JP7267024B2 - ハルバッハ配列ロータ、モータ、電動圧縮機、およびその製造方法 - Google Patents
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Description
ハルバッハ配列の磁石を得るため、例えば、特許文献1では、未磁化の環状に組み付けられた硬磁性体の径方向外側に着磁器が配置され、径方向内側に軟磁性体が配置された状態で第1の着磁ステップを行った後、径方向内側の軟磁性体を取り外して第2の着磁ステップを行う。
本発明は、ハルバッハ配列の永久磁石を備えたロータの性能やコストの改良を図ることを目的とする。
(全体構成)
図1および図2に示すロータ1は、軸方向D1に対して直交する面に沿ってハルバッハ配列に磁化されている円環状の永久磁石10と、永久磁石10を径方向内側から支持する支持体20とを備えている。ロータ1は、図示しないステータと共に、電動機や発電機等の回転電機を構成する。支持体20には、ロータ1の軸周りに並ぶ複数の空隙21が形成されている。
ハルバッハ配列は、所定の方向に2πのn等分ずつ磁極の方向を変化させた永久磁石の配列を言う。nは2以上の整数である。ハルバッハ配列によれば、特定の方向に磁界強度を増大させることができる。
本実施形態の永久磁石10は、磁界の均一性を向上させるため、ロータ1の周方向D2に配列された複数の永久磁石セグメント101からなることが好ましい。本実施形態におけるセグメント101の数は24である。これに限らず、永久磁石10を適宜な数のセグメント101に分割することができる。永久磁石10は、軸心に対する角度が等しいセグメント101に必ずしも等分されている必要はなく、各セグメント101の軸心に対する角度が異なっていてもよい。また、セグメント101から構成される永久磁石10の形態は、円環状に限らず、多角形状であってもよい、
本実施形態では、永久磁石10の周方向D2において径方向磁極P1~P6の向きが60°ずつ変化している。これに限らず、永久磁石10の径方向磁極の向きが、45°ずつ、あるいは90°ずつ変化していてもよい。
一対の径方向磁極を含む領域を「一極対」と称するものとする。一極対は、例えば、図2に破線で囲んで示す領域に相当する。永久磁石10は、全体として三極対を備えている。
永久磁石10は、特定方向への残留磁束密度および保磁力が大きい異方性磁石、例えば、ネオジム、鉄、ホウ素を主成分とするネオジム磁石や、サマリウムおよびコバルトを主成分とするサマリウムコバルト磁石等であることが好ましい。
ネオジム磁石やサマリウムコバルト磁石は、異方性を十分に確保するため、粉末冶金法により、粉砕、金型を用いた成形、および焼結の過程を経て製作された磁石素材に対して、着磁することで製造されることが好ましい。成形は、磁界の印加により磁区の磁化容易軸の向きを揃えながら行われる。
ハルバッハ配列の永久磁石10の製造性の観点から、本実施形態では、後述するように、未磁化の磁石素材に対して着磁する。
支持体20には、図示しない軸が挿入される軸孔202が軸方向D1に貫通して形成されている。
軸孔202の周りに、等角度で並んでいる空隙21もまた、支持体20を軸方向D1に貫通する孔である。各空隙21は、支持体20の径方向の内側から外側に向かうにつれて拡がる扇形の横断面を呈する。
空隙21は、必ずしも軸方向D1に貫通している必要はない。空隙21が、軸方向D1に対して傾斜する方向に支持体20を貫通していてもよい。
なお、空隙21は、支持体20を必ずしも貫通している必要はない。空隙21の軸方向の一端側が閉塞されていてもよい。
支持体20の複数の空隙21は、径方向磁極P1~P6の位置に対応して周方向D2に分布している。より具体的には、周方向D2において、各空隙21の開口中心21Aが径方向磁極P1~P6の位置と一致している。
支持体20には、永久磁石10の軸方向長さと同等の軸方向長さが与えられているが、これに限られない。
そのため、支持体20が磁路の一部を構成するとしても、外周部201のみを残して、支持体20を中空に構成することができる。本実施形態では、支持体20における空隙21よりも永久磁石10側の円環状の部分である外周部201の厚さT(径方向の寸法)が、永久磁石10の径方向の厚さよりも薄い。
空隙21は、扇形状に限らず、円形状や矩形状の横断面を呈するものであってもよい。
つまり、支持体20は、積層鋼板等、磁性材料から形成された磁性体である必要はなく、例えば、アルミニウム合金や樹脂材料等の非磁性の材料から形成された非磁性体をロータ1の支持体20に採用することができる。支持体20に空隙21が形成されることによる支持体20の体積減少に加え、支持体20に非磁性材料が用いられることにより、ロータ1ひいてはモータの軽量化を図ることができる。そのため、製造および運搬が容易となり、併せて低コスト化を図ることができる。
次に、図3(a)、(b)および図5を参照し、永久磁石10に用いられる磁石素材10Aの着磁を実施するための主着磁器30および副着磁器40を説明する。図3(a)には、永久磁石10の一対の径方向磁極(例えば、P1,P2)に対応する部分のみを示している。
主コイル31は、導電率の良好な銅合金等から形成されている。ティース32およびヨーク33は、透磁率が高い鉄や鋼等から一体に形成されている。
ティース32の数は、径方向磁極P1~P6の数と同じであり、径方向磁極P1~P6の位置に対応してティース32は周方向D2に分布している。
主コイル31の内側に配置されるティース32は、鉄心に相当する。主着磁器30は、ティース32の先端の円弧状の先端面32Aと磁石素材10Aの外周面との間に所定のギャップをあけて、磁石素材10Aの周りに配置される。
副コイル41は、導電性の良好な銅合金等から形成された空芯コイルである。銅または銅合金から形成された副コイル41は、非磁性体である。
図3(b)に、副コイル41単体を示している。副コイル41の内側は、空洞であって、そこに鉄心は配置されていない。副コイル41は、支持体20の空隙21の断面形状に倣う扇形の横断面を呈する。本実施形態では、空隙21の開口面積が出来るだけ大きく確保されているため、副コイル41の断面積も大きく、副コイル41の巻数を十分に確保することができる。そうすることで、副コイル41による起磁力が増大する。
図4および図5(a)、(b)を参照し、ロータ1の製造過程における着磁工程について説明する。着磁工程では、永久磁石10に用いられる磁石素材10Aに対して、着磁器30,40により、磁石素材10Aの最大磁束密度の飽和点に達する強さの磁界が与えられることで、未磁化の磁石素材をハルバッハ配列に磁化させる。
着磁工程S1は、図4に示すように、径方向着磁ステップS11と、周方向着磁ステップS12とを含んでいる。径方向着磁ステップS11および周方向着磁ステップS12の順序は、いずれが先でもよいが、ここでは、径方向着磁ステップS11を行った後、周方向着磁ステップS12を行うものとする。
6つの磁束のいずれも、一極対に対応する主コイル31および副コイル41と鎖交しており、一極対の一方の磁極(例えばP1)から径方向内側に流入し、一極対の他方の磁極(例えばP2)から径方向外側に流出する。磁束は、径方向内側に流入する際も径方向外側に流出する際も、隣の磁束と強め合う。各磁束は、ティース32を径方向内側に流れて磁石素材10Aを径方向外側から内側に向けて貫いた後、転向して磁石素材10Aを径方向内側から外側に向けて貫く。各磁束により、主として径方向に磁極が配向された状態に磁石素材10Aが磁化されることとなる。
なお、本実施形態の副コイル41は空芯コイルからなり、副コイル41を構成する銅の比透磁率は、ほぼ1である。そのため、副コイル41は、通電されていないとき、磁石素材10Aによる磁力の影響を受けずに、空隙21から容易に抜き取ることができる。
このとき、磁石素材10Aよりも径方向内側、つまり、副コイル41(空芯コイル)が位置する支持体20側には、副コイル41の透磁率に基づいて磁束が流れ難いため、図5(b)に一点鎖線の矢印で磁束の流れの一例を示しているように、各磁束は、ティース32の先端面32Aから隣のティース32の先端面32Aに向けて磁石素材10Aおよび支持体20の外周部201をほぼ周方向に沿って流れる。そのため、主として周方向に磁極が配向された状態に磁石素材10Aが磁化されることとなる。
着磁が完了した後は、支持体20の空隙21に樹脂等を充填することもできる。
本実施形態では、永久磁石10を支持する支持体20に、副コイル41を位置決めして配置可能な空隙21が、径方向磁極P1~P6の位置に対応して周方向D2に分布して形成されている。本実施形態によれば、磁石素材10Aの周りに配置される主着磁器30と、空隙21に副コイル41が配置される副着磁器40とにより、ハルバッハ配列に適合する磁界を磁石素材10Aに与えることで、所定の磁極パターンに適切に着磁された永久磁石10と支持体20とを備えたロータ1を提供することができる。
以上より、本実施形態に係るロータ1およびその製造方法によれば、支持体20に空隙21が形成されていることにより、着磁性と製造作業性とを両立させ、軽量化およびコスト低減を図りつつ、かつハルバッハ配列による磁気特性を十分に発揮させて、ロータ1が適用されるモータ等の性能向上に寄与することができる。
ロータ1の製造に、図6に示す副着磁器50を用いることもできる。副着磁器50は、支持体20の複数の空隙21にそれぞれ配置される複数の副コイル51と、副コイル51に電流を印加する図示しない電源装置とを備えている。各副コイル51の内側には鉄心52が挿入されている。
径方向着磁ステップS11では、鉄心52の存在により、径方向の鎖交磁束が増大するため、磁石素材10Aを径方向に十分に磁化させることができる。鉄心52の形状等に応じて、適切な磁路を設定することも可能である。
かかる着磁工程は、第1着磁ステップ、第2着磁ステップ、および第3着磁ステップからなる。
第1着磁ステップでは、主着磁器30および副着磁器50を用いる。このとき、主コイル31および副コイル51に通電する。
続いて、第2着磁ステップでは、副コイル51および鉄心52を空隙21に配置したまま、主コイル31のみに通電する。
さらに、空隙21から副コイル51および鉄心52を抜き取り、副着磁器40の副コイル41(空芯コイル)を空隙21に挿入する。その状態で、主コイル31のみに通電する。
上述したロータ1と、ステータとを備えるモータは、例えば、電動圧縮機に適用することが可能である。以下、モータの駆動力により流体を圧縮する電動圧縮機について説明する。この電動圧縮機は、例えば、空気調和機を構成することができる。
電動圧縮機2は、冷媒を圧縮する圧縮機構3と、圧縮機構3を駆動するモータ4と、モータ4による回転駆動力を圧縮機構3に伝達する回転軸5と、圧縮機構3、モータ4、および回転軸5を収容するハウジング6とを備えている。
ステータ7は、励磁コイル71と図示しない鉄心および継鉄とを有している。ステータ7の励磁コイル71、鉄心および継鉄は、図3および図5に示す主着磁器30の主コイル31、ティース32およびヨーク33と同様に構成されている。
図7に示す圧縮機構3は、2つのロータリー式圧縮機構3A,3Bからなる。図示しない冷媒回路からアキュムレータ8を介して圧縮機構3A,3Bのそれぞれに冷媒が吸入される。各圧縮機構3A,3Bは、回転軸5に結合したロータリーピストン301の動作によりシリンダ302内で冷媒を圧縮する。圧縮機構3A,3Bにより圧縮された冷媒は、吐出口303からハウジング6内のモータ4よりも下方の空間C1に吐出される。
圧縮機構3A,3Bから吐出された冷媒は、ロータ1の空隙21を通り、モータ4よりも上方の空間C2へと流れ、吐出管61から冷媒回路へと吐出される。
そうした流路と比べて、ロータ1の支持体20の空隙21は、トルクの確保には支障なく、断面積を大きく確保することができる。そのため、ハウジング6内の冷媒の流路として機能する空隙21によれば、モータ4よりも下方の空間C1と、モータ4よりも上方の空間C2との圧力差(圧力損失)を低減して、電動圧縮機2の効率を向上させることができる。
例えば、支持体20が、空隙21を除いては中実に構成されており、軸方向の両端部で軸支されるように構成されていてもよい。つまり、ロータ1の支持体20には、必ずしも、軸が通される軸孔202が形成されている必要はない。支持体20に軸孔202が形成されていなければ、より大きな開口面積を空隙21に与えることができ、空隙21に配置される副コイル41の巻数を増やすことができる。
2 電動圧縮機
3 圧縮機構
3A,3B ロータリー式圧縮機構
4 モータ
5 回転軸
6 ハウジング
7 ステータ
8 アキュムレータ
10 永久磁石
10A 磁石素材
20 支持体
21 空隙
21A 開口中心
30 主着磁器
31 主コイル
32 ティース
32A 先端面
33 ヨーク
40 副着磁器
41 副コイル
50 副着磁器
51 副コイル
52 鉄心
61 吐出管
71 励磁コイル
101 永久磁石セグメント
201 外周部
202 軸孔
203 内周部
204 連結部
301 ロータリーピストン
302 シリンダ
303 吐出口
C1,C2 空間
D1 軸方向
D2 周方向
P1~P6 径方向磁極
S1 着磁工程
S11 径方向着磁ステップ
S12 周方向着磁ステップ
T 厚さ
Claims (9)
- 環状の永久磁石と、前記永久磁石を径方向内側から支持する支持体とを備えるロータであって、
前記永久磁石は、前記ロータの軸方向に対して直交する面に沿って、ハルバッハ配列に磁化され、
前記支持体には、前記ロータの軸周りに並ぶ複数の空隙が形成され、
前記永久磁石は、径方向に沿った向きに磁化されている径方向磁極を含み、
複数の前記空隙は、前記径方向磁極の位置に対応して周方向に分布し、
前記空隙の数は、前記径方向磁極の数と一致し、
前記複数の空隙の開口中心は、前記周方向において、前記径方向磁極の位置と一致している、
ことを特徴とするハルバッハ配列ロータ。 - 前記空隙は、前記ロータの径方向の内側から外側に向かうにつれて拡がる扇形の横断面を呈する、
請求項1のいずれか一項に記載のハルバッハ配列ロータ。 - 前記支持体において前記空隙よりも前記永久磁石側の部分の径方向の厚さは、
前記永久磁石の径方向の厚さと比べて小さい、
請求項1または2に記載のハルバッハ配列ロータ。 - 前記支持体は、非磁性体である、
請求項1から3のいずれか一項に記載のハルバッハ配列ロータ。 - ステータと、
前記ステータに対して回転される請求項1から4のいずれか一項に記載のハルバッハ配列ロータと、を備える、
ことを特徴とするモータ。 - 流体を圧縮する圧縮機構と、
前記圧縮機構を駆動する請求項5に記載のモータと、
前記モータによる回転駆動力を前記圧縮機構に伝達する回転軸と、
前記圧縮機構、前記モータ、および前記回転軸を収容するハウジングと、を備え、
前記ロータの前記空隙は、前記流体が流れる流路である、
ことを特徴とする電動圧縮機。 - 環状の永久磁石と、前記永久磁石を径方向内側から支持する支持体とを備えるロータを製造する方法であって、
未磁化の環状の磁石素材に磁界を与えることで、前記ロータの軸方向に対して直交する面に沿ってハルバッハ配列に磁化された前記永久磁石を得る着磁工程は、
前記磁石素材よりも径方向外側に配置される主着磁器、および前記支持体における前記ロータの軸周りに並ぶ複数の空隙にそれぞれ配置される非磁性体のコイルを含む副着磁器の両方を用いて前記磁石素材を磁化させる径方向着磁ステップと、
前記主着磁器および前記副着磁器のうち前記主着磁器のみを用いて前記磁石素材を磁化させる周方向着磁ステップと、を含み、
前記径方向着磁ステップは、前記複数の空隙にそれぞれ前記コイルが配置されることで前記副着磁器が前記ロータの周方向および径方向に位置決めされた状態で行われる、
ことを特徴とするハルバッハ配列ロータの製造方法。 - 前記径方向着磁ステップと、前記周方向着磁ステップとに亘り、
前記副着磁器を前記空隙に継続して配置する、
請求項7に記載のハルバッハ配列ロータの製造方法。 - 前記副着磁器は、空芯コイルを備える、
請求項8に記載のハルバッハ配列ロータの製造方法。
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