JPWO2018131402A1 - 永久磁石埋込型の回転子およびこれを備えた電動機 - Google Patents

Abstract

本永久磁石埋込型の回転子は、突極とヨークとを含む固定子鉄心に巻線が巻回されている固定子の突極に対し、ギャップを介して回転自在に配置され、複数の永久磁石が埋め込まれた回転子鉄心を備える。本回転子は、複数の鋼板を積み重ねて形成され、複数の埋設孔を有する回転子鉄心と、複数の埋設孔にそれぞれ収納保持された複数の永久磁石と、回転子鉄心の中央を貫通して延伸する回転軸とを備える。そして、本回転子は、複数の鋼板での両端部の少なくとも一方に配置される鋼板は、埋設孔において、複数の鋼板に対して外側へＬ字形状に折り曲げられた突出片を有している。

Description

本発明は、回転子鉄心に複数の永久磁石を所定間隔毎に埋め込んで構成される永久磁石埋込型の回転子およびこれを備えた電動機に関する。

従来、このような永久磁石埋込型の回転子の技術分野において、回転子への永久磁石の軸方向の位置決め方法、固定方法を工夫した提案がなされている（例えば特許文献１参照）。

図６は、このような従来の永久磁石埋込型の回転子の一例を示す断面拡大図である。図６に示す従来の回転子９２１は、複数の鋼板９３０を軸方向に積層してなる積層回転子鉄心の周方向に複数の埋設孔９２２が形成された略円柱形状の回転子鉄心９２３と、埋設孔９２２に収容される永久磁石９２４とを有している。そして、この従来の回転子９２１は、さらに、回転子鉄心９２３の軸方向端部の回転子鉄板９３１において、その埋設孔９２２を内側に変形させた変形部９３２を有している。図６に示す従来例では、このような構成とすることで、永久磁石９２４が埋設孔９２２の外部へ抜け出ることを防止している。

特開２０１３−３４３３５号公報

本発明の永久磁石埋込型の回転子は、突極とヨークとを含む固定子鉄心に巻線が巻回されている固定子の突極に対し、ギャップを介して回転自在に配置され、複数の永久磁石が埋め込まれた回転子鉄心を備える永久磁石埋込型の回転子である。本回転子は、複数の鋼板を積み重ねて形成され、複数の埋設孔を有する回転子鉄心と、複数の埋設孔にそれぞれ収納保持された複数の永久磁石と、回転子鉄心の中央を貫通して延伸する回転軸とを備える。そして、本回転子は、複数の鋼板での両端部の少なくとも一方に配置される鋼板は、埋設孔において、複数の鋼板に対して外側へＬ字形状に折り曲げられた突出片を有している。

このような構成とすることで、永久磁石の長さを積層した鋼板の厚さまで長くすることが可能であり、高トルク化が可能となる。

また、永久磁石埋込型の回転子においては、回転子鉄心の鉄心箇所に漏洩磁束が発生し、高トルク化を妨げている。さらに、上述のような従来構造では、積層鋼板の厚み方向において、永久磁石の長さよりも回転子鉄心の長さが大きく、漏洩磁束がさらに大きくなる。これに対し、本発明のような突出片を設け、永久磁石を押さえている部分を回転子鉄心から飛び出させる構造とすることで、永久磁石の長さを回転鉄心部の厚みまで最大限大きくできる。すなわち、永久磁石と回転子鉄心との軸方向の長さの差を小さくすることで、漏洩磁束を低減し、高トルク化を図ることができる。

また、永久磁石における軸方向の位置が一意に決定されるため、永久磁石の発生する磁束による回転ムラの抑制や、センシングをする際の位相検知ずれの抑制も合わせて図ることができる。

このように、本発明の永久磁石埋込型の回転子は、搭載できる磁石量を増加し、かつ磁石の漏れ磁束を低減することができる。このため、本発明によれば、電動機の更なる高トルク化が可能となる。

図１は、本発明の実施の形態に係る永久磁石埋込型の回転子を備えた電動機の軸心方向の断面図である。 図２は、本発明の実施の形態に係る永久磁石埋込型の回転子を備えた電動機の底面図である。 図３は、本発明の実施の形態に係る永久磁石埋込型の回転子と固定子鉄心との配置関係を示す図である。 図４Ａは、本発明の実施の形態に係る永久磁石埋込型の回転子の断面の拡大図である。 図４Ｂは、本発明の実施の形態に係る永久磁石埋込型の回転子の端部の拡大図である。 図５Ａは、本発明の実施の形態に係る永久磁石埋込型の回転子の断面拡大図である。 図５Ｂは、本発明の他の実施の形態に係る永久磁石埋込型の回転子の断面拡大図である。 図６は、従来の永久磁石埋込型の回転子の断面拡大図である。

本発明の永久磁石埋込型の回転子は、後述するように、搭載できる磁石量を増加させるとともに、磁石の漏れ磁束を低減させており、これによって、電動機の更なる高トルク化を図っている。

つまり、上述のような技術を含む従来の手法は、次のような改善すべき点があった。すなわち、従来の手法では、回転子鉄板を１枚もしくは複数枚を径方向側に変形させることにより永久磁石の抜け防止構造を形成している。ところが、回転子の軸方向に、この抜け防止構造が形成された回転子鉄板が存在している。このため、回転子の小型化、短軸化を妨げる要因となる。また、この抜け防止用の回転子鉄板部分には、永久磁石が存在しない。このため、永久磁石を長くできないことにより、トルクが低下し、さらに、この抜け防止用の回転子鉄板が存在することにより、永久磁石の漏洩磁束が増加してしまう。そして、これら要因によって、小型化や高出力化が阻まれる。

また、回転位置を検出するために、永久磁石の発生する磁束を使用するような構造の場合、永久磁石と回転位置の検出部との間に鉄心が存在する。このため、発生した磁束が鉄心に漏洩し、回転位置の検出部分で磁束が弱まり、位置検出にずれが発生し、その結果、制御性が悪化するおそれもある。

そこで、本発明の実施の形態では、回転子に搭載できる磁石量を増加させ、かつ磁石の漏れ磁束を低減して、電動機の更なる高トルク化を可能としている。

以下、本発明の実施の形態について、図を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態に係る永久磁石埋込型の回転子を備えた電動機の軸心方向の断面図であり、図２は、同電動機の底面図であり、図３は、同永久磁石埋込型の回転子と固定子鉄心との配置関係を示す図である。

本実施の形態に係る電動機１０は、図１および図２に示すように、固定子１１と回転子２１とを備えている。

固定子１１は、図１および図２に示すように、複数の薄板状の鋼板が積層された固定子鉄心１４と、インシュレータ２９を介して固定子鉄心１４に巻回された巻線１８とを含む。固定子鉄心１４は、図３に示すように、ヨーク１２と、ヨーク１２の内周側に突出するように形成された複数の突極であるティース１３と、隣り合うティース１３間に形成された複数のスロット１５とを有する。巻線１８は、固定子鉄心１４に集中巻巻線または、分布巻巻線にて巻回され、スロット１５に収納されている。本実施の形態では、図３に示すような１２個のティース１３、すなわち１２スロットの固定子１１とした一例を示している。

回転子２１は、図１および図２に示すように、複数の埋設孔２２が形成された回転子鉄心２３と、それぞれの埋設孔２２に埋設された永久磁石２４と、回転子鉄心２３の中央を貫通して延伸する回転軸１７とを含む。

なお、以下、回転軸１７が延伸する方向を軸方向とし、この軸方向に直交する面において、回転軸１７の中心から広がる方向を径方向、中心を周回する方向を周方向として説明する。

回転子鉄心２３は、複数の薄い鋼板３０を軸方向に積層して形成されている。また、それぞれの鋼板３０には、周方向に等間隔で、複数の埋設孔部が形成されている。そして、この埋設孔部どうしが重なるように各鋼板３０を積み重ねることで、図１〜図３に示すように、回転子鉄心２３において埋設孔２２が形成される。これらの埋設孔２２は、永久磁石２４を埋設するための永久磁石埋設孔であり、回転子２１の磁極を形成するための永久磁石２４が、それぞれの埋設孔２２に収納され、保持されている。このように、本実施の形態の回転子２１は、永久磁石埋込型の回転子である。また、本実施の形態では、図２に示すように、１０個の埋設孔２２を形成し、１０個の永久磁石２４を１つずつ収納する一例を挙げて説明する。

以上、このように構成された回転子２１は、図１に示すように、回転軸１７の２箇所で、軸受１９により回転自在に支持されながら、図２に示すように、固定子１１のティース１３の内周面とエアギャップ１６を介して対向している。また、このような固定子１１および回転子２１が筐体２０内に収納され、電動機１０が構成される。

そして、さらに、本実施の形態では、回転子鉄心２３は、図１および図２に示すように、その軸方向端部において、複数の突出片３２を有した端板３１を備えている。これら突出片３２は、端板３１のみにおいて、各埋設孔２２の開口端から鋼板材料が伸びるように形成されている。本実施の形態では、永久磁石２４の埋設位置を規制する規制機構として、これら突出片３２を設けている。なお、回転子鉄心２３をなす積層された部材の一部で、例えば端板３１のような端部の部材は、鋼板ではなく鉄板でもよい。

図４Ａは、本発明の実施の形態に係る永久磁石埋込型の回転子の横断面の拡大図であり、図４Ｂは、同回転子の端部の拡大図である。また、図５Ａは、本発明の実施の形態に係る永久磁石埋込型の回転子の縦断面の拡大図であり、図５Ｂは、本発明の他の実施の形態に係る永久磁石埋込型の回転子の縦断面の拡大図である。

次に、図４Ａ、図４Ｂおよび図５Ａを参照しながら、永久磁石２４を埋設孔２２に収納、保持する詳細な構成について説明する。

上述したように、回転子鉄心２３の端部以外、すなわち各鋼板３０では、図４Ａの回転子鉄心２３の断面図に示すように、埋設孔２２に永久磁石２４が挿入された構造となっている。ここで、それぞれの永久磁石２４は、例えば接着剤や樹脂などにより回転子鉄心２３に固定される。

そして、上述したとおり本実施の形態では、回転子鉄心２３の端部である端板３１は、図４Ｂに示すように、端板３１の軸方向外側の面において、埋設孔２２の開口端から鋼板材料が伸びる突出片３２を有している。突出片３２は、軸方向から見ると、埋設孔２２や永久磁石２４を部分的に覆うように配置される。より詳細には、突出片３２は、図４Ｂに示すように、埋設孔２２の径方向内側の開口端において、その中央付近から部分的に永久磁石２４の方へと伸びている。また、突出片３２は、周方向から見ると、図５Ａに示すように、端板３１の端面からさらに軸方向外側へＬ字状に折り曲げた形状を成している。すなわち、より詳細には、突出片３２は、回転子鉄心２３から遠ざかる側へと軸方向に折り曲げられた折曲部３２ｂと、折曲部３２ｂから埋設孔２２を塞ぐ方向に突出した突起部３２ｅを含むように形成されている。さらに詳細には、折曲部３２ｂは、突出片３２の鋼板材料が、端板３１の外側の面から軸方向外側に折り曲げられた第１の折曲部３２ｂ１と、第１の折曲部３２ｂ１のさらに先端側において、端板３１の面に平行となるように径方向に折り曲げられた第２の折曲部３２ｂ２とで構成される。そして、第２の折曲部３２ｂ２のさらに先端側が、径方向外周側へと端板３１の面に平行して延伸する突起部３２ｅとなる。

そして、永久磁石２４に対して良好に位置規制するとともに漏洩する磁束量の低減を図るため、本実施の形態では、折曲部３２ｂの軸方向の長さを端板３１の厚みと略等しくしている。言い換えると、突起部３２ｅでの永久磁石２４に接触する面、すなわち突起部３２ｅの内側の面と、端板３１の外側の面とを、図５Ａに示すように、軸方向において略等しい位置関係となるように折曲部３２ｂを形成している。

なお、本実施の形態では、回転子鉄心２３の軸方向両端部の一方側のみに、突出片３２を含む端板３１を配置した一例を挙げているが、両端部の少なくとも一方に端板３１を配置する構成であればよい。図５Ｂでは、回転子鉄心２３の軸方向両端部それぞれに、端板３１を配置した構成例を示している。また、これら突出片３２は、例えば折り曲げ工程を含むプレス加工にて折り曲げられて、形成されている。

以上のように、本実施の形態では、回転子鉄心２３の端板３１における埋設孔２２に、永久磁石２４の位置規制構造として、鋼板の一部が飛び出すような構造の突起部３２ｅを含む突出片３２を設けており、これによって、永久磁石２４が軸方向に一意に位置決めされる構成としている。

特に、本実施の形態では、図５Ａに示すように、永久磁石２４の位置規制構造として、回転子２１の軸方向外側へＬ字形状に折り曲げた突出片３２としている。すなわち、図６に示した従来構成との比較でも明らかなように、このような構成とすることで、鋼板の積層数を増やすことなく、永久磁石２４の長さを大きくすることができ、かつ一意に位置決めすることが可能となる。

しかも、永久磁石２４と回転子鉄心２３の軸方向長さの差を小さくすることができるため、回転子鉄心２３に漏洩する磁束量を低減でき、高出力化が可能となる。

さらに、位置検出を目的として回転子鉄心２３の外径から発生する磁束を検出する構造において、図６に示す従来の構造では、軸方向に流れ出す磁束量が少なく、センシング精度が悪化していた。これに対し、図５Ａに示すような本実施の形態の構成においては、軸方向の回転子鉄心２３の端部の位置と永久磁石２４の端部の位置を一致させることが可能となる。このため、軸方向に流れ出る磁束量を大きくすることができ、センシング精度を向上させることができる。

また、永久磁石２４の固定は、接着材や樹脂によるものだけではなく、例えば図５Ｂに示すように、突出片３２を有する端板３１を両端部に設け、永久磁石２４を挟み込むことで、永久磁石２４の固定もしくは飛び出しの防止の効果が実現できる。

なお、本実施の形態においては、回転子２１の極数は１０であり、固定子１１のスロット数は１２である一例示して説明したが、本発明はこの組合せに限定されるものではなく、その他の組合せについても適用できる。

また、永久磁石２４は平板形状の場合を示しているが、この形状に限定されるものではなく、Ｕ字型形状、Ｖ字型形状、カマボコ形状など、任意の永久磁石形状についても適用できる。永久磁石材質も、ネオジム焼結磁石、ネオジムボンド磁石、フェライト焼結磁石、フェライトボンド磁石など、任意の材質についても適用できる。

さらに、内転（インナロータ）型の電動機の一例を挙げて説明したが、言うまでもなく外転（アウタロータ）型の電動機においても同じことが言える。一般的に、外転型の電動機は回転子が固定子よりも外径側にあるため、同じ出力の場合、内転型に比べ使用する磁石量を多くすることができ、電動機の軸方向厚さを小さくすることができる。軸方向厚さが小さくなることで、永久磁石を固定する方法として本構成を用いることで、相対的に搭載可能な磁石の増加率が大きくなり、高出力化の効果が大きくなる。

上記の実施の形態は一例に過ぎず、本発明はこれに限定されず、適宜変更することができる。例として、上記の実施の形態の構成の一部を公知の他の構成に置き換えてもよい。また上記の実施の形態で言及されていない構成は任意であり、例えば公知の構成を適宜選択して本発明に組み合わせることができる。

本発明の利用分野は、特に制限はなく、例えば永久磁石埋込型の回転子およびそれを備えた電動機として広範囲に利用することができる。

１０ 電動機
１１ 固定子
１２ ヨーク
１３ ティース
１４ 固定子鉄心
１５ スロット
１６ エアギャップ
１７ 回転軸
１８ 巻線
１９ 軸受
２０ 筐体
２１，９２１ 回転子
２２，９２２ 埋設孔
２３，９２３ 回転子鉄心
２４，９２４ 永久磁石
２９ インシュレータ
３０，９３０ 鋼板
３１ 端板
３２ 突出片
３２ｂ 折曲部
３２ｂ１ 第１の折曲部
３２ｂ２ 第２の折曲部
３２ｅ 突起部
９３１ 回転子鉄板
９３２ 変形部

Claims (5)

1. 突極とヨークとを含む固定子鉄心に巻線が巻回されている固定子の前記突極に対し、ギャップを介して回転自在に配置され、複数の永久磁石が埋め込まれた回転子鉄心を備える永久磁石埋込型の回転子であって、
   複数の鋼板を積み重ねて形成され、複数の埋設孔を有する前記回転子鉄心と、
   前記複数の埋設孔にそれぞれ収納保持された前記複数の永久磁石と、
   前記回転子鉄心の中央を貫通して延伸する回転軸とを備え、
   前記複数の鋼板での両端部の少なくとも一方に配置される鋼板は、前記埋設孔において、前記複数の鋼板に対して外側へＬ字形状に折り曲げられた突出片を有している永久磁石埋込型の回転子。
2. 前記突出片を有する鋼板は、前記複数の埋設孔それぞれを塞ぐ方向に突出した複数の突起部を有している請求項１に記載の永久磁石埋込型の回転子。
3. 前記複数の突起部のそれぞれは、前記埋設孔に埋設された永久磁石の端部を覆うように前記永久磁石と重なる請求項２に記載の永久磁石埋込型の回転子。
4. 前記突出片は、プレス加工にて折り曲げられている請求項１から３のいずれか一項に記載の永久磁石埋込型の回転子。
5. 前記突極と前記ヨークとを含む前記固定子鉄心に前記巻線が巻回されている前記固定子と、請求項１に記載の永久磁石埋込型の回転子とを備えた電動機。

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