JP6277648B2 - 磁石埋込型ロータ - Google Patents

Description

本発明は、磁石埋込型ロータに関する。

ロータの内部に界磁用の永久磁石を埋め込んだ構造からなるＩＰＭモータ（Interior Permanent Magnet Motor）が知られている。このＩＰＭモータに用いられるロータとしては特許文献１に記載のロータがある。図１４に示すように、特許文献１に記載のロータ９０は、円筒状のロータコア９１、及びロータコア９１に埋め込まれた複数の永久磁石９２からなる。ロータコア９１には、外周側に向けて開く略Ｕ字をなす複数の磁石挿入孔９３が周方向に並べて配置されており、これらの磁石挿入孔に略Ｕ字状の永久磁石９２がそれぞれ挿入されている。

特開２０１０−６３２０９号公報

ところで、図１４に示すロータ９０では、周方向に隣接する２つの磁石挿入孔９３，９３が、その間に配置されるロータコアの部位であるスポーク部９４により分離されている。このようなスポーク部９４がロータ９０に存在する場合、永久磁石９２のＵ字の内面に形成される磁極と、永久磁石９２のＵ字の外面に形成される磁極との間でスポーク部９４を介して磁束が短絡してしまい、これが漏れ磁束となる。こうした漏れ磁束はロータ９０の外周部分での磁束密度を低下させ、ステータコイルに鎖交する有効磁束量の減少を招く。これがモータの出力トルクを低下させる要因となる。

本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、有効磁束量を向上させることのできる磁石埋込型ロータを提供することにある。

上記課題を解決するために、コアプレートが軸方向に複数積層されて構成され、軸方向視において同一形状からなる複数の磁石挿入孔が周方向に等角度間隔で形成される円筒状のロータコアと、前記磁石挿入孔に配置される永久磁石と、を備える磁石埋込型ロータであって、前記コアプレートに、環状に形成される外環部と、環状に形成され前記外環部の内側に配置される内環部と、前記外環部の内周面及び前記内環部の外周面を連結するスポーク部と、を設け、前記外環部の内周面、前記内環部の外周面、及び前記スポーク部にて囲まれる領域により、前記複数の磁石挿入孔のうちの２つ以上の磁石挿入孔が前記周方向に連通された形状からなる連通孔を形成することとした。

この構成によれば、ロータにおいて周方向に隣接する２つの磁石挿入孔間の各境界部分には、スポーク部が存在する部分と、スポーク部が存在しない部分とが配置される。これにより、従来のロータコアと比較すると、スポーク部の総体積を小さくすることができる。そのためスポーク部における磁束の漏洩が抑制され、有効磁束量を向上させることができる。

上記磁石埋込型ロータについて、前記コアプレートを転積することにより前記スポーク部が周方向に等角度間隔で配置されることが好ましい。
この構成によれば、スポーク部をロータコア周方向に均等に配置することができるため、ロータコアの回転バランスを確保することができる。そのためＩＰＭモータのトルク変動を抑制することができる。

この磁石埋込型ロータによれば、有効磁束量を向上させることができる。

磁石埋込型ロータの一実施形態について同ロータを用いたＩＰＭモータの断面構造を示す断面図。 実施形態のロータについてその平面構造を示す平面図。 実施形態のロータを構成するロータコアの分解斜視構造を示す斜視図。 実施形態のロータコアを構成するコアプレートの平面構造を示す平面図。 実施形態のロータコアについてその平面構造を示す平面図。 図５のＡ−Ａ線に沿った断面構造を示す斜視断面図。 磁石埋込型ロータの変形例についてその平面構造を示す平面図。 同変形例のロータを構成するコアプレートの平面構造を示す平面図。 コアプレートの変形例についてその平面構造を示す平面図。 コアプレートの変形例についてその平面構造を示す平面図。 コアプレートの変形例についてその平面構造を示す平面図。 ロータコアの変形例についてその分解斜視構造を示す斜視図。 同変形例のロータコアの平面構造を示す平面図。 従来の磁石埋込型ロータの斜視構造を示す斜視図。

以下、磁石埋込型ロータの一実施形態について説明する。はじめに本実施形態の磁石埋込型ロータを用いたＩＰＭモータの構造について説明する。
図１に示すように、このＩＰＭモータ１は、ハウジング２の内周面に固定されたステータ３、図示しない軸受を介してハウジング２により軸線ｍを中心に回転可能に支持されたモータシャフト４、及びステータ３の内側に配置されてモータシャフト４の外周に一体的に取り付けられたロータ５を備えている。

ステータ３は軸線ｍを中心に円筒状に形成されている。ステータ３は、その軸方向に複数の電磁鋼板が積層されることにより構成されている。ステータ３の内周面には、その径方向内側に向かって延びる１２個のティース３０が形成されている。各ティース３０にはステータコイル３１が巻回されている。

図２に示すように、ロータ５は、軸線ｍを中心に円筒状に形成されたロータコア５０、及びロータコア５０の内部に埋め込まれた永久磁石６０を備えている。ロータコア５０には、図中に二点鎖線で示すように、その軸方向に直交する断面形状が略Ｕ字状をなす１０個の磁石挿入孔６１ａ〜６１ｊが周方向に等角度（４５°）間隔で形成されている。各磁石挿入孔６１ａ〜６１ｊはロータコア５０を軸方向に貫通している。これらの磁石挿入孔６１ａ〜６１ｊに１０個の磁石片６０ａ〜６０ｊがそれぞれ配置されている。磁石片６０ａ〜６０ｊはボンド磁石からなり、ロータコア径方向の内側の部分及び外側の部分に異なる磁極を有している。これらの磁石片６０ａ〜６０ｊにより永久磁石６０が構成される。ロータコア５０には、径方向外側の部分にＮ極を有する磁石片６０ａ，６０ｃ，６０ｅ，６０ｇ，６０ｉと、径方向外側の部分にＳ極を有する磁石片６０ｂ，６０ｄ，６０ｆ，６０ｈ，６０ｊとが周方向に交互に配置されている。これによりロータ５は、その外周部分に周方向に沿ってＮ極及びＳ極を交互に有する１０極構造をなしている。

このように構成されたモータ１では、ステータコイル３１に三相の交流電力が供給されると回転磁界が形成される。この回転磁界と、永久磁石６０が形成する磁界とが作用することによりロータ５にトルクが付与され、モータシャフト４が回転する。

次にロータコア５０の構造について詳述する。
図３に示すように、ロータコア５０は、その軸方向に板状のコアプレート７０が複数積層されることにより構成されている。コアプレート７０は単数の電磁鋼板により構成されるか、あるいは複数の電磁鋼板が軸方向に積層されることにより構成されている。

図４に示すように、コアプレート７０は円筒状の部材からなる。コアプレート７０は、環状に形成された外環部７１、外環部７１の内側に配置されて環状に形成された内環部７２、並びに外環部７１の内周面と内環部７２の外周面とを連結する第１スポーク部７３及び第２スポーク部７４を有している。外環部７１の内周面には、コアプレート径方向内側に向かって突出するように形成された１０個の凸部７１ａが等角度間隔で形成されている。内環部７２の外周面には、外環部７１の凸部７１ａの位置に対応して弧状に凹ませた形状からなる１０個の凹部７２ａが形成されている。第１スポーク部７３及び第２スポーク部７４は、内環部７２の外周面における２つの凹部７２ａ，７２ａ間に位置する頂部と、外環部７１の内周面における２つの凸部７１ａ，７１ａの中間に位置する部分とを連結するようにそれぞれ形成されている。第１スポーク部７３及び第２スポーク部７４は、軸線ｍを中心に対称となる位置に配置されている。コアプレート７０は、これら第１スポーク部７３及び第２スポーク部７４を介して外環部７１及び内環部７２が一体化された構造からなる。

このような構造により、コアプレート７０には、外環部７１の内周面、内環部７２の外周面、第１スポーク部７３、及び第２スポーク部７４にて囲まれる領域により第１連通孔７５及び第２連通孔７６が区画形成されている。第１連通孔７５は、図中に二点鎖線で示すように、軸線ｍに直交する断面形状がコアプレート径方向外側に開く略Ｕ字状をなす同一形状の５個の磁石挿入孔７７ａ〜７７ｅが周方向に連通された形状からなる。第２連通孔７６は、第１連通孔７５と同様に、略Ｕ字状をなす同一形状の５個の磁石挿入孔７７ｆ〜７７ｊが周方向に連通された形状からなる。

このコアプレート７０が図３に示すように複数転積されることによりロータコア５０が構成される。すなわち、各コアプレート７０が、上側に隣接するコアプレート７０に対して時計回りの方向（図中に矢印ａで示す方向）に「４５°」だけ回転させた状態で積層されることによりロータコア５０が構成される。図５は、このようにして構成されたロータコア５０の平面構造を示したものである。また図６は図５のＡ−Ａ線に沿った断面構造の斜視図である。

図５及び図６に示すように、ロータコア５０では、その軸方向視において、外環部７１の内周面、内環部７２の外周面、第１スポーク部７３、及び第２スポーク部７４にて囲まれる領域により同一形状からなる略Ｕ字状の１０個の磁石挿入孔６１ａ〜６１ｊが周方向に等角度間隔で形成されている。各磁石挿入孔６１ａ〜６１ｊは、図５に二点鎖線で示す各コアプレート７０の挿入孔７７ａ〜７７ｊが連通された形状からなる。そして本実施形態のロータ５は、ロータコア５０の磁石挿入孔６１ａ〜６１ｊにボンド磁石からなる永久磁石６０を埋め込むことにより成形される。詳しくは、ロータコア５０の磁石挿入孔６１ａ〜６１ｊに着磁前の磁性部材を射出成形などで埋め込んだ後、着磁装置を用いて磁性部材の配向及び着磁を図２に示すように行うことによりロータ５が成形される。

次に本実施形態の磁石埋込型ロータ５の作用について説明する。
図６に示すように、本実施形態のロータコア５０では、第１スポーク部７３及び第２スポーク部７４がコアプレート７０で５枚の間隔をおいて交互に配置される。これにより図２に示すロータ５における周方向に隣接する２個の磁石挿入孔間の各境界部分には、軸方向に沿って、スポーク部が存在する部分と、スポーク部が存在しない部分とが交互に配置される。そのため、図１４に例示した従来のロータ９０のように、周方向に隣接する２個の磁石挿入孔９３，９３がスポーク部９４により仕切られている構造と比較すると、本実施形態のロータ５の方が、スポーク部の総体積を小さくすることができる。そのため、スポーク部における磁束の漏洩が抑制され、有効磁束量を向上させることができる。その結果、モータ１の出力トルクを向上させることができる。

また図５に示すように、ロータコア５０には第１スポーク部７３及び第２スポーク部７４が周方向に均等に配置されているため、ロータコア５０の回転バランスを確保することができる。そのためモータ１のトルク変動を抑制することもできる。

以上説明したように、本実施形態の磁石埋込型ロータ５によれば以下の効果を得ることができる。
（１）コアプレート７０には、環状に形成された外環部７１、外環部７１の内側に配置されて環状に形成された内環部７２、並びに外環部７１の内周面と内環部７２の外周面とを連結する第１スポーク部７３及び第２スポーク部７４を設けることとした。そしてコアプレート７０には、略Ｕ字状の磁石挿入孔７７ａ〜７７ｅが周方向に連通された形状からなる第１連通孔７５、及び略Ｕ字状の磁石挿入孔７７ｆ〜７７ｊが周方向に連通された形状からなる第２連通孔７６を形成することとした。また、このコアプレート７０を転積することによりロータコア５０を形成することとした。これによりスポーク部における磁束の漏洩が抑制され、有効磁束量を向上させることができる。またロータコア５０の回転バランスを確保することができるため、ＩＰＭモータ１のトルク変動を抑制することもできる。

なお、上記実施形態は、以下の形態にて実施することもできる。
・上記実施形態では、ロータコア５０に形成された磁石挿入孔６１ａ〜６１ｊが略Ｕ字状をなすものであったが、磁石挿入孔６１ａ〜６１ｊの形状は適宜変更可能である。例えば図７に示すように、ロータコア５０に、その軸方向に直交する断面形状が台形状をなす１０個の磁石挿入孔６１ａ〜６１ｊを周方向に等角度間隔で形成してもよい。この場合、ロータコア５０の形状変更に併せて、コアプレート７０の形状も変更する。詳しくは、図８に示すように、コアプレート７０の外環部７１の内周面及び内環部７２の外周面を十角形状にそれぞれ形成する。さらに第１スポーク部７３及び第２スポーク部７４を、内環部７２の外周面における頂部と外環部７１の内周面における角部とを連結するようにそれぞれ形成する。そしてコアプレート７０には、外環部７１の内周面、内環部７２の外周面、第１スポーク部７３、及び第２スポーク部７４にて囲まれる領域により第１連通孔７５及び第２連通孔７６を区画形成する。これにより第１連通孔７５は、図中に二点鎖線で示すように、軸線ｍに直交する断面形状が略台形状をなす同一形状の５つの磁石挿入孔７８ａ〜７８ｅが周方向に連通された形状となる。また第２連通孔７６は、第１連通孔７５と同様に、台形状をなす同一形状の５つの磁石挿入孔７８ｆ〜７８ｊが周方向に連通された形状となる。このコアプレート７０を複数転積すれば、図７に示したコアプレート７０を成形することができる。

・コアプレート７０における第１スポーク部７３及び第２スポーク部７４の位置は適宜変更可能である。例えば図９に示すように、第１スポーク部７３及び第２スポーク部７４を、内環部７２の外周面における凹部７２ａの中間部と外環部７１の内周面における凸部７１ａの頂部とを連結するように形成してもよい。このような構造からなるコアプレート７０を転積することによりロータコア５０を成形しても、上記実施形態に準じた効果を得ることが可能である。

・コアプレート７０に設けられるスポーク部の数は適宜変更可能である。例えば図１０に示すように、コアプレート７０に３つのスポーク部７９〜８１を形成してもよい。この場合、コアプレート７０には、外環部７１の内周面、内環部７２の外周面、及び３つのスポーク部７９〜８１にて囲まれる領域により第１〜第３連通孔８２〜８４が形成される。第１連通孔８２は、図中に二点鎖線で示す略Ｕ字状をなす同一形状の３つの磁石挿入孔７７ａ〜７７ｃが周方向に連通された形状からなる。第２連通孔８３は、略Ｕ字状をなす同一形状の３つの磁石挿入孔７７ｄ〜７７ｆが周方向に連通された形状からなる。第３連通孔８４は、略Ｕ字状をなす同一形状の４つの磁石挿入孔７７ｇ〜７７ｊが周方向に連通された形状からなる。また例えば図１１に示すように、コアプレート７０に一つのスポーク部７３のみを形成してもよい。この場合、コアプレート７０には、外環部７１の内周面、内環部７２の外周面、及びスポーク部７３にて囲まれる領域により一つの連通孔８５が形成される。連通孔８５は、図中に二点鎖線で示す略Ｕ字状をなす同一形状の１０個の磁石挿入孔７７ａ〜７７ｊが周方向に連通された形状からなる。要は、外環部７１の内周面、内環部７２の外周面、及び所定のスポーク部にて囲まれる領域により、１０個の磁石挿入孔７７ａ〜７７ｊのうちの２つ以上の磁石挿入孔が周方向に連通された形状からなる連通孔が区画形成されていればよい。

・ロータコア５０を構成するコアプレート７０の数は適宜変更可能である。
・上記実施形態では、ロータ５の磁極数を１０極に設定したが、ロータ５の磁極数には限定はなく、適宜変更してもよい。またロータ５の磁極数の変更に併せて、コアプレート７０に形成される第１連通孔７５及び第２連通孔７６の形状を変更したり、コアプレート７０を転積する際の回転角度を適宜変更する。

・上記実施形態では、ロータコア５０を成形するにあたり、コアプレート７０を転積したが、図１２に示すようにコアプレート７０を回転させずに積層してもよい。この場合、ロータ５の平面構造は図１３に示すようになる。図１３に示すように、このロータ５では、周方向に隣接する２個の磁石挿入孔６１ａ，６１ｊ間の境界部分に全コアプレート７０の第１スポーク部７３が位置する。また周方向に隣接する２個の磁石挿入孔６１ｅ，６１ｆ間の境界部分には全コアプレート７０の第２スポーク部７４が位置する。しかしながら、それ以外の２つの磁石挿入孔間の境界部分にはスポーク部が位置しない。すなわち、このロータ５でも、周方向に隣接する２つの磁石挿入孔間の各境界部分に、スポーク部が存在する部分と、スポーク部が存在しない部分とが有る。そのため、図１４に例示した従来のロータコア９１と比較すると、この変形例のロータ５の方が、スポーク部の総体積を小さくすることができる。そのためスポーク部における磁束の漏洩が抑制され、有効磁束量を向上させることができる。

・上記実施形態では、コアプレート７０が電磁鋼板からなるものであったが、コアプレート７０の材質として例えば電磁軟鉄などを用いてもよい。
・上記実施形態では、永久磁石６０としてボンド磁石を用いたが、例えば焼結磁石などを用いてもよい。永久磁石６０として焼結磁石を用いる場合には、例えば図２に示す各磁石挿入孔６１ａ〜６１ｊの形状に対応した１０個の略Ｕ字状の焼結磁石を用意し、これらの焼結磁石を磁石挿入孔６１ａ〜６１ｊにそれぞれ挿入すればよい。

１…ＩＰＭモータ、５…磁石埋込型ロータ、５０…ロータコア、６０…永久磁石、６１ａ〜６１ｊ，７７ａ〜７７ｊ…磁石挿入孔、７０…コアプレート、７１…外環部、７２…内環部、７３，７４，７９〜８１…第１スポーク部、７５，７６，８２〜８５…連通孔。

Claims (2)

1. コアプレートが軸方向に複数積層されて構成され、複数の磁石挿入孔が周方向に等角度間隔で形成される円筒状のロータコアと、
   前記磁石挿入孔に配置される永久磁石と、を備える磁石埋込型ロータであって、
   前記コアプレートは、
   環状に形成される外環部と、
   環状に形成され前記外環部の内側に配置される内環部と、
   前記外環部の内周面及び前記内環部の外周面を連結するスポーク部と、を有し、
   前記外環部の内周面、前記内環部の外周面、及び前記スポーク部にて囲まれる領域により、前記複数の磁石挿入孔が前記周方向に連通された形状からなる連通孔が形成され、
   前記外環部の内周面には、前記コアプレートの径方向内側に向かって突出する複数の凸部が形成され、
   前記内環部の外周面には、前記外環部の前記複数の凸部の位置に対応して弧状に凹ませた複数の凹部が形成されており、
   前記スポーク部は、少なくとも一つの前記凸部と、少なくとも一つの前記凹部とを含んで前記連通孔が形成されるように、前記凹部の前記内環部の外周面の周方向における中間部と、当該凹部の位置に対応する前記凸部の前記コアプレートの径方向内側における頂部とを連結するように形成されていることを特徴とする磁石埋込型ロータ。
2. 請求項１に記載の磁石埋込型ロータにおいて、
   前記コアプレートを転積することにより前記スポーク部が周方向に等角度間隔で配置されることを特徴とする磁石埋込型ロータ。