JP2015076956A - ロータコア及び磁石埋込型ロータ - Google Patents

Abstract

【課題】永久磁石を固定するための押圧力を調整可能であるとともに高い生産性を確保することのできるロータコアを提供する。【解決手段】このロータコアは、複数のコアプレート７０が軸方向に積層されて形成される。コアプレート７０には、その軸方向に貫通する複数の貫通孔７１ａ〜７１ｈが周方向に等角度間隔で形成されるとともに、そのうちの一つの貫通孔７１ａの内壁面７２には、該貫通孔７１ａに突出する板ばね部７３が形成されている。ロータコアは、このコアプレート７０を転積することにより形成される。【選択図】図３

Description

本発明は、ロータコア及び磁石埋込型ロータに関する。

ロータの内部に界磁用の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。図１６に示すように、特許文献１に記載のロータ８は、円筒状のロータコア８０、及びロータコア８０に埋め込まれた永久磁石８１を備えている。図１７に示すように、ロータコア８０は、その軸方向に電磁鋼板８２が複数積層されて構成されている。図１６に示すように、各電磁鋼板８２には、その周方向に沿って複数の貫通孔８２ａが形成されるとともに、貫通孔８２ａの内壁面に突起８２ｂが形成されている。ロータコア８０では、積層された複数の電磁鋼板８２のそれぞれの貫通孔８２ａが軸方向に連通することにより磁石挿入孔８３が形成されており、この磁石挿入孔８３に永久磁石８１が挿入されている。図１７に示すように、永久磁石８１は、磁石挿入孔８３の内部で各電磁鋼板８２の突起８２ｂによりロータコア径方向外側に押圧されることにより固定されている。

また特許文献１では、図１８に示す構造からなるロータ８も開示されている。図１８に示すロータ８では、突起８２ｂがロータコア軸方向に間隔をあけて設けられている。

特開平６−１３３４７９号公報

ところで、図１７に例示したロータ８のように、全ての電磁鋼板８２に突起８２ｂが設けられている場合、永久磁石８１を押圧する力が大きくなり過ぎて永久磁石８１が損傷するおそれがある。これを回避するためには、図１８に例示した構造を採用して永久磁石８１に加わる押圧力を調整することが有効である。しかしながら、図１８に例示した構造を採用した場合、突起８２ｂが設けられた電磁鋼板８２、及び突起８２ｂが設けられていない電磁鋼板８２の２種類の電磁鋼板８２を製造する必要があるため、生産性の悪化を招くおそれがある。

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、永久磁石を固定するための押圧力を調整可能なロータコア及び磁石埋込型ロータを高い生産性で提供することにある。

上記課題を解決するために、円板状のコアプレートが軸方向に複数積層されて形成されるロータコアにおいて、前記コアプレートには、その軸方向に貫通する複数の貫通孔を周方向に等角度間隔で形成するとともに、前記複数の貫通孔のうちの一部の貫通孔の内壁面には、該貫通孔内に突出する弾性部を形成し、前記コアプレートを転積することとした。

そして、このロータコアからなる磁石埋込型ロータでは、前記転積された複数のコアプレートのそれぞれの貫通孔を軸方向に連通することにより磁石挿入孔を形成するとともに、前記磁石挿入孔に永久磁石を挿入し、前記永久磁石を、前記磁石挿入孔の内部で前記コアプレートの弾性部により押圧することとした。

これらの構成によれば、コアプレートを複数転積してロータコアを形成した場合、ロータコアの各磁石挿入孔は、各コアプレートにおける弾性部が設けられた貫通孔と、弾性部が設けられていない貫通孔とが軸方向に連通することにより構成される。これによりロータコアの各磁石挿入孔には、ロータコア軸方向に間隔をあけて弾性部が配置されるため、磁石挿入孔に挿入された永久磁石に過度の押圧力が加わることを抑制することができる。また上記構成では、１種類のコアプレートを転積するだけで、弾性部がロータコア軸方向に間隔をあけて配置されたロータコアを製造することができるため、特許文献１に記載のロータコアと比較すると、高い生産性を確保することもできる。

上記ロータコアについて、前記弾性部は、前記コアプレートにおける前記貫通孔の周囲に位置する部位を舌片状に切り込み加工した板ばね部からなることが好ましい。
この構成によれば、舌片状に切り込み加工された板ばね部の長さを調整することにより板ばね部の弾性力を任意に変更することができる。すなわち板ばね部から永久磁石に付与される押圧力を任意に変更することができる。

また上記ロータコアについて、前記コアプレートにおける前記板ばね部が設けられた貫通孔を除く貫通孔には、前記板ばね部に対応した形状及び位置であって前記コアプレートを軸方向に貫通するとともに該貫通孔に連通する連通孔が設けられたものが含まれており、前記コアプレートが転積される際に前記板ばね部に前記連通孔が重ねて配置されることが好ましい。

この構成によれば、ロータコアの磁石挿入孔に永久磁石を挿入する際にコアプレートの板ばね部が永久磁石により軸方向に押圧されたとき、コアプレートの板ばね部が他のコアプレートの連通孔内に撓むことができる。そのため永久磁石を磁石挿入孔に挿入し易くなる。

さらに上記ロータコアについて、前記コアプレートには、前記連通孔が設けられた貫通孔が周方向に複数並べて配置されていることが好ましい。
この構成によれば、複数のコアプレートを転積したとき、コアプレートの板ばね部に隣接して他の複数のコアプレートの連通孔が位置する。そのためコアプレートの板ばね部がより大きく撓むことができるため、永久磁石を磁石挿入孔に更に挿入し易くなる。

これらロータコア及び磁石埋込型ロータによれば、永久磁石を固定するための押圧力が調整可能であるとともに高い生産性を確保することができる。

磁石埋込型ロータの一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。 図１のＡ−Ａ線に沿った磁石埋込型ロータの断面構造を示す断面図。 実施形態の磁石埋込型ロータについてそのロータコアを構成するコアプレートの平面構造を示す平面図。 （ａ）〜（ｈ）は、実施形態のロータコアの上端部から下端部に向けてロータコアを構成するコアプレートの一部を順に並べて示した平面図。 実施形態のロータコアについてその平面構造を示す平面図。 図５のＢ−Ｂ線に沿った断面構造を示す断面図。 図５のＣ−Ｃ線に沿った断面構造を平面上に展開した展開図。 コアプレートの変形例についてその平面構造を示す平面図。 同変形例のコアプレートを転積することにより成形されるロータコアの断面構造を示す断面図。 コアプレートの他の変形例についてその平面構造を示す平面図。 同他の変形例のコアプレートを転積することにより成形されるロータコアの断面構造を示す断面図。 コアプレートの他の変形例についてその平面構造を示す平面図。 コアプレートの他の変形例についてその平面構造を示す平面図。 コアプレートの他の変形例についてその平面構造を示す平面図。 コアプレートの他の変形例についてその平面構造を示す平面図。 従来の磁石埋込型ロータの平面構造を示す平面図。 従来の磁石埋込型ロータの断面構造を示す断面図。 従来の他の磁石埋込型ロータの断面構造を示す断面図。

以下、ロータコア及び磁石埋込型ロータの一実施形態について説明する。はじめに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１は、ハウジング２の内周面に固定されたステータ３、図示しない軸受を介してハウジング２により軸線ｍを中心に回転可能に支持されたモータシャフト４、及びステータ３の内側に配置されてモータシャフト４の外周に一体的に取り付けられたロータ５を備えている。

ステータ３は軸線ｍを中心に円筒状に形成されている。ステータ３は、その軸方向に複数の電磁鋼板が積層されることにより構成されている。ステータ３の内周面には、その径方向内側に向かって延びる１２個のティース３０が形成されている。各ティース３０にはステータコイル３１が巻回されている。

ロータ５は、軸線ｍを中心に円筒状に形成されたロータコア５０、及びロータコア５０の内部に埋め込まれた８個の永久磁石６０を備えている。ロータコア５０には、その軸方向に貫通する８個の磁石挿入孔５１が周方向に等角度（４５°）間隔で形成されている。各磁石挿入孔５１のロータコア軸方向に直交する断面形状は矩形状をなしている。これらの磁石挿入孔５１に永久磁石６０が挿入されている。永久磁石６０は焼結磁石からなり、ロータコア径方向の内側の部分及び外側の部分に異なる磁極を有している。ロータコア５０には、径方向外側の部分にＮ極を有する永久磁石６０と、径方向外側の部分にＳ極を有する永久磁石６０とが周方向に交互に配置されている。これによりロータ５は、その外周部分に周方向に沿ってＮ極及びＳ極を交互に有する８極構造をなしている。

このように構成されたＩＰＭモータ１では、ステータコイル３１に三相の交流電力が供給されると回転磁界が形成される。この回転磁界と、永久磁石６０が形成する磁界とが作用することによりロータ５にトルクが付与され、モータシャフト４が回転する。

次にロータコア５０の構造について詳述する。図２は、図１のＡ−Ａ線に沿った断面構造を示したものである。なお図２では、便宜上、ステータ３及びモータシャフト４の図示を省略している。

図２に示すように、ロータコア５０は、その軸方向にコアプレート７０が複数積層されることにより構成されている。コアプレート７０は単数の電磁鋼板により構成されるか、あるいは複数の電磁鋼板が軸方向に積層されることにより構成されている。

図３に示すように、コアプレート７０は円板状の部材からなる。コアプレート７０は、その軸方向に貫通する８個の矩形状の貫通孔７１ａ〜７１ｈが周方向に等角度間隔で形成されている。またコアプレート７０には、弾性部として、貫通孔７１ａの内壁面７２から突出する板ばね部７３が形成されている。板ばね部７３は、貫通孔７１ａに対してコアプレート７０の径方向内側に形成されている。板ばね部７３は、コアプレート７０の対応する部位を舌片状に切り込み加工することにより形成されている。なお切り込み加工とは、全周を打ち抜かずに一部のみを打ち抜くことが特徴の加工方法である。そして舌片状部の長さＬを調整することにより板ばね部７３の弾性力を任意に変更することが可能となっている。またコアプレート７０の周方向において貫通孔７１ａに隣接する貫通孔７１ｂには、板ばね部７３に対応した形状及び位置であってコアプレート７０を軸方向に貫通するとともに貫通孔７１ｂに連通する連通孔７４ｂが形成されている。さらにコアプレート７０の周方向において貫通孔７１ｂに隣接する貫通孔７１ｃにも同様に連通孔７４ｃが形成されている。すなわちコアプレート７０には、板ばね部７３が設けられた貫通孔７１ａ、連通孔７４ｂ，７４ｃがそれぞれ設けられた貫通孔７１ｂ，７１ｃ、並びに板ばね部及び連通孔が設けられていない貫通孔７１ｄ〜７１ｈが周方向に等角度間隔で順に配置されている。このコアプレート７０が複数転積されることによりロータコア５０が構成されている。図４（ａ）〜（ｈ）は、図２に示すロータコア５０の上端部５２から下端部５３に向けてロータコア５０を構成するコアプレート７０の一部を順に並べて示したものである。

図４（ａ）〜（ｈ）に示すように、各コアプレート７０は、上側に隣接するコアプレート７０に対して時計回りの方向（図中に矢印ａで示す方向）に「４５°」だけ回転させた状態で積層されている。ロータコア５０は、図４（ａ）〜（ｈ）にそれぞれ示す８枚のコアプレート７０が上から順に積層された構造を基本構造として、この基本構造が軸方向に３組積層された構造からなる。すなわちロータコア５０は、合計２４枚のコアプレート７０が時計回りの方向に「４５°」ずつ回転させて転積されることにより構成されている。図５は、このように構成されたロータコア５０の平面構造を示したものである。また図６は、図５のＢ−Ｂ線に沿った断面構造を示したものである。更に図７は、図５のＣ−Ｃ線に沿った断面構造を平面上に展開したものである。

図５〜図７に示すように、ロータコア５０では、転積されたコアプレート７０の貫通孔７１ａ〜７１ｈが軸方向に連通することにより磁石挿入孔５１が構成される。これにより各磁石挿入孔５１には、各コアプレート７０の貫通孔７１ａが設けられる位置に対応して板ばね部７３が配置されている。また磁石挿入孔５１の内壁面には、板ばね部７３及び２つの連通孔７４ｂ，７４ｃが軸方向に並んで配置されている。そして２つの連通孔７４ｂ，７４ｃが連通することにより磁石挿入孔５１の内壁面７２に凹部５４が形成されている。

図６に示すように、ロータ５は、ロータコア５０の各磁石挿入孔５１に永久磁石６０を挿入することにより成形される。磁石挿入孔５１に永久磁石６０を挿入する際、板ばね部７３が永久磁石６０に接触して押圧されると、板ばね部７３はロータコア軸方向に凹部５４内に撓むように弾性変形する。これにより永久磁石６０を磁石挿入孔５１に挿入し易くなっている。そして図２に示すように磁石挿入孔５１への永久磁石６０の挿入が完了すると、永久磁石６０には板ばね部７３の撓み量に応じた押圧力が付与される。この押圧力により永久磁石６０が板ばね部７３と磁石挿入孔５１の内壁面との間で挟持され、永久磁石６０が磁石挿入孔５１の内部で固定される。

次に本実施形態の磁石埋込型ロータ５及びロータコア５０の作用効果について説明する。
（１）図２に示すように、本実施形態のロータ５では、ロータコア５０の磁石挿入孔５１にロータコア軸方向に間隔をあけて板ばね部７３が配置されるため、磁石挿入孔５１に挿入された永久磁石６０に過度の押圧力が加わることを抑制することができる。また本実施形態のロータ５では、図３に例示した一種類のコアプレート７０を転積するだけで、板ばね部７３がロータコア軸方向に間隔をあけて配置されたロータコア５０を製造することができるため、特許文献１に記載のロータコアと比較すると、高い生産性を確保することもできる。

（２）コアプレート７０には、貫通孔７１ａに対してコアプレート径方向内側に位置する部位を舌片状に切り込み加工することにより板ばね部７３を形成することとした。これにより舌片状に切り込み加工された部分の長さを調整することにより板ばね部７３の押圧力を任意に変更することができる。

（３）コアプレート７０の周方向において貫通孔７１ａに隣接する貫通孔７１ｂには、板ばね部７３に対応した形状及び位置であってコアプレート７０を軸方向に貫通するとともに貫通孔７１ｂに連通する連通孔７４ｂを形成することとした。またコアプレート７０の周方向において貫通孔７１ｂに隣接する貫通孔７１ｃにも同様に連通孔７４ｃを形成することとした。これによりコアプレート７０を転積した際に２つの連通孔７４ｂ，７４ｃが連通することで磁石挿入孔５１の内壁面に凹部５４が形成されるため、磁石挿入孔５１に永久磁石６０を挿入する際に板ばね部７３が凹部５４内に撓むことができる。そのため永久磁石６０を磁石挿入孔５１に挿入し易くなる。

（４）板ばね部７３が撓むことができるようにロータコア５０に凹部５４を設けた場合、ロータコア５０は凹部５４の部分に空隙を有することになる。こうした空隙は、ロータ５において永久磁石６０により形成される磁気回路にとって磁気抵抗となるため、ロータ５の外周部分における磁束密度の低下を招くおそれがある。これによりステータコイル３１に鎖交する有効磁束量が減少すると、ＩＰＭモータ１の出力トルクが低下するおそれがある。また空隙はロータコア５０を構成する電磁鋼板に比べて熱抵抗が大きい。そのため渦電流により発熱する永久磁石６０の放熱性を考慮すると、ロータ５における永久磁石６０からの熱伝達経路には空隙が少ない方が好ましい。

この点、図７に示すように、本実施形態のロータコア５０では、板ばね部７３が撓むことが可能な領域にのみ凹部５４が形成されているため、ロータ５における凹部５４が占める割合を最小限に抑えることができる。そのためロータ５の磁気回路にとって磁気抵抗となる部分が少なくなる。これによりロータ５の外周部分における磁束密度を増加させることができるため、ＩＰＭモータ１の出力トルクを向上させることができる。またロータ５における永久磁石６０からの熱伝達経路に熱抵抗となる部分が少なくなるため、ロータ５の放熱性を向上させることもできる。

なお、上記実施形態は以下の形態にて実施することもできる。
・上記実施形態では、一枚のコアプレート７０に１つの板ばね部７３及び２つの連通孔７４ｂ，７４ｃを形成したが、板ばね部及び連通孔のそれぞれの数は適宜変更可能である。例えば図８に示すように、コアプレート７０の貫通孔７１ｅに、貫通孔７１ａに形成された板ばね部７３ａと同様の板ばね部７３ｅを形成する。またコアプレート７０の貫通孔７１ｄ，７１ｆ〜７１ｈに、貫通孔７１ｂ，７１ｃに形成された連通孔７４ｂ，７４ｃと同様の連通孔７４ｄ，７４ｆ〜７４ｈをそれぞれ形成する。このようなコアプレート７０が転積されて形成されたロータコア５０の断面構造は図９に示すようになる。図２と図９とを比較して明らかなように、本変形例のロータコア５０では、一つの磁石挿入孔５１内に配置される板ばね部７３の数を増やすことができるため、永久磁石６０の固定力を高めることができる。

・上記実施形態では、コアプレート７０に連通孔７４ｂ，７４ｃを形成したが、例えば図１０に示すようにコアプレート７０から連通孔７４ｂ，７４ｃを省略してもよい。このようなコアプレート７０が転積されて形成されたロータコア５０の断面構造は図１１に示すようになる。図１１に示すように、このような構造からなるロータコア５０でも、磁石挿入孔５１の内部でコアプレート７０の板ばね部７３により永久磁石６０が押圧されることで永久磁石６０を固定することが可能である。

・上記実施形態では、コアプレート７０における貫通孔７１ａに対してコアプレート径方向内側に位置する部位を舌片状に切り込み加工することにより板ばね部７３を形成した。これに代えて、例えば貫通孔７１ａに対してコアプレート径方向外側に位置する部位を舌片状に切り込み加工することにより板ばね部７３を形成してもよい。要は、板ばね部７３は、コアプレート７０における貫通孔７１ａの周囲に位置する部位を舌片状に切り込み加工した部分であればよい。なお、板ばね部７３の位置や形状を変更した場合、貫通孔７１ｂ，７１ｃに形成された連通孔７４ｂ，７４ｃの位置や形状も変更する。

・上記実施形態では、板ばね部７３を弾性部として用いたが、例えば図１２に示すように、貫通孔７１ａの内壁面７２に凸部７５を形成し、この凸部７５を弾性部として用いてもよい。弾性部をこのように形成すれば、コアプレート７０から連通孔７４ｂ，７４ｃを省略することが可能である。

・上記実施形態では、貫通孔７１ａに一つの板ばね部７３を配置したが、貫通孔７１ａに配置される板ばね部７３の数は適宜変更可能である。例えば図１３に示すように、貫通孔７１ａに２つの板ばね部７３を配置してもよい。この場合、図中に示すように、貫通孔７１ｂ，７１ｃにそれぞれ配置される連通孔７４ｂ，７４ｃの数も変更する。

・コアプレート７０の貫通孔７１ａ〜７１ｈの形状は適宜変更可能である。例えば図１４に示すように、コアプレート７０に貫通孔７１ａ〜７１ｈを放射状に形成してもよい。また例えば図１５に示すように、貫通孔７１ａ〜７１ｈの形状を、２つの貫通孔をＶ字状に配置した形状に変更してもよい。

・上記実施形態では、板ばね部７３を平板状に形成したが、押圧力や永久磁石６０の組み付け性を考慮した曲げ形状としてもよい。
・上記実施形態では、ロータコア５０を２４枚のコアプレート７０により構成したが、ロータコア５０を構成するコアプレート７０の数は変更可能である。

・上記実施形態では、ロータ５の磁極数を８極に設定したが、ロータ５の磁極数には限定はなく、適宜変更してもよい。またロータ５の磁極数の変更に併せてコアプレート７０に形成される貫通孔の数を変更したり、コアプレート７０における貫通孔間の角度間隔を変更する。またコアプレート７０における貫通孔間の角度間隔を変更した場合には、コアプレート７０を転積する際の回転角度を変更する必要があることは言うまでもない。

・上記実施形態では、コアプレート７０が電磁鋼板からなるものであったが、コアプレート７０の材質として例えば電磁軟鉄などを用いてもよい。

５…磁石埋込型ロータ、５０…ロータコア、５１…磁石挿入孔、６０…永久磁石、７０…コアプレート、７１ａ〜７１ｈ…貫通孔、７２…内壁面、７３，７３ａ，７３ｅ…板ばね部、７４ｂ〜７４ｄ，７４ｆ〜７４ｈ…連通孔。

Claims (5)

1. 円板状のコアプレートが軸方向に複数積層されて形成されるロータコアであって、
   前記コアプレートには、その軸方向に貫通する複数の貫通孔が周方向に等角度間隔で形成され、
   前記複数の貫通孔のうちの一部の貫通孔の内壁面には、該貫通孔内に突出する弾性部が形成され、
   前記コアプレートが転積されてなることを特徴とするロータコア。
2. 請求項１に記載のロータコアにおいて、
   前記弾性部は、前記コアプレートにおける前記貫通孔の周囲に位置する部位を舌片状に切り込み加工した板ばね部からなることを特徴とするロータコア。
3. 請求項２に記載のロータコアにおいて、
   前記コアプレートにおける前記板ばね部が設けられた貫通孔を除く貫通孔には、前記板ばね部に対応した形状及び位置であって前記コアプレートを軸方向に貫通するとともに該貫通孔に連通する連通孔が設けられたものが含まれており、
   前記コアプレートが転積される際に前記板ばね部に前記連通孔が重ねて配置されることを特徴とするロータコア。
4. 請求項３に記載のロータコアにおいて、
   前記コアプレートには、前記連通孔が設けられた貫通孔が周方向に複数並べて配置されていることを特徴とするロータコア。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載のロータコアを備え、
   前記転積された複数のコアプレートのそれぞれの貫通孔が軸方向に連通することにより磁石挿入孔が形成されるとともに、
   前記磁石挿入孔に永久磁石が挿入され、
   前記永久磁石が、前記磁石挿入孔の内部で前記コアプレートの弾性部により押圧されていることを特徴とする磁石埋込型ロータ。