JP5918070B2

JP5918070B2 - Ｉｐｍモータ

Info

Publication number: JP5918070B2
Application number: JP2012172429A
Authority: JP
Inventors: 昭筒井
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2012-08-03
Filing date: 2012-08-03
Publication date: 2016-05-18
Anticipated expiration: 2032-08-03
Also published as: JP2014033530A

Description

本発明は、ＩＰＭモータに関する。

従来から、特許文献１に開示された永久磁石を備えたモータが知られている。このモータは、図７に示されるように、シャフト１０２に取り付けられたロータ１０４と、このロータ１０４を囲うステータ１０６と、を備える。ロータ１０４は、円筒状（又は円板状）のロータコア１０８と、当該ロータコア１０８の外周部において回転方向に間隔を空けて嵌め込まれ、ロータコア１０８の外周部に磁極を形成するための複数の永久磁石１１０、１１０、…とを有する。ステータ１０６は、ロータ１０４を囲う筒状のステータコア１１２と、ステータコア１１２からロータ１０４に向かって径方向に延びる複数のティース１１４、１１４、…と、を有する。各ティース１１４には、導体線が巻回されて励磁コイル１１６が形成されている。

このモータ１００は、ステータ１０６に設けられた励磁コイル１１６に電流が流されることによって回転磁界が形成され、この回転磁界にロータ１０４の各磁極が引き寄せられることによって生じる磁石トルク、及びｄ軸インダクタンスとｑ軸インダクタンスとの差に基づくリラクタンストルクとによってロータ１０４が回転し、この磁石トルクとリラクタンストルクとを合わせた出力トルク（回転動力）をシャフト１０２を通じて外部に伝達する。

特開２００９−３８９０６号公報

上記のモータ１００によれば、ロータ１０４に励磁コイルを用いず永久磁石１１０によって磁極を形成するため、前記励磁コイルにおける２次銅損が無くなり、その結果、誘導型モータ等に比べて効率がよい。また、上記のモータ１００では、磁石トルクとリラクタンストルクとを合わせたトルクが出力トルクとなるため、出力が大きい。

しかし、近年、より高効率且つ高出力のモータが求められている。

そこで、本発明は、上記問題に鑑み、永久磁石を備えたモータであって、より高効率且つ高出力なモータを提供することを課題とする。

本発明者は、種々検討した結果、上記目的は、以下の本発明により達成されることを見出した。すなわち、本発明の一態様に係るＩＰＭモータは、回転動力を発生させるＩＰＭモータであって、ロータと、前記ロータをその回転方向に囲うステータコア、及び前記ステータコアから前記ロータに向かって径方向に延び且つ回転磁界を形成するための複数のティースを有するステータと、を備える。そして、前記ロータは、ロータコアと、前記ロータコアの外周部において前記回転方向に沿って間隔をおいて並ぶように嵌め込まれることで当該ロータコアに複数の磁極を形成する複数の永久磁石と、当該ロータと前記ティースとの間に磁路を形成可能な複数の磁束結合部材と、を有し、前記複数の永久磁石は、ロータの外周面においてＳ極とＮ極とが周方向に交互に並んでおり、前記磁束結合部材は、磁性材料によって形成され、且つ、前記ロータコアの前記永久磁石よりも径方向外側の部位における回転軸方向の一方側又は両側の端部に取り付けられてこの取り付け位置から径方向外側に向かって回転軸方向視におけるティース先端部と重なる位置まで延びており、前記複数の磁束結合部材は前記ロータコアの磁極毎に配置され、前記ロータコアの隣り合う磁極に配置された磁束結合部材同士の間に空間が形成され、互いに結合されていない。

かかる構成によれば、磁束結合部材によって、ロータの外周部（ロータコアの永久磁石よりも外側の部位）における回転軸方向の一方側又は両側の端部と、ティース先端部の回転軸方向における対応する端部とを繋ぐ磁路が形成されるため、ロータに生じるリラクタンストルクが増加して当該モータの出力トルク（磁石トルクとリラクタンストルクとを合わせたトルク）が向上すると共に当該モータのより高効率化が図られる。

即ち、磁性材料によって形成された部材（磁束結合部材）が、ロータコアとティースとの回転軸方向における同じ側の端部において、ロータの外周部（永久磁石よりも外側の部位）からティース先端部と重なる位置まで延びているため、磁束結合部材が設けられていない場合に生じるロータの外周部における回転軸方向の端部から漏れ出る漏れ磁束とティース先端部における同方向の端部から漏れ出る漏れ磁束とを（図５（Ａ）参照）、当該磁束結合部材の内部に引き込んで結合するような磁路が形成される（図５（Ｂ）参照）。これにより、磁束結合部材がない場合の漏れ磁束が、磁束結合部材によってトルクに寄与するように活用され、ロータとティースとの間を繋ぐ磁束が増加し、その結果、ロータに生じるリラクタンストルクが増加する。

かかる構成によれば、磁極毎に磁束結合部材が配置されているためトルクリップルが抑えられると共に、隣り合う磁束結合部材間に空間が形成されていることによってロータコアの隣り合う磁極同士の間に磁束結合部材を通じた磁路が形成されることが防がれ、これによりモータの効率低下及び出力トルクの低下を防ぐことができる。

また、上述のモータにおいて、前記複数の磁束結合部材が前記ロータコアの磁極毎に配置されると共に前記ロータコアの隣り合う磁極に配置された磁束結合部材同士の間に非磁性部材がそれぞれ配置され、隣接する前記磁束結合部材と前記非磁性部材とが互いに結合されていてもよい。

かかる構成によっても、磁極毎に磁束結合部材が配置されているためトルクリップルが抑えられると共に、隣り合う磁束結合部材間に非磁性部材が配置されていることによってロータコアの隣り合う磁極同士の間に磁束結合部材を通じた磁路が形成されるのが防がれ、これによりモータの効率低下及び出力トルクの低下を防ぐことができる。

しかも、隣接する磁束結合部材と非磁性部材とが互いに結合されて複数の磁束結合部材と複数の非磁性部材とを一体構造とすることで、磁束結合部材の位置ずれ防止され、且つこれらの部材のロータコアへの取り付け作業が容易になる。

以上より、本発明によれば、永久磁石を備えたモータであって、高効率且つ高出力なモータを提供することができる。

本実施形態に係るモータの中央縦端面図である。前記モータの斜視図である。前記モータのロータコアに取り付けられる磁束結合部材の斜視図である。前記磁束結合部材の配置状態を示す斜視図である。ティース先端部とロータとの間の磁束線を示す模式図であって、（Ａ）は、磁束結合部材が設けられていない状態の磁束線を示す模式図であり、（Ｂ）は、磁束結合部材が設けられた状態の磁束線を示す模式図である。他の実施形態に係る複数の磁束結合部材の配置状態を説明するための斜視図である。従来のモータを回転軸方向から見た図である。

以下、本発明にかかる実施の一形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において同一の符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、適宜、その説明を省略する。

本実施形態に係るモータは、いわゆるＩＰＭモータ（以下、単に「モータ」とも称する。）であり、図１及び図２に示されるように、ステータ２０と、ロータ３０と、ロータ３０の回転を外部に取り出すためにロータ３０に取り付けられた出力軸（シャフト）１２と、を備える。このモータ１０では、各軸心Ｃが一致するように（同軸になるように）、ロータ３０がステータ２０内に配置され、回転変化する磁界（回転磁界）によってロータ３０が回転する。尚、モータ１０は、ケーシングを備え、ステータ２０とロータ３０とがケーシング内に収納される構成であってもよい。

ステータ２０は、ステータコア２１と、複数のティース２２、２２、…と、を備え、ロータ３０を出力軸１２の周方向（回転方向）に囲う。

ステータコア２１は、ロータ３０と所定の間隔をおいて当該ロータ３０を周方向に囲う円筒形状を有する。

各ティース２２は、ステータコア２１に囲まれた領域内において当該ステータコア２１からロータ３０に向けてそれぞれ延びると共に出力軸方向に沿って延びる凸条部材である。各ティース２２には、励磁コイル（巻線）２３が取り付けられている。この励磁コイル２３は、絶縁被覆銅線等の絶縁体で被覆された導体線２３ａがティース２２に巻回されることによって形成される。このようなティース２２及び励磁コイル２３によってステータ２０の磁極が形成されており、当該磁極は、所定の個数（磁極数）で設けられている。当該モータ１０では、このような複数のティース２２、２２、…に取り付けられた各励磁コイル２３に対して所定の位相差の電流が供給されることにより、回転磁界が形成され、これにより、ロータ３０に磁石トルクとリラクタンストルクとが発生して当該ロータ３０が回転する。

以上のステータコア２１とティース２２とを備えたステータ２０は、例えば、複数の電磁鋼板が軸心方向に積層されることによって形成されている。尚、ステータ２０は、電磁鋼板が積層された構成に限定されず、例えば、軟磁性体粉末等によって形成された、いわゆる圧粉コア等であってもよい。

出力軸１２は、ステータ２０（又はロータ３０）の軸心Ｃに沿って延び、当該出力軸１２に接続された機構等に、ロータ３０の回転により生じた出力（出力トルク、回転動力）を外部へ伝える。

ロータ３０は、ロータコア３１と、複数（本実施形態の例では８個）の永久磁石３２、３２、…と、複数（本実施形態の例では８個）の磁束結合部材３３、３３、…と、を備え、ステータ２０によって形成された回転磁界によって回転する。

ロータコア３１は、円板又は円柱状を有し、当該ロータコア３１の軸心（回転軸）方向に貫通する穴３１０が形成されている。この穴３１０には、出力軸１２が挿通している。ロータコア３１の外周部には、回転方向（軸心Ｃを中心とした円周）に間隔をおいて並ぶように複数（本実施形態の例では８個）の磁石嵌め込み穴３１２、３１２、…が形成されている。各磁石嵌め込み穴３１２は、ロータコア３１を軸心方向に貫通し、永久磁石３２が嵌め込まれる。本実施形態では、前記回転方向に沿って等間隔となるように、例えば、８個の磁石嵌め込み穴３１２が形成されている。このロータコア３１は、例えば、複数の電磁鋼板が軸心方向に積層されることによって形成されている。

永久磁石３２は、ロータコア３１の磁石嵌め込み穴３１２に嵌め込まれることによってロータ３０（ロータコア３１）の磁極を形成する。永久磁石３２は、ロータ３０の周方向に隣り合う磁極が互いに反対の磁極となるように（即ち、ロータ３０の外周面においてＳ極とＮ極とが周方向に交互に並ぶように）、各磁石嵌め込み穴３１２に嵌め込まれる。

磁束結合部材３３は、ロータ３０とティース２２との間に磁路を形成できるように磁性材料によって形成されている。具体的には、磁束結合部材３３は、例えば、鉄粉を固めた磁心や、電磁鋼板を積層した磁心等の高透磁率の磁性材料によって形成されている。

この磁束結合部材３３は、図３にも示されるように、ロータコア３１に取り付けられる（固着される）取付部３３０と、この取付部３３０からティース２２側に延びる延設部３３２と、を有する。これら取付部３３０と延設部３３２とは一体的に構成されている。

取付部３３０は、ロータコア３１から軸心方向に延びると共にロータコア３１の外周に沿って（軸心（回転軸）方向視においてロータコア３１の外周縁に沿った円弧状に）延びている。

延設部３３２は、取付部３３０からロータ３０の径方向外側に延びている。詳しくは、延設部３３２は、取付部３３０の先端部（ロータコア３１から遠い側の端部）から径方向外側に向かって軸心（回転軸）方向視におけるティース２２の先端部と重なる位置（より詳しくは、励磁コイル２３のコイルエンドに接触しないように当該コイル２３の手前）まで延びている。この重なる位置において、延設部３３２とティース２２の先端部との間には所定の間隙が形成されている。即ち、延設部３３２は、ティース２２と非接触状態で当該ティース２２の先端部に覆いかぶさるように延びている。これにより、ロータ３０が回転しても磁束結合部材３３とティース２２（ティース２２の先端部）とが接触しない。

以上の取付部３３０と延設部３３２とを有する磁束結合部材３３は、その横断面（ロータ３０の軸心Ｃを通る断面）がＬ字状となる形状を有しているが、この形状に限定されない。即ち、磁束結合部材３３は、ロータコア３１の永久磁石３２よりも径方向外側の部位における軸心（回転軸）方向の端部に取り付けられてこの取り付け位置から径方向外側に向かって軸心（回転軸）方向視におけるティース２２の先端部と重なる位置まで延びている形状を有していれば、他の形状であってもよい。

この磁束結合部材３３は、ロータコア３１の外周部（詳しくは、ロータコア３１の永久磁石３２よりも径方向外側の部位）における軸心（回転軸）方向の両端部にそれぞれ取り付けられている。本実施形態の例では、８個の磁束結合部材３３がロータコア３１の磁極毎（即ち、各永久磁石３２と対応する位置）に配置されている。この配置状態において、隣り合う磁束結合部材３３、３３同士の間に空間Ｓが形成される（図２及び図４参照）。

以上のモータ１０によれば、磁束結合部材３３によって、ロータ３０の外周部（ロータコア３１の永久磁石３２よりも外側の部位）における軸心（回転軸）方向の両側の端部と、ティース２２の先端部の軸心（回転軸）方向における対応する端部とを繋ぐ磁路が形成されるため、回転磁界によってロータ３０に生じるリラクタンストルクが増加して当該モータ１０の出力トルク（磁石トルクとリラクタンストルクとを合わせたトルク）が向上すると共に当該モータ１０のより高効率化が図られる。

即ち、磁性材料によって形成された部材（磁束結合部材３３）が、ロータコア３１とティース２２との軸心（回転軸）方向における同じ側の端部において、ロータ３０の外周部（永久磁石３２よりも外側の部位）からティース２２の先端部と重なる位置まで延びているため、磁束結合部材３３が設けられていない場合に生じるロータの外周部における軸心（回転軸）方向の端部から漏れ出る漏れ磁束とティース先端部における同方向の端部から漏れ出る漏れ磁束とを（図５（Ａ）参照）、当該磁束結合部材３３の内部に引き込んで結合するような磁路が形成される（図５（Ｂ）参照）。これにより、磁束結合部材３３がない場合の漏れ磁束が磁束結合部材３３によってトルクに寄与するように活用され、ステータ２０が形成した回転磁界によってロータ３０に生じるリラクタンストルクが、磁束結合部材３３が設けられていない場合に比べて増加する。

また、本実施形態のモータ１０では、ロータ３０（ロータコア３１）の磁極毎に磁束結合部材３３が配置されているためトルクリップルが抑えられる。しかも、当該モータ１０においては、隣り合う磁束結合部材３３、３３間に空間Ｓが形成されているため、ロータコア３１の隣り合う磁極同士の間に磁束結合部材３３を通じた磁路が形成されることが防がれ、これによりモータ１０の効率低下及び出力トルクの低下を防ぐことができる。

尚、本発明のモータ１０は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

例えば、上記実施形態の複数の磁束結合部材３３、３３、…は、互いに結合されていないが、この構成に限定されない。例えば、図６に示されるように、各磁束結合部材３３がロータコア３１の磁極毎に対応する位置に配置されたときに、隣り合う磁極に配置された磁束結合部材３３、３３同士の間に非磁性部材（例えば、銅やアルミニウム等によって形成された部材）３５がそれぞれ配置され、隣接する磁束結合部材３３と非磁性部材３５とが結合された一体構造であってもよい。このとき、非磁性部材３５は、その横断面が磁束結合部材３３の横断面と同じになるように形成されている。

このように、複数の磁束結合部材３３、３３、…が非磁性部材３５を介して接続された構成であっても、ロータコア３１の磁極毎に磁束結合部材３３が配置されることになるためトルクリップルが抑えられる。また、隣り合う磁束結合部材３３、３３間に非磁性部材３５が配置されていることによってロータコア３１の隣り合う磁極同士の間に磁束結合部材３３を通じた磁路が形成されるのが防がれ、これによりモータ１０の効率低下及び出力トルクの低下を防ぐことができる。しかも、隣接する磁束結合部材３３と非磁性部材３５とが互いに結合されて複数の磁束結合部材３３、３３、…と複数の非磁性部材３５、３５、…とを一体構造とすることで、磁束結合部材３３の位置ずれが防がれ、これらの部材のロータコア３１への取り付け作業が容易になる。

また、上記実施形態のモータ１０は、ＩＰＭモータであるが、これに限定されず、他の形式のモータであってもよい。

本発明を表現するために、上述において図面を参照しながら実施形態を通して本発明を適切且つ十分に説明したが、当業者であれば上述の実施形態を変更および／または改良することは容易に為し得ることであると認識すべきである。したがって、当業者が実施する変更形態または改良形態が、請求の範囲に記載された請求項の権利範囲を離脱するレベルのものでない限り、当該変更形態または当該改良形態は、当該請求項の権利範囲に包括されると解釈される。

１０モータ
１２出力軸（シャフト）
２０ステータ
２１ステータコア
２２ティース
２３励磁コイル
３０ロータ
３１ロータコア
３２永久磁石
３３磁束結合部材
３５非磁性部材
Ｃ軸心（回転軸）

Claims

回転動力を発生させるＩＰＭモータであって、
ロータと、前記ロータをその回転方向に囲うステータコア、及び前記ステータコアから前記ロータに向かって径方向に延び且つ回転磁界を形成するための複数のティースを有するステータと、を備え、
前記ロータは、ロータコアと、前記ロータコアの外周部において前記回転方向に沿って間隔をおいて並ぶように嵌め込まれることで当該ロータコアに複数の磁極を形成する複数の永久磁石と、当該ロータと前記ティースとの間に磁路を形成可能な複数の磁束結合部材と、を有し、
前記複数の永久磁石は、ロータの外周面においてＳ極とＮ極とが周方向に交互に並んでおり、
前記磁束結合部材は、磁性材料によって形成され、且つ、前記ロータコアの前記永久磁石よりも径方向外側の部位における回転軸方向の一方側又は両側の端部に取り付けられてこの取り付け位置から径方向外側に向かって回転軸方向視におけるティース先端部と重なる位置まで延びており、
前記複数の磁束結合部材は前記ロータコアの磁極毎に配置され、前記ロータコアの隣り合う磁極に配置された磁束結合部材同士の間に空間が形成され、互いに結合されていないことを特徴とするＩＰＭモータ。
前記複数の磁束結合部材が前記ロータコアの磁極毎に配置されると共に前記ロータコアの隣り合う磁極に配置された磁束結合部材同士の間に非磁性部材がそれぞれ配置され、隣接する前記磁束結合部材と前記非磁性部材とが互いに結合されていることを特徴とする請求項１に記載のＩＰＭモータ。