JP6713026B2

JP6713026B2 - ロータ

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Publication number: JP6713026B2
Application number: JP2018188091A
Authority: JP
Inventors: 和郎貴志
Original assignee: DMG Mori Co Ltd
Current assignee: DMG Mori Co Ltd
Priority date: 2018-10-03
Filing date: 2018-10-03
Publication date: 2020-06-24
Anticipated expiration: 2038-10-03
Also published as: JP2020058160A; WO2020070965A1

Description

この発明は、ロータに関する。

従来のロータに関して、たとえば、特開２０１０−１２４６０８号公報（特許文献１）には、回転子鉄心と、回転子鉄心に埋め込まれた可変磁力磁石および固定磁力磁石とを備える回転子が開示されている。可変磁力磁石は、固定子巻線の電流で作る磁界によって、不可逆的に磁束密度が変化する程度の低保磁力を有する。可変磁力磁石および固定磁力磁石は、各磁石の磁化方向に重ね合わされて１つの磁石を構成している。

特開２０１０−１２４６０８号公報

上述の特許文献１に開示されるように、低速高トルクから高速低トルクまでの可変速運転に対応するため、磁束密度が不可逆的に変化する可変磁力磁石を利用したロータが知られている。しかしながら、要求されるモータ特性は、多岐に渡るため、可変磁力磁石の磁束密度を変化させるのみでは、そのような様々なモータ特性に十分に対応できない可能性がある。

そこでこの発明の目的は、上記の課題を解決することであり、要求される種々のモータ特性に十分に対応することが可能なロータを提供することである。

この発明の１つの局面に従ったロータは、ロータコアと、ロータコアに設けられる永久磁石とを備える。永久磁石は、固定磁力磁石と、固定磁力磁石の保磁力よりも小さい保磁力を有し、固定磁力磁石に対して、ロータコアの半径方向から積層される可変磁力磁石とを含む。ロータコアの半径方向における固定磁力磁石の厚みと、ロータコアの半径方向における可変磁力磁石の厚みとの比が、ロータコアの周方向において変化する。可変磁力磁石は、固定磁力磁石に対して、ロータコアの半径方向外側から積層される。固定磁力磁石は、ロータコアの半径方向外側に向けて凸形状をなす凸面を有する。可変磁力磁石は、凸面と接合される凹面を有する。
この発明の別の局面に従ったロータは、ロータコアと、ロータコアに設けられる永久磁石とを備える。永久磁石は、固定磁力磁石と、固定磁力磁石の保磁力よりも小さい保磁力を有し、固定磁力磁石に対して、ロータコアの半径方向から積層される可変磁力磁石とを含む。ロータコアの半径方向における固定磁力磁石の厚みと、ロータコアの半径方向における可変磁力磁石の厚みとの比が、ロータコアの周方向において変化する。

このように構成されたロータによれば、ステータ巻線に減磁用パルス電流を流して、可変磁力磁石で発生する磁束を、減磁により変化させることができる。加えて、固定磁力磁石の厚みと可変磁力磁石の厚みとの比が、周方向において変化する。これにより、固定磁力磁石で発生する磁束と、可変磁力磁石で発生する磁束とからなる永久磁石の総磁束の周方向におけるプロファイルを、要求されるモータ特性に合わせて広範囲に調整することができる。結果、要求される種々のモータ特性に十分に対応することが可能なロータを実現することができる。

また好ましくは、可変磁力磁石は、固定磁力磁石に対して、ロータコアの半径方向外側から積層される。

このように構成されたロータによれば、高保磁力の固定磁力磁石を磁束の入り口側に配置することによって、モータ特性を向上させることができる。

また好ましくは、固定磁力磁石は、ロータコアの半径方向外側に向けて凸形状をなす凸面を有する。可変磁力磁石は、凸面と接合される凹面を有する。

このように構成されたロータによれば、低速高トルクの運転時、固定磁力磁石で発生する磁束と、可変磁力磁石で発生する磁束とによって、モータの出力を向上させることができる。また、高速低トルクの運転時、可変磁力磁石で発生する磁束を減磁させることができる。これにより、ロータコアの周方向において、固定磁力磁石の凸面がなす凸形状に対応したプロファイルを有する磁束が優勢となるため、モータを円滑に回転させることができる。

また好ましくは、ロータコアの半径方向における固定磁力磁石の厚みと、ロータコアの半径方向における可変磁力磁石の厚みとの和は、ロータコアの周方向の位置にかかわらず一定である。

このように構成されたロータによれば、モータの出力を最大化させることができる。
また好ましくは、ロータコアは、外周面を含む。永久磁石は、外周面に接合される。

このように構成されたロータによれば、ＳＰＭ（Surface Permanent Magnet Motor）は、永久磁石による磁束プロファイルがモータ特性に与える影響が大きいという特徴を有するため、本発明をより好適に適用することができる。

以上に説明したように、本発明に従えば、要求される種々のモータ特性に十分に対応することが可能なロータを提供することができる。

この発明の実施の形態１におけるロータを示す斜視図である。図１中の２点鎖線ＩＩで囲まれた範囲を拡大して示す端面図である。ロータコタおよびステータコアの間で周方向に並ぶ複数の永久磁石を、直線方向に並ぶように展開した模式図である。図２中の永久磁石と、通常モードおよび減磁モードにおける磁力のプロファイルとを示す図である。永久磁石（固定磁力磁石，可変磁力磁石）の形状の第１変形例を示す端面図である。図５中の永久磁石と、通常モードおよび減磁モードにおける磁力のプロファイルとを示す図である。永久磁石（固定磁力磁石，可変磁力磁石）の形状の第２変形例を示す端面図である。図７中の永久磁石と、通常モードおよび減磁モードにおける磁力のプロファイルとを示す図である。

この発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、以下で参照する図面では、同一またはそれに相当する部材には、同じ番号が付されている。

（実施の形態１）
図１は、この発明の実施の形態１におけるロータを示す斜視図である。図１を参照して、本実施の形態におけるロータ１０は、ロータ１０の外周上に隙間（ギャップ）を設けて配置されるステータ（不図示）と対をなしてモータを構成する。ロータ１０は、工作機械用のモータに用いられる。一例として、ロータ１０は、マシニングセンタの主軸を回転駆動させるモータに用いられる。

ロータ１０は、図中に示す仮想上の中心軸１０１を中心に回転可能なように支持されている。ロータ１０は、モータの稼働時、中心軸１０１を回転中心軸として矢印１０６に示す方向に回転する。ロータ１０の最高回転数は、たとえば、１００００ｒｐｍ以上である。

図２は、図１中の２点鎖線ＩＩで囲まれた範囲を拡大して示す端面図である。図２中には、ロータ１０と対をなしてモータを構成するステータ６０の一部が示されている。図３は、ロータコアおよびステータコアの間で周方向に並ぶ複数の永久磁石を、直線方向に並ぶように展開した模式図である。

図１から図３を参照して、ロータ１０は、ロータコア２１と、複数の永久磁石３１とを有する。ロータコア２１は、円筒形状を有する。ロータコア２１は、中心軸１０１を中心にその軸方向に円筒状に延びる形状を有する。ロータコア２１は、磁性材料から形成されている。

ロータコア２１は、外周面２２を有する。外周面２２は、ロータコア２１の半径方向外側を向いて設けられている。ステータ６０は、ステータコア６１を有する。外周面２２は、ロータコア２１の半径方向において、ステータコア６１の内周面６２と向かい合って設けられている。

複数の永久磁石３１は、ロータコア２１に設けられている。複数の永久磁石３１は、ロータコア２１の外周上に設けられている。複数の永久磁石３１は、ロータコア２１の周方向において互いに間隔を設けて配置されている。複数の永久磁石３１は、ロータコア２１の周方向において等間隔に設けられている。複数の永久磁石３１は、接着剤により、ロータコア２１の外周面２２に接合されている。

ロータ１０は、複数の永久磁石３１がロータコア２１の外周面２２に接合される表面磁石型モータ（ＳＰＭ：Surface Permanent Magnet Motor）である。

永久磁石３１は、外周面３２と、内周面３３とを有する。外周面３２および内周面３３は、ロータコア２１の半径方向において、互いに表裏に配置されている。外周面３２は、ロータコア２１の半径方向外側を向いて設けられている。外周面３２は、隙間６６を設けて、ステータコア６１の内周面６２と対向している。内周面３３は、ロータコア２１の半径方向内側を向いて設けられている。内周面３３は、ロータコア２１の外周面２２に接合されている。

外周面３２および内周面３３は、ロータコア２１の周方向において円弧状に延びる湾曲面から構成されている。外周面３２および内周面３３は、ロータコア２１の半径方向から見た場合に矩形形状を有する。永久磁石３１は、ロータコア２１の半径方向が厚み方向となる薄板形状を有する。

永久磁石３１は、固定磁力磁石４１と、可変磁力磁石５１とを有する。可変磁力磁石５１は、固定磁力磁石４１の保磁力よりも小さい保磁力を有する。可変磁力磁石５１は、外部で可変磁力磁石５１の磁束とは逆向きの磁束を発生させることによって（弱め磁束制御）、不可逆的に磁束密度が変化する。

固定磁力磁石４１は、たとえば、ＮｄＦｅＢ磁石（保磁力：１０００ｋＡ／ｍ）から構成されている。可変磁力磁石５１は、たとえば、フェライト磁石（保磁力：２００ｋＡ／ｍ）から構成されている。

可変磁力磁石５１は、固定磁力磁石４１に対して、ロータコア２１の半径方向から積層されている。可変磁力磁石５１は、固定磁力磁石４１に対して、可変磁力磁石５１および固定磁力磁石４１の磁化方向が互いに揃うように積層されている。可変磁力磁石５１は、固定磁力磁石４１に対して、可変磁力磁石５１および固定磁力磁石４１の磁化方向がロータコア２１の半径方向となるように積層されている。

可変磁力磁石５１は、固定磁力磁石４１に対して、ロータコア２１の半径方向外側から積層されている。

固定磁力磁石４１は、外周面４１ａと、内周面４１ｂとを有する。外周面４１ａおよび内周面４１ｂは、ロータコア２１の半径方向において、互いに表裏に配置されている。外周面４１ａは、ロータコア２１の半径方向外側を向いて設けられている。内周面４１ｂは、ロータコア２１の半径方向内側を向いて設けられている。内周面４１ｂは、永久磁石３１の内周面３３に対応している。固定磁力磁石４１は、ロータコア２１の半径方向が厚み方向となる薄板形状を有する。

可変磁力磁石５１は、外周面５１ａと、内周面５１ｂとを有する。外周面５１ａおよび内周面５１ｂは、ロータコア２１の半径方向において、互いに表裏に配置されている。外周面５１ａは、ロータコア２１の半径方向外側を向いて設けられている。外周面５１ａは、永久磁石３１の外周面３２に対応している。内周面５１ｂは、ロータコア２１の半径方向内側を向いて設けられている。内周面５１ｂは、固定磁力磁石４１の外周面４１ａと接合されている。可変磁力磁石５１は、ロータコア２１の半径方向が厚み方向となる薄板形状を有する。

ロータコア２１の半径方向における固定磁力磁石４１の厚みｔｐと、ロータコア２１の半径方向における可変磁力磁石５１の厚みｔｑとの比が、ロータコア２１の周方向において変化する。

固定磁力磁石４１の厚みｔｐは、ロータコア２１の周方向における固定磁力磁石４１の両端から中心に向かうほど大きくなる。固定磁力磁石４１の厚みｔｐは、ロータコア２１の周方向における固定磁力磁石４１の両端で最小となり、ロータコア２１の周方向における固定磁力磁石４１の中心で最大となる。固定磁力磁石４１は、ロータコア２１の軸方向から見た場合に、ロータコア２１の周方向における中心に対してその両側で対称となる形状を有する。

固定磁力磁石４１の内周面４１ｂは、ロータコア２１の外周面２２に対応する湾曲面から構成されている。固定磁力磁石４１の外周面４１ａは、ロータコア２１の半径方向外側に向けて凸形状をなす凸面から構成されている。外周面４１ａは、ロータコア２１の外周面２２の曲率よりも大きい曲率を有する湾曲面から構成されている。

可変磁力磁石５１の厚みｔｑは、ロータコア２１の周方向における可変磁力磁石５１の両端から中心に向かうほど小さくなる。可変磁力磁石５１の厚みｔｑは、ロータコア２１の周方向における可変磁力磁石５１の両端で最大となり、ロータコア２１の周方向における可変磁力磁石５１の中心で最小となる。可変磁力磁石５１は、ロータコア２１の軸方向から見た場合に、ロータコア２１の周方向における中心に対してその両側で対称となる形状を有する。

可変磁力磁石５１の内周面５１ｂは、固定磁力磁石４１の外周面４１ａがなす凸面と接合される凹面から構成されている。可変磁力磁石５１の外周面５１ａは、内周面５１ｂよりも小さい曲率を有する湾曲面から構成されている。

ロータコア２１の半径方向における永久磁石３１の厚みＴは、ロータコア２１の半径方向における固定磁力磁石４１の厚みｔｐと、ロータコア２１の半径方向における可変磁力磁石５１の厚みｔｑとの和である（Ｔ＝ｔｐ＋ｔｑ）。永久磁石３１の厚みＴは、ロータコア２１の周方向の位置にかかわらず一定である。ロータコア２１の半径方向における隙間６６の大きさは、ロータコア２１の周方向の位置にかかわらず一定である。永久磁石３１は、ロータコア２１の周方向における中心に対してその両側で対称となる形状を有する。

このような構成において、固定磁力磁石４１の厚みｔｐと、可変磁力磁石５１の厚みｔｑとの比ｔｑ／ｔｐは、ロータコア２１の周方向における永久磁石３１の両端から中心に向かうほど小さくなる。固定磁力磁石４１の厚みｔｐと、可変磁力磁石５１の厚みｔｑとの比ｔｑ／ｔｐは、ロータコア２１の周方向における永久磁石３１の両端において、最大となり、ロータコア２１の周方向における永久磁石３１の中心において、最小となる。固定磁力磁石４１の厚みｔｐと、可変磁力磁石５１の厚みｔｑとの比ｔｑ／ｔｐは、ロータコア２１の周方向において、連続的に変化する。

なお、本発明において、固定磁力磁石および可変磁力磁石は、固定磁力磁石の厚みと、可変磁力磁石の厚みとの比が、ロータコアの周方向において一定になる区間を部分的に含むように構成されてもよい。また、固定磁力磁石および可変磁力磁石を含む永久磁石は、ロータコアの周方向における中心を挟んで非対称となる形状を有してもよい。

図４は、図２中の永久磁石と、通常モードおよび減磁モードにおける磁力のプロファイルとを示す図である。図４中では、横軸方向が、ロータコア２１の周方向に対応している。図４中の磁力のプロファイルを示すグラフにおいて、縦軸が、磁力の大きさを示している。

可変磁力磁石５１が減磁されていない通常モード時のグラフでは、固定磁力磁石４１の磁力のプロファイルが、２点鎖線１２１により示され、可変磁力磁石５１の磁力のプロファイルが、点線１２２により示され、永久磁石３１の総磁力のプロファイルが、実線１２３により示されている。可変磁力磁石５１が減磁される減磁モード時のグラフでは、固定磁力磁石４１の磁力のプロファイルが、２点鎖線１２６により示され、可変磁力磁石５１の磁力のプロファイルが、点線１２７により示され、永久磁石３１の総磁力のプロファイルが、実線１２８により示されている。

本実施の形態では、可変磁力磁石５１で発生する磁束を、減磁により変化させることができる。加えて、固定磁力磁石４１の厚みｔｐと、可変磁力磁石の厚みｔｑとの比が、ロータコア２１の周方向において変化する。これにより、固定磁力磁石４１で発生する磁束と、可変磁力磁石５１で発生する磁束とからなる永久磁石３１の総磁束の、ロータコア２１の周方向におけるプロファイルを、要求されるモータ特性に合わせて広範囲に調整することができる。

より具体的には、固定磁力磁石４１の外周面４１ａが、ロータコア２１の半径方向外側に向けて凸形状をなす凸面から構成され、可変磁力磁石５１の内周面５１ｂが、外周面４１ａと接合される凹面から構成されている。

このような構成により、モータの低速高トルクでの運転時、固定磁力磁石４１で発生する磁束と、可変磁力磁石５１で発生する磁束とによって、モータの出力を向上させることができる。一方、モータの高速低トルクの運転時には、可変磁力磁石５１で発生する磁束を減磁させる。これにより、ロータコア２１の周方向において、固定磁力磁石４１の外周面４１ａがなす凸形状に対応したプロファイルを有する磁束が優勢となるため、モータを円滑に回転させることができる。

また、可変磁力磁石５１が、固定磁力磁石４１に対して、ロータコア２１の半径方向外側から積層されている。図２中の矢印１１１で示されるように、モータの運転時、磁束は、ロータコア２１の半径方向内側から半径方向外側に向けて永久磁石３１を流れる。高保磁力の固定磁力磁石４１を磁束の入り口側に配置することによって、モータ特性を向上させることができる。

また、固定磁力磁石４１の厚みｔｐと、可変磁力磁石５１の厚みｔｑとの和（永久磁石３１の厚みＴ）は、ロータコア２１の周方向の位置にかかわらず一定である。このような構成により、永久磁石３１およびステータコア６１間の隙間６６の大きさが、ロータコア２１の周方向の位置にかかわらず一定になるため、モータの出力を最大化させることができる。

以上に説明した、この発明の実施の形態１におけるロータ１０の構造についてまとめると、本実施の形態におけるロータ１０は、ロータコア２１と、ロータコア２１に設けられる永久磁石３１とを備える。永久磁石３１は、固定磁力磁石４１と、固定磁力磁石４１の保磁力よりも小さい保磁力を有し、固定磁力磁石４１に対して、ロータコア２１の半径方向から積層される可変磁力磁石５１とを含む。ロータコア２１の半径方向における固定磁力磁石４１の厚みｔｐと、ロータコア２１の半径方向における可変磁力磁石５１の厚みｔｑとの比が、ロータコア２１の周方向において変化する。

このように構成された、この発明の実施の形態１におけるロータ１０によれば、要求される種々のモータ特性に十分に対応することが可能なロータを実現することができる。

なお、本実施の形態では、本発明を表面磁石型モータに適用した場合を説明したが、埋め込み磁石型モータ（ＩＰＭ：interior permanent magnet Motor）に適用することも可能である。

（実施の形態２）
本実施の形態では、永久磁石３１（固定磁力磁石４１，可変磁力磁石５１）の形状の各種変形例について説明する。

図５は、永久磁石（固定磁力磁石，可変磁力磁石）の形状の第１変形例を示す端面図である。図６は、図５中の永久磁石と、通常モードおよび減磁モードにおける磁力のプロファイルとを示す図である。図５および図６は、それぞれ、実施の形態１における図２および図４に対応している。

図５および図６を参照して、本変形例では、固定磁力磁石４１が、実施の形態１における固定磁力磁石４１と同一の形状を有する一方、可変磁力磁石５１は、実施の形態１における可変磁力磁石５１と異なる形状を有する。

ロータコア２１の半径方向における可変磁力磁石５１の厚みｔｑは、ロータコア２１の周方向の位置にかかわらず一定である。可変磁力磁石５１の外周面５１ａは、ロータコア２１の半径方向外側に向けて凸形状をなす凸面から構成されている。外周面５１ａは、ロータコア２１の外周面２２の曲率よりも大きい曲率を有する湾曲面から構成されている。

永久磁石３１の厚みＴは、ロータコア２１の周方向における永久磁石３１の両端から中心に向かうほど大きくなる。永久磁石３１の厚みＴは、ロータコア２１の周方向における永久磁石３１の両端で最小となり、ロータコア２１の周方向における永久磁石３１の中心で最大となる。

このような構成において、固定磁力磁石４１の厚みｔｐと、可変磁力磁石５１の厚みｔｑとの比ｔｑ／ｔｐは、ロータコア２１の周方向における永久磁石３１の両端から中心に向かうほど小さくなる。固定磁力磁石４１の厚みｔｐと、可変磁力磁石５１の厚みｔｑとの比ｔｑ／ｔｐは、ロータコア２１の周方向における永久磁石３１の両端において、最大となり、ロータコア２１の周方向における永久磁石３１の中心において、最小となる。

図７は、永久磁石（固定磁力磁石，可変磁力磁石）の形状の第２変形例を示す端面図である。図８は、図７中の永久磁石と、通常モードおよび減磁モードにおける磁力のプロファイルとを示す図である。図７および図８は、それぞれ、実施の形態１における図２および図４に対応している。

図７および図８を参照して、本変形例では、固定磁力磁石４１および可変磁力磁石５１の双方が、実施の形態１における固定磁力磁石４１および可変磁力磁石５１と異なる形状を有する。

ロータコア２１の半径方向における固定磁力磁石４１の厚みｔｐは、ロータコア２１の周方向の位置にかかわらず一定である。

ロータコア２１の半径方向における可変磁力磁石５１の厚みｔｑは、ロータコア２１の周方向における可変磁力磁石５１の両端から中心に向かうほど大きくなる。可変磁力磁石５１の厚みｔｑは、ロータコア２１の周方向における可変磁力磁石５１の両端で最小となり、ロータコア２１の周方向における可変磁力磁石５１の中心で最大となる。

可変磁力磁石５１の外周面５１ａは、ロータコア２１の半径方向外側に向けて凸形状をなす凸面から構成されている。外周面５１ａは、ロータコア２１の外周面２２の曲率よりも大きい曲率を有する湾曲面から構成されている。

このような構成において、固定磁力磁石４１の厚みｔｐと、可変磁力磁石５１の厚みｔｑとの比ｔｑ／ｔｐは、ロータコア２１の周方向における永久磁石３１の両端から中心に向かうほど大きくなる。固定磁力磁石４１の厚みｔｐと、可変磁力磁石５１の厚みｔｑとの比ｔｑ／ｔｐは、ロータコア２１の周方向における永久磁石３１の両端において、最小となり、ロータコア２１の周方向における永久磁石３１の中心において、最大となる。

このように構成された、この発明の実施の形態２におけるロータにおいても、要求される種々のモータ特性に十分に対応することが可能なロータを実現することができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

この発明は、たとえば、工作機械用のモータに適用される。

１０ロータ、２１ロータコア、２２，３２，４１ａ，５１ａ外周面、３１永久磁石、３３，４１ｂ，５１ｂ，６２内周面、４１固定磁力磁石、５１可変磁力磁石、６０ステータ、６１ステータコア、６６隙間、１０１中心軸。

Claims

ロータコアと、
前記ロータコアに設けられる永久磁石とを備え、
前記永久磁石は、
固定磁力磁石と、
前記固定磁力磁石の保磁力よりも小さい保磁力を有し、前記固定磁力磁石に対して、前記ロータコアの半径方向から積層される可変磁力磁石とを含み、
前記ロータコアの半径方向における前記固定磁力磁石の厚みと、前記ロータコアの半径方向における前記可変磁力磁石の厚みとの比が、前記ロータコアの周方向において変化し、
前記可変磁力磁石は、前記固定磁力磁石に対して、前記ロータコアの半径方向外側から積層され、
前記固定磁力磁石は、前記ロータコアの半径方向外側に向けて凸形状をなす凸面を有し、
前記可変磁力磁石は、前記凸面と接合される凹面を有する、ロータ。
前記ロータコアの半径方向における前記固定磁力磁石の厚みと、前記ロータコアの半径方向における前記可変磁力磁石の厚みとの和は、前記ロータコアの周方向の位置にかかわらず一定である、請求項１に記載のロータ。
前記ロータコアは、外周面を含み、
前記永久磁石は、前記外周面に接合される、請求項１または２に記載のロータ。