JP5309630B2 - 永久磁石埋込形電動機 - Google Patents

Description

本発明は、永久磁石埋込形回転子のスキュー構造と、埋設磁石の取付構造の改善に関する。

従来の永久磁石埋込形電動機は、一般的にコギングトルクが大きくなってしまうため、その対策として、ロータコアを複数個のブロックに分割し、各ブロックを回転方向に一定角度ずらしたスキュー構造が提案されている。このロータのブロック間に、非磁性体からなる薄板を挟み込んで一体構成することによって、軸方向の漏れ磁束を防止できるので鎖交磁束の低下なく、コギングトルクの小さいモータを提供できる（例えば、特許文献１参照）。

一方、コギングトルクを小さく安定化させるには、正確な角度で位置決めしてスキュー角度を確保する必要がある。これに対して、安価で自在にロータマグネットにデジタルスキューを得るため、ロータユニットのロータコアは、円周方向に均等分割からそれぞれずらした角度位置に複数個の溝部を備え、前記ロータユニットを軸方向に複数段積層するとき、前記溝部の角度差から各ロータユニットのマグネット間に所定のズレ角（デジタルスキュー）を設けるようにしたモータが提案されている（例えば、特許文献２参照）。
特開２０００−３０８２８７号公報 特開２００３−３２９３０号公報

解決しようとする問題点は、回転子鉄心の中心に回転軸を圧入すると内径部が歪んでしまい、その歪により回転子鉄心に埋設されている永久磁石に応力が加わる。仮に、回転軸と回転子鉄心とを焼きバメ工法に変更すれば、永久磁石に熱応力が加わる。いずれにしても、回転子の磁気特性や永久磁石の接着強度に悪影響を与える可能性があった。

また、特許文献２の技術を用いると、正確なスキュー角度が得られる反面、回転軸にキー溝を設ける必要があり、キー溝加工およびキーによってコスト高となる。また、キーをキー溝に嵌合することでロータにアンバランスが発生する可能性があった。

本発明は従来の課題を解決するものであり、安価に好適なスキュー角度が確保でき、コギングトルクが小さく信頼性の高い永久磁石埋込形電動機を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため請求項1に記載の永久磁石埋込形電動機は、固定子鉄心の極歯に巻線を巻回した固定子と、軸方向に積層した回転子鉄心に均等配置した磁石埋設孔に永久磁石を装着した回転子ユニットと、前記回転子ユニットの中央孔に圧入する回転軸を備え、前記磁石埋設孔より内側の同心円上に基準孔と特定孔とを設け、前記基準孔を永久磁石の磁極中心（または磁極間）に複数設け、前記特定孔を磁極中心（または磁極間）から所定のズレ角の位置に少なくとも１つ設け、前記回転子ユニットを回転軸に複数段積層するとき、前記基準孔と特定孔の角度差を利用して各回転子ユニットの永久磁石間に所定のズレ角を設ける。

また、請求項２に記載の永久磁石埋込形電動機は、前記基準孔と特定孔のそれぞれ１つの孔を丸孔で構成し、その他の孔を長孔で構成する。

また、請求項３に記載の永久磁石埋込形電動機は、前記回転子ユニットを軸方向に複数段積層する際に、最上面と最下面の回転子ユニットにおける基準孔と特定孔のズレ角は、３６０°を永久磁石の磁極数と固定子の極歯の数の最小公倍数で割り算した角度の２分の１とする。

さらに、請求項４に記載の永久磁石埋込形電動機は、前記永久磁石は焼結磁石であり、磁石埋設孔に接着剤で固定する。

請求項１に記載の永久磁石埋込形電動機によれば、回転子ユニットを複数段積層するとき、基準孔と特定孔の所定のズレ角を利用して、正確なスキュー角度を得るため、コギングトルクを抑制できる。また、回転軸を回転子ユニットに圧入する際の歪（応力）を、基準孔と特定孔で吸収するため、永久磁石への応力の影響を緩和することができる。

また、請求項２に記載の永久磁石埋込形電動機によれば、基準孔と特定孔のそれぞれ１つの孔を丸孔で構成し、その他の孔を長孔で構成することで、正確なスキュー角度を得ることができ、圧入応力の影響をより緩和できる。

また、請求項３に記載の永久磁石埋込形電動機によれば、３６０°を永久磁石の磁極数と固定子の極歯の数の最小公倍数で割り算した角度の２分の１を所定のズレ角とすることで、最適スキューによりコギングトルクを低減できる。

さらに、請求項４に記載の永久磁石埋込形電動機によれば、焼結磁石を磁石埋設孔に接着剤で固定するため、回転子ユニットの状態で上下端面に溢れた接着剤を拭き取ることができ、複数段精度良く積層することができる。また、接着固定するための隙間を最小限にでき、磁束を有効に利用できる。

このように、コギングトルクが小さく、回転軸の圧入応力による焼結磁石への影響を緩和することができ、高性能、高信頼性の永久磁石埋込形電動機が安価に得られる。

本発明の永久磁石埋込形電動機は、固定子鉄心の極歯に巻線を巻回した固定子と、軸方向に積層した回転子鉄心に均等配置した磁石埋設孔に永久磁石を装着した回転子ユニットと、前記回転子ユニットの中央孔に圧入する回転軸を備え、前記磁石埋設孔より内側の同心円上に基準孔と特定孔とを設け、前記基準孔を永久磁石の磁極中心（または磁極間）に複数設け、前記特定孔を磁極中心（または磁極間）から所定のズレ角の位置に少なくとも１つ設け、前記回転子ユニットを回転軸に複数段積層するとき、前記基準孔と特定孔の角度差を利用して各回転子ユニットの永久磁石間に所定のズレ角を設ける。これにより、磁石埋込形回転子にスキューを設けることができ、コギングトルクを低減する。以下、本発明の実施の形態について図を用いて説明する。
（実施の形態１）
本発明は、基準孔と特定孔を設けた永久磁石埋込形の回転子ユニットを、軸方向に複数段積層するとき、基準孔と特定孔の角度差を利用して、スキュー積層を実施することを特徴としている。その他の構成は、従来の磁石埋込形電動機と同じであり、ここでの説明は省略する。

図１は、実施の形態１における回転子ユニットの平面図である。図１において、回転子ユニット１１は、積層した回転子鉄心１２と、複数の焼結磁石１３で構成される。

回転子鉄心１２は、回転軸を圧入する中央孔１２ａと、外周付近に８個の略台形状の磁石埋設孔１２ｂを均等配置している。また、中央孔１２ａと磁石埋設孔１２ｂの間の同心円上に、同じサイズの基準孔１２ｃと特定孔１２ｄを設ける。なお、磁石埋設孔１２ｂの両サイドには、磁極間の磁束もれを防止するため略半円形の空間を設けている。

実施の形態１では、図１に示すように、磁極間位置に基準孔１２ｃを７つ設け、特定孔１２ｄは、基準孔１２ｃから所定のズレ角（角度α）位置に１つ設けている。

焼結磁石１３は、直方体（板状）のネオジ系焼結磁石で、磁石埋設孔１２ｂに装着され、液状のアクリル系接着剤で固定され、上下端面に溢れた接着剤は、拭き取ることができるため、後述する複数段の積層を精度良く実施できる。また、内周側と外周側が異極で周方向には交互に異極となるよう着磁する。

ここで、回転子ユニット１１にスキューを設ける方法について説明する。実施の形態１では、最も簡単な２段スキューについて説明する。上段の回転子ユニット１１の基準孔１２ｃと、下段の回転子ユニット１１の特定孔１２ｄを一致させるだけでよい。

特定孔１２ｄは、すぐ隣の基準孔１２ｃに一致させるのではなく、１つまたは３つ飛ばした基準孔１２ｃと一致させる。これにより、基準孔１２ｃと特定孔１２ｄの角度差であるズレ角α°が、そのまま回転子のスキュー角度となる。

ズレ角α°は、３６０°を永久磁石の磁極数と固定子の極歯の数の最小公倍数で割り算した角度の２分の１の角度とする。実施の形態１では、永久磁石の磁極数が８、図示しない固定子の極歯数を１２とすると、最小公倍数は２４となり、ズレ角は７．５°となる。

また、特定孔１２ｄを、基準孔１２ｃと区別し易いように角孔にしてもよく、この場合の角孔は、基準孔径に外接する大きさに設定する。このように、２段スキューの場合は、複数の基準孔に対して、特定孔を少なくとも１箇所に設けておけば実施できる。
（実施の形態２）
実施の形態２は、実施の形態１の基準孔と特定孔の少なくとも１つを丸孔とし、他の基準孔を長孔にしたものである。

図２において、１つの特定孔２２ｄと１つの基準孔２２ｃを、同じサイズの丸孔に設定する。残りの６つの基準孔は、長孔２２ｅに設定する。ズレ角αを利用する点は、実施の形態１と同じである。基準孔位置に長孔２２ｅを配置することで、回転軸を圧入する際の応力をより吸収することが可能となる。

なお、上下段の基準孔２２ｃを誤って一致させると、各長孔２２ｅでズレが発生しない。このため、基準孔２２ｃと特定孔２２ｄが一致しているかどうかは、長孔２２ｅのズレの有無によって確認できる。また、長孔の途中は円弧または直線のいずれで繋いでも良い。
（実施の形態３）
実施の形態３の回転子ユニットは、軸方向に３段積層して最適スキューを実現するものである。積層段数をｎとすれば、特定孔の数は、ｎ−１個でよい。

このため、回転子鉄心内にズレ角の異なる２つの特定孔を設ける。特定孔以外は、実施の形態１，２と同じである。８極、１２スロットの組み合わせであれば、軸方向のスキュー角度は、軸方向全体では同じであり、３段積層する場合は、各段におけるスキュー角度はα°／２でよい。

図３において、回転子鉄心３２に６つの基準孔３２ｃと、基準孔３２ｃからズレ角の異なる位置に、特定孔３２ｄおよび特定孔３２ｆを設ける。特定孔３２ｆは、基準孔３２ｃを設けた磁極間位置から角度α°／２ずれた位置に設け、磁極間位置から角度α°ずれた位置に特定孔３２ｄを設ける。したがって、特定孔３２ｆと特定孔３２ｄの角度差もα°／２となる。

図示はしないが、回転子ユニット３１の１段目と２段目は、基準孔３２ｃと特定孔３２ｆを一致させ、角度差α°／２で位置決めを行う。次に、回転子ユニット３１の２段目と３段目は、特定孔３２ｆと特定孔３２ｄの角度差α°／２で位置決めを行うことで、３段スキューが可能となる。

なお、実施の形態１から３において、基準孔の位置を磁極間としたが、磁極中央位置に変更してもよい。また、基準孔と特定孔のズレ角は、磁極数の関係および積層段数を優先させて決定し、基準孔と特定孔の数は、その角度差を用いて所定のスキュー角を得ることができる最小数あればよい。その他の孔は、回転軸圧入時の応力吸収やアンバランス発生の抑制ができればよく、数や形状は任意でよい。また、実施の形態３の回転子ユニットを用い、ズレ角α°の２段積層も可能である。

本発明の永久磁石埋込形電動機は、コギングトルクを低減でき、高速回転で駆動するサーボモータなどに有用である。

本発明の実施の形態１における回転子ユニット（２段積層）の説明図 本発明の実施の形態２における基準孔と特定孔の説明図 本発明の実施の形態３における回転子ユニット（３段積層）の説明図

符号の説明

１１、２１、３１ 回転子ユニット
１２、２２、３２ 回転子鉄心
１２ａ 中央孔
１２ｂ 磁石埋設孔
１２ｃ、２２ｃ、３２ｃ 基準孔
１２ｄ、２２ｄ、３２ｄ 特定孔（ズレ角α°）
１３，２３、３３ 永久磁石（焼結磁石）
２２ｅ 長孔
３２ｆ 特定孔（ズレ角α°／２）

Claims (4)

1. 固定子鉄心の極歯に巻線を巻回した固定子と、
   軸方向に積層した回転子鉄心に均等配置した磁石埋設孔に永久磁石を装着した回転子ユニットと、
   前記回転子ユニットの中央孔に圧入する回転軸を備え、
   前記磁石埋設孔より内側の同心円上に基準孔と特定孔とを設け、
   前記基準孔を、前記同心円の中心と永久磁石の磁極中心または磁極間とを結ぶ線上に、複数設け、
   前記特定孔を、前記同心円の中心と磁極中心または磁極間とを結ぶ線から所定のズレ角の位置に少なくとも１つ設け、
   前記回転子ユニットを回転軸に複数段積層するとき、前記基準孔と特定孔の角度差を利用して各回転子ユニットの永久磁石間に所定のズレ角を設けたことを特徴とする永久磁石埋込形電動機。
2. 前記基準孔と特定孔のそれぞれ１つの孔を丸孔で構成し、その他の孔を長孔で構成した請求項１に記載の永久磁石埋込形電動機。
3. 前記回転子ユニットを軸方向に複数段積層する際に、最上面と最下面の回転子ユニットにおける基準孔と特定孔のズレ角は、３６０°を永久磁石の磁極数と固定子の極歯の数の最小公倍数で割り算した角度の２分の１とした請求項１または請求項２に記載の永久磁石埋込形電動機。
4. 前記永久磁石は焼結磁石であり、磁石埋設孔に接着剤で固定した請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の永久磁石埋込形電動機。

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