JP2015186304A - 磁石埋込型ロータ - Google Patents

Abstract

【課題】鉄損を低減することのできる磁石埋込型ロータを提供する。
【解決手段】このロータ５は、永久磁石が埋め込まれた円筒状のロータコア５０を備える。ロータコア５０は、その径方向において隙間を隔てて配置される内側コア７０及び外側コア８０を有する。外側コア８０は内側コア７０を囲繞する。外側コア８０を構成する電磁鋼板８１ａ，８１ｂの板厚は、内側コア７０を構成する電磁鋼板７１の板厚よりも薄い。
【選択図】図３

Description

本発明は、磁石埋込型ロータに関する。

界磁用の永久磁石をロータの内部に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。このようなＩＰＭモータとしては、特許文献１に記載のものがある。特許文献１に記載のＩＰＭモータは、円筒状のロータ、及びロータの周囲を覆う円筒状のステータを備えている。ロータは、複数の電磁鋼板を積層してなるロータコアと、ロータコアの内部に埋め込まれた複数の永久磁石とを有している。複数の永久磁石はロータコアの外周部分に磁極を形成する。ステータの内周部分には複数のティースが形成されている。各ティースにはステータコイルが巻回されている。ステータコイルは電流の供給に基づいて交番磁界を形成し、ロータに回転磁界を付与する。

特開２０１３−２４７７８３号公報

ところで、このようなＩＰＭモータでは、入力電力を機械出力に変換する際の損失の一つとしてロータの鉄損が存在する。ロータの鉄損には、例えば交番磁界の付与によりロータに生じるヒステリシス損や渦電流損等が含まれる。こうしたロータの鉄損を低減することがＩＰＭモータの効率を高める上で重要である。

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、鉄損を低減す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、電磁鋼板を積層して構成される円筒状のロータコアと、前記ロータコアに形成された磁石挿入孔に埋め込まれる永久磁石と、を備える磁石埋込型ロータにおいて、前記ロータコアは、前記ロータコアの径方向において隙間を隔てて配置される内側コア及び外側コアを有し、前記内側コア及び前記外側コアの間に形成された隙間により前記磁石挿入孔が構成され、前記内側コアを囲繞する前記外側コアは、前記内側コアよりも鉄損が小さい。

この構成によれば、鉄損の生じやすいロータの外周部分に鉄損の小さい外側コアが配置されるため、内側コアと同一の鉄損を有する部材によりロータコア全体を構成する場合と比較すると、ロータの鉄損を低減することができる。

上記磁石埋込型ロータについて、前記外側コアを構成する電磁鋼板の板厚は、前記内側コアを構成する電磁鋼板の板厚よりも薄いことが好ましい。
この構成によれば、外側コアの鉄損を内側コアの鉄損よりも容易に小さくすることができる。

上記磁石埋込型ロータについて、前記外側コアは、一枚で環状に形成された電磁鋼板を積層してなることが好ましい。
この構成によれば、外側コアが周方向に複数に分割されずに形成されるため、外側コアの外周部分の真円度を確保し易くなる。結果的に、ロータコアの外周部分の真円度を確保し易くなる。

上記磁石埋込型ロータについて、前記ロータコアは、前記内側コアと前記外側コアとを連結する連結部材を更に備えることが好ましい。
この構成によれば、内側コアと外側コアとを容易に一体的に組み付けることができる。

上記磁石埋込型ロータについて、前記ロータコアは、前記内側コア及び前記外側コアからなる第１コア部材と、前記内側コア及び前記外側コアと前記ロータコアの軸方向に隣接する第２コア部材と、が前記ロータコアの軸方向に積層された構造からなることが好ましい。

この構成によれば、内側コア及び外側コアの間に磁石挿入孔を構成する隙間が形成された状態で、内側コア及び外側コアを容易に組み付けることができる。

本発明によれば、鉄損を低減することができる。

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。 実施形態のロータの平面構造を示す平面図。 図２のＡ−Ａ線に沿った断面構造を示す断面図。 実施形態のロータコアにおける第２コア部材を構成する電磁鋼板の平面構造を示す平面図。 図４のＢ−Ｂ線に沿った断面構造を示す断面図。 実施形態のロータコアにおける内側コアを構成する電磁鋼板の平面構造を示す平面図。 図６のＣ−Ｃ線に沿った断面構造を示す断面図。 実施形態のロータコアにおける外側コアを構成する電磁鋼板の平面構造を示す平面図。 図８のＥ−Ｅ線に沿った断面構造を示す断面図。 図３のＦ−Ｆ線に沿った断面構造を示す断面図。 磁石埋込型ロータの変形例についてその断面構造を示す断面図。 磁石埋込型ロータの他の変形例についてその断面構造を示す断面図。 磁石埋込型ロータの他の変形例についてその断面構造を示す断面図。 磁石埋込型ロータの他の変形例についてその断面構造を示す断面図。 外側コアの変形例についてその平面構造を示す平面図。

以下、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モータの概要について説明する。
図１に示すように、このＩＰＭモータ１は、ハウジング２の内周部分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回転軸４、及びステータ３の内側に配置されて回転軸４の外周部分に一体的に取り付けられたロータ５を備えている。回転軸４はＩＰＭモータ１の出力軸である。

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てなる。ステータ３の内周部分には、その径方向内側に向かって延びる複数のティース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。

図２に示すように、ロータ５は、内径ｄ及び外径Ｄの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永久磁石６０を備えている。ロータコア５０は、その軸方向に複数の電磁鋼板が積層されてなる。ロータコア５０には、その軸方向に貫通する８つの磁石挿入部（磁石挿入孔）５１が周方向に等角度間隔で形成されている。磁石挿入部５１は、ブリッジ５２を介してＶ字状に対向配置された一対の直線孔５１ａ，５１ａからなる。一対の直線孔５１ａ，５１ａには永久磁石６０がそれぞれ挿入されている。一対の永久磁石６０，６０はＶ字の内側の部分に同一の磁極を有しており、ロータ５の外周部分に一磁極を形成する。ロータコア５０には、ロータコア５０の外周部分にＮ極を形成する一対の永久磁石６０，６０と、ロータコア５０の外周部分にＳ極を形成する一対の永久磁石６０，６０とが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、図１に示すステータコイル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により形成され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、回転軸４が回転する。

次にロータ５の構造について詳述する。図３は、図２のＡ−Ａ線に沿った断面構造を示したものである。
図３に示すように、ロータコア５０は、内側コア７０と外側コア８０とからなる第１コア部材７、及び第２コア部材９の積層構造からなる。なお、本実施形態では、内側コア７０、外側コア８０、及び第２コア部材９を構成するそれぞれの電磁鋼板に同一の材質のものが使用されている。

図４に示すように、第２コア部材９を構成する電磁鋼板９０は、ロータコア５０と同一の内径ｄ、及びロータコア５０と同一の外径Ｄを有する円環状の板材からなる。図４のＢ−Ｂ線に沿った断面構造を図５に示すように、電磁鋼板９０の板厚は「ｔ」に設定されている。図４に示すように、電磁鋼板９０には、ロータコア５０の磁石挿入部５１に対応した一対の貫通孔９１，９１が周方向に等角度間隔で形成されている。すなわち、一対の貫通孔９１，９１はブリッジ９８を介してＶ字状に対向配置されている。電磁鋼板９０の厚さ方向の一端面９２には、ブリッジ９８から電磁鋼板９０の径方向外側にずれた位置に外側凹部９３が、またブリッジ９８から電磁鋼板９０の径方向内側にずれた位置に内側凹部９４がそれぞれ形成されている。さらに、図５に示すように、電磁鋼板９０の一端面９２と反対側の他端面９５には、外側凹部９３の反対側の位置に外側凸部９６が、また内側凹部９４の反対側の位置に内側凸部９７がそれぞれ形成されている。第２コア部材９は、図４及び図５に示す電磁鋼板９０単体からなる。

図６に示すように、内側コア７０を構成する電磁鋼板７１は、内周部分が円形に形成されるとともに外周部分が星型八角形に形成された環状の板材からなる。電磁鋼板７１は、ロータコア５０の内径ｄと同一の内径ｄを有している。また、図６のＣ−Ｃ線に沿った断面構造を図７に示すように、電磁鋼板７１は、第２コア部材９の板厚ｔと同一の板厚ｔを有している。図６に示すように、電磁鋼板７１の厚さ方向の一端面７２には、外周の谷部７３から電磁鋼板７１の内周側にずれた位置に凹部７４が形成されている。また、図７に示すように、電磁鋼板７１の一端面７２と反対側の他端面７５には、凹部７４の反対側の位置に凸部７６が形成されている。内側コア７０は、図６及び図７に示す電磁鋼板７１単体からなる。

図３に示すように、外側コア８０は、ロータコア軸方向に２枚の電磁鋼板８１ａ，８１ｂが積層されてなる。なお、２つの電磁鋼板８１ａ，８１ｂは同一の形状からなるため、以下では、便宜上、電磁鋼板８１ａの形状についてのみ説明する。図８に示すように、電磁鋼板８１ａは、内周部分が星型八角形に形成されるとともに外周部分が円形に形成された環状の板材からなる。電磁鋼板８１ａはロータコア５０の外径Ｄと同一の外径Ｄを有している。また、図中に内側コア７０を構成する電磁鋼板７１の外形を二点鎖線Ｌで示すように、電磁鋼板８１ａの内周部分は、電磁鋼板７１の外周部分との間に隙間Ｇを確保できるように形成されている。また、図８のＥ−Ｅ線に沿った断面構造を図９に示すように、電磁鋼板８１ａの板厚は、内側コア７０を構成する電磁鋼板７１の板厚ｔの半分の厚さ「ｔ／２」に設定されている。図８に示すように、電磁鋼板８１ａの厚さ方向の一端面８２には、内周の突出部８８から電磁鋼板８１ａの径方向外側にずれた位置に凹部８３が形成されている。また、図９に示すように、電磁鋼板８１ａの一端面８２と反対側の他端面８４には、凹部８３の反対側の位置に凸部８５が形成されている。図３に示すように、外側コア８０を構成する２枚の電磁鋼板８１ａ，８１ｂは、一方の電磁鋼板８１ａの凸部８５が他方の電磁鋼板８１ｂの凹部８３にかしめられることにより一体的に組み付けられている。こうした電磁鋼板８１ａ，８１ｂの積層構造により外側コア８０は内側コア７０と同一の厚さｔを有している。また、外側コア８０は、軸方向の一端面８６に凹部８３を有するとともに、一端面８６と反対側の他端面８７に凸部８５を有している。

図３に示すように、ロータコア５０は、第１コア部材７と第２コア部材９とが軸方向に交互に積層されてなる。詳しくは、第１コア部材７を構成する内側コア７０及び外側コア８０は、第２コア部材９，９によりロータコア軸方向に挟み込まれている。そして、内側コア７０の凹部７４及び凸部７６が、ロータコア軸方向に隣接する第２コア部材９，９のそれぞれの内側凸部９７及び内側凹部９４にそれぞれかしめられることにより、内側コア７０と第２コア部材９，９とが一体的に組み付けられている。また、外側コア８０の凹部８３及び凸部８５が、ロータコア軸方向に隣接する第２コア部材９，９の外側凸部９６及び外側凹部９３にそれぞれかしめられることにより、外側コア８０と第２コア部材９，９とが一体的に組み付けられている。このようなかしめ構造により、第１コア部材７と第２コア部材９とが一体化されている。

また、図３のＦ−Ｆ線に沿った断面構造を図１０に示すように、内側コア７０を囲繞する外側コア８０は、内側コア７０とロータコア径方向に隙間Ｇを隔てて配置されている。隙間Ｇは星型八角形をなしている。図２に示すように、この隙間Ｇと第２コア部材９の各貫通孔９１とがロータコア軸方向に連通することにより、ロータコア５０の磁石挿入部５１が構成されている。図３に示すように、第２コア部材９及び内側コア７０のそれぞれの内周部分には回転軸４が取り付けられる。

以上説明した本実施形態のロータ５によれば、以下のような作用及び効果を得ることができる。
（１）図３に示すように、本実施形態のロータ５では、外側コア８０を構成する電磁鋼板８１ａ，８１ｂの板厚が、内側コア７０及び第２コア部材９をそれぞれ構成する電磁鋼板７１，９０の板厚ｔの半分の厚さ「ｔ／２」からなるため、外側コア８０の鉄損を内側コア７０や第２コア部材９の鉄損よりも小さくすることができる。これにより、鉄損の生じ易いロータ５の外周部分での鉄損を抑制することができる。そのため、例えばロータコア５０全体を第２コア部材９により構成する場合と比較すると、ロータ５の鉄損を低減することができる。

（２）内側コア７０及び外側コア８０を第２コア部材９に積層させてかしめることとした。これにより、互いに分離された内側コア７０及び外側コア８０の間に磁石挿入部５１を構成する隙間Ｇが形成された状態で、内側コア７０及び外側コア８０を容易に一体的に組み付けることができる。

（３）図４及び図５に示すような電磁鋼板のみを積層してロータコアを製造した場合、ロータコアの外周部分の鉄損を低減する方法としては、例えば電磁鋼板の外周部分に溝を形成する等、電磁鋼板に対して何らかの加工を施すという方法がある。しかしながら、ロータコアを構成する全ての電磁鋼板９０に対して加工を行うとなると、ロータコアの製造が非常に煩雑になるおそれがある。この点、本実施形態のロータ５では、図４〜図９に示す電磁鋼板７１，８１ａ，８１ｂ，９０を積層するだけで、外周部分の鉄損が小さいロータコア５０を製造することができる。したがって、電磁鋼板に対して何らかの加工を行う場合と比較すると、ロータコアの製造が容易となる。

（４）図８に示すように外側コア８０を筒状に一体形成すれば、外側コア８０の外周部分の真円度を確保することができる。結果的に、ロータコア５０の外周部分の真円度を確保し易くなる。

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。
・外側コア８０を構成する電磁鋼板８１ａ，８１ｂの板厚は、内側コア７０を構成する電磁鋼板７１の板厚よりも薄ければ、適宜変更可能である。また、内側コア７０の板厚に応じて、外側コア８０を構成する電磁鋼板の枚数を適宜変更してもよい。さらに、内側コア７０を構成する電磁鋼板７１の枚数や、第２コア部材９を構成する電磁鋼板９０の枚数も適宜変更可能である。

・外側コア８０の鉄損を更に低減するために、外側コア８０を構成する電磁鋼板８１ａ，８１ｂとして、内側コア７０を構成する電磁鋼板７１よりも鉄損の小さい材質のものを用いてもよい。なお、鉄損を小さくする方法としては、例えば電磁鋼板８１ａ，８１ｂに含まれる添加物の含有率を変更したり、電磁鋼板８１ａ，８１ｂを圧粉磁心で代用するといった方法がある。

また、外側コア８０を構成する電磁鋼板として鉄損の小さい材質のものを用いるのであれば、例えば図１１に示すように、外側コア８０を構成する電磁鋼板８１の板厚を、内側コア７０を構成する電磁鋼板７１と同一の板厚ｔに設定してもよい。このような構成であっても、上記実施形態と同様に、ロータコア５０全体を第２コア部材９により構成する場合と比較すると、ロータ５の鉄損を低減することができる。

ところで、ロータの鉄損を低減する方法としては、ロータコアを構成する全ての電磁鋼板を鉄損の小さい材質に変更するという方法がある。しかしながら、電磁鋼板の鉄損を小さくするほど、電磁鋼板の硬度が高くなるため、電磁鋼板のプレス加工の際に用いられる金型が摩耗し易くなる。すなわち、金型の寿命が短くなる。また、鉄損が小さいほど電磁鋼板の価格が高くなるため、ひいてはロータの製造コストが増加するおそれがある。

この点、図１１に示すロータコア５０のように、外側コア８０を構成する電磁鋼板８１のみを鉄損の小さい材質のものに変更すれば、ロータコア５０全体を鉄損の小さい電磁鋼板により構成する場合と比較すると、製造コストを抑えることができる。

・上記実施形態では、第１コア部材７及び第２コア部材９をロータコア軸方向に交互に積層することによりロータコア５０を構成したが、例えばロータコア５０の軸方向の両端部にのみ第２コア部材９を配置する等、第１コア部材７及び第２コア部材９の積層構造は適宜変更可能である。

・上記実施形態では、ロータコア５０が第１コア部材７及び第２コア部材９の積層構造からなるものであったが、図１２に示すように、ロータコア５０は第１コア部材７のみの積層構造、すなわち内側コア７０及び外側コア８０のみの積層構造からなるものであってもよい。なお、図１２に示すようにロータコア５０から第２コア部材９を排除した場合、互いに分離された内側コア７０及び外側コア８０を連結する構造が必要となる。このような連結構造としては、例えば図１３や図１４に示す構造を採用することができる。

図１３に示す連結構造では、外側コア８０の内周の突出部８８に係合溝１００が形成されている。また、内側コア７０の外周における外側コア８０の係合溝１００と対向する谷部７３にも係合溝１０１が形成されている。そして、外側コア８０の係合溝１００及び内側コア７０の係合溝１０１に連結部材１０２が係合されている。このような連結構造によれば、内側コア７０の外周部分と外側コア８０の内周部分とを容易に連結することができる。

なお、連結部材１０２の材質としては金属や樹脂等を採用することができるが、漏れ磁束を抑制するために、連結部材１０２を樹脂等の非磁性材料により構成することが好ましい。また、連結部材１０２の形状は適宜変更可能である。さらに、係合溝１００，１０１のそれぞれの位置や形状も適宜変更可能である。

図１４に示す連結構造では、外側コア８０の内周の突出部８８に、ロータコア径方向内側に向かって伸びる係合部１１０が形成されている。また、内側コア７０の外周の谷部７３には、外側コア８０の係合部１１０の先端部１１１が係合する係合溝１１２が形成されている。そして、外側コア８０の係合部１１０と内側コア７０の係合溝１１２との係合構造により内側コア７０及び外側コア８０が互いに連結されている。このような構成であれば、上記実施形態の第２コア部材９や、図１３に例示した変形例の連結部材１０２を用いることなく、内側コア７０及び外側コア８０を連結することができる。すなわち、第２コア部材９や連結部材１０２を排除することができるため、その分だけロータ５の部品点数を低減することができる。

なお、係合部１１０及び係合溝１１２の位置や形状は適宜変更可能である。また、図１４に示す内側コア７０と外側コア８０の係合関係を逆にしてもよい。すなわち、内側コア７０の外周部分に係合部を形成するとともに、同係合部が係合する係合溝を外側コア８０の内周部分に形成してもよい。

・図１５に示すように、外側コア８０を構成する電磁鋼板８１ａ，８１ｂを、周方向に等角度間隔で分割された複数の分割コア１２０を円環状に組み合わせることにより構成してもよい。これにより、プレス加工の際に用いる原板において分割コア１２０の打ち抜き部分を近接して配置することができるため、材料歩留まりを向上させることができる。

・上記実施形態では、ロータコア５０の磁石挿入部５１がＶ字状をなすものであったが、磁石挿入部５１の形状は例えばＵ字状やコ字状など、適宜変更可能である。また、磁石挿入部５１の形状に併せて、内側コア７０を構成する電磁鋼板７１の外周形状、外側コア８０を構成する電磁鋼板８１ａ，８１ｂの内周形状、並びに第２コア部材９を構成する電磁鋼板９０の貫通孔９１の形状を変更する。この場合、磁石挿入部５１の形状に併せて永久磁石６０の形状も変更する。

・上記各実施形態では、ロータ５の磁極数が８極であったが、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の磁極数に併せて永久磁石６０の数や、ステータ３のティース３０の数等を変更してもよい。

１…ＩＰＭモータ、５…磁石埋込型ロータ、７…第１コア部材、９…第２コア部材、５０…ロータコア、５１…磁石挿入部（磁石挿入孔）、６０…永久磁石、７０…内側コア、７１，８１，８１ａ，８１ｂ，９０…電磁鋼板、８０…外側コア、１０２…連結部材。

Claims (5)

1. 電磁鋼板を積層して構成される円筒状のロータコアと、
   前記ロータコアに形成された磁石挿入孔に埋め込まれる永久磁石と、を備える磁石埋込型ロータであって、
   前記ロータコアは、
   前記ロータコアの径方向において隙間を隔てて配置される内側コア及び外側コアを有し、
   前記内側コア及び前記外側コアの間に形成された隙間により前記磁石挿入孔が構成され、
   前記内側コアを囲繞する前記外側コアは、前記内側コアよりも鉄損が小さい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、
   前記外側コアを構成する電磁鋼板の板厚は、前記内側コアを構成する電磁鋼板の板厚よりも薄いことを特徴とする磁石埋込型ロータ。
3. 請求項１又は２に記載の磁石埋込型ロータにおいて、
   前記外側コアは、一枚で環状に形成された電磁鋼板を積層してなることを特徴とする磁石埋込型ロータ。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の磁石埋込型ロータにおいて、
   前記ロータコアは、前記内側コアと前記外側コアとを連結する連結部材を更に備えることを特徴とする磁石埋込型ロータ。
5. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の磁石埋込型ロータにおいて、
   前記ロータコアは、
   前記内側コア及び前記外側コアからなる第１コア部材と、
   前記内側コア及び前記外側コアと前記ロータコアの軸方向に隣接する第２コア部材と、が前記ロータコアの軸方向に積層された構造からなることを特徴とする磁石埋込型ロータ。