JP2015231254A - 回転子及びこれを備えた回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の目的は、表面永久磁石界磁式モータ（ＳＰＭ）において、逆ラジアルに磁束を配向させても、クラックが発生することを有効に防止することが可能な回転子及びこれを備えた回転電機を提供することにある。
【解決手段】回転子に関する。マグネット３２は、磁極中心線上であって、回転子３の径方向外側に設定された任意の集向点Ｏに磁束が集束するように配向されており、このマグネット３２の回転子３との固着面であるマグネット側固着面３２ｂは、軸方向と垂直な面での断面形状が、円弧形状の凸縁であるとともに、回転子コア３１のマグネット３２との固着面である回転子コア側固着面３１ａは、同断面形状が、円弧形状の凹溝であり、マグネット側固着面３２ｂと回転子コア側固着面３１ａとは整合する形状であるとともに、マグネット３２の配向方向は、マグネット側固着面３２ｂ及び前記回転子コア側３１ａの接線Ｔに対し、接点Ｐを通る法線となるように設定されている。
【選択図】図１

Description

本発明は回転子及びこれを備えた回転電機にかかり、特に、表面永久磁石界磁式回転電機（ＳＰＭ）に有効に適用することが可能な回転子及びこれを備えた回転電機に関するものである。

回転電機の一つとして、永久磁石を界磁として使用した永久磁石式の同期モータが一般的に知られている。
このような回転電機では、回転子に永久磁石が配設され、この回転子を囲むように設置される固定子に配設された磁界との相互作用により回転子が回転するように構成されている。
回転子に永久磁石を組み込む方法としては、表面磁石型（ＳＰＭ）及び埋込磁石型（ＩＰＭ）等の形式が知られている。
このように永久磁石を使用したモータにおいては、コスト低減のために磁石使用量等を低減させる必要があり、このため効率的に磁石に磁束を発生させる必要があった。
例えば、図５（ｃ）に示すように、磁石にパラレル配向をもたせる技術や、永久磁石から、より有効に磁力を取り出すために、その他の様々な方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１には、回転電機のロータについての技術が開示されている。
当該技術における複数の磁石は、ロータコアの外周面に、Ｎ極とＳ極とが交互となるように固定されている。
そして、各磁石は、回転軸の軸線と直交する断面において、径方向外側ほどその磁極中心線に近づくように傾斜する磁束が生じる構成とされている。
つまり、各磁石は、その外側に配置された磁極中心線上の一点を通る放射状の磁束が生じる構成とされている。
よって、特性の良い回転電機のロータを提供することが可能となる。

特開２００９−１２４８５２号公報

このように、特許文献１に記載されたような技術によると、確かに、磁石磁束を効率良くステータのティースへ集めることができる。
しかし、より、効率良く磁石磁束を集めるためには、磁極幅に対して任意の一点に磁束配向を集中させるほうが効率がよく、このような方法もまた提案されている。
例えば、ＳＰＭロータにおいて、磁極幅に対して任意の一点に磁束配向を集中させて、有効磁束を多くし、発生トルクを増大させる方法が様々に知られており、これらの方法としては、例えば、極異方配向（図５（ａ）参照）、ハルバッハ配向（図５（ｂ）参照）、逆ラジアル配向（図５（ｄ）、特許文献１参照）等がある。

これらの中で、逆ラジアル配向は、永久磁石の構造や形状は、通所のＳＭＰ型ロータに用いられるもの（例えば、弓状）のままで、成形時の型構成変更のみで製造できるとともに、比較的容易に組付けができ、コスト的に有利な方法である。
例えば、極異方配向においては、磁石厚さに下限があり、ハルバッハ配向においては、使用する永久磁石の個数が多くなり組付けコストが増大するという問題がある。
一方、通常のＳＰＭ型ロータに使用される永久磁石の形状は、弓状若しくは瓦状が一般的であるが、当該形状の永久磁石に対して、特許文献１の技術のように逆ラジアル配向を持たせる場合には、永久磁石の素材粒子の機械的な配列（ラジアル状）に対し、磁極の配向（逆ラジアル）が反発し合うように作用するため、着磁時において、特に中央部内径側にクラックが生じやすいという問題があった。
つまり、当該形状の永久磁石においては、磁石組成向きに対して目標配向の傾き差が大きく、磁束配向により反りを加える向きに力が作用するため、中央部がクラックに対して弱くなるという懸念があった。

本発明の目的は、上記各問題点を解決することにあり、表面永久磁石界磁式モータ（ＳＰＭ）において、逆ラジアルに磁束を配向させても、クラックが発生することを有効に防止することが可能な回転子及びこれを備えた回転電機を提供することにある。

上記課題は、本発明に係る回転子によれば、回転子コアの周方向にマグネットが配設されている回転子であって、前記マグネットは、磁極中心線上であって、前記回転子の径方向外側に設定された任意の集向点に磁束が集束するように配向されており、前記マグネットの前記回転子との固着面であるマグネット側固着面は、軸方向と垂直な面での断面形状が、前記回転子の径方向中心側に凸となる円弧形状の凸縁であるとともに、前記回転子コアの前記マグネットとの固着面である回転子コア側固着面は、軸方向と垂直な面での断面形状が、前記回転子の径方向中心側に凸となる円弧形状の凹溝であり、前記マグネット側固着面と前記回転子コア側固着面とは整合する形状であるとともに、前記マグネットの配向方向は、前記マグネット側固着面及び前記回転子コア側固着面の接線に対し、接点を通る法線となるように設定されていることにより解決される。

このように本発明では、回転子コアの外側面周方向に取付けられたマグネットのマグネット側固着面は、回転子側固着面の円弧形状に沿うように湾曲（つまり、回転子周方向中央部分が内側に凸となるように緩やかに湾曲）した形状に形成されている。
つまり、通常のマグネットに比して、その回転子周方向中央部分が中央側に張り出しており、この張り出し分、通常のマグネットに比して回転子径方向厚みが大きくなる。
また、この張り出し分、マグネットの回転子周方向中央部分が、周方向両端部に比して厚みが大きくなる。
このため、従来のマグネットに比して、反りによる中央部クラックが発生することを有効に防止できる。

また、マグネットの配向方向が、マグネット側固着面及び回転子コア側固着面の接線に対し、接点を通る法線となるよう構成されている。
つまり、水平断面（軸方向と垂直な面での断面）において、マグネット側固着面及び前記回転子コア側固着面は、集向点を中心とした円弧形状となるように構成されているため、配向方向を集向点に集めることができるとともに、磁石組成が回転子径方向内外側にて対称に近くなるため、目標配向との傾き差を抑制でき、反りを小さくすることができる。
また更に、回転子コアの水平方向（軸方向と垂直な方向）断面輪郭形状が、回転子の中心点を中心とする円周形状ではなく、回転子側固着面（凹溝である）が形成されているため、周方向のマグネット空転防止が不要となり、回転子コアの形状製造が容易となる。
また、固定子コアにおいて、隣接する回転子側固着面の間には、円弧と円弧との境界に、水平断面（軸方向と垂直な面での断面）において略三角形状の突起ができることとなる。
つまり、隣接するマグネットの極間に略三角形状の突起が介在することとなるため、Ｎ極とＳ極間の磁路長が短縮し有効磁束が増え、その分、回転子径方向のマグネット厚を削減することができるとともに、慣性を低減することができる。
なお、固定子に対向するマグネット外側面が外側に凸となって（盛り上がるよう湾曲して）いると、コギングや磁束の歪みを低減しやすくなり、更に好適となる。
また、図４に示すように、集向点Ｏを通るマグネット幅中心線Ｎ１を対称とした（集向点Ｏを中心として同中心角分離隔した）２直線Ｎ２，Ｎ３を想定すると、マグネット固着面の集向点Ｏを中心とした円弧形状は、これらマグネット幅中心線Ｎ１、２直線Ｎ２，Ｎ３の３直線から形成されるため、マグネットを頂上から押圧するのみで、容易に周方向の調芯を行うことができる。

また、このとき、具体的には、請求項２に記載のように、前記マグネットは、フェライトマグネット又はネオジオマグネットであると好適である。
更に具体的には、前記マグネットは、コンシクエントポール型ロータに使用され、一方の磁極を形成するものであってもよい。
また、本発明に係る回転電機は、回転中心軸となるシャフトと、該シャフトに固定されて共に回転可能に支持される前記回転子コアと、前記マグネットと、を備えた請求項１乃至請求項３いずれか一項に記載の回転子と、該回転子の外側面を覆うように配設され、電源装置より電源が供給されることにより、回転磁界を発生させる固定子と、を少なくとも備える。

本発明によれば、水平断面（軸方向と垂直な面での断面）において、回転子コア側に回転子コア側固着面を中心に凸な円弧状に形成するとともに、マグネット側に当該回転子コア側固着面に沿う形状のマグネット側固着面を形成した。
よって、円弧状に張り出した分、マグネットの周方向中央部が厚くなるとともに、周方向中央部を両端に比して厚くすることができるため、クラック発生を有効に防止することができる。
また、マグネット側固着面及び回転子コア側固着面は、集向点を中心とした円弧形状となるため、配向方向を集向点に効率的に集めることができるとともに、磁石組成が回転子径方向内外側にて対称に近くなるため、目標配向との傾き差を抑制でき、反りを小さくすることができる。
また、回転子側固着面の形状（凹溝）により、周方向のマグネット空転防止が不要となり、回転子コアの形状製造が容易となるとともに、隣接する回転子側固着面の形状（略三角形状の突起）により、Ｎ極とＳ極間の磁路長が短絡し、その分、回転子径方向のマグネット厚を削減することができる。また、これにより、慣性を低減することができる。

本発明の一実施形態に係る回転電機の径方向断面を示す説明図である。 本発明の一実施形態に係るマグネットの配向方向を示す説明図である。 改変例に係る相当箇所を示す図である。 本発明に係るマグネットの調芯についての説明図である。 従来例を示す説明図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
なお、以下に説明する構成は本発明を限定するものでなく、本発明の趣旨の範囲内で種々改変することができるものである。
本実施形態は、表面永久磁石界磁式モータ（ＳＰＭ）において、逆ラジアル配向を採用するにあたり、効率良く磁束を収束させ、減磁耐力を向上させることが可能なマグネットと、当該マグネットが採用されたモータに関するものである。

図１及び図２は、本発明の一実施形態を示すものであり、図１は回転電機の径方向断面を示す説明図、図２はマグネットの配向方向を示す説明図である。
また、図３は改変例に係る相当箇所を示す図であり、図４はマグネットの調芯についての説明図である。
なお、図５は従来例を示す説明図である。

最初に、図１により、本実施形態に係るマグネット３２が搭載されるモータＭの構成の一例について簡単に説明する。
このモータＭは、表面永久磁石界磁式モータ（ＳＰＭモータ）であり、マグネット３２はロータ３の側面に複数配設されている。
モータＭは、出力軸となるシャフト１と、ステータ２と、ロータ３と、を備えて構成されている。

ステータ２は、略円筒状に形成されており、図示は省略するが、径方向内側に延びる複数のティースと、そのティースに巻回された巻線と、を備えて構成されている。
このステータ２を構成する巻線には、図示しない電源装置より電源が供給され、これによりステータ２には回転磁界が発生することとなり、この回転磁界によりロータ３が回転する。

ロータ３の中心には軸方向に貫通するシャフト１が固定されているとともに、このロータ３はステータ２の内側にシャフト１を中心として回転可能に支持されている。
ロータ３は、略円筒状（正確には、後述する円弧状凹溝３１ａが複数周方向に並んだ断面を有する筒状である）のロータコア３１と、ロータコア３１の外周側面に固定された複数のマグネット３２と、を有して構成されている。
本実施形態においては、Ｎ極が５個、Ｓ極が５個の１０個のマグネット３２が使用されており、ロータコア３１の外周側面周方向に沿って、Ｎ極とＳ極が交互となるよう等間隔に配置（突設）されている。
このように、本実施形態においては、表面磁石型（ＳＰＭ）のロータ３が使用されている。

ここで、ロータ３の形状について説明する。
図１は、軸方向と水平な方向で切った断面図であるが、ここに示すように、ロータコア３１の側面は、内側に凸となった断面円弧状の円弧状凹溝３１ａ（軸方向に沿って延びる溝である）が複数周方向に並んだ形状をとっている。
この円弧状凹溝３１ａが「回転子コア側固着面」に相当する。
本実施形態においては、１０個の円弧状凹溝３１ａが周方向に沿って形成されている。
後に詳述するが、この円弧状凹溝３１ａには、マグネット３２が配設されるよう構成されており、この円弧状凹溝３１ａは、配設されたマグネット３２の集向点Ｏを中心とした円弧形状に穿たれる（特に、図２参照）。
また、隣接する円弧状凹溝３１ａ，３１ａ間は、径方向外側方向へ略三角形状に盛り上がっており、当該部分を「突起部３１ｂ」と記す。

マグネット３２は、外側面がロータ３の略周形状に沿うように、ロータ３周方向中央部分が外側に盛り上がるよう緩やかに湾曲した形状に形成されている。そして、内側面は、ロータ３の外側面に形成されている円弧状凹溝３１ａの円弧形状に沿うように湾曲した突縁形状に形成されている。
以下、このマグネット３２の内側面（ロータコア３１に形成された円弧状凹溝３１ａに取付けられる面）を「マグネット内側面３２ｂ」と記す。
更に、マグネット３２は、逆ラジアル配向となるように形成されている。
なお、このマグネット内側面３２ｂが、「マグネット側固着面」に相当する。

このように構成されているため、図示しない電源装置より電源が供給されると、ステータ２に回転磁界が発生し、ロータ３に組み込まれた複数のマグネット３２との相互作用により、ロータ３が回転する。
この回転力はシャフト１により出力される。

次いで、図２により、ロータ３とマグネット３２との関係について説明する。
図２に示す通り、ロータ３の側面には、内側に凸となった断面円弧状の円弧状凹溝３１ａ（軸方向に沿って延びる溝である）が形成されており、マグネット３２の内側面は、この円弧状凹溝３１ａの円弧形状に沿うように湾曲した形状に形成されている。
そして、この円弧状凹溝３１ａには、マグネット３２が配設されるが、上記のように構成されているため、マグネット３２は、円弧状凹溝３１ａに整合して嵌まり込む。

なお、マグネット３２は、逆ラジアル配向となるように形成されていることから、磁極中心線Ｌ（ロータ３の径方向に沿い、各マグネット３２の周方向中心を通る線である）に近づくように傾斜する磁束が生じ、この磁束は磁極中心線Ｌ上の集向点Ｏ（磁極中心線Ｌ上の、ロータ３径方向外側に集向する）に集向する。
そして、この円弧状凹溝３１ａ及びマグネット内側面３２ｂとの円弧形状は、この集向点Ｏを中心とする円弧形状となるように構成されている。
換言すれば、図２の断面形状において、円弧状凹溝３１ａに対して複数の接線Ｔを引いた場合、接点Ｐを通る接線Ｔの法線が、互いに交わる位置が集向点Ｏである。

従来の瓦型等のマグネットでは、マグネット組成向きに対して目標配向の傾き差が大きく、磁束配向により反りを加える向きに力が沿うようして中央部が、クラックに弱いという問題が生じていたが、マグネット３２が上記のように構成されていることによりこの問題を解消することができる。

マグネット３２は、外側面がロータ３の略周形状に沿うように、ロータ３周方向中央部分が外側に盛り上がるよう緩やかに湾曲した形状に形成されるとともに、マグネット内側面３２ｂは、円弧状凹溝３１ａの円弧形状に沿うように湾曲（つまり、ロータ３周方向中央部分が内側に凸となるように緩やかに湾曲）した形状に形成されている。
つまり、マグネット３２のロータ３周方向中央部分が両端部に比して厚みが大きくなるように構成されているため、反りによる中央部クラックが発生することを有効に防止することができる。

また、磁石組成が径方向内外側にて対称に近くなるため、目標配向との傾き差を抑制でき、反りを小さくすることができる。
更に、ステータ２に対向するマグネット３２外側面が外側に凸となって（盛り上がるよう湾曲して）いるため、コギングや磁束の歪みを低減しやすくなる。
また更に、ロータコア３１の水平方向（軸方向と垂直な方向）断面輪郭形状が、ロータ３の中心点を中心とする円周形状ではなく、円弧状凹溝３１ａが形成されているため、周方向の磁石空転防止が不要となり、ロータ３の形状製造が容易となる。

また、隣接する極間に略三角形状の突起部３１ｂが介在することとなるため、Ｎ極とＳ極間の磁路長が短絡し、その分、ロータ３径方向のマグネット３２厚を削減することができるとともに、慣性を低減することができる。
なお、マグネット３２の種類としては、本願発明の趣旨を逸脱しない範囲において、どのようなものが使用されていてもよいが、フェライトマグネット、ネオジマグネットが好適に使用される。

また、図３にコンシクエントポール型のロータ３の例を改変例として示した。
図３に例示するロータ３においては、Ｎ極又はＳ極のマグネット３２が複数使用されており、マグネット３２，３２間には突極３３が配置される。
このように、ロータ３として、図３に示すように、コンシクエントポール型のロータ３を採用した場合であっても、一方磁極のマグネット３２に上記構成は、有効に適用される。

このように、本実施形態においては、表面永久磁石界磁式モータ（ＳＰＭ）において、逆ラジアルに磁束を配向させるにあたり、ロータ３の水平断面（軸方向と垂直な面での断面）において、ロータコア３１に円弧状凹溝３１ａを形成するとともに、マグネット３２のロータ３固着面を円弧状凹溝３１ａに沿ったマグネット内側面３２ｂとした。
この構成により、マグネット３２の周方向中央側を厚くなり、クラックが発生することを有効に防止することが可能となった。
また、これに伴い上記のような様々な効果を共に奏することができる。

１・・シャフト、２・・ステータ（固定子）、３・・ロータ（回転子）、
３１・・ロータコア（回転子コア）、３１ａ・・円弧状凹溝（回転子コア側固着面）、
３１ｂ・・突起部、
３２・・マグネット、３２ｂ・・マグネット内側面（マグネット側固着面）、
３３・・突極、
Ｌ・・磁極中心線、Ｎ１・・マグネット幅中心線、Ｎ２，Ｎ３・・直線、Ｏ・・集向点、Ｐ・・接点、Ｔ・・接線、Ｍ・・モータ（回転電機）

Claims (4)

1. 回転子コアの周方向にマグネットが配設されている回転子であって、
   前記マグネットは、磁極中心線上であって、前記回転子の径方向外側に設定された任意の集向点に磁束が集束するように配向されており、
   前記マグネットの前記回転子との固着面であるマグネット側固着面は、軸方向と垂直な面での断面形状が、前記回転子の径方向中心側に凸となる円弧形状の凸縁であるとともに、前記回転子コアの前記マグネットとの固着面である回転子コア側固着面は、軸方向と垂直な面での断面形状が、前記回転子の径方向中心側に凸となる円弧形状の凹溝であり、
   前記マグネット側固着面と前記回転子コア側固着面とは整合する形状であるとともに、前記マグネットの配向方向は、前記マグネット側固着面及び前記回転子コア側固着面の接線に対し、接点を通る法線となるように設定されていることを特徴とする回転子。
2. 前記マグネットは、フェライトマグネット又はネオジオマグネットであることを特徴とする請求項１に記載の回転子。
3. 前記マグネットは、コンシクエントポール型ロータに使用され、一方の磁極を形成するものであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の回転子。
4. 回転中心軸となるシャフトと、
   該シャフトに固定されて共に回転可能に支持される前記回転子コアと、前記マグネットと、を備えた請求項１乃至請求項３いずれか一項に記載の回転子と、
   該回転子の外側面を覆うように配設され、電源装置より電源が供給されることにより、回転磁界を発生させる固定子と、を少なくとも備えたことを特徴とする回転電機。
   
   

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