JP4877581B2 - 永久磁石形モータ - Google Patents

Description

本発明は、例えば工作機あるいは半導体製造設備などのＦＡ分野で使用される永久磁石形モータに関し、特にその回転子構造に関するものである。

従来、例えば工作機あるいは半導体製造設備などのＦＡ分野で使用される永久磁石形モータは図６、７、８のような構成をしている（例えば、特許文献１参照）。
図６は第１従来技術を示す永久磁石形モータの正断面図、図７は図６における永久磁石形モータの回転子と固定子の要部を示した側断面図である。
図６、図７において、１１は固定子鉄心であり、１２は電機子巻線である。電機子巻線１２は固定子鉄心１１の内周面に固着され、固定子鉄心１１と電機子巻線１２により固定子１０を形成している。２１は積層の電磁鋼板あるいは鉄塊材より形成してなる回転子鉄心、２２は永久磁石である。３０は空隙であり、４０は回転軸である。永久磁石２２は回転子鉄心２１の外周面に固着され、回転子鉄心２１と永久磁石２２と回転軸４０により回転子２０を形成している。回転子２０は固定子１０の内部に空隙３０を介して対向するように配置されている。図７に示される回転軸４０の両側には図示しない軸受を設け、また、固定子鉄心１１の両端には該軸受と対向する位置に図示しないフレームに嵌合してなるブラケット（不図示）を設けると共に、該ブラケットにより、軸受を介して回転自在に回転軸４０を支承している。
次に上記のように構成された永久磁石形モータの動作について説明する。
該永久磁石形モータは、電機子巻線１２に交流電流を流すことにより、固定子１０の内部に回転磁界が発生し、この回転磁界と永久磁石２２の作る磁界の相互作用により、回転子２０が回転する。
図６、７で示した永久磁石形モータは、いわゆるスロットレスモータと呼称されているモータであり、いわゆるスロット付きモータと異なり、固定子鉄心１１にティース及びスロットを有していないため、理論的にコギングトルクが発生せず、非常に滑らかに回転するという利点を有する。
しかしながら、永久磁石形モータは以下の問題があった。
（１）近年、永久磁石形モータの構造として、回転子中央に大きな中空穴径を有する中空構造が要求されることが多い。モータ外径を大きくすることなく、モータ中央に大きな中空穴を確保するためには、モータ分の径方向の厚みを薄くする必要があり、それに伴い必然的に磁石の径方向の厚みを薄肉化する必要がある。しかしながら、磁石を薄肉化するとモータ空隙部の磁束密度が低下し、電機子巻線に鎖交する磁束量が減少するためトルクが減少するという問題がある。
（２）また、別の要求として、モータを軸方向に短くする構造が採られることも多い。図８はモータの軸方向長さを短くした場合の磁束の流れを模式的に示した説明図であるが、モータを軸方向に短くすると、図８に示すように、永久磁石から出る磁束が軸方向に拡がり、その多くは電機子巻線と鎖交しない漏れ磁束となる。その結果として、モータ空隙部の磁束密度が低下し、モータの発生するトルクが低下してしまうという問題がある。

そこで、上記（１）の、薄肉の永久磁石を用いたことによるモータトルクの低下という問題を解決するための一方法が、特許文献２に示されている。
図９は第２従来技術を示す永久磁石形モータの正断面図である。
図９において、１０は固定子、１１は固定子鉄心、１２は電機子巻線、２０は回転子、２１は回転子鉄心、２２は主永久磁石、２３は補助永久磁石である。
該永久磁石形モータは、径方向に磁化方向を向けた主永久磁石２２の間に円周方向に磁化方向を向けた補助永久磁石２３を配置し、主永久磁石２２と補助永久磁石２３の角度幅を最適化することにより、薄肉の永久磁石を用いた場合でも高トルクを実現している。

また、上記（２）の、軸方向の漏れ磁束によるモータトルクの低下という問題を解決するための一方法が、特許文献３に示されている。
図１０は第３従来技術を示す永久磁石形モータの側断面図、図１１は図１０の永久磁石形モータの正断面図である。
該永久磁石形モータにおいて、１０は固定子、２０は回転子、４０は回転軸、２２は主永久磁石、２３は補助永久磁石、２５は非磁性円筒、２６は継鉄、２７は側板である。
該永久磁石形モータは、回転子２０をいわゆる埋込磁石形回転子とし、隣接する主永久磁石間２２に継鉄２６を挟み、かつ継鉄２６の軸方向側面に補助永久磁石２３を配置することにより、軸方向の漏れ磁束を抑制して高トルクを実現している。
特開平１１−２３４９８９（明細書第３頁、図１） 特開２００４−１５９０６（明細書第５頁、図１） 実用新案登録 第２５３０９４０号（明細書第３頁、図１）

しかしながら、特許文献２に示された永久磁石形モータには、以下に示すような問題がある。
すなわち、磁気回路をモータの横断面の２次元平面内だけを使っているので、大きな中空穴径を設けた場合のように、モータ分の厚みに厳しい制限がある場合には永久磁石の径方向の磁石厚を極薄にしなければならない。径方向の磁石厚みが薄くなると空隙部の磁束密度が低下し、電機子巻線に鎖交する磁束量が減るためトルクが減少する。
また、磁石の厚みが薄くなると磁石のパーミアンス係数が小さくなり、磁石の動作点が低くなるため、大電流を通電するときに磁石の不可逆減磁が発生する恐れがある。
従って、モータ最大電流に制限を設定する必要が生じ、最大トルクが小さくなる。また、軸方向からの漏れ磁束に対して何ら対策が取られていないため、モータを軸方向に短くした場合には、磁石端部からの漏れ磁束が多くなり、その結果として空隙部の磁束密度が低くなるため、モータトルクが低下するという問題がある。
一方、特許文献３に示された永久磁石形モータは、上記の漏れ磁束の問題は解決しているものの、いわゆる埋込磁石形回転子構造をとっており、磁石間に継鉄を配置しているので、回転子中央に大きな中空穴径を確保することができないという問題がある。

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、回転子中央に大きな中空穴径を確保した場合などのように、モータの永久磁石が極薄形状となった場合でも高トルクが実現でき、かつ磁石の不可逆減磁が発生し難く、さらにはモータの軸方向の長さを短くした場合でも軸方向の漏れ磁束を抑制して高トルクを実現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ものである。

請求項１に記載の発明は、固定子鉄心と前記固定子鉄心の内側に巻装された電機子巻線を有する固定子と、前記固定子の内側に空隙を介して対向配置されると共に、筒状部材と前記筒状部材の外周表面に固着された複数の主永久磁石を有する回転子と、を備えた永久磁石形モータにおいて、前記筒状部材は非磁性材料で構成されており、前記主永久磁石の磁極は、磁化方向が前記回転子の周方向を向くように配列し、かつ、同磁極同士が互いに向き合うように配列されており、前記主永久磁石の軸方向の両側面には、磁化方向が前記回転子の軸方向を向くように配列してなる複数の補助永久磁石を設けてあり、前記補助永久磁石の磁極の中心は、前記主永久磁石の隣り合う磁極の境界に合わせるように配列し、かつ、前記補助永久磁石の磁極が前記主永久磁石の磁極と同じ磁極に向き合うように配列しており、前記補助永久磁石の軸方向端面に軟磁性リングを固着したことを特徴としている。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の永久磁石形モータにおいて、前記主永久磁石と前記補助永久磁石の同磁極同士が一点で放射状に向き合うように配列してあることを特徴としている。

請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の永久磁石形モータにおいて、前記軟磁性リングは、焼結軟磁性材料または圧粉磁心材料で形成されていることを特徴としている。

請求項１に記載の発明によると、主永久磁石の磁化方向を周方向として同磁極同士を向き合わせて配列し、さらに主永久磁石の軸方向の両側面に、補助永久磁石の磁化方向を軸方向を向けて前記主永久磁石と同極となるように密着させているため、半径方向には薄い永久磁石を使った場合にも、等価的に磁石厚みが極めて厚くなるため、磁石のパーミアンス係数が大きくなり、磁石の動作点が高くなる。従って、磁石の不可逆減磁が起きにくくなるため、モータ最大電流の上限値が上がるため、最大トルクを大きくすることができる。従って、モータの回転子中央に大きな中空穴径を確保した場合でも高トルクが実現できる。

請求項２に記載の発明によると、請求項１に記載の永久磁石形モータにおいて、前記主永久磁石と前記補助永久磁石の同磁極同士が一点で放射状に向き合うように配置しているため、中心部の磁束密度を極めて高くすることができるため、モータのトルクをさらに大きくすることができる。従って、モータの回転子中央に大きな中空穴径を確保した場合でも高トルクが実現できる。

請求項３に記載の発明によると、補助永久磁石の軸方向端面に固着する軟磁性リングを焼結軟磁性材料または圧粉磁心材料で形成しているため、リングに発生する渦電流損失を極めて小さくすることができる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図１は、本発明の第１実施例を示す永久磁石形モータの側断面図であって、回転子と固定子の要部を説明したものである。図２は、図１の永久磁石形モータにおける回転子の斜視図である。なお、本発明の構成要素が従来技術と同じものついてはその説明を省略し、異なる点について説明する。
図１において、２２は主永久磁石、２３は補助永久磁石、２４は軟磁性リング、４１は中空穴である。ここで。図１に示される回転子鉄心２１の両側には図示しない軸受が設置されており、また、固定子鉄心１１の両側には該軸受と対向する位置に図示しないフレームに嵌合してなるブラケット（不図示）が設置されている。該ブラケットにより、軸受を介して回転自在に回転子２０を支承している。
本発明が従来技術と異なる点は、主永久磁石２２の磁極が、磁化方向が回転子２０の径方向を向くように配列してあり、主永久磁石２２の軸方向の両側面には、磁化方向が回転子２０の軸方向を向くように配列してなる複数の補助永久磁石２３を設けてあり、補助永久磁石２３の軸方向端面に軟磁性リング２４を固着した点である。
すなわち、回転子２０は回転子鉄心２１と主永久磁石２２と補助永久磁石２３とより構成されており、主永久磁石２２の外周面側がＮ極の場合は補助永久磁石２３のＮ極を主永久磁石２２の方に向かせてあり、主永久磁石の外周面図側がＳ極の場合は補助永久磁石２３のＳ極を主永久磁石２２の方に向かせて、かつ主永久磁石２２に密着するように固定している。

次に上記のように構成された永久磁石形モータの動作について説明する。
電機子巻線１２に交流電流を流すことにより、固定子１０の内部に回転磁界が発生し、この回転磁界と永久磁石２２の作る磁界の相互作用により、回転子２０が回転する。この点は従来技術と同様である。
次に本発明で新たに追加している補助永久磁石２３と軟磁性リング２４について詳しく説明する。補助永久磁石２３は主永久磁石２２の軸方向の両側面に設置され、主永久磁石２２と密着するように固定されている。補助永久磁石の磁化方向は以下のようにする。即ち、主永久磁石２２の外周面側がＮ極のときは補助永久磁石２３のＮ極が主永久磁石側になるようにする。逆に主永久磁石２２の外周面側がＳ極のときは補助永久磁石２３のＳ極が主永久磁石側になるようにする。
その動作は、図３に示すようになる。図３は、第１実施例における補助永久磁石の働きによる磁束の流れを示す模式図である。
すなわち、補助永久磁石２３が主永久磁石２２と磁化方向が垂直にかつ補助永久磁石２３の磁化方向が主永久磁石２２中の磁束の流れに結合するように向いているため、補助永久磁石２３から出る磁束は主永久磁石２３中を通過し、主永久磁石２２の端部の磁束線と連結することになり、その磁束線は電機子巻線と鎖交し、固定子鉄心へと流れ、隣の主永久磁石２２中を通って隣の補助永久磁石２３に入り、軟磁性リング２４を通って元の補助永久磁石２３に戻る。
第１実施例は上記構成にしたので、補助永久磁石２３の磁束線が主永久磁石２２の端部の磁束線と連結することにより等価的に主永久磁石２２の磁石厚が増大したことになる。主永久磁石２２の磁石厚が等価的に厚くなることにより、漏れ磁束が減少し、有効磁束が増加し、同時に空隙の磁束密度を増加させることができる。従って、トルクを増大させることができる。

図４は、本発明の第２実施例を示す永久磁石形モータの回転子の斜視図である。なお、第２実施例の構成要素が従来技術、第１実施例と同じものついてはその説明を省略し、異なる点について説明する。
図において、２８は筒状部材である。
第２実施例が第１実施例と異なる点は、回転子鉄心に飼えて筒状部材２８を設けると共に、該筒状部材２８が非磁性材料で構成されており、また、主永久磁石２２の磁極は、磁化方向が回転子２０の周方向を向くように配列し、かつ、同磁極同士が互いに向き合うように配列されている点である。
さらに、主永久磁石２２の軸方向の両側面には、磁化方向が回転子２０の軸方向を向くように配列してなる複数の補助永久磁石２３を設けてあり、この補助永久磁石２３の磁極の中心は、主永久磁石２２の隣り合う磁極の境界に合わせるように配列し、かつ、補助永久磁石２３の磁極が主永久磁石２２の磁極と同じ磁極に向き合うように配列してある。
次に、上記のように構成された第２実施例の永久磁石形モータの動作について説明する。
電機子巻線１２に交流電流を流すことにより、固定子１０の内部に回転磁界が発生し、この回転磁界と永久磁石２２の作る磁界の相互作用により、回転子２０が回転する。この点は第１実施例と同様である。次に主永久磁石２２と補助永久磁石２３の作用について説明する。主永久磁石２２は、磁化方向を周方向として同磁極同士を向き合わせて配列している。同磁極同士を向き合わせているため、磁石から出る磁束はその境界にて衝突し、上下方向に曲がって、隣接磁石の境界線近傍から外部に磁束が流れ出す。ただし、磁石下部の筒状部材２８の材質を非磁性材料としているため、磁石下部への磁束の流出はほとんど無く、大部分が空隙３０を通過して、固定子鉄心１１に入る。以上のように、隣接する主永久磁石２２の境界部が、見かけ上回転子としての磁極となるのである。補助永久磁石２３の中心を、主永久磁石２２の境界に合わせているのは、境界部が見かけ上の磁極となっているためである。補助永久磁石２３の作用としては、第１実施例で説明したことと同等である。
第２実施例は上記構成にしたので、主永久磁石２２の軸方向側面から直角方向に磁束を衝突させ、等価的に主永久磁石２２の磁石厚みを厚くする効果がある。主永久磁石２２の磁石厚が等価的に厚くなることにより、漏れ磁束が減少し、有効磁束が増加し、同時に空隙の磁束密度を増加させることができ、その結果、トルクを増大させることができる。
また、主永久磁石２２の磁化方向を周方向に向けているため、主永久磁石２２単独での磁石厚みも径方向の場合と比較して格段に厚くなり、磁石のパーミアンス係数が大きくなり、磁石の動作点が高くなる。その結果、磁石の不可逆減磁が起きにくくなるため、モータ最大電流の上限値が上がり、最大トルクを大きくすることができる。

図５は、本発明の第３実施例を示す永久磁石形モータの回転子の斜視図である。なお、第３実施例の構成要素は第２実施例と同じであるため、その説明を省略する。
第３実施例が第２実施例と異なる点は、主永久磁石２２と補助永久磁石２３の同磁極同士が一点で放射状に向き合うように配置している点である。ここで、動作についても第２実施例と同じなため、説明を省略する。
第３実施例は上記構成にしたので、主永久磁石と補助永久磁石の同磁極同士が一点で放射状に向き合うように配置することで、中心部の磁束密度を極めて高くすることができ、モータのトルクをさらに大きくすることができる。

最後に、上記の三つの実施例で用いた軟磁性リングの材質について説明する。
補助永久磁石２３の軸方向端面に密着して固着させる軟磁性リングは、隣接する補助永久磁石同士の磁気回路を連結させるためのものであるため、軟磁性材料である必要があることは当然であるが、より望ましくは焼結軟磁性材料または圧粉磁心材料で形成することが望ましい。なぜならば、通常永久磁石形モータは、ＰＷＭ駆動されるモータ駆動装置で駆動されることが、一般的である。その場合、回転子表面に、固有抵抗の小さい物体があると、ＰＷＭ駆動時に発生する高調波電流により、物体内部に渦電流損失が発生する。その結果として、モータの温度上昇が高くなり、モータの出力が大きく出来ないという問題が発生する。軟磁性リングの材質として、焼結軟磁性材料または圧粉磁心材料を用いれば、それらは固有抵抗が非常に大きいため、リング内部に発生する渦電流損失を極めて小さくすることができる。
なお、上記の実施例の説明及び図として、いわゆるスロットレス形の固定子にて説明しているが、本発明は、主に回転子の構造に関わる発明であるため、スロットレス形固定子に限らず、いわゆるスロット付き形固定子を用いても同様の効果があることは、勿論である。

本発明の永久磁石形モータによれば、大きな中空穴径が確保できるため、その中空穴の空間を有効利用することができ、例えば中空穴に減速機を配置することができるため減速機一体形アクチュエータにも適用できる。

本発明の第１実施例を示す永久磁石形モータの側断面図であって、回転子と固定子の要部を説明したものである。 図１の永久磁石形モータにおける回転子の斜視図である。 第１実施例における補助永久磁石の働きによる磁束の流れを示す模式図である。 本発明の第２実施例を示す永久磁石形モータの回転子の斜視図である。 本発明の第３実施例を示す永久磁石形モータの回転子の斜視図である。 第１従来技術を示す永久磁石形モータの正断面図である。 図６の永久磁石形モータにおける回転子と固定子の要部を示した側断面図である。 モータの軸方向長さを短くした場合の磁束の流れを模式的に示した説明図である。 第２従来技術を示す永久磁石形モータの正断面図である。 第３従来技術を示す永久磁石形モータの側断面図である。 図１０の永久磁石形モータの正断面図である。

符号の説明

１０ 固定子
１１ 固定子鉄心
１２ 電機子巻線
２０ 回転子
２１ 回転子鉄心
２２ 永久磁石、主永久磁石
２３ 補助永久磁石
２４ 軟磁性リング
２５ 非磁性円筒
２６ 継鉄
２７ 側板
２８ 筒状部材
３０ 空隙
４０ 回転軸
４１ 中空穴
５１ 有効磁束
５２ 漏れ磁束

Claims (3)

1. 固定子鉄心と前記固定子鉄心の内側に巻装された電機子巻線を有する固定子と、
   前記固定子の内側に空隙を介して対向配置されると共に、筒状部材と前記筒状部材の外周
   表面に固着された複数の主永久磁石を有する回転子と、
   を備えた永久磁石形モータにおいて、
   前記筒状部材は非磁性材料で構成されており、
   前記主永久磁石は、磁化方向が前記回転子の周方向を向くように配列され、かつ、同磁極同士が互いに向き合うように配列されており、
   前記主永久磁石の軸方向の両側面には、磁化方向が前記回転子の軸方向を向くように配列してなる複数の補助永久磁石を設けてあり、
   前記補助永久磁石の磁極の中心は、前記主永久磁石の隣り合う磁極の境界に合わせるように配列し、かつ、前記補助永久磁石の磁極が前記主永久磁石の磁極と同じ磁極に向き合うように配列しており、
   前記補助永久磁石の軸方向端面に軟磁性リングを固着したことを特徴とする永久磁石形モータ。
2. 前記主永久磁石と前記補助永久磁石の同磁極同士が一点で放射状に向き合うように配列してあることを特徴とする請求項１に記載の永久磁石形モータ。
3. 前記軟磁性リングは、焼結軟磁性材料または圧粉磁心材料で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の永久磁石形モータ。

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