JP2009100530A - 回転電動機のロータ構造 - Google Patents

Abstract

【課題】永久磁石の形状を最適な値に設定することにより、高速回転時においてロータコアに設置した永久磁石が飛散すること、又は性能低下を発生させることを防止するとともに、従来のトルクを維持しつつ高調波成分を低減させることで振動、騒音を減少させ、コギングトルク及びトルクリプルの減少を可能とする回転電動機のロータ構造を提供する。
【解決手段】磁界を形成するための永久磁石４を、ロータコア１内に埋設するとともに、該ロータコア１の外周面に沿ってー定の間隔をおいて複数配置し、さらにこれらそれぞれの永久磁石４を、各端部４Ａが中央部４Ｂより薄厚に形成するとともに、その中央部４Ｂが、ロータコア１の外周面に沿うように外方に向けて弧を描く形状に形成したので、ロータ回転時に永久磁石４にかかる遠心力に対する応力を分散させて、該永久磁石４に局所的に応力集中することを防止できる。
【選択図】図１

Description

本発明は磁石形状の最適化を図り、従来のトルクを維持しつつ高調波成分を低減させることで振動、騒音を減少させ、コギングトルク及びトルクリプルの減少を可能とする回転電動機におけるインセット形のロータ構造に関する。

従来、この種の回転電動機として、特開平９−２３３７４４号公報（特許文献１）及び特開２００２−１０１５８５号公報（特許文献２）が知られている。これら回転電動機は、巻線に電流を供給することにより回転磁界を発生させるステータと、該ステータ内に配置されかつ周方向に沿って永久磁石が配置されたロータとを有するものであって、特許文献１では、ロータ側の永久磁石がロータコア周方向に沿って配置されるとともにその凸部側を中心部に向けて弧を描くように埋設されている。また、特許文献２では、ロータコアの外周面にその周方向に沿って永久磁石が配置されかつその周囲に該永久磁石をロータコアに固定するための非磁性リングからなる補強部材が取り付けられている。
特開平９−２３３７４４号公報 特開２００２−１０１５８５号公報

ところで、上記のような回転電動機では、慣性モーメントを低く抑えるためにロータの外径を小さくする必要があるが、ロータの外径を小さくした場合には永久磁石の設置スペースが小さくなり、高トルクを得るための十分な磁束密度を確保することができないという問題がある。また、上述した特許文献の回転電動機をそのままの構造でさらに高速で回転させようとすると、その遠心力によって該永久磁石に不均一な力がかかり、その強度を越えた応力によって該永久磁石が高速回転中に飛散するという問題がある。また、上述した特許文献２において、非磁性リングに導電性のある金属を使用した場合には、回転周波数の二乗に比例した渦電流損失によってジュール熱が発生して、電動機内部が高温となり、磁石性能を低下させるという不具合も発生する。

本発明は、従来の有していた問題を解決しようとするものであって、高速回転時においてロータコアに設置した永久磁石が飛散すること、又は発熱により性能低下を発生させることを防止するとともに、永久磁石の形状を最適な値に設定することにより、従来のトルクを維持しつつ高調波成分を低減させることで振動、騒音を減少させることができる回転電動機のロータ構造の提供を目的とする。

そして、上記目的を達成するために本発明の課題解決手段では、巻線に電流を供給することにより回転磁界を発生させるステータと、このステータ内にてロータコアの周縁部に沿って周方向に複数の永久磁石が配置されかつその中心にシャフトが配置されたロータとを有する回転電動機において、前記永久磁石は、ロータコア内に埋設されるとともに、前記ロータコアの外周面に沿って一定の間隔をおいて複数配置し、さらにこれら各永久磁石を、それら各端部が中央部より薄厚に形成するとともに、その中央部分をロータコアの外周面に沿うように外方に向けて弧を描く形状に形成する。

本発明に示される回転電動機のロータ構造では、ロータ回転時に永久磁石にかかる遠心力に対する応力を分散させて、この永久磁石に局所的に応力が集中することを防止でき、永久磁石が飛散することを防止することができる。
また、上記のように永久磁石を構成することによって、ロータコアとステータとの空隙における磁束密度波形が正弦波状に近づき、高調波成分が低減する。
そのため、本発明に示される回転電動機のロータ構造によれば、基本波成分のみで誘起電圧を発生させることができ、従来機と比較してコギングトルク及びトルクリプル、高調波含有率、鉄損が改善し、振動及び騒音が大きく低下する効果が得られる。

また、本発明の課題解決手段では、永久磁石を挿入するための磁石スロットと、シャフトを挿入するためシャフト挿入孔とを打ち抜いた電磁鋼板を、シャフトの軸方向に沿って積層することにより、前述したロータコアを構成する。

本発明に示される回転電動機のロータ構造においては、積層方向に対して電気的に絶縁され、渦電流が流れる経路が遮断される。
そのため、本発明に係る回転電動機によれば、鉄損の大部分を占める渦電流損失を低減させることができ、これにより渦電流が発生し易い非磁性リングを使用した従来機と比較して、効率の良いモータ駆動を行うことが可能となる。
また、本発明に示される回転電動機のロータ構造では、電磁鋼板に打ち抜いたシャフト挿入孔内に永久磁石を挿入するだけで該永久磁石の組み付け作業が終了するので、組立時の作業効率が良いという効果も得られる。

本発明によれば、高速回転時においてロータコアに設置した永久磁石が飛散すること、又は発熱により性能低下を発生させることを防止するとともに、永久磁石の形状を最適な値に設定することにより、従来のトルクを維持しつつ高調波成分を低減させることで振動、騒音を減少させることができる。

以下に本発明の実施形態を図１〜図３に基づいて説明する。図１は本発明に係わる回転電動機に適用されるロータ１００を示す正面図であって、この図において符号１はロータコアである。このロータコア１は、巻線に電流を供給することにより回転磁界を発生させるステータ内に配置されるものであるが、図面では記載が省略されている。

このロータコア１は外形を示す断面形状が真円に形成されたものであって、その中心部にはシャフト２が挿入される同じく真円形状のシャフト挿入孔３が設けられている。シャフト挿入孔３の周囲に位置するロータコア１には、周方向に「３６０／極数」度の間隔をおいて、極数分のスロット５が形成されている。すなわち、スロット５は、それぞれロータコア１の周方向に均等間隔をあけて配されて、径方向外方に向けて弧を描く円弧形状に形成されている。そして、スロット５には、ロータコア１の周方向に沿うように永久磁石４が挿入されている。シャフト２はシャフト挿入孔３に挿入配置されることで、ロータコア１内に埋め込まれており、また、該シャフト２の周囲には該シャフト２をロータコア１のキー溝６に係合させて一体回転させるためのキー７が設けられている。

ロータコア１内に挿入される各永久磁石４は、ロータコア１の周方向における各端部４Ａが、周方向の中央部４Ｂより肉薄に形成され、その中央部４Ｂが、肉厚となってロータコア１の内周に沿うように径方向外方に向けて弧を描く円弧形状に形成されている。
具体的な寸法では、ロータコア１の外径半径「ｒ」は、円弧状に形成された永久磁石４の内周側半径「ｒ１」、及び永久磁石４の外周側半径「ｒ２」に対して、以下の式に示すような関係にある。
ｒ１＞ｒ＞ｒ２
なお、永久磁石４の内周側半径「ｒ１」、及び永久磁石４の外周側半径「ｒ２」の中心は共に、ロータコア１の回転中心Ｍを通過しかつ永久磁石４の中心を貫く線上にあり、かつ永久磁石４の内周側半径「ｒ１」の中心「Ｍ１」は、ロータコア１の回転中心「Ｍ」を挟んで当該永久磁石４とは反対の側にあり、また、永久磁石４の外周側半径「ｒ２」の中心「Ｍ２」は、ロータコア１の回転中心「Ｍ」を挟んで当該永久磁石４側にある。

また、永久磁石４の端部４Ａは、前述したように中央部４Ｂに対して肉薄に形成されているが、ロータコア１の外周部１Ａの厚さ寸法は、以下に示すような関係にある。
ｗ１は、ｗ２の約２倍程度、ｗ３は、ｗ４の約３倍程度、ｗ３は、ｈｋの５倍程度となる。
すなわち、該永久磁石４の端部４Ａにおけるロータコア１の外周部１Ａの厚さ（図１に符号ｗ１で示す）は、該永久磁石４の中央部４Ｂにおけるロータコア１の外周部１Ａの厚さ（図１に符号ｗ２で示す）の約２倍程度である。
また、該永久磁石４の端部４Ａにおけるロータコア１の内周部１Ｂの厚さ（図１に符号ｗ３で示す）は、該永久磁石４の中央部４Ｂにおけるロータコア１の内周部１Ｂの厚さ（図１に符号ｗ４で示す）の約３倍程度である。
また、該永久磁石４の端部４Ａにおけるロータコア１の内周部１Ｂの厚さ（図１に符号ｗ３で示す）は、シャフト２のキー７の高さ（図１に符号ｈｋで示す）の約５倍程度である。

そして、上記（１）から（３）式で規定された寸法に従って、径方向外方に向けた円弧形状でかつ中央部４Ｂが肉厚となった永久磁石４が形成されるとともに、上記（１）式及び（２）式で規定された寸法に従って、永久磁石４の端部４Ａにおけるロータコア１の外周部１Ａの厚さ（＝ｗ１）が、該永久磁石４の中央部４Ｂにおけるロータコア１の外周部１Ａの厚さ（＝ｗ２）の２倍以上に設定される。また、永久磁石４の端部４Ａにおけるロータコア１の内周部１Ｂの厚さ（＝ｗ３）は、該永久磁石４の中央部４Ｂにおける内周部１Ｂの厚さ（＝ｗ４）の３倍以上でかつキー７の高さ（＝ｈｋ）の３倍以上に設定される。これら寸法に設定されることにより、永久磁石４がロータ回転時の遠心力に耐え、かつ応力を分散させて該永久磁石４に局所的に応力集中することが防止される。

また、上記ロータコア１は、図２に示されるように、表面が絶縁処理された薄板の電磁鋼板１０を複数枚重ね合わせることで構成されており、これにより積層方向に対して電気的に絶縁されて渦電流が流れる経路が遮断され、これにより渦電流損失を低減させることができる。

以上のような寸法で構成されたロータ１００の試験を実施し、また同一なロータを用意し、本発明のロータ１００と比較試験をした。その結果、図４に示すように、コギングトルクで１／５となり、高周波で１０％弱低減した。

すなわち、図４を参照して判るように本実施例のロータ１００では、従来機と比較してコギングトルク、高調波含有率、鉄損が改善した。特に、コギングトルクの低減に対して１／５という優れた効果を示し、これによって本実施例のロータ１００を適用した回転電動機では振動及び騒音が大きく低下することが確認された。

また、図４には記載していないが、本実施例のロータ１００では、トルクリプルも低下できる効果も奏される。このトルクリプルは、出力トルクの変動分を、平均トルクに対する百分率で示すものであり、このトルクリプルを低減させることで、高精度のトルク制御に寄与できた。

なお、上記実験結果では、実験にて確認されたような高調波成分の低減が確認されたが、これは、ロータコア１内に埋設した各永久磁石４を、各端部４Ａが中央部４Ｂより薄厚に形成するとともに、その中央部４Ｂが、ロータコア１の外周面に沿うように外方に向けて弧を描く形状に形成したことで、ロータコア１とステータ（図示略）との空隙における磁束密度波形が正弦波状に近づいたためと考えられる。そして、このような高調波成分の低減によって、基本波成分のみで誘起電圧を発生させることができた（すなわち、無駄な磁束が減り、限りなく電圧を高めることができる）。

以上詳細に説明したように、本実施例に示される回転電動機のロータ構造では、磁界を形成するための永久磁石４を、ロータコア１内に埋設するとともに、該ロータコア１の外周面に沿ってー定の間隔をおいて複数配置し、さらにこれらそれぞれの永久磁石４を、各端部４Ａが中央部４Ｂより薄厚に形成するとともに、その中央部４Ｂが、ロータコア１の外周面に沿うように外方に向けて弧を描く形状に形成したので、ロータ回転時に永久磁石４にかかる遠心力に対する応力を分散させて、該永久磁石４に局所的に応力集中することを防止でき、該永久磁石４が飛散することを防止することができる。また、上記のように永久磁石４を構成することによって、従来機と比較してコギングトルク及びトルクリプル、高調波含有率、鉄損が改善し、振動及び騒音が大きく低下する効果が得られる。

また、本実施例に示される回転電動機のロータ構造では、永久磁石４を挿入するための磁石スロット５と、シャフト２を挿入するためシャフト挿入孔３とを打ち抜いた電磁鋼板１０を、シャフト２の軸方向に沿って複数枚積層することにより前述のロータコア１を構成したので、積層方向に対して電気的に絶縁されて渦電流が流れる経路が遮断されて、鉄損の大部分を占める渦電流損失を低減させることができ、これにより渦電流が発生し易い非磁性リングを使用した従来機と比較して、効率の良いモータ駆動を行うことが可能となる。また、回転電動機のロータ構造では、電磁鋼板１０に打ち抜いたシャフト挿入孔３内に永久磁石４を挿入するだけで該永久磁石４の組み付け作業が終了するので、組立時の作業効率が良いという効果も得られる。

なお、上記実施例に示すロータ１００では、永久磁石４の端部４Ａの形状を、該永久磁石４の中央部４Ｂと同様に、ロータコア１の外周面に沿うように円弧を描く形状としたが、これに限定されず、図３（Ａ）及び（Ｂ）に符号４Ｃ、４Ｄで示すように直線状としても良い。また、この中で永久磁石４の端部４Ａの外周形状（符号４Ｃで示す）は、隣接する永久磁石の端部４Ａの外周形状に対して一直線状となるように形成する。そして、このように永久磁石４の端部４Ａを直線状とすることによっても、従来機と比較してコギングトルク、トルクリプル、高調波含有率、鉄損、遠心力に対する応力等が改善することが実験により確認されている。なお、図3に示されるロータコア１及び永久磁石４の形状についてはｗ３がｗ４の約３倍程度という関係が適用されることで、全体が構成されている。

本発明の一実施例として示されたロータの正面図 ロータコアを構成する電磁鋼板が複数積層された状態を示す斜視図 （Ａ）は本発明の他の実施例として示されたロータの正面図、（Ｂ）は（イ）で囲んだ部分の拡大図 比較実験による実験結果の各数値を示す表

符号の説明

１ ロータコア
２ シャフト
３ シャフト挿入孔
４ 永久磁石
４Ａ 端部
４Ｂ 中央部
５ スロット
７ キー
１０ 電磁鋼板
１００ ロータ

Claims (2)

1. 巻線に電流を供給することにより回転磁界を発生させるステータと、このステータ内にてロータコアの周縁部に沿って周方向に複数の永久磁石が配置されかつその中心にシャフトが配置されたロータとを有する回転電動機において、
   前記永久磁石は、ロータコア内に埋設されるとともに、前記ロータコアの外周面に沿って一定の間隔をおいて複数配置され、さらにこれら各永久磁石はそれら各端部が中央部より薄厚に形成されるとともに、その中央部分が、該ロータコアの外周面に沿うように外方に向けて弧を描く形状に形成されていることを特徴とする回転電動機のロータ構造。
2. 前記ロータコアは、永久磁石を挿入するための磁石スロットと、シャフトを挿入するためシャフト挿入孔とを打ち抜いた電磁鋼板を、シャフトの軸方向に沿って積層することにより構成されていることを特徴とする請求項１記載の回転電動機のロータ構造。

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