JP2005287292A

JP2005287292A - 電気モータのロータ構造部及びその製造方法

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Publication number: JP2005287292A
Application number: JP2005088282A
Authority: JP
Inventors: Helmut Hans; ヘルムート、ハンス; Peter Borsai; ペーター、ボルサイ
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: Minebea Co Ltd
Priority date: 2004-03-26
Filing date: 2005-03-25
Publication date: 2005-10-13
Also published as: DE102004014985A1

Abstract

【課題】永久磁石がロータ鉄心上に最低限の公差で装着されている、電気モータのロータ構造部を提供する。
【解決手段】本発明に係る電気モータのロータ構造部は、多角形の輪郭を有し、ロータ構造部の回転軸と同心的に構成された支持体と、支持体の多角形の輪郭部の上に形状結合により装着され、複数の極を有するように磁化された磁石リングと、を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気モータのロータ構造部、及び、ロータ構造部の製造方法に関するものである。

本発明の主要な利用分野は、インナーロータ型モータ又はアウターロータ型モータとして設計され得るブラシレス直流モータ、及び、その他の永久磁石モータの分野である。但し、本発明は、これに限定されるものではなく、それ以外の種類の電気モータや発電機にも適用可能である。

インナーロータ型の設計を有する電気モータは、モータシャフト上に装着され、一つ又は複数の永久磁石を含むロータ構造部と、環状のステータ保磁子及びステータ保磁子から内方に向かって突出する磁極片を有する、例えば積層された複数の金属薄板により構成されるステータ構造部と、を備えている。磁極片には、相巻線が装着されている。ロータ構造部は、ステータ構造部に同軸に挿入されている。アウターロータ型の設計においては、ロータ構造部がステータを同軸に囲繞する。

公知のロータ構造部では、永久磁石リング又は複数の個々の永久磁石が、モータシャフト上に装着された保磁子に取り付けられるのが普通である。保磁子に永久磁石を取り付けるとき、製造公差があるために個々の永久磁石の位置決めに誤差が生じ、そのためにロータの同心回転精度に悪影響が出てしまう。ロータの同心回転精度は、例えば、永久磁石を保磁子の上に直接射出成形して被せることによって改善することができる。

永久磁石を囲繞する一体的な鉄粉プレス成形品としてロータ本体が構成されており、プレス成形の前に永久磁石が対応して位置決めされる、電気モータのロータが、ドイツ特許出願公開公報第１０２１６４７６Ａ１号（特許文献１）より公知である。

複数の磁性セグメントと非磁性セグメントとが相並んで保磁子の周囲に配置されて焼結されたロータ構造部が、欧州特許出願公開公報第１３５４５６３Ａ１号（特許文献２）より公知である。各セグメントの間に少量の粉末を入れ、次いで構造全体を焼結することによって、構造的な一体性の高い、組み合わされたロータ構造部が製作される。

永久磁石を位置決めするときの公差を最低限に抑制するために、多角形の輪郭を備えるように保磁子を構成し、永久磁石を保磁子のそれぞれの面の上に装着することも公知である。多角形の支持体と、その支持体に取り付けられた焼結材料により構成される永久磁石と、を備えているロータが、例えばドイツ特許出願公開公報第１０２４７９０７Ａ１号（特許文献３）より公知である。支持体の個々の面がそれぞれ一つの永久磁石を載せており、実接ぎ継手のような形式での形状結合によって永久磁石と結合されている。永久磁石は、端面側で支持体の各面に押し込まれている。多角形の保磁子と、保磁子の外面に装着された永久磁石とから構成される類似の構造が、ドイツ特許出願公開公報第１０２１６０９８Ａ１号（特許文献４）に示されている。同文献に記載されたロータ構造部においては、永久磁石がばね部材を介して多角形の保磁子の各面に保持されている。多角形の保磁子を備えている公知のロータ構造部では、個別磁石がそれぞれ保磁子の各面に固定される。
ドイツ特許出願公開公報第１０２１６４７６Ａ１号欧州特許出願公開公報第１３５４５６３Ａ１号ドイツ特許出願公開公報第１０２４７９０７Ａ１号ドイツ特許出願公開公報第１０２１６０９８Ａ１号

本発明の課題は、永久磁石がロータ鉄心上に最低限の公差で装着されている、電気モータのロータ構造部を提供することにある。

この課題は、請求項１に記載の構成要件を備えているロータ構造部によって解決され、また、請求項１７に記載の構成要件を備えているロータ構造部の製造方法によって解決される。

本発明は、多角形の輪郭を有し、ロータ構造部の回転軸と同心的に構成された支持体を備えている、電気モータのロータ構造部を意図している。支持体の多角形の輪郭部の上に、磁石リングが形状結合により装着されている。磁石リングは、複数の極を有するように磁化されている。磁石リングは、プレス成形又は射出成形により支持体の上に被せられているのが好ましい。磁石リングを支持体の上にプレス成形又は射出成形により直接被せ、次いで磁化することによって、実質的に位置誤差を有さず、いかなる間隙もなく支持体に直接結合された永久磁石を、ロータの外面に構成することが可能である。支持体の多角形の輪郭により、ロータ構造部の回り止めと、形状結合によるトルク伝達とが実現される。

磁性粉末のプレス成形は、例えばＮｄＦｅＢ等の磁気的に作用する材料の割合が比較的高く、３％乃至８％の範囲内の少量の結合剤しか必要ないという別の利点もある。これに比較して、射出成形により製作された磁石は約３０％乃至５０％が結合剤からできており、従って、約５０％乃至７０％しか磁性粉末が含まれていない。

従来の技術によりプレス成形される磁石はそれ自体としては公知であるが、ロータ本体やシャフト自体といった支持体の上に磁石を直接プレス成形することは、従来知られていなかった。押出被覆された磁石に比較して、磁石の容積が同一のプレス成形された磁石では、明らかに優れた効率を実現することができる。

本発明によれば、磁石リングが多角形の支持体の上に装着され、後で詳細に説明するように、その支持体の形態は必要に応じて変更することができる。支持体は、磁気的な保磁子を含んでいるとよいが、必ずしも含んでいなくてもよい。支持体は、電気モータのシャフト自体によって形成することもできる。

本発明の有利な実施の形態においては、磁石リングの個々の極の間の極移行部が、支持体の多角形輪郭の頂点又はその近傍に位置するように、磁石リングが磁化されている。

本発明に係るロータ構造部は、インナーロータ型電気モータ用としても、アウターロータ型電気モータ用としても、適している。インナーロータ型モータの場合、支持体は対応する多角形の外側輪郭を有しており、その上に磁石リングが装着される。アウターロータ型モータの場合、磁石リングは、支持体の多角形の内側輪郭に取り付けられる。

本発明の別の有利な実施の形態においては、磁石リングの極がハルバッハ型の磁界分布を生成するように磁化されている。この場合、支持体は、プラスチックやアルミニウム等の非磁性材料により製作されているものとするとよい。

本発明に係るロータ構造部の一つの特別な利点は、支持体の多角形輪郭が磁石リングの所望の形状及び／又は磁化に応じて構成されることにあり、支持体の外側輪郭に接する磁石リングの面は、その外側輪郭に準じている。例えば支持体の接触面（境界面）が内方又は外方に向かって湾曲していてよく、それにより、これに対応する磁石形状が得られる。磁石形状を変更する理由は、磁性材料の量を最適化するためであってもよいし、又は、磁石リングの断面を例えばハルバッハ型磁化を生じるように設計するためであってもよい。ハルバッハ型磁化の目的は、磁束線がほぼ磁石リングの材料の内部を通るようにすることにある。支持体の接触面（境界面）及びこれに伴う磁石リングの極を相応に湾曲させ、それに合わせた磁化を行うことにより、ハルバッハ型の磁束線分布に少なくとも近似させることができる。

磁石リングと支持体との形状結合による結合をロータ構造部の半径方向と軸方向とにおいて確保するために、支持体の接触面（境界面）と、これに接する磁石リングの面とが相互に噛み合っていることが意図され得る。この目的のために、磁石リングの磁性材料により充填される溝が接触面（境界面）に構成され得る。

磁石リングの磁化に応じて、ロータ構造部の回転軸と極移行部との間隔は、回転軸とそれぞれの極中心部との間隔より大きくても小さくてもよい。

格別に有利な別の実施の形態においては、磁石リングは、磁性材料により形成されたカップの一部であり、カップ壁部が、支持体の多角形輪郭と接触する磁石リングを構成し、カップ底面が、支持体の端面にある磁性面を形成する。支持体を囲繞する磁性材料により形成されたカップの一部として磁石リングを構成することには、いくつもの利点がある。その一つは、電気モータを制御するための回転位置依存的な信号を得るために、底面を利用できることである。また、磁石カップを支持体の上にプレス成形することは、単に磁石リングをプレス成形するのに比較して製造技術的に適切に実現可能かつ制御可能である。当業者であれば理解できるように、カップのような閉じた形態を本体にプレス成形するのは、リングよりも容易である。リングの端面にプレス圧力を及ぼすと、リングが歪んだり、亀裂が入ったり、破断することさえあるからである。

本発明は、磁性粉末により形成された磁石リングを支持体の多角形の外側輪郭部にプレス成形して被せ、次いで、複数の極を有するように磁石リングを磁化する、ロータ構造部の製造方法も意図している。支持体は、支持体の少なくとも一つの端面と、その多角形の外側輪郭の側面とを囲繞して、上述したように、カップ状の磁石を支持体の上にプレス成形するプレス成形用金型に挿入するのが好ましい。

磁性粉末をプレス成形中に容易磁化方向に配向させ、プレス成形の後に磁石リングを所望の方法により磁化することが可能である。

次に、図面を参照しながら有利な実施の形態を用いて、本発明を詳細に説明する。

図１は、本発明に係るロータ構造部の模式的な正面図を示している。このロータ構造部は、支持体１０と、その上に装着された磁石リング１２と、を備えている。磁石リング１２は、図１に一例として符号１４ａ，１４ｂ，１４ｃが付された複数の極を有するように磁化されている。図１は、２種類の実施の形態を含んでいる。符号Ａが付されている図１の下側領域では、支持体１０は、磁石リング１２に対して平坦な境界面（接触面）を有しているのに対して、符号Ｂが付されている図１の上側領域では、支持体１０の境界面（接触面）は溝１６を有しており、これらの溝が磁石リング１２の磁性材料により充填されている。両方の実施の形態とも、ロータ構造部の形状結合によるトルク伝達を実現するとともに、支持体１０の上における磁石リング１２の円周方向の回り止めを実現する。溝１６が支持体１０の軸方向長さの一部に亘ってのみ延在していると（図２参照）、支持体１０の上における磁石リング１２の軸方向の固定も追加して実現することができる。

図１に示す実施の形態においては、磁極１４ａ，１４ｂ，１４ｃは、半径方向に磁化されているとよく、支持体１０は、保磁子を含むことが意図されている。さらに、支持体１０は、図２に示すように、シャフト１８の上に装着されているとよく、シャフト１８と一体的に構成されているとよく、又は、シャフト１８自体によって構成することができる。図１に示す実施の形態においては、ロータ構造部の回転軸と、極移行部が位置する支持体の頂点との距離ｒ_Ｍが、ロータ軸と、隣接する二つの極移行部に挟まれた極中央部との距離ｒ_ｍよりも大きいのが好都合である。

本発明の有利な実施の形態においては、磁石リング１２は、プレス成形によって支持体１０の上に成形されており、それにより、図２に示すようなロータ構造部が形成されるのが好ましい。図２の実施の形態においては、支持体１０がシャフト１８の上に装着されている。しかしながら、支持体１０がシャフトと別個の構成部品であるか、又は、シャフト自体により構成されているかは、本発明にとって重要ではない。さらに、図２から分かるように、磁石リング１２は、磁性材料により形成されたカップ２０の一部であり、このカップの壁部が磁石リング１２を形成し、底部２２が支持体１０の端面の部位に位置している。図２に示すロータ構造部は、磁性材料により形成されたカップ２０及びこれに伴う磁石リング１２がプレス成形によって製作される場合に格別に好都合である。当業者であれば容易に理解できるように、図２に示す磁石形態は、孤立した磁石リングよりもプレス成形によって簡単に製作することができる。プレス成形の際に磁石リングの端面に及ぼされる力の結果、磁石リングが歪んだり、亀裂が入ったり、破断したりする可能性があるからである。図２に示すロータ構造部は、電子転流電気モータを制御するための回転位置依存的な信号、特に転流信号を得るために、カップ２０の磁気的な底部２２が十分に大きな面積を備えているという別の利点も有している。磁石リング１２の厚さ、即ち、磁力によっては、底部２２を追加的に磁化した方が良いこともあるが、それが必ずしも必要というわけではない。特に、支持体１０の端面の方向（図面で見て右方）へ磁気信号を出すのに磁石リング１２が十分に厚いときは、底部２２を必ずしも磁化しなくてよい。

図３及び図４は、図２のロータ構造部と類似の構造を有する本発明に係るロータ構造部の外観斜視図及び正面図を示しており、図３及び図４の図面は、図２のロータ構造部を矢印Ｃの方向から見た図に相当している。

図４は、底部２３の磁化によって発生する、又は、磁石リング１２が十分に厚い場合には底部２２を独自に磁化することなく発生する、ロータ構造部の磁気底部２２の磁界分布を示している。この磁界分布は、ロータ位置の位置信号を得るために、例えば転流信号を誘導するために利用することができる。実際問題としては、転流信号を検出するために、少なくとも一つのホールセンサがロータ構造部の端面に磁気底部２２と対向するように配置されるのが好ましい。

支持体１０の外側輪郭に依存している図１の磁極１４ａ，１４ｂ，１４ｃの形状を通じて、モータパラメータに影響を及ぼすことができる。適当な形状を与えることによって、例えば、モータのコギングトルク（ｃｏｇｇｉｎｇｔｏｒｑｕｅ）を低減することができ、また、ロータとステータとの間の磁束を最適化することが可能である。

図５は、磁石リング２４がシャフト１８の上に直接装着された、本発明の別の実施の形態を示している。シャフト１８は、支持体の機能を有している。磁石リング２４は、中央に円筒部２８が構成された皿の形状を有する磁気体２６の一部であり、この円筒部が皿２６をシャフト１８に取り付ける役割を担う。図５に示す皿２６の形態は、実際問題として大した困難なく磁性粉末からプレス成形することができ、磁石リング２４をシャフト１８の上に直接プレス成形することによって、所望の直径を有するロータ構造部を製作できるという利点を備えており、別個の支持体を間に介在させる必要がなく、それにも拘わらず、特別な形状付与によって磁性材料の消費量が最低限に抑制される。図５に示すロータ構造部においては、皿２６の外壁が、ロータの作用磁石を提供する磁石リングを形成しており、その底部２９は、回転位置依存的な信号、又は、転流信号を生成する役目を果たす。

図６は、いわゆるハルバッハ型磁化が行われる本発明に係るロータ構造部の実施の形態を示している。図６においては、支持体は符号３０により示されており、磁石リングは符号３２が付されている。支持体３０は、凹面状に湾曲した接触面（境界面）３４ａ，３４ｂ等を有しており、磁石リング３２は、これらの接触面（境界面）３４ａ、３４ｂに対応するように適合化され、凸面状の湾曲を有している。このことは、図示した実施の形態では、矢印３６ａ，３６ｂ等により模式的に図示されているハルバッハ型磁化を可能にする。

ハルバッハ型磁化では、磁束線がほぼ完全に磁石リング３２の磁性材料内部を通るので、保磁子が必要なくなる。従って、支持体３０は非磁性材料により構成されていてよい。理想的な場合には、外部の正弦波形の磁束線形状が生じるが、近似的なハルバッハ型磁束線分布も本発明の範疇に含まれる。

図６の実施の形態では、磁石リング３２は、二つの隣接する極に挟まれた極移行部の部位において最も厚く（ｒ_ｍ）、それぞれ極中央部において最も薄い（ｒ_Ｍ）。極移行部は、破線で図示されている。

以上の発明の詳細な説明、特許請求の範囲、及び、図面に開示されている構成要件は、単独でも任意の組み合せの形態でも、本発明を様々な実施の形態に具現化するために有意義であり得る。

本発明に係るロータ構造部を示す横断面図であり、図１の符号「Ａ」が付された部分にはロータ構造部の第１の実施の形態が示されており、図１の符号「Ｂ」が付された部分にはロータ構造部の第２の実施の形態が示されている。本発明に係るロータ構造部の別の実施の形態を示す縦断面図である。本発明に係るロータ構造部を示す模式的な外観斜視図である。本発明に係るロータ構造部を示す模式的な正面図である。別の実施の形態による本発明に係るロータ構造部を示す縦断面図である。別の実施の形態による本発明に係るロータ構造部を示す模式的な横断面図である。

符号の説明

１０支持体
１２磁石リング
１４ａ，１４ｂ，１４ｃ磁極
１６溝
１８シャフト
２０カップ
２２底部
２４磁石リング
２６皿
２８円筒部
２９底部
３０支持体
３２磁石リング
３４ａ，３４ｂ接触面（境界面）
３６ａ，３６ｂ磁化方向

Claims

多角形の輪郭を有し、ロータ構造部の回転軸と同心的に構成された支持体（１０；３０）と、
前記支持体（１０；３０）の多角形の輪郭部の上に形状結合により装着され、複数の極を有するように磁化された磁石リング（１２；２４；３２）と、を備えていることを特徴とする電気モータのロータ構造部。
前記磁石リング（１２；２４；３２）は、前記支持体（１０；３０）の上にプレス成形又は射出成形により被せられていることを特徴とする請求項１に記載のロータ構造部。
前記支持体（１０）は、磁気的な保磁子を含んでいることを特徴とする請求項１又は２に記載のロータ構造部。
前記支持体（３０）は、非磁性材料により構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のロータ構造部。
前記磁石リング（１２；２４）の各極に挟まれた極移行部は、前記支持体（１０）の多角形輪郭の頂点又はその近傍に位置していることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載のロータ構造部。
前記支持体（１０；３０）が、多角形の外側輪郭を有していることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載のインナーロータ型電気モータ用のロータ構造部。
前記支持体が、多角形の内側輪郭を有していることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載のアウターロータ型電気モータ用のロータ構造部。
前記磁石リング（３２）の各極は、ハルバッハ型の磁界分布を生成するように磁化されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載のロータ構造部。
前記支持体（１０；３０）の多角形輪郭の接触面は、前記磁石リング（１２；３２）の形状及び／又は磁化に影響を与えるために構成されており、前記支持体（１０；３０）の接触面に接する前記磁石リング（１２；３２）の面は、支持体の輪郭に対応して適合化されていることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載のロータ構造部。
前記支持体（３０）の接触面が、湾曲していることを特徴とする請求項９に記載のロータ構造部。
前記支持体（１０）の接触面と、前記支持体（１０）の接触面に接する前記磁石リング（１２）の面とが、相互に噛み合っていることを特徴とする請求項９又は１０に記載のロータ構造部。
前記支持体（１０）の接触面に溝（１６）が形成されて磁性材料により充填されていることを特徴とする請求項１１に記載のロータ構造部。
ロータ構造部の回転軸と極移行部との間隔は、前記回転軸と極中央部との間隔に等しくないことを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか一項に記載のロータ構造部。
前記磁石リング（１２；２４）は、磁性材料により形成されたカップ（２０；２６）の一部であり、前記カップの壁部は、前記磁石リングを形成するとともに前記支持体（１０；１８）の多角形輪郭と接触しており、前記カップの底部（２２；２９）は、磁性面を形成することを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか一項に記載のロータ構造部。
前記底部（２２；２９）の磁性面は、回転位置依存的な信号を得るために構成されていることを特徴とする請求項１４に記載のロータ構造部。
前記支持体（１０；３０）は、シャフト（１８）の上に装着されていることを特徴とする請求項１乃至１５のいずれか一項に記載のロータ構造部。
請求項１乃至１６のいずれか一項に記載のロータ構造部を備えていることを特徴とする直流モータ。
多角形の外側輪郭を有する支持体（１０；３０）を準備するステップと、
前記支持体（１０；３０）の多角形の外側輪郭部の上に、磁性粉末からなる磁石リング（１２；３２）をプレス成形により被せるステップと
複数の極を有するように前記磁石リング（１２；３２）を磁化させるステップと、
を備えていることを特徴とする電気モータのロータ構造部の製造方法。
前記支持体（１０；３０）を、前記支持体の端面とその多角形の外側輪郭の側面とを囲繞するプレス成形用金型の中へ入れて、カップ状の磁石（２０）を支持体の上にプレス成形により被せ、前記カップ（２０）の壁部によって磁石リング（１２）が形成され、前記カップの底部（２２）は、前記支持体の端面における磁性面を形成することを特徴とする請求項１８に記載の方法。
磁性粉末をプレス成形中に磁気的に配向させることを特徴とする請求項１８又は１９に記載の方法。