JP6338139B2 - 永久磁石埋込型電動機 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、希少な元素を使用しない永久磁石を組み込んだ永久磁石埋込型電動機に関するものである。

永久磁石埋込型電動機（「ＩＰＭモータ」ともいう）には、例えばネオジム磁石等の磁力が強い永久磁石が組み込まれている。ネオジム磁石の場合、保磁力を高めるためにジスプロシウムが添加されている。このジスプロシウムは、レアアース（希土類）のうちでも特に希少であって産出地域が限られている元素である。前記希少な元素は、国際情勢の影響を受けて輸入が途絶えたり、価格が高騰したりする可能性があるため、磁力の強い永久磁石の供給が不安定となる原因になっている。

そこで、比較的国際情勢の影響を受けにくい元素を成分とする永久磁石（例えばサマリウムコバルト磁石やフェライト磁石）を組み込んだ永久磁石埋込型電動機が研究されている。ところが、このような永久磁石は、ネオジム磁石等に比べて磁力が弱いという問題点がある。磁力の強い永久磁石を組み込んだ従来の電動機の構成のままで前記磁力の弱い永久磁石を組み込んでも高出力の電動機を実現できない。また、前記従来の電動機と同じ出力にするためには電動機が大型化してしまう。よって、実用上差し支えがある。

ここで特許文献１に係る発明は、高出力の永久磁石埋込型電動機に関するものである。特許文献１に係る発明は、固定子、回転子、ヨークを備える。回転子は固定子の内部で回転可能に配置され、第１永久磁石を有する回転子本体と、回転子本体に対し軸方向両側に位置する第２回転子とからなる。第１永久磁石は、一方の磁極が固定子を向くように回転子本体に配置されている。そして第２回転子には、前記第１永久磁石において外周側の磁極と同じ磁極を、回転子本体側を向くように第２永久磁石が配置されている。また、ヨークは、第２永久磁石に対して磁路を構成するために設けられており、磁性体からなる。

前記構成の永久磁石埋込型電動機では、第２永久磁石が第１永久磁石に対し並列に配置されているため、第２永久磁石の磁束と第１永久磁石の磁束とが重畳し、固定子に向かう磁気回路が形成される。このことから、特許文献１によると、当該文献の発明により、小型高出力で高効率な永久磁石埋込型電動機を提供することができるとされている。

前記第１永久磁石及び第２永久磁石の磁束は、全てが固定子に向かうように構成されることが、電動機の出力を高めるため理想的である。ところが、前記磁束の一部が、回転子とヨークとの間で循環してしまうことで固定子に向かわないことがある（この磁束を「漏れ磁束」という）。この漏れ磁束は固定子を通らないことから（言い換えると、第２永久磁石と固定子との間を通る磁束が目減りすることにより）、電動機の出力に寄与できない。このため、前記のような磁束が漏れる構成では、前記理想的な構成と比較して、漏れ磁束の分マグネットトルク及びリラクタンストルクが低下してしまうことで、電動機の出力が低くなってしまう。

特開２００６−２１１８０１号公報

そこで本発明は、磁束が漏れることが原因の出力低下を抑制することで、磁力の弱い永久磁石を組み込んでも実用上差し支えのない永久磁石埋込型電動機を提供することを課題とする。

本発明は、コイルを有する固定子と、前記固定子に沿って回転可能であり、複数の極を有する回転子本体であって、一方の磁極が前記固定子を向くように配置された第１永久磁石、及び、当該第１永久磁石を配置できるように軸方向に延びる第１永久磁石配置部を前記各極に対応して有する回転子本体と、前記回転子本体の少なくとも軸方向の一端側に面して固定され、少なくとも一部が磁性体からなるヨークであって、一方の磁極の方向が軸方向を向くように配置された第２永久磁石を配置できる第２永久磁石配置部を前記各極に対応して有するヨークと、を備え、前記第１永久磁石配置部における径方向外縁の軸方向延長位置よりも前記各極に対応した径外位置における、前記回転子本体と前記ヨークとの軸方向に対向する端面同士の間には空間が存在する永久磁石埋込型電動機である。

この構成によれば、第１永久磁石配置部における径方向外縁の軸方向延長位置よりも径外における、回転子本体とヨークとの軸方向に対向する端面同士の間に空間が存在する。この空間は回転子本体とヨークとの間での磁気ギャップとなる。このように磁気ギャップが存在するため、磁気抵抗が生じることから、固定子に向かうべき第１永久磁石または第２永久磁石の磁束の一部がヨークに向かってしまうような漏れ磁束が発生しにくい。よって、電動機の出力低下、また、出力を維持するために電動機を大型化することを避けられる。

また本発明は、前記第２永久磁石配置部は、前記第２永久磁石を配置する位置よりも径方向外側で前記回転子本体側へ突出する外側突出部を備え、前記回転子本体と前記外側突出部との軸方向に対向する端面同士の間には空間が存在するものとできる。

この構成によれば、回転子本体と外側突出部との軸方向に対向する端面同士の間に空間が存在する。このため、外側突出部が、回転子の回転時に遠心力がかかる第２永久磁石を支持できる。よって、第２永久磁石が遠心力によりヨークから外れ、固定子や電動機のケーシングに衝突することを抑制できる。

また本発明は、前記ヨークの外縁部のうちで隣り合う前記第２永久磁石配置部間につき、前記回転子本体と前記ヨークとの軸方向に対向する端面同士の間に空間が存在するものとできる。

この構成によれば、前記ヨークの外縁部のうちで隣り合う前記第２永久磁石配置部間についても、回転子本体とヨークとの軸方向に対向する端面同士の間に空間が存在する。この空間は回転子本体とヨークとの間での磁気ギャップとなる。このように磁気ギャップが存在するため、磁気抵抗が生じることから、漏れ磁束がヨーク内を周方向に回り込むようにして流れてしまうことを抑制できる。

本発明は、磁力の弱い永久磁石を組み込んでも、電動機の出力低下、また、出力を維持するために電動機を大型化することを避けられる。よって、実用上差し支えのない永久磁石埋込型電動機を提供できる。

本発明の一実施形態に係る永久磁石埋込型電動機の、固定子、回転子等を示す斜視図である。 本発明の一実施形態に係る永久磁石埋込型電動機の、回転子の構成を示す分解斜視図である。 本発明の一実施形態に係るヨークの正面図である。 本発明の一実施形態に係る、第１回転子と第２永久磁石との位置関係を示す正面図である。 本発明の一実施形態に係る永久磁石埋込型電動機の、回転子の構成を示す側面図である。 本発明の一実施形態に係る、漏れ磁束の抑制を示す概略図である。

本発明につき、一実施形態を取り上げて、図面とともに以下説明を行う。本実施形態は回転型の永久磁石埋込型電動機（回転モータ）であり、図１に示すように、固定子１、回転子本体２、ヨーク３を備える。以下、回転子本体２とヨーク３とをまとめて回転子と呼ぶこともある。なお、図１ではモータケーシングの図示を省略しており、回転軸（シャフト）５についても回転子に対応する部分のみを図示している。なお、以下の「軸方向」「軸周り方向」とは、この回転軸（シャフト）５の延びる方向を基準としている。

固定子１は、円筒状の固定子本体１１と、固定子本体１１内に複数配置されるコイル１２…１２とを備える。固定子本体１１は、電磁鋼板が軸方向に積層された積層鋼板製であって、周方向に均等に位置する複数のスロット１１１…１１１を備えている。各スロット１１１は軸方向に延びる空間を有している。このスロット１１１の空間に、通電により磁界が発生するコイル１２が配置されている。

回転子は、固定子１に磁界が生じることで回転子との間に引き起こされる磁気吸引力及び磁気反発力により、当該固定子１に対して軸周り方向（周方向）に回転する部分である。この回転子の一部である回転子本体２は、前記固定子１の径方向内部に配置されている。前記固定子１の内周面と回転子本体２の外周面との間には径方向に所定寸法の隙間が保たれている。この回転子本体２は、電磁鋼板が軸方向に積層された積層鋼板製であって、図２に示すように、径方向外側の領域には、周方向に均等に位置する複数の第１永久磁石配置部２１…２１を備えている。各第１永久磁石配置部２１は、軸方向に延びる空間を有しており、この空間は軸方向視で径方向に対して傾くように延びている。周方向に隣り合う２箇所の第１永久磁石配置部２１，２１は、径方向に延びる仮想の面（図示しない）に対して対称となっており、当該２箇所の第１永久磁石配置部２１，２１が軸方向視でＶ字状となっている。このＶ字状とされた第１永久磁石配置部２１，２１の１組が回転子本体２における１個の極（電動機における極）Ｐを構成する。各第１永久磁石配置部２１には、一方の磁極が前記固定子１を向くように（詳しくは、一方の磁極が各第１永久磁石配置部２１の厚さ方向を向くように）第１永久磁石２２が配置されている。このため各極Ｐにおいて、図６に示すように、第１永久磁石２２から発する磁束Ｆ１は固定子１に向かうように流れる。また、図２に示すように、第１永久磁石２２は第１永久磁石配置部２１の一部に配置されており、第１永久磁石２２の位置しない部分は空間が残されている。この残された空間はフラックスバリア（磁束障壁）として機能する（なお、第１永久磁石配置部２１内の第１永久磁石２２自体も自己の磁束以外の磁束に対してはフラックスバリア（磁束障壁）となる）。

本実施形態では、周方向に隣り合う２箇所の第１永久磁石配置部２１，２１がＶ字状となっており、各第１永久磁石配置部２１に第１永久磁石２２が位置しているがこれに限定されない。例えば、軸方向視で一連のＵ字状に第１永久磁石配置部２１が形成され、このＵ字状の第１永久磁石配置部２１に１個の第１永久磁石２２が位置することで、回転子本体２における１個の極Ｐを構成することもできる。また、第１永久磁石配置部２１は、径方向に間隔をおいて二重以上に重ねて形成されることもできる。

ヨーク３は、図２に示すように前記第２回転子３の軸方向両端側に固定されている。このためヨーク３は、回転子本体２と共に回転する。このヨーク３は磁性体からなり、固定子１と回転子本体２との間を磁気的に接続することで、両者間の磁気回路を構成できる。このヨーク３は具体的には、電磁鋼板が軸方向に積層された積層鋼板製の板状体である。このヨーク３は、図２または図３に示すように、一方の磁極の方向が軸方向を向くように配置された第２永久磁石４を有する。第２永久磁石４は軸方向視で、四隅にアールを有する略長方形である。このため加工性に優れる。第２永久磁石４はヨーク３の第２永久磁石配置部３１に配置される。

このヨーク３は、図２及び図３に示すように、第２永久磁石配置部３１及び段差部３２を備える。第２永久磁石配置部３１は電動機の各極Ｐに対応して、図３に示すように、ヨーク３の外周に周方向に均等に８箇所形成されており、凹部３１１と、第２永久磁石配置部３１のうち周方向中央、かつ、径方向外縁部に位置する外側突出部３１２を備える。図４に示すように、凹部３１１のうち上部領域３１１ａに第２永久磁石４が位置する。一方、この凹部３１１のうち下部領域３１１ｂには磁石が位置せず、空間のままとされる。この凹部３１１の軸方向寸法（深さ寸法）は、第２永久磁石４の軸方向寸法（厚さ寸法）と略同一とされている。

外側突出部３１２は、第２永久磁石配置部３１にて前記凹部３１１が形成されず残された突起状部分である。この外側突出部３１２は、凹部３１１に配置される第２永久磁石４の径方向外側に位置し、回転子の回転時に遠心力がかかった第２永久磁石４を径外側から支持できる。この外側突出部３１２により、第２永久磁石４が遠心力によりヨーク３から外れ、固定子１や電動機のケーシングに衝突することを抑制できる。この外側突出部３１２の軸方向寸法（厚さ寸法）は、凹部３１１の軸方向寸法（深さ寸法）よりも小さい。つまり、第２永久磁石４の軸方向寸法（厚さ寸法）よりも小さい。このため、回転子本体２にヨーク３を固定した状態で、図５及び図６に示すように、外側突出部３１２の内側端面と回転子本体２の外側端面との間に隙間（空間）Ｇ１が形成される。そして、凹部３１１（つまり、第２永久磁石配置部３１のうち外側突出部３１２の存在しない部分）の内側端面と回転子本体２の外側端面との間に隙間（空間）Ｇ２が形成される。この隙間（空間）Ｇ１，Ｇ２が、回転子本体２とヨーク３との間で磁気ギャップとして機能する。

段差部３２は、ヨーク３の内側端面のうち外縁部について、周方向に隣り合う第２永久磁石配置部３１，３１間に形成されており、ヨーク３における径内部分よりも軸方向寸法（厚さ寸法）が小さく形成されている。このため、回転子本体２にヨーク３を固定した状態で、図５に示すように、段差部３２の内側端面と回転子本体２の外側端面との間に隙間（空間）Ｇ３が形成される。この隙間（空間）Ｇ３もまた、回転子本体２とヨーク３との間で磁気ギャップとして機能する。前記隙間（空間）Ｇ１〜Ｇ３は、「アキシャルギャップ」とも呼ばれる。

ヨーク３が回転子本体２に固定された際、第２永久磁石４（図４に破線で示す）は、第１永久磁石配置部２１及び第１永久磁石２２に対して一部が重なるように位置する。図示のように第２永久磁石４の一方及び他方の磁極面が、回転子本体２における、第１永久磁石配置部２１の径方向外縁２１２よりも径外である扇形の領域２３（この領域２３の軸方向における内側部分に、第１永久磁石２２及び第２永久磁石４の磁束が通る）に重なる位置にあるため、第２永久磁石４が発する磁束を第１永久磁石２２から発する磁束と重畳させて固定子１に向かわせることができる。よって、第１永久磁石２２に磁力の弱い永久磁石を用いた場合であっても、第２永久磁石４の磁束が第１永久磁石２２自体の磁束と重畳することにより磁束の強化がなされるため、電動機を駆動させるためのトルク（マグネットトルク）を保つことができる。

ここで前述のように、第２永久磁石配置部３１の形成された位置にて、回転子本体２とヨーク３との対向面間には空間Ｇ１，Ｇ２が存在する。この空間Ｇ１，Ｇ２は回転子本体２とヨーク３との間での磁気ギャップとなる。このように磁気ギャップが存在するため、前記対向面間には磁気抵抗が生じる。このため、図６に概略を示すように、第１永久磁石２２から固定子１に向かう好ましい（電動機の出力に寄与できる磁束である）磁束Ｆ１に対し、前記扇形の領域２３から固定子１に向かわずにヨーク３に向かってしまう（電動機の出力に寄与しない磁束である）漏れ磁束Ｆ２は発生しにくい（図示はしていないが、この漏れ磁束Ｆ２はヨーク３を経由して回転子本体２に戻るため、回転子本体２とヨーク３との間で循環する）。このことから磁束の漏れを抑制できる。そして特に、段差部３２による空間Ｇ３は、漏れ磁束が例えば前記扇形の領域２３に対向する部分からヨーク３内を周方向に回り込むようにして流れてしまうことを抑制できる。このような磁束漏れの抑制は、前述のように、第１永久磁石２２の磁束が固定子１に向かわずに回転子本体２とヨーク３との間で循環することに関するほか、第２永久磁石４の磁束が回転子本体２とヨーク３との間で循環することに関しても作用する。このため、漏れが抑制された分、第２永久磁石４の磁束と第１永久磁石２２の磁束とを有効に固定子１に向かわせることができる。よって、抑制できた漏れ磁束の分、電動機を駆動させるためのトルク（マグネットトルク）の低下を抑制できる。そして、磁束漏れの抑制に伴い、リラクタンストルクの低下も抑制できる。

以上、本発明につき一実施形態を取り上げて説明してきたが、本発明は、前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で種々の変更が可能である。

例えば、前記実施形態では径方向内側に回転子が位置し、径方向外側に固定子が位置するよう構成されていたが、逆に、径方向内側に固定子が位置し、径方向外側に回転子が位置するよう構成されることもできる。

また、ヨーク３を、回転子のうち軸方向一端側にのみ位置させることもできる。また、回転子本体２、ヨーク３は積層鋼板製のものに限定されず、少なくとも一つを、例えば金属粉を圧縮成形してなるもの、または金属のムク材からなるものとすることもできる。更に、回転子本体２、ヨーク３につき、部分的に非磁性体を用いることもできる。また、第２永久磁石４は、前記実施形態の略長方形に限定されず、種々の形状とできる。

また、前記実施形態のヨーク３では、複数の外側突出部３１２…３１２が周方向（回転子の回転方向）に離間して位置しているが、これに限定されず、外側突出部３１２が第２永久磁石配置部３１の周方向全範囲に位置するものとできる。更に、ヨーク３の全外周に連続して位置するものともできる。また、前記実施形態では、第２永久磁石配置部３１がヨーク３の一部とされていたが、これに限定されず、第２永久磁石配置部３１をヨーク３とは別体に形成することもできる。

また、図２、図４に示すように、１組の第１永久磁石２２，２２に対応し、前記実施形態では１個の第２永久磁石４が設けられているがこれに限定されず、複数の永久磁石を集合させて第２永久磁石４が構成されることもできる。このように複数の磁石を集合させた方が、第１永久磁石配置部２１の径方向外側に隣接する扇形の領域２３に、軸方向視で一致するように第２永久磁石４を形成できるため、第２永久磁石４に磁束の強化に関する無駄な部分が発生せず有利である。

１ 固定子
１２ コイル
２ 回転子本体
２１ 第１永久磁石配置部
２１１ 第１永久磁石配置部における径方向内縁
２１２ 第１永久磁石配置部における径方向外縁
２２ 第１永久磁石
３ ヨーク
３１ 第２永久磁石配置部
３１２ 外側突出部
３２ 段差部
４ 第２永久磁石
Ｇ１ 空間、回転子本体とヨークの第２永久磁石配置部との間の空間
Ｇ２ 空間、回転子本体とヨークの外側突出部との間の空間
Ｇ３ 空間、回転子本体とヨークの段差部との間の空間
Ｐ 電動機の極

Claims (3)

1. コイルを有する固定子と、
   前記固定子に沿って回転可能であり、複数の極を有する回転子本体であって、一方の磁極が前記固定子を向くように配置された第１永久磁石、及び、当該第１永久磁石を配置できるように軸方向に延びる第１永久磁石配置部を前記各極に対応して有する回転子本体と、
   前記回転子本体の少なくとも軸方向の一端側に面して固定され、少なくとも一部が磁性体からなるヨークであって、一方の磁極の方向が軸方向を向くように配置された第２永久磁石を配置できる第２永久磁石配置部を前記各極に対応して有するヨークと、を備え、
   前記第１永久磁石配置部における径方向外縁の軸方向延長位置よりも前記各極に対応した径外位置における、前記回転子本体と前記ヨークとの軸方向に対向する端面同士の間には空間が存在する永久磁石埋込型電動機。
2. 前記第２永久磁石配置部は、前記第２永久磁石を配置する位置よりも径方向外側で前記回転子本体側へ突出する外側突出部を備え、前記回転子本体と前記外側突出部との軸方向に対向する端面同士の間には空間が存在する請求項１に記載の永久磁石埋込型電動機。
3. 前記ヨークの外縁部のうちで隣り合う前記第２永久磁石配置部間につき、前記回転子本体と前記ヨークとの軸方向に対向する端面同士の間に空間が存在する請求項１または２に記載の永久磁石埋込型電動機。

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