JP2013247783A - ロータ及びこれを備えた回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】ロータコアの外周面での磁束密度を高めることのできるロータ及びこれを備えた回転電機を提供する。
【解決手段】ロータ４は、ロータコア２２と、ロータコア２２に埋め込まれる態様で固定された複数の埋込磁石２３と、ロータコア２２の軸方向両側に設けられる端部磁石３１とを備えた。そして、端部磁石３１の磁極を、ロータコア２２の外周面２２ａを通過する埋込磁石２３の磁束の磁路となる磁路部３３と軸方向において対向する位置に設けるとともに、該磁路部３３側に現れた埋込磁石２３の磁極の極性と同じ極性を有するように着磁した。
【選択図】図４

Description

本発明は、ロータ及びこれを備えた回転電機に関する。

従来、回転電機には、ロータコアに永久磁石を埋め込む態様で固定した所謂埋込磁石型のロータを備えたものがある（例えば、特許文献１）。こうした埋込磁石型のロータを備えた回転電機では、永久磁石によるマグネットトルクのみならず、リラクタンストルクが発生するため、ロータコアの表面に永久磁石を固定した所謂表面磁石型のロータを備えるものに比べ、高いトルクを得られるといった利点がある。

特開２０１０−２３３３４６号公報

ところで、マグネットトルクを大きくするためには、ロータコアの外周面（厳密にはティースと径方向において対向する領域）を通過する磁束量、すなわちロータコアの外周面での磁束密度を高くする必要がある。しかし、上記従来の構成においては、ロータコアの外周面での磁束密度を高くする方策として最大エネルギー積のより大きな永久磁石を用いる以外に有効なものがないというのが実情である。そして、永久磁石の性能向上には限界があるため、ロータコアに埋め込まれた永久磁石の性能によらず、ロータコアの外周面での磁束密度を高めることのできる新たな技術の創出が求められていた。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、ロータコアの外周面での磁束密度を高めることのできるロータ及びこれを備えた回転電機を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、ロータコアと、前記ロータコアに埋め込まれる態様で固定された複数の埋込磁石と、を備えたロータにおいて、前記ロータコアの軸方向の少なくとも一方側に設けられる端部磁石を備え、前記端部磁石の磁極は、前記ロータコアの外周面を通過する前記埋込磁石の磁束の磁路となる磁路部と軸方向において対向する位置に設けられるとともに、該磁路部側に現れた前記埋込磁石の磁極の極性と同じ極性を有することを要旨とする。

上記構成によれば、埋込磁石の磁束に加え、端部磁石の磁束がロータコアの外周面を通過するため、最大エネルギー積の大きな埋込磁石を用いなくても、ロータコアの外周面での磁束密度を高くすることができる。これにより、容易にマグネットトルクの増大を図ることが可能になる。

請求項２に記載の発明は、径方向内側に延びる複数のティースが形成されたステータコア、及び前記ティースに巻装されたコイルを有するステータと、前記ステータコアの内周に配置されるロータコア、及び前記ロータコアに埋め込まれる態様で固定された複数の埋込磁石を有するロータと、を備えた回転電機において、前記ロータコアの軸方向の少なくとも一方側に設けられる端部磁石を備え、前記端部磁石の磁極は、前記ロータコアの外周面を通過する前記埋込磁石の磁束の磁路となる磁路部と軸方向において対向する位置に設けられるとともに、該磁路部側に現れた前記埋込磁石の磁極の極性と同じ極性を有することを要旨とする。

上記構成によれば、最大エネルギー積の大きな埋込磁石を用いなくても、ロータコアの外周面での磁束密度を高めることができるため、容易に回転電機の小型化や高出力化を実現することができる。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の回転電機において、前記コイルは、該コイルの軸方向端部が前記ロータコアよりも軸方向に突出するように前記ティースに巻装されたものであって、前記端部磁石は、前記コイルの前記軸方向端部と径方向において対向することを要旨とする。

通常、ステータコアの軸方向長さとロータコアの軸方向長さとは互いに略等しくなるように形成されており、コイルの軸方向端部はロータコアよりも軸方向に突出する。したがって、上記構成のようにコイルの軸方向端部と径方向において対向するように端部磁石を配置することで、回転電機内に無駄な空きスペースが生じることを防止してその大型化を抑制することができる。

本発明によれば、ロータコアの外周面での磁束密度を高めることのできるロータ及びこれを備えた回転電機を提供することができる。

一実施形態の回転電機の軸方向と直交する断面図。 一実施形態の回転電機の軸方向に沿った断面図。 一実施形態のロータの分解斜視図。 一実施形態のロータの軸方向から見た側面図。 一実施形態の端部磁石の磁束を示す図４のＡ−Ａ断面での模式図。 （ａ），（ｂ）は別例のロータの軸方向から見た拡大側面図。 別例のロータの分解斜視図。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
図１及び図２に示す回転電機（電動モータ）１は、例えば車両に搭載され、ステアリング操作を補助する電動パワーステアリング装置や、油圧を発生させる電動ポンプ装置の駆動源として用いられる。同図に示すように、回転電機１は、円筒状のケース２内に収容されたステータ３と、ステータ３の径方向内側において回転可能に支持されたロータ４とを備えている。

ステータ３は、ケース２の内周に固定された円筒状の円筒部１１と、円筒部１１から径方向内側に向って放射状に延びる複数（本実施形態では、１２個）のティース１２とからなるステータコア１３を備えている。そして、各ティース１２には、複数（本実施形態では、１２個）のコイル１５が巻装されている。

ロータ４は、回転軸２１と、回転軸２１と一体回転可能に固定される円筒状のロータコア２２と、ロータコア２２に埋め込まれる態様で固定された複数（本実施形態では、８個）の埋込磁石２３とを備えている。つまり、本実施形態のロータ４は、所謂埋込磁石型のロータとして構成されている。また、ロータコア２２の軸方向長さは、ステータコア１３の軸方向長さと略等しくなるように形成されている。これにより、図２に示すように、コイル１５におけるティース１２の軸方向端部側に配置された軸方向端部１５ａは、ロータコア２２よりも軸方向両側にそれぞれ突出している。

このように構成された回転電機１は、各コイル１５に駆動電力が供給されることにより形成される磁界と、埋込磁石２３の磁束との間に生じる磁気的な吸引力及び反発力によりロータ４が回転するようになっている。

次に、ロータの構成について詳細に説明する。
図２及び図３に示すように、ロータ４は、ロータコア２２の軸方向両側にそれぞれ固定される端部磁石３１を備えており、この端部磁石３１によってロータコア２２の外周面２２ａでの磁束密度を高めている。

詳述すると、図１及び図４に示すように、ロータコア２２には、埋込磁石２３が内部に配置される複数の空洞部３２が設けられている。空洞部３２は、断面長方形の孔状にそれぞれ形成されるとともに、その長手方向が径方向に沿うようにロータコア２２に対して配置されている。また、埋込磁石２３は、空洞部３２の断面形状に対応した断面長方形の平板状に形成されており、空洞部３２内に配置されている。つまり、埋込磁石２３は、放射状に配置されている。そして、各埋込磁石２３は、周方向において同一の極性（Ｎ極又はＳ極）が対向するとともに、埋込磁石２３によってロータコア２２の外周面２２ａに形成される磁極（ロータ磁極）の極性が周方向に交互に並ぶように磁化（着磁）されている。これにより、隣り合う空洞部３２間の略扇形状の部位が、外周面２２ａを通過する埋込磁石２３の磁束の磁路となる磁路部３３として構成されている。なお、図中において埋込磁石２３の磁束を破線で示している。また、埋込磁石２３には、ボンド磁石（プラスチックマグネット、ゴムマグネット等）が用いられている。

端部磁石３１は、それぞれ円環状に形成されており、回転軸２１に外嵌されている。なお、本実施形態では、各端部磁石３１の外径はロータコア２２の外径と略等しく形成されるとともに、各端部磁石３１の内径はロータコア２２の内径と略等しく形成されている。そして、図２に示すように、端部磁石３１は、径方向においてコイル１５の軸方向端部１５ａとそれぞれ対向するようにロータコア２２の軸端面に固定されている。

図３及び図４に示すように、各端部磁石３１の磁極は、該各端部磁石３１のロータコア２２との対向面のうち、ロータコア２２の磁路部３３と対向する略扇形状の領域に設けられている。なお、図中において端部磁石３１の磁極を二点鎖線により模式的に示している。そして、各磁極は、磁路部３３側に現れる埋込磁石２３の磁極の極性と同じ極性を有するように着磁されている。具体的には、埋込磁石２３のＮ極の磁極に挟まれている磁路部３３と対向する端部磁石３１の磁極はＮ極となり、埋込磁石２３のＳ極の磁極に挟まれている磁路部３３と対向する端部磁石３１の磁極はＳ極となる。なお、本実施形態の端部磁石３１には、ボンド磁石が用いられており、端部磁石３１のロータコア２２との対向面側にのみ磁極が現れるように着磁されている。

次に、本実施形態のロータの作用について説明する。
図５において破線で示すように、端部磁石３１の作る磁束は、ロータコア２２の外周面２２ａを埋込磁石２３の磁束と略同じ方向に通過する。つまり、外周面２２ａには、埋込磁石２３の作る磁束に加え、端部磁石３１の作る磁束が通過する。これにより、ロータコア２２の外周面２２ａでの磁束密度が、埋込磁石２３のみを有する構成に比べて高くなっている。

以上記述したように、本実施形態によれば、以下の効果を奏することができる。
（１）ロータコア２２の軸方向両側に端部磁石３１を固定することで、最大エネルギー積の大きな埋込磁石２３を用いなくても、ロータコア２２の外周面２２ａでの磁束密度を高くすることができるため、埋込磁石２３のみを有する構成に比べ、マグネットトルクを増大させることができる。これにより、容易に回転電機１の小型化や高出力化を実現することができる。

（２）端部磁石３１を、コイル１５のロータコア２２よりも軸方向に突出した軸方向端部１５ａと径方向においてそれぞれ対向するようにロータコア２２に固定した。
通常、本実施形態のようにステータコア１３の軸方向長さとロータコア２２の軸方向長さとは略等しくなるように形成されるため、コイル１５の軸方向端部１５ａはロータコア２２よりも軸方向に突出する。したがって、コイル１５の軸方向端部１５ａと径方向において対向するように端部磁石３１をロータコア２２に固定することで、回転電機１内に無駄な空きスペースが生じることを防止してその大型化を抑制することができる。

（３）各埋込磁石２３を平板状に形成するとともに放射状に配置し、隣り合う埋込磁石２３と周方向において同じ極性が対向するように着磁したため、軸方向から見た磁路部３３の面積、すなわち端部磁石３１の磁束の磁路面積を大きくすることができる。これにより、効果的にロータコア２２の外周面２２ａでの磁束密度を高くすることができる。

なお、上記実施形態は、これを適宜変更した以下の態様にて実施することもできる。
・上記実施形態では、埋込磁石２３及び端部磁石３１にボンド磁石を用いたが、これに限らず、例えば焼結磁石等を用いてもよい。

・上記実施形態では、端部磁石３１のロータコア２２側にのみ磁極が現れるように該端部磁石３１を着磁したが、端部磁石３１のロータコア２２と反対側にも磁極が現れるように該端部磁石３１を着磁してもよい。なお、この場合において、端部磁石３１のロータコア２２と反対側に軟磁性材料からなるヨーク（継鉄）を設けることで、端部磁石３１の磁束がロータ４の軸方向両側に漏れることを防止できる。

・上記実施形態では、ロータコア２２内において平板状に形成された複数の埋込磁石２３を放射状に配置したが、これに限らず、埋込磁石２３の形状や配置等は適宜変更可能である。例えば図６（ａ）に示すように、円弧板状に湾曲するとともに周方向において同一の極性が対向するように着磁された一対の埋込磁石４１ａ，４１ｂを環状に配置してもよい。この場合には、端部磁石３１の磁極は、ロータコア２２における埋込磁石４１ａ，４１ｂ間の断面略半円形状の磁路部３３と対向する位置に設けられている。また、例えば図６（ｂ）に示すように、断面長方形の平板状に形成された埋込磁石４２を、その長手方向が径方向と直交するような環状に配置してもよい。この場合には、端部磁石３１の磁極は、ロータコア２２における埋込磁石２３の径方向外側の断面略半円形状の磁路部３３と対向する位置に設けられている。

・上記実施形態では、円環状に形成された端部磁石３１をロータコア２２に固定したが、これに限らず、例えば板状に形成された複数の端部磁石３１を磁路部３３と対向する位置に固定してもよい。

・上記実施形態において、図７に示すように、端部磁石３１における埋込磁石２３と対向する位置に、ロータコア２２側に開口する溝４３を形成してもよい。
・上記実施形態では、端部磁石３１をコイル１５の各軸方向端部１５ａと径方向において対向するようにロータコア２２に固定したが、例えばロータコア２２の軸方向長さをステータコア１３の軸方向長さよりも長く形成し、端部磁石３１がコイル１５の軸方向端部１５ａと径方向において対向しないようにしてもよい。

・上記実施形態では、端部磁石３１をロータコア２２の軸方向両側に設けたが、ロータコア２２の軸方向一端側又は他端側のみに端部磁石３１を設けてもよい。
・上記各実施形態では、本発明を電動パワーステアリング装置等の駆動源に用いられる回転電機１に具体化したが、これに限らず、他の装置の駆動源として用いてもよく、また、発電機として用いてもよい。

次に、上記実施形態及び別例から把握できる技術的思想について、それらの効果とともに以下に追記する。
（イ）前記各埋込磁石は、板状に形成されるとともに、前記ロータコアに対して放射状に配置され、隣り合う前記埋込磁石と周方向において同じ極性が対向するように着磁されていることを特徴とする。上記構成によれば、軸方向から見た磁路部の面積、すなわち端部磁石の磁束の磁路面積を大きくすることができるため、効果的にロータコアの外周面での磁束密度を高くすることができる。

１…回転電機、３…ステータ、４…ロータ、１２…ティース、１３…ステータコア、１５…コイル、１５ａ…軸方向端部、２２…ロータコア、２２ａ…外周面、２３，４１ａ，４１ｂ，４２…埋込磁石、３１…端部磁石、３２…空洞部、３３…磁路部。

Claims (3)

1. ロータコアと、前記ロータコアに埋め込まれる態様で固定された複数の埋込磁石と、を備えたロータにおいて、
   前記ロータコアの軸方向の少なくとも一方側に設けられる端部磁石を備え、
   前記端部磁石の磁極は、前記ロータコアの外周面を通過する前記埋込磁石の磁束の磁路となる磁路部と軸方向において対向する位置に設けられるとともに、該磁路部側に現れた前記埋込磁石の磁極の極性と同じ極性を有することを特徴とするロータ。
2. 径方向内側に延びる複数のティースが形成されたステータコア、及び前記ティースに巻装されたコイルを有するステータと、
   前記ステータコアの内周に配置されるロータコア、及び前記ロータコアに埋め込まれる態様で固定された複数の埋込磁石を有するロータと、を備えた回転電機において、
   前記ロータコアの軸方向の少なくとも一方側に設けられる端部磁石を備え、
   前記端部磁石の磁極は、前記ロータコアの外周面を通過する前記埋込磁石の磁束の磁路となる磁路部と軸方向において対向する位置に設けられるとともに、該磁路部側に現れた前記埋込磁石の磁極の極性と同じ極性を有することを特徴とする回転電機。
3. 請求項２に記載の回転電機において、
   前記コイルは、該コイルの軸方向端部が前記ロータコアよりも軸方向に突出するように前記ティースに巻装されたものであって、
   前記端部磁石は、前記コイルの前記軸方向端部と径方向において対向することを特徴とする回転電機。