JP2009219312A - Rotating electric machine and spindle unit using same - Google Patents
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Description
この発明は、回転電機およびそれを用いたスピンドルユニットに関し、特に永久磁石型回転電機とそれを用いたスピンドルユニットに関するものである。 The present invention relates to a rotating electrical machine and a spindle unit using the same, and more particularly to a permanent magnet type rotating electrical machine and a spindle unit using the same.
永久磁石型同期電動機(以下、PMモータと呼ぶ)は、そのロータの構造上、永久磁石をロータの外周面に配置したSPM(Surface Permanent Magnet)モータと、内部に配置したIPM(Interior Permanent Magnet)モータとに大別される。 Permanent magnet type synchronous motors (hereinafter referred to as PM motors) are composed of an SPM (Surface Permanent Magnet) motor in which permanent magnets are disposed on the outer peripheral surface of the rotor and an IPM (Interior Permanent Magnet) disposed in the interior. Broadly divided into motors.
SPMモータは、永久磁石がロータ外周面に配置されているため、インダクタンスが小さくなり、高速な電流応答が得られ、トルクの線形性もよい。しかし、SPMモータで高速回転させる場合、外周面に配置した永久磁石に大きな遠心力が働くため、その遠心力によって、ロータから永久磁石が脱落、破損しないように、永久磁石をロータに確実に固定しなければならない。このような特性を有するSPMモータにおいて、ロータの外周面に配置する永久磁石の固定方法としては以下の代表例が挙げられる。
(1)接着剤を用いて永久磁石を接着する方法
(2)押さえ金具を用いて固定する方法
(3)ロータシャフトの外周面に形成したくさび状の溝で固定する方法
(4)SUS管により固定する方法
(5)CFRPリングにより固定する方法
In the SPM motor, since the permanent magnet is disposed on the outer peripheral surface of the rotor, the inductance is reduced, a high-speed current response is obtained, and the linearity of the torque is good. However, when rotating at high speed with an SPM motor, a large centrifugal force acts on the permanent magnets arranged on the outer peripheral surface, so that the permanent magnets are securely fixed to the rotor so that the permanent magnets do not fall off or be damaged by the centrifugal force. Must. In the SPM motor having such characteristics, the following representative examples can be given as a method for fixing the permanent magnet disposed on the outer peripheral surface of the rotor.
(1) Method of bonding a permanent magnet using an adhesive (2) Method of fixing using a presser fitting (3) Method of fixing with a wedge-shaped groove formed on the outer peripheral surface of a rotor shaft (4) Using a SUS tube Fixing method (5) Fixing method with CFRP ring
しかしながら、(1)(2)(3)による固定方法は、ロータの高速回転によって永久磁石などに作用する大きな遠心力強度に対して永久磁石自体の強度が不十分であり、高速回転には適していない。また、(4)(5)の方法では、SUS管もしくはCFRPリングと高透磁率材であるロータコアバックが別部材であるため、部品点数が増加し組立工数が増加するという課題がある。 However, the fixing method according to (1), (2), and (3) is suitable for high-speed rotation because the strength of the permanent magnet itself is insufficient with respect to the large centrifugal force intensity acting on the permanent magnet or the like by high-speed rotation of the rotor. Not. In the methods (4) and (5), since the SUS pipe or the CFRP ring and the rotor core back, which is a high magnetic permeability material, are separate members, there is a problem that the number of parts increases and the number of assembly steps increases.
これらの課題の解決方法として、永久磁石をロータ内部に埋め込んだIPMモータとすることが提案されている。IPMモータとすることで、遠心力による永久磁石の破損がなくなる。また、永久磁石固定部材とロータコアバックが一体となることから、部品点数や組立工数が増加しない(例えば特許文献1参照)。 As a solution to these problems, it has been proposed to use an IPM motor in which a permanent magnet is embedded in the rotor. By using an IPM motor, the permanent magnet is not damaged by centrifugal force. Further, since the permanent magnet fixing member and the rotor core back are integrated, the number of parts and the number of assembly steps do not increase (for example, refer to Patent Document 1).
しかし、特許文献1のようにIPMモータとする方法では、以下の課題がある。高速回転させるためには、永久磁石を保持するためにロータブリッジ部分の強度を確保することが必要である。つまり、高速回転に対応したIPMではロータブリッジ部分が太くなり、永久磁石はロータ内部深くに埋め込まれることとなる。このことにより、永久磁石の漏れ磁束が増加し、トルクが減少する。また、永久磁石がロータ内部深くに埋め込まれても、モータ特性を確保するためにはロータコアバックを同じだけ確保する必要がある。この場合ロータ内径が小さくなるため、主軸モータに適用する場合にはチャック径が小さくなり把持できる工具の自由度が減少する。
However, the method of using an IPM motor as in
従って本発明の目的は高速回転時でも確実に磁石保持が可能でかつ十分なトルクが得られ、ロータ内径を大きく確保できる回転電機を提供することである。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a rotating electrical machine that can reliably hold a magnet even during high-speed rotation, can obtain a sufficient torque, and can ensure a large rotor inner diameter.
この発明によれば、ステータコアおよび上記ステータコアに巻回されたコイルを持つステータと、上記ステータに対して回転自在に支持された低透磁率材料のロータ本体および上記ロータ本体内に互いに離間して周方向に配列された複数の永久磁石を持つロータとを備えた回転電機において、上記永久磁石が、周方向に交互に配置された径方向極性を持つ主磁石と周方向極性を持つ補助磁石とを備え、上記主磁石および上記補助磁石は、それぞれ極性が周方向に互いに逆極性となるよう配置されていることを特徴とする回転電機が得られる。 According to the present invention, a stator having a stator core and a coil wound around the stator core, a rotor body of a low magnetic permeability material rotatably supported with respect to the stator, and a rotor body spaced apart from each other in the rotor body. In a rotating electrical machine including a rotor having a plurality of permanent magnets arranged in a direction, the permanent magnet includes a main magnet having a radial polarity and an auxiliary magnet having a circumferential polarity arranged alternately in the circumferential direction. The rotating electric machine is characterized in that the main magnet and the auxiliary magnet are arranged so that their polarities are opposite to each other in the circumferential direction.
この構成により、永久磁石が確実に固定でき、漏れ磁束が低減できるので十分なトルクが得られる。 With this configuration, the permanent magnet can be reliably fixed and the leakage magnetic flux can be reduced, so that sufficient torque can be obtained.
実施の形態1.
図1は、この発明の回転電機の実施の形態1の概略断面図である。図1において、回転電機は、ステータ1とロータ2とを備えている。本実施の形態では、4極24ティース構成を示したが、いずれの極数およびティース数の組み合わせであってもよい。ステータ1およびロータ2は、たがいに回転自在となるよう間に所定の空隙3を設けて支持されている。
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of
ステータ1は、内周面に複数のティース4が設けられた円筒状磁性体のステータコア5と、ステータコア5のティース4に巻回されたコイル6とを備えている。
The
ロータ2は、ステータ1に対して回転自在に支持され、SUSやCFRPなどの低透磁率材料の中心孔7を持つ一体物である円筒形のロータ本体8と、ロータ本体8内に互いに周方向に離間して支持されてロータ本体8の周方向に配列された複数の永久磁石9を持っている。
The
永久磁石9は、先端がN極を表す矢印で示すように、周方向に交互に配置されて径方向極性を持つ主磁石10a、10bと、周方向に交互に配置されて周方向極性を持つ補助磁石11a、11bとを備え、主磁石10a、10bおよび補助磁石11a、11bは、それぞれ極性が周方向に交互に逆極性となるよう配置されている。即ち、永久磁石9の配列は、図1において、12時の位置から時計回りに順番に、径方向外向きの極性の主磁石10a、周方向反時計方向の極性の補助磁石11a、径方向内向きの極性の主磁石10b、および周方向時計方向の極性の補助磁石11bとされている。
The
図示の例では、ロータ2の永久磁石9は、ロータ本体8のステータ1と対向する側(径方向外周部)の表層近くの部分に周方向に等間隔に軸方向に延びた複数の保持孔12を設け、この保持孔12に複数の主磁石10a、10bおよび補助磁石11a、11bを1つずつ挿入して接着剤などで固着するなどして構成されている。主磁石10a、10bは半径方向に異極となるように着磁して配置し、補助磁石11a、11bは磁石の周方向両側面から磁束が流通されるように着磁して配置し、いわゆるハルバック配列とされていて、この4つの永久磁石9からなるハルバック配列(10a、11a、10b、11b)が2回繰り返されている。
In the illustrated example, the
換言すれば、永久磁石9は、周方向に交互に配置された径方向極性を持つ主磁石10a、10bと、周方向に交互に配置された周方向極性を持つ補助磁石11a、11bとを備え、主磁石10a、10bおよび補助磁石11a、11bは、それぞれ極性が互いに逆極性となるように配置されている。
In other words, the
ところで、ハルバック配列の場合は、例えば公知文献である特開2000−197287号公報に記載されているように、発生する磁束を有効に利用するために隣り合う永久磁石は概ね互いに接触させて配置するのが技術常識であったが、隣り合う永久磁石が反発するため永久磁石の固定が困難であった。 By the way, in the case of the Halbach arrangement, as described in, for example, Japanese Laid-Open Patent Publication No. 2000-197287, which is a publicly known document, adjacent permanent magnets are generally placed in contact with each other in order to effectively use the generated magnetic flux. However, it was difficult to fix the permanent magnets because the adjacent permanent magnets repelled.
しかしながら、このようにハルバック配列を採用する一方で、主磁石10a、10b、補助磁石11a、11bで構成された永久磁石9を磁石保持部材であるロータ本体8の保持孔12に挿入するなどして埋め込んで支持することにより、永久磁石9を確実に固定することができる。さらに、上述の技術常識に反して、ハルバック配列の永久磁石9間にロータ本体8による隙間が形成されることにより、減磁しにくくなるという効果も得られる。また、ロータ本体8が低透磁率材料であるために、強度確保のため内側深くに埋め込んでも漏れ磁束によるトルクの減少が生じにくくなる。さらに永久磁石9をハルバック配列で配置することにより、従来必要であった高透磁率材のロータコアバックが不要となり、ロータ内径を大きくできる。さらにロータ本体8に複数の保持孔12を形成して、その中に永久磁石9を固定する構造であり、ロータ本体8が永久磁石9の内側部分と外側部分とで連続した一体部品であるので、部品点数が増加することがない。
However, while adopting the Halbach arrangement in this way, the
実施の形態2.
永久磁石9の形状は図1に示す断面が扇形の柱状体以外にも、他の様々な形状が使用でき、図2に示す回転電機のロータ2の例では永久磁石9の形状が直方体形状あるいは矩形断面の四角柱であり、保持孔12も対応した四角形断面である。その他の構成は図1に示す回転電機のロータ2と同様である。
The shape of the
永久磁石9を四角形とすることで、永久磁石9および保持孔12の加工コストを低減することができ、また永久磁石9およびロータ本体8の製造および組立が容易になる。
By making the
実施の形態3.
図3に示す回転電機のロータ本体8は、図1および図2のロータ本体8が一体物で構成されているのに対して、表面に絶縁材を塗布した低透磁率材の薄板13を複数枚積層して形成した積層体により構成されている。
The rotor
ロータ本体8の材質がSUSやアルミニウムなどの金属である場合、図1の実施の形態のようにロータ本体8を一体物で構成した場合には渦電流損が発生するが、このように薄板13の積層体として構成することにより、ロータ本体8に生じる渦電流損を低減することが可能となり、損失低減の効果が得られる。また、一体物で構成されたロータ本体8に複数の保持孔12を加工する場合には、特にロータ径が大きい場合に加工コストが増加するが、低透磁率材の薄板13を打ち抜いて積層することにより、加工コストが低減でき、コア幅が異なるモータ製作にも柔軟に対応できるという効果が得られる。
When the material of the
実施の形態4.
図4は実施の形態4を示す回転電機の断面図である。扇形断面の永久磁石9(主磁石10a、10bおよび補助磁石11a、11b)のうち、周方向に磁束が流れるように着磁された補助磁石11a、11bは、永久磁石9のハルバック配列は維持したまま、主磁石10a、10bに対してより径方向内側に配置されている。
FIG. 4 is a cross-sectional view of the rotating electrical machine showing the fourth embodiment. Of the permanent magnets 9 (
実施の形態1〜3においては、径方向に着磁された主磁石10a、10bに周方向に着磁された補助磁石11a、11bの磁束がほぼ直角に入るため減磁しやすいが、本実施の形態4のように構成することにより、補助磁石11a、11bから主磁石10a、10bに流入する磁束の角度が緩和され、減磁しにくくなる。また、補助磁石11a、11bが径方向内側に配置してあることにより、補助磁石11aにかかる遠心力が低下し、ロータ2の強度が増す。
In the first to third embodiments, the
実施の形態5.
図5は実施の形態5を示す回転電機の断面図であり、この回転電機においては、図4のように配置された永久磁石9(主磁石10a、10bおよび補助磁石11a、11b)が全て図2に示すような矩形断面の直方体の永久磁石9である。
FIG. 5 is a cross-sectional view of the rotating electrical machine showing the fifth embodiment. In this rotating electrical machine, all the permanent magnets 9 (
実施の形態1〜3においては、径方向に着磁された主磁石10a、10bに周方向に着磁された補助磁石11a、11bの磁束がほぼ直角に入るため減磁しやすいが、本実施の形態5のように構成することにより、補助磁石11a、11bから主磁石10a、10bに流入する磁束の角度が緩和され、減磁しにくくなる。また、補助磁石11a、11bが径方向内側に配置してあることにより、補助磁石11aにかかる遠心力が低下し、ロータ2の強度が増す。さらに、永久磁石9を四角形とすることで、永久磁石9および保持孔12の加工コストを低減することができ、また永久磁石9およびロータ本体8の製造および組立が容易になる。
In the first to third embodiments, the
実施の形態6.
図6は実施の形態6を示す回転電機の断面図である。扇形断面の永久磁石9のうち、周方向に磁束が流れるように着磁された補助磁石11a、11bが、磁束の方向が径方向の主磁石10a、10bに対してより内側に配置されているのは図4に示す回転電機と同様であり、さらに高透磁率部材14が主磁石10a、10bの内側に配置されている。高透磁率部材14は、例えば珪素鋼などで作られ、互いにほぼ直角な辺がそれぞれ主磁石10a、10bの内側、補助磁石11a、11bの周方向に平行で、斜面が湾曲した直角三角形に似た断面形状を持つ三角柱の部材であり、隣接の永久磁石の間を滑らかに連結するように配置されている。このように構成することにより、磁束の流れがより円滑になるためトルクが向上する。なお、高透磁率部材14が主磁石10a、10bと補助磁石11a、11bとの間に配置されることによって磁束の流れを円滑にすることができるが、高透磁率部材14が主磁石10a、10bのN極またはS極に対向するように、主磁石10a、10bの内側に配置されることによって磁束の流れをより円滑にすることができる。
FIG. 6 is a cross-sectional view of the rotating electrical machine showing the sixth embodiment. Among the
実施の形態7.
図7は実施の形態7を示す回転電機の断面図である。扇形断面の永久磁石9のうち、周方向に磁束が流れるように着磁された補助磁石11a、11bが、磁束の方向が径方向の主磁石10a、10bに対してより内側に配置されているのは図5に示す回転電機と同様であり、さらに高透磁率部材14が主磁石10a、10bの内側に配置されている。高透磁率部材14は、例えば珪素鋼などで作られ、互いにほぼ直角な辺がそれぞれ主磁石10a、10bの内側、補助磁石11a、11bの周方向に平行な直角三角形に似た断面形状を持つ三角柱の部材であり、隣接の永久磁石の間を滑らかに連結するように配置されている。このように構成することにより、磁束の流れがより円滑になるためトルクが向上する。なお、高透磁率部材14が主磁石10a、10bと補助磁石11a、11bとの間に配置されることによって磁束の流れを円滑にすることができるが、高透磁率部材14が主磁石10a、10bの内側に配置されることによって磁束の流れをより円滑にすることができる。
FIG. 7 is a sectional view of a rotating electrical machine showing the seventh embodiment. Among the
実施の形態8.
図8は実施の形態8を示す回転電機の断面図である。本発明においては、磁束の方向が径方向の主磁石10a、10bと磁束の方向が周方向の補助磁石11a、11bで構成された永久磁石9がハルバック配列で配置されているため、ロータコアバックが不要となるので、図8に示すようにロータ本体8に直径の大きな中心孔15を設けることができる。このような回転電機を工作機械のスピンドルユニット用主軸モータとして用いる場合には、ロータ内径を大きく確保できるためチャック径を大きくでき、より大きな工具が把持可能となり、スピンドルユニットの性能が向上する。
FIG. 8 is a cross-sectional view of a rotating electrical machine showing the eighth embodiment. In the present invention, since the
1 ステータ、2 ロータ、3 空隙、4 ティース、5 ステータコア、6 コイル、7 中心孔、8 ロータ本体、9 永久磁石、10a、10b 主磁石、11a、11b 補助磁石、12 保持孔、13 薄板、14 高透磁率部材、15 中心孔。 1 Stator, 2 Rotor, 3 Gap, 4 Teeth, 5 Stator Core, 6 Coil, 7 Center Hole, 8 Rotor Body, 9 Permanent Magnet, 10a, 10b Main Magnet, 11a, 11b Auxiliary Magnet, 12 Holding Hole, 13 Thin Plate, 14 High permeability member, 15 center hole.
Claims (6)
上記ステータに対して回転自在に支持された低透磁率材料のロータ本体および上記ロータ本体内に互いに離間して周方向に配列された複数の永久磁石を持つロータとを備えた回転電機において、
上記永久磁石が、周方向に交互に配置された径方向極性を持つ主磁石と周方向極性を持つ補助磁石とを備え、上記主磁石および上記補助磁石は、それぞれ極性が周方向に互いに逆極性となるよう配置されている回転電機。 A stator having a stator core and a coil wound around the stator core;
In a rotating electrical machine comprising a rotor body of a low magnetic permeability material rotatably supported with respect to the stator and a rotor having a plurality of permanent magnets arranged in the circumferential direction and spaced apart from each other in the rotor body,
The permanent magnet includes a main magnet having a radial polarity and an auxiliary magnet having a circumferential polarity that are alternately arranged in the circumferential direction, and the main magnet and the auxiliary magnet have opposite polarities in the circumferential direction. The rotating electrical machine is arranged to be.
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