JP2009268204A - Ｉｐｍモータ用ロータとｉｐｍモータ - Google Patents

Abstract

【課題】埋設される永久磁石の単位磁石量当たりのトルク値が高められており、したがって、所定のトルク性能を有し、可及的に安価に製造することのできるＩＰＭモータ用ロータを提供する。
【解決手段】複数の永久磁石２，…がロータコア１内に埋め込まれてなるＩＰＭモータのロータ１０であって、この永久磁石２は、ロータ１０の回転方向前方から回転方向後方に向ってその平面視における厚みが小さくなっている。２つの永久磁石３１，３２がロータの回転軸からステータ側に向って広がりながら平面視が略Ｖ字状を成して一つの極を形成している場合は、ロータの回転方向後方の永久磁石３２の平面視における厚みが回転方向前方の永久磁石３１のそれに対して小さくなっている。
【選択図】図１

Description

本発明は、永久磁石がロータ内に埋め込まれてなるＩＰＭモータ用ロータと、このロータを具備するＩＰＭモータに関するものである。

永久磁石をロータ内部に埋め込んでなる磁石埋め込み型モータ（ＩＰＭモータ）は、コイルと永久磁石の吸引力／反発力に起因するマグネットトルクに加えてリラクタンストルクを得ることができるため、永久磁石をロータ外周面に貼着してなる表面磁石型モータ（ＳＰＭモータ）に比して高トルクかつ高効率である。したがって、この磁石埋め込み型モータは、高出力性能が要求されるハイブリット車、電気自動車の駆動用モータ等に使用されている。

上記する永久磁石には希土類磁石が使用されるのが一般的である。この希土類磁石は、結晶磁気異方性の高い元素であるジスプロシウム（Ｄｙ）やテルビウム（Ｔｂ）を加えることでその保磁力が高められる一方で、かかる元素は希少かつ高価であることから、永久磁石の保磁力増加にジスプロシウム等を添加することは永久磁石の製造コストの高騰に直結する。したがって、所望のトルク性能を得ながら、如何にして永久磁石のボリュームを低減できるかが、ハイブリッド車等の量産にとって極めて重要な課題の一つとなっている。

ところで、ロータから出る磁束をステータのコイルに形成される磁束にて抑制することで、ロータ回転に伴って発生する誘導電圧の働きを弱め、より高い回転数のモータを得る（弱め磁束制御と称している）ことのできる電動機のロータに関する技術が特許文献１に開示されている。

そのための構成として、ロータ内に埋め込まれる永久磁石を、ロータ回転方向前方に比して後方を厚くすることにより、相対的に永久磁石の後方の磁力を強くし、弱め磁束制御の影響を最も受ける永久磁石後方の減磁を抑止できるというものである。
特開２０００−２７８９００号公報

特許文献１に開示の電動機用ロータによれば、永久磁石のうち、弱め磁束制御の際に生じ得る永久磁石後方の減磁を効果的に抑止することができる。

ところで、本発明者等の検証によれば、マグネットトルク、リラクタンストルクを加えたトルク性能に関し、永久磁石はその部位ごとにトルクに寄与する割合が異なるという知見が得られている。この検証によれば、トルクに寄与する割合は、永久磁石のロータ回転方向前方が最も大きく、より具体的には、ロータ回転方向前方であってステータ側の部位が最も大きく、ロータ回転方向後方でステータから離れるにつれ（ロータ回転軸側に近づくにつれ）寄与率が低下することが特定されている。したがって、特許文献１に開示のロータによれば、弱め磁束制御の際に生じ得る永久磁石後方の減磁を抑止できる一方で、モータのトルク性能をむしろ低下させる傾向にあるものと考えられる。

本発明は、上記する問題に鑑みてなされたものであり、可及的に永久磁石のボリュームを低減でき、しかも、従来一般の永久磁石を具備するモータと同等のトルク性能を有したＩＰＭモータと、該ＩＰＭモータ用ロータを提供することを目的とする。

前記目的を達成すべく、本発明によるＩＰＭモータ用ロータは、複数の永久磁石がロータコア内に埋め込まれてなるＩＰＭモータのロータであって、前記永久磁石は、ロータの回転方向前方から回転方向後方に向ってその平面視における厚みが小さくなっているものである。

たとえばロータ内に埋設される一つの永久磁石で一つの磁極を形成する場合において、該永久磁石の平面視（ロータの一方の端部からみた平面)における厚み(ステータ側の端辺からロータ中心側の端辺までの長さ)が、ロータの回転方向前方から回転方向後方に向って漸減している永久磁石をロータ内に埋設するものである。

ロータの回転方向前方から後方に向ってその厚みが小さくなる形状としては、直線的（テーパー状）に厚みが小さくなる形態や、湾曲状に厚みが小さくなる形態など、その形状は任意である。

また、この永久磁石は、ネオジムに鉄とボロンを加えた３成分系のネオジム磁石、サマリウムとコバルトとの２成分系の合金からなるサマリウムコバルト磁石、鉄酸化物粉末を主原料としたフェライト磁石、アルミニウム、ニッケル、コバルトなどを原料としたアルニコ磁石など、コストと磁気特性を勘案して適宜の磁石を適用することができる。中でも、最大エネルギー積が高く、比較的安価なネオジム磁石を適用するのが好ましい。さらに、このロータは、電磁鋼板等を積層してなる鋼板積層体や、圧粉磁心から形成することができる。

本発明者等の検証によれば、ＩＰＭモータ用のロータ内に埋設された永久磁石に関し、トルクに対する寄与率が最も高い部位はロータの回転方向前方におけるステータ側端部領域であり、回転方向後方になるにつれ、さらにはロータの中央側（ステータと反対側）になるにつれてトルク寄与率が低減する、という知見が得られている。

したがって、トルク寄与率が低い部位の磁石量（平面視における厚み）を少なく（小さく）することにより、単位磁石量当たりのトルク値を向上させることが可能となり、たとえば、上記するジスプロシウムやテルビウムの添加量の低減にも繋がる。

また、本発明によるＩＰＭモータ用ロータの他の実施の形態は、複数の永久磁石がロータコア内に埋め込まれてなるＩＰＭモータのロータであって、２つの永久磁石がロータの回転軸からステータ側に向って広がりながら平面視が略Ｖ字状を成して一つの極を形成しており、前記２つの永久磁石のうち、ロータの回転方向後方の永久磁石の平面視における厚みが回転方向前方の永久磁石のそれに対して小さくなっているものである。

本実施の形態は、２つの永久磁石がＶ字配置された姿勢でロータ内に埋設され、これが一つの磁極を形成するものであり、この形態では、ロータの回転方向後方の永久磁石の厚みが回転方向前方の永久磁石のそれよりも小さくなっている。

より具体的には、２つの永久磁石はそれぞれに固有の一定の厚みを有する平面視が矩形状に形成されているもの、回転方向前方の永久磁石のみがその前方から後方に向って厚みが漸減しているもの、回転方向後方の永久磁石のみがその前方から後方に向って厚みが漸減しているもの、２つの永久磁石ともにそれらの前方から後方に向って厚みが漸減しているもの、などの形態がある。

永久磁石がＶ字配置される場合においても、トルクの寄与率に応じて部位ごとに平面視における厚みを変化させることにより、単位磁石量当たりのトルク値を向上させることができる。

また、本発明によるＩＰＭモータ用ロータの好ましい実施の形態は、平面視における厚みが小さくなっている前記永久磁石において、ロータの回転中心側の側面がテーパー状、湾曲状、多段状のいずれかの形状を呈して回転方向後方に厚みが小さくなっているものである。

これは、上記する一つの永久磁石、もしくはＶ字配置の２つの永久磁石のうちの厚みが小さくなる一方の永久磁石において、そのロータの回転中心側（回転シャフト側）の側面が回転方向後方に向ってたとえばテーパー状に厚みが小さくなるように形成されるものである。

これは、永久磁石のステータ側の側面をロータ中心側に傾斜等させないことを意味しており、このことにより、永久磁石のトルク寄与率を低減させずに、かつ、単位磁石量当たりのトルク値を向上させることが可能となる。

上記する本発明のＩＰＭモータ用ロータを具備するＩＰＭモータは、埋設される永久磁石の単位磁石量当たりのトルク値が高められていることにより、その材料コストは可及的に安価であり、かつ所要のトルク性能を有するものである。したがって、このＩＰＭモータは、近時その量産が盛んであって、車載機器の製造コストの一層の低減が叫ばれているハイブリッド車や電気自動車に好適である。

以上の説明から理解できるように、本発明のＩＰＭモータ用ロータによれば、埋設される永久磁石の単位磁石量当たりのトルク値が高められており、したがって、所定のトルク性能を有するＩＰＭモータを可及的に安価に製造することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明のロータの一実施の形態を示した平面図である。このロータ１０は、電磁鋼板の積層体、もしくは圧粉磁心からなり、所定高さを有する円柱状を呈している。なお、このロータ１０は、不図示のステータコア内の中空部、すなわち、平面視が略円環状のヨークから径方向内側に突出する複数のティースで形成される中空部に配設され、ＩＰＭモータが構成される。

図示例のロータ１０は、一つの永久磁石２が一つの磁極を形成するものであり、このロータ１０の内部、より具体的には、ロータの外面から若干内側に位置する内部には、所定の磁極数に応じた磁石スロット１１が、間隔をおいてロータの周方向に亘って設けられている。また、ロータ１０の中心位置にはシャフトが挿通されるシャフトスロット１２が形成されており、該シャフトスロット１２に挿通されたシャフトを回転軸としてロータ１０が回転駆動するようになっている。

各磁石スロット１１の平面視形状は、ロータ１０の回転方向（図中のＸ方向）で見て、その回転方向前端の厚みが回転方向後端の厚みに比して厚くなっており、この磁石スロット１１の形状に適合する平面視形状の永久磁石２が磁石スロット１１内に挿通され、固定されている。なお、図示を省略するが、実際の磁石スロットには、その両側端に永久磁石を固定するための樹脂充填用の溝が形成されており、磁石スロットよりも平面視寸法が小寸法の永久磁石が磁石スロット内に遊嵌され、この姿勢で溝内に樹脂が充填硬化されて永久磁石が磁石スロット内に固定されることになる。この固定用樹脂は、永久磁石をスロット内に固定することに加えて、たとえば永久磁石のステータ側端辺からシャフト側端辺へ磁束が回り込む、いわゆる漏れ磁束を防ぐ役割も果たしており、かかる作用効果を奏することのできる平面視形状となっている。

永久磁石２は、ロータの回転方向前端２１、回転方向後端２２、ステータ側端２３とシャフト側端２４の４つの端辺を有しており、ステータ側端２３は不図示のステータに対して正対し、回転方向前端２１の厚みは回転方向後端２２のそれよりも厚くなっており、これに応じて、シャフト側端２４はテーパー状を呈している。なお、この永久磁石２は、ネオジム磁石、サマリウムコバルト磁石、フェライト磁石、アルニコ磁石などの焼結磁石のうちのいずれかを使用できる。

後述するように、永久磁石はその部位ごとにトルク寄与率が異なっており、ロータの回転方向前方ほどその寄与率が大きいこと、さらには、ステータ側の方がシャフト側に比してトルク寄与率が大きいことが本発明者等によって特定されている。この知見に基づき、図示例では、長さの異なる回転方向前端２１、回転方向後端２２の双方のシャフト側の隅角部をテーパー状（直線傾斜）のシャフト側端２４にて繋いだものである。

トルク寄与率の小さな部位の厚みを相対的に小さくすることにより、一定のトルク値に対する永久磁石量を減じることができ、このことは、永久磁石の単位磁石量当たりのトルク値を高めることを意味するものである。

図２は、ロータ内に埋設される永久磁石の他の実施の形態を平面的に見た図である。図２ａに示す永久磁石２Ａは、相対的に厚い回転方向前端２１と回転方向後端２２の双方のシャフト側の隅角部をシャフト側に突に湾曲した曲線からなるシャフト側端２４Ａにて繋いだものである。

一方、図２ｂに示す永久磁石２Ｂは、相対的に厚い回転方向前端２１と回転方向後端２２の双方のシャフト側の隅角部を多段状のシャフト側端２４Ｂにて繋いだものである。

図１、図２で示すいずれの永久磁石であっても、従来一般の平面視矩形（横長）の永久磁石に対して、トルク寄与率の低い部位を省略することにより、磁石量を低減しながら同程度のトルクを得ることができる。

図３は、ロータの他の実施の形態を示している。このロータ１０Ａは、一つの磁極当たり平面視が略Ｖ字状（２つの永久磁石が間隔を置いて略Ｖ字状を呈している）に形成された各磁石スロット内にそれぞれ、永久磁石３１，３２が配設されてＶ字配置永久磁石３を形成し、これが周方向に亘って所定の極数形成されたロータである。

この永久磁石３１，３２はともに平面視が横長の矩形を呈しているが、ロータ１０Ａの回転方向（図中のＸ方向）前方に位置する永久磁石３１の厚みが回転方向後方の永久磁石３２よりも厚くなっている。

Ｖ字配置の永久磁石においてもロータ回転方向前方の永久磁石が相対的に寄与率が大きいことから、図示のごとく双方の大きさ（厚み）を変化させることにより、一定のトルク値に対して永久磁石量を低減することができる。

図４は、ロータ内に埋設されるＶ字配置永久磁石の他の実施の形態を平面的に見た図である。

図４ａは、回転方向前方の永久磁石３１Ａの平面視形状を図１で示す永久磁石２のごとく台形とし、回転方向後方の永久磁石３２を横長の矩形としたものである。

一方、図４ｂは、回転方向前方の永久磁石３１を横長の矩形とし、回転方向後方の永久磁石３２Ａを台形としたものである。

さらに、図４ｃは、回転方向前方の永久磁石３１Ａ、回転方向後方の永久磁石３２Ａをともに台形としたものである。

なお、図示を省略するが、図４ａ〜ｃにおける各形態において、台形状の永久磁石３１Ａ，３２Ａを図２ａ，ｂのごとく、シャフト側端を湾曲状もしくは多段状としてもよい。

[Ｖ字配置永久磁石における、部位ごとのトルク寄与率に関する解析とその結果]
本発明者等は、従来一般のＶ字配置永久磁石を具備するロータをモデル化し、磁場解析にて部位ごとのトルク寄与率を算定した。

より具体的には、永久磁石を複数の要素からなるＦＥＭ（有限要素）モデルとし、このＦＥＭモデルを磁場解析した際のトルクを求め、次いで、任意の要素を取り除いた際のトルクを求め、双方の差分をもって該任意の要素のトルク寄与率を求めた。

有限要素モデルを図５に模擬しており、解析結果を以下の表１に示す。

なお、図５の解析モデルでは、Ｖ字配置永久磁石をロータの回転方向前方の磁石モデルＭ１と後方の磁石モデルＭ２からなるものとし、それぞれの磁石に対して、回転方向前端側の３箇所、後端側の３箇所、中央の３箇所の計９箇所の要素に対してそれらのトルク寄与率を求めた。なお、このトルクは、マグネットトルクとリラクタンストルクの総和からなるものである。

表１において、各要素の数値は、全体トルクに対する当該要素の寄与率を示している。同表より、回転方向前端であって、かつステータ側に位置するａ１要素の寄与率が格段に高くなっている。また、ステータ側の要素はシャフト側の要素に比してその寄与率が高くなっている。一つの永久磁石で見た場合には、回転方向後方でシャフト側の要素の寄与率が低くなっており、この領域の永久磁石を省略しても、全体のトルクに大きな影響を与えないと判断することができる。

また、回転方向前方の永久磁石、回転方向後方の永久磁石同士で比較した場合に、回転方向後方の永久磁石のトルク寄与率は前方のトルク寄与率の２〜３割程度低くなっており、一定のトルク値を得るに際し、回転方向後方の永久磁石の平面的な全体寸法（もしくは厚み）を相対的に小さくできると結論付けられる。

上記する本発明のロータを具備するモータによれば、単位磁石量当たりのトルク値が高められており、したがって、一定のトルク性能に対して永久磁石量を可及的に低減することができ、その製造コスト（材料コスト）の削減を図ることができる。特に永久磁石においては、それに含有されるジスプロシウムやテルビウムがレアな金属であり、サマリウムやコバルト、アルミニウム等もその価格が高騰していることに鑑みれば、磁石ボリュームを低減しながら所望のトルク性能を得ることができる、本発明のロータを具備するＩＰＭモータは、自動車産業や家電産業等にとって有効なものとなる。

以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。

本発明のロータの一実施の形態を示した平面図である。 （ａ）、（ｂ）ともに、永久磁石の他の実施の形態を示した平面図である。 本発明のロータの他の実施の形態を示した平面図である。 （ａ）、（ｂ）、（ｃ）ともに、永久磁石の他の実施の形態を示した平面図である。 解析モデルにおける永久磁石の解析要素を説明した模式図である。

符号の説明

１…ロータコア、１１…磁石スロット、１２…シャフトスロット、２，２Ａ，２Ｂ…永久磁石、２１…回転方向前端、２２…回転方向後端、２３…ステータ側端、２４，２４Ａ，２４Ｂ…シャフト側端、３…Ｖ字配置永久磁石、３１，３１Ａ…回転方向前方磁石、３２，３２Ａ…回転方向後方磁石、１０，１０Ａ…ロータ

Claims (4)

1. 複数の永久磁石がロータコア内に埋め込まれてなるＩＰＭモータのロータであって、
   前記永久磁石は、ロータの回転方向前方から回転方向後方に向ってその平面視における厚みが小さくなっている、ＩＰＭモータ用ロータ。
2. 複数の永久磁石がロータコア内に埋め込まれてなるＩＰＭモータのロータであって、
   ２つの永久磁石がロータの回転軸からステータ側に向って広がりながら平面視が略Ｖ字状を成して一つの極を形成しており、
   前記２つの永久磁石のうち、ロータの回転方向後方の永久磁石の平面視における厚みが回転方向前方の永久磁石のそれに対して小さくなっている、ＩＰＭモータ用ロータ。
3. 平面視における厚みが小さくなっている前記永久磁石において、ロータの回転中心側の側面がテーパー状、湾曲状、多段状のいずれかの形状を呈して回転方向後方に厚みが小さくなっている、請求項１または２に記載のＩＰＭモータ用ロータ。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載のロータを具備する、ＩＰＭモータ。

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