JP2014011890A5

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Publication number: JP2014011890A5
Application number: JP2012147208A
Authority: JP
Filing date: 2012-06-29
Publication date: 2015-08-20
Anticipated expiration: 2032-06-29

Description

電動回転機およびその製造方法

本発明は、電動モータおよび発電機として用いられる電動回転機およびその製造方法に関するものである。

従来、電動回転機には、ロータコアに永久磁石を埋め込み固定した、いわゆる埋込磁石型のロータを備えたものがある。こうした埋込磁石型のロータを備えた電動回転機では、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着した、いわゆる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。また、埋込磁石型のロータとして、例えば、ロータコアの径方向に円弧形状に形成され、回転軸側がその円弧の凸側（逆円弧形状）となる永久磁石を用いたものが知られている。そして、このロータでは、平板状に形成された永久磁石を径方向と直交するように配置したものに比べ、永久磁石の表面積を大きくすることができるため、最大エネルギー積の小さな永久磁石を用いても十分な磁束数を確保することが可能となっている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００２−１３６０１１号公報

しかしながら、上記のようなロータでは、永久磁石はロータコアの軸方向に直線状に延びて埋め込まれており、ロータの軸方向両端部を最短距離で繋いだ形状を有しているため、磁束が出る磁石の表面積が大きくない。このため、最大エネルギー積が小さく磁束密度が低い永久磁石を使用すると、永久磁石から十分な磁束数を取り出すことができない場合がある。この結果、電動回転機の高出力化要求に対し、電動回転機が大型し、コストアップする場合がある。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、ロータコアに埋め込まれた永久磁石の表面積を大きくして永久磁石の磁束数を確保し、小型化できる電動回転機およびその製造方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、電動回転機において、回転軸に設けられたロータと、前記ロータの外周面の外側に固定されたステータと、を備え、前記ロータは、前記回転軸に一体回転可能に固定されたロータコアと、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永久磁石と、を備え、前記各永久磁石は、前記ロータの径方向に延びて、周方向に間隔をおいて対向配置されるとともに、前記ロータの回転軸方向に均一な厚みで一端部から他端部に屈曲して、複数の直線部が連続した三角波状に形成され、前記周方向に同一の極性が互いに対向するように前記直線部の磁石表面に沿って垂直方向に磁化されているとともに、前記周方向において一方の極性が対向するように磁化され、隣り合う前記永久磁石と他方の極性が対向するように磁化されていること要旨とする。

上記構成によれば、本請求項の電動回転機は、永久磁石はロータの軸線方向に屈曲して成形されているので、周方向に互いに対向する永久磁石の軸線方向側の表面積を大きくできる。これにより、ステータのコイルと鎖交する永久磁石の磁束数を増加させることができるため、同じ体格に対するトルクが増加し、電動回転機を小型化できる。また、ロータの軸線方向に屈曲した永久磁石の表面に沿って垂直方向に磁化したので、最大エネルギー積が小さい永久磁石を使用しても永久磁石の磁束数を確保することができ、その結果、同じトルクに対して電動回転機を小型化できる。

請求項２に記載の発明は、電動回転機において、回転軸に設けられたロータと、前記ロータの外周面の外側に固定されたステータと、を備え、前記ロータは、前記回転軸に一体回転可能に固定されたロータコアと、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永久磁石と、を備え、前記各永久磁石は、前記ロータの径方向に延びて、周方向に間隔をおいて対向配置されるとともに、前記ロータの回転軸方向に均一な厚みで一端部から他端部に蛇行して、複数の曲線部が連続した略Ｓ字状に形成され、前記周方向に同一の極性が互いに対向するように前記曲線部の磁石表面に沿って法線方向に磁化されているとともに、前記周方向において一方の極性が対向するように磁化され、隣り合う前記永久磁石と他方の極性が対向するように磁化されていることを要旨とする。

上記構成によれば、本請求項の電動回転機は、永久磁石はロータの軸線方向に蛇行して成形されているので、周方向に互いに対向する永久磁石の軸線方向側の表面積を大きくできる。これにより、ステータのコイルと鎖交する永久磁石の磁束数を増加させることができるため、同じ体格に対するトルクが増加し、電動回転機を小型化できる。また、ロータの軸線方向に蛇行した永久磁石の表面に沿って法線方向に磁化したので、最大エネルギー積が小さい永久磁石を使用しても永久磁石の磁束数を確保することができ、その結果、同じトルクに対して電動回転機を小型化できる。

請求項３に記載の発明は、回転軸に設けられたロータと、前記ロータの外周面の外側に固定されたステータと、を備え、前記ロータは、前記回転軸に一体回転可能に固定されたロータコアと、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永久磁石と、を備えた電動回転機の製造方法において、所定の形状に形成された複数枚の積層鋼板を転積し、前記ロータの回転軸方向に延在した空洞部を設けて前記ロータコアを形成する積層工程と、前記空洞部内に前記永久磁石を射出成形により成形配置する成形工程と、を備え、請求項１または請求項２に記載の電動回転機を形成することを要旨とする。

上記構成によれば、本請求項の電動回転機の製造方法は、複数枚の積層鋼板を回転積層し、空洞部を設けてロータコアを形成し、空洞部内に永久磁石を射出成形によりロータの軸線方向に屈曲あるいは蛇行させた形状に成形できるので、ロータを容易に製作することができる。

本発明によれば、ロータコアに埋め込まれた永久磁石の表面積を大きくして永久磁石の磁束数を確保し、小型化できる電動回転機およびその製造方法を提供できる。

本発明の第１および第２の実施形態に係る電動回転機の概略構成を示す断面図。図１に示す第１の実施形態のロータの構成概略図。図１を矢印Ｘ方向から見た第１の実施形態のロータの永久磁石の着磁状態を示す概略図。図１を矢印Ｘ方向から見た第２の実施形態のロータの永久磁石の着磁状態を示す概略図。

以下、本発明の実施形態を図に基づいて説明する。
図１は、本発明の第１および第２の実施形態に係る電動回転機の断面図である。電動回転機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オイルポンプ装置の駆動源用の電動モータとして用いられる。図１に示すように、電動回転機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が巻回されている。

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とを備えている。ロータコア２２には、一対の磁石片２４ａ，２４ｂからなる複数（本実施形態では、５組）の永久磁石２４がロータコア２２内にそれぞれ埋設されて固定されている。すなわち、本実施形態のロータ４は、いわゆる埋込磁石型のロータとして構成されている。

このように構成された電動回転機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、永久磁石２４の磁束との間に生じる磁気的な吸引力および反発力によりロータ４が回転する構成となっている。

ロータコア２２は、鉄や電磁鋼板等の軟磁性材料からなり、回転軸２１が挿入される挿入孔２２ａを有する略円柱状に形成されている。ロータコア２２には、磁石片２４ａ，２４ｂがそれぞれ内部に配置される複数の空洞部３１ａ，３１ｂが形成されている。なお、本実施形態の空洞部３１ａ，３１ｂは、それぞれ磁石片２４ａ，２４ｂの断面形状と略同一の断面形状を有する孔状に形成されている。また、ロータコア２２における磁石片２４ａ，２４ｂに挟まれた対向間部３２は、ロータコア２２における回転軸２１に嵌合した芯部３３と連結部としての第１連結部３４とを介して連結されている。さらに、対向間部３２は、ロータコア２２における隣り合う永久磁石２４に挟まれた磁石間部３５の径方向外側端部と第２連結部３６とを介して連結されている。なお、第１連結部３４は、径方向に沿って延びる略長方形板状に形成され、第２連結部３６は、周方向に沿って延びる略長方形板状に形成されている。

磁石片２４ａと磁石片２４ｂとは、ロータ４の径方向に沿った直線に関して互いに対称な形状とされている。詳しくは、磁石片２４ａは、径方向に沿って延びる平板状の磁極対向部４１ａ、および磁極対向部４１ａの径方向内側端部から磁石片２４ｂ側に向かって延びる近接部４２ａを有している。同様に、磁石片２４ｂは、ロータ４の径方向に沿って延びる平板状の磁極対向部４１ｂ、および磁極対向部４１ｂの径方向内側端部から磁石片２４ａ側に向かって延びる近接部４２ｂを有している。なお、本実施形態の近接部４２ａ，４２ｂは、径方向内側に向かうにつれて互いに近接する円弧状に湾曲した板状に形成されている。これにより、永久磁石２４は、回転軸２１側（径方向内側）が凸となる略円弧状に形成されている。

磁極対向部４１ａ，４１ｂは、周方向において一方の極性（本実施形態では、Ｎ極）が対向するように磁化（着磁）されており、隣り合う永久磁石２４の磁石片２４ａ，２４ｂと周方向において他方の極性（本実施形態では、Ｓ極）が対向するようになっている。そして、ロータコア２２の外周面には、対向間部３２と対応する位置に一方の極性の磁極（ロータ磁極）が形成されるとともに、磁石間部３５と対応する位置に他方の極性の磁極が形成されている。つまり、対向間部３２および磁石間部３５は、それぞれロータコア２２の外周面を通過する磁石片２４ａ，２４ｂの磁束の磁路となっている。また、近接部４２ａ，４２ｂは、ロータコア２２の対向間部３２側に磁極対向部４１ａ，４１ｂと同一の極性が現れるように着磁されている。詳しくは、磁極対向部４１ａ，４１ｂの磁化方向は、ロータ４の周方向に略沿うように着磁されており、近接部４１ａ，４２ｂの磁化方向は、その先端（径方向内側端部）に近づくにつれて周方向から徐々に径方向に沿うように着磁されている。換言すれば、磁石片２４ａ，２４ｂは、それぞれの板厚方向と略沿う方向に磁化されている。なお、本実施形態の永久磁石２４には、ボンド磁石（例えば、プラスチックマグネット、ゴムマグネット等）が用いられており、永久磁石２４は、空洞部３１ａ，３１ｂ内に配置された後に着磁されるようになっている。

そして、磁極対向部４１ａ，４１ｂは、それぞれの磁化方向の磁気抵抗が径方向内側部分よりも径方向外側部分の方で大きくなるように構成されている。具体的には、磁石片２４ａ，２４ｂの磁化方向に沿った長さ（厚み）は、それぞれ近接部４２ａ，４２ｂの先端部から磁極対向部４１ａ，４１ｂの径方向外側端部に向かうにつれて徐々に長くなるように形成されている。つまり、磁極対向部４１ａ，４１ｂの磁化方向に沿った長さは、その径方向内側部分よりも径方向外側部分の方で長くなるように形成されている。また、永久磁石２４（磁石片２４ａ，２４ｂ）に用いられるボンド磁石は、単位長さ当たりの磁気抵抗が一定となるように磁石粉が樹脂材料内に均一に混ぜられて構成されている。これにより、近接部４２ａ，４２ｂの先端部から磁極対向部４１ａ，４１ｂの径方向外側端部に向かうにつれて徐々に磁気抵抗が大きくされており、磁極対向部４１ａ，４１ｂの径方向内側部分よりも径方向外側部分での磁化方向の磁気抵抗が大きくされている。

また、各磁極対向部４１ａ，４１ｂの径方向外側端部には、それぞれの磁化方向と直交する方向（径方向）に突出する突出部４３ａ，４３ｂが形成されている。具体的には、突出部４３ａ，４３ｂは、径方向外側に向かうにつれて周方向に沿った長さが徐々に短くなるテーパ状に形成されている。そして、突出部４３ａ，４３ｂは、磁極対向部４１ａ，４１ｂの磁化方向と同じ方向、すなわちロータ４の周方向に磁化されている。

次に、図２は、図１に示す第１の実施形態のロータ４の構成概略図、図３は、図１を矢印Ｘ方向から見た第１の実施形態のロータ４の永久磁石２４の着磁状態を示す概略図である。図２に示すように、永久磁石２４は、ロータ４の軸線方向に屈曲して形成されている。ここで、ロータコア２２は、軟磁性材料により形成され、例えば、表面に絶縁処理が施された珪素鋼板等を用いた電磁鋼板を打ち抜いて所定の形状に形成された複数枚の薄板（積層鋼板）がロータ４の軸線方向に積層固定された積層体である。具体的には、ロータコア２２を形成する各積層鋼板を転積し、すなわち、積層鋼板の向きを回転させて軸線方向に積層し、複数の空洞部３１ａ，３１ｂを形成する（積層工程）。そして、この空洞部３１ａ，３１ｂに射出成形により永久磁石２４（磁石片２４ａ，２４ｂ）が成形配置されている（成形工程）。

また、図３では永久磁石２４の一対の磁石片２４ａ，２４ｂの磁化方向を矢印で模式的に示している。図３に示すように、各磁石片２４ａ，２４ｂは、磁化方向に沿って均一な厚みを有して、軸線方向上面からＡ点までは周方向右側（軸線方向に対し、例えば、４５°の方向）、Ａ点からＢ点までは周方向左側（軸線方向に対し反対側４５°の方向）、Ｂ点から下面までは再び周方向右側（軸線方向に対し、例えば、４５°の方向）に曲げられて三角波状を形成している。そして、ロータ４の周方向に一対の磁石片２４ａ，２４ｂが同一の極性を有して互いに対向している。ロータ４の軸線方向に沿う磁石片２４ａ，２４ｂの磁化方向は、ロータ４の軸線方向に垂直な方向（周方向）の着磁ではなく、それぞれ磁石片２４ａ，２４ｂの三角波状で断面が直線の表面に沿って垂直な方向に着磁されている。

次に、図４は、図１の第２の実施形態の電動回転機１の概略構成を示す断面図を矢印Ｘ方向から見たロータの永久磁石の着磁状態を示す概略図である。図４では永久磁石２４の一対の磁石片２４ａ，２４ｂの磁化方向を矢印で模式的に示している。図４に示すように、各磁石片２４ａ，２４ｂは、磁化方向に沿って均一な厚みを有して、軸線方向上面からＣ点までは周方向右側、Ｃ点からＤ点までは周方向左側、Ｄ点から下面までは再び周方向右側に曲げられて略Ｓ字状を形成している。そして、ロータ４の周方向に一対の磁石片２４ａ，２４ｂが同一の極性を有して互いに対向している。ロータ４の軸線方向に沿う磁石片２４ａ，２４ｂの磁化方向は、ロータ４の軸線方向に垂直な方向（周方向）の着磁ではなく、それぞれ磁石片２４ａ，２４ｂの略Ｓ字状で断面が曲線の表面に沿って垂直な方向（法線方向）に着磁されている。

次に、上記のように構成された本発明の第１，２の実施形態に係る電動回転機１の作用および効果について説明する。

上記第１の実施形態によれば、ロータコア２２に埋め込まれた永久磁石２４は、ロータ４の軸線方向に屈曲して、板厚が均一な三角波状の形状を有して成形されているので、同一の極性を有して周方向に互いに対向する一対の磁石片２４ａ，２４ｂの軸線方向の表面積を大きくできる。また、同様に、上記第２の実施形態によれば、永久磁石２４は、ロータ４の軸線方向に蛇行して、板厚が均一な略Ｓ字状の形状を有して成形されているので、同一の極性を有して周方向に互いに対向する一対の磁石片２４ａ，２４ｂの軸線方向の表面積を大きくできる。これにより、ロータコア２２内の永久磁石２４の磁束数を増加させることができるため、同じ体格に対するトルクが増加し、電動回転機１を小型化することができる。

また、第１，２の実施形態によれば、永久磁石２４は、ロータ４の周方向に同一の極性が互いに対向し、軸線方向に磁石片２４ａ，２４ｂの断面形状が三角波状の表面に沿って垂直方向あるいは略Ｓ字状の表面に沿って法線方向に磁化されているので、軸線方向に垂直な方向（周方向）に着磁された場合に比べ、ロータ４の表面の磁束密度を大きくできる。これにより、最大エネルギー積が小さい永久磁石２４を使用しても永久磁石２４の磁束数を確保することができる。その結果、同じトルクに対して電動回転機１を小型化することができる。

さらに、複数枚の積層鋼板を転積（回転積層）し、空洞部３１ａ，３１ｂを設けてロータコア２２を形成し、空洞部３１ａ，３１ｂ内に永久磁石２４の一対の磁石片２４ａ，２４ｂを射出成形によりロータ４の軸線方向に屈曲あるいは蛇行させた形状に成形できるので、ロータ４を容易に製作することができる。

以上のように、本発明の第１，２の実施形態によれば、ロータコアに埋め込まれた永久磁石の表面積を大きくして永久磁石の磁束数を確保し、小型化が可能な電動回転機およびその製造方法を提供することができる。

以上、本発明に係る第１，２の実施形態について説明したが、本発明はさらに他の形態で実施することも可能である。

上記第１，２の実施形態では、永久磁石２４の軸線方向両端面（図２の上面と下面）の位相（位置関係）は同じであったが、これに限らず、ロータ４の周方向にずれて形成配置されていてもよい。

上記第１，２の実施形態では、永久磁石２４の径方向断面形状は、各磁石片２４ａ，２４ｂに近接部４２ａ，４２ｂを設けた略逆円弧状であったが、これに限らず、各磁石片２４ａ，２４ｂを磁極対向部４１ａ，４１ｂのみから構成した回転軸２１中心から径方向外側に放射状に延びる平板状の形状でもよい。

上記第１，２の実施形態では、各磁極対向部４１ａ，４１ｂの磁化方向に沿った長さ(厚み)は、径方向内側部分より径方向外側部分の方で長くなるように成形されていたが、これに限らず、均一な板厚の平板で成形されていてもよい。

上記第１，２の実施形態では、永久磁石２４にボンド磁石を用いたが、これに限らず、例えば、ネオジ焼結磁石等を用いてもよい。
また、ロータコア２２は、永久磁石２４の形状に合わせて珪素鋼板を積層して形成されていたが、これに限らす、圧粉磁心を用いてもよい。

上記第１，２の実施形態では、本発明を電動パワーステアリング装置や電動オイルポンプ装置等の駆動源に用いられる電動モータに具体化したが、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。

１：電動回転機、２：ケース、３：ステータ、４：ロータ、１１：円筒部、
１２：ティース、１３：ステータコア、１５：コイル、２１：回転軸、
２２：ロータコア、２２ａ：挿入孔、２４：永久磁石、２４ａ，２４ｂ：磁石片、
３１ａ，３１ｂ：空洞部、３２：対向間部、３３：芯部、３４：第１連結部、
３５：磁石間部、３６：第２連結部、４１ａ，４１ｂ：磁極対向部、
４２ａ，４２ｂ：近接部、４３ａ，４３ｂ：突出部

Claims

回転軸に設けられたロータと、
前記ロータの外周面の外側に固定されたステータと、を備え、
前記ロータは、
前記回転軸に一体回転可能に固定されたロータコアと、
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永久磁石と、を備え、
前記各永久磁石は、前記ロータの径方向に延びて、周方向に間隔をおいて対向配置されるとともに、前記ロータの回転軸方向に均一な厚みで一端部から他端部に屈曲して、複数の直線部が連続した三角波状に形成され、前記周方向に同一の極性が互いに対向するように前記直線部の磁石表面に沿って垂直方向に磁化されているとともに、前記周方向において一方の極性が対向するように磁化され、隣り合う前記永久磁石と他方の極性が対向するように磁化されていることを特徴とする電動回転機。
回転軸に設けられたロータと、
前記ロータの外周面の外側に固定されたステータと、を備え、
前記ロータは、
前記回転軸に一体回転可能に固定されたロータコアと、
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永久磁石と、を備え、
前記各永久磁石は、前記ロータの径方向に延びて、周方向に間隔をおいて対向配置されるとともに、前記ロータの回転軸方向に均一な厚みで一端部から他端部に蛇行して、複数の曲線部が連続した略Ｓ字状に形成され、前記周方向に同一の極性が互いに対向するように前記曲線部の磁石表面に沿って法線方向に磁化されているとともに、前記周方向において一方の極性が対向するように磁化され、隣り合う前記永久磁石と他方の極性が対向するように磁化されていることを特徴とする電動回転機。
回転軸に設けられたロータと、
前記ロータの外周面の外側に固定されたステータと、を備え、
前記ロータは、
前記回転軸に一体回転可能に固定されたロータコアと、
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永久磁石と、を備えた電動回転機の製造方法において、
所定の形状に形成された複数枚の積層鋼板を転積し、前記ロータの回転軸方向に延在した空洞部を設けて前記ロータコアを形成する積層工程と、
前記空洞部内に前記永久磁石を射出成形により成形配置する成形工程と、を備え、
請求項１または請求項２に記載の電動回転機を形成することを特徴とする電動回転機の製造方法。