JP2007028857A - ブラシレスモータおよびそのロータ - Google Patents

Abstract

【課題】モータの性能の向上。
【解決手段】ロータ１２に永久磁石を設けたブラシレスモータにおいて、ロータの電機子と対向する側面において、開口部１６の周回方向にとられた幅ａが、開口部よりロータ内部における周回方向の幅ｂよりも狭い溝を有したロータ１０と、溝２０に挿入された異方性希土類ボンド磁石３０とを有するブラシレスモータ１９である。異方性希土類ボンド磁石の外周側の曲面３２の一部が直接、ギャップを隔てて、ステータのティースと対向することになり、磁気回路の磁気抵抗を極力小さくすることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ロータにボンド磁石を設けたブラシレスモータおよびそのロータに関する。

従来から、ブラシレスモータには、ＩＰＭモータとＳＰＭモータとが知られている。ＩＰＭモータとしては、希土類系焼結磁石をロータの中に埋め込んだ構造が知られている。ＩＰＭモータにおいては、珪素鋼板を磁気回路に主として使用するため、電気角の変化に伴う表面磁束の分布において突極性を有するためモータの電磁音が大きいという問題点がある。また、珪素鋼板内の渦電流損失を低減するため、珪素鋼板の厚みを０．３ｍｍ以下に低減する必要があるが、この対策を施したとしても、渦電流損失は、ＳＰＭモータに比べ劣っている。

ＳＰＭモータとしては、焼結磁石をロータの表面に貼り付けた構造が知られている。磁石をかわら形状に形成し、その磁石をロータ表面に貼り付けることが必要となるために、製造コストが高くなるという問題がある。また、欠け易い焼結磁石がロータの表面に配設されているために、飛散防止のためのステンレスリングで磁石の表面を覆っている。そのためステータとロータとの間のエアギャップが広くなり、ＩＰＭモータに対してモータ効率が若干劣る。また、磁石の表面磁束を直接使用しているため、突極性の問題は生じないため電磁音は小さいが、磁極が交互に変化するように、アキシャル配向の磁石をローター表面に貼付しているので、電気角の変化に伴う表面磁束の分布において磁石接合部で極性が急激に変化し、コギングトルク特性が劣る。また、ＳＰＭモータは、ＩＰＭモータよりは渦電流損失が少ないものの、モータ高出力化に伴い、更なる渦電流損失の低減が求められていた。

これらの課題を解決するために、下記特許文献１に開示する技術が知られている。下記特許文献１では、ロータの表面に磁石を設けたＳＰＭモータが開示している。このブラシレスモータでは、ロータの外周に、円筒状であって外側面に凹部が形成され、極異方性配向をさせた異方性希土類ボンド磁石を設け、その凹部に希土類焼結磁石を配置したものである。しかしこの型のロータでは、希土類焼結磁石の飛散が問題となるため、希土類焼結磁石と異方性希土類ホンド磁石の外周に接して、その外側にリング状の希土類ボンド磁石を設けることが行われている。
特開２００４−２４２３７８

しかしながら、筒状の異方性希土類ホンド磁石の有する凹部に希土類焼結磁石を挿入してた後、さらに、飛散防止のためにリング状の希土類ボンド磁石を配置するため、部品点数が多く構造及び製造が複雑になるという問題があった。
本発明は、上記の課題を解決するために成されたものであり、その目的は、部品点数を減少させて構造を単純化し製造を容易にすることである。また、他の目的は、磁石の飛散防止のためのリングを排除することで、製造を容易にし、且つ、ステータのティースとの間のギャップを小さくすることで、出力トルクを向上させることである。また、モータの性能指標（トルク／モータの磁気回路構成部体積）を向上させると共にコギングトルクを減少させることである。

請求項１の発明は、ロータに永久磁石を設けたブラシレスモータにおいて、ロータの電機子と対向する側面において、開口部の周回方向にとられた幅が、ロータ内部における周回方向の幅よりも狭い溝を有したロータと、溝に挿入されたボンド磁石とを有することを特徴とするブラシレスモータである。
ロータの軸に垂直な断面における溝の形状は任意である。溝はロータの側面に開口しており、溝に挿入されたボンド磁石は、溝の開口部において、直接、ステータのティースと対向するように配置されている。

また、請求項２の発明は、ロータにおいて、隣接する溝と溝の間において、外周から凹部が形成されていることを特徴とする請求項１に記載のブラシレスモータである。
凹部を設けることにより、コギングトルクを減少させることができる。凹部のロータの軸に垂直な断面形状は、短冊、スリット、Ｖ字状、など任意の形状を採用することができる。

また、請求項３の発明は、ボンド磁石は、異方性希土類ボンド磁石であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のブラシレスモータである。この異方性希土類ボンド磁石を採用することで、本発明の構成を採用する場合に、出力トルクを向上させることが可能となる。

また、請求項４の発明は、ボンド磁石は溝に圧入されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載のブラシレスモータである。ボンド磁石は弾性があるので、その弾性を用いてロータの溝に圧入することで、接着剤を用いることなく、溝にボンド磁石を固定することができる。

請求項５に記載の発明は、ロータに永久磁石を設けたブラシレスモータにおけるロータにおいて、ロータの電機子と対向する側面において、開口部の周回方向にとられた幅が、開口部よりロータ内部における周回方向の幅よりも狭い溝を有し、その溝に溝にボンド磁石が挿入されていることを特徴とするロータ。また、請求項６に記載の発明は、隣接する溝と溝の間において、外周から凹部が形成されていることを特徴とする請求項５に記載のロータであり、請求項７に記載の発明は、ボンド磁石は、異方性希土類ボンド磁石であることを特徴とする請求項５又は請求項６に記載のロータであり、請求項８に記載の発明は、ボンド磁石は前記溝に圧入されていることを特徴とする請求項５乃至請求項７の何れか１項に記載のロータである。以上の発明は、請求項１〜４のブレシレスモータに用いられるロータに関するものであり、請求項１〜４の発明と同様な構成や変形を採用することができる。

請求項１の発明では、溝の開口部の周回方向の幅は、溝のロータ内部の周回方向の幅よりも狭く構成されているので、ロータが回転してもボンド磁石が遠心力により外れることはない。よって、飛散防止のために非磁性体又は磁性体によるリングを設ける必要がないので、磁気抵抗が増大しないので、モータの出力トルクを向上させることができる。上記特許文献１の技術のように、飛散防止のための磁性体リングは、ステータを貫く磁束が流れる磁気回路においては磁気抵抗となるために、磁性体リングであっても、エアギャップは増加するが、本件発明では、この磁性体リングも存在しないので、モータの出力トルクを大きく向上させることができる。また、ボンド磁石の外周面が、直接、ギャップを隔てて、ステータのティースに面していることから、ボンド磁石のおよそ全磁束をギャップを介してステータのティースに貫通させることができる。これにより、出力トルクを向上させることができる。
以上の効果により、この発明は、磁石をロータ表面に貼り付け、その外側に飛散防止リングを使用しているモータに対して飛散防止リングをなくすことにより、トルクやモータ性能指標（トルク／磁気回路構成部体積）を向上させることができる。また、本発明は、ＩＰＭモータに対してもトルクを向上させることができる。また、特許文献１の異方性希土類ボンド磁石による飛散防止をしたモータに対しては、単位磁石使用量当たりのトルク（トルク／磁石使用体積）が大幅に向上する。

請求項２の発明は、ロータにおいて、隣接する溝と溝の間において、外周から凹部を形成したのが特徴である。この凹部の形成により、コギングトルクを減少させることができる。

また、請求項３の発明は、ボンド磁石は、異方性希土類ボンド磁石であるので、出力トルクを向上させることが可能となる。請求項４の発明は、ボンド磁石は溝に圧入している。ボンド磁石の弾性により、溝に固定されているので、飛散防止リングは必要でなくなり、磁気抵抗を低下させる物質が磁気回路に存在しないので、出力トルクを向上させることができる。

請求項５〜８の発明は、上記のモータに使用するロータの発明であり、それぞれ、上記した効果と同一の効果を奏する。

以下、本発明を実施の形態に基づいて説明する。なお、本発明は、下記の実施形態に限定されるものではない。

図１は、インナーロータ型のブラシレスモータのロータ１０の構成を示している。珪素鋼板などの磁性体の積層体から成る円柱状のロータ鉄心１２の外周面１４に４箇所の開口部１６を有した溝２０が設けられている。この溝２０の開口部１６の周回方向の幅ａは、ロータ内部の溝の幅ｂよりも狭く構成されている。この溝２０の軸方向に垂直な断面上の形状は三日月形状をしている。すなわち、溝２０は、外周側の曲面２２と内周側の曲面２４とで構成されており、内周側の曲面２４はロータ鉄心１２の外周面１４と同心で形成されており、外周側の両側部の曲面２２の曲率よりも小さく構成されている。この溝２０の形状により、ロータ鉄心１２は、各溝２０の両側に爪５１、５２が形成されることになる。この爪５１、５２により、溝２０に挿入される異方性希土類ボンド磁石３０は、ロータ１０が回転しても外れることがない。この溝２０に挿入される異方性希土類ボンド磁石３０は図２のように構成されている。すなわち、ロータ軸に垂直な断面の形状は三日月形状をしており、外周側の曲面３２と内周側の曲面３４とで構成されており、内周側の曲面３４は外周側の曲面３２の中央部曲面３２１と同心に構成されており、曲面３４の曲率は、外周側の曲面３２の両側部曲面３２２の曲率よりも小さく構成されている。この断面が三日月形状が軸方向に伸びた瓦状に、異本性希土類ボンド磁石３０は形成されている。

また、本実施例のモータは、ロータ１０の外側にギャップを隔ててティースを有したステータを設けたものとなっている。そのティースの回りには、コイルが巻かれている。

異本性希土類ボンド磁石３０には、最大エネルギー積が１４ＭＧＯｅ（１１１ＫＪ／ｍ³ ）以上を用いることにより、その最大エネルギー積が大きいために、本発明を用いた場合における磁気回路の磁気抵抗の減少効果により、モータの性能向上が大きくなる。異方性希土類ボンド磁石３０は、外周面３２と内周面３４とがＳ極、Ｎ極、又は、その逆の磁極となるように磁化されている。ステータにおいて巻線が配置されるティースの数は６個である。

尚、上記異方性希土類ボンド磁石３０は、出願人により、近年ようやく量産化が可能となったものである。例えば、この異方性希土類ボンド磁石３０は、特開２００１−７６９１７号公報、特許第２８１６６６８号公報、特許第３０６０１０４号公報、及び国際特許出願ＰＣＴ／ＪＰ０３／０４５３２の製造方法で製造される。この異方性希土類ボンド磁石は、最大エネルギー積１７ＭＧＯｅ〜２８ＭＧＯｅ（１３５ＫＪ／ｍ³ 〜２２３ＫＪ／ｍ³ ）のものを、現在、製造することができる。

本実施例のモータ装置に使用される異方性希土類ボンド磁石３０は、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂからなる軸に垂直な断面が三日月状をした瓦状に構成されている。異方性希土類ボンド磁石３０は、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂからなる磁粉を樹脂成型することにより製造され、径方向に強く磁化された磁石である。異方性希土類ボンド磁石の材料は、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂの他、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系材料、例えばＮｄとＮｄの他の希土類元素を含んだり、その他の添加元素を含んだ材料を用いることができる。更に、Ｎｄ以外の希土類元素を含んだ材料、例えば、Ｓｍ−Ｆｅ−Ｎ系材料、ＳｍＣｏ系材料、または、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系材料とこれらの混合物質を用いることができる。

異方性希土類ボンド磁石３０はプラスチック磁石とも言われる。この磁石は、従来の焼結フェライト磁石と比較して最大エネルギー積（ＢＨ）_max が約５倍以上となる特徴がある。即ち、標準的な焼結フェライト磁石の最大エネルギー積（ＢＨ）_max が３．５ＭＧＯe （２８ＫＪ／ｍ³ ）に対して、この異方性希土類ボンド磁石は、その約５倍の１７ＭＧＯｅ（１３５ＫＪ／ｍ³ ）以上の最大エネルギー積を有する。

異方性希土類ボンド磁石３０における樹脂の重量割合は、２Ｗ％以上３Ｗ％以下の範囲とした。異方性磁石粉末と樹脂とを金型に供給し、加熱した状態で磁場を印加して配向させ、さらに圧縮成形する。

この成形体をキュアー処理して、樹脂の硬化度を９０〜１００％まで向上させた。これにより、磁粉と樹脂、樹脂と樹脂との間の結合を高めた。次に、硬化後の異方性希土類ボンド磁石３０の成形体をガラス転移点温度以下の温度で加熱した。この加熱により、磁粉と樹脂、樹脂と樹脂との間の結合を切ることなく、材質強度を下げる、すなわち、樹脂を軟化させることにより、異方性希土類ボンド磁石３０をロータ１０の溝２０にロータの端面から圧入する時に異方性希土類ボンド磁石３０に応力がかかるのを低減して機械的強度を保持した。異方性希土類ボンド磁石３０を溝２０に圧入して、しばらくの間放置して、異方性希土類ボンド磁石３０を冷却させた。

圧入時の温度は、６０〜１００℃が望ましい、この温度範囲は、異方性希土類ボンド磁石の特性を低下させることがないことに加えて、磁粉と樹脂、樹脂と樹脂との間の結合を切断することなく、樹脂を軟化させ、異方性希土類ボンド磁石３０を溝４０に圧入するのに最適である。

このようにして、図３に示すように、異方性希土類ボンド磁石３０の外周面３２がロータ鉄心１２の外周面１４の一部を形成することになる。したがって、この異方性希土類ボンド磁石３０の外周面３２は、ギャップを隔てて、ティースと、直接、対面することになり、ギャップの幅を極力狭くすることができる。例えば、ギャップの幅を０．０５ｍｍ以上０．４ｍｍ以下とすることができる。よって、磁気回路の磁気抵抗を極力小さくできるので、異方性希土類ボンド磁石３０の有するほぼ全磁束をティースに貫通させることができる。この結果、エネルギー積の大きい異方性希土類ボンド磁石３０の能力を十分に発揮させることができる。すなわち、磁石をロータ表面に貼り付け、その外側に飛散防止リングを使用しているモータに対して飛散防止リングをなくすことにより、トルクやモータ性能指標（トルク／磁気回路構成部体積）を向上させることができる。また、本発明は、ＩＰＭモータに対してもトルクを向上させることができる。また、特許文献１の異方性希土類ボンド磁石による飛散防止をしたモータに対しては、単位磁石使用量当たりのトルク（トルク／磁石使用体積）が大幅に向上する。

また、異方性希土類ボンド磁石３０の最も厚いところの厚さは、０．７〜３ｍｍの範囲に設定している。１ｍｍより薄いと、異方性希土類ボンド磁石３０の反磁場により、表面磁束密度が低下するので望まし行くない。３ｍｍより厚いと、モータ性能指標が低下するので望ましくない。

以上のように、溝２０の開口部１６の周回方向の幅ａは、ロータ内部の溝の幅ｂよりも狭く構成されているので、溝２０に挿入される異方性希土類ボンド磁石は、ロータ１０が回転しても外れることがない。よって、飛散防止のために非磁性体又は磁性体によるリングを設ける必要がないので、磁気抵抗が増大しないので、モータの出力トルクを向上させることができる。また、ボンド磁石の外周面が、直接、ギャップを隔てて、ステータのティースに面していることから、ボンド磁石のおよそ全磁束をギャップを介してステータのティースに貫通させることができる。これにより、出力トルクを向上させることができる。
また、この形状により磁極間の磁束の変化が滑らかとなりコギングトルクを減少させることができる。さらに、異方性希土類ボンド磁石を用いていることから、磁石粉末が絶縁性樹脂で囲まれて電気的に絶縁されているので、ロータの渦電流損失を低下でき、電力効率を向上させることが可能となる。

また、図４に示すように、ロータ鉄心１２の周囲から切り込みを入れて４つの凹部６０を形成するのが望ましい。このようにすることで、コギングトルクを減少させることができる。よって、異方性希土類ボンド磁石３０の有する全磁束のほとんどをティースに導くことができる。この結果、モータのトルクを向上させることが可能となる。

また、異方性希土類ボンド磁石３０の樹脂の重量割合を２Ｗ％以上３Ｗ％以下として、圧縮成形して、キュアー処理を施し、硬化度を９０〜１００％にした後、ガラス転移点以下の温度で再加熱をして、軟化させた状態とすることで、異方性希土類ボンド磁石３０をロータ１２の溝２０に容易に挿入して固定することができる。

本発明は、高トルク、低電磁音、低コギングトルク、及び低渦電流損失を満足させる高出力モータとして有効である。

本発明の具体的な実施例に係るブラシレスモータのロータを示した構成図。 異方性希土類ボンド磁石の形状を示した斜視図。 ロータに異方性希土類ボンド磁石を取り付けた様子を示した断面図。 他の実施例のロータの構造を示した断面図。

符号の説明

１０…ブラシレスモータ
１２…ロータ鉄心
１４…外周面
１６…開口部
２０…溝
２２…外周側の曲面
２４…内周側の曲面
３０…異方性希土類ボンド磁石
３２…外周側の曲面
３４…内周側の曲面
３２１…中央部曲面
３２２…両側部曲面

Claims (8)

1. ロータに永久磁石を設けたブラシレスモータにおいて、
   前記ロータの電機子と対向する側面において、開口部の周回方向にとられた幅が、ロータ内部における周回方向の幅よりも狭い溝を有したロータと、
   前記溝に挿入されたボンド磁石と
   を有することを特徴とするブラシレスモータ。
2. 前記ロータにおいて、隣接する溝と溝の間において、外周から凹部が形成されていることを特徴とする請求項１に記載のブラシレスモータ。
3. 前記ボンド磁石は、異方性希土類ボンド磁石であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のブラシレスモータ。
4. 前記ボンド磁石は前記溝に圧入されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載のブラシレスモータ。
5. ロータに永久磁石を設けたブラシレスモータにおけるロータにおいて、
   前記ロータの電機子と対向する側面において、開口部の周回方向にとられた幅が、開口部よりロータ内部における周回方向の幅よりも狭い溝を有し、その溝にボンド磁石が挿入されていることを特徴とするロータ。
6. 隣接する溝と溝の間において、外周から凹部が形成されていることを特徴とする請求項５に記載のロータ。
7. 前記ボンド磁石は、異方性希土類ボンド磁石であることを特徴とする請求項５又は請求項６に記載のロータ。
8. 前記ボンド磁石は前記溝に圧入されていることを特徴とする請求項５乃至請求項７の何れか１項に記載のロータ。

Images