の内面に当接した状態で、その台形の上辺と磁石収容孔の内面との間に隙間が生じる構造にすることで、磁束が貫通する永久磁石の斜辺を磁石収容孔の内面に密着させることができ、従来のような永久磁石と磁石収容孔の内面との間のギャップの発生を防いで、出力トルクの向上を図ることができる（請求項７の発明）。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図１に基づいて説明する。本実施形態の磁石埋め込み型モータ（以下、単に「モータ」という）は、例えばブラシレスモータであって図示しないステータコアの中心に、図１に示した回転子１０を備える。ステータコアは、円筒体の内周面から複数のティースを内側に突出させた構造をなし、各ティースには電線が巻回されている。
【００１９】
図１には、回転子１０を軸方向から見た断面が示されている。この回転子１０は、例えば複数の珪素鋼板を積層してなる円柱体の中心に軸体１１を貫通した構造になっている。回転子１０には、その外周縁に沿って界磁用の複数の永久磁石３０が環状に並べて埋設されている。具体的には、回転子１０には、その外周縁に沿って複数の磁石収容孔２０が形成されており、それら磁石収容孔２０に平板状の永久磁石３０がそれぞれ嵌合挿入されている。また、複数の磁石収容孔２０は、回転子１０の周方向を例えば８等配するように配置されており、それら磁石収容孔２０の並び方向においては、磁石収容孔２０の占める面積が、磁石収容孔２０，２０同士の間に残された珪素鋼板の総面積より広くなっている。
なお、磁石収容孔２０は、前記した各珪素鋼板に形成した周縁孔が重ね合わされて構成されている。
【００２０】
磁石収容孔２０及び永久磁石３０は、回転子１０の軸方向から見た断面が共に台形になっている。より詳細には、磁石収容孔２０の台形断面は、上辺２１と底辺２２との間の寸法（台形の高さ）が、底辺２２の長さ寸法より短い扁平形状となっている。そして、回転子１０の中心点を直交する線に対して対称形状をなし、台形の両斜辺２３，２３が回転子１０の外側を向くように配置されている。
【００２１】
永久磁石３０の台形断面は、磁石収容孔２０と同様に上辺３１と底辺３２との間の寸法（台形の高さ）が、底辺３２の長さ寸法より短い扁平形状となっており、永久磁石３０の台形断面の斜辺３３，３３は、磁石収容孔２０の台形断面の斜辺２３，２３と同じ角度で傾斜している。また、永久磁石３０と磁石収容孔２０とは、図１に示すように永久磁石３０を磁石収容孔２０に挿入して永久磁石３０の台形断面の斜辺３３，３３を、磁石収容孔２０の台形断面の斜辺２３，２３に当接させた状態で、永久磁石３０の台形断面の上辺３１と磁石収容孔２０の台形断面の上辺３１との間に隙間が生じる大きさになっている。これにより、永久磁石３０の斜辺３３，３３を、磁石収容孔２０の斜辺２３に確実に密着させることができる。そして、これら斜辺２３，３３同士を密着させた状態で永久磁石３０が接着剤によって磁石収容孔２０内に固定されている。
【００２２】
さて、永久磁石３０の斜辺３３は、回転子１０の中心を通る線Ｌ１（図１参照）と平行な基準線Ｌ２（図１参照）に対し、以下の角度θで傾斜している。即ち、回転子１０の極数をｎとした場合に、永久磁石３０における斜辺３３と基準線Ｌ２とがなす角度θは、
【００２３】
（２２．５−４５／ｎ）＜θ＜（６７．５−１３５／ｎ）
【００２４】
となるように設定されている。より具体的には、本実施形態のモータは、後述するように極数が「８」であるので、上記不等式のｎに「８」を代入した以下の範囲の何れかの値に設定されている。
【００２５】
１６．８７５＜θ＜５０．６２５
【００２６】
永久磁石３０は、一方の斜辺３３から他方の斜辺３３に向かって磁束が貫通するように着磁されている。即ち、各永久磁石３０は、扁平断面の長手方向に磁束が貫通するように着磁されている。そして、隣り合った永久磁石３０の近い側の端部がＮ極又はＳ極の同極となるように配向されている。従って、回転子１０の周囲には、図１に示すように隣り合った永久磁石３０の突き合わせ部分の近傍がＳ極又はＮ極がとなるように分極されており、本実施形態では回転子１０に８つの永久磁石３０を備えたので回転子１０の極数は８極になっている。
【００２７】
本実施形態のモータの構成は以上であって、次に作用効果について説明する。モータを駆動すると、図示しないステータに備えた複数の巻線が励磁され、ステータ側のＳ極部分と回転子１０側のＮ極部分とが引き合うと共に、ステータ側のＮ極部分と回転子１０側のＳ極部分とが引き合う。そして、巻線の励磁パターンを逐次変更することで、ステータ側の磁束分布が変わり、これに追従するようにして回転子１０が回転して、所定のトルクが出力される。
【００２８】
ところで、モータの出力トルクを向上させるために、パーミアンス（磁束の通り易さ）を大きくすることが望まれる。ここで、パーミアンスは、以下の式によって求められる。
【００２９】
Ｐ＝（σ／ｆ）×（Ｓｇ・Ｄｍ）／（Ｓｍ・Ｄｇ）
【００３０】
Ｐ：パーミアンス
σ：漏れ計数
ｆ：起磁力損失係数
Ｄｍ：磁石の長さ
Ｄｇ：ギャップの長さ
Ｓｍ：磁石の断面積
Ｓｇ：ギャップの断面積
【００３１】
そして、本実施形態のモータでは、回転子１０に埋設された各永久磁石３０の長手方向に磁束が貫通しているので、永久磁石の短手方向に磁束が貫通した従来のものより永久磁石３０による磁路の長さ（上記式におけるＤｍ）を大きくすることができる。そして、本実施形態では、永久磁石３０のうち磁束が貫通した長手方向を、回転子１０の径方向と直交した方向に向けたので、回転子１０を径方向に大型化せずにパーミアンスを向上させることができる。即ち、モータを従来より大型化せずに出力トルクを大きくすることが可能になる。
【００３２】
また、回転子１０に備えた磁石収容孔２０と永久磁石３０とは、共に断面形状が台形になっているので、回転子１０が回転したときに、遠心力によって永久磁石３０の斜辺３３が磁石収容孔２０の斜辺２３（内面）に押し付けられる。これにより、永久磁石３０の斜辺３３と磁石収容孔２０の斜辺２３との間にギャップが生じることが防がれ、このことによっても従来よりパーミアンスを向上させることができる。
【００３３】
しかも、本実施形態のモータでは、複数の永久磁石３０の数を偶数としかつ、隣り合った永久磁石３０の近い側の端部を同極にし、さらに、永久磁石３０の台形断面の斜辺３３を回転子１０の外側に向けた上で、それら斜辺３３と基準線Ｌ２とがなす角度θを、
【００３４】
１６．８７５＜θ＜５０．６２５
【００３５】
としたので、回転子１０の周囲の磁束密度分布を正弦曲線に近くすることができる。
これにより回転子１０をスムーズに回転させることが可能になる。
なお、永久磁石３０は、曲面を有しない平板構造になっているので、曲面を有した永久磁石を製造する場合に比べて製造費を抑えることができる。
【００３６】
＜他の実施形態＞
本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、例えば、以下に説明するような実施形態も本発明の技術的範囲に含まれ、さらに、下記以外にも要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することができる。
（１）前記実施形態の永久磁石３０の断面は台形であったが、回転子の短手方向に扁平な断面形状であれば台形に限定されない。従って、永久磁石３０の断面を、例えば長方形にしてもよい。
【００３７】
（２）また、図２に示した永久磁石４０のように、回転子１０の軸方向から見た断面を円弧状とし、そこ円弧の凹面側を回転子１０の外側に向けて配置した構成にしてもよい。
【００３８】
（３）さらに、図３に示すように断面円弧状の永久磁石４１を、その円弧の凹面側が回転子１０の中心側を向くように配置した構成にしてもよい。
【００３９】
（４）前記実施形態では、回転子１０は、珪素鋼板を積層して構成されていたが、鉄板を積層して構成してもよい。
【００４０】
（５）前記実施形態の回転子１０は鋼板を積層して構成されていたが、例えば磁性粉体と絶縁部材との複合材料を成形して回転子を構成してもよい。この場合、前記実施形態で説明した磁石収容孔を備えた構造に前記複合材料を成形してからその磁石収容孔内に永久磁石を挿入組み付けしてもよいし、永久磁石を形成型にインサートした状態で複合材料を成形して、磁性粉体製の回転子に永久磁石を埋設した構造にしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る回転子及び永久磁石の断面図
【図２】回転子及び永久磁石の変形例の断面図
【図３】回転子及び永久磁石の変形例の断面図
【図４】従来の回転子及び永久磁石の断面図
【符号の説明】
１０…回転子
２０…磁石収容孔
３０，４０，４１…永久磁石
３１…上辺
３３…斜辺
Ｌ２…基準線

Claims (7)

1. 磁性体で構成された回転子の内部に複数の永久磁石を環状に並べて埋設した磁石埋め込み型モータであって、
   前記回転子の軸方向から見た前記永久磁石の断面形状は、前記回転子の径方向より前記径方向と直交する方向に長い扁平形状をなしかつ、前記各永久磁石は、前記扁平形状の断面の長手方向に磁束が貫通するように着磁されたことを特徴とする磁石埋め込み型モータ。
2. 前記永久磁石の数を偶数としかつ、隣り合った前記永久磁石の近い側の端部を同極としたことを特徴とする請求項１に記載の磁石埋め込み型モータ。
3. 前記永久磁石の断面の前記扁平形状は、その長手方向の両端部に１対の斜辺を備えた台形とされかつ、それら斜辺が前記回転子の外側に向けられたことを特徴とする請求項１又は２に記載の磁石埋め込み型モータ。
4. 前記永久磁石の数を偶数としかつ、隣り合った前記永久磁石の近い側の端部を同極とする共に、前記永久磁石の断面の前記扁平形状は、その長手方向の両端部に１対の斜辺を備えた台形とされ、
   それら斜辺を前記回転子の外側に向けかつ前記各斜辺と前記回転子の中心を通る線と平行な基準線とがなす角度θを、前記回転子の極数をｎとしたときに、
   ０＜θ＜（９０−１８０／ｎ）
   となるように設定したことを特徴とする請求項１に記載の磁石埋め込み型モータ。
5. 前記永久磁石の数を偶数としかつ、隣り合った前記永久磁石の近い側の端部を同極とする共に、前記永久磁石の断面の前記扁平形状は、その長手方向の両端部に１対の斜辺を備えた台形とされ、
   それら斜辺を前記回転子の外側に向けかつ前記各斜辺と前記回転子の中心を通る線と平行な基準線とがなす角度θを、前記回転子の極数をｎとしたときに、
   （２２．５−４５／ｎ）＜θ＜（６７．５−１３５／ｎ）
   となるように設定したことを特徴とする請求項１に記載の磁石埋め込み型モータ。
6. 前記回転子には、前記永久磁石が嵌合挿入された断面台形の磁石収容孔が備えられたことを特徴とする請求項３乃至５の何れかに記載の磁石埋め込み型モータ。
7. 前記磁石収容孔は、前記永久磁石の断面形状である台形の前記斜辺が前記磁石収容孔の内面に当接した状態で、前記台形の上辺と前記磁石収容孔の内面との間に隙間が生じるように構成されたことを特徴とする請求項６に記載の磁石埋め込み型モータ。

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