JP4181943B2 - 永久磁石型モータ - Google Patents

Description

本発明は、ロータに永久磁石を配置して構成された永久磁石型モータに関する。

従来より、様々な分野においてロータに永久磁石を配置した永久磁石型モータが利用されている。永久磁石型モータの用途は、例えば電気自動車やハイブリッド自動車の駆動源である。

モータでは一般に、ロータからステータに流れる界磁磁束とステータ巻線に流れる電機子電流により、発生するトルクが決定される。電気自動車などの広い運転範囲が要求される用途においては、ロータに永久磁石を配置して界磁磁束を供給しただけでは必ずしも好適にモータを運転できない。そこで、ロータに界磁巻線を設け、運転状況に応じて界磁磁束を調節するモータが提案されている。このような従来技術の一例が特開平１１−２０６０８４号公報に示されている。

特開平１１−２０６０８４号公報

しかしながら、上記文献のモータを含み、従来技術に係る界磁巻線を有する永久磁石型電動機では、いくつかの問題点がある。これらの問題点の一部を、図７に示された上記文献のモータを参照して、説明する。なお、図７（ａ）は、図７（ｂ）のモータをＢ方向から見た側面図であり、図７（ｂ）は、図７（ａ）のモータのＡ−Ａ断面である。
（問題点１）従来技術に係るモータのロータでは、回転軸８１の周囲に配置された鉄心コア８２の両端に、Ｎ極磁極８３及びＳ極磁極８４が設けられ、その屈曲した先端部分８５，８６が、積層配置された電磁鋼板８７の開口に嵌め込まれている。電磁鋼板８７に、先端部分８５，８６用の開口とは周方向に位置をずらして設けられた開口には、永久磁石８８が嵌め込まれて配置されている。また、鉄心コア８２には界磁巻線８９が巻装されている。従来技術のモータは、上述したように構造が極めて複雑である。このような複雑形状は、製造が困難であり、部品原価、製造費用にも大きく影響する。
（問題点２）従来技術に係るモータでは、永久磁石８８が電磁鋼板８７に嵌め込まれ固定されており、ロータが回転する際には永久磁石８８に発生する遠心力は電磁鋼板８７の外周部分に保持される。したがって、電磁鋼板８７のこの外周部分の幅ｗを小さくすると、遠心力により大きな応力集中が発生してしまう。一方、この外周部分の幅ｗを大きくすると、強度は向上されるが、この外周部分からの漏れ磁束が大きくなり性能が悪化してしまう。この問題は、電磁鋼板８７の開口により永久磁石８８を配置したことにより生じている。

本発明は、好適な構成の界磁巻線を有する永久磁石型モータを提供することを目的とする。

上述した目的を達成するために、本発明に係る永久磁石型モータは、円筒形状のヨークと、前記ヨークから中心軸に向けて延設された複数のステータ磁極と、前記複数のステータ磁極に巻装された電機子巻線と、を有するステータと、前記中心軸に沿って配置された回転軸と、前記回転軸近傍に中心軸に平行に延設されたコアと、前記コアの中心軸方向一端から前記ステータ磁極に対向した位置まで、中心軸に垂直且つ直線的に延設された複数のＮ極磁極と、前記コアの中心軸方向他端から前記ステータ磁極に対向した位置まで、中心軸に垂直且つ直線的に延設された複数のＳ極磁極と、前記コアの前記一端及び他端間に巻装された界磁巻線と、前記中心軸方向にみて前記Ｎ極磁極及び前記Ｓ極磁極に挟まれ、且つ前記各Ｎ極磁極及び前記各Ｓ極磁極と離間して配置され、前記界磁巻線の外側の、前記ステータ磁極に対向した位置に配置された円筒形状の永久磁石と、
を有するロータと、を備えたものである。

上述した構成により、永久磁石型モータを簡略化されたものとすることができる。これは、製造の容易化、低コスト化などに有効である。また、簡略化すると、堅牢な構造に設計し易い。また、永久磁石がステータ磁極に対向して配置されているため、永久磁石の磁束には漏れ磁束が少なく好ましい。

また、本発明に係る永久磁石型モータは、円筒形状のヨークと、前記ヨークから中心軸に向けて延設された複数のステータ磁極と、前記複数のステータ磁極に巻装された電機子巻線と、前記中心軸を中心として巻装された界磁巻線と、を有するステータと、前記中心軸に沿って配置された回転軸と、前記回転軸近傍に中心軸に平行に延設されたコアと、前記コアの中心軸方向一端から前記ステータ磁極に対向した位置まで、中心軸に垂直且つ直線的に延設された複数のＮ極磁極と、前記コアの中心軸方向他端から前記ステータ磁極に対向した位置まで、中心軸に垂直且つ直線的に延設された複数のＳ極磁極と、前記中心軸方向にみて前記Ｎ極磁極及び前記Ｓ極磁極に挟まれ、且つ前記各Ｎ極磁極及び前記各Ｓ極磁極と離間して配置され、前記ステータ磁極に対向した位置に配置された円筒形状の永久磁石と、を有するロータと、を備えたものである。この構成によっても、永久磁石型モータの構造を簡略化することができる。また、界磁巻線をステータ側に配置したことにより、ロータに電流を供給する手段が不要となり、電流の供給が容易となる。なお、前記界磁巻線を、前記ステータ磁極が前記Ｎ極磁極又は前記Ｓ極磁極と対向する位置の近傍に巻装すると、磁束を有効にＮ極磁極又はＳ極磁極に流すことができ好ましい。

また、本発明の永久磁石型電動機では、前記永久磁石は、円筒形状の周方向に交互に配置されたＮ極極性部分及びＳ極極性部分であって、前記Ｎ極磁極と周方向に位置を合わせて配置されたＮ極極性部分と、前記Ｓ極磁極と周方向に位置を合わせて配置されたＳ極極性部分を有することが好ましい。さらには、前記永久磁石は、ハルバッハ配列で着磁されることが好ましい。これにより、永久磁石による磁束が、ロータ内部に漏れることを防止することができる。

また、前記永久磁石を円筒形状に一体成形すると、永久磁石を遠心力に対して十分に強固なものとすることができ好ましい。また、前記永久磁石を、前記各Ｎ極磁極及び前記各Ｓ極磁極と離間して配置されたものとすると、永久磁石の磁束と界磁巻線による磁束が結合せず、無駄に消費されないため好ましい。

本発明に係る永久磁石型モータは、中心軸に平行に配置されたコアと、コアの両端から延設された柱状の複数のＮ極磁極及びＳ極磁極と、Ｎ極磁極及びＳ極磁極間に配置された永久磁石などを含んで構成されている。このような構成のモータは、従来にないものであり、使用態様に応じて様々な効果を得ることができる。

以下に、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。

図１には、第一の実施形態に係る永久磁石型モータの断面図が示されている。図１（ａ）は、モータを回転軸２２に垂直な平面で切断した断面図であり、図１（ｂ）は、モータを回転軸２２を含む平面で切断した断面図である。図１（ａ）は、図１（ｂ）のＢ−Ｂ断面であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ断面である。

モータは、大別して、ステータ１０とロータ２０で構成されている。ステータ１０では、ステータ鉄心が、円筒形状のヨーク１２と、このヨーク１２の内側に所定間隔ごとに中心軸に向けて延設された複数のステータ磁極１４と、で構成されている。このヨーク１２と複数のステータ磁極１４は一体ものとして構成してもよく、電磁鋼板を積層して構成してもよい。複数のステータ磁極１４にはそれぞれステータ巻線１６が巻装されている。このステータ巻線１６は電機子巻線であり、回転磁界を生成するために用いられる。

図２は、ロータ２０を一部切断してロータ２０の内部構造を示す斜視図である。ロータ２０では、中心軸に沿って回転軸２２が配置されており、この回転軸２２には、透磁率の高い材料でなる円筒形状のコア２４が嵌装されている。このコア２４の中心軸方向の一端には、Ｎ極部材２６が嵌装され固定されており、中心軸方向の他端には、Ｓ極部材３０が嵌装され固定されている。Ｎ極部材２６は、円環形状の固定部２７から柱状の複数のＮ極磁極２８を延設して構成されており、Ｓ極部材３０も同様に、円環形状の固定部３１から柱状の複数のＳ極磁極３２を延設して構成されている。すなわち、各Ｎ極磁極２８及び各Ｓ極磁極３２は回転軸２２からステータ磁極１４の先端に対向した位置まで、中心軸に垂直に、且つ直線的に延設されている。コア２４のＮ極部材２６とＳ極部材３０間の位置には、中心軸を中心としてロータ巻線３４が巻装されており、スリップリングや回転トランスなどの電流供給装置３５を介して給電されることで界磁を発生させる。この巻線は界磁巻線であり、コア２４に界磁磁束を供給するために用いられる。また、ロータ巻線３４の外側には円筒形状に一体成形された永久磁石３６がステータ磁極１４に対向して配置されている。この永久磁石３６は、ロータ巻線３４と同心状となっている。

上述した永久磁石型モータの構造が、第一の実施形態の特徴的事項である。このような構造は、従来ないものであり、使用態様に応じて様々な効果を得ることができる。例えば、上記のモータ構造によりモータを簡略化されたものとすれば、製造の容易化、低コスト化を達成することができる。また、上記のモータ構造により、モータを堅牢な構造とすることもできる。また、永久磁石がステータ磁極に対向して配置されているため、永久磁石の磁束には漏れ磁束が少なく、磁束を有効に利用することができる。

次に、上述したロータ２０のＮ極磁極２８、Ｓ極磁極３２、永久磁石３６の配置関係を、図３を参照して説明する。図３は、ロータ外周の展開図である。複数のＮ極磁極２８は、ロータ２０の中心軸方向一端に、周方向に一定間隔ごとに配置される。また、複数のＳ極磁極３２は、Ｎ極磁極２８とは反対の中心軸方向他端に、Ｎ極磁極２８とは周方向に位置をずらして、一定間隔ごとに配置される。また、円筒形状の永久磁石３６は、中心軸方向にみてＮ極磁極２８とＳ極磁極３２に挟まれた位置に配置されている。この永久磁石３６は、Ｎ極極性部分３７とＳ極極性部分３８を周方向に交互に配列して構成される。Ｎ極極性部分３７はＮ極磁極２８と周方向に位置を合わせて配置されており、Ｓ極極性部分３８はＳ極磁極３２と周方向に位置を合わせて配置されている。なお、永久磁石３６を、各Ｎ極磁極２８及び各Ｓ極磁極３２と離間して配置することで、互いの磁束が結合して無駄に消費されることが防止されている。

円筒形状の永久磁石３６は、ハルバッハ配列により異方性着磁されている。この異方性着磁について、図４を参照して説明する。図４は、永久磁石の１／４を示す側面図である。既述したように、永久磁石３６では、Ｎ極極性部分３７とＳ極極性部分３８が交互に配置されている。この磁石において、Ｎ極極性部分３７及びＳ極極性部分３８の着磁方向は連続的に変化し、波線で示すようにＮ極極性部分３７からＳ極極性部分３８に向けて円弧状に着磁されている。この着磁方向の変化を、各極性部分３７，３８を仮に複数のセグメント３７Ａ〜Ｅ，３８Ａ〜Ｅに分けて説明する。まず、Ｎ極極性部分３７について説明すると、Ｎ極極性部分３７の中央のセグメント３７Ａでは、磁化容易軸を円筒形状の中心に向けて、円筒形状の径方向に着磁されており、周辺のセグメント３７Ｂ〜Ｅでは、磁化容易軸を、中央のセグメント３７Ａからの距離に応じて円筒形状の周方向に傾斜させて着磁されている。Ｓ極極性部分３８においても同様に、中央のセグメント３８Ａでは、磁化容易軸を円筒形状の中心から外側に向けて、円筒形状の径方向に着磁されており、周辺のセグメント３８Ｂ〜Ｅでは、磁化容易軸を、中央のセグメント３８Ａからの距離に応じて円筒形状の周方向に傾斜させて着磁されている。このような連続変化する着磁方法により、破線で示すように永久磁石３６による界磁磁束が流れ、ロータ２０内部に入り込む磁束漏れは少なくなる。これにより、永久磁石３６の磁束がロータ巻線３４の界磁磁束に影響を与えることが防止される。これは、コア２４における磁気飽和を防止する観点、ロータ巻線３４による界磁磁束の調節の観点から好ましい。

ここで、モータの回転動作について説明する。モータ駆動時には、ステータ巻線１６に電流が供給され、回転磁界が生成される。この回転磁界と永久磁石３６の界磁磁束が作用し、ロータ２０が回転駆動される。また、永久磁石３６だけでは界磁磁束が十分でないときには、スリップリング（不図示）を介してロータ巻線３４に電流が供給され、界磁磁束が増加される。これにより、ロータ２０の回転状況を良好なものとすることができる。

上述した構成のモータでは、ステータ１０内を流れる磁束は、図５に示す２つの経路を主に通過するという結果が、数値解析により得られている。

第一の磁束経路Ｒ１は、以下に説明するものである。まず、ロータ巻線３４による磁束が、ロータ２０のＮ極磁極２８から、空隙を通過してステータ磁極１４Ａ先端のＮ極側位置Ｐ１に到達する。そして、この位置Ｐ１を磁束経路Ｒ１の始点として、磁束はステータ磁極１４Ａをヨーク１２に向けて流れ、ヨーク１２に接するステータ磁極１４Ａの基部Ｐ２に到達すると屈曲し、ヨーク１２内を周方向に流れる。次に、磁束は、隣接したステータ磁極１４Ｂの基部Ｐ３に達すると屈曲し、そのステータ磁極１４Ｂを先端に向けて流れ、そのステータ磁極１４ＢのＮ極側の先端付近Ｐ４に達する。次に、磁束は、Ｓ極側に流れ、終点であるＳ極側位置Ｐ５に到達する。ここから、磁束は、ステータ磁極１４ＢのＳ極側位置Ｐ５から、空隙を通過してロータのＳ極磁極３２に流れる。

第二の磁束経路Ｒ２は、第一の磁束経路Ｒ１と同様に、ステータ磁極１４Ａ先端のＮ極側位置Ｐ１を磁束経路Ｒ２の始点とする。磁束は、ステータ磁極１４ＡをＳ極側に流れ、ステータ磁極１４Ａ先端のＳ極側位置Ｐ２’に到達すると屈曲し、ヨーク１２に向けて流れる。次に、磁束は、ヨーク１２に接するステータ磁極１４Ａの基部Ｐ３’に到達すると屈曲し、ヨーク１２内を周方向に流れる。次に、磁束は、隣接したステータ磁極１４Ｂの基部Ｐ４’に達すると屈曲し、そのステータ磁極１４Ｂを先端に向けて流れ、終点であるステータ磁極１４Ｂ先端のＳ極側位置Ｐ５に達する。

本実施形態においては、ロータ巻線３４による磁束が、複数の経路かつ磁束密度の低いところを選択的に通過して、ロータ２０のＮ極磁極２８に対向する位置から、Ｓ極磁極３２に対向する位置まで流れるため、ステータ１０内において磁束が飽和しづらく、より多くの磁束をロータ２０の回転制御に利用することができる。

次に、第二の実施形態に係る永久磁石型モータについて説明する。第二の実施形態に係る永久磁石型モータは、第一の実施形態と類似しているが、界磁巻線５８をステータ５０側に配置した点で第一の実施形態と異なっている。以下、図６の断面図を参照して、その構成を説明する。

ステータ５０は、第一の実施形態と同様に、ヨーク５２と、複数のステータ磁極５４と、各ステータ磁極５４に巻装された電機子巻線５６を含んで構成されている。第二の実施形態では、さらに、ステータ磁極５４には、ロータ６０と対向する位置に、ステータ５０の内周に沿って２本の溝が設けられており、各溝には、中心軸を中心として巻装された界磁巻線５８が配置されている。界磁巻線５８は、ステータ磁極５４がＮ極磁極６８又はＳ極磁極７２と対向する位置の近傍に巻装されることで、界磁磁束を有効にＮ極磁極６８又はＳ極磁極７２に供給している。なお、第二の実施形態では、２本の界磁巻線５８を配置するために、第一の実施形態よりステータ磁極５４が長く、ステータ外径が大きい。

ロータ６０は、第一の実施形態と同様に、回転軸６２と、コア６４と、Ｎ極部材６６及びＳ極部材７０と、永久磁石７６を含んで構成されている。第二の実施形態では、永久磁石７６とコア６４の間にはスペーサ７４が配置されている。なお、永久磁石７６の磁束がコア６４に到達するのを防止するため、このスペーサ７４の材質は透磁率の低いものとすることが好ましい。また、別の方法として、スペーサ７４を透磁率の高いコア６４と一体物として構成し、永久磁石７６とスペーサ７４間に、透磁率の低いシート状部材を挟んで構成してもよい。

上述した第二の実施形態の特徴的事項は、界磁巻線５８をステータ５０側に配置したことである。これにより、ロータ６０の重量が軽くなり、モータの運転上好ましい。例えば、界磁巻線５８をロータ６０側に配置した場合と比較して、ロータ６０の重量が軽くなるため、ロータ６０の回転応答性が向上する。また、スリップリングに代表されるような電流供給装置を設ける必要がないため、モータの構成を簡略化することができる。これは、モータの信頼性向上、低コスト化などに効果がある。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、等価な範囲で様々な変形が可能である。

第一の実施形態に係る永久磁石型モータの構成を示す断面図である。 ロータの構成を示す斜視図である。 Ｎ極磁極、Ｓ極磁極、永久磁石の配置を示す展開図である。 ステータ内での磁束の流れを示す説明図である。 永久磁石の着磁状態を示す説明図である。 第一の実施形態に係る永久磁石型モータの構成を示す断面図である。 従来文献に係るモータの構成を示す概略図である。

符号の説明

１０ ステータ、１２ ヨーク、１４ ステータ磁極、１６ ステータ巻線（電機子巻線）、２０ ロータ、２２ 回転軸、２４ コア、２６ Ｎ極部材、２７ Ｎ極固定部、２８ Ｎ極磁極、３０ Ｓ極部材、３１ Ｓ極固定部、３２ Ｓ極磁極、３４ ロータ巻線（界磁巻線）、３５ 電流供給装置、３６ 永久磁石。

Claims (6)

1. 円筒形状のヨークと、
   前記ヨークから中心軸に向けて延設された複数のステータ磁極と、
   前記複数のステータ磁極に巻装された電機子巻線と、
   を有するステータと、
   前記中心軸に沿って配置された回転軸と、
   前記回転軸近傍に中心軸に平行に延設されたコアと、
   前記コアの中心軸方向一端から前記ステータ磁極に対向した位置まで、中心軸に垂直且つ直線的に延設された複数のＮ極磁極と、
   前記コアの中心軸方向他端から前記ステータ磁極に対向した位置まで、中心軸に垂直且つ直線的に延設された複数のＳ極磁極と、
   前記コアの前記一端及び他端間に巻装された界磁巻線と、
   前記中心軸方向にみて前記Ｎ極磁極及び前記Ｓ極磁極に挟まれ、且つ前記各Ｎ極磁極及び前記各Ｓ極磁極と離間して配置され、前記界磁巻線の外側の、前記ステータ磁極に対向した位置に配置された円筒形状の永久磁石と、
   を有するロータと、
   を備えたことを特徴とする永久磁石型モータ。
2. 円筒形状のヨークと、
   前記ヨークから中心軸に向けて延設された複数のステータ磁極と、
   前記複数のステータ磁極に巻装された電機子巻線と、
   前記中心軸を中心として巻装された界磁巻線と、
   を有するステータと、
   前記中心軸に沿って配置された回転軸と、
   前記回転軸近傍に中心軸に平行に延設されたコアと、
   前記コアの中心軸方向一端から前記ステータ磁極に対向した位置まで、中心軸に垂直且つ直線的に延設された複数のＮ極磁極と、
   前記コアの中心軸方向他端から前記ステータ磁極に対向した位置まで、中心軸に垂直且つ直線的に延設された複数のＳ極磁極と、
   前記中心軸方向にみて前記Ｎ極磁極及び前記Ｓ極磁極に挟まれ、且つ前記各Ｎ極磁極及び前記各Ｓ極磁極と離間して配置され、前記ステータ磁極に対向した位置に配置された円筒形状の永久磁石と、
   を有するロータと、
   を備えたことを特徴とする永久磁石型モータ。
3. 請求項２に記載の永久磁石型モータであって、
   前記界磁巻線は、前記ステータ磁極が前記Ｎ極磁極又は前記Ｓ極磁極と対向する位置の近傍に巻装されたことを特徴とする永久磁石型モータ。
4. 請求項１又は２に記載の永久磁石型モータであって、
   前記永久磁石は、円筒形状の周方向に交互に配置されたＮ極極性部分及びＳ極極性部分であって、前記Ｎ極磁極と周方向に位置を合わせて配置されたＮ極極性部分と、前記Ｓ極磁極と周方向に位置を合わせて配置されたＳ極極性部分を有することを特徴とする永久磁石型モータ。
5. 請求項４に記載の永久磁石型モータであって、
   前記永久磁石は、ハルバッハ配列で着磁されたことを特徴とする永久磁石型モータ。
6. 請求項１又は２に記載の永久磁石型モータであって、
   前記永久磁石は、円筒形状に一体成形されたことを特徴とする永久磁石型モータ。

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