JP6127450B2 - 回転機用ロータ - Google Patents

Description

本発明は、回転機に用いられるロータに関するものである。

小型で大出力が得られる回転機として埋込磁石型同期回転機（以下、「ＩＰＭモータ」と称する）がある。このＩＰＭモータのロータは、強磁性板を積層したロータコアに軸方向に延在する直方体状のスロットが形成され、該スロットに直方体状の永久磁石が挿入された構成となっている。このロータを備えたＩＰＭモータによれば磁石トルクにリラクタンストルクが加わることにより大出力が得られる。しかし、一般的に、ＩＰＭモータは、トルクリップルやコギングトルクによる音や振動が発生し易いため、トルクリップルやコギングトルクを低減することが望まれている。ロータに例えば着磁等によりスキューを施すことにより、トルクリップルやコギングトルクを低減することは可能であるが、ＩＰＭモータのロータの場合は直方体状のスロットに直方体状の永久磁石を挿入するため、ＩＰＭモータのロータにスキューを施すことは困難である。

そこで、例えば、特開２００９−２１９２９１号公報（特許文献１）には、強磁性板を積層したロータコアの外周縁と永久磁石との間に形成される外周磁性体領域の面積が、磁極間近傍では小さく、磁極の中心に向かって徐徐に面積が大きくなるように、ロータコアの外周縁と永久磁石との間に非磁性領域を形成したロータが開示されている。これにより、ステータに鎖交する磁束の変化が緩やかになるため、このロータを備えたＩＰＭモータによればトルクリップルやコギングトルクを低減させて音や振動の発生を抑制することができる。

しかし、特許文献１に記載のロータにおいては、永久磁石の形状が直方体状であるため、ロータコアにおけるロータコアの外周縁とスロットの端部との間のブリッジ部において、回転トルクに寄与しない漏れ磁束が発生する。そこで、例えば、特開２００３−３０４６７０号公報（特許文献２）には、ブリッジ部を非磁性化して漏れ磁束を減少させたロータが記載されている。

特開２００９−２１９２９１号公報 特開２００３−３０４６７０号公報

ところが、図９に示すように、ブリッジ部Ｒｂを非磁性化したロータＲにおいては、ロータＲの外周縁に発生している磁束密度Ｂは、Ｓ極とＮ極との中間点（例えば機械角θが４５度の点）を境に急激に上昇し、一側のブリッジ部Ｒｂの端部Ｒｂａで最大値となった後、僅かに減少して推移し、他側のブリッジ部Ｒｂの端部Ｒｂｂで再び最大値となった後、Ｎ極とＳ極との中間点（例えば機械角θが１３５度の点）まで急激に減少するというサイクルを４極の場合は機械角θが９０度変化する毎に繰り返す。そして、ロータＲの外周縁に発生している磁束密度Ｂは、台形波状となるため、仮に５次成分および７次成分が含まれていた場合、電流波形がたとえ正弦波状であっても６次のトルクリップルが発生する。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、トルクリップルやコギングトルクの低減が可能な回転機用ロータを提供することを目的とする。

（請求項１）本発明の回転機用ロータは、複数枚の積層された強磁性板により形成され、軸方向にスロットを形成されたロータコアと、前記スロットに収容された永久磁石と、を備えた回転機用ロータであって、前記ロータコアは、コア本体部と、前記スロットの径方向外側に位置する外周磁性体領域と、前記コア本体部の外周縁と前記外周磁性体領域の周方向端とを接続し前記スロットの端部の径方向外側に位置するブリッジ部と、を備え、前記ブリッジ部および前記外周磁性体領域はそれぞれ、固溶合金化された領域を含み、前記ブリッジ部および前記外周磁性体領域は、前記ブリッジ部の透磁率が前記外周磁性体領域の透磁率よりも小さく、前記ブリッジ部から前記外周磁性体領域の周方向中央に向かって透磁率が大きくなるように形成されている。

（請求項２）前記ブリッジ部は、非磁性化されているようにしてもよい。
（請求項３）前記外周磁性体領域は、両端の前記ブリッジ部から前記外周磁性体領域の周方向中央に向かってそれぞれ透磁率が大きくなるように形成されているようにしてもよい。

（請求項４）前記外周磁性体領域は、前記ロータコアの端面から軸方向に向かって透磁率が大きくなるように形成されているようにしてもよい。

（請求項５）前記外周磁性体領域における軸方向の透磁率の変化部分は、前記ロータコアの端面から軸方向に向かうスキューが設けられているようにしてもよい。

（請求項１）外周磁性体領域における周方向の磁束密度分布を任意の形状で変化させることが可能となる。これにより、外周磁性体領域における周方向の磁束密度分布の形状を５次成分および７次成分が含まれない形状にすることができるので、音や振動の発生を抑制することができる。

（請求項２）ブリッジ部を比透磁率が１となるように形成することができるので、ブリッジ部における漏れ磁束を減少させることができる。
（請求項３）例えば、外周磁性体領域における周方向の磁極中央部の磁束密度を高くし、周方向の磁極間の磁束密度を低くすることにより周方向の磁束密度分布を正弦波状にすることができる。これにより、音や振動の発生を一層抑制することができる。

（請求項４）外周磁性体領域における軸方向の磁束密度分布をコギングトルクを低減させることが可能な形状で変化させることが可能となり、音や振動の発生を抑制することができる。

（請求項５）ロータコアの両端面の磁極の位置がコギングトルク波形の半周期分ずれるようにスキューを設けることにより、コギングトルクを消すことができ、音や振動の発生をさらに抑制することができる。

本発明の第１実施形態：回転機用ロータの平面図である。 図１のブリッジ部および外周磁性体領域の部分拡大斜視図である。 ブリッジ部の非磁性化方法を説明するための模式断面図である。 ブリッジ部の非磁性化方法を説明するための模式斜視図である。 外周磁性体領域における透磁率の変化部分の第１の形成方法を説明するための図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。 外周磁性体領域における透磁率の変化部分の第２の形成方法を説明するための図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。 外周磁性体領域における透磁率の変化部分の第３の形成方法を説明するための図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。 第１実施形態のロータの機械角とロータの外周面に発生している磁束密度との関係を示す図である。 本発明の第２実施形態：回転機用ロータのブリッジ部および外周磁性体領域の部分拡大斜視図である。 第２実施形態の非磁性化領域に設けられるスキューの角度を説明するための図である。 従来のロータの機械角とロータの外周面に発生している磁束密度との関係を示す図である。

（１．回転機用ロータの第１の実施形態の構成）
第１の実施形態の回転機に用いられるロータとして、ＩＰＭモータのロータについて、図１を参照して説明する。なお、以下の説明において、「半径方向」および「軸方向」とは、ロータ（ロータコア）の半径方向および軸方向を指す。

図１に示すように、ロータ１は、ロータコア２と、４つの永久磁石３とを備えて構成される。ロータコア２は、例えば電磁鋼板でなる薄板円盤状の強磁性板４が複数枚積層されて構成されている。４つの永久磁石３は、例えばネオジム磁石で直方体状にそれぞれ形成され、ロータコア２に矩形配置されている。すなわち、各永久磁石３は、コア本体部２０の外周縁の近傍に９０度間隔で軸方向に貫通形成した４つのスロット５にそれぞれ収容され、ロータコア２に固定保持されている。

４つのスロット５は、矩形状開口部５１および矩形状開口部５１の両端からコア本体部２０の外周縁に向かってそれぞれ延びる台形状開口部５２で構成されている。台形状開口部５２は、磁気に対するエアギャップとして形成されている。

図１および図２に示すように、ロータコア２は、コア本体部２０と、スロット５の矩形状開口部５１の半径方向の内周部５１ａの径方向外側に位置する外周磁性体領域２３と、コア本体部２０の外周縁２１と外周磁性体領域２３の周方向端とを接続し、スロット５の台形状開口部５２の半径方向の内周部５２ａの径方向外側に位置するブリッジ部２２とを備えて構成される。ブリッジ部２２は、全体が非磁性化されている（図１，２において粗い目の網掛け部分）。ここで、非磁性化とは、比透磁率が１となる完全な非磁性化、および比透磁率が電磁鋼板の比透磁率よりも低い弱磁性化を含む。非磁性化は、既知の技術、例えばブリッジ部２２に対する加熱や非磁性塗料の塗布等により処理されるが、好ましくは、ブリッジ部２２を加熱溶融してキーホールを形成し、キーホールの周囲に合金元素を配置することにより処理される。なお、キーホールによる非磁性化処理の詳細は後述する。

さらに、外周磁性体領域２３は、両端のブリッジ部２２から外周磁性体領域２３の周方向中央に向かって透磁率が大きくなるように形成されている。すなわち、外周磁性体領域２３には、１つのスロット５の一端側のブリッジ部２２から他端側のブリッジ部２２に向かって透磁率が徐徐に増加する非磁性化領域２４（図１，２において細かい目の網掛け部分）が形成されている。この非磁性化領域２４は、ロータコア２の一端面から他端面に亘って同一面積となるように、非磁性化領域２４における増加端部の境界線２４ａは、ロータ１の回転軸ＣＬと平行になるように形成されている。非磁性化は、ブリッジ部２２と同様に処理される。

ここで、ブリッジ部２２のキーホールによる非磁性化処理について図３および図４を参照して説明する。非磁性化処理は、キーホール形成工程および元素配置工程で構成される。キーホール形成工程は、ロータコア２のブリッジ部２２に対し、ブリッジ部２２の外周縁（コア本体２０の外周縁）側からレーザＬを照射してキーホールＨを形成する工程である。キーホールＨとは、レーザＬの照射によって、レーザＬが照射されるブリッジ部２２の外周縁から台形状開口部５２の内周部５２ａに向かって形成される円形穴を意味する。そして、キーホールＨ形成時には蒸発金属が発生し、キーホールＨの周囲には溶融池Ｐが形成される。つまり、溶融池Ｐは、ブリッジ部２２におけるレーザ照射面から裏面に至るまで形成される。

元素配置工程は、キーホールＨ周囲の溶融池Ｐに合金元素Ａを配置し、固溶合金化する工程である。合金元素Ａ（マンガン、ニッケル、クロム等）により形成されたワイヤＷをブリッジ部２２の外周縁のレーザＬ照射位置周辺に配置する。そして、ブリッジ部２２の外周縁に対するレーザＬ照射位置を相対移動させ、レーザＬ照射位置に合わせてワイヤＷも相対移動させる。レーザＬ照射位置が相対移動すると、前照射位置のキーホールＨは、溶融したブリッジ部２２により埋められる。

ワイヤＷは、溶融池Ｐに当接して溶融し、溶融したワイヤＷ（すなわち、合金元素Ａ）は、溶融池Ｐ内に混入し拡散する。溶融池Ｐでは、対流（図４の円弧状の矢印参照）が発生しやすい。特に、レーザＬの照射位置の進行方向の後方にて対流が発生しやすい。そして、溶融池Ｐに供給された合金元素Ａは、溶融池Ｐの対流によって、ブリッジ部２２の内周部側から外周縁側へ拡散され、外周縁側まで供給される。そうすると、溶融池Ｐの部分は、合金元素Ａの存在によって合金化されて、ブリッジ部２２におけるレーザ照射面から裏面に亘って非磁性化される。なお、ブリッジ部２２への合金元素Ａの供給は、キーホールＨ形成前、形成中、又は形成後でも良い。

外周磁性体領域２３のキーホールによる非磁性化処理も上述のブリッジ部２２のキーホールによる非磁性化処理と同様に行われる。ただし、ブリッジ部２２はブリッジ部２２の外周縁から台形状開口部５２の内周部５２ａに亘ってブリッジ部２２全体を非磁性化したが、外周磁性体領域２３は外周磁性体領域２３の外周縁からスロット５の内周部に向かう途中までの非磁性化領域２４のみを非磁性化する点で異なる。すなわち、外周磁性体領域２３においては、ブリッジ部２２から外周磁性体領域２３の周方向中央に向かって透磁率が大きくなるように形成する必要があるためである。以下に外周磁性体領域２３における透磁率の変化部分の形成方法について説明する。

外周磁性体領域２３における透磁率の変化部分の形成方法としては、図５Ａに示すように、合金元素の配合量は同一とし、周方向の幅ｗおよび軸方向の長さｈは同一で、半径方向の深さがブリッジ部２２から周方向に向かうに従って徐徐に浅くなる（ｄ１＞ｄ２＞ｄ３＞ｄ４＞ｄ５＞ｄ６＞ｄ７＞ｄ８）複数の非磁性化領域２４ａ１〜２４ａ８を形成する。

また、図５Ｂに示すように、合金元素の配合量は同一とし、非磁性化領域２４の周方向の幅ｗおよび半径方向の深さｄは同一で、軸方向の長さがブリッジ部２２から周方向に向かうに従って徐徐に短くなるように断続的に変化させた複数の非磁性化領域２４ｂ１〜２４ｂ８を形成する。

また、図５Ｃに示すように、非磁性化領域２４の周方向の幅ｗ、軸方向の長さｈおよび半径方向の深さｄは同一で、合金元素の配合量がブリッジ部２２から周方向に向かうに従って徐徐に少なくなる複数の非磁性化領域２４ｃ１〜２４ｃ８を形成する。なお、図５Ａ〜図５Ｃにおいては、ブリッジ部２２および各非磁性化領域２４ａ１〜２４ａ８，２４ｂ１〜２４ｂ８，２４ｃ１〜２４ｃ８の間は所定の間隔をあけて表示したが、ブリッジ部２２および各非磁性化領域２４ａ１〜２４ａ８，２４ｂ１〜２４ｂ８，２４ｃ１〜２４ｃ８を所定間隔をあけずに形成するようにしてもよい。

この第１の実施形態のロータ２によれば、外周磁性体領域２３における非磁性化領域２４は、非磁性化されたブリッジ部２２から外周磁性体領域２３の周方向中央に向かって透磁率が大きくなるように形成されているので、外周磁性体領域２３における周方向の磁束密度分布を任意の形状で変化させることが可能となる。例えば、外周磁性体領域２３における周方向の磁極中央部の磁束密度を高くし、周方向の磁極間の磁束密度を低くすることにより、図６に示すように、周方向の磁束密度分布Ｂを正弦波状にすることができる。これにより、当該磁束密度分布Ｂには５次成分および７次成分が含まれることはないので、６次のトルクリップルが発生することはなく、音や振動の発生を抑制することができる。

（２．回転機用ロータの第２の実施形態の構成）
第２の実施形態の回転機に用いられるロータ１１は、図１および図２に示す第１の実施形態の回転機に用いられるロータ１と基本的な構成は同一であるが、以下の点で異なる構成となっている。図７に示すように、第２の実施形態のロータコア１２の隣接する外周磁性体領域２５Ａ，２５Ｂにおける一方の非磁性化領域２６Ａは、ロータコア１２の軸方向であって上端面から下端面に向かって透磁率が徐徐に増加するように形成され、他方の非磁性化領域２６Ｂは、ロータコア１２の軸方向であって上端面から下端面に向かって透磁率が徐徐に減少するように形成されている。

詳しくは、第１の実施形態のロータコア２の非磁性化領域２４における増加端部の境界線２４ａは、ロータ１の回転軸ＣＬと平行になるように設けられているのに対し、第２の実施形態のロータコア１２の一方の非磁性化領域２６Ａは、ロータコア１２の上端面で最大面積となり、ロータコア１２の下端面で面積が０となるように、非磁性化領域２６Ａにおける増加端部の境界線２６Ａａは、ロータ１１の回転軸ＣＬに平行であって非磁性化領域２６Ａとブリッジ部２２との境界を通る直線ＡＬに対し所定角度αで傾斜するように設けられている。また、他方の非磁性化領域２６Ｂは、ロータコア１２の上端面で面積が０となり、ロータコア１２の下端面で最大面積となるように、非磁性化領域２６Ｂにおける減少端部の境界線２６Ｂａは、ロータ１１の回転軸ＣＬに平行であって非磁性化領域２６Ｂとブリッジ部２２との境界を通る直線ＡＬに対し所定角度αで傾斜するように設けられている。

すなわち、外周磁性体領域２５Ａ，２５Ｂにおける非磁性化領域２６Ａ，２６Ｂの軸方向の透磁率の変化部分は、ロータコア１２の端面から軸方向に向かうスキューが設けられている。このスキューの角度φと上述の所定角度αとの関係は、図８に示すように表される。つまり、非磁性化領域２６Ａおける増加端部の境界線２６Ａａとロータ１１の上端面の円周との交点をＳ１としたとき、この交点Ｓ１とロータ１１の中心点（回転軸ＣＬ）とを結ぶ線をＳＣ１とする。また、ロータ１１の回転軸ＣＬに平行な直線ＡＬとロータ１１の上端面の円周との交点をＳ２としたとき、この交点Ｓ２とロータ１１の中心点（回転軸ＣＬ）とを結ぶ線をＳＣ２とする。このときの直線ＳＣ１と直線ＳＣ２とのなす角度がスキューの角度φとなる。

このスキューの角度φを設けることにより、一方の磁極の位置とこの磁極に隣接する他方の磁極の位置とをコギングトルク波形の半周期分ずらすことができ、コギングトルクの基本次数を消すことができ、音や振動の発生をさらに抑制することができる。このコギングトルクの基本次数は、モータの極数とスロット数の最小公倍数であるため、例えば８極１２スロットのモータの場合、最小公倍数は２４であるので、モータ１回転で２４個の波が生じ、その波の周期は３６０°／２４＝１５°である。したがって、このモータに最適なスキューの角度φは１５°となる。このスキューの角度φから所定角度αを求めることにより（図８参照）、非磁性化領域２６Ａ，２６Ｂを形成することができる。

（３．変形例）
上述の各実施形態では、合金元素Ａにより形成されたワイヤＷをブリッジ部２２の外周面のレーザＬ照射位置周辺に配置し、キーホールＨ周囲に形成される溶融池Ｐに合金元素Ａを供給して非磁性化処理するようにしたが、以下の方法により非磁性化処理するようにしてもよい。すなわち、ブリッジ部２２又は外周磁性体領域２３の非磁性化領域２４，２５とすべき箇所に合金元素Ａのペレットを配置し、プレス加工により合金元素Ａのペレットをブリッジ部２２又は外周磁性体領域２３の非磁性化領域２４，２５とすべき箇所に打込み、該合金元素ＡのペレットにレーザＬを照射して非磁性化処理するようにしてもよい。また、ブリッジ部２２又は外周磁性体領域２３の非磁性化領域２４，２５とすべき箇所に合金元素Ａの粉末や粗粒あるいは薄膜を配置し、該合金元素Ａの粉末にレーザ２を照射して非磁性化処理するようにしてもよい。また、キーホールＨの形成手段としては、高密度エネルギを照射可能な手段であればよく、レーザＬの代わりに例えば電子ビーム等でもよい。

また、上述の各実施形態では、強磁性板４を複数枚積層してロータコア２を成形した後にロータコア２の半径方向（外周縁側）からレーザＬ照射して非磁性化する構成としたが、１枚の強磁性板４に対し強磁性板４の軸方向（表面側）からレーザＬ照射して非磁性化し、当該強磁性板４を複数枚積層してロータコア２を成形する構成としてもよい。また、上述の各実施形態では、外周磁性体領域２３，２５における非磁性化領域２４，２６を磁性改質することにより形成した構成としたが、プレス加工等による打ち抜きにより形成した空隙を非磁性化領域２４，２６とした構成としてもよい。

また、上述の実施形態では、ロータコア２，１２の平面形状は円形状にしたが、磁極中央部が飛び出た所謂花びら形状のロータコアにも適用可能であり、さらに磁束密度分布を正弦波状に近付けて、音や振動の発生を一層抑制することができる。

１，１１：ロータ、 ２，１２：ロータコア、 ３：永久磁石、 ４：強磁性板、 ５：スロット、 ２０：コア本体部、 ２１：ロータコアの外周縁、 ２２：ブリッジ部、 ２３，２５：外周磁性体領域、 ２４，２６：非磁性化領域、 Ｈ：キーホール、 Ｌ：レーザ、 Ｐ：溶融池、 Ａ：合金元素、 φ：スキューの角度

Claims (5)

1. 複数枚の積層された強磁性板により形成され、軸方向にスロットを形成されたロータコアと、
   前記スロットに収容された永久磁石と、
   を備えた回転機用ロータであって、
   前記ロータコアは、コア本体部と、前記スロットの径方向外側に位置する外周磁性体領域と、前記コア本体部の外周縁と前記外周磁性体領域の周方向端とを接続し前記スロットの端部の径方向外側に位置するブリッジ部と、を備え、
   前記ブリッジ部および前記外周磁性体領域はそれぞれ、固溶合金化された領域を含み、
   前記ブリッジ部および前記外周磁性体領域は、前記ブリッジ部の透磁率が前記外周磁性体領域の透磁率よりも小さく、前記ブリッジ部から前記外周磁性体領域の周方向中央に向かって透磁率が大きくなるように形成されている、回転機用ロータ。
2. 前記ブリッジ部は、非磁性化されている、請求項１の回転機用ロータ。
3. 前記外周磁性体領域は、両端の前記ブリッジ部から前記外周磁性体領域の周方向中央に向かってそれぞれ透磁率が大きくなるように形成されている、請求項１又は２の回転機用ロータ。
4. 前記外周磁性体領域は、前記ロータコアの端面から軸方向に向かって透磁率が大きくなるように形成されている、請求項１から３の何れか一項に記載の回転機用ロータ。
5. 前記外周磁性体領域における軸方向の透磁率の変化部分は、前記ロータコアの端面から軸方向に向かうスキューが設けられている、請求項４に記載の回転機用ロータ。

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