JP5958502B2 - 回転子およびそれを用いた回転電機 - Google Patents

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Description

本発明は、回転子およびそれを用いた回転電機に関する。
回転子の極を永久磁石により構成する回転電機の設計分野では、永久磁石の材料となる例えば希土類元素などの希少材料の使用量の削減が求められている。このための設計手法の一つとして、周方向へ間隔を空けて並ぶ複数の永久磁石により回転子の極を構成することが考えられている。これによれば、リング状の永久磁石により回転子の極を構成する場合と比べて、各極間の永久磁石の材料の使用量を減らすことができる。
上記設計手法を採用したときの永久磁石の形状は、種々の形状が考え出されている。例えば、回転軸心に直交する断面において、ロータコアの円形の外側表面に沿うように弓形に形成されたもの、特許文献1に開示されたように弓形であり且つ周方向の中央の両側からロータコアに向かって突き出す突起を有するもの、および、ロータコアとの対向面の全てが平面であるものなどである。
特許第3833256号公報
ところが弓形の永久磁石の場合、ロータコアとの対向面すなわち内側表面は、公差の関係で、全ての製品に関してロータコアの外側表面と曲率半径が一致するわけではない。また、弓形の永久磁石の内側表面は、温度変化に応じて膨張または収縮することより曲率半径が変化する。そのため、永久磁石は、出来栄え、あるいは温度変化による膨張または収縮により、周方向の両端がロータコアと接触しつつ、周方向の中央部とロータコアとの間に隙間ができる場合がある。この場合、永久磁石に外力が加わると永久磁石の中央に応力が集中し、永久磁石が破損するおそれがある。
特許文献1に開示された突起付きの弓形の永久磁石の場合、周方向の両端はロータコアに接触しないため、温度変化に応じて膨張または収縮するとき周方向の両端が支点となって周方向の中央部がロータコアから離間するように変形することは抑制される。しかしながら、元々、一対の突起がロータコアと接触しつつ、周方向の中央部とロータコアとの間には隙間がある。したがって、突起無しの弓形の磁石と同様に、永久磁石に外力が加わると永久磁石の中央に応力が集中し、永久磁石が破損するおそれがある。
対向面が平面の永久磁石の場合、温度変化による膨張または収縮にかかわらず、永久磁石の中央部とロータコアとの間に隙間ができない。これによると、永久磁石に外力が加わっても、応力は永久磁石の中央に集中することなく周方向へ分散される。しかしながら、対向面が平面であっても、焼結体で構成される永久磁石においては、平面が広くなるほど反り返りの懸念が大きくなる。これに対して面精度を向上するために切削加工を追加すると、製造コストが増加するとともに歩留まりが悪くなるおそれがある。
本発明は、上述の点に鑑みてなされたものであり、その目的は、極を構成する永久磁石の破損を抑制可能な回転子およびそれを用いた回転電機を提供することである。
本発明は、シャフトと、シャフトに嵌合して固定されている筒状のロータコアと、ロータコアに対する径方向外側で周方向へ間隔を空けて複数設けられ、ロータコアに固定されている永久磁石と、を備える回転電機の回転子である。
ータコアは永久磁石に向かって突き出す凸部を有している。永久磁石の表面のうちロータコアと対向している内側表面は、周方向において凸部に対応する箇所でロータコアと接触している第1接触部と、周方向において第1接触部を挟んだ両側に位置しロータコアに非接触である第1非接触部と、を含む。永久磁石は、凸部と対向している凹部を有する。凹部の底面は、凸部と接触している第1接触部である。
このように構成することで、永久磁石とロータコアとの接触面積を必要最小限度にとどめ、寸法精度を管理する範囲を極力小さくすることができる。これにより、永久磁石の出来栄え次第で周方向の両端がロータコアと干渉して周方向の中央部とロータコアとの間に隙間が形成されること、および、永久磁石が温度変化より膨張または収縮するとき周方向の両端が支点となって周方向の中央部がロータコアから離間するように変形することが抑制される。そのため、永久磁石に外力が加わっても、永久磁石の第1接触部と接触しているロータコアが当該外力を受けることができる。したがって、本発明によれば、永久磁石の破損を抑制することができる。
ここで、ロータコアは、鉄損対策として冷間圧延鋼板(SPCC)または珪素を含む薄板鋼板を軸方向へ多数積層して構成するのが一般的である。この場合、永久磁石との接触箇所は薄板のプレス破断面となるため、必ずしも第1接触部の全面がロータコアに接触するわけではない。
一方、ロータコアは、磁性粉末を高圧下で圧縮して成形することも考えられる。この場合、永久磁石との接触箇所は平面を確保することができるが、本発明によれば、上記平面の寸法精度を管理する範囲を極力小さくすることができる。
本発明の第1実施形態による回転子が適用されたモータの概略構成を説明する断面図である。 図1のII−II線断面図である。 図2のIII部分の拡大図である。 本発明の第2実施形態による回転子が適用されたモータの横断面のうち、回転子の永久磁石付近を拡大して示す図である。 本発明の第3実施形態による回転子が適用されたモータの横断面のうち、回転子の永久磁石付近を拡大して示す図である。 本発明の第4実施形態による回転子が適用されたモータの横断面のうち、回転子の永久磁石付近を拡大して示す図である。 本発明の第5実施形態による回転子が適用されたモータの横断面のうち、回転子の永久磁石付近を拡大して示す図である。 本発明の第6実施形態による回転子が適用されたモータの横断面のうち、回転子の永久磁石付近を拡大して示す図である。 本発明の第7実施形態による回転子が適用されたモータの横断面のうち、回転子の永久磁石付近を拡大して示す図である。
以下、本発明の複数の実施形態を図面に基づき説明する。実施形態同士で実質的に同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。なお、第1、第2実施形態は、参考形態に相当する。
<第1実施形態>
本発明の第1実施形態による回転子が適用された「回転電機」としてのモータを図1に示す。モータ5は、車両用電動パワーステアリング装置の駆動力源として用いられる。
(全体構成)
先ず、モータ5の全体構成について図1、図2を参照して説明する。
モータ5は、3相ブラシレスモータであり、ハウジング10、固定子20および回転子30を備えている。
ハウジング10は、筒ケース11と、筒ケース11の一端部を塞ぐ第1カバー12と、筒ケース11の他端部を塞ぐ第2カバー13とから構成されている。第1カバー12および第2カバー13の中央部には、軸受14、15が取り付けられている。
固定子20は、モータ5の電機子であって、ステータコア21および巻線22から構成されている。ステータコア21は、ハウジング10の筒ケース11の内壁面に固定されている円筒状のヨーク23と、ヨーク23から径方向内側に向かって放射状に延びている複数のティース24とを形成している。巻線22は、各ティース24間のスロットに挿入されており、U相巻線、V相巻線およびW相巻線を構成している。図2には、巻線22の図示を省略している。
回転子30は、モータ5の永久磁石界磁であって、回転軸31、ロータコア32および複数の永久磁石33を有している。回転軸31は、軸受14、15により回転可能に支持されている。ロータコア32は、固定子20の内側で回転軸31の外壁面に嵌めつけられている筒状部材である。各永久磁石33は、ロータコア32に対する径方向外側で互いに周方向へ間隔を空けて設けられており、ロータコア32の外壁面に固定されている。周方向で隣り合う2つの永久磁石33は、径方向外側の磁極が互いに異なるように着磁されている。
以上のように構成されたモータ5では、固定子20の巻線22の各相巻線の通電が順次切り替えられることによって回転磁界が発生し、この回転磁界に起因する磁気的吸引力または反発力によって回転子30が回転軸31と共に回転する。
(特徴構成)
次に、モータ5の特徴構成について図1〜図3を参照して説明する。
図2に示すように、回転子30は、10個の永久磁石33を備えている。これに対応して、ロータコア32は、周方向へ並ぶ10個の平面41を有している。すなわち、ロータコア32は、回転軸心AXに直交する断面の形状が十角形となるように形成されている。
ステータコア21は、60個のスロットを有している。スロット数は毎極毎相あたり2である。巻線22は全節巻きで巻かれている。
図3に示すように、永久磁石33は、ロータコア32に向かって突き出す凸部42を有している。本実施形態では、凸部42は、永久磁石33のうち周方向の中央部に設けられている。
永久磁石33の表面のうちロータコア32の平面41と対向している内側表面は、第1接触部43および第1非接触部44から構成されている。第1接触部43は、周方向において凸部42に対応する箇所に位置し、ロータコア32と面接触している。第1非接触部44は、周方向で第1接触部43を挟んだ両側に位置し、ロータコア32に非接触である。永久磁石33の第1非接触部44とロータコア32の平面41との間には、隙間45が空いている。
図1〜図3に示すように、回転子30は、各永久磁石33の外側に嵌められた筒状カバー47をさらに備えている。本実施形態では、筒状カバー47は、各永久磁石33の外側に圧入されている筒部48と、筒部48の一端を塞ぐ底部49とを形成している。筒状カバー47の筒部48の他端は、板状カバー51により塞がれている。永久磁石33は、接着剤を用いることなしに筒状カバー47の筒部48の押圧によりロータコア32に固定されている。
図3に示すように、永久磁石33の表面のうちロータコア32と対向している外側表面は、第2接触部52および第2非接触部53から構成されている。第2接触部52は、周方向で中央部に位置し、筒状カバー47と面接触している。第2非接触部53は、周方向で第2接触部52を挟んだ両側に位置し、筒状カバー47に非接触である。永久磁石33の第2非接触部53と筒状カバー47の筒部48との間には、隙間54が空いている。
筒状カバー47による押圧荷重は、周方向において永久磁石33の中央部で最大となる。第1接触部43および第2接触部52は、筒状カバー47による押圧荷重が最大となる箇所に設けられている。
図3に示すように、永久磁石33の第1接触部43のうち周方向の一端から他端までの回転軸心AXまわりの角度を第1角度aとする。また、永久磁石33の第2接触部52のうち周方向の一端から他端までの回転軸心AXまわりの角度を第2角度bとする。すると、永久磁石33は、次の式(1)が成り立つように形成されている。つまり、第1角度aは第2角度b以下である。また、第2角度bは、電気角で75度以上であり且つ150度以下である。
a≦b・・・(1)
(効果)
以上説明したように、第1実施形態では、永久磁石33は、周方向の中央部でロータコア32に向かって突き出す凸部42を有している。また、永久磁石33の表面のうちロータコア32と対向している内側表面は、周方向において凸部42に対応する箇所に位置しロータコア32と面接触している第1接触部43と、周方向で第1接触部43を挟んだ両側に位置しロータコア32に非接触である第1非接触部44とから構成されている。
このように構成することで、永久磁石33とロータコア32との接触面積を必要最小限度にとどめ、寸法精度を管理する範囲を極力小さくすることができる。これにより、永久磁石33の周方向の中央部とロータコア32との間に隙間が形成されることが抑制される。そのため、永久磁石33に加わった外力を、当該永久磁石33の第1接触部43と接触しているロータコアが受けることができる。したがって、第1実施形態によれば、永久磁石33の破損を抑制することができる。
また、第1実施形態では、回転子30は、各永久磁石33の外側に嵌められた筒状カバー47を備えている。また、永久磁石33の表面のうちロータコア32と対向している外側表面は、第2接触部52および第2非接触部53から構成されている。第2接触部52は、周方向で中央部に位置し、筒状カバー47と面接触している。第2非接触部53は、周方向で第2接触部52を挟んだ両側に位置し、筒状カバー47に非接触である。
このように構成することで、永久磁石33のうち第2非接触部53に対応する周方向の両端部に筒状カバー47から押圧力が作用することを抑制することができる。したがって、永久磁石33のうちロータコア32に支持されていない部分、すなわち永久磁石33の両端部に外力が作用することに起因した永久磁石33の破損を抑制することができる。
また、第1実施形態では、第1角度aは第2角度b以下である。
このように構成することで、永久磁石33とロータコア32との接触面積を好適に小さく構成することができる。
ここで、筒状カバー47は、磁極の対称性から略十角形に変形して永久磁石33を保持する。このとき、筒状カバー47の永久磁石33との接線の角度が72度となる。この場合に、永久磁石33の外側表面の形状に関係が深い第2角度bを電気角で150度以下とすることで、コギングトルクやトルクリップルを格段に低減することができる。一方、第2角度bを小さくしすぎると、筒状カバー47と永久磁石33との接触面積が小さくなりすぎて永久磁石33の保持力が低下するばかりか、接触面圧が大きくなりすぎて永久磁石33を破損しかねない。そのため、第2角度bを電気角で75度以上とすることが望ましい。第1実施形態では、第2角度bは約120度である。
また、第1実施形態では、筒状カバー47は、各永久磁石33の外側に圧入されており、永久磁石33は、接着剤を用いることなしに筒状カバー47の押圧によりロータコア32に固定されている。
このように構成することで、熱サイクルによる接着剤の劣化に起因して永久磁石の固定力が弱まることを回避することができる。また、接着剤を用いる場合と比べると、製造工程を簡略化することができ、製造コストを低減可能である。
また、第1実施形態では、第1接触部43および第2接触部52は、筒状カバー47による押圧荷重が最大となる箇所、すなわち周方向において永久磁石33の中央部に設けられている。
このように構成すれば、筒状カバー47による押圧荷重を、永久磁石33のうち筒状カバー47との間に隙間がない箇所(第2接触部52)、および、ロータコア32のうち永久磁石33との間に隙間がない箇所(第1接触部43の対向面)で受けることができる。したがって、永久磁石33の破損を一層抑制することができる。
<第2実施形態>
第2実施形態による回転子について図4を参照して説明する。
図4に示すように、回転子55のロータコア56は、永久磁石57に向かって突き出す凸部58を有している。永久磁石57のうちロータコア56と対向する内側表面は、第1接触部59および第1非接触部44を含む平面である。第1接触部59は、周方向の中央部で凸部58と接触している。第1非接触部44は、周方向で第1接触部59を挟んだ両側に位置し、ロータコア56に非接触である。
このように構成することで、永久磁石57とロータコア56との接触面積を必要最小限度にとどめ、寸法精度を管理する範囲を極力小さくすることができる。したがって、第2実施形態によれば、第1実施形態と同様に、永久磁石57の破損を抑制することができる。
<第3実施形態>
第3実施形態による回転子について図5を参照して説明する。
図5に示すように、回転子60の永久磁石61は、周方向の中央部でロータコア62とは反対側に凹む凹部63を有している。ロータコア62は、永久磁石61の凹部63内に突き出して当該凹部63の底面に接触する凸部64を有している。永久磁石61の内側表面は、凹部63の底面を構成する第1接触部65と、第1接触部65に対し周方向の両側に位置している第1非接触部66とから構成されている。永久磁石61の第1非接触部66とロータコア62との間には、隙間67が空いている。
第3実施形態では、永久磁石61は、凹部63が無いものと比べて体積を小さくすることができる。したがって、第3実施形態によれば、永久磁石61の材料を低減可能である。
また、永久磁石61は、周方向の両端がロータコア62と非接触でありつつ、周方向の中央部がロータコア62と面接触している。したがって、第3実施形態によれば、第1実施形態と同様に、永久磁石61の破損を抑制することができる。
また、永久磁石61の凹部63にロータコア62の凸部64が嵌まるように構成することによって、永久磁石61を安定的に設置することができ、凹部63の無い形態と比べて永久磁石61の位置決めが比較的容易になる利点がある。
また、第3実施形態では、永久磁石61の凹部63は、周方向の中央部に形成されている。そのため、凹部63により永久磁石61の体積を小さくしつつ、周方向の両端部の厚みを比較的大きくすることができる。これにより、例えば、モータ制御時に永久磁石61に逆方向の磁界が作用すること及び高温になること等の影響によって永久磁石61が減磁することを抑制可能である。
<第4実施形態>
第4実施形態による回転子について図6を参照して説明する。
図6に示すように、回転子70の永久磁石71は、周方向の中央部でロータコア72とは反対側に凹む凹部73を有している。ロータコア72は、永久磁石71の凹部73内に突き出して当該凹部73の底面に接触する凸部74を有している。永久磁石71の内側表面は、凹部73の底面を構成する第1接触部75と、第1非接触部66とから構成されている。永久磁石71の第1接触部75およびロータコア72の凸部74の先端面は、共に曲面である。
第4実施形態では、永久磁石71は、凹部73が無いものと比べて体積を小さくすることができる。したがって、第4実施形態によれば、第3実施形態と同様に、永久磁石71の材料を低減可能である。
また、永久磁石71は、周方向の両端がロータコア72と非接触でありつつ、周方向の中央部がロータコア72と面接触している。したがって、第4実施形態によれば、第1実施形態と同様に、永久磁石71の破損を抑制することができる。
<第5実施形態>
第5実施形態による回転子について図7を参照して説明する。
図7に示すように、回転子80の永久磁石81は、周方向の中央部でロータコア82とは反対側に凹む凹部83を有している。永久磁石81の数を2p個(pは整数)とすると、ロータコア82は、軸方向に直交する断面の形状が4p個の角部を有する多角形である多角形部88と、当該多角形部88の辺部から永久磁石81の凹部83内に突き出して当該凹部83の底面に接触する凸部84を有している。永久磁石81の内側表面は、凹部83の底面を構成する第1接触部85と、第1接触部85に対し周方向の両側に位置している第1非接触部86とから構成されている。永久磁石81の第1接触部85およびロータコア82の凸部84の先端面は、共に平面である。永久磁石81の第1非接触部86とロータコア82との間には、隙間87が空いている。
第5実施形態では、永久磁石81は、凹部83が無いものと比べて体積を小さくすることができる。したがって、第5実施形態によれば、永久磁石81の材料を低減可能である。
また、永久磁石81は、周方向の両端がロータコア82と非接触でありつつ、周方向の中央部がロータコア82と面接触している。したがって、第5実施形態によれば、第1実施形態と同様に、永久磁石81の破損を抑制することができる。
また、第5実施形態では、ロータコア82は、永久磁石81の数の2倍の角部を有する多角形部88を基本とし、多角形部88のうち永久磁石81に対応する辺部に凸部84を設けた形状となっている。これにより、ロータコア82のうち、特に機能を持たない永久磁石81間の形状が単純化され、ロータコア82の成形が容易となる。複数の薄板を積層することによりロータコア82を作る場合、上記薄板を成形するプレス型の寿命を向上させることができる。
<第6実施形態>
第6実施形態による回転子について図8を参照して説明する。
図8に示すように、回転子90の永久磁石61は、筒状カバー47の押圧に加えて、第1非接触部66とロータコア62との間の接着剤91の接着によりロータコア62に固定されている。
したがって、第6実施形態によれば、永久磁石61をより強固に固定することができる。
<第7実施形態>
第7実施形態による回転子について図9を参照して説明する。
図9に示すように、回転子95のロータコア96の凸部97は、周方向の中央を挟んだ両側に溝98を有している。永久磁石61は、筒状カバー47の押圧に加えて、ロータコア96の溝98内の接着剤99によりロータコア96に固定されている。
したがって、第7実施形態によれば、永久磁石61をより強固に固定することができる。
<他の実施形態>
本発明の他の実施形態では、筒状カバーは、各永久磁石の外側に圧入されず、緩く嵌合していてもよい。
本発明の他の実施形態では、永久磁石は、外側表面の全面が筒状カバーに接触していてもよい。
本発明の他の実施形態では、筒状カバーは、軸方向の両端または一端が開いていてもよい。
本発明の他の実施形態では、第1角度は、第2角度と同じ、または第2角度よりも大きくてもよい。
本発明の他の実施形態では、永久磁石の数は、10個以外であってもよいし、固定子のスロットの数は、60個以外であってもよい。
本発明の他の実施形態では、永久磁石は、筒状カバーによらず、例えば接着等の他の方法で固定されてもよい。
本発明の他の実施形態では、固定子の巻線の巻き方は、全節巻きに限らず、短節巻きであってもよいし、集中巻きであってもよい。
本発明の他の実施形態では、回転子は、車両用パワーステアリング装置のモータに限らず、他の回転電機に用いられてもよい。
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の形態で実施可能である。
10・・・モータ(回転電機)
30、55、60、70、80、90、95・・・回転子
31・・・シャフト
32、56、62、72、82、96・・・ロータコア
33、57、61、71、81・・・永久磁石
42、58、64、74、84、97・・・凸部
43、59、65、75、85・・・第1接触部
44、66、86・・・第1非接触部

Claims (11)

  1. 回転電機(10)の回転子(60、70、80、90、95)であって、
    シャフト(31)と、
    前記シャフトに嵌合して固定されているロータコア(62、72、82、96)と、
    前記ロータコアに対する径方向外側で周方向へ間隔を空けて複数設けられ、前記ロータコアに固定されている永久磁石(61、71、81)と、
    を備え、
    記ロータコアは前記永久磁石に向かって突き出している凸部(64、74、84、97)を有し、
    前記永久磁石の表面のうち前記ロータコアと対向している内側表面は、周方向において前記凸部に対応する箇所で前記ロータコアと接触している第1接触部(65、75、85)と、周方向で前記第1接触部を挟んだ両側に位置し前記ロータコアに非接触である第1非接触部(66、86)と、を含み、
    前記永久磁石は、前記凸部と対向している凹部(63、73、83)を有し、
    前記凹部の底面は、前記凸部と接触している前記第1接触部であることを特徴とする回転子。
  2. pを整数とし、前記永久磁石の数を2p個とすると、
    前記ロータコア(82)は、軸方向に直交する断面の形状が4p個の角部を有する多角形である多角形部(88)と、当該多角形部の辺部から前記永久磁石に向かって突き出している前記凸部(84)とを有することを特徴とする請求項に記載の回転子(80)。
  3. 各前記永久磁石の外側に嵌められている筒状カバー(47)、をさらに備え、
    前記永久磁石の表面のうち前記筒状カバーと対向している外側表面は、周方向で中央部に位置し前記筒状カバーと接触している第2接触部(52)と、周方向で前記第2接触部を挟んだ両側に位置し前記筒状カバーに非接触である第2非接触部(53)と、を含むことを特徴とする請求項1または2に記載の回転子。
  4. 前記第1接触部および前記第2接触部は、周方向において前記筒状カバーによる押圧荷重が最大となる箇所に設けられていることを特徴とする請求項に記載の回転子。
  5. 前記回転子が回転するときの軸心を回転軸心(AX)とし、
    前記永久磁石の前記第1接触部のうち周方向の一端から他端までの前記回転軸心まわりの角度を第1角度(a)とし、
    前記永久磁石の前記第2接触部のうち周方向の一端から他端までの前記回転軸心まわりの角度を第2角度(b)とすると、
    前記第1角度は前記第2角度以下であることを特徴とする請求またはに記載の回転子。
  6. 前記第2角度は、電気角で75度以上であり且つ150度以下であることを特徴とする請求項に記載の回転子。
  7. 前記筒状カバーは、各前記永久磁石の外側に圧入されており、
    前記永久磁石は、前記筒状カバーの押圧により前記ロータコアに固定されていることを特徴とする請求項のいずれか一項に記載の回転子。
  8. 前記筒状カバーは、各前記永久磁石の外側に圧入されており、
    前記永久磁石は、前記筒状カバーの押圧、および、前記第1非接触部と前記ロータコアとの間の接着剤(91)の接着により前記ロータコアに固定されていることを特徴とする請求項のいずれか一項に記載の回転子(90)。
  9. 前記永久磁石または前記ロータコアは、前記永久磁石の前記第1接触部に対応する壁部に溝(98)を有し、
    前記永久磁石は、前記溝内の接着剤(99)により前記ロータコアに固定されていることを特徴とする請求項1〜のいずれか一項に記載の回転子(95)。
  10. 車両用電動パワーステアリング装置の駆動用電動機に用いられることを特徴とする請求項1〜のいずれか一項に記載の回転子。
  11. 請求項1〜10のいずれか一項に記載の回転子と、
    前記回転子に対して径方向外側に設けられている固定子と、
    を備え、
    前記固定子のスロット数は毎極毎相あたり2であることを特徴とする回転電機。
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