JP2016007136A - 永久磁石埋込型電動機およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】さらなる磁束量の低減を抑制し、高トルク化を実現できる永久磁石埋込型電動機およびその製造方法を提供する。【解決手段】本発明の永久磁石埋込型電動機は、固定子鉄心に巻線が巻回された固定子と、固定子鉄心の内周面とギャップを介して回転自在に配置された回転子とで構成される。回転子は、複数の磁石埋設孔を有する鋼板を積層してなる回転子鉄心と、磁石埋設孔にそれぞれ収納保持された永久磁石とを備える。そして、磁石埋設孔の端部と回転子鉄心の外周とで構成されるブリッジ部と、隣接する磁石埋設孔間に形成されたブリッジ部をつなぐ薄肉連結部との板厚は、鋼板の板厚よりも薄いことを特徴とする。【選択図】図３

Description

本発明は、回転子鉄心に複数の永久磁石を所定間隔毎に埋め込んで構成される永久磁石埋込型回転子を有する永久磁石埋込型電動機およびその製造方法に関する。

このような技術分野において、特許文献１や特許文献２に記載のような技術が知られている。

特許文献１には、周方向に複数の永久磁石孔が形成された略円柱形状の回転子鉄心と、磁石孔に収容されるＶ字に配置された永久磁石とを有し、磁石孔の径方向外側端部と外周部との間に形成されたブリッジ部の軸方向厚みが、他の部分より薄い構成の回転子が開示されている。

特許文献２には、外周縁の内側に磁石を内蔵するための磁石スロットを備えたロータ・コア鋼板であって、磁石スロットと外周縁との間のブリッジ部に、圧縮残留応力を付与する潰し部を備えることが開示されている。

特開２００６−５０８２１号公報 国際公開第２０１２／１３７４３０号

しかしながら、上記従来の構成では、ブリッジ部の厚みを他より小さくすることで漏洩磁束を低減するようにしているが、漏洩磁路をすべて網羅できていないため、漏洩磁束を十分には低減しきれていない。

本発明は、このような問題を解決するものであり、さらなる磁束量の低減を抑制し、高トルク化を実現できる永久磁石埋込型電動機およびその製造方法を提供することを目的とする。

本発明の永久磁石埋込型電動機は、次のような構成を有する。すなわち、固定子鉄心に巻線が巻回された固定子と、固定子鉄心の内周面とギャップを介して回転自在に配置された回転子とを有する。

回転子は、複数の磁石埋設孔を有する鋼板を積層してなる回転子鉄心と、磁石埋設孔にそれぞれ収納保持された永久磁石とを備える。さらに、回転子の外周面は、永久磁石の中央部付近に対向して、回転子中心側を中心点とする第１曲線部と、第１曲線の両側につながる、第１曲線部の半径よりも小さな半径を有する第２曲線部で構成される。

鋼板は、磁石埋設孔の端部と鋼板の外周との間に形成されるブリッジ部を有し、当該ブリッジ部の板厚はプレス加工によりブリッジ部以外の板厚よりも薄く構成されている。さらに、隣接するブリッジ部は、プレス加工によりブリッジ部以外の板厚よりも薄くした板厚の薄肉連結部でつながっている。そして、ブリッジ部の板厚をｄ２、径方向の幅をｔ１、前記鋼板の板厚をｄ１としたとき、ｄ２≦ｔ１≦ｄ１である。また、ブリッジ部は、隣接する永久磁石の間にのみ設けられており、永久磁石よりも径方向外周側には設けられていない。

永久磁石より発生する磁束は、ブリッジ部を通り隣接する永久磁石へと流れるが、ブリッジ部のみ板厚を薄くしても磁路全体の磁気抵抗が大きくならない。このため、磁路全体の磁気抵抗が大きくなるように、薄肉連結部によってブリッジ部の板厚を薄くしてつなげることで、漏れ磁束の低減が図れる。

本発明によれば、磁石の漏れ磁束を最小限に低減することができ、電動機の更なる高トルク化が可能となる。

本発明の実施の形態に係る永久磁石埋込型電動機の断面図 同永久磁石埋込型電動機の回転子の要部拡大図 同回転子において、その磁石埋設孔の周辺をさらに拡大した図 本発明の他の実施の形態に係る永久磁石埋込型電動機の回転子の要部拡大図 薄肉化領域の比率Ｘと磁束増加率との関係を示す図 薄肉化領域の比率Ｘを示す図 薄肉部の断面形状の一例を示した図 薄肉部の断面形状の他の例を示した図

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

図１は、本発明の実施の形態に係る永久磁石埋込型電動機１０の回転中心軸に垂直な面に沿った断面図である。

本実施の形態に係る電動機１０は、固定子１１と回転子２１とを備えている。固定子１１は、複数の薄板鋼板が積層された固定子鉄心１４と、固定子鉄心１４に巻回された巻線（図示しない）とを含む。固定子鉄心１４は、ヨーク１２と、ヨーク１２の内周側に形成された複数のティース１３と、隣り合うティース１３間に形成された複数のスロット１５とを有する。巻線が固定子鉄心１４に集中巻巻線または、分布巻巻線にて巻回され、スロット１５に収納されている。

回転子２１は、複数の磁石埋設孔２２がそれぞれ周方向に所定間隔で形成された回転子鉄心２３と、それぞれの磁石埋設孔２２に埋設された永久磁石２４と、回転子鉄心２３の中央に配置された回転軸２９とを含む。回転子鉄心２３は、磁石埋設孔２２が形成された鋼板である薄板鉄板を複数枚軸方向に積層して構成されている。そして、回転子２１の磁極を形成するための永久磁石２４がそれぞれの磁石埋設孔２２に収納され、保持されている。永久磁石２４は、上下端板にて挟み込み固定されるか、もしくは樹脂や接着剤などで固着されている。回転子鉄心２３は、回転軸２９を介し軸受（図示しない）にて回転自在に支承されている。

このように構成された回転子２１は、固定子１１のティース１３の内周面とエアギャップを介して対向している。

なお、図１においては、回転子２１の極数は１０であり、固定子１１のスロット数は１２の場合を示しているが、本発明はこの組合せに限定されるものではなく、その他の組合せについても適用できる。

また、永久磁石２４は平板形状の場合を示しているが、こちらもこの形状に限定されるものではなく、Ｕ字型形状、Ｖ字型形状、カマボコ形状など、任意の永久磁石形状についても適用できる。永久磁石材質も、ネオジム焼結磁石、ネオジムボンド磁石、フェライト焼結磁石、フェライトボンド磁石など、任意の材質についても適用できる。

図２Ａは、回転子２１の回転中心軸に垂直な面に沿った断面図を拡大したものである。また、図２Ｂは、回転子２１の磁石埋設孔２２やその周辺をさらに拡大した図である。図２Ｂでは、永久磁石２４を挿入しない状態での磁石埋設孔２２を示している。

図２Ａにおいて、磁石埋設孔２２は、挿入される永久磁石２４の断面積よりもわずかに大きい形状を有している。すなわち、磁石埋設孔２２は、図２Ｂに示すように、磁石収納部２２ｍと、両側の第１ギャップ部２２ａと、両側の第２ギャップ部２２ｂとを含む断面形状の孔を成している。ここで、磁石収納部２２ｍは、永久磁石２４を収納する領域である。第１ギャップ部２２ａは、磁石埋設孔２２の周方向の両端に形成されて、永久磁石２４が存在しない部分となるギャップである。そして、第２ギャップ部２２ｂは、磁石埋設孔２２の径方向内側の両端付近に形成されるギャップである。

永久磁石２４は、第１ギャップ部２２ａと第２ギャップ部２２ｂとの境界に形成される凸部２３ｐを利用して位置決めされる。さらに、永久磁石２４は、磁石埋設孔２２に端板などで機械的に固定されるか、もしくは接着剤や樹脂にて固着し固定されるものである。

また、図２Ａに示すように、回転子２１の回転中心と一つの永久磁石２４の中央である磁極中央とを結ぶ直線をｄ軸とし、回転中心と永久磁石２４が互いに隣接するその中間点とを結ぶ直線をｑ軸としている。さらに、回転子２１の外周面は、永久磁石２４の各々の中央部付近に対向して、回転子中心側を中心点とする半径Ｒ１の第１曲線部２５と、第１曲線部２５とｑ軸とを結ぶ第２曲線部２６とで形成されている。そして、第２曲線部２６の半径Ｒ２は、第１曲線部の半径Ｒ１よりも小さく構成されている。なお、第２曲線部は直線で構成されていてもよく、また第２曲線部を備えず第１曲線部のみで構成（すなわち外周面が一つの円で構成）されていても良い。

さらに、回転子鉄心２３の薄板鉄板には、磁石埋設孔２２の端部と薄板鉄板の外周との間、すなわち、第１ギャップ部２２ａと第２曲線部２６との間で、径方向の幅ｔ１のブリッジ部２８が形成されている。また、隣接する磁石埋設孔２２どうし間の鉄板部分として、連結部２７が形成されている。

そして、図２Ｂにおいて厚みとして示すように、このブリッジ部２８の板厚ｄ２が他の部分の板厚ｄ１（すなわち、薄板鉄板の板厚ｄ１）よりも薄くなっている。なお、ブリッジ部２８は薄板鉄板をプレスで潰すことで薄肉化されている。プレスは薄板鉄板の片面のみをプレスしても良いし、両面をプレスしても良い。さらに、ｑ軸をはさんで隣り合うブリッジ部２８は、これら隣接するブリッジ部２８を互いに連結する薄肉連結部２７ｔにてつながっている。この薄肉連結部２７ｔは連結部２７の一部であり、薄肉連結部２７ｔの板厚も、ブリッジ部２８を除く他の部分の厚みｄ１より薄くなっている。なお、ブリッジ部２８と薄肉連結部２７ｔの板厚は同じであることが好ましいが、特に同じである必要はない。

ところで、電動機１０の高トルク化を図るには、永久磁石２４より発生する磁束が磁極中心に集中するように構成し、磁極間側（すなわちｑ軸方向）へと流れる漏れ磁束をできるだけ抑制することが好ましい。

磁極間側へと流れる漏れ磁束としては、ブリッジ部２８を通り隣接する永久磁石２４へと流れる磁束がある。そして、このような磁束の経路には連結部２７も含まれる。ここで、連結部２７は、ブリッジ部２８よりも厚みがあり、面積も大きいため、磁気抵抗としてはブリッジ部２８に比べて小さくなる。すなわち、ブリッジ部２８のみの板厚を厚みｄ２のように薄くして、その箇所の磁気抵抗を高くしても、磁気抵抗の小さい連結部２７を介しているため、磁路全体としての磁気抵抗が大きくならない。

そこで、本実施の形態では、磁路に含まれる連結部２７においても磁気抵抗が大きくなるように、板厚を薄くした箇所である薄肉連結部２７ｔを設けている。そして、このような薄肉連結部２７ｔを介して、隣り合うブリッジ部２８を互いにつなげている。このように、ブリッジ部２８と薄肉連結部２７ｔとの板厚を薄板鉄板の板厚よりも薄くすることで、磁路全体としての磁気抵抗を大きくできるため、磁極間側への流れを抑制でき、漏れ磁束の低減を図ることができる。

図３は、図２Ａの薄肉連結部２７ｔの他の形態を示すもので、その径方向の幅ｔ２を大きく構成したもので、連結部２７において永久磁石２４の側面中央付近まで延出させた形状になっている。

このような磁極間における径方向の幅に注目すると、磁束がブリッジ部２８を介して隣接する永久磁石２４へと流れる際、連結部２７の幅ｈ１がブリッジ部２８の幅ｔ１よりも大きくなるため、これによっても磁気抵抗が低下する。そのため、図３の構成では、薄肉連結部２７ｔの径方向の幅ｔ２をブリッジ部２８の径方向の幅ｔ１よりも大きくしている。すなわち、連結部２７において、板厚を薄くした箇所である薄肉連結部２７ｔの領域を増やして磁気抵抗を大きくし、漏れ磁束を低減している。

さらに、磁極間側へと流れる漏れ磁束として、永久磁石２４の側面に存在する空隙（第１ギャップ部２２ａ）間を通り、ｑ軸上の鉄心へ漏洩する磁束も存在する。よって、薄肉連結部２７ｔの径方向の幅ｔ２をより大きく構成することで、さらに、空隙を介し漏洩する磁束に対しても磁気抵抗を大きくでき、結果として空隙を介し漏洩する磁束を低減することができる。

さらに、ｑ軸上の薄板鉄板の板厚を薄くすることで、ｑ軸磁束を減らすことができる。このため、磁石埋込型電動機でありながらリラクタンストルクの小さい、つまりトルク脈動の小さな回転子を構成することも可能となる。

図４Ａに、ブリッジ部２８と薄肉連結部２７ｔとで形成される板厚薄肉化範囲と、発生磁束増加量の関係を示す。横軸は薄肉化領域幅比率で、図４ＢのＯ線から垂直にｑ軸に向けて薄肉化した場合の幅を、Ｏ線からｑ軸までの幅を「１」として、比率Ｘ（０〜１）で示したものである。図４Ａに示すように、ブリッジ部だけでなく、連結部における薄肉連結部の箇所も薄肉化することで磁束増加率が向上することがわかる。

次に、ブリッジ部２８の板厚ｄ２と、ブリッジ部２８の径方向の幅ｔ１の関係は、ｄ２≦ｔ１となっている。一般的に、鋼板の打抜きの最小幅は、鋼板の板厚以上であることが望ましいとされ、それ以下ではねじりやたわみが発生し、電動機の特性や精度に影響を与える。また、ブリッジ部２８の幅ｔ１は小さくすることで、ブリッジ部２８を通り隣接する永久磁石２４へと流れる漏れ磁束を低減することができ、電動機の特性を向上させることができる。すなわち、幅ｔ１は、漏れ磁束の低減の観点からすると小さいほうが好ましいものの、鋼板の打抜きの観点から鋼板の板厚に制限される。

そこで、本発明では、例えばブリッジ部２８をプレス工程にて形成した後に、磁石埋設孔２２の打抜き工程を設けることで、打抜き最小幅部分が打抜く前に薄肉化されている。すなわち、ブリッジ部２８の板厚ｄ２を先に小さくするため、これに伴って幅ｔ１も小さくでき、上述の条件ｄ２≦ｔ１が可能となる。

つまり打抜き工程後にプレス工程を行う場合では、潰す前の板厚をｄ１とすると、ブリッジ部２８の幅ｔ１はｔ１≧ｄ１であったが、本発明により板厚ｄ２（ｄ２≦ｄ１）へと薄くしたことで、幅ｔ１も潰す前の板厚ｄ１よりも小さくでき、漏れ磁束を最小限に低減することが可能となる。

このように、本発明の永久磁石埋込型電動機の製造方法では、複数の磁石埋設孔２２を有する鋼板を形成する工程において、プレス工程の後に磁石埋設孔２２の打抜き工程を設けており、プレス工程でのブリッジ部２８の薄肉化によって、ブリッジ部２８の幅ｔ１も機械強度に問題ない最小幅にできる。そして、この幅ｔ１を最小幅にできるため、漏れ磁束に関しても最小限に低減することが可能となり、これによって、電動機の特性の向上を図ることができる。

特に、比較的小型の電動機では、ブリッジ部２８の幅ｔ１は、機械強度に関係なく、打ち抜き可能な最小幅にて寸法が決定されるため本発明は有用である。

次に、回転子２１は、薄板鉄板をシート状に打抜いた後、シートを任意の角度で回しながら積層されて形成されている。板厚方向に薄肉化する工程を入れると、板材の方向により外径方向への伸び率が異なる。このため、回転方向で形状が変化し、振動や騒音の要因となるコギングトルクが大幅に悪化する。このような不具合を抑制するため、本実施の形態では、薄板鉄板を板厚方向に薄肉化させ、次に、磁石埋設孔２２が一致するような角度で、シートを回しながら積層している。このような手順を含めて回転子２１を形成することで、外径寸法のバラツキや方向性による磁気特性のバラツキをそれぞれ打ち消し合うことができ、コギングトルクを低減することが可能となる。

また、回転子２１が回転する際には遠心力が発生する。この遠心力により永久磁石２４が回転子外周側へ張り付き、永久磁石２４の外周側の鉄心を保持しているブリッジ部に、応力が局所的に集中する。これに対し、本実施の形態では、永久磁石２４は、磁石埋設孔２２に樹脂などを封入して固定されている。このように、永久磁石２４を挿入した磁石埋設孔２２を、樹脂や接着剤などにて固着させることにより、回転子鉄心と永久磁石２４、樹脂が一体化し、遠心力で発生する応力などを分散できる。このため、局所的な応力集中が緩和され、ブリッジ部２８の薄肉化による強度低下を補い、高強度な回転子を得ることができる。

また、図５Ａ、５Ｂは回転子の薄板鉄板の断面図（図３の矢視Ａ）を示している。図５Ａは、ブリッジ部２８を設ける（潰す）前の薄板鉄板の板厚ｄ１から、潰した後の板厚ｄ２へ変化する境界面に勾配をつけない場合、図５Ｂは、境界面に任意の勾配を持つ曲線または直線をつけた場合を示している。

回転子が回転したときの遠心力で発生する応力は、図５Ａに示すような構成であると、潰す前の板厚ｄ１から潰した後の板厚ｄ２へ変化する境界に集中する。ところが、図５Ｂのように境界面が任意の勾配を持つ曲線または直線で構成されている場合、応力は特定の箇所に集中せずに全体的に分散させることができる。すなわち、図５Ｂのような構成とすることで、回転子の強度の向上を図ることができ、例えば回転子が破壊することなく高速回転をすることができるようになる。

以上説明したように、本発明の永久磁石埋込型電動機は、ブリッジ部とそのブリッジ部をつなぐ薄肉連結部との板厚を、鋼板の板厚よりも薄くしている。このため、本発明によれば、磁石の漏れ磁束を最小限に低減することができ、電動機の更なる高トルク化が可能となる。

本発明の利用分野は、特に制限はなく、例えば永久磁石埋込型回転子を備えた電動機として広範囲に利用することができる。

１０ 永久磁石埋込型電動機
１１ 固定子
１２ ヨーク
１３ ティース
１４ 固定子鉄心
１５ スロット
２１ 回転子
２２ 磁石埋設孔
２３ 回転子鉄心
２４ 永久磁石
２５ 第１曲線部
２６ 第２曲線部
２７ 連結部
２７ｔ 薄肉連結部
２８ ブリッジ部
２９ 回転軸

Claims (7)

1. 固定子鉄心に巻線が巻回された固定子と、前記固定子鉄心の内周面とギャップを介して回転自在に配置された回転子とを備えた永久磁石埋込型電動機であって、
   前記回転子は、複数の磁石埋設孔を有する鋼板を積層してなる回転子鉄心と、前記磁石埋設孔にそれぞれ収納保持された永久磁石とを備え、
   さらに、前記回転子の外周面は、前記永久磁石の中央部付近に対向して、回転子中心側を中心点とする第１曲線部と、
   前記第１曲線の両側につながる、前記第１曲線部の半径より小さな半径を有する第２曲線部で構成され、
   前記磁石埋設孔の端部と前記鋼板の外周との間に形成されるブリッジ部と、隣接する前記磁石埋設孔間に形成された前記ブリッジ部をつなぐ薄肉連結部との板厚は前記鋼板の板厚よりも薄く、
   ブリッジ部の板厚をｄ２、径方向の幅をｔ１、前記鋼板の板厚をｄ１としたとき、ｄ２≦ｔ１≦ｄ１であり、
   前記ブリッジ部は、隣接する前記永久磁石の間にのみ設けられており、前記永久磁石よりも径方向外周側には設けられていないことを特徴とする永久磁石埋込型電動機。
2. 前記薄肉連結部の径方向の幅が、前記ブリッジ部の径方向の幅よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の永久磁石埋込型電動機。
3. 前記鋼板は任意の角度でずらして積層したことを特徴とする請求項１または２に記載の永久磁石埋込型電動機。
4. 前記磁石埋設孔を樹脂または接着剤で封入して前記永久磁石を固定したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の永久磁石埋込型電動機。
5. 前記鋼板と前記鋼板より板厚の小さい前記ブリッジ部との厚み方向の境界面は、前記鋼板から前記ブリッジ部に向けて厚みが徐々に減少する任意の勾配を持つ曲線または直線で構成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の永久磁石埋込型電動機。
6. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の永久磁石埋込型電動機の製造方法であって、
   前記複数の磁石埋設孔を有する鋼板を形成する工程において、前記ブリッジ部を形成するプレス工程の後に、前記磁石埋設孔の打抜き工程を設けたことを特徴とする永久磁石埋込型電動機の製造方法。
7. 前記プレス工程は前記鋼板をプレスで潰すことで薄肉化する工程であり、
   前記打抜き工程は前記鋼板の薄肉化された部分を打抜いて前記磁石埋設孔を形成する工程である、請求項６に記載の永久磁石埋込型電動機の製造方法。

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