JP2014068472A - 回転電機、磁極ピース製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の磁極ピースを回転軸の外周に沿って取り付けた構成を有する回転電機において、磁極ピースにスキューを設けることにより、コギングトルクが小さい回転電機の構造を提供する。
【解決手段】本発明に係る回転電機は、スキュー角を設けて配置された複数の磁極ピースと、磁極ピースを取り付ける筒状の取り付けリングとを備え、取り付けリングの外周に設けられた係合部と磁極ピースが有する係合部はともに、回転軸に沿って延伸している。
【選択図】図１２

Description

本発明は、モータや発電機などの回転電機に関するものである。

地球規模での温暖化現象に関連して、モータや発電機などの回転電機の高効率化と、小型大トルクの回転電機による車両電動化の促進が、温暖化を抑制する有効な手段として期待されている。モータは産業の米と呼ばれ、工場の消費電力の約７０％がモータによるものである。したがって、モータの効率を数％上げるだけで、数十万ｋＷ級の発電所に相当する省エネルギー効果が期待できるといわれている。

一方、運輸部門における温暖化抑制の手段として、自動車各部の電動化、ＨＥＶ（Ｈｙｂｒｉｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ）やＥＶ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ）などの環境対応自動車の普及が挙げられる。例えばＨＥＶは、従来のガソリン車に比べて燃費を半減し、ＣＯ_２の排出量を大幅に減らすことができる。また、車両電動化の一例として、パワーステアリングを従来の油圧駆動からモータ駆動に変更すると、アイドリングストップ効果により３〜５％燃費が向上し、やはりＣＯ_２の排出量を削減することができる。

回転電機に用いられるネオジム磁石、サマリウムコバルト磁石などの希土類磁石は、従来から用いられていたフェライト磁石と比べて約３倍の残留磁束密度を持ち、強力な吸引力を発揮することができる。このため近年では、小型大トルクの要請の強い自動車用モータや、高いエネルギー効率を求められるエアコンの圧縮機用モータなどを中心として、これらの希土類磁石を用いた磁石ロータ（Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ Ｒｏｔｏｒ）の採用が進み、大きな効果が得られてきた。

しかし、これら希土類磁石の材料は希少金属（レアアース）と呼ばれ、埋蔵量が鉄やアルミニウムなどのベースメタルと比べて極端に少なく、採掘される場所も限られている。このため、従来のフェライト磁石に比べて非常に高額である。このような背景から、希土類磁石は回転電機の高効率化と小型大トルク化を実現する有効な材料である一方で、低価格の回転電機を提供していくために、希土類磁石を用いずに、同等のモータ性能を実現させようとする動きが活性化している。

上述のような背景を受け、保持力は小さいが重量単価の安いフェライト磁石を用いて、ネオジム磁石と同等の吸引力を発生させる手段として、Ｉ型埋め込み磁石ロータを用いた回転電気が提案されている。ただし、I型埋め込み磁石ロータは、磁石がロータ内に埋め込まれているため有効磁束密度が低く、従来の表面磁石ロータと比較してコギングトルク（回転電機に通電をせずに低速回転した時のトルク脈動）が大きい。このため、ＥＰＳ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｓｔｅｅｒｉｎｇ）用モータなど、コギングトルクに対する要求仕様が高い回転電機には向かないと考えられる。

下記特許文献１には、「スキューによる磁束密度の低下による回転電機の性能低下を抑制し、製作が容易な回転子コア、永久磁石回転子および永久磁石形同期回転電機を提供する。」ことを目的とする技術として、「回転子コア３の軸方向対し斜めに形成された永久磁石挿入溝３４の内部に永久磁石２を挿入し、隣り合う磁石２は同極が対向するように配置して回転子１を構成する。この回転子１と空隙を介して対向するように固定子を配設し、回転子１と固定子が相対的に回転可能となるように支持することでコギングトルクの生じない高性能の永久磁石型モータが得られる。」というものが開示されている（要約）。

特開２００９−５００９９号公報

上記特許文献１に記載されている技術においては、回転子コア３は永久磁石２を挿入する溝３４を設けた積層部材によって形成されている。この構成の下では、回転子コア３はその全体が同一の材料によって形成される。

一方、ロータの一部（例えば回転軸に隣接する内周部分）を別の材料によって形成しようとすると、特許文献１に記載されている構成を採用することはできない。そこで本発明では、複数の磁極ピースを回転軸の外周に沿って取り付けた構成を有する回転電機において、磁極ピースにスキューを設けることにより、コギングトルクが小さい回転電機の構造を提供することを目的とする。

本発明に係る回転電機は、スキュー角を設けて配置された複数の磁極ピースと、磁極ピースを取り付ける筒状の取り付けリングとを備え、取り付けリングの外周に設けられた係合部と磁極ピースが有する係合部はともに、回転軸に沿って延伸している。

本発明に係る回転電機によれば、磁極ピースにスキュー角を設けることにより、複数の磁極ピースを組み付けたロータ構造において、コギングトルクを小さく抑えることができる。また、取り付けリングと磁極ピースが互いに係合する部分は回転軸に沿って延伸しているので、これらを嵌合させて強固に固定し、堅牢なロータ構造を得ることができる。

上記した以外の課題、構成、および効果は、以下の実施形態の説明により明らかになるであろう。

Ｉ型埋め込み磁石ロータのロータ部分を示す図である。 従来型の表面磁石モータのロータ部分を示す図である。 Ｉ型埋め込み磁石ロータの磁束の流れを示す図である。 既存のＩ型埋め込み磁石ロータにおいて部材を固定する手段を示す図である。 取り付けリング７の斜視図である。 取り付けリング７を製作するための板材ピース９の斜視図である。 磁極ピース３の斜視図である。 永久磁石１の斜視図である。 磁極ピース３と永久磁石１を環状に配置した状態を示す斜視図である。 取り付けリング７と磁極ピース３を嵌合させる工程を示す図である。 磁極ピース３、永久磁石１、取り付けリング７を組み付ける別手法を説明する図である。 部組品１３の斜視図である。 実施形態１に係るＩ型埋め込み磁石ロータ２を搭載した回転電機の内部斜視図である。 磁極ピース３を形成する打ち抜き品２１の斜視図である。 打ち抜き品２１を打ち抜く際に用いる２種類のパンチの上面図である。 鋼板を打ち抜く位置の違いについて説明する図である。 複数の部組品１３を積み上げる様子を示す斜視図である。 永久磁石１に代えてコイルを配置する場合における構成例を示す図である。

＜従来のI型埋め込み磁石ロータ＞
以下ではまず、比較例として従来のＩ型埋め込み磁石ロータについて説明し、その後に本発明に係る回転電機の構成を説明する。

図１は、Ｉ型埋め込み磁石ロータのロータ部分を示す図である。Ｉ型埋め込み磁石ロータは、保持力は小さいが重量単価の安いフェライト磁石を用いて、ネオジム磁石と同等の吸引力を発生させる手段として用いられる。

Ｉ型埋め込み磁石ロータにおいては、セグメント磁石１の長手方向がロータ２の径方向を向くように配置される。すなわち、ロータ２の外周側にステータの内周面が位置する。周方向に配置されたセグメント磁石１の間には、電磁鋼板などの磁性体で構成した磁極ピース３が配置される。

図２は、従来型の表面磁石（ＳＰＭ：Ｓｕｒｆａｃｅ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ）モータのロータ部分を示す図である。表面磁石モータにおいては、磁石１の長手方向がロータ２の周方向に沿うように配置されている。すなわち、ロータ２の外周側にステータの内周面が位置する。

図１に示すＩ型埋め込み磁石ロータは、磁石を埋め込む方向を変えることにより、図２に示す従来型の表面磁石ロータよりも、磁石１の長手方向の寸法を大きくすることができる。Ｉ型埋め込み磁石ロータにおいては、保持力が希土類磁石に比べて１／３程度のフェライト磁石を用いても、磁石表面積を例えば３倍にすることにより、希土類磁石を用いたロータと同等の吸引力を発生させることができる。なお、磁石表面積を増やすと使用する磁石の体積は増加するが、重量単価が低い分、回転電機のコストを下げることができる。

図３は、Ｉ型埋め込み磁石ロータの磁束の流れを示す図である。図３（ａ）は永久磁石１の内周側４が磁性体である場合の磁束の流れを示し、図３（ｂ）は非磁性体である場合の磁束の流れを示す。

Ｉ型埋め込み磁石ロータは、磁極ピース３同士を接触させることなくロータ内周部４に固定する必要がある。ロータ内周部４が磁性体である場合、図３（ａ）に示すようにロータ内周部４と永久磁石１の間に無駄な磁束が流れてしまい、ステータ５と永久磁石１の間で流れる磁束量が減少する。このため、所望のトルクを得ることができなくなる可能性がある。ロータ内周部４を非磁性体部品で構成することにより、図３（ｂ）に示すようにロータ内周部４に流れる無駄な磁束をなくし、磁束を有効活用して吸引力を確保することができる。

図４は、既存のＩ型埋め込み磁石ロータにおいて部材を固定する手段を示す図である。図４において、磁極ピース３と永久磁石１を周方向に沿って交互に配置し、全体を非磁性体である樹脂６でモールドし、回転軸と組み合わせてロータを構成している。樹脂６の例としては、ＰＢＴ（Ｐｏｌｙ Ｂｕｔｈｙｌｅｎｅ Ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌｅｔｅ）、ＰＰＳ（Ｐｏｌｙｐｈｅｎｙｌｅｎｅ Ｓｕｌｆｉｄｅ）、ＬＣＰ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｐｏｌｙｍｅｒ）樹脂などの熱可塑性樹脂や、ＢＭＣ（Ｂｕｌｋ Ｍｏｌｄｉｎｇ Ｃｏｍｐｏｕｎｄ）樹脂などの熱硬化性樹脂などが挙げられる。

樹脂６を用いて磁極ピース３と永久磁石１を固定すると、図３（ａ）に示すような無駄な磁束の流れは抑制することができるが、強度や温度耐性の観点において懸念がある。そこで本発明では、無駄な磁束の流れを抑えつつ堅牢性を増したＩ型埋め込み磁石ロータの構造を提案する。

＜実施の形態１：回転電機の構成＞
以下では図５〜図１３を用いて、本発明の実施形態１に係る回転電機を構成する各部材および組立工程について説明する。本発明に係る回転電機は、取り付けリング７の外周に磁極ピース３と永久磁石１を固定する構造を有する。

図５は、取り付けリング７の斜視図である。アルミニウム（ＪＩＳ（Ｊａｐａｎ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｓｔａｎｄａｒｄ）規格のＡ５０５２、Ａ２０１７、Ａ７０７５）、ステンレス（ＪＩＳ規格のＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３０５）などの非磁性金属を用いて、図５に示すような取り付けリング７を製作する。

取り付けリング７を塊状の一体部品として製作する場合は、切削、押し出し成形、鋳造などの製造手法を用いる。取り付けリング７の外周部分には、磁極ピース３と嵌合させるための係合部８を設ける。係合部８は、磁極ピース３が備える対応する係合部の形状に合わせて、溝形状または突起形状とする。中央の穴１４は、後述するシャフト１５を挿入するためのものである。

図６は、取り付けリング７を製作するための板材ピース９の斜視図である。取り付けリング７は、一体部品として製作する他に、図６に示すような非磁性材料で構成された板材ピース９を回転軸方向に沿って積層することによって製作することもできる。板材ピース９の外周部分には、図５と同様に係合部８が形成されている。各板材ピース９は、例えばかしめや溶接によって固定することができる。

図７は、磁極ピース３の斜視図である。磁極ピース３は、回転軸が延伸する方向に対してスキュー角が設けられた形状とする。これにより、隣接する磁極ピース３間に後述する永久磁石１を取り付けて、磁束が回転軸に対してスキューされるように構成することができる。

磁極ピース３の回転軸側（取り付けリング７に取り付けられる部位）には、取り付けリング７の係合部８と嵌合するための係合部（突起）１０を設けられている。磁極ピース３の係合部１０と取り付けリング７の係合部８は、回転軸が延伸する方向に対して平行となるように形成されている。これにより、取り付けリング７の長手方向に沿って磁極ピース３を嵌合することができるので、組立作業を容易にすることができる。組立性を阻害しないのであれば、磁極ピース３の係合部１０と取り付けリング７の係合部８は必ずしも回転軸と平行でなくともよく、例えば緩い角度で傾斜していてもよい。すなわち、磁極ピース３の係合部１０と取り付けリング７の係合部８は、少なくとも回転軸が延伸する方向に沿って延伸していればよい。

磁極ピース３の外周側（取り付けリング７に取り付けられる部位の反対側）には、永久磁石１（あるいはコイル）がロータの外周に飛び出さないように、ブリッジ１１が設けられている。ブリッジ１１に代えて、楔を挿入する溝を設けてもよい。

磁極ピース３は、粉末状の磁性体を焼結やバインド材（接着剤）によって固めて構成してもよいし、表面を絶縁コーティングした電磁鋼板を打ち抜き・積層し、（かしめ、溶接などにより）固定して構成してもよい。打ち抜き・積層によって製造する方法については後に改めて説明する。

図８は、永久磁石１の斜視図である。永久磁石１は、磁極ピース３間に配置したときに回転軸方向に対してスキュー角が形成されるような形状を有する。永久磁石１は、焼結磁石を機械加工して製造するか、または樹脂に磁石粉を混入させて型成形をしたボンド磁石を用いて構成することができる。

図９は、磁極ピース３と永久磁石１を環状に配置した状態を示す斜視図である。磁極ピース３のスキュー形状に合わせて、永久磁石１が回転軸方向に対してスキューしていることが分かる。なお図９においては、磁極ピース３はまだ取り付けリング７に取り付けられていない。

図１０は、取り付けリング７と磁極ピース３を嵌合させる工程を示す図である。図９に示す状態において、磁極ピース３の係合部１０と取り付けリング７の係合部８を互いに位置合わせして、回転軸に沿って嵌合させる。磁極ピース３の係合部１０と取り付けリング７の係合部８はともに回転軸に対して平行（または略平行）に構成されているので、この工程は容易に実施することができる。さらに、永久磁石１の破損を防止するため、接着材で磁極ピース３、永久磁石１、取り付けリング７を固着してもよい。

図１１は、磁極ピース３、永久磁石１、取り付けリング７を組み付ける別手法を説明する図である。まず磁極ピース３のみを図９と同様に円周状に配置し、磁極ピース３の係合部１０と取り付けリング７の係合部８を互いに位置合わせして図１０と同様に嵌合する。次に、これら部材を金型内にセットし、磁極ピース３と取り付けリング７によって形成される溝１２の中にボンド磁石を注入する。

図１２は、部組品１３の斜視図である。以上説明した工程により、スキュー角が設けられた磁極ピース３を取り付けリング７に対して強固に固定した部組品１３が構成される。永久磁石１、磁極ピース３、取り付けリング７が軸方向に分離しないように、必要に応じて構成部品の軸方向端面にリング状の抑え部品（図示せず）を取り付ける。取り付けリング７の穴１４にシャフト１５（図示せず）を挿入し、ナーリング（シャフト１５の表面に軸方向に付けた突起を穴１４の内周面に噛み込ませる）、圧入、キー固定（ただし図１２においては、穴１４のキー溝を記載していない）などを用いて一体化させる。以上の工程により、Ｉ型埋め込み磁石ロータが構成される。

図１３は、本実施形態１に係るＩ型埋め込み磁石ロータ２を搭載した回転電機の内部斜視図である。Ｉ型埋め込み磁石ロータ２をステータ１６の内周に組み込み、Ｉ型埋め込み磁石ロータ２の両端をベアリング１７で回転可能に支持する。ステータ１６は、内周に複数の溝（スロット）１８を設けた円筒形状に電磁鋼板を打ち抜き、積層・固定し、ティースの周りを樹脂製のインシュレータで保護した後、コイル１９を巻線し、コイル１９の端末線を接続して電気回路を構成したものである。コイル１９の入力線２０に電流を流すと、コイル１９によってステータコア５の内周面に回転磁界が生じ、Ｉ型埋め込み磁石ロータ２の永久磁石１（図示せず）と引き付け合って同期して回転する。

以上、本実施形態１に係る回転電機の構成について説明した。以下ではスキュー角が設けられた磁極ピース３を製造する手順について説明する。

＜実施の形態１：磁極ピース３の製造手順＞
図１４は、磁極ピース３を形成する打ち抜き品２１の斜視図である。打ち抜き品２１は例えば厚さ０．３５ｍｍや０．５ｍｍの方向性電磁鋼板などを用いて構成することができる。打ち抜き品２１を積層することにより、磁極ピース３を形成する。ただし、磁極ピース３の内周側（取り付けリング７に取り付ける部位）は回転軸に対して平行とし、外周側にのみスキュー角を設けるため、以下に説明する手順を採用する。

図１５は、打ち抜き品２１を打ち抜く際に用いる２種類のパンチの上面図である。打ち抜き品２１は、順送金型においてこれらパンチを用いて電磁鋼板などを打ち抜くことによって形成することができる。図１５（Ａ）は、打ち抜き品２１の内周部分を形成するためのパンチである。図１５（Ｂ）は、打ち抜き品２１の突起形状を形成するためのパンチである。

図１６は、鋼板を打ち抜く位置の違いについて説明する図である。磁極ピース３のスキュー角を形成するため、鋼板を１枚打ち抜く毎に、図１５（Ｂ）のパンチを回転させる。これにより、鋼板の層毎に打ち抜き品２１の外周部分が円周方向に沿って一定角度でずれることになるので、打ち抜き品２１を積層すると磁極ピース３の外周部分にスキュー角が形成される。また、図１５（Ａ）のパンチは全ての層について同じ位置とする。これにより、打ち抜き品２１の内周部分は全層について同じ位置となるので、磁極ピース３の内周部分は回転軸に対して平行となる。

なお、磁極ピース３の係合部１０を回転軸方向と略平行にする場合、磁極ピース３の寸法形状に依拠して、形成できるスキュー角度が制約される。例えば、本実施形態１に係るＩ型埋め込み磁石ロータ２については、スキュー角度は隣接する磁極ピース３間の角度の１／２未満となる。スキュー角度がこれ以上になると、係合部１０のサイズを超過してしまうからである。

＜実施の形態１：まとめ＞
以上のように、本実施形態１に係る回転電気は、磁極ピース３と永久磁石１にスキュー角を設けることにより、コギングトルクが小さいＩ型埋め込み磁石ロータ２を提供することができる。また、磁極ピース３の係合部１０と取り付けリング７の係合部８を回転軸に対して平行に構成することにより、これらを嵌合させる工程を容易にするとともに、堅牢性を確保することができる。

＜実施の形態２＞
図１７は、複数の部組品１３を積み上げる様子を示す斜視図である。実施形態１で説明したように、磁極ピース３のスキュー角は隣接する磁極ピース３間の角度の１／２未満となる。これよりも大きなスキュー角を形成したい場合は、複数の部組品１３を回転軸方向に積み上げ、磁極ピース３のスキュー部分が各部組品１３間で連続するように、各部組品１３を配置すればよい。

＜実施の形態３＞
図１８は、永久磁石１に代えてコイルを配置する場合における構成例を示す図である。この場合、磁極ピース３の上下端面から樹脂製のボビン２３を取り付け、ボビン２３に巻線（図示せず）を施してから取り付けリング７と組み合わせる。これにより、スキュー角が付与されたＤＣブラシモータ用の集中巻ロータを構成することができる。磁極ピース３と取り付けリング７を分割することにより、高密度な巻線を施すことができる。また、磁極ピース３にスキュー角を付与することにより、トルク脈動を低減することができる。

本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。上記実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることもできる。また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることもできる。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成を追加・削除・置換することもできる。

１：永久磁石、２：ロータ、３：磁極ピース、４：ロータ内周部、５：ステータ、６：樹脂、７：取り付けリング、８：係合部、９：板材ピース、１０：係合部、１１：ブリッジ、１２：溝、１３：部組品、１４：穴、１５：シャフト、１６：ステータ、１７：ベアリング、１８：スロット、１９：コイル、２０：入力線、２１：打ち抜き品、２３：ボビン。

Claims (8)

1. 回転軸が延伸する方向に対してスキュー角を設けて配置された複数の磁極ピースと、
   前記磁極ピースを取り付ける筒状の取り付けリングと、
   を備え、
   前記取り付けリングの外周に設けられた係合部と前記磁極ピースが有する係合部とが嵌合して前記磁極ピースと前記取り付けリングが固定され、
   隣接する前記磁極ピース間の空隙部分に永久磁石またはコイルが配置され、
   前記取り付けリングの外周に設けられた係合部と前記磁極ピースが有する係合部はともに、前記回転軸に沿って延伸している
   ことを特徴とする回転電機。
2. 前記取り付けリングの外周に設けられた係合部と前記磁極ピースが有する係合部はともに、前記回転軸が延伸する方向に対して平行に延伸している
   ことを特徴とする請求項１記載の回転電機。
3. 前記磁極ピースは磁性体を用いて構成され、
   前記取り付けリングは非磁性体を用いて構成されている
   ことを特徴とする請求項１記載の回転電機。
4. 前記磁極ピースは、磁性体を用いて構成された磁性板状部材を積層して形成されている
   ことを特徴とする請求項３記載の回転電機。
5. 前記磁極ピースを前記取り付けリングの外周に取り付けた部組品を、前記回転軸に沿って複数個積み上げ、各前記部組品が備える前記磁極ピースのスキューが各前記部組品間で連続的につながるように各前記部組品を配置した
   ことを特徴とする請求項１記載の回転電機。
6. 前記取り付けリングは、非磁性金属を用いて構成されている
   ことを特徴とする請求項１記載の回転電機。
7. 前記取り付けリングは、ＪＩＳ規格が規定している非磁性金属である、Ａ５０５２、Ａ２０１７、Ａ７０７５、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３０５のうち少なくともいずれかを用いて構成されている
   ことを特徴とする請求項６記載の回転電機。
8. 回転電機が備える回転軸の外周に前記回転軸に対して放射状に取り付けられる磁極ピースを製造する方法であって、
   磁性体を用いて構成された磁性板状部材の中央部分を打ち抜いて、前記磁極ピースのうち前記回転軸に近い側の端部に設けられる係合部を形成する第１ステップ、
   前記磁性板状部材を打ち抜いて、前記磁極ピースのうち前記回転軸から遠い側の端部に設けられる突起形状を形成する第２ステップ、
   前記係合部と前記突起形状を形成した前記板状部材を複数積層する第３ステップ、
   を有し、
   前記第１ステップにおいては、各前記板状部材について一定の位置で前記板状部材を打ち抜き、
   前記第２ステップにおいては、前記板状部材毎に前記回転軸の回転方向に沿って一定の回転角ずらした位置で前記板状部材を打ち抜く
   ことを特徴とする磁極ピース製造方法。

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