JP2021083223A - 永久磁石式モータの回転子構造 - Google Patents

Abstract

【課題】モータのトルクを増大させ、漏れ磁束を減少すると共に鉄損を低減できる永久磁石式モータの回転子構造を提供する。【解決手段】環状本体２１を備え、複数の第１スロット２２は、それぞれ互いに間隔を空けて前記本体の半径方向に沿って前記本体に放射状に配置され、複数の第２スロット２３がそれぞれ隣接する各前記第１スロットの間に介在し、前記本体の円周方向に配置される回転子と、各前記第１スロット内に嵌設された複数の第１磁石３０と、各前記第２スロット内に嵌設された複数の第２磁石４０と、を含む永久磁石式モータの回転子構造であって、各前記第２磁石の前記本体の曲率中心から離れた側と前記本体の外周縁間の距離α、及び前記本体の内径と外径間の差βは、前記距離／前記径差の比を０．４３〜０．４８の範囲にさせる、永久磁石式モータの回転子構造。【選択図】図２

Description

本発明は、モータに関し、特に、永久磁石式モータの回転子構造に関する。

電磁技術を用いたモータ装置の技術開発は成熟しているが、その性能を強化し、エネルギー消費を低減する方法の開発が続けられ、その中でハルバッハ（Ｈａｌｆｂａｃｋ）型配列は、２０世紀Ｋｌａｕｓ Ｈａｌｂａｃｋ氏が発明して以来、その特殊な磁石配列方式が従来の磁石配列方式に比べ、モータのコギングトルク及びリップルトルク影響の発生を大幅に低減でき、モータの振動及び騒音の問題をさらに改善し、かつ自己磁気シールド特性もモータの漏れ磁束現象を低減することができ、モータの外部環境に対する電磁干渉等も減らすことができ、均しくモータの性能を高めるために使用できることが明らかである。

しかしながら、ハルバッハ型配列に関する研究は、公開された先行技術ではまだ比較的不足している。

これにより、本発明の主な目的は、モータのトルクを増大させ、漏れ磁束を減少すると共に鉄損を低減できる永久磁石式モータの回転子構造を提供することである。

上記目的を達成するため、本発明に係る永久磁石式モータの回転子構造は、環状回転子内のハルバッハ型配列で配置された磁石を平行配列の磁石と回転子外周縁の距離、及び環状回転子の内外径差の範囲にさせ、その距離／内外径差の比が０．４３〜０．４８の範囲であることを主な技術的特徴とする。

前記距離／内外径差の比は、０．４４〜０．４６の範囲であることが好ましい。

ハルバッハ型配列内の平行配列磁石の強度は、ハルバッハ型配列内の半径方向に配列磁石の強度よりも小さい。

本発明の好ましい実施形態の平面図である。 本発明の好ましい実施形態の図１内の部位Ａの部分拡大図である。 本発明の好ましい実施形態における異なるα／β値のトルク、鉄損及びコギングの曲線図である。 本発明の好ましい実施形態におけるα／β値が０．４５の場合の磁束密度図である。 本発明の好ましい実施形態におけるα／β値が０．４５の場合の磁路図である。 本発明の好ましい実施形態におけるα／β値が０．４８の場合の磁束密度図である。 本発明の好ましい実施形態と従来技術の漏れ磁束比較図である。 本発明の好ましい実施形態と従来技術の性能比較図である。

まず、図１及び図２を参照すると、本発明の好ましい実施形態で提供される永久磁石式モータの回転子構造１０は、主に回転子２０と複数の第１磁石３０と複数の第２磁石４０と、を含む。

前記回転子２０は、環状を呈する本体２１を備え、断面が矩形を呈する複数の第１スロット２２が前記本体２１外周縁から内側へ本体２１の半径方向に沿って第１の長さＬ１延び、断面が矩形を呈する複数の第２スロット２３が各々前記本体２１の内に設けられ、隣接する２つの第１スロット２２の間に介在し、かつ各前記第２スロット２３の長軸が本体の半径方向に垂直であるため、各前記第１スロット２２及び各前記第２スロット２３は前記本体２１において十字交差配置状態を形成し；
また、前記回転子２０は、各々各前記第１スロット２２の延出端に突設された複数の片状支持体２４を更に含む。前記本体２１の半径方向に沿って各第１スロット２２の開口部方向に向かって前記第１の長さより短い第２の長さＬ２延び、複数の凹み部２５は各前記第２スロット２３の長軸両端の短軸一側にある隅角部にそれぞれ凹設され、また各前記第２スロット２３の長軸に垂直である。

各前記第１磁石３０は、各々矩形ブロック状を呈し、各前記第１スロット２２内に挿設され、長軸の一端を対応する支持体２４の延出端に当接させ、並びに各前記第１磁石３０の長さを前記第１の長さ（Ｌ１）と前記第２の長さＬ２の差より短くさせることで、各前記第１磁石３０の長軸の他端が各前記第１スロット２２の開口部内側に収め、前記本体２１の外周側に突出していない。

各前記第２磁石４０は、各々矩形ブロック状を呈し、磁気強度が各前記第１磁石３０の磁気強度よりも小さく、各前記第２スロット２３内に各々嵌め込まれ、各前記第２磁石４０の矩形形状を各前記第２スロット２３の矩形形状と同一にさせることで、各前記第２磁石４０が各前記第２スロット２３内に安定して嵌め込まれる。

各前記第１磁石３０及び各前記第２磁石４０は、ハルバッハ型配列に配置され、放射状に配置された各前記第１磁石３０が半径方向配列であり、前記本体２１の円周方向に沿って配置された各前記第２磁石４０が平行配列である。さらに、平行配列において、各前記第２磁石４０が短軸方向において前記本体２１の曲率中心から離れた端と前記本体２１の外周面間の距離α、及び前記本体２１内径と外径の差βの二者間には一定の比例関係が存在する。図３に示すよう、前記距離α／前記内外径差βの値が０．４３〜０．４８の範囲であり、トルクＴの増大、鉄損ＣＬ及びコギングＣＧの低減効果を持つ。その最適な比率はニーズに応じて異なるが、一般的に０．４４〜０．４６範囲の比はより好ましい。ただし、これに限定されず、例えばトルク増大を目的とする時、前記α／β値は０．４５であることが好ましく、この際の磁束密度及び磁路図は図４及び図５に示す通りである。ただし、コギングの低減を目的とする時、α／β値は０．４８であることが好ましく、この際の磁束密度が図６に示す通りである。

さらに効果の観点から、図７及び図８の比較図を参照すると、この２つの図内において、実線で本発明を示し、破線で従来技術を示し、図７の漏れ磁束比較図からも分かるように、前記永久磁石式モータの回転子構造１０は、漏れ磁束の抑止効果において、従来技術に比べても顕著な効果を有し、モータの出力及び効率をアップできる。また図８の性能比較図でも前記永久磁石式モータの回転子構造（１０）は従来技術よりも優れた性能を有すことを証明できる。したがって、本発明で提供する技術は、従来技術に対比して、モータトルクの増大、漏れ磁束の減少及び鉄損低減の効果を大幅に向上できることを証明できる。

１０ 永久磁石式モータの回転子構造
２０ 回転子
２１ 本体
２２ 第１スロット
２３ 第２スロット
２４ 支持体
２５ 凹み部
３０ 第１磁石
４０ 第２磁石
ＣＬ 鉄損
ＣＧ コギング
Ｌ１ 第１の長さ
Ｌ２ 第２の長さ
Ｔ トルク
α 距離
β 径差

Claims (8)

1. 環状本体を備え、複数の第１スロットは、それぞれ互いに間隔を空けて前記本体の半径方向に沿って前記本体に放射状に配置され、複数の第２スロットがそれぞれ隣接する各前記第１スロットの間に介在し、前記本体の円周方向に配置される回転子と、
   各前記第１スロット内に嵌設された複数の第１磁石と、
   各前記第２スロット内に嵌設された複数の第２磁石と、
   を含む永久磁石式モータの回転子構造であって、
   各前記第２磁石の前記本体の曲率中心から離れた側と前記本体の外周縁間の距離、及び前記本体の内径と外径間の差は、前記距離／前記径差の比を０．４３〜０．４８の範囲にさせる、永久磁石式モータの回転子構造。
2. 前記距離／前記径差の比は、０．４４〜０．４６の範囲である、請求項１に記載の永久磁石式モータの回転子構造。
3. 各前記第１磁石及び各前記第２磁石は、いずれも矩形を呈し、各前記第１磁石の長軸を前記本体の半径方向に平行させ、各前記第２磁石の長軸を前記本体の半径方向に垂直させる、請求項１又は２に記載の永久磁石式モータの回転子構造。
4. 各前記第２磁石の磁気強度は、各前記第１磁石の磁気強度より小さい、請求項１、２又は３に記載の永久磁石式モータの回転子構造。
5. 各前記第２スロットは、前記第２磁石と同じ矩形形状を有する、請求項３に記載の永久磁石式モータの回転子構造。
6. 前記回転子は、各前記第２スロットの短軸一側の両端にそれぞれ凹設され、各前記第２スロットの長軸に垂直する複数の凹み部を更に含む、請求項５に記載の永久磁石式モータの回転子構造。
7. 各前記第１スロットは、それぞれ前記本体の外周面から内向きに延び、長さが各前記第１磁石の矩形形状より長くなるようにする、請求項３に記載の永久磁石式モータの回転子構造。
8. 前記回転子は、各前記第１スロットの延出端にそれぞれ突設され、前記本体の半径方向に沿って外方に延伸する複数の支持体を更に含み、かつ各前記支持体の延伸長さが各前記第１スロットの長さと各前記第１磁石の長さの差より短い、請求項７に記載の永久磁石式モータの回転子構造。

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