JP4466681B2 - 回転電機のロータおよび回転電機 - Google Patents

Description

この発明は、回転電機のロータおよびその製造方法に関し、より特定的には、永久磁石埋め込み型のロータおよびその製造方法に関する。

永久磁石埋め込み型のロータを有する回転電機は、マグネットトルクとリラクタンストルクとを利用した高出力モータである。近年、永久磁石埋め込み型のロータを有する回転電機は、たとえば電気自動車やハイブリッド自動車等の車両の駆動装置などに用いられるようになってきている。

特開２００６−１６６６２５号公報（特許文献１）は、磁気抵抗を小さくして回転子トルクを増加することができる回転電機を開示する。

この回転電機は、両端面を回転軸が貫通する回転子鉄心に磁石を装着した回転子と、回転子を内包する固定子鉄心に固定子巻線を巻き付けた固定子とを有し、回転子を固定子との間にエアギャップをもって回転可能に保持した回転電機であって、回転子に、磁石の極間に突極ができるように、磁石を挿入配置して両端面に開口する磁石配置空隙を設けたものである。そして、たとえば、磁石の形状は、回転方向中央部が外周側から凹んだ形状としているものがある。
特開２００６−１６６６２５号公報 特開２００５−２６１１６９号公報

図１２は、永久磁石埋め込み型ロータの磁石の減磁について説明するための図である。
図１２を参照して、ロータは、ロータコア５０２と、ロータコア５０２に設けられた孔に挿入された永久磁石５０４とを含む。図１２に示された部分では、永久磁石５０４は、ロータの外周側がＮ極、内周側がＳ極になるように配置されている。

ロータの外周に対向して、ステータコイル５０６が配置されている。ステータコイル５０６によって、ロータの周囲に回転磁界が発生されロータが回転する。ステータコイル５０６には、回転磁界を発生するために交流電流が流される。

ここで、図１２に示されるようにステータコイル５０６のロータに近い方がＮ極となる場合がある。この場合、永久磁石５０４には、ステータコイル５０６によって、反発しあう向きの逆磁界があたえられる。すると、磁化方向に直交する方向の磁石両端部Ｘ１，Ｘ２で減磁が発生する。磁石のロータ外周側両端は、ステータコイルから受ける磁界が集中しやすく、他の部分に比べて不可逆減磁が起こりやすい。

減磁耐性を向上させるには、磁石の厚さを増加させるか、または減磁耐性が向上する希土類を添加した磁石を使用することが有効である。しかし、いずれも、コストが著しく増加してしまう。また、磁石の使用量を減らすという点では、両端の厚みのみを大きくすることも考えられる。しかし、上記特開２００６−１６６６２５号公報に開示されるように、磁石埋め込み型ロータの磁石形状として回転方向中央部が外周側から凹んだ形状としたのでは、中央部とステータとの距離が長くなるため、発生できるトルクが減少してしまう。

この発明の目的は、コストの増加を抑えつつ、減磁耐性が向上した回転電機のロータを提供することである。

この発明は、要約すると、回転電機の回転軸の周りに設けられる回転電機のロータであって、ロータコアと、ロータコアに埋め込まれた永久磁石とを備える。永久磁石は、主としてステータ側に向かう平面である第１の面と、第１の面の裏面となる第２の面とを含み、第２の面は、回転軸に直交する断面において、永久磁石の磁化方向と直交する方向の両端が両端の中央部よりも磁化方向に永久磁石が厚くなるような形状を有する。

好ましくは、永久磁石の回転軸に直交する断面は、略矩形であり、矩形の４辺のうち、第２の面に包含される辺の中央部には凹部が設けられる。

好ましくは、永久磁石は、断面上において、磁化方向がそろうように、かつ磁化方向と直交する向きに並べて配置される第１、第２の磁石片と、断面上において、第１、第２の磁石片の間に位置し、かつ第１、第２の磁石片と磁化方向がそろうように配置される第３の磁石片とを有する。第１、第２の磁石片の磁化方向の厚さは、第３の磁石片の磁化方向の厚さよりも厚い。

より好ましくは、第１〜第３の磁石片は、断面上において各々矩形である。第１および第２の磁石片は、第３の磁石片の磁化方向に沿う中心位置に対して第１および第２の磁石片の磁化方向に沿う中心位置がステータよりも遠ざかるように配置される。

好ましくは、ステータは、ロータの外周に配置される。回転電機のロータは、永久磁石と同じ形状を有する複数の他の永久磁石をさらに備える。複数の他の永久磁石および永久磁石は、複数の対に分割される。各々の対をなす永久磁石は、互いの隣接部分が回転軸に近づくようにＶ字型に配置される。

この発明の他の局面に従うと、回転電機のロータの製造方法であって、ロータコアに設けられた複数の孔の各々に断面が略矩形の第１の磁石片を挿入するステップと、複数の孔の各々において、第１の磁石片と離れた位置に、断面が略矩形の第２の磁石片を挿入するステップと、複数の孔の各々において、第１、第２の磁石片の間に、断面が略矩形の第３の磁石片を挿入するステップとを備える。

好ましくは、回転電機のロータの製造方法は、複数の孔の各々に、第１〜第３の磁石片を固定するための樹脂を注入するステップをさらに備える。

好ましくは、第１〜第３の磁石片は、磁化方向がそろうように、かつ磁化方向と直交する向きに並んで配置される。第１および第２の磁石片は、第３の磁石片の磁化方向に沿う中心位置に対して第１および第２の磁石片の磁化方向に沿う中心位置がステータよりも遠ざかるように配置される。

本発明によれば、減磁耐性が向上した回転電機のロータを低コストで実現することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳しく説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。

［実施の形態］
図１は、モータのロータとステータの位置について説明するための断面図である。

図１を参照して、回転電機であるモータは、ステータ１０２と、ロータ１０４とを含む。ロータ１０４は、シャフト１０６と、シャフト１０６のまわりに設けられたロータコア１０５とを含む。図１において、ロータ及びステータの全周のうち１／６の部分が詳細に示されている。

ロータコア１０５は、たとえば積層された電磁鋼板で形成される。図１のロータ１０４は１２極であり、１極あたりＶ字に配置された１対の磁石が使用されている。ロータコア１０５には磁石挿入用の２４個の孔が設けられており、それらの孔に磁石１１１，１１２，１２１，１２２が挿入されている。

ステータ１０２は、ステータコアと、ステータコアのティースに巻回されたコイル１３１Ｕ，１３１Ｖ，１３１Ｗとを含む。コイル１３１Ｕ，１３１Ｖ，１３１Ｗには、図示しないインバータユニットからそれぞれＵ相電流、Ｖ相電流、Ｗ相電流が流される。

図１に示されるロータ１０４は、回転電機の回転軸１０６の周りに設けられる回転電機のロータであって、ロータコア１０５と、ロータコアに埋め込まれた永久磁石１１１，１１２，１２１，１２２とを備える。永久磁石１１１は、主としてステータ側に向かう平面である第１の面１１５と、第１の面１１５の裏面となる第２の面１１６とを含む。第２の面１１６は、回転軸１０６に直交する断面つまり図１に示される断面において、永久磁石の磁化方向（Ｎ極からＳ極に向かう方向）と直交する方向の両端（面１１７，１１８をそれぞれ含む端部）が両端の中央部よりも磁化方向に永久磁石１１１が厚くなるような形状を有する。

好ましくは、永久磁石の回転軸１０６に直交する断面は、略矩形であり、矩形の４辺のうち、第２の面１１６に包含される辺の中央部には凹部が設けられる。矩形は、長方形であっても正方形であっても良い。矩形の四辺は、面１１５，１１７，１１８に包含される辺の一部または全部に、面１１６に包含される辺の凹部の窪みよりも小さな窪みが設けられていても良い。

なお、アウターロータ型の回転電機であってもよいが、好ましくは、ステータ１０２は、ロータ１０４の外周に配置される。回転電機のロータ１０４は、永久磁石１１１と同じ形状を有する複数の他の永久磁石１１２，１２１，１２２をさらに備える。複数の他の永久磁石１１２，１２１，１２２および永久磁石１１１は、複数の対に分割される。対をなす永久磁石１１１，１１２は、互いの隣接部分が回転軸に近づくようにＶ字型に配置される。対をなす永久磁石１２１，１２２は、互いの隣接部分が回転軸に近づくようにＶ字型に配置される。磁石をＶ字型に配置することにより、リラクタンストルクを向上させることができる。

図２は、ロータの永久磁石付近を拡大して示した断面図である。
図２を参照して、ロータコア１０５は、回転軸（シャフト）１０６の周りに配置されている。ロータコア１０５には、磁石挿入用の孔２０１，２０２が設けられている。

永久磁石１１１は、磁石片１１１Ａ，１１１Ｂ，１１１Ｃを含む。磁石片１１１Ａ〜１１１Ｃが孔２０１に挿入される前、または挿入された後に、磁石片１１１Ａ〜１１１Ｃを固定するための樹脂２１１が孔２０１に注入される。

永久磁石１１２は、磁石片１１２Ａ，１１２Ｂ，１１２Ｃを含む。磁石片１１２Ａ〜１１２Ｃが孔２０２に挿入される前、または挿入された後に、磁石片１１２Ａ〜１１２Ｃを固定するための樹脂２１２が孔２０２に注入される。

図３は、ロータに挿入された状態の磁石の形状を説明するための斜視図である。図３において理解の簡単のため、ロータコアは図示せず磁石のみが図示されている。

図２，図３を参照して、永久磁石１１１は、断面上において、磁化方向がそろうように、かつ磁化方向と直交する向きに並べて配置される第１の磁石片１１１Ａ、第２の磁石片１１１Ｂと、断面上において、第１の磁石片１１１Ａと第２の磁石片１１１Ｂとの間に位置し、かつ第１の磁石片１１１Ａおよび第２の磁石片１１１Ｂと磁化方向がそろうように配置される第３の磁石片１１１Ｃとを有する。第１の磁石片１１１Ａ、第２の磁石片１１１Ｂの磁化方向の厚さは、第３の磁石片１１１Ｃの磁化方向の厚さよりも厚い。

そして、磁石片１１１Ａ，１１１Ｂ，１１１Ｃは、ステータ側が略面一になるように平面１５０を形成し、ロータシャフト側は、面１５１Ｃが面１５１Ａ，１５１Ｂよりも窪んだ段差を有する面を形成する。面１５１Ｄ，１５１Ｅは、ロータシャフト側の段差面である。

磁石片１１１Ａ，１１１Ｂ，１１１Ｃの磁化方向は、すべてステータ側にＮ極、ロータシャフト側にＳ極がくるように向きをそろえて配置される。または、その逆に、すべてステータ側にＳ極、ロータシャフト側にＮ極がくるように向きをそろえて配置される。

図４は、ロータの製造方法の工程を示すフローチャートである。
図２、図４を参照して、まず、電磁鋼板が積層されたロータコア１０５が用意され、ステップＳ１において、ロータコア１０５に第１の磁石片１１１Ａ，１１２Ａが挿入される。

続いて、ステップＳ２において、ロータコア１０５に第２の磁石片１１１Ｂ，１１２Ｂが挿入される。

そして、ステップＳ３において、すでに挿入されている第１の磁石片１１１Ａと第２の磁石片１１１Ｂとの間に、第３の磁石片１１１Ｃが挿入され、第１の磁石片１１２Ａと第２の磁石片１１２Ｂとの間に、第３の磁石片１１２Ｃが挿入される。

孔２０１，２０２のロータシャフト側には、図３の段差面１５１Ｄ，１５１Ｅに対応する段差が設けられているので、磁石片１１１Ａ，１１１Ｂについては、挿入する位置が定まる。磁石片１１１Ｃを最初に挿入しようとすると位置が定まらないが、磁石片１１１Ａ，１１１Ｂが両脇に配置された後であれば、容易に磁石片１１１Ｃの挿入位置も定まる。

このような順序で磁石片を挿入することにより、効率よく組立作業を行なうことができる。なお、ステップＳ１とＳ２の順序を逆にしても同様な効果が得られる。

ステップＳ３の磁石片の挿入が完了すると、ステップＳ４において、磁石固定用樹脂の注入が行なわれる。これにより、磁石片のガタツキや抜けが防止される。なお、最初に樹脂を磁石とロータコアの隙間に相当する量だけ注入しておいてから磁石を挿入するようにしても良い。

ステップＳ１〜Ｓ４の工程が終了すると、ステップＳ５でロータの組立は終了となる。
以上より、この発明の他の局面に従う回転電機のロータの製造方法を要約する。回転電機のロータの製造方法は、ロータコア１０５に設けられた複数の孔２０１，２０２の各々に断面が略矩形の第１の磁石片１１１Ａ，１１２Ａを挿入するステップＳ１と、複数の孔２０１，２０２の各々において、第１の磁石片１１１Ａ，１１２Ａと離れた位置に、断面が略矩形の第２の磁石片１１１Ｂ，１１２Ｂを挿入するステップＳ２と、複数の孔２０１，２０２の各々において、第１、第２の磁石片の間に、断面が略矩形の第３の磁石片１１１Ｃ，１１２Ｃを挿入するステップＳ３とを備える。

好ましくは、回転電機のロータの製造方法は、複数の孔２０１，２０２の各々に、第１〜第３の磁石片を固定するための樹脂２１１，２１２を注入するステップＳ４をさらに備える。

図５は、図２に示した磁石形状の第１の変形例を示した図である。
図６は、図２に示した磁石形状の第２の変形例を示した図である。

図２に示した例では、磁石片１１１Ａ，１１１Ｂ，１１１Ｃが段差のない平面をステータ側に形成していた。これに対して図５に示した例は、ステータ側の面においても磁石片１１１Ｃが磁石片１１１Ａ，１１１Ｂよりも窪んでいる（引っ込んでいる）。しかし、窪み量は、ロータシャフト側の面の窪み量と比べるとわずかである。

図６に示した例は、ステータ側の面においては、磁石片１１１Ｃは磁石片１１１Ａ，１１１Ｂよりもわずかに突出している。図６のような孔形状とすれば、磁石片１１１Ｃを最初に挿入する場合でも、磁石片１１１Ｃの位置が定まるので組立手順を変更することも可能となり、ロータ組立の自由度が増す。

図５，図６のいずれの場合であっても、第１〜第３の磁石片１１１Ａ〜１１１Ｃは、回転軸１０６に直交する断面上において各々矩形である。第１および第２の磁石片１１１Ａ，１１１Ｂは、第３の磁石片１１１Ｃの磁化方向に沿う中心位置Ａ１に対して第１および第２の磁石片１１１Ａ，１１１Ｂの磁化方向に沿う中心位置Ａ２がステータよりも遠ざかるように配置される。その遠ざかる距離が、図５の場合は距離Ｄ１であり、図６の場合は距離Ｄ１より少し大きい距離Ｄ２である。中心位置Ａ１は、言い換えれば磁石片１１１ＣのＮ極端とＳ極端を対称に分割する中心線である。また、中心位置Ａ２は、言い換えれば磁石片１１１Ａおよび１１１ＢのＮ極端とＳ極端を対称に分割する中心線である。

ここで、図５に示した中心位置Ａ２を中心位置Ａ１よりもステータに近づけると、Ｖ字配置とした各磁石の断面形状において磁石片１１１Ａ、１１１Ｂのステータ側に向かう突出量が増加する。突出量が増加しすぎると、磁石挿入孔のロータコアの外周側の壁面の厚みが薄くなりすぎて、遠心力に対して磁石を支持する部分のロータコアの強度が低下してしまう。さらに、磁石片１１１Ａ、１１１Ｂがステータに近接しすぎるので、その部分の減磁が著しくなる。

逆に、磁石挿入孔のロータコアの外周側の壁面の厚みを確保した状態で磁石片１１１Ｃをロータシャフト側にずらすことも考えられるが、それではモータトルクの低下につながる。すなわち、中央部とステータとの距離が長くなるため、発生できるトルクが減少してしまう。

これらの問題に鑑み、第１および第２の磁石片１１１Ａ，１１１Ｂは、第３の磁石片１１１Ｃの磁化方向に沿う中心位置Ａ１に対して第１および第２の磁石片１１１Ａ，１１１Ｂの磁化方向に沿う中心位置Ａ２がステータよりも遠ざかるように配置されることが好ましい。

このような、形状の磁石を採用し、さらに磁石を３分割して形成することにより、減磁を防止しつつ、コスト増加がなるべく抑制された回転電機のロータを実現することができる。

［他の変形例］
図７は、図２に示した断面において磁石を分割しないで一体形状としている例である。

図８は、図７の磁石形状を示すための斜視図である。
図７、図８に示したように、磁石の外形を矩形としてその一面（ステータ側と反対側の面）に凹部を設けても良い。磁石は、焼結によって作られる場合が多い。焼結材料は、焼結時の収縮のため複雑な形状を作るのは困難である。磁石に焼結材料を採用する場合は、このような形状の磁石は、矩形の磁石を削って溝２１４を設けることで実現できる。図２に示した場合よりも磁石の材料歩留まりが悪いが、減磁に対しては同様な耐性向上が期待できる。

図９は、図２に示した断面において磁石の分割の方法を変更した例である。
図１０は、図９の磁石形状を示すための斜視図である。

図９、図１０に示したように、断面が大きな矩形の磁石片１１１Ｅに対して、突出部を形成するための断面が小さな矩形の磁石片１１１Ｅ，１１１Ｄを付加することにより、図２，図７と同様な形状を実現しても良い。磁束の回路上に磁石片１１１Ｅ，１１１Ｄと１１１Ｆとの界面が位置するので磁束が図２に示した場合よりも弱まる可能性はあるが、減磁に対しては同様な耐性向上が期待できる。

なお、以上の実施の形態では、ロータの磁極一極あたりＶ字に配置した一対の磁石を配置した例を示したが、Ｖ字配置に限定されるものではなく、本願発明は他の配置のロータであっても適用可能である。

図１１は、Ｖ字配置でない磁石配置の一例を示した図である。
図１１を参照して、ロータ３０４は、ロータコア３００に永久磁石３０１，３０３，３０５，３０７，３０９，３１１が挿入されている６極のロータである。そして、磁石３０１は磁化方向の厚みが両端部で厚くなっている。他の磁石３０３，３０５，３０７，３０９，３１１においても同様に、磁化方向の厚みが両端部で厚くなっている。

すなわち、ロータ３０４は、回転電機の回転軸３０６の周りに設けられる回転電機のロータであって、ロータコア３００と、ロータコアに埋め込まれた永久磁石３０１，３０３，３０５，３０７，３０９，３１１とを備える。永久磁石３０１は、主としてステータ側に向かう平面である第１の面と、第１の面の裏面となる第２の面とを含む。図示しないが、各磁石の磁化方向は、第１の面から第２の面に向かう向きかまたはその逆向きである。第２の面は、回転軸３０６に直交する断面つまり図１１に示される断面において、永久磁石の磁化方向（Ｎ極からＳ極に向かう方向）と直交する方向の両端が両端の中央部よりも磁化方向に永久磁石が厚くなるような形状を有する。

好ましくは、永久磁石の回転軸３０６に直交する断面は、略矩形であり、矩形の４辺のうち、ステータとは反対側の第２の面に包含される辺の中央部には凹部が設けられる。

このような磁石形状を採用することによって、図１２で説明した両端部の減磁を低減させることができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

モータのロータとステータの位置について説明するための断面図である。 ロータの永久磁石付近を拡大して示した断面図である。 ロータに挿入された状態の磁石の形状を説明するための斜視図である。 ロータの製造方法の工程を示すフローチャートである。 図２に示した磁石形状の第１の変形例を示した図である。 図２に示した磁石形状の第２の変形例を示した図である。 図２に示した断面において磁石を分割しないで一体形状としている例である。 図７の磁石形状を示すための斜視図である。 図２に示した断面において磁石の分割の方法を変更した例である。 図９の磁石形状を示すための斜視図である。 Ｖ字配置でない磁石配置の一例を示した図である。 永久磁石埋め込み型ロータの磁石の減磁について説明するための図である。

符号の説明

１０２ ステータ、１０４，３０４ ロータ、１０５，３００ ロータコア、１０６ シャフト、１１１，１１２，１２１，１２２，３０１，３０３，３０５，３０７，３０９，３１１ 永久磁石、１１１Ａ〜１１１Ｆ，１１２Ａ〜１１２Ｆ 磁石片、１１５〜１１８，１５１Ａ〜１５１Ｃ 面、１３１Ｕ，１３１Ｖ，１３１Ｗ コイル、１５０ 平面、１５１Ｄ，１５１Ｅ 段差面、２０１，２０２ 孔、２１１，２１２ 樹脂、２１４ 溝、３０６ 回転軸、Ａ１，Ａ２ 中心位置、Ｘ１，Ｘ２ 磁石両端部。

Claims (5)

1. 回転電機の回転軸の周りに設けられる回転電機のロータであって、
   ロータコアと、
   前記ロータコアに埋め込まれた永久磁石とを備え、
   前記永久磁石は、
   主としてステータ側に向かう平面である第１の面と、
   前記第１の面の裏面となる第２の面とを含み、
   前記第２の面は、
   前記回転軸に直交する断面において、前記永久磁石の磁化方向と直交する方向の両端が前記両端の中央部よりも前記磁化方向に前記永久磁石が厚くなるような形状を有し、
   前記永久磁石は、
   前記断面上において、磁化方向がそろうように、かつ前記磁化方向と直交する向きに並べて配置される第１、第２の磁石片と、
   前記断面上において、前記第１、第２の磁石片の間に位置し、かつ前記第１、第２の磁石片と磁化方向がそろうように配置される第３の磁石片とを有し、
   前記第１、第２の磁石片の磁化方向の厚さは、前記第３の磁石片の磁化方向の厚さよりも厚い、回転電機のロータ。
2. 前記永久磁石の前記回転軸に直交する断面は、略矩形であり、
   前記矩形の４辺のうち、前記第２の面に包含される辺の中央部には凹部が設けられる、請求項１に記載の回転電機のロータ。
3. 前記第１〜第３の磁石片は、前記断面上において各々矩形であり、
   前記第１および第２の磁石片は、前記第３の磁石片の前記磁化方向に沿う中心位置に対して前記第１および第２の磁石片の前記磁化方向に沿う中心位置が前記ステータよりも遠ざかるように配置される、請求項１に記載の回転電機のロータ。
4. 前記ステータは、前記ロータの外周に配置され、
   前記永久磁石と同じ形状を有する複数の他の永久磁石をさらに備え、
   前記複数の他の永久磁石および前記永久磁石は、複数の対に分割され、
   各々の対をなす永久磁石は、互いの隣接部分が回転軸に近づくようにＶ字型に配置される、請求項１〜３のいずれかに記載の回転電機のロータ。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の回転電機のロータを含む回転電機。

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