JP6886803B2 - 磁石埋め込み型モータ用ロータ及び磁石埋め込み型モータ - Google Patents
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Description
また、磁石埋め込み型モータは、マグネットトルク(固定子と永久磁石間に発生する吸引力又は反発力)に加えて、固定子の回転磁界によって発生するリラクタンストルクを利用できるという利点がある。永久磁石の取付孔にはリラクタンストルクを増大させるために空隙を形成する場合があるが、この空隙の形成によって遠心力に対する耐久性が弱まるおそれがある。
特許文献2には、ロータコアを形成する複数の積層されたロータコア板の間に介装された中間板と、ロータコアの軸方向両端に設けられた固定板とで、永久磁石の飛散を防止する手段が開示されている。
特許文献2に開示された磁石埋め込み型モータは、永久磁石を取り付ける取付孔の輪郭線が矩形を有するため、高速回転では不連続な輪郭を形成する部位で応力集中が起こり、変形や破損が発生するおそれがある。
複数のロータコア板をロータ軸方向に沿って積層したロータコアに永久磁石を埋設した磁石埋め込み型モータ用ロータであって、
前記複数のロータコア板の間に介装される補強板と、
前記複数のロータコア板に形成された第1磁石取付孔及び前記補強板に形成された第2磁石取付孔によって前記ロータ軸方向に形成された磁石取付空間に収容された前記永久磁石と、
を備え、
前記第1磁石取付孔及び前記第2磁石取付孔の両端部は連続的な湾曲線で構成された輪郭線を有し、
前記永久磁石の両端と前記第1磁石取付孔の前記輪郭線との間に第1空隙が形成されると共に、前記永久磁石の両端と前記第2磁石取付孔の前記輪郭線との間に第2空隙が形成される。
また、第1磁石取付孔及び第2磁石取付孔の両端部の輪郭線は、連続的な湾曲線を有し、不連続線を有しないため、第1磁石取付孔及び第2磁石取付孔の周囲で、ロータコア板及び補強板は応力集中を抑制でき、これによって、ロータコアの変形や永久磁石の飛散を抑制できる。
なお、補強板は、薄く、硬い鋼板や非金属であれば繊維強化プラスチック(FRP)のような高強度材料を含むことが望ましい。また、補強板は渦電流を流しにくい材質、例えば、電気抵抗が大きいFRP、金属ではステンレス鋼、チタン等であることが望ましい。渦電流の発生を抑制することで発熱を抑制できる。
前記第2空隙の断面積は前記第1空隙の断面積より小さく形成される。
ロータコア板の両端部に形成される第1空隙はリラクタンストルクを発生させるためであり、断面積を比較的大きく形成することで、リラクタンストルクを増加できる。他方、補強板の両端部に形成される第2空隙は、第2磁石取付孔の両端部の輪郭線を連続的な湾曲線とするために形成され、必要以上に断面積を大きくすると、補強板の強度が低下し、永久磁石の飛散防止目的を達成できない。そのため、第2空隙の断面積は第1空隙の断面積より小さく形成される。
こうして、第1空隙及び第2空隙は夫々の目的にかなった独自設計が可能になる。
複数の前記磁石取付空間が前記ロータコアの外周部で前記ロータコアの周方向に形成され、複数の前記永久磁石が前記複数の磁石取付空間の各々に取り付けられる
上記(3)の構成によれば、ロータコアの外周部にロータコアの周方向に複数の永久磁石が配置されるので、マグネットトルク及びリラクタンストルクを共に増大できる。また、永久磁石を複数に分割することで、渦電流の発生を抑制でき、渦電流による発熱を抑制できる。
前記磁石取付空間において、複数の前記永久磁石が前記ロータ軸方向に沿って分割し直列に配置される。
上記(4)の構成によれば、複数の永久磁石をロータ軸方向に沿って分割し直列に配置するので、渦電流の発生を抑制でき、渦電流による発熱を抑制できる。
複数の前記補強板が前記ロータ軸方向の異なる位置において複数のロータコア板の間に介装される。
上記(5)の構成によれば、複数の補強板をロータ軸方向に分散配置することで、遠心力に対する耐久性をロータコア全体に均一に付与できると共に、補強板の数を調整することで、ロータコアに必要にして十分な耐久性を付与できる。
1個の前記永久磁石ごとに、前記ロータ軸方向に2枚以上の前記補強板が配置される。
上記(6)の構成によれば、各ロータコア板に付加される遠心力をロータコア板の降伏点未満に抑えることができる。
前記第1空隙が半楕円形を有する。
上記(7)の構成によれば、第1空隙を半楕円形とすることで、第1空隙を形成するロータコア板で応力集中が発生するのを回避でき、かつロータコア板に発生するリラクタンストルクを増加できる。
前記第2空隙の断面が半円形又は半楕円形を有する。
上記(8)の構成によれば、第2空隙の断面を半円形又は半楕円形とすることで、第1空隙を形成する補強板で応力集中が発生するのを回避でき、かつロータコア板に加わる遠心力を降伏点未満に抑えることができる。
(1)〜(8)の何れかの構成を有する前記磁石埋め込み型モータ用ロータを備える。
上記(9)の構成によれば、積層された複数のロータコア板間に上記補強板を介装するため、ロータコアの遠心力に対する耐久性を向上でき、これによって、ロータコアの変形や永久磁石の飛散を防止できる。
また、第1磁石取付孔及び第2磁石取付孔の両端部の輪郭線は、連続的な湾曲線を有し、不連続線を有しないため、ロータコア板及び補強板に応力集中が発生するのを抑制できる。
前記磁石埋め込み型モータ用ロータの回転数が10,000rpm以上である。
上記(10)の構成によれば、上記(9)の構成を有する磁石埋め込み型モータのロータ回転数が10,000rpm以上の高速回転となっても、ロータに発生する遠心力に対する耐久性を向上させ、かつロータコア及び補強板に応力集中が発生するのを抑制し、これによって、ロータコアの破損や永久磁石の飛散を防止できる。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一つの構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。
各ロータコア板12aには第1磁石取付孔14が形成され、補強板18には第2磁石取付孔20が形成される。第1磁石取付孔14及び第2磁石取付孔20はこれらの輪郭線がロータ軸方向(図2の矢印a方向)に重なるように、ロータ軸方向(図1中の矢印a方向)と直交する面上で同じ位置に形成され、ロータ軸方向に磁石取付空間が形成される。
また、第1磁石取付孔14及び第2磁石取付孔20の両端部の輪郭線、即ち、第1空隙s1及び第2空隙s2を形成する輪郭線は、連続的な湾曲線を有し、不連続線を有しない。従って、第1磁石取付孔14及び第2磁石取付孔20の周囲で、ロータコア板12a及び補強板18は応力集中を抑制でき、ロータコア12の変形や永久磁石16の飛散を抑制できる。
一実施形態では、補強板18は、例えば、非磁性体であるチタン、ステンレス鋼、等で構成される。
一実施形態では、ロータコア12は回転軸24の外周側に回転軸24と一体に固定される。
一実施形態では、磁石埋め込み型モータ1は、図1及び図2に示すように、回転軸24と、ロータコア12と、ロータコア12の外周側に配置されるステータコア26と、ステータコア26にロータ軸方向に沿って形成された多数の溝に埋設されたコイル28と、を備える。ステータコア26は多数の磁性体の薄板が積層されて構成される。
ロータコア板12aの両端部に形成される第1空隙s1はリラクタンストルクを発生させるためであり、断面積を比較的大きく形成することでリラクタンストルクを増加できる。他方、補強板18の両端部に形成される第2空隙s2は、第2磁石取付孔20の両端部の輪郭線を連続的な湾曲線とするために形成され、必要以上に大きく形成すると、補強板18の強度が低下し、永久磁石16の飛散防止目的を達成できない。そのため、第2空隙s2の断面積は第1空隙s1の断面積より小さく形成される。
また、第2空隙s2の断面積は第1空隙s1の断面積より小さく形成することで、第1空隙と第2空隙とを夫々の目的にかなった独自設計が可能になる。
ロータコア12とステータコア26とに跨って形成される磁力線Lmによって表される磁束によってマグネットトルクが発生し、永久磁石16間に跨って形成される磁力線Lmによって表される磁束によってリラクタンストルクが発生する。
ロータコア12の外周部にロータコア12の周方向に沿って複数の永久磁石16が配置されるので、マグネットトルク及びリラクタンストルクを共に増大できる。
図8に示すIPMモータ100において、磁石取付孔106の両端部に形成された磁石取付空間S0は広い断面積の疑似円形を有する。この磁石取付空間S0を有する場合、電磁解析上リラクタンストルクを最大限に引き出せ、永久磁石単独での磁力線短絡も抑えられる。ロータコア102とステータコア104との間のエアギャップを通してステータコア104と交差する磁力線の歪みがトルクを生み出す。
従って、好ましくは、第1空隙s1を半円形よりリラクタンストルクを増加できる半楕円形とする。半楕円形とすることで、橋部108を太くでき、橋部108の引張強度を増加できる。また、半楕円形とし、永久磁石単独での磁力線の短絡路を長くすることで、該短絡路を減らしロータコア12に加わるトルクを増加できる。
このように、1個の永久磁石16をロータ軸方向に沿って延在させるのではなく、複数の永久磁石16をロータ軸方向に沿って直列に配置することで、渦電流の発生を抑制でき、渦電流による発熱を抑制できる。
上記構成によれば、複数の補強板18をロータ軸方向に分散配置することで、遠心力に対する耐久性をロータコア全体で均一に付与できると共に、補強板18の数を調整することで、ロータコア12に必要にして十分な強度を付与できる。
これによって、ロータコア12に付加される遠心力を各ロータコア板12aの降伏点未満に抑えることができる。
図5〜図7の横軸は図4に示す各供試体の番号を示し、図5及び図6の縦軸は、各ロータコア板12aに加わる主応力を示し、図7の縦軸は永久磁石16に加わる圧縮応力を示している。図4において、例えば、補強板18の枚数/磁石が3個というのは、図3に示すように、永久磁石1個当たりロータ軸方向に永久磁石16が3個配置される場合を示す。
従って、図5から、第1空隙s1が半楕円形のとき、補強板18に形成される第2空隙s2は半円形又は半楕円形とするのがよいことがわかる。また、補強板18を永久磁石1個当たりロータ軸方向に2枚以上配置するのがよいことがわかる。
従って、図6から、補強板18に形成される第2空隙s2の断面は半円形又は半楕円形とするのがよいことがわかる。
10 磁石埋め込み型モータ用ロータ
12、102 ロータコア
12a ロータコア板
14 第1磁石取付孔
16、114 永久磁石
18、118 補強板
20 第2磁石取付孔
22 取付孔
24 回転軸
26、104 ステータコア
28 コイル
102 ロータコア
106 磁石取付孔
108 橋部
110 支柱部
Lm 磁力線
S0 磁石取付空間
s1 第1空隙
s2 第2空隙
Claims (10)
- 複数のロータコア板をロータ軸方向に沿って積層したロータコアに永久磁石を埋設した磁石埋め込み型モータ用ロータであって、
非磁性体により構成され、前記複数のロータコア板の間に介装される補強板と、
前記複数のロータコア板に形成された第1磁石取付孔及び前記補強板に形成された第2磁石取付孔を貫通するように、前記第1磁石取付孔及び前記第2磁石取付孔によって前記ロータ軸方向に形成された磁石取付空間に収容された前記永久磁石と、
を備え、
前記第1磁石取付孔及び前記第2磁石取付孔の両端部は連続的な湾曲線で構成された輪郭線を有し、
前記永久磁石の両端と前記第1磁石取付孔の前記輪郭線との間に第1空隙が形成されると共に、前記永久磁石の両端と前記第2磁石取付孔の前記輪郭線との間に第2空隙が形成され、
前記第2空隙の断面積は前記第1空隙の断面積より小さく形成される
ことを特徴とする磁石埋め込み型モータ用ロータ。 - 複数の前記磁石取付空間が前記ロータコアの外周部で前記ロータコアの周方向に形成され、複数の前記永久磁石が複数の前記磁石取付空間の各々に取り付けられることを特徴とする請求項1に記載の磁石埋め込み型モータ用ロータ。
- 前記磁石取付空間において、複数の前記永久磁石が前記ロータ軸方向に沿って直列に配置されることを特徴とする請求項1又は2に記載の磁石埋め込み型モータ用ロータ。
- 複数の前記補強板が前記ロータ軸方向の異なる位置において複数のロータコア板の間に介装されることを特徴とする請求項1乃至3の何れか1項に記載の磁石埋め込み型モータ用ロータ。
- 1個の前記永久磁石ごとに、前記ロータ軸方向に2枚以上の前記補強板が配置されることを特徴とする請求項4に記載の磁石埋め込み型モータ用ロータ。
- 前記第1空隙が半楕円形を有することを特徴とする請求項1乃至5の何れか1項に記載の磁石埋め込み型モータ用ロータ。
- 前記第2空隙の断面が半円形又は半楕円形を有することを特徴とする請求項1乃至6の何れか1項に記載の磁石埋め込み型モータ用ロータ。
- 複数のロータコア板をロータ軸方向に沿って積層したロータコアに永久磁石を埋設した磁石埋め込み型モータ用ロータであって、
非磁性体により構成され、前記複数のロータコア板の間に介装される補強板と、
前記複数のロータコア板に形成された第1磁石取付孔及び前記補強板に形成された第2磁石取付孔を貫通するように、前記第1磁石取付孔及び前記第2磁石取付孔によって前記ロータ軸方向に形成された磁石取付空間に収容された前記永久磁石と、
を備え、
前記第1磁石取付孔及び前記第2磁石取付孔の両端部は連続的な湾曲線で構成された輪郭線を有し、
前記永久磁石の両端と前記第1磁石取付孔の前記輪郭線との間に第1空隙が形成されると共に、前記永久磁石の両端と前記第2磁石取付孔の前記輪郭線との間に第2空隙が形成され、
前記第1空隙が半楕円形を有し、
前記第2空隙の断面が半円形又は半楕円形を有する
磁石埋め込み型モータ用ロータ。 - 請求項1乃至8の何れか1項に記載の前記磁石埋め込み型モータ用ロータを備えることを特徴とする磁石埋め込み型モータ。
- 前記磁石埋め込み型モータ用ロータの回転数が10,000rpm以上であることを特徴とする請求項9に記載の磁石埋め込み型モータ。
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