JP2011004529A - Ｉｐｍモータ用ロータとｉｐｍモータ - Google Patents

Abstract

【課題】高強度で、かつ、永久磁石からの漏れ磁束を効果的に抑止することのできる、ＩＰＭモータ用ロータと該ロータを具備するＩＰＭモータを提供する。
【解決手段】電磁鋼板１，…が積層してなる円柱状のロータコア１０がその内部に磁極を形成する磁石（永久磁石２）を埋設しており、ロータコア１０の端部に２つのエンドプレート３０，３０が配されて、ロータコア１０と磁石２が該エンドプレート３０，３０にて固定されており、エンドプレート３０は、その外郭で屈曲する爪部３１を備えており、該爪部３１がロータコアの側面の一部を押えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、ステータの内側に配されたロータ内に磁石が埋設されている、ＩＰＭモータ用ロータと該ロータを具備するＩＰＭモータに関するものである。

自動車産業においては、ハイブリッド自動車や電気自動車のさらなる走行性能の向上を目指して、駆動用モータの高出力化、軽量化、小型化への開発が日々進められている。また、家電製品メーカーにおいても、各種家電製品に内蔵されるモータのさらなる小型化、高性能化への開発に余念がない。

上記するモータには、ステータ内部に配されたロータが回転するインナーロータ型モータと、ステータの外周に筒状のロータが回転するアウターロータ型モータが存在する。

ところで、インナーロータ型であって、永久磁石がロータ内に埋設されてなるＩＰＭモータにおいては、磁石穴の端部とロータ内周面（ステータに対応する側面）との距離を可及的に狭くすることでこの領域における磁束を流れ難くし、漏れ磁束を低減して磁石の磁束をより有効利用することでモータのトルク性能の向上を図ろうとしている。これを図４を参照して説明すると、ロータＲ内に平面視でＶ字状に配された磁石穴Ｅ，Ｅに配された永久磁石に関し、その端部からロータ側面までの領域（領域Ａであって、いわゆるブリッジ部と称される）の距離：Ｌを短くすることにより、漏れ磁束Ｍを生じ難くするというものである。

しかし、上記のごとく、磁石穴Ｅ（永久磁石）の端部からロータ側面までの距離：Ｌ、すなわちブリッジ部の長さを短くすることにより、漏れ磁束は流れ難くなる一方、今度は領域Ａが狭くなるためにロータ強度が低下することは理解に易い。特に、この領域Ａには、ロータ回転によって永久磁石に遠心力が作用し、この永久磁石の遠心力が直接的に作用する部位であることから、当該領域Ａには十分な強度が要求されている。そこで、領域Ａを可及的に狭くしながらもその強度を向上させるために、たとえばロータを構成する電磁鋼板自体の強度を向上させようとすると、今度はロータの磁気特性が悪化し、モータのトルク性能を低下させることになってしまう。

ここで、従来の公開技術に目を転じれば、上記する漏れ磁束を低減するべく、永久磁石の端部とロータ側面の間のブリッジ部をより薄くするべく、該ロータ側面に切欠きを設けた回転子（ロータ）が特許文献１に開示されているが、このように切欠きを設けることでロータ強度が低下することは既述の通りである。

特開２００７−２９５６７６号公報

本発明は、上記する問題に鑑みてなされたものであり、磁石からの漏れ磁束を効果的に低減しながら、しかも、ロータの強度を保障することのできる、ＩＰＭモータ用ロータと該ロータを具備するＩＰＭモ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、電磁鋼板が積層してなる円柱状のロータコアがその内部に磁極を形成する磁石を埋設しており、前記ロータコアの端部に２つのエンドプレートが配されて、前記ロータコアと磁石が該エンドプレートにて固定されており、前記エンドプレートは、その外郭で屈曲する爪部を備えており、該爪部が前記ロータコアの側面の一部を押えているものである。

本発明のＩＰＭモータ用ロータは、上記するいわゆるブリッジ部の幅を可及的に狭くして、磁極を形成する磁石からの漏れ磁束を低減するとともに、ロータコアの両端に配されるエンドプレートに設けられた爪部でロータコアをその側面で締結することで、ブリッジ部幅低減に伴うコアの強度低下を効果的に抑止できるロータである。

ここで、エンドプレートは、たとえば、非磁性素材であるアルミニウムや銅、それらの合金、真鍮などから形成されるものである。

そして、エンドプレートに設けられた爪部は、たとえばそのリング状の外郭に沿って連続する環状形態のほか、一定の間隔をおいてエンドプレートの外郭から突出する突起形態のものなどを挙げることができ、この突起は、折り曲げ加工等することでロータコアの側面に当接させるようにできる。

ここで、上記するロータコアの側面には溝が形成され、該溝に前記爪部が嵌め合いされているのが好ましい。

たとえば、エンドプレートに形成された基数と同基数で、対応するロータコア側面位置に溝が形成され、それぞれの溝に対応する爪部が嵌め合いされた姿勢でエンドプレートが配されることで、爪部がロータコアの側面にはみ出すのを抑止でき、ロータ自体の体格増を回避しながら、しかも、エンドプレートとロータコア双方の接合強度も高めることができる。

また、この爪部には、ロータコアの長手方向に延びるスリットが形成されているのが好ましい。
ロータコアの長手方向に延びるスリットが爪部に形成されていることで、ステータ側から流れ込んだ磁束がこの爪部を通過する際に、その通過面積を可及的に小さくすることができるため、爪部にスリットが形成されていない場合に比して、該爪部に生じ得る鉄損を効果的に低減することができる。

上記する本発明のロータは、いわゆるブリッジ部の幅を可及的に狭くしながらも、ロータコアの両端に配されるエンドプレートに設けられた爪部で当該ロータコアをその外周から締結するという簡易な構造変更により、強固なロータコアを形成することができる。

しかも、ブリッジ部の幅を可及的に狭くしたことで磁石（永久磁石）からの漏れ磁束を従来構造のロータを具備するモータに比して低減でき、そのトルク性能が向上することが本発明者等によって検証されている。

以上の説明から理解できるように、本発明のＩＰＭモータ用ロータとこれを具備するＩＰＭモータによれば、ロータの外周と磁石との間の距離（ブリッジ部の長さ）を可及的に短くしながら、しかも、エンドプレートに設けられた爪部でロータコアをその外周から強固に締結していることで、磁石からの漏れ磁束を低減させ、その分の磁束をマグネット磁束としてステータ側へ提供することでモータのトルク性能を向上させることができ、しかも、ロータを高強度とできることで強度特性に優れ、高耐久性なＩＰＭモータを得ることができる。

本発明のＩＰＭモータ用ロータの分解斜視図である。 図１のロータの組立て斜視図である。 図２で示す本発明のロータを具備するモータの解析モデル（実施例）と、従来構造のロータを具備するモータの解析モデル（比較例）の各トルクを比較した磁場解析結果である。 従来のインナーロータ型ＩＰＭモータ用ロータにおいて、永久磁石からの漏れ磁束を模式的に示した図である。

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ＩＰＭモータ用ロータの分解斜視図であり、図２は、図１のロータの組立て斜視図である。

このロータ１００は、電磁鋼板１，…が積層されてなるロータコア１０と、このロータコア１０に開設された、平面視が矩形の２つの凹溝内に配設される２つの永久磁石２，２（これで１つの磁極２０を形成）が周方向に複数ユニット形成されたものと、ロータコア１０の両端に嵌め合いされるエンドプレート３０，３０と、から大略構成されている。なお、ロータコア１０を形成する電磁鋼板１，…からなる鋼板積層体は、たとえば磁束流れに障害とならないロータ領域（たとえば永久磁石２よりもロータの内側の領域）において、かしめられる等して全体形状の保持が図られている。

また、ロータコア１０には、後述するエンドプレート３０に設けられた爪部３１が嵌め合いされる溝１２が形成されており、ロータコア１０の端面にエンドプレート３０を配した際に、対応する溝１２と爪部３１が嵌め合いされるようになっている。

磁極２０を形成する２つの永久磁石２，２は、それらの平面視で長手方向を不図示のステータ側に開いた状態とした、略Ｖの字状に配されており、各永久磁石２，２の端部とロータコア１０のステータ側側面の間の離間、すなわちブリッジ部の長さ：Ｌが従来構造のロータに比して可及的に短く形成されている。

ブリッジ部の長さ：Ｌを可及的に短く形成したことで、ロータコア１０自体の強度低下が懸念されるが、その強度低下を補うべく、ロータコア１０の両端に嵌め合いされる（Ｘ方向）エンドプレート３０，３０には、その外郭に沿う方向に配され、嵌め合い姿勢においてロータコア１０の側面（上記する離間：Ｌも含む）を外側から包囲する爪部３１，…が形成されている。

この爪部３１は、たとえば、非磁性素材の金属、たとえばアルミニウムやその合金などからなる金属板をエンドプレート３０の輪郭に沿うように切断加工する際に、爪部３１の輪郭を残すようにして切断加工し、次いで、爪部３１を折り曲げ加工することにより、図１，２で示すように複数の爪部３１，…を具備するエンドプレート３０を形成することができる。

さらに、上記する折り曲げ加工する前段で、中央のシャフト用開口３２に加えて、図１，２で示すような複数のスリット３１ａ，…を爪部３１に形成しておく。

図２で示すごとく、エンドプレート３０がロータコア１０の両端に嵌め合いされた姿勢において、爪部３１にロータコア１０の長手方向（図示する鉛直方向でロータの軸方向）に延びる複数のスリット３１ａ、…が形成されていることで、不図示のステータ側から入り込んできた磁束が爪部３１を通過する面積を可及的に小さくすることができ、スリットが存在しない場合に比して、爪部に生じ得る鉄損を低減することができる。また、エンドプレート３０の爪部３１がロータコア１０の溝１２に嵌め合いされていることにより、爪部３１がロータコア１０の側方にはみ出すことなく、しかも、エンドプレート３０とロータコア１０の接合強度を高めることができる。

図示するロータ１００は、従来構造のロータコアにおける、永久磁石とロータコア端部の間のブリッジ部の長さに比して格段に短いブリッジ部の長さを有し、したがって、漏れ磁束を効果的に低減できるロータである。しかも、エンドプレート３０の爪部３１にてロータコア１０をその外周から押さえ込んでいることにより、高強度なロータとなる。さらに言えば、その爪部３１にロータコア１０の長手方向に延びる複数のスリット３１ａ、…が形成されていることで、ステータ側に対向する爪部３１の面積であって、ステータ側から入り込んでくる磁束が通過する面積を複数の小面積に分割することができ、爪部３１に生じ得る鉄損も可及的に低減することができる。

[本発明のロータを具備するモータの解析モデル（実施例）と、従来構造のロータを具備するモータの解析モデル（比較例）の各トルクを比較した磁場解析とその結果]
本発明者等は、図２で示す本発明のロータを具備するモータの解析モデル（実施例）と、従来構造のロータ（図４で模式的に示すブリッジ部が存在するロータであって、実施例のブリッジ部の２倍の長さのブリッジ部を有するロータ）を具備するモータの解析モデル（比較例）をそれぞれコンピュータ内で形成し、同一電流で同一周波数の磁気を作用させた磁場解析をおこない、双方の最大トルクを求めて比較した。その結果を図３に示している。なお、同図では、比較例の最大トルクを１に正規化し、実施例のトルクをそれに対する比率で示している。

同図より、比較例に比して実施例は、トルクが５％も向上することが実証されている。本発明者等によれば、実施例のロータのブリッジ部の長さが比較例に比して半分に低減していることで、永久磁石からの漏れ磁束が効果的に低減され、低減された分の磁束が永久磁石からステータ側へ流れるマグネット磁束として使用されたために、実施例のトルクが向上している。

以上の解析結果等より、本発明のＩＰＭモータ用ロータを具備するモータでは、従来構造のモータに比してブリッジ部を狭く（短く）したことでトルクを５％程度も向上できること、このブリッジ部の狭小化によるロータコアの強度低下をエンドプレートの爪部による補強構造で効果的に解消できること、という多くの効果が奏されるものである。

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。

１…電磁鋼板、１０…ロータコア、１２…溝、２…永久磁石、２０…磁極、３０…エンドプレート、３１…爪部、３１ａ…スリット、１００…ロータ

Claims (5)

1. 電磁鋼板が積層してなる円柱状のロータコアの内部に磁極を形成する磁石が埋設されており、
   前記ロータコアの端部に２つのエンドプレートが配されて、前記ロータコアと磁石が該エンドプレートにて固定されており、
   前記エンドプレートは、その外郭で屈曲する爪部を備えており、該爪部が前記ロータコアの側面の一部を押えている、ＩＰＭモータ用ロータ。
2. 前記ロータコアの側面に溝が形成され、該溝に前記爪部が嵌め合いされている、請求項１に記載のＩＰＭモータ用ロータ。
3. 前記爪部に、ロータコアの長手方向に延びるスリットが形成されている、請求項１または２に記載のＩＰＭモータ用ロータ。
4. 前記爪部は、円環状のエンドプレートの外郭から突出する突起が折り曲げ加工されたものである、請求項１〜３のいずれかに記載のＩＰＭモータ用ロータ。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載のロータと、その外側に配されたステータと、からなる、ＩＰＭモータ。

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