JP2008518580A - 永久磁石埋め込み型ロータにおける磁石およびウエブの構成 - Google Patents

Abstract

このロータは、ロータコア内の磁石の配置を規定するウエブからなるロータコアを含む。ロータコアは、複数の極を形成する少なくとも１つの磁石層を有する。各極は、磁石を保持する複数のスロットと、センターラインスロットと各ウイングスロットとの間のウエブ部分からなる少なくとも２つのリブと、対応するスロット内に配置された複数の磁石とを含む。スロットは、少なくとも１つのセンターラインスロットと、センターラインスロットの両端またはその近くの位置からロータコアの外周縁に向かって延長する２つの傾斜ウイングスロットとを有する。ウイングスロットは、センターラインスロットの両端またはその近くの位置からロータコアの外周縁に向かって先細りに形成することができる。
【選択図】図１

Description

［優先権の主張］
この国際出願は、２００４年１０月２６日出願の米国仮出願第６０／６２２，２９０号「永久磁石埋め込み型ロータの磁石およびウエブ」の優先権を主張するものであり、その内容をここに援用する。

本発明は、永久磁石埋め込み型（ＩＰＭ）機器ないしモータ、より詳しくは多相同期モータにおけるＩＰＭロータの磁石およびウエブの構成に関するものである。

ＩＰＭモータは、一般に、励磁巻線を備えたステータと埋め込まれた磁石を有するロータ、例えば、永久磁石埋め込み型ロータとを含んでいる。このロータは、永久磁石同期モータが広い速度範囲にわたって定出力で動作することを可能にする。この速度範囲の大きさ、すなわち、定出力が維持される最大速度と最小速度の比は、２つの直交軸、すなわち、ｄ軸と呼ばれる磁束方向の１つの軸と、ｄ軸に対して電気角９０度離れたｑ軸と呼ばれる他方の軸とに沿うインダクタンスの比に依存する。

このようなモータを設計するにあたっては、種々の要因、なかんづく動作中の機械的ストレス、漏洩磁束および／またはコギングトルクを解決する必要がある。

この発明の１つの目的は、動作中における機械的ストレス、漏洩磁束および／またはコギングトルクを解決するロータのデザインを提供することである。

本発明の一実施例によれば、ロータはロータコア中の磁石の配置を規定するウエブからなるロータコアを含む。このロータコアは複数の極を形成する磁石の少なくとも１つの層を有している。各極は磁石を保持するための複数のスロットと、センターラインスロットと各ウイングスロットとの間のウエブ部分からなる少なくとも２つのリブと、それぞれのスロット内に配置された複数の磁石とを含んでいる。これらのスロットは、少なくとも１つのセンターラインスロットと、このセンターラインスロットの両端またはその近くの位置からロータコアの外周縁に向かって延長する２つの傾斜したウイングスロットである。ロータコアは円柱状で積層金属板（stacked metal lamination）または凝結金属粉（powdered pressed metals）から形成することができる。

ウイングスロットはセンターラインスロットの両端またはその近くの位置からロータコアの外周縁に向かって先細りに形成することができる。各ウイングスロットの先細り度合は、平均トルクを最大にしながら、コギングを最小にするように設計することができる。

センターラインスロットは中間にリブを挟んだ２つのスロットで構成できる。ロータコアには、ロータコアの中心寄りに配置した内側層と、外側層とからなる少なくとも二層の磁石を設けることができる。

各極は少なくとも内側極層と外側極層を含むことができる。これらの極層のそれぞれは磁石を保持するための複数のスロットを有し、これらのスロットは少なくとも１つのセンターラインスロットと、このセンターラインスロットの両端またはその付近の位置からロータコアの外周縁に向かって延長する２つの傾斜ウイングスロットと、センターラインスロットと各ウイングスロットの間のウエブ部分からなる少なくとも２つのリブと、対応するスロット内に配置された複数の磁石とを有する。内側および外側極層のウイングスロットはそれぞれのセンターラインスロットの両端またはその付近の位置からロータコアの外周縁に向かって先細りに形成することができる。

磁石は少なくとも１つの直方体磁石を使用できる。各ウイングスロットは、ロータコアの外周縁に向かって延長する、互いに平行でない２つの対向側辺を含み、磁石層はロータコア内の周縁部に沿って配置することができる。

さらに、他の実施例においては、ロータはロータコア内の磁石の配置を規定するウエブから形成されたロータコアを有する。このロータコアは複数の極を有する。各極は磁石を保持する複数のスロットと、複数の磁石とを有し、これらのスロットは少なくとも１つのセンターラインスロットと、このセンターラインスロットの両端またはその付近の位置からロータコアの外周縁に向かって先細りに延長する２つの傾斜ウイングスロットからなり、磁石は対応するスロット内に配置されている。ロータコアは円柱状で積層金属板または凝結金属粉から形成することができる。

各ウイングスロットの先細り度合は、平均トルクを最大にしつつ、コギングを最小にするように設計することができる。センターラインスロットは、中間にリブを挟んだ２つのスロットで構成できる。

各極は少なくとも内側および外側の磁石層を含み、各磁石層は磁石を保持する複数のスロットと、スロット内に配置された複数の磁石とを含むことができ、これらのスロットは少なくとも１つのセンターラインスロットと、このセンターラインスロットの両端またはその付近の位置からロータコアの外周縁に向かって先細りに延長する２つの傾斜ウイングスロットからなる。

さらに、他の実施例によれば、ロータはロータコア内の磁石の配置を規定するウエブから形成されたロータコアを含み、このロータコアは複数の極を有し、各極は磁石を有し、１つのセンターライン部分とこのセンターライン部分の両端またはその付近の位置からロータコアの外周縁に向かって延長する２つの傾斜ウイング部分とを有し、磁石は少なくとも３つのセグメントに分けられている。ロータコアは円柱状で積層金属板または凝結金属粉から形成することができる。

各極は内側および外側極層を含み、各極層は、センターライン部分とこのセンターライン部分の両端またはその付近の位置からロータコアの外周縁に向かって延長する２つの傾斜ウイング部分とで形成された磁石を含み、この磁石は少なくとも３つの部分に分割されている。

本発明によれば、ＩＰＭロータにおける磁石およびウエブの１つの構成が多相同期モータのようなモータまたは電気機器における使用のために提供される。以下に詳述するように、このＩＰＭロータは磁石セグメントの数および磁石を遠心力に対して抑制するために使用される材質のウエブを最適化し、ウエブ内の機械的ストレスを許容設計限度に維持するとともに、ウエブ内で失われる漏洩磁束の量を最小にするように構成することができる。

ＩＰＭロータは永久磁石同期多相モータの組立部品である。ＩＰＭロータは永久磁石同期モータが広い速度範囲にわたって定出力で動作することを可能にする。この速度範囲の大きさ、すなわち定出力が維持される最大と最小速度の比は、２つの直交軸、すなわちｄ軸と呼ばれる磁束方向の軸と、ｄ軸から電気角９０度のｑ軸と呼ばれる軸とに沿うインダクタンスの比に依存する。このインダクタンス比Ｌｑ／Ｌｄは、各極を形成する磁石層の数を増加させることによって増加させることができる。

例えば、標準的で最も簡単なＩＰＭロータの形態は、６極、すなわち機械的に６０度の等間隔で配置された６つの磁石を有し、各磁石はロータの周縁近くの積層ウエブ内のスロットまたは切欠内に設置される。Ｌｑ／Ｌｄ比を増加させるために、もう一層の磁石をロータの中心側の小さい半径位置に追加配置することもできる。その結果、６極モータにおいて１ロータ当たり少なくとも１２の磁石となる。さらに、磁石層を追加することによってＬｑ／Ｌｄ比を増加させ、定出力範囲をさらに改善することができる。図１〜３を参照して、二層ロータの一例を以下に説明する。この例では、磁石の形状として直方体磁石を使用することができる。ロータの構造に応じて、他の形態の磁石を使用することも後述のように可能である。

一態様では、ＩＰＭロータを１つの単体として形成することができる。この場合、ロータを一体に保持し、磁石およびウエブを接線方向のフープストレス（tangential hoop stresses）、およびウエブ内に半径方向のストレスを生じさせる遠心力を抑制するために積層鋼板（steel lamination）材質からなるウエブが使用される。また、他の態様では、ウエブが磁束の漏洩路を提供するので、ウエブは磁束の漏洩を最小にするためにできるだけ薄くする必要がある。以下の構成は、上記問題を解決するために使用することができる。

例えば、一例において、ロータの最も外側の磁石層は中心方向の次の内側の層よりも半径方向に薄くし、これを続けて、より多層化することができる。これによって、この磁石を抑制するウエブ材質内のストレスを許容限度内に維持し、必要なウエブの厚みを最小にして漏洩磁束を最小することができる。

他の例において、最も内側の層において１つの極の磁石は、幅方向に２つの磁石に分割することができる。（あるいは、幅方向に３つまたは４つのセグメントに分割することも可能である。）この場合、磁石の側辺に平行な方向から半径方向までのセグメントの間のウエブ材質を、漏洩磁束を最小にしながら、ウエブのストレスを設計限度内に維持するのに使用できる。このことは、外側の層に比べて内側の層の方がより必要であることが判明した。なぜなら、内側の層はその層の荷重に加えて、その層よりも半径方向外側の層の荷重をも担う必要があるからである。

ＩＰＭモータを設計する際の他の問題を解決するために、ウイングスロットはコギングトルクを減少させるために先細りに形成することができる。各磁石層は、３つの領域、すなわち、極のセンターラインの両側の内側領域、および内側セクションの外縁からロータの外径（ＯＤ）まで延長する２つの外側領域（例えば、ウイングスロット）を有する。これらのウイングスロットは平行な側縁ではなく、むしろ平行でない側縁、すなわち、それらの側縁が内側領域ではより広く、ロータのＯＤ近くではより狭くなるように、先細りに形成する。この構成は、平均トルクの少しの減少の代償に代えて、ロータの位置による望ましくないリラクタンストルクの変動（コギング）を大いに減少させるという非常に有益な効果を生じる。ウイング磁石の先細りの量は、モータの平均トルクをできる限り高く維持しつつ、コギングトルクを最小にするように適当に定めることができる。

ＩＰＭロータの一例を以下に図１〜３を参照して説明する。図１に示されるように、ＩＰＭロータ１００は、複数、例えば６つの極を有する。ＩＰＭロータ１００は積層鋼板のような積層ウエブから作ることができるロータコア１０２を有する。

ロータ１００は、その周縁に配置された複数の磁石層、例えば、内側層１１０および外側層１２０を含む。各層１１０、１２０は、所望のパターンで配置された複数のスロットおよび磁石を含む。内側層１１０はロータ１００の中心に近い半径位置に配置され、外側層１２０は内側層よりもロータの中心から離れた半径位置に配置されている。

図２に示すように、ロータ１００の各極は内側層１１０の一部である内側極層２００と、外側層１２０の一部である外側極層２５０を含むことができる。

内側層２００は１つのセンターラインスロット２１０と２つのウイングスロット２１２を含み、ウイングスロット２１２はセンターラインスロット２１０の両端（ないし両縁）またはその付近の位置からロータコア１０２の外周縁または面に向かって延長している。この実施例において、各ウイングスロット２１２はセンターラインスロット２１０の両端またはその近くの位置から傾斜延長している。センターラインスロット２１０は図示のようにスロット２１０Ａ、２１０Ｂに分割してもよい。スロット２１０Ａ、２１０Ｂは同一またはほぼ同一の寸法またはサイズにすることができる。

図示のように、各スロットの間のウエブ材質は、上述のように、遠心力による磁石およびロータ構成要素のストレスの付加的減少または抑制に役立つリブを形成する。この例において、内側極層２００はセンターラインスロット２１０の両端と各ウイングスロット２１２の一端の間のリブ２２２、およびセンタースロット２１０の２つのセグメントないしスロット２１０Ａと２１０Ｂの間のリブ２２０を有する。これらのリブは、スロットまたは磁石の両端または両側辺もしくは縁に平行または放射状とすることができる。内側極層２００のセンターラインスロット２１０において、磁石を分割して複数のリブ、例えば、２つまたは３つ、またはそれ以上のリブを形成して、漏洩磁束のバランスをとりながら、磁石およびロータ構成要素の付加的ストレス減少または付加的抑制を行なうことができる。

各ウイングスロット２１２はセンターラインスロット２１０の端から、ロータコア１０２の外周縁または面に向かって先細りに延長させることもできる。この先細りはスロットおよび／または磁石の両側辺をロータコア１０２の外周縁または面に向かって不平行に延長形成することによって実現できる。上述のように、この構成は、平均トルクの少しの減少の代償に代えて、ロータの位置によるリラクタンストルクの望ましくない変動（コギング）を大きく減少させる非常に有益な効果をもつ。ウイング磁石またはスロットまたはセグメントの先細りの量は、モータの平均トルクをできるだけ高く維持しつつ、コギングトルクを最小にするように最適に定めることができる。例えば、ウイングスロット２１２は、センターラインまたはその近くでの幅に対してほぼ半分の幅まで先細りに形成できる。

磁石２３０、例えば直方体ブロック磁石は、スロット２１０Ｂの中に配置ないし埋め込まれる。これは一例であって、所望の形状の磁石、例えば、ブロック磁石、直方体ブロック磁石、先細りブロック磁石などがロータ１００のスロット内に配置または埋め込まれる。

内側極層２００は、４つのセグメントに分割された磁石を用いているけれども、この内側極層２００は磁石を所望の数のリブを設けて、所望の数のセグメントに分割することができる。そして、これらの磁石セグメントは相応の形状にすることができる。例えば、内側極層２００は台形あるいはＵ形にすることができる。

外側極層２５０は、センターラインスロット２６０と、センターラインスロット２６０の両端（もしくは縁）またはその付近の位置からロータコア１０２の外周縁あるいは外径に向かって延長する２つのウイングスロット２６２とを含んでいる。この例において、各ウイングスロット２６２は、センターラインスロット２６０の両端またはその付近の位置から傾斜延長している。内側極層２００の場合と同じように、センターラインスロット２６０もさらに分割することができる。

図示のように、各スロット間のウエブ材質はリブを形成し、このリブは上述のように、遠心力による磁石およびロータ構成要素のストレスの付加的軽減または抑制に役立つ。この実施例において、外側極層２５０は、センターラインスロット２６０の両端に隣接する各ウイングスロット２６２の一端間にリブ２７２を有する。これらのリブは、スロットまたは磁石の両端または両側辺もしくは縁に平行または放射状に形成できる。外側極層２５０においても、磁石を分割して複数のリブ、例えば、２個または３個あるいはそれ以上のリブを形成して漏洩磁束のバランスをとりながら、磁石およびロータ構成要素の付加的ストレス減少または付加的抑制を行なうことができる。

各ウイングスロット２６２は、センターラインスロット２６０の一端からロータコア１０２の外周縁または面に向かって先細りに形成することができる。この先細りは、スロットおよび／または磁石の両側辺をロータコア１０２の外周縁または面に向かって不平行に延長形成することによって実現できる。上述のように、この構成は、平均トルクの少しの減少の代償に代えて、ロータの位置によるリラクタンストルクの望ましくない変動（コギング）を大きく減少させる非常に有益な効果をもつ。ウイング磁石またはスロットまたはセグメントの先細りの量は、モータの平均トルクをできるだけ高く維持しつつコギングトルクを最小にするように最適に定めることができる。例えば、ウイングスロット２６２は、（センターラインおよびその近くでの幅に対して）ほぼ半分の幅まで先細りに形成できる。

内側極層２００の場合のように、各スロットには磁石、例えば直方体ブロック磁石が配置ないし埋め込まれる。磁石は、例えば、ブロック磁石、直方体ブロック磁石、先細りブロック磁石など所望の形状とすることができる。

外側極層２５０は、３つのセグメントに分割された磁石を用いているけれども、この外側極層２５０は所望の数のリブを設けて、磁石を所望の数のセグメントに分割することができる。そして、これらの磁石セグメントは所望の形状にすることができる。例えば、外側極層２５０は台形あるいはＵ形にすることができる。

図３を参照して、例示されたロータコアのスロット３００には、動作中のストレスを減少させるために、スロットの一端または両端に、フィレット(fillet)またはラジアス(radius)のような切欠き(undercut)を設けることができる。図１〜３の実施例に示されるように、センターラインスロットにはフィレットまたはラジアスを形成することができる。ロータコア１０２のスロットのうち、どのスロットでも必要に応じて上述のようなフィレットまたはラジアスを設けることができる。

図１〜３の上述したロータの構成は、６極２磁石層ＩＰＭロータの一例を示す。しかしながら、ロータ１００は任意の数の極、および／または任意の数の磁石層、および／または任意の数の極層、および／または各極層または極についてに任意の数の磁石セグメント、またはリブを有することができる。上述のように、層を付加して、Ｌｑ／Ｌｄ比をさらに増加させて、定出力範囲をさらに改善することもできる。さらに、ロータコア１０２は、円柱状または所望形状に形成し、積層金属層または凝固粉末金属で形成することができる。

本発明の種々の実施例を上述したが、これらは例として示したものであって、制限的に解されるべきでない。したがって、本発明の本質および範囲を外れることなく、種々の形態構造の変更が可能であることは当業者にとって明白である。したがって、本発明の範囲は、上述の実施例に限定されるべきではなく、請求の範囲の記載およびその等価構成によってのみ規定されるべきである。したがって、他の変形例も本発明の範囲内に含まれるものである。

ＩＰＭロータの一例を示す。 図１の例示ロータの極の部分図である。 磁石スロットのストレス軽減形態を示す図１の例示ロータの部分図である。

符号の説明

１００ ロータ
１０２ ロータコア
１１０ 内側層
１２０ 外側層
２００ 内側極層
２１０ センターラインスロット
２１２ ウイングスロット
２２０ リブ
２２２ リブ
２３０ 磁石
２５０ 外側極層
２６０ センターラインスロット
２６２ ウイングスロット
２７２ リブ
３００ スロット

Claims (19)

1. 磁石の配置を規定するウエブによって形成され、複数の極を形成する少なくとも１つの磁石層を有するロータコアからなり、
   各極は、
   少なくとも１つのセンターラインスロットと、前記センターラインスロットの両端またはその近くの位置から前記ロータコアの外周縁まで延長する２つの傾斜ウイングスロットとからなる複数の磁石保持スロットと、
   前記センターラインスロットと前記ウイングスロットのそれぞれとの間のウエブ部分からなる少なくとも２つのリブと、
   対応するスロット内に設置された複数の磁石と、
   を含むことを特徴とするロータ。
2. 前記ウイングスロットが、前記センターラインスロットの両端またはその近くの位置から前記ロータコアの外周縁に向かって先細りに形成されていることを特徴とする請求項１に記載のロータ。
3. 前記ウイングスロットのそれぞれの先細りの度合が、平均トルクを最大にしつつ、コギングを最小ならしめるように設定されていることを特徴とする請求項１に記載のロータ。
4. 前記センターラインスロットが、さらに、リブを介在させた２つのスロットからなることを特徴とする請求項１に記載のロータ。
5. 前記ロータコアが、内側層および外側層からなる少なくとも２つの磁石層を含み、前記内側層が前記ロータコアの中心側に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のロータ。
6. 各極が、少なくとも内側および外側極層を含み、
   前記内側および外側極層のそれぞれが、
   少なくとも１つのセンターラインスロットと、前記センターラインスロットの両端またはその近くの位置から前記ロータコアの外周縁に向かって延長する２つの傾斜ウイングスロットとからなる複数の磁石保持スロットと、
   前記センターラインスロットと前記ウイングスロットのそれぞれとの間のウエブ部分からなる少なくとも２つのリブと、
   対応するスロット内に配置された複数の磁石と、
   からなることを特徴とする請求項１に記載のロータ。
7. 前記内側および外側極層の前記ウイングスロットが、前記センターラインスロットの両端またはその近くの位置から前記ロータコアの外周縁に向かって先細りに形成されていることを特徴とする請求項６に記載のロータ。
8. 前記磁石が、少なくとも１つの直方体ブロック磁石を含むことを特徴とする請求項１に記載のロータ。
9. 前記ウイングスロットのそれぞれが、前記ロータコアの外周縁に向かって延長する互いに平行でない２つの対向辺を含むことを特徴とする請求項１に記載のロータ。
10. 前記磁石層が、前記ロータコア内においてその周辺を巡って配置されていることを特徴とする請求項１に記載のロータ。
11. 請求項１に記載のロータからなることを特徴とするモータ。
12. 磁石の配置を規定するウエブによって形成され、複数の極を有するロータコアからなり、
    各極は、
    少なくとも１つのセンターラインスロットと、前記センターラインスロットの両端またはその近くの位置から前記ロータコアの外周縁に向かって先細りに延長する２つの傾斜ウイングスロットとからなる複数の磁石保持スロットと、
    対応するスロット内に設置された複数の磁石と、
    を有することを特徴とするロータ。
13. 前記ウイングスロットのそれぞれの先細りの度合が、平均トルクを最大にしつつ、コギングを最小ならしめるように設定されていることを特徴とする請求項１２に記載のロータ。
14. 前記センターラインスロットが、さらに、その中間にリブを挟んだ２つのスロットからなることを特徴とする請求項１２に記載のロータ。
15. 各極が、少なくとも内側および外側磁石層を含み、
    前記内側および外側磁石層のそれぞれが、
    少なくとも１つのセンターラインスロットと、前記センターラインスロットの両端またはその近くの位置から前記ロータコアの外周縁まで先細りに延長する２つの傾斜ウイングスロットとからなる複数の磁石保持スロットと、
    対応するスロット内に設置された複数の磁石と、
    からなることを特徴とする請求項１２に記載のロータ。
16. 請求項１２に記載のロータからなることを特徴とするモータ。
17. 磁石の配置を規定するウエブによって形成され、複数の極を有するロータコアからなり、
    各極は、
    センターライン部分と、前記センターライン部分の両端またはその近くの位置から前記ロータコアの外周縁まで延長する２つの傾斜ウイング部分とを有する磁石を有し、前記磁石が少なくとも３つの部分に分割されていることを特徴とするロータ。
18. 各極が、内側および外側極層を含み、
    前記内側および外側極層のそれぞれが、
    センターライン部分と、前記センターライン部分の両端またはその近くの位置から前記ロータコアの外周縁まで延長する２つの傾斜ウイング部分とで形成された磁石からなり、前記磁石が少なくとも３つの部分に分割されていることを特徴とする請求項１７に記載のロータ。
19. 請求項１７に記載のロータからなることを特徴とするモータ。

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