JP5564885B2 - 永久磁石形回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、ＡＣサーボモータのような回転電機に関するもので、特に回転子の構造に関するものである。

従来の、固定子と、回転自在に支持された概円筒形の回転子を備えた永久磁石形回転電機には、磁極毎に略Ｖ字状に対向する２つの永久磁石を配した回転子を有するものがある（例えば、特許文献１参照）。
図１７は、従来の永久磁石形回転電機の径方向断面図であり、固定子と、回転自在に支持された概円筒形の回転子を備えた永久磁石形回転電機の構造例である。
図において、永久磁石形回転電機は、固定子１と、回転自在に支持された概円筒形の回転子２を備え、回転子は、磁極毎に略Ｖ字状に対向する２つの永久磁石９を配する。
回転子は、回転子鉄心７aの永久磁石装着孔７dに永久磁石を保持し、回転子鉄心は、永久磁石を保持する必要上、永久磁石の外側のブリッジ部７bと２つの永久磁石に挟まれた内側のブリッジ部７cを回転子鉄心に有する。
このように、永久磁石は、回転子鉄心に保持されているため、永久磁石に作用する遠心力は回転子鉄心が支持し、永久磁石や回転子鉄心外周に作用するトルクは、回転子鉄心よりシャフト８に支持される。

従来の別の永久磁石形回転電機には、永久磁石や回転子鉄心外周に作用するトルクが側板を介して、シャフトに支持されるものもある（例えば、特許文献２参照）。
図１８は、従来の別の永久磁石形回転電機の回転子の側面図と径方向断面図であり、固定子と、回転自在に支持された概円筒形の回転子を備えた永久磁石形回転電機の別の構造例である。
図において、回転子１０は、磁極毎に分離され、円周状に配置されたポールシューを構成する回転子鉄心１６と、各々のポールシューの間に放射状に配置された永久磁石１４を有し、前記ポールシューを構成する回転子鉄心と永久磁石は、側板２４に固定されている。
ポールシューを構成する回転子鉄心は、１極ごとに分割され、ロッド２２をもって、側板に固定され、側板は、シャフト１２に固定されている。
回転子鉄心は、永久磁石の外側と永久磁石の内側で磁極毎に分離されているため、図１７で示したような、ブリッジ部を、Ｎ極からＳ極へショートカットする洩れ磁束が少なく、永久磁石より発生する磁束の多くがギャップに向い、ブリッジ部を有する永久磁石形回転電機に比べ、発生し得る最大トルクを増大できる。

このように、従来の永久磁石形回転電機には、磁極毎に略Ｖ字状に対向する２つの永久磁石や回転子鉄心外周に作用する遠心力やトルクを、回転子鉄心とシャフトで支持するものがあり、また、磁極毎に略Ｖ字状に対向する２つの永久磁石を配する回転子以外では、磁極毎に分離された回転子鉄心を側板で支持することで、ブリッジ部を廃し、永久磁石形回転電機が発生し得る最大トルクを大きくしたものもある。

特開２００６−３０４５４６号公報（第９頁、図１） 特許３２２４８９０号公報（第９頁、図１）

特許文献１に示した、従来の永久磁石形回転電機は、永久磁石の外側のブリッジ部と２つの永久磁石に挟まれた内側のブリッジ部を回転子鉄心に有するため、永久磁石より発生する磁束の一部は、ギャップに達せず、２種類のブリッジ部を、Ｎ極からＳ極へショートカットする洩れ磁束となる。このことは、ギャップ磁束密度を低下させ、永久磁石形回転電機が発生し得る最大トルクを大きく低下させる。

特許文献２に示した、従来の別の永久磁石形回転電機は、永久磁石や回転子鉄心外周に作用するトルクが側板を介して、シャフトに支持されているため、強大なトルクには耐えることができない。

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、洩れ磁束を低減することで、発生し得る最大トルクを増大するとともに、強大なトルクに耐え得る構造の回転子を有し、高トルク化に伴い増大しがちなコギングトルクを低位に保つことができる永久磁石形回転電機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のである。
請求項１に記載の発明は、
固定子と、回転自在に支持された概円筒形の回転子を備えた永久磁石形回転電機において、前記回転子は、磁極毎に略Ｖ字状に対向する２つの永久磁石と、前記２つの永久磁石の間に磁極毎に分離されたポールシューを構成する回転子鉄心とを有し、
前記永久磁石とポールシューを構成する回転子鉄心とを回転子の周方向に支持する略星形状の回転子鉄心を有し、
前記永久磁石を契合固定させる永久磁石支持穴と、ポールシューを構成する回転子鉄心を軸方向に貫くロッドを契合固定させるロッド支持穴とをそれぞれ凹設し、前記永久磁石とポールシューを構成する回転子鉄心とをそれぞれ磁極の軸方向両側から挟むように支持する側板を有することを特徴とする永久磁石形回転電機とするものである。
また、請求項２に記載の発明は、
磁極毎に略Ｖ字状に対向する２つの永久磁石と、前記２つの永久磁石の間にポールシューを構成する回転子鉄心とは、各々分離した部品であることを特徴とする請求項１記載の永久磁石形回転電機とするものである。
また、請求項３に記載の発明は、
磁極毎に略Ｖ字状に対向する２つの永久磁石と、前記２つの永久磁石の間にポールシューを構成する回転子鉄心とを、回転子の周方向に支持する略星形状の回転子鉄心は、シャフトと、凹凸による契合部を持って、嵌合固定することを特徴とする請求項１または２記載の永久磁石形回転電機とするものである。
また、請求項４に記載の発明は、
磁極毎に略Ｖ字状に対向する２つの永久磁石の断面は、長方形の１角を斜めに面取りした５角形であり、前記２つの永久磁石は、前記面取り部で密接されたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の永久磁石形回転電機とするものである。

請求項１に記載の発明によると、
磁極毎に分離されたポールシューを構成する回転子鉄心を有するため、洩れ磁束を低減し、発生し得る最大トルクを増大するとともに、
前記永久磁石とポールシューを構成する回転子鉄心とを、回転子の周方向に支持する略星形状の回転子鉄心と、前記永久磁石を契合固定させる永久磁石支持穴と、ポールシューを構成する回転子鉄心を軸方向に貫くロッドを契合固定させるロッド支持穴とをそれぞれ凹設し、前記永久磁石とポールシューを構成する回転子鉄心とをそれぞれ磁極の軸方向両側から挟むように支持する側板を有するため、強大なトルクに耐え得る構造の回転子を有する永久磁石形回転電機を提供できる。
また、請求項２に記載の発明によると、
２つの永久磁石と、前記２つの永久磁石の間にポールシューを構成する回転子鉄心とは、各々分離した部品であるため、磁極毎に分離されたポールシューを構成する回転子とすることができる。
また、請求項３に記載の発明によると、
２つの永久磁石と、前記２つの永久磁石の間にポールシューを構成する回転子鉄心とを、回転子の周方向に支持する略星形状の回転子鉄心は、シャフトと、凹凸による契合部を持って、嵌合固定するため、強大なトルクに耐え得る構造の回転子とすることができる。
また、請求項４に記載の発明によると、
磁極毎に略Ｖ字状に対向する２つの永久磁石の断面は、長方形の１角を斜めに面取りした５角形であり、前記２つの永久磁石は、前記面取り部で密接されたため、洩れ磁束を低減し、発生し得る最大トルクを増大する永久磁石形回転電機を提供できる。

本発明の第１実施例を示す永久磁石形回転電機の軸方向断面図 前記回転電機の径方向断面図 前記回転電機の回転子の軸方向断面図 前記回転電機の回転子の部品構成説明図 前記回転電機の回転子の組立説明図 組み立てられた回転子の斜視図 固定子鉄心の形状説明図 本発明の第２実施例を示す永久磁石形回転電機の径方向断面図 前記回転電機の固定子鉄心とポールシューを構成する回転子鉄心の形状説明図 ポールシュー外周部におけるコギングトルク低減手順説明図 a の値をＡ1からＡ６ まで、変化させた場合のコギングトルクの磁界解析結果 ティース内周部におけるコギングトルク低減手順説明図 h の値を変化させた場合のコギングトルクの磁界解析結果 コギングトルク解析結果 従来の永久磁石形回転電機の回転子鉄心 従来の永久磁石形回転電機と、本実施例の永久磁石形回転電機のトルク特性比較図 従来の永久磁石形回転電機の径方向断面図 従来の別の永久磁石形回転電機の回転子の側面図と径方向断面図

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、ＡＣサーボモータに供する、本発明の第１実施例を示す永久磁石形回転電機の軸方向断面図である。
図において、前記回転電機は、固定子と、回転自在に支持された概円筒形の回転子６０を備える。回転子は、負荷側軸受５８と反負荷側軸受５９を介して、負荷側ブラケット５１と反負荷側ブラケット５２に回転自在に支持されている。
シャフト６１の反負荷側端部には、回転子の回転位置を検出するためのエンコーダ部５７が設置されている。
固定子は、固定子鉄心５３と固定子コイル５４よりなり、固定子コイルは、インシュレータ５５を介し、負荷側ブラケットと密着するように装着されている。
固定子コイルへの通電は、外部より、図示しないリード線を介して、固定子コイルの結線部５６より供給される。
反負荷側ブラケットは、フレーム５０とともに、図示しないボルトで、負荷側ブラケットに締結されている。
負荷側軸受の外側には、グリス封入のためのオイルシール４９を設けている。

図２は、前記回転電機の径方向断面図である。
図において、固定子は、ティース毎に分割された固定子鉄心５３と、集中巻に巻回され、外形状を圧縮成形された固定子コイル５４より構成されている。固定子コイルは、インシュレータ５５をもって、固定子鉄心や負荷側ブラケット５１と絶縁されている。
分割された固定子鉄心のティース部５３aの巾は、径方向に対し一定であり、いわゆるオープンスロットである。
回転子６０は、磁極毎に略Ｖ字状に対向する２つの永久磁石６２と、前記２つの永久磁石の間に磁極毎に分離されたポールシューを構成する回転子鉄心６５を有し、１０極の磁極を構成している。永久磁石の外側と内側で磁極毎に分離されているため、図１７で示したような、ブリッジ部を、Ｎ極からＳ極へショートカットする洩れ磁束が少なく、永久磁石より発生する磁束の多くがギャップに向い、ブリッジ部を有する永久磁石形回転電機に比べ、発生し得る最大トルクを増大できる。
ロッド６３は、電磁鋼板を積層してなるポールシューを構成する回転子鉄心を貫通している。
略星形状の回転子鉄心６４は、永久磁石やポールシューを構成する回転子鉄心に作用するトルクに対し、回転子の周方向に支持し、凹凸による契合部６４bを持って、シャフトに嵌合固定されているため、強大なトルクに耐え得る構造の回転子とすることができる。

図３は、前記回転電機の回転子の軸方向断面図である。
図において、回転子は、永久磁石６２とポールシューを構成する回転子鉄心６５を回転子の径方向に支持する負荷側側板６６と反負荷側側板６７を、磁極の軸方向両側に有する。ポールシューを構成する回転子鉄心は、前記回転子鉄心を軸方向に貫くロッド６３により、軸方向両側の側板に支持されるため、遠心力に対し強固な構造の回転子とすることができる。

図４は、前記回転電機の回転子の部品構成説明図である。
図において、磁極毎に略Ｖ字状に対向する２つの永久磁石６２と、前記２つの永久磁石の間にポールシューを構成する回転子鉄心６５は、各々分離した部品である。永久磁石とポールシューを構成する回転子鉄心は、略星形状の回転子鉄心６４に装着され、磁極毎に分離されたポールシューが構成される。
略星形状の回転子鉄心は、シャフト嵌合孔６４aをシャフト６１に嵌合し、シャフトと、凹凸による契合部６４bをもって、契合固定する。
負荷側側板６６は、シャフト嵌合孔６６cをもってシャフトに嵌合し、永久磁石を永久磁石支持穴６６aに、ポールシューを構成する回転子鉄心を貫くロッド６３をロッド支持穴６６bに、それぞれ契合固定する。

図５は、前記回転電機の回転子の組立説明図である。
図において、シャフト６１に、永久磁石６２，ポールシューを構成する回転子鉄心６５，略星形状の回転子鉄心６４と負荷側側板６６を装着したのち、反負荷側側板６７を、シャフト嵌合孔６７cをもってシャフトに嵌合し、永久磁石を永久磁石支持穴６７aに、ポールシューを構成する回転子鉄心を貫くロッド６３をロッド支持穴６７bに、それぞれ契合固定する。

図６は、組み立てられた回転子の斜視図である。
組み立てられた回転子は、含浸性接着材を含浸乾燥して、強固に一体化する。
負荷側側板６６と反負荷側側板６７は、洩れ磁束を増加させないように、ステンレス等非磁性金属板を、プレス成形して製作されている。

図７は、固定子鉄心の形状説明図である。
図において、分割された固定子鉄心５３のティース部５３aの巾は、径方向に対し一定であるため、固定子コイルの設計スペースが大きく、かつ最大トルクの大きい永久磁石形回転電機を提供できる。

以上のように、本実施例の永久磁石形回転電機によれば、洩れ磁束を低減し、発生し得る最大トルクを増大するするとともに、強大なトルクに耐え得る構造の回転子を有する永久磁石形回転電機を提供できる。

本発明が特許文献１と異なる部分は、一体の回転子鉄心でなく、磁極毎に分離されたポールシューを構成する回転子鉄心を有する部分である。
本発明が特許文献２と異なる部分は、永久磁石やポールシューを構成する回転子鉄心に作用するトルクが、側板でなく、略星形状の回転子鉄心よりシャフトに支持される部分である。

図８は、本発明の第２実施例を示す永久磁石形回転電機の径方向断面図である。本実施例は、第１実施例に対し、永久磁石とポールシューを構成する回転子鉄心の形状のみ異なる。
図において、回転子８０は、磁極毎に略Ｖ字状に対向する２つの永久磁石８２と、前記２つの永久磁石の間に磁極毎に分離されたポールシューを構成する回転子鉄心８５を有し、１０極の磁極を構成している。
磁極毎に略Ｖ字状に対向する２つの永久磁石の断面は、長方形の１角を斜めに面取りした５角形であり、前記２つの永久磁石は、前記面取り部で密接されている。永久磁石の内側が密接したことにより、第１実施例よりさらに、漏れ磁束が小さく、永久磁石より発生する磁束の多くがギャップに向い、発生し得る最大トルクをより増大できる。

図９は、前記回転電機の固定子鉄心とポールシューを構成する回転子鉄心の形状説明図である。
図において、固定子鉄心のティース内周部７３aは、中央の円弧部７３aaと両側の直線部７３abを連結した形状を有し、ポールシューを構成する回転子鉄心のポールシュー外周部８５aは、中央の円弧部８５aaと両側の直線部８５abを連結した形状を有する。
ティース内周部を構成する中央の円弧部７３aaは、他のティース内周部を構成する円弧部と共通の同心円７３cの一部である。ティース内周部を構成する両側の直線部７３abは、径方向と垂直な直線の一部である。
ポールシュー外周部を構成する中央の円弧部８５aaは、他のポールシュー外周部を構成する円弧部と共通の同心円８５cの一部である。ポールシュー外周部を構成する両側の直線部８５abは、中央の円弧部の端部から、永久磁石の角８５adを結ぶ直線である。
ティース内周部を構成する中央の円弧部の両端までの長さと、ポールシュー外周部を構成する中央の円弧部の両端までの長さを適切な長さとすることで、コギングトルクを小さくすることができる。

ティース内周部を構成する中央の円弧部の両端までの長さと、ポールシュー外周部を構成する中央の円弧部の両端までの長さを適切な長さにして、コギングトルクを低減する手順を説明する。
図１０は、ポールシューを構成する回転子鉄心のポールシュー外周部におけるコギングトルク低減手順説明図である。
まず、図９に示したティース内周部７３aは、他の固定子鉄心と共通の同心円の一部のみで、両側の直線部を設けない形状において、図１０における、ポールシュー外周部を構成する両側の直線部８５abの、中央の円弧部８５aaとの交点を決定する、円弧部の中点８５acからの距離aを変化させてコギングトルクが最小になる値を調べる。

図１１は、a の値をＡ1からＡ６ まで、変化させた場合のコギングトルクの磁界解析結果である。
（ Ａ ）は、回転子の回転角度に対するコギングトルクの変化の様子を示す。トルク値は、定格トルクに対する百分率をもって示している。
（ Ｂ ）は、aの値を横軸とし、各々のコギングトルクの最大値を示したものである。（ Ｂ ）より、a がＡ３またはＡ４の近くで、コギングトルクは最小になることが分かる。

図１２は、固定子鉄心のティース内周部におけるコギングトルク低減手順説明図である。
次に、図１０に示したポールシュー外周部の形状を、aの値を、コギングトルクが最も小さい辺りのＡ３から、ポールシュー外周部を構成する円弧部の範囲がより小さくなるＡ６ に至る各々の形状において、図１２における、中央の円弧部７３aaの中点７３acからティース内周部７３aを構成する両側の直線部７３abまでの距離であるh の値を 、Ｈ０から Ｈ５ まで変化させて、コギングトルクが最小になる値を調べる。Ｈ０は、両側の直線部を設けない形状であり、図１１に示したＡ３からＡ６と同じ仕様である。Ｈ５では、中央の円弧部がなくなる。

図１３は、各々のaの値の形状において、h の値を変化させた場合のコギングトルクの磁界解析結果である。
（ Ａ ）は、a の値をＡ３とした形状において、h の値を 、Ｈ０から Ｈ１まで変化させた場合のコギングトルクの磁界解析結果である。Ｈ０に対し、Ｈ１のコギングトルクは大きくなっている。その他のｈの値の形状については良い結果を期待できないため、調べる必要がない。
（ Ｂ ）は、a の値をＡ６とした形状において、h の値を 、Ｈ０から Ｈ５まで変化させた場合のコギングトルクの磁界解析結果である。結果より、h の値が Ｈ３の時コギングトルクが最小値になることが分かる。
Ｈ４，Ｈ５についても、同様に解析を行い、コギングトルクが最小になる値を調べる。

図１４は、以上説明したコギングトルク解析結果であり、ｈの値を横軸とし、各々のコギングトルクの最大値を示したものである。
図において、最もコギングトルクが小さくなる仕様は、a =Ａ５, h =Ｈ３ の形状で、コギングトルクは最小となった。
また、Ｈ３からＨ５の間では、ｈ の変化に対し、コギングトルクの変化が小さいため、ティース部の寸法誤差に対し、コギングトルクが大きくなる危険性が低いこともわかる。コギングトルクが小さく、a やh の寸法の変化に対し、コギングトルクの変化が小さい形状を選ぶことが望ましい。
また、コギングトルクで優劣が付けにくい場合は、ティース内周部を構成する円弧部とポールシュー外周部を構成する中央の円弧部の範囲を大きくする方が、高トルク化のためには有利である。

図９乃至１４に示した、コギングトルクの低減方法は、図１５に示す、磁極毎に略Ｖ字状に対向する２つの永久磁石９２と、ブリッジ部を有する、従来の永久磁石形回転電機の回転子鉄心９５の形状にも適用できる。
その場合には、ポールシュー外周部９５aは、中央の円弧部９５aaと両側の直線部９５abを連結した形状を有することは同様である。
ポールシュー外周部を構成する中央の円弧部は、他のポールシュー外周部を構成する円弧部と共通の同心円の一部であり、ポールシュー外周部を構成する両側の直線部は、中央の円弧部の端点より、永久磁石を囲む外側のブリッジ部の端９５aeを結ぶ直線である。
固定子鉄心については同じであるため、図１０及び１２で示した、a と h を適切な長さとすることで、コギングトルクを低減できる。

図１６は、磁極毎に略Ｖ字状に対向する２つの永久磁石と、ブリッジ部を有する、従来の永久磁石形回転電機と、本実施例の永久磁石形回転電機のトルク特性比較図である。
本実施例の回転子を用いた回転電機では、永久磁石より発生する磁束の洩れ磁束が少ないため、モータが発生し得る最大トルクを大きく増大できる。

以上のように、本実施例の永久磁石形回転電機によれば、比較的増大しがちであったオープンスロットの固定子鉄心を有する永久磁石形回転電機の低コギングトルクと、大トルクを両立できる。

本発明の永久磁石形回転電機は、回転電機が発生し得る最大トルクが大きいため、サーボモータのみならず、汎用モータにも適用できる。

４９ オイルシール
５０ フレーム
５１ 負荷側ブラケット
５２ 反負荷側ブラケット
５３ 固定子鉄心
５３a ティース部
５４ 固定子コイル
５５ インシュレータ
５６ 結線部
５７ エンコーダ部
５８ 負荷側軸受
５９ 反負荷側軸受
６０ 回転子
６１ シャフト
６２ 永久磁石
６３ ロッド
６４ 略星形状の回転子鉄心
６４a シャフト嵌合孔
６４b 契合部
６５ ポールシューを構成する回転子鉄心
６６ 負荷側側板
６６a 永久磁石支持穴
６６b ロッド支持穴
６６c シャフト嵌合孔
６７ 反負荷側側板
６７a 永久磁石支持穴
６７b ロッド支持穴
６７c シャフト嵌合孔

Claims (4)

1. 固定子と、回転自在に支持された概円筒形の回転子を備えた永久磁石形回転電機において、前記回転子は、磁極毎に略Ｖ字状に対向する２つの永久磁石と、前記２つの永久磁石の間に磁極毎に分離されたポールシューを構成する回転子鉄心とを有し、前記永久磁石とポールシューを構成する回転子鉄心とを回転子の周方向に支持する略星形状の回転子鉄心を有し、前記永久磁石を契合固定させる永久磁石支持穴と、ポールシューを構成する回転子鉄心を軸方向に貫くロッドを契合固定させるロッド支持穴とをそれぞれ凹設し、前記永久磁石とポールシューを構成する回転子鉄心とをそれぞれ磁極の軸方向両側から挟むように支持する側板を有することを特徴とする永久磁石形回転電機。
2. 磁極毎に略Ｖ字状に対向する２つの永久磁石と、前記２つの永久磁石の間にポールシューを構成する回転子鉄心とは、各々分離した部品であることを特徴とする請求項１記載の永久磁石形回転電機。
3. 磁極毎に略Ｖ字状に対向する２つの永久磁石と、前記２つの永久磁石の間にポールシューを構成する回転子鉄心とを、回転子の周方向に支持する略星形状の回転子鉄心は、シャフトと、凹凸による契合部を持って、嵌合固定することを特徴とする請求項１または２記載の永久磁石形回転電機。
4. 磁極毎に略Ｖ字状に対向する２つの永久磁石の断面は、長方形の１角を斜めに面取りした５角形であり、前記２つの永久磁石は、前記面取り部で密接されたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の永久磁石形回転電機。

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