JP4604481B2

JP4604481B2 - 永久磁石形モータ

Info

Publication number: JP4604481B2
Application number: JP2003415983A
Authority: JP
Inventors: 光浩古賀; 泰明神木
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2003-06-13
Filing date: 2003-12-15
Publication date: 2011-01-05
Anticipated expiration: 2023-12-15
Also published as: JP2005027492A

Description

本発明は、永久磁石形モータに関し、特にモータの主要部品であるステータコアや巻線部、永久磁石を共通化できる永久磁石形モータに関する。

従来より、ロータシャフトの表面に永久磁石を複数個、接着剤等で貼り付けてロータを構成し、空隙を介してティースおよびヨークからなる磁性体部と、絶縁材および巻線からなるステータ９とより構成される永久磁石形モータは公知である（例えば、特許文献１参照）。
特開２００２−２８１７２１号公報

従来の永久磁石形モータについて、図５を用いて説明する。
図５は、従来の永久磁石形モータの構成を示す１／４断面図で、（Ａ）はモータ外径Ｄの寸法が小、（Ｂ）はＤの寸法が中、（Ｃ）はＤの寸法が大となっている。
図において、１はロータシャフトであり、ロータシャフト１の表面に永久磁石２を複数個、接着剤等で貼り付けてロータ３を構成する。
一方、このロータ３と空隙を介してティース４およびヨーク５からなる磁性体部と、このティース４の間の空間に配置された絶縁材７および巻線８とからステータ９を構成する。
そこで、小型モータ（Ａ）から、中型モータ、大型モータと出力を増やしたモータを設計する場合、従来法では、モータ外径をＤ、長手寸法をＬとすると、モータ出力はＤ2Ｌに比例することから、Ｌを一定とすると、Ｄを相似形状で拡大すればよいことになる。このようにして得られたモータが、（Ｂ）の中型モータ、（Ｃ）の大型モータである。図から判るように、図（Ｂ）および図（Ｃ）における部品である永久磁石２、絶縁材７、巻線８は図（Ａ）のそれの相似形となっている。

しかしながら、このような従来の永久磁石モータの手法では、異なる出力のモータを設計する場合、モータ外径Ｄの寸法毎に永久磁石や巻線、絶縁材が個別に必要であり、Ｄ寸法の種類を増す毎に構成部品が増え、ステータコアや永久磁石、絶縁材の金型や治工具が新たに必要となり、個数がまとまらないため量産メリットが得にくいという問題があった。
そこで、本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、ステータコアや永久磁石や巻線、絶縁材をＤ寸法に関わらず共通化することができる永久磁石形モータを提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は次のように構成したのである。
請求項１に記載の永久磁石形モータの発明は、あるスロット数を持ったステータと、ロータシャフトの表面に永久磁石を接着したある極数を持ったロータとを備えた永久磁石形モータにおいて、
あらかじめ設定した極数とスロット数を基準に、モータ出力が増す毎に極数、スロット数を整数倍としてステータ径およびロータ径を大きくし、巻線、絶縁材を共通化するとともに永久磁石の断面形状および材質を同一にし、
永久磁石の内径曲率とロータシャフトの曲率との差を利用して永久磁石とロータシャフト間の接着溝を設けることによって、ロータ径を大きくする毎に当該接着溝の径方向幅を大きくすることを特徴とするものである。
また、請求項２に記載の永久磁石形モータの発明は、あるスロット数を持ったステータと、ロータシャフトの表面に永久磁石を接着したある極数を持ったロータとを備えた永久磁石形モータにおいて、
あらかじめ設定した極数とスロット数を基準に、モータ出力が増す毎に極数、スロット数を整数倍としてステータ径およびロータ径を大きくし、ステータコアをヨーク部で分割したコアピース、巻線、絶縁材を共通化するとともに永久磁石の断面形状および材質を同一にし、
永久磁石の内径曲率とロータシャフトの曲率との差を利用して永久磁石とロータシャフト間の接着溝を設けることによって、ロータ径を大きくする毎に当該接着溝の径方向幅を大きくすることを特徴とするものである。
また、請求項３に記載の発明は、請求項１または２記載の永久磁石形モータにおいて、ステータ及びロータをモータ出力が増す毎に長手方向へ永久磁石の整数倍の長さとすることを特徴とするものである。
また、請求項４に記載の発明は、請求項２記載の永久磁石形モータにおいて、
前記コアピースの外周の中央に凹部を設けることにより、焼き嵌めでの応力集中を緩和させることを特徴とするものである。
また、請求項５に記載の発明は、請求項２記載の永久磁石形モータにおいて、
前記コアピースの両端の一方がＵ溝、他方が前記Ｕ溝と係合する凸部とすることにより、隣接のコアピースとの間でＵ溝と凸部との係合で互いに連結できる構成としたことを特徴とするものである。

以上の構成によって、あらかじめ設定した極数とスロット数を基準に、モータ出力が増す毎に極数、スロット数を整数倍としてステータ径およびロータ径を大きくし、巻線、絶縁材と永久磁石を共通化するため、構成部品を共通化することができ、金型や治工具を新たに準備する必要がなくなる。
また、ステータコアをヨーク部で分割したコアピース、巻線、絶縁材と永久磁石を共通化するため、コアピース使用の永久磁石形モータにおいても構成部品を共通化することができ、金型や治工具を新たに準備する必要がなくなる。
また、永久磁石とロータシャフト間の接着溝を永久磁石、ロータシャフトの曲率の差を利用して設けたため、接着溝を確保する突起が不要であり、接着層が確保できるため、接着力のバラツキが少なく、信頼性が向上する。
また、モータ出力が増す毎にステータ及びロータを長手方向へ永久磁石の整数倍の長さとし永久磁石を共通化するため、長手方向のＬ寸法毎までも永久磁石を共通化できる。
また、コアピースの外周の中央に凹部を設けたので、コアピース外周の曲率とフレームの曲率の違いにより発生する焼き嵌めでの応力集中を緩和させることができる。
また、コアピースをＵ溝と凸部の係合で結合するため、ステータコア外径とフレーム間の間に若干の隙間が生じても、コアピースのＵ溝と凸部の係合部でこれらの隙間が吸収されるようになる。

以下、本発明の具体的な実施の形態を図に基づいて詳細に説明する。
（第１実施の形態）
図１は、本発明の永久磁石形モータの１／４横断面図で、（Ａ）はモータ外径Ｄの寸法が小、（Ｂ）はＤの寸法が中、（Ｃ）はＤの寸法が大となっている。
図１において、１はロータシャフト、２は永久磁石、３はロータ、４はティース、５はヨーク、７は絶縁材、８は巻線、９はステータである。
ロータシャフト１の表面に永久磁石２を複数個、接着剤等で貼り付けてロータ３を構成する。
一方、このロータ３と空隙を介してティース４およびヨーク５からなる磁性体部と、このティース４の間の空間に配置された絶縁材７および巻線８とからステータ９を構成する。
基本の極数、スロット数を８極、９スロットとした場合、（Ａ）の小型モータは極数、スロット数を４倍した３２極３６スロットを示したものである。

（Ｂ）の中型モータは、永久磁石２、絶縁材７、巻線８を何も変更せずに、基本の極数、スロット数を５倍にしたものである。
モータトルクＴはステータ内半径をＲ（ｍ）、ステータ内径の単位面積あたりの接線力をδ（Ｎ/ｍ²）、ステータ内径の面積をＳ（ｍ²）とすると、
Ｔ＝Ｒ・δ・Ｓ（Ｎ・ｍ）
になる。
電磁構造は同じであるため、δは一定、Ｒは極数、スロット数に比例、長手寸法Ｌを同じにすると、Ｓも極数、スロット数に比例するため、モータトルクは極数、スロット数の整数倍比の２乗に比例する。
よって、（Ｂ）のモータトルクはＡの（５／４）²＝１．５６倍になる。

（Ｃ）の大型モータは、永久磁石２、絶縁材７、巻線８を何も変更せずに、基本の極数、スロット数を６倍にしたものである。
したがってモータトルクはＡの（６／４）²＝２．２５倍になる。
このように、本発明に係る手法によれば、巻線、絶縁材と永久磁石を共通化しながら、モータトルクやモータ出力を増したモータが製作可能となる。

（第２実施の形態）
図２は第２実施の形態の構成を示す図である。
従来図である図５において、ロータシャフト１と永久磁石２は、図示していいが接着剤で強固に固定されている。これは永久磁石２にはロータが回転する際の遠心力による法線方向の引っ張り力とトルク発生の際に電磁力による接線力が加わるため、それらに打ち勝つ接着強度が求められるからである。
したがって接着強度の絶対値を高く、それも安定的に保つには、ある程度の接着溜りが必要であった。したがって従来は、接着溜りの確保のため、ロータシャフト１の表面に突起を設けるなどの工夫がなされており、この突起の製作に手間がかかった。
ところが、図１の本発明の手法によれば、ロータシャフト１はモータ出力に比例して大きくなるのに、永久磁石２の形状は一定であるため、ロータシャフト１の曲率と永久磁石２の内径曲率に若干差が生じ、その拡大図である図２のようにロータシャフト１の曲率と永久磁石２の間に隙間が生じ、この隙間を接着剤１３を溜める接着溜りに利用すれば、改めて接着溜りを製作する必要が無く好都合である。しかもモータが大型化するほど、強力な接着力が必要となるが、これによればモータが大型化するほど隙間が大きくできるので、より大きな接着強度が確保できることとなる。

（第３実施の形態）
図３は第３実施の形態の構成を示す図である。
図において、（Ａ）から（Ｃ）に向けてモータ外径Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３が順に大きくなり、（イ）から（ハ）に向けてモータの長手方向長さＬ１、Ｌ２、Ｌ３が順に長くなっている。そして、各図において、符号２は永久磁石、３はロータ、９はステータである。
そこでステータ及びロータをモータ出力が増す毎に、図（Ａ）〜（Ｃ）のようにモータ外径Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３を順に大きくする他に、モータの長手方向にも順に長くしてゆくが、その場合、第３実施の形態により図（イ）〜（ハ）の長さＬ１、Ｌ２、Ｌ３ように、長手方向へは永久磁石の整数倍の長さとし、永久磁石を共通化したものである。
このようになっているため、請求項１のＤ寸法毎の共通化に加え、長手方向のＬ寸法毎までも永久磁石を共通化できる。

（第４実施の形態）
第４の実施の形態は、モータ巻線８の巻数を変更したものである。
モータの電磁構成が同じであれば、モータの電圧は巻数に比例し、モータの電流は巻数に反比例となる。巻線の共通化は崩れるものの、ある設定された電圧、電流に合致する特性へ容易に変更ができる。

（第５実施の形態）
図４は第５実施の形態を示す永久磁石形モータの１／４横断面図で、（Ａ）はモータ外径Ｄの寸法が小、（Ｂ）はＤの寸法が中、（Ｃ）はＤの寸法が大となっている。
図４において、１はロータシャフト、２は永久磁石、３はロータ、４はティース、５はヨーク、６はコアピース、７は絶縁材、８は巻線、９はステータ、１０ａはＵ溝、１０ｂはＵ溝１０ａと係合する凸部、１１はフレーム、１２は凹部である。ロータシャフト１の表面に永久磁石２を複数個、接着剤等で貼り付けてロータ３を構成している。
一方、このロータ３と空隙を介して電磁鋼板を長手方向に重ね合わせたティース４およびヨーク５からなる複数のコアピース６と、このティース４の間の空間に配置された絶縁材７および巻線８とからステータ９を構成している。
コアピース６の両端は、一方がＵ溝１０ａ、他方がＵ溝１０ａと係合する凸部１０ｂとなっており、隣接のコアピース６との間でＵ溝１０ａと凸部１０ｂとの係合で互いに連結できる構成になっている。連結は強固ではなくステータ９の曲率変化に対応できるよう、ある程度の隙間を持たせている。
ステータ９を構成した後、ステータ９の外周へフレーム１１を焼き嵌めしてステータ９を強固に固定させる。コアピース６外周の中央に設けた凹部１２は、コアピース６外周の曲率とフレーム１１の曲率の違いにより発生する焼き嵌めでの応力集中を緩和させるものである。
基本の極数、スロット数を８極、９スロットとした場合、（Ａ）の小型モータは極数、スロット数を４倍した３２極３６スロットを示したものである。

（Ｂ）の中型モータは、永久磁石２、コアピース６、絶縁材７、巻線８を何も変更せずに、基本の極数、スロット数を５倍にしたものである。
モータトルクＴはステータ内半径をＲ（ｍ）、ステータ内径の単位面積あたりの接線力をδ（Ｎ/ｍ²）、ステータ内径の面積をＳ（ｍ²）とすると、
Ｔ＝Ｒ・δ・Ｓ（Ｎ・ｍ）
になる。
電磁構造は同じであるため、δは一定、Ｒは極数、スロット数に比例、長手寸法Ｌを同じにすると、Ｓも極数、スロット数に比例するため、モータトルクは極数、スロット数の整数倍比の２乗に比例する。
よって、（Ｂ）のモータトルクはＡの（５／４）²＝１．５６倍になる。

（Ｃ）の大型モータは、永久磁石２、コアピース６、絶縁材７、巻線８を何も変更せずに、基本の極数、スロット数を６倍にしたものである。
したがってモータトルクはＡの（６／４）²＝２．２５倍になる。
このように、第５実施の形態によれば、巻線、絶縁材、それにコアピースと永久磁石を共通化しながら、モータトルクやモータ出力を増したモータが製作可能となるため、部品共通化によるスケールメリットが得られ部品単価の低減、在庫管理の省力化、型投資や治工具の削減という効果がある。
また、ステータコアをヨーク部で分割する構造とし、それぞれの枠に対応するスロット数のコアピースをＵ溝と凸部の係合で結合するため、ステータコア外径とフレーム間は曲率が違って両者の間に若干の隙間が生じても、コアピースのＵ溝と凸部の係合部でこれらの隙間が吸収されるようになる。
なお、この第５実施の形態においても、第１実施の形態で適用した第３および第４実施の形態が適用されることができることは言うまでもない。

以上述べたように、請求項１によれば、巻線、絶縁材と永久磁石を共通化しながら、モータトルクやモータ出力を増したモータが製作可能となるため、部品共通化によるスケールメリットが得られ部品単価の低減、在庫管理の省力化、型投資や治工具の削減という効果がある。また、容易に接着溝が確保できるため、信頼性向上の効果や加工性が容易であり安価な部品が提供できる効果がある。
また、請求項２によれば、コアピース、巻線、絶縁材と永久磁石を共通化しながら、モータトルクやモータ出力を増したモータが製作可能となるため、部品共通化によるスケールメリットが得られ部品単価の低減、在庫管理の省力化、型投資や治工具の削減という効果がある。また、容易に接着溝が確保できるため、信頼性向上の効果や加工性が容易であり安価な部品が提供できる効果がある。
また、請求項３によれば、長手方向のＬ寸法毎までも永久磁石を共通化できため、さらなる量産効果が得られる。
また、請求項４によれば、コアピースの外周の中央に凹部を設けたので、コアピース外周の曲率とフレームの曲率の違いにより発生する焼き嵌めでの応力集中を緩和させることができる。
また、請求項５によれば、コアピースをＵ溝と凸部の係合で結合するため、ステータコア外径とフレーム間の間に若干の隙間が生じても、コアピースのＵ溝と凸部の係合部でこれらの隙間が吸収されるようになる。

本発明の第１実施の形態を示す永久磁石モータの横断面図である。本発明の第２実施の形態を示す永久磁石部拡大図である。本発明の第３実施の形態を示す永久磁石モータの側断面図である。本発明の第５実施の形態を示す永久磁石モータの横断面図である。従来の永久磁石モータの横断面図である。

符号の説明

１ロータシャフト
２永久磁石
３ロータ
４ティース
５ヨーク
６コアピース
７絶縁材
８巻線
９ステータ
１０ａＵ溝
１０ｂ凸部
１１フレーム
１２凹部

Claims

あるスロット数を持ったステータと、ロータシャフトの表面に永久磁石を接着したある極数を持ったロータとを備えた永久磁石形モータにおいて、
あらかじめ設定した極数とスロット数を基準に、モータ出力が増す毎に極数、スロット数を整数倍としてステータ径およびロータ径を大きくし、巻線、絶縁材を共通化するとともに永久磁石の断面形状および材質を同一にし、
永久磁石の内径曲率とロータシャフトの曲率との差を利用して永久磁石とロータシャフト間の接着溝を設けることによって、ロータ径を大きくする毎に当該接着溝の径方向幅を大きくすることを特徴とする永久磁石形モータ。
あるスロット数を持ったステータと、ロータシャフトの表面に永久磁石を接着したある極数を持ったロータとを備えた永久磁石形モータにおいて、
あらかじめ設定した極数とスロット数を基準に、モータ出力が増す毎に極数、スロット数を整数倍としてステータ径およびロータ径を大きくし、ステータコアをヨーク部で分割したコアピース、巻線、絶縁材を共通化するとともに永久磁石の断面形状および材質を同一にし、
永久磁石の内径曲率とロータシャフトの曲率との差を利用して永久磁石とロータシャフト間の接着溝を設けることによって、ロータ径を大きくする毎に当該接着溝の径方向幅を大きくすることを特徴とする永久磁石形モータ。
ステータ及びロータをモータ出力が増す毎に長手方向へ永久磁石の整数倍の長さとすることを特徴とする請求項１または２記載の永久磁石形モータ。
前記コアピースの外周の中央に凹部を設けることにより、焼き嵌めでの応力集中を緩和させることを特徴とする請求項２記載の永久磁石形モータ。
前記コアピースの両端の一方がＵ溝、他方が前記Ｕ溝と係合する凸部とすることにより、隣接のコアピースとの間でＵ溝と凸部との係合で互いに連結できる構成としたことを特徴とする請求項２記載の永久磁石形モータ。