JP2013046421A - 永久磁石埋設型電動モータ - Google Patents

Abstract

【課題】ロータにおける磁束漏れの低減と製造コストの低減を図りつつ、機械的特性を高める。
【解決手段】ロータ２と、ステータとを備えた永久磁石埋設型電動モータにおいて、ロータ２を構成するロータコア４は、支持部Ｙを挟んで外縁４Ａに向けて広がる一対の磁石挿入孔６Ａと、一対の磁石挿入孔６Ａのｑ軸側端部に、ロータコア４の外縁４Ａに連通される一対の切欠き孔７Ａとを複数対穿設した鋼板を、積層することにより形成される。
また、磁石挿入孔６Ａに永久磁石８が挿入された状態において、磁石挿入孔６Ａのｄ軸側端部には空隙部９が存在するように構成される。従って、空隙部９の形成により、一対の永久磁石８間における支持部Ｙでの磁束漏れが低減されるため、永久磁石を大きくする必要が無く、コスト低減を図ることができる。
【選択図】図２

Description

本願発明は、ロータに永久磁石を埋設した永久磁石埋設型電動モータに関する。

特許文献１には、強度を確保しつつ、磁気特性を向上させることができる永久磁石埋込式回転電機の提供を目的とする発明が開示されている。特許文献１に開示された回転子では、回転子の外側に向かって広がるように配置された２つの永久磁石を一極分として、回転子の内部に複数極分が埋め込まれている。また、永久磁石を埋め込む回転子は、構成の異なる２種類の積層鋼板を交互に積層することにより構成されている。

即ち、第１積層鋼板は、２つの永久磁石を保持する２つの第１保持穴部と、２つの第１保持穴部の間に配置した２つの第１空洞部と、２つの永久磁石に隣接する他の２つの永久磁石との間に配置した２つの第２空洞部とを一極分として、複数極分形成した構成である。第２積層鋼板は、２つの永久磁石を保持する２つの第２保持穴部と、２つの第２保持穴部の間に配置した２つの第３空洞部と、第１積層鋼板の第２空洞部と重なるように配置されるとともに回転子の外縁まで通じる２つの切欠部とを一極分として複数極分形成した構成である。回転子の鉄心は、第１積層鋼板と第２積層鋼板とを交互に積層することにより構成されている。

特許文献２には、永久磁石の磁束漏れによる出力低下を防止することを目的とする発明が開示されている。特許文献２の実施例９〜１０に開示された回転子では、特許文献１でいうところの第２積層鋼板において第３空洞部まで永久磁石を充填させたものを積層することにより構成されている。

特開２０１１−４４８０号公報 特開２００４−１０４９６２号公報

特許文献１は、第１積層鋼板において、強度を確保するために、第２空洞部と回転子外縁との間に外縁支持部を設けている。また、第１空洞部同士の間に中央支持部を設けている。回転中、図７に示すように、回転子を構成する第１積層鋼板５０の第１保持穴部５１に挟まれた領域には遠心力ＣＦが作用し、外縁支持部５２にはせん断応力ＳＳが作用し、中央支持部５３には引張応力ＴＳが作用する。鉄系材料はせん断応力に弱く、外縁支持部５２は中央支持部５３に比べ破断しやすい。また、外縁支持部５２には曲げモーメントＢＭも作用し、その意味でも中央支持部５３に比べ破断しやすい。回転中に外縁支持部５２が破断すると、第１積層鋼板５０の破片がモータの内部で高速にかき回され、故障につながりうる。つまり、機械的性能向上のために回転子に設けられていた外縁支持部５２は、機械的性能を低下させうるものである。しかし、外縁支持部５２の破断を防ぐために肉厚化すると、回転子は大型かつ高コストとなってしまう。

また、特許文献１に開示された回転子は構成の異なる第１積層鋼板と第２積層鋼板とを交互に積層する構成であるため、加工工程が複雑になるとともに第１積層鋼板の構成上の問題から大型化せざるを得ず、コスト高になるという問題がある。

特許文献２は、特許文献１でいうところの第３空洞部が存在しないために、中央支持部での磁束漏れが大きい。結果として、同じ大きさの第１保持穴部に第３空洞部を加えたものに比べ、永久磁石の単位面積あたりの出力は低下してしまう。近年、自動車分野等では、永久磁石に高価なネオジム磁石等がよく採用されており、永久磁石の単位面積あたりの出力の低下はコスト的に問題視されるものである。

本願発明は、ロータにおける磁束漏れの低減と製造コストの低減を図りつつ、機械的特性を高めることを目的とする。

請求項１は、ロータコアの外縁に向けて広がるようにかつ同極が向かい合うように配置された２枚の板状の永久磁石を一対として前記ロータコアの磁石挿入孔に複数対埋設されたロータと、コイルを巻線されたステータとを備えた永久磁石埋設型電動モータにおいて、前記ロータコアは、外縁に向けて広がるように穿設された一対の磁石挿入孔を複数対有し、全ての前記磁石挿入孔のｑ軸側端部と外縁が切欠き孔によって連通された鋼板のみを積層することにより形成し、前記磁石挿入孔に前記永久磁石が挿入された状態において、前記磁石挿入孔のｄ軸側端部には空隙部が存在することを特徴とする。

請求項１によれば、全ての積層鋼板において、磁石挿入孔と外縁との間には切り欠き孔が設けられているので、回転中に積層鋼板の一部が破断する事がない。また、磁石挿入孔のｄ軸側端部には空隙部が設けられており、磁束漏れが抑えられ、空隙部まで永久磁石を充填した構造に比べて永久磁石の単位面積あたりの出力が増加する。

請求項２は、前記一対の切欠き孔は、前記磁石挿入孔からｄ軸側へと屈曲して延長され、前記鋼板の外縁に連通されることを特徴とする。請求項２によれば、一対の永久磁石と鋼板の外縁との間のコア領域を小さくでき、ロータの回転時に、一対の前記空隙部で挟まれた支持部にかかる応力を小さくすることができる。

請求項３は、前記空隙部に樹脂を充填したことを特徴とする。請求項３によれば、樹脂の充填により空隙を形成した場合と同じ磁束漏れの低減効果が得られるとともに磁石挿入孔に埋設した永久磁石の固定化機能を得ることができる。

本願発明は、ロータにおける磁束漏れを低減するとともに製造コストを低減することができる。

第１の実施形態を示す電動モータのロータ及びステータの側面図である。 ロータの部分拡大図である。 ロータコアを形成する鋼板の部分拡大図である。 ロータコアの積層構造を示す部分拡大図である。 第２の実施形態を示すロータの部分拡大図である。 第３の実施形態を示すロータの部分拡大図である。 従来のロータコアを説明する部分断面図である。

（第１の実施形態）
第１の実施形態は、車両に搭載される永久磁石埋設型電動モータに本願発明を実施した例を示すもので、図１〜図４に基づき説明する。図１において、永久磁石埋設型電動モータ１は、ロータ２とロータ２の外周に配置されるステータ３を備えている。ロータ２を構成するロータコア４は磁性体からなる鋼板を複数積層する（図４参照）ことにより構成されている。また、ロータコア４の中心に形成した軸孔５には、回転軸（図示せず）が挿入され、圧入や接着等の適宜手段により固定される。ステータ３には、コイル３Ａが巻線されている。

ロータコア４を形成する鋼板には、図３に示すように、２つの磁石挿入孔６Ａが配置され、鋼板の外縁４Ａに向けてＶ字状に広がるように穿設されている。Ｖ字状に配置した２つの磁石挿入孔６Ａにおいて、後述するｑ軸側端部となる外縁４Ａ側の位置には、磁石挿入孔６Ａのそれぞれから後述するｄ軸側に屈曲する形で延長され、鋼板の外縁４Ａに連通される２つの切欠き孔７Ａが穿設されている。

２つの磁石挿入孔６Ａ及び２つの切欠き孔７Ａは一対として設けられ、一対の磁石挿入孔６Ａ及び切欠き孔７Ａと同じものが鋼板に８対均等に分布されるように配設されている（図１参照）。図１では、各対の磁石挿入孔を６Ａ〜６Ｈ、切欠き孔を７Ａ〜７Ｈで示している。従って、ロータコア４は、８対の磁石挿入孔６Ａ〜６Ｈ及び切欠き孔７Ａ〜７Ｈが穿設された同一構造の鋼板を複数枚積層する（図４参照）ことにより構成されている。

各対の磁石挿入孔６Ａ〜６Ｈには、それぞれネオジム磁石等の希土類磁石で構成される平板状の永久磁石８がそれぞれの対において同極が向かい合うように挿入され、埋設されている。一対の磁石挿入孔６Ａに埋設された２枚の永久磁石８は一対で１極分を構成し、ロータコア４には８対の永久磁石８が埋設され、８極分が形成されている。なお、永久磁石８は、希土類磁石に限らず、合金磁石やフェライト磁石等の他の磁石を用いても良い。また、永久磁石８は、回転軸方向断面において湾曲した断面をもつ板形状でもよい。このような磁石埋設型電動モータでは、図１〜３に示すようにｄ軸とｑ軸が設定される。

同極の永久磁石８をＶ字状に配置する構成は、一対の磁石挿入孔６Ａ及び切欠き孔７Ａと鋼板の外縁４Ａとの間のコア領域Ｘを大きくすることができ、磁石トルクを増加する利点がある。また、一対の磁石挿入孔６Ａを延長して一対の切欠き孔７Ａを形成する構成は、一対の永久磁石８と、隣接する磁極の異なる永久磁石８との間における磁束漏れを抑制する利点がある。また、一対の切欠き孔７Ａが一対の磁石挿入孔６Ａからｄ軸側に屈曲して鋼板の外縁４Ａに連通する構成は、一対の切欠き孔７Ａが一対の磁石挿入孔６Ａの直線的な延長線上に形成される構成に比して、コア領域Ｘの面積を可能な限り小さくすることができる。このため、コア領域Ｘの遠心力を小さくし、後述する支持部Ｙへかかる応力をより小さくすることができる。

一方、切欠き孔７Ａ（他の対の切欠き孔７Ｂ〜７Ｈにおいても同様）の形成により分断されたコア領域Ｘは、一対の磁石挿入孔６Ａ（他の対の磁石挿入孔６Ｂ〜６Ｈにおいても同様）の間に存在するコア領域である支持部Ｙによって支えられる。従って、ロータ２が回転する時、コア領域Ｘにかかる遠心力に伴う荷重により支持部Ｙに応力集中が生じる。このため、支持部Ｙは、ロータ２の回転方向に、応力集中に対応可能な一定幅の領域を有するように形成されている。

支持部Ｙの幅が大きくなると、一対の永久磁石８の間において磁束の短絡が生じ易くなり、磁束漏れが増大する。そこで、本実施形態では、一対の磁石挿入孔６Ａの幅Ｌ１を一対の永久磁石８の幅Ｌ２よりも相対的に長く設定し、一対の磁石挿入孔６Ａに埋設された一対の永久磁石８と支持部Ｙとの間に空隙部９が形成されるように構成している。つまり、空隙部９は磁石挿入孔６Ａのｄ軸側端部に存在するように構成される。空隙部９は一対の永久磁石８間における磁束の短絡を抑制し、磁束漏れを低減することができる。従って、磁束漏れの低減により永久磁石８の単位断面積あたりの出力が高まるため、永久磁石８の体積を低減しても永久磁石埋設型電動モータ１の効率の良い運転が可能である。なお、一対の磁石挿入孔６Ａ及び一対の永久磁石８の幅Ｌ１、Ｌ２とは、本願明細書では、鋼板の外縁４Ａに向けてＶ字状に延びる方向を指すものとする。空隙部９は、他の対を成す磁石挿入孔６Ｂ〜６Ｈにおいても、一対の磁石挿入孔６Ａの場合と同一の方法により形成されている。

（第２の実施形態）
図５に示す第２の実施形態は、第１の実施形態における空隙部９の構成を変更したもので、第１の実施形態と同一の構成については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。第２の実施形態における空隙部１０の形状は、第１の実施形態と同様に、磁石挿入孔６Ａを延長した形態であるが、空隙部１０には樹脂１１が充填されている。樹脂１１は、一対の永久磁石８間における磁束の短絡を抑制し、磁束漏れを低減することができるとともに永久磁石８を磁石挿入孔６Ａに固定する機能を得ることができる。

（第３の実施形態）
図６に示す第３の実施形態は、第１の実施形態における空隙部９の形状を変更したもので、第１の実施形態と同一の構成については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。第３の実施形態における空隙部１２は、その厚みを磁石挿入孔６Ａの厚みよりも小さくしたものである。なお、磁石挿入孔６Ａ及び空隙部１２の厚みとは、本願明細書では、鋼板の厚み方向（図６に示した面）から見て、磁石挿入孔６Ａの幅Ｌ１と直角な方向の長さを指すものとする。

第３の実施形態では、空隙部１２の断面積が第１の実施形態における空隙部９の断面積に比して若干小さくなるが、ロータにおける磁束漏れと製造コストの低減効果を十分に得ることができる。また、空隙部１２側における永久磁石８の端面を鋼板の一部と接触させることができるので、永久磁石８の位置決め効果を得ることができる。

なお、図６に示した空隙部１２は、磁石挿入孔６Ａに対して鋼板のコア領域Ｘ側に位置するように設けているが、コア領域Ｘと反対側に位置するように設けても良い。また、空隙部１２の壁面の一部が曲面により形成されているが、壁面の全てを直線的に形成することが可能である。

１ 永久磁石埋設型電動モータ
２ ロータ
３ ステータ
４ ロータコア
４Ａ 外周面
６Ａ〜６Ｈ 磁石挿入孔
７Ａ〜７Ｈ 切欠き孔
８ 永久磁石
９、１０、１２ 空隙部
１１ 樹脂
Ｌ１ 磁石挿入孔の幅
Ｌ２ 永久磁石の幅
Ｘ コア領域
Ｙ 支持部

Claims (3)

1. ロータコアの外縁に向けて広がるようにかつ同極が向かい合うように配置された２枚の板状の永久磁石を一対として前記ロータコアの磁石挿入孔に複数対埋設されたロータと、コイルを巻線されたステータとを備えた永久磁石埋設型電動モータにおいて、
   前記ロータコアは、外縁に向けて広がるように穿設された一対の磁石挿入孔を複数対有し、全ての前記磁石挿入孔のｑ軸側端部と外縁が切欠き孔によって連通された鋼板のみを積層することにより形成し、前記磁石挿入孔に前記永久磁石が挿入された状態において、前記磁石挿入孔のｄ軸側端部には空隙部が存在することを特徴とする永久磁石埋設型電動モータ。
2. 前記一対の切欠き孔は、前記磁石挿入孔からｄ軸側へと屈曲して延長され、前記鋼板の外縁に連通されることを特徴とする請求項１に記載の永久磁石埋設型電動モータ。
3. 前記空隙部に樹脂を充填したことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の永久磁石埋設型電動モータ。

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