JP2024071167A - 電気機械 - Google Patents

Abstract

【課題】磁石保持部が熱収縮しても磁石や磁石保持部の破損を防止する構造を備えたモータを実現する。
【解決手段】ロータコア２１と、推力発生方向（Ｓ方向）に沿ってロータコア２１の表面に配置される複数の磁石２２と、磁石２２、２２間に配置される磁石保持部２３とを備え、磁石保持部２３が、ロータコア２１から磁石２２、磁石２２間を通って推力発生方向（Ｓ方向）と直交する方向である径方向（Ｔ方向）に延びる突部２３ａと、突部２３ａの先端から磁石２２に重合する位置に延びる爪部２３ｂとを含んで構成されるものにおいて、磁石保持部２３が熱収縮した際に圧縮される位置に、磁石２２よりも弾性率の低い圧縮層２４を設けることとした。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＳＰＭ（Surface Permanent Magnet）モータ等のようにコアの表面に磁石を配置する構造を備えた電気機械に関するものである。

従来、表面に磁石を配置する電気機械としてＳＰＭモータが知られている（例えば特許文献１）。

ＳＰＭモータは、磁石を有するロータと、ステータとからなる。ロータはシャフトにロータコアを取り付け、ロータコアの表面に磁石を配置して構成される。ステータはロータの外周に配置され、ロータに向かって延びるティースと、ティースに巻回されたコイルとを備える。

このＳＰＭモータは、表面の磁石を保持するためにインセット型と称される磁石保持部を有する。この磁石保持部は、ロータコアから磁石と磁石の間を外径方向に突出する突部と、その突部の先端から磁石に重合する方向に延びる爪部とを含んで構成され、磁石は磁石保持部によって、回転時の周方向、および、径方向の移動を規制されている。

特開２０２０－７８１７７

ところで、このモータを低温環境下で使用する場合、磁石保持部と磁石の線膨張係数差によって、磁石保持部が熱収縮差で磁石を径方向に圧縮することにより、磁石、および、磁石保持部に熱応力が発生し、磁石、または、磁石保持部、あるいは両方が破損する恐れがある。熱応力は環境温度が低いほど、また磁石が大きいほど大きくなる。

このような問題は、ＳＰＭモータに限らず、磁石を磁石保持部で保持する構造を備えたものであれば、例えばリニアモータ等であっても同様である。

そこで本発明は、このような課題に着目してなされたものであって、磁石保持部が熱収縮しても磁石や磁石保持部の破損を防止することができる、新たな構造の電気機械を実現することを目的としている。

本発明は、かかる目的を達成するために、次のような手段を講じたものである。

すなわち、本発明の電気機械は、コアと、推力発生方向に沿って前記コアの表面に配置される複数の磁石と、前記磁石間に配置される磁石保持部とを備え、前記磁石保持部が、前記コアから磁石と磁石の間を通って推力発生方向と直交する方向に延びる突部と、前記突部の先端から前記磁石に重合する位置に延びる爪部とを含んで構成されるものにおいて、前記磁石保持部が熱収縮した際に圧縮される位置に、磁石よりも弾性率の低い圧縮層を設けたことを特徴とする。

このような構造のもと、磁石保持部が熱収縮すると、圧縮層が圧縮変形することで磁石保持部に生じる応力が低減する。このため、磁石や磁石保持部が熱応力で破損することを有効に防止することができる。

この場合、前記磁石が推力発生方向と直交する方向に分割されており、その分割された磁石と磁石の間に前記圧縮層が設けてあることが好ましい。

このように構成すると、磁石保持部が推力発生方向と直交する方向に熱収縮したときに、分割隙間に設けた圧縮層が圧縮変形することで磁石保持部に生じる応力が低減する。しかも、渦電流を誘起する磁束の通る断面は変わらないが、磁石が分割されていることから、磁石に流れる渦電流が囲む断面積が小さくなるため、圧縮層が絶縁材料であれば渦電流損の低減にもつながる。分割数を増やせば各々の圧縮層の厚みはより小さくて済み、強度的に安定するとともに、うず電流損の低減効果は増大する。

或いは、前記磁石と前記コアの表面との間、または、前記磁石と前記磁石保持部の爪部との間に前記圧縮層が設けてあることも好ましい。

この位置に圧縮層を設けても、磁石保持部が推力発生方向と直交する方向に熱収縮したときに、圧縮層が圧縮変形することで磁石、および、磁石保持部に生じる応力を低減することができる。

また、前記磁石と前記磁石保持部の突部との間に前記圧縮層が設けてあることも好ましい。

この位置に圧縮層を設けると、圧縮層に推力発生方向の応力が作用することで圧縮層が圧縮変形するので、磁石の装入が容易になる。また、磁石挿入時に液状、シート状あるいは固体にかかわらず樹脂充填容易性、充填率が向上し，さらに低温時の磁石とコア間の熱変形差による応力緩和が可能となる。

また、上記圧縮層に臨む位置に、圧縮層が圧縮されることで圧縮方向と交叉する方向に伸びる変形を許容する変形許容部を設けていることが好ましい。

圧縮層の体積がほぼ変わらないとすれば、変形許容部を設けておくことで圧縮層の適切な圧縮変形を引き起こすことができる。

上記における圧縮層の厚みは、予定される圧縮量が圧縮強度を超えない範囲に設定されていることが好ましい。

単に磁石をコアに接着する接着剤などは、圧縮されることで破壊して弾性体としての機能を損なうが、圧縮層を圧縮強度以内に抑える設計をすることで、本発明の圧縮層として有効に機能させることができる。

以上説明した本発明の電気機械によれば、磁石保持部が熱収縮しても、圧縮層が圧縮変形することで磁石保持部に生じる応力を低減することができるため、磁石や磁石保持部が熱応力で破損することを有効に防止することが可能となる。

本発明の一実施形態に係る電気機械たるモータの模式的な断面図。 図１のインセット構造を比較例とともに展開して示す図。 同実施形態における圧縮層の説明図。 本発明の変形例１を示す図。 本発明の変形例２を示す図。 本発明の変形例３を示す図。 本発明の変形例４を示す図。 本発明の変形例５を示す図。 本発明の変形例６を示す図。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。

図１は、本発明の電気機械を回転電動機であるモータＭに適用した例を示す模式的な横断面図である。

モータＭは、図１（ａ）に示すようにインナーロータ型のもので、シャフト１に可動子たるロータ（回転子）２を一体回転可能に取付け、ロータ２の外周にステータ（固定子）３を配置することによって構成されている。

ステータ３は、略円筒状に構成されたコアであるステータコア３１と、このステータコア３１の等角位置より内周に向けて一体に形成された複数のティース３２と、各ティース３２に巻回されたコイル３３とを備えている。コイル３３には図示しない電源装置が接続され、給電によって回転子２を回転させるための回転磁界を発生させるように構成されている。

ロータ２は、固定子３の内周側に所定のギャップを介して配置されている。ロータ２は、略円筒状に構成されたコアであるロータコア２１と、ロータコア２１に沿って外周の表面に配置された磁石（永久磁石）２２とを備えている。

磁石２２は、推力発生方向（Ｓ方向）すなわちロータコア２１の円周方向に極数分だけ複数配置された扇形のもので、全体として略円環状に構成されている。個々の磁石２２は、図１（ｂ）に矢印Ｈで示すように、配向方向（磁化容易方向）が推力発生方向（Ｓ方向）と直交する方向である径方向（Ｔ方向）を向くように配置されている。磁石２２の材料には例えばネオジム磁石やサマリウムコバルト磁石などの希土類系磁石が採用される。

そして、この磁石２２を、インセット型と称される磁石保持部２３によってロータコア２１に保持している。磁石保持部２３は、ロータコア２１から磁石２２と磁石２２の間を推力発生方向（Ｓ方向）と直交する方向である径方向（Ｔ方向）に延びる突部２３ａと、この突部２３ａの先端から回転方向進み側と遅れ側に向かって両側に位置する磁石２２の外周面に重合する位置に延びる爪部２３ｂとを含むＴ字状に構成されている。この磁石保持部２３によって磁石２２は、回転時の周方向（Ｓ方向）の移動が突部２３ａにより規制され、径方向（Ｔ方向）の移動が爪部２３ｂにより規制される。磁石保持部２３の材料には例えばロータコア２１と同様の電磁鋼板が用いられる。

図１の磁石保持部２３は模式図に過ぎない。このため、爪部２３ｂの外周が磁石２２の外周面と一致するように爪部２３ｂを磁石２２の外周面に設けた凹部に埋設する形態等を採用しても構わない。

図２（ａ）は図１（ａ）のインセット構造を直線状に展開して示すものである。磁石２２は実際には磁石片２２ａ、２２ａに分割されており、磁石片２２ａ、２２ａ間に圧縮層２４を設けている。

図２（ｂ）は比較例として、従来のインセット構造を示す。この従来構造は、周方向（Ｓ方向）に配置される磁石保持部２３、２３間に単一のブロック状の磁石２２が配置されている。磁石保持部２３も凸部２３ａと爪部２３ｂを有している。磁石２２と磁石保持部２３の間は、周方向（Ｓ方向）および径方向（Ｔ方向）に隙間はないか、若しくは極小隙間にとどめて、磁石２２の移動を規制している。

このため、このモータＭを低温環境下で使用すると、磁石保持部２３が熱収縮し、磁石２２を図中白抜き矢印で示すように径方向に圧縮することにより、磁石２２、および、磁石保持部２３に熱応力が発生し、磁石２２、または、磁石保持部２３、あるいは両方が破損する恐れがある。

磁石２２の線膨張係数については、例えば磁石２２をネオジウム磁石とした場合、配向方向と平行な方向（磁化容易方向）に７×１０^－６[１／℃]、配向方向と直交する方向（磁化の垂直方向）に略０[１／℃]である。この線膨張係数の値は、例えば１４０℃下がると、略０．１％縮む計算である。一方、磁石保持部２３を電磁鋼板で構成した場合の膨張係数は、１２×１０^－６[１／℃]であり、磁石よりも大きい。

収縮量（膨張量）ΔＸは、線膨張方向の長さをＸ、線膨張係数をα、温度差をΔＴとした場合、
ΔＸ＝Ｘ×α×ΔＴ …（１）
で表される。

本実施形態では磁石２２の配向方向が径方向（Ｔ方向）であって、その径方向の磁石２２の長さ（厚み）がＸ１であるとした場合、対する磁石保持部２３は、実質的に磁石２２を保持する長さは突部２３ａの基端位置すなわちヨーク２１の外周面２１ａから爪部２３ｂの下面２３ｂ１までの距離Ｘ２であって、磁石２２を隙間なく保持すれば、Ｘ１＝Ｘ２（＝Ｘ）である。したがって、数式（１）において、磁石２２と磁石保持部２３の温度差ΔＴも同じ環境下で同一とすれば、磁石２２と磁石保持部２３の線膨張差ΔＸは、線膨張係数差Δαで決まる。

このため、磁石２２より線膨張係数が大きい磁石保持部２３の収縮が支配的になることで、爪部２３ｂとロータコア表面２１ａとの距離Ｘ２が磁石２２の厚みＸ１よりも小さくなり、図中白抜き矢印で示すように磁石２２に対する圧縮が引き起こされる。

そこで本実施形態では、上述したように図１（ａ）に示すインセット構造において、図２（ａ）に示すように磁石２２を複数の磁石片２２ａに分割して構成している。そして、径方向（Ｔ方向）に隣接する磁石片２２ａ、２２ａ間に、磁石２２よりも弾性率の低い圧縮層２４を設け、磁石保持部２３が熱収縮した際の圧縮応力で圧縮層２４を変形させるようにしている。各磁石片には同じ符号２２ａを付しているが、それらの厚みは必ずしも同一である必要はない（以下、同様）。

圧縮層２４は、弾性素材で構成され、磁石保持部２３、２３間において、内周側の磁石片２２ａと外側の磁石片２２ａの間に略全域に亘って均一な厚みで周方向、径方向にほぼ隙間なく配置される。図１（ａ）、図２（ａ）の紙面に垂直な方向（シャフト１の軸方向）についても、磁石保持部２３、２３間において、内周側の磁石片２２ａと外側の磁石片２２ａの間に略全域に亘って均一な厚みで軸方向にほぼ隙間なく配置される。

圧縮層２４の素材としては、例えばエポキシ系、アクリル系、シリコーン系、ウレタン系が挙げられる。製法としては、磁石片２２ａ、２２ａ間に材料を流し込んで固化させるか、シート状に成型した圧縮層２４を磁石片２２ａ、２２ａ間に挟み込んで組み付ける。

この場合の圧縮層２４の厚みは、予定される圧縮量が圧縮強度を超えない範囲に設定される。また、磁石２２やロータコア２１の強度も考慮して圧縮層２４の厚みが決められても良い。

圧縮層２４が図３のＡライン（降伏点Ａ１）に示すような圧縮特性であれば、圧縮量ΔＸは降伏点Ａ１に至らないが、圧縮層２４が図３のＢライン（降伏点Ｂ１）に示すような圧縮特性であると、圧縮量ΔＸは降伏点Ｂ１を超えるため、圧縮層２４が圧縮によって弾性体としての機能を失うことになる。例えば、図１に示すロータ２の磁石保持部２３の長さが１０ｍｍとすると、周囲の温度が２０℃から－１８０℃まで２００℃下がった場合、磁石保持部２３による圧縮量は、１０ｍｍ×２００℃×(１２×１０^－６－７×１０^－６)≒０．０１ｍｍである。このとき、この収縮を通常の接着層（厚み０．１ｍｍ）が受けるとすると、接着層は１０％程度圧縮され、図３のＢラインのケースに相当して接着層は弾性体としての機能が破壊されるおそれがある。

これに対して本実施形態では、予定された温度差で熱収縮が起こっても収縮量ΔＸが図３のＡラインのように降伏点Ａ１を越えないようにするために、図２（ａ）に示す圧縮層２４の厚みＤや材料を設定している。例えば圧縮層２４の厚みは通常の接着層の厚み（０．１ｍｍ）の２倍の０．２ｍｍ程度に設定し、２００℃の温度変化があっても圧縮率が５％以内に収まるように設定することで、破壊を回避して弾性体としての機能を担保している。

上記は簡単な例であるが、実際に圧縮層２４に生じる圧縮応力は、磁石２２の厚さ（磁石保持部２３の長さ）、磁化方向の角度、磁石２２の線膨張係数、環境温度、圧縮層２４の厚さ、圧縮層２４のヤング率などで決まるため、この圧縮応力に対して破壊しない圧縮層２４でなければならない。圧縮層２４の１層あたりの厚みの一例としては、０．０１ｍｍ～１．０ｍｍであり、好ましくは、０．０３ｍｍ～０．８ｍｍであり、より好ましくは、０．０５ｍｍ～０．５ｍｍであり、必要に応じて圧縮層２４の総数を増やしている。

以上のように、本実施形態の電気機械であるモータＭは、ロータコア２１と、推力発生方向（Ｓ方向）に沿ってロータコア２１の表面に配置される複数の磁石２２と、磁石２２、２２間に配置される磁石保持部２３とを備え、磁石保持部２３が、ロータコア２１から磁石２２、磁石２２間を通って推力発生方向（Ｓ方向）と直交する方向である径方向（Ｔ方向）に延びる突部２３ａと、突部２３ａの先端から磁石２２に重合する位置に延びる爪部２３ｂとを含んだ構成からなるものである。

そして、磁石保持部２３が熱収縮した際に圧縮される位置に、磁石２２よりも弾性率の低い圧縮層２４を設けている。

このような構造のもと、磁石保持部２３が熱収縮すると、圧縮層２４が圧縮変形することで磁石２２、および、磁石保持部２３に生じる応力が低減する。このため、磁石２２（磁石片２２ａ）や磁石保持部２３が熱応力で破損することを有効に防止することができる。

特に本実施形態は、磁石２２が推力発生方向（Ｓ方向）と直交する方向（Ｔ方向）に分割されており、その分割された磁石片２２ａ、２２ａ間に圧縮層２４を設けている。

このように構成すると、磁石保持部２３が推力発生方向（Ｓ方向）と直交する径方向（Ｔ方向）に熱収縮したときに、磁石片２２ａ、２２ａ間に設けた圧縮層２４が圧縮変形することで磁石２２、および、磁石保持部２３に生じる応力が低減する。しかも、磁石２２を磁石片２２ａ、２２ａに分割することで、渦電流を誘起する磁束の通る断面は変わらないが、磁石が分割されていることから、磁石に流れる渦電流が囲む断面積が小さくなるため、圧縮層が絶縁材料であれば渦電流損の低減、ひいてはモータ効率の向上にもつなげることができる。

以上により、本実施形態のモータＭは、磁石２２、および、磁石保持部２３に生じる応力を有効に低減することができるため、例えば高高度の環境、宇宙環境や液体窒素による冷却環境のような低温環境においても、ＳＰＭモータのインセット型が成立できるようになる。そして、これによってモータＭの小型化、軽量化や高性能化を有効に実現することが可能となる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、各部の具体的な構成は、上述した実施形態のみに限定されるものではない。以下、いくつかの変形例について説明するが、上記実施形態と共通する部分には同一符号を付し、特に説明が必要な部分以外の説明を省略している。

（変形例１）
例えば、図４に示すように、磁石２２の径方向（Ｔ方向）の分割数は２以上であっても良い。分割数を増やすことで、熱応力の総和だけでなく個々の磁石片２２ａ内の渦電流損失が低減でき、損失による発熱低減やモータＭの高効率化の効果が得られる。

この場合、圧縮層２４は直列になるので、例えば圧縮層２４の厚みが０．２ｍｍ必要な場合、個々の圧縮層２４の厚みＤの総和がこの値を満たせばよい。各圧縮層２４の厚みＤは同じ値である必要はない。

（変形例２）
また、分割面は磁石保持部２３の熱収縮方向に対して平行でなければ良いので、図５に示すように、圧縮層２４を傾いて構成しても構わない。このような構造で磁石片２２ａ、２２ａ間に圧縮層２４を形成しても、磁石保持部２３が推力発生方向（Ｓ方向）と直交する径方向（Ｔ方向）に熱収縮したときに、圧縮層２４の径方向（Ｔ方向）成分が圧縮変形することで、磁石２２や磁石保持部２４に生じる応力を低減することができる。

このような斜めの圧縮層２４は、ハルバッハのような磁束集中型の磁石配列を有する回転機械に適用しても有効となる。

（変形例３）
また、図６に示すように、磁石２２を周方向（Ｓ方向）と径方向（Ｔ方向）に分割し、径方向（Ｔ方向）の磁石片２２ａ、２２ａ間と、周方向（Ｓ方向）の磁石片２２ａ、２２ａ間に圧縮層２４を形成してもよい。このようにすることで、圧縮層２４の径方向（Ｔ方向）への熱応力を低減すると同時に、変形例１に比べてさらに磁石２２の渦電流損を低減することができる。

（変形例４）
また、図７に示すように、磁石２２を分割せず、磁石２２とロータコア２１の表面２１ａとの間、または、磁石２２と磁石保持部２３の爪部２３ｂの下面２３ｂ１との間に厚みＤの圧縮層２４を設ける構成でも良い。この位置に圧縮層２４を設けても、磁石保持部２３が推力発生方向（Ｓ方向）と直交する方向（Ｔ方向）に熱収縮したときに、圧縮層２４が圧縮変形することで磁石２２、および、磁石保持部２３に生じる応力を低減することができる。この場合、磁石２２と磁石保持部２３の隙間を大きくできるため、ロータコア２１への磁石２２の挿入が容易になる利点が得られる。ここでも各圧縮層２４の厚みＤの値は同一である必要はない。

この例では、磁石保持部２３の突部２３ａと磁石２２との周方向（Ｓ方向）の隙間にも圧縮層２４が設けてある。このようにすると、磁石挿入時に液状、シート状あるいは固体にかかわらず樹脂樹充填容易性、充填率が向上し、さらに低温時の磁石とコア間の熱変形差による応力緩和が可能となる。

（変形例５）
また、図８（ａ）のＢ-Ｂ線断に相当する図８（ｂ）に示すように、圧縮層２４に臨む位置に、圧縮層２４が圧縮されることで当該圧縮層２４が圧縮方向（Ｔ方向）と交叉する方向（Ｓ方向）に伸びる変形を許容する変形許容部Ｓを設けておくことが望ましい。

圧縮層２４の体積がほぼ変わらないとすれば、圧縮層２４が圧縮されるためには他の部位が伸長する必要がある。そこで、変形許容部Ｓを設けておくことで、圧縮層２４の適切な圧縮変形を引き起こすことができる。

（変形例６）
或いは、図９に示すように、圧縮層２４を介在させた磁石２２を、インセット型ではなく、シュリンクリング２５で保持しても良い。

この場合、ロータコア２１から磁石２２ａと磁石２２ａの間を通って推力発生方向（Ｓ方向）と直交する方向（Ｔ方向）に突部２３ｂが立ち上がっているものの、突部２３ｂの先端は磁石２２の表面を押さえる位置まで延びていない。このため、磁石２２の外周をシュリンクリング２５で押さえることで、径方向の移動を規制している。

このような構造に圧縮層２４を設けると、シュリンクリング２５を圧入することで磁石２２の位置ずれによる偏心を抑える効果も得られる。また、シュリンクリング２５の圧入時に発生するシュリンクリング２５、および、磁石２２への応力を圧縮層２４で低減できるため、シュリンクリング２５や磁石２２の破損を防げる。さらに、応力低減によって、圧入代を大きくできるため、シュリンクリング２５に大きなプリテンション（径方向に縮む力）を掛けられることで高速回転時に生じるシュリンクリング２５と磁石２２の間の隙間を無くすことができ、高速回転化が可能になる。

（変形例７）
以上は電気機械が回転電動機（モータ）である場合について説明したが、図２～図９中、Ｓを推力発生方向である直進方向、Ｔをこれに直交する方向とすれば、リニアモータのような直動型機械としても成立させることができる。

その他の構成も、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

Ｍ…電気機械（モータ）
２１…コア（ロータコア）
２２…磁石
２３…磁石保持部
２３ａ…突部
２３ｂ…爪部
２４…圧縮層

Claims (6)

1. コアと、推力発生方向に沿って前記コアの表面に配置される複数の磁石と、前記磁石間に配置される磁石保持部とを備え、前記磁石保持部が、前記コアから磁石と磁石の間を通って推力発生方向と直交する方向に延びる突部と、前記突部の先端から前記磁石に重合する位置に延びる爪部とを含んで構成されるものにおいて、
   前記磁石保持部が熱収縮した際に圧縮される位置に、磁石よりも弾性率の低い圧縮層を設けたことを特徴とする、電気機械。
2. 前記磁石が推力発生方向と直交する方向に分割されており、その分割された磁石と磁石の間に前記圧縮層が設けてある、請求項１に記載の電気機械。
3. 前記磁石と前記コアの表面との間、または、前記磁石と前記磁石保持部の爪部との間に前記圧縮層が設けてある、請求項１に記載の電気機械。
4. 前記磁石と前記磁石保持部の突部との間に前記圧縮層が設けてある請求項１に記載の電気機械。
5. 前記圧縮層に臨む位置に、圧縮層が圧縮されることで圧縮方向と交叉する方向に伸びる変形を許容する変形許容部を設けている、請求項１に記載の電気機械。
6. 前記圧縮層の厚みは、予定される圧縮量が圧縮強度を超えない範囲に設定されている、請求項１～５の何れかに記載の電気機械。

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