JP3993160B2 - 電気機械用のロータ装置及び永久磁石モータ - Google Patents

Description

本発明は、電気機械用のロータ装置及び該ロータ装置を有する永久磁石（Permanent Magnet, P.M.）型モータに関する。より一般的には、本発明は、永久磁石を有するブラシレス直流モータ及び永久磁石同期モータの分野に関し、該モータは、ステータにより囲繞される内部ロータを含むように構成可能であり（インナーロータ型モータ）、若しくは、外部ロータ構成に基づいて構成可能である（アウターロータ型モータ）。より詳細には、本発明は、電気機械用のロータ装置に関し、該ロータ装置は、略円筒形状の本体部であって該本体部をシャフトに装着するための内部開口部を有する本体部と、該本体部に埋め込まれた磁石とを備える。

内部ロータを有する電気機械は、シャフトに装着されたロータ装置、１又は２以上の永久磁石、並びに、多数の金属薄板が積層されたステータ等から構成されコイルを具備するステータ装置を含む。ロータ装置は、ステータ装置に共軸に挿入されている。外部ロータを有する電気機械では、ロータ装置は、ステータを囲繞する。

図５は、内部ロータを有する従来の電気機械の通常の構成を模式的に示し、該電気機械は、そこにステータ装置１１８、ロータ装置１１６、並びに該ロータ装置を回転可能に支持するための軸受１２６，１２８が含まれる筐体１１４を備える。ステータ装置１１８は、金属薄板１５５及びコイル１６０を有し、そこにロータ装置１１６が挿入可能な内部キャビティを規定する。ロータ装置１１６は、シャフト１１０、ヨーク１１２及び永久磁石１２２を含む。ロータ装置用の軸受１２６，１２８は、モータ筐体１１４のフランジ１２４に一体化可能である。

埋め込み磁石を含むロータは、当該分野で通常知られ、これまで説明されてきた。半径方向に延在する埋め込み磁石を有する多極「スポーク」構造を具備し保持リングにより囲まれるロータ構成は、例えば、下記の非特許文献１に示されている。そこに示されるように、埋め込まれ半径方向に延在する磁石を具備するロータ本体部を有することが知られ、該磁石は、ロータ本体部を囲むリング若しくは筒により保護されている。そこに磁石が埋め込まれているロータ本体部は、ヨークの機能を有する。
"Design of Brushless Permanent Magnet Motors", J.R. Hendershot Jr., T.J.E. Miller, Magna Physics Publishing and Clarendon Press, Oxford, １９９４年発行

埋設された磁石の共通の形状が、下記の特許文献１及び特許文献２に示されている。これらの文献は、外部ロータ表面に形成されたスロットに挿入されている複数の磁石を示す。これらの文献に開示された構成によれば、シャフトに近接したロータ背面の鉄部材を通過する漂遊磁束が形成される。従って、この領域に散逸される磁石エネルギーは、有効には使用できない。下記の特許文献３は、類似の構成を開示し、そこでは、永久磁石が、外部ロータ表面で閉成されたロータ本体部のスロットに挿入されている。その際、ロータは、楔形部分に分割され、当該部分は、フレームに装着される必要がある。
欧州特許第０６４１０５９Ｂ１号公報 欧州特許第０６９１７２７Ｂ１号公報 独国特許第１０１００７１８Ａ１号公報

下記の特許文献４は、回転電気機械用であって、所謂「磁束集中型」に埋め込まれた磁石により形成される多極永久磁石ロータを開示する。この文献で示されるロータ構成では、永久磁石は、ロータ本体部に固定されたヨーク間の溝状の隙間にロータ軸の半径方向に配置された扁平な立方体として形成されている。永久磁石を容易に装着するために、この文献は、ヨークを２つの極を有し隣接する２つのヨーク半体に分割することを提案し、ここで、磁石は、その間に配置されてロータ本体部にそれぞれ固定可能な極要素を形成する。
ＷＯ００／５７５３７号公報

下記の特許文献５は、埋め込み永久磁石を有する別のロータ構成を示し、その構成では、磁石は、ロータ本体部の半径方向に若しくは半径方向と平行に配置される。
欧州特許第０８７２９４４Ａ１号公報

類似の構成が、下記の特許文献６に示されている。ロータは、強磁性材料から成り、ロータに所望の数の極を提供するようにそこに永久磁石が嵌合され半径方向に延びる複数のスロットを規定する。永久磁石を受け入れるためのスロットは、ロータ本体部の外周にブリッジを、ロータ本体部の内径に開口部を、それぞれ有して構成され、その結果、永久磁石は、上記スロットに挿入されて保持され得る。半径方向に延びるスロットにより分離されるロータ本体部の台形要素は、ロータの極を形成することになる。
欧州特許第０８０３９６２Ｂ１号公報

埋め込み磁石を有するロータを示すさらなる特許文献は、下記の特許文献７、特許文献８及び特許文献９である。
英国特許第１１７７２４７号公報 欧州特許第０９５５７１４Ａ２号公報 米国公開公報２００２／００６７０９６Ａ１明細書

本発明に基づくロータ装置の好ましい用途は、ブラシレス直流モータ又は永久磁石同期モータである。そのようなモータは、広範囲の用途に使用可能であり、例を上げると、ディスク記憶装置のスピンドルモータ、例えば、自動車の操縦システム及びブレーキシステム補助用の電気モータ、電動工具及び多数の他の用途のモータがある。

永久磁石の半径方向の配置については、従来技術で示され記載されているように、永久磁石の規則的な配置がモータの作動に不利なコギングトルク（cogging torque）効果を発生させるという問題が現れる可能性がある。表面磁石を有するロータ装置では、急な位相の切り替えを回避するために、すなわち、コギングトルクを低減するために、例えば、上述したHendershot及びMillerの文献に開示されているように、傾斜された磁石配置（スキューされた磁石）を提供することが知られている。しかしながら、ロータ極を傾斜させて磁化すること（スキュー着磁）は、磁力の軸方向成分を生成し、そのため、トルク損失が発生する。さらに、電気モータの作動中に形成されるコギングトルクの問題は、上述したタイプの埋め込み磁石を有するロータに対して、満足できる程度には、まだ解決されていない。

そこで、本発明の目的は、電気機械の効率を改善可能な、より詳細には、コギングトルクを排除し又は低減することが可能で埋め込み磁石を有するロータ装置を提供することである。

この目的は、請求項１の特徴を有するロータ装置により解決される。

本発明によれば、電気機械用のロータ装置が、内部開口部を有する略円筒状の本体部と、該本体部に埋め込まれた磁石とを有して提供される。永久磁石の少なくとも１つが、本体部の内部開口部近傍から該本体部の外周に向かって延在する少なくとも２つの磁石部に分割されている。２つの磁石部は、本体部の半径方向に延びる平面に対して傾けられている。好ましくは、各永久磁石は、２つの磁石部に分割されている。本発明のロータ装置は、内部ロータ若しくは外部ロータを形成するように構成可能である。

１以上の永久磁石を少なくとも２つの磁石部に分割し、ロータ軸を含み本体部の半径方向に延びる平面（後述する中立面）に対して上記磁石部を傾かせることにより、磁束（フラックス）、従って、ロータ及びステータの間の空隙における誘導形状を制御することができる。結果として、トルク集中効果を達成し、及び／又は、コギングトルクを低減することが可能である。最良のトルク集中と、より低いコギング現象とは、通常、異なる磁石配置により達成される。しかしながら、ある場合には、同一の配置により、両者を達成することができる。

従来の埋め込み磁石の配置は、空隙における電磁誘導の半径方向の分布及び磁束集中のような、モータを制御するパラメータに対して、２自由度、すなわち、磁石の幅及び磁石の高さ、のみを提供したが、本発明は、モータの最適化のために、４つのパラメータを許容する。本発明によれば、モータは、磁石の長さ、磁石の幅、磁石部の（角度）間隔、並びに、各磁石部の傾き角の関数として調整可能である。そのため、従来技術に基づく配置よりも、空隙における磁束集中及び電磁誘導の分布に影響を与えることが容易である。磁石部の配置を最適化することにより、従来技術で使用されてきた傾斜又はずれ配置技術を用いる必要なくして、コギングトルクを低減することができる。磁石部の異なる（角度）間隔、及び／又は、磁石部の異なる傾き角を選択することにより、電磁誘導分布の半径方向の成分の形状は、空隙の周囲に亘って変更され得る。これらのパラメータは、また、空隙における磁束集中にも影響を及ぼす。
なお、従来技術における傾斜配置とは、永久磁石をロータ軸方向の長さ成分を有するように傾斜させることである。一方、本発明においては、磁石部は、実質的にロータ軸に垂直な平面内で、後述する中立線に対して傾けられている。したがって、磁石部は、ロータ軸方向の長さ成分を有しない。

本発明によれば、１つの永久磁石の２つの磁石部は、該２つの磁石部の中間にある中性領域の中心線（あるいは面）であってロータ装置の半径方向に延びる磁石中立線（あるいは中立面）に対して傾けられている。１つの永久磁石の２つの磁石部の間の傾き角は、αで定義される。２つ以上の磁石部がある場合には、分割された磁石の２つの外側の磁石部の間の角度である。磁石部が互いに平行である場合には、傾き角αはゼロであり得る。２つの磁石部が、ロータ装置の外周に向かって収束する場合には、角度αは、正であると定義される。一方、２つの磁石部が、ロータ装置の中心に向かって収束する場合には、角度αは、負であると定義される。αが略１４度乃至略３４度、より好ましくは略２０度である場合に、良好な結果が得られることを実験が示している。

本発明は、上述したタイプの磁石部の配置に限定されない。１つの永久磁石の２つ以上の磁石部が、異なる角度で傾けられ得る。これらの磁石部は、ロータ装置の外周に向かって、若しくは、その内部開口部に向かって収束され得る。さらに、各磁石は、２以上の磁石部に分割可能であり、全く分割されない磁石があってもよい。すなわち、空隙における電磁気誘導の分布及び空隙における磁束集中に影響を及ぼすための特定の要求に応じて、すべてが決定され得る。

さらなる好ましい実施形態では、各永久磁石の磁石部は、磁石の中立線から角度βだけずらされている。ここで、角度βは、本体部の内部開口部近傍の永久磁石の内側端部で測定される。角度βは、０°から９０°（電気角）のいずれかであり得る。

当業者は、磁石部のずれ角度及び磁石部間の傾き角は、用途の特定の要求特性に応じて決定されることを理解するであろう。

傾き角αを変更することによって、ロータの外周に沿った磁極弧の寸法を変更し、それにより、この磁極弧を通過する磁束密度、若しくは磁束集中を変更することは、非常に容易である。磁石部を分離する角度βの主要な機能は、コギングトルクを制御することである。角度βを好適に調整することにより、低いコギングトルクを達成することができる。しかしながら、この角度の特定の値は、磁性コアの全体構造に応じて決定される。当業者は、当然ではない実験で、最良の角度βを見出すことができるであろう。さらに、角度βは、磁石部の間の領域における漂遊磁束を制限する。小さいβの値は、より小さい漂遊磁束につながり、逆もまた同様である。

本発明の特に有利な実施形態では、磁石部を受け入れるためのスロットが本体部に形成され、該スロットは、本体部の内部開口部から本体部の外周に向かって延伸する。特別には、運転時に機械的及び電磁気的な損傷から磁石を保護するように、このスロットは、本体部の外周で閉成されている。空隙側に向かって閉成され磁石を受け入れるためのスロットの提供は、ブリッジによって、おこり得る機械的損傷から磁石を保護することを可能にする。磁石は、ロータ本体部自体により保護されるので、ロータを囲繞しそこに磁石を保持する追加的な保持筒の必要性はない。結果として、空隙の寸法は、低減可能である。ロータ本体部の周囲には、いかなる（金属の）保持筒も提供されないので、空隙の寸法は低減可能であり、そして、磁石からのエネルギーは、より効率的にステータに伝達可能であり、その結果、エネルギー損失は小さくなり、より効率的なモータが達成され得る。

結果として、さもなければ、同等の条件で設計される表面磁石と比較した場合に、磁性材料の体積は、低減可能である。したがって、本体部の外周で閉成されているスロット内の磁石部の提案された配置を用いて、モータの全体効率が増加され得る。

本発明は、ロータ本体部が磁性コアを構成し、そこに埋め込まれている磁石を有するロータ装置を提供する。好ましくは、ロータ本体部の内部開口部は、該ロータ本体部をシャフトに共軸に装着するために形成されている。より詳細には、この本体部は、ハブを介してシャフトに装着される。このハブは、非磁性材料から成るべきである。

代替的な実施形態では、ロータ本体部は、電気機械のステータを囲繞するように構成され、空隙は、ロータとステータとの間に形成されている。

本発明に基づく配置では、中性領域が１つの永久磁石の磁石部の間に形成されており、ロータ極は、隣接する２つの永久磁石の間に形成されている。本発明の１つの特別な実施形態では、ロータ本体部の外周には、隣接する２つの永久磁石の間に、凸状部が形成されている。この凸状部は、電磁誘導の半径方向成分の分布を制御する追加的な手段として機能する。通常、隣接する２つの永久磁石の間に形成される磁極は、電磁誘導の分布を制御するための異なる形状、より詳細には、異なる凸状部を有する。

本発明によれば、コギングトルクを排除若しくは低減可能で埋め込み磁石を有する電気機械用のロータ装置、及び該ロータ装置を有する永久磁石モータを提供することができる。

本発明の実施の形態にかかるロータ装置及び永久磁石モータについて、以下図面を参照して説明する。

図１は、本発明にかかるブラシレス永久磁石モータの断面図を模式的に示す。該モータは、ステータ１０と、本発明にかかるロータ装置１２とを備える。ロータ装置１２は、ハブ１６を介してシャフト１４に装着されている。ロータ装置１２は、磁性コアと、ヨークと、磁石部２０；２０’，２２；２２’，２４；２４’，２６；２６’，２８；２８’，３０；３０’とを有するロータ本体部１８を備える。各対を成す磁石部２０；２０’，２２；２２’，２４；２４’，２６；２６’，２８；２８’，３０；３０’は、ロータ装置１２の１つの永久磁石を構成し、磁極３２，３４，３６，３８，４０，４２が永久磁石の間に形成され、そして、中性領域４４，４６，４８，５０，５２，５４が各対を成す磁石部の間に形成されている。ロータ本体部１８のコア材料の磁化は、図面において、Ｎ（北）、Ｓ（南）により示されている。磁石部は、ロータ本体部１８の略半径方向に沿って延びている。

さらに、空隙５６が、ステータ１０とロータ本体部１８との間に形成されている。当業者は、ブラシレス永久磁石モータが、図５に示すような、コイル、筐体、電気及び電子的制御部品等のさらなる構成要素を含むことを理解するであろう。

本発明は、図２を参照してさらに詳細に説明され、図２は、本発明にかかるロータ装置の拡大された断面図を示す。図１におけるものと同一の構成要素は、同一の参照番号で表されている。わかり易いという理由で、磁石部２６；２６’，２８；２８’，３０；３０’、極３２乃至４２、及び、中性領域４６乃至５４の参照番号が省略されている。

ロータ本体部１８は、ヨークを含む磁性コアを形成し、そのため、好適な磁気特性を有する材料から構成されている。ハブ１６は、好ましくは、非磁性材料から構成されており、また、シャフト１４は、原理的には、非磁性材料から構成されているべきである。しかしながら、ハブの厚さが十分に大きい場合には、シャフトとロータ本体部との間で磁気的な分離が確保されるので、シャフトは、磁性材料から構成されてもよい。なお、ロータ本体部１８には、該ロータ本体部をシャフト１４に共軸に装着するための内部開口部６２が形成されている。

磁石部２０；２０’，２２；２２’，２４；２４’，２６；２６’，２８；２８’，３０；３０’は、ロータ本体部１８に形成されたスロット５８，６０に配置されている。スロット５８，６０は、ロータ本体部１８の内径（内部開口部）６２で開放され、ロータ本体部１８の外径で相対的に薄いブリッジ６４，６６により閉成されている。磁石部２０；２０’，２２；２２’，２４；２４’，２６；２６’，２８；２８’３０；３０’は、ロータ本体部１８の内部開口部６２からスロット５８，６０に挿入可能であり、そこに確実に保持され得る。ロータ本体部１８の外径にあるブリッジ６４，６６は、磁石部２０；２０’，２２；２２’，２４；２４’，２６；２６’，２８；２８’，３０；３０’を、機械的及び電磁気的損傷から保護する。これらのブリッジは、散乱磁束の最大部分を伝導するので、機械的安定性及び散乱磁束の両者に関する要求特性を満足するように、慎重にこれらのブリッジ６４，６６の厚さを決定することが重要である。

図２に示すように、例えば、２４；２４’で表される各磁石の２つの磁石部は、ロータ本体部１８を半径方向に延伸する中立線若しくは中立面（６８にて示されている）に対して、角度αだけ傾けられている。さらに、２つの磁石部２２；２２’は、ロータ本体部１８の内径（内部開口部）６２近傍で磁石中立線６８から角度βだけずらされて（シフトされて）いる。パラメータα及びβ、並びに、各磁石部の長さ及び幅を変更することによって、モータ特性、より詳細には、空隙における電磁誘導の半径方向の分布を磁束集中と同様に調整することができる。磁石部２２；２２’を好適に傾けて配置することにより、コギングトルクは低減可能であり、より一様なモータ動作が達成可能である。さらに、より効率的にモータを作動させることが達成されるように、磁束、それによってトルクが集中され得る。

図３は、本発明にかかるロータ装置の変形例を示す。同一の構成要素は、図２で使用された同一の参照番号により表されている。

図２及び図３の実施形態の間の相異は、ロータ本体部１８の磁極３２乃至４２が、磁石部２０；２０’，２２；２２’，２４；２４’，２６；２６’，２８；２８’，３０；３０’の間に、凸状部７０を有して形成されているということである。代替的には、外形は、凹状であり得る。ロータ本体部の形状は、空隙における電磁誘導の半径方向成分の分布を制御するさらなる手段である。

図４は、図１のモータの一部の断面図を模式的に示し、ここで、ロータ装置１２及びステータ１０を通過する磁束は、細線で示されている。図４の記載から、当業者は、２つの磁石部の間の傾き角αを変更することにより、磁極３２乃至４２の外縁部（磁極弧）の寸法、従って、この極極弧を通過する磁束密度を変更することが可能である。好ましいαの値は、１４度から３４度の間に存在することが判明した。当業者は、各極が、ロータの表面領域により形成され、該表面領域は、磁束の向きが変化する部分を示す線により画定されていることを理解するであろう。本実施形態の埋設された磁石の場合には、１つの極は、同一の符号を有して磁化されている２つの隣接する磁石側部の間（例えば、２つのＮ極側部の間）の領域である。図４は、また、磁石部の間に中性領域４４乃至５４が存在することを示す。

上記の明細書、特許請求の範囲及び図面に開示された特徴は、単独で若しくはこれらを組み合わせて、本発明の種々の実施形態を実行するために、関連し得る。

本発明は、上記の実施形態に限定されず、本発明の思想を逸脱しない範囲で、その応用及び変形等は任意である。
例えば、上記実施の形態では、モータは、内部ロータを有する（インナーロータ型の）永久磁石モータとして説明したが、外部ロータを有する（アウターロータ型の）モータであってもよい。
さらに、本発明のロータ装置は、永久磁石モータ又はブラシレス直流モータに好適に使用されるが、これに限らず、ロータ装置を有する永久磁石電気機械若しくは直流モータに適用可能である。

本発明にかかるロータ装置及びステータ装置を有するモータの模式的な断面図である。 本発明にかかるロータ装置の模式的な断面図である。 本発明のさらなる実施形態にかかるロータ装置の模式的な断面図である。 磁束が表されている図１のモータの一部の模式的な断面図である。 従来の直流モータの長手方向における模式的な断面図である。

符号の説明

１０ ステータ
１２ ロータ装置
１４ シャフト
１６ ハブ
１８ ロータ本体部
２０ 磁石部
２２ 磁石部
２４ 磁石部
２６ 磁石部
２８ 磁石部
３０ 磁石部
３２ 磁極
３４ 磁極
３６ 磁極
３８ 磁極
４０ 磁極
４２ 磁極
４４ 中性領域
４６ 中性領域
４８ 中性領域
５０ 中性領域
５２ 中性領域
５４ 中性領域
５６ 空隙
５８ スロット
６０ スロット
６２ 内部開口部
６４ ブリッジ
６６ ブリッジ
６８ 磁石中立線（中立面）
７０ 凸状部
１１０ シャフト
１１２ ヨーク
１１４ 筐体
１１６ ロータ装置
１１８ ステータ装置
１２２ 永久磁石
１２４ フランジ
１２６ 軸受
１２８ 軸受
１５５ 金属薄板
１６０ コイル

Claims (11)

1. 内部開口部（６２）を有する略円筒形状の本体部（１８）と、
   該本体部（１８）に埋め込まれており、該本体部の円周方向に沿って配列される複数の永久磁石（２０−３０；２０’−３０’）と、
   前記内部開口部（６２）に開口端をもち前記本体部（１８）の外周に向かって延伸するスロット（５８，６０）と、
   を備え、
   前記永久磁石は、そのそれぞれが前記本体部の中心軸に直角に交わる平面内の断面形状として棒形状をもつ、少なくとも２つの磁石部（２０−３０；２０’−３０’）を含み、
   該磁石部は、前記スロット（５８，６０）の内部に、前記棒形状の一方の端部から前記開口端に挿入されることで収められ、
   前記平面を対向視した場合、前記少なくとも２つの磁石部のうち前記円周方向に沿った両側端に位置する２つの磁石部の間には、前記本体部（１８）の半径方向に一致する磁石中立線が走り、かつ、前記磁石部の延在方向は、前記磁石中立線に対して、傾けられており、
   且つ、
   前記内部開口部を形作る前記本体部の内周面壁は、前記開口端の位置に応じて段差を備え、
   前記少なくとも２つの磁石部のうち、前記磁石中立線を挟んで、一方の磁石部の延在方向に一致する直線と、他方の磁石部の延在方向に一致する直線とは、前記本体部の外周よりも外方にて交わり、
   前記段差は、
   前記一方の磁石部と前記他方の磁石部との間における前記内周壁面の凸部と、それ以外の前記内周壁面の凹部との間を繋ぐものとして備えられている、
   ことを特徴とする電気機械用のロータ装置。
2. 前記内部開口部（６２）は、前記本体部（１８）を非磁性体のハブに共軸に装着するために形成されていることを特徴とする請求項１に記載のロータ装置。
3. 前記内部開口部（６２）は、前記本体部（１８）をシャフト（１４）に共軸に装着するために形成されている、請求項１又は２に記載のロータ装置。
4. 前記少なくとも２つの磁石部（２０−３０；２０’−３０’）のうちの前記一方の磁石部の延在方向と、前記他方の磁石の延在方向との間のなす角度は、α（ただし、０度＜α＜９０度）である、
   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装置。
5. 前記αは、１４度から３４度の間にある、ことを特徴とする請求項４に記載のロータ装置。
6. 各永久磁石（２０−３０；２０’−３０’）のそれぞれの磁石部（２０−３０；２０’−３０’）は、
   前記中心軸の軸方向に臨んで見た場合、
   前記開口端に位置する前記磁石部の内側端部と前記中心軸とを結ぶ線と、前記半径方向に一致する線とのなす角度がβであるようにオフセットされている、
   ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のロータ装置。
7. 各永久磁石は、少なくとも２つの磁石部（２０−３０；２０’−３０’）を含む、ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のロータ装置。
8. 前記スロット（５８，６０）は、前記本体部（１８）の外周で閉成されている、ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載のロータ装置。
9. 前記磁石部（２０−３０；２０’−３０’）の間に、中性領域（４４−５４）が形成され、隣接する２つの永久磁石の間に、磁極（３２−４２）が形成されている、
   ことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載のロータ装置。
10. 前記本体部（１８）の外周には、隣接する２つの永久磁石の間に、凸状部（７０）若しくは凹状部が形成されている、ことを特徴とする請求項９に記載のロータ装置。
11. 請求項１乃至１０のいずれか１項に記載のロータ装置（１２）と、該ロータ装置と協働するステータ（１０）とを備える、ことを特徴とする永久磁石モータ。

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