JP2007068318A - 磁石埋込型モータ - Google Patents

Abstract

【課題】 永久磁石の磁力を利用することで、挿入孔内に永久磁石を容易に固定することができる磁石埋込型モータを提供する。
【解決手段】 永久磁石２２を挿入して埋め込む複数の挿入孔２３がロータコア２１の外周よりも径方向内側に形成されている磁石埋込型モータにおいて、永久磁石２２を、永久磁石２２におけるロータ径方向外側寄りに配置される外周面２２ｂとこの外周面２２ｂに臨むロータコア２１の挿入孔外周壁面２３ｅとの間の隙間が、永久磁石２２におけるロータ径方向内側寄りに配置される内周面２２ｆとこの内周面２２ｆに臨むロータコア２１の挿入孔内周壁面２３ｆとの間の隙間よりも小さくなる位置に配設した。
【選択図】 図６

Description

本発明は磁石埋込型モータに関する。

ブラシレスのモータとして、ロータの外表面に永久磁石を配置した表面磁石型モータ（ＳＰＭモータと称す）に代えて、このＳＰＭモータよりも出力特性（トルク特性および加速性）および効率（トルク変換効率）が良い長所を有する磁石埋込型モータ（ＩＰＭモータと称す）が空気調和機の圧縮機や工作機械などにおいて用いられており、電動自転車用モータとしても用いることが検討されている。このＩＰＭモータは、ロータの内部（ロータの外周よりも径方向内側）に永久磁石を埋め込む配置としたもので、マグネットトルクに加えて、リラクタンストルクを発生できる性質を有することで、上記長所を発揮できる構成とされている。

このＩＰＭモータのロータの構造は、図９（ａ）、（ｂ）に示すように、板状磁性部材（鉄心）を積層してなるロータコア１に挿入孔３を形成し、この挿入孔３に永久磁石２を挿入して埋め込んだ構造である。ここで、永久磁石２を埋め込む挿入孔３の断面形状（モータの軸心に対して直交する面の断面形状）は、永久磁石２の断面形状と同じ形状とされ、例えば、断面矩形状のものがあり（例えば特許文献１、２等）、この場合には簡略な形状で形成し易い利点がある。

ところで、ロータコア１をなす鉄心は、永久磁石２や空気と比べて極めて高い透磁率を有する。また、永久磁石２は、そのロータの径方向外側寄りに配置される面（以下、外周面と称す）２ａと、ロータの径方向内側寄りに配置される面（以下、内周面と称す）２ｂとに反対の磁極を有する。したがって、永久磁石２はその外周面２ａで、この外周面２ａに臨むロータコア１の対向面に対して大きな磁力ｆ_１を生じ、また、内周面２ｂで、この内周面２ｂに臨むロータコア１の対向面に対して大きな磁力ｆ_２を生じるが、これらの磁力ｆ_１、ｆ_２が、永久磁石２の外周面２ａと内周面２ｂとにおいて互いに反対の向きでほぼ同様の力で作用するため、これらの力ｆ_１、ｆ_２が相殺されてしまい、永久磁石２を挿入孔３の内部に引き留める力としては作用しない。したがって、従来は、永久磁石２を挿入孔３の内部に確実に固定できるように大きな接着力を有する接着剤などを用いて強力に接着する構造としたり、または接着力が大きくなるように接着構造に工夫を凝らしたり、あるいは、永久磁石２を挿入孔３に挿入した後に、この挿入孔３を、挿入孔３などが形成されていない板状磁性部材で、回転軸心方向の両側から覆って塞いだり（例えば特許文献３参照）していた。
特開２００２−１０５４１号公報 特開２００３−２３７４０号公報 特開２００５−３９９０９号公報

しかしながら、上記従来構成の磁石埋込型モータでは、挿入孔３内に永久磁石２を固定するために、大きな接着力を有する接着剤を選択するとともに接着構造に工夫をこらしたり、永久磁石２が挿入されている挿入孔３を板状磁性部材で両側から覆ったりする必要があったため、多くの手間や時間がかかっていたとともに製造コストの増加を招いていた。

本発明は上記課題を解決するもので、永久磁石の磁力を利用することで、挿入孔内に永久磁石を容易に固定することができる磁石埋込型モータを提供することを目的とするものである。

上記課題を解決するために本発明は、永久磁石を挿入して埋め込む複数の挿入孔がロータコアの外周よりも径方向内側に形成されている磁石埋込型モータであって、永久磁石を、永久磁石におけるロータ径方向外側寄りに配置される外周面とこの外周面に臨むロータコアの挿入孔外周壁面との間の隙間が、永久磁石におけるロータ径方向内側寄りに配置される内周面とこの内周面に臨むロータコアの挿入孔内周壁面との間の隙間よりも小さくなる位置に、配設したことを特徴とする。

この構成により、永久磁石の外周面とこの外周面に臨むロータコアの挿入孔外周壁面との間に作用する磁力が、永久磁石の内周面とこの内周面に臨むロータコアの挿入孔内周壁面との間に作用する磁力よりも大きくなり、この結果、永久磁石の外周面とロータコアの挿入孔外周壁面との間に作用する大きな磁力によって、永久磁石をロータコアの挿入孔内に良好に引き付けて固定することができる。

また、本発明は、ロータコアにおける挿入孔内周壁面の一部に、挿入孔内に突出して、永久磁石の内周面に当接する突起部を形成したことを特徴とし、これによれば、極めて簡単な構造で、永久磁石をロータコアの挿入孔外周壁面側に密接させることができる。

また、本発明は、永久磁石の内周面とこの内周面に臨むロータコアの挿入孔内周壁面との間に、弾性体を介装したことを特徴とし、これによっても、比較的簡単な構造で、永久磁石をロータコアの挿入孔外周壁面側に密接させることができる。なお、弾性体として接着剤を用いてもよい。

以上のように本発明によれば、永久磁石を、永久磁石におけるロータ径方向外側寄りに配置される外周面とこの外周面に臨むロータコアの挿入孔外周壁面との間の隙間が、永久磁石におけるロータ径方向内側寄りに配置される内周面とこの内周面に臨むロータコアの挿入孔内周壁面との間の隙間よりも小さくなる位置に、配設したことにより、接着剤や接着構造に工夫をこらしたり、永久磁石が挿入されている挿入孔を板状磁性部材で両側から覆ったりしなくても、永久磁石の磁力を利用して、挿入孔内に永久磁石を容易に固定することができる。

また、ロータコアにおける挿入孔内周壁面の一部に、挿入孔内に突出して、永久磁石の内周面に当接する突起部を形成したことにより、固定用部品や強力な接着剤などを用いなくても、永久磁石の組付固定作業を能率よく、しかも、製造コストを最小限に抑えながら行うことができる。

また、永久磁石の内周面とこの内周面に臨むロータコアの挿入孔内周壁面との間に、弾性体を介装したことによっても、比較的簡単な構造で、永久磁石をロータコアの挿入孔外周壁面側に密接させて固定することができる。なお、弾性体として接着剤を用いてもよい。

以下、本発明の実施の形態に係る磁石埋込型モータについて、図面を参照しながら説明する。
図１および図２は本発明の実施の形態に係る磁石埋込型モータの概略的な断面図で、図１はモータの回転軸心に沿った面で切断した部分断面外観図、図２は、図１におけるII−II線で切断した断面図である。図３（ａ），（ｂ）は、同磁石埋込型モータのロータの正面図（モータの軸心方向から見た図）および部分切欠側面図である。

図１および図２に示すように、本発明の実施の形態に係るブラシレスＤＣモータでもある磁石埋込型モータは、固定配置されたステータ１０の内側に、回転するロータ２０を配置した構成とされている。ステータ１０は、板状磁性部材（鉄心）を積層した複数（この実施の形態では１２）のステータコア１１にそれぞれステータコイル１２（図１参照）が巻かれて構成されている。また、磁石埋込型モータには、回転軸心方向に対してロータ２０に対向するようにホール素子などからなる位置検出センサ１３が複数設けられ、この位置検出センサ１３によりロータ２０の位置（位相）を検出するようになっている。なお、図１における１５は磁石埋込型モータの回転軸である。

図３、図４（ａ），（ｂ）（図４（ａ）においては、理解しやすいように、一部の挿入孔２３にのみ永久磁石２２が埋め込まれている状態を示しているが、実際には、全ての挿入孔２３に永久磁石２２が埋め込まれている）に示すように、ロータ２０は、板状磁性部材（鉄心）をモータ軸心方向に積層したロータコア２１に、永久磁石２２を埋め込む挿入孔２３を形成し、この挿入孔２３に永久磁石２２を挿入して埋め込んだ構造である。

ここで、挿入孔２３には、モータ軸心方向に見て、永久磁石２２の断面形状（この実施の形態では径方向に対して薄肉で、回転方向（周方向）に略沿う直線方向に長い、扁平な長方形（矩形）状）とほぼ同形状の磁石挿入部２３ａと、この磁石挿入部２３ａの両端部（周方向に対して両端となる箇所）に臨む箇所に、磁石挿入部２３ａと続いてそれぞれ形成された空間部２３ｂと、永久磁石２２を保持する保持壁面部２３ｃとが設けられている。そして、空間部２３ｂは、挿入孔２３の外周部分から永久磁石２２の磁極境界部２２ａよりも径方向内側の位置まで形成されており、この空間部２３ｂにより永久磁石２２の端部から略ロータ回転方向に対して空隙をなすように配置されている。また、この空間部２３ｂの径方向内側箇所から挿入孔２３の内周部までの間が保持壁面部２３ｃとされ、この保持壁面部２３ｃが、永久磁石２２のロータ半径方向に沿って延びる辺の、磁極境界部２２ａよりも径方向内側の部分に当接して、永久磁石２２をロータ回転方向の両側から保持するように構成されている。

なお、図５に示すように、この実施の形態においては、空間部２３ｂが形成されている箇所は、概略的に、永久磁石２２の磁極境界部２２ａに対応する箇所が永久磁石２２の端部から最も離れる円弧形状とされている。

また特に、本発明の実施の形態においては、図６（ａ），（ｂ）に示すように、挿入孔２３の磁石挿入部２３ａにおけるロータ径方向内側寄りの辺をなす内周壁面２３ｆの一部に、外径方向に僅かに突出する突起部２３ｄが、内周壁面２３ｆの周方向（厳密には辺の長さ方向）に所定間隔をあけて２箇所に形成されている。すなわち、この実施の形態では、ロータコア２１を形成する板状磁性部材に同形状に突起部２３ｄが形成されて積層され、モータ軸心方向に対して突起部２３ｄが繋がるように形成されている。これにより、磁石挿入部２３に永久磁石２２が挿入された際に、磁石挿入部２３における内周壁面２３ｆに対してはその突起部２３ｄの突出距離ｔ分、内周壁面２３ｆに臨む永久磁石２２のロータ径方向内側寄りの辺をなす内周面２２ｆとの間に隙間を生じるように配置されている。なお、突起部２３ｄの突出距離ｔは、例えば、０．１ｍｍとされているが、これに限るものではない。

一方、挿入孔２３の磁石挿入部２３ａにおけるロータ径方向外側寄りの辺をなす外周壁面２３ｅには、突起部等は設けられておらず、この外周壁面２３ｅに、永久磁石２２のロータ径方向外側寄りの辺をなす外周面２２ｂが隙間なく接するように配置されている。

上記構成によれば、挿入孔２３の磁石挿入部２３ａにおける内周壁面２３ｆの一部に、僅かに外径方向に突出する突起部２３ｄを形成したことにより、磁石挿入部２３に永久磁石２２を挿入させた際に、磁石挿入部２３の内周壁面２３ｆに対してはその突起部２３ｄの突出距離ｔ分、永久磁石２２との間に空気の隙間を生じる。永久磁石２２からの磁力は離間距離の二乗に反比例するため、この箇所では、永久磁石２２の磁力Ｆ_１が少なめにしか作用しない。

一方、挿入孔２３の磁石挿入部２３ａにおける外周壁面部２３ｅには、突起部等が設けられておらず、この外周壁面２３ｅに永久磁石２２が隙間なく接して、永久磁石２２の外周壁面２３ｅの磁極から大きな磁力Ｆ_２が発生する。

すなわち、永久磁石２２の外周面２２ｂとロータコア２１の挿入孔２３の外周壁面２３ｅとの間に作用する磁力Ｆ_２が、永久磁石２２の内周面２２ｆとロータコア２１の挿入孔２３の内周壁面２３ｆとの間に作用する磁力Ｆ_１よりも極めて大きくなり、この結果、永久磁石２２の外周面２２ｂとロータコア２１の挿入孔２３の外周壁面２３ｅとの間に作用する磁力Ｆ_２によって永久磁石２２が引き付けられ、ロータコア２１の挿入孔２３に引き付けられて留められた状態で固定される。

この結果、従来のように、接着剤や接着構造に工夫をこらしたり、永久磁石２２が挿入されている挿入孔２３を板状磁性部材で両側から覆ったりしなくても、永久磁石２２の磁力Ｆ_２を利用して、挿入孔２３内に永久磁石２２を容易に固定することができる。したがって、永久磁石２２となる材料を挿入孔２３内に挿入した後に磁化するだけで固定でき、永久磁石２２の組付固定作業を能率よく行え、しかも、製造コストも最小限に抑えることができる。

なお、上記実施の形態では、接着剤を全く用いない場合を述べたが、磁力が小さい永久磁石２２を用いる場合には、永久磁石２２の内周面２２ｆとロータコア２１の挿入孔２３の内周壁面２３ｆとの間に接着剤を充填して、永久磁石２２の固定させる力を接着剤により補強するように構成してもよい。この場合には、接着剤を充填する工程が増えるため、工程数の低減という点に関しては不利になるが、もともと、永久磁石２２の外周面２２ｂとロータコア２１の挿入孔２３の外周壁面２３ｅとの間に大きな磁力Ｆ_２が作用するので、接着剤の強度をあまり高めなくても済む。また、永久磁石２２の内周面２２ｆとロータコア２１の挿入孔２３の内周壁面２３ｆとの間には、突起部２３ｄに対応する隙間が形成されているので、この隙間に容易に接着剤を充填することができる。

なお、上記の実施の形態においては、周方向に沿う挿入孔２３の両端部に、挿入孔２３の外周部から永久磁石２２の磁極境界部２２ａよりも径方向内側の位置まで空間部２３ｂが形成されているので、図７に示すように、この空間部２３ｂにより、ロータコア２１の永久磁石２２間における磁極境界部２２ａを含めてこの磁極境界部２２ａより径方向外側の部分において磁気通路が形成されなくなって、ロータコア２１の永久磁石間の箇所（隣接部と称す）２１ａへの磁束Φの漏洩を防止できる利点がある。したがって、永久磁石２２の外周側部分からの磁束Φが効率的にステータ１０側に流れて、良好な効率を維持できる。つまり、ロータコアをなす鉄心は永久磁石や空気と比べて極めて高い透磁率を有し、また、永久磁石はそのロータの外周寄りに位置する面の部分と内周寄りに位置する面の部分とで反対の磁極を有し、さらに、隣り合う永久磁石の磁極も異なるように配置されているので、図９（ｂ）に示すように、挿入孔３の形状が永久磁石２の断面形状と同じであると、永久磁石２同士が隣接する永久磁石２間のロータコア１の部分（隣接部と称す）１ａで磁気通路が形成されてしまって磁束（磁力線）Φが漏洩し、永久磁石２の外周側部分からの磁束Φが効率的にステータ側に流れず、効率が低下するという不具合があったが、本発明の実施の形態ではこのような不具合は生じない。

また、挿入孔２３の両端部における空間部２３ｂの径方向内側箇所から挿入孔２３の内周部までの間に保持壁面部２３ｃが形成されているので、永久磁石２２が保持壁面部２３ｃによりロータ回転方向に対して良好に保持され、ロータ２０の回転時でも永久磁石２２が回転方向にずれることを防止できる。

なお、上記実施の形態では、突起部２３ｄをロータコア２１の挿入孔２３の内周壁面２３ｆに２箇所設けた場合を述べたが、これに限るものではなく、３箇所以上設けても差し支えない。

また、上記実施の形態では、ロータコア２１の挿入孔２３の内周壁面２３ｆに突起部２３ｄを設けたが、突起部２３ｄを設ける代わりに、図８に示すように、弾性を有するスペーサなどからなる薄肉で透磁率の低い合成樹脂などからなる弾性体３１を、永久磁石２２の内周面２２ｆとロータコア２１の挿入孔２３の内周壁面２３ｆとの間に介装してもよい。なお、この場合は、例えば、ロータコア２１の挿入孔２３の内周壁面２３ｆに接着剤などで弾性体３１を取付けるとよい。

さらには、合成樹脂などからなる弾性体３１を設ける代わりに、ロータコア２１の挿入孔２３と、永久磁石２２とが径方向に対してわずかに隙間を有する大きさに設定し、永久磁石２２の内周面２２ｆとロータコア２１の挿入孔２３の内周壁面２３ｆとの間に、弾性を有する接着剤３２を充填する一方、永久磁石２２の外周面２２ｂとロータコア２１の挿入孔２３の外周壁面２３ｅとの間には、接着剤３２を充填しないことで、永久磁石２２の内周面２２ｆとロータコア２１の挿入孔２３の内周壁面２３ｆとの間に接着剤３２の厚み分だけ、隙間を生じるように構成してもよい。

これらの構成によっても、接着剤３２を用いる工程分、工程数が増える短所はあるものの、永久磁石２２の外周面２２ｂとロータコア２１の挿入孔２３の外周壁面２３ｅとの間に作用する大きな磁力Ｆ_２によって永久磁石２２が引き付けられ、永久磁石２２をロータコア２１の挿入孔２３に引き付けて固定することができる。

また、上記の実施の形態では、永久磁石２２として断面長方形状のものを用いた場合を述べ、この場合には、永久磁石２２として安価なものを用いることができるとともに、挿入孔２３の形状も比較的単純な形状となって、製造コストの増加を最小限に抑えることができる利点がある。しかし、これに限るものではなく、例えば、永久磁石２２として断面円弧形状のものを用いる場合でも、上記構成を適用することは可能である。

本発明は、空気調和機の圧縮機や工作機械、さらには電動自転車用モータとしての磁石埋込型モータに最適であるが、その他の用途に用いられる磁石埋込型モータにも適用可能である。

本発明の実施の形態に係る磁石埋込型モータの概略的な断面図で、モータの回転軸心に沿った面で切断した部分断面外観図 同磁石埋込型モータの概略的な断面図で、図１におけるII−II線で切断した断面図 （ａ）および（ｂ）は、同磁石埋込型モータのロータの正面図（モータの軸心方向から見た図）および部分切欠側面図 （ａ）および（ｂ）は、同磁石埋込型モータのロータの正面図（モータの軸心方向から見た図）およびその拡大図 同磁石埋込型モータのロータの要部拡大図 （ａ）および（ｂ）は、同磁石埋込型モータのロータの要部正面図およびその拡大図 同磁石埋込型モータのロータの要部拡大図 本発明の他の実施の形態に係る磁石埋込型モータのロータの要部拡大図 （ａ）および（ｂ）は、従来の磁石埋込型モータを示す図およびその要部拡大図

符号の説明

１０ ステータ
１１ ステータコア
１２ ステータコイル
２０ ロータ
２１ ロータコア
２２ 永久磁石
２２ｂ 外周面
２２ｆ 内周面
２３ 挿入孔
２３ａ 磁石挿入部
２３ｂ 空間部
２３ｃ 保持壁面部
２３ｄ 突起部
２３ｅ 外周壁面
２３ｆ 内周壁面
３１ 弾性体
３２ 接着剤

Claims (4)

1. 永久磁石を挿入して埋め込む複数の挿入孔がロータコアの外周よりも径方向内側に形成されている磁石埋込型モータであって、永久磁石を、永久磁石におけるロータ径方向外側寄りに配置される外周面とこの外周面に臨むロータコアの挿入孔外周壁面との間の隙間が、永久磁石におけるロータ径方向内側寄りに配置される内周面とこの内周面に臨むロータコアの挿入孔内周壁面との間の隙間よりも小さくなる位置に、配設した磁石埋込型モータ。
2. ロータコアにおける挿入孔内周壁面の一部に、挿入孔内に突出して、永久磁石の内周面に当接する突起部を形成した請求項１記載の磁石埋込型モータ。
3. 永久磁石の内周面とこの内周面に臨むロータコアの挿入孔内周壁面との間に、弾性体を介装した請求項１記載の磁石埋込型モータ。
4. 弾性体が接着剤である請求項３記載の磁石埋込型モータ。

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