JP2010004722A - 埋込磁石型電動機 - Google Patents

Abstract

【課題】ロータコアとシャフトとがしまりばめで結合されている永久磁石埋込型の電動機であって、高トルク化及び高速化に適したロータコア構造を備えた埋込磁石型電動機を提供する。
【解決手段】個々の永久磁石２０は台形形状を有し、ロータコア１８に放射状に配置される。各永久磁石は、長辺２２と、長辺２２に対向しかつ長辺２２に平行な短辺２４と、互いに平行でない側辺２６、２６を有する。各永久磁石は、ロータコアの半径方向に延びる線について左右対称であり、かつ長辺２２がシャフト１６側に位置し、短辺２４がロータコア１８の外周側に位置するように配置される。
【選択図】図１

Description

本発明は、永久磁石が埋め込まれたロータコアを有する埋込磁石型電動機に関する。

永久磁石型電動機（例えば同期電動機）としては、珪素鋼板等の磁性薄板の積層体からなる筒状のロータコアに、複数の永久磁石を埋め込んだものが知られている。多くのタイプの永久磁石型電動機では、たとえば特許文献１に示すように、矩形形状の永久磁石が放射状に等間隔でロータコアに配置されている。

一方で、永久磁石の配置には種々の工夫がなされている。例えば特許文献２には、トルクの増加率を高くし、コギングトルクを小さくすることを企図した同期電動機が開示されている。この電動機のロータコアには、矩形形状の複数の永久磁石が、ロータコアの中心側を頂点とするＶ字状に配置される等、永久磁石の配置に工夫がなされている。また特許文献３にも、永久磁石をＶ字状に配置した埋込磁石型モータが開示されている。また特許文献４には、極構造体に略台形形状の複数の磁石を放射状に配置したロータ集合体が開示されている。

特開２００８−２９０７８号公報 特開２００６−１４４５７号公報 特開２００６−１４９１６７号公報 特表２００３−５１０９９８号公報

近年、高トルクの電動機の要求が高まっており、ネオジウム磁石等の強力な永久磁石を埋め込んだ電動機が種々開発されてきている。高トルクの電動機を実現するためには、電動機全体の大きさを大きくすることが先ず考えられるが、その設置スペースや重量等の制約から、小型でありながら高トルクの電動機が強く望まれている。

特許文献１に記載の電動機では、回転シャフトとロータコアとの間に隙間があり、故にシャフトとロータコアは結合されていない。この電動機はロータコアにロッドを通し、図示されていないが、ロータコアの積層体の前部と後部に端板があり、該端板においてロッドと結合し、かつ端板がシャフトと結合しているロータ構造である。組立性、取扱い等の利点もあるが、大トルク化及び高速化においては難点がある。また特許文献４に記載のロータも、ハブによって回転軸に取り付けられる構成であり、ロータコアが回転軸に直接しまりばめによって固着されるものではなく、故に高トルク及び高回転を企図したものではないと解される。

しまりばめはシャフトとロータコアの締結トルクを高めるために利用され、具体的には焼きばめ、冷やしばめ、又は圧入等の方法で行われる。しまりばめを利用する場合、必然的にロータコアには応力が発生する。一方永久磁石は応力に比較的弱く、そのため磁石には、シャフトとロータコアとのしまりばめによる応力等の余分な応力が直接かからないように、ロータコアに形成された磁石用穴にすきまばめで挿入されることが多い。特許文献２又は３に記載されているように、永久磁石の断面は通常、長方形である。これらロータの内部に埋め込んだ埋込型磁石モータの場合、その磁石に隣接するロータコアの部分は細くなっている。この理由は、永久磁石の磁束がロータ内部を通過して無効な磁束成分となり、有効な磁束がステータに向かわないようにするためである。しかしながら、ロータコアの回転によって永久磁石には遠心力が作用し、この細い部分でその遠心力を支持することになるため、特に高速回転では強度上問題となることがある。

そこで本発明は、ロータコアとシャフトとがしまりばめで結合されている永久磁石埋込型の電動機であって、高トルク化及び高速化に適したロータコア構造を備えた埋込磁石型電動機を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、複数の磁石保持穴を有し、回転シャフトにしまりばめによって固着されるロータコアと、該ロータコアの前記複数の磁石保持穴に受容され保持される複数の永久磁石とを有し、前記永久磁石の各々は、前記回転シャフトの軸方向に垂直な断面において、前記ロータコアの半径方向に延びる線について左右対称であるとともに、前記回転シャフトに近接しかつ該回転シャフトの軸方向に垂直な長辺と、前記ロータコアの外周部に近接しかつ前記回転シャフトの軸方向に垂直な短辺とを有し、前記長辺が前記短辺より長いことを特徴とする、埋込磁石型電動機を提供する。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の埋込磁石型電動機において、前記複数の永久磁石の各々は台形形状を有する、埋込磁石型電動機を提供する。

請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の埋込磁石型電動機において、前記複数の永久磁石の各々は、前記短辺を含む矩形形状部分と前記長辺を含むテーパ部分とを有する、埋込磁石型電動機を提供する。

請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の埋込磁石型電動機において、前記複数の永久磁石の各々は、前記短辺を含む矩形形状部分、前記長辺を含む矩形形状部分、及び前記短辺を含む矩形形状部分と前記長辺を含む矩形形状部分とを接続する段差部を有する、埋込磁石型電動機を提供する。

請求項５に記載の発明は、請求項１に記載の埋込磁石型電動機において、前記複数の永久磁石の各々は、前記短辺を含む矩形形状部分、前記長辺を含む矩形形状部分、及び前記短辺を含む矩形形状部分と前記長辺を含む矩形形状部分とを接続する突起部を有する、埋込磁石型電動機を提供する。

請求項６に記載の発明は、請求項１〜５のいずれか１項に記載の埋込磁石型電動機において、前記ロータコアは、前記ロータコアの外周部のうち前記複数の永久磁石の各々の前記短辺に隣接する部分の一部を切除して形成された、前記永久磁石の前記短辺を支持する２つのフック部を有する、埋込磁石型電動機を提供する。

請求項７に記載の発明は、請求項１〜６のいずれか１項に記載の埋込磁石型電動機において、前記ロータコアは、前記複数の永久磁石の各々の前記長辺及び前記短辺の少なくとも一方に隣接する前記ロータコアの一部を切除することにより形成されたエアギャップを有する、埋込磁石型電動機を提供する。

請求項８に記載の発明は、請求項７に記載の埋込磁石型電動機において、前記複数の永久磁石の各々の前記長辺に隣接するエアギャップの、前記回転シャフトの軸方向に垂直な方向の長さが前記長辺よりも長い、埋込磁石型電動機を提供する。

請求項９に記載の発明は、請求項７又は８に記載の埋込磁石型電動機において、前記エアギャップ内に非磁性材料が配置される、埋込磁石型電動機を提供する。

本発明に係る埋込磁石型電動機によれば、ロータコアの比較的強度が低い部分にかかる、遠心力により生じる応力を緩和することができる。従ってより高トルク、高速回転の電動機を提供することができる。

本発明によれば、各永久磁石の好適な形状として、台形形状、矩形形状部分とテーパ部分とを併せ持つ形状、及び矩形形状部分とテーパ部分とを有しかつ両者を段差部又は突起部で接続した形状が提供される。

ロータコアの外周部のうち複数の永久磁石の各々の短辺に隣接する部分の一部を切除して２つのフック部を形成することにより、遠心力を支持する構成を有しつつ磁束の漏れが少ない電動機が提供される。

各永久磁石の長辺又は短辺に隣接してエアギャップを形成することにより、１つの永久磁石におけるＮ極からＳ極への磁束の漏れを少なくすることができる。さらに長辺に隣接するエアギャップの長さを長辺より長くすることにより、回転シャフト側で磁石間を通って漏れる磁束を減らすことができる。さらにエアギャップ内に樹脂等の非磁性材料を配置すれば、エアギャップの機能を維持した上でロータコアの強度を高めることができる。

図１に示す永久磁石形同期電動機１０は、図示しない電機子巻線を備えたステータ１２（内周面のみ概略図示）と、ステータ１２との間に所定の空隙を有してロータシャフト１６について回転可能に構成されたロータ１４とを有する。ロータ１４は、シャフト１６にしまりばめにより固着されるロータコア１８と、ロータコア１８の周方向について等間隔に配置され、ロータコア内に埋め込まれる複数の永久磁石２０を有する。なお図示例のロータコア１８は８極（極対数４）のロータコアであり、故に８つの永久磁石が機械角４５度の間隔で配置されている。上述のようにロータコア１８はしまりばめによってシャフト１６に固着されており、故にロータ１４は高速回転での操作が可能である。

図１は、第１の実施形態に係るロータコア１４の径方向断面（すなわち回転シャフト１６の軸方向に垂直な方向の断面）を示している。この断面形状で、例えば、０．５ｍｍ厚さのロータコアがある長さまで積層され、ロータコアに形成された磁石保持穴に永久磁石２０が受容され保持される。図１に示すように、個々の永久磁石２０は台形形状を有し、ロータコア１８に放射状に配置される。各永久磁石は左右対称であり、長辺２２と、長辺２２に対向しかつ長辺２２に平行な短辺２４と、互いに平行でない側辺２６、２６を有する。より詳細には各永久磁石は、ロータコアの半径方向に延びる線について左右対称であり、かつ長辺２２がシャフト１６側に位置し、短辺２４がロータコア１８の外周側に位置するように配置される。このようにすれば、永久磁石２０の側辺２６、２６に隣接するロータコア１８の部分において、ロータ回転時に磁石に作用する遠心力を受けることができる。また各永久磁石は、図１に示すような断面形状をそのまま軸方に延ばした形状であることが好ましい。

従来の永久磁石は長方形（直方体）であったために、主にロータコア外周の磁石近傍の細い部分（図１では部分２８に相当）で遠心力を受ける構造になっており、強度上の問題があった。本発明では磁石を台形形状にすることにより、遠心力を受け持つ部分を部分２８だけでなく磁石の台形側辺に当接する部分でも支持できるため、遠心力を分散させることができる。従って、比較的大きい磁石が埋め込まれる場合であっても、高トルク、高回転の電動機が実現できる。また、シャフト側の磁石の幅が太くなっていることにより、この部分に流れる漏れ磁束を緩和する効果もある。また、一般的に使われているネオジウム磁石、フェライト磁石等のどの種類の磁石も使用可能である。さらに、ロータコアの外形は円弧、中心をオフセットさせた円弧、双曲線余弦及び余弦関数の逆数等、種々のものが挙げられるが、どのタイプにも対応可能である。

上述のように本発明では、ロータコアの回転により発生する遠心力を支持するロータコアの面積を大きくすることができ、従来集中していた応力を緩和することができる。このことと、シャフトとロータコアとをしまりばめで締結して両者間の締結トルクを向上させることとにより、大トルクかつ高速の電動機の実現を可能にする。但し、このような効果を得るための永久磁石の形状は図１のような台形形状に限られない。以下、その変形例について説明する。

図２は、第２の実施形態として、図１の永久磁石２０の代わりに永久磁石２０ａを設けた構成を示す。永久磁石２０ａは、その側辺２６ａ、２６ａが１つの直線ではなく、シャフト１６側に位置する長辺２２ａの両端から互いに接近するように延びる線分３０ａ、３０ａと、線分３０ａ、３０ａの端部からロータコア１８ａの外周側に位置する短辺２４ａまで互いに平行に延びる線分３２ａ、３２ａとを有する。すなわち永久磁石２０ａは、短辺２４ａを含む矩形形状部分と長辺２２ａを含むテーパ部分とを併せ持つ形状になっている。このような形状によっても、線分３０ａ、３０ａに隣接するロータコアの部分によって遠心力を支持できるので、上述の第１の実施形態に近い効果が得られる。

図３は、第３の実施形態として、図１の永久磁石２０の代わりに永久磁石２０ｂを設けた構成を示す。永久磁石２０ｂは、テーパ部分を有さず、代わりに側辺２６ｂ、２６ｂが段差部３４ｂ、３４ｂを有する。すなわち、永久磁石２０ｂは、シャフト１６側に位置する長辺２２ｂの両端から互いに平行に延びる線分３０ｂ、３０ｂと、ロータコア１８ｂの外周側に位置する短辺２４ｂから互いに平行に延びる線分３２ｂ、３２ｂとを有し、線分３０ｂと３２ｂとが段差部３４ｂによって接続されている。換言すれば、永久磁石２０ｂは、短辺２４ｂを含む矩形形状部分と長辺２２ｂを含む矩形形状部分とを有し、それらの矩形形状部分が段差部３４ｂにおいて接続されている。テーパ部分とを併せ持つ形状永久磁石２０ｂでは、段差部３４ｂにおいて遠心力を支持できるので、上述の第１の実施形態に近い効果が得られる。

図４は、第４の実施形態として、図１の永久磁石２０の代わりに永久磁石２０ｃを設けた構成を示す。永久磁石２０ｃは、テーパ部分を有さず、代わりに側辺２６ｃ、２６ｃが突起３４ｃ、３４ｃを有する。すなわち、永久磁石２０ｃは、シャフト１６側に位置する長辺２２ｃの両端から互いに平行に延びる線分３０ｃ、３０ｃと、ロータコア１８ｃの外周側に位置する短辺２４ｃから互いに平行に延びる線分３２ｃ、３２ｃとを有し、線分３０ｃと３２ｃとが突起部３４ｃにおいて接続されている。換言すれば、永久磁石２０ｃは、短辺２４ｃを含む矩形形状部分と長辺２２ｃを含む矩形形状部分とを有し、それらの矩形形状部分が突起部３４ｃにおいて接続されている。永久磁石２０ｃでは、突起部３４ｃにおいて遠心力を支持できるので、上述の第１の実施形態に近い効果が得られる。

図５は、第５の実施形態として、ロータコアの一部を切り欠いてフック状に構成し、この部分の磁束の漏れを少なくした場合の例である。すなわち、ロータコア１８ｄの外周部のうち永久磁石２０ｄの短辺２４ｄに隣接する部分の一部を切除し、１つの永久磁石２０ｄの短辺２４ｄを２つのフック部３６ｄ、３６ｄで支持する構成となっている。このような構成によれば、遠心力を支持する構成を有しつつ、磁束の漏れが少ない電動機が提供される。なお永久磁石２０ｄの形状は図１の永久磁石２０と同様でよいが、図２〜図４にそれぞれ示す永久磁石２０ａ〜２０ｃと同様としてもよい。

図６は、第６の実施形態として、永久磁石のシャフト側及び外周側にエアギャップを形成し、１つの永久磁石におけるＮ極からＳ極への磁束の漏れを少なくした例である。具体的には、図１に示す第１の実施形態の永久磁石と同様の永久磁石２０ｅの長辺２２ｅ及び短辺２４ｅに隣接するロータコア１８ｅの一部を切除することにより、それぞれエアギャップ３８ｅ及び４０ｅが形成されている。なおエアギャップは長辺２２ｅ側及び短辺２４ｅ側のいずれか一方にのみ形成してもよい。エアギャップ内には樹脂等の非磁性材料を配置してもよく、その場合上述のエアギャップの機能を維持した上でロータコアの強度を高めることができる。また永久磁石２０ｅの形状は、図２〜図４にそれぞれ示す永久磁石２０ａ〜２０ｃと同様としてもよい。

図７は、第７の実施形態として、第６の実施形態の好適な変形例を示す。第７の実施形態が第６の実施形態と異なる点は、永久磁石２０ｆの長辺２２ｆに隣接して形成されたエアギャップ３８ｆの、回転シャフトの軸方向に垂直な方向の長さを、長辺２２ｆよりもいくらか長めにした点である。これにより、第６の実施形態よりも、シャフト１６側で磁石間を通って漏れる磁束を減らすことができる。なお第７の実施形態においても、エアギャップ３８ｆ及び４０ｆの一方又は双方に樹脂等の非磁性材料を配置してもよく、また永久磁石２０ｆの形状は図２〜図４にそれぞれ示す永久磁石２０ａ〜２０ｃと同様としもよい。

本発明に係る第１の実施形態の永久磁石型電動機の断面構成を示す図である。 第２の実施形態に係る永久磁石型電動機のロータの断面構成を示す図である。 第３の実施形態に係る永久磁石型電動機のロータの断面構成を示す図である。 第４の実施形態に係る永久磁石型電動機のロータの断面構成を示す図である。 第５の実施形態に係る永久磁石型電動機のロータの断面構成を示す図である。 第６の実施形態に係る永久磁石型電動機のロータの断面構成を示す図である。 第７の実施形態に係る永久磁石型電動機のロータの断面構成を示す図である。

符号の説明

１０ 電動機
１２ ステータ
１４ ロータ
１６ 回転シャフト
１８ ロータコア
２０ 永久磁石
２２ 長辺
２４ 短辺
２６ 側辺

Claims (9)

1. 複数の磁石保持穴を有し、回転シャフトにしまりばめによって固着されるロータコアと、該ロータコアの前記複数の磁石保持穴に受容され保持される複数の永久磁石とを有し、
   前記永久磁石の各々は、前記回転シャフトの軸方向に垂直な断面において、前記ロータコアの半径方向に延びる線について左右対称であるとともに、前記回転シャフトに近接しかつ該回転シャフトの軸方向に垂直な長辺と、前記ロータコアの外周部に近接しかつ前記回転シャフトの軸方向に垂直な短辺とを有し、前記長辺が前記短辺より長いことを特徴とする、埋込磁石型電動機。
2. 前記複数の永久磁石の各々は台形形状を有する、請求項１に記載の埋込磁石型電動機。
3. 前記複数の永久磁石の各々は、前記短辺を含む矩形形状部分と前記長辺を含むテーパ部分とを有する、請求項１に記載の埋込磁石型電動機。
4. 前記複数の永久磁石の各々は、前記短辺を含む矩形形状部分、前記長辺を含む矩形形状部分、及び前記短辺を含む矩形形状部分と前記長辺を含む矩形形状部分とを接続する段差部を有する、請求項１に記載の埋込磁石型電動機。
5. 前記複数の永久磁石の各々は、前記短辺を含む矩形形状部分、前記長辺を含む矩形形状部分、及び前記短辺を含む矩形形状部分と前記長辺を含む矩形形状部分とを接続する突起部を有する、請求項１に記載の埋込磁石型電動機。
6. 前記ロータコアは、前記ロータコアの外周部のうち前記複数の永久磁石の各々の前記短辺に隣接する部分の一部を切除して形成された、前記永久磁石の前記短辺を支持する２つのフック部を有する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の埋込磁石型電動機。
7. 前記ロータコアは、前記複数の永久磁石の各々の前記長辺及び前記短辺の少なくとも一方に隣接する前記ロータコアの一部を切除することにより形成されたエアギャップを有する、請求項１〜６のいずれか１項に記載の埋込磁石型電動機。
8. 前記複数の永久磁石の各々の前記長辺に隣接するエアギャップの、前記回転シャフトの軸方向に垂直な方向の長さが前記長辺よりも長い、請求項７に記載の埋込磁石型電動機。
9. 前記エアギャップ内に非磁性材料が配置される、請求項７又は８に記載の埋込磁石型電動機。

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