JP4286642B2

JP4286642B2 - 永久磁石式回転子

Info

Publication number: JP4286642B2
Application number: JP2003401621A
Authority: JP
Inventors: 茂田嶋
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2003-12-01
Filing date: 2003-12-01
Publication date: 2009-07-01
Anticipated expiration: 2023-12-01
Also published as: JP2005168127A

Description

この発明は、ロータ鉄心に永久磁石を設けた永久磁石式回転子に関するものである。

電動機や発電機等の回転電機に使用される回転子として、ロータ鉄心に永久磁石片を埋め込んだ永久磁石式回転子が知られている（例えば、特許文献１参照）。従来の永久磁石式回転子は、ロータ鉄心の外周部に複数の磁石挿入孔を設け、この磁石挿入孔に永久磁石片を挿入して構成されている。この場合、ロータ鉄心において磁石挿入孔よりも径方向外側の部分は、永久磁石片が遠心力で径方向外方に飛び出すのを阻止する部分であり、以下の説明の都合上、この部分を飛散防止部と称す。
また、特許文献１の回転子では、磁石挿入孔の内面に突出部を設けておき、永久磁石片を挿入したときにその突出部を永久磁石片に押圧させたり、あるいは永久磁石片を圧入して突出部を塑性変形させることにより、永久磁石片のガタ付きを防止している。

しかしながら、特許文献１の回転子においては、突出部のバネ定数を設定するための形状設計や、塑性変形を設定するための形状設計が難しく、その設計によってはロータ鉄心と永久磁石片の熱膨張差によって塑性変形が大となり、その後に熱収縮したときには永久磁石片と磁石挿入孔との間に隙間が生じてガタ付きが発生してしまう。

また、永久磁石片を磁石挿入孔に圧入した場合には、ロータ鉄心の飛散防止部において磁石挿入孔の両端に対応する部分に、曲げ応力が初期応力として発生し、しかも、ロータの回転時には永久磁石片の遠心力も加わるため前記曲げ応力が増大する。特に、磁石挿入孔よりも径方向内側の部分であるヨーク部と飛散防止部とを接続するブリッジ部と、永久磁石片との間に隙間を設けた場合には、前記曲げ応力を生じさせるモーメントのアームの長さが長くなるため、さらに曲げ応力が増大するため、前記隙間の設定に制約を受けることとなる。

このような問題に対処するため、ロータ鉄心を、中心部を構成するヨークと、ヨークの外側に配置される保持リングに分割し、保持リングの内周面とヨークの外周面から互いに接近する方向に突出部を設け、これら突出部を対向配置させることによってヨークと保持リング部との間に複数の磁石装着部を形成し、各磁石装着部にそれぞれ１つずつ永久磁石片を配置した構造の回転子が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
このようにリング部をヨーク部から分離しておくと、ロータの回転時に永久磁石片の遠心力がリング部に作用しても、リング部には周方向の引っ張り応力が作用するだけとなり、径方向の曲げ応力が発生しなくなるので、リング部の機械的強度を高めることができる。
特許第２７２７７６２号実開平５−９１４８号公報

ところで、特許文献２の回転子においては、ヨークおよび保持リングは複数の電磁鋼板を積層して形成しているが、組み立て手順としては、始めに複数の電磁鋼板を積層しかしめにより連結してヨークを形成し、このヨークの突出部間に形成された各凹部（磁石装着部）に永久磁石片を配置し、永久磁石片の外側に環状の保持リングを嵌め込んでいる。
しかしながら、保持リングを構成する電磁鋼板を１つ１つ嵌め込んでいくのは極めて作業性が悪く、また、嵌め込んだ後において、保持リングを構成する電磁鋼板がばらける虞がある。

また、特許文献２の回転子の場合には、ヨークおよび保持リングに設けられた突出部は単に磁石挿入孔を区画するだけの機能しかなく、そのため突出部の周方向寸法が極めて小さく、ロータの外側に位置するステータからの磁束がロータ鉄心のヨークに通りづらくて磁束飽和し易く、その結果、センサレス位置検出の精度が悪いという問題がある。ここで、センサレス位置検出とは、ステータの巻線に位置検出用の高周波電圧を印加したときのモータ電流により回転子の位置を検出することをいう。
さらに、特許文献２の回転子の場合には、永久磁石片を磁石装着部に隙間なく挿入しており、永久磁石片の側部が突出部にほぼ接触しているため磁束短絡が生じ易く、渦電流が発生して、磁石発熱し易く、減磁し易くなるという問題もある。

そこで、この発明は、永久磁石を確実に飛散防止でき、組み立ても容易な永久磁石式回転子を提供するものである。さらに、磁石発熱を抑制して減磁しにくい永久磁石式回転子を提供するものである。

上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、電磁鋼板（例えば、後述する実施例における電磁鋼板３ａ）を積層あるいは軟磁性材料で形成されるヨーク（例えば、後述する実施例におけるヨーク３）と、前記ヨークの外周側に所定間隔毎に配置された複数の永久磁石片（例えば、後述する実施例における永久磁石片４）と、電磁鋼板（例えば、後述する実施例における電磁鋼板５ａ）を積層してなり前記永久磁石片の外側に配置されて前記ヨークと協働して永久磁石片を挟持する環状の保持リング（例えば、後述する実施例における保持リング５）と、を備えた永久磁石式回転子（例えば、後述する実施例におけるロータ１）において、前記永久磁石片は前記ヨークと前記保持リングにより径方向に圧縮保持され、前記保持リングは、環状をなすリング部（例えば、後述する実施例におけるリング部１０）の内周面から径方向内側に突出する複数の突極部（例えば、後述する実施例における突極部１１）を備え、各突極部は互いに隣接する前記永久磁石片の間に配置されて先端を前記ヨークの外周面（例えば、後述する実施例における突出部７）に接近させており、突極部に設けられたかしめ部（例えば、後述する実施例におけるかしめ部１３）によって積層された電磁鋼板が一体化されていることを特徴とする。

このように構成することにより、保持リングは永久磁石片の飛散を防止する機能を有し、この保持リングをヨークから分離しているので、回転子の回転時に永久磁石片による遠心力が保持リングに作用しても、保持リングには周方向の引っ張り応力が作用するだけとなり、径方向の曲げ応力が発生しなくなる。
また、保持リングが突極部を有するのでリラクタンストルクが大きくなり、回転子の回転位相におけるインダクタンス変化が大きくなる。
さらに、予め多数の電磁鋼板を積層しかしめてヨークとして一体化し、また、多数の電磁鋼板を積層しかしめて保持リングとして一体化した後、永久磁石片を取り付けることができる。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の発明において、前記突極部の周方向幅は前記リング部の径方向幅よりも大きいことを特徴とする。
このように構成することにより、突極部にかしめ部を確実に設けることができ、保持リングの積層面の崩れを抑制し強固に固着することができる。

請求項３に係る発明は、請求項１または請求項２に記載の発明において、前記突極部の周方向幅は該突極部の径方向幅よりも大きいことを特徴とする。
このように構成することにより、突極部の磁気抵抗を周方向に対して径方向に減少させて電機子磁束を導き易い構成にすることができ、回転子の回転位相におけるインダクタンス変化が大きくなり、リラクタンス増加が可能となる。

請求項４に係る発明は、請求項１に記載の発明において、前記永久磁石片と前記突極部との間に空間（例えば、後述する実施例における空間１５）を有することを特徴とする。
このように構成することにより、磁束短絡を防止することができ、永久磁石片４の側部に渦電流が発生するのを防止することができる。

請求項５に係る発明は、請求項１に記載の発明において、前記保持リングは、側部に所定間隔おきに前記突極部が形成された帯状の電磁鋼板（例えば、後述する実施例における電磁鋼板５ｂ）を、同一円周上に螺旋状に巻回して構成されたことを特徴とする。
このように構成することにより、保持リングを容易に形成することができるとともに、電磁鋼板の歩留まりが向上する。

請求項１に係る発明によれば、永久磁石片の飛散防止機能を有する保持リングをヨークから分離しているので、回転子の回転時に永久磁石片による遠心力が保持リングに作用しても、保持リングには周方向の引っ張り応力が作用するだけとなり、径方向の曲げ応力が発生しなくなるので、保持リングが破損しにくくなり、永久磁石片の飛散を確実に阻止することができる。
また、保持リングが突極部を有するのでリラクタンストルクが大きくなり、回転子の回転位相におけるインダクタンス変化が大きくなるので、センサレスでのロータ位置検出の精度が高くなる。
さらに、予め多数の電磁鋼板を積層しかしめてヨークとして一体化し、また、多数の電磁鋼板を積層しかしめて保持リングとして一体化した後、永久磁石片を取り付けることができるので、永久磁石片の取り付け中あるいは取り付け後に、ヨークがばらけたり保持リングがばらけることがなく、組み立て作業性が極めてよい。

請求項２に係る発明によれば、突極部にかしめ部を確実に設けることができ、保持リングの積層面の崩れを抑制し強固に固着することができる。
請求項３に係る発明によれば、突極部の磁気抵抗を周方向に対して径方向に減少させて電機子磁束を導き易い構成にすることができ、回転子の回転位相におけるインダクタンス変化が大きくなり、リラクタンス増加が可能となる。

請求項４に係る発明によれば、永久磁石片と突極部との間に空間を有することにより、磁束短絡を防止することができ、その結果、永久磁石片の側部に渦電流が発生するのを防止でき、磁石発熱を抑制して、減磁しにくくすることができる。

請求項５に係る発明によれば、保持リングを容易に形成することができるとともに、電磁鋼板の歩留まりが向上する。

以下、この発明に係る永久磁石式回転子の実施例を図１から図８の図面を参照して説明する。
図１に示すように、ロータ（永久磁石式回転子）１は、図示しないケーシングに回転可能に支持されるロータシャフト２と、ロータシャフト２に固定されるヨーク３と、ヨーク３の外周に所定間隔おきに配置される複数（この実施例では６個）の永久磁石片４と、ヨーク３および永久磁石片４の外側に配置される保持リング５と、を備えて構成されている。このロータ１は、例えばブラシレスモータ等の電動機や発電機等の回転電機の回転子として用いられる。

この実施例では、ヨーク３と保持リング５はいずれも電磁鋼板３ａ，５ａを多数積層して構成されている（図５、図６参照）。なお、ヨーク３については、電磁鋼板ではなく軟磁性材料で形成することも可能である。
ヨーク３は、平面視が永久磁石片４の数と同数の多角形状（この実施例では六角形）をなし、各頂部は平坦面に形成されて若干径方向外側に突出している。詳述すると、ヨーク３の外周面には、永久磁石片４が配置される凹部６と、扁平な矩形の突出部７とが、交互に設けられている。ヨーク３の中央にはロータシャフト２を挿通させる孔８が設けられており、この孔８にロータシャフト２が相対回転不能に嵌合している。また、ヨーク３を構成する多数の電磁鋼板３ａは、孔８の周囲に等間隔に設けられたかしめ部９によって連結され、一体化されている。

保持リング５は、平面視円環状をなすリング部１０と、リング部１０の内周面から径方向内側に突出する平面視矩形の突極部１１とから構成されている。突極部１１は、永久磁石片４と同数（すなわち、この実施例では６個）だけ設けられ、周方向等間隔に配置されており、突極部１１の先端をそれぞれヨーク３の突出部７に接近させて対向させている。ただし、突極部１１の先端と突出部７の先端との間には若干の隙間１２が形成されている。
図２に示すように、突極部１１の周方向幅Ｗおよび径方向幅Ｒはいずれもリング部１０の径方向幅ｒよりも大きく、突極部１１の周方向幅Ｗは突極部１１の径方向幅Ｒよりも大きい。
保持リング５を構成する多数の電磁鋼板５ａは、突極部１１の略中央に設けられたかしめ部１３によって連結され、一体化されている。

そして、ヨーク３と保持リング５との間には、保持リング５の突極部１１によって区画された６つの磁石収容部１４が形成され、各磁石収容部１４に永久磁石片４が１つずつ嵌め込まれている。永久磁石片４は断面形状が扁平蒲鉾形の六面体をなし、径方向内側に配置される一面をヨーク３の凹部６に当接させ、径方向外側に配置される三面を保持リング５のリング部１０に当接させているが、周方向に配置される二面はヨーク３および保持リング５から離間させている。つまり、永久磁石片４と保持リング５の突極部１１との間には空間１５が設けられている。
このロータ１の組み立て状態において、保持リング５には初期引っ張り応力が作用しており、これにより永久磁石片４はヨーク３と保持リング５によって挟持され、永久磁石片４等の寸法バラツキによる永久磁石片４のガタ付きを防止している。

このように構成されたロータ１においては、永久磁石片４の飛散防止機能を有する保持リング５を、磁路およびトルク伝達機能を有するヨーク３から分離しているので、保持リング５に初期引っ張り応力を作用させたときに、あるいは、ロータ１の回転時に永久磁石片４による遠心力が保持リング５に作用したときにも、保持リング５には周方向の引っ張り応力が作用するだけとなり、径方向の曲げ応力が発生しなくなるので、保持リング５が破損しにくくなり、永久磁石片４の飛散を確実に阻止することができる。
特に、永久磁石片４と突極部１１との間に空間１５を有していても、前述したように保持リング５には周方向の引っ張り応力が作用するだけで径方向の曲げ応力が作用しないので、この空間１５を設けることにより磁束短絡を防止することができ、その結果、永久磁石片４の側部に渦電流が発生するのを防止でき、磁石発熱を抑制することができ、減磁しにくくなる。

また、保持リング５が突極部１１を有するので、リラクタンストルクが大きくなり、しかも、ロータ１の回転位相におけるインダクタンス変化が大きくなるので、センサレスでのロータ位置検出の精度が高くなる。
さらに、この実施例では、突極部１１の周方向幅Ｗがリング部１０の径方向幅ｒよりも大きいので、突極部１１にかしめ部１３を確実に設けることができ、保持リング５の積層面の崩れを抑制し強固に固着することができる。
また、この実施例では、突極部１１の周方向幅Ｗが径方向幅Ｒよりも大きいので、突極部１１の磁気抵抗を周方向に対して径方向に減少させて電機子磁束を導き易い構成にすることができ、ロータ１の回転位相におけるインダクタンス変化が大きくなり、リラクタンス増加が可能となる。

次に、このロータ１の組み立て方法を図３から図６の図面を参照して説明する。
ヨーク３を構成する電磁鋼板３ａおよび保持リング５を構成する電磁鋼板５ａは、同一の電磁鋼板から同時に打ち抜いて形成してもよいし、それぞれ別々の電磁鋼板から打ち抜いて形成してもよい。いずれの場合も、打ち抜き後、型内でかしめ部９，１３をかしめて積層する。この実施例では、突極部１１の周方向幅Ｗおよび径方向幅Ｒがいずれもリング部１０の径方向幅ｒよりも大きく設定されていて、突極部１１はかしめ部１３を設けるのに十分な大きさがあるので、かしめ作業が容易にできる。
このようにして、予め、多数の電磁鋼板３ａを一体化してヨーク３を形成し、多数の電磁鋼板５ａを一体化して保持リング５を形成しておく。

なお、保持リング５は、図３に示すように、直線状に形成されたリング部１０の一方の側部に所定間隔おきに突極部１１を有する帯状の電磁鋼板５ｂを打ち抜き、この電磁鋼板５ｂを同一円周上に螺旋状に巻回しながら、突極部１１のかしめ部１３をかしめて積層し、一体化して形成することも可能である。このようにすると、保持リング５を容易に形成することができるとともに、電磁鋼板の歩留まりが向上する。

永久磁石片４の取り付けには、永久磁石片４と保持リング５を同時にヨーク３の外側に外嵌する方法と、ヨーク３と保持リング５の間に永久磁石片４を圧入していく方法を採用することができる。
まず、永久磁石片４と保持リング５を同時にヨーク３の外側に外嵌していく方法を、図４および図５を参照して説明する。
予め一体化されたヨーク３をその軸心を鉛直方向にして設置し、その上に取り付け治具２０を配置する。取り付け治具２０は、円周方向等間隔に配置された６つのホルダ２１と、各ホルダ２１の外面にスライド可能に設置されたスライダ２２とを備え、ホルダ２１とスライダ２２の摺動面はテーパ面になっていて、ホルダ２１に対してスライダ２２を下方に移動させるとスライダ２２が径方向外側に移動するようになっている。そして、図５に示すように、ホルダ２１の下端とスライダ２２の下端を面一にしたときにスライダ２２の外面２２ａが、ヨーク３の凹部６と面一になるように設定されている。

ここで、取り付け治具２０をヨーク３の上に配置した初期状態では、各スライダ２２の下端をホルダ２１の下端よりも上方に位置させておく。そして、各スライダ２２の外側にそれぞれ永久磁石片４を配置し、さらに永久磁石片４の外側に保持リング５を配置する。このときに永久磁石片４の径方向外側に配置される三面を保持リング５のリング部１０の内面に当接させる。このときの保持リング５の径は組み立て完了時よりも若干小径となるように予め設定しておく。この初期状態において、各スライダ２２は同一高さに位置しており、各永久磁石片４の下端はスライダ２２の下端とほぼ同一高さに位置している。

次に、永久磁石片４および保持リング５とともにスライダ２２を下方に押し下げていくと、スライダ２２がホルダ２１に案内されて径方向外側に移動していく。これにより、保持リング５は拡径されていき、引っ張り応力が生じる。
そして、スライダ２２の下端がヨーク３の上面に突き当たり、スライダ２２の外面２２ａがヨーク３の凹部６と面一になったところで、スライダ２２を停止させる。
この後、図５に示すように、総ての永久磁石片４と保持リング５を同時に下方に押し下げていき、各永久磁石片４をヨーク３の各凹部６の上に移動させるとともに、保持リング５をヨーク３の外側に外嵌させる。以上でロータ１の組み立てが完了する。

次に、ヨーク３と保持リング５の間に永久磁石片４を圧入していく方法を図６を参照して説明する。
まず、ヨーク３の突出部７と保持リング５の突極部１１とが対向するように、予め一体化されたヨーク３の外側に予め一体化された保持リング５を配置する。この状態において保持リング５が組み立て完了時よりも若干小径となるように、保持リング５の寸法を予め設定しておく。
そして、各磁石収容部１４にそれぞれ永久磁石片４を同時に圧入していき、保持リング５を拡径させる。これにより、保持リング５に初期引っ張り応力を生じさせる。以上でロータ１の組み立てが完了する。

このように、予め多数の電磁鋼板３ａを積層しかしめてヨーク３として一体化し、また、多数の電磁鋼板５ａを積層しかしめて保持リング５として一体化した後、永久磁石片４を取り付けることができるので、永久磁石片４の取り付け中あるいは取り付け後に、ヨーク３がばらけたり保持リング５がばらけることがなく、組み立て作業性が極めてよい。

なお、この発明は前述した実施例に限られるものではない。
例えば、永久磁石片４の断面形状は前述した形状に限られず、図７に示すように断面長方形であってもよいし、その他種々の形状が採用可能である。
また、突極部１１の断面形状も前述した形状限られず、図８に示すように、先端を突出させたホームベース状であってもよいし、その他種々の形状が採用可能である。なお、その場合には、ヨーク３の突出部７の形状も突極部１１に対応する形状にして、突極部１１と突出部７との間の隙間１２を一定にするのが好ましい。

この発明に係る永久磁石式回転子の実施例１における断面図である。前記実施例１における永久磁石式回転子の要部拡大図である。保持リングの製造方法の一例を説明するための図である永久磁石片の取り付け方法の一例を説明するための図である。図４のＶ−Ｖ断面図である。永久磁石片の取り付け方法の別の例を説明するための図である。この発明に係る永久磁石式回転子の他の実施例における断面図である。この発明に係る永久磁石式回転子の別の実施例における断面図である。

符号の説明

１ロータ（永久磁石式回転子）
３ヨーク
３ａ電磁鋼板
４永久磁石片
５保持リング
５ａ，５ｂ電磁鋼板
７突出部（外周面）
１０リング部
１１突極部
１３かしめ部
１５空間

Claims

電磁鋼板を積層あるいは軟磁性材料で形成されるヨークと、前記ヨークの外周側に所定間隔毎に配置された複数の永久磁石片と、電磁鋼板を積層してなり前記永久磁石片の外側に配置されて前記ヨークと協働して永久磁石片を挟持する環状の保持リングと、を備えた永久磁石式回転子において、
前記永久磁石片は前記ヨークと前記保持リングにより径方向に圧縮保持され、
前記保持リングは、環状をなすリング部の内周面から径方向内側に突出する複数の突極部を備え、各突極部は互いに隣接する前記永久磁石片の間に配置されて先端を前記ヨークの外周面に接近させており、突極部に設けられたかしめ部によって積層された電磁鋼板が一体化されていることを特徴とする永久磁石式回転子。
前記突極部の周方向幅は前記リング部の径方向幅よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の永久磁石式回転子。
前記突極部の周方向幅は該突極部の径方向幅よりも大きいことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の永久磁石式回転子。
前記永久磁石片と前記突極部との間に空間を有することを特徴とする請求項１に記載の永久磁石式回転子。
前記保持リングは、側部に所定間隔おきに前記突極部が形成された帯状の電磁鋼板を、同一円周上に螺旋状に巻回して構成されたことを特徴とする請求項１に記載の永久磁石式回転子。