JP2016165185A - 電動モータ - Google Patents

Abstract

【課題】簡便な構成で有効磁束量を増加させることが可能な永久磁石を保持しつつ制御性の高い電動モータを提供する。【解決手段】電動モータは、ステータと、外表面から回転軸芯Ｘの方向に窪む複数の磁石保持溝Ｓを有するロータヨーク２１と、磁石保持溝Ｓに装着された状態で外表面から径外方向に突出して円弧状に形成される外壁部３１を有する永久磁石３０とを備えている。この永久磁石３０は、第一側面３３ａと、一対の側壁部３３どうしが接近するように形成される第二側面３３ｂとを有し、磁石保持溝Ｓの周方向における両端Ｓｂには、外表面から回転軸芯Ｘに向かうほど互いの間隔が広くなり、第二側面３３ｂの一部に当接する一対の当接部Ｓｂａが形成されている。【選択図】図４

Description

本発明は、界磁コイルを有する環状のステータと、ロータヨークの外表面から永久磁石が露出したロータとを備えた表面磁石型の電動モータに関する。

従来、少ない容積で有効磁束量（ステータとロータとの間の鎖交磁束量）を多く確保できる表面磁石型（SPM: Surface Permanent Magnet）の電動モータが知られている（例えば特許文献１〜２参照）。

特許文献１の電動モータは、ロータヨークの外表面に複数の永久磁石を接着すると共に、周方向に隣接する永久磁石どうしを非磁性の接着剤で固定している。また、これら永久磁石の外周に筒状の保護材を配置している。

特許文献２の電動モータは、外表面からロータの回転軸芯の方向に窪む磁石保持溝をロータヨークに形成し、この磁石保持溝に対して永久磁石を挿入している。この磁石保持溝は、回転軸芯側の底部幅より外周側の上部幅を狭くして、永久磁石を磁石保持溝の形状と同一に形成している。また、永久磁石の外周面とロータヨークの外周面とを面一に構成している。

特開２００９−４４７９７号公報 特開２０１３−２１８２６号公報

上述した表面磁石型の電動モータは、ロータの回転に伴う遠心力を受けて永久磁石が脱落するのを防止する技術である。しかしながら、特許文献１に記載の電動モータは、ロータヨークの外表面に永久磁石を接着するので、永久磁石の位置決めが困難である。仮に、永久磁石の周方向の間隔が不均一になった場合、周方向の磁束密度にばらつきが生じて電動モータの制御性が低下してしまう。さらに、周方向に隣接する永久磁石どうしを接着したり、永久磁石の外周に保護材を設置したりするので、組付工数や材料コストの増加を招いてしまう。

特許文献２に記載の電動モータは、磁石保持溝に永久磁石を挿入するので、永久磁石の位置決めが容易で、組付工数の増加を招くことがない。しかしながら、永久磁石の外周面とロータヨークの外周面とを面一に構成しているので、周方向に隣接する永久磁石の端面において閉じ磁束が発生して有効磁束量が低下する。その結果、所望の回転トルクを得るために永久磁石の大型化を招いてしまう。一方、ネオジム等の高価な希土類が含まれる永久磁石を使用する場合、有効磁束量を増加させて、永久磁石をコンパクトなものにすることが望まれている。

このように、電動モータにあっては、簡便な構成で有効磁束量を増加させることが可能な永久磁石を保持しつつ制御性の高い電動モータが求められている。

本発明に係る電動モータの特徴構成は、界磁コイルを有する環状のステータと、前記ステータの内部空間で回転軸芯を中心に回転し、円筒状の外表面から前記回転軸芯の方向に窪む複数の磁石保持溝を有するロータヨークと、前記磁石保持溝に装着された状態で前記外表面から径外方向に突出して円弧状に形成される外壁部と、前記回転軸芯に向く裏壁部と、前記ロータヨークの周方向における両端部位である一対の側壁部とを有する複数の永久磁石とを備え、前記側壁部は、前記裏壁部の端部から前記径外方向に延出する第一側面と、前記第一側面から前記外壁部の端部に行くに連れて、前記一対の側壁部どうしが接近するように形成される第二側面とを有し、前記磁石保持溝の前記周方向における両端には、前記外表面から前記回転軸芯に向かうほど互いの間隔が広くなり、前記第二側面の一部に当接する一対の当接部が形成されている点にある。

本構成のように永久磁石を磁石保持溝に収容しつつ永久磁石の外壁部を円弧状に形成すれば、各永久磁石の周方向の間隔が均一となるように位置決めが可能となる。また、永久磁石の外壁部をステータの内表面と平行な円弧状とすれば、永久磁石をステータの内周面に対して一様に近接させることが可能となる。このため、本構成の電動モータは、周方向に配置される永久磁石の磁束密度を均一にして制御性を高めつつ、所望の回転トルクが得ることができる。

また、本構成では、永久磁石の外壁部をロータの外表面から径外方向に突出させているので、周方向に隣接する永久磁石の側壁部どうしの間には、ロータヨークが存在しない部位がある。その結果、特許文献２に記載の電動モータのように、永久磁石の側壁部の磁束がロータヨークを介してループを描くといった不都合を抑制することができる。よって、有効磁束量を増加させて、永久磁石をコンパクトなものとすることができる。

さらに、本構成では、磁石保持溝の両端に、ロータの外表面から回転軸芯に向かうほど互いの間隔が広くなる一対の当接部を有しており、この当接部を、永久磁石の一対の側壁部どうしが接近するように形成される第二側面の一部に当接させている。つまり、ロータの回転に伴う遠心力を受けた永久磁石は、回転軸芯に向かって幅が広くなる当接部と第二側面とが当接することで、脱落することが防止される。このため、特許文献１に記載の電動モータのように、回転磁石の押さえ部材を別途設ける必要がなく、組付け工数等を低減することができる。

よって、簡便な構成で有効磁束量を増加させることが可能な永久磁石を保持しつつ制御性の高い電動モータを提供することができた。

他の特徴構成は、前記永久磁石は、前記裏壁部と前記第一側面との角度が９０度以上で構成されている点にある。

本構成のように、裏壁部と第一側面との角度が９０度以上で構成されることで、永久磁石を成形する際のひび割れやカケなどが抑制される。よって、磁石保持溝に対する永久磁石の装着姿勢が安定するので、第二側面と当接部との当接姿勢が適正なものとなり、永久磁石を精度よく保持することができる。

他の特徴構成は、前記回転軸芯に沿う方向視において、前記永久磁石は、前記周方向の中央の磁束方向に対して、前記側壁部の磁束方向が傾斜している点にある。

本構成のように、永久磁石を着磁する際に側壁部の磁束方向を傾斜させれば、隣接する永久磁石の側壁部どうしを行き来する磁束が、ロータヨークの外周面に沿って滑らかに繋がる。その結果、ロータの回転に伴って永久磁石の極性が急激に切換ることがなく、コギングトルクの発生を抑制して電動モータの円滑な回転を実現することができる。その結果、電動モータの制御性を高めることができる。

オイルポンプの断面図である。 図１のＩＩ−ＩＩ断面図である。 ロータヨークと永久磁石とを示す断面図である。 ロータヨークと永久磁石とを示す拡大断面図である。 永久磁石の斜視図である。 磁束集中パターンにおける磁束の流れを示す模式図である。 着磁半径に応じた磁束密度とコギングトルクとの関係を示す図である。 別実施形態１に係るロータヨークと永久磁石とを示す拡大断面図である。 別実施形態２に係るロータヨークと永久磁石とを示す拡大断面図である。 別実施形態３に係るロータヨークと永久磁石とを示す拡大断面図である。

以下に、本発明に係る電動モータの実施形態について、図面に基づいて説明する。本実施形態では、電動モータＭを、ウォータポンプＰに使用した一例として説明する。ただし、以下の実施形態に限定されることなく、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の変形が可能である。

〔基本構成〕
図１に示すように、電動モータＭを収容する樹脂製のモータハウジング１と、インペラ６を収容する樹脂製のポンプハウジング２とを連結し、モータハウジング１に制御ケースＣを一体形成してウォータポンプＰが構成されている。

回転軸芯Ｘと同軸芯に配置される支持シャフト４の一方の端部をモータハウジング１に支持し、他方の端部をポンプハウジング２に支持しており、この支持シャフト４に外嵌する状態で回転自在に樹脂製の回転シャフト５を支持している。この回転シャフト５の一方の端部側に前記電動モータＭのロータ２０を備え、回転シャフト５の他方の端部側に複数のインペラ６を一体形成している。

電動モータＭは、ブラシレスＤＣモータとして構成され、制御ケースＣに収容された制御基板７に実装される制御素子によりロータ２０の回転が制御される。

本実施形態の電動モータＭは、ウォータポンプ以外に、車両のエンジンにおいて潤滑油を供給するオイルポンプの駆動源などに使用可能である。例えば、アイドリングストップ時に弁開閉時期制御装置（ＶＶＴ）への油圧補助用として使用可能である。また、車両のウインドウの開閉や、ステアリングホイールの駆動源として使用することも可能であり、車両以外に使用しても良い。

以下では、電動モータＭがブラシレスＤＣモータとして構成される例を挙げる。しかし、三相交流モータと基本的に共通する構成であるため、三相交流モータとして構成しても良く特に限定されない。

（電動モータ）
図１及び図２に示すように電動モータＭは、回転軸芯Ｘを中心にした環状に構成されるステータ１０と、このステータ１０の内部空間で回転軸芯Ｘを中心に回転自在に支持されるロータ２０とを備えている。

ステータ１０は多数の電磁鋼板を積層して構成され、ステータ１０に一体的に形成された９つのティース部１１に対してインシュレータ１２を介して界磁コイル１３を巻回した９スロット型に構成されている。ただし、ティース部１１の数は９つに限るものではない。

ロータ２０は、回転シャフト５と一体回転するロータヨーク２１と、ロータヨーク２１の外周に一部が露出する形態で支持された複数の永久磁石３０とを備えることにより全体的に円柱状に構成されている。図２には６つの永久磁石３０を備えた６極型を示している。ただし、永久磁石３０の数は６つに限るものでない。

図３に示すように、ロータヨーク２１は、打ち抜き加工等により成形された多数の磁性鋼板を積層して構成され、このロータヨーク２１の外表面には回転軸芯Ｘの方向に窪む複数の磁石保持溝Ｓ（本実施形態では６箇所）が形成されている。この複数の磁石保持溝Ｓに、夫々、永久磁石３０が装着される。

図４に示すように、磁石保持溝Ｓは、平坦な溝底面Ｓａと、周方向における両端である一対の溝側面Ｓｂとを有している。この溝側面Ｓｂは、溝底面Ｓａから径外方向に鋭角に立ち上がっている。つまり、一対の溝底面Ｓａは、溝底面Ｓａからロータヨーク２１の外表面に行くに連れて接近するように傾斜している。その結果、一対の溝側面Ｓｂには、ロータヨーク２１の外表面から回転軸芯Ｘに向かうほど互いの間隔が広くなる（回転軸芯Ｘに向かって鋭角に屈曲する）一対の当接部Ｓｂａが形成されている。

ロータヨーク２１は、多数の磁性鋼板を重ね合わせた状態で回転軸芯Ｘの方向にカシメ加工を行うために、多数の磁性鋼板の間にダボ状部を形成し、このダボ状部により多数の電磁鋼板の相対位置関係を維持し、夫々の分離を阻止するように構成されている。尚、磁性鋼板の表面は絶縁膜が形成されるため、この絶縁膜として絶縁性の接着剤を用いることで複数の磁性鋼板の位置関係を維持するように構成しても良い。

永久磁石３０は、ネオジム、サマリウムやジスプロシウム等の希土類を含む強力なものが用いられている。この永久磁石３０は、図４〜図５に示す形状に成形されるものであるが、磁石の素材を切削により成形しても良く、型を用いて成形しても良い。また、ロータ２０を組み立てる工程として、着磁された永久磁石３０を磁石保持溝Ｓに挿入しても良く、磁石保持溝Ｓに減磁された磁石の素材を挿入した後に着磁を行い、永久磁石３０としても良い。尚、以下の説明では、磁石保持溝Ｓに磁石の素材を挿入した後に着磁を行うものであるが、磁石保持溝Ｓに挿入する対象を永久磁石３０としている。

永久磁石３０は、磁石保持溝Ｓに装着された状態でロータヨーク２１の外表面から径外方向に突出して円弧状に形成される外壁部３１と、回転軸芯Ｘに向く平面状の裏壁部３２と、ロータヨーク２１の周方向（幅方向）における両端部位である一対の側壁部３３とを有している。これら外壁部３１と側壁部３３との接続部や裏壁部３２と側壁部３３との接続部は、所定の曲率を有する滑らかな形状を呈している。

外壁部３１の外面は、図２に示すように、ステータ１０の内周面の円弧形状と平行な円弧形状を有している。これにより、永久磁石３０をステータ１０の内周面に対して一様に近接させることが可能となり、大きな回転トルクを得ることができる。また、図３に示すように、ロータヨーク２１の回転軸芯Ｘと外壁部３１の外面との距離（最大半径Ｒ１）は、ロータヨーク２１の半径Ｒ２より大きく構成されている。つまり、周方向に隣接する永久磁石３０の側壁部３３どうしの間には、ロータヨーク２１が存在しない部位がある。このため、永久磁石３０の側壁部３３を通過する磁束が、ロータヨーク２１を介してループを描くといった不都合が抑制され、回転トルクとして機能する有効磁束量を増加させることができる。特に、本実施形態における電動モータＭに、後述する磁束集中パターンを併用すれば、図６に示すように、隣接する永久磁石３０の側壁部３３どうしの磁束が滑らかに繋がることとなり、回転トルクに寄与しない有効磁束量を無くすことができる。

図４〜図５に示すように、永久磁石３０の側壁部３３は、裏壁部３２の端部から径外方向に延出する平面状（断面直線状）の第一側面３３ａと、第一側面３３ａから外壁部３１の端部に行くに連れて、一対の側壁部３３どうしが接近するように形成される平面状（断面直線状）の第二側面３３ｂとで構成されている。この第二側面３３ｂの一部が、磁石保持溝Ｓの溝側面Ｓｂの当接部Ｓｂａに当接している。本実施形態の永久磁石３０は、平面状の側壁部３３を有しているので、例えば側壁部３３を有しない三日月状の永久磁石３０のように、型成形時に焼結される磁石粒子が隅部に流動し難いといった不都合がない。よって、永久磁石３０の成形が容易である。

また、図４に示すように永久磁石３０の第一側面３３ａと磁石保持溝Ｓの溝底面Ｓａとの交差角α１を約９０度に設定している。このため、永久磁石３０を成形する際のひび割れやカケなどが抑制される。よって、磁石保持溝Ｓに対する永久磁石３０の装着姿勢が安定するので、第二側面３３ｂと当接部Ｓｂａとの当接姿勢が適正なものとなり、永久磁石３０を精度よく保持することができる。この交差角α１は、磁石保持溝Ｓの溝側面Ｓｂと溝底面Ｓａとの交差角β（例えば、８０度）より大きい。つまり、永久磁石３０の第一側面３３ａとロータヨーク２１の磁石保持溝Ｓの溝側面Ｓｂとは離間している。

一方、第二側面３３ｂと磁石保持溝Ｓの溝底面Ｓａとの交差角α２は、磁石保持溝Ｓの溝側面Ｓｂと溝底面Ｓａとの交差角βとほぼ等しく構成しており、第二側面３３ｂが当接部Ｓｂａに沿って当接している。これによって、永久磁石３０がロータ２０の回転によって遠心力を受けても、回転軸芯Ｘ方向に幅が広くなる当接部Ｓｂａと第二側面３３ｂとが当接することで、永久磁石３０が脱落しない。

（永久磁石の着磁方向）
次に、永久磁石３０の着磁方向について説明する。本実施形態における永久磁石３０は、図６に示すように、回転軸芯Ｘに沿う方向視において、周方向の中央の磁束方向に対して側壁部３３の磁束方向が傾斜しており、永久磁石３０を通過する磁束群が収束点Ｔに収束するように着磁されている。つまり、一般的に、中央の磁束方向と側壁部３３の磁束方向とが平行なパラレルパターンに対して、磁束集中パターンとなっている。

これによって、隣接する永久磁石３０の側壁部３３どうしを行き来する磁束が、ロータヨーク２１の外周に沿って滑らかに繋がっている。その結果、ロータ２０の回転に伴って永久磁石３０の極性が急激に切換ることがなく、コギングトルクの発生を抑制して電動モータＭの円滑な回転を実現することができる。

続いて、電動モータＭの着磁半径Ｌ（図６に示す回転軸芯Ｘと収束点Ｔとの距離）の最適化について検証する。本実施形態では、磁束集中パターンにおける着磁半径Ｌに着目した。これは、着磁半径Ｌを減少させるほど永久磁石３０の側壁部３３を通過する磁束が周方向に沿ったものになり、コギングトルクが減少するとの知見に基づいている。一方、着磁半径Ｌを減少するほど磁束方向が分散するので、永久磁石３０を通過する磁束量が減少すると考えられる。そこで、磁束密度の減少度合いを抑制しつつコギングトルクを大幅に減少することのできる着磁半径Ｌについて検証する。

ここで、図４に示すように、例えば、ロータヨーク２１の回転軸芯Ｘと外壁部３１の外面との距離である最大半径Ｒ１＝２２．５ｍｍ程度、ロータヨーク２１の半径Ｒ２＝２２ｍｍ程度、永久磁石３０の径方向の最大高さ（最大厚Ｋ）＝３．５ｍｍ程度に設定した。また、永久磁石３０の第一側面３３ａと磁石保持溝Ｓの溝底面Ｓａとの交差角α１＝９０度程度、第二側面３３ｂと磁石保持溝Ｓの溝底面Ｓａとの交差角α２＝８０度程度、磁石保持溝Ｓの溝側面Ｓｂと溝底面Ｓａとの交差角β＝８０度程度に設定した。

図７には、所定の回転角度の範囲内におけるコギングトルクの積分値と磁束密度の積分値とを関係が示される。なお、図中の曲線に記載した数字は、着磁半径Ｌを示している。

図７に示すようにコギングトルクが極小値となる変化点が２つ（着磁半径Ｌ＝２３ｍｍ程度、３６ｍｍ程度）存在した。特に、着磁半径Ｌ＝１００ｍｍ程度（パラレルパターンに近似）から着磁半径Ｌ＝３６ｍｍ程度までの間は、磁束密度がそれほど減少していないにも関わらず、コギングトルクが大幅に減少していることが理解できる。具体的には、着磁半径Ｌ＝３６ｍｍ程度の場合は、着磁半径Ｌ＝１００ｍｍ程度に比べて、コギングトルクが約５４％減少したのに対し、磁束密度の減少を約４％に留めることができた。また、コギングトルクを３割程度減少できる着磁半径Ｌは、概ね６０ｍｍである。一方、着磁半径Ｌ＝２３ｍｍ程度の場合は、着磁半径Ｌ＝１００ｍｍ程度に比べて、磁束密度が約１６％減少したが、コギングトルクをほとんど無くすことができた。

ところで、着磁半径Ｌは、最大半径Ｒ１＝２２．５ｍｍ程度より小さくできない。つまり、着磁半径Ｌの最適下限値は、ロータ２０の最大半径Ｒ１付近（Ｌ／Ｒ１＝１．０）に設定するのが好ましい。一方、着磁半径Ｌの最適上限値は、磁束密度を若干減少させてもコギングトルクを大幅に減少することのできる着磁半径Ｌ＝６０ｍｍ（Ｌ／Ｒ１＝２．７）付近に設定するのが好ましい。また、大きな回転トルクが要求される表面磁石型の電動モータＭとして、より好ましくは、着磁半径Ｌ＝３０〜６０ｍｍ（Ｌ／Ｒ１＝１．３〜２．７）である。さらに、大きな回転トルクおよび静粛性能が要求される電動モータＭとして、より好ましくは、着磁半径Ｌ＝３０〜５０ｍｍ（Ｌ／Ｒ１＝１．３〜２．２）である。

［別実施形態１］
上述した実施形態では、永久磁石３０の第一側面３３ａと磁石保持溝Ｓの溝底面Ｓａとの交差角α１を直角に設定したが、図８に示すように、交差角α１を鈍角（９０度より大）に設定しても良い。これにより、永久磁石３０を成形する際のひび割れやカケなどをより一層抑制することができる。

［別実施形態２］
また、図９に示すように、第一側面３３ａをＲ形状に設定しても良い。この場合、隣接する永久磁石３０の第一側面３３ａとの距離が短縮されるので、第一側面３３ａを通過した磁束を隣接する永久磁石３０の第一側面３３ａに円滑に受け渡すことができる。

［別実施形態３］
上述した実施形態では、永久磁石３０の裏壁部３２を平坦に形成したが、図１０に示すように、裏壁部３２をＲ形状に構成しても良い。これにより、永久磁石３０の径方向の高さが短縮されるので、高価な永久磁石３０の体積がさらに小さくなって材料コストを節約することができる。

［その他の実施形態］
（１）上述したように電動モータＭをウォータポンプＰに使用した場合は、防錆性の観点から、ロータヨーク２１と永久磁石３０とで構成されるロータ２０の外周を樹脂で覆うことが好ましい。一方、電動モータＭをオイルポンプの駆動源として使用した場合は、永久磁石３０がロータ２０の回転によって遠心力を受けても、回転軸芯Ｘ方向に幅が広くなるロータヨーク２１の当接部Ｓｂａと永久磁石３０の第二側面３３ｂとが当接して永久磁石３０が脱落しないので、ロータ２０の外周を樹脂で覆わなくても良い。
（２）上述した実施形態では、永久磁石３０の第二側面３３ｂを平面状に形成して磁石保持溝Ｓの当接部Ｓｂａと当接させる構成としたが、永久磁石３０が脱落しない範囲内で、第二側面３３ｂに曲線を設けたり、凹凸を設けたりしても良い。また、永久磁石３０の平面状の第一側面３３ａや第二側面３３ｂの中途部に折れ点を設けても良い。これらによって、第二側面３３ｂと当接部Ｓｂａとの当接面積が減少するので、閉じ磁束をより一層減少させることができる。

本発明は、ロータヨークの外表面から永久磁石が露出した表面磁石型の電動モータに利用可能である。

１０ ステータ
１３ 界磁コイル
２１ ロータヨーク
３０ 永久磁石
３１ 外壁部
３２ 裏壁部
３３ 側壁部
３３ａ 第一側面
３３ｂ 第二側面
Ｓ 磁石保持溝
Ｓｂ 溝側面（両端）
Ｓｂａ 当接部
Ｘ 回転軸芯

Claims (3)

1. 界磁コイルを有する環状のステータと、
   前記ステータの内部空間で回転軸芯を中心に回転し、円筒状の外表面から前記回転軸芯の方向に窪む複数の磁石保持溝を有するロータヨークと、
   前記磁石保持溝に装着された状態で前記外表面から径外方向に突出して円弧状に形成される外壁部と、前記回転軸芯に向く裏壁部と、前記ロータヨークの周方向における両端部位である一対の側壁部とを有する複数の永久磁石とを備え、
   前記側壁部は、前記裏壁部の端部から前記径外方向に延出する第一側面と、前記第一側面から前記外壁部の端部に行くに連れて、前記一対の側壁部どうしが接近するように形成される第二側面とを有し、
   前記磁石保持溝の前記周方向における両端には、前記外表面から前記回転軸芯に向かうほど互いの間隔が広くなり、前記第二側面の一部に当接する一対の当接部が形成されている電動モータ。
2. 前記永久磁石は、前記裏壁部と前記第一側面との角度が９０度以上で構成されている請求項１に記載の電動モータ。
3. 前記回転軸芯に沿う方向視において、前記永久磁石は、前記周方向の中央の磁束方向に対して、前記側壁部の磁束方向が傾斜している請求項１又は２に記載の電動モータ。

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