JP2016082734A - ロータ及び永久磁石型モータ - Google Patents

Abstract

【課題】ロータ及びモータにおいて、高速回転させることができ、かつ、マグネットトルクに加えて、リラクタンストルクも利用することが可能とする。【解決手段】二極の永久磁石型モータのロータであって、各々がロータの周面に露出する磁石を有すると共に極性の異なる２つの磁極と、ｄ軸インダクタンスとｑ軸インダクタンスとに差を生じさせるリラクタンストルク発生部と、前記磁極をロータの径方向外側から押さえる固定リングとを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、ロータ及び永久磁石型モータに関するものである。

従来から、マグネットトルクとリラクタンストルクを利用するモータとして、埋込磁石型同期モータ（ＩＰＭモータ）が知られている（例えば、特許文献１参照）。このようなＩＰＭモータは、マグネットトルクに加えてリラクタンストルクを利用できることから、高トルクを実現することができる。

特開２０１４−１５０６５９号公報

しかしながら、ＩＰＭモータは、高速回転させた場合の磁石強度が十分でない。また、鉄心に対して設けられた空隙に磁石を収容することから磁石の強固な固定が難しく、高速回転させた場合の磁石の位置ずれを防止することが難しい。このため、ＩＰＭモータは、現在のところ、高速回転（例えば数万ｒｐｍ）させる用途には不向きである。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、高速回転させることができ、かつ、マグネットトルクに加えて、リラクタンストルクも利用することが可能なロータ及びモータを適用することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では、第１の解決手段として、二極の永久磁石型モータのロータであって、各々がロータの周面に露出する磁石を有すると共に極性の異なる２つの磁極と、ｄ軸インダクタンスとｑ軸インダクタンスとに差を生じさせるリラクタンストルク発生部と、上記磁極をロータの径方向外側から押さえる固定リングとを備える、という手段を採用する。

第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、上記リラクタンストルク発生部は、ロータの軸と直交する断面において、両端が上記ロータの周面に露出すると共にロータの中心を通ってロータの径方向に直線状に延びる形状とされている、という手段を採用する。

第３の解決手段として、上記第１または第２の解決手段において、上記ロータの軸に沿う方向に複数の領域に分割され、当該領域における上記磁極の位置が、ロータの回転方向に変位されている、という手段を採用する。

第４の解決手段として、上記第１〜第３いずれかの解決手段において、上記リラクタンストルク発生部は、磁性材からなる、という手段を採用する。

第５の解決手段として、ロータと、当該ロータを囲うステータとを備える二極の永久磁石型モータであって、上記ロータとして上記第１〜第４いずれかの解決手段におけるロータを備える、という手段を採用する。

本発明によれば、リラクタンストルク発生部によってｄ軸インダクタンスとｑ軸インダクタンスとに差を生じているため、マグネットトルクに加えて、リラクタンストルクを利用することができる。また、本発明によれば、磁極がロータの周面に露出する位置に磁石を備えると共に、この磁石が固定リングによって外側から押さえられている。このため、磁石を埋め込む必要がなく、磁石を強固に固定することができるため、高速回転させることができる。したがって、本発明によれば、ロータを高速回転させることができ、かつ、マグネットトルクに加えて、リラクタンストルクも利用することができる。

本発明の第１実施形態に係るモータの概略構成図であり、（ａ）が側面図、（ｂ）が（ａ）のＡ−Ａ断面図であり、（ｃ）が（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。 本発明の第１実施形態に係るモータが備えるロータの断面を示す模式図である。 本発明の第２実施形態に係るモータの概略構成を示す断面図である。 本発明の第３実施形態に係るモータが備えるロータの模式図である。 本発明の第３実施形態に係るモータが備えるロータの断面図である。 本発明のモータの変形例を示す断面図である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態のモータ１（永久磁石型モータ）の概略構成図であり、（ａ）が側面図、（ｂ）が（ａ）のＡ−Ａ断面図であり、（ｃ）が（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。なお、図１（ａ）においては、ロータ２を視認し易くするため、ステータ３の断面を示している。

図１に示すように、本実施形態のモータ１は、ロータ２と、ステータ３と、シャフト４とを備えている。ロータ２は、図１（ｂ）に示すように、２つの磁極２ａと、リラクタンストルク発生部２ｂと、固定リング２ｃとを備えている。このロータ２は、全体として、略円柱状形状とされており、軸Ｌを中心として回転される。

磁極２ａは、軸Ｌに沿う方向から見て、リラクタンストルク発生部２ｂを挟むように、２つ設けられている。これらの磁極２ａは、磁極２ａが設けられる範囲でロータ２の周面全体に露出するように配置される磁石と、この磁石を支える鉄心とから構成されており、軸Ｌに沿う方向から見た形状が、全体として略半円形状とされている。また、一方の磁極２ａ（磁極２ａ１）は、ロータ２の径方向外側にＮ極が向くように磁石が配置されており、これによってＮ極として機能する。他方の磁極２ａ（磁極２ａ２）は、ロータ２の径方向外側にＳ極が向くように磁石が配置されており、これによってＳ極として機能する。このように、本実施形態のモータ１は、極性の異なる磁極２ａを２つのみ備えており、これによって二極の永久磁石型モータとされている。

リラクタンストルク発生部２ｂは、図１（ｂ）に示すように、２つの磁極２ａの間に配置されている。このリラクタンストルク発生部２ｂは、ロータ２の軸と直交する断面において、両端２ｂ１がロータ２の周面に露出すると共に、ロータ２の中心（軸Ｌ）を通ってロータ２の径方向に直線状に延びる形状とされている。このようなリラクタンストルク発生部２ｂの両端２ｂ１の表面は、磁極２ａの磁石が設けられた表面と共にロータ２の周面を形成している。

このような本実施形態のモータ１においては、直線状のリラクタンストルク発生部２ｂがロータ２を左右に分断するように設けられ、このリラクタンストルク発生部２ｂによって分断された一方の領域が磁極２ａ１とされ、他方の領域が磁極２ａ２とされている。

リラクタンストルク発生部２ｂは、磁性材（例えば、電磁鋼板、ステンレス鋼（ＳＵＳ４０３）、フェライト、パーマロイ）により形成されている。このように磁極２ａ１と磁極２ａ２との間に介挿されるリラクタンストルク発生部２ｂを磁性材によって形成することにより、ロータ２Ｂの内部において磁極２ａ１と磁極２ａ２との間で磁束を強く結びつけることができ、磁界強度を高めることができる。

図２は、ロータ２の断面を示す模式図である。この図に示すように、リラクタンストルク発生部２ｂの延びる方向にｑ軸（あるいはｄ軸）を設定し、このｑ軸と直交する方向にｄ軸（あるいはｑ軸）を設定することにより、ｑ軸上には磁極２ａが存在せず、ｄ軸上には磁極２ａが存在することになる。この結果、ｄ軸インダクタンスとｑ軸インダクタンスとに差が生じることになり、リラクタンストルクを利用することが可能となる。すなわち、本実施形態のモータ１においては、リラクタンストルク発生部２ｂは、ｄ軸インダクタンスとｑ軸インダクタンスとに差を生じさせるものであり、これによってリラクタンストルクを発生させる。

図１に戻り、固定リング２ｃは、磁極２ａとリラクタンストルク発生部２ｂとをロータ２の径方向外側から押さえる。本実施形態のモータ１においては、固定リング２ｃは、ロータ２を軸Ｌに沿う方向の幅は、ロータ２を覆いさらにシャフト４の周面の一部に到達するように設定されている。この固定リング２ｃは、ロータ２が高速回転したときに拡径しない非磁性材によって形成されている。このように固定リング２ｃを非磁性材によって形成することによって、固定リング２ｃが磁界に影響を与えることを防止することができる。

図１に戻り、ステータ３は、ロータ２を囲うように設けられており、鉄心と、不図示の多数のコイルとを有している。このステータ３は、不図示の電源から電力が供給されることによって回転磁界を生成する。シャフト４は、ロータ２と同一径でかつロータ２に対して同軸状に固定されており、ロータ２の回転に伴って回転される。

このような構成の本実施形態のモータ１においては、ステータ３に給電されると、ステータ３によって回転磁界が形成され、この回転磁界によってロータ２が同期回転され、さらにロータ２に接続されたシャフト４が回転される。ここで、本実施形態のモータ１においては、リラクタンストルク発生部２ｂによってｄ軸インダクタンスとｑ軸インダクタンスとに差を生じているため、マグネットトルクに加えて、リラクタンストルクを利用することができる。

なお、本実施形態のモータ１においては、Ψを磁石鎖交磁束［Ｗｂ］、Ｉを電流［Ａ］、βを電流位相角［ｄｅｇ］、Ｌｑをｑ軸インダクタンス、Ｌｄをｄ軸インダクタンスとすると、マグネットトルクＴｍは下式（１）によって表され、リラクタンストルクＴｒは下式（２）によって表され、モータ１としての総トルクＴは下式（３）によって表される。なお、下式において、Ψは磁石鎖交磁束［Ｗｂ］を示し、Ｉは電流［Ａ］を示し、βは電流位相角［ｄｅｇ］を示し、Ｌｑはｑ軸インダクタンスを示し、Ｌｄはｄ軸インダクタンスを示す。

また、本実施形態のモータ１によれば、磁極２ａがロータ２の周面に露出する位置に磁石を備えると共に、この磁石が固定リング２ｃによって外側から押さえられている。このため、磁石を埋め込む必要がなく、磁石を強固に固定することができるため、ロータ２を高速回転させることができる。

以上のような本実施形態のモータ１によれば、ロータ２を高速回転（例えば、数万ｒｐｍ）させることができ、かつ、マグネットトルクに加えて、リラクタンストルクも利用することができる。

また、本実施形態のモータ１においては、リラクタンストルク発生部２ｂは、ロータ２の軸と直交する断面において、両端２ｂ１がロータ２の周面に露出すると共に、ロータ２の中心（軸Ｌ）を通ってロータ２の径方向に直線状に延びる形状とされている。例えば、リラクタンストルク発生部２ｂを短くし、軸Ｌからロータ２の周面までの長さとした場合であっても、ｄ軸インダクタンスとｑ軸インダクタンスとに差を生じさせることは可能である。ただし、このような場合には、ロータ２の周方向の重量バランスに偏りが生じ、ロータ２を高速回転させたときに振動が生じる可能性がある。これに対して、リラクタンストルク発生部２ｂを、ロータ２の軸と直交する断面において、両端２ｂ１がロータ２の周面に露出すると共に、ロータ２の中心（軸Ｌ）を通ってロータ２の径方向に直線状に延びる形状とすることにより、軸Ｌに対して線対称な形状となり、上記重量バランスの偏りを抑制することができる。したがって、本実施形態のモータ１によれば、回転時のロータ２の振動を抑制することができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。なお、本実施形態の説明において、上記第１実施形態と同じ部分については、同一の符号を付して説明を省略あるいは簡略化する。

図３は、本実施形態のモータ１Ａの断面図である。この図に示すように、本実施形態のモータ１Ａは、補助磁石２ｄを有するロータ２Ａを備えている。補助磁石２ｄは、授記第１実施形態よりも幅広に設けられたリラクタンストルク発生部２ｂに埋設されており、Ｎ極を磁極２ａ１側に向け、Ｓ極を磁極２ａ２側に向けて配置されている。

このような構成を採用する本実施形態のモータ１Ａによれば、Ｎ極として機能する磁極２ａ１とＳ極として機能する磁極２ａ２との間に接続される磁束を補助磁石２ｄが中継することで、磁界強度を高めることができる。したがって、より総トルクを大きくすることが可能となる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について説明する。なお、本実施形態の説明においても、上記第１実施形態と同じ部分については、同一の符号を付して説明を省略あるいは簡略化する。

図４は、本実施形態のモータが備えるロータ２Ｂの模式図である。この図に示すように、ロータ２Ｂは、軸Ｌに沿う方向に複数の領域（領域Ｒ１、領域Ｒ２、領域Ｒ３及び領域Ｒ４）に分割されている。各領域の軸Ｌに沿う方向の幅は等しく、軸Ｌに沿う方向のロータ２Ｂの中心に対して、一方側（図４における左側）に領域Ｒ１及び領域Ｒ２が配置され、他方側（図４における右側）に領域Ｒ３及び領域Ｒ４が配置されている。

図５は、上記各領域におけるロータ２Ｂの断面図であり、（ａ）が領域Ｒ１の断面図であり、（ｂ）が領域Ｒ２の断面図であり、（ｃ）が領域Ｒ３の断面図であり、（ｄ）が領域Ｒ４の断面図である。これらの図に示すように、領域Ｒ２における磁極２ａの位置は、領域Ｒ１における磁極２ａの位置に対してロータ２Ｂの回転方向に変位されている。例えば、領域Ｒ２における磁極２ａの位置は、領域Ｒ１における磁極２ａの位置に対して、ロータ２Ｂの回転方向に数°程度変位されている。このように、領域Ｒ１の磁極２ａの位相に対して、領域Ｒ２の磁極２ａの位相が変化している。

また、領域Ｒ３における磁極２ａの位置は、領域Ｒ４における磁極２ａの位置に対してロータ２Ｂの回転方向に変位されている。例えば、領域Ｒ３における磁極２ａの位置は、領域Ｒ４における磁極２ａの位置に対して、ロータ２Ｂの回転方向に数°程度変位されている。このように領域Ｒ４の磁極２ａの位相に対して、領域Ｒ３の磁極２ａの位相が変化している。

さらに領域Ｒ１と領域Ｒ４とにおいてロータ２Ｂの回転方向における磁極２ａの位置が同一となり、領域Ｒ２と領域Ｒ３においてロータ２Ｂの回転方向における磁極２ａの位置が同一となるように、各領域における磁極２ａの位置が定められている。つまり、軸Ｌに沿う方向において、ロータ２Ｂは、中央を境として一方側と他方側とが面対称な形状を有している。

このようなロータ２Ｂを有する本実施形態のモータによれば、領域Ｒ１及び領域Ｒ４と、領域Ｒ２及び領域Ｒ３とにおいて、ステータ３で生成される回転磁界に対する磁極２ａの相対的な位置が僅かに異なることになる。このため、領域Ｒ１及び領域Ｒ４と、領域Ｒ２及び領域Ｒ３とにおいて、最大トルクを発生するタイミングが僅かにずれることになり、トルクリップルを抑制することが可能となる。これによって、より高速回転に適したモータとなる。なお、領域ごとの磁極２ａの位置が大きく変位していると、二極のモータとして機能することができなくなるため、各領域における磁極２ａの位置は、本実施形態のモータが二極のモータとして機能する範囲で変位されることになる。

なお、本実施形態においては、４つの領域に分割されたロータ２Ｂを用いているが、分割する領域の数は任意に変更可能である。例えば、ロータを５つや６つの領域に分割し、各領域における磁極２ａの位置を僅かに変化させるようにしても良い。ただし、よりトルクリップルを抑制するためには、軸Ｌに沿う方向において中央を境として一方側と他方側とが同一数に分割され、さらに磁極２ａの位置が上記境を中心として面対称となっていることが望ましい。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例が考えられる。
（１）上記実施形態においては、リラクタンストルク発生部２ｂが直線状でかつ各実施形態のロータ（ロータ２、ロータ２Ａ及びロータ２Ｂ）を２つに分割する形状であるとしたが、本発明はこれに限定されない。例えば、湾曲した形状や屈曲した形状のリラクタンストルク発生部とすることも可能である。また、二股以上に分岐された形状のリラクタンストルク発生部とすることも可能である。

（２）上記実施形態においては、本発明を高速回転させるモータに適用した例について説明したが、本発明はこれに限定されない。定速回転させるモータに本発明を適用することも可能である。

（３）上記実施形態においては、本発明のロータをモータに適用したが、本発明はこれに限定されない。例えば、本発明のロータは永久磁石発電機に使用することも可能である。このような場合には、特に高速回転に適した発電機となる。

（４）上記実施形態においては、リラクタンス２ｂの磁極２ａと接する表面を平面としたが、これに限定されない。例えば、図６（ａ）に示すように、軸Ｌに沿う方向から見て、リラクタンス２ｂの磁極２ａと接する表面の一部を曲面状に突出させる構成や、図６（ｂ）に示すように、軸Ｌに沿う方向から見て、リラクタンス２ｂの磁極２ａと接する表面の一部を山型に突出させる構成を採用することも可能である。

１ モータ、１Ａ モータ、２ ロータ、２ａ 磁極、２Ａ ロータ、２Ｂ ロータ、２ａ１ 磁極、２ａ２ 磁極、２ｂ リラクタンストルク発生部、２ｂ１ 両端、２ｃ 固定リング、２ｄ 補助磁石、３ ステータ、４ シャフト、Ｌ 軸、Ｒ１ 領域、Ｒ２ 領域、Ｒ３ 領域、Ｒ４ 領域

Claims (5)

1. 二極の永久磁石型モータのロータであって、
   各々がロータの周面に露出する磁石を有すると共に極性の異なる２つの磁極と、
   ｄ軸インダクタンスとｑ軸インダクタンスとに差を生じさせるリラクタンストルク発生部と、
   前記磁極をロータの径方向外側から押さえる固定リングと
   を備えることを特徴とするロータ。
2. 前記リラクタンストルク発生部は、
   ロータの軸と直交する断面において、両端が前記ロータの周面に露出すると共にロータの中心を通ってロータの径方向に直線状に延びる形状とされていることを特徴とする請求項１記載のロータ。
3. 前記ロータの軸に沿う方向に複数の領域に分割され、当該領域における前記磁極の位置が、ロータの回転方向に変位されていることを特徴とする請求項１または２記載のロータ。
4. 前記リラクタンストルク発生部は、磁性材からなることを特徴とする請求項１〜３いずれか一項に記載のロータ。
5. ロータと、当該ロータを囲うステータとを備える二極の永久磁石型モータであって、
   前記ロータとして請求項１〜４いずれか一項に記載のロータを備えることを特徴とする永久磁石型モータ。
   

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