JP2019047718A - ローフ形状又はケーキ状の永久磁石を有する多極ロータ - Google Patents

Abstract

【課題】ローフ形状又はケーキ状の永久磁石を有する多極ロータ【解決手段】本発明は、電動モータ用多極ロータであって、ロータは、ロータコアと複数の個別の永久磁石とを備え、複数の個別の永久磁石は、ロータの円周上に分布し、ロータの軸に直交するロータの断面図で見た場合、電動モータのステータとロータとの間のエアギャップに面する側面に凸状の湾曲を有する、電動モータ用多極ロータに関する。本発明によれば、ロータの円周方向に並んだ４個のそれぞれの永久磁石は、ともに磁極対を定め、各個別の永久磁石の磁化方向は、ロータの軸とそれぞれの永久磁石の中心とを通って延びる基準面に対して、３０°〜６０°の角度をなす。【選択図】図１

Description

本発明は、電動モータ用多極ロータに関する。

このタイプのロータは、ロータコアと、複数の個別の永久磁石とを備える。複数の個別の永久磁石は、ロータの円周上に分布し、ロータの軸に直交するロータの断面図で見た場合、電動モータのステータとロータとの間のエアギャップに面する側面に凸状の湾曲を有する。

ロータは、例えば、特許文献１に記載されている。このロータにおいては、永久磁石は、ロータの軸に対して半径方向に磁化される。２個のそれぞれ隣接する永久磁石は、磁極対を形成する。個別の永久磁石の凸状の湾曲は、ディテントトルクを大幅に回避するという利点を有する。

米国特許出願公開第２００５／０２６４１２２号明細書

本発明の目的は、ディテントトルクをさらに低減し、及び／又はデルタ結線において特定の高調波、特に３次高調波の成分を抑制するように、一般的な種類の多極ロータを改良することにある。

上記目的は、独立請求項１の特徴によって達成される。したがって、本発明による上記目的にかかる解決手段は、独立請求項１によると、多極ロータであって、ロータの円周方向に並んだ４個のそれぞれの永久磁石がともに磁極対を定め、各個別の永久磁石の磁化方向が、半径方向ではなく、ロータの軸とそれぞれの永久磁石の中心とを通って延びる基準面に対して３０°〜６０°の角度αをなす方向である、多極ロータにおいて提供される。

本発明は、必ずしもロータコアを備えるわけではない独立請求項２によるロータでも好適に用いられる。したがって、上記目的は、別法として独立請求項２の特徴によっても達成される。本発明による上記目的にかかる解決手段は、独立請求項２によると、多極ロータであって、ロータの円周方向に並んだ４個のそれぞれの永久磁石がともに磁極対を定め、各個別の永久磁石の磁化方向が、半径方向ではなく、ロータの軸とそれぞれの永久磁石の中心とを通って延びる基準面に対して０°ではない、好ましくは３０°〜６０°の角度αをなす方向である、多極ロータにおいて提供される。この場合では、ロータは、ロータコアを備えないことが好ましい。

本発明は、ディテントトルクをさらに低減し、及び／又はデルタ結線において特定の高調波、特に３次高調波の成分を抑制するという利点を提供する。本発明は、両方の目標を目指すことができる。使用する技術によって、例えば、スター結線において溝付きモータのディテントトルクのみを低減する、又は、デルタ結線においてアイロンレス巻線を有するモータの３次高調波のみを抑制するように、１つの目標のみを目指してもよく、例えば、デルタ結線で作動する溝付きモータにおいて両方の目標を同時に目指してもよい。

個別の永久磁石は、好ましくは、ロータの円周上に均等に分布する。ロータの軸は、ロータの回転軸又は回転対称軸である。さらに好ましくは、ロータは内部ロータであり、永久磁石はロータの外周上に配置される。一対の極は、４個の磁石のグループによって定められる。４個の中の各永久磁石は、それぞれの基準面に対して同じ磁化方向を有する。４個グループの最初の２個の永久磁石は、ともに磁極、例えば、磁北極を定める。４個グループの第３永久磁石及び第４永久磁石は、ともに反対の磁極、例えば、磁南極を定める。したがって、個別の永久磁石の数は、数字４で割り切れるものでなければならない。

本発明の実施形態は、複数の最適化可能な自由度を有する。すなわち、磁化の角度α、永久磁石のエアギャップ側の半径ｒ及び永久磁石の半径の中心は、自由に選択することができる。さらに、永久磁石の丸み付けは、円形以外の形で行ってもよく、永久磁石又は磁気フィードバック要素の内輪郭は、変更してもよい。ディテントトルクと高調波との抑制を目指す場合であっても、最適化の目標を達成するために、すべての最適化可能な自由度を使用しなければならないわけではない。

本発明の有利な実施形態は、従属請求項の主題である。

本発明の好ましい実施形態によれば、各個別の永久磁石の磁化方向は、それぞれの基準面に対して４０°〜５０°の角度をなす。各個別の永久磁石の磁化方向がそれぞれの基準面に対してなす角度は、さらに好ましくは４５°の角度であり、この場合では、ディテントトルクを最も効果的に回避することができる。

さらに好ましくは、ロータの円周方向に並んだ２個のそれぞれの永久磁石は、ともに磁極を定め、これらの２個の永久磁石の磁化方向は、ロータの軸を通ってこれらの２個の永久磁石の間の中心に延びる中間面に対して互いに対称である。

さらに好ましくは、円周方向に互いに直接続く４個の永久磁石のグループの第３永久磁石は、それぞれの基準面に対して、この永久磁石のグループの第１永久磁石のそれぞれの基準面に対する磁化方向と反対の磁化方向を有し、この永久磁石のグループの第４永久磁石は、それぞれの基準面に対して、この永久磁石のグループの第２永久磁石のそれぞれの基準面に対する磁化方向と反対の磁化方向を有する。

本発明のさらに好ましい実施形態によれば、永久磁石は側面で互いに接触し、ともに完璧に閉じたリングを定める。これによって、高効率が達成される。同じ極を有する２個の磁石間の反発力によって、磁石は円周上に均等に分布するようになる。したがって、ロータを製造する時にロータコア上の永久磁石の複雑な位置決めは不要となり、製造コスト及び労力が低減される。

さらに好ましい実施形態によれば、隣接の永久磁石は、それぞれの極遷移において互いに平面接触し、同じ極に属する隣接の永久磁石は、互いに対してギャップを定め、又は互いに接触する。ここのギャップは、０．３ｍｍ未満の幅を有する。

永久磁石の側面がロータの軸に対して半径方向に延びる場合は、永久磁石の側面が互いに平面接触するようになるため、特に有利である。

本発明のさらに特に好ましい実施形態によれば、凸状の湾曲は、ロータの軸を中心として永久磁石を直接包囲する円の曲率から外れる。この実施形態では、ディテントトルクをさらに低減し、高調波を効果的に抑制することが可能である。

ディテントトルクを回避すると共に高調波を抑制するために、凸状の湾曲の半径は、ロータの軸を中心として永久磁石を直接包囲する、すなわち、エアギャップにおいて包囲する円の半径より小さいことが特に有利である。好ましくは、特に凸状の湾曲の平均半径は、ロータの軸を中心として永久磁石を直接包囲する円の半径より小さい。ロータが内部ロータである場合には、包囲円の半径は、ロータの最大外径に対応する。特に好ましくは、凸状の湾曲の半径又は平均半径は、ロータの軸を中心として永久磁石を直接包囲する円の半径の１５％〜７０％、好ましくは２０％〜５０％である。

本発明のさらに好ましい実施形態によれば、永久磁石は、接着剤によって、互いに、及び／又はロータのロータコアに固定される。これによって、本発明によるロ―タを特に簡単かつ費用対効果の高い方法で製造することができる。ロータコアは、軟磁性材料から構成されてもよく、その結果、ロータコアは、永久磁石の磁気フィードバック要素となる。あるいは、非磁性材料をロータコアに使用してもよい。

本発明のさらに好ましい実施形態によれば、ロータはエンベロープを備え、永久磁石は、その外側にあるエンベロープによって取り囲まれる。好ましくは、磁石は、接着剤又はポッティングコンパウンドによって、エンベロープ及び／又は内側シャフトに接続される。本発明の他の好ましい実施形態によれば、ロータは、エンベロープを備え、磁気フィードバック要素とそれを通って延びるシャフトとを備えないように構成される。

永久磁石を互いに、及び／又はロータコア又はエンベロープに接着固定する代わりに、永久磁石を包帯でロータのロータコアに固定することもできる。接着固定に加えて包帯固定を行ってもよい。

本発明のさらなる実施形態によれば、凸状に湾曲した側面の反対側に位置する永久磁石の背面は平坦である。ロータが内部ロータである場合には、背面は、ロータコアの円周面に対するいわゆる接線方向に延びる。この実施形態の場合には、永久磁石の製造費用は比較的低い。

別の実施形態によれば、凸状に湾曲した側面の反対側に位置する永久磁石の背面が、ロータコアの半径に対応する曲率を有する場合には、本発明によるロータの組み立てを簡略化することができる。この実施形態はまた、ロータによって構築される磁場を最適化することによって、特に高い効率を提供する。ロータコアの半径は、内部ロータのロータコアの外径であり、永久磁石の背面の曲率は、この半径に適合される。

本発明のさらに好ましい実施形態によれば、ロータは、合計８、１２又は１６個の個別の永久磁石を含むことができる。しかしながら、決定的なのは、永久磁石の数が数字４で割り切れることである。

本発明のさらなる実施形態によれば、永久磁石は、好ましくは、断面においてローフ形状である。これは、永久磁石の断面が、底部と、底部から斜めに延びて互いに分かれる２つの側面と、底部の反対側にある凸状に湾曲した外側面とを含むことを意味する。断面の２つの側面は、好ましくは、ロータの軸に対して半径方向に延びる。

それにもかかわらず別の好ましい実施形態によれば、永久磁石は、断面においてケーキの形状を有する。これは、ローフ形状の実施形態と比較して、断面の底部が２つの側面より短い、又は断面には底部が全くないことを意味する。断面の２つの側面は、この場合にも互いに斜めに延び、凸状に湾曲した外側面と共にケーキの形状を定める。

さらに好ましくは、全ての永久磁石は同じ形状を有し、さらに好ましくは、各永久磁石はそれぞれ自身の基準面に対して対称である。

本発明はまた、本発明によるロータとステータとを備える電動モータを提供する。ここで、ロータは、上述した１つ又は複数の実施形態に基づいて構成されてもよい。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。

本発明の第１実施形態による多極ロータの斜視図を示す。 図１に示される本発明によるロータの断面を示す。 図２による例示の詳細図を示す。 図１乃至図３に示される本発明による多極ロータの変更例の断面図を示す。 図４による例示の詳細図を示す。 本発明のさらなる実施形態による多極ロータの断面を示す。 ロータコアもシャフトも備えない、エンベロープとケーキ状の永久磁石とを備える多極ロータの断面を示す。 ロータの内部を通って延びるシャフトと、エンベロープと、ケーキ状のローフ形状の永久磁石とを備える多極ロータの断面を示す。 永久磁石の外輪郭の円の中心が対称ではない多極ロータの断面を示す。 永久磁石の外輪郭が円のセグメントに対応しない多極ロータの断面を示す。

以下の記述においては、同様の部品は、同様の参照番号によって示される。図面が、図の関連する説明において詳細に述べられていない参照番号を含む場合、その前後の図の説明を参照されたい。

図１は、本発明による多極ロータ１の第１実施形態の斜視図を示す。ロータ１は、ロータコア２と、ロータコアの円周上に均等に分布するように配置される実質的に棒状の複数の永久磁石３と、を備える。図示の実施形態では、合計１６個の個別の永久磁石３が設けられている。ロータの軸は、図面において参照番号７で示される。

特に図２から分かるように、永久磁石は、ロータの軸７に直交する断面図で見た場合、外側面に凸状の湾曲を有する。ここで、永久磁石は、断面においてローフ形状である。４個の、それぞれ隣接する永久磁石、すなわち、ロータの円周方向に互いに続く永久磁石は、ともにロータの磁極対を定める。このような４個グループの第１永久磁石３．１及び第２永久磁石３．２は、ともにロータの磁北極Ｎを定める。各４個グループの第３永久磁石３．３及び第４永久磁石３．４は、ともに磁南極Ｓを定める。

図３は、図２による断面の詳細図を示す。この詳細図は、４個永久磁石のグループを示す。各永久磁石には、ロータの軸７とそれぞれの永久磁石の中心とを通って延びる基準面８が割り当てられる。第１永久磁石３．１の基準面は、参照番号８．１によって示される。第２永久磁石３．２の基準面は、参照番号８．２によって示される。第３永久磁石３．３の基準面は、参照番号８．３によって示される。第４永久磁石３．４の基準面は、参照番号８．４によって示される。各個別の永久磁石の磁化方向は、それぞれの永久磁石の基準面に対して４５°の角度αをなす。第１永久磁石３．１及び第２永久磁石３．２の磁化方向は、ロータの軸７を通ってこれらの２個の永久磁石の間の中心に延びる中間面９．１に対して、互いに対称である。これと同様に、第３永久磁石３．３及び第４永久磁石３．４の磁化方向は、ロータの軸７を通って永久磁石３．３と３．４との間の中心に延びる第２中間面９．２に対して、互いに対称である。さらに、第３永久磁石３．３は、その基準面８．３に対して、第１永久磁石３．１の基準面８．１に対する磁化方向と反対の磁化方向を有することが分かれる。第４永久磁石３．４は、その基準面８．４に対して、第２永久磁石の基準面８．２に対する磁化方向と反対の磁化方向を有する。

図１乃至図３による実施形態において、永久磁石は、接着剤によって、互いにかつロータのロータコア２に固定される。図４は、永久磁石３が、追加的又は代替的に設けた包帯１０によって、ロータコア２に固定される変更例を示す。図５から分かるように、包帯は、ロータの軸７に対して、ロータの外周上に永久磁石３を包囲する円の半径に基本的に対応する半径Ｒを有する。

図５によれば、永久磁石の外側面４の凸状の湾曲の半径ｒは、ロータの外半径Ｒよりかなり小さいことも分かれる。図１乃至図６に示される実施形態では、半径ｒと半径Ｒとの比が約１／３である。さらに、示されるすべての実施形態においては、永久磁石３の側面５がロータの軸７に対して半径方向に延びるように構成されているため、永久磁石３の側面は互いに平面接触している。

図１乃至図５による実施形態では、それぞれの永久磁石３の下面６は平坦であるため、ロータコア２の円周面に接する方向に延びている。これに対して、図６に示される実施形態では、永久磁石３の下面６は曲率を有し、該曲率はロータコア２の外周の半径に適合する半径を有するため、永久磁石３はロータコアの外周と密着している。

図７は、さらなる実施形態による４極ロータの断面を示す。この実施形態は、エンベロープ１１内に導入された８個のケーキ状の永久磁石３を有する。永久磁石とエンベロープ１１との間の空きスペース１２、永久磁石３間のギャップ１３、及び内部１４は、接着剤又はポッティングコンパウンドによって完全に又は部分的に充填される。本実施形態では、ロータコアもシャフトも使用しないため、トルクはエンベロープ及び／又は永久磁石の端面を介して伝達する。永久磁石の外輪郭の半径ｒと、磁石全体を取り込んでエンベロープの内径にほぼ対応する円の半径Ｒとの比は、約２／３である。

図８は、図７による実施形態の変更例を示す。この例示も、エンベロープ１１内に導入された８個のケーキ状の永久磁石３を有する４極ロータの断面を示す。このロータは、エンベロープ１１に加え、シャフト１５も備える。

図９は、本発明による他のロータの断面を示す。このロ―タでは、永久磁石の外輪郭の円の中心が対称ではないため、極１２ａにおける磁石の高さは、極遷移１２ｂにおける磁石の高さと異なる。角度αは、わずか３２°である。永久磁石の外輪郭の半径ｒと、磁石全体を包囲する円の半径Ｒとの比は、約１／２である。

図１０は、本発明によるさらなるロータの断面を示す。このロ―タでは、さらに２つの自由度が使用され、永久磁石の外輪郭が円形から外れる。非円形輪郭の平均半径ｒは、Ｐ１とＰ２とＰ３との３点を通る円によって決定される。点Ｐ１及びＰ３は、断面の２つの角によって決定され、点Ｐ２は、永久磁石の中心にあり、外輪郭とＰ１からＰ３までの距離の垂直二等分線との交点によって定められる。内輪郭としては、正方形が選択される。角度αは４２°である。

Claims (19)

1. 電動モータ用多極のロータ（１）であって、
   前記ロータ（１）は、ロータコア（２）と複数の個別の永久磁石（３）とを備え、
   前記複数の個別の永久磁石（３）は、前記ロータの円周上に分布し、前記ロータ（１）の軸（７）に直交する前記ロータ（１）の断面図で見た場合、前記電動モータのステータと前記ロータ（１）との間のエアギャップに面する側面（４）に凸状の湾曲を有し、
   前記ロータ（１）の円周方向に並んだ４個のそれぞれの永久磁石（３．１、３．２、３．３、３．４）は、ともに磁極対（Ｎ、Ｓ）を定め、
   各前記個別の永久磁石（３．１、３．２、３．３、３．４）の磁化方向は、前記ロータ（１）の前記軸（７）と前記それぞれの永久磁石（３．１、３．２、３．３、３．４）の中心とを通って延びる基準面（８．１、８．２、８．３、８．４）に対して、３０°〜６０°の角度（α）をなすことを特徴とする、電動モータ用多極のロータ（１）。
2. 電動モータ用多極のロータ（１）であって、
   前記ロータ（１）は、複数の個別の永久磁石（３）を備え、
   前記複数の個別の永久磁石（３）は、前記ロータの円周上に分布し、前記ロータ（１）の軸（７）に直交する前記ロータ（１）の断面図で見た場合、前記電動モータのステータと前記ロータ（１）との間のエアギャップに面する側面（４）に凸状の湾曲を有し、
   前記ロータ（１）の円周方向に並んだ４個のそれぞれの永久磁石（３．１、３．２、３．３、３．４）は、ともに磁極対（Ｎ、Ｓ）を定め、
   各前記個別の永久磁石（３．１、３．２、３．３、３．４）の磁化方向は、前記ロータ（１）の前記軸（７）と前記それぞれの永久磁石（３．１、３．２、３．３、３．４）の中心とを通って延びる基準面（８．１、８．２、８．３、８．４）に対して、０°ではない、好ましくは３０°〜６０°の角度（α）をなすことを特徴とする、電動モータ用多極のロータ（１）。
3. 前記ロータ（１）はロータコアを有さないことを特徴とする、請求項２に記載のロータ（１）。
4. 各前記個別の永久磁石（３．１、３．２、３．３、３．４）の磁化方向は、前記それぞれの基準面（８．１、８．２、８．３、８．４）に対して、４０°〜５０°の角度（α）をなすことを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか一項に記載のロータ（１）。
5. 前記ロータ（１）の円周方向に並んだ２個のそれぞれの永久磁石（３．１、３．２、３．３、３．４）は、ともに磁極（Ｎ、Ｓ）を定め、
   前記２個の永久磁石（３．１、３．２、３．３、３．４）の磁化方向は、前記ロータ（１）の前記軸（７）を通って前記２個の永久磁石（３．１、３．２、３．３、３．４）の間の中心に延びる中間面（９．１、９．２）に対して、互いに対称であることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれか一項に記載のロータ（１）。
6. 円周方向に互いに直接続く４個の永久磁石（３．１、３．２、３．３、３．４）のグループの第３永久磁石（３．３）は、前記それぞれの基準面（８．３）に対して、前記永久磁石（３．１、３．２、３．３、３．４）のグループの第１永久磁石（３．１）の前記それぞれの基準面（８．１）に対する磁化方向と反対の磁化方向を有し、
   前記永久磁石（３．１、３．２、３．３、３．４）のグループの第４永久磁石（３．４）は、前記それぞれの基準面（８．４）に対して、前記永久磁石（３．１、３．２、３．３、３．４）のグループの第２永久磁石（３．２）の前記それぞれの基準面（８．２）に対する磁化方向と反対の磁化方向を有することを特徴とする、請求項１乃至５のいずれか一項に記載のロータ（１）。
7. 隣接の永久磁石は、それぞれの極遷移において互いに平面接触し、
   同じ極に属する前記隣接の永久磁石は、互いに対してギャップを定め、又は互いに接触し、
   前記ギャップは、０．３ｍｍ未満の幅を有することを特徴とする、請求項１乃至６のいずれか一項に記載のロータ（１）。
8. 前記永久磁石（３）の側面（５）は、前記ロータ（１）の前記軸（７）に対して半径方向に延びることを特徴とする、請求項７に記載のロータ（１）。
9. 前記凸状の湾曲は、前記ロータ（１）の前記軸（７）を中心として前記永久磁石（３）を直接包囲する円の曲率から外れることを特徴とする、請求項１乃至８のいずれか一項に記載のロータ（１）。
10. 前記凸状の湾曲の平均半径（ｒ）は、前記ロータ（１）の前記軸（７）を中心として前記永久磁石（３）を直接包囲する前記円の半径（Ｒ）より小さいことを特徴とする、請求項９に記載のロータ（１）。
11. 前記凸状の湾曲の平均半径（ｒ）は、前記ロータ（１）の前記軸（７）を中心として前記永久磁石（３）を直接包囲する前記円の半径（Ｒ）の１５％〜７０％であることを特徴とする、請求項９に記載のロータ（１）。
12. 前記永久磁石（３）は、接着剤によって、互いに、及び／又は前記ロータ（１）の前記ロータコア（２）に固定されることを特徴とする、請求項１乃至１１のいずれか一項に記載のロータ（１）。
13. 前記ロータ（１）は、エンベロープ（１１）を備え、
    前記永久磁石（３）は、その外側にある前記エンベロープ（１１）によって取り囲まれることを特徴とする、請求項１乃至１２のいずれか一項に記載のロータ（１）。
14. 前記永久磁石（３）は、接着剤又はポッティングコンパウンドによって、前記エンベロープ（１１）に接続されることを特徴とする、請求項１３に記載のロータ（１）。
15. 前記永久磁石（３）は、包帯（１０）によって、前記ロータ（１）の前記ロータコア（２）に固定されることを特徴とする、請求項１乃至１２のいずれか一項に記載のロータ（１）。
16. 前記凸状に湾曲した側面（４）の反対側に位置する前記永久磁石（３）の背面（６）が平坦であることを特徴とする、請求項１乃至１５のいずれか一項に記載のロータ（１）。
17. 前記凸状に湾曲した側面（４）の反対側に位置する前記永久磁石（３）の背面（６）は、前記ロータコア（２）の半径に対応する曲率を有することを特徴とする、請求項１乃至１５のいずれか一項に記載のロータ（１）。
18. 前記永久磁石（３）は、断面においてローフ形状であることを特徴とする、請求項１乃至１７のいずれか一項に記載のロータ（１）。
19. 前記永久磁石（３）は、断面においてケーキの形状を有することを特徴とする、請求項２乃至１５のいずれか一項に記載のロータ（１）。