JP2014064395A - 埋め込み永久磁石型モータおよびロータ - Google Patents

Abstract

【課題】製造コストを増大させることなく、永久磁石の短絡磁束を低減してトルクを向上させることができる埋め込み永久磁石型モータのロータを実現する。
【解決手段】埋め込み永久磁石型モータ１００のロータ２は、ロータコア４０の１つの磁石収容部４２内に複数の永久磁石５０が配置される。ロータコア外周部４０ａとロータコア内周部４０ｂを繋ぐリブ部４３は、複数磁極毎に配置される。
【選択図】図２

Description

本発明は、ロータコア内への永久磁石の埋め込み構造を改良したロータ、および埋め込み永久磁石型モータに関する。

埋め込み永久磁石型モータ（ＩＰＭモータ）は、ロータコア内に、その円周方向に沿って均等に複数の永久磁石が埋め込まれている。ＩＰＭモータは、永久磁石の磁束の一部がロータコア内を短絡し、トルクが低下するという問題がある。

ＩＰＭモータのトルクを向上させる技術として、ロータ外半径Ｒ０と永久磁石の最も内側の半径Ｒ１の比をＲ１／Ｒ０＞０．８５に設定することによって、トルクを向上させるＩＰＭモータが提案されている（たとえば、特許文献１参照）。

また、一磁極あたり２つ以上の永久磁石を使用し、トルクを向上させるＩＰＭモータが提案されている（たとえば、特許文献２参照）。

特許第３５９２９４８号公報 特許第３８３５２３１号公報

ところで、特許文献１の技術は、ロータコア外周部と内周部を繋ぐリブ部を有するロータコア形状において、長方形状の永久磁石の幅寸法はＲ１／Ｒ０の比とリブ部厚さの組み合わせによって制約される限界値が存在する。当該限界値によって、永久磁石の磁束量が制限される。また、リブ部を介した永久磁石の短絡磁束が多く、トルクが低下する。

また、特許文献２の技術は、永久磁石の個数が非常に多くなり、永久磁石のコストだけでなく、製造コストが増大してしまう。

本発明は、上記の事情に鑑みて案出されたものであり、製造コストを増大させることなく、永久磁石の短絡磁束を低減してトルクを向上させることができる埋め込み永久磁石型モータ、および当該埋め込み永久磁石型モータのロータの提供を目的とする。

上記目的を達成するための本発明に係る埋め込み永久磁石型モータは、ロータコアの複数の磁石収容部に永久磁石を組み込んでいる。

１つの前記磁石収容部内に複数の永久磁石が配置される。ロータコア外周部とロータコア内周部を繋ぐリブ部は、複数磁極毎に配置される。

本発明によれば、ロータコア外周部とロータコア内周部を繋ぐリブ部が複数磁極毎に配置される。リブ部が複数磁極毎に配置されることにより、短絡磁路が減少し、製造コストを増大させることなく、永久磁石の短絡磁束を低減してトルクを向上させることができる。

実施形態１に係る埋め込み永久磁石型モータの概略断面図である。 実施形態１に係る埋め込み永久磁石型モータのロータの説明に供する図である。 従来構造のロータコア形状と実施形態１のロータコア形状について、永久磁石の短絡磁束の流れと永久磁石幅の比較に供する図である。 実施形態２に係る埋め込み永久磁石型モータのロータの説明に供する図である。 実施形態３に係る埋め込み永久磁石型モータのロータの説明に供する図である。 実施形態４に係る埋め込み永久磁石型モータのロータの説明に供する図である。 従来構造の埋め込み永久磁石型モータのロータの説明に供する図である。

以下、図面を参照して、実施形態１から実施形態４に係る永久磁石型モータについて説明する。

実施形態１から実施形態４に係る埋め込み永久磁石型モータは、ロータコア外周部とロータコア内周部を繋ぐリブ部を複数磁極毎に配置することにより、製造コストを増大させることなく、永久磁石の短絡磁束を低減してトルクの向上を実現する。

〔実施形態１〕
＜埋め込み永久磁石型モータ、およびロータの構成＞
まず図１および図２を参照して、実施形態１の埋め込み永久磁石型モータ、および当該埋め込み永久磁石型モータのロータの構成について説明する。図１は実施形態１に係る埋め込み永久磁石型モータの概略断面図である。図２は実施形態１に係る埋め込み永久磁石型モータのロータの説明に供する図である。図２（ａ）はロータコアシートの正面図、図２（ｂ）はロータコアの斜視図、図２（ｃ）は永久磁石の挿入状態の説明図である。

本実施形態の埋め込み永久磁石型モータは、一般にＩＰＭモータ（Ｉｎｔｅｒｉｏｒ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ Ｍｏｔｏｒ）と称される。図１に例示する埋め込み永久磁石型モータ１００は、たとえば、１０極１２スロットのＩＰＭモータであり、ステータ（固定子）１とロータ（回転子）２を備える。

図１に示すように、ステータ１は、ヨーク１０、ステータコア２０およびコイル３０を有する。

ヨーク１０は、円筒体状の金属部材である。ヨーク１０は、磁力線を閉じて、後述する永久磁石５０の電磁誘導効果を最大にする機能を有する。またヨーク１０は、当該モータ１００の周辺機器が電磁誘導による磁界の影響を受けるのを防止する機能も有する。

ヨーク１０の構成材料としては、たとえば、珪素鋼板等の軟磁性体が用いられるが、例示の材料に限定されない。

ステータコア２０は、ヨーク１０の内面に沿って設けられた厚肉円筒体状の金属部材である。ステータコア２０の内周側には、ロータ２に臨むように放射線状に、コイル３０を収容するための空間としての複数のスロット２１が区画形成される。図１のスロット形状は例示であって、例示の形状に限定されない。

ステータコア２０の構成材料としては、たとえば、ヨーク１０と同様に珪素鋼板等の軟磁性体が用いられるが、例示の材料に限定されない。

コイル３０はスロット２１内に配置される。スロット２１とコイル３０の数は対応している。本実施形態では、１２個のスロット２１およびコイル３０が配設されるが、スロット２１およびコイル３０の数は限定されない。

ロータ２は、回転軸３の周囲に設けられ、ロータコア４０および永久磁石５０を有する。回転軸３はロータ２の回転中心となる。

ロータコア４０は、回転軸３の周囲に設けられた厚肉円筒体状の金属部材である。ロータコア４０は、図２（ａ）（ｂ）に示すように、リング状のロータコアシート４１を軸方向に複数積層したスタック構造を有する。

ロータコア４０の構成材料としては、たとえば、ヨーク１０およびステータコア２０と同様に珪素鋼板等の軟磁性体が用いられるが、例示の材料に限定されない。

各ロータコアシート４１の中央部には、回転軸３を嵌入するための円形の軸挿通孔３１が形成される。

各ロータコアシート４１の外周部近傍には、永久磁石５０を収容するための複数の磁石収容部４２が形成される。磁石収容部４２は、円周方向に沿って均等に配置される。

ロータコア外周部４０ａとロータコア内周部４０ｂは、リブ部４３を介して繋がっている。リブ部４３は、磁石収容部４２同士の間に存在する。

ロータコア外周部４０ａとロータコア内周部４０ｂとを繋ぐリブ部４３は、複数磁極毎に配置される。本実施形態のリブ部４３は２磁極毎に配置される。したがって、ロータコアシート４１において、磁石収容部４２は従来の２磁極分の磁石収容部が連通しており、「く」の字状に屈曲している。

永久磁石５０は、ロータコア４０の円周方向に沿って均等に配置された磁石収容部４２内に組み込まれる。各磁石収容部４２には、図２（ｃ）に示すように、外周部側がＮ極とＳ極となるように２個の永久磁石５０が配置される。

永久磁石５０は、直方体状（軸方向断面形状は長方形）を呈している。本実施形態では、１０極の永久磁石５０が配置されるが、永久磁石５０の数は限定されない。

永久磁石５０としては、たとえば、ネオジウム磁石等の希土類磁石が挙げられるが、例示の材質に限定されない。

＜埋め込み永久磁石型モータ、およびロータの作用＞
次に、図１から図３、および図７を参照して、実施形態１に係る埋め込み永久磁石型モータ１００、および当該埋め込み永久磁石型モータ１００のロータ２の作用について説明する。

図１に示したように、本実施形態の埋め込み永久磁石型モータ１００のロータ２は、ロータコア４０の円周方向に沿って均等に配置された磁石収容部４２内に永久磁石５０が組み込まれる。各磁石収容部４２には、２個の永久磁石５０が組み込まれる。複数の永久磁石５０は、外周側が順にＮ極、Ｓ極、Ｎ極、Ｓ極…となるように配置される。

一方、ステータ１は、ロータ２を囲むように設けられ、円周方向に放射線状に並んだ複数のコイル３０を有する。

すなわち、本実施形態の埋め込み永久磁石型モータ１００は、ロータ２の永久磁石５０が発生する磁束と交叉するようにステータ１のコイル３０に電流が流れる。永久磁石５０の磁束とコイル３０に流れる電流が交叉すると、本実施形態の埋め込み永久磁石型モータ１００は、電磁誘導作用により円周方向の駆動力が発生し、回転軸３を中心としてロータ２を回転させる。

実施形態１では、ロータコア外周部４０ａとロータコア内周部４０ｂを繋ぐリブ部４３が２磁極毎に配置されている。すなわち各磁石収容部４２には、外周側がＮ極、Ｓ極となるように、２個の永久磁石５０が組み込まれる。

ここで、図７を参照して、従来構造のロータについて説明する。図７は従来構造の埋め込み永久磁石型モータのロータの説明に供する図である。図７（ａ）はロータコアシートの正面図、図７（ｂ）はロータコアの斜視図、図７（ｃ）は永久磁石の挿入状態の説明図である。

図７に示すように、従来構造のロータ５０２は、たとえば、ロータコア５４０の内部に１０極の永久磁石５５０を有する。各磁石収容部５４２は、永久磁石５５０毎に形成されている。すなわち、各磁石収容部５４２には、１個の永久磁石５５０が組み込まれている。

したがって、ロータコア外周部５４０ａとロータコア内周部５４０ｂを繋ぐリブ部５４３は、１磁極毎に配置されている。

図３は従来構造のロータコア形状と実施形態１のロータコア形状について、永久磁石の短絡磁束の流れと永久磁石幅の比較に供する図である。

図３に示すように、永久磁石５０、５５０の短絡磁束の主な磁路は，ロータコア４０、５４０の外周近傍を通って隣の永久磁石５０、５５０へと短絡する磁路と、リブ部４３、５４３を通って同じ永久磁石５０、５５０へと短絡する磁路との２つの磁路がある。

図３（ａ）の従来構造のロータコア形状は、左右の磁路を合わせると、１個の永久磁石５５０に対して４つの短絡磁路が存在する。

これに対し、実施形態１のロータコア形状は、各磁石収容部４２に２個の永久磁石５０が配置されるので、一方の短絡磁路をなくすことができる。したがって、実施形態１のロータコア形状の短絡磁路数は、従来構造と比較すると、３／４に減少させることができる。

また、実施形態１のロータコア形状は、各磁石収容部４２に２個の永久磁石５０が配置されるので、従来構造に対してリブ部４３を半減させることができる。磁石収容部４２に収容される２個の永久磁石５０、５０間にリブ部が存在しないので、挿入できる永久磁石５０の幅Ｗ２を従来構造の永久磁石５５０の幅Ｗ１によも大きくすることができる。永久磁石５０の幅Ｗ２が増大することによって、永久磁石５０の磁束量を増加させることができる。

実施形態１に係る埋め込み永久磁石型モータ１００、および当該埋め込み永久磁石型モータ１００のロータ２よれば、ロータコア外周部４０ａとロータコア内周部４０ｂを繋ぐリブ部４３を２磁極毎に配置することにより、従来構造に比して短絡磁束を減少させ、さらに永久磁石５０の磁束量を増加させることができる。したがって、実施形態１に係る埋め込み永久磁石型モータ１００、および当該埋め込み永久磁石型モータ１００のロータ２は、製造コストを増大させることなく、トルクを向上させることができる。

〔実施形態２〕
次に図４を参照して、実施形態２の埋め込み永久磁石型モータのロータの構成について説明する。図４は実施形態２に係る埋め込み永久磁石型モータのロータの説明に供する図である。図４（ａ）はロータコアシートの正面図、図４（ｂ）はロータコアの半割状態の斜視図、図４（ｃ）は永久磁石の挿入状態の説明図である。なお、実施形態１と同一の構成部材については、同一の符号を付して説明する。また、重複する説明は符号のみを付して説明を省略する。

実施形態２に係る埋め込み永久磁石型モータのロータ２０２は、ロータコアシート４１の積層構造が実施形態１と異なる。ロータコアシート４１の形状は、実施形態１と同一の形状を有する（図２（ａ）参照）。

実施形態２のロータコアシート４１の積層は、１磁極毎にロータコアシート４１を軸周りに回転して積層する、「転積」を行っている。ロータコアシート４１を１磁極毎に転積するので、リブ部４３は軸方向においてロータコアシート１枚置き毎に存在することになる。

リブ部４３が軸方向において１枚置き毎に存在するので、永久磁石５０の幅は当該リブ部４３に制約されて実施形態１よりも小さくなり、従来構造と同一幅となる。

しかしながら、短絡磁束が通るリブ部４３の断面積は従来構造の半分となるので、リブ部４３の磁気抵抗が増加して、短絡磁束量は低減される。

実施形態２に係る埋め込み永久磁石型モータのロータ２０２は、基本的に実施形態１と同様の作用効果を奏する。実施形態２に係る埋め込み永久磁石型モータのロータ２０２は、実施形態１よりもトルクは低くなるが、実施形態１よりもロータコア２４０の遠心力強度は向上し、より堅牢となるという特有の効果を奏する。

〔実施形態３〕
次に図５を参照して、実施形態３の埋め込み永久磁石型モータのロータの構成について説明する。図５は実施形態３に係る埋め込み永久磁石型モータのロータの説明に供する図である。図５（ａ）はロータコアシートの正面図、図５（ｂ）はロータコアの斜視図、図５（ｃ）は永久磁石の挿入状態の説明図である。なお、実施形態１と同一の構成部材については、同一の符号を付して説明する。また、重複する説明は符号のみを付して説明を省略する。

実施形態３に係る埋め込み永久磁石型モータのロータ３０２は、ロータコアシート３４１の磁石収容部３４２の形状が実施形態１と異なる。実施形態３のロータコアシート３４１は、従来の５磁極分の磁石収容部が連通している。磁石収容部３４２には、５磁極分の永久磁石５０が配置される。ロータコア外周部３４０ａとロータコア内周部３４０ｂを繋ぐリブ部３４３は、５磁極毎に配置される。

実施形態３のロータコア３４０は、ロータコアシート３４１を回転積層（転積）せずに、磁石収容部３４２が同一位置に存在する状態で積層している。

永久磁石５０は、実施形態１と同様に、直方体状（軸方向断面形状は長方形）のものを採用する。したがって、１つの磁石収容部３４２には、外周側にＮ極，Ｓ極が交互に存在するように、５個の永久磁石５０が配置される。

リブ部３４３が５磁極毎に存在するので、従来構造と比較して、短絡磁路数は３／５に減少させることができる。

さらに、リブ部３４３の制約がないので、挿入する永久磁石５０の幅を大きくすることができ、更なるトルクの向上が可能となる。

実施形態３に係る埋め込み永久磁石型モータのロータ３０２は、基本的に実施形態１と同様の作用効果を奏する。特に、実施形態３に係る埋め込み永久磁石型モータのロータ３０２は、短絡磁束を減少させることができ、永久磁石５０の幅を大きくすることができるので、トルクを大幅に向上させることができるという特有の効果を奏する。

〔実施形態４〕
次に図６を参照して、実施形態４の埋め込み永久磁石型モータのロータの構成について説明する。図６は実施形態４に係る埋め込み永久磁石型モータのロータの説明に供する図である。図６（ａ）はロータコアシートの正面図、図６（ｂ）はロータコアの半割状態の斜視図、図６（ｃ）は永久磁石の挿入状態の説明図である。なお、第１および実施形態３と同一の構成部材については、同一の符号を付して説明する。また、重複する説明は符号のみを付して説明を省略する。

実施形態４に係る埋め込み永久磁石型モータのロータ４０２は、ロータコアシート３４１を軸周りに回転積層（転積）した点が実施形態３と異なる。ロータコアシート３４１の形状は、実施形態３と同一の形状を有する（図５（ａ）参照）。

実施形態４のロータコアシート３４１の積層は、図６（ａ）に示すように、ロータコアシート３４１を軸周りに１磁極毎に回転積層（転積）している。ロータコアシート３４１を軸周りに１磁極毎に転積するので、図６（ｂ）に示すように、リブ部３４３は軸方向においてロータコアシート５枚置き毎に存在することになる。

リブ部３４３が軸方向において５枚置き毎に存在するので、永久磁石５０の幅は当該リブ部３４３に制約されて実施形態３よりも小さくなり、従来構造と同一幅となる。

しかしながら、リブ部３４３が軸方向に５枚置き毎に存在し、短絡磁束が通るリブ部３４３の断面積は１／５となるので、リブ部３４３の磁気抵抗が増加して、短絡磁束量は低
減される。

実施形態４に係る埋め込み永久磁石型モータのロータ４０２は、基本的に実施形態３と同様の作用効果を奏する。実施形態４に係る埋め込み永久磁石型モータのロータ４０２は、永久磁石幅が小さくなるので実施形態３よりもトルクは低くなるが、実施形態３よりもロータコア３４０の遠心力強度は向上し、より堅牢となるという特有の効果を奏する。

以上、本発明の好適な実施形態を説明したが、これらは本発明の説明のための例示であり、本発明の範囲をこれらの実施形態にのみ限定する趣旨ではない。本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で、上記実施形態とは異なる種々の態様で実施することができる。

１ ステータ、
２ ロータ、
３０ コイル、
４０ ロータコア、
４０ａ ロータコア外周部、
４０ｂ ロータコア内周部、
４１ ロータコアシート、
４２ 磁石収容部、
４３ リブ部、
５０ 永久磁石、
１００ 埋め込み永久磁石型モータ。

Claims (4)

1. ロータコアの複数の磁石収容部に永久磁石を組み込んだ埋め込み永久磁石型モータのロータであって、
   １つの前記磁石収容部内に複数の前記永久磁石が配置され、ロータコア外周部とロータコア内周部を繋ぐリブ部が複数磁極毎に配置されることを特徴とする埋め込み永久磁石型モータのロータ。
2. 前記ロータコアは、複数のロータコアシートを回転軸の軸方向に積層したスタック構造を有することを特徴とする請求項１に記載の埋め込み永久磁石型モータのロータ。
3. 前記複数のロータコアシートを軸周りに少なくとも１磁極毎に回転させて積層したことを特徴とする請求項１または２に記載の埋め込み永久磁石型モータのロータ。
4. コイルを有するステータ内に、請求項１から３のいずれか１項に記載のロータを備えることを特徴とする埋め込み永久磁石型モータ。