JPH0946944A

JPH0946944A - 電気モータのロータ

Info

Publication number: JPH0946944A
Application number: JP7212590A
Authority: JP
Inventors: Hiyoshi Yamada; 日吉山田; Shigenori Kinoshita; 繁則木下; Nobuyuki Tokiwa; 信行常盤; Kenji Endo; 研二遠藤; Hiroyuki Hirano; 弘之平野
Original assignee: Daido Steel Co Ltd; Fuji Electric Co Ltd; Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Daido Steel Co Ltd; Fuji Electric Co Ltd; Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1995-07-28
Filing date: 1995-07-28
Publication date: 1997-02-14

Abstract

(57)【要約】【課題】ヨークの熱膨張による永久磁石の破壊を防止
する。【解決手段】永久磁石４の両軸端部には、径方向にテ
ーパ部４ａ、４ｂが設けられており、テーパ部４ａに対
峙して側板５にテーパ部５ａが、テーパ部４ｂに対峙し
て側板６にテーパ部６ａが永久磁石を挟む形で設けられ
ている。側板５は軸２に固設され、側板６は軸２の軸方
向に摺動可能となっている。側板６は座屈域を使用する
皿ばね７で付勢され、永久磁石の内周部とヨークの外周
部との間に間隙を保持した状態で永久磁石４を側板５と
の間で押圧し、永久磁石に発生する駆動力をテーパ部４
ａ、５ａ間およびテーパ部４ｂ、６ａ間の摩擦力で軸２
に伝達する。モータの使用範囲で永久磁石とヨークが接
触しないので、ヨークの熱膨張により永久磁石が破壊さ
れることがない。またテーパ部押圧により永久磁石は自
動的にセンタリングされる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、円筒状の永久磁石
を用いた電気モータのロータの構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の電気モータのロータとくに同期モ
ータにあっては、円筒状の磁性体よりなるヨークの外周
部に、同じく円筒状でＮＳ極が周方向に沿って交互に等
配に着磁された永久磁石が固着された構造を有してい
る。このような、従来の電気モータのロータとしては、
例えば図７〜図９に示すようなものがある。すなわち、
図７に示すように、ステータ１０１は、薄板の電磁鋼板
を軸方向に積層し、一体化したステータコア１０１ａ
と、該ステータコア１０１ａの軸方向に設けられる複数
のスロットル内に導線を巻き付けてなる電気コイル１０
１ｂとで構成され、ケース１０２に固定されている。そ
して、ロータ（回転子）１０３は、軸部１０３ａと一体
あるいは固設された磁性体よりなる円筒形状のヨーク部
１０３ｂ、該ヨーク部１０３ｂの外周に接着剤１０３ｃ
で固定される円筒状の永久磁石１０３ｄで構成されてい
る。このロータ１０３は、軸受１０４ａを介してカバー
１０５により、また、軸受１０４ｂを介してケース１０
２により支持されている。

【０００３】電気コイル１０１ｂは、例えば図８に示す
ようにスター結線とした３相６極モータの電気コイル結
線からなっている。なお、図中にリング状に配した番号
は電気コイルを巻くスロット番号を示している。また
図９には、永久磁石１０３ｄの着磁状況模式図を示す。
周方向の単位部分を半径方向にＮ−Ｓとした磁極を周方
向に交互に逆向きに形成することによって、外径面の周
方向にＮおよびＳ極が交互に配された磁石となってい
る。電気コイル１０１ｂの電力供給線Ｕ，Ｖ，Ｗに交流
電力を供給すると、ステータコア１０１ａに回転磁界が
発生し、ロータ１０３の永久磁石１０３ｄとの間に吸
引、反発力が生じ、ロータ１０３が回転する。ロータ１
０３の回転数、回転トルクの制御は、エンコーダ１０６
により、ロータ１０３の回転数、角速度、位相差等の情
報を得ることで行なう。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来の電気モータのローラにあっては、ヨーク部１
０３ｂ内に発生する渦電流損等により、ヨーク部１０３
ｂが発熱して熱膨張を起こし、また、永久磁石１０３ｄ
にも熱が伝達するので熱膨張を起こす。ところが、ヨー
ク部１０３ｂの熱膨張係数（例えば、ヨーク材にＳ１０
ｃを使用すると熱膨張係数＝１１．５×１０^-6）と永久
磁石１０３ｄの熱膨張係数（例えば、ネオジウム鉄磁石
を使用すると、熱膨張係数＝２×１０^-6）とが大きく異
なる。このため、熱膨張係数差により、ヨーク１０３部
ｂが接着剤層１０３ｃを介して、永久磁石１０３ｄに熱
応力を加えることとなり、永久磁石１０３ｄは許容応力
を越えた時点で破壊されモータとしての機能が失われて
しまうという問題があった。本発明は、このような従来
の問題点に着目してなされたものであり、ヨーク部の熱
膨張により永久磁石が破壊されることのない電気モータ
のロータを提供することを目的としている。

【０００５】

【課題を解決するための手段】このため本発明は、円筒
状の磁性体よりなるヨークの外周部にＮＳ極が周方向に
交互に等配に着磁された永久磁石を配してなるモータ用
のロータにおいて、永久磁石の両軸端部に径方向にテー
パ角度を有する第１のテーパ部を形成し、ヨークに永久
磁石の第１のテーパ部に対応する第２のテーパ部を備え
る側板を配設し、永久磁石の第１のテーパ部に側板の第
２のテーパ部を押圧させて、永久磁石の内周部とヨーク
の外周部との間に間隙を保持した状態で永久磁石を支持
させるものとした。

【０００６】

【作用】永久磁石の内周部とヨークの外周部との間に永
久磁石とヨークとが接触しないように設定された隙間が
存在するので、ヨークが熱膨張しても、永久磁石に接触
せず、永久磁石が熱応力で破壊することがない。とく
に、上記永久磁石の内周部とヨークの外周部間の間隙
を、モータの使用温度範囲において、永久磁石の内周部
とヨークの外周部とが接触しない大きさに設定すること
により、使用最低温度から使用最高温度の全範囲にわた
って間隙が確保される。

【０００７】また、第１のテーパ部と第２のテーパ部の
テーパ角度を、側板の押圧力×接触面の摩擦係数≦接触面に沿って働く
分力となるように設定することにより、永久磁石が自動的に
センタリングされる。さらに、側板とヨークとの間に配
置した皿ばねを座屈域で変形させて側板の押圧力を発生
させることにより、非線形特性を持たせることができ、
押圧力の変化を小さく抑さえることができる。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、本発明を実施例に基づいて
説明する。図１は本発明の第１の実施例の構成を示す図
である。ロータ１は、軸２と、該軸２と一体に形成され
た磁性体よりなる円筒状のヨーク３と、該ヨーク３の外
周に配設された円筒状の永久磁石４とを備えている。永
久磁石４は、図９に示されたのと同様に、ＮＳ極が円筒
の周方向に沿って交互に等配に着磁されている。永久磁
石４の両軸端には、永久磁石４の外周面の軸方向長さが
内周面の軸方向長さより大きくなるようにテーパ部４
ａ、４ｂが設けられており、テーパ部４ａに対峙して側
板５にはテーパ部５ａが、テーパ部４ｂに対峙して側板
６にテーパ部６ａが設けられている。側板５、６は永久
磁石４を挟む形に配設されている。

【０００９】側板５は軸２にスプライン結合で固設され
てトルク伝達可能に構成されている。また、側板６もス
プライン結合とされ、軸２の軸方向にのみ摺動可能とな
っている。また、側板６には、スナップリング８で軸２
に対する位置を規制された皿ばね７が当接され、そのば
ね付勢力により、永久磁石４を側板５との間で押圧し
て、永久磁石４に発生する駆動力を永久磁石４のテーパ
部４ａと側板５のテーパ部５ａ、および永久磁石４のテ
ーパ部４ｂと側板６のテーパ部６ａとの間の摩擦力で軸
２に伝達するように構成されている。図２は、皿ばね７
の発生する荷重特性例を示す。たわみδと荷重ｐとの
関係は、使用範囲に皿ばね７の座屈域を利用して、トル
ク伝達に必要な加重ＰT より高い値で、たわみが増加し
ても荷重が増加しない非線形特性を持たせてある。

【００１０】ヨーク３は、軸２と一体に形成されてお
り、ヨーク３の外周面と永久磁石４の内周面との間に
は、モータ使用温度全域（モータ使用最低温度〜モータ
使用最高温度）においてヨーク３と永久磁石４とが接触
しない寸法の間隙Ｌが設けられている。すなわち、常温
時（２０℃とする）の間隙Ｌは、Ｌ＝（ｄ１−ｄ０）／２（１）ｄ１×α１×（ｔ１−ｔ０）−ｄ０×α０×（ｔ１−ｔ０）＞０（２）を満足するように設定される。ただし、ｄ０：常温時におけるヨーク外周径ｄ１：常温時における永久磁石内周径 α０：ヨーク材の線熱膨張係数 α１：永久磁石材の線熱膨張係数ｔ１：モータ使用最高温度ｔ０：常温（２０℃とする）である。

【００１１】また、ステータ９は、従来例と同様に、薄
板の電磁鋼板を軸方向に積層して、一体化したコア１０
および電気コイル１１とで構成され、ケース１２に固定
されている。ロータ１は、一端側が軸受１３を介してカ
バー１５に、他端側が軸受１４を介してケース１２に支
持されている。軸受１４側にはエンコーダ１６が付設さ
れ、これから得るロータ１の回転数、角速度、位相差な
どの情報を基にロータ１の回転数、回転トルクを制御す
るようになっている。

【００１２】次に、この実施例では、永久磁石４のテー
パ部４ａ、４ｂのテーパ角度θは、下記の式（３）を満
足するように設定される。Ｆｃｏｓθ×μ＜Ｆｓｉｎθ （３）ここでＦ：側板の押圧力 μ：接触面摩擦係数 θ：テーパ角度である。これにより、皿ばね７をたわませて永久磁石４
に荷重を加えたときに、発生する径方向分力が、永久磁
石４と側板５、６間に発生する摩擦力に打ち勝ち、永久
磁石４のセンタリングを自動的に行うことができる。

【００１３】すなわち、図３に示すように、皿ばね７に
より荷重Ｆで側板６を加圧すると、側板６と永久磁石４
との接触面に垂直方向にＦｃｏｓθ、接触面に沿ってＦ
ｓｉｎθの分力が働く。このため、側板６の押圧力（垂
直荷重）Ｆｃｏｓθ×接触面摩擦係数μの摩擦力に対し
て接触面に沿う分力Ｆｓｉｎθが大きくなるようにテー
パ角度θを設定されるから、皿ばね７による荷重Ｆが作
用する度に永久磁石４は側板５、６との接触面を移動
し、自動的に永久磁石４と両側板５、６間、つまり軸２
に対して自動的にセンタリングされる。例えば、摩擦
係数μ＝０．１の場合、テーパ角度θは６℃以上確保す
ればよい。

【００１４】また、摩擦力によるトルク伝達は次の式
（４）を満足することにより行なわれる。Ｆｃｏｓθ×μ≧Ｔ／（ｒ×Ｎ）（４）ここで、Ｔ：永久磁石発生トルクｒ：永久磁石と側板間接触部平均半径Ｎ：永久磁石と側板の接触面数（実施例では２面）である。いま、永久磁石４の発生トルクをＴ＝１０００
０Ｎｃｍ、接触部平均半径をｒ＝７ｃｍとすれば、Ｆ≧
７１８２Ｎとなるので、安全率ｋ＝１．４とすると、皿
ばね７は１００００Ｎの荷重を発生すればよいこととな
る。

【００１５】本実施例は以上のように構成され、永久磁
石の内周部とヨークの外周部との間に間隙を保持するも
のとしたので、ヨーク部の熱膨張により永久磁石が破壊
されることがない。また、皿ばね７に座屈域を利用した
非線形特性を持たせてあるので、皿ばね７の取付誤差、
軸２や永久磁石４等の熱膨脹による皿ばね７のたわみ量
の変化等による皿ばね７の荷重変化が少なく、側板５、
６と永久磁石４との間の押圧力の変化が緩和される。し
たがって、皿ばね荷重の過大による永久磁石４の圧縮応
力増大や、皿ばね荷重不足による永久磁石４と側板５、
６との摩擦力不足が防止される。そして、テーパ部同志
の押圧により自動的にセンタリングされるという効果を
有する。

【００１６】図４には、本発明の第２の実施例を示す。
この実施例は、第１の実施例に対して、永久磁石の両軸
端部に形成したテーパ部のテーパ角の方向を逆方向とし
たものである。ロータ１Ａにおいて、円筒形状の永久磁
石２１の両軸端には、永久磁石の外周面の軸方向長さ
が、内周面の軸方向長さより小さくなるようにテーパ部
２１ａ、２１ｂが設けられており、これに対峙して側板
２２にはテーパ部２２ａが、側板２３にはテーパ部２３
ａが設けられている。その他の構成は第１の実施例と同
じである。

【００１７】この実施例では、皿ばね７による荷重が、
永久磁石２１に圧縮荷重として加わる。一般的に、ネオ
ジウム鉄磁石等の焼結部品は、引張強度より圧縮強度に
強い特性を有している。さらに、ロータ１の回転により
永久磁石２１に生じる遠心応力は引張り応力となるの
で、圧縮荷重はこの引張応力を相殺する方向の荷重とな
り有利となる。

【００１８】図５は、本発明の第３の実施例を示す。こ
の実施例は、第１の実施例に対して、ヨーク部材を側板
と一体に構成したものである。すなわち、ここではロー
タ１Ｂのヨーク３１と軸３３が分離されている。そし
て、ヨーク３１が永久磁石４の一端をテーパ部で押圧支
持する側板３２と一体に形成され、このヨーク３１が永
久磁石４の内側を他端側の側板６近傍まで延びている。
その他の構成は第１の実施例と同じである。

【００１９】本実施例によれば、軸とヨークとが一体の
場合と比較して、部品点数を増加することなく、軸３３
の軸径を細くすることが可能であり、材料の歩留りを向
上することができる。また、ヨーク３１に発生した熱は
効率よく側板３２を経て逃すことができる。

【００２０】図６は、本発明の第４の実施例を示す。こ
の実施例は、第１の実施例に対して、ヨークを軸方向に
２分割し、それぞれ側板と一体に構成したものである。
すなわち、ロータ１Ｃのヨーク４１を軸方向に２分割し
てヨーク部材４１ａ、４１ｂとし、ヨーク部材４１ａは
側板４２と一体に、ヨーク部材４１ｂは側板４３と一体
に形成してある。前実施例と同様に、ヨーク４１と軸３
３が分離されている。その他の構成は第１の実施例と同
じである。

【００２１】本実施例によれば、ヨーク４１内に発生す
る渦電流を減少させることができるとともに、ヨーク４
１内に発生した熱が効率よく両側板４２、４３を経て均
等に軸３３へ逃がすことができ、ヨーク４１の温度上昇
を低減することができる。

【００２２】

【発明の効果】以上のとおり、本発明は、永久磁石の軸
端部に径方向にテーパ角度を有する第１のテーパ部を形
成し、該永久磁石のテーパ部に対応した第２のテーパ部
を備える側板をヨークに配設するとともに、永久磁石の
第１のテーパ部に側板の第２のテーパ部を押圧させて、
永久磁石の内周部とヨークの外周部との間に間隙を保持
した状態で永久磁石を支持させるものとしたので、ヨー
ク部の熱膨張により永久磁石が破壊されることがない。

【００２３】また、第１のテーパ部と第２のテーパ部の
テーパ角度を、（側板の押圧力×接触面の摩擦係数≦接
触面に沿って働く分力）となるように設定することによ
り、永久磁石が自動的にセンタリングされるという効果
が得られる。さらに、座屈域で変形させるように側板と
ヨークとの間に配置した皿ばねにより側板の押圧力を発
生させることにより、非線形特性を持たせることがで
き、荷重変化が少なく、永久磁石の圧縮応力増大や摩擦
力不足のない安定した運転が確保される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例の構成を示す断面図であ
る。

【図２】皿ばねのたわみと荷重の関係を示す図である。

【図３】永久磁石と側板との接触部の力の釣合を示す説
明図である。

【図４】本発明の第２の実施例の構成を示す断面図であ
る。

【図５】第３の実施例の構成を示す断面図である。

【図６】第４の実施例の構成を示す断面図である。

【図７】従来例を示す断面図である。

【図８】電気コイルの結線側を説明する図である。

【図９】永久磁石の着磁側を説明する図である。

【符号の説明】

１ロータ２軸３ヨーク４永久磁石４ａ、４ｂテーパ部（第１のテーパ部）５、６側板５ａ、６ａテーパ部（第２のテーパ部）７皿ばね８スナップリング９ステータ１０コア１１電気コイル１２ケース１３、１４軸受１５カバー１６エンコーダ２１永久磁石２１ａ、２１ｂテーパ部（第１のテーパ部）２２、２３側板２２ａ、２３ａテーパ部（第２のテーパ部）３１ヨーク部材３２側板３３軸４１ヨーク４１ａ、４１ｂヨーク部材４２、４３側板

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者木下繁則神奈川県川崎市川崎区田辺新田１番１号富士電機株式会社内 (72)発明者常盤信行神奈川県川崎市川崎区田辺新田１番１号富士電機株式会社内 (72)発明者遠藤研二神奈川県川崎市川崎区田辺新田１番１号富士電機株式会社内 (72)発明者平野弘之神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地日産自動車株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】円筒状の磁性体よりなるヨークの外周部
にＮＳ極が周方向に交互に等配に着磁された永久磁石を
配してなるモータ用のロータにおいて、前記永久磁石の
両軸端部に径方向にテーパ角度を有する第１のテーパ部
を形成し、前記ヨークに前記永久磁石の第１のテーパ部
に対応する第２のテーパ部を備える側板を配設し、前記
永久磁石の第１のテーパ部に側板の第２のテーパ部を押
圧させて、前記永久磁石の内周部と前記ヨークの外周部
との間に間隙を保持した状態で前記永久磁石を支持させ
ることを特徴とする電気モータのロータ。
【請求項２】前記永久磁石の内周部とヨークの外周部
間の間隙は、モータの使用温度範囲において、前記永久
磁石の内周部とヨークの外周部とが接触しない大きさに
設定されていることを特徴とする請求項１記載の電気モ
ータのロータ。
【請求項３】前記第１のテーパ部と第２のテーパ部と
は、側板の押圧力×接触面の摩擦係数≦接触面に沿って働く
分力となるようにそのテーパ角度が設定されていることを特
徴とする請求項１または２記載の電気モータのロータ。
【請求項４】前記側板の押圧力は、座屈域で変形させ
るように該側板と前記ヨークとの間に配置した皿ばねに
より発生するものであることを特徴とする請求項１、２
または３記載の電気モータのロータ。
【請求項５】前記ヨークが、前記側板のうち軸方向い
ずれか一端側の側板と一体に形成されていることを特徴
とする請求項１、２、３または４記載の電気モータのロ
ータ。
【請求項６】前記ヨークが、軸方向略中央部で分割さ
れ、該分割されたヨークはそれぞれ各軸端側の側板と一
体に形成されていることを特徴とする請求項１、２、３
または４記載の電気モータのロータ。