JP2010068705A - モータ - Google Patents

Abstract

【課題】永久磁石同期モータにおいて、必要とされるインバータの駆動周波数を低減させることによって制御を容易とすると共に、ロータコアを径方向に薄肉化させることによってシャフトの高速回転に対する耐久性を向上させる。
【解決手段】極として第１の極５及び第２の極６とを１つずつのみ備え、第１の極５と第２の極６とがロータの周面に沿って湾曲されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、中央にシャフトが挿通されると共に該シャフトを中央として環状に配列される複数の永久磁石を内部に収容する円筒状のロータと、該ロータの周面に対向配置されると共に上記ロータの回転を制御する電機子巻線を内部に収容するステータとを備えるモータに関するものであり、特にシャフトが汎用モータに対して高速回転するモータに関するものである。

近年、地球環境に配慮した自動車としてエンジンと共にモータを搭載した、いわゆるハイブリット自動車が実用化されている。
このようなハイブリッド自動車に搭載されるモータとしては、特許文献１〜１１に示されるような、ロータに永久磁石が収容された永久磁石同期モータが用いられている。

一方で、過給機は、エンジン等の排気ガスを用いてタービンインペラを回転駆動し、当該回転駆動を圧縮機のインペラに伝達して圧縮空気を生成するものであるが、排気ガスの流量が変動するためにトルク不足が生じ、安定して圧縮空気を得られない場合がある。そこで、上述の永久磁石同期モータを過給機に用いて上記トルク不足を永久磁石同期モータのトルクによって補う、いわゆる電動過給機が提案されている。

特許第３８１１４２６号公報 特許第３８１９２１１号公報 特許第３５９６５４２号公報 特開２００６−２８０１９５号公報 特開２００５−１９８４８７号公報 特開２００５−３５４７９８号公報 特開２００５−３２８６７９号公報 特開２００３−３２４８７５号公報 特開２００２−４４８８８号公報 特開２０００−３５０３９３号公報 特開２００１−２５８１８７号公報

しかしながら、電動過給機に用いられる永久磁石同期モータは、タービンインペラ及び圧縮機のインペラが高速回転であることから、ハイブリッド自動車に搭載される永久磁石同期モータと比較して、シャフトに対してかなりの高速回転が要求される。

電動過給機にはロータの回転を制御可能とするためにバッテリの直流電力を任意の周波数の交流電力に変換するためのインバータが搭載されているが、シャフトが高速回転される場合には、インバータの駆動周波数が非常に高くなる虞がある。つまり、シャフトが高速回転される場合には、ロータの回転を制御するために直流電力を高い周波数の交流電力に変換する必要が生じ、インバータの駆動周波数が高くなり制御が困難となる場合が考えられる。

また、シャフトが高速回転される場合には、シャフトの損傷を防止するためにシャフトの径を太くして剛性を向上させる必要がある。一方で、ロータに作用する遠心力を抑制するために、ロータ自体の径は小さくすることが求められる。
したがって、シャフトが高速回転される場合には、永久磁石同期モータにおいては、ロータコアの径方向の肉厚をできるだけ薄くして、シャフトの高速回転に対する耐久性を高めることが要求される。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、永久磁石同期モータにおいて、必要とされるインバータの駆動周波数を低減させることによって制御を容易とすると共に、ロータコアを径方向に薄肉化させることによってシャフトの高速回転に対する耐久性を向上させることを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するための手段として、以下の構成を採用する。

第１の発明は、中央にシャフトが挿通されると共に該シャフトを中央として環状に配列される複数の永久磁石を内部に収容する円筒状のロータと、該ロータの周面に対向配置されると共に上記ロータの回転を制御するための電機子巻線を内部に収容するステータとを備えるモータであって、上記ステータ側がＳ極とされかつ上記シャフト側がＮ極とされた単一あるいは連続して配列された複数の上記永久磁石によって構成されると共に、上記ロータの周面に沿って上記ステータ側及び上記シャフト側が湾曲された形状を有する第１の極と、上記ステータ側がＮ極とされかつ上記シャフト側がＳ極とされた上記永久磁石であって上記第１の極を構成する上記永久磁石を除く全ての上記永久磁石によって構成されると共に、上記ロータの周面に沿って上記ステータ側及び上記シャフト側が湾曲された形状を有する第２の極とを備えるという構成を採用する。

第２の発明は、上記第１の発明において、上記第１の極及び上記第２の極の少なくとも一方は、上記ロータの周面に沿って上記ステータ側及び上記シャフト側が湾曲された形状の永久磁石が、上記ロータの周方向に複数配列されて構成されているという構成を採用する。

第３の発明は、上記第１または第２の発明において、上記第１の極及び上記第２の極の少なくとも一方は、上記ロータの周面に沿って上記ステータ側及び上記シャフト側が湾曲された形状の永久磁石が、上記シャフトの延在方向に複数配列されて構成されているという構成を採用する。

第４の発明は、上記第３の発明において、上記シャフトの延在方向に配列される複数の上記永久磁石が、上記ロータの周方向に互いにずれて配置されているという構成を採用する。

第５の発明は、上記第１〜第４いずれかに発明において、上記第１の極の端部及び上記第２の極の端部に接するフラックスバリアを備えるという構成を採用する。

第６の発明は、上記第１〜第５いずれかの発明において、複数の上記第１の極及び複数の上記第２の極を備え、当該第１の極及び当該第２の極が上記ロータの周方向に沿って交互に配置されているという構成を採用する。

本発明によれば、ステータ側がＳ極とされかつシャフト側がＮ極とされた単一あるいは連続して配列された複数の永久磁石によって構成される第１の極と、ステータ側がＮ極とされかつシャフト側がＳ極とされた永久磁石であって第１の極を構成する永久磁石を除く全ての永久磁石によって構成される第２の極とを備える。
つまり、本発明のモータは、環状に配列される磁石が第１の極あるいは第２の極のいずれかを構成し、さらに第１の極と第２の極とを１つずつ備える、いわゆる２極モータである。
インバータの駆動周波数は、モータの極数に比例して高くなる。したがって、本発明のモータのように、最低限の極数とすることによって、インバータの駆動周波数を、例えば４極以上のモータに対して低減させることができる。
よって、本発明によれば、永久磁石同期モータにおいて、必要とされるインバータの駆動周波数を低減させることによって制御を容易とすることが可能となる。

また、本発明によれば、第１の極及び第２の極が上記ロータの周面に沿って上記ステータ側及び上記シャフト側が湾曲された形状を有している。
ステータに作用する磁力を確保するために、各極の面積をロータの周方向にできるだけ広くする必要があるが、汎用の棒磁石を用いてかつモータの極数を２極とした場合において各極の面積を広くすると、棒磁石が直線状に長く延在することとなるために、当該棒磁石をロータコア内に収容するためにはロータコアが肉厚となる。
これに対して、第１の極及び第２の極の形状を、ロータの周面に沿ってステータ側及びシャフト側が湾曲された形状とすることによって、各極の面積を広く確保しながらロータコアの肉厚を薄くすることができる。
よって、本発明によれば、ロータコアを径方向に薄肉化させることが可能となる。

したがって、本発明によれば、永久磁石同期モータにおいて、必要とされるインバータの駆動周波数を低減させることによって制御を容易とすると共に、ロータコアを径方向に薄肉化させることによってシャフトの高速回転に対する耐久性を向上させることが可能となる。

本発明の一実施形態であるモータの概略構成を示した断面図である。 本発明の一実施形態であるモータの変形例である永久磁石がロータの周方向に２つに分割されたモータを示した断面図である。 本発明の一実施形態であるモータの変形例である永久磁石がロータの周方向に３つに分割されたモータを示した断面図である。 本発明の一実施形態であるモータの変形例である永久磁石がシャフトの延在方向に２つに分割されたモータを示した断面図である。 本発明の一実施形態であるモータの変形例である永久磁石がシャフトの延在方向に３つに分割されたモータを示した断面図である。 本発明の一実施形態であるモータの変形例である永久磁石がシャフトの延在方向に２つに分割されたモータにおいてスキューが施された図である。 本発明の一実施形態であるモータの変形例である永久磁石がシャフトの延在方向に３つに分割されたモータにおいてスキューが施された図である。 本発明の一実施形態であるモータの変形例として、２つの第１の極と、２つの第２の極６とを、ロータの周方向に沿って交互に配置したモータの断面図である。

以下、図面を参照して、本発明に係るモータの一実施形態について説明する。なお、以下の図面において、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している。

図１は、本実施形態のモータ１００の概略構成を模式的に示した断面図である。なお、図１においては、シャフトの延在方向に対して垂直な面でモータ１００を切断している。
本実施形態のモータ１００は、特に電動過給機に対して好適に用いることができる高速回転可能なモータである。
そして、図１に示すように、本実施形態のモータ１００は、シャフト１と、ロータ２と、ステータ３とを備えている。

シャフト１は、ロータ２とステータ３とによって生成された回転動力を外部に伝達する棒部材であり、図１の紙面垂直方向に延在して配置されている。
また、本実施形態のモータ１００が上述のように高速回転が可能なものであるため、シャフト１の剛性は、先行技術文献として挙げた上述の特許文献１〜１１に開示されたモータが備えるシャフトの剛性よりも高いことが望まれる。そして、本実施形態のモータ１００においては、シャフト１の径を特許文献１〜１１に開示されたモータが備えるシャフトよりも大きくすることによってシャフト１の剛性を向上させている。
なお、シャフト１の形成材料や形状を好適に選択することでシャフト１の剛性を向上可能な場合には、シャフト１の径を特許文献１〜１１に開示されたモータが備えるシャフトの径と同じあるいは小さく設定することも可能である。
また、シャフト１の形成材料は、後述するロータ２が備える永久磁石の磁力線が効率的にステータ３の方向に向かうように非磁性体によって形成されることが好ましい。ただし、シャフト１を磁性体によって形成することもできる。

ロータ２及びステータ３は、磁界による磁力線と後述する電機子巻線を流れる電流とによって回転力を発生させるものであり、ステータ３が固定され、ロータ２が回転される。

ロータ２は、中央にシャフト１が挿通される円筒形状を有しており、ロータコア４と、第１の極５と、第２の極６と、フラックスバリア７とを備えている。

ロータコア４は、ロータ２の外形を形成するものであり、中央部にシャフト１を挿通するための孔が形成された円筒状に形状設定されると共に磁性体によって形成されている。
また、ロータコア４の内部には、後述する第１の極５を構成する永久磁石と第２の極６を構成する永久磁石を収容するための２つの空間がシャフトを中央として環状に配列されて形成されており、当該空間に上記永久磁石が収容されている。
つまり、本実施形態のモータ１００においてロータ２は、中央にシャフト１が挿通されると共に該シャフト１を中央として環状に配列される複数の永久磁石を内部に収容する。
なお、ロータコア４は、表面における渦電流の発生を抑制するために、例えば、複数の円形の電磁鋼板がシャフト１の延在方向に複数積層されて形成される、あるいはフェライトによって形成されることが好ましい。

第１の極５と第２の極６とは、図１に示すように、ロータコア４の内部にてシャフト１を中央にして環状に複数（本実施形態においては２つ）配列されて収容された永久磁石１０によって構成されている。なお、永久磁石１０としては、例えばネオジウム磁石を好適に用いることができる。

本実施形態のモータ１００は、永久磁石１０として、ステータ側がＳ極とされかつシャフト側がＮ極とされた第１永久磁石１１と、ステータ側がＮ極とされかつシャフト側がＳ極とされた第２永久磁石１２とを備えている。また、第１永久磁石１１及び第２永久磁石１２は、ステータ側及びシャフト側がロータ２の周面に沿って湾曲された形状を有している。
そして、第１の極５が第１永久磁石１１によって構成され、第２の極６が第２永久磁石１２によって構成されている。つまり、第１の極５は、ステータ側がＳ極とされかつシャフト側がＮ極とされた単一の永久磁石１０（第１永久磁石１１）によって構成されると共に、ロータ２の周面に沿ってステータ側及びシャフト側が湾曲された形状を有している。
また、第２の極６は、ステータ側がＮ極とされかつシャフト側がＳ極とされた永久磁石１０であって第１の極５を構成する永久磁石１０を除く全ての永久磁石１０（すなわち第２永久磁石１２）によって構成されると共に、ロータ２の周面に沿ってステータ側及びシャフト側が湾曲された形状を有している。

つまり、本実施形態のモータ１００は、極として第１の極５及び第２の極６とを１つずつのみ備える、いわゆる２極モータである。
なお、本実施形態のモータ１００においては、第１の極５及び第２の極６は、ロータ２の径方向から見て重ならずにかつ１６０°の範囲に設置され、ロータ２の長さ方向（シャフト１の延在方向）において、ロータ２の長さと略等しい長さを有している。

フラックスバリア７は、第１の極５の両側端部及び第２の極６の両側端部に接するように設けられた磁気抵抗の高い領域であり、第１の極５及び第２の極６におけるステータ側からシャフト側あるいはシャフト側からステータ側への磁束の漏れを抑制するものである。
そして、本実施形態のモータ１００においてフラックスバリア７は、空孔によって構成されている。ただし、フラックスバリア７は、空孔に限らず、透磁率の低い部材によって構成することも可能である。
なお、本実施形態のモータ１００のように高速回転のモータである場合には、特にフラックスバリア７を空孔とすることによってフラックスバリア７に遠心力の応力が集中する。このため、図１に示すようにフラックスバリア７は、応力が緩和するように丸みを持つ形状に設定することが好ましい。

ステータ３は、ロータ２の周面に対向配置されると共にロータの回転を制御するための電機子巻線を内部に収容するものである。なお、電機子巻線は、ロータ２の周方向に等ピッチで複数設けられている。そして、電機子巻線の数は、第１の極５及び第２の極６のロータ２の周方向における広さ等を考慮して設定されている。

なお、図１においては示されていないが、本実施形態のモータ１００は、ステータ３を覆って支持するケーシングを備えても良い。

このような構成を有する本実施形態のモータ１００においては、外部の直流電源からインバータを介して交流電力がステータ３内部の電機子巻線に供給されることによって、ロータ２が回転駆動され、回転動力がシャフト１を介して外部に取り出される。

以上のような本実施形態のモータ１００によれば、第１の極５が、ステータ側がＳ極とされかつシャフト側がＮ極とされた単一の永久磁石１０（第１永久磁石１１）によって構成され、第２の極６が、ステータ側がＮ極とされかつシャフト側がＳ極とされた永久磁石１０であって第１の極５を構成する永久磁石１０を除く全ての永久磁石１０（すなわち第２永久磁石１２）によって構成されている。つまり、本実施形態のモータ１００は、極として第１の極５及び第２の極６とを１つずつのみ備える、いわゆる２極モータである。
ステータ３の電機子巻線に交流電力を供給するインバータの駆動周波数は、モータの極数に比例して高くなる。したがって、本実施形態のモータ１００のように、最低限の極数とすることによって、インバータの駆動周波数を、例えば４極以上のモータに対して低減させることができる。
よって、本実施形態のモータ１００によれば、永久磁石同期モータにおいて、必要とされるインバータの駆動周波数を低減させることが可能となり制御を容易とすることが可能となる。

また、本実施形態のモータ１００によれば、第１の極５及び第２の極６がロータ２の周面に沿ってステータ側及びシャフト側が湾曲された形状を有している。
ステータ３に作用する磁力を確保するために、第１の極５及び第２の極６の面積をロータ２の周方向にできるだけ広くする必要があるが、汎用の棒磁石を用いてかつモータの極数を２極とした場合において第１の極５と第２の極６との面積を広くすると、棒磁石が直線状に長く延在することとなるために、当該棒磁石をロータコア４内に収容するためにはロータコア４が肉厚となる。
これに対して、第１の極５及び第２の極６の形状を、ロータ２の周面に沿ってステータ側及びシャフト側が湾曲された形状とすることによって、第１の極５及び第２の極６の面積を広く確保しながらロータコア４の肉厚を薄くすることができる。
よって、本実施形態のモータ１００によれば、ロータコア４を径方向に薄肉化させ、ロータ２に作用する遠心力を低減させることが可能となる。

したがって、本実施形態のモータ１００によれば、永久磁石同期モータにおいて、必要とされるインバータの駆動周波数を低減させることによって制御を容易とすると共に、ロータコア４を径方向に薄肉化させることによってシャフト１の高速回転に対する耐久性を向上させることが可能となる。

また、永久磁石同期モータにおいては、ロータ２が回転している際にステータの電機子巻線に生じる誘起電圧を測定し、当該測定結果からロータ２の回転を制御する場合があるが、本実施形態のモータ１００においては、第１の極５及び第２の極６がロータ２の周面に沿ってステータ側及びシャフト側が湾曲された形状を有しているため、測定される誘起電圧が正弦波化し、より正確にロータ２の回転を制御することが可能となる。

なお、本実施形態のモータ１００が備える永久磁石１０（第１永久磁石１１及び第２永久磁石１２）は、第１の極５及び第２の極６を構成するため、ロータ２の周方向において１６０°の範囲に設置され、ロータ２の長さ方向（シャフト１の延在方向）において、ロータ２の長さと略等しい長さを有している。
このため、このような大きさの湾曲した永久磁石を製造する場合には、歩留まりが悪いことが想定される。したがって、図２及び図３に示すように、永久磁石１０（第１永久磁石１１及び第２永久磁石１２）をロータの周方向に２分あるいは３分しても良い。つまり、第１の極５及び第２の極６を、ロータ２の周面に沿ってステータ側及びシャフト側が湾曲された形状の小型の永久磁石１０ａをロータ２の周方向に複数配列することによって構成するようにしても良い。
このような構成を採用することによって、１つ１つの永久磁石の大きさが小さくなり、永久磁石の歩留まりが向上すると共に破損した場合であっても破損箇所のみを交換すれば良いこととなるため、低価格にて本実施形態のモータ１００を製造することが可能となる。
なお、永久磁石１０は、第１永久磁石１１及び第２永久磁石１２のいずれか一方のみがロータ２の周方向に分割されていても良い。

さらに、図４及び図５に示すように、永久磁石１０（第１永久磁石１１及び第２永久磁石１２）をロータの長さ方向（シャフト１の延在方向）に２分あるいは３分しても良い。
つまり、第１の極５及び第２の極６を、ロータ２の周面に沿ってステータ側及びシャフト側が湾曲された形状の小型の永久磁石１０ｂをロータ２の長さ方向に複数配列することによって構成するようにしても良い。
このような構成を採用した場合も、１つ１つの永久磁石の大きさが小さくなり、永久磁石の歩留まりが向上すると共に破損した場合であっても破損箇所のみを交換すれば良いこととなるため、低価格にて本実施形態のモータ１００を製造することが可能となる。
なお、永久磁石１０は、第１永久磁石１１及び第２永久磁石１２のいずれか一方のみがロータ２の長さ方向に分割されていても良い。

なお、図４及び図５に示すように、永久磁石１０がシャフト１の延在方向に複数分割される場合には、図６及び図７に示すように、各永久磁石１０ｂをロータ２の周方向に互いにずれて配置して、ロータ２にスキューを施すことが好ましい。
このようにロータ２にスキューを施すことによって、例えばモータ１００の振動や騒音を低減させることが可能となる。

さらに、図８に示すように、２つの第１の極５と、２つの第２の極６とを、ロータ２の周方向に沿って交互に配置することによって、モータ１００を、４極の永久磁石同期モータにしてもよい。すなわち、モータ１００では、ロータ２に配置する第１の極５及び第２の極６を各１つに限定せず、複数配置するようにしてもよい。この際、第１の極５及び第２の極６のそれぞれの両端部に接するようにフラックスバリア７を設ける。

このように、モータ１００では、図８に示す構成にする、すなわち極数を増やすことによって、ロータ２の回転速度を上昇することが出来る為、小型でありながら高速回転可能なモータを実現することが出来る。また、モータ１００では、フラックスバリア７が丸みを持つ形状であることによって、回転速度の上昇に伴って増大する遠心力の応力を緩和することが出来る為、従来よりも高速回転に耐えることが出来る。さらに、モータ１００では、フラックスバリア７によって、ロータ２の内部に集中してしまう磁束（漏れ磁束）、すなわちロータ２の回転に寄与出来ない磁束を低減することが出来る為、磁力を効果的に使用して、ロータ２を回転することが出来る。このように、モータ１００では、磁力を効果的に使用することによって、永久磁石１０を小型化することが出来る為、モータ自身をさらに小型化することが出来る。
そして、このようなモータ１００を発電機として、ターボを設置した高速回転ジェネレータへ適用することによって、小型の高速回転ジェネレータを実現することが可能になる為、エンジンルーム等が限られたスペースであったとしても、当該スペースへ高速回転ジェネレータを設置することが可能になる。

以上、添付図面を参照しながら本発明に係るモータの好適な実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

１００……モータ、１……シャフト、２……ロータ、３……ステータ、４……ロータコア、５……第１の極、６……第２の極、７……フラックスバリア、１０……永久磁石、１１……第１永久磁石、１２……第２永久磁石

Claims (6)

1. 中央にシャフトが挿通されると共に該シャフトを中央として環状に配列される複数の永久磁石を内部に収容する円筒状のロータと、該ロータの周面に対向配置されると共に前記ロータの回転を制御するための電機子巻線を内部に収容するステータとを備えるモータであって、
   前記ステータ側がＳ極とされかつ前記シャフト側がＮ極とされた単一あるいは連続して配列された複数の前記永久磁石によって構成されると共に、前記ロータの周面に沿って前記ステータ側及び前記シャフト側が湾曲された形状を有する第１の極と、
   前記ステータ側がＮ極とされかつ前記シャフト側がＳ極とされた前記永久磁石であって前記第１の極を構成する前記永久磁石を除く全ての前記永久磁石によって構成されると共に、前記ロータの周面に沿って前記ステータ側及び前記シャフト側が湾曲された形状を有する第２の極と
   を備えることを特徴とするモータ。
2. 前記第１の極及び前記第２の極の少なくとも一方は、前記ロータの周面に沿って前記ステータ側及び前記シャフト側が湾曲された形状の永久磁石が、前記ロータの周方向に複数配列されて構成されていることを特徴とする請求項１記載のモータ。
3. 前記第１の極及び前記第２の極の少なくとも一方は、前記ロータの周面に沿って前記ステータ側及び前記シャフト側が湾曲された形状の永久磁石が、前記シャフトの延在方向に複数配列されて構成されていることを特徴とする請求項１または２記載のモータ。
4. 前記シャフトの延在方向に配列される複数の前記永久磁石が、前記ロータの周方向に互いにずれて配置されていることを特徴とする請求項３記載のモータ。
5. 前記第１の極の端部及び前記第２の極の端部に接するフラックスバリアを備えることを特徴とする請求項１〜４いずれかに記載のモータ。
6. 複数の前記第１の極及び複数の前記第２の極を備え、当該第１の極及び当該第２の極が前記ロータの周方向に沿って交互に配置されていることを特徴とする請求項１〜５いずれかに記載のモータ。
   
   

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