JP2015142471A - 永久磁石電動機およびその着磁方法、製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】永久磁石電動機の磁石部材の表面磁束密度を増大する。【解決手段】複数の磁石部材５０は、コア２２の周方向に並べて配置される。磁石部材５０は、（i）その中央部５２においてコア２２の側面と略垂直な第１方向（Ｙ軸正方向）の磁界を発生させる配向にて着磁され、（ii）その両端部５４、５６において、第１方向（Ｙ軸正方向）の磁界を発生させない配向にて着磁されている。【選択図】図４

Description

本発明は、永久磁石電動機に関し、特に、回転子に設けられる磁石への着磁技術に関する。

産業機器等の駆動力として、誘導電動機や永久磁石電動機が用いられる。永久磁石電動機は、回転子に設けられる永久磁石が発生する磁力を利用することから、誘導電動機のように回転子に設けられたコイルに流れる電流に起因した損失がなく、効率を高めやすい。また、永久磁石電動機は、ネオジムなどのレアアースを含む磁力の強い磁石を用いることで、高出力かつ小型の電動機を実現できる。

一般に、回転子のコアは鉄などの磁性材料が用いられることから、回転子に着磁された永久磁石を取り付けようとするとコアと永久磁石の間に働く磁力により取り付けが困難となる場合がある。そこで、未着磁の磁石をコアに取り付けした後に磁石に着磁するいわゆる後着磁がなされることがある。後着磁方法として、専用の着磁ヨークを用いる場合や、固定子（ステータ）を用いて着磁する場合（例えば、特許文献１〜３参照）が挙げられる。

特開２００３−２４３７４９号公報 特開２０１０−２５８１８１号公報 特開２００９−１２４８５２号公報 特開２００５−１２４８５２号公報

従来においては、永久磁石となる個々の磁石部材は、その全体にわたり実質的に同一方向の磁界を発生させるように着磁されていた（特許文献２、３）。従来の着磁態様は、着磁を簡易に行うという観点からは有利であった。しかしながら、本発明者らが検討したところ、従来の着磁態様は、電動機の出力特性の改善に欠かせない表面磁束密度の増大の観点からは、かならずしも最適なものとはいえないことを認識するに至った。

本発明はかかる課題に鑑みてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、永久磁石電動機の磁石部材の表面磁束密度の増大にある。

本発明のある態様は、回転子を備える永久磁石電動機に関する。回転子は、環状のコアと、コアの周方向に並べて配置される複数の磁石部材と、を備える。磁石部材は、（i）その中央部においてコアの側面と略垂直な第１方向の配向にて着磁され、（ii）その両端部において、第１方向を含まない配向にて着磁される。

本発明の別の態様も、回転子を備える永久磁石電動機に関する。回転子は、環状のコアと、コアの周方向に並べて配置される複数の磁石部材と、を備える。磁石部材は、（i）その中央部においてコアの側面と略垂直な第１方向を含む配向にて着磁され、（ii-a）その第１端部において、第１方向と反対の第２方向と、中央部に向かう第３方向との間の配向にて着磁され、（ii-b）その第２端部において、第２方向と、中央部に向かう第４方向との間の配向にて着磁される。

これら態様によると、磁石部材全体を実質的に同一方向に着磁させた場合と比べて、両端部の表面磁束密度の低下と引き替えに、中央部における表面磁束密度を高めることができる。本発明者らが検討したところ、中央部分の磁界の方が、両端部の磁界よりも電動機のトルクあるいは効率への寄与が大きい。したがってこの永久磁石電動機によれば、電動機の効率を高め、および／または、トルクを高めることができる。あるいは、同じ効率／トルクを得るために必要な磁石部材の体積を低減できるため、電動機の小型化、低コスト化を実現できる。

本発明の別の態様は、永久磁石電動機の回転子の環状のコアの側面に取り付けられる磁石部材の着磁方法に関する。着磁方法は、磁石部材の中央部を、磁石部材が取り付けられるコアの側面と略垂直な第１方向の配向にて着磁するステップと、磁石部材の第１端部を、第１方向と反対の第２方向から、中央部に向かう第３方向の間の配向にて着磁するステップと、磁石部材の第２端部を、第２方向から、中央部に向かう第４方向の間の配向にて着磁するステップと、を備える。

この態様によると、電動機の効率を高め、および／または、トルクを高めることができる。あるいは、同じ効率／トルクを得るために必要な磁石部材の体積を低減できるため、電動機の小型化、低コスト化を実現できる。なお、中央部、第１端部、第２端部を着磁するステップは個別に実行されてもよいし、一部あるいは全部が同時に実行されてもよい。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明のある態様によれば、永久磁石電動機の磁石部材の表面磁束密度を増大させることができる。

実施の形態に係る永久磁石電動機の構成を示す断面図である。 図２（ａ）、（ｂ）は、回転子の斜視図である。 図３（ａ）、（ｂ）は、磁石部材の着磁方向および発生磁界を模式的に示す図である。 図４（ａ）〜（ｃ）は、磁石部材の着磁方向および発生磁界を模式的に示す図である。 図３（ａ）、（ｂ）および図４（ａ）、（ｃ）に示す磁石部材が発生するＹ方向の表面磁束密度Ｂｙの計算結果を示す図である。 中央部、第１端部、第２端部それぞれにおける配向方向の範囲を示す図である。 図７（ａ）、（ｂ）は、磁石部材を前着磁する着磁装置を示す図である。 図８（ａ）、（ｂ）は、磁石部材を後着磁する着磁装置を示す図である。

以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

図１は、実施の形態に係る永久磁石電動機１００の構成を示す断面図である。永久磁石電動機１００は、固定子（ステータ）１０と、回転子（ロータ）２０と、を備える。本実施の形態では、１６ポール１８スロットの電動機について説明する。

固定子１０は、ステータヨーク（以下、単にヨークともいう）１２、複数のティース１４および複数のモータコイル１８を備える。１８スロットの電動機は、１８個のティース１４を備える。ヨーク１２の内側には、ヨーク１２の外周から中心に向かう方向に突起する複数のティース１４が設けられる。モータコイル１８は、ティース１４ごとに設けられ、対応するティース１４に集中的に巻装される。ヨーク１２およびティース１４は、固定子１０の内部に発生する回転磁界の磁路を構成し、例えば、鉄を含む材料が用いられる。

図２（ａ）、（ｂ）は、回転子２０の斜視図である。コア２２には、回転軸２８が取り付けられる。回転子２０は、環状のコア２２および複数の磁石部材５０を備える。コア２２は、円筒もしくは円柱形状を有する。磁石部材５０は、外部磁場を印加して着磁することで永久磁石となる部材であり、断面形状が略台形もしくは矩形の柱形状を有する。複数の磁石部材５０は、コア２２の外周（外側面）２４に沿って周方向に並べて配置される。具体的には外周面２４には、複数の磁石挿入部２６が形成される。磁石挿入部２６は、磁石部材５０の位置および形状に対応して形成された溝であり、磁石部材５０は磁石挿入部２６にはめ込まれた態様にてコア２２に対して固定される。後述のように磁石部材５０の着磁は、磁石部材５０を磁石挿入部２６に挿入する前に行ってもよいし（前着磁）、磁石挿入部２６に挿入した状態で行ってもよい（後着磁）。

永久磁石電動機１００は、モータコイル１８に電流を流すことにより回転磁界を発生させ、複数の磁石部材５０が取り付けられる回転子２０を回転させる。

以上が永久磁石電動機１００の全体構成である。続いて、磁石部材５０について説明する。図３（ａ）、（ｂ）および図４（ａ）〜（ｃ）は、磁石部材５０の着磁方向および発生磁界を模式的に示す図である。ここではＮ極の永久磁石を例示するが、Ｓ極については磁石部材５０、中央部５２、第１端部５４を、Ｎ極とは反対に着磁すればよいことが理解される。

はじめに、図３（ａ）、（ｂ）を参照して、従来の磁石部材の着磁方向を示す。図３（ａ）、（ｂ）の磁石部材５０は、磁石部材５０の幅方向（図中、Ｘ軸方向）全体にわたり、回転子２０のコア２２の外周面２４と垂直方向（第１方向、図中Ｙ軸方向）の磁界を発生させる配向にて着磁されている。具体的には図３（ａ）では、中央部５２、第１端部５４、第２端部５６すべてにおいて、配向方向（Ｘ，Ｙ）＝（０，１）となっている。図３（ｂ）では、中央部５２において、配向方向（Ｘ，Ｙ）＝（０，１）となっており、第１端部５４の配向方向（Ｘ，Ｙ）＝（１，１）、第２端部５６の配向方向（Ｘ，Ｙ）＝（−１，１）となっている。

続いて図４（ａ）〜（ｃ）を参照して、実施の形態に係る磁石部材５０の着磁について説明する。図４（ａ）〜（ｃ）の磁石部材５０は、中央部５２において、コア２２の外周と垂直な第１方向（Ｙ軸正方向）の配向で着磁される点で図３（ａ）、（ｂ）と共通する。一方、図４（ａ）〜（ｃ）の磁石部材５０は、その両端部５４、５６において、第１方向（Ｙ軸正方向）に磁界を発生させないように、言い換えれば、両端部５４、５６の内部の磁界がＹ軸正方向の成分を含まないように着磁されている。配向方向のＹ成分に関してＹ≦０が成り立っている。

具体的には図４（ａ）では、中央部５２において、配向方向（Ｘ，Ｙ）＝（０，１）となっており、第１端部５４において、配向方向（Ｘ，Ｙ）＝（１，０）となっており、第２端部５６において、配向方向（Ｘ，Ｙ）＝（−１，０）となっている。
図４（ｃ）では、配向方向（Ｘ，Ｙ）＝（０，１）となっており、第１端部５４および第２端部５６において、配向方向（Ｘ，Ｙ）＝（０，−１）となっている。
図４（ｂ）は、図４（ａ）と図４（ｃ）の中間的な配向であり、第１端部５４において、配向方向（Ｘ，Ｙ）＝（１，−１）、第２端部５６において、配向方向（Ｘ，Ｙ）＝（−１，−１）となっている。図４（ａ）〜（ｃ）いずれの場合も、磁石部材５０は幅方向について対称に着磁することが望ましい。

なお、図４（ａ）〜（ｃ）において、中央部５２、第１端部５４、第２端部５６は物理的に分離されているわけではなく、単一の磁石部材５０の着磁の配向が異なる部位を、仮想的、便宜的に区別して称呼していることに留意されたい。さらに言えば、後述の着磁技術によって実際に着磁される磁石部材５０においては、中央部５２、第１端部５４、第２端部５６において、着磁の配向は連続的に変化することに留意されたい。この場合、中央部５２と第１端部５４の境界、中央部５２と第２端部５６の境界では、中間的な配向方向を有する。

図５は、図３（ａ）、（ｂ）および図４（ａ）、（ｃ）に示す磁石部材５０が発生するＹ方向の表面磁束密度Ｂｙの計算結果を示す図である。表面磁束密度Ｂｙは、外周面２４から１ｍｍ離れた箇所の磁束とした。磁石部材５０の幅方向の長さは２５ｍｍ、厚みを１０ｍｍとしている。また第１端部５４、中央部５２、第２端部５６それぞれの幅を、５ｍｍ、１５ｍｍ、５ｍｍとして計算を行った。図５の（i）〜（iv）はそれぞれ、図３（ａ）、図３（ｂ）、図４（ａ）、図４（ｃ）の磁石部材５０が発生する磁束密度である。

図５の（iii）および（iv）の磁束密度は、中央領域ΔＸ（Ｘ＝８〜１７ｍｍ）において、図５の（i）および（ii）の磁束密度よりも大きくなっている。つまり、図５の（iii）および（iv）それぞれに対応する図４（ａ）、（ｃ）の配向にて磁石部材５０を着磁することにより、図３（ａ）、（ｂ）の配向よりも中央領域の磁束密度を高めることが可能となる。図５には図示しないが、図４（ｂ）の配向にて磁石部材５０を着磁した場合、図５の（iii）と（iv）の間の特性を有することとなり、この場合も、図３（ａ）、（ｂ）の配向よりも中央領域の磁束密度を高めることが可能となる。

中央部５２の磁界の方向を第１方向Ｄ１、それと反対方向を第２方向Ｄ２、第１方向Ｄ１と垂直であり第１端部５４から中央部５２に向かう向きを第３方向Ｄ３、第１方向Ｄ１と垂直であり第２端部５６から中央部５２に向かう向きを第４方向Ｄ４と定義する。このとき磁石部材５０は、（ii-a）その第１端部５４において、第２方向Ｄ２と第３方向Ｄ３との間の磁界を発生させるように着磁され、（ii-b）その第２端部５６において、第２方向Ｄ２と第４方向Ｄ４との間の磁界を発生させるように着磁されていると把握することができる。図６は、中央部５２、第１端部５４、第２端部５６それぞれにおける配向方向の範囲を示す図である。

図５では、中央部分ΔＸ（９ｍｍ）は、磁石部材５０の幅（２５ｍｍ）の３６％に相当する。高い表面磁束密度が要求される中央部分ΔＸの最適値は、ポール数、スロット数、ティースの形状などにも依存する。中央部５２、第１端部５４、第２端部５６それぞれの配向は、中央部分ΔＸにおいて高い表面磁束密度が得られるように定められている。

以上が永久磁石電動機１００の構成である。
続いてその利点を説明する。本発明者らが検討したところ、中央部分ΔＸの磁界の方が、それ以外の部分の磁界よりも電動機のトルクあるいは効率への寄与が大きいことを認識するに至った。

この知見にもとづけば、中央領域の磁束密度が大きければ、その両端付近の磁束密度が小さく、あるいは向きが反対であったとしても、磁石部材５０全体、ひいては永久磁石電動機１００全体として把握したときには高性能でありえる。すなわち、実施の形態に係る磁石部材５０を有する永久磁石電動機１００によれば、電動機の効率を高め、および／または、トルクを高めることができる。あるいは、同じ効率／トルクを得るために必要な磁石部材５０の体積を低減できるため、電動機の小型化、低コスト化を実現できる。

つまり実施の形態に係る永久磁石電動機１００によれば、従来のように、磁石部材５０全体を同一方向に着磁することに注力するのではなく、磁石部材５０の両端部５４、５６の磁界の向きを、中央部５２のそれとは積極的に異ならしめることにより、永久磁石電動機１００の性能を高めることができる。

続いて、磁石部材５０の着磁方法および永久磁石電動機１００の製造方法について説明する。

はじめに、磁石部材５０を回転子２０に取り付ける前に磁石部材５０を着磁する前着磁について説明する。
図７（ａ）、（ｂ）は、磁石部材５０を前着磁する着磁装置２００を示す図である。着磁装置２００は、ヨーク２０２および着磁コイル２０４を備える。ヨーク２０２の断面形状は、磁石部材５０の着磁の配向方向に応じて設計される。ヨーク２０２は、少なくともひとつのティース２０６を有し、各ティース２０６には、着磁コイル２０４が巻装される。着磁コイル２０４に電流を流すことにより生ずる磁界により、磁石部材５０が着磁される。

たとえば図７（ａ）のヨーク２０２を用いた場合、図４（ａ）の配向方向にて磁石部材５０を着磁することが可能であり、図７（ｂ）のヨーク２０２を用いた場合、図４（ｃ）の配向方向にて磁石部材５０を着磁することができる。着磁された磁石部材５０を、図２に示すようにコア２２の磁石挿入部２６に挿入することで、回転子２０が形成される。

ヨーク２０２の断面形状は図７（ａ）、（ｂ）のそれらには限定されず、磁石部材５０の断面形状ならびに、目標とする着磁状態に応じて設計すればよい。

続いて磁石部材５０を回転子２０に取り付けた状態で磁石部材５０を着磁する後着磁について説明する。

図８（ａ）、（ｂ）は、磁石部材５０を後着磁する着磁装置３００を示す図である。図８（ａ）の着磁装置３００ａは、図１の固定子１０である。
この着磁装置３００ａを用いる場合、はじめにコア２２に着磁前の磁石部材５０を取り付けて回転子２０が形成される。続いて、回転子２０を固定子１０の内側に挿入する。この状態で、回転子２０と固定子１０の相対的な位置を変化させながら、少なくともひとつのモータコイル１８に所定量の電流を流す。この状態で固定子１０が発生する磁界により、磁石部材５０の中央部５２、第１端部５４、第２端部５６を着磁する。

着磁装置３００ａによる着磁に際しては、すべての磁石部材５０を同時に着磁することは困難であるから、１個〜３個程度の磁石部材５０が着磁対象として選択される。そして、すべてのスロットではなく、着磁対象の磁石部材５０の近傍のスロットのモータコイル１８に電流を供給することにより、着磁対象の磁石部材５０を着磁していく。現在の着磁対象の磁石部材５０の着磁が完了すると、次の着磁対象が選択され、これを最後まで繰り返す。

図８（ｂ）の着磁装置３００ｂは、図１の固定子１０とは別に設計された着磁専用ヨーク３０２を備える。着磁専用ヨーク３０２のスロット数（ティース３０６の個数）およびティース３０６の形状は、固定子１０のスロット数およびティース１４の形状とは無関係であり、所望の着磁態様に応じて任意に定めることができる。

この着磁装置３００ｂを用いる場合、はじめにコア２２に着磁前の磁石部材５０を取り付けて回転子２０が形成される。続いて、回転子２０を、着磁装置３００ｂの内側に挿入する。この状態で、回転子２０と着磁装置３００ｂの相対的な位置を変化させながら、少なくともひとつの着磁コイル３０４に所定量の電流を流す。この状態で着磁装置３００ｂが発生する磁界により、磁石部材５０の中央部５２、第１端部５４、第２端部５６を着磁する。着磁装置３００ｂによる着磁方法は、基本的には着磁装置３００ａを用いた場合と同様である。

上述のように着磁装置３００ｂでは、固定子１０とは別に、磁石部材５０の目標となる配向態様に応じて、着磁専用ヨーク３０２を設計することができるため、着磁に要する時間を短縮できる。

以上、磁石部材５０の着磁装置および着磁方法について説明した。永久磁石電動機１００の製造に関して、着磁処理以外については、一般的な永久磁石電動機１００の製造方法と同様でよいため説明を省略する。

以上、本発明について、実施の形態をもとに説明した。これらの実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。以下、こうした変形例について説明する。

（変形例１）
実施の形態では１６ポール１８スロットの永久磁石電動機１００について説明したが、本発明において、ポール数およびスロット数は限定されない。

（変形例２）
上述の実施形態では、磁石部材５０を回転子２０の外周面２４に沿って取り付ける表面磁石型（ＳＰＭ：Surface Permanent Magnet）モータの場合を例示したが、磁石部材５０を回転子２０の内側に埋め込む埋込磁石型（ＩＰＭ：Interior Permanent Magnet）モータに対して上述した技術を適用してもよい。

（変形例３）
なお、実施の形態に係る永久磁石電動機１００の用途は特に限定されるものではないが、たとえば射出成形機などに好適に使用することができる。

１０…固定子、１２…ステータヨーク、１４…ティース、１８…モータコイル、２０…回転子、２２…コア、２４…外周面、２６…磁石挿入部、２８…回転軸、４０…貫通孔、４２…溝部、４６…突起部、５０…磁石部材、５２…中央部、５４…第１端部、５６…第２端部、２００，３００…着磁装置、３０２…着磁専用ヨーク、３０４…コイル、３０６…ティース、１００…永久磁石電動機。

Claims (9)

1. 回転子を備える永久磁石電動機であって、
   前記回転子は、
   環状のコアと、
   前記コアの周方向に並べて配置される複数の磁石部材と、
   を備え、
   前記磁石部材は、（i）その中央部において前記コアの側面と略垂直な第１方向を含む配向にて着磁され、（ii）その両端部において、前記第１方向を含まない配向にて着磁されていることを特徴とする永久磁石電動機。
2. 回転子を備える永久磁石電動機であって、
   前記回転子は、
   環状のコアと、
   前記コアの周方向に並べて配置される複数の磁石部材と、
   を備え、
   前記磁石部材は、（i）その中央部において前記コアの側面と略垂直な第１方向を含む配向にて着磁され、（ii-a）その第１端部において、前記第１方向と反対の第２方向と、前記中央部に向かう第３方向との間の配向にて着磁され、（ii-b）その第２端部において、前記第２方向と、前記中央部に向かう第４方向との間の配向にて着磁されることを特徴とする永久磁石電動機。
3. 前記中央部は、前記第１端部、前記中央部、前記第２端部の幅は、略１：３：１であることを特徴とする請求項２に記載の永久磁石電動機。
4. 前記中央部は、前記磁石部材の略６０％であることを特徴とする請求項１または２に記載の永久磁石電動機。
5. 永久磁石電動機の回転子の環状のコアの側面に取り付けられる磁石部材の着磁方法であって、
   前記磁石部材の中央部を、前記磁石部材が取り付けられるコアの側面と略垂直な第１方向の配向にて着磁するステップと、
   前記磁石部材の第１端部を、前記第１方向と反対の第２方向から、前記中央部に向かう第３方向の間の配向にて着磁するステップと、
   前記磁石部材の第２端部を、前記第２方向から、前記中央部に向かう第４方向の間の配向にて着磁するステップと、
   を備えることを特徴とする着磁方法。
6. 前記コアに着磁前の前記磁石部材を取り付けて前記回転子を形成するステップと、
   前記回転子を固定子の内側に挿入するステップと、
   をさらに備え、
   前記回転子と前記固定子の相対的位置を変化させながら、前記固定子が発生する磁界により、前記中央部、前記第１端部、前記第２端部を着磁することを特徴とする請求項５に記載の着磁方法。
7. 前記コアに着磁前の前記磁石部材を取り付けて前記回転子を形成するステップと、
   前記回転子を、着磁専用のヨークの内側に挿入するステップと、
   をさらに備え、
   前記回転子と前記ヨークの相対的位置を変化させながら、前記ヨークおよび前記ヨークに巻装されるコイルが発生する磁界により、前記中央部、前記第１端部、前記第２端部を着磁することを特徴とする請求項５に記載の着磁方法。
8. 前記磁石部材は、前記コアに取り付ける前に、専用の着磁装置によって着磁されることを特徴とする請求項５に記載の着磁方法。
9. 請求項５から８のいずれかに記載のいずれかに記載の着磁方法を備えることを特徴とする永久磁石電動機の製造方法。

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