JP2014103741A - 磁石埋込型ロータ - Google Patents

Abstract

【課題】モータの出力トルクを高めることのできる磁石埋込型ロータを提供する。
【解決手段】この磁石埋込型ロータ４は、円筒状のロータコア５と、ロータコア５に埋め込まれる複数の永久磁石６とを備え、各永久磁石６によりロータコア５の外周部分にＮ極及びＳ極が交互に形成されている。ここでは永久磁石６が、Ｗ字状に連結された２つのＶ字状永久磁石６０，６１からなる。
【選択図】図２

Description

本発明は、磁石埋込型ロータに関する。

近年、ロータの内部に永久磁石を埋め込んだ構造からなるＩＰＭモータ（Ｉｎｔｅｒｉｏｒ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ Ｍｏｔｏｒ）が知られている。このＩＰＭモータに用いられるロータとしては、特許文献１に記載のロータがある。

特許文献１に記載のロータは、その軸方向に複数枚の電磁鋼板を積層してなる円筒状のロータコアを備えている。ロータコアには、外周側に向けて開くＶ字をなす一対の永久磁石が周方向に並べて配置されている。一対の永久磁石は、ロータコアの外周部分に一磁極を形成する。

特開２０１１−１４７３２３号公報

ところで、近年、ＩＰＭモータは様々な機器で使用されており、その使用環境によっては、より高出力であることが要求されている。
本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、モータの出力トルクを高めることのできる磁石埋込型ロータを提供することにある。

上記課題を解決するために、円筒状のロータコアと、前記ロータコアに埋め込まれる複数の永久磁石と、を備え、前記複数の永久磁石により前記ロータコアの外周部分にＮ極及びＳ極が交互に形成されてなる磁石埋込型ロータにおいて、前記ロータコアには、その外周側に向けて開くＶ字状をなすように前記永久磁石を埋め込むとともに、このＶ字状永久磁石を周方向に並べて配置し、前記周方向に並べて配置された複数のＶ字状永久磁石により一磁極を形成する。

この構成のように複数のＶ字状永久磁石で一磁極を形成すれば、一つのＶ字状永久磁石のみで一磁極を形成する場合と比較して、ロータコア外周面に対向する一磁極当たりの磁石表面積を容易に増加させることができる。これによりロータコア外周面での磁束密度を増加させ易くなるため、モータのステータコイルに鎖交する有効磁束量が増加し、モータの出力トルクを高めることができる。

上記磁石埋込型ロータについて、前記一磁極を形成するＶ字状永久磁石同士の隣接部分が、前記ロータコアの径方向に沿って同一の方向に着磁されていることが好ましい。
この構成によれば、Ｖ字状永久磁石同士の隣接部分が接触あるいは近接している場合でも、それらの隣接部分において磁束のやり取りが確実に行われるため、磁路が形成され易くなる。これにより各Ｖ字状永久磁石の隣接部分から確実に磁束を発生させることができるため、ロータコアの外周面での磁束密度が増加し、モータの出力トルクが向上する。

上記磁石埋込型ロータについて、前記一磁極を形成する複数のＶ字状永久磁石の全てが、前記ロータコアの径方向に沿って同一の方向に着磁されていることが好ましい。
この構成によれば、永久磁石の着磁方向がその厚さ方向に対して所定角度をなす方向となるため、薄い永久磁石を用いた場合でも、着磁方向の厚さを確保できる。これにより永久磁石の保磁力が向上するため、ロータコア外周面での磁束密度が安定し、モータの出力トルクが安定する。

上記磁石埋込型ロータについて、２つの前記Ｖ字状永久磁石を連結したＷ字状の磁石が前記一磁極を形成することが好ましい。
この構成によれば、一つのＶ字状永久磁石のみで一磁極を形成する場合と比較すると、ロータコア外周面での磁束密度が容易に増加するため、モータの出力トルクを容易に高めることができる。

上記磁石埋込型ロータについて、３つ以上の前記Ｖ字状永久磁石を連結した波形状の磁石が前記一磁極を形成することが好ましい。
この構成によれば、Ｗ字状の磁石を用いる場合と比較すると、ロータコア外周面での磁束密度が更に増加するため、モータの出力トルクを更に高めることができる。

上記磁石埋込型ロータについて、前記一磁極を形成するＶ字状永久磁石同士の隣接部分に隙間が設けられていることが好ましい。
この構成によれば、複数のＶ字状永久磁石のそれぞれの隣接部分における磁束のやり取りが確保されるため、それらの隣接部分から確実に磁束を発生させることができる。これによりモータの出力トルクを向上させることが可能である。

この磁石埋込型ロータによれば、モータの出力トルクを高めることができる。

磁石埋込型ロータの第１実施形態について同ロータを用いたＩＰＭモータの断面構造を示す断面図。 第１実施形態の磁石埋込型ロータの断面構造を示す断面図。 第１実施形態の磁石埋込型ロータについてそのロータコア外周面にＮ極を形成する永久磁石周辺の断面構造を示す断面図。 磁石埋込型ロータの一例についてそのロータコア外周面にＮ極を形成する永久磁石周辺の断面構造を示す断面図。 第１実施形態の磁石埋込型ロータの第１変形例についてそのロータコア外周面にＮ極を形成する永久磁石周辺の断面構造を示す断面図。 第１実施形態の磁石埋込型ロータの第２変形例についてそのロータコア外周面にＮ極を形成する永久磁石周辺の断面構造を示す断面図。 磁石埋込型ロータの第２実施形態についてそのロータコア外周面にＮ極を形成する永久磁石周辺の断面構造を示す断面図。 第１実施形態の磁石埋込型ロータの他の変形例についてそのロータコア外周面にＮ極を形成する永久磁石周辺の断面構造を示す断面図。 第２実施形態の磁石埋込型ロータの変形例についてそのロータコア外周面にＮ極を形成する永久磁石周辺の断面構造を示す断面図。 第２実施形態の磁石埋込型ロータの他の変形例についてそのロータコア外周面にＮ極を形成する永久磁石周辺の断面構造を示す断面図。

＜第１実施形態＞
以下、磁石埋込型ロータの第１実施形態について説明する。はじめに、図１及び図２を参照して、本実施形態の磁石埋込型ロータを用いたＩＰＭモータの構造について説明する。

図１に示すように、このＩＰＭモータは、ハウジング１の内周面に固定された円筒状のステータ２、図示しない軸受けを介してハウジング１により回転可能に支持された出力軸３、及び出力軸３の外周に一体的に取り付けられたロータ４を備えている。

ステータ２は、その軸方向に複数枚の電磁鋼板を積層した構造からなる。ステータ２の内周面には、径方向内側に向かって延びる６つのティース２０が形成されている。各ティース２０にはステータコイル２１が巻回されている。

ロータ４は、その軸方向に複数枚の電磁鋼板を積層してなる円筒状のロータコア５、及びロータコア５の内部に埋め込まれた４つの永久磁石６を備えている。
図２に示すように、ロータコア５には、その軸方向に貫通する４つの磁石挿入孔５０が周方向に等角度間隔で４つ形成されている。磁石挿入孔５０は、ロータコア軸方向に直交する断面形状がＷ字状をなしている。これらの磁石挿入孔５０に永久磁石６がそれぞれ挿入されている。

永久磁石６は、ロータコア軸方向に直交する断面形状がＷ字状をなしている。すなわち永久磁石６は、ロータコア外周側に向けて開くＶ字をなす２つの永久磁石６０，６１をロータコア周方向に連結した形状をなしている。本実施形態では、これらの永久磁石６０，６１がＶ字状永久磁石となる。なお永久磁石６は焼結磁石により一体成形されている。４つの永久磁石６には、ロータコア外周側にＮ極を有するものと、ロータコア外周側にＳ極を有するものとがある。これらがロータコア周方向に交互に配置されることによりロータコア５の外周部分にＮ極及びＳ極が交互に形成されている。

このように構成されたモータでは、図１に示すステータコイル２１に三相の電流が供給されると、ステータ２により回転磁界が形成される。この回転磁界に基づいてロータ４の各永久磁石６が吸引されることでロータ４にトルクが付与され、出力軸３が回転する。

次に、図３を参照して永久磁石６の構造について詳述する。図３は、ロータコア外周部分にＮ極を形成する永久磁石６周辺の拡大構造を示したものである。
図３に矢印で示すように、２つのＶ字状永久磁石６０，６１のそれぞれのＶ字の各辺をなす線状部６０ａ，６０ｂ，６１ａ，６１ｂのうち、互いに連結された線状部６０ｂ，６１ａと、それ以外の線状部６０ａ，６１ｂとで着磁方向が異なっている。詳しくは、線状部６０ｂ，６１ａは、ロータコア５の径方向内側から外側に向かう方向（図中の矢印ａで示す方向）に着磁されている。これに対し、線状部６０ａ，６１ｂは、それらの厚さ方向であってＶ字の外側から内側に向かう方向（図中の矢印ｂ１，ｂ２で示す方向）に着磁されている。永久磁石６は、このように着磁されることによりロータコア外周側にＮ極を有し、その反対側にＳ極を有している。

なお、ロータコア外周部分にＳ極を形成する永久磁石６は、図３に示した永久磁石６の着磁方向を逆方向にした構造からなる。
次に、本実施形態のロータ４の作用について説明する。

本実施形態のロータ４のように、２つのＶ字状永久磁石６０，６１を連結したＷ字状の永久磁石６で一磁極を形成すると、１つのＶ字状永久磁石のみで一磁極を形成する場合と比較して、ロータコア外周面に対向する一磁極当たりの磁石表面積を容易に増加させることができる。これによりロータコア外周面での磁束密度が増加するため、ステータコイル２１に鎖交する有効磁束量が増加し、モータの出力トルクを高めることができる。

ところで、図４の参考例に示すように、仮にＶ字状永久磁石６０，６１が連結されておらず、全ての線状部６５ａ，６５ｂ，６６ａ，６６ｂを厚さ方向に着磁してロータコア５の磁石挿入孔５０に挿入した場合、互いに隣接する線状部６０ｂ，６１ａが、二点鎖線で示す境界ＡにおいてＳ極同士で背面合わせとなる。この境界Ａにおいては、磁束のやり取りが行われないため、磁路が形成されず、各線状部６０ｂ，６１ａの境界Ａ近傍から発生する磁束が減少するおそれがあり、好ましくない。

この点、本実施形態では、図３に示すようにＶ字状永久磁石６０，６１の線状部６０ｂ，６１ａがロータコア５の径方向に沿って同一の方向に着磁されているため、線状部６０ｂ，６１ａが接触している場合でも、それらの境界に相当する部分Ｂにおいて磁束のやり取りが確実に行われるため、磁路が形成され易くなる。これにより各線状部６０ｂ，６１ａの境界Ａ近傍からも確実に磁束を発生させることができるため、ロータコア外周面での磁束密度が増加し、モータの出力トルクが向上する。

以上説明したように、本実施形態の磁石埋込型ロータ４によれば以下の効果が得られる。
（１）ロータコア５には、Ｗ字状の永久磁石６を周方向に並べて配置した。そしてＷ字状の永久磁石６によりロータコア５の外周部分に一磁極を形成した。これにより、一つのＶ字状永久磁石で一磁極を形成する場合と比較すると、ロータコア外周面での磁束密度を増加させ易くなるため、モータの出力トルクを高めることができる。

（２）Ｖ字状永久磁石６０，６１においてロータコア周方向にそれぞれ隣接する線状部６０ｂ，６１ａを、ロータコア５の径方向に沿って同一の方向に着磁した。これにより、各線状部６０ｂ，６１ａの境界Ａ近傍からも確実に磁束を発生させることができるため、ロータコア外周面での磁束密度が増加し、モータの出力トルクが向上する。

なお、この第１実施形態にかかる磁石埋込型ロータ４は、例えば以下の変形例のごとく、これを適宜変更して実施することもできる。
（第１変形例）
図５に、第１実施形態にかかる磁石埋込型ロータ４の第１変形例を示す。

図５に示すように、この変形例の永久磁石６では、Ｖ字状永久磁石６０，６１のそれぞれの線状部６０ｂ，６１ａのみならず、それ以外の線状部６０ａ，６１ｂもロータコア５の径方向に沿って同一の方向に着磁されている。このような構成によれば、永久磁石６の全体の着磁方向がその厚さ方向と所定角度をなす方向となるため、着磁方向の厚さを確保できる。これにより永久磁石６の保磁力が向上するため、ロータコア外周面の磁束密度が安定し易くなり、モータの出力トルクが安定する。このような構成は、永久磁石６の板厚が薄い場合に特に有効である。

（第２変形例）
図６に、第１実施形態にかかる磁石埋込型ロータ４の第２変形例を示す。
図６に示すように、この変形例の永久磁石６は、ロータコア外周側に向けて開く３つのＶ字状永久磁石６２〜６４を周方向に連結した形状からなり、全体として波形状をなしている。なお波形状とは、複数のＶ字を横方向に並べ、それらを互いに連結した形状を意味する。このように永久磁石６を波形状に形成すれば、上記実施形態のようなＷ字状の永久磁石６を用いる場合と比較して、ロータコア外周面に対向する一磁極当たりの磁石表面積を更に増加させることが可能である。これによりロータコア外周面での磁束密度を増加させ、モータの出力トルクの向上を容易に実現できる。

＜第２実施形態＞
次に図７を参照して磁石埋込型ロータの第２実施形態について説明する。図７は、ロータコア外周側にＮ極を形成する永久磁石６周辺の拡大構造を示したものである。

図７に示すように、本実施形態のロータコア５には、その軸方向に貫通するＶ字状の２つの磁石挿入孔５１，５２が隔壁５３を介して隔てられるように形成されている。そして、これらの磁石挿入孔５１，５２に永久磁石６５，６６がそれぞれ挿入されている。本実施形態では、これらの永久磁石６５，６６がＶ字状永久磁石となっている。各Ｖ字状永久磁石６５，６６は焼結磁石により成形されている。Ｖ字状永久磁石６５，６６のそれぞれのＶ字をなす各辺は、線状部６５ａ，６５ｂ，６６ａ，６６ｂから構成される。それらのうち、ロータコア周方向に隣接する線状部６５ｂ及び線状部６６ａは、隔壁５３を挟んで周方向に離間して設けられている。線状部６５ｂ及び線状部６６ａは、隔壁５３を挟んでロータコア径方向に平行に延びるようにして設けられている。また各線状部６５ａ，６５ｂ，６６ａ，６６ｂは、それらの厚さ方向であってＶ字の外側から内側に向かう方向に着磁されている。これにより各Ｖ字状永久磁石６５，６６はＶ字の内側にＮ極を有し、Ｖ字の外側にＳ極を有している。そして永久磁石６は、これらのＶ字状永久磁石６５，６６によりロータコア外周部分にＮ極を形成している。

なお、ロータコア外周部分にＳ極を形成する永久磁石６は、図３に示した永久磁石６の着磁方向を逆方向にした構造からなる。
次に、本実施形態のロータ４の作用について説明する。

本実施形態のように、ロータコア周方向に並ぶ２つのＶ字状永久磁石６５，６６で一磁極を形成すれば、１つのＶ字状永久磁石で一磁極を形成する場合と比較して、ロータコア外周面に対向する一磁極当たりの磁石表面積を増加させ易くなる。これによりロータコア外周面での磁束密度が増加するため、ステータコイル２１に作用する有効磁束量が増加し、モータの出力トルクを高めることができる。

また本実施形態では、ロータコア周方向に並ぶ２つのＶ字状永久磁石６５，６６の間、すなわち互いに隣接する線状部６５ｂ，６６ａの間に隔壁５３（隙間）が設けられている。本実施形態では、隔壁５３を介して磁束のやり取りが可能であるため、磁路が形成され易くなり、各線状部６５ｂ，６６ａから確実に磁束を発生させることができる。

以上説明したように、本実施形態の磁石埋込型ロータ４によれば以下の効果が得られる。
（３）一磁極を形成する２つのＶ字状永久磁石６５，６６においてロータコア周方向に隣接する線状部６５ｂ，６６ａの間に隙間を設けた。これにより線状部６５ｂ，６６ａにおける磁束のやり取りが確保されるため、線状部６５ｂ，６６ａから確実に磁束を発生させることができる。したがってモータの出力トルクを向上させることが可能である。

＜他の実施形態＞
なお、上記各実施形態は、これを適宜変更した以下の形態にて実施することもできる。
・上記第１実施形態では、各Ｖ字状永久磁石６０，６１が互いに連結されていたが、図８に示すように各Ｖ字状永久磁石６０，６１が分離されていてもよい。なお、このような構成であっても、Ｖ字状永久磁石６０，６１の線状部６０ｂ，６１ａをロータコア５の径方向に沿って同一の方向（矢印ａで示す方向）に着磁することが有効である。これにより、第１実施形態と同様に、線状部６０ｂ，６１ａの隣接部分Ｃにおける磁束のやり取りが確保され、磁路が形成され易くなるため、線状部６０ｂ，６１ａから確実に磁束を発生させることができる。このためロータコア外周面での磁束密度が増加し、モータの出力トルクが向上する。なお上記第１実施形態の第１変形例及び第２変形例でも、各Ｖ字状永久磁石６０〜６４が分離されていてもよい。

・上記第１実施形態の第２変形例では、一磁極を形成する波形状の永久磁石６を３つのＶ字状永久磁石６２〜６４で構成したが、同永久磁石６を４つ以上のＶ字状永久磁石で構成してもよい。

・上記第２実施形態のロータコア５では、Ｖ字状永久磁石６５，６６のそれぞれの線状部６５ｂ，６６ａを互いに平行となるように配置したが、図９に示すように、線状部６５ｂ，６６ａを互いに平行とならないように配置してもよい。

・上記第２実施形態では、各Ｖ字状永久磁石６５，６６を一つの永久磁石で構成したが、各Ｖ字状永久磁石６５，６６を矩形状の複数の永久磁石で構成してもよい。具体的には、図１０に示すように、ロータコア５に形成された一方のＶ字状の磁石挿入孔５１を、ブリッジ部５１ａを介して隔てられた矩形状の２つの磁石挿入孔５１ｂ，５１ｃにより構成する。また他方のＶ字状の磁石挿入孔５２も、ブリッジ部５２ａを介して隔てられた矩形状の２つの磁石挿入孔５２ｂ，５２ｃにより構成する。そして磁石挿入孔５１ｂ，５１ｃにそれぞれ挿入された矩形状の永久磁石７０，７１により一方のＶ字状永久磁石６５を構成し、磁石挿入孔５２ｂ，５２ｃにそれぞれ挿入された矩形状の永久磁石７２，７３により他方のＶ字状永久磁石６６を構成する。各Ｖ字状永久磁石６５，６６をこのように構成しても上記第２実施形態に準じた効果を得ることが可能である。なお、上記第１実施形態及びその変形例のＶ字状永久磁石６０〜６４についても矩形状の複数の永久磁石で構成してもよい。また矩形状以外の形状からなる複数の永久磁石で各Ｖ字状永久磁石６０〜６６を構成してもよい。

・上記第２実施形態では、一磁極を形成する永久磁石６を２つのＶ字状永久磁石６５，６６で構成したが、同永久磁石６を３つ以上のＶ字状永久磁石で構成してもよい。
・上記各実施形態及びその変形例では、永久磁石６として焼結磁石を採用したが、ボンド磁石などを採用してもよい。

・上記各実施形態では、ロータ４の磁極数が４極であったが、その磁極数は２極や６極など、適宜変更可能である。また、それに応じて永久磁石６の数やステータ２の形状などを適宜変更してもよい。

４…磁石埋込型ロータ、５…ロータコア、６…永久磁石、６０〜６６…Ｖ字状永久磁石、６０ａ，６０ｂ，６１ａ，６１ｂ，６５ａ，６５ｂ，６６ａ，６６ｂ…線状部。

Claims (6)

1. 円筒状のロータコアと、前記ロータコアに埋め込まれる複数の永久磁石と、を備え、
   前記複数の永久磁石により前記ロータコアの外周部分にＮ極及びＳ極が交互に形成されてなる磁石埋込型ロータにおいて、
   前記ロータコアには、その外周側に向けて開くＶ字状をなすように前記永久磁石が埋め込まれるとともに、このＶ字状永久磁石が周方向に並べて配置され、前記周方向に並べて配置された複数のＶ字状永久磁石により一磁極が形成されていることを特徴とする磁石埋込型ロータ。
2. 請求項１に記載の磁石埋込型ロータにおいて、
   前記一磁極を形成するＶ字状永久磁石同士の隣接部分が、前記ロータコアの径方向に沿って同一の方向に着磁されていることを特徴とする磁石埋込型ロータ。
3. 請求項２に記載の磁石埋込型ロータにおいて、
   前記一磁極を形成する複数のＶ字状永久磁石の全てが、前記ロータコアの径方向に沿って同一の方向に着磁されていることを特徴とする磁石埋込型ロータ。
4. 請求項２又は３に記載の磁石埋込型ロータにおいて、
   ２つの前記Ｖ字状永久磁石を連結したＷ字状の磁石が前記一磁極を形成することを特徴とする磁石埋込型ロータ。
5. 請求項２又は３に記載の磁石埋込型ロータにおいて、
   ３つ以上の前記Ｖ字状永久磁石を連結した波形状の磁石が前記一磁極を形成することを特徴とする磁石埋込型ロータ。
6. 請求項１に記載の磁石埋込型ロータにおいて、
   前記一磁極を形成するＶ字状永久磁石同士の隣接部分に隙間が設けられていることを特徴とする磁石埋込型ロータ。