JP2005287262A - ロータおよびモータ - Google Patents

Abstract

【課題】 磁石の受熱や発熱を抑制して減磁を防止するとともに、回転時に発生する応力を低減して耐久性を高め、高速回転が可能なロータおよびこれを備えるモータを提供する。
【解決手段】 電磁鋼板２２を積層してなるヨーク２１と、ヨーク２１の外周側に所定間隔毎に配置された複数の永久磁石２３とを備えたロータ２０である。前記ヨーク２１を構成する各電磁鋼板２２は、少なくとも２つ以上の永久磁石２３ａ、２３ｂ（２３）により生成される磁極間に溝２４を形成するとともに、前記溝２４の間に配置される複数の磁石２３間の距離を各電磁鋼板２２の厚さの２〜２．５倍とする。
【選択図】 図１

Description

本発明はロータヨークの内部に永久磁石を配設してなる永久磁石式のロータおよびこれを備えるモータに係り、特に車両に搭載されるものに関する。

従来、ロータヨークの内部に磁石を配設してなる永久磁石式のＩＰＭ（Ｉｎｔｅｒｉｏｒ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ）ロータが知られている。
例えば、特許文献１には、ロータ（回転子）の半径Ｒ０と、ロータの中心から永久磁石の内周側の位置までの距離Ｒ１との比（Ｒ１／Ｒ０）を、０．８５より大きくする技術が提案されている。このようにすることで、ロータのブリッジ部からの漏れ磁束の低減や、発生トルクを増大を図っている。
また、特許文献２には、ロータを、磁極頭部と円筒部を頭部の中心に位置する一本の径鉄部にて接続し、継鉄部の左右に磁石を有する構造とする技術が提案されている。これにより、高速回転が可能となるように機械的な強度の増大を図っている。
特開平１１−２７５７８４号公報 特開平１１−２５２８４０号公報

しかしながら、従来の技術においては、以下のような問題がある。
すなわち、ロータ（回転子）の半径Ｒ０と、ロータの中心から永久磁石の内周側の位置までの距離Ｒ１との比を調整することで漏れ磁束を低減する従来技術において、ロータトルクを更に上昇するためには、構造的に電磁鋼板の積層枚数を多くするか、ロータ径を大きくすることが必要である。

ところが、車両に搭載されるような偏平型のモータにおいては、レイアウト上の点等から電磁鋼板の積層枚数が制限されるため、構造的にトルクを上昇させるためには、ロータ径を大きくする必要がある。しかし、ロータ径を大きくすると、ロータに発生する遠心力（応力）が増えるため、高速回転ができなくなるという問題がある。

また、この構成のロータの形状では、ロータの回転数が上昇するにつれて、交番磁束の周波数も同期して上昇してしまう。その結果、電磁鋼板の鉄損も増加して鉄心部の温度が上昇するため、該鉄心部に接触する磁石も熱を受けて温度が上昇してしまう。

更に、磁極間の鉄心を経由して磁石に流れ込む交番磁束による渦電流も、交番磁束の周波数の上昇と共に増えてしまい、それに伴い磁石自身の発熱も増大してしまう。
これらにより、磁石が減磁されてしまうと、機能的に高速回転が妨げられてしまうという問題がある。

また、磁極頭部と円筒部を、中心に位置する一本の継鉄部にて接続する構造とする従来技術の場合には、外径、回転数、磁石重量を同一に構成したロータに比べて、継鉄部付け根に発生する応力が過大となってしまい、耐久性の点で高速回転が妨げられてしまうという問題がある。

従って、本発明は、磁石の受熱や発熱を抑制して減磁を防止するとともに、回転時に発生する応力を低減して耐久性を高め、高速回転が可能なロータおよびこれを備えるモータを提供することを目的とする。

請求項１に係る発明は、電磁鋼板（例えば、実施の形態における電磁鋼板２２）を積層してなるヨーク（例えば、実施の形態におけるロータヨーク２１）と、ヨークの外周側に所定間隔毎に配置された複数の永久磁石（例えば、実施の形態における磁石２３）とを備えたロータにおいて、前記ヨークを構成する各電磁鋼板は、少なくとも２つ以上の永久磁石（例えば、実施の形態における磁石２３ａ、２３ａと磁石２３ｂ、２３ｂ）により生成される磁極間に溝（例えば、実施の形態における溝２４）を形成するとともに、前記溝の間に配置される複数の磁石間の距離を各電磁鋼板の厚さの２〜２．５倍とすることを特徴とする。

この発明によれば、前記磁極間に前記溝を形成することにより、前記磁極からの交番磁束を遮断することができるので、隣り合う磁極への磁束短絡を防ぐことができ、その分トルクを上昇させることができる。そして、隣り合う磁極への磁束短絡を防ぐことができるため、前記電磁鋼板での鉄損による発熱を抑えることができ、これにより、前記磁石が受ける熱を低減することができる。更に、磁極間の鉄心を経由して磁石に流れ込む交番磁束を防ぐことができ、磁石自身の発熱を低減できる。

また、前記磁石間の距離を各電磁鋼板の厚さの２．５倍以下とすることにより、前記電磁鋼板における磁石間における部位（例えば、実施の形態におけるセンターリブ２９）で磁束を飽和させることができるため、前記磁石間での磁束の漏洩を防止でき、その分トルクを上昇させることができる。加えて、前記磁石間の距離を各電磁鋼板の厚さの２倍以上とすることにより、前記電磁鋼板の剛性を高めることができ、回転時に発生する前記電磁鋼板に加わる応力を大幅に低減することができる。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載のものであって、前記電磁鋼板は、前記ヨークの中心と前記溝の底部との距離をＲ０として、前記ヨークの中心と前記磁石内側との距離をＲ１としたときに、Ｒ０／Ｒ１＝１．０００〜１．０１５、となるように前記溝を形成するとともに、前記溝に変曲部（例えば、実施の形態における変曲部２７、２８）を形成することを特徴とする。

この発明によれば、前記溝を、上述した関係式を満たすように形成したので、前記電磁鋼板の耐久性を確保しつつ前記応力集中の発生を防止できる。すなわち、Ｒ０／Ｒ１を１．０００以上とすることにより前記溝の形成される部位（例えば、実施の形態における溝側リブ２５、２６）に加わる応力の集中を抑えることができ、Ｒ０／Ｒ１を１．０１５以下とすることにより前記電磁鋼板の耐久性を確保することができる。
また、前記溝に変曲部を形成したことにより、前記電磁鋼板における溝の形成される部位に加わる応力を分散させることができる。これにより、前記電磁鋼板全体の耐久性を向上できるので、さらなる高速回転が可能となる。

請求項３に係る発明は、請求項１または請求項２に記載のものであって、請求項１から請求項２に記載のロータと、これに対向するステータ（例えば、実施の形態におけるステータ１０）とを備えるモータであって、前記ステータは複数の分割ティース（例えば、実施の形態におけるステータ片１１）からなることを特徴とする。

この発明によれば、高速回転が可能なロータを備えているので、モータの出力を増大させることができるとともに、応答性を高めることができる。また、モータの運転領域（低回転域〜高回転域）を拡げることができるので、状況に適した運転を行うことができ、利便性を向上することができる。
加えて、前記ステータを複数の分割ティースからなるように構成することで、前記ステータを構成する電磁鋼板をプレス成形する際の歩留まりを向上できる。さらに、ステータの加工性を向上することができるとともに、同一の形状巻線での占積率を向上することができる。

請求項１に係る発明によれば、磁石の受熱や発熱を抑制して減磁を防止するとともに、回転時に発生する応力を低減して耐久性を高め、高速回転が可能となる。
請求項２に係る発明によれば、前記電磁鋼板の耐久性を確保しつつ前記応力集中の発生を防止でき、さらなる高速回転が可能となる。
請求項３に係る発明によれば、モータの出力を増大させることができるとともに、応答性を高めることができ、利便性を向上することができる。加えて、ステータを構成する電磁鋼板をプレス成形する際の歩留まりを向上でき、ステータの加工性を向上することができるとともに、同一の形状巻線での占積率を向上することができる。

以下、この発明の実施の形態におけるロータおよびこれを備えるモータを図面と共に説明する。図１は本発明の実施の形態におけるモータの全体構成図である。同図に示すように、モータ１は、内周側に位置して回転可能に設けられるロータ２０と、ロータ２０に対向するように外周側に位置するステータ１０とを備えている。

ロータ２０は、略円筒状のロータシャフト（図示せず）と、その外周側に設けられるロータヨーク（積層コア）２１と、ロータヨーク２１内に挿入される複数の永久磁石２３（２３ａ、２３ｂ）とを備えている。
ロータヨーク２１は、複数の電磁鋼板２２…２２が軸方向に積層されて構成されている。各電磁鋼板２２…２２は、その内部に孔部を形成した略円環形状とされており、各電磁鋼板２２…２２をそれぞれの孔部を位置合わせして積層することで、ロータヨーク２１の磁石挿入用孔３１が形成される。

ロータヨーク２１の磁石挿入用孔３１には、断面略矩形状の永久磁石２３がそれぞれ配置される。本実施の形態においては、磁極が等しい２つの磁石２３ａ、２３ａと、これらの磁石２３ａ、２３ａと磁極が異なる２つの磁石２３ｂ、２３ｂとが、前記磁石挿入用孔３１により周方向に交互に配列される。

そして、ロータヨーク２１を構成する各電磁鋼板２２には、磁極が異なる磁石２３ａと磁石２３ｂとを区画する溝２４が形成されている（図２参照）。
図２は図１に示すロータヨーク２１の要部拡大図である。図１、図２に示すように、各電磁鋼板２２において、異なる磁極の磁石２３ａ、２３ｂを仕切る溝２４の形成される部位が溝側リブ２５、２６となり、同一の磁極の磁石２３ａ、２３ａ（２３ｂ、２３ｂ）を区画する部位がセンターリブ２９となる。

このように、前記電磁鋼板２２に溝２４を形成することにより、前記磁石２３ａ、２３ｂの磁極からの交番磁束を遮断することができる。よって、隣り合う磁極への磁束短絡を防ぐことができ、その分トルクを上昇させることができる。また、前記電磁鋼板２２での鉄損による発熱を抑えることができ、これにより、前記磁石２３が受ける熱を低減することができる。

前記センターリブ２９の幅は、各電磁鋼板２２の軸Ｏに沿った厚さの２〜２．５倍に設定している。センターリブ２９の幅を各電磁鋼板２２の厚さの２．５倍以下とすることにより、前記電磁鋼板２２における磁石２３ａ、２３ａ（２３ｂ、２３ｂ）間におけるリブ２９で磁束を飽和させることができるため、前記磁石２３ａ、２３ａ（２３ｂ、２３ｂ）間での磁束の漏洩を防止でき、その分トルクを上昇させることができる。
また、センターリブ２９の幅を各電磁鋼板２２の厚さの２倍以上とすることにより、前記電磁鋼板２２の剛性を高めることができ、回転時に発生する前記電磁鋼板２２に加わる応力を大幅に低減することができる。従って、磁石２３の受熱や発熱を抑制して減磁を防止するとともに、回転時に発生する応力を低減して耐久性を高め、高速回転が可能となる。

また、前記電磁鋼板２２は、ロータヨーク２１の中心と前記溝２４の底部との距離をＲ０として、ロータヨーク２１の中心と前記磁石２３内側との距離をＲ１としたときに、
Ｒ０／Ｒ１＝１．０００〜１．０１５…式（１）
、となるように前記溝２４を形成している。
このように、前記溝２４を、式（１）を満たすように形成したので、前記電磁鋼板２２の耐久性を確保しつつ前記応力集中の発生を防止できる。すなわち、Ｒ０／Ｒ１を１．０００以上とすることにより前記溝２４の形成される溝側リブ２５、２６に加わる応力の集中を抑えることができる。また、Ｒ０／Ｒ１を１．０１５以下とすることにより電磁鋼板２２の耐久性を確保することができる。

また、前記溝２４に変曲部２７、２８を形成したことにより、溝側リブ２５、２６に加わる応力を分散させることができ、これにより、前記電磁鋼板２２全体の耐久性を向上できるので、さらなる高速回転が可能となる。

図３は図１に示すロータ２０とステータ１０の動作説明図である。
ステータ１０は、ステータ片１１を周方向に複数配列することにより、円環状に構成されている。ステータ片１１には、ステータ１０の半径方向内方に向けて突出する複数の磁極ティース１２と、ステータ１０の周方向に延出するステータヨーク１３とが形成される。ステータ片１１は略Ｔ字状の電磁鋼板がステータ１０の軸方向に積層されて構成される。
また、ステータ片１１を構成する電磁鋼板は、珪素鋼板等の方向性を有する方向性電磁鋼板が積層されてなり、例えば磁極ティース１２は磁化容易方向がステータ１０の径方向に設定され、ステータヨーク１３は磁化容易方向がステータコア１の周方向に設定されている。なお、前記電磁鋼板は無方向性のものであってもよい。

また、各ステータ片１１の径方向側面には、絶縁ボビン（図示せず）を介して、銅などの導電性線材からなる固定子巻線１５がスロット１４間に集中巻で巻装される。
また、各ステータ片１１は、それぞれのステータヨーク１３の周方向側面に、周方向に突出する係合凸部１８と、該係合凸部１８に係合する係合凹部１７とを所定枚数毎に交互に積層配置したものから形成されている。

このように構成されたステータ１０と、上述したロータ２０とを備えるモータ１においては、高速回転が可能なロータ２０を備えているので、モータ１の出力を増大させることができるとともに、応答性を高めることができる。また、モータ１の運転領域（低回転域〜高回転域）を拡げることができるので、状況に適した運転を行うことができ、利便性を向上することができる。

本実施の形態におけるロータの作用効果について、図４〜図８を用いてより詳細に説明する。図４〜図７はロータの比較例を示す説明図である。図８は図７の領域Ｎの拡大説明図である。
図４に示すロータ４０においては、電磁鋼板４２…４２からなるロータヨーク４１の外周面が略同一の径になるように形成している。この場合には、電磁鋼板４２…４２における、磁極の異なる磁石４３ａ、４３ｂの間の部位を介して交番磁束Ｊが磁石４３ａ、４３ｂを横断し、これにより磁石４３ａ、４３ｂが熱を受けてしまい、減磁されてしまう。

これに対して、図５や図６に示すロータ５０、６０においては、ロータヨーク５１、６１を構成する電磁鋼板５２、６２に、磁極の異なる磁石５３ａと磁石５３ｂ、磁石６３ａと磁石６３ｂを仕切る部位に溝５４、６４がそれぞれ形成されている。これにより、交番磁束Ｊが磁極の異なる磁石５３、６３を横断することを防止できるので、磁束の漏れを低減することができ、受熱による減磁を抑えることができる。磁石５３、６３の温度上昇の主な要因としては、磁極間の鉄心の発熱による受熱と、磁極間の鉄心を経由して磁石５３、６３に流れ込む磁束の渦電流による磁石５３、６３自身の発熱が挙げられるが、上述のように溝５４、６４を形成することにより、これらの熱を低減することができる。

ここで、図５に示したロータ５０は、溝５４の深さを磁石５３よりも深く形成しているのに対し、図６に示したロータ６０は、溝６４の深さを磁石６３よりも浅く形成している点で相違しているが、いずれのロータ５０、６０においても交番磁束を低減することはできる。

しかしながら、図５や図６に示したロータ５０、６０においては、略Ｖ字状に溝５４、６４を形成しているため、電磁鋼板５２、６２における溝５４、６４を形成する部位のリブ５５、５６、６５、６６にかかる応力が集中してしまい、耐久性が低下してしまう。
これに対し、図７、図８に示すロータ８０は、ロータヨーク８１を構成する電磁鋼板８２に、磁極の異なる磁石８３ａと磁石８３ｂを仕切る部位に溝８４を形成して、その部位のリブ８５、８６に変曲部８７、８８を設けている。この変曲部８７、８８によりリブ８５、８６に加わる応力を分散させることができ、耐久性を高めることができる。

そして、上述したように、図１、図２に示すロータ２０においては、図７、図８に示すロータ８０の構成に加えて、同一の磁極の磁石２３ａ、２３ａを仕切るセンターリブ２９が電磁鋼板２２に形成されているので、さらに剛性を高めることができ、電磁鋼板２２に加わる応力をさらに低減できる。

なお、本発明の内容は上述の実施の形態のみに限られるものでないことはもちろんである。例えば、実施の形態では同一の磁極の磁石を２つずつ配列した場合について説明したが、３つ以上の場合にも適用することができる。また、本発明のロータおよびモータは、車両の駆動源として使用する場合において、応答性や耐久性、レイアウトの点で好適に用いることができるが、適用される分野はこれに限定されるものではない。

本発明の実施の形態におけるモータの全体構成図である。 図１に示すロータヨークの要部拡大図である。 図１に示すロータとステータの動作説明図である。 ロータの比較例を示す説明図である。 ロータの他の比較例を示す説明図である。 ロータの他の比較例を示す説明図である。 ロータの他の比較例を示す説明図である。 図７の領域Ｎの拡大説明図である。

符号の説明

１…モータ
１０…ステータ
１１…ステータ片（分割ティース）
２０…ロータ
２１…ロータヨーク
２２…電磁鋼板
２３…磁石
２４…溝
２５、２６…溝側リブ
２７、２８…変曲部
２９…センターリブ

Claims (3)

1. 電磁鋼板を積層してなるヨークと、ヨークの外周側に所定間隔毎に配置された複数の永久磁石とを備えたロータにおいて、
   前記ヨークを構成する各電磁鋼板は、
   少なくとも２つ以上の永久磁石により生成される磁極間に溝を形成するとともに、前記溝の間に配置される複数の磁石間の距離を各電磁鋼板の厚さの２〜２．５倍とすることを特徴とするロータ。
2. 前記電磁鋼板は、
   前記ヨークの中心と前記溝の底部との距離をＲ０として、前記ヨークの中心と前記磁石内側との距離をＲ１としたときに、
   Ｒ０／Ｒ１＝１．０００〜１．０１５
   、となるように前記溝を形成するとともに、
   前記溝に変曲部を形成することを特徴とする請求項１に記載のロータ。
3. 請求項１から請求項２に記載のロータと、これに対向するステータとを備えるモータであって、前記ステータは複数の分割ティースからなることを特徴とするモータ。
   

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