JP5014364B2 - 永久磁石型モータの回転子 - Google Patents

Description

この発明は、電気掃除機やエアータオルなどに用いられる高速回転で駆動する永久磁石型モータの回転子に関する。

従来、家庭用電気機器等に用いられる永久磁石型モータは、回転軸に固定され外周付近に複数の穴を有する回転子鉄心と、回転子鉄心の穴に埋め込まれた永久磁石を有する回転子と、スロット部に巻線を施した固定子とから構成され、永久磁石の保持のため、回転子鉄心の端面または永久磁石の端面に接した合成樹脂からなる永久磁石保持板を回転軸に熱溶着にて固定し、永久磁石保持板の端面に設けた穴または凹部または凸部を基準位置として外周面切削中心位置を割り出し、回転子鉄心および永久磁石保持板の外周面を切削しバランス調整を行ことにより、永久磁石保持板を有する永久磁石型モータの軽量化を図り、回転子のバランス調整を自動化して生産性の向上、低コスト化を図った永久磁石型モータが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００２−１４２３９２号

しかしながら、上記特許文献１に記載された永久磁石型モータは、回転子鉄心および永久磁石保持板の外周面を切削することで回転子のバランス調整を行っていたので、回転子鉄心を切削することになり、回転子鉄心の強度が低下する。そのため超高速回転で回転子が駆動した場合、回転子鉄心に大きな遠心力が作用し、回転子が破壊する場合があるという課題があった。

また、回転子のバランス調整時には、回転子外周面と永久磁石との間の厚みが最大となる角度方向の位置、即ち、極中心部の回転子鉄心位置の外周面を切削していた。そのため、エアギャップ（固定子と回転子との間の空隙）が増加して磁力が低減し、効率が悪化するという課題があった。

この発明は、上記のよう課題を解決するためになされたもので、回転子鉄心を切削せずに回転子のバランス調整を行うことで、効率の低下がなく回転子強度を確保でき、超高速回転に耐え得る高速回転用の永久磁石型モータの回転子を提供することを目的とする。

この発明に係る永久磁石型モータの回転子は、所定の形状に打ち抜かれた電磁鋼板を所定の枚数積層して構成される回転子鉄心と、
回転子鉄心の外周面付近に軸方向に貫通するように設けられるとともに、周方向に略等間隔に配置され、磁石挿入部と、磁石挿入部の両側に、磁石挿入部に連結する磁石固定部とを有する複数の略逆凹形状の磁石挿入孔と、
磁石挿入部に挿入され、径方向の長さが磁石挿入部の径方向の長さより短い永久磁石と、
回転子鉄心の軸方向両端面に配置されるバランス調整板と、
バランス調整板の外周を覆うとともに、永久磁石と磁石挿入部との間及び磁石固定部に埋め込まれ、回転子鉄心、永久磁石及びバランス調整板を一体化する樹脂と、を備え、
樹脂とバランス調整板を切削することで当該回転子のバランス調整を行うものである。

この発明に係る永久磁石型モータの回転子は、回転子鉄心の軸方向両端面に配置されるバランス調整板と、バランス調整板の外周を覆うとともに、永久磁石と磁石挿入部との間及び磁石固定部に埋め込まれ、回転子鉄心、永久磁石及びバランス調整板を一体化する樹脂とを備え、樹脂とバランス調整板を切削することで当該回転子のバランス調整を行うようにしたので、回転子鉄心及び永久磁石を切削せずに回転子のバランス調整を行うことができ、効率を低下させることなく回転子の強度を確保でき、超高速回転に耐え得る高速回転用の永久磁石型モータの回転子が得られる。

実施の形態１を示す図で、永久磁石型モータ３００の横断面図。 実施の形態１を示す図で、図１の部分拡大図。 実施の形態１を示す図で、永久磁石型モータ３００の固定子２００の横断面図。 実施の形態１を示す図で、固定子鉄心１５の横断面図。 実施の形態１を示す図で、永久磁石型モータ３００の回転子１００の縦断面図。 実施の形態１を示す図で、図５のＸ−Ｘ線断面図。 実施の形態１を示す図で、回転子鉄心１の横断面図。 実施の形態１を示す図で、回転子鉄心１の磁石挿入孔５の拡大横断面図。 実施の形態１を示す図で、磁石挿入孔５に永久磁石２を挿入した状態（樹脂４注入前）を示す部分拡大図。 実施の形態１を示す図で、図６のＹ−Ｙ線断面図。 実施の形態１を示す図で、変形例の回転子１１０の縦断面図。 実施の形態１を示す図で、磁石挿入孔５に樹脂４注入後の部分拡大図。 実施の形態１を示す図で、永久磁石型モータ３００の回転子１００の平面図。 実施の形態１を示す図で、永久磁石型モータ３００の回転子１００の底面図。 実施の形態１を示す図で、変形例のバランス調整板の断面図。

実施の形態１．
図１乃至図１５は実施の形態を示す図で、図１は永久磁石型モータ３００の横断面図、図２は図１の部分拡大図、図３は永久磁石型モータ３００の固定子２００の横断面図、図４は固定子鉄心１５の横断面図、図５は永久磁石型モータ３００の回転子１００の縦断面図、図６は図５のＸ−Ｘ線断面図、図７は回転子鉄心１の横断面図、図８は回転子鉄心１の磁石挿入孔５の拡大横断面図、図９は磁石挿入孔５に永久磁石２を挿入した状態（樹脂４注入前）を示す部分拡大図、図１０は図６のＹ−Ｙ線断面図、図１１は変形例の回転子１１０の縦断面図、図１２は磁石挿入孔５に樹脂４注入後の部分拡大図、図１３は永久磁石型モータ３００の回転子１００の平面図、図１４は永久磁石型モータ３００の回転子１００の底面図、図１５は変形例のバランス調整板の断面図である。

図１乃至図１５により、永久磁石型モータ３００の構成を説明する。

図１に示すように、永久磁石型モータ３００（ブラシレスＤＣモータ）は、固定子２００と、永久磁石埋め込み型回転子である回転子１００とを備える。図中に示す一点鎖線は、後述するバランス調整板３ａ，３ｂの外径を示す。

固定子２００の内側に、空隙２１（空間、図２参照）を介して回転子１００が、固定子２００と略同心に配置される。

回転子１００と固定子２００との間の空隙２１は、例えば、径方向幅が０．３〜１．０ｍｍ程度であり、一例では、０．５ｍｍである。

先ず、永久磁石型モータ３００の固定子２００について、図３、図４を参照しながら説明する。固定子２００は、図３に示すように、少なくとも固定子鉄心１５と、巻線１７とを備える。巻線１７は、図示しない絶縁部材を介して固定子鉄心１５のスロット２２に収納される。

図示はしないが、巻線１７は、例えば分布巻方式の三相Ｙ結線である。但し、巻線方式は分布巻やＹ結線に限定されない。巻線方式は集中巻でもよいし、結線はΔ結線でもよい。

図４に示すように、固定子鉄心１５には、リング状のコアバック１８と、このコアバック１８から内側（固定子鉄心１５の中心側）に向かって放射状に形成され、周方向に略等間隔に配置される６個のティース１６とが形成されている。

隣接する二つのティース１６間の空間をスロット２２と呼ぶ。スロット２２も周方向に略等間隔に配置される。スロット２２の数は、ティース１６の数と同じ６個である。

ティース１６は、コアバック１８側から内側に向かって略平行の形状を有している。そのため、二つのティース１６間に形成されるスロット２２は、周方向の長さがその内周側よりもコアバック１８側が長くなる。

ティース１６の先端部１６ａ（内径側）は、両端が周方向に広がるような円弧状をなしている。但し、円弧状でなくてもよく、例えば、直線状でもよい。

ティース１６の先端部１６ａの周方向端部は、隣接するティース１６の先端部１６ａの周方向端部と空間を介して対向している。この空間をスロットオープニング２２ａと呼ぶ。

スロットオープニング２２ａから、巻線１７が絶縁（図示せず）が施されたスロット２２に挿入される。

固定子鉄心１５は、厚さ０．２〜０．５ｍｍ程度の薄い電磁鋼板を一枚一枚所定の形状に打ち抜いて、所定の枚数を積層することで構成される。固定子鉄心１５は、積層後カシメ、溶接等により一体化される。電磁鋼板は、一例では、０．２７ｍｍのものを用いている。

図５〜図１０により永久磁石型モータ３００の回転子１００の構成の一例を説明する。図５に示すように、回転子１００は、少なくとも円筒状で中央部に軸孔１１を有する回転子鉄心１と、平板状の永久磁石２（軸方向の長さは、回転子鉄心１の軸方向の長さと略同一）と、回転子鉄心１の軸方向両端面に配置されるバランス調整板３ａ，３ｂと、回転子鉄心１と永久磁石２とバランス調整板３ａ，３ｂとを結合する樹脂４とを備える。

円筒状の回転子鉄心１は、厚さ０．２〜０．５ｍｍ程度の薄い電磁鋼板を一枚一枚所定の形状に打ち抜いて所定の枚数を積層することで構成される。

図６、図７に示すように、回転子鉄心１には、周方向に略等間隔に配置され、外周面付近に軸方向に貫通する６個の略逆凹形状（コ字状）の磁石挿入孔５が設けられる。ここで、逆凹形状とは、その凹部が軸孔１１方向を向いていることをいう。略逆凹形状の磁石挿入孔５の長手方向が、回転子鉄心１の略周方向に一致する。

隣接する、磁石挿入孔５と連結した磁石固定穴６の間（極間部）に形成される鉄部分を、薄肉鉄心部９とする。

図６の寸法Ａ，Ｂについては、後述する。

図７、図８に示すように、磁石挿入孔５は、永久磁石２（図８では破線で示している）を挿入する磁石挿入部５ａが中央部にあり、磁石挿入部５ａの両側（長手方向（回転子鉄心１では周方向）の両端）に、磁石挿入部５ａに連結する磁石固定部５ｂが形成されている。

図８に示すように、磁石固定部５ｂは、例えば断面が略半円状である。その半円は、磁石挿入孔５の外側（固定子２００側）の直線部Ｄと回転子鉄心１の内側で接する円Ｃの一部である。円Ｃの直径は、磁石挿入孔５の径方向の長さより長い。

断面が略半円状の磁石固定部５ｂは、一例であり、この形状に限定されるものではない。

磁石固定部５ｂは、磁石挿入部５ａよりも軸孔１１側に延びている。磁石固定部５ｂの半円の円弧部と直線部Ｅとは円弧で結ばれている。

既に述べたように、磁石挿入部５ａと、二つの磁石固定部５ｂとで略逆凹形状（コ字状）を形成する。

図９に示すように、磁石挿入孔５の磁石挿入部５ａに、磁石挿入部５ａの短手方向（径方向）の長さよりも短い厚さの平板状の永久磁石２が挿入される。磁石挿入孔５と永久磁石２と間には、永久磁石２の内側（軸孔１１側）に径方向の隙間Ｇが形成される。

磁石挿入孔５と永久磁石２と間で、永久磁石２の内側（軸孔１１側）に径方向の形成される隙間Ｇに、樹脂４が注入される。この点については、後述する。

この段階では永久磁石２には、磁力がなく、無着磁の状態となっている。永久磁石２は最終工程で着磁され、２極の回転子１００が構成される。

即ち、６枚の永久磁石２の内、３枚の永久磁石２でＮ極を形成し、残り３枚でＳ極を形成するように着磁される（図６を参照）。なお、磁石挿入孔５の数（６個）は、一例であり、これに限定されない。１極を構成する永久磁石２の枚数は、任意でよい。

このように、１極の永久磁石２を分割する理由は、以下の通りである。永久磁石２を磁石挿入孔５に埋め込む回転子１００では、高速回転時の永久磁石３及び磁石挿入孔５の外側の鉄心部分に作用する遠心力による応力が、磁石挿入孔５に連結した磁石固定穴６の周方向端部に集中する。

このような場合に、１極の永久磁石２を分割して１枚あたりの磁石サイズを小さくすることで遠心力を低減し、遠心力による応力を低減することができる。

高速回転とは、例えば、６×１０^４ｒｐｍ（回転数／分）程度の速度をいう。

１極の永久磁石２の分割数は、多いほど磁石挿入孔５と連結した磁石固定穴６の周方向端部に集中する応力を低減することができるが、分割数が多いと１極の永久磁石２自身及び永久磁石３同士の磁束の漏れが多くなるので、分割数には限度がある。

平板状の永久磁石２は、磁力の強い希土類永久磁石が好ましい。希土類永久磁石は、例えば、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ（ネオジ、鉄、ホウ素）焼結磁石である。但し、他のフェライト磁石等でもよい。

図５、図１０に示すように、回転子鉄心１の軸方向両端面には、バランス調整板３ａ，３ｂが配置される。但し、図１０はバランス調整板３ａを示している。バランス調整板３ｂは図示していない。

バランス調整板３ａ，３ｂの外径寸法Ａは、磁石挿入孔５の外周部寸法Ｂよりも内側になるように配置することで、回転子鉄心１の端面における永久磁石２の漏れ磁束を抑制しつつ、回転子鉄心１と永久磁石２とバランス調整板３ａ，３ｂとを結合する樹脂４の注入を可能にしている。

樹脂４は、回転子鉄心１の軸方向端面から永久磁石２が挿入された磁石挿入孔５に注入される。そのため、バランス調整板３ａ，３ｂの外径寸法Ａは、磁石挿入孔５の外周部寸法Ｂよりも内側になるように配置される。

バランス調整板３ａ，３ｂは，回転子鉄心１と同じ素材の積層電磁鋼板で構成される。このように，バランス調整板３ａ，３ｂと回転子鉄心１を同一素材で構成することで，回転子鉄心１、及びバランス調整板３ａ，３ｂを順送金型プレス内で打ち抜いてカシメ積層して一体構造で得ることができ、別部品を組み合わせる工法と比べ、生産性を向上できる。

勿論，バランス調整板３ａ，３ｂを積層電磁鋼板以外で構成してもよい。この場合，黄銅、ＳＵＳ３０４ステンレスなどの非磁性材で構成することにより、回転子鉄心１の端面の漏れ磁束を一層抑制できる。

図５では、バランス調整板３ａ、３ｂは、同一形状である。但し、バランス調整板３ａ，３ｂは同一形状でなくてもよい。例えば、図１１に示す回転子１１０のように、一方のバランス調整板３ａを磁石挿入孔５の内径部寸法より小さくなるように構成し、他方のバランス調整板３ｃを磁石挿入孔５の内径部寸法より大きくなるよう構成することで、永久磁石２の脱落を防止できる。他方のバランス調整板３ｃの外径寸法Ａ’は、磁石挿入孔５の外周部寸法Ｂよりは小さいが、磁石挿入孔５の内径部寸法より大きい。

樹脂成形型に、例えば、バランス調整板３ｂ又はバランス調整板３ｃ、回転子鉄心１、永久磁石２及びバランス調整板３ａをセットする。このとき、バランス調整板３ｂが一番下に配置され、回転子鉄心１及び永久磁石２がバランス調整板３ｂの上に載り、さらに回転子鉄心１の上にバランス調整板３ａが載る。

バランス調整板３ｂを用いる場合は、永久磁石２は回転子鉄心１の磁石挿入孔５の磁石挿入部５ａに、接着等により仮固定しておく。接着以外には、回転子鉄心１のバランス調整板３ｂ側の端部の少なくとも一枚を、磁石挿入孔５の磁石挿入部５ａの径方向の寸法を永久磁石２の厚さよりも小さくして永久磁石２の落下を防止する方法もある。

次に、バランス調整板３ａの外周部、または、上部より樹脂４を注入して、磁石固定部５ｂ、磁石挿入孔５と永久磁石２の間にできた隙間Ｇ及びバランス調整板３ａ，３ｂ（又はバランス調整板３ａ，３ｃ）の外周部に樹脂４を埋めることで、回転子鉄心１、永久磁石２及びバランス調整板３ａ，３ｂ（又はバランス調整板３ａ，３ｃ）が一体構造になるように固定される。

図１２は、磁石挿入孔５の磁石固定部５ｂ及び磁石挿入孔５と永久磁石２の間にできた隙間Ｇに樹脂４が充填された状態を示している。隙間Ｇを永久磁石２の内側（軸孔１１側）に形成するのは、回転子１００の高速回転による永久磁石２の遠心力が回転子鉄心１の外周部の鉄心部分に作用し、強度の弱い樹脂４に作用しないようにするためである。

上記のように構成することで、回転子鉄心１とバランス調整板３ａ，３ｂを樹脂成形型にセットするときに、樹脂注入口（図示せず）との回転方向の位置決めが不要、若しくは、目視程度の簡単な位置決めで樹脂４の注入が可能となる。

また、回転子鉄心１、バランス調整板３ａ，３ｂ（又はバランス調整板３ａ，３ｃ）を予め圧入や焼嵌、接着などでシャフト（図示せず）と固着した後、樹脂４を注入してもよい。

樹脂４の材質は、例えば、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）、ＰＰ（ポリプロピレン）等である。

回転子１００を樹脂４にて一体構造とした後、バランス調整板３ａ，３ｂ（又はバランス調整板３ａ，３ｃ）の外周部に埋め込まれた樹脂４、及びバランス調整板３ａ，３ｂ（又はバランス調整板３ａ，３ｃ）の端面を適宜切削して回転子１００の重量バランス（回転バランス）を調整する。

バランス調整板３ａ，３ｂ（又はバランス調整板３ａ，３ｃ）の外周部に埋め込まれた樹脂４、及びバランス調整板３ａ，３ｂ（又はバランス調整板３ａ，３ｃ）の端面を切削した部分を、バランス調整用切削部８と呼ぶ。バランス調整用切削部８の形状は、通常は丸穴である。但し、丸穴でなくてもよい。

図５に示す回転子１００のバランス調整用切削部８の平面形状は、樹脂４の外周部まで達する一部が欠けた円又は樹脂４の外周部まで達する円以外の形状である。

バランス調整用切削部８の形状を丸穴とした一例を、図１３、図１４に示す。図１３は回転子１００の平面図である。図１３に示すように、バランス調整用切削部８は丸穴であり、バランス調整板３ａに達する深さまで切削しているため、バランス調整用切削部８内にバランス調整板３ａが見えている。

また、図１４は回転子１００の底面図である。図１４に示すように、バランス調整用切削部８は丸穴であり、バランス調整板３ｂに達する深さまで切削しているため、バランス調整用切削部８内にバランス調整板３ｂが見えている。そして、バランス調整用切削部８は、バランス調整板３ａとバランス調整板３ｂとでは、略１８０°異なる位置に設けられる。

回転子１００のバランス調整する際のバランス調整用切削部８を、バランス調整板３ａ，３ｂを切削して設けるので、切削箇所が回転子鉄心１及び永久磁石２以外の部分とすることができる。

そのため、回転子１００のバランス調整時に、回転子鉄心１及び永久磁石２を傷つけることなく重量バランスの調整が可能となり、回転子１００の強度及び効率を低下させることなくバランスの調整を行うことができる。

尚、バランス調整板３ａ，３ｂ，３ｃは、一例として外周が円のものを示したが、図１５に示すように、外周が多角形（図１５では略六角形）のバランス調整板３ｄでもよい。略六角形の頂点を永久磁石２の略極中心に一致させることにより、磁石固定部５ｂへの樹脂４の注入を阻害することなくバランス調整板３ｃと同様、永久磁石２の落下を防止することができる。

１ 回転子鉄心、２ 永久磁石、３ａ バランス調整板、３ｂ バランス調整板、３ｃ バランス調整板、３ｄ バランス調整板、４ 樹脂、５ 磁石挿入孔、５ａ 磁石挿入部、５ｂ 磁石固定部、８ バランス調整用切削部、９ 薄肉鉄心部、１１ 軸孔、１５ 固定子鉄心、１６ ティース、１６ａ 先端部、１７ 巻線、１８ コアバック、２１ 空隙、２２ スロット、１００ 回転子、１１０ 回転子、１２０ 回転子、２００ 固定子、３００ 永久磁石型モータ。

Claims (7)

1. 所定の形状に打ち抜かれた電磁鋼板を所定の枚数積層して構成される回転子鉄心と、
   前記回転子鉄心の外周面付近に軸方向に貫通するように設けられるとともに、周方向に略等間隔に配置され、磁石挿入部と、前記磁石挿入部の両側に形成され、前記磁石挿入部に連結する磁石固定部とを有する複数の磁石挿入孔と、
   前記磁石挿入部に挿入され、径方向の長さが前記磁石挿入部の径方向の長さより短い永久磁石と、
   前記回転子鉄心の軸方向両端面に配置されるバランス調整板と、
   前記バランス調整板の外周を覆うとともに、前記永久磁石が挿入された前記磁石挿入部の隙間及び前記磁石固定部に埋め込まれ、前記回転子鉄心及び前記永久磁石及び前記バランス調整板を一体化する樹脂と、を備える回転子であって、
   前記樹脂と前記バランス調整板との両方を切削することで当該回転子のバランス調整が行われることを特徴とする永久磁石型モータの回転子。
2. 前記バランス調整板の外周部は、径方向において前記磁石挿入部の外側部よりも内側に位置することを特徴とする請求項１記載の永久磁石型モータの回転子。
3. 前記永久磁石は、一つの極において、周方向に複数個に分割されていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の永久磁石型モータの回転子。
4. 前記バランス調整板は、前記回転子鉄心と同じ素材の積層電磁鋼板と、非磁性材とのいずれか一方で構成されてい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モータの回転子。
5. 前記回転子鉄心の軸方向一端面に配置される前記バランス調整板の外周部は、径方向において前記磁石挿入部の外側部よりも内側かつ前記磁石挿入部に挿入された前記永久磁石の内側部よりも外側に位置し、前記回転子鉄心の軸方向他端面に配置される前記バランス調整板の外周部は、径方向において前記磁石挿入部の内側部よりも内側に位置することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の永久磁石型モータの回転子。
6. 前記回転子鉄心の軸方向両端面の少なくともいずれか一方の端面に配置される前記バランス調整板の外周部は、前記永久磁石の略極中心に一致する位置に頂点を有する多角形をなすことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の永久磁石型モータの回転子。
7. 前記回転子鉄心及び前記バランス調整板が、順送金型プレス内で打ち抜いてカシメ積層され、前記回転子鉄心と前記バランス調整板が一体で構成されることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の永久磁石型モータの回転子。

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