JPWO2014118933A1 - 永久磁石式同期モータ - Google Patents

Abstract

組立が容易で、高強度かつ高寿命なロータを備えた永久磁石式同期モータを提供する。本発明の永久磁石式同期モータは、ステータとロータとを備え、ロータが複数の永久磁石と複数のコアを回転中心から見て放射状に交互に配置して構成され、複数のコアの半径方向の端部にそれぞれ形成された周方向に突出する突起により複数の永久磁石のそれぞれの半径方向の移動を規制するようにした永久磁石式同期モータにおいて、非磁性金属材料で成形され、環状に構成された保持ブロックを備え、複数のコアはそれぞれ保持ブロックに半径方向の移動が規制されるように保持され、保持ブロックは、モータ回転軸に固定されている。

Description

本発明は、永久磁石式同期モータに係り、特に、エレベータ巻上機用モータに好適な永久磁石式同期モータに関するものである。

永久磁石式同期モータでは、複数の永久磁石と、磁性材料で成形され互いに非接触に組立てられる複数のコアとを交互に放射状に配置した構造のロータが用いられている（例えば、特許文献１）。

このような構造のロータでは、コア間にエアギャップを設けて、コア間の磁気抵抗を増大させることで、磁気的に各々のコアを独立させており、コアを流れる永久磁石の磁束がコア間で短絡することを防止する必要がある。また、コア間で短絡した磁束はトルクに変換されないため、効率良く高トルク化するためには、コアが互いに接触することなく、磁気的に独立させる必要ある。

しかしながら、バラバラの永久磁石やコアを一体化し、更に、それらを回転軸と連結することは難しく、従来、構造簡略化および製作性向上などを主目的に、永久磁石とコア、および回転軸連結用部品などのロータ全体を樹脂モールドで一体化、固定するのが一般的である。

特表２００３−５３３１５８号公報

樹脂モールドは、鋼材と比較して強度が小さく、また、寿命が短いといった課題がある。このため、モータの高トルク化や高寿命化を実現するには、強固かつ高寿命な一体化・固定方法が必要である。

また、一般的に、永久磁石は、コア先端に設けられた突起に引っ掛けることで、コアに対してのみ強固かつ高寿命な方法で固定されているが、コア自体の固定方法が樹脂を用いたものであるため、ロータ全体の強度・寿命向上には結びつかない。

本発明の目的は、組立が容易で、高強度かつ高寿命なロータを備えた永久磁石式同期モータを提供することにある。

本発明は、ステータとロータとを備え、ロータが複数の永久磁石と複数のコアを回転中心から見て放射状に交互に配置して構成され、複数のコアの半径方向の端部にそれぞれ形成された周方向に突出する突起により複数の永久磁石のそれぞれの半径方向の移動を規制するようにした永久磁石式同期モータにおいて、非磁性金属材料で成形され、環状に構成された保持ブロックを備え、複数のコアはそれぞれ保持ブロックに半径方向の移動が規制されるように保持され、保持ブロックは、モータ回転軸に固定されていることを特徴とする。

本発明によれば、組立が容易で、高強度かつ高寿命なロータを備えた永久磁石式同期モータを得ることができる。

上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の一実施例の永久磁石式同期モータ全体の外観図(正面図)。 本発明の一実施例の永久磁石式同期モータの外観の部分拡大図。 本発明の一実施例の永久磁石式同期モータのロータに用いられるコア（ポールピース）の拡大図。 本発明の一実施例の永久磁石式同期モータのロータに用いられる分割保持ブロックの拡大図。 本発明の一実施例の永久磁石式同期モータの正面断面の部分拡大図。 本発明の一実施例の永久磁石式同期モータのロータの側面断面図。 本発明の一実施例の永久磁石式同期モータにおけるモータ回転軸へのロータ組込手順を説明する図。 本発明の別の実施例の永久磁石式同期モータの外観の部分拡大図。 本発明の別の実施例の永久磁石式同期モータのロータの側面断面図。

以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。

図１および図２を用いて、本実施例の永久磁石式同期モータの概略構造を説明する。図１はモータ全体の外観図、図２は図１の部分拡大図である。

本実施例のモータは、モータ回転軸１５に固定されたロータ２０と、エアギャップを介してロータ２０と径方向に対向して配置されるステータ２１から構成される。本実施例のモータは、ロータ２０がステータ２１内部に配置されるインナーロータ型の永久磁石式同期モータである。

ステータ２１は、図２に示すように、積層電磁鋼板で成形されたステータコア９、コイル１０、絶縁材１１から構成される。ステータコア９は、バックヨーク部７とティース部８を有する。コイル１０は、ティース部８に絶縁材１１を介して巻回されている。本実施例では、各ティース部８にコイル１０を巻きつける集中巻としているが、複数のティース８に跨ってコイル１０を巻きつける分布巻としても良い。

ロータ２０は、図２に示すように、主に永久磁石１、コア（ポールピース）２、保持ブロック３、当て板４で構成される。図２において、当て板４の内部に格納され、外部からは見えない永久磁石１などを点線にて図示している。

複数の永久磁石１と複数のコア２は、モータ回転軸の回転中心から見て放射状に交互に配置されている。複数の永久磁石１は、磁化方向、すなわちＮ極とＳ極の方向が、モータ周方向に、かつ各々のコア（ポールピース）２に対して同極が向かい合うように配置されている。これにより永久磁石１の磁束によりコア２は磁化し、ステータ２１から見たコア２の先端の磁極は、Ｎ極とＳ極が周方向に交互に並ぶことになり、永久磁石式同期モータのロータが構成できる。

コア２は永久磁石１により磁化する必要があり、磁性材料で成形する。渦電流損失やヒステリシス損失などの鉄損を低減するため、積層電磁鋼板や圧粉鉄心を使用すると特に良い。

次に、図３〜図５を用いて、当て板４内部のロータ構造について詳細に説明する。図３はコア２の拡大図、図４は保持ブロック３の拡大図、図５はモータ正面断面の部分拡大図である。

コア２は、図３に示すように、半径方向の先端部（ステータ側の先端部）に周方向に突出する突起２ｂが設けられている。図５に示すように、この突起２ｂにより永久磁石１の半径方向外側への移動が規制されるようになっている。コア２は、保持ブロック３に半径方向の移動が規制されるように取り付けられている。取り付けの具体的構造は後述する。

保持ブロック３は、磁石磁束がコア間を短絡することを防止するため、非磁性金属材料で成形され、環状に構成されている。本実施例では、SUS304(JIS規格)などの非磁性のオーステナイト系ステンレス鋼が用いられている。非磁性金属材料としては、非磁性のアルミニウム合金なども用いることができる。

本実施例では、保持ブロック３は、周方向に分割されて構成されており、周方向に分割された各分割保持ブロックは、周方向端部において隣接する分割保持ブロックとそれぞれ連結され環状となるように構成されている。本実施例では、分割保持ブロック３の数が、コア２と同じ数になるように、保持ブロックが分割されている。本実施例における分割保持ブロック同士の連結は次のようにして行っている。即ち、各分割保持ブロック３には、図４に示すように、一方の周方向端部に突起３ｂが形成され、他方の周方向端部に溝３ｃが形成されている。分割保持ブロックの突起３ｂを、隣接する分割保持ブロックの溝３ｃに挿入することにより分割保持ブロック同士を周方向に連結している。なお、突起３ｂと溝３ｃによる連結は、適度なすきまを持った状態で連結されている。

上述したように、コア２は、保持ブロック３に半径方向の移動が規制されるように取り付けられている。本実施例では、次のようにしてコア２を保持ブロック３に取り付けている。即ち、コア２の半径方向の根元部には、図３に示すように、周方向に突出する突起２ａが形成されている。一方、分割保持ブロック３の外周面には、図４に示すように、溝３ａが形成されている。そして、コア２の突起２ａと分割保持ブロックの溝３ａは焼き嵌め等の方法により強固に嵌合され、コア２と分割保持ブロック３は一体化され、コアブロック５が形成される。本実施例では、一つの分割保持ブロック３に一つのコア２が固定されたコアブロック５が複数形成されている。

本実施例では、先ず、コア２と分割保持ブロック３を強固に一体化してコアブロック５を形成した後に、複数のコアブロック５を、分割保持ブロック３に設けられた突起３ｂと溝３ｃで適度なすきまを持った状態で周方向に連結し、ロータコア６を形成するようにしている。保持ブロック３が非磁性金属材料で成形されているので、本実施例では、コア２が保持ブロック３を介して磁気短絡することなく周方向に一体化されている。

次に図６および図７を用いてモータ回転軸１５へのロータ２０の組込手順について説明する。図６はロータ組立後のロータ側面断面図、図７は組立手順を表す図である。なお、図６及び図７ともに、軸中心から一方の側の半分のみを図示している。

図７に示すように、モータ回転軸１５に対し、当て板４ａ、ロータコア６の順でモータ回転軸１５に組み込み、その後、永久磁石１を隣り合う二つのコアブロック間に形成された開空間に挿入し、最後に当て板４ｂを含めたロータ２０全体を、ボルト３０等を用いてモータ回転軸１５に固定する。このように組み立てることで、図６の状態が得られる。本実施例では、ボルト３０が挿入されるモータ回転軸１５にネジを設けて、ボルト３０とモータ回転軸１５を締結しているが、ナットを用いてボルト３０の締結を行うようにしても良い。また、後述のように、永久磁石１およびコア２の軸方向寸法は、保持ブロック３の軸方向寸法と同一またはそれ以下となっているので、必要に応じて、当て板４ａと永久磁石１およびコア２との間に、接着剤または充填剤が設けられている。これらの組立作業は、作業を容易にするため、軸方向が上下方向となるようにして行われる。

当て板４（４ａ，４ｂ）は、磁石磁束がコア間を短絡することを防止するため、保持ブロック３と同様に非磁性金属材料で成形されている。また、当て板４（４ａ，４ｂ）は、永久磁石１の軸方向の移動を規制する、即ち、軸方向への永久磁石の飛び出しを防止するように形成され、保持ブロック３の軸方向両側に取り付けられる。

ここで、保持ブロック３の溝３ａとは反対側の面、即ち、保持ブロック３の内周側の面（モータ回転軸との嵌合面）３ｄの曲率半径は、モータ回転軸１５の半径と同一またはそれ以下の値とする。言い換えれば、分割保持ブロックを連結してロータコアを構成した際に、保持ブロックの内径寸法が、モータ回転軸の外形寸法と同一またはそれ以下となるように構成されている。また、当て板４ａの内径寸法は、モータ回転軸１５の外径寸法と同一またはそれ以下の値とする。したがって、当て板４ａおよびロータコア６は、プレス装置などを用いてモータ回転軸１５に圧入して組立を行う。このような寸法関係とすることで、コアブロック５の連結部（分割保持ブロックの突起３ｂと溝３ｃ）は、モータ回転軸１５との嵌合圧力により、適度なすきまを持った状態からガタつきのない状態となる。そして、モータ回転軸１５に対して、コア（ポールピース）２を、保持ブロック３を介して、簡易に位置決めすることができる。また当て板４ａがモータ回転軸１５との嵌め合いにより固定された状態でロータコア６を組み込むことができる。

次に永久磁石１のロータコア６への挿入について説明する。上述したように、コア２はステータ側の先端部に周方向に突起２ｂを有しており、永久磁石１は隣り合う２つのコアブロック５で形成される開空間に格納される。そして、本実施例では、軸方向から見た永久磁石１の外形寸法は、軸方向から見た前述の開空間の寸法よりも小さくなっている。言い換えれば、保持ブロック３の外周面から突起２ｂの内周側までの長さと、コア２間の周方向長さが、対応する永久磁石の外形寸法よりも大きくなっている。従って、永久磁石１の外表面近傍には隙間がある状態である。コア２にはモータトルクやステータ２１に対する吸引力が作用するため、それらによりコア２は微小変形する。永久磁石１とコア２が密着している場合、コア２の変形により永久磁石１が割れてしまう可能性があるため、隙間を持たせるものである。

また、本実施例では、永久磁石１およびコア２の軸方向寸法は、保持ブロック３の軸方向寸法と同一またはそれ以下となっている。このような寸法関係とすることで、当て板４ｂの軸方向の反りと、永久磁石１の割れを回避することができる。これらの効果を確実に得るためには、当て板４ｂと永久磁石１およびコア２の間には隙間がある状態が望ましい。

本実施例では、上述したように、オーステナイト系ステンレス鋼などの非磁性金属材料で成形された保持ブロック３にコア２を強固に固定してコアブロック５を構成し、コアブロック５を連結してロータコア６を構成している。このようにすることで、磁石磁束がコア間を短絡することを防止して、コア自体を高強度かつ高寿命な方法により固定することができる。すなわち、従来の樹脂モールドなどと比較して、強度・寿命を向上させることができる。

また、従来の樹脂モールドの場合、永久磁石１やコア２を位置決め装置あるいは冶具で仮位置決めを行い、その状態を保持したまま樹脂モールドを行い、最後に位置決め装置あるいは冶具を取り外す必要があった。本実施例では、非磁性金属材料で成形した保持ブロック３とコア２を強固に固定してコアブロック５を形成し、保持ブロック３を介してコアブロック５同士を連結してロータコア６を構成し、ロータコア６を当て板４ａと共にモータ回転軸１５に嵌合するようにしているので、モータ回転軸１５へのロータコア６の圧入により、保持ブロック３を介して永久磁石１やコア（ポールピース）２の位置決めが行われる。従って、この組み込みを行う過程が永久磁石１やコア２の位置決めを兼ねている。すなわち、本実施例を従来と比較すれば、従来の位置決め装置あるいは冶具による仮位置決めの段階で、本実施例では組立完了となる。

従って、本実施例によれば、組立が容易で、高強度かつ高寿命なロータを備えた永久磁石式同期モータを得ることができる。

また、本実施例では、保持ブロック３をコア２と同数に分割しているため、一体リング状もしくは分割数の少ないリング状の非磁性金属材料を使用する場合と比較し、材料利用率を飛躍的に向上させる材料取りが可能となる。

本実施例の永久磁石式同期モータは、高強度かつ高寿命なロータを実現できるため、モータの高トルク化と高寿命化を実現することができ、特に、モータの高トルク化と高寿命化が要求されるエレベータ巻上機用モータに好適である。

なお、上述の実施例では、コア２側に突起部２ａを形成し、保持ブロック側に溝３ａを形成して、コア２と保持ブロック３を固定しているが、コア２側に溝部を形成し、保持ブロック３側に周方向に突出する突起部を形成して、コア２と保持ブロック３の固定をするようにしても良い。

また、上述の実施例では、保持ブロックは周方向に分割して構成されているが、一体リング状の保持ブロックとしても良い。また、分割数を少なくして、一つ保持ブロックに複数のコアを固定するようにしても良い。

また、上述の実施例では、当て板４（４ａ，４ｂ）をドーナッツ状の板に成形しているが、周方向に分割しても良い。

実施例１では、インナーロータ型の永久磁石式同期モータに本発明を適用したものであるが、本発明はアウターロータ型の永久磁石式同期モータにも適用できる。

この場合、保持ブロックは外周側に位置し、保持ブロックの内周側に、コアを強固に固定する溝が形成される。また、コアの半径方向の外周側の先端部に保持ブロックの溝と強固に嵌合する突起部が形成され、コアの半径方向の内周側（ステータ側の先端部）に永久磁石の半径方向内側への移動を規制する突起部が形成される。その他は、実施例１と基本的に同様であり、説明を省略する。本実施例においても実施例１と同様な効果を奏することができる。

実施例１では、当て板４ｂの外径寸法を当て板４ａと同一としたが、当て板４ｂの目的は、永久磁石１の軸方向への飛び出し防止であり、図８および図９に示すように当て板４ａよりも外径寸法を小さくしても良い。当て板４ａは、ロータ組み込みの際に、永久磁石の傾きを防止する機能もあるので、永久磁石が傾かない程度の長さとする必要がある。その他は、実施例１と同様であり、説明を省略する。本実施例においても実施例１と同様な効果を奏することができる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加，削除，置換をすることが可能である。

１・・・永久磁石，２・・・コア（ポールピース），２ａ,２ｂ・・・突起，３・・・保持ブロック（分割保持ブロック），３ａ・・・溝，３ｂ・・・突起，３ｃ・・・溝，３ｄ・・・面（モータ回転軸との嵌合面），４，４ａ，４ｂ・・・当て板，５・・・コアブロック，６・・・ロータコア，７・・・バックヨーク部，８・・・ティース部，９・・・ステータコア，１０・・・コイル，１１・・・絶縁材，１５・・・モータ回転軸，２０・・・ロータ，２１・・・ステータ，３０・・・ボルト

本発明は、ステータとロータとを備え、ロータが複数の永久磁石と複数のコアを回転中心から見て放射状に交互に配置して構成され、複数のコアの半径方向の端部にそれぞれ形成された周方向に突出する突起により複数の永久磁石のそれぞれの半径方向の移動を規制するようにした永久磁石式同期モータにおいて、非磁性金属材料で成形され、環状に構成された保持ブロックを備え、複数のコアはそれぞれ保持ブロックに半径方向の移動が規制されるように保持され、保持ブロックは、周方向に分割されて構成されており、周方向に分割された各分割保持ブロックは、周方向端部において隣接する分割保持ブロックとそれぞれ連結されており、各分割保持ブロックは、モータ回転軸にボルトを用いて固定されていることを特徴とする。

また、上述の実施例では、保持ブロックは周方向にコアと同数に分割して構成されているが、分割数を少なくして、一つ保持ブロックに複数のコアを固定するようにしても良い。

Claims (9)

1. ステータとロータとを備え、前記ロータが複数の永久磁石と複数のコアを回転中心から見て放射状に交互に配置して構成され、前記複数のコアの半径方向の端部にそれぞれ形成された周方向に突出する突起により前記複数の永久磁石のそれぞれの半径方向の移動を規制するようにした永久磁石式同期モータにおいて、
   非磁性金属材料で成形され、環状に構成された保持ブロックを備え、
   前記複数のコアはそれぞれ前記保持ブロックに半径方向の移動が規制されるように保持され、
   前記保持ブロックは、モータ回転軸に固定されていることを特徴とする永久磁石式同期モータ。
2. 請求項１に記載の永久磁石式同期モータにおいて、
   非磁性金属材料で成形され、前記複数の永久磁石の軸方向の移動を規制するように形成され、前記保持ブロックの軸方向両側に取り付けられた当て板を有することを特徴とする永久磁石式同期モータ。
3. 請求項１または２記載の永久磁石式同期モータにおいて、
   前記永久磁石式同期モータは、インナーロータ型永久磁石式同期モータであり、
   前記永久磁石の半径方向の移動を規制する前記突起は、前記複数のコアのそれぞれの半径方向の先端部に設けられ、
   前記複数のコアのそれぞれの半径方向の根元部には、周方向に突出する突起が形成され、
   前記保持ブロックには、前記コアの根元部に形成された前記突起が嵌合される溝が形成されていることを特徴とする永久磁石式同期モータ。
4. 請求項１〜３の何れかに記載の永久磁石式同期モータにおいて、
   前記保持ブロックは、周方向に分割されて構成されており、周方向に分割された各分割保持ブロックは、周方向端部において隣接する分割保持ブロックとそれぞれ連結されていることを特徴とする永久磁石式同期モータ。
5. 請求項４に記載の永久磁石式同期モータにおいて、
   前記周方向に分割された分割保持ブロックは、一方の周方向端部に、突起が形成され、他方の周方向端部に、隣接する分割保持ブロックに形成された前記突起が挿入される溝が形成されていることを特徴とする永久磁石式同期モータ。
6. 請求項５に記載の永久磁石式同期モータにおいて、
   前記保持ブロックは、分割保持ブロックの数が、前記複数のコアと同じ数になるように分割されており、
   一つの前記分割保持ブロックに前記複数のコアの一つが固定されたコアブロックが複数形成され、
   前記コアブロック同士は、前記分割保持ブロックの周方向端部に形成された前記突起が、隣接する前記分割保持ブロックの周方向端部に形成された前記溝に挿入されて連結されていることを特徴とする永久磁石式同期モータ。
7. 請求項４〜６の何れかに記載の永久磁石式同期モータにおいて、
   前記分割保持ブロックは、隣接する前記分割保持ブロックとの間に隙間が設けられて連結されており、
   前記分割保持ブロックは、連結された前記分割保持ブロックを前記モータ回転軸に取り付けた際に、前記分割保持ブロック同士の連結部にガタつきがなくなるように、連結された前記分割保持ブロックの内径寸法が、前記モータ回転軸の外形寸法と同一またはそれ以下となるように構成されていることを特徴とする永久磁石式同期モータ。
8. 請求項１〜７の何れかに記載の永久磁石式同期モータにおいて、
   前記複数の永久磁石のそれぞれは、前記複数のコアと前記保持ブロックで形成される開空間に格納されており、軸方向から見た前記複数の永久磁石のそれぞれの外形寸法は、軸方向から見た前記開空間の寸法よりも小さいことを特徴とする永久磁石式同期モータ。
9. 請求項１〜８の何れかに記載の永久磁石式同期モータにおいて、
   前記複数の永久磁石および前記複数のコアの軸方向寸法を、前記保持ブロックの軸方向寸法と同一またはそれ以下としたことを特徴とする永久磁石式同期モータ。

Images