JPWO2017212575A1 - 永久磁石モータ - Google Patents

Abstract

永久磁石モータにおいて、ステータは、ステータ鉄心と、ステータ鉄心に装着されている複数の巻線とを有している。ロータは、回転軸と、回転軸に固定されているロータ鉄心と、ロータ鉄心に固定されている複数の永久磁石とを有している。ロータには、ステータ鉄心に対向する複数のロータ磁極が形成されている。少なくとも一部のロータ磁極は、ロータ鉄心により構成されている。ロータ鉄心の軸方向長さ及び永久磁石の軸方向長さは、ステータ鉄心の軸方向長さよりも長い。

Description

この発明は、例えば電動パワーステアリング装置に用いられる永久磁石モータに関するものである。

従来の永久磁石モータでは、ロータ鉄心に複数の磁石挿入穴が設けられている。磁石挿入穴には、永久磁石がそれぞれ挿入されている。また、ステータ鉄心の軸方向長さと永久磁石の軸方向長さとが同じになっており、かつロータ鉄心の軸方向長さが永久磁石の軸方向長さよりも長くなっている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１４−１６５９７１号公報

上記のような従来の永久磁石モータでは、ロータ鉄心の軸方向長さが永久磁石の軸方向長さよりも長いため、磁石挿入穴に空隙が生じ、空隙を挟んで対向する磁石挿入穴の壁間の磁気抵抗が、対向するロータ鉄心のコア端を軸方向に回り込む磁気抵抗よりも小さくなる。このため、ロータ鉄心内で循環する漏れ磁束が増加し、永久磁石の主磁束が減少し、トルクも減少する。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、少なくとも一部のロータ磁極がロータ鉄心で構成されている永久磁石モータにおいて、全体の軸方向長さを長くすることなく、トルクに寄与する主磁束を増加させることができる永久磁石モータを得ることを目的とする。

この発明に係る永久磁石モータは、ステータ鉄心と、ステータ鉄心に装着されている複数の巻線とを有しているステータ、及び回転軸と、回転軸に固定されているロータ鉄心と、ロータ鉄心に固定されている複数の永久磁石とを有しており、かつ前記ステータ鉄心に対向する複数のロータ磁極が形成されており、回転軸を中心として回転するロータを備え、少なくとも一部のロータ磁極がロータ鉄心により構成されており、ロータ鉄心の軸方向長さ及び永久磁石の軸方向長さが、ステータ鉄心の軸方向長さよりも長い。

この発明の永久磁石モータは、ロータ鉄心の軸方向長さ及び永久磁石の軸方向長さが、ステータ鉄心の軸方向長さよりも長いので、少なくとも一部のロータ磁極がロータ鉄心で構成されている永久磁石モータにおいて、全体の軸方向長さを長くすることなく、トルクに寄与する主磁束を増加させることができる。

この発明の実施の形態１による永久磁石モータの軸線に沿う断面図である。 図１のロータの軸線に直角な断面を示す断面図である。 実施の形態１のロータの構造の第１の変形例を示す断面図である。 実施の形態１のロータの構造の第２の変形例を示す断面図である。 実施の形態１のロータの構造の第３の変形例を示す断面図である。 この発明の実施の形態２による永久磁石モータのステータ鉄心の軸線に直角な断面を示す断面図である。 実施の形態２のステータ鉄心の構造の第１の変形例を示す断面図である。 実施の形態２のステータ鉄心の構造の第２の変形例を示す断面図である。 この発明の実施の形態３による永久磁石モータの軸線に沿う断面図である。

以下、この発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による永久磁石モータの軸線に沿う断面図、図２は図１のロータの軸線に直角な断面を示す断面図である。図において、円筒状のハウジング１の内周面には、電機子であるステータ２が固定されている。ステータ２の内側には、ロータ３が設けられている。ステータ２とロータ３との間には、磁気的空隙が設けられている。

ステータ２は、磁性体からなる円筒状のステータ鉄心４と、ステータ鉄心４に装着されている複数の巻線５とを有している。ステータ鉄心４は、例えば複数の電磁鋼板を積層して構成されている。また、ステータ鉄心４は、円環状のコアバック４ａ（図６参照）と、コアバック４ａから半径方向内側に突出している複数のティース４ｂ（図６参照）とを有している。ティース４ｂは、ステータ鉄心４の周方向に互いに等間隔をおいて配置されている。

隣り合うティース４ｂの間には、それぞれスロットが形成されている。巻線５は、ティース４ｂに巻き付けられており、かつ、スロットに納められている。ステータ２の軸方向両端には、巻線５のコイルエンドがそれぞれ配置されている。

ロータ３は、回転軸６と、回転軸６に固定されている円筒状のロータ鉄心７と、ロータ鉄心７に固定されている複数の板状の永久磁石８とを有しており、回転軸６を中心として回転する。回転軸６は、第１の軸受９及び第２の軸受１０を介してハウジング１に回転可能に支持されている。ロータ鉄心７は、例えば複数の電磁鋼板を積層して構成されている。

ロータ鉄心７には、複数の磁石挿入穴７ａが設けられている。磁石挿入穴７ａは、ロータ鉄心７の周方向に互いに等間隔をおいて配置されている。永久磁石８は、それぞれ磁石挿入穴７ａ内に挿入されている。これにより、ステータ鉄心４に対向するロータ３の外周面には、軟磁性体製のロータ鉄心７からなる複数のロータ磁極７ｂが形成されている。

ロータ鉄心７の軸方向長さ（図１の上下方向寸法）は、ステータ鉄心４の軸方向長さ（図１の上下方向寸法）よりも長い。例えば、ロータ鉄心７を構成する電磁鋼板の厚みがステータ鉄心４を構成する電磁鋼板の厚みと同じ場合、ロータ鉄心７の電磁鋼板の積層枚数は、ステータ鉄心４の電磁鋼板の積層枚数よりも多い。

ロータ３の軸方向の永久磁石８の長さ、即ち永久磁石８の軸方向長さ（図１の上下方向寸法）は、ステータ鉄心４の軸方向長さよりも長く、ロータ鉄心７の軸方向長さよりも短い。

このような永久磁石モータでは、永久磁石８の軸方向長さがロータ鉄心７の軸方向長さよりも短いため、磁石挿入穴７ａを介して発生する漏れ磁束（図１の矢印２０ｂ）の分だけ、トルクに寄与する主磁束（図１の矢印２０ａ）が減少する。しかし、永久磁石８の軸方向長さがステータ鉄心４の軸方向長さよりも長いため、ロータ鉄心７の表面を介してステータ鉄心に流れる主磁束（図１の矢印２０ｃ）の量を、ステータ鉄心４の軸方向長さを長くせずに増加できるので、モータを高出力化することができる。

また、ステータ２の軸方向両端にはコイルエンドが存在するため、ステータ２の軸方向長さはロータ３の軸方向長さよりも長い。このため、モータ全体の軸方向長さは、ステータ２の軸方向長さによって決まると言える。ロータ３のコイルエンドと対向する部分には回転軸６しかなかったので、この空間にロータ鉄心７及び永久磁石８を配置することで、モータの軸方向長さを長くせずにモータを高出力化することができる。

特に、燃費に影響する重量、及びエンジンルームなどへの搭載性が重視される電動パワーステアリング用モータでは、重量増加とモータサイズの大型化とを回避しつつ、高出力化することができるため、トルクリップルを小さくし、ドライバーの操舵力に対するアシストトルクを改善できる。これにより、ドライバーの操舵フィーリングを改善し、快適な操舵性を実現することができる。

巻線５は、集中巻線でも分布巻線でもよいが、コイルエンド長さが集中巻線に比べて長くなる分布巻線では、コイルエンドに対向する空間が大きいので、特に効果的である。

このように、本実施の形態の構成によれば、ロータ磁極７ｂがロータ鉄心７で構成されている永久磁石モータにおいて、全体の軸方向長さを長くすることなく、トルクに寄与する主磁束を増加させることができる。

また、本実施の形態では、ステータ鉄心４の軸方向長さよりも永久磁石８の軸方向長さが長いが、ロータ表面のロータ鉄心７の一部を主磁束２０ｃが軸方向に流れて、ステータ鉄心４に流れる。一般に、表面磁石型ロータと呼ばれるロータ、即ちロータ表面にロータ鉄心の無いロータでは、空隙の透磁率は鉄心に比べて極めて小さいため、主磁束を増加できる効果も小さいが、本実施の形態の磁石埋め込み型ロータでは、主磁束を増加できる効果が大きくなる。

さらに、上記のように、ロータ鉄心７の軸方向長さよりも永久磁石８の軸方向長さが短い場合、ロータ鉄心７の軸方向両端に非磁性材製のカバー（図示せず）を設けてもよい。これにより、着磁する前の永久磁石８を接着材などでロータ鉄心７内に固定しなくとも、永久磁石８がロータ３外へ飛び出すのを阻止することができ、永久磁石８を着磁するまでの組み立て時の取り扱いが容易となる。

なお、永久磁石８の軸方向長さを、ロータ鉄心７の軸方向長さと同じにしたり、ロータ鉄心７の軸方向長さよりも長くしたりしてもよい。

ロータ鉄心７の軸方向長さよりも永久磁石８の軸方向長さが長い場合、磁石挿入穴７ａには磁気抵抗の小さな空隙が存在せず、ロータ鉄心７の両端部を回り込む漏れ磁束（図１の矢印２０ｄ）が発生するが、磁気抵抗が大きいため、漏れ磁束量を小さくでき、トルクに寄与する主磁束の減少を抑えることができる。また、永久磁石８が長いので、ステータ鉄心４の軸方向長さを長くせずにモータを高出力化できる。さらに、コイルエンドに対向する空間を利用してロータ鉄心７及び永久磁石８を長くするので、モータの軸方向長さを長くせずにモータを高出力化することができる。

ここで、図３はロータ３の構造の第１の変形例を示す断面図、図４はロータ３の構造の第２の変形例を示す断面図、図５はロータ３の構造の第３の変形例を示す断面図である。実施の形態１の構成は、図２〜４に示すような磁石埋め込み型ロータだけでなく、図６に示すような１極がロータ鉄心７で構成されるコンシクエント（consequent）型ロータにも適用でき、主磁束を増加できる効果が得られることは自明である。

実施の形態２．
次に、図６はこの発明の実施の形態２による永久磁石モータのステータ鉄心４の軸線に直角な断面を示す断面図である。本実施の形態では、周方向に分割された複数の分割鉄心１１を円環状に組み合わせて一体化することにより、ステータ鉄心４が構成されている。隣り合う分割鉄心１１は、分割面４ｃで、溶接等により互いに接続され固定されている。図６では、ステータ鉄心４がティース４ｂ毎に分割されている。他の構成は、実施の形態１と同様である。

このようなステータ鉄心４では、分割鉄心１１を一体化するときの位置決めずれ、及び電磁鋼板の板厚偏差などによる積層厚さのばらつきにより、ステータ鉄心４の軸方向位置が上下に大きくずれることがある。

しかし、実施の形態１と同様に、ステータ鉄心４の軸方向長さよりもロータ鉄心７の軸方向長さ及び永久磁石８の軸方向長さが長いため、これらの軸方向位置のずれを考慮したロータ長さとすることで、ステータ鉄心４の軸方向両端が必ずロータ鉄心７に対向することになる。このため、主磁束が流れにくくなることを防止でき、組み立て時の位置決め精度の緩和、及び電磁鋼板の板厚偏差の緩和が可能となる。

特に、全世界でグローバルに調達し製造する車両用モータでは、実施の形態１の効果に加えて、製造設備を簡易化できるとともに、調達コストを低減できるという効果が得られる。

ここで、図７は実施の形態２のステータ鉄心４の構造の第１の変形例を示す断面図である。図７では、ステータ鉄心４が３つのティース４ｂ毎に周方向に分割されている。このような構成でも、図６の構成と同様の効果が得られる。

また、図８は実施の形態２のステータ鉄心４の構造の第２の変形例を示す断面図である。図８では、ステータ鉄心４が円環状のコアバック４ａとティース４ｂとに分割されている。

図８のように半径方向に分割されたステータ鉄心４においても、コアバック４ａとティース４ｂとを一体化するときの位置決めずれ、及び電磁鋼板の板厚偏差などによる積層厚さのばらつきにより、ステータ鉄心４の軸方向位置が上下に大きくずれる。

しかし、ステータ鉄心４の軸方向長さよりもロータ鉄心７の軸方向長さ及び永久磁石８の軸方向長さが長いため、図６の構成と同様の効果が得られる。

なお、ステータ鉄心４の分割数は上記の例に限定されない。
また、ステータ鉄心４は、周方向及び半径方向の両方向に分割してもよい。

実施の形態３．
次に、図９はこの発明の実施の形態３による永久磁石モータの軸線に沿う断面図である。本実施の形態では、ロータ３が軸方向に複数段に分割され、かつ、スキューされている。他の構成は、実施の形態１又は２と同様である。一例として２段スキューのロータについて説明する。

一般に、ロータを段スキューすることで、コギングトルク及びトルクリップルといった回転による脈動を低減できる。しかしながら、ステータ鉄心とロータ鉄心の長さが同じ場合には、お互いが軸方向にずれると、一方のステータ鉄心の端部がロータに対向しなくなるため、上下段の２段で合わせて打ち消していた脈動が顕在化して現れてしまう。

これに対して、本実施の形態では、ステータ鉄心４の軸方向長さよりもロータ鉄心７及び永久磁石８の軸方向長さが長いため、軸ずれを吸収して脈動の悪影響を低減できる。

特に、電動パワーステアリング用モータでは、脈動の悪影響を低減することで、振動騒音を低減できるとともに、操舵フィーリングを改善でき、ドライバーに快適な操舵を提供できる。

なお、ステータ２を多重多相巻線構造とし、多重巻線の通電位相を互いにずらして、トルクリップルをキャンセルする構成としてもよい。これにより、脈動をさらに低減でき、需要が急増しているハイブリッド車及び電気自動車のモータ駆動時の騒音振動低減に効果的である。

また、上記の例では、ステータ２の内側にロータ３が配置されているが、この発明は、ステータの外側にロータが配置されているモータにも適用できる。

Claims (4)

1. ステータ鉄心と、前記ステータ鉄心に装着されている複数の巻線とを有しているステータ、及び
   回転軸と、前記回転軸に固定されているロータ鉄心と、前記ロータ鉄心に固定されている複数の永久磁石とを有しており、かつ前記ステータ鉄心に対向する複数のロータ磁極が形成されており、前記回転軸を中心として回転するロータ
   を備え、
   少なくとも一部の前記ロータ磁極が前記ロータ鉄心により構成されており、
   前記ロータ鉄心の軸方向長さ及び前記永久磁石の軸方向長さが、前記ステータ鉄心の軸方向長さよりも長い永久磁石モータ。
2. 前記ステータ鉄心が周方向に複数に分割され一体化されている請求項１記載の永久磁石モータ。
3. 前記ステータ鉄心が半径方向に複数に分割され一体化されている請求項１又は請求項２に記載の永久磁石モータ。
4. 前記ロータは、軸方向に複数段に分割され、かつスキューされている請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の永久磁石モータ。

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