JP2014150659A - モータの磁石配置構造、ロータおよびｉｐｍモータ - Google Patents

Abstract

【課題】磁石の割れ・剥がれ・飛散・それによる故障発生の生じることがなく、低コストで高い磁気特性を備えたモータの磁石配置構造。
【解決手段】磁石配置構造１０は、ＩＰＭ構造を備えたモータ（ＩＰＭモータ）のロータＲにおける磁石の配列形態に係る構造であって、複数のセグメント磁石２、３により囲繞形態に形成される極９が連続配置されている構成である。これにより極９からの磁束の漏れが軽減される。
【選択図】図１Ｂ

Description

本発明はモータの磁石配置構造、ロータおよびＩＰＭモータに係り、特に、モータの磁気特性を高めることのできる、モータの磁石配置構造、ロータおよびＩＰＭモータに関するものである。

従来、モータにおけるロータの磁石配置方法には、セグメント磁石をロータ表面に貼り付けることで構成したり、あるいはリング磁石を用いることで構成する、いわゆるＳＰＭ（Ｓｕｒｆａｃｉａｌ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ）構造による場合と、磁石をロータ内に埋め込むことで構成する、いわゆるＩＰＭ（Ｉｎｔｅｒｎａｌ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ）構造による場合とがある。

図５は、従来のモータにおけるロータの磁石配置構成例を示す断面図である。このうち（ｂ）に示したセグメント磁石６２、６２、・・・の貼り付けによる構成では、瓦状に形成したセグメント磁石６２がロータ６Ｒの表面に貼り付けられる。しかし、それぞれの材料であるセラミックス等と金属の熱膨張率の違いにより、セグメント磁石６２の割れや剥がれが生じて特性が低下し、さらにこれが飛散することによってモータが故障する場合がある。

そこで、セグメント磁石６２飛散防止のために、ガラスバンドやガラス線等による緊縛固定が必要となる。この措置を行うことで、たとえセグメント磁石６２の割れや剥がれが生じた場合でも、その飛散やそれによる故障の発生を低減することができる。しかし、かかる固定措置によってエアギャップが広くなってしまい（ギャップ損）、結局、性能低下を招くことになる。もとより割れや剥がれによる特性低下は免れない。

一方、（ａ）に示したリング磁石５２を用いる構成では、（ｂ）のセグメント磁石６２のような割れや剥がれ、飛散が生じることもなく、飛散防止にガラスバンド等を別途用いることもなく、したがってギャップ損による性能低下を招くこともない。しかしながら、リング磁石５２をロータ５Ｓに取り付けるには特殊な工程が必要であり、高コストとなる。なお、磁石をロータの中に埋め込む形態で配置させるＩＰＭ構造としては、ハルバッハ配列による磁石配置が用いられており、後掲特許文献はそれに関するものである。

特開２０１２−５０１７９号公報「ハルバッハ配列磁石、その製造方法、及びハルバッハ配列磁石を備えた回転電機」

さて上述のように、ＳＰＭ構造のモータとしてリング磁石やセグメント磁石を用いる構成では、充分な磁気特性を備えた磁石配置のモータを低コストで実現することは困難である。そこで本願発明者は、ＩＰＭ構造のモータ（ＩＰＭモータ）における磁石配置構成について、鋭意研究を進めた。

図６は、研究過程におけるＩＰＭモータの磁石配置構成例を示す断面図である。このうち（ｃ）は、図５（ｂ）と同様に環状に配列した形態で磁石（セグメント磁石）７２をロータ７Ｒの表面直下に埋め込んだものである。しかしながらこの構成では、リング磁石を用いた場合と比較してトルクが相当低下してしまった。磁気特性を高めるためには、ステータ７Ｓ−ロータ７Ｒにおける磁石間のギャップが小さいことが重要であるところ、本構成ではそれが大きくなってしまったことが一因と考えられる。

（ｄ）は、２個のセグメント磁石８２によるＶ字形構造を環状に連続させた配列形態をロータ８Ｒに埋め込んだ構成である。この構成では、（ｃ）よりも高いトルクが得られたものの、リング磁石を用いた場合と比較すると依然として低く、磁気特性としては不十分であった。

図７は、図６の（ｄ）の要部拡大図である。図示するように、対向するセグメント磁石８２、８２からの磁束Ｂ、Ｂによって磁束収束が生じており、このことはトルク向上に有利だが、一方、磁束Ｄのように、トルク向上に不利な漏れ磁束も生じてしまうため、さほど高いトルクが得られなかったものと考えられる。

そこで本発明が解決しようとする課題は、かかる従来技術の問題点をなくし、磁石の割れ・剥がれ・飛散・それによる故障発生の生じることがなく、低コストで高い磁気特性を備えたモータを実現することのできる、モータの磁石配置構造およびロータを提供すること、そしてそれにより、コストが低くかつ小型軽量化も可能なモータを提供することである。特にＩＰＭ構造によるモータにおいて、低コストかつ高い磁気特性を実現できる、モータの磁石配置構造、ロータおよびＩＰＭモータを提供することである。

本願発明者は上記課題について検討した結果、磁石をＩＰＭ構造とし、ハルバッハ配列による磁石配置も参考にしつつも高い磁束収束効果を高めることを主眼とした配置方法を研究した。その結果、低コストで性能（磁気特性）をリング磁石以上に高められる構成を見出すに至り、これに基づいて本発明を完成するに至った。

なお、ＩＰＭモータにおける磁石配置に関するものとして検索された特許文献１は、モータにおけるハルバッハ配列磁石の製造工数低減を目的として、リング状の空間に径方向に着磁された複数の第１磁石を所定の間隔で配置して第１磁石により周方向の壁面が形成される複数の第２キャビティを形成する第２磁石用キャビティ形成工程、第２キャビティに磁石製造用の溶融樹脂を充填する第２磁石充填工程、第２キャビティに充填された溶融樹脂を第２キャビティの近傍に配置された第２着磁部により周方向に着磁する第２磁石着磁工程、および第１磁石と第２磁石をリング状の空間から取り出す取り出し工程とからなるハルバッハ配列磁石製造方法を開示したものであり、ハルバッハ配列を参考にしつつも独自の配列構成を提示した本発明とは相違するものである。

すなわち、上記課題を解決するための手段として本願で特許請求される発明、もしくは少なくとも開示される発明は、以下の通りである。
〔１〕 モータのロータにおける磁石配置構造であって、該モータはＩＰＭ（Ｉｎｔｅｒｎａｌ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ）モータであり、該磁石配置構造は、複数の片状の磁石（以下、「セグメント磁石」という。）により囲繞形態に形成される極が連続配置されて構成されており、かかる構成により該極からの磁束の漏れが軽減されることを特徴とする、モータの磁石配置構造。
〔２〕 前記極は、一の底部とその両端部に設けられた二の壁部とからなることを特徴とする、〔１〕に記載のモータの磁石配置構造。
〔３〕 前記極の空隙部に磁束が収束するように各セグメント磁石が配置されていることを特徴とする、〔１〕または〔２〕に記載のモータの磁石配置構造。
〔４〕 前記壁部は隣接する二の前記極の間で共用されていることを特徴とする、〔２〕または〔３〕に記載のモータの磁石配置構造。

〔５〕 前記極は三片のセグメント磁石により構成されていることを特徴とする、〔１〕ないし〔４〕のいずれかに記載のモータの磁石配置構造。
〔６〕 前記磁石配置構造は、前記底部を構成するセグメント磁石による環状磁石部と、前記壁部を構成するセグメント磁石による放射状磁石部とからなっていることを特徴とする、〔２〕ないし〔５〕のいずれかに記載のモータの磁石配置構造。
〔７〕 前記環状磁石部を構成する各セグメント磁石はロータの径方向に着磁されており、前記放射状磁石部を構成する各セグメント磁石はロータの周方向に着磁されていることを特徴とする、〔６〕に記載のモータの磁石配置構造。

〔８〕 前記セグメント磁石の形状は、直方体、立方体またはかまぼこ形のいずれかであることを特徴とする、〔１〕ないし〔７〕のいずれかに記載のモータの磁石配置構造。
〔９〕 前記セグメント磁石には同一仕様の磁石が用いられることを特徴とする、〔１〕ないし〔８〕のいずれかに記載のモータの磁石配置構造。
〔１０〕 前記同一仕様の磁石の形状は立方体であることを特徴とする、〔９〕に記載のモータの磁石配置構造。
〔１１〕 〔１〕ないし〔１０〕のいずれかに記載の磁石配置構造を備えていることを特徴とする、モータのロータ。
〔１２〕 〔１１〕に記載のロータを備えていることを特徴とする、ＩＰＭモータ。

本発明のモータの磁石配置構造、ロータおよびＩＰＭモータは上述のように構成されるため、これによれば、磁石の割れ・剥がれ・飛散およびそれによる故障発生の生じることがなく、低コストで、リング磁石を用いたもの以上の高い磁気特性を備えたＩＰＭモータを得ることができる。またそれにより、モータのコスト低減および小型軽量化も可能となる他、磁石使用量の削減効果も期待できる。

本発明のモータの磁石配置構造を備えたモータの構成例を示す断面図である。 図１Ａに係るモータの磁石配置構造を示す断面図である。 図１Ｂの磁石配置構造における作用を示す説明図である。 本発明の磁石配置構造の構成を示す別の断面図である。 図３に示した磁石配置構造の着磁構成を示す断面図である。 従来のモータにおけるロータの磁石配置構成例を示す断面図である。 研究過程におけるＩＰＭモータの磁石配置構成例を示す断面図である。 図６の（ｄ）の要部拡大図である。

以下、図面により本発明を詳細に説明する。
図１Ａは、本発明のモータの磁石配置構造を備えたモータの構成例を示す断面図である。また、図１Ｂは図１Ａに係るモータの磁石配置構造を示す断面図、図２は図１Ｂの磁石配置構造における作用を示す説明図である。これらに図示するように本発明の磁石配置構造１０は、ＩＰＭ構造を備えたモータ（ＩＰＭモータ）のロータＲにおける磁石の配列形態に係る構造であって、複数の片状の磁石（以下、「セグメント磁石」という。）２、３、２、３、・・・により囲繞形態に形成される極９が連続配置されていることを、主たる構成とする。なお極９は、一の底部９２とその両端部に設けられた二の壁部９３、９３とからなる。

本発明磁石配置構造１０は、ハルバッハ配列による磁石配置を基礎としつつもそれとは異なり、より磁束が集中、収束しやすい構造となっている。すなわち、一の底部９２と二の壁部９３、９３とからなる極９は、セグメント磁石２、３等によって形成することができるのだが、これらのセグメント磁石２等は、図２に示すように、極９の空隙部Ｖに、すなわちステータＳ方向へと磁束Ｂ、Ｂ、Ｂが収束していく閉磁路を形成している。かかる構成により本発明の磁石配置構造１０では、極９からの磁束の漏れが防止ないしは軽減されるため、磁気特性が向上し、高いトルクを得ることができる。

なお、各図では１０極モータの例を示しているが、これは一例であり、本発明はモータの極数には限定されない。また、磁石配置構造１０を構成する各極９、９、・・・における底部９２と壁部９３とがなす角の角度は、極９の数によって決定される。

各図に示すように、本発明磁石配置構造１０の壁部９３は、隣接する二の極９、９の間で共用されるものとすることができる。それ以外の構成も本発明からは排除されない。しかしながら、共用することでも十分に本発明の効果を得られる上、磁石使用量を削減でき、製造工程も簡素となる。

なおまた、図示するように極９は、三片のセグメント磁石２、３、３によってそれぞれ底部９２、二の壁部９３、９３が構成されるものとすることができる。壁部９３については上述のとおり隣接する極９との共用とすることもできる。もっとも、底部９２や二の壁部９３、９３の少なくともいずれかを複数のセグメント磁石によって形成することも、また底部と壁部が一体形成されたセグメント磁石を用いることも、本発明からは除外されない。しかしながら、一つの極あたり三片を用いることでも十分に本発明の効果を得られる上、製造工程も簡素となる。

図３は、本発明の磁石配置構造の構成を示す別の断面図である。図示するように本磁石配置構造３１０は、底部を構成するセグメント磁石３２、３２、・・・による環状磁石部３４と、壁部を構成するセグメント磁石３３、３３、・・・による放射状磁石部３５とから構成されている、と把握することもできる。

図４は、図３に示した磁石配置構造の着磁構成を示す断面図である。図示するように本磁石配置構造３１０においては、環状磁石部３４を構成する各セグメント磁石３２、３２、・・・はロータ３Ｒの径方向に着磁されており、放射状磁石部３５を構成する各セグメント磁石３３、３３、・・・はロータ３Ｒの周方向に着磁されていることを、特徴的な構成とする。かかる構成により、上述した閉磁路が良好に形成されて磁束が各セグメント磁石３３−３３間の空隙に、すなわちステータ方向へと良好に収束していく。

なお、以上説明した本発明の磁石配置構造において、セグメント磁石の形状は、直方体、立方体またはかまぼこ形のいずれかとすることができる。その他の形状も排除されないが、これらの形状のセグメント磁石によって本発明の効果を充分に得ることができる。

また、セグメント磁石には同一仕様の磁石を用いることが望ましい。生産性を向上でき、コスト低減にもなるからである。また、かかる同一仕様の磁石としては、研磨工程を必要としない立方体磁石を用いることが最も望ましい。

なおまた、以上説明した本発明の磁石配置構造を備えているモータのロータ自体も、さらにそれを用いて製造されたＩＰＭモータも、本発明の範囲内である。

本発明のモータの磁石配置構造、ロータおよびＩＰＭモータによれば、磁石の割れ・剥がれ・飛散およびそれによる故障発生の生じることがなく、低コストで、リング磁石を用いたもの以上の高い磁気特性を備えたＩＰＭモータを得ることができ、それにより、モータのコスト低減および小型軽量化も可能となる。したがってモータを用いる全分野において、産業上利用性が高い発明である。

２、３、３２、３３…セグメント磁石
９…極
９２…底部
９３…壁部
１０、３１０…磁石配置構造
３４…環状磁石部
３５…放射状磁石部
Ｂ…磁束
Ｒ、３Ｒ…ロータ
Ｓ…ステータ
Ｖ…空隙部

５２…リング磁石
６２、７２、８２…セグメント磁石
Ｄ…漏れ磁束
５Ｒ、６Ｒ、７Ｒ、８Ｒ…ロータ
５Ｓ、６Ｓ、７Ｓ、８Ｓ…ステータ

Claims (12)

1. モータのロータにおける磁石配置構造であって、該モータはＩＰＭ（Ｉｎｔｅｒｎａｌ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ）モータであり、該磁石配置構造は、複数の片状の磁石（以下、「セグメント磁石」という。）により囲繞形態に形成される極が連続配置されて構成されており、かかる構成により該極からの磁束の漏れが軽減されることを特徴とする、モータの磁石配置構造。
2. 前記極は、一の底部とその両端部に設けられた二の壁部とからなることを特徴とする、請求項１に記載のモータの磁石配置構造。
3. 前記極の空隙部に磁束が収束するように各セグメント磁石が配置されていることを特徴とする、請求項１または２に記載のモータの磁石配置構造。
4. 前記壁部は隣接する二の前記極の間で共用されていることを特徴とする、請求項２または３に記載のモータの磁石配置構造。
5. 前記極は三片のセグメント磁石により構成されていることを特徴とする、請求項１ないし４のいずれかに記載のモータの磁石配置構造。
6. 前記磁石配置構造は、前記底部を構成するセグメント磁石による環状磁石部と、前記壁部を構成するセグメント磁石による放射状磁石部とからなっていることを特徴とする、請求項２ないし５のいずれかに記載のモータの磁石配置構造。
7. 前記環状磁石部を構成する各セグメント磁石はロータの径方向に着磁されており、前記放射状磁石部を構成する各セグメント磁石はロータの周方向に着磁されていることを特徴とする、請求項６に記載のモータの磁石配置構造。
8. 前記セグメント磁石の形状は、直方体、立方体またはかまぼこ形のいずれかであることを特徴とする、請求項１ないし７のいずれかに記載のモータの磁石配置構造。
9. 前記セグメント磁石には同一仕様の磁石が用いられることを特徴とする、請求項１ないし８のいずれかに記載のモータの磁石配置構造。
10. 前記同一仕様の磁石の形状は立方体であることを特徴とする、請求項９に記載のモータの磁石配置構造。
11. 請求項１ないし１０のいずれかに記載の磁石配置構造を備えていることを特徴とする、モータのロータ。
12. 請求項１１に記載のロータを備えていることを特徴とする、ＩＰＭモータ。
    

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