JP2022086386A - 電動機 - Google Patents

Abstract

【課題】トルクと効率がさらに向上した電動機を提供する。【解決手段】電動機は、軸線を中心とする円盤状のロータコアと、ロータコアの内部に周方向に配列された複数の永久磁石と、ロータコア、及記永久磁石を外周側から囲むステータと、を備え、ロータコアにおける永久磁石の外周側には、永久磁石の周方向両端から径方向外側に向かうに従って互いに近接する方向に延びる複数の外側スリットが形成されている。これにより、漏れ磁束を低減することができる。【選択図】図２

Description

本開示は、電動機に関する。

電動機の一種として、永久磁石を有するロータと、このロータを外周側から覆うステータと、を備えるＰＭＳＭ（Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｍｏｔｏｒ）が知られている。この種の電動機の具体例として、下記特許文献１に記載された装置が挙げられる。特許文献１に係る電動機では、ロータコアの内部に永久磁石が埋設されるとともに、当該ロータコアの内部に永久磁石の磁路に沿って延びる円弧状のスリットが形成されている。これにより、電動機のリラクタンストルクが低減され、トルクリプルや騒音が低減できるとされている。

特開２００６－１６６６８８号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載された電動機のように、スリットが単に円弧状をなしている場合、永久磁石からステータに向かう磁束の流れが阻害され、磁束漏れが増大してしまう。その結果、モータのトルクや効率に影響が及ぶ虞がある。

本開示は上記課題を解決するためになされたものであって、トルクと効率がさらに向上した電動機を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本開示に係る電動機は、軸線を中心とする円盤状のロータコアと、該ロータコアの内部に周方向に配列され、径方向内側から外側に向かうに従って周方向に互いに離間する方向に延びる一対の単位磁石をそれぞれ有する複数の永久磁石と、前記ロータコア、及び前記永久磁石を外周側から囲むステータと、を備え、前記ロータコアにおける前記単位磁石の外周側には、前記一対の単位磁石の周方向両端から径方向外側に向かうに従って互いに近接する方向に延びる複数の外側スリットが形成されている。

本開示によれば、トルクと効率がさらに向上した電動機を提供することができる。

本開示の第一実施形態に係る電動機の断面図である。 本開示の第一実施形態に係る電動機の要部拡大断面図である。 本開示の第二実施形態に係る電動機の要部拡大断面図である。 本開示の各実施形態に係る電動機の変形例を示す要部拡大断面図である。

＜第一実施形態＞
（電動機の構成）
以下、本開示の第一実施形態に係る電動機１００について、図１と図２を参照して説明する。図１に示すように、電動機１００は、軸線Ａｃに沿って延びるロータ１と、このロータ１を外周側から覆うステータ３と、を備えている。

（ロータの構成）
ロータ１は、ロータコア１１と、永久磁石２と、を有している。ロータコア１１は、軸線Ａｃを中心とする円筒状をなしている。詳しくは図示しないが、ロータコア１１は、薄板状に形成された鋼板を複数重ねることで、全体として円筒状をなしている。

ロータコア１１の内部には、複数の永久磁石２が埋設されている。より具体的には、これら永久磁石２は、軸線Ａｃに対する周方向に間隔をあけて配列されている。それぞれの永久磁石２は、一対の単位磁石２１を有している。各単位磁石２１は、軸線Ａｃ方向から見て矩形の断面形状を有する板状をなしている。この単位磁石２１同士を、周方向に隣接するように配置することで１つの永久磁石２が形成されている。単位磁石２１の配置や姿勢の詳細については後述する。

（ステータの構成）
ステータ３は、バックヨーク３１と、ティース３２と、コイル３３と、ティース先端部３４と、を有している。バックヨーク３１は、軸線Ａｃを中心とする円環状をなしている。バックヨーク３１の外周面は、不図示のケーシングの内周面に対して固定されている。バックヨーク３１の内周側には、複数のティース３２が設けられている。これらティース３２は、バックヨーク３１の内周面に沿って、軸線Ａｃの周方向に等間隔をあけて配列されている。各ティース３２は、バックヨーク３１の内周面から径方向内側に向かって突出している。

ティース３２の径方向内側の端部は、ティース先端部３４とされている。ティース先端部３４は、ティース３２から周方向両側に張り出している。また、ティース３２の周囲には、コイル３３が設けられている。コイル３３は、ティース３２に銅線等を複数回にわたって巻き掛けることによって形成されている。このコイル３３に電流を流すことで当該コイル３３は励磁される。このコイル３３と、上記永久磁石２との間で生じる電磁力によってロータ１は軸線Ａｃ回りに回転する。

（単位磁石の構成・配置）
次いで、図２を参照して、ロータコア１１の詳細な構成について説明する。図２に示すように、永久磁石２を形成する一対の単位磁石２１は、径方向内側から外側に向かうに従って周方向に互いに離間する方向に延びている。つまり、これら単位磁石２１は、径方向に対して傾斜した姿勢で配置されている。

なお、一対の単位磁石２１同士の間で、径方向外側を向く面の極は同一である。一方で、互いに隣り合う永久磁石２同士の間で、極は互いに異なっている。つまり、永久磁石２は、周方向にＮ極とＳ極とが交互になるように配列されている。

さらに、単位磁石２１は、相対的に径方向内側に位置する可変磁石２１Ａと、この可変磁石２１Ａの径方向外側に積層された固定磁石２１Ｂと、を有する。可変磁石２１Ａは、着磁又は減磁によって磁力を変化させることが可能とされている。一方で、固定磁石２１Ｂは、一定の磁力を有する。コイル３３の通電電流を制御することで、可変磁石２１Ａの磁力が変化し、電動機１００としてのトルクや効率を変化させることが可能となる。

（外側スリットの構成）
ロータコア１１には、上記の永久磁石２（単位磁石２１）から発生する磁束を案内するために複数のスリット（外側スリット２２，内側スリット２３）が形成されている。外側スリット２２は、単位磁石２１の径方向外側に形成されている。一例として、外側スリット２２は、周方向に間隔をあけて６つ形成されている。つまり、１つの単位磁石２１ごとに３つずつの外側スリット２２が形成されている。

これら外側スリット２２は、単位磁石２１の周方向両端から径方向外側に向かうに従って互いに近接する方向に延びている。また、これら外側スリット２２は、単位磁石２１の外面（径方向外側を向く面）に直交する方向に直線状に延びている。なお、ここで言う「直交」とは、実質的な直交状態を表すものであって、設計上の公差や製造上の誤差は許容される。

さらに、これら６つの外側スリット２２では、永久磁石２の周方向中央部に位置する外側スリット２２になるほど、幅が大きくなっている。つまり、一対の単位磁石２１同士の間の間隙を基準とした場合、当該間隙から周方向に最も近接している第一外側スリット２２Ａは、周方向で最も外側に位置する第三外側スリット２２Ｃよりも幅が大きい。また、第一外側スリット２２Ａと第三外側スリット２２Ｃとの間に形成されている第二外側スリット２２Ｂは、第三外側スリット２２Ｃよりも幅が大きく、第一外側スリット２２Ａよりも幅が小さい。なお、ここで言う「幅」とは、外側スリット２２の延びる方向に直交する平面方向における寸法を指している。

（内側スリットの構成）
永久磁石２の径方向内側には、複数の内側スリット２３が形成されている。一例として、内側スリット２３は、周方向に間隔をあけて６つ形成されている。つまり、１つの単位磁石２１ごとに３つずつの内側スリット２３が形成されている。

図１又は図２に示すように、これら内側スリット２３は、周方向に隣接する一対の永久磁石２のうち、一方側の永久磁石２（単位磁石２１）から他方側の永久磁石２（単位磁石２１）に向かって曲線状に延びている。つまり、円弧状の内側スリット２３が、永久磁石２の径方向内側に複数形成されている。

さらに、これら内側スリット２３では、径方向外側の内側スリット２３になるほど、幅が小さくなっている。つまり、最も径方向内側に位置する第一内側スリット２３Ａは、最も径方向外側に位置する第三内側スリット２３Ｃよりも幅が大きい。また、第一内側スリット２３Ａと第三内側スリット２３Ｃとの間に形成されている第二内側スリット２３Ｂは、第三内側スリット２３Ｃよりも幅が大きく、第一内側スリット２３Ａよりも幅が小さい。なお、ここで言う「幅」とは、内側スリット２３の延びる方向に直交する平面方向における寸法を指している。

（作用効果）

上記構成によれば、ロータコア１１における永久磁石２の外周側に複数の外側スリット２２が形成されている。さらに、これら外側スリット２２は、径方向外側に向かうに従って互いに近接する方向に延びている。外側スリット２２は空隙であることから、ロータコア１１自体よりも磁気抵抗が大きい。このため、永久磁石２が発生させる磁束は、当該外側スリット２２を避けつつ、外側スリット２２の延びる方向に案内される。言い換えれば、磁束は、径方向外側に向かうに従って互いに近接する方向に案内される。これにより、磁束をステータ３のティース３２に向かって収斂させることができる。その結果、漏れ磁束をより一層低減することができる。

ここで、図２に示すように、永久磁石２の磁界に沿う方向をｄ軸とし、このｄ軸に直交する方向をｑ軸とする。リラクタンストルクを増大させるために、ｄ軸方向における磁気抵抗を小さくしたいという要請がある。上記構成では、複数の外側スリット２２のうち、永久磁石２の周方向中央部になるほど、当該外側スリット２２の幅が大きくなっている。言い換えれば、周方向中央部になるほど、ロータコア１１自体の占める割合が小さくなっている。これにより、周方向中央部における磁路の幅を小さくすることができるとともに、磁気抵抗（つまり、上述のｄ軸方向における磁気抵抗）をより一層小さくすることができる。その結果、リラクタンストルクを増加させたり、永久磁石２の減磁、又は着磁をより円滑に行ったりすることが可能となる。

さらに、永久磁石２の周方向両端側では外側スリット２２の幅が小さいことから、ロータコア１１自体の占める割合を大きい。これにより、ロータコア１１の強度を確保することができる。また、このようにロータコア１１自体の占める割合を大きくすることで、磁気飽和を発生しにくくすることもできる。

加えて、上記構成によれば、一対の単位磁石２１が径方向外側に向かうに従って周方向に互いに離間する方向に延びている。つまり、これら単位磁石２１は、それぞれ周方向中央部に向いている。このため、外側スリット２２の延びる方向と、単位磁石２１が発生させる磁束の方向とを近づけることができる。その結果、漏れ磁束をさらに低減することができる。

また、上記構成によれば、外側スリット２２は、単位磁石２１の外面に直交する方向に直線状に延びている。つまり、単位磁石２１が発生させる磁束の方向と外側スリット２２の延びる方向とをさらに近づけることができる。その結果、漏れ磁束をさらに効果的に低減することができる。

さらに、上記構成によれば、複数の内側スリット２３のうち、径方向外側の内側スリット２３になるほど幅が小さい。これにより、ｑ軸方向における磁気抵抗を大きくすることができる。その結果、永久磁石２のリラクタンストルクを増大させたり、永久磁石２の減磁、又は着磁をより円滑に行ったりすることが可能となる。

加えて、上記構成によれば、永久磁石２が可変磁石２１Ａを有している。この可変磁石２１Ａに対して着磁用のステータによる着磁（又は減磁）を施すことによって、永久磁石２全体としての磁力を変化させることができる。これにより、電動機１００を可変磁力モータとして運用することが可能となる。

以上、本開示の第一実施形態について説明した。なお、本開示の要旨を逸脱しない限りにおいて、上記の構成に種々の変更や改修を施すことが可能である。例えば、上記第一実施形態では、永久磁石２が可変磁石２１Ａを有する例について説明した。しかしながら、永久磁石２が可変磁石２１Ａを有さず、固定磁石２１Ｂのみによって一体に形成されている構成を採ることも可能である。

＜第二実施形態＞
次に、本開示の第二実施形態について、図３を参照して説明する。なお、上記第一実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。同図に示すように、本実施形態では、ロータコア１１の外周面１１Ｓに突出部１１Ｐが設けられている。突出部１１Ｐは、外周面１１Ｓにおける永久磁石２と周方向で対応する部分に設けられている。突出部１１Ｐは、外周面１１Ｓにおける他の部分よりも小さな曲率半径を有するとともに、径方向外側に向かって円弧状に突出している。このような突出部１１Ｐが、外周面１１Ｓの全周にわたって等間隔をあけて複数形成されている。

上記構成によれば、ｄ軸方向における磁束を維持しつつ、高調波の磁束を低減することができる。その結果、トルクの変動（トルクリップル）や、これに基づく騒音をさらに低減することができる。

以上、本開示の第二実施形態について説明した。なお、本開示の要旨を逸脱しない限りにおいて、上記の構成に種々の変更や改修を施すことが可能である。

各実施形態に共通する変形例として、図４に示す構成を採ることも可能である。同図は、永久磁石２ｂとして、１つの板状の磁石を用いた例を示している。このような構成であっても、上述の各実施形態で説明したものと同様の作用効果を得ることが可能である。

＜付記＞
各実施形態に記載の電動機は、例えば以下のように把握される。

（１）第１の態様に係る電動機１００は、軸線Ａｃを中心とする円盤状のロータコア１１と、該ロータコア１１の内部に周方向に配列された複数の永久磁石２と、前記ロータコア１１、及び前記永久磁石２を外周側から囲むステータ３と、を備え、前記ロータコア１１における前記永久磁石２の外周側には、該永久磁石２の周方向両端から径方向外側に向かうに従って互いに近接する方向に延びる複数の外側スリット２２が形成されている。

上記構成によれば、ロータコア１１における永久磁石２の外周側に複数の外側スリット２２が形成されている。さらに、これら外側スリット２２は、径方向外側に向かうに従って互いに近接する方向に延びている。外側スリット２２は空隙であることから、ロータコア１１自体よりも磁気抵抗が大きい。このため、永久磁石２が発生させる磁束は、当該外側スリット２２を避けつつ、外側スリット２２の延びる方向に案内される。言い換えれば、磁束は、径方向外側に向かうに従って互いに近接する方向に案内される。これにより、磁束をステータ３のティース３２に向かって収斂させることができる。その結果、漏れ磁束をより一層低減することができる。

（２）第２の態様に係る電動機１００では、前記永久磁石２の周方向中央部になるほど前記外側スリット２２の幅が大きくなっている。

ここで、永久磁石２の磁界に沿う方向をｄ軸とし、このｄ軸に直交する方向をｑ軸とする。リラクタンストルクを増大させるために、ｄ軸方向における磁気抵抗を小さくしたいという要請がある。上記構成では、複数の外側スリット２２のうち、永久磁石２の周方向中央部になるほど、当該外側スリット２２の幅が大きくなっている。言い換えれば、周方向中央部になるほど、ロータコア１１自体の占める割合が小さくなっている。これにより、周方向中央部における磁路の幅を小さくすることができるとともに、磁気抵抗（つまり、上述のｄ軸方向における磁気抵抗）をより一層小さくすることができる。その結果、リラクタンストルクを増加させたり、永久磁石２の減磁、又は着磁をより円滑に行ったりすることが可能となる。
さらに、永久磁石２の周方向両端側では外側スリット２２の幅が小さいことから、ロータコア１１自体の占める割合を大きい。これにより、ロータコア１１の強度を確保することができる。また、このようにロータコア１１自体の占める割合を大きくすることで、磁気飽和を発生しにくくすることもできる。

（３）第３の態様に係る電動機１００では、前記永久磁石２は、径方向内側から外側に向かうに従って周方向に互いに離間する方向に延びる一対の単位磁石２１を有する。

上記構成によれば、一対の単位磁石２１が径方向外側に向かうに従って周方向に互いに離間する方向に延びている。つまり、これら単位磁石２１は、それぞれ周方向中央部に向いている。このため、外側スリット２２の延びる方向と、単位磁石２１が発生させる磁束の方向とを近づけることができる。その結果、漏れ磁束をさらに低減することができる。

（４）第４の態様に係る電動機１００は、前記複数の外側スリット２２は、前記単位磁石２１の外面に直交する方向に直線状に延びている。

上記構成によれば、外側スリット２２は、単位磁石２１の外面に直交する方向に直線状に延びている。つまり、単位磁石２１が発生させる磁束の方向と外側スリット２２の延びる方向とをさらに近づけることができる。その結果、漏れ磁束をさらに効果的に低減することができる。

（５）第５の態様に係る電動機１００では、前記ロータコア１１における前記永久磁石２の内周側には、周方向に互いに隣接する一対の前記永久磁石２のうち、一方の前記永久磁石２から他方の前記永久磁石２に向かって曲線状に延びる複数の内側スリット２３が形成され、径方向外側になるほど前記内側スリット２３の幅が小さくなっている。

ここで、永久磁石２の磁界に沿う方向をｄ軸とし、このｄ軸に直交する方向をｑ軸とする。リラクタンストルクを増大させるために、ｄ軸方向における磁気抵抗を小さくし、ｑ軸における磁気抵抗を大きくしたいという要請がある。上記構成によれば、複数の内側スリット２３のうち、径方向外側の内側スリット２３になるほど幅が小さい。これにより、ｑ軸方向における磁気抵抗を大きくすることができる。その結果、永久磁石２のリラクタンストルクを増大させたり、永久磁石２の減磁、又は着磁をより円滑に行ったりすることが可能となる。

（６）第６の態様に係る電動機１００では、前記ロータコア１１の外周面１１Ｓであって周方向において前記永久磁石２に対応する部分は、該ロータコア１１の外周面１１Ｓにおける他の部分よりも小さな曲率半径を有するとともに、径方向外側に向かって突出している。

上記構成によれば、ロータコア１１の外周面１１Ｓであって周方向において前記永久磁石２に対応する部分が、他の部分よりも小さな曲率半径を有するとともに、径方向外側に向かって突出している。これにより、ｄ軸方向における磁束を維持しつつ、高調波の磁束を低減することができる。その結果、トルクの変動（トルクリップル）や、これに基づく騒音をさらに低減することができる。

（７）第７の態様に係る電動機１００では、前記永久磁石２は、着磁又は減磁によって磁力を変化させることが可能な可変磁石２１Ａと、該可変磁石２１Ａの径方向外側に設けられ、一定の磁力を有する固定磁石２１Ｂと、を有する。

上記構成によれば、永久磁石２が可変磁石２１Ａを有している。この可変磁石２１Ａに対して着磁用のステータによる着磁（又は減磁）を施すことによって、永久磁石２全体としての磁力を変化させることができる。これにより、電動機１００を可変磁力モータとして運用することが可能となる。

１００ 電動機
１ ロータ
２，２ｂ 永久磁石
３ ステータ
１１ ロータコア
１１Ｐ 突出部
１１Ｓ 外周面
２１ 単位磁石
２２ 外側スリット
２２Ａ 第一外側スリット
２２Ｂ 第二外側スリット
２２Ｃ 第三外側スリット
２３ 内側スリット
２３Ａ 第一内側スリット
２３Ｂ 第二内側スリット
２３Ｃ 第三内側スリット
３１ バックヨーク
３２ ティース
３３ コイル
３４ ティース先端部
Ａｃ 軸線

Claims (7)

1. 軸線を中心とする円盤状のロータコアと、
   該ロータコアの内部に周方向に配列された複数の永久磁石と、
   前記ロータコア、及び前記永久磁石を外周側から囲むステータと、
   を備え、
   前記ロータコアにおける前記永久磁石の外周側には、該永久磁石の周方向両端から径方向外側に向かうに従って互いに近接する方向に延びる複数の外側スリットが形成されている電動機。
2. 前記永久磁石の周方向中央部になるほど前記外側スリットの幅が大きくなっている請求項１に記載の電動機。
3. 前記永久磁石は、径方向内側から外側に向かうに従って周方向に互いに離間する方向に延びる一対の単位磁石を有する請求項１又は２に記載の電動機。
4. 前記複数の外側スリットは、前記単位磁石の外面に直交する方向に直線状に延びている請求項３に記載の電動機。
5. 前記ロータコアにおける前記永久磁石の内周側には、周方向に互いに隣接する一対の前記永久磁石のうち、一方の前記永久磁石から他方の前記永久磁石に向かって曲線状に延びる複数の内側スリットが形成され、
   径方向外側になるほど前記内側スリットの幅が小さくなっている請求項１から４のいずれか一項に記載の電動機。
6. 前記ロータコアの外周面であって周方向において前記永久磁石に対応する部分は、該ロータコアの外周面における他の部分よりも小さな曲率半径を有するとともに、径方向外側に向かって突出している請求項１から５のいずれか一項に記載の電動機。
7. 前記永久磁石は、
   着磁又は減磁によって磁力を変化させることが可能な可変磁石と、
   該可変磁石の径方向外側に設けられ、一定の磁力を有する固定磁石と、を有する請求項１から６のいずれか一項に記載の電動機。

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