JP2011087452A - 永久磁石を用いた電気モーター用回転子 - Google Patents

Abstract

【課題】コギングを低減した永久磁石を用いた電気モーター用回転子を提供する。
【解決手段】Ｃ字状に磁気力を提供する少なくとも一つ以上のＣタイプ永久磁石９と、円筒形であり、少なくとも一つ以上のＣタイプ永久磁石９が極を異ならせて結合され、極を異ならせて結合されるＣタイプ永久磁石９の境界には開口孔がそれぞれ形成されたコアと、コアの中央に形成された回転子軸と、を備えることによって、外部コアを通じて結合されたＣタイプ永久磁石の磁場を正常な正弦波形に形成することによってコギングトルクを低減させることができる。
【選択図】図５Ｂ

Description

本発明は、永久磁石を用いた電気モーター用回転子に係り、さらに詳細には、大容量の高出力ブラシレス（Ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ）モーターに使用される高性能永久磁石回転子のコギング及びノイズを低減させるための回転子に関する。

一般的に、永久磁石回転子は、電機子（ａｒｍａｔｕｒｅ）の回転磁場と相互作用して機械的回転トルクを発生させるが、実際に回転子コアと永久磁石単体との結合構造、励磁（ｍａｇｎｅｔｉｘｉｎｇ）パターンまたは電機子の極とスロット構造のような多様な原因によって回転磁界が不均一になるか、または回転子の磁場の分布が正弦波（ｓｉｇｎ ｗａｖｅ）のように非理想的であることから、コギングトルクが発生し、モーターの振動やノイズを誘発させるため、当業者や当業界にとって大きな技術的な問題であった。

特に、大容量の高出力ブラシレスモーターは、エネルギー密度の高い高性能永久磁石を使用した回転子を必要とするが、電機子と回転子との間のエアギャップの少ない大容量の高出力モーターであればあるほど、このような現象が著しくなるという問題が提起されてきた。

ここで、高性能永久磁石は、表面磁束密度が１Ｋｇａｕｓｓ以上であるＮｄ（Ｎｅｏｄｙｍｉｕｍ）系またはＳｍＣｏ（Ｓａｍａｒｉｕｍ Ｃｏｂａｌｔ）系のように、磁気エネルギー密度の高い永久磁石を言い、このような高性能永久磁石は、回転子用Ｃタイプ永久磁石の場合であるとしても、遠心方向の励磁（Ｒａｄｉａｌ Ｍａｇｎｅｔｚｉｎｇ）や極異方性励磁（Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ Ｍａｇｎｅｔｉｚｉｎｇ）が困難であり、理想的な正弦波または円錐状の磁場が形成され難く、歪曲された磁場によって電機子の回転磁界に反応して、効率低下はもとより、深刻なコギングトルク、回転振動及びノイズを誘発する。

このような従来の永久磁石回転子は、図１に示すように、中心に回転子軸を嵌め込むホール５が形成された磁性体からなる回転子コア１の表面Ｒｉに、遠心６を中心に一定の厚さに円周の直径Ｒｏを維持するように平行に形成されたＣタイプ永久磁石の単体をＳ極２とＮ極３とに区分して交互に付着する。

このように、強磁性体である回転子コア１にＣタイプ永久磁石を付着して形成された回転子は、永久磁石の磁場が回転子コア１を通じた磁気回路４を形成するが、その磁場の分布は、図２に示すような実際に理想的な正弦波磁場を形成できず、各極の先端の磁場が陷沒して双峰３’、４’をなす。

したがって、従来の永久磁石回転子は、図３に示すように、電機子と結合してモーターを駆動させる場合、電機子極との相互作用によって発生する回転磁界の屈曲が大きく、相当のコギングトルク３’、４’が発生する。

ここで、このような現象は、図４に示すように、一定の厚さｄ１及び長さＬを有し、均一な磁気粒子で励磁された場合、反対極との距離の二乗に反比例する磁場の強度のため、平板型の磁石単体７の場合、双峰をなす磁場分布９０が形成され、一定の厚さｄ２と内径Ｒｉ及び外径Ｒｏの円周を有する回転子用Ｃタイプの磁石単体８の場合、さらに磁場歪曲８０が著しくなるという問題点があった。

一方、従来の永久磁石回転子において、前記のような問題点を解決するためのフェライト（Ｆｅｒｒｉｔｅ）Ｃタイプの永久磁石は、製造過程で磁気粉末を遠心軸（Ｒａｄｉａｌ）方向に配列させるか、または極異方性（Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ）に配列させて焼結し、励磁させることによってこのような問題を最小化させることができたが、鋳造の形態に形成される高性能アルニコ（Ａｌｎｉｃｏ）やＮｄ（Ｎｅｏｄｙｍｉｕｍ）コバルト（ＳｍＣｏ）系の磁石の場合、このような磁気配列及び励磁方法が難しいため、磁石を用いたモーター回転子を製造する場合、前述のような問題点を解決することができないという問題点があった。

そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、磁気エネルギー密度の高い高性能磁石を使用した大容量の高出力ブラシレスモーターの製作を容易にし、コギングトルクを最小化して、静粛な回転力を得ることができる永久磁石を用いた電気モーター用回転子を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、電気モーター用回転子において、Ｃ字状に磁気力を提供する少なくとも一つ以上のＣタイプ永久磁石（９）と、
円筒形であり、少なくとも一つ以上の前記Ｃタイプ永久磁石（９）が極を異ならせて結合され、極を異ならせて結合される前記Ｃタイプ永久磁石（９）の境界には開口孔（１１）がそれぞれ形成されたコア（１０）と、前記コア（１０）の中央に形成された回転子軸（１５）と、を備える永久磁石を用いた電気モーター用回転子が提供される。

また、前記Ｃタイプ永久磁石（９）は、相異なる二つ以上の外径（Ｒａ＝Ｒｃ、Ｒｂ）及び遠心軸（６、６ａ）からなる外周面を有し、震源の遠心軸（６）と同じ内径（Ｒｉ）を有し、所定の長さ（Ｌ）及び幅（Ｗ）を有するものであってもよい。

また、前記コア（１０）は、円筒形であり、外部に少なくとも一つ以上の前記Ｃタイプ永久磁石（９）が極を異ならせて結合され、極を異ならせて結合される前記Ｃタイプ永久磁石（９）の境界には開口孔（１１）がそれぞれ形成される外部コア（１０−１）と、円筒形であり、前記外部コア（１０−１）の内部に形成され、中央（５）には回転子軸（１５）が形成された内部コア（１０−２）とを有するものであってもよい。

また、前記開口孔（１１）は、円形または楕円形に形成され、Ｃタイプ永久磁石（９）の磁気の特性及びモーターの磁気の設計によってサイズを調節するものであってもよい。

また、前記内部コア（１０−２）は、ゴム、シリコーン材質または蜂の巣（ホニコム）状の吸音及び防塵構造に形成されてもよい。

前記Ｃタイプ永久磁石（９）は、表面磁束密度が１Ｋｇａｕｓｓ以上であるＮｄ（Ｎｅｏｄｙｍｉｕｍ）系またはＳｍＣｏ（Ｓａｍａｒｉｕｍ Ｃｏｂａｌｔ）系の磁石であってもよい。

以上説明したように本発明によれば、永久磁石を用いた電気モーター用回転子は、外部コアを通じて結合されたＣタイプ永久磁石の磁場を正常な正弦波形に形成させることによって、コギングトルクを低減させることができる。

また、内部コアをゴム、シリコーン材質または蜂の巣状の多孔性の吸音及び防塵構造に形成することによって、回転軸に伝達されるコギングトルクや振動を低減させることができる。

従来の永久磁石を用いた電気モーター用回転子の断面図である。 図１に示す従来の永久磁石を用いた電気モーター用回転子の正弦波を示す図面である。 図１に示す従来の永久磁石を用いた電気モーター用回転子のコギングトルクを示す図面である。 図１に示す従来の永久磁石を用いた電気モーター用回転子において永久磁石による正弦波を示す図面である。 本発明に係る永久磁石を用いた電気モーター用回転子を示す斜視図である。 本発明に係る永久磁石を用いた電気モーター用回転子を示す斜視図である。 図５に示す本発明に係る永久磁石を用いた電気モーター用回転子のコアの断面図である。 図５に示す本発明に係る永久磁石を用いた電気モーター用回転子のコアの斜視図である。 図５に示す本発明に係る永久磁石を用いた電気モーター用回転子の永久磁石を示す斜視図である。 図５に示す本発明に係る永久磁石を用いた電気モーター用回転子の永久磁石の寸法を示す斜視図である。 図５に示す本発明に係る永久磁石を用いた電気モーター用回転子で永久磁石の磁気特性を示す断面図である。 図５に示す本発明に係る永久磁石を用いた電気モーター用回転子の正弦波特性を示す図面である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

本発明の詳細な説明で使用される用語は、単に本発明の特定の実施形態の詳細な説明のために使用されたものであるため、本発明を特定の方法で制限したり限定するものと解釈されてはならない。さらに、本発明の実施形態は、全体的に本発明の好ましい属性を示したり本明細書に提供された発明を実施するのに必須な多くの新規の特徴を含むことができる。

図５は、本発明に係る永久磁石を用いた電気モーター用回転子を示す斜視図である。
図６Ａは、本発明に係る永久磁石を用いた電気モーター用回転子のコアを示す断面図であり、図６Ｂは、本発明に係る永久磁石を用いた電気用モーター用回転子のコアを示す斜視図である。

図７Ａは、本発明に係る永久磁石を用いた電気モーター用回転子の永久磁石を示す斜視図であり、図７Ｂは、本発明に係る永久磁石を用いた電気モーター用回転子の永久磁石を示す他の斜視図である。

本発明の一実施形態に係る永久磁石を用いた電気モーター用回転子は、少なくとも一つ以上の永久磁石９、外部コア１０−１及び内部コア１０−２からなるコア１０、開口孔１１及び回転子軸１５を備える。

Ｃタイプ永久磁石９は、相異なる二つ以上の外径（Ｒａ＝Ｒｃ、Ｒｂ）及び遠心軸６、６ａからなる外周面を有し、震源の遠心軸６と同一の内径Ｒｉを有し、一定の長さＬ及び幅Ｗを有し、二つのＣタイプ永久磁石９を外部コア１０−１と結合するとき、図８に示すように、極を異ならせて、前記Ｃタイプ永久磁石９間の境界が外部コア１０−１の開口孔１１に位置するように結合されねばならない。

外部コア１０−１は、Ｃタイプ永久磁石９の結合時に、Ｃタイプ永久磁石９の極を異ならせ、Ｃタイプ永久磁石９の境界は開口孔１１に形成し、内部には円筒形の内部コア１０−２が形成され、内部コア１０−２の中央には回転子軸１５が形成される。

このとき、開口孔１１は、Ｃタイプ永久磁石９の極と他の極との境界の間の磁気回路の距離は最大限に長くし、磁場の中心通路は短くして、永久磁石が外部コア１０−１に付着しても、磁場の分布が歪曲されずに理想的な正弦波形の磁場を形成する。

そして、開口孔１１のサイズを多様にすることができ、Ｃタイプ永久磁石９の磁気の特性やコアの設計によってそのサイズや形状を調整することができる。

したがって、図８に示すように、Ｃタイプ永久磁石９の磁場は、開口孔１１を回って中心部に向かってさらに多くの磁気通路を形成し、極と極との境界面には磁場が弱くなって、中心部の磁場が強くなる理想的な正弦波の磁場を形成する。すなわち、図９に示すように、理想的な正弦波形の磁場を形成させる場合、コギングトルクは従来の歪曲された回転子の磁場の状態より約３０％以上低減する。

一方、内部コア１０−２は非磁性体で形成されている。したがって、回転軸１５に伝達されるコギングトルク及び振動は約６０〜７０％低減する。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

９ 永久磁石
１０ コア
１０−１ 外部コア
１０−２ 内部コア
１１ 開口孔
１５ 回転子軸

Claims (6)

1. 電気モーター用回転子において、
   Ｃ字状に磁気力を提供する少なくとも一つ以上のＣタイプ永久磁石（９）と、
   円筒形であり、少なくとも一つ以上の前記Ｃタイプ永久磁石（９）が極を異ならせて結合され、極を異ならせて結合される前記Ｃタイプ永久磁石（９）の境界には開口孔（１１）がそれぞれ形成されたコア（１０）と、
   前記コア（１０）の中央に形成された回転子軸（１５）と、を備える永久磁石を用いた電気モーター用回転子。
2. 前記Ｃタイプ永久磁石（９）は、
   相異なる二つ以上の外径（Ｒａ＝Ｒｃ、Ｒｂ）及び遠心軸（６、６ａ）からなる外周面を有し、震源の遠心軸（６）と同じ内径（Ｒｉ）を有し、所定の長さ（Ｌ）及び幅（Ｗ）を有することを特徴とする請求項１に記載の永久磁石を用いた電気モーター用回転子。
3. 前記コア（１０）は、
   円筒形であり、外部に少なくとも一つ以上の前記Ｃタイプ永久磁石（９）が極を異ならせて結合され、極を異ならせて結合される前記Ｃタイプ永久磁石（９）の境界には開口孔（１１）がそれぞれ形成される外部コア（１０−１）と、
   円筒形であり、前記外部コア（１０−１）の内部に形成され、中央（５）には回転子軸（１５）が形成された内部コア（１０−２）と、を備えることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の永久磁石を用いた電気モーター用回転子。
4. 前記開口孔（１１）は、
   円形または楕円形に形成され、Ｃタイプ永久磁石（９）の磁気の特性及びモーターの磁気の設計によってサイズを調節することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の永久磁石を用いた電気モーター用回転子。
5. 前記内部コア（１０−２）は、
   ゴム、シリコーン材質または蜂の巣（ホニコム）状の吸音及び防塵構造に形成されることを特徴とする請求項３に記載の永久磁石を用いた電気モーター用回転子。
6. 前記Ｃタイプ永久磁石（９）は、
   表面磁束密度が１Ｋｇａｕｓｓ以上であるＮｄ（Ｎｅｏｄｙｍｉｕｍ）系またはＳｍＣｏ（Ｓａｍａｒｉｕｍ Ｃｏｂａｌｔ）系の磁石であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の永久磁石を用いた電気モーター用回転子。
   
   
   
   

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