JP5471653B2 - 永久磁石式電動モータ - Google Patents

Description

本発明は、複数のロータが軸方向に配列された永久磁石式電動モータに関する。

電動モータとして、鉄心に永久磁石を配置したロータと、鉄心に巻線を巻きロータの周りに配置されるステータを有するＰＭモータが知られている。このＰＭモータは他の電動モータと同様にトルクリップル（トルク変動、脈動）が生じるという問題を有する。これは電動モータのロータとステータの間の空隙における磁束密度波形に高周波成分が含まれるためである。

このトルクリップルを低減する方法の一つとして、段スキューが知られている。段スキューとは、ロータを軸方向に複数段に分割し、隣接するロータの永久磁石の周方向位置がずれるように各ロータを配置して各ロータのトルクリップルの位相をずらすことで、トルクリップル同士を相殺するものである。

しかし、段スキューを形成すると隣り合うロータの間で鉄心を通じて磁石磁束が短絡し、その結果ステータに巻いた巻線に鎖交する磁束が減少してしまうという問題が生じる。

これを防ぐため、特許文献１では、段スキューを施した電動モータにおいて、隣り合うロータ間にスペーサを介在させる構成が開示されている。

特開２００８−２８９３３５号公報

しかしながら、特許文献１の構成においてスペーサを介在させることで生じた隣り合うロータ間の空隙部はトルク発生に寄与しない。すなわち、電動機の軸長が同一の場合には、スペーサを配置した分だけトルク低下してしまうという問題がある。

そこで、本発明では段スキューを形成した永久磁石式電動機において、トルクの低下を招くことなく、磁石磁束の短絡を防止することを目的とする。

本発明の永久磁石式電動モータは、周方向に並ぶ複数の永久磁石を有しモータ軸方向に直列に並ぶ複数のロータと、ロータに対して同心円状に配置され巻線を有するステータとを備える。そして、複数の永久磁石はモータ軸方向に隣り合うロータ間でずれるように並び、隣り合うロータ間の境界のうち少なくとも一つは、隣り合うロータ間の距離より軸方向で隣り合う永久磁石間の距離の方が短い。

本発明によれば、ロータにはいわゆる段スキューが施されたことになり、磁石磁束の短絡を防止できる。また、境界付近では永久磁石の周りが高透磁率の鉄ではなく低透磁率の空気になるので、軸方向に磁石磁束が流れにくくなりトルク低下を抑制できる。

本発明に係る電動機の断面図である。 図１のII−II線に沿った断面図（その１）である。 ロータ部分の断面図である。 （Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ図３のIV１−IV１線、IV２−IV２線に沿った断面図である。 ロータの永久磁石埋め込み部の拡大図（その１）である。 比較対象としての永久磁石がロータから突出していない構成を示す図である。 永久磁石の軸方向の磁束量とロータ間隔との関係について説明するための図である。 永久磁石の磁石磁束の特性をロータのコア部分と永久磁石の突出部分に分解して示した図である。 永久磁石の鎖交磁束と、ロータ間隔の磁化方向寸法に対する比との関係を示す図である。 ロータ部分の断面図（その２）である。 ロータの永久磁石埋め込み部の拡大図（その２）である。

以下本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

先に、本実施形態を適用する永久磁石式電動機（以下、電動モータという）１０の構成について簡単に説明する。図１は電動モータ１０の断面図である。図２は図１のII−II線に沿った断面図である。図３はロータブロック２０の断面図である。図４（Ａ）は図３のIV１−IV１線に沿った断面図、図４（Ｂ）は同じくIV２−IV２線に沿った断面図である。図５はロータの永久磁石埋め込み部分の拡大図である。

なお、図１及び図３では、電動モータ１０の軸長に対する後述する第１ロータ２２ａと第２ロータ２２ｂの間隔の比率を実際よりも大きく表している。

図１、図２に示すように、電動モータ１０はロータブロック２０とステータブロック３０とケース部４０で構成する。ステータブロック３０は、ロータブロック２０の外周側に、ロータブロック２０の外周との間に空隙（ラジアルエアギャップ）１を設けて配置する。

まず、ロータブロック２０について説明する。

図３に示すように、ロータブロック２０は１本のモータ軸２１と、複数のロータ２２ａ、２２ｂと、各ロータ２２ａ、２２ｂの外周近傍に配置した永久磁石２３ａ、２３ｂとを有する。

モータ軸２１は、ケース４０のフロントカバー４２及びリアカバー４３でそれぞれ軸受５１、５２を介して回転自由に支持されており、一端２５は出力端部としてフロントカバー４２から突出している。また、モータ軸２１は軸方向の中間部にフランジ２４を備えている。

ロータ２２ａ、２２ｂは、磁性を有する円盤状の薄板を複数積層した環状部材であって、モータ軸２１の軸方向にフランジ２４を挟んで直列に配列する。ここでは、ロータ２２ａ、２２ｂの材質は鉄とする。ロータ２２ａ、２２ｂはモータ軸２１に例えば圧入により固定する。以下、出力端部２５に近い側のロータ２２ａを第１ロータ２２ａ、リアカバー４３側のロータ２２ｂを第２ロータ２２ｂという。

また、フランジ２４を挟むことによって第１ロータ２２ａと第２ロータ２２ｂの間に形成された空隙をエアギャップ２という。このエアギャップ２の軸方向長さを間隔ΔＬは、図５に示す磁化方向寸法Ｍよりも小さく設定する。

なお、第１ロータ２２ａと第２ロータ２２ｂの間隔を空ける構成としては、モータ軸２１にフランジ２４を設けずに、第１ロータ２２ａと第２ロータ２２ｂの間にスペーサを挟み込むようにしてもよい。

図４（ａ）、（ｂ）に示すように、第１ロータ２２ａ及び第２ロータ２２ｂには、外周近傍に、周方向に等ピッチで複数（図中では各８個）の永久磁石２３ａ、２３ｂが圧入によって固定されている。永久磁石２３ａ、２３ｂは細長い板状部材であって、長手方向がモータ軸２１の軸方向に沿っている。また、永久磁石２３ａ、２３ｂは板面の方向に着磁されており、周方向にＮ極とＳ極を交互に配列する。また、第１ロータ２２ａと第２ロータ２２ｂは、いわゆる段スキューを施すために位相をずらして配置する。つまり、モータ軸２１の軸方向から見たときに永久磁石２３ａと永久磁石２３ｂの位置が周方向に所定の角度θだけずれるよう配置する。角度θは、例えば７．５°程度に設定する。

さらに、図３に示すように、永久磁石２３ａ、２３ｂは、それぞれ第１ロータ２２ａ、第２ロータ２２ｂからエアギャップ２へ突出している。つまり、段スキュー境界付近における、軸方向に隣接する第１ロータ２２ａと第２ロータ２２ｂの間隔ΔＬは、それぞれに埋め込まれた永久磁石２３ａ、２３ｂの間隔よりも大きくなる。

また、永久磁石２３ａ、２３ｂの突出量をそれぞれＬ１、Ｌ２としたときに、突出量Ｌ１と突出量Ｌ２は等しくなるように、かつ第１ロータ２２ａと第２ロータ２２ｂの対向する軸方向端面が接しない範囲でできるだけ近づくように設定する。

次にステータブロック３０について説明する。

図１、図２に示すように、ステータブロック３０は複数のステータ３１ａ、３１ｂからなる環状のアウターステータであり、第１ロータ２２ａ、第２ロータ２２ｂと同心に、かつ外側に配置する。以下、第１ロータ２２ａに対応するステータを第１ステータ３１ａ、第２ロータ２２ｂに対応するステータを第２ステータ３１ｂという。

第１ステータ３１ａ、第２ステータ３１ｂは、磁性を有した略Ｔ字状の薄板であるティース３３をモータ軸２１の軸方向に複数積層し、これを周方向に連結することで環状に構成したものである。ティース３３の積層体には、コイル状の巻線３２ａ、３２ｂを配置する。なお、ここでは、ティース３３の材質は鉄とする。

上記ステータブロック３０は、第１ステータ３１ａと第１ロータ２２ａ、第２ステータ３１ｂと第２ロータ２２ｂのそれぞれの軸方向位置が一致するように、サイドカバー４１の内周面に固定する。固定方法は、圧入でもよいし、ボルト等を用いてもよい。

次に、上述した構成の作用効果について説明する。

まず、永久磁石２３ａ、２３ｂが、それぞれ第１ロータ２２ａ、第２ロータ２２ｂから突出していることの効果について説明する。

段スキューを施すと、軸方向に磁石磁束が流れやすく、つまり第１ロータ２２ａと第２ロータ２２ｂとの間で磁石磁束が短絡し易くなり、第１ステータ３１ａ、第２ステータ３１ｂを通して巻線３２ａ、３２ｂを鎖交する有効な磁束が減少する。その結果、同一軸長で段スキューを施していない構成に比べて、トルクが低下していた。

この磁束の減少は、図１等に示したように永久磁石２３ａ、２３ｂをそれぞれ第１ロータ２２ａ、第２ロータ２２ｂから突出させ、第１ロータ２２ａと第２ロータ２２ｂの間隔を広げて配置することで防止できる。

なぜならば、図１に示した構成は、段スキュー境界付近において鉄製のロータのみを除去した構成、つまり段スキュー境界付近を高透磁率の磁性体から低透磁率のものに変更した構成と同視し得るからである。このような構成では、軸方向に磁石磁束が流れるのを抑制できるので、結果として巻線３２ａ、３２ｂに鎖交する磁束の低減を抑制して電動モータ１０のトルク低下を抑制できる。

また、上記のようにトルク低下を抑制できるので、電動モータ１０に要求されるトルクを満たすために電動モータ１０の軸長を不必要に伸ばす必要がなくなるので、電動モータ１０をコンパクトな構成にすることができる。

なお、上述したトルク低下の抑制効果をより大きくするためには、永久磁石２３ａ、２３ｂがそれぞれ第１ロータ２２ａ、第２ロータ２２ｂから突出していることが望ましい。しかし、永久磁石２３ａ、２３ｂの少なくとも一方が第１ロータ２２ａまたは第２ロータ２２ｂから突出していれば、いずれも突出していない場合に比べてトルク低下の抑制効果は得られる。

次に、永久磁石２３ａ、２３ｂの突出量Ｌ１、Ｌ２を等しくすること、及び永久磁石２３ａと永久磁石２３ｂを接触しない範囲でできるだけ近接させる効果について説明する。

突出量Ｌ１と突出量Ｌ２を等しくすると、上述した有効磁束の減少を抑制する効果が、対向する永久磁石２３ａと永久磁石２３ｂとで同程度になる。これにより、軸方向の磁気アンバランスを低減することができる。

永久磁石２３ａと永久磁石２３ｂを接触しない範囲でできるだけ近接させることで、段スキュー境界付近の限られた空隙内の磁石量をできるだけ多くすることができる。その結果、磁石磁束を多くすることができる。なお、磁石量が多くなれば磁石の発熱量は増大するが、段スキュー境界付近の空隙に突出する量が増えるので、冷却性は向上する。

次に、第１ロータ２２ａと第２ロータ２２ｂの間隔ΔＬについて説明する。

図６は本実施形態の効果を説明するにあたり、比較対象とする構成（以下、従来の構成という）のロータ部分を模式的に表した図である。従来の構成は、永久磁石２３ａ、２３ｂがエアギャップ２に突出していない点のみが図１等に示した本実施形態の構成と相違する。すなわち、ロータブロック２０の体格は揃えてある。

図７は永久磁石２３ａ、２３ｂの軸方向の磁石磁束と間隔ΔＬとの関係について説明するための図である。図８は、永久磁石２３ａ、２３ｂを第１ロータ２２ａ、第２ロータ２２ｂ内に埋まっている部分（以下、ロータコア部という）とロータコア部から突出した部分（以下、突出部という）に分解したものである。図９は、間隔ΔＬに対する磁石磁束の変化の特性を示す図である。各図とも縦軸は磁石磁束の変化を、横軸は磁化方向寸法Ｍに対する間隔ΔＬの割合を示している。なお、縦軸は間隔ΔＬがゼロの場合の磁石磁束を１００％としている。

ここで、突出部の磁石磁束について図７を参照して説明する。ΔＬ／Ｍが大きくなるほど、つまり間隔ΔＬが大きくなるほど、突出部の磁石が大きくなる。しかし、突出部の磁石磁束は第１ロータ２２ａ、第２ロータ２２ｂに近い部分ではその多くが第１ロータ２２ａ、第２ロータ２２ｂへと流れるが、第１ロータ２２ａ、第２ロータ２２ｂから離れるほど空気中に漏れる量が増加して第１ロータ２２ａ、第２ロータ２２ｂへ流れる量が減少する。すなわち、ΔＬ／Ｍが大きくなるほど空気中に漏れる磁束量が増加して、軸方向の磁束は図７に示すように減少する。

このように、突出部が増大することで突出部の磁石は大きくなるが、軸方向の磁石磁束は減少するので、図７に示すように突出部の磁石磁束は間隔ΔＬに対して極値を有する。

ところで、第１ロータ２２ａ、第２ロータ２２ｂの磁石磁束の特性は、突出部の特性とロータコア部の特性を合成したものである。図８に突出部の特性とロータコア部の特性を示す。

ロータコア部の磁石磁束は、ΔＬ／Ｍが大きくなるほど減少しているが、これはΔＬ／Ｍが大きくなるほどロータコア部の軸方向長さが短く、つまりロータコア部の磁石が小さくなるからである。一方、突出部の磁石磁束は前述したようにΔＬ／Ｍに対して極値をもっている。

これらを合成すると、図９に示すようになる。なお、図９には比較のために従来の構成の磁石磁束特性も示してある。

従来の構成ではΔＬ／Ｍが大きくなるほど、つまり間隔ΔＬが大きくなるほど、間隔ΔＬがゼロの場合よりも磁石磁束が低減する。これに対して本実施形態の構成は、ΔＬ／Ｍに対して極値をもち、ΔＬ／Ｍが約１００％よりも小さい範囲（ΔＬが磁化方向寸法Ｍより小さい範囲）では、間隔ΔＬがゼロの場合と比較して磁石磁束が増加している。ΔＬ／Ｍが約１００％を超えた範囲でも、従来の構成と比較すれば磁石磁束の低減量は小さい。

このことから、間隔ΔＬがゼロより大きければ磁石磁束を低減する効果は得られるが、間隔ΔＬはゼロより大きく、かつ磁化方向寸法Ｍ以下の大きさであることがより望ましいことがわかる。

以上により本実施形態では、次のような効果が得られる。

（１）ロータ２２ａ、２２ｂが、永久磁石２３ａ、２３ｂの位相がずれるように並び、隣り合うロータ２２ａ、２２ｂの境界では、隣り合うロータ２２ａ、２２ｂ間の距離より軸方向で隣り合う永久磁石２３ａ、２３ｂ間の距離の方が短い。これにより、ロータ２２ａ、２２ｂにはいわゆる段スキューが施されたことになり、磁石磁束の短絡を防止できる。また、境界付近では永久磁石２３ａ、２３ｂの周りが高透磁率の鉄ではなく低透磁率の空気になるので、軸方向に磁石磁束が流れにくくなり、トルク低下を抑制できる。

（２）隣り合うロータ２２ａ、２２ｂ間の距離より軸方向で隣り合う永久磁石２３ａ、２３ｂ間の距離の方が短い境界では、隣り合うロータ２２ａ、２２ｂ間にエアギャップ２があり、隣り合うロータ２２ａ、２２ｂのいずれからもエアギャップ２に向けて永久磁石２３ａ、２３ｂが突出している。いずれか一方のみが突出していると、永久磁石２３ａまたは永久磁石２３ｂのうち突出させた方の先端から対向する第１ロータ２２ａまたは第２ロータ２２ｂまでの距離が短くなり、磁石磁束の短絡が生じ易い。しかし、上記のように両側から突出させれば、永久磁石２３ａ、２３ｂの先端から対向するロータ２２ａ、２２ｂまでの距離が一方のみから突出させた場合よりも大きくなり、短絡する磁石磁束を低減できる。

（３）永久磁石２３ａ、２３ｂのエアギャップ２への突出量が等しいので、永久磁石２３ａ、２３ｂで短絡磁石磁束の低減効果が同程度となり、軸方向の磁気バランスをとることができる。

（４）エアギャップ４へ突出した永久磁石２３ａ、２３ｂが、互いに接触しない範囲で限りなく近接しているので、エアギャップ２を有効に活用して磁石量を増やし、磁石磁束を増加させることができる。

（５）エアギャップ２の軸方向長さΔＬが、ゼロより大きく、永久磁石２３ａ、２３ｂの磁化方向寸法Ｍ以下にすることで、エアギャップ２に永久磁石２３ａ、２３ｂが突出していない場合に比べて磁石磁束を増加させることができる。

なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術的思想の範囲内で様々な変更を成し得ることは言うまでもない。

例えば、永久磁石２３ａ、２３ｂを図４のように第１ロータ２２ａ、第２ロータ２２ｂの接線に対して平行に配置せず、図１１のように第１ロータ２２ａ、第２ロータ２２ｂ接線に対して角度をつけて配置するようにしてもよい。永久磁石２３ａ、２３ｂをロータ２２ａ、２２ｂの外周面に貼り付ける構成であってもよい。

また、３つ以上のロータを直列に配列する場合にも適用可能である。この場合、少なくとも１つの段スキューについて上記実施形態を適用すればよい。

さらに、図１０に示すように、ロータコア部に用いる材質よりも低透磁率な材質で形成した固定部材５０をエアギャップ２に挿入し、この固定部材５０によって第１ロータ２２ａと第２ロータ２２ｂの間隔を保持するようにしてもよい。なお、図１０は図３と同様に電動モータ１０の軸方向に沿った断面図であり、図１１は図４と同様にロータ２２

１ ラジアルエアギャップ
２ エアギャップ
１０ 電動モータ
２０ ロータブロック
２１ モータ軸
２２ａ 第１ロータ
２２ｂ 第２ロータ
２３ａ 永久磁石
２３ｂ 永久磁石
２４ フランジ
３０ ステータブロック
３１ａ 第１ステータ
３１ｂ 第２ステータ
３２ａ 巻線
３２ｂ 巻線
３３ ティース
４０ ケース部
４１ サイドカバー
４２ フロントカバー
４３ リアカバー
５０ 固定部材

Claims (5)

1. 周方向に並ぶ複数の永久磁石を有しモータ軸方向に直列に並ぶ複数のロータと、
   前記ロータに対して同心円状に配置され巻線を有するステータと、
   を備える永久磁石式電動モータにおいて、
   前記複数の永久磁石は前記モータ軸方向に隣り合うロータ間でずれるように並び、
   隣り合う前記ロータ間の境界のうち少なくとも一つは、隣り合う前記ロータ間の距離より軸方向で隣り合う前記永久磁石間の距離の方が短いことを特徴とする永久磁石式電動モータ。
2. 前記モータ軸方向に隣り合うロータ間の距離より前記モータ軸方向で隣り合う永久磁石間の距離の方が短い境界では、隣り合う前記ロータ間に空隙があり、隣り合う前記ロータのいずれからも前記空隙に向けて前記永久磁石が突出している請求項１に記載の永久磁石式電動モータ。
3. 前記永久磁石の前記空隙への突出量が、軸方向で隣り合う前記永久磁石において等しい請求項２に記載の永久磁石式電動モータ。
4. 前記空隙へ突出した前記永久磁石が、互いに接触しない範囲で限りなく近接している請求項２または３に記載の永久磁石式電動モータ。
5. 前記空隙の軸方向長さが、ゼロより大きく、前記永久磁石の磁化方向寸法以下である請求項２から４のいずれか一つに記載の永久磁石式電動モータ。

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