JP2016027772A

JP2016027772A - 電動機

Info

Publication number: JP2016027772A
Application number: JP2015007487A
Authority: JP
Inventors: 康貴小西; Yasutaka Konishi; 幸三真武; Kozo Matake; 隆行黒沼; Takayuki Kuronuma
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 2014-06-30
Filing date: 2015-01-19
Publication date: 2016-02-18
Anticipated expiration: 2035-01-19
Also published as: JP6526973B2

Abstract

【課題】軸受の電食を最小限に抑えることができる、製品寿命が長く、信頼性の高い永久磁石型電動機を提供する。
【解決手段】回転軸２の外周面が、ロータ１の内周面に向けて延びる突起２ａを含んでおり、ロータ１は、突起２ａを介して回転軸２に固定され、突起２ａが、回転軸２の外周面とロータ１の内周面との間に空間４を画定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電動機に関し、特に、永久磁石を備えるロータとロータを回転駆動するステータとを備える永久磁石型電動機に関する。

永久磁石を備えるロータとロータを回転駆動するステータとを備える永久磁石型電動機では、通常、ロータは、回転軸に圧入により固定され、回転軸の円筒状の外周面とロータの円筒状の内周面とが高い寸法精度で密着させられている。また、圧入を容易にするため、回転軸の円筒状の外周面に対してロータの内周面を多角柱形状に形成したものなどが知られている（特許文献１）。しかし、ロータコアを多角柱形状に打ち抜くには、金型が複雑化し、金型の寿命も短くなる。また、ロータコアの外形が花柄構造となっている場合、磁路が複雑化し、品質不安定となるおそれがある。

このような永久磁石型電動機では、ステータ側とロータ側のそれぞれにおいて発生する磁界の影響によって、回転軸に電磁誘導による誘導電流が発生する。この電流は、モータフレームに向けて軸受を通って流れるので、軸受内の内輪とボールの間、およびボールと外輪の間に電位差が生じ、放電現象が起こる。これは、軸受の内外輪およびボールの電食の原因となり、軸受の寿命を著しく短くし、電動機の信頼性を損なうおそれがある。

このような軸受の電食を防止するため、絶縁対策として、例えば、軸受のボールをセラミック製にすることが考えられるが、セラミックは比較的脆弱な材料であり、実用的な解決策ではない。一方、回転軸及び／又はモータフレームを非磁性材料で形成することによって、回転軸を通る磁界を遮断し、軸電流の発生を抑制することが考えられる。

しかし、回転軸に用いることができる非磁性材料としてのステンレスは、高価であるため、電動機の製造コストを増大させる。また、モータフレームに用いることができる非磁性材料としてのアルミニウムまたは樹脂材料は、剛性が低い。このため、ステータが固定されるモータフレームは、電動機の動作中に生じるステータコアの歪みを十分に抑制することができず、磁気音を発生させる。

特開２００１−３４６３４６号

本発明の一つの目的は、軸受の電食を最小限に抑えることができる、製品寿命が長く、信頼性の高い永久磁石型電動機を提供することである。

本発明の他の目的は、従来に比べて著しく低コストで製造することができる永久磁石型電動機を提供することである。

本発明の他の目的は、磁気音の発生を抑制し、低騒音化に優れる、永久磁石型電動機を提供することである。

本発明の一実施形態によれば、回転軸に固定されるロータと、ロータを回転駆動するス
テータとを備え、ロータが永久磁石を備える、電動機であって、回転軸の外周面が、ロータの内周面に向けて延びる突起を含んでおり、ロータは、突起を介して回転軸に固定され、突起が、回転軸の外周面とロータの内周面との間に空間を画定する、電動機が提供される。この構成によれば、ロータは、突起を介して回転軸に固定され、突起が、回転軸の外周面とロータの内周面との間に空間を画定する。従って、該空間が磁気抵抗となり、回転軸を通る磁束の流れを妨げることができるので、回転軸における誘導電流（軸電流）の発生を著しく抑制することができ、軸受の電食を効果的に防止することができる。

本発明の一実施形態によれば、突起の位置が、永久磁石の位置に対応することができる。この構成によれば、特に、永久磁石による磁束の流れを効果的に妨げることができるので、軸電流の発生を抑制するのに十分な磁気抵抗を生じさせることができる。

本発明の一実施形態によれば、電動機は、さらに、ステータが固定されるモータフレームを備えており、回転軸及びモータフレームが、磁性材料によって形成される。この構成によれば、従来、軸受の電食対策として回転軸及び／又はモータフレームに非磁性体を用いる場合と比較して、著しく低コストの電動機を製造することができる。また、モータフレームを、剛性の高い磁性材料で形成することができるので、磁気音の発生を抑制し、電動機の低騒音化を効果的に行うことができる。

本発明の一実施形態によれば、電動機のロータが固定される回転軸であって、ロータが永久磁石を備えており、回転軸の外周面が、ロータの内周面に向けて延びる突起を含んでおり、ロータは、突起を介して回転軸に固定され、突起が、回転軸の外周面とロータの内周面との間に空間を画定する、回転軸が提供される。

本発明の一実施形態によれば、電動機のロータと、ロータが固定される回転軸とを備えるロータ組立体であって、ロータが永久磁石を備えており、回転軸の外周面が、ロータの内周面に向けて延びる突起を含んでおり、ロータは、突起を介して回転軸に固定され、突起が、回転軸の外周面とロータの内周面との間に空間を画定する、ロータ組立体が提供される。

本発明の一実施形態によれば、磁界による軸電流の発生を抑制し、軸受の電食を最小限に抑えることができる、製品寿命が長く、信頼性の高い永久磁石型電動機を提供することができる。また、本発明の一実施形態によれば、ロータの回転軸及び／またはモータフレームに比較的安価な磁性材料を用いることにより、従来に比べて著しく低コストで製造することができる永久磁石型電動機を提供することができる。また、本発明の一実施形態によれば、モータフレームに剛性に優れた磁性材料を用いることにより、磁気音の発生を抑制し、低騒音化に優れる、永久磁石型電動機を提供することができる。

本発明の一実施形態による電動機を示す図であり、（Ａ）は、ロータ及び回転軸の断面図であり、（Ｂ）は、回転軸に沿った電動機の部分断面図である。本発明の他の実施形態による電動機の回転軸の製造方法の一例を示す図である。図２の実施形態による電動機のロータ及び回転軸の断面図である。従来技術の例による電動機を示す図であり、（Ａ）は、ロータ及び回転軸の断面図であり、（Ｂ）は、回転軸に沿った電動機の部分断面図である。軸電流が発生する原理を説明するための図である。軸電流の流れ方向の例を示す図である。本発明の他の実施形態による電動機における、ロータ及び回転軸の断面図である。

以下、図面を参照し、従来技術と比較しながら本発明の実施形態を説明する。

図４は、従来技術による電動機の一例を示す。（Ａ）は、ロータ（換言すれば、ロータコア）１０及びロータ１０が固定される回転軸２０の、回転軸２０に直交する方向に沿った断面図であり、（Ｂ）は、電動機の回転軸２０に沿った部分断面図である。図４（Ａ）の例では、ロータ１０には、４つの永久磁石３０が配置されている。例えば、図４（Ａ）に示す永久磁石３０の配置では、隣り合う永久磁石３０の間に、矢印で示すような向きの磁界が発生し、この磁界が回転軸２０を通過する。また、図４（Ｂ）に示すように、電動機のステータコア５０の巻線６０に電流が流れると、ステータコア５０からの磁界が、例えば、図４（Ｂ）の矢印で示す向きで発生する。図４（Ｂ）に示すように、ステータコア５０から発生する磁界は、モータフレーム７０及び回転軸２０を通過する。

ところで、組立公差等によって、ステータコア５０とロータ１０間の磁気空隙の大きさ（換言すれば、ステータコア５０の端面とロータ１０の外周面との間の距離）は、周方向に沿って必ずしも均一ではない場合がある。図５に示すように、電動機の動作中、永久磁石３０による磁界は、ステータコア５０で発生する磁界を横断しながら移動するが、このとき、磁気空隙Ｇの大きさが不均一であると、回転軸２０の各部分における磁界が時間的に変化する。すなわち、回転軸２０の各部分を通る磁束の磁気空隙Ｇの大きさが回転位置に応じて変化するのに従って、当該部分における磁界が変化する。このため、回転軸２０には、電磁誘導による誘導電流（軸電流）が発生する。図４（Ａ）（Ｂ）に示すように、従来技術の電動機では、通常、回転軸２０の円筒状の外周面とロータ１０の円筒状の内周面とが互いに密着した状態で（換言すれば、隙間なく）固定されている。このため、回転軸２０には比較的大きな誘導電流が流れる。

そして、回転軸２０に発生する比較的大きな誘導電流は、例えば、図６の矢印で示すような方向に流れる。図６に示すように、電流は、モータフレーム７０に向けて流れるので、途中の軸受８０内の内輪とボールの間、およびボールと外輪の間に電位差が生じ、放電現象が起こる。これは、軸受８０の内外輪およびボールの電食の原因となり、軸受８０の寿命を著しく短縮させ、電動機の信頼性を損なう。尚、実際の誘導電流は、磁界の変化の向きによって流れる向きが逆転する交番電流であり、図６には一方向のみ示している。

このため、従来は、回転軸２０における誘導電流の発生を抑制するため、回転軸２０及び／又はモータフレーム７０を非磁性体材料で形成することによって、回転軸２０に対する磁界の影響を小さくすることが行われていた。しかし、上記したように、回転軸２０に使用し得る非磁性体材料は高価であり、電動機の製造コストを増大させる。また、モータフレーム７０に使用し得る非磁性体材料は剛性が低いため、ステータコア５０の歪みによる磁気音を発生させる。

図１に、本発明の一実施形態による電動機を示す。（Ａ）は、ロータ１及びロータ１が固定される回転軸２の、回転軸２に直交する方向に沿った断面図であり、（Ｂ）は、電動機の回転軸２に沿った部分断面図である。図１（Ａ）に示すように、本発明の一実施形態では、回転軸２は、ロータ１内に配置される部分が実質的に矩形状断面を有するように形成されている。本実施形態では、回転軸２は、ロータ１内に配置される部分を除いて円筒状の外周面２ｂを有しており、図１（Ａ）では、円筒状の外周面２ｂが点線で示されている。この構成により、回転軸２における、ロータ１内に配置される部分の外周面は、ロータ１の内周面に向けて径方向に延びる４つの突起２ａを含んでいる。各突起２ａは、回転軸２の矩形状断面の頂点に対応する位置に先端部２ｃを有しており、ロータ１は、各突起２ａの先端部２ｃを介して回転軸２に圧入により固定されている。各突起２ａは、回転軸
２の外周面とロータ１の内周面との間に空間４を画定する。この空間４が磁気抵抗となり、回転軸２を通る磁束の流れを妨げるので、回転軸２に発生する誘導電流（軸電流）を効果的に低減することができる。従って、軸受８の電食を効果的に防止することができるので、軸受８の寿命を長くすることができ、電動機の信頼性を著しく向上させることができる。

尚、本実施形態は、軸受８の磁化を抑制する効果も有する。図１（Ｂ）、図４（Ｂ）に示すように、ステータコア５、５０から発生する磁界のうち、ステータのコイルエンド（すなわち、ステータの軸方向端部において巻線６、６０が突出する部分）側から生じる磁界（換言すれば、ロータ１、１０のトルクに寄与しない向きの磁界）は、軸受８、８０を通過する。図１（Ｂ）に示す従来の回転軸２０では、ステータのコイルエンド側から生じる磁界によって軸受８０が磁化され、軸受８０内のボールと保持器が磁力により互いに吸着するので、回転軸２０の理想的な回転が妨げられる。図４（Ｂ）に示す本実施形態では、ロータ１と回転軸２の間の空間４が非磁性体として作用し、磁気抵抗が大きくなるので、軸受８を通る磁界の強さが減少する。従って、軸受８の磁化を抑制することができる。

尚、本実施形態では、図１（Ａ）に示すように回転軸２の断面を矩形とすることにより突起２ａを形成しているが、後述するように、突起２ａを有する回転軸２の断面は、図１（Ａ）に示すものに限られない。

また、本実施形態では、空間４によって回転軸２に発生する誘導電流を著しく低減することができるので、回転軸２を、例えば、フェライト形ステンレス鋼などの磁性材料で形成してもよい。非磁性材料で回転軸２を形成すると、一般的には、オーステナイト系ステンレス鋼を使用することとなるが、これは、フェライト形ステンレス鋼と比べて非常に高価である。従って、本実施形態では、電食対策として高価な非磁性材料を使用する必要なく、比較的安価な磁性材料で回転軸２を形成することができる。また、より安価な炭素鋼材を回転軸２に使用することにより、さらに低コストで電動機を製造することが可能になる。

また、ステータ側で発生する磁束の流れを空間４によって効果的に妨げることができるので、モータフレーム７を、磁性材料を用いて形成してもよく、特に、ＦＣ材（鋳鉄）などの鋳物材料を用いて形成することが好ましい。鋳物材料は高い剛性を有するので、ステータコア５が固定されるモータフレーム７の剛性を高くすることができる。モータフレーム７の剛性強化によって、電動機の動作中に高速でステータコア５が歪むことによる磁気音の発生を著しく低減することができる。これは、特に電動機が小型家庭用機器に用いられる場合の低騒音化と低コスト化に大変有利である。また、鋳物材料はアルミ材、樹脂材料と比べて比重が大きいため、電動機内部の高周波音が外部に漏洩することを効果的に防止することができる。

尚、上記したように、本実施形態において、回転軸２の外周面に形成される突起２ａは、回転軸２における、ロータ１内に配置される部分に形成されていればよく、また、突起２ａの形状及び形成方法は、特に限られない。突起２ａは、図１（Ａ）（Ｂ）に示すように、回転軸２における、ロータ１内に配置される部分のみを矩形の断面形状にすることによって形成されてもよいし、例えば、図２に示すように、一組の型１００ａ、１００ｂを用いたプレス成型によって、圧痕を付けることにより形成することもできる。プレス成型による断面形状の例を図２に示す。図２の回転軸２１の外周面は、４つの突起２１ａを含んでいる。突起２１ａは、ロータ１の内径よりも小さい、所定の外径を有する軸材料を用意し、その円筒状外周面を、例えば、図２に示すようなコの字状の型１００ａ、１００ｂを用いて押圧することによって形成することができる。突起２１ａは、回転軸２１をロータ１に圧入固定するのに十分な突出長さを有している。図３は、ロータ１が回転軸２１に
固定された実施形態を示す図であり、図１（Ａ）に対応する断面図である。この場合も、図１（Ａ）の実施形態と同様に、ロータ１を、突起２１ａを介して回転軸２１に固定することができ、回転軸２１の外周面とロータ１の内周面との間に空間４を形成することができる。このように、本実施形態において回転軸の外周面に設けられる突起は、図２の例のように円筒状表面に圧痕を付ける（換言すれば、くぼみを形成する）ことによって形成されるものであってよい。すなわち、本実施形態において回転軸２の外周面に含まれる突起は、回転軸を、その長さ方向に対して直交する断面で見たときに、回転軸の外周面とロータの内周面との間に磁気抵抗を生じさせるのに十分な空間を画定することができ、且つ、回転軸のロータへの圧入固定を可能にするのに十分な突出長さでロータの内周面に向けて延びていればよい。尚、永久磁石型電動機の場合、通常、永久磁石への熱影響を避けるために、ロータと回転軸は圧入により固定されてロータ組立体を構成するが、回転軸に突起を形成することにより、圧入時の摺動抵抗を低減することができる。従って、圧入作業を円滑且つ確実に行うことができる。また、圧入時の荷重を低減できるため、プレス機（設備）を低コスト化することができる。

また、本実施形態では、突起２ａを有する回転軸２を、切削加工により形成することもできる。例えば、既存の四角柱材、六角柱材などの多角柱形状の材料を切削加工することによって製造することもできる。具体的には、ロータ１に圧入される部分に、既存の多角柱の形状を利用し、ロータ１に圧入されない軸受保持部等を円柱形状に切削加工することができる。また、既存の円柱形状の材料を用意し、ロータ１に圧入される部分が所望の突起を備える断面形状を有するように切削加工してもよい。

また、本実施形態では、回転軸２の外周面に形成される突起２ａ及び永久磁石３の数は、特に限られない。しかし、永久磁石３による磁束の流れを効果的に妨げるためには、磁路上に配置される空間４の大きさを最大限にするように、図１（Ａ）に示すような突起２ａの位置を永久磁石３の位置に対応させる配置が好ましい。図１（Ａ）では、永久磁石３の数と同じ４つの突起２ａが形成されている。また、突起を形成する箇所を４箇所とすると、例えば、図２に示すような型１００ａ、１００ｂを用いたプレス成型によって、突起２１ａのような４つの突起を容易に形成することができる。しかし、突起２ａの数と永久磁石３の数は、必ずしも同じ数である必要はない。永久磁石３の数が突起２ａの数の倍数であればよい。例えば、４個の突起２ａを有する回転軸２に対して４個、８個、または１２個の永久磁石３を有するロータ１を使用することができる。図７（Ａ）は、４個の突起２ａを有する回転軸２と８個の永久磁石３を有するロータ１の組立体を示し、図７（Ｂ）は、４個の突起２ａを有する回転軸２と１２個の永久磁石３を有するロータ１の組立体を示す。本実施形態は、特に、回転軸１が圧入されるロータ１の軸穴が大きく、永久磁石３からの磁力線が軸穴に接近しているロータ１に好適に使用することができる。

本発明は、永久磁石型電動機に広く適用することができる。

１ロータ（ロータコア）
２回転軸
２ａ突起
２ｂ円筒状表面
２ｃ先端部
３永久磁石
４空間
５ステータコア
６巻線
７モータフレーム
８軸受
１０ロータ（ロータコア）
２０回転軸
３０永久磁石
５０ステータコア
６０巻線
７０モータフレーム
８０軸受
２１回転軸
２１ａ突起
１００ａ、１００ｂ型

Claims

回転軸に固定されるロータと、前記ロータを回転駆動するステータとを備え、前記ロータが永久磁石を備える、電動機であって、
前記回転軸の外周面が、前記ロータの内周面に向けて延びる突起を含んでおり、前記ロータは、前記突起を介して前記回転軸に固定され、前記突起が、前記回転軸の外周面と前記ロータの内周面との間に空間を画定する、電動機。
請求項１に記載の電動機であって、
前記突起の位置が、前記永久磁石の位置に対応する、電動機。
請求項１または２に記載の電動機であって、
さらに、前記ステータが固定されるモータフレームを備えており、
前記回転軸及び前記モータフレームが、磁性材料によって形成される、電動機。
電動機のロータが固定される回転軸であって、前記ロータが永久磁石を備えており、
前記回転軸の外周面が、前記ロータの内周面に向けて延びる突起を含んでおり、前記ロータは、前記突起を介して前記回転軸に固定され、前記突起が、前記回転軸の外周面と前記ロータの内周面との間に空間を画定する、回転軸。
電動機のロータと、前記ロータが固定される回転軸とを備えるロータ組立体であって、前記ロータが永久磁石を備えており、
前記回転軸の外周面が、前記ロータの内周面に向けて延びる突起を含んでおり、前記ロータは、前記突起を介して前記回転軸に固定され、前記突起が、前記回転軸の外周面と前記ロータの内周面との間に空間を画定する、ロータ組立体。