JP4667837B2

JP4667837B2 - 埋め込み磁石型のロータ

Info

Publication number: JP4667837B2
Application number: JP2004342912A
Authority: JP
Inventors: 秀徳岡田
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2004-11-26
Filing date: 2004-11-26
Publication date: 2011-04-13
Anticipated expiration: 2024-11-26
Also published as: JP2006158049A

Description

この発明は、例えばインナーロータタイプのモータの埋め込み磁石型のロータに関するものである。

従来から、ロータ内部に永久磁石を埋め込んだ埋め込み磁石同期モータ（ＩＰＭＳＭ）が知られている。この、埋め込み磁石同期モータ（以下、単にモータと呼ぶ）の中には、ロータのスロット孔に永久磁石を圧入して固定したものがある。
ところで近年、上述したモータは、高効率で可変範囲の広いモータとして、とりわけ高回転領域を多用し回転数の変動が大きい電気自動車のモータなどの用途にその応用範囲を拡大しており、更なる設置自由度の向上や軽量化を図るべく、前記ロータの強度向上及び小型化が望まれている。

ところが、上述した前記スロット孔への圧入による永久磁石の固定方法では、永久磁石の寸法精度を向上することが難しく、スロット孔の隅など、特定部位に圧入応力が集中してしまうため、ロータの強度を十分に確保しようとするとロータ自体が大型化してしまうという問題があった。そこで、前記永久磁石の寸法精度を補完するべく、燒結した永久磁石の周囲を樹脂で被覆し、これを機械加工で寸法精度を向上した後に前記スロット孔へ圧入するようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。

これを図５に基づいて説明すると、同図において、５１は円環状のロータを示しており、前記ロータ５１には、このロータ５１の軸方向に沿った外周近傍に平板状の永久磁石５２を装着するスロット孔５３が形成され、このスロット孔５３の断面形状は前記永久磁石５２の断面形状に対応した形状となっている。そして、前記永久磁石５２の外周面は樹脂部材５４によりモールドされており、前記スロット孔５３と永久磁石５２との間には前記樹脂部材５４を介して所定の間隔が確保されている。
実開昭５８−１７２３７６号公報

しかしながら、ロータ５１の回転による遠心力や永久磁石５２による吸引力によって上述した樹脂部材５４には大きな荷重が作用するため、樹脂部材５４に経時的な劣化が生じた場合には、樹脂部材５４とロータ５１もしくは樹脂部材５４と永久磁石５２との間に隙間が形成され、この結果、前記永久磁石５２の配置位置がずれて、ロータ回転時に永久磁石５２の位置バラツキが生ずるという問題がある。
また、前述した磁石の位置バラツキが有ると、前記モータのトルクリップルが悪化してしまうという問題がある。
さらに、前記永久磁石５２のラジアル方向に非磁性材である樹脂部材５４を配置しているため、ロータ５と対向するステータと、前記永久磁石５２との間隔が長くなり、この結果、鎖交磁束が減少して前記モータの性能が低下するという問題がある。

そこで、この発明は、磁石の圧入による応力集中を緩和しつつ、磁石のガタツキを防止することでトルクリップルを低減し、モータの性能向上を図ることができる埋め込み磁石型のロータを提供するものである。

上記の課題を解決するために、請求項１に記載した発明は、ロータ軸に沿って形成された孔部（例えば、実施の形態におけるスロット孔８）に、平板状に形成された磁石（例えば、実施の形態における永久磁石７）を装着して設けた埋め込み型磁石ロータにおいて、前記孔部は、複数設けられ、それぞれ同一形状で、ロータ軸方向から見て、前記ロータの外周面に沿う同一円上に配置され、各孔部は、ロータ軸方向から見て、ロータ外周に接し、且つ、法線が前記孔部の幅方向中央を交差して通る一つの接線に対して平行となる上壁および下壁をそれぞれ備えるとともに、モータの駆動方向に向かって同一角度で傾斜する縦壁（例えば、実施の形態における縦壁１１ａ，１１ｂ）をそれぞれ備え、前記磁石が前記孔部に取り付けられた状態で、前記磁石の幅方向両外側には、前記孔部により形成される空隙が隣接配置され、前記傾斜した縦壁は、隣り合った孔部の縦壁と、所定の寸法幅を有するリブを隔てて配置されていることを特徴とする。
このように構成することで、スロット孔に磁石を圧入して固定する場合、強度的に不利な縦壁の付け根部分に応力が集中するのを緩和することができる。さらに、磁石に樹脂部材を被覆した場合と比較して、磁石とステータとの磁気的エアギャップを狭くすることができる。

請求項２に記載した発明は、前記孔部の縦壁と、隣り合う孔部の縦壁とによって形成される前記リブ（例えば、実施の形態におけるリブ１２）は、モータの駆動方向に向かって所定の角度傾斜していることを特徴とする。
このように構成することで、例えばロータのヨークにかかる応力が大きいモータの駆動時には、前記リブに対して応力が集中しない圧縮方向に前記応力を作用させることができる。

請求項３に記載した発明は、前記孔部の縦壁又は前記リブの傾斜角度は４５度〜６０度であることを特徴とする。
このように構成することで、前記孔部の縦壁の角度又は前記リブの傾斜角度を最適化することができる。

請求項４に記載した発明は、鋼板材の積層によって形成されるとともに、前記リブが前記鋼板材の２〜２．５倍の幅を有していることを特徴とする。
このように構成することで、前記リブの幅を最適化することができる。

請求項１に記載した発明によれば、スロット孔に磁石を圧入して固定する場合、強度的に不利な縦壁の付け根部分に応力が集中するのを緩和することができるため、ロータの強度を向上して信頼性の向上を図ることができ、また、ロータの強度をそのまま維持させる場合には、ロータの小型化、軽量化を図ることができる効果がある。
さらに、磁石に樹脂を被覆した場合と比較して、磁石とステータとの磁気的エアギャップを狭くすることができるため、モータの性能を向上させることができる効果がある。

請求項２に記載した発明によれば、請求項１の効果に加え、ロータにかかる応力が大きいモータの駆動時には、前記リブに対して応力が集中しない圧縮方向に応力を作用させることができるため、前記応力を分散させて前記リブの強度を向上することができる。

請求項３に記載した発明によれば、請求項１又は請求項２の効果に加え、前記孔部の縦壁の角度又は前記リブの傾斜角度を最適化することができるため、前記孔部の縦壁又は前記リブの強度をさらに向上させることができる効果がある。

請求項４に記載した発明によれば、前記リブの幅を最適化することができるため、モータの更なる小型化、軽量化を図ることができる。

次に、この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。この実施の形態では本発明の埋め込み磁石型のロータをいわゆるインナーロータ型のブラシレスＤＣモータに適用している。
図１はブラシレスＤＣモータの要部を示したものであり、同図において１はステータを示している。このステータ１は複数のティース２が周方向に配列された円環状のものであり、各ティース２はこの外周近傍に設けられた連結機構３によって隣接するティース２と結合され、さらに、前記ティース２にはそれぞれ巻線４が巻装され界磁が構成されている。前記ステータ１の径方向内側には前記ティース２に対向する位置に円環状の電磁鋼板を積層したロータ本体５が周方向に回転可能に設けられている。

図２、図３に示すように、ロータ本体５はヨーク６と永久磁石（磁石）７とで構成されており、前記ヨーク６にはロータ本体５の軸方向に沿ってスロット孔（孔部）８が形成され、さらに、このスロット孔８がロータ本体５の周方向に沿って複数配置されている。このスロット孔８の上壁９と下壁１０とは幅寸法が等しく、且つ、前記ロータ本体５の外周面の接線に沿って各々平行に形成され、さらに、前記スロット孔８の各縦壁１１ａ，１１ｂはロータ本体５の径方向に対して駆動方向（図中、矢印で示す）に向かって同一角度の４５°〜６５°（最も好ましくは４５°）に傾斜して形成されたいわゆる風車型に形成されている。

前記スロット孔８は平板状に形成された前記永久磁石７を圧入により装着するためのものであり、前記上壁９と下壁１０と各縦壁１１ａ，１１ｂとで断面略平行四辺形状に形成されている。一方、前記永久磁石７は、希土類やフェライト等を燒結した磁石であり、図３に示すように、前記永久磁石７のロータ本体５の径方向の高さｂは前記スロット孔８の高さａよりも締め代として若干（例えば０．０３ｍｍ程度）大きく設定され、前記永久磁石７がスロット孔８に圧入されると、前記永久磁石７の上面と下面とが前記スロット孔８の上壁９と下壁１０とを押圧して前記永久磁石７が前記スロット孔８に固定されることとなる。一方、図２に示すように、前記永久磁石７の幅寸法は前記スロット孔８の上壁９と下壁１０との幅寸法ｅよりも短い幅寸法ｄに設定されており、永久磁石７をスロット孔８に装着した状態で、前記永久磁石７の紙面左右側方に均等に空隙が形成されるようになっている。

前記スロット孔８の縦壁１１ａと、これに隣接するスロット孔８の縦壁１１ｂとによってリブ１２が形成されている。このリブ１２は前記縦壁１１ａ，１１ｂと同様の傾斜角度４５°〜６０°（最も好ましくは４５°）を有しており、このリブ１２の幅寸法ｃは、前記ロータ本体５を構成する電磁鋼板の板厚に対して２〜２．５倍程度の幅で形成されている。

次に、前記ロータ本体５の径方向に対する前記リブ１２の角度を図４に基づいて説明する。
図４は、シミュレーションによる解析結果であるが、縦軸を応力（ＭＰａ）、横軸をリブ角度（°）とした場合の前記永久磁石７を圧入する際に前記ロータ本体５のヨーク６に作用する圧入応力を示したものである。ここで、以下に示す表と図４とに示すように、前記リブ角度が０°の時にはリブ１２の幅寸法ｃが電磁鋼板の板圧の２〜２．５倍程度である場合のヨーク６に作用する圧入応力は３２０（ＭＰａ）となり、従来のロータ本体に作用する応力（図４中、黒丸で示す。）と比較して４％程度低減されている。尚、上記図４中に示す従来のロータ本体は、例えばリブ幅が幅寸法ｃよりも大きい場合の一例を示し、ここでの圧入応力はスロット孔８の上壁９と縦壁１１ａ，１１ｂとの交わる屈曲部分のヨーク６に作用するものを示している。

前記リブ角度を０°から増加していくと、前記ヨーク６に作用する圧入応力は徐々に上昇し、リブ角度が３０°付近で最大の３４９（ＭＰａ）となっている。この時、リブ角度０°の場合とリブ角度３０°の場合とを比較すると、リブ角度３０°の方がヨーク６に作用する圧入応力の方が４％程度高くなっている。さらに、リブ角度を増加していくと、前記圧入応力は低下し、リブ角度が４５°（図４中、破線で示す）付近で最小の２６６（ＭＰａ）となる。リブ角度０°の場合とリブ角度が４５°の場合とを比較すると、リブ角度が４５°の場合の方が前記ヨーク６に作用する圧入応力の比率は２１％程度低減している。

さらに、前記リブ角度を４５°よりも大きくすると前記ヨーク６に作用する圧入応力は上昇していくが、例えば、リブ角度５５°の場合には圧入応力は２８７（ＭＰａ）となり、リブ角度０°の場合よりも前記ヨーク６に作用する圧入応力の比率は１４％低減し、前記リブ角度０°やリブ角度３０°の場合よりも十分に低い比率になっている。ここで、前記リブ角度を０°〜６０°までの範囲内で前記永久磁石７を圧入することでヨーク６に作用する圧入応力は約２６０ＭＰａ〜３５０ＭＰａとなる。

したがって、上述した実施の形態によれば、経時的劣化などにより、永久磁石７がスロット孔８の中で変位するのを規制しつつ前記永久磁石７の圧入によってロータ本体５のヨーク６に作用する圧入応力を分散させることができるため、ロータ本体５の強度を向上して信頼性の向上を図ることができ、また、ロータ本体５の強度をそのままにした場合には、ロータ本体５の小型化、軽量化を図ることができる。

さらに、従来の永久磁石に樹脂部材を被覆した場合と比較して、永久磁石７とステータ１との磁気的エアギャップを狭くすることができるため、モータの性能を向上させることができる効果がある。そして、ロータ本体５にかかる応力が大きい、例えばモータの駆動時には、前記リブ１２に対して応力が集中しない圧縮方向に前記応力を作用させることができるため、前記リブ１２の強度を向上することができる。
そして、永久磁石７に樹脂を被覆する必要がないため、部品点数を削減して組付け工数を低減することができ、その結果、コストの削減を図ることができる。

また、前記スロット孔８の縦壁１１ａ，１１ｂの角度又は前記リブ１２の傾斜角度を４５°〜６０°に形成して最適化することができるため、前記スロット孔８の縦壁１１ａ，１１ｂ又は前記リブ１２の強度をさらに向上させることができる。さらに、前記リブ１２の幅寸法ｃを電磁鋼板の２〜２．５倍にすることで、リブ幅を最適化することができるため、更なるロータ本体５の小型化、軽量化を図ることができる。

さらに、前記永久磁石７のロータ本体５の周方向に空隙が形成され永久磁石７と空気との接触面積が増加するため、前記ロータ本体５の回転時には、前記永久磁石７の冷却効果が得られる。
また、例えば、電気自動車などのモータに用いた場合には、小型化及び軽量化を図ることができるため、走行距離を延長することができる点で有利となり、さらに、ハイブリッド車両のモータに用いた場合には、燃費の向上を図ることができる点で有利である。

尚、上記実施の形態ではブラシレスＤＣモータの場合について説明したが、いわゆるインナーロータタイプのモータであればブラシレスＤＣモータ以外のモータでもよい。

本発明の実施の形態におけるモータのロータの側面図である。本発明の実施の形態における図１の部分拡大図である。本発明の実施の形態における図２の部分拡大図である。本発明の実施の形態におけるリブ角度に対する圧入応力を示すグラフである。本発明の実施の形態における従来の図２に相当する部分拡大図である。

符号の説明

８スロット孔（孔部）
７永久磁石（磁石）
１１ａ，１１ｂ縦壁
１２リブ

Claims

ロータ軸に沿って形成された孔部に、平板状に形成された磁石を装着して設けた埋め込み型磁石ロータにおいて、
前記孔部は、複数設けられ、それぞれ同一形状で、ロータ軸方向から見て、前記ロータの外周面に沿う同一円上に配置され、
各孔部は、ロータ軸方向から見て、ロータ外周に接し、且つ、法線が前記孔部の幅方向中央を交差して通る一つの接線に対して平行となる上壁および下壁をそれぞれ備えるとともに、モータの駆動方向に向かって同一角度で傾斜する縦壁をそれぞれ備え、前記磁石が前記孔部に取り付けられた状態で、前記磁石の幅方向両外側には、前記孔部により形成される空隙が隣接配置され、前記傾斜した縦壁は、隣り合った孔部の縦壁と、所定の寸法幅を有するリブを隔てて配置されていることを特徴とする埋め込み磁石型のロータ。
前記孔部の縦壁と、隣り合う孔部の縦壁とによって形成される前記リブは、モータの駆動方向に向かって所定の角度傾斜していることを特徴とする請求項１に記載の埋め込み磁石型のロータ。
前記孔部の縦壁又は前記リブの傾斜角度は４５度〜６０度であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の埋め込み磁石型のロータ。
鋼板材の積層によって形成されるとともに、前記リブが前記鋼板材の厚さの２倍〜２．５倍の幅を有していることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の埋め込み磁石型のロータ。