JP3778271B2 - 永久磁石型モータ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は永久磁石型モータに係り、特に複数の電磁鋼板が積層固着されてなる鉄心に永久磁石が内設されたロータを備える永久磁石型モータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
永久磁石型モータは、複数の巻線が装着されたステータと、永久磁石が鉄心内部に配置されたロータとを備えており、ステータ側に発生する回転磁界と、永久磁石が発生する磁界とによって、ロータが回転するように構成されている。この永久磁石型モータは、モータ効率が高く、また回転制御が容易なことから、さまざまな分野において広く用いられている。
【０００３】
図７は、従来の永久磁石型モータを構成するロータの１例を示す図である。
図７（ａ）は従来の実施例であるロータを構成する鉄心の正面図であり、図７（ｂ）は従来の実施例であるロータの斜視図である。
図７（ｂ）に示すように、鉄心５は、ステータ（図示せず）から受ける回転磁界の影響により鉄心５の内部に発生する渦電流を抑えるために、複数の薄板状の電磁鋼板が積層されて構成されている。この鉄心５の内部には、４個の平板状の永久磁石７が回転軸（図示せず）を中心として配置されている。鉄心５には回転軸方向に連通する穴４１が４箇所に設けられており、この穴４１には、両端部に突起部が設けられた棒状の固着ピン４２が挿入されている。複数の電磁鋼板は、この固着ピン４２により鉄心５の両側から締め付けられて積層固着されている。
【０００４】
しかしながら、このように構成されるロータには次のような問題点がある。
即ち、複数の電磁鋼板をずれ無いように固着するためには、固着ピンにより鉄心の両端面から強固に締める必要がある。このため、強度の高い固着ピンが必要となり、金属製の固着ピンが用いられていた。このように、金属性の固着ピンがロータ内部に用いられると、モータ運転中において、ステータ側の回転磁界に伴って発生するロータ内部の磁界の変動によって、固着ピンに渦電流が発生してしまう。この渦電流の発生はモータ効率を低下させるだけでなく、ロータの温度上昇を引き起こすなどの悪影響を及ぼしていた。
【０００５】
また、前述の固着ピンを樹脂などの非金属で成形した場合、上記のような渦電流の問題は解決されるが、電磁鋼板を強固に固着するためには断面積の大きい固着ピンを用いることが必要となる。このことは同時に固着ピン用の穴の断面積を大きくとらなければならなくなり、このため、永久磁石を鉄心内に配置する場所が制限されていた。また、同時に鉄心自体を大きくさせ、モータ効率の低下の１要因ともなる。
【０００６】
一方、図７に示すような従来型ロータでは、ロータの両端部から永久磁石及び電磁鋼板が露出した構造になっているため、通常の雰囲気中で運転する場合であっても、雰囲気中の湿度によって永久磁石や鉄製の電磁鋼板に錆びが発生することがあった。また腐食性の強いガス雰囲気中で運転する場合には、このガスによって腐食されることもあった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は前述の問題点に鑑みてなされたもので、複数の電磁鋼板にて構成された鉄心において、渦電流の発生を極めて低く抑えることができ、また内部に配置される永久磁石のレイアウトを自由に構成することのできる永久磁石型モータを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の１態様は、巻線が装着されたステータと、複数の永久磁石と鉄心により構成されたロータとを備える永久磁石型モータにおいて、前記鉄心の内部には、前記複数の永久磁石が、それぞれの磁極面が前記ロータの半径方向を向くように、前記ロータの回転軸を中心に配置され、前記鉄心は、複数の電磁鋼板が積層されて形成されるとともに、前記鉄心の外周上であって、かつ前記複数の永久磁石のそれぞれの磁極中心から前記半径方向にある位置においてのみ、前記ロータの回転軸と平行に溶接されたことを特徴とする。
【０００９】
このように構成される本発明によれば、それぞれの電磁鋼板は固着ピン等を用いることなく溶接により強固に固着される。そして、この溶接箇所は永久磁石の磁極中心の半径方向延長線上に存在する。この位置においては通過する磁束が少ないため、モータ運転時にステータから受ける磁界の変動によって生じる鉄心での渦電流損失を極めて少なくすることができる。即ち、金属製の固着ピンを不要とし、渦電流損失を低減させることができるとともに、堅固に電磁鋼板が積層されたロータ構造を得ることができる。
【００１０】
本発明の他の１態様は、前記電磁鋼板には、前記電磁鋼板の外周縁であって、かつ前記永久磁石の磁極の中心から前記半径方向の延長線上にある位置において凹状の切欠き部が設けられたことを特徴とする。
【００１１】
このように構成された本発明によれば、複数の前記電磁鋼板を積層固着すると、前記切欠き部によって前記鉄心の外周面には凹部が形成される。そして、この凹部において溶接すれば、前記鉄心の外周面には陥入した溶接部が形成される。この溶接部においては、他のロータ外周面に比べてステータとの磁気ギャップが大きいため、この溶接部を通過する磁束は極少である。このため、鉄心での渦電流の発生を更に減少させ、渦電流損失を低減させることが可能となる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第１の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は本実施形態における永久磁石型モータの径方向断面図であり、図２（ａ）は本実施形態における鉄心の正面図であり、図２（ｂ）は本実施形態における鉄心の斜視図であり、図２（ｃ）は本実施形態における電磁鋼板の外周縁に形成された溶接用の切欠き部を示す拡大図であり、図３は本実施形態におけるロータの各部の分解斜視図である。
【００１３】
図１に示すように、ロータ１は主軸９に固着されており、ロータ１の外周を取り囲むように、ステータ２が周設されている。ステータ２の内側には複数の磁極歯３がステータ２と一体的に形成されており、それぞれの磁極歯３には巻線４が装着されている。図２（ｂ）に示すように、鉄心５は、渦電流の発生を防ぐために複数の薄板状の電磁鋼板６が積層固着されて形成されている。鉄心５には、複数の平板状の永久磁石７を挿入するための４つの磁石挿入穴８が、主軸９を中心として円周等配に設けられており、それぞれの磁石挿入穴８は、永久磁石７の磁極面がロータ１の半径方向を向くように形成されている。そして、それぞれの磁石挿入穴８には、隣接する永久磁石がそれぞれ異磁極となるように永久磁石７が挿入されている。このように、本実施形態は永久磁石７が鉄心５の内部に配置されるタイプであり、巻線４に通電し発生する回転磁界と永久磁石７が発生する磁界とによってモータは駆動力を得る。
【００１４】
図２（ｃ）に示すように、それぞれの電磁鋼板６の外周縁には溶接用の切欠き部１０が形成されている。電磁鋼板６は打ち抜き加工により成形され、電磁鋼板６の内周及び外周と、磁石挿入穴８を形成する穴及び切欠き部１０が同時に形成される。図２（ｂ）に示すように、鉄心５の外周面には電磁鋼板６に設けられた切欠き部１０により溶接溝１１が形成される。この溶接溝１１の位置は、磁石挿入口８に配置される永久磁石７の磁極の中心からロータ１の半径方向の延長線上にある位置であり、かつ主軸９と平行に直線状に形成される。本実施形態では、鉄心５内に４つの永久磁石７が内設されており、これら４極の磁極数と同数箇所だけ溶接がなされている。
【００１５】
図３に示すように、本実施形態では、ロータ１の両端面には、非磁性の側板１２が装着されており、側板１２の外周縁には、電磁鋼板６と同一の箇所に、同一形状の切欠き部１３が設けられている。本実施形態では、まず、所定枚数の電磁鋼板６を重ねて鉄心５を形成し、この鉄心５の内部に永久磁石７を挿入した後、電磁鋼板６及び側板１２を同時に溶接する。このように、鉄心５及び永久磁石７の両端面を側板１２で覆うことにより、ロータ１端部は雰囲気に直接さらされることがなくなるため、ごみの付着や錆び、腐食を防止することが可能となる。なお、本実施形態においては、溶接にはＴＩＧ溶接を用いているが、これに限らず、本発明と同様の効果を奏する手段であれば他の固着方法を用いてもよい。
【００１６】
次に、本発明の第２の実施形態について図４を用いて説明する。
図４（ａ）は本実施形態における電磁鋼板の外周縁に設けられた凹状の切欠き部の拡大断面図であり、図４（ｂ）は本実施形態における鉄心の斜視図であり、図４（ｃ）は本実施形態における鉄心の溶接された箇所の拡大断面図である。なお、特に説明しない部分については、上述した第１の実施形態と同様に構成されているので説明を省略する。
【００１７】
図４（ａ）に示すように、それぞれの電磁鋼板６の外周縁には凹状の切欠き部２１が設けられている。この切欠き部２１が設けられている位置は、上述した第１の実施形態における電磁鋼板と同位置である。そして、図４（ｂ）に示すように、電磁鋼板６が積層されて形成された鉄心の外周上には、切欠き部２１によって直線状の凹部２２が主軸（図示せず）と平行に形成されている。各電磁鋼板６の固着はこの凹部２２において溶接されており、図４（ｃ）に示すように、凹部２２内に溶接部２３が形成され、溶接後においても、凹部２２の凹形状が維持されている。
【００１８】
次に、第２の実施形態におけるモータを運転させた際のステータ及びロータ内部における磁束の状態について図５を参照して説明する。
図５（ａ）は第２の実施形態におけるステータに装着された巻線が無通電位置にあるときの磁束の状態を示す図であり、図５（ｂ）は第２の実施形態におけるステータに装着された巻線が通電位置にあるときの磁束の状態を示す図である。
【００１９】
図５（ａ）及び（ｂ）に示すように、モータ運転時においては、ステータ２の磁極歯３の位置と駆動時の回転磁界とにより鉄心５の内部には磁束の変動が生じる。本実施形態においては、凹部２２は、鉄心５の外周上であって、かつ永久磁石７の磁極中心の半径方向延長線上にある位置に形成されている。上述したように、溶接部２３は凹部２２内に位置し、溶接後においても、鉄心５の外周面上には凹部２２が維持されている。従って、この凹部２２においては磁極歯３との間の空隙が大きくなり、この部分での磁気抵抗が増大し、磁束密度が減少する。
【００２０】
図５（ａ）に示すように、無通電位置においては磁束密度が全体的に小さい上に、上述したように凹部２２での磁気抵抗が増大するため、この凹部２２における磁束密度は極めて小さい。このため、凹部２２内の溶接部２３における渦電流の発生を微少に抑えることができ、渦電流損失を低減させることができる。一方、巻線４が通電されているときは、磁束１４の磁束密度は高いが、図５（ｂ）に示すように、磁束１４は凹部２２を避けて存在する。このため、凹部２２内の溶接部では渦電流は殆ど発生しない。このように、永久磁石７の磁極中心における鉄心５の外周上に位置する溶接部２３では、磁束の分布の法則上、磁束変動が少ないため、渦電流の発生による渦電流損失を低減させることができる。
【００２１】
本発明の第３の実施形態について、図６を参照して説明する。なお、特に説明しない部分については、上述した実施形態と同様であるので説明を省略する。
図６（ａ）は本実施形態における電磁鋼板の平坦部がかしめられて積層固着された鉄心の正面図であり、図６（ｂ）は図６（ａ）のＸＩ−ＸＩ線断面図である。
【００２２】
図６（ａ）に示すように、本実施形態では、鉄心５は、電磁鋼板６の平坦部における永久磁石両端付近の４箇所のかしめ部３１において、各電磁鋼板６がそれぞれかしめられて積層固着されており、更に、上述した第１の実施形態と同様に、鉄心５の外周上において溶接されている。
【００２３】
モータ運転時には、ロータ１に発生するトルクにより、鉄心５にはせん断力が作用することになるが、本実施形態のように、かしめ加工及び溶接により、各電磁鋼板６はより強固に固着されており、鉄心５に作用するせん断力に対しても十分耐えうる強度を持たせることができるとともに、モータ運転の安全率を向上させることができる。
【００２４】
次に、本発明の第４の実施形態について説明する。本実施形態では、特に説明しない部分については上述した他の実施形態と同様に構成されているので説明を省略する。本実施形態においては、ロータ１が製造された後、図示はしないが、このロータ１の外面全体が塗装による保護膜で被覆されている。ここで、塗装は通常の塗装でもよいが、電着塗装や電解めっきにより被覆膜を形成するのが好ましい。
【００２５】
ここで、前記塗装に電着塗装を用いる場合や電解めっきで被覆する場合、被塗装物が導電体であることが必要とされ、従来の電磁鋼板の固着方法では電磁鋼板一枚一枚が絶縁処理されていたため、上記の電着塗装や電解めっきによる方法は使用できなかった。本発明においては、溶接により各電磁鋼板が固着されているため、電磁鋼板及び側板のそれぞれは電気的に接触しており、このため電着塗装や電解めっきによりこれらの全表面を被覆することが可能となる。このような電着塗装または電解めっきによれば、被覆膜自体の強度を増すことができるので、被覆膜が剥がれにくくなり、錆びや腐食を更に有効に防止することができる。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、永久磁石が内部に配置されるロータを備える永久磁石型モータの回転時において、ロータでの渦電流の発生を極めて低く抑えることができ、これによりモータ効率を向上させることが可能となる。また、ロータ内部での固着ピン等の配置を不要とするので、永久磁石のレイアウトも自由に構成することができる。更にはロータ全体を塗装などによって被覆することにより、永久磁石等の錆びの発生や腐食を防止することが可能となる。特に電着塗装や電解めっきにより被覆する場合は、被覆膜の信頼性が向上し、モータの長寿命化を図ることが可能となる。
【００２７】
またロータの製造上においても、電磁鋼板の固着や側板の取り付けを溶接により行うので製造作業が容易になる。また、電着塗装や電解めっきによる場合は、これらの作業工程の自動化等が図れるため、ロータの生産性を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第1の実施形態における永久磁石型モータの径方向断面図である。
【図２】図２（ａ）は本発明の第１の実施形態における鉄心の正面図であり、図２（ｂ）は本発明の第１の実施形態における鉄心の斜視図であり、図２（ｃ）は本発明の第１の実施形態における電磁鋼板に形成された溶接用切欠き部の拡大図である。
【図３】本発明の第１の実施形態におけるロータの各部の分解斜視図である。
【図４】図４（ａ）は本発明の第２の実施形態における電磁鋼板の外周縁に設けられた凹状の切欠き部の拡大断面図であり、図４（ｂ）は本発明の第２の実施形態における鉄心の斜視図であり、図４（ｃ）は本発明の第２の実施形態における鉄心の溶接された箇所の拡大断面図である。
【図５】図５（ａ）は本発明の第２の実施形態におけるステータ巻線が無通電位置にあるときの磁束の状態を表す図であり、図５（ｂ）は本発明の第２の実施形態におけるステータ巻線が通電位置にあるときの磁束の状態を表す図である。
【図６】図６（ａ）は本発明の第３の実施形態における電磁鋼板の平坦部がかしめられて積層固着された鉄心の正面図であり、図６（ｂ）は図６（ａ）のＸＩ−ＸＩ線断面図である。
【図７】図７（ａ）は従来の実施例であるロータの正面図であり、図７（ｂ）は従来の実施例であるロータの斜視図である。
【符号の説明】
１ ロータ
２ ステータ
３ 磁極歯
４ 巻線
５ 鉄心
６ 電磁鋼板
７ 永久磁石
８ 磁石挿入穴
９ 主軸
１０ 切欠き部
１１ 溶接溝
１２ 側板
１３ 側板切欠き部
１４ 磁束
２１ 凹状切欠き部
２２ 凹部
２３ 溶接部
３１ かしめ部
４１ 穴
４２ 固着ピン

Claims (5)

1. 巻線が装着されたステータと、複数の永久磁石と鉄心により構成されたロータとを備える永久磁石型モータにおいて、
   前記鉄心の内部には、前記複数の永久磁石が、それぞれの磁極面が前記ロータの半径方向を向くように、前記ロータの回転軸を中心に配置され、前記鉄心は、複数の電磁鋼板が積層されて形成されるとともに、前記鉄心の外周上であって、かつ前記複数の永久磁石のそれぞれの磁極中心から前記半径方向にある位置においてのみ、前記ロータの回転軸と平行に溶接されたことを特徴とする永久磁石型モータ。
2. 前記電磁鋼板には、前記電磁鋼板の外周縁であって、かつ前記永久磁石の磁極の中心から前記半径方向にある位置において凹状の切欠き部が設けられたことを特徴とする請求項１に記載の永久磁石型モータ。
3. 前記鉄心は、複数の電磁鋼板が相互にかしめられて形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の永久磁石型モータ。
4. 前記鉄心の両側に非磁性の側板が固着され、前記ロータの外面全体が保護膜で被覆されたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の永久磁石型モータ。
5. 前記保護膜は、電着塗装による被覆又は電解めっきによる被覆であることを特徴とする請求項４に記載の永久磁石型モータ。

Images