JP5602815B2

JP5602815B2 - 永久磁石を位置決めするための突起を有する回転子及びそのような回転子を備える電動機

Info

Publication number: JP5602815B2
Application number: JP2012239112A
Authority: JP
Inventors: 靖典杉本
Original assignee: FANUC Corp
Current assignee: FANUC Corp
Priority date: 2012-10-30
Filing date: 2012-10-30
Publication date: 2014-10-08
Anticipated expiration: 2032-10-30
Also published as: CN103795165B; JP2014090574A; DE102013017632A1; US20140117802A1; CN203632385U; CN103795165A; DE102013017632B4; US9106118B2

Description

本発明は、外表面に取付けられる永久磁石を位置決めするための突起を有する回転子及びそのような回転子を備える電動機に関する。

スリーブの表面に取付けられた永久磁石を備えるＳＰＭ（ＳｕｒｆａｃｅＰｅｒｍａｎｅｎｔＭａｇｎｅｔ）タイプの電動機の回転子は、永久磁石と固定子の歯との間に作用する磁気的吸引力及び反発力に起因して発生するコギングトルクの影響が比較的大きくなる傾向がある。コギングトルクは電動機の正確な動作制御を困難にするので、予期されないコギングトルクが発生するのを防止するために、永久磁石を所定の位置に正確に取付ける必要がある。そこで、スリーブの外周面に突起を形成し、永久磁石の移動を制限することによって、永久磁石の位置ずれを防止する構成を備えた回転子が知られている。また、特許文献１は、各永久磁石を等間隔に位置決めするために、一方の端部から他方の端部に向かって徐々に小さくなる形状を有する永久磁石が反対方向を向くように交互に配列された回転子を開示している。

特開２００７−６６２１号公報

永久磁石を所定の位置に正確に位置決めできる回転子及びそのような回転子を備えた電動機が望まれている。

本願に係る１番目の発明によれば、回転軸線方向において第１の端部及び第２の端部を有するとともに前記第１の端部から前記第２の端部に向かって延在していて半径方向外側に向かって突出する複数の突起が形成された外周面を有する回転子鉄心と、前記回転子鉄心の前記外周面において前記複数の突起の間に配置される複数の永久磁石と、を備える電動機の回転子であって、前記複数の突起の各々は、互いに隣接する突起の間に形成される間隔の大きさが前記第１の端部よりも前記第２の端部においてより小さくなるように前記回転軸線方向に対して傾斜する第１の傾斜側面を有しており、前記複数の永久磁石の各々は、前記回転軸線方向に対して直交する方向における幅が前記第１の端部よりも前記第２の端部においてより小さくなるように前記回転軸線方向に対して傾斜する第２の傾斜側面を有しており、互いに対向する前記突起の前記第１の傾斜側面と、前記永久磁石の前記第２の傾斜側面とは、前記回転軸線方向に対して互いに同一の角度を形成するようにそれぞれ傾斜しており、前記突起の前記第１の傾斜側面及び前記永久磁石の前記第２の傾斜側面は、前記第２の端部から前記第１の端部に向かって前記突起及び前永久磁石の一部のみにわたって延在しており、前記複数の突起の各々は、前記第１の傾斜側面を一方の側面のみに有しており、前記複数の永久磁石の各々は、前記第２の傾斜側面を一方の側面のみに有する、電動機の回転子が提供される。

本願に係る２番目の発明によれば、１番目に係る回転子を備えた電動機が提供される。

本願発明によれば、回転子に形成される突起が回転軸線方向に対して傾斜するとともに、磁石が突起の傾斜角度と同一の傾斜角度を形成するように傾斜している。それにより、互いに対向していて同一の傾斜角度を有する傾斜側面どうしをスライドさせながら磁石の取付工程が実行される。したがって、本願発明によれば、磁石を所定の位置に容易に位置決めできるようになり、予期されないコギングトルクが発生するのを防止できる。

本発明の一実施形態に係る電動機を示す概略断面図である。図１の電動機の回転子を示す斜視図である。図２の回転子のスリーブを示す斜視図である。図２の回転子における磁石の位置決め作用を説明するための図である。別の実施形態に係る回転子における磁石の位置決め作用を説明するための図である。別の実施形態に係る回転子における磁石の位置決め作用を説明するための図である。別の実施形態に係る回転子における磁石の位置決め作用を説明するための図である。別の実施形態に係る回転子における磁石の位置決め作用を説明するための図である。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。図示される実施形態の各構成要素は、本発明の理解を助けるためにその縮尺が実用的な形態から変更されている場合があることに留意されたい。

図１から図３を参照して本発明の一実施形態に係る電動機１０について説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る電動機１０を示す概略断面図である。図２は、図１の電動機１０の回転子３０を示す斜視図である。図３は、図２の回転子３０のスリーブ３４を示す斜視図である。

電動機１０は、図示されない回転軸とともに回転軸線１２の回りに回転可能であって概ね円筒形状を有する回転子３０と、回転子３０の外周を包囲するように配置される固定子５０と、を備える。電動機１０は、回転子３０と固定子５０との間における磁気的相互作用によって回転子３０を回転させ、それにより発生する回転動力を機械加工その他種々の用途に利用するために使用される。

図２に示されるように、回転子３０は、中央に回転軸を受容可能な軸穴３２が形成されたスリーブ３４と、スリーブ３４の外周面３４ａに沿って周方向Ｃにおいて概ね等間隔を空けて配列される磁石３６と、を備えている。スリーブ３４は、例えば回転軸線１２に対して平行な方向（以下、「軸線方向」と称し、図面において符号「Ｘ」によって示される。）に積層された電磁鋼板をかしめ又は接着剤その他の公知の手段によって互いに固定することによって形成される回転子鉄心の例である。スリーブ３４の外周面３４ａには、より詳細に後述するように半径方向Ｒの外側に向かって突出する複数の突起３８が形成されており、磁石３６が隣接する突起３８，３８の間に配置されるようになっている。磁石３６は、磁性材料からなる粉末を焼結することにより形成される永久磁石である。磁石３６は、隣接する磁石３６，３６が交互に逆向きの磁極を有するように半径方向Ｒにおいて磁化されている。すなわち、或る磁石３６が半径方向Ｒの内側にＳ極を有し、半径方向Ｒの外側にＮ極を有するように磁化されている場合、その磁石３６に両隣に配列される磁石３６，３６は、半径方向Ｒの内側にＮ極を有し、半径方向Ｒの外側にＳ極を有するように磁化される。

再び図１を参照すると、固定子５０は、回転子３０と同心の円を画定する外周面５２ａを有する概ね円環形状の固定子鉄心５２と、固定子鉄心５２の内周面５２ｂから半径方向Ｒの内側に向かって突出する歯５４と、歯５４の周りに巻き回される図示されない巻線と、を備えている。なお、電動機１０は、固定子５０の外周面５２ａに嵌合する内周面を有するケーシング（図示せず）をさらに備えていてもよい。電動機１０の動作に際して、例えば三相交流の電流が固定子５０の巻線に印加され、それにより巻線は電磁石として作用する。そして、電動機１０は、回転子３０の磁石３６と固定子５０の歯５４との間に生じる反発力及び吸引力を利用して回転子３０を回転させるように形成されている。

図３に示されるように、スリーブ３４の外周面３４ａには、軸線方向Ｘにおける一方の端部３４ｂから他方の端部３４ｃに向かって延在するとともに半径方向Ｒの外側に向かって突出する突起３８が形成されている。それにより、スリーブ３４の外周面３４ａにおいて、隣接する１対の突起３８，３８の間に凹部４０が形成される。図３においては省略されているが、各磁石３６がこれら凹部４０に配置されるようになっている。凹部４０は予め定められた所定の位置に形成されているので、磁石３６は、磁石３６を凹部４０に配置することによって所定の位置に位置決めされるようになっている。なお、突起３８は、スリーブ３４とは別個の部材として取付けられてもよいし、スリーブ３４と一体成形されてもよいし、円筒形を有するスリーブ３４の表面を切削することによって形成されてもよい。

図示されるように、突起３８は、スリーブ３４の一方の端部３４ｂから他方の端部３４ｃに向かって軸線方向Ｘに対して傾斜する傾斜側面４２を有する棒状の形状を有している。そして、互いに隣接する第１の突起３８ａと第２の突起３８ｂとは、軸線方向Ｘに対して互いに反対方向に傾斜している。すなわち、第１の突起３８ａは、軸線方向Ｘに対して図３の右側に向かって傾斜する第１の傾斜側面４２ａを有しており、第１の突起３８ａの両隣に位置する第２の突起３８ｂ，３８ｂは、軸線方向Ｘに対して図３の左側に向かって傾斜する第２の傾斜側面４２ｂを有している。したがって、これら第１の突起３８ａと第２の突起３８ｂとの間には、スリーブ３４の一方の端部３４ｂから他方の端部３４ｃに向かって徐々に小さくなる幅を有する第１の凹部４０ａと、スリーブ３４の一方の端部３４ｂから他方の端部３４ｃに向かって徐々に大きくなる幅を有する第２の凹部４０ｂと、がそれぞれ交互に形成される。

再び図２を参照すると、磁石３６は、突起３８によって形成される凹部４０に嵌合する外形を有している。すなわち、磁石３６は、スリーブ３４の一方の端部３４ｂから他方の端部３４ｃに向かって軸線方向Ｘに対して傾斜する傾斜側面４４を有しており、磁石３６の傾斜側面４４は、対向する突起３８の傾斜側面４２と同一の角度を形成するように延在している。そして、隣接する磁石３６，３６は、互いに反対方向に向けられるように周方向Ｃにおいて交互に配列されている。

具体的には、軸線方向Ｘにおいてスリーブ３４の一方の端部３４ｂから他方の端部３４ｃに向かって徐々に小さくなる幅を有する第１の磁石３６ａと、軸線方向Ｘにおいてスリーブ３４の一方の端部３４ｂから他方の端部３４ｃに向かって徐々に大きくなる幅を有する第２の磁石３６ｂと、が周方向Ｃにおいて交互に配列されている。第１の磁石３６ａは、軸線方向Ｘに対して図２の右側に傾斜する第１の傾斜側面４４ａと、軸線方向Ｘに対して図２の左側に傾斜する第２の傾斜側面４４ｂと、を有している。そして、第１の磁石３６ａの第１の傾斜側面４４ａは、対向する第１の突起３８ａの第１の傾斜側面４２ａに対して平行に延在していて、軸線方向Ｘに対して互いに同一の角度を形成する。また、第１の磁石３６ａの第２の傾斜側面４４ｂは、対向する第２の突起３８ｂの第２の傾斜側面４２ｂに対して平行に延在していて、軸線方向Ｘに対して互いに同一の角度を形成する。

一方、第２の磁石３６ｂは、軸線方向Ｘに対して図２の右側に傾斜する第３の傾斜側面４４ｃと、軸線方向Ｘに対して図２の左側に傾斜する第４の傾斜側面４４ｄと、を有している。そして、第２の磁石３６ｂの第３の傾斜側面４４ｃは、対向する第１の突起３８ａの第１の傾斜側面４２ａに対して平行に延在していて、軸線方向Ｘに対して互いに同一の角度を形成する。また、第２の磁石３６ｂの第４の傾斜側面４４ｄは、対向する第２の突起３８ｂの第２の傾斜側面４２ｂに対して平行に延在していて、軸線方向Ｘに対して互いに同一の角度を形成する。

図４は、図２の回転子３０における突起３８による磁石３６の位置決め作用を説明するための図である。図４は、簡単のため３つの突起３８，３８，３８と２つの磁石３６，３６のみが同一平面上に展開された状態で表されている。図４において左側の磁石３６は、突起３８，３８の間に配置された状態で示されており、右側の磁石３６は、突起３８，３８の間に形成される凹部４０に挿入される途中の状態で示されている。図４の矢印は磁石３６の挿入方向を表している。図４に示される磁石３６は、中心線Ｏに対して線対称の形状を有している。このように線対称の形状を有する磁石３６を採用すれば、突起３８は、スリーブ３４の周方向Ｃにおいて同一形状の繰返し構造として形成され得るので、設計及び加工が容易である。しかしながら、本発明において使用される磁石３６は、このような線対称の形状に限定されずに他の任意の形状を有していてもよい。

前述したように、磁石３６は、スリーブ３４に形成される突起３８の傾斜側面４２と同一の角度を形成するように傾斜する傾斜側面４４を有している。したがって、図４に示されるように、磁石３６を取付ける際に、磁石３６の傾斜側面４４を対応する突起３８の傾斜側面４２においてスライドさせるようにして挿入できる。それにより、磁石３６が所定の位置に確実かつ容易に位置決めされるようになる。磁石３６がこのように所定の位置に位置決めされる本実施形態によれば、予期されないコギングトルクが発生するのを防止でき、したがって高精度に動作制御可能な電動機１０が提供される。

続いて、前述した実施形態とは異なる本発明の他の実施形態について説明する。以下の説明において、既に述べた内容と重複する事項については説明を適宜省略する。また、同一又は対応する構成要素には同一の参照符号が使用される。

図５は、別の実施形態に係る回転子における突起７０による磁石６０の位置決め作用を説明するための図である。図５において、図４と同様に、簡単のため３つの突起７０，７０，７０と２つの磁石６０，６０のみが同一平面上に展開された状態で表されている。図５において左側の磁石６０は、突起７０，７０の間に配置された状態で示されており、右側の磁石６０は、突起７０，７０の間に挿入される途中の状態で示されている。図５の矢印は磁石６０の挿入方向を表している。

本実施形態において、突起７０は、軸線方向Ｘに対して平行に延在する平行側面７２と、軸線方向Ｘに対して傾斜する傾斜側面７４と、を有している。傾斜側面７４は、軸線方向Ｘにおける突起７０の一方の端部７０ａを始点とし、一方の端部７０ａと他方の端部７０ｂとの間に位置する移行点７０ｃを終点としてそれらの間に延在している。換言すると、突起７０の傾斜側面７４は、突起７０の一方の端部７０ａから他方の端部７０ｂに向かって突起７０の一部にわたって延在している。

一方、磁石６０は、軸線方向Ｘに対して平行に延在する平行側面６２と、軸線方向Ｘに対して傾斜する傾斜側面６４と、を有している。傾斜側面６４は、軸線方向Ｘにおける磁石６０の一方の端部６０aを始点とし、一方の端部６０ａと他方の端部６０ｂとの間に位置する移行点６０ｃを終点としてそれらの間に延在している。換言すると、磁石６０の傾斜側面６４は、磁石６０の一方の端部６０ａから他方の端部６０ｂに向かって磁石６０の一部にわたって延在している。なお、図示された磁石６０は線対称の形状を有しているものの、このような特定の形状には限定されない。

本実施形態において、磁石６０の傾斜側面６４と、傾斜側面６４に対向する突起７０の傾斜側面７４とは、軸線方向Ｘに対して互いに同一の角度を形成する。それにより、磁石６０の傾斜側面６４を突起７０の傾斜側面７４においてスライドさせながら、磁石６０を突起７０，７０の間の凹部４０に挿入できる。それにより、図５の左側に示される磁石６０のように磁石６０を所定の位置に正確かつ容易に位置決めできる。また、傾斜側面６４，７４が部分的に形成された磁石６０及び突起７０を採用すれば、加工領域が小さくなるので製造がより容易になる。

以上、図４及び図５に関連して、傾斜側面４４，６４を突起３８，７０に対向する両側面に有する磁石３６，６０を例示して説明した。しかしながら、このような傾斜側面が突起に対向する側面のうちの一方のみに形成された磁石を用いてもよい。図６は、図５の実施形態の変形例に係る回転子における突起７０’による磁石６０’の位置決め作用を説明するための図である。図示されるように、突起７０’は、一方の側面のみに傾斜側面７４が形成されており、他方には傾斜側面７４が形成されていない。また、磁石６０’は、対向する突起７０’の形状に対応して、一方に軸線方向Ｘに対して傾斜する傾斜側面６４を有するとともに他方には軸線方向Ｘに対して平行に延在する平行側面６２を有している。このように傾斜側面を６４，７４を一方の側面のみに有する磁石６０’及び突起７０’を採用しても、他の実施形態と同様に、対向する磁石６０’の傾斜側面６４と突起７０’の傾斜側面７４とを互いに同一の傾斜角度を有するように形成することによって、磁石６０’を突起７０’，７０’の間の凹部４０において正確に位置決めできる。

図７は、別の実施形態に係る回転子における突起９０による磁石８０の位置決め作用を説明するための図である。本実施形態においては、突起９０と磁石８０との間に楔形の中間部材１００が介在する。図７において、簡単のため２つの磁石８０，８０及びそれら磁石８０，８０を位置決めするための突起９０及び中間部材１００のみが同一平面上に展開された状態で表されている。図７の右側に示される磁石８０は、中間部材１００が挿入される途中の状態で示されている。図７の矢印は中間部材１００の挿入方向を表している。

本実施形態において、磁石８０は軸線方向Ｘに対して平行な平行側面８２，８２を有していて、正面視において図示されるように概ね長方形の形状を有している。一方、突起９０は、図４に関連して説明した突起３８と同様の形状を有しており、軸線方向Ｘに対して互いに反対方向に傾斜する傾斜側面９２を有する突起９０が交互に配列されている。

中間部材１００は、突起９０に対向する側面において、軸線方向Ｘに対して突起９０の傾斜側面９２と同一の傾斜角度を有する傾斜側面１０２を有している。一方、中間部材１００は、磁石８０に対向する側面において、磁石８０の平行側面８２と同様に軸線方向Ｘに対して平行に延在する平行側面１０４を有している。本実施形態に係る回転子において、磁石８０が取付けられる際には、磁石８０が突起９０，９０の間に形成される凹部４０に先ず挿入される。その後、中間部材１００が磁石８０と突起９０との間の間隙に挿入される。それにより、磁石８０が凹部４０に挿入された時点で磁石８０が正確に位置決めされていなくても、中間部材１００の傾斜側面１０２を突起９０の傾斜側面９２においてスライドさせながら、中間部材１００を凹部４０に挿入することによって、磁石８０が所定の位置に位置決めされるようになる。このような実施形態によれば、傾斜側面を磁石８０に形成する必要がないので、磁石８０を製造するのが容易である。

図８は、図７の実施形態の変形例に係る回転子における突起１１０による磁石１２０の位置決め作用を説明するための図である。図７の実施形態においては、磁石８０が平面視において長方形の形状を有している一方で突起９０が軸線方向Ｘに対して傾斜する傾斜側面９２を有している。それに対し、図８の実施形態においては、突起１１０の両側面が軸線方向Ｘに対して平行な平行側面１１２であり、突起１１０は平面視において長方形の形状を有する。一方、磁石１２０は、一方の端部から他方の端部に向かって小さくなる幅を有するように軸線方向Ｘに対して傾斜する傾斜側面１２２を両側に有している。中間部材１００’は図７の実施形態における中間部材１００と同様の形状を有していて、一方において軸線方向Ｘに対して傾斜する傾斜側面１０２を有するとともに、他方において軸線方向Ｘに対して平行な平行側面１０４を有している。ただし、本変形例の中間部材１００’の傾斜側面１０２は磁石１２０の傾斜側面１２２に対向して向けられるとともに、中間部材１００’の平行側面１０４は突起１１０の平行側面１１２に向けられている。中間部材１００’は、図７の実施形態における中間部材１００と同様に、磁石１２０と突起１１０との間の間隙に挿入され、磁石１２０の位置決め工程を補助する。したがって、磁石１２０を所定の位置に確実かつ容易に位置決めできる。また、このような実施形態によれば、傾斜側面を突起１１０に形成する必要がないので、突起１１０を製造するのが容易である。

以上、本発明の種々の実施形態を説明したが、本明細書において明示的又は暗示的に開示される複数の実施形態の特徴を任意に組合せることによっても本発明を実施できることは当業者に自明である。

また、本発明の例示的な実施形態に基づいて本発明が図示され、説明されたものの、本発明の精神及び範囲を逸脱することなく、明示的に記載された事項以外にも変更、省略、追加がなされ得ることが当業者に理解されるべきである。

１０電動機
１２回転軸線
３０回転子
３４スリーブ（回転子鉄心）
３６磁石
３８突起
４０凹部
４２傾斜側面（第１の傾斜側面）
４４傾斜側面（第２の傾斜側面）
５０固定子
５２固定子鉄心
６０磁石
６０’ 磁石
６２平行側面
６４傾斜側面（第２の傾斜側面）
７０突起
７０’ 突起
７２平行側面
７４傾斜側面（第１の傾斜側面）
８０磁石
８２平行側面（第１の平行側面）
９０突起
９２傾斜側面（第１の傾斜側面）
１００中間部材
１００’ 中間部材
１０２傾斜側面（第２の傾斜側面）
１０４平行側面（第２の平行側面）
１１０突起
１１２平行側面（第１の平行側面）
１２０磁石
１２２傾斜側面（第１の傾斜側面）
Ｃ周方向
Ｏ中心線
Ｒ半径方向
Ｘ軸線方向（回転軸線に対して平行な方向）

Claims

回転軸線方向において第１の端部及び第２の端部を有するとともに前記第１の端部から前記第２の端部に向かって延在していて半径方向外側に向かって突出する複数の突起が形成された外周面を有する回転子鉄心と、
前記回転子鉄心の前記外周面において前記複数の突起の間に配置される複数の永久磁石と、を備える電動機の回転子であって、
前記複数の突起の各々は、互いに隣接する突起の間に形成される間隔の大きさが前記第１の端部よりも前記第２の端部においてより小さくなるように前記回転軸線方向に対して傾斜する第１の傾斜側面を有しており、
前記複数の永久磁石の各々は、前記回転軸線方向に対して直交する方向における幅が前記第１の端部よりも前記第２の端部においてより小さくなるように前記回転軸線方向に対して傾斜する第２の傾斜側面を有しており、
互いに対向する前記突起の前記第１の傾斜側面と、前記永久磁石の前記第２の傾斜側面とは、前記回転軸線方向に対して互いに同一の角度を形成するようにそれぞれ傾斜しており、
前記突起の前記第１の傾斜側面及び前記永久磁石の前記第２の傾斜側面は、前記第２の端部から前記第１の端部に向かって前記突起及び前永久磁石の一部のみにわたって延在しており、
前記複数の突起の各々は、前記第１の傾斜側面を一方の側面のみに有しており、前記複数の永久磁石の各々は、前記第２の傾斜側面を一方の側面のみに有する、電動機の回転子。
請求項１に記載の回転子を備えた電動機。