JP2017005857A - ロータ - Google Patents

Abstract

【課題】ロータコアのリブの破損を抑制可能なロータを提供する。【解決手段】ロータは、磁石収容孔３３、３４、３５を有する筒状のロータコア１６と、磁石収容孔３３、３４、３５に収容されている磁石１７〜２２とを備える。磁石収容孔３３と磁石収容孔３４とは、径方向の内側から外側へ延びる細長いリブ３７によって区画されている。リブ３７と磁石１８の径方向内側の角部３９との周方向間隔Ｓ１は、リブ３７と磁石１８の径方向外側の角部４０との周方向間隔Ｓ２よりも大きい。これにより、例えリブ３７と磁石１８の角部４０とが接触しているときにリブ３７がトルクを受けて曲げ変形しても、リブ３７と磁石１８の角部３９との接触を抑制できる。そのため、リブ３７に局所的に応力が集中することを回避できる。したがってリブ３７の破損を抑制可能である。【選択図】図４

Description

本発明は、回転電機に用いられるロータに関する。

磁石収容孔を有する筒状のロータコアと、磁石収容孔に収容されている磁石とを備えるロータが知られている。例えば、特許文献１には、ハルバッハ配列の磁石を備える埋込磁石形のロータが開示されている。ハルバッハ配列の磁石は、着磁方向の異なる複数種類の磁石を含み、磁束を磁極中心に集中させて磁束量を増大させる。埋込磁石形のロータでは、磁石の外周部を覆うカバーが不要となる。

特開２００９−２６１１６７号公報

特許文献１に開示された埋込磁石形のロータにおいて、複数の磁石収容孔のいくつかは、径方向の内側から外側へ延びるリブによって区画されている。また、リブによって区画された磁石収容孔のいくつかには、横断面が矩形状であって径方向に着磁された磁石である径方向着磁磁石が収容されている。径方向着磁磁石は、磁石収容孔の内壁面のうち径方向のどちらかの面に磁気的に吸着するものの、周方向の位置が定まらない。そのため、リブと径方向着磁磁石との周方向隙間の幅は、一定値以上に保つよう管理することができない。

したがって、ロータの回転時にトルクを受けたリブが曲げ変形する場合、リブが径方向着磁磁石の径方向内側の角部に接触することに起因して当該接触箇所に局所的に応力が集中し、リブが破損するおそれがある。
本発明は、上述の点に鑑みてなされたものであり、その目的は、ロータコアのリブの破損を抑制可能なロータを提供することである。

本発明は、回転電機に用いられるロータであって、複数の磁石収容孔を有する筒状のロータコアと、磁石収容孔に収容されている複数の磁石と、を備える。
ここで、複数の磁石収容孔のうち、径方向の内側から外側へ延びるリブによって区画されている孔を、特定収容孔とする。また、複数の磁石のうち、特定収容孔に収容され且つロータコアの径方向に着磁されている磁石を、特定磁石とする。本発明では、リブと特定磁石の径方向内側の角部との周方向間隔は、リブと特定磁石の径方向外側の角部との周方向間隔よりも大きい。

本発明によれば、例えリブと特定磁石の径方向外側の角部とが接触している状態においてリブがトルクを受けて曲げ変形しても、リブと特定磁石の径方向内側の角部との接触を抑制できる。そのため、リブに局所的に応力が集中することを回避できる。したがって、リブの破損を抑制可能である。

本発明の第１実施形態によるロータを用いるモータを示す図である。 図１のロータを示す図である。 図２のＩＩＩ部分の拡大図である。 図３のＩＶ部分の拡大図である。 図３の状態から内側主磁石が周方向へ相対移動した状態を示す図である。 図５の状態においてリブがトルクを受けて曲げ変形した様子を示す図である。 本発明の第２実施形態によるロータのうち、内側主磁石付近を拡大して示す図である。 本発明の第３実施形態によるロータのうち、内側主磁石付近を拡大して示す図である。 本発明の第４実施形態によるロータのうち、内側主磁石付近を拡大して示す図である。 本発明の第５実施形態によるロータを用いるモータを示す図である。 図１０のロータを示す図である。 図２のＸＩＩ部分の拡大図である。 従来形態によるロータのうち、リブ付近を拡大して示す図である。

以下、本発明の複数の実施形態を図面に基づき説明する。実施形態同士で実質的に同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。図面は、構成を分かり易くするために模式的に示されている。図面に示された各部の寸法、角度および寸法比は、必ずしも正確なものではない。
［第１実施形態］
本発明の第１実施形態によるロータは、図１に示すモータ１０に用いられている。モータ１０は、ステータ１１およびロータ１２を備えている。ステータ１１は、筒状のステータコア１３と、ステータコア１３のスロット１４に設けられている図示しないコイルとを有する。ロータ１２は、筒状のロータコア１６と、ロータコア１６に埋め込まれた磁石１７〜２２とを有する。モータ１０は、ステータ１１のコイルに交流電流を流して回転磁界を発生させて、ロータ１２を回転させる。

先ず、ロータ１２について図２を参照して説明する。
ロータ１２は、周方向へ並ぶ複数の磁極を有する。本実施例において磁極数は例えば１０である。１０の磁極は、互いに極性が異なる磁極３１と磁極３２とを周方向において１つずつ交互に配置して構成されている。

ロータコア１６は、鉄等の高透磁率材からなる環状板が積層されて作られており、外周部分に複数の磁石収容孔３３、３４、３５を有する。磁石収容孔３３、３４は、磁極中心に設けられている。磁石収容孔３４は、磁石収容孔３３に対して径方向の内側に設けられている。また、磁石収容孔３４は、磁石収容孔３３と比べて周方向幅が大きい。磁石収容孔３５は、周方向において磁石収容孔３３、３４を挟んだ両側に設けられている。

磁石１７は、磁極３１の磁石収容孔３３に収容されており、径方向の内向きに着磁されている。図中の白抜きの矢印は着磁方向を示している。磁石１８は、磁極３１の磁石収容孔３４に収容されており、径方向の内向きに着磁されている。磁石１９は、磁極３１の磁石収容孔３５に収容されており、磁石１７、１８とは反対側に向かう周方向に着磁されている。

磁石２０は、磁極３２の磁石収容孔３３に収容されており、径方向の外向きに着磁されている。磁石２１は、磁極３２の磁石収容孔３４に収容されており、径方向の外向きに着磁されている。磁石２２は、磁極３２の磁石収容孔３５に収容されており、磁石２０、２１に向かう周方向に着磁されている。

各磁石１７〜２２の配列はハルバッハ配列とされている。各磁石１７〜２２およびロータコア１６の外周部分は、ハルバッハ磁気回路を形成している。ハルバッハ配列の磁石１７〜２２を備えるロータ１２は、磁束を磁極中心に集中させて磁束量を増大させ、モータ１０のトルク向上および効率向上に寄与する。

以降、磁石１７、２０を他の磁石と区別する場合、「外側主磁石」と記載する。また、磁石１８、２１を他の磁石と区別する場合、「内側主磁石」と記載する。また、磁石１９、２２を他の磁石と区別する場合、「副磁石」と記載する。

次に、ロータ１２の磁極について図３〜図５に基づきさらに詳しく説明する。磁極３１と磁極３２とは、極性が異なる以外、構成が同じである。以下では、磁極３１について説明する。

図３および図４に示すように、磁石収容孔３３と磁石収容孔３４とは、径方向の内側から外側へ延びる細長いリブ３７によって区画されている。また、周方向において隣り合う磁石収容孔３４と磁石収容孔３４とは、径方向の内側から外側へ延びる細長いリブ３８によって区画されている。リブ３７またはリブ３８によって区画されている磁石収容孔３３、３４は、特許請求の範囲に記載の「特定収容孔」に相当する。「特定収容孔」に収容され且つ径方向に着磁されている内側主磁石１８は、特許請求の範囲に記載の「第１の特定磁石」に相当する。

内側主磁石１８の外壁面のうち、周方向の一方に位置している面を第１側面４１とし、周方向の他方に位置している面を第２側面４２とする。また、内側主磁石１８を収容している磁石収容孔３４の内壁面のうち、第１側面４１と対向している面を第１対向面４３とし、第２側面４２と対向している面を第２対向面４４とする。第１側面４１、第２側面４２、第１対向面４３および第２対向面４４は平面である。本実施形態では、第１側面４１と第２側面４２とのなす角度θ１は、第１対向面４３と第２対向面４４とのなす角度θ２よりも小さい。

リブ３７と内側主磁石１８との間の周方向隙間４５の幅は、径方向において外側から内側に向かって大きくなるよう連続的に変化している。
リブ３７の周方向幅は、径方向において一定である。また、リブ３７の周方向幅は、図１３に示すように内側主磁石１０１の側面１０２と磁石収容孔１０３の対向面１０４とが平行である従来形態におけるリブ１０３の周方向幅と同じである。

内側主磁石１８は、ロータ１２の横断面における形状が矩形状であり、周方向において１つのリブ３７と対向する箇所に２つの角部３９、４０を有する。角部３９は径方向の内側に位置している。角部４０は径方向の外側に位置している。リブ３７と内側主磁石１８の径方向内側の角部３９との周方向間隔Ｓ１は、リブ３７と内側主磁石１８の径方向外側の角部４０との周方向間隔Ｓ２よりも大きい。

周方向着磁磁石であって周方向において隣り合う２つの副磁石１９は、周方向において互いに引き寄せ合う。そのため、副磁石１９は、磁石収容孔３５の内壁面のうちリブ３８側の面に磁気的に吸着する。そのため、リブ３７と副磁石１９との周方向隙間４６は、ロータコア１６を構成する環状板の出来栄え、および、各環状板の組み付け精度などを考慮して、一定値以上に保つよう管理することができる。

一方、径方向着磁磁石である内側主磁石１８と外側主磁石１７とは、径方向において互いに引き寄せ合う。そのため、内側主磁石１８は、磁石収容孔３４の内壁面のうち径方向外側の面に磁気的に吸着するものの、周方向の位置が定まらない。そのため、リブ３７と内側主磁石１８との周方向隙間４５の幅は、一定値以上に保つよう管理することができない。これに対して、本実施形態では、周方向間隔Ｓ１が周方向間隔Ｓ２よりも大きいため、例えば図５に示すように内側主磁石１８が周方向へ相対移動して角部４０がリブ３７に接触しても、リブ３７と角部３９との間には空隙が形成される。

（効果）
以上説明したように、第１実施形態では、リブ３７と内側主磁石１８の径方向内側の角部３９との周方向間隔Ｓ１は、リブ３７と内側主磁石１８の径方向外側の角部４０との周方向間隔Ｓ２よりも大きい。このように構成すると、例えリブ３７と内側主磁石１８の角部４０とが接触しているときに図６に示すようにリブ３７がトルクを受けて曲げ変形しても、リブ３７と内側主磁石１８の角部３９との接触を抑制できる。周方向間隔Ｓ１は、モータ１０の最大トルクを受けたリブ３７が曲げ変形しても、リブ３７が内側主磁石１８の角部３９に接触しないように設定されている。そのため、リブ３７に局所的に応力が集中することを回避できる。したがって、ロータコア１６のリブ３７の破損を抑制可能である。また、図１３に示す従来形態と比べてリブ３７を太くする必要がない。

また、第１実施形態では、リブ３７と内側主磁石１８との間の周方向隙間４５の幅は、径方向において連続的に変化している。そのため、角部３９と角部４０との間に段差は形成されない。したがって、トルクを受けて曲げ変形したリブ３７が角部３９と角部４０との間の段差に接触することに起因してリブ３７に局所的に応力が集中することを、回避できる。

また、第１実施形態では、第１側面４１と第２側面４２とのなす角度θ１は、第１対向面４３と第２対向面４４とのなす角度θ２よりも小さい。これにより、周方向間隔Ｓ１を周方向間隔Ｓ２よりも大きく設定できる。

また、第１実施形態では、リブ３７の周方向幅は、径方向において一定である。そのため、図１３に示す従来形態と比べてロータコア１６の形状を変えることなく、周方向間隔Ｓ１を周方向間隔Ｓ２よりも大きく設定できる。

また、第１実施形態では、磁石１７〜２２の配列はハルバッハ配列である。ハルバッハ配列の磁石１７〜２２をロータコア１６に埋め込む場合、磁気回路の磁束量を多くすべく、磁石収容孔３３、３４、３５をできるだけ大きくすることが望まれる。そのためには、磁石収容孔３４を区画するリブ３７をできるだけ細くすることが望まれる。この点、第１実施形態では、周方向間隔Ｓ１を周方向間隔Ｓ２よりも大きく設定することでリブ３７の破損が抑制されているので、リブ３７をできるだけ細くできる。

［第２実施形態］
本発明の第２実施形態では、図７に示すように、磁石収容孔３４には内側主磁石５０が収容されている。内側主磁石５０の第１側面５１は、第１対向面４３側に凸となる曲面である。また、内側主磁石５０の第２側面５２は、第２対向面４４側に凸となる曲面である。そして、リブ３７と内側主磁石５０との間の周方向隙間５３の幅は、径方向において外側から内側に向かって大きくなるよう連続的に変化している。

このように内側主磁石５０の側面５１、５２が曲面であっても、リブ３７と内側主磁石５０の径方向内側の角部５４との周方向間隔Ｓ１が、リブ３７と内側主磁石５０の径方向外側の角部５５との周方向間隔Ｓ２よりも大きく設定されていれば、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

［第３実施形態］
本発明の第３実施形態では、図８に示すように、ロータコア６０の磁石収容孔６１には内側主磁石６２が収容されている。磁石収容孔６１を区画しているリブ６３の周方向幅は、径方向の外側から内側に向かって小さくなっている。内側主磁石６２の第１側面６６と第２側面６７とのなす角度θ３は、磁石収容孔６１の第１対向面６８と第２対向面６９とのなす角度θ４よりも小さい。

このようにリブ６３の周方向幅を径方向において変化させても、リブ６３と内側主磁石６２の径方向内側の角部６４との周方向間隔Ｓ１を、リブ６３と内側主磁石６２の径方向外側の角部６５との周方向間隔Ｓ２よりも大きくすることができる。

［第４実施形態］
本発明の第４実施形態では、図９に示すように、「特定収容孔」に収容され且つ周方向に着磁されている副磁石７０は、特許請求の範囲に記載の「第２の特定磁石」に相当する。副磁石７０は、ロータ１２の横断面における形状が矩形状である。リブ３７と副磁石７０の径方向内側の角部７１との周方向間隔Ｓ３は、リブ３７の径方向外側の端部と副磁石７０との周方向間隔Ｓ４よりも大きい。磁石収容孔３５の内壁面と副磁石７０の径方向外側の角部７２との周方向間隔Ｓ５は、周方向間隔Ｓ４と同じである。

前述のように、周方向着磁磁石である副磁石７０は、リブ３７との周方向隙間７３を一定値以上に保つよう管理することは容易い。しかし、周方向隙間７３を十分確保するためには副磁石７０を小さくする必要があり、磁束量が減少してしまう。このような場合であっても、第４実施形態によれば、副磁石７０の角部７２とリブ３７とが接触しても、リブ３７と副磁石７０の径方向内側の角部７１との間には空隙が形成されるため、磁石を大きくとることができる。したがって、磁束量の減少を抑えつつ、リブ３７と副磁石７０の角部７１との接触に起因してリブ３７に局所的に応力が集中することを回避できる。

［第５実施形態］
本発明の第５実施形態では、図１０に示すように、ロータ８０は、磁石補助形同期リラクタンスモータ８１に用いられている。図１１に示すように、ロータ８０のロータコア８２には、磁極に対応して磁石収容孔８３〜８９が設けられている。磁石収容孔８３は、ロータ８０の回転中心側が凸となるよう形成された円弧状スリットである。磁石収容孔８４、８５、８６は、磁石収容孔８３に対する内側において、回転中心側が凸となるよう形成された円弧状スリットを構成している。磁石収容孔８７、８８、８９は、磁石収容孔８４、８５、８６に対する内側において、回転中心側が凸となるよう形成された円弧状スリットを構成している。磁石収容孔８３〜８９には、磁石９０〜９６のいずれか１つが収容されている。

図１２に示すように、磁石収容孔８４〜８９は、径方向において内側から外側へ延びるリブ９７によって区画されている。そして、リブ９７と磁石９２の径方向内側の角部９８との周方向間隔Ｓ６は、リブ９７と磁石９２の径方向外側の角部９９との周方向間隔Ｓ７よりも大きい。磁石９５やほかの磁石についても同様である。

このように構成すると、例えリブ９７と磁石９２の角部９９とが接触しているときにリブ９７がトルクを受けて曲げ変形しても、リブ９７と磁石９２の角部９８との接触を抑制できる。そのため、リブ９７に局所的に応力が集中することを回避できる。したがって、ロータコア８２のリブ９７の破損を抑制可能である。

［他の実施形態］
本発明の他の実施形態では、ロータコアは、複数の板部材からなる積層体ではなく、一部材から構成されてもよい。
本発明の他の実施形態では、リブは、ロータコアの径方向に対して平行でなくてもよい。要するに、径方向の内側から外側へ延びるとは、ロータコアの径方向に対して交差するように延びる場合も含む。
本発明の他の実施形態では、ロータの磁極数は１０以外であってもよい。
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の形態で実施可能である。

１０、８１・・・回転電機
１６、６０、８２・・・ロータコア
１７、１８、１９、２０、２１、２２、５０、６２、７０、９０、９１、９２、９３、９４、９５、９６・・・磁石
３３、３４、３５、６１、８３、８４、８５、８６、８７、８８、８９・・・磁石収容孔
３７、３８、６３、９７・・・リブ
３９、５４、６４、９８・・・径方向内側の角部
４０、５５、６５、９９・・・径方向外側の角部
Ｓ１、Ｓ２、Ｓ６、Ｓ７・・・周方向間隔

Claims (9)

1. 回転電機（１０、８１）に用いられるロータであって、
   複数の磁石収容孔（３３、３４、３５、６１、８３、８４、８５、８６、８７、８８、８９）を有する筒状のロータコア（１６、６０、８２）と、
   前記磁石収容孔に収容されている複数の磁石（１７、１８、１９、２０、２１、２２、５０、６２、７０、９０、９１、９２、９３、９４、９５、９６）と、
   を備え、
   複数の前記磁石収容孔のうち、径方向の内側から外側へ延びるリブ（３７、３８、６３、９７）によって区画されている孔（３４、３５、６１、８４、８５、８６、８７、８８、８９）を、特定収容孔とし、
   複数の前記磁石のうち、前記特定収容孔に収容され且つ前記ロータコアの径方向に着磁されている磁石（１８、２１、５０、９２、９５）を、特定磁石とすると、
   前記リブと前記特定磁石の径方向内側の角部（３９、５４、６４、９８）との周方向間隔（Ｓ１、Ｓ６）は、前記リブと前記特定磁石の径方向外側の角部（４０、５５、６５、９９）との周方向間隔（Ｓ２、Ｓ７）よりも大きいことを特徴とするロータ。
2. 前記リブと前記特定磁石との間の周方向隙間（４５、５３）の幅は、径方向において連続的に変化していることを特徴とする請求項１に記載のロータ。
3. 前記特定磁石の外壁面のうち、周方向の一方に位置している面を第１側面（４１、６６）とし、周方向の他方に位置している面を第２側面（４２、６７）とし、
   前記特定磁石を収容している前記特定収容孔の内壁面のうち、前記第１側面と対向している面を第１対向面（４３、６８）とし、前記第２側面と対向している面を第２対向面（４４、６９）とすると、
   前記第１側面と前記第２側面とのなす角度（θ１、θ３）は、前記第１対向面と前記第２対向面とのなす角度（θ２、θ４）よりも小さいことを特徴とする請求項１または２に記載のロータ。
4. 前記特定磁石の外壁面のうち、周方向の一方に位置している面を第１側面（５１）とし、周方向の他方に位置している面を第２側面（５２）とし、
   前記特定磁石を収容している前記特定収容孔の内壁面のうち、前記第１側面と対向している面を第１対向面（４３）とし、前記第２側面と対向している面を第２対向面（４４）とすると、
   前記第１側面は、前記第１対向面側に凸となる曲面であり、
   前記第２側面は、前記第２対向面側に凸となる曲面であることを特徴とする請求項１または２に記載のロータ。
5. 前記リブ（３７、３８、９７）の周方向幅は、径方向において一定であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のロータ。
6. 前記リブ（６３）の周方向幅は、径方向の外側から内側に向かって小さくなっていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のロータ。
7. 前記磁石の配列はハルバッハ配列であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のロータ。
8. 前記特定磁石は第１の特定磁石であり、
   複数の前記磁石のうち、前記特定収容孔に収容され且つロータコアの周方向に着磁されている磁石（７０）を、第２の特定磁石とすると、
   前記リブと前記第２の特定磁石の径方向内側の角部（７１）との周方向間隔（Ｓ３）は、前記リブの径方向外側の端部と前記第２の特定磁石との周方向間隔（Ｓ４）よりも大きいことを特徴とする請求項７に記載のロータ。
9. 前記回転電機（８１）は磁石補助形同期リラクタンスモータであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のロータ。

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