JP4767358B1 - 永久磁石型回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】接着剤による空隙の作る磁気抵抗をなくし、平均出力トルクを向上させることができ、なおかつ円筒形のヨークに比べてトルクリプルを抑制することができる永久磁石型回転電機を提供する。
【解決手段】この発明に係る永久磁石型回転電機は、電機子と、電機子の外周側に空隙を介して設けられる界磁と、を備える永久磁石型回転電機において、界磁は、磁極数分の永久磁石と、永久磁石外周に設けられるヨークと、を備え、ヨークの永久磁石の背面に、所定の周方向幅の空隙が設けられることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

この発明は、界磁が電機子の外周側に配置され、界磁石の構造に特徴がある永久磁石型回転電機に関する。

従来より、電機子の外周側に配置された界磁に永久磁石を用いたブラシ付き直流モータが公知であり、このようなモータでは、通常ヨークの円筒形の内周面に永久磁石を接着固定している。上記構成のモータにおいて、永久磁石の周縁部からはみ出した接着剤が、内周側に突出することを防ぐため、ケースの機能も兼ねたステータヨークの内周面に環状の溝を設ける永久磁石界磁モータが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００１−２３８３７５号公報（段落番号［０００２］〜［０００７］、図１１等）

近年、あらゆる製品への適用が増えつつある永久磁石型回転電機において、低コスト化・高品質化が求められている傾向にある。

特に、生産台数が多く、構成部品点数の多い自動車などにおいては、電動パワーステアリング装置、排ガス循環装置などにも永久磁石型回転電機を用いる例が多く、低コスト化や高品質化に対する要求が高い。

また、より安価な製品を得るために、インバータ不要のブラシ付き直流モータを用いる例も多く、その大半が、界磁が電機子の外周側に配置される構成である。

界磁は、複数の永久磁石とヨークとからなる。ヨークは円筒形を成しており、モータケースとしての機能も兼ねて底を有している場合もある。永久磁石とヨークとの固定は、永久磁石の外周面またはヨークの内周側に接着剤を塗布し、両者を圧接することによってなされる。

以上のように接着剤により固定される場合、永久磁石とヨークとに接着剤厚さ分の空隙ができることになり、磁束量の低下、ひいては出力トルクの低下に繋がっていた。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、接着剤による空隙の作る磁気抵抗をなくし、平均出力トルクを向上させることができ、なおかつ円筒形のヨークに比べてトルクリプルを抑制することができる永久磁石型回転電機を提供する。

この発明に係る永久磁石型回転電機は、電機子と、電機子の外周側に空隙を介して設けられる界磁と、を備える永久磁石型回転電機において、
界磁は、
磁極数分の永久磁石と、
永久磁石外周に設けられるヨークと、を備え、
ヨークの永久磁石の背面に、所定の周方向幅の空隙が設けられることを特徴とする。

この発明に係る永久磁石型回転電機は、接着剤による空隙の作る磁気抵抗をなくし、平均出力トルクを向上させることができ、なおかつ円筒形のヨークに比べてトルクリプルを抑制することができる。

実施の形態１を示す図で、永久磁石型回転電機１００の横断面図。 図１のＡ−Ａ断面図。 図２の部分拡大図。 実施の形態１を示す図で、界磁１０の横断面図。 実施の形態１を示す図で、界磁１０の縦断面図。 実施の形態１を示す図で、ヨーク１２と永久磁石１１との配置を示す図。 実施の形態１を示す図で、ヨーク１２が磁極数と同数の瓦状セグメントで形成される場合のヨーク１２と永久磁石１１との配置を示す斜視図。 実施の形態１を示す図で、上下端部を残して磁極数と同数のスリットが設けられる円筒状のヨーク１２と永久磁石１１との配置を示す斜視図。 実施の形態１を示す図で、電機子２０の横断面図。 実施の形態１を示す図で、ヨーク空隙あり・ヨーク空隙なしのトルク波形を示す図。 実施の形態１を示す図で、ヨーク空隙の周方向幅Ｌと平均トルク（ヨーク空隙なしを基準とした場合）との関係を示す図。 実施の形態１を示す図で、変形例１の永久磁石型回転電機２００の横断面図（進み位相角ゼロの例）。 図１２の部分拡大図。 実施の形態１を示す図で、変形例１の永久磁石型回転電機２００の横断面図（進み位相角ありの例（ブラシ位置をずらして位相角設定））。 実施の形態１を示す図で、変形例１の永久磁石型回転電機２００の横断面図（進み位相角ありの例（コミンテータ位置をずらして位相角設定））。 実施の形態１を示す図で、コンミテータ２６の各セグメントと電機子２０の各ティース２４に巻かれる電機子コイル２２とは、１対１で接続されている場合（並列結線）の結線図。 実施の形態１を示す図で、同相の電機子コイル２２、同相のコンミテータ２６のセグメントがそれぞれ直列に結線される場合（直列結線）の結線図。 実施の形態１を示す図で、直列Δ結線の場合の結線図。 実施の形態１を示す図で、並列Δ結線の場合の結線図。 実施の形態１を示す図で、ヨーク空隙なし、進み位相なしを基準にしたときの、ヨーク空隙あり、進み位相あり、ヨーク空隙の位置を磁極中心から通電位相角分ずらす効果（平均トルクの向上）を示す図。

実施の形態１．
図１乃至図６は実施の形態１を示す図で、図１は永久磁石型回転電機１００の断面図、図２は図１のＡ−Ａ断面図、図３は図２の部分拡大図、図４は界磁１０の断面図、図５は界磁１０の縦断面図、図６はヨーク１２と永久磁石１１との配置を示す図である。永久磁石型回転電機１００は、電機子２０と、電機子２０の外周側に空隙３０（図３参照）を介して設けられる界磁１０を備える。界磁１０が固定され、電機子２０が界磁１０の内側で回転する。それ故、界磁１０を固定子、電機子２０をロータと呼ぶ場合もある。また、永久磁石型回転電機１００を単にモータと呼ぶ場合もある。

界磁１０は、ヨーク１２の内側に永久磁石１１が配置され、樹脂１３により一体成形されるものである。極間空隙１１ａ、永久磁石１１背面のヨーク空隙１２ａ（空隙）、ヨーク１２と永久磁石１１の軸方向両端部、及びヨーク１２の外周面に樹脂１３を充填して、界磁１０は一体化される。界磁１０の成形は、ヨーク１２及び永久磁石１１が金型内に配置され、熱可塑性樹脂が射出注入される（インサート成形）。ヨーク１２と永久磁石１１との間に、従来のような接着剤は存在しない。そのため、接着剤厚さ分の空隙による磁束量の低下、出力トルクの低下を抑制できる。

界磁用の永久磁石１１は、１磁極につき１個設けられる。図４の例では、４個の永久磁石１１が周方向に略等間隔に配置される。永久磁石１１には、焼結磁石（フェライト）を用いる。各永久磁石１１は、ロータ（電機子２０）と同心の円弧を持つセグメント磁石であり、ラジアル方向に配向あるいは着磁されている。永久磁石１１の成す角度α（ロータ（電機子２０）中心から見た）は電気角で１３０〜１３５度であり、ロータ（電機子２０）中心から見た角度βが電気角で４５〜５０度の極間空隙１１ａ（図６参照）を持つ。

ヨーク１２は、厚さ（径方向）が２ｍｍの磁性体からなる。ヨーク１２の内周は、永久磁石１１の外周と同心の円弧形状である。

ヨーク１２には、永久磁石１１の背面の所定の箇所に、ヨーク空隙１２ａが形成されている。また、ヨーク１２の極間空隙１１ａに対向する部分は繋がっている。

ヨーク空隙１２ａの周方向の寸法Ｌは、例えば、ヨーク外径（５０ｍｍ）のモータの例では、０＜Ｌ＜４［ｍｍ］である。その理由については、後述する。

図７、図８は実施の形態１を示す図で、図７はヨーク１２が磁極数と同数の瓦状セグメントで形成される場合のヨーク１２と永久磁石１１との配置を示す斜視図、図８は上下端部を残して磁極数と同数のスリットが設けられる円筒状のヨーク１２と永久磁石１１との配置を示す斜視図である。

永久磁石１１の背面の所定の箇所に、ヨーク空隙１２ａが形成される方法には、二つの方法がある。第１の方法は、図７に示すように、ヨーク１２を磁極数と同数の瓦状セグメントで形成し、各瓦状セグメントの間にヨーク空隙１２ａを形成する方法である。

また、第２の方法は、図８に示すように、円筒状のヨーク１２に、上下端部を残して磁極数と同数のスリット１２ｂを設け、スリット１２ｂでヨーク空隙１２ａを構成する方法である。

図８に示す円筒状のヨーク１２の場合は、薄肉の電磁鋼板に複数のスリットを打ち抜き、円筒状に成形後、合わせ部を溶接して成形しても良い。

図９は実施の形態１を示す図で、電機子２０の横断面図である。電機子２０は、電機子鉄心２１と、電機子鉄心２１のスロット２３に収納される電機子コイル２２とを少なくとも備える。電機子鉄心２１は、所定の形状に打ち抜かれた電磁鋼板を、所定枚数積層して形成される。図９に示す電機子鉄心２１は、６個のスロット２３を有する。スロット２３の間の鉄心部を、ティース２４と呼ぶ。尚、図９では、インシュレータ、ブラシ、整流子は図示していない。

図１０は実施の形態１を示す図で、ヨーク空隙あり・ヨーク空隙なしのトルク波形を示す図である。図１０は、横軸が回転角［ｄｅｇ］、縦軸がトルク［Ｎｍ］である。そして、破線がヨーク空隙なしのトルク波形、実線がヨーク空隙あり（Ｌ＝２ｍｍ）のトルク波形を示している。図１０からわかるように、ヨーク空隙１２ａ（Ｌ＝２ｍｍ）を設けることにより、トルクリップルが低減して、平均トルクが向上する。

図１１は実施の形態１を示す図で、ヨーク空隙の周方向幅Ｌと平均トルク（ヨーク空隙なしを基準とした場合）との関係を示す図である。図１１は、横軸がヨーク空隙の周方向幅Ｌ、縦軸が平均トルク（ヨーク空隙なしを基準とした場合）である。図１１からわかるように、横軸がヨーク空隙の周方向幅Ｌが、０＜Ｌ＜４［ｍｍ］の範囲で、平均トルクがヨーク空隙なしの場合よりも向上する。

図１２乃至図１５は実施の形態１を示す図で、図１２は変形例１の永久磁石型回転電機２００の横断面図（進み位相角ゼロの例）、図１３は図１２の部分拡大図、図１４は変形例１の永久磁石型回転電機２００の横断面図（進み位相角ありの例（ブラシ位置をずらして位相角設定））、図１５は変形例１の永久磁石型回転電機２００の横断面図（進み位相角ありの例（コミンテータ位置をずらして位相角設定））である。

図１２に示す変形例１の永久磁石型回転電機２００は、ヨーク１２のヨーク空隙１２ａ−１の形状が、図１の永久磁石型回転電機１００と異なる。永久磁石型回転電機２００のヨーク空隙１２ａ−１の形状は、永久磁石１１側が狭く、外周側が広い、ハの字形状である（図１３も参照）。

ヨーク空隙１２ａ−１の形状をハの字形状にすることで、永久磁石１１近傍の反磁界を小さくすることができ、減磁（例えば、フェライト磁石であれば、低温時）を抑えることができる。

ヨーク空隙１２ａ−１の位置を、磁極中心から通電位相角分ずらした位置に設置することにより、電機子２０（ロータ）が作る磁束の低下を抑えることができ、平均トルクを向上させることができる点について説明する。

先ず、通電位相角についてについて説明する。電機子２０の各相が磁極の極間部に来たときに、印加電圧の絶対値が最大となるような位置を通電位相角ゼロとする。位置関係はブラシ２５、永久磁石１１、コンミテータ２６、及び電機子磁極（ティース２４（図９））の相対的な位置関係によって決まる。ブラシ２５は、永久磁石１１磁石とともに固定子（界磁１０）側に固定され、コンミテータ２６（整流子）はロータ（電機子２０）に固定され、ロータ（電機子２０）の回転とともに回転する。通電位相角ゼロのもっとも簡単な例は、ブラシ２５が磁極間に配置され、コンミテータ２６のセグメント中心とロータコア（電機子鉄心２１）のティース２４中心とが同位置に来る場合である（図１２）。

通電位相角が進み角となるのは、極間から回転方向と逆方向にブラシ２５がずれて取り付けられる場合か（図１４）、ロータ（電機子２０）のティース２４中心に対してコンミテータ２６のセグメント中心が回転方向と同方向にずれて取り付けられる場合がある（図１５）。

図１６乃至図１９は実施の形態１を示す図で、図１６はコンミテータ２６の各セグメントと電機子２０の各ティース２４に巻かれる電機子コイル２２とは、１対１で接続されている場合（並列結線）の結線図、図１７は同相の電機子コイル２２、同相のコンミテータ２６のセグメントがそれぞれ直列に結線される場合（直列結線）の結線図、図１８は直列Δ結線の場合の結線図、図１９は並列Δ結線の場合の結線図である。

コンミテータ２６の各セグメントと電機子２０の各ティース２４に巻かれる電機子コイル２２とは、１対１で接続されている場合（並列結線、図１６）と、同相の電機子コイル２２、同相のコンミテータ２６のセグメントがそれぞれ直列に結線される場合（直列結線、図１７）とがあり、いずれでもよい。図１６、図１７の結線図はＹ結線を示しているが，Δ結線でも良い（図１８、図１９参照）。

図２０は実施の形態１を示す図で、ヨーク空隙なし、進み位相なしを基準にしたときの、ヨーク空隙あり、進み位相あり、ヨーク空隙の位置を磁極中心から通電位相角分ずらす効果（平均トルクの向上）を示す図である。

図２０に示すように、ヨーク空隙１２ａ−１の位置を、磁極中心から通電位相角分ずらした位置にすることで、電機子２０（ロータ）が作る磁束の低下を抑えることができ、平均トルクを向上させることができる。

以上のように、本実施の形態の永久磁石型回転電機１００，２００は、以下に示す効果を奏する。
（１）ヨーク１２と永久磁石１１の間に接着層を設けないことで、出力トルクの低下を防ぐことができる。接着層２０μｍの場合、接着層を省くと０．５〜１％向上する。
（２）永久磁石１１の背面にヨーク空隙１２ａ，１２ａ−１を設けることで、トルクリプルが改善することができ、平均トルクが約１％向上する。
（３）極間空隙１１ａ、永久磁石１１背面のヨーク空隙１２ａ、ヨーク１２と永久磁石１１の軸方向両端部、及びヨーク１２の外周面に樹脂１３を充填して、界磁１０は一体化されるので、永久磁石１１の固定を確実にすることができる。
（４）上記構成であってもコギングトルクは増大しない（図１０）。
（５）ヨーク空隙１２ａ−１の形状を、永久磁石１１側を狭くすることで、永久磁石１１近傍の反磁界を小さくすることができ、減磁（例えばフェライト磁石であれば、低温時）を抑えることができる。
（６）ヨーク空隙１２ａ−１の位置を、磁極中心から通電位相角分ずらした位置にすることで、電機子２０（ロータ）が作る磁束の低下を抑えることができ、平均トルクを向上させることができる。

１０ 界磁、１１ 永久磁石、１１ａ 極間空隙、１２ ヨーク、１２ａ ヨーク空隙、１２ａ−１ ヨーク空隙、１２ｂ スリット、１３ 樹脂、２０ 電機子、２１ 電機子鉄心、２２ 電機子コイル、２３ スロット、２４ ティース、２５ ブラシ、２６ コンミテータ、３０ 空隙、１００ 永久磁石型回転電機、２００ 永久磁石型回転電機。

Claims (7)

1. 電機子と、前記電機子の外周側に空隙を介して設けられる界磁と、を備える永久磁石型回転電機において、
   前記界磁は、
   磁極数分の永久磁石と、
   前記永久磁石外周に設けられるヨークと、を備え、
   前記ヨークの前記永久磁石の背面に、所定の周方向幅の空隙が設けられ、
   前記空隙の位置は、磁極の中心位置から通電位相角と同角度だけ、回転方向と逆方向にずらして配置されることを特徴とする永久磁石型回転電機。
2. 前記ヨークは、磁極数と同数の円弧状セグメントからなり、各円弧状セグメントの間に前記空隙が形成されることを特徴とする請求項１記載の永久磁石型回転電機。
3. 前記ヨークは、円筒形状を成し、上下端部を残して所定の周方向幅のスリットが設けられ、前記スリットが前記空隙を構成することを特徴とする請求項１記載の永久磁石型回転電機。
4. 前記空隙の周方向幅Ｌは、０＜Ｌ＜４［ｍｍ］の範囲にあることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の永久磁石型回転電機。
5. 前記空隙、前記永久磁石の間の極間部、並びに前記永久磁石及び前記ヨークの上下端部に樹脂が充填されることを特徴とする請求項１乃至４いずれかに記載の永久磁石型回転電機。
6. 前記空隙は、内周側の周方向幅が狭く、外周側の周方向幅が広くなっていることを特徴とする請求項１乃至５いずれかに記載の永久磁石型回転電機。
7. 前記電機子は、コンミテータと、給電ブラシとを備え、
   前記永久磁石と前記給電ブラシ、もしくは電機子磁極中心とコンミテータセグメント中心との配置を変更することにより、前記通電位相角を作ることを特徴とする請求項１記載の永久磁石型回転電機。

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