JP2008017547A - 永久磁石式電動機 - Google Patents

Abstract

【課題】軽量化を実現すると共に生産性を向上できるようにした永久磁石式電動機を提供する。
【解決手段】固定子巻線１６を有する固定子４と、積層された磁性材料の板材により形成されて固定子４の内側に配設され、その周面に沿って複数の永久磁石２６が配設された回転子６とを備える永久磁石式電動機１において、回転子６は、その軸心に沿って回転軸８が挿入される軸孔３６を有し、軸孔３６は、回転軸８の径にほぼ等しく回転軸８が嵌合可能な径を有した小径部３８を備えると共に、永久磁石２６に指向する方向の径が小径部３８より拡大された大径部４０を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、固定子に固定子巻線を設け、回転子には周面に沿って複数の永久磁石を配設した永久磁石式電動機に関する。

周面に沿って複数の永久磁石を配設した回転子を、固定子巻線を有した固定子の内側に設けて回転させるようにした永久磁石式電動機が従来より使用されている。
このような永久磁石式電動機において、各永久磁石は隣り合う永久磁石の磁極が互いに逆極性となるように周面に沿って配置されていることから、隣り合う永久磁石間の磁力線は両永久磁石に跨る略円弧状に形成される。このため、回転子の径方向断面で見た場合、回転子には磁束密度の高い領域と低い領域とが存在する。

一方、回転子は回転子ヨークを形成する多数の珪素鋼板と永久磁石とからなる重量物であるため、回転子を支持する軸受部での機械的損失が大きく、電動機の効率を向上させるためには回転子をできるだけ軽量化する必要があった。
そこで、回転子において磁束密度の低い部分を空洞化することにより、特性を阻害することなく回転子を軽量化して効率を向上させるようにした永久磁石式電動機が特許文献１により提案されている。
特開２００５−１８４９５７号公報

上記特許文献１に開示された永久磁石式電動機では、回転軸が挿入される軸孔とは別個に上記軸孔に沿って上記空洞化のための空間部が形成されている。回転子ヨークは珪素鋼板を多数積層することにより形成され、一般的にこれらの軸孔及び上記空間部はパンチプレスなどの機械加工により打ち抜かれて形成される。
ところが、このように軸孔の近傍に軸孔とは別個に空間部を形成するようにした場合、パンチプレスによる打ち抜きの際、空間部の打ち抜きによって軸孔の形状に歪みが生じるおそれがある。一方、回転子に形成された軸孔内に挿入される回転軸は、回転子が回転する際に振動やガタが生じることのないように、軸孔とほぼ等しい径を有して軸孔内に圧入されるのが一般的である。しかしながら、このような珪素鋼板を積層して回転子ヨークを形成した場合には、軸孔に回転軸を圧入しようとしても、軸孔の形状に歪みが生じているために、回転軸を圧入することができなくなるおそれがある。このため、このような永久磁石式電動機を製造する際の生産性が低下してしまうという問題が生じる。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、軽量化を実現すると共に生産性を向上できるようにした永久磁石式電動機を提供することにある。

上記の目的を達成するため、本発明の永久磁石式電動機は、固定子巻線を有する固定子と、積層された磁性材料の板材により形成されて上記固定子の内側に配設され、その周面に沿って複数の永久磁石が配設された回転子とを備える永久磁石式電動機において、上記回転子は、その軸心に沿って回転軸が挿入される軸孔を有し、上記軸孔は、上記回転軸の径にほぼ等しく上記回転軸が嵌合可能な径を有した小径部を備えると共に、上記永久磁石に指向する方向の径が上記小径部より拡大された大径部を備えることを特徴とする（請求項１）。

このように構成された永久磁石式電動機によれば、軸孔に挿入された回転軸が小径部に嵌合すると共に、大径部を形成する部分には回転軸の周面との間に空洞が形成される。このとき、隣り合う永久磁石間には略円弧状の磁力線が生成されるが、大径部は永久磁石に指向する方向に形成されているため、磁力線の生成に影響を及ぼす可能性の低い領域に位置することになる。

また、上記永久磁石式電動機において、上記大径部は、上記回転子の周方向における上記永久磁石の中央部分に指向する方向で径が最大となることを特徴とする（請求項２）。
このように構成された永久磁石式電動機によれば、大径部の径は回転子の周方向における永久磁石の中央部分に指向する方向で最大となるように形成される。
更に、上記永久磁石式電動機において、上記大径部は、上記回転子に設けられた全ての永久磁石に対応してそれぞれ設けられることを特徴とする（請求項３）。

このように構成された永久磁石式電動機によれば、回転子に設けられた永久磁石の数だけ大径部による空洞が形成される。
更にまた、上記永久磁石式電動機において、上記回転子は、上記永久磁石が周面に沿って配設されると共に上記小径部及び上記大径部を備えた軸孔を有する回転子ヨークと、上記回転子ヨークの軸線方向の両端にそれぞれ配設されて上記回転子ヨークに固定され、上記回転子ヨークの軸孔と同心で上記回転軸が嵌挿される開口部が形成された１対の端板とを備え、上記開口部は、周縁部の一部にキー溝及びキーのいずれか一方からなる第１係合部を有し、上記回転軸には、上記回転子の上記軸孔に挿入されたときに上記第１係合部に係合するキー溝及びキーのいずれか他方からなる第２係合部が形成されていることを特徴とする（請求項４）。

このように構成された永久磁石式電動機によれば、小径部及び大径部を備えた軸孔を有する回転子ヨークが１対の端板によって挟持され、軸孔に挿入された回転軸に回転子ヨークの小径部及び端板に形成された開口部が嵌合すると共に、開口部の第１係合部と回転軸の第２係合部とが係合する。

本発明の永久磁石式電動機によれば、回転子の軸孔の大径部によって空洞が形成されることにより、回転子の軽量化が可能となり、永久磁石式電動機の運転効率を向上させることができる。このとき形成される空洞は、大径部が永久磁石に指向する方向に形成されているため、磁束の生成に影響を及ぼす可能性の低い領域に位置しており、永久磁石式電動機の特性を阻害することなく回転子の軽量化を行うことができる。

また、このような空洞を形成するための大径部は回転軸を挿入するための軸孔と連続して形成されているため、回転子ヨークを構成する磁性材料からなる板材をパンチプレスなどで打ち抜く際に軸孔の形状に歪みを生じることがなく、永久磁石式電動機を組み立てる際に軸孔に回転軸を挿入できなくなるといった不具合を解消して、生産性を向上させることが可能となる。

また、請求項２の永久磁石式電動機によれば、回転子の周方向における永久磁石の中央部分に指向する方向で大径部の径が最大となるようにして空洞が形成されるので、磁束の生成を阻害しない領域を最大限利用して空洞部を形成することが可能となり、より一層の回転子の軽量化を行うことができる。
更に、請求項３の永久磁石式電動機によれば、回転子に設けられた全ての永久磁石に対応してそれぞれ大径部を設けることにより、回転子に設けられた永久磁石の数だけ大径部による空洞を形成するようにしたので、空洞による回転子の軽量化を最大限行うことが可能となる。

更にまた、請求項４の永久磁石式電動機によれば、小径部及び大径部を備えた軸孔を有する回転子ヨークが１対の端板によって挟持され、軸孔に挿入された回転軸に回転子ヨークの小径部及び端板に形成された開口部が嵌合すると共に、開口部の第１係合部と回転軸の第２係合部とが係合するようにしたので、回転軸に対する回転子の回り止めを確実に行うことができると共に、回転軸に回転子をしっかりと固定して振動やガタの発生を確実に防止することが可能となる。

以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。
図１は本発明の一実施形態に係る永久磁石式電動機（以下電動機という）１の軸線方向の概略的な断面図であり、図２は図１中のII−II線に沿う概略的な断面図である。なお、図１は図２中のI−I線に沿った断面となる。また、図３は図２中のIII−III線に沿う概略的な断面図である。

電動機１は、ケース２と、ケース２内に図示しない保持手段で保持された円筒状の固定子４と、固定子４内に配置された回転子６とを有している。回転子６は後述する方法により回転軸８に固定されており、回転軸８が軸受１０及び１２を介してケース２に回転可能に保持されることにより、回転子６は固定子４の内側で回転可能となっている。
固定子４の内周面側には、９つの突極１４が形成されており、各突極１４の間にはそれぞれ固定子巻線１６が配設されている。これら突極１４及び固定子巻線１６は従来より一般的に用いられている永久磁石式電動機と同様のものであり、固定子巻線１６には図示しない電力供給源から電力が供給されるようになっているが、ここでは詳細な説明を省略する。

一方回転子６は、磁性材料である珪素鋼板を積層して形成された回転子ヨーク１８と、回転子ヨーク１８を軸線方向の両端から挟持する端板２０及び２２とを備えている。回転子ヨーク１８は周面に沿って等間隔に形成された６つの空隙２４内に、板状の永久磁石２６がそれぞれ挿入され固定されており、各永久磁石２６は隣り合う永久磁石２６の磁極が互いに逆極性となるように配置されている。

図４は図１中のIV−IV線に沿う回転子６の概略的な断面図であるが、図１、図２及び図４に示すように、回転子ヨーク１８には、周方向において各永久磁石２６の中央となる位置で、永久磁石２６よりも径方向内方の６カ所の位置にボルト孔２８が形成され、端板２０及び２２にもこれらボルト孔２８に対応して６カ所にボルト孔３０が形成されている。そして、これらボルト孔２８及び３０に端板２０側からそれぞれボルト３２を貫通させ、端板２２側でボルト３２にナット３４を螺合させることにより、端板２０及び２２が回転子ヨーク１８を強固に挟持するようになっている。

回転子ヨーク１８には、回転軸８が挿入される軸孔３６が形成されており、図２に示すように、この軸孔３６は回転軸８の径にほぼ等しく回転軸８が嵌合可能な径を有した小径部３８と、それぞれの永久磁石２６に指向する方向の径が小径部３８より拡大されて形成された６カ所の大径部４０とからなる。
なお、大径部４０は対応する永久磁石２６の周方向の中央部に指向する方向で径が最大となるように形成されている。

また、小径部３８は互いに隣り合う永久磁石２６の中間となる周方向の角度位置、即ち周方向で互いに隣り合うボルト孔２８の中間となる角度位置にほぼ一致した位置に形成されている。従って、本実施形態では軸孔３６には６カ所に小径部３８が設けられている。
このような形状の軸孔３６を回転子ヨーク１８に設けることにより、軸孔３６に回転軸８が挿入されると、小径部３８が回転軸８に係合すると共に、大径部４０及びその周辺には略三角形状の空洞が形成される。

また、端板２０及び２２には回転子ヨーク１８の軸孔３６と同心の開口部４２が形成されており、回転軸８が開口部４２に圧入されて端板２０及び２２に固定されるようになっている。図４に示すように、端板２０及び２２の軸孔４２には切り欠き（第１係合部）４４が形成されており、これに対応して回転軸８に形成されたキー（第２係合部）４６と切り欠き４４とが係合することにより、回転子６と回転軸８との相対的な回転を確実に防止するようにしている。

このようにして、回転軸８を小径部３８に嵌合させた状態で、切り欠き４４とキー４６とを係合させながら端板２０及び２２の開口部４２内に回転軸８を圧入し、更にボルト３２とナット３４とを用いて端板２０及び２２により回転子ヨーク１８を強固に挟持することにより、回転子６は回転軸８に強固に支持される。従って、電動機１を運転したときに回転軸８に対して回転子６が振動したりガタが生じたりすることがない。

このように構成された電動機１では、固定子巻線１６に適宜通電を行うことにより固定子巻線１６による磁界を発生させ、この磁界が回転子６の周面に沿って配設された永久磁石２６に作用することにより回転子６が回転する。なお、このときの各固定子巻線１６の励磁方法は、従来より一般的に用いられている永久磁石式電動機と同様であるので、ここでは説明を省略する。

回転子ヨーク１８には、永久磁石２６が周面に沿って配設されると共に、各永久磁石２６は隣り合う磁極が互いに逆極性となるように配置されていることから、図２中に破線の矢印によって示すように、隣り合う永久磁石２６間の磁力線は両永久磁石２６に跨る略円弧状となる。
このとき、各永久磁石２６に指向する方向の軸孔３６の径が拡大されて大径部４０が形成されると共に、大径部４０の径が永久磁石２６の周方向中央部分に指向する方向で最大となるように大径部４０形成されているため、軸孔３６の大径部４０によって回転軸８との間に形成される空洞は、各永久磁石２６による磁束にほとんど影響を与えることのない領域に位置している。従って、空洞が形成されていない場合と比較して電動機１の特性を阻害することなく、回転子６の軽量化を実現することが可能となる。

また、全ての永久磁石２６に対応してそれぞれ大径部４０を形成するようにしたので、磁束を阻害しない領域を最大限利用して空洞を形成することが可能となり、回転子の軽量化の効果を最大限得ることが可能となる。
更に、前述したように回転子ヨーク１８は珪素鋼板を積層して製造されるが、軸孔３６は積層の前に珪素鋼板をパンチプレスなどで打ち抜くことにより形成される。このとき、空洞を形成するための大径部４０は軸孔３６の一部であることから、空洞を形成するための孔を軸孔とは別個に打ち抜いて形成する場合のように軸孔３６の形状に歪みが生じるようなことがない。このため、軸孔３６を打ち抜いた後で珪素鋼板を積層して回転子ヨーク１８を形成した後、回転軸８を容易に軸孔３６内に挿入することができる。従って、電動機１を製造する際の生産性を向上させることができる。

以上で本発明の一実施形態に係る永久磁石式電動機についての説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。
例えば、上記実施形態において軸孔３６の大径部４０によって形成される個々の空洞はほぼ三角形状をなしているが、空洞の形状はこれに限定されるものではなく、回転子ヨーク１８における磁力線の分布に応じて適宜形状を設定することが可能であって、矩形状や円弧状など必要に応じて種々の形状を適用可能である。

また、上記実施形態では軸孔３６の大径部４０を全ての永久磁石２６に対応して形成するようにして、回転子６の軽量化を最大限行うようにしている。しかしながら、必ずしも全ての永久磁石２６に対応して大径部４０を設ける必要はなく、軽量化の度合いやその他特性面などの必要性に応じて大径部４０の数を変更することが可能である。
更に、小径部３８についても、上記実施形態では永久磁石２６の数と同数設けるようにしたが、これに限られるものではなく、必要に応じて増減することが可能である。

また、上記実施形態では、ボルト３２及びナット３４を用いて回転子ヨーク１８を端板２０及び２２とで挟持するようにしたが、端板２０及び２２による回転子ヨーク１８の挟持方法はこれに限られるものではなく、従来より用いられている種々の方法により挟持するようにしても良い。
更に、端板２０及び２２に本発明の第１係合部として切り欠き４４を設けると共に、回転軸８に本発明の第２係合部としてキー４６を設けるようにしたが、端板２０及び２２に本発明の第１係合部としてキーを設けると共に、回転軸８に本発明の第２係合部として切り欠き即ちキー溝を設けるようにしても良いし、回転軸８に対する回転子６の回り止めとして従来より用いられている種々の方法を用いるようにしても良い。

また、回転子ヨーク１８の小径部３８にも切り欠き及びキーのいずれか一方を形成し、これに対応する回転軸８の位置に切り欠き及びキーのいずれか他方を形成して係合させるようにしても良い。このようにすることによって、回転軸８に対する回転子６の固定をより一層強固に行うことが可能となる。
更に、上記実施形態では、永久磁石２６を回転子ヨーク１８に形成された空隙２４内に挿入することにより、永久磁石２６を回転子６の周面に沿って配置するようにしたが、回転子ヨーク１８の周面上に永久磁石２６を取り付けるようにしても良い。

また、上記実施形態では、突極１４の数を９とし、永久磁石２６の数を６としたが、これらの数は電動機１に必要とされる特性や形状などの仕様に応じて適宜変更することが可能である。
更に、上記実施形態では回転子ヨーク１８を形成する板状の磁性材料として珪素鋼板を用いたが、珪素鋼板以外の磁性材料を用いるようにしても良い。

本発明の一実施形態に係る永久磁石式電動機の軸線方向の概略断面を、図２中のI−I線に沿って示す概略断面図である。 図１中のII−II線に沿う永久磁石式電動機の概略断面図である。 図２中のIII−III線に沿う永久磁石式電動機の概略断面図である。 図１のIV−IV線に沿う回転子の概略断面図である。

符号の説明

１ 永久磁石式電動機
４ 固定子
６ 回転子
８ 回転軸
１６ 固定子巻線
１８ 回転子ヨーク
２０，２２ 端板
２６ 永久磁石
３６ 軸孔
３８ 小径部
４０ 大径部
４２ 開口部
４４ 切り欠き（第１係合部）
４６ キー（第２係合部）

Claims (4)

1. 固定子巻線を有する固定子と、積層された磁性材料の板材により形成されて上記固定子の内側に配設され、その周面に沿って複数の永久磁石が配設された回転子とを備える永久磁石式電動機において、
   上記回転子は、その軸心に沿って回転軸が挿入される軸孔を有し、
   上記軸孔は、上記回転軸の径にほぼ等しく上記回転軸が嵌合可能な径を有した小径部を備えると共に、上記永久磁石に指向する方向の径が上記小径部より拡大された大径部を備えることを特徴とする永久磁石式電動機。
2. 上記大径部は、上記回転子の周方向における上記永久磁石の中央部分に指向する方向で径が最大となることを特徴とする請求項１に記載の永久磁石式電動機。
3. 上記大径部は、上記回転子に設けられた全ての永久磁石に対応してそれぞれ設けられることを特徴とする請求項１又は２に記載の永久磁石式電動機。
4. 上記回転子は、上記永久磁石が周面に沿って配設されると共に上記小径部及び上記大径部を備えた軸孔を有する回転子ヨークと、上記回転子ヨークの軸線方向の両端にそれぞれ配設されて上記回転子ヨークに固定され、上記回転子ヨークの軸孔と同心で上記回転軸が嵌挿される開口部が形成された１対の端板とを備え、
   上記開口部は、周縁部の一部にキー溝及びキーのいずれか一方からなる第１係合部を有し、
   上記回転軸には、上記回転子の上記軸孔に挿入されたときに上記第１係合部に係合するキー溝及びキーのいずれか他方からなる第２係合部が形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の永久磁石式電動機。

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