JP5957767B2 - モータの回転子およびそれを備えたファン駆動用モータ - Google Patents

Description

本発明は、モータの回転子およびそれを備えたファン駆動用モータに関し、特に高速回転を目的とするブラシレスモータの回転子およびそれを備えたファン駆動用モータに関する。

従来、回転子の空孔に永久磁石を挿入して構成される永久磁石埋め込み式のブラシレスモータ（brushless motor）（ＩＰＭモータ）においては、モータを高出力化、高効率化するために、空孔の一部の内壁面を永久磁石に接触させないように形成し、当該空孔の一部の内壁面と当該内壁面の径方向外側の回転子外周縁との間の回転子部分を永久磁石から発生する磁束の漏れを低減させるためのフラックスバリア（flux barrier）部として形成することが知られている。このように形成されたフラックスバリア部をできるだけ薄くすることにより、モータを高出力化および高効率化することが行われている。

モータが高出力となり高速回転すると空孔に埋め込まれた永久磁石および永久磁石より径方向外側の回転子部分にかかる遠心力が増大するため、フラックスバリア部を薄くすると、フラックスバリア部が破断し、永久磁石およびそれより外側の当該回転子部分が飛散するおそれがある。そこで、フラックスバリア部の形状を最適化し、永久磁石より発生する磁束の漏れを低減しつつフラックスバリア部の強度を高くするための試みが従来からなされている（例えば特許文献１，２参照）。

特開２００１−１６８０９号公報 特開２０１０−８８２１９号公報

しかしながら、上記特許文献１，２を含む従来の構成ではより高速（例えば１０万回転／分（ｒｐｍ）以上）に回転させようとすると、フラックスバリア部が破断してしまう問題がある。フラックスバリア部の破断を防止するためには、フラックスバリア部を分厚くして強度を確保したり、永久磁石を小さくすることにより永久磁石にかかる遠心力を小さくしてその外側の回転子部分へ作用する力を低減させることが考えられる。しかしながら、このような方法は、ともにモータの低出力化および低効率化を招いてしまいうため、モータを小型化しつつ高速回転を実現することができない。

特に、掃除機の吸引ファンに適用されるファン駆動用モータに関し、掃除機の小型化および高出力化のために、当該ファン駆動用モータの小型化および高出力化が求められている。従来のファン駆動用モータにおいては、常用の回転数が２万ｒｐｍ程度以下のものが一般的であり、高速回転するものでもせいぜい４万から５万ｒｐｍ程度が限界とされており、それ以上の回転数を常用の回転数とするファン駆動用モータは実現されていなかった。

本発明は、このような従来の課題を解決するものであり、漏れ磁束を低減させつつフラックスバリア部への応力を有効に分散して高速回転を実現することができるモータの回転子およびそれを備えたファン駆動用モータを提供することを目的とする。

本発明に係るモータの回転子は、内部に設けられた空孔内に永久磁石が挿入されるモータの回転子であって、前記空孔は、前記モータの回転軸の中心を含む仮想平面に垂直でありかつ当該仮想平面により二等分されるよう形成された平面状の第１の内壁面と、当該第１の内壁面より径方向外側に当該第１の内壁面と平行に延在する第２の内壁面と、前記第１の内壁面と前記第２の内壁面とを繋ぐ側壁面とを有し、前記第２の内壁面は、前記回転軸に垂直な断面視における長さが前記第１の内壁面より長く、前記側壁面は、前記回転軸に垂直な断面視において前記第２の内壁面の両端から該内壁面の延在方向外側にかつ前記第２の内壁面から前記第１の内壁面に向かうに従って前記回転子の外周縁から離れていくように延びるフラックスバリア壁面を含んでおり、前記空孔は、前記回転子の周方向に等間隔に４つ以上形成されており、前記永久磁石は、前記空孔のそれぞれに挿入された状態で、径方向外側に向いた極性が前記回転子の周方向に２つ以上同じとなるように配設されている。

上記構成によれば、第２の内壁面の回転軸に垂直な断面視における長さがより内側にある第１の内壁面より長いため、空孔に挿入される永久磁石の遠心力により当該永久磁石の外側の回転子部分に作用する応力が第２の内壁面と側壁面との境界部に集中することが防止される。また、側壁面には第２の内壁面から第１の内壁面に向かうに従って回転子の外周縁から離れていくフラックスバリア壁面が形成されているため、永久磁石およびその外側の回転子部分に作用する応力が第２の内壁面と側壁面との境界部に集中することが防止される。

このように、上記構成によれば、フラックスバリア部への応力を有効に分散することができるため、フラックスバリア部を分厚くすることなく高速回転に耐え得る回転子を構成することができる。従って、漏れ磁束を低減させつつ高速回転を実現することができる。

さらに、上記構成によれば、回転子の周方向に等間隔に４つ以上形成される上記空孔に永久磁石が挿入された状態で、永久磁石の径方向外側に向いた極性が回転子の周方向に２つ以上同じとなるように配設されている。これにより、１極あたりの永久磁石のサイズを小さくすることができる。したがって、永久磁石の質量による応力を低減することができるため、フラックスバリア部を相対的により薄く形成しつつ高速回転を実現することができる。また、同じ大きさの永久磁石を用いた場合には磁束の量が増大するため、フラックスバリア部を同じ厚みにしても回転子をより高速に回転させることができる。さらに、永久磁石の磁束を少なくすることなく極数を少なくすることにより、固定子のコイルに流す電流の向きを変えるためのスイッチング周波数を低周波数化することができるため、モータの高速回転をより容易に実現することができる。

前記フラックスバリア壁面は、前記回転軸に垂直な断面視において円弧形状を有しており、前記円弧は、前記円弧を含む仮想円の中心が前記仮想平面内における前記第１の内壁面と前記回転軸の中心との間に位置し、かつ、当該仮想円が前記回転子の外周縁より内側に位置するように構成されていてもよい。これにより、永久磁石およびその外側の回転子部分に作用する応力を有効に分散させつつ、フラックスバリア部に作用する応力を径方向に対して傾斜した方向に作用させることができる。従って、フラックスバリア部において作用する応力を分散により弱めた上で、フラックスバリア部における応力が作用する方向を破断に強い方向に向けることができるため、フラックスバリア部における破断を有効に防止することができる。

前記側壁面は、前記回転軸に垂直な断面視において前記第２の内壁面の両端より長手方向の内側に前記第２の内壁面に対して垂直な位置決め壁面と、前記位置決め壁面と前記フラックスバリア壁面とを繋ぐ連接壁面とを有していてもよい。これにより、フラックスバリア壁面を有効に形成しつつ永久磁石の位置ずれを防止することができる。

前記空孔は、前記側壁面と前記第１の内壁面の両端との間に、前記第１の内壁面より径方向内側に形成された溝部を有していてもよい。これにより、回転子の製造時において側壁面と第１の内壁面との接続箇所を鋭く加工することができ、側壁面と第１の内壁面との接続部における製造精度を高くすることができる。

前記空孔は、前記回転子の周方向に４つ設けられ、前記永久磁石は、前記空孔のそれぞれに挿入された状態で、前記回転軸を挟んで対向する永久磁石同士の径方向外側に向いた極性が互いに異なるように配設されていてもよい。これにより、必要最小限の永久磁石で十分な回転数を得ることができる。

前記空孔内に挿入される永久磁石は、希土類元素を用いて形成されたものであってもよい。希土類元素を用いて形成された高磁力の永久磁石を使用することにより、回転子を小型化しつつ高出力化することができる。

また、本発明に係るファン駆動用モータは、上記構成のモータの回転子を有するものである。上記構成を有することにより、漏れ磁束を低減させつつ高速回転を実現することができるモータの回転子をファン駆動用モータに適用することにより、モータの小型化かつ高出力化を実現することができる。

本発明の上記目的、他の目的、特徴、及び利点は、添付図面参照の下、以下の好適な実施態様の詳細な説明から明らかにされる。

本発明は以上に説明したように構成され、漏れ磁束を低減させつつフラックスバリア部への応力を有効に分散して高速回転を実現することができるという効果を奏する。

図１は本発明の一実施形態に係るモータの回転子を備えたモータの断面構造を示す断面図である。 図２は図１に示すモータの回転子の断面構成を示す拡大図である。 図３は図１に示すモータの回転子の断面構成を示す拡大断面図である。 図４は本発明の一実施形態の変形例におけるモータの回転子の断面構成を示す拡大図である。 図５は本発明の実施例における回転子の応力分布図である。 図６は本発明の実施例における回転子を回転させた場合の回転数に対する回転数の外径値を示すグラフである。 図７は本発明に対する比較例における回転子の断面構成を示す拡大断面図である。 図８は本発明に対する比較例における回転子の応力分布図である。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。なお、以下では全ての図を通じて同一または相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する。

図１は本発明の一実施形態に係るモータの回転子を備えたモータの断面構造を示す断面図である。図１に示すように、本実施形態におけるブラシレスモータ（以下、単にモータと称する）は、外枠（図示せず）の内壁面に取り付けられる筒状の固定子１と、固定子１の内側に固定子１に対して相対回転可能に保持される筒状の回転子２とを有している。回転子２の中心にはシャフト孔３が設けられ、当該シャフト孔３にシャフト（図示せず）が挿通された状態で回転子２とシャフトとが固定される。

固定子１は、筒状に形成された筒状部１１ａと、筒状部１１ａの内壁面から径方向内側に延出した複数（本実施形態においては３つ）のティース部１１ｂとを有する固定子鉄心１１と、ティース（teeth）部１１ｂのそれぞれに巻回されたコイル（coil）１２とを有している。また、回転子２は、筒状の回転子鉄心２１と、回転子鉄心２１の内部に回転子２の周方向（回転軸Ｃの周方向）に沿って複数（本実施形態においては４つ）形成された空孔２３に埋め込み形成された永久磁石２２とを有している。なお、本実施形態において、４つの空孔２３は、回転子２の周方向に等間隔に形成されている。

永久磁石２２は、板状に形成されている。なお、永久磁石２２の角部は面取りまたは丸められていてもよい。これにより、永久磁石２２の製造時の割れ、欠けを防ぐことができる。また、永久磁石２２は、例えばネオジム（Neodymium）などの希土類元素を用いて形成された希土類磁石が用いられる。希土類元素を用いて形成された高磁力の永久磁石２２を使用することにより、回転子２を小型化しつつ高出力化することができる。

本実施形態においては、永久磁石２２は、空孔２３のそれぞれに挿入された状態で、径方向外側に向いた極性が回転子２の周方向に２つ同じとなるように配設されている。すなわち、永久磁石２２は、空孔２３のそれぞれに挿入された状態で、回転軸Ｃを挟んで対向する永久磁石２２同士の径方向外側に向いた極性が互いに異なるように配設される（図１においては、永久磁石２２の径方向外側の極性のみ永久磁石２２上に表示している）。これにより、永久磁石２２を４つ用いた２極の回転子２が構成される。

このように、永久磁石２２を２つ用いて１極を形成することにより、１極あたりの永久磁石２２のサイズを小さくすることができる。したがって、永久磁石２２の質量による応力を低減することができるため、フラックスバリア部２１ａを相対的により薄く形成しつつ高速回転を実現することができる。また、同じ大きさの永久磁石２２を用いた場合には磁束の量が増大するため、フラックスバリア部２１ａを同じ厚みにしても回転子２をより高速に回転させることができる。

また、モータを高速回転させるためには、コイル１２流す電流の向きを変える周期を決めるスイッチング周波数を高くする必要が生じる。これに対し、極数が増えるとそれに対応してコイル１２のスイッチングを行う必要があるため、同じ回転数にするためにはスイッチング周波数をより高くしなければならない。一方で、永久磁石２２の数を減らすと、永久磁石２２から出る磁束が少なくなるため、高効率化を図ることができなくなる。

そこで、本実施形態においては、永久磁石２２を、空孔２３のそれぞれに挿入された状態で、径方向外側に向いた極性が回転子２の周方向に２つ同じとなるように配設している。これにより、永久磁石２２の磁束を少なくすることなく極数を少なくして固定子１のコイル１２に流す電流の向きを変えるためのスイッチング周波数を低周波数化することができる。したがって、モータの高速回転をより容易に実現することができる。また、永久磁石２２の数を４つとすることにより必要最小限の永久磁石２２で有効な回転数を得ることができ、コストの増大を防止しつつ高性能なモータを構成することができる。なお、回転子鉄心２１と永久磁石２２とは好適な接着剤により固定されてもよい。

このように構成されたモータにおいては、固定子１のコイル１２に流す電流の方向を変化させることにより、シャフトの中心軸を回転軸Ｃとしてシャフトおよび回転子２が固定子１に対して回転軸Ｃ回りに回転する。

図２は図１に示すモータの回転子の断面構成を示す拡大図である。図２に示すように、回転子２に形成される空孔２３は、モータの回転軸Ｃの中心を含む仮想平面（図２に示される断面図においては線分）Ｓに垂直でありかつ当該仮想平面Ｓにより二等分されるよう形成された平面状の第１の内壁面２３１と、当該第１の内壁面２３１より径方向外側に当該第１の内壁面２３１と平行に延在する第２の内壁面２３２と、第１の内壁面２３１と第２の内壁面２３２とを繋ぐ側壁面２３３とを有している。第２の内壁面２３２は、回転軸Ｃに垂直な断面視における長さ（すなわち図２に示す断面図における長さ）が第１の内壁面２３１より長くなっている。

また、側壁面２３３は、回転軸Ｃに垂直な断面視において第２の内壁面２３２の両端から該内壁面２３２の延在方向（図２に示す断面図においては長手方向）外側にかつ第２の内壁面２３２から第１の内壁面２３１に向かうに従って回転子２の外周縁２ａから離れていくように延びるフラックスバリア壁面２３４を有している。このフラックスバリア壁面２３４と外周縁２ａとの間の回転子鉄心部分がフラックスバリア部２１ａを構成している。このようなフラックスバリア部２１ａを設けることにより、空孔２３内に永久磁石２２を挿入した際に、フラックスバリア壁面２３４と永久磁石２２との間に空孔２３による隙間が生じるため、永久磁石２２からの磁束が回転子の周方向に隣接する永久磁石２２へ漏れ出て無効磁束となるのが防止される。さらに、側壁面２３３は、回転軸Ｃに垂直な断面視において第２の内壁面２３２の両端より長手方向の内側に第２の内壁面２３２に対して垂直な位置決め壁面２３５と、当該位置決め壁面２３５とフラックスバリア壁面２３４とを繋ぐ連接壁面２３６とを有している。さらに、空孔２３には、側壁面２３３と第１の内壁面２３１の両端との間に、第１の内壁面２３１より径方向内側に形成された溝部２３７を有している。

前述したように、本実施形態における回転子２には、４つの空孔２３が形成されている。より具体的には、４つの空孔２３は、隣り合う空孔２３の第１の内壁面２３１および第２の内壁面２３２が互いに垂直となるように形成されている。そして、フラックスバリア部２１ａとともに隣り合う空孔２３の位置決め壁面２３５および連接壁面２３６により、回転子鉄心２１の第２の内壁面２３２より径方向外側の外周部２１ｃと第１の内壁面２３１より径方向内側の中央部２１ｄとを連結するブリッジ（bridge）部２１ｂを構成している。

このように形成される空孔２３には、板状の永久磁石２２が挿入される。このとき、第２の内壁面２３２の回転軸Ｃに垂直な断面視における長さが、より内側にある第１の内壁面２３１より長いため、板状の永久磁石２２が挿入された際、永久磁石２２の外側の角部が第２の内壁面２３２の両端より内側に位置することとなる。したがって、回転子２が回転軸Ｃ回りに回転した際に、空孔２３に挿入される永久磁石２２の遠心力により当該永久磁石２２の外側の回転子部分（外周部２１ｃ）に作用する応力が第２の内壁面２３２と側壁面２３３との境界部に集中することが防止される。

また、上記のような位置決め壁面２３５が形成されることにより、フラックスバリア壁面２３４を有効に形成しつつ永久磁石２２の位置ずれが防止される。また、側壁面２３３（位置決め壁面２３５）と第１の内壁面２３１との間に溝部２３７が設けられることにより、回転子２の製造時において側壁面２３３（位置決め壁面２３５）と第１の内壁面２３１との接続箇所を鋭く加工することができ、側壁面２３３と第１の内壁面２３１との接続部における製造精度を高くすることができる。このため、永久磁石２２が空孔２３内に高精度に位置決めされるため、永久磁石２２の位置ずれをより有効に防止することができる。

ここで、回転子２が回転軸Ｃ回りに回転した際には、フラックスバリア部２１ａに永久磁石２２およびその外側の回転子部分（外周部２１ｃ）に作用する遠心力に応じた応力が作用する。本実施形態においては、側壁面２３３には第２の内壁面２３２から第１の内壁面２３１に向かうに従って回転子２の外周縁２ａから離れていくフラックスバリア壁面２３４が形成されているため、永久磁石２２および外周部２１ｃに作用する応力が第２の内壁面２３２と側壁面２３３との境界部に集中することが防止される。

このように、上記構成によれば、フラックスバリア部２１ａへの応力を有効に分散することができるため、フラックスバリア部２１ａを分厚くすることなく高速回転に耐え得る回転子２を構成することができる。従って、漏れ磁束を低減させつつ高速回転を実現することができる。

以下、本実施形態におけるフラックスバリア部２１ａの構造についてより詳しく説明する。図３は図１に示すモータの回転子の断面構成を示す拡大断面図である。図２および図３に示すように、フラックスバリア部２１ａを規定するフラックスバリア壁面２３４は、回転軸Ｃに垂直な断面視において円弧形状を有している。この円弧は、当該円弧を含む仮想円ＶＣの中心Ｃａが仮想平面Ｓ内における第１の内壁面２３１と回転軸Ｃの中心との間に位置し、かつ、当該仮想円ＶＣが回転子２の外周縁２ａより内側に位置している（回転子２の内部に含まれている）。すなわち、仮想円ＶＣは、回転子２の回転軸Ｃの中心を中心とし、外周縁２ａより短い半径を有する外周縁２ａの仮想同心円ＶＣｏに、仮想平面Ｓ上で接する（仮想円ＶＣの半径は仮想同心円ＶＣｏの半径より短くなる）。言い換えると、回転子２の回転軸Ｃの中心を中心とし、仮想平面Ｓ上で仮想円ＶＣに接する仮想同心円ＶＣｏが外周縁２ａの半径より小さい半径を有するように、円弧が形成される。

回転子２が回転軸Ｃ回りに回転する際、永久磁石２２とその外側に位置する外周部２１ｃは一体的に遠心力を受ける。さらに、このときの応力分布から遠心力が発生する質点は、フラックスバリア壁面２３４の円弧を延長した仮想円ＶＣより外側の部分２１ｃ１と内側の部分２１ｃ２とに分けて考えることができる。すなわち、あたかも永久磁石２２および外周部２１ｃの仮想円ＶＣより内側の部分２１ｃ２の合算質量による遠心力が外周部２１ｃの仮想円ＶＣより外側の部分２１ｃ１に作用すると考えることができる。

本実施形態において、外周部２１ｃの仮想円ＶＣより外側の部分２１ｃ１は、仮想平面Ｓと交差する部分からブリッジ部２１ｂに向かうに従って径方向の厚みが大きくなっている。このため、永久磁石２２および外周部２１ｃの仮想円ＶＣより内側の部分２１ｃ２の合算質量による遠心力に対して外周部２１ｃの仮想円ＶＣより外側の部分２１ｃ１に作用する応力が、仮想平面Ｓと交差する部分からブリッジ部２１ｂに向かうに従って全体的に弱くなっていくとともに、応力の方向も、径方向成分が減少しかつ接線成分が増加するようになっていく。そして、ブリッジ部２１ｂ近傍のフラックスバリア部２１ａにおいては外周縁２ａの接線方向（回転子２の周方向）と略平行な応力が作用する。ブリッジ部２１ｂの強度は、その形状から径方向に弱く接線方向に強いため、フラックスバリア部２１ａに接線方向と略平行な応力が作用しても、ブリッジ部２１ｂが破断し難い。

これにより、永久磁石２２およびその外側の回転子部分（外周部２１ｃ）に作用する応力を有効に分散させつつ、フラックスバリア部２１ａに作用する応力を径方向に対して傾斜した方向に作用させることができる。従って、フラックスバリア部２１ａにおいて作用する応力を分散させることにより弱めた上で、フラックスバリア部２１ａにおける応力が作用する方向を破断に強い方向に向けることができるため、フラックスバリア部２１ａにおける破断を有効に防止することができる。

ここで、比較のため、フラックスバリア壁面の円弧が、当該円弧を含む仮想円ＶＣｒが仮想同心円ＶＣｏに一致する構造を有する回転子における応力の作用の仕方について説明する。図７は本発明に対する比較例における回転子の断面構成を示す拡大断面図である。

本比較例における回転子２Ｒにおいては、フラックスバリア壁面２３４ｒの円弧が、当該円弧を含む仮想円ＶＣｒの中心が回転軸Ｃの中心と一致した仮想同心円ＶＣｒに一致している。

本比較例においても、回転子２Ｒが回転軸Ｃ回りに回転する際、永久磁石２２ｒとその外側に位置する外周部２１ｃｒは一体的に遠心力を受ける。さらに、このときの応力分布から遠心力が発生する質点は、フラックスバリア壁面２３４ｒの円弧を延長した仮想円ＶＣｒより外側の部分２１ｃ１ｒと内側の部分２１ｃ２ｒとに分けて考えることができる。すなわち、あたかも永久磁石２２ｒおよび外周部２１ｃｒの仮想円ＶＣｒより内側の部分２１ｃ２ｒの合算質量による遠心力が外周部２１ｃｒの仮想円ＶＣｒより外側の部分２１ｃ１ｒに作用すると考えることができる。

本比較例において、外周部２１ｃｒの仮想円ＶＣｒより外側の部分２１ｃ１ｒは、仮想平面Ｓと交差する部分からブリッジ部２１ｂｒにわたって径方向の厚みが一定である。このため、永久磁石２２ｒおよび外周部２１ｃｒの仮想円ＶＣｒより内側の部分２１ｃ２ｒの合算質量による遠心力に対して外周部２１ｃｒの仮想円ＶＣｒより外側の部分２１ｃ１ｒに作用する応力が、仮想平面Ｓと交差する部分からブリッジ部２１ｂｒにわたって径方向に向かって略均等にかかることとなる。したがって、ブリッジ部２１ｂｒ近傍のフラックスバリア部２１ａｒにおいても径方向に向かって比較的に大きな応力が作用することとなる。前述したとおり、ブリッジ部２１ｂｒの強度は、その形状から径方向に弱く接線方向に強いため、フラックスバリア部２１ａｒに径方向の応力が作用すると、結果として、外周部２１ｃｒに対して厚みが薄くなったフラックスバリア部２１ａｒ（特に永久磁石の角部が接触する箇所）に応力が集中することとなる。これにより、回転子２Ｒの回転によるブリッジ部２１ｂｒの変形が大きくなり、破断し易くなってしまう。ブリッジ部２１ｂｒの破断を防止するためには、フラックスバリア部２１ａｒの厚みを増大させる必要があるが、そうすると、漏れ磁束が増大するため誘起電圧が低減し、高効率化が望めなくなる。

また、図示しない他の比較例として、フラックスバリア壁面の円弧が、当該円弧を含む仮想円ＶＣの中心Ｃａが仮想平面Ｓ内における第１の内壁面２３１と回転軸Ｃの中心との間に位置していても、仮想円ＶＣが回転子２の外周縁２ａより外側に位置している（仮想同心円ＶＣｏが外周縁２ａの半径より長くなる）ように構成されている場合には、回転子２の回転により、第２の内壁面２３２とフラックスバリア壁面との境界部に応力が集中してしまう。さらに、図示しない他の比較例として、フラックスバリア壁面の円弧が当該円弧を含む仮想円ＶＣの中心Ｃａが仮想平面Ｓ内における回転軸Ｃの中心より対向する空孔２３に近接する側に位置している場合（仮想円ＶＣの半径が仮想同心円ＶＣｏより大きい場合）には、フラックスバリア壁面の第２の内壁面２３２との境界部とは反対側の端部（連接壁面との境界部）に応力が集中してしまう。フラックスバリア部において応力の集中が生じると、ブリッジ部が破断し易くなってしまう。

これらの構造に対し、本実施形態の回転子２においては、前述したとおり、外周部２１ｃに対して厚みが薄くなったフラックスバリア部２１ａにおいて作用する応力の向きが接線方向に大きく、径方向に小さくなるとともに応力自体が弱くなるため、フラックスバリア部２１ａに応力が集中せず、回転子２の回転によるブリッジ部２１ｂの変形を低減させることができ、ブリッジ部２１ｂの破断を有効に防止することができる。これにより、フラックスバリア部２１ａおよびブリッジ部２１ｂの厚みを増やすことなくモータの高速回転化を実現することができる。しかも、フラックスバリア部２１ａの厚みを相対的に薄くすることにより漏れ磁束を低減させることができるため、永久磁石２２を小型化しても必要な誘起電圧を得ることができる（永久磁石の寸法に対する磁束の有効利用率を高くすることができる）。このように、漏れ磁束を低減させつつ高速回転を実現することができるため、モータの小型化かつ高出力化を実現することができる。

特に、掃除機の吸引ファンなどに適用されるファン駆動用モータにおいて、上記のようなモータを適用することにより、掃除機の小型化および高出力化（例えば常用の回転数８万ｒｐｍ以上）を図ることができる。

なお、上記実施形態においては、側壁面２３３は、フラックスバリア壁面２３４と第１の内壁面２３１との間に、位置決め壁面２３５および連接壁面２３６とが形成された構造となっているが、本発明はフラックスバリア壁面２３４以外の側壁面２３３の形状について特に限定されない。図４は本発明の一実施形態の変形例におけるモータの回転子の断面構成を示す拡大図である。図４に示すモータの回転子２Ｂにおいて、側壁面２３３ｂは、第１の内壁面２３１の両端と対応するフラックスバリア壁面２３４とを繋ぐ平面状の連接壁面２３７を有している。すなわち、本変形例における平面状の連接壁面２３７は、回転軸Ｃに垂直な断面視において直線状に形成されている。このような形状によっても、空孔２３内に挿通される永久磁石２２の位置決めが可能である。このように、側壁面２３３においてフラックスバリア壁面２３４と第１の内壁面２３１とのを繋ぐ部分の形状は、上記実施形態および上記変形例に限られず、種々適用可能である。

以下に、フラックスバリア壁面２３４を上記実施形態で説明したとおりに形成した回転子(実施例)と、フラックスバリア壁面２３４ｒを図７に示す比較例のようにフラックスバリア部の幅を一定に形成した回転子（比較例）とのそれぞれにおいて、強度解析を行った結果を示す。本強度解析により、各回転子において所定の回転数（ここでは８万ｒｐｍ）における応力分布図を得た。回転子鉄心には実施例および比較例ともに同じ降伏応力（４１３ＭＰａ）を有する同じ鉄板材料を用いるとともに、４つの空孔を設け、同じ材質の永久磁石を挿入した。永久磁石の寸法は厚み（径方向寸法）は同じであるが、幅（接線方向寸法）は実施例は９．５ｍｍであるのに対し、比較例は１０ｍｍとした。実施例はフラックスバリア部の幅は本実施例および本比較例ともに０．７ｍｍ（本実施例においては最も薄い部分の幅）とした。強度解析は各回転子の１／４モデルで行った。

図５は本発明の実施例における回転子の応力分布図である。また、図８は本発明に対する比較例における回転子の応力分布図である。比較例においては、図８に示すように、回転子鉄心の外周縁に沿って段階的に縞状に応力が分布していることから、遠心力による応力が図５に示す実施例に比して外周部に均等にかかっていることが分かる。さらに、図５に示す実施例に対して図８に示す比較例の方が全体的に変形量が大きいのが外形から見て取れる。図５および図８において最も応力が作用している箇所はそれぞれ矢符Ｓｍａｘで示されている。このＳｍａｘにおける応力値である最大応力は、図５に示す実施例において２５７．４ＭＰａであったのに対し、図８に示す比較例において４０５．３ＭＰａであった。比較例の回転子における最大応力が実施例の回転子における最大応力より大幅に高い値となっているのは、図５に示す実施例においては、フラックスバリア壁面の全域にわたって応力が作用しているのに対し、図８に示す比較例においては、フラックスバリア壁面のうち、矢符Ｓｍａｘ付近のみに応力が集中して作用しているためと考えられる。このように、比較例の回転子においては降伏応力に略匹敵する応力が作用してしまっており、８万ｒｐｍの回転数を常用の回転数として用いれば回転子の大きな変形または破断が懸念される。これに対し、実施例の回転子においては降伏応力を十分に下回る応力しか作用しておらず、８万ｒｐｍを常用の回転数としても問題ないことが示された。

次に、上記実施形態で説明した本発明に係る回転子２を回転軸Ｃ回りに回転させて回転子２の強度試験を行った結果を示す。図６は本発明の実施例における回転子を回転させた場合の回転数に対する回転数の外径値を示すグラフである。回転子２が回転軸Ｃ回りに回転することにより、永久磁石２２および回転子鉄心２１の外周部２１ｃに生じる遠心力により外周部２１ｃが外側に引っ張られるように回転子２が変形する。このような変形は回転子２の回転数の上昇に応じて変形量が増加し、変形が限界に達すると破断することとなる。したがって、回転子２の回転数に対する回転子２の外径値を計測することにより回転子２の強度を確認することができる。

本実施例においては、上記実施形態で説明した形状を有し、フラックスバリア部２１ａの幅（フラックスバリア壁面２３４と外周縁２ａとの間で最も薄い部分の厚み）が異なる３つ（０．５ｍｍ，０．６ｍｍ，０．７ｍｍ）の回転子を実際に作製した。そして、永久磁石２２を挿入した状態で回転子２を回転させ、回転数を６万ｒｐｍ，８万ｒｐｍ，１０万ｒｐｍ，１２万ｒｐｍ，１５万ｒｐｍとしたときの回転子２の外径を測定した。なお、外径の測定に当たっては、４つの永久磁石２２のうち対向する永久磁石２２の中央部間（仮想平面Ｓ内）における直径をそれぞれ回転軸Ｃ方向に３箇所（両端部および中央部）測定することにより合計６箇所の直径を測定してその平均をとった。また、比較例として図７および図８に示す回転子について実施例１における解析データから回転数に応じた変形量を推定し、図５上に併せて示した。

その結果、図６に示すように、本実施例においては、フラックスバリア部２１ａの幅が最も薄い０．５ｍｍ幅の回転子を含むすべての回転子において、回転数が１０万ｒｐｍに到達するまで回転子はほとんど変形しなかった。これにより、少なくとも８万ｒｐｍ以上の回転数で問題なく実用可能であることが示された。特に、０．７ｍｍ幅においては１２万ｒｐｍ付近まで変形が小さく抑えられ、最終的に１４万８千ｒｐｍにまで達してブリッジ部２１ｂが破断するまで、非常に高速な回転数を実現できた。これに対し、比較例においては、０．５ｍｍ幅の実施例に近いグラフ変化となり、フラックスバリア部の幅が０．７ｍｍあるにも拘らず、０．５ｍｍ幅の実施例程度の強度しか得られないことが分かった。以上より、本発明に係る実施例の回転子は、比較例に比べてフラックスバリア部２１ａの厚みを増やすことなく格段に強度が上昇したことが示された。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変更、修正が可能である。例えば、上記実施形態においては回転子２に４つの空孔２３を形成し、当該空孔２３に永久磁石２２が挿入された状態で、永久磁石２２の径方向外側に向いた極性が回転子２の周方向に２つ以上同じとなるように配設されている構成（２極回転子）について説明したが、本発明は上記で説明した構造を有する限り４つ以上の永久磁石２２を用いてもよい。例えば、６つの空孔を形成し、当該空孔に永久磁石が挿入された状態で、永久磁石の径方向外側に向いた極性が回転子の周方向に３つ同じとなるように配設された構成（２極回転子）としてもよいし、例えば、８つの空孔を形成し、当該空孔に永久磁石が挿入された状態で、永久磁石の径方向外側に向いた極性が回転子の周方向に２つ（４極回転子の場合）または４つ（２極回転子の場合）同じとなるように配設された構成としてもよいし、その他の空孔の数および極数を有する構成としてもよい。

上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。

本発明のモータの回転子およびそれを備えたファン駆動用モータは、漏れ磁束を低減させつつフラックスバリア部への応力を有効に分散して高速回転を実現するために有用である。

１ 固定子
２ 回転子
２ａ 外周縁
３ シャフト孔
１１ 固定子鉄心
１１ａ 筒状部
１１ｂ ティース部
１２ コイル
２１ 回転子鉄心
２１ａ フラックスバリア部
２１ｂ ブリッジ部
２１ｃ 外周部
２１ｃ１ 仮想円より外側の部分
２１ｃ２ 仮想円より内側の部分
２１ｄ 中央部
２２ 永久磁石
２３ 空孔
２３１ 第１の内壁面
２３２ 第２の内壁面
２３３ 側壁面
２３４ フラックスバリア壁面
２３５ 位置決め壁面
２３６ 連接壁面
２３７ 溝部
Ｃ 回転軸
Ｃａ 仮想円の中心
Ｓ 仮想平面
ＶＣ 仮想円
ＶＣｏ 仮想同心円

Claims (7)

1. 内部に設けられた空孔内に永久磁石が挿入されるモータの回転子であって、
   前記空孔は、
   前記モータの回転軸の中心を含む仮想平面に垂直でありかつ当該仮想平面により二等分されるよう形成された平面状の第１の内壁面と、
   当該第１の内壁面より径方向外側に当該第１の内壁面と平行に延在する第２の内壁面と、
   前記第１の内壁面と前記第２の内壁面とを繋ぐ側壁面とを有し、
   前記第２の内壁面は、前記回転軸に垂直な断面視における長さが前記第１の内壁面より長く、
   前記側壁面は、前記回転軸に垂直な断面視において前記第２の内壁面の両端から該内壁面の延在方向外側にかつ前記第２の内壁面から前記第１の内壁面に向かうに従って前記回転子の外周縁から離れていくように延びるフラックスバリア壁面を含んでおり、
   前記フラックスバリア壁面は、前記回転軸に垂直な断面視において前記第２の内壁面の端部から前記第１の内壁面より径方向外側の所定位置に至る円弧形状を有しており、前記円弧は、前記円弧を含む仮想円の中心が前記第１の内壁面を二等分している前記仮想平面内における前記第１の内壁面と前記回転軸の中心との間に位置し、かつ、当該仮想円が前記回転子の外周縁より内側に位置するように構成されており、
   前記空孔は、前記回転子の周方向に等間隔に４つ以上形成されており、
   前記永久磁石は、前記空孔のそれぞれに挿入された状態で、径方向外側に向いた極性が前記回転子の周方向に２つ以上同じとなるように配設されている、モータの回転子。
2. 前記側壁面は、前記回転軸に垂直な断面視において前記第２の内壁面の両端より長手方向の内側に前記第２の内壁面に対して垂直な位置決め壁面と、前記位置決め壁面と前記フラックスバリア壁面とを繋ぐ連接壁面とを有している、請求項１に記載のモータの回転子。
3. 前記空孔は、前記側壁面と前記第１の内壁面の両端との間に、前記第１の内壁面より径方向内側に形成された溝部を有している、請求項１に記載のモータの回転子。
4. 前記空孔は、前記回転子の周方向に等間隔に４つ設けられ、前記永久磁石は、前記空孔のそれぞれに挿入された状態で、前記回転軸を挟んで対向する永久磁石同士の径方向外側に向いた極性が互いに異なるように配設される、請求項１に記載のモータの回転子。
5. 前記空孔内に挿入される永久磁石は、希土類元素を用いて形成されたものである、請求項１に記載のモータの回転子。
6. 前記回転子は、常用の回転数が６万ｒｐｍから１２万ｒｐｍの範囲内であるモータに設けられる、請求項１に記載のモータの回転子。
7. 固定子と、
   前記固定子の内側に当該固定子に対して相対回転可能に保持される請求項１〜６の何れかに記載の回転子と、を有するファン駆動用モータであって、
   前記空孔は、前記回転子の周方向に等間隔に４つ形成され、
   前記固定子は、
   筒状に形成された筒状部と、
   前記筒状部の内壁面から径方向内側に延出した３つのティース部と、を備えた、ファン駆動用モータ。