JP2013198254A - 回転子および回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】低コストでありながらも所望する磁力特性が得られる回転子および回転電機を提供する。
【解決手段】回転子は、複数の磁石埋設溝が放射状に配列された筒状の回転子コアと、磁石埋設溝内に、径方向に積層状態に並置されたフェライト磁石およびサマリウム系磁石とを有する。磁石埋設溝は、回転子コアの径方向に区画され、かつ周方向に沿った幅が異なる第１の領域と第２の領域とを有し、相対的に広幅である第１の領域にフェライト磁石を配置し、相対的に狭幅の第２の領域にサマリウム系磁石を配置した。
【選択図】図１

Description

開示の実施形態は、回転子および回転電機に関する。

従来、回転電機に用いられる回転子の１つとして、回転子コアの外周に磁極面が形成されるように、回転子コア内に永久磁石を配置した、いわゆる永久磁石埋込型の回転子がある。

かかる永久磁石埋込型回転子においては、所望する磁力特性が得られるように、永久磁石として、通常、磁力の大きい希土類焼結磁石を用いている。また、磁力特性をより向上させるために、かかる希土類焼結磁石と希土類ボンド磁石とを組み合わせて配置した回転子も知られている（例えば、特許文献１を参照）。

特開２００９−１１２１２１号公報

しかしながら、上記特許文献１を含む従来の回転子は、使用する磁石としては、焼結磁石であってもボンド磁石であっても、極めて高価なＮｄ（ネオジム）を用いた希土類磁石であることには変わりがない。しかも、Ｎｄ（ネオジム）を用いた希土類磁石は、温度特性を保つために、より高価なＤｙ（ジスプロシウム）を必要とするため、コスト低減を図ることが難しい状況にある。

実施形態の一態様は、上記に鑑みてなされたものであって、低コストでありながらも所望する磁力特性が得られる回転子および回転電機を提供することを目的とする。

実施形態の一態様に係る回転子は、複数の磁石埋設溝が放射状に配列された筒状の回転子コアと、前記磁石埋設溝内に、径方向に積層状態に並置されたフェライト磁石およびサマリウム系磁石とを有する。

実施形態の一態様によれば、安価なフェライト磁石を用いながらも、所望する磁力特性が得られる回転子および回転電機を提供することが可能となる。

図１は、第１の実施形態に係るモータ（回転電機）の概略構成を示す説明図である。 図２は、第１の実施形態に係る回転子の説明図である。 図３は、回転子コアに設けられた磁石埋設溝の説明図である。 図４は、同第１の実施形態の変形例１に係るモータ（回転電機）の説明図である。 図５は、同第１の実施形態の変形例２に係るモータ（回転電機）の説明図である。 図６は、第２の実施形態に係るモータ（回転電機）の説明図である。 図７は、同第２の実施形態の変形例１に係るモータ（回転電機）の説明図である。 図８は、同第２の実施形態の変形例２に係るモータ（回転電機）の説明図である。

以下、添付図面を参照して、本願の開示する回転子、および同回転子を備える回転電機としてのモータの実施形態を詳細に説明する。ただし、以下の実施形態における例示で本発明が限定されるものではない。

（第１の実施形態）
図１は第１の実施形態に係る回転電機としてのモータ１の概略構成を示す説明図、図２は、同モータ１が備える回転子１０の説明図、図３は、回転子コア１１に設けられた磁石埋設溝２の説明図である。なお、図１および図３では、全体の１／２を平面断面視により模式的に示している。

本実施形態に係るモータ１は、図１に示すように、円筒状の回転子１０と、回転子１０の外周面と所定の空隙を介して対向配置される円筒状の固定子２０とを備えている。

固定子２０は、略円筒状に形成されたフレーム（不図示）に、複数の電磁鋼板が積層された積層コアからなる固定子コア２１０が焼き嵌めされており、固定子コア２１０にはコイル２２０が巻回され、そのコイルエンドが樹脂によりモールドされている。固定子コア２１０の内周側には、径方向中心側へ突出した複数のティース２３０が周方向に沿って形成されており、かかるティース２３０間に形成されるスロット２４０内にコイル２２０が収められる。

回転子１０は、図２に示すように、複数の磁石埋設溝２が放射状に配列された筒状の回転子コア１１と、この回転子コア１１に嵌挿される回転支軸３０（図１を参照）と、磁石埋設溝２内に配置された永久磁石とを有する。回転子コア１１は、円環状に形成された複数の電磁鋼板１１０が積層された積層コアにより形成されており、磁石埋設溝２が、周方向に一定間隔をあけて形成されている。

通常、モータ１の回転子１０としては、極めて高価ではあるが高い磁気性能を有するネオジム（Ｎｄ）磁石が用いられており、性能的に劣るフェライト磁石３は安価ではあっても使用されることは殆どない。しかし、本実施形態では、あえてフェライト磁石３を用いながらも、所望する磁気性能を発揮し、かつコスト的に有利なモータ１（回転電機）を実現している。

具体的には、フェライト磁石３を単独で用いるのではなく、このフェライト磁石３と、希土類磁石の中の一つであるサマリウム系磁石とを組み合わせ、所定の形態で回転子１０に配置している。

第１の実施形態では、サマリウム系磁石として、ネオジム磁石よりも安価ではあるが、略同等な磁気性能を有するサマリウム鉄窒素磁石（Ｓｍ−Ｆｅ−Ｎ磁石）４を用いている。そして、かかるフェライト磁石３とサマリウム鉄窒素磁石４とを、磁石埋設溝２内の径方向に密着した状態で並置した構成としている。

フェライト磁石３およびサマリウム鉄窒素磁石４は、図２に示すように、回転子コア１１の軸方向に延在する棒状に形成されている。サマリウム鉄窒素磁石４は、ゴムやプラスチックなどの樹脂をバインダとする柔軟性のあるボンド磁石である。他方、フェライト磁石３は、粉末焼結で成形した焼結磁石としている。しかし、フェライト磁石３は、サマリウム鉄窒素磁石４と同様にボンド磁石であってもよい。

磁石埋設溝２は、図３に示すように、回転子コア１１の径方向に区画された第１の領域２１と第２の領域２２とを有する。これら第１の領域２１と第２の領域２２とは、いずれも、周方向に沿った幅が略等しい矩形形状であり、磁石埋設溝２の全体形状は径方向を長辺とする略矩形形状となっている。

本実施形態では、回転子コア１１の外周側に位置する第１の領域２１にフェライト磁石３を配置し、回転子コア１１の内周側に位置する第２の領域２２に比較的高性能のサマリウム鉄窒素磁石４を配置している。

フェライト磁石３とサマリウム鉄窒素磁石４とを比較すると、コスト的には、フェライト磁石３が極めて安価であるのに対し、サマリウム鉄窒素磁石４は相対的に高価である。他方、性能的には、性能を表す指標の一つである最大エネルギー積で示せば、フェライト磁石３が４〜５メガ・ガウス・エルステッド[GOe]であるのに対し、サマリウム鉄窒素磁石４は、１２〜１４メガ・ガウス・エルステッド[GOe]である。

なお、永久磁石を回転子１０に設けるにあたり、永久磁石の寸法的要素とモータ特性との関係は、回転子コア１１における径方向となる永久磁石の長さがモータ特性に強く関係することが知られている。

そこで、フェライト磁石３とサマリウム鉄窒素磁石４の各性能と対費用効果とを勘案して、フェライト磁石３とサマリウム鉄窒素磁石４との各回転子コア１１における径方向の長さを決定し、所望する許容範囲内のモータ特性を得られるようしている。

本実施形態に係る回転子１０は、図示するように、比較的高性能のサマリウム鉄窒素磁石４の寸法（回転子コア１１における径方向の長さ寸法）をフェライト磁石３の略１／２程度にしている。かかる寸法比としても、所望するモータ特性を得ることができる。

この場合、当然ながら磁石の全体的な大きさ、すなわち磁石使用量は、高価なサマリウム鉄窒素磁石４の方がフェライト磁石３よりも著しく小さくなる。したがって、コスト上昇を可及的に抑えることができる。

また、本実施形態に係る回転子１０は、サマリウム鉄窒素磁石４を、回転子コア１１の内周側に形成した第２の領域２２に配置している。

すなわち、サマリウム鉄窒素磁石４は、磁気特性が高く、磁力も極めて高いため、磁性体付近でのハンドリングに注意する必要がある。その点、サマリウム鉄窒素磁石４はボンド磁石であるため、例えば、回転子コア１１に形成された磁石埋設溝２を型として用いることが可能である。つまり、第２の領域２２内にサマリウム鉄窒素を主成分とする磁石粉末とバインダ用樹脂とを混合した材料を注型してサマリウム鉄窒素磁石４を射出成形することができるのである。

（変形例１）
図４は、変形例１に係るモータ（回転電機）１の説明図である。図示するように、ここでは、回転子コア１１の外周側に位置した第１の領域２１にサマリウム鉄窒素磁石４を配置し、回転子コア１１の内周側に位置した第２の領域２２にフェライト磁石３を配置している。この変形例１に係る回転子１０を用いても、所望するモータ特性を得ることができる。

また、ここでも、回転子コア１１における径方向の長さ寸法としては、磁気特性の低いフェライト磁石３を長くしている。すなわち、回転子コア１１の内周側に位置した第２の領域２２に、長辺が相対的に長いフェライト磁石３を配置している。

このように、図１および図４とからも分かるように、フェライト磁石３およびサマリウム鉄窒素磁石４の磁石埋設溝２内における径方向の配設位置は、いずれが内周側であっても外周側であっても構わない。

なお、本変形例では、ハンドリングが難しいサマリウム鉄窒素磁石４を、回転子コア１１の外周側に形成した第１の領域２１に配置している。したがって、サマリウム鉄窒素磁石４を棒状に形成した後であっても、回転子コア１１への装着に大きな困難性はない。

ところで、上述してきた実施形態では、フェライト磁石３と組み合わせるサマリウム系磁石として、サマリウム鉄窒素磁石４を用いている。したがって、磁石埋設溝２の第１の領域２１と第２の領域２２とは、図１〜図４に示すように、いずれも、周方向に沿った幅が略等しい矩形形状とすることができ、磁石埋設溝２の形成を容易に行える。

（変形例２）
図５は、変形例２に係るモータ（回転電機）１の説明図である。図示するように、ここでは、磁石埋設溝２を略扇形に形成し、回転子コア１１の外周側に位置した相対的に広幅の第１の領域２１にフェライト磁石３を配置し、回転子コア１１の内周側に位置した相対的に狭幅の第２の領域２２にサマリウム系磁石を配置している。

すなわち、磁石埋設溝２は、回転子コア１１の径方向に区画され、かつ周方向に沿った幅が異なる第１の領域２１と第２の領域２２とを有する。そして、相対的に広幅とした第１の領域２１にフェライト磁石３を配置し、相対的に狭幅の第２の領域２２にサマリウム系磁石を配置するのである。この変形例２に係る回転子１０を用いても、所望するモータ特性を得ることができる。

なお、相対的に広幅の第１の領域２１を回転子コア１１の外周側に形成し、狭幅の第２の領域２２を回転子コア１１の内周側に形成しているが、第１の領域２１と第２の領域２２との配置を逆にすることもできる。

サマリウム系磁石としては、図示するように、前述してきたサマリウム鉄窒素磁石４を用いることもできるし、あるいは後述するように、ネオジム磁石に次ぐ磁力を有するとされるサマリウムコバルト磁石（Ｓｍ−Ｃｏ磁石）を用いることもできる。

なお、この変形例２においても、周方向に沿った幅はサマリウム系磁石がフェライト磁石３よりも狭いため、コストの大幅な上昇を抑えることができる。

（第２の実施形態）
次に、図６を参照しながら、第２の実施形態に係るモータ１および回転子１０について説明する。図６は、第２の実施形態に係るモータ１の説明図である。なお、以下では、先の実施形態と同一の構成要素については同一の符号を付して詳細な説明は省略する。

本実施形態に係るモータ１と先の実施形態に係るモータ１とでは、固定子２０の構成は両者同様であるが、回転子１０の構成が異なっている。

具体的には、サマリム系磁石として、サマリウム鉄窒素磁石４に代えてサマリウムコバルト磁石（Ｓｍ−Ｃｏ磁石）５を用いている。

また、図示するように、相対的に広幅の第１の領域２１を回転子コア１１の内周側に形成し、相対的に狭幅の第２の領域２２を回転子コア１１の外周側に形成している。そして、回転子コア１１の内周側に形成した広幅の第１の領域２１にフェライト磁石３を配置する一方、回転子コア１１の外周側に形成した相対的に狭幅の第２の領域２２に、サマリウムコバルト磁石（Ｓｍ−Ｃｏ磁石）５を配置している。すなわち、磁石埋設溝２内において、フェライト磁石３を内周側に、サマリウムコバルト磁石５を外周側に互いに密着した状態で並置している。

サマリウムコバルト磁石５は、前述したように、ネオジム磁石に次ぐ磁力を有するとされており、最大エネルギー積で示せば、およそ３２メガ・ガウス・エルステッド[GOe]である。そのため、回転子１０としての磁気装荷が向上し、小型軽量のモータ１を実現することができる。

さらに、サマリウムコバルト磁石５は、温度特性においてはネオジム磁石よりも優れている。したがって、本実施形態に係る回転子１０、これを用いたモータ１は、高温環境下での用途にも十分に耐えることができる。

また、図示するように、本実施形態に係る回転子１０においても、比較的に高性能のサマリウムコバルト磁石５の寸法（回転子コア１１における径方向の長さ寸法）をフェライト磁石３の略１／２程度にしているが、所望するモータ特性を得ることができる。

しかも、この場合、周方向に沿った幅もサマリウムコバルト磁石５がフェライト磁石３よりも狭いため、磁石の全体的な大きさ、すなわち磁石使用量は、高価なサマリウムコバルト磁石５の方がフェライト磁石３よりも著しく小さくなる。したがって、コスト上昇を可及的に抑えることができる。

（変形例１）
図７は、第２の実施形態の変形例１に係るモータ１（回転電機）の説明図である。図示するように、ここでは、回転子コア１１の外周側に位置した第１の領域２１にフェライト磁石３を配置し、回転子コア１１の内周側に位置した第２の領域２２にサマリウムコバルト磁石５を配置している。この変形例１に係る回転子１０を用いても、所望するモータ特性を得ることができる。

このように、図６および図７とからも分かるように、フェライト磁石３およびサマリウムコバルト磁石５の組み合わせにおいても、これらの磁石埋設溝２内における径方向の配設位置は、いずれが内周側であっても外周側であっても構わない。

なお、サマリウムコバルト磁石５は、焼結磁石、ボンド磁石のいずれの形態であっても使用することができる。

（変形例２）
図８は、第２の実施形態に係るモータ（回転電機）の変形例２を示す説明図である。本変形例２におけるモータ１では、回転子１０の磁石埋設溝２の構成に特徴がある。

すなわち、図示するように、磁石埋設溝２の第２の領域２２が、互いに所定間隔をあけて対向する一対の第１細溝２２Ｃおよび第２細溝２２Ｃから形成されている。すなわち、相対的に広幅の第１の領域２１を回転子コア１１の外周側に形成し、相対的に狭幅の第２の領域２２を回転子コア１１の内周側に形成する。そして、第２の領域２２を、第１細溝２２Ｃおよび第２細溝２２Ｃから形成して、両者を第１の領域２１の幅内に配置するのである。

かかる構成としたため、回転子コア１１の外周側には、相対的に広幅のフェライト磁石３が位置することになり、これらフェライト磁石３同士の間の電磁鋼板の幅が狭まる。そのため、電磁鋼板の幅に応じて増加するインダクタンスを抑制することができる。また、図６に示す構成に比べ、隣接するフェライト磁石３，３同士の距離を長くとることができ、フェライト磁石３に反磁界をかかり難くすることが可能となり、減磁耐量の低下を防止することができる。

また、本変形例に係る回転子１０では、第１、第２細溝２２Ｃ，２２Ｃにおける回転子コア１１の内周側それぞれに、空隙部６１を形成している。

かかる空隙部６１，６１を形成したことにより、第１の領域２１の幅内では対向しないが、隣接する第１、第２細溝２２Ｃ，２２Ｃの間で磁束が漏れることを防止することができる。

また、磁束の漏れを防止する観点から、本変形例では、回転子コア１１の外周側に形成された相対的に広幅の第１の領域２１の回転子コア１１の内周側に、フェライト磁石３，３同士間の磁束の漏れを防止する第２の空隙部６２を形成している。なお、ここでは、空隙部６１，６１および第２の空隙部６２の形状を矩形としたが、その形状は限定されるものではない。

このように、本変形例においては、回転子コア１１の外周側にフェライト磁石３を配置し、２分割された短冊状のサマリウムコバルト磁石５を回転子コア１１の内周側に配置している。その結果、インダクタンスの増加を抑制しつつ、所定の減磁耐量を維持したままでサマリウムコバルト磁石５の使用量を減じることができる。

なお、上述してきた各実施形態において、回転支軸３０および回転子コア１１を構成する電磁鋼板の繋ぎ部分を非磁性体とすれば、磁束の漏れをさらに防止でき、モータ特性のさらなる向上が期待できる。

以上、説明してきたように、本実施形態に係る回転子１０およびモータ１では、安価なフェライト磁石３を用いながらも、所望する磁力特性やモータ特性を得ることができる。

なお、上述してきた実施形態では、回転電機をモータ１として説明したが、当然ながら本発明を発電機に適用することもできる。

また、上述した実施形態のさらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。このため、本発明のより広範な態様は、以上のように表しかつ記述した特定の詳細および代表的な実施形態に限定されるものではない。したがって、添付の特許請求の範囲およびその均等物によって定義される総括的な発明の概念の精神または範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能である。

１ モータ
２ 磁石埋設溝
３ フェライト磁石
４ サマリウム鉄窒素磁石（Ｓｍ−Ｆｅ−Ｎ磁石）
５ サマリウムコバルト磁石（Ｓｍ−Ｃｏ磁石）
１０ 回転子
１１ 回転子コア
２０ 固定子
２１ 第１の領域
２２ 第２の領域
６１ 空隙部

Claims (8)

1. 複数の磁石埋設溝が放射状に配列された筒状の回転子コアと、
   前記磁石埋設溝内に、径方向に並置されたフェライト磁石およびサマリウム系磁石と
   を有する回転子。
2. 前記磁石埋設溝は、
   前記回転子コアの径方向に区画され、かつ周方向に沿った幅が異なる第１の領域と第２の領域とを有し、
   相対的に広幅である前記第１の領域に前記フェライト磁石を配置し、相対的に狭幅の前記第２の領域に前記サマリウム系磁石を配置したこと
   を特徴とする請求項１に記載の回転子。
3. 前記第１の領域を前記回転子コアの外周側に形成し、前記第２の領域を前記回転子コアの内周側に形成したこと
   を特徴とする請求項２に記載の回転子。
4. 前記第２の領域は、
   互いに所定間隔をあけて対向する一対の第１細溝および第２細溝からなること
   を特徴とする請求項３に記載の回転子。
5. 前記第１細溝および前記第２細溝における前記回転子コアの内周側それぞれに、空隙部が形成されていること
   を特徴とする請求項４に記載の回転子。
6. 前記第１の領域を前記回転子コアの内周側に形成し、前記第２の領域を前記回転子コアの外周側に形成したこと
   を特徴とする請求項２に記載の回転子。
7. 前記サマリウム系磁石を、Ｓｍ−Ｃｏ磁石としたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載の回転子。
8. 請求項１〜７のいずれか１つに記載の回転子と、
   前記回転子の外周面と空隙を介して対向配置される固定子と
   を備えることを特徴とする回転電機。

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