JP2012239327A - 永久磁石型モータ - Google Patents

Abstract

【課題】１磁極当たりの永久磁石の磁束量を多くすることができる永久磁石型モータを提供する。
【解決手段】永久磁石型モータは、回転子コアの内部に永久磁石を配置して構成される回転子を備える。永久磁石は、回転子コアにあって固定子との間の空隙に臨む空隙面に沿うように形成されるＮ角形の各辺に対応する部分に１磁極当たり複数個ずつ配置され、かつそれら複数個が前記辺の延び方向に離間された状態で配置された平板状の第１の永久磁石と、回転子コアにあって第１の永久磁石の空隙面とは反対側に位置させてそれぞれの一端部が対応する第1の永久磁石の一端部に接触若しくは近接し、かつそれぞれの他端部が空隙面から遠ざかる方向に向くように配置された１磁極当たり複数個ずつの平板状の第２の永久磁石と、を備える。
【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は永久磁石型モータに関する。

回転子コアの内部に永久磁石を埋め込むように配置する埋め込み型の永久磁石型モータにおいては、回転子コア内に、平板状の複数個の永久磁石を多角形状となるように配置したり、各磁極の周方向の中央にて、固定子との間の空隙に対して遠ざかるように２個の平板状の永久磁石をＶ字状に配置したりしたものが提案されている。

特開平１１−２７９１３号公報

このような埋め込み型の永久磁石型モータにおいて、回転子の永久磁石から発生する磁束量は、概ね磁石の容易磁化方向（例えば磁石の厚さ方向）に垂直な断面積に比例する。前記磁石の容易磁化方向と平行する方向である磁石の厚さを厚くしても、磁束量を増やすことはできるが、磁石自身の磁気抵抗の増加および残留磁束密度の制限によって限界に達しやすい。従来技術の一つである回転子コア内に複数個の永久磁石を多角形状に配置する形態は、基本的な形態であるが、回転子コアの径寸法により磁石の断面積は制限される。これを改良したのが磁石をＶ字状配置したものであるが、これによっても１磁極当たりの磁石断面積は前者（多角形配置）の１．５倍程度に留まるのが一般的である。永久磁石として磁力が強いとされるネオジム磁石を使用できるような場合は、上記したような磁石配置によっても一定程度の磁束量を得られる場合もあるが、さらに、低回転時（低速時）に高トルクが要求される場合や、永久磁石としてネオジム磁石よりも磁力が弱いフェライト系磁石を使用する場合には、磁束量が不足する場合がある。

そこで、１磁極当たりの永久磁石の磁束量を多くすることができる永久磁石型モータを提供する。

本実施形態の永久磁石型モータは、固定子と、この固定子に対して空隙を介して回転可能に設けられ回転子コアの内部に永久磁石を配置して構成される回転子とを備え、前記回転子の磁極数をＮとする。前記永久磁石は、前記磁極数Ｎに対応して前記回転子コアにあって前記空隙に臨む空隙面に沿うように形成されるＮ角形の各辺に対応する部分に１磁極当たり複数個ずつ配置され、かつそれら複数個が前記辺の延び方向に離間された状態で配置された平板状の第１の永久磁石と、前記回転子コアにあって前記第１の永久磁石の前記空隙面とは反対側に位置させてそれぞれの一端部が対応する前記第1の永久磁石の一端部に接触若しくは近接し、かつそれぞれの他端部が前記空隙面から遠ざかる方向に向くように配置された１磁極当たり複数個ずつの平板状の第２の永久磁石と、を備える。前記回転子の１磁極において、前記第１の永久磁石における前記空隙面側の面の磁極と、対をなす前記第２の永久磁石にあって互いに対向する側の面の磁極とが同極となっている。

第１実施形態による永久磁石型モータの縦断面図 永久磁石型モータの横断面図 要部の拡大横断面図 磁力線の流れを示す要部の拡大横断面図 第２実施形態による図２相当図 図３相当図 図４相当図

以下、複数の実施形態による永久磁石型モータを図面に基づいて説明する。なお、各実施形態において実質的に同一の構成部位には同一の符号を付し、説明を省略する。
（第１実施形態）
まず、第１実施形態について図１〜図４を参照して説明する。図１および図２に示すように第１実施形態は、インナーロータ形の永久磁石型モータを示している。この永久磁石型モータは、モータの外殻となるモータケース１を備えている。モータケース１は、この場合、それぞれアルミニウム製の上ケース２と下ケース３を備えている。これら上ケース２と下ケース３との間に、固定子４の固定子コア５が挟まれた状態で固着されている。固定子コア５は、軟磁性体である珪素鋼板を打ち抜き多数枚積層して構成されたもので、円環状をなし、内周部に複数個、この場合１２個の突極部６（図２参照）を有している。各突極部６には、絶縁処理した後、この場合３相の固定子コイル７が巻装されている。固定子コイル７は、図示しないインバータ回路により通電制御される。

固定子コア５の内周部には回転子８が回転可能に配設されている。回転子８は、回転軸９と、この回転軸９の外周部に固着された円環状をなす回転子コア１０とを備えている。回転軸９は、前記上ケース２および下ケース３に軸受１１，１２を介して回転自在に支持されている。回転子コア１０は、固定子コア５と同様に、軟磁性体である珪素鋼板を打ち抜き多数枚積層して構成されたものである。この回転子コア１０の外周面と固定子コア５の内周面（各突極部６の先端部）との間には微少な空隙１３が形成されており、回転子８は、固定子４に対してその空隙１３を介して回転可能に設けられている。回転子コア１０の外周面は、固定子４との間の空隙１３に臨む空隙面１０ａとなる。

回転子８の磁極数Ｎは、この場合８極である。なお、Ｎは４以上の偶数である。回転子コア１０の内部には、図３にも示すように第１の磁石挿入口１５と第２の磁石挿入口１６とがそれぞれ複数個ずつ、この場合１６個ずつ形成されている。そして、第１の磁石挿入口１５には、第１の永久磁石１７が挿入して固着され、また、第２の磁石挿入口１６には、第２の永久磁石１８が挿入して固着されている。これら第１の永久磁石１７および第２の永久磁石１８は、ともにフェライト系磁石により形成されたもので、断面が扁平な矩形状をなし、回転子コア１０の軸方向（珪素鋼板の積層方向）に延びる平板状をなしている。

このうち、第１の磁石挿入口１５に挿入された第１の永久磁石１７は、磁極数８に対応して、回転子コア１０にあって空隙１３に臨む空隙面１０ａに沿うように形成される８角形の各辺に対応する部分に１磁極当たり複数個、この場合２個ずつ、合計１６個配置されている。この場合、１磁極内の２個の第１の永久磁石１７は、８角形の１辺を形成している。図３に示すように、１磁極内の２個の第１の永久磁石１７の隣り合った一端部１７ａ同士の間は、８角形の辺の延び方向（周方向）に離間している。これらの離間距離をＬ１とする。また、隣り合った磁極の隣り合った第１の永久磁石１７の他端部１７ｂ同士は近接した状態となっていて、隣り合った第１の磁石挿入口１５の端部には、それら他端部１７ｂ間に位置させて空間部１９が形成されている。

第２の磁石挿入口１６内に挿入された第２の永久磁石１８は、回転子コア１０にあって第１の永久磁石１７の空隙面１０ａとは反対側（回転軸９側）に位置させて、１磁極当たり２個ずつ、合計１６個配置されている。１磁極内の２個の第２の永久磁石１８は、それぞれの一端部１８ａが対応する第１の永久磁石１７の一端部１７ａに接触若しくは近接し、かつそれぞれの他端部１８ｂが前記空隙面１０ａから遠ざかる方向に向くように配置されている。第２の永久磁石１８は、対応する第１の永久磁石１７に対して、一端部１８ａが第１の永久磁石１７の一端部１７ａに接触若しくは近接し、他端部１８が空隙面１０ａから遠ざかる方向に屈曲するように配置されている。

この場合、１磁極内の２個の第２の永久磁石１８は、それぞれの一端部１８ａ同士は対応する第１の永久磁石１７に対応して、前記離間距離Ｌ１とほぼ同じ距離だけ周方向に離間し、かつそれぞれの他端部１８ｂ同士は接触若しくは近接した状態となっている。したがって、１磁極内の２個の第２の永久磁石１８は、対をなしていて、頂点が空隙面１０ａから遠ざかる形態のＶ字状に配置されている。

ここで、第１の永久磁石１７とこれに対応する第２の永久磁石１８とのなす角度α１は、９０度よりやや大きい角度となっている。また、Ｖ字状に配置された２個の第２の永久磁石１８のなす角度β１は、９０度より小さい角度となっている。

第１の永久磁石１７および第２の永久磁石１８は、ともに厚さ方向の表面側と裏面側とで異極となるように着磁されており、容易磁化方向は厚さ方向となっている。１磁極内において、２個の第１の永久磁石１７における空隙面１０ａ側の面の磁極と、対をなす２個の第２の永久磁石１８にあって互いに対向する側の面の磁極とが同極となるように、第１の永久磁石１７と第２の永久磁石１８は配置されている。したがって、図３に示すように１磁極内において、２個の第１の永久磁石１７における空隙面１０ａ側の面の磁極がＮ極の場合、対をなす２個の第２の永久磁石１８にあって互いに対向する側の面の磁極もＮ極となっている。なお、隣の磁極においては、当然ながら前記とは逆の着磁となっている。

図４には、上記構成において、第１の永久磁石１７および第２の永久磁石１８の磁力線の流れを模式的に示している。この場合、１磁極の第１の永久磁石１７から発せられる磁力線Ａ１は、例えば、当該第１の永久磁石１７の外周部側（空隙１３側）の回転子コア１０、空隙１３、固定子コア５のひとつの突極部６、隣の突極部６、空隙１３、隣の磁極の第１の永久磁石１７、当該第１の永久磁石１７の内周部側（空隙１３とは反対側）の回転子コア１０を通り、もとの第１の永久磁石１７に戻るように流れる。また、１磁極の第２の永久磁石１８から発せられる磁力線Ａ２は、例えば、対応する第１の永久磁石１７間の回転子コア１０、空隙１３、固定子コア５の一つの突極部６、隣の突極部６、空隙１３、隣の磁極の第１の永久磁石１７間の回転子コア１０、隣の磁極の第２の永久磁石１８、当該隣の磁極の第２の永久磁石１８ともとの第２の永久磁石１８との間の回転子コア１０を通り、もとの第２の永久磁石１８に戻るように流れる。

このとき、第２の永久磁石１８から発せられる磁力線Ａ２は、磁極の中央となる２個の第１の永久磁石１７間の回転子コア１０を概ね通過して空隙１３に達するようになるので、その分、１磁極における永久磁石（第１の永久磁石１７と第２の永久磁石１８）の磁束量を多くすることができる。この場合、１磁極内における２個の第１の永久磁石１７間の離間距離Ｌ１は、ここを通過する磁力線の磁気飽和に近い値に設定してある。また、第１の永久磁石１７から発せられる磁力線Ａ１および第２の永久磁石１８から発せられる磁力線Ａ２のほとんどは、対応する磁石を１回だけ通過し、隣接する磁石を複数回通過する磁力線はほとんどないようになっている。

上記した実施形態においては、上記した磁石配置（第１の永久磁石１７および第２の永久磁石１８の配置）とすることで、従来技術で挙げた永久磁石の多角形配置、およびＶ字状配置に対し、それらと同じ磁極数で比較すれば、１磁極当たりの永久磁石（第１の永久磁石１７および第２の永久磁石１８）の磁石断面積を増加させることができる。磁石断面積を増加させることで、発生磁束量を増加させることができ、最終的には固定子コイル７に対する鎖交磁束量を増加させることができる。

第１の永久磁石１７の一端部１７ａと第２の永久磁石１８の一端部１８ａとを接触若しくは近接させたことにより、これら第１の永久磁石１７と第２の永久磁石１８間を通過する短絡磁束を低減させることができ、固定子コイル７に対する鎖交磁束量を一層増加させる効果がある。また、第１の永久磁石１７の一端部１７ａと第２の永久磁石１８の一端部１８ａを境にして、平板状をなすこれら第１の永久磁石１７と第２の永久磁石１８をほぼ９０度（ほぼ直角）に屈曲させて配置することも、固定子コイル７に対する鎖交磁束量を一層増加させる効果がある。その理由は、第１の永久磁石１７と第２の永久磁石１８の屈曲部の両側を磁力線が通過するが、鋭角側（角度α１側）の角度が９０度よりも小さくなれば、同部分側での回転子コア１０の磁気回路において、第１の永久磁石１７および第２の永久磁石１８が発生する同磁極の磁場が対向するように働きやすくなり、それぞれの磁石１７，１８に逆磁界が作用して、鎖交磁束量を低下させてしまうからである。

２個の第２の永久磁石１８は、他端部１８ｂ同士を接触若しくは近接させ、Ｖ字状に配置したことで、対向する面から発せられる磁束を、対応する２個の第１の永久磁石１７間に効果的に集めることができ、固定子コイル７に対する鎖交磁束量を一層増加させることが可能となる。

（第２実施形態）
次に第２実施形態について図５〜図７を参照して説明する。この第２実施形態では、第１実施形態とは、永久磁石の配置と個数が異なっている。この場合も、回転子８の磁極数Ｎは８極である。回転子コア１０の内部には、第１の磁石挿入口２０と第２の磁石挿入口２１がこの場合１６個ずつ形成されているとともに、第３の磁石挿入口２２が８個形成されている。そして、第１の磁石挿入口２０には第１の永久磁石２３が挿入され、第２の磁石挿入口２１には第２の永久磁石２４が挿入され、第３の磁石挿入口２２には第３の永久磁石２５が挿入されている。第１の永久磁石２３、第２の永久磁石２４、および第３の永久磁石２５も、フェライト系磁石により形成されたもので、断面が扁平な矩形状をなし、回転子コア１０の軸方向（珪素鋼板の積層方向）に延びる平板状をなしている。

このうち、第１の磁石挿入口２０に挿入された第１の永久磁石２３は、磁極数８に対応して、回転子コア１０にあって空隙１３に臨む空隙面１０ａに沿うように形成される８角形の各辺に対応する部分に１磁極当たり複数個、この場合も２個ずつ、合計１６個配置されている。この場合も、１磁極内の２個の第１の永久磁石２３は、８角形の１辺を形成している。図６に示すように、１磁極内の２個の第１の永久磁石２３の隣り合った一端部２３ａ同士の間は、８角形の辺の延び方向（周方向）に離間している。これらの間の離間距離Ｌ２は、第１実施形態の離間距離Ｌ１より大きく設定している（Ｌ２＞Ｌ１）。また、隣り合った磁極の隣り合った第１の永久磁石２３の他端部２３ｂ同士は近接した状態となっていて、隣り合った第１の磁石挿入口２０の端部にも、それら他端部２３ｂ間に位置させて空間部１９が形成されている。

第２の磁石挿入口２１内に挿入された第２の永久磁石２４は、回転子コア１０にあって第１の永久磁石２３の空隙面１０ａとは反対側（回転軸９側）に位置させて、１磁極当たり２個ずつ、合計１６個配置されている。１磁極内の２個の第２の永久磁石２４は、それぞれの一端部２４ａが対応する第１の永久磁石２３の一端部２３ａに接触若しくは近接し、かつそれぞれの他端部２４ｂが前記空隙面１０ａから遠ざかる方向に向くように配置されている。第２の永久磁石２４は、対応する第１の永久磁石２３に対して、一端部２４ａが第１の永久磁石２３の一端部２３ａに接触若しくは近接し、他端部２４ｂが空隙面１０ａから遠ざかる方向に屈曲するように配置されている。

この場合、１磁極内の２個の第２の永久磁石２４は、それぞれの一端部２４ａ同士は対応する第１の永久磁石１７に対応して、前記離間距離Ｌ２とほぼ同じ距離だけ周方向に離間し、かつそれぞれの他端部２４ｂ同士は、前記離間距離Ｌ２よりもさらに大きく離間している。その離間距離をＬ３とする（Ｌ３＞Ｌ２）。したがって、１磁極内の２個の第２の永久磁石２４は、対をなしていて、空隙面１０ａ側の離間距離Ｌ２よりも空隙面１０ａから遠ざかった側の離間距離Ｌ３が大きくなるハ字状に配置されている。第１の永久磁石２３とこれに対応する第２の永久磁石２４とのなす角度α２は、９０度よりやや小さい角度となっている。

そして、第３の磁石挿入口２２内に挿入された第３の永久磁石２５は、回転子コア１０にあって空隙面１０ａとは反対側（回転軸９側）で、かつ対応する２個の第２の永久磁石２４の他端部２４ｂ付近に位置させて、両端部２５ａが前記第２の永久磁石２４の他端部２４ｂに接触若しくは近接する状態で配置されている。第３の永久磁石２５は、対応する２個の第１の永久磁石２３と平行に配置されている。第３の磁石挿入口２２の両端部付近には空間部２６が形成されている。

１磁極内において、２個の第１の永久磁石２３における空隙面１０ａ側の面の磁極と、対をなす２個の第２の永久磁石２４にあって互いに対向する側の面の磁極と、第３の永久磁石２５における空隙面１０ａ側の面の磁極が同極となるように、第１の永久磁石２３と第２の永久磁石２４と第３の永久磁石２５は配置されている。したがって、図６に示すように１磁極内において、２個の第１の永久磁石２３における空隙面１０ａ側の面の磁極がＮ極の場合、対をなす２個の第２の永久磁石２４にあって互いに対向する側の面の磁極もＮ極、そして、第３の永久磁石２５における空隙面１０ａ側の面の磁極もＮ極となっている。なお、隣の磁極においては、当然ながら前記とは逆の着磁となっている。

図７には、上記構成において、第１の永久磁石２３、第２の永久磁石２４、および第３の永久磁石２５の磁力線の流れを模式的に示している。この場合、１磁極において、第１の永久磁石２３から発せられる磁力線Ａ１、および第２の永久磁石２４から発せられる磁力線Ａ２は、第１実施形態の場合とほぼ同様に流れる。第３の永久磁石２５から発せられる磁力線Ａ３は、例えば、対応する２個の第２の永久磁石２４間、および２個の第１の永久磁石２３間の回転子コア１０、空隙１３、固定子コア５の一つの突極部６、隣の突極部６、空隙１３、隣の磁極の第１の永久磁石２３間および隣の磁極の第２の永久磁石２４間の回転子コア１０、隣の磁極の第３の永久磁石２５、回転軸９側の回転子コア１０を通り、もとの第３の永久磁石２５に戻るように流れる。

このとき、第３の永久磁石１８から発せられる磁力線Ａ３も、磁極の中央となる２個の第１の永久磁石２３間の回転子コア１０を概ね通過して空隙１３に達するようになるので、その分、１磁極における永久磁石（第１の永久磁石２３と第２の永久磁石２４と第３の永久磁石２５）の磁束量を多くすることができる。この場合、１磁極内における２個の第１の永久磁石２３間の離間距離Ｌ２は、ここを通過する磁力線の磁気飽和に近い値に設定してある。また、第１の永久磁石２３から発せられる磁力線Ａ１、第２の永久磁石２４から発せられる磁力線Ａ２、および第３の永久磁石２５から発せられる磁力線Ａ３のほとんどは、対応する磁石を１回だけ通過し、隣接する磁石を複数回通過する磁力線はほとんどないようになっている。

このような第２実施形態によれば、特に第１実施形態に対し、第３の永久磁石２５を追加したことにより、磁石断面積を一層増加させることができ、１磁極当たりの永久磁石の磁束量を一層多くすることができ、固定子コイル７に対する鎖交磁束量を一層増加させることができる。

（その他の実施形態）
回転子８の磁極数Ｎは、８極に限られず、４以上の偶数であればよい。
第１実施形態において、第１の永久磁石１７は、１磁極当たり２個に限られず、例えば１磁極当たり３個配置してもよい。この場合、第２の永久磁石１８は、中央の第１の永久磁石１７の両端部に２個ずつＶ字状に配置し、合計４個配置する。

インナーロータ形のモータに限られず、アウターロータ形のモータにも適用できる。
第１の永久磁石１７，２３、第２の永久磁石１８，２４、第３の永久磁石２５は、フェライト系磁石に限られず、例えばネオジム磁石を用いるようにしてもよい。

以上説明したように本実施形態の永久磁石型モータによれば、回転子コア内に、１磁極当たり複数個の平板状の第１の永久磁石と、複数個の平板状の第２の永久磁石を配置した。これにより、１磁極当たりの磁石断面積を増加させることができて、発生磁束量を増加させることができ、最終的には固定子に対する鎖交磁束量を増加させることができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

図面中、４は固定子、７は固定子コイル、８は回転子、９は回転軸、１０は回転子コア、１０ａは空隙面、１３は空隙、１７は第１の永久磁石、１７ａは一端部、１７ｂは他端部、１８は第２の永久磁石、１８ａは一端部、１８ｂは他端部、２３は第１の永久磁石、２３ａは一端部、２３ｂは他端部、２４は第２の永久磁石、２４ａは一端部、２４ｂは他端部、２５は第３の永久磁石、２５ａは端部を示す。

Claims (6)

1. 固定子と、この固定子に対して空隙を介して回転可能に設けられ回転子コアの内部に永久磁石を配置して構成される回転子とを備え、前記回転子の磁極数をＮとする永久磁石型モータにおいて、
   前記永久磁石は、
   前記磁極数Ｎに対応して前記回転子コアにあって前記空隙に臨む空隙面に沿うように形成されるＮ角形の各辺に対応する部分に１磁極当たり複数個ずつ配置され、かつそれら複数個が前記辺の延び方向に離間された状態で配置された平板状の第１の永久磁石と、
   前記回転子コアにあって前記第１の永久磁石の前記空隙面とは反対側に位置させてそれぞれの一端部が対応する前記第1の永久磁石の一端部に接触若しくは近接し、かつそれぞれの他端部が前記空隙面から遠ざかる方向に向くように配置された１磁極当たり複数個ずつの平板状の第２の永久磁石とを備え、
   前記回転子の１磁極において、前記第１の永久磁石における前記空隙面側の面の磁極と、対をなす前記第２の永久磁石にあって互いに対向する側の面の磁極とが同極となっていることを特徴とする永久磁石型モータ。
2. 前記第２の永久磁石が発生する磁力線は、対応する前記第１の永久磁石間の回転子コアを概ね通過することを特徴とする請求項１記載の永久磁石型モータ。
3. 前記第２の永久磁石は、前記空隙面から遠い側の他端部同士が接触若しくは近接していて、２個がＶ字状に配置されていることを特徴とする請求項１または２記載の永久磁石型モータ。
4. 前記第２の永久磁石は前記空隙面から遠い側の他端部同士が離間し、これら第２の永久磁石の他端部付近に位置させて、両端部が前記第２の永久磁石の他端部に接触若しくは近接する状態で平板状の第３の永久磁石が配置されていて、
   前記第３の永久磁石における前記空隙面側の面の磁極が、前記第１の永久磁石における前記空隙面側の面の磁極と同極となっていることを特徴とする請求項１または２記載の永久磁石型モータ。
5. 前記第１の永久磁石および前記第２の永久磁石はともにフェライト系磁石であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の永久磁石型モータ。
6. 前記第３の永久磁石はフェライト系磁石であることを特徴とする請求項４記載の永久磁石型モータ。

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