JP2005110403A - 電動機のロータ - Google Patents

Abstract

【課題】 運転効率の向上を図り得る電動機のロータを提供すること。
【解決手段】 位置センサ８をロータコア１８の外周面に径方向から対向配置した。このため、位置センサ８とステータとの機械的な離間距離が長くなるので、位置センサ８がステータからの磁束の影響を受け難くなる。しかも、ロータコア１８にロータフレーム１３およびティースの双方に対して突出する突出部２０を設け、位置センサ８が突出部２０で回転位置を検出するようにしたので、位置センサ８用の磁束を確実に確保できる。これと共に位置センサ８用の磁束がロータフレーム１３を還流することがなくなり、位置センサ８に確実に届くようになるので、総じて、位置センサ８の検出精度が高まる。従って、ステータコイルの制御タイミングとロータコア１８の現実位置との整合性が高まるので、運転時に振動が発生し難くなり、運転効率が向上する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ステータの外周部に回転可能に設けられるアウタロータ形の電動機のロータに関する。

上記ロータの従来構成を図８に基いて説明する。ステータ１０１の外周部にはロータコア１０２が回転可能に配設されている。このロータコア１０２は磁性材製の台板１０３に固定されたものであり、ロータコア１０２には複数のマグネット挿入部１０４が形成され、各マグネット挿入部１０４内にはロータマグネット１０５が固定されている。
特許第３０１７９５３号公報

上記従来構成の場合、ステータ１０１およびロータコア１０２間のエアギャップ１０６内に位置センサ１０７が配置されているので、位置センサ１０７がステータ１０１からの磁束の影響を受け易い。しかも、ロータコア１０２の軸方向の高さ寸法がステータコア１０１と同一値に設定されているので、ロータの磁力に余分な磁束がなく、位置センサ１０７による位置検出が十分にできない。このため、位置センサ１０７の検出精度が悪く、ステータコイル１０８の制御タイミングがロータコア１０２の現実位置に対してずれるので、運転時に振動が発生し、運転効率が低下する。図９はエアギャップ１０６内の磁束分布を示すものである。この磁束分布は、実線で示すように、ロータマグネット１０５の周方向の中心をピーク値とする擬似正弦波になるが、位置センサ１０７の出力は、二点鎖線で示すように、正規の擬似正弦波に対してずれる。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、運転効率の向上を図り得る電動機のロータを提供することにある。

＜請求項１に係る発明について＞
請求項１に係る発明は位置センサをステータからの磁束の影響を受け難く、しかも、位置検出用の磁束を確保し易い領域に配置したものであり、主な用語の意義は次の通りである。
１）台板：外転形のロータコアを支持する支持部材を称する。この台板は磁性鋼板等の磁性材から形成されたものであり、回転軸を有している。
２）ロータコア：台板に相対的な静止状態で支持された磁性体を称する。このロータコアは軸方向の高さ寸法がティースに比べて大きく設定されたものであり、台板およびティースの双方に対して軸方向に突出する突出部を有している。このロータコアの外周面または軸方向端面には位置センサが径方向または軸方向から対向配置されている。この位置センサはステータ等の静止部位に連結されたものであり、ロータコアの突出部で回転位置を検出するものである。
３）マグネット挿入部：ロータコアに設けられたロータマグネット挿入用の空間部を称するものであり、ステータの極に電気的に対応する位置に電気的に対応する数だけ形成されている。
４）ロータマグネット：マグネット挿入部内に挿入された永久磁石を称するものであり、ステータ側および反ステータ側の両面が異極に着磁されたものである。
＜請求項２に係る発明について＞
請求項２に係る発明はロータコアの突出部にロータマグネットが存在しない非存在部分を設け、ロータコアの回転位置を非存在部分で検出するものである。この非存在部分はロータマグネットの軸方向の高さ寸法をロータコアに比べて小さく設定することで形成されるものである。
＜請求項３に係る発明について＞
請求項３に係る発明はロータマグネットの軸方向端面をロータコアの軸方向端面に対して軸方向に突出させ、ロータコアの軸方向端面のうちロータマグネットの外周部に磁性壁部を設けたものである。この磁性壁部は台板およびティースの双方に対して軸方向に突出する突出部として機能するものであり、磁性壁部の外周面または軸方向端面には径方向または軸方向から位置センサが対向配置されている。特に位置センサを磁性壁部の外周面に径方向から対向配置するときにはロータマグネットの非存在部分で対向させることが好ましい。
＜請求項４に係る発明について＞
請求項４に係る発明はロータコアにスリットを形成したものである。このスリットは外周面が開口するものであり、周方向に隣接するロータマグネット間に配置されている。
＜請求項５に係る発明について＞
請求項５に係る発明はロータコアにスリットを形成したものである。このスリットは外周面が開口するものであり、ロータマグネットの外周部に配置されている。
＜請求項６に係る発明について＞
請求項６に係る発明は突出部の表面に合成樹脂製の絶縁層を設けたものである。

請求項１に係る発明によれば、位置センサをロータコアの外周面または軸方向端面に径方向または軸方向から対向配置した。このため、位置センサとステータとの機械的な離間距離が長くなるので、位置センサがステータからの磁束の影響を受け難くなる。しかも、ロータコアに台板およびティースの双方に対して突出する突出部を設け、位置センサが突出部で回転位置を検出するようにしたので、位置センサ用の磁束を確実に確保できる。これと共に位置センサ用の磁束が台板を還流することがなくなり、位置センサに確実に届くようになるので、総じて、位置センサの検出精度が高まる。従って、ステータコイルの制御タイミングとロータコアの現実位置との整合性が高まるので、運転時に振動が発生し難くなり、運転効率が向上する。
請求項２に係る発明によれば、ロータマグネットの軸方向の高さ寸法をロータコアに比べて小さく設定した。このため、高価なロータマグネットの使用量が減るので、コストを削減できる。しかも、ロータマグネットからの磁束がロータコアを介して還流するので、位置センサ用の磁束も十分に確保することができる。
請求項３に係る発明によれば、ロータコアの軸方向端面のうちロータマグネットの外周部に突状の磁性壁部を設けた。このため、ロータマグネットからの磁束が外周方向へ還流し易くなるので、位置センサを磁性壁部の外周面に対向配置する場合に位置センサの検出精度が向上する。しかも、外周側の磁性壁部と中間のロータマグネットと内周側のロータコアとが段違いの状態になる。このため、ロータマグネットからの磁束が軸方向へ還流し易くなるので、位置センサを磁性壁部の軸方向端面に対向配置する場合に位置センサの検出精度が向上する。
請求項４に係る発明によれば、ロータコアのうち周方向に隣接するロータマグネット間にスリットを形成した。このため、ロータコアの極間をショートカットする磁束が少なくなり、ロータコアの極間を還流する位置センサ用の磁束が増えるので、位置センサの検出精度が一層向上する。
請求項５に係る発明によれば、ロータコアのうちロータマグネットの外周部にスリットを形成したので、ロータコアの単一の極内に相対的な異極が生成される。このため、ロータコアの回転位置を短いピッチで検出できるので、ステータコイルの負荷変動に応じたスイッチング制御を行い易くなる。
請求項６に係る発明によれば、突出部の表面に合成樹脂製の絶縁層を設けたので、ロータコアの台板に対する接合力およびロータコアの防錆性が向上する。しかも、マグネット挿入部の開口を絶縁層によって塞ぐことができるので、マグネット挿入部内に鉄粉等の異物が侵入することを防止できる。

＜実施例１＞
１．ステータ１について
ベース２には、図２に示すように、ステータコア３がネジ止めされている。このステータコア３は磁性鋼板を軸方向に積層することから構成されたものであり、円筒状をなすヨーク４とヨーク４から放射状に延びる複数のティース５とを有している。これら複数のティース５の表面には合成樹脂製の絶縁層６が形成されており、複数のティース５には絶縁層６の上からＵ・Ｖ・Ｗ相のコイル７が巻装されている。この絶縁層６には外周側へ延びるアーム状のホルダ（図示せず）が固定されており、ホルダには、図１に示すように、ホール素子からなる位置センサ８が固定されている。
２．ロータ１０について
ベース２には、図２に示すように、軸受１１の外輪が上下２段に固定されており、両軸受１１の内輪には回転軸１２が固定されている。この回転軸１２はステータコア３の軸心線ＣＬ上に配置されたものであり、回転軸１２の下端部には台板に相当するロータフレーム１３が固定されている。このロータフレーム１３は磁性鋼板をプレス加工することに基いて形成されたものであり、円筒状のヨーク１４とヨーク１４の上端部に位置する円環状のフランジ１５とヨーク１４の下面を塞ぐ円板状のカバー１６とを有している。

ロータフレーム１３の内周面には外周部に位置して円環状のコア台１７が固定されている。このコア台１７は合成樹脂を材料に形成されたものであり、コア台１７の上端面には円筒状のロータコア１８が固定されている。このロータコア１８は磁性鋼板を軸方向に積層することに基いて形成されたものであり、ロータコア１８には、図１の（ｂ）に示すように、複数の凹部１９が周方向に等ピッチで形成されている。

ロータコア１８の軸方向の高さ寸法Ｈ１は、図２に示すように、ティース５の軸方向の高さ寸法Ｈ２に比べて大きく設定されている。このティース５の上端面はロータフレーム１３の上端面と同一高さに配置されており、ロータコア１８の上端面はティース５の上端面およびロータフレーム１３の上端面に対して上方に突出している。符合２０はロータコア１８の突出部を示すものであり、突出部２０とはロータコア１８のうちティース５の上端面およびロータフレーム１３の上端面に対して上方に突出する部分を称している。

ロータコア１８には、図１の（ｂ）に示すように、複数の磁極２１が形成されている。これら各磁極２１は周方向に隣接する２個の凹部１９間に位置する部分を称するものであり、内周面が円弧状をなしている。また、ロータコア１８には複数のスリット２２が周方向に等ピッチで形成されている。これら各スリット２２は周方向に隣接する磁極２１間の境界部分に位置するものであり、外周面が開口する直状をなしている。

各磁極２１にはマグネット挿入部２３が形成されている。これら各マグネット挿入部２３は、図１の（ａ）に示すように、ロータコア１８を軸方向に貫通する孔状をなすものであり、各マグネット挿入部２３内には高エネルギー積のネオジム（Ｎｄ）製のロータマグネット２４が固定されている。これら各ロータマグネット２４は内周側の一面および外周側の反対面が異極となる板状をなすものであり、各ロータマグネット２４の軸方向の高さ寸法はロータコア１８の軸方向の高さ寸法と同一値に設定され、各スリット２２の内周側の底面は、図１の（ｂ）に示すように、ロータマグネット２４の径方向の厚さ寸法の中心線ＣＬに比べて内周側に配置されている。

ロータコア１８の表面には、図１の（ａ）に示すように、突出部２０に位置して絶縁層２５が形成されている。この絶縁層２５はロータ台１７と同一の合成樹脂を材料に形成されたものであり、突出部２０は、図１の（ａ）および（ｂ）に示すように、外周面・上端面・内周面の全域が絶縁層２５によって覆われている。この絶縁層２５およびコア台１７は、図１の（ａ）に示すように、マグネット挿入部２３の上面および下面を閉鎖することに基いてロータマグネット２４をマグネット挿入部２３内に閉じ込めるものであり、位置センサ８は絶縁層２５の外周部に配置されることに基いて突出部２０の外周面に径方向から対向している。この位置センサ８はロータコア１８の回転位置を検出するものであり、位置センサ８の検出結果に基いてＵ・Ｖ・Ｗ相のコイル７をスイッチング制御することで回転磁界が生成され、ロータ１０が回転軸１２を中心に回転する。

次にロータ１０の製造方法について説明する。
１）ロータコア１８の複数のマグネット挿入部２３内にロータマグネット２４を挿入する。この状態では各ロータマグネット２４がマグネット挿入部２３の内面に磁力で仮固定され、マグネット挿入部２３に対して軸方向に磁力で位置決めされる。
２）ロータフレーム１３およびロータコア１８を成形型のキャビティ（いずれも図示せず）内に収納する。この状態ではロータコア１８がロータフレーム１３の内周面に磁力で仮固定され、ロータフレーム１３のカバー１６に対して離間した状態に磁力で位置決めされる。
３）成形型のキャビティ内に溶融樹脂を注入し、コア台１７および絶縁層２５を一体成形する。

上記第１実施例によれば、位置センサ８をロータコア１８の外周面に径方向から対向配置した。このため、位置センサ８とステータ１との機械的な離間距離が長くなるので、位置センサ８がステータ１からの磁束の影響を受け難くなる。しかも、ロータコア１８にロータフレーム１３およびティース５の双方に対して突出する突出部２０を設け、位置センサ８が突出部２０で回転位置を検出するようにしたので、位置センサ８用の磁束を確実に確保できる。これと共に位置センサ８用の磁束がロータフレーム１３を還流することがなくなり、位置センサ８に確実に届くようになるので、総じて、位置センサ８の検出精度が高まる。従って、ステータコイル７の制御タイミングとロータコア１８の現実位置との整合性が高まるので、運転時に振動が発生し難くなり、運転効率が向上する。

ロータコア１８のうち周方向に隣接するロータマグネット２４間にスリット２２を形成した。このため、ロータコア１８の磁極２１間をショートカットする磁束が少なくなり、ロータコア１８の磁極２１間を還流する位置センサ８用の磁束が増えるので、位置センサ８の検出精度が一層向上する。
突出部２０の表面に合成樹脂製の絶縁層２５を設けたので、ロータコア１８のロータフレーム１３に対する接合力およびロータコア１８の防錆性が向上する。しかも、マグネット挿入部２３の上面を絶縁層２５によって塞いだので、マグネット挿入部２３内に鉄粉等の異物が侵入することを防止できる。

＜実施例２＞
各ロータマグネット２４の軸方向の高さ寸法Ｈ３は、図３に示すように、ロータコア１８の軸方向の高さ寸法Ｈ１に比べて小さく設定されており、各マグネット挿入部２３内の上端部にはロータマグネット２４が存在しない空間部２６が形成されている。これら各空間部２６内には合成樹脂製の栓部２７が形成されており、各ロータマグネット２４は栓部２７によってマグネット挿入部２３内に閉じ込められている。これら各栓部２７はコア台１７および絶縁層２５の成形時に溶融樹脂を空間部２６内に充填することで一体形成されたものであり、位置センサ８は栓部２７の外周部に配置されることに基いて突出部２０の外周面に径方向から対向している。

上記第２実施例によれば、ロータマグネット２４の軸方向の高さ寸法Ｈ１をロータコア１８に比べて小さく設定した。このため、高価なロータマグネット２４の使用量が減るので、コストを削減できる。しかも、ロータマグネット２４からの磁束がロータコア１８を介して還流するので、位置センサ８用の磁束も十分に確保することができる。
＜実施例３＞
ロータコア１８の上端面には、図４に示すように、突出部に相当する複数の磁性壁部２８が形成されている。これら各磁性壁部２８はロータマグネット２４の外周面に接触するものであり、位置センサ８は磁性壁部２８の上端面に軸方向から対向配置されている。

上記第３実施例によれば、ロータコア１８の軸方向端面のうちロータマグネット２４の外周部に突状の磁性壁部２８を設けたので、磁束が外周方向へ還流し易くなる。しかも、磁性壁部２８とロータマグネット２４とロータコア１８とを上端面が段違いの状態にしたので、位置センサ８用の磁束が軸方向へ還流し易くなり、位置センサ８を磁性壁部２８の軸方向端面に対向配置する場合に位置センサ８の検出精度が向上する。

上記第３実施例においては、位置センサ８を磁性壁部２８の上端面に対向配置したが、これに限定されるものではなく、例えば磁性壁部２８の外周面のうちロータマグネット２４が存在しない上端部に対向配置しても良い。
＜実施例４＞
各ロータマグネット２４の軸方向の高さ寸法Ｈ３は、図５に示すように、ロータコア１８の軸方向の高さ寸法Ｈ１に比べて大きく設定されており、各ロータマグネット２４にはロータコア１８の上端面から上方へ突出する突出部２９が形成されている。これら各突出部２９の外面・内面・上端面には絶縁層３０が形成されている。この絶縁層３０はコア台１７および絶縁層２５の成形時に一体形成されたものであり、位置センサ８はロータコア１８の突出部２０の上端面に軸方向から対向配置され、しかも、ロータマグネット２４の突出部２９の外周面に径方向から対向配置されている。

上記第４実施例によれば、ロータマグネット２４にロータコア１８の軸方向端面から突出する突出部２９を設け、位置センサ８を突出部２９の外周面に径方向から対向配置した。このため、位置センサ８がロータマグネット２４からの磁束を直接的に検出できるので、位置センサ８の検出精度が向上する。
＜実施例５＞
回転軸１２の下端部には、図６に示すように、台板に相当する磁性鋼板製のロータ板３１が固定されている。このロータ板３１は円形状をなすものであり、ロータ板３１の外周部には円筒状の壁部３２が一体形成されている。このロータ板３１の外周部には円筒状のコア台３３が固定されており、コア台３３の上端面にはロータコア１８が固定されている。このコア台３３は合成樹脂を材料に形成されたものであり、コア台３３にはロータコア１８の外周面および内周面を覆う絶縁層３４が一体形成されている。このロータコア１８は下端面がティース５と同一の水平面上に配置され、上端面がティース５の上端面に対して上方に突出するものであり、ロータコア１８の突出部２０には外周面に位置して位置センサ８が対向配置されている。

上記第５実施例によれば、ロータ板３１に合成樹脂製のコア台３３を介してロータコア１８を固定した。このため、ロータ板３１とロータコア１８との接触部分がなくなるので、電気的な絶縁性能が高まる。しかも、ロータコア１８の運転時の振動がコア台３３によって吸収されるので、ロータ板３１に振動が伝わり難くなる。
＜実施例６＞
ロータコア１８の外周部には、図７に示すように、複数のスリット３５が周方向に等ピッチで形成されており、各スリット３５内には絶縁層２５を成形するときに樹脂が充填されている。これら各スリット３５は外周面が開口する直状をなすものであり、複数のスリット３５のうち所定のものは磁極２１間の境界部分に配置され、複数のスリット３５のうち残りのものはロータマグネット２４の外周部に配置されている。

上記第６実施例によれば、磁極２１間の境界部分に加えてロータマグネット２４の外周部にスリット３５を形成したので、単一の磁極２１内に相対的な異極が生成される。このため、ロータコア１８の回転位置を短いピッチで検出できるので、コイル７の負荷変動に応じたスイッチング制御を行い易くなる。
上記第１〜第６実施例においては、ネオジム製のロータマグネット２４を用いたが、これに限定されるものではなく、例えばサマリウム鉄（ＳｍＦｅ）等の高エネルギー積を有するロータマグネットを用いても良い。

本発明の第１実施例を示す図（ａはロータを拡大して示す断面図、ｂはＸ線に沿う断面図） ステータおよびロータを組付状態で示す断面図 本発明の第２実施例を示す図１の（ａ）相当図 本発明の第３実施例を示す図１相当図 本発明の第４実施例を示す図１の（ａ）相当図 本発明の第５実施例を示す図１相当図 本発明の第６実施例を示す図１の（ｂ）相当図 従来例を示す図１相当図 磁束分布を示す図

符号の説明

１はステータ、５はティース、８は位置センサ、１０はロータ、１２は回転軸、１３はロータフレーム（台板）、１８はロータコア、２０は突出部、２２はスリット、２３はマグネット挿入部、２４はロータマグネット、２５は絶縁層、２８は磁性壁部、３１はロータ板（台板）、３４は絶縁層、３５はスリットを示している。

Claims (6)

1. 回転軸に連結された磁性材製の台板と、
   前記台板に設けられ、前記台板およびステータのティースの双方に対して軸方向に突出する突出部を有する外転形のロータコアと、
   前記ロータコアに設けられた複数のマグネット挿入部と、
   前記複数のマグネット挿入部内に個別に挿入され、ステータ側および反ステータ側の両面が異極に着磁された複数のロータマグネットとを備え、
   前記ロータコアの外周面または軸方向端面には、前記突出部に位置して前記ロータコアの回転位置を検出する位置センサが径方向または軸方向から対向配置されていることを特徴とする電動機のロータ。
2. 前記各ロータマグネットは、軸方向の高さ寸法が前記ロータコアに比べて小さく設定され、
   前記ロータコアの外周面には、前記突出部のうち前記ロータマグネットの非存在部分に位置して前記位置センサが径方向から対向配置されていることを特徴とする請求項１記載の電動機のロータ。
3. 前記各ロータマグネットは、軸方向の高さ寸法が前記ロータコアに比べて大きく設定され、
   前記ロータコアの軸方向端面には、前記各ロータマグネットの外周部に位置して前記ロータマグネットの軸方向端面に対して突出する磁性壁部が突出部として設けられていることを特徴とする請求項１記載の電動機のロータ。
4. 前記ロータコアには、周方向に隣接するロータマグネット間に位置して外周面が開口するスリットが設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の電動機のロータ。
5. 前記ロータコアには、前記各ロータマグネットの外周部に位置して外周面が開口するスリットが設けられていることを特徴とする請求項４記載の電動機のロータ。
6. 前記突出部の表面には、合成樹脂製の絶縁層が設けられていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の電動機のロータ。
   
   

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