JPWO2022219923A5 - - Google Patents

Description

本開示は、家庭用電気機器、産業用機器をはじめとして種々の機器に用いられている回転子及び電動機に関する。

電動機は、家庭用機器又は産業用機器等の様々な電気機器に用いられている。電動機として、ＩＰＭ（Ｉｎｔｅｒｉｏｒ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ）モータが知られている。ＩＰＭモータの回転子は、例えば、回転子鉄心と、回転子鉄心に設けられた複数の磁石配置穴の各々に配置された永久磁石と、回転子鉄心を貫通するようにして回転子鉄心の中心に固定された回転軸とを備える。ＩＰＭモータでは、回転子の永久磁石で発生する磁束を固定子に通すことで回転子を回転させるトルクを発生させている。

従来、この種のモータとして、回転子鉄心の複数の磁石配置穴が放射状に設けられた回転子を備えるスポーク型のＩＰＭモータが知られている（特許文献１）。スポーク型のＩＰＭモータでは、径方向の長さが円周方向の長さに比べて長い永久磁石を有しているので永久磁石の表面積を増やすことができる。これにより、固定子を通る永久磁石の磁束、つまりトルクに寄与する永久磁石の磁束を増加させることができる。

特開２０１７－４６３８６号公報

従来の回転子では、磁石配置穴への永久磁石の挿入性を高めるために、回転子鉄心と永久磁石との間に所定のスペースを設けることがある。この場合、磁石配置穴に永久磁石を挿入すると、永久磁石は磁力で左右（軸方向から見て周方向の左右）どちらかの磁石配置穴の内面に吸着する。それぞれの磁石配置穴において、この永久磁石の吸着箇所が周方向でばらつくと、各永久磁石での他の永久磁石との磁極の磁束密度量の差が大きくなるため、トルクリップルが高くなるという問題を有していた。

本開示は、以上のような問題を解決するものであり、トルクリップルを低減できる回転子及び電動機を提供することを目的とする。

本開示の第１の態様に係る回転子は、複数の磁石配置穴を有する回転子鉄心と、それぞれ前記複数の磁石配置穴の内部に配置された複数の永久磁石と、前記回転子鉄心に固定された回転軸と、を備え、前記複数の磁石配置穴の各々の前記回転軸の回転方向において対向する内面のうち一方の内面に突起部が設けられている。

本開示の第２の態様に係る回転子は、複数の磁石配置穴を有する回転子鉄心と、それぞれ前記複数の磁石配置穴の内部に配置された複数の永久磁石と、前記回転子鉄心に固定された回転軸と、を備え、前記複数の磁石配置穴の各々の前記回転軸の回転方向において対向する内面のうち一方の内面と接する角部が他方の内面と接する角部より径が大きなＲ形状となっている。すなわち、前記複数の磁石配置穴の各々は、前記回転軸の回転方向において対向する内面のうち一方の内面と接する角部の曲率半径が他方の内面と接する角部の曲率半径より大きい形状となっている。

本開示の第３の態様に係る電動機は、第１、第２の態様のいずれか回転子と、それぞれ前記回転子に対向して配置され、前記回転子に作用する磁力を発生させる固定子と、を備えている。

本開示によれば、トルクリップルを低減できる回転子及び電動機を提供することが可能である。

本開示の一実施の形態に係る電動機の斜視図 同電動機の回転子の斜視図 同電動機の回転子の主要部の平面図 同電動機の回転子の他の実施の形態における主要部の平面図 同電動機の回転子の平面図 比較例の電動機の回転子の平面図

以下、本開示の実施の形態について説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、いずれも本開示の一具体例を示すものである。したがって、以下の実施の形態で示される、数値、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、並びに、工程及び工程の順序等は、一例であって本開示を限定する主旨ではない。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、本開示の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。

また、各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。なお、各図において、他の図と実質的に同一の構成に対しては同一の符号を付しており、重複する説明は省略又は簡略化する。

（実施の形態）
まず、実施の形態に係る電動機１の概略構成について、図１を用いて説明する。図１は、実施の形態に係る電動機１の斜視図である。

図１に示すように、電動機１は、回転子２と固定子３とを備える。本実施の形態における電動機１は、回転子２が固定子３の内側に配置されたインナーロータ型のモータである。つまり、固定子３は、回転子２を囲むように構成されている。

回転子２（ロータ）は、固定子３に生じる磁力によって回転する。具体的には、回転子２は、回転軸１０を有しており、回転軸１０の軸心Ｃを回転中心として回転する。

回転子２は、固定子３に作用する磁力を発生する。回転子２は、周方向に亘って主磁束となるＮ極とＳ極とが複数繰り返して存在する構成になっている。本実施の形態において、回転子２が発生する主磁束の向きは、回転軸１０の軸心Ｃの方向（回転軸方向）と直交する方向である。つまり、回転子２が発生する主磁束の向きは、ラジアル方向（径方向）である。

回転子２は、固定子３とエアギャップを介して配置されている。具体的には、回転子２の表面と固定子３の表面との間には微小なエアギャップが存在する。詳細は後述するが、回転子２は、鉄心に永久磁石が埋め込まれた永久磁石埋め込み型のロータ（ＩＰＭロータ）である。したがって、本実施の形態における電動機１は、ＩＰＭモータである。

固定子３（ステータ）は、エアギャップを介して回転子２に対向して配置され、回転子２に作用する磁力を発生させる。具体的には、固定子３は、回転子２の回転子鉄心２０を囲むように配置されている。固定子３は、回転子２とともに磁気回路を構成している。

固定子３は、エアギャップ面に主磁束としてＮ極とＳ極とが周方向に交互に生成されるように構成されている。本実施の形態において、固定子３は、固定子鉄心３ａ（ステータコア）と巻線コイル３ｂ（ステータコイル）とを有する。

固定子鉄心３ａには、回転子２の回転子鉄心２０に向かって突出する複数のティース３ａ１が設けられている。具体的には、複数のティース３ａ１は、回転軸１０の軸心Ｃに向かって突出するように設けられている。また、複数のティース３ａ１は、周方向に等間隔に設けられている。したがって、複数のティース３ａ１は、回転軸１０の軸心Ｃと直交する方向（ラジアル方向）に放射状に延在している。

固定子鉄心３ａは、例えば、回転軸１０の軸心Ｃの方向に積層された複数の鋼板によって構成されている。複数の鋼板の各々は、例えば所定形状に打ち抜き加工された電磁鋼板である。なお、固定子鉄心３ａは、複数の鋼板の積層体に限るものではなく、磁性材料によって構成されたバルク体であってもよい。

巻線コイル３ｂは、固定子鉄心３ａの複数のティース３ａ１の各々に巻き回されている。具体的には、巻線コイル３ｂは、インシュレータを介して各ティース３ａ１に巻き回されている。各巻線コイル３ｂは、互いに電気的に１２０度位相が異なる、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相の３相それぞれの単位コイルによって構成されている。つまり、各ティース３ａ１に巻き回された巻線コイル３ｂは、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相の相単位でそれぞれに通電される３相の交流によって通電駆動される。これにより、各ティース３ａ１に固定子３の主磁束が生成される。

なお、巻線コイル３ｂは、表面に絶縁被膜が施された銅等の金属材料からなる断面が円形または矩形の巻線で構成されている。

このように構成された電動機１では、固定子３の巻線コイル３ｂに通電すると、界磁電流が巻線コイル３ｂに流れて磁界が生成される。これにより、固定子３から回転子２に向かう磁束が生成される。一方、回転子２では、固定子３に向かう磁束が生成される。つまり、回転子２の永久磁石によって固定子３を通る磁束が生成される。この固定子３で生成される磁束と回転子２で生成される磁束との相互作用によって生じた磁気力が回転子２を回転させるトルクとなり、回転子２が回転軸１０を中心に回転する。

次に、本実施の形態に係る回転子２の詳細な構成について、図１を参照しつつ、図２及び図３を用いて説明する。図２は、実施の形態に係る回転子２の斜視図である。図３は、実施の形態に係る回転子２の主要部の平面図である。図２、図３では回転軸１０は省略している。

図１～図３に示すように、回転子２は、回転軸１０と、回転子鉄心２０と、複数の永久磁石３０とを備える。

回転軸１０は、回転子２が回転する際の中心となる長尺状のシャフトである。回転軸１０は、例えば金属棒であり、回転子２の中心に固定されている。具体的には、回転軸１０は、回転子鉄心２０に固定されている。本実施の形態において、回転軸１０は、回転子２の両側に突出するように、回転子鉄心２０の中心を貫いた状態で回転子鉄心２０に固定されている。回転軸１０は、回転子鉄心２０の中心に形成された貫通孔２０ａに圧入したり焼き嵌めしたりすることで回転子鉄心２０に固定されている。

なお、図示しないが、回転子２の一方側に突出する回転軸１０の第１部位は、第１軸受けに支持され、回転子２の他方側に突出する回転軸１０の第２部位は、第２軸受けに支持されている。回転軸１０の第１部位又は第２部位に、電動機１によって駆動される負荷が取り付けられる。

回転子鉄心２０（ロータコア）は、例えば、回転軸１０の軸心Ｃの方向に積層された複数の鋼板によって構成されている。複数の鋼板の各々は、例えば所定形状に打ち抜き加工された電磁鋼板であり、かしめ等によって互いに固定されている。なお、回転子鉄心２０は、複数の鋼板の積層体に限るものではなく、磁性材料によって構成されたバルク体であってもよい。

回転子鉄心２０は、複数の磁石配置穴２１を有する鉄心である。複数の磁石配置穴２１は、永久磁石３０が配置される磁石配置のための穴である。具体的には、磁石配置穴２１には永久磁石３０が挿入される。つまり、磁石配置穴２１は、永久磁石３０が挿入される磁石挿入孔である。各磁石配置穴２１には、１つの永久磁石３０が挿入される。一例として、回転子２は、磁極数が１０である１０極ロータである。したがって、回転子鉄心２０には１０個の磁石配置穴２１と１０個の永久磁石３０とが設けられている。なお、特にこれに限定されるものではなく、その他の磁極数についても適用できる。

また、本実施の形態において、磁石配置穴２１は、回転軸１０の軸心Ｃの方向に沿って回転子鉄心２０を貫通する貫通孔である。したがって、回転軸１０に直交する平面で切断したときの任意の断面において、磁石配置穴２１の断面形状は、回転軸１０の軸心Ｃの方向において同じになっている。つまり、回転子鉄心２０を構成する全ての鋼板には、いずれも同じ形状の磁石配置穴２１が形成されている。なお、磁石配置穴２１は、永久磁石３０が配置することができれば、貫通孔でなくてもよい。

図１、図２に示すように、複数の磁石配置穴２１は、回転軸１０を中心として放射状に設けられている。また、複数の磁石配置穴２１は、回転子鉄心２０の周方向（回転軸１０の回転方向）に沿って等間隔で設けられている。複数の磁石配置穴２１の各々は、平面視において、回転子鉄心２０の径方向（回転軸１０の軸心Ｃの方向に直交する方向）に延在している。つまり、磁石配置穴２１は、回転子鉄心２０の径方向に長尺状であり、径方向の長さが回転方向（円周方向）の長さに比べて長くなっている。長尺状の複数の磁石配置穴２１は、回転軸１０を中心にスポーク状に形成されている。つまり、回転子２は、スポーク型のＩＰＭロータであり、電動機１は、スポーク型のＩＰＭモータである。本実施の形態において、各磁石配置穴２１の平面視形状は、回転子鉄心２０の径方向を長手方向とする略長方形である。また、複数の磁石配置穴２１の平面視形状は、互いに同じである。

なお、磁石配置穴２１を、回転子鉄心２０の回転方向（円周方向）に長尺状で、回転方向（円周方向）の長さが径方向長さに比べて長いものとしてもよい。

図２に示すように、回転子２の磁石配置穴２１各々に永久磁石３０が、回転軸１０の軸心Ｃの方向に沿って挿入され、複数の磁石配置穴２１の各々に永久磁石３０が配置される。本実施の形態においては、回転軸１０の軸心Ｃの上方（紙面上方）から永久磁石３０が挿入されているが、下方（紙面下方）から永久磁石３０を挿入してもよい。

本実施の形態において、永久磁石３０は、例えば、焼結マグネットである。複数の永久磁石３０は、磁極の方向が回転子鉄心２０の周方向（回転軸１０の回転方向）となるように配置されている。つまり、永久磁石３０は、磁極の方向が回転子鉄心２０の周方向となるように着磁されている。なお、隣り合う２つの永久磁石３０は、Ｓ極及びＮ極の磁極の向きが逆向きになっている。

永久磁石３０の平面視形状及び大きさは、磁石配置穴２１の平面視形状及び大きさとほぼ同じであり、永久磁石３０は、磁石配置穴２１に嵌合されている。したがって、永久磁石３０の平面視形状は、長尺状の略長方形である。一例として、永久磁石３０は、回転子鉄心２０の径方向と直交する方向を厚さとする板状の直方体である。なお、各磁石配置穴２１内の永久磁石３０は、複数に分割されていてもよい。

各磁石配置穴２１において、永久磁石３０の外面と磁石配置穴２１の内面との間には一定の寸法の隙間（クリアランス）が存在している。この隙間には、永久磁石３０を磁石配置穴２１に接着固定するための接着剤が設けられていてもよい。一方、この隙間に接着剤が設けられていなくてもよい。

永久磁石３０は、例えば、Ｎｄ－Ｆｅ－Ｂ系の焼結磁石またはフェライト焼結磁石で構成される。あるいは、Ｎｄ－Ｆｅ－Ｂ系磁石粉末、フェライト系磁石粉末などの磁石粉末と、樹脂材料および少量の添加剤等とで形成されるボンド磁石であってもよい。

なお、永久磁石３０の着磁については、永久磁石３０を磁石配置穴２１内に配置した後に着磁してもよいし、永久磁石３０を磁石配置穴２１に挿入する前に予め着磁してもよいが、永久磁石３０を磁石配置穴２１に挿入する作業性を考慮すると、永久磁石３０を磁石配置穴２１内に挿入した後に着磁する方がよい。

また、永久磁石３０を、樹脂からなる被覆材で被覆して被覆層（図示せず）を形成して永久磁石３０の周囲を被覆してもよい。

図３に示すように、各磁石配置穴２１には、平面視で、周方向（回転軸１０の回転方向）において対向する２つの内面２１ａ、２１ｂが設けられている。そして、一方の内面２１ａに突起部２２が２個設けられている。突起部２２は、磁石配置穴２１の周方向における磁石配置穴２１の内面２１ａから、平面視でその磁石配置穴２１の内側に向かって突出している。また、突起部２２は周方向（回転軸１０の回転方向）における各磁石配置穴２１の２つの内面２１ａ、２１ｂのうちの一方の内面２１ａ（図３では周方向右側）のみに形成されている。

永久磁石３０は、磁石配置穴２１の突起部２２と、突起部２２が形成されていない他方の内面２１ｂとの間に挿入される。このとき、突起部２２の存在が邪魔になって、磁石配置穴２１の周方向中央部（図３の破線）より片側（図３では左側）に必然的に永久磁石３０を挿入することになる。

このように挿入された永久磁石３０は、突起部２２が形成された一方の内面２１ａより突起部２２が形成されていない他方の内面２１ｂの方が距離が近いため、他方の内面２１ｂに吸引（矢印の方向）、固定される。永久磁石３０は、磁石配置穴２１の周方向中央部（図３の破線）より必ず片側（図３では左側）に挿入されるため、磁気バランスが崩れ、必ず他方の内面２１ｂ側に吸引される。また、他の全ての永久磁石３０についても同様に、それぞれ磁石配置穴２１の内部において一定の方向、例えば周方向で左側に自動的に引き寄せされて他方の内面２１ｂに固定されることになる。なお、図３では、磁石配置穴２１に永久磁石３０が挿入された時点での状態を表し、この後、他方の内面２１ｂ側に吸引され、張り付く。

また、このように、磁気バランスを崩し、永久磁石３０が自動的に引き寄せされて他方の内面２１ｂに固定されればよいため、永久磁石３０は、磁石配置穴２１の突起部２２と、突起部２２が形成されていない他方の内面２１ｂとの間にそれぞれと距離をあけて挿入することができる。

突起部２２は、例えば、回転子鉄心２０と一体的に成形されていてもよい。また、軸方向で磁石配置穴２１の内面２１ａの全面に設けてもよく、一部分に設けてもよい。また、本実施の形態において、突起部２２を２個としているが、他の個数、例えば３個以上としてもよい。

あるいは、突起部２２を回転子鉄心２０と別々に形成し、突起部２２を磁石配置穴２１の内面２１ａに接着剤などで貼り付けるようにてもよい。このとき、突起部２２を非磁性材料によって構成してもよい。この構成により、回転子２の性能に影響を与えることなく、突起部２２によって永久磁石３０を固定することができる。

図４は、本実施の形態の他の例を示す回転子２の主要部の平面図である。図４においても、磁石配置穴２１に永久磁石３０が挿入された時点での状態を表し、この後、他方の内面２１ｂ側に吸引され、張り付く。

図４において、各磁石配置穴２１を軸方向から見たとき（平面視で）の４つの角部２３ａ～２３ｄのうち２つの角部２３ａ、２３ｂの曲率半径と他の２つの角部２３ｃ、２３ｄの曲率半径とが異なる。ここで、角部２３ａ～２３ｄは円弧（Ｒ）の一部であり、曲率半径は円弧の半径を表す。

すなわち、各磁石配置穴２１を軸方向から見たときの４つの角部２３ａ～２３ｄのうち、の一方の内面２１ａ（図４では右側）に接する２つの角部２３ａ、２３ｂの曲率半径を、他方の内面２１ｂと接する２つの角部２３ｃ、２３ｄの曲率半径より大きくしている。

この構成において、磁石配置穴２１に永久磁石３０を挿入する際、角部２３ａ、２３ｂの大きな曲率半径の部分の存在が邪魔になって、磁石配置穴２１の周方向中央部（図４の破線）より片側（図４では左側）に必然的に永久磁石３０を挿入することになる。

このように挿入された永久磁石３０は、接する角部２３ｃ、２３ｄの径が小さい他方の内面２１ｂに吸引（矢印の方向）、固定される。永久磁石３０は、磁石配置穴２１の周方向中央部（図４の破線）より必ず片側（図４では左側）に挿入されるため、必ず他方の内面２１ｂ側に吸引される。また、他の全ての永久磁石３０についても同様に、それぞれ磁石配置穴２１の内部において一定の方向、例えば周方向で左側に自動的に引き寄せされて固定させることになる。

上記のような構成にすることによって、図５に示すように、各磁石配置穴２１に挿入された永久磁石３０が、各磁石配置穴２１内の周方向で片側の面（図では左側）に確実に固定される。なお、図５は、各磁石配置穴２１と永久磁石３０との関係を模式的に表しており、図の矢印の方向に、各永久磁石３０が吸引されている。

したがって、各磁石配置穴２１において、永久磁石３０の吸着箇所のばらつきを抑制できる。この結果、各永久磁石３０での他の永久磁石３０との磁束密度量の差を低減でき、トルクリップルが高くなるのを防ぐことができるという利点が得られる。

一方、図６に示すように、磁石配置穴２１に挿入された永久磁石３０のうち、一部が磁石配置穴２１内の周方向で一方の片側の面（図では左側）、一部が他方の片側の面（図では右側）に固定されている場合は（永久磁石３０の吸着箇所が周方向でばらつく場合）、永久磁石３０間での磁極の磁束密度量の差が大きくなるため、トルクリップルが高くなってしまう。なお、図６は、各磁石配置穴２１と永久磁石３０との関係を模式的に表しており、図の矢印の方向に、各永久磁石３０が吸引されている。

さらに、上述したように、永久磁石３０を突起部２２と、突起部２２が形成されていない他方の内面２１ｂとの間にそれぞれと距離をあけて磁石配置穴２１に挿入できる。すなわち、永久磁石３０を磁石配置穴２１の内面、突起部２２に接触させることなく、永久磁石３０を磁石配置穴２１に挿入できる。よって、永久磁石３０を磁石配置穴２１に圧入する必要はない。圧入した場合は、永久磁石３０を被覆する被覆層の損傷や、回転子鉄心２０の変形という不具合が起こり得る。しかし、本実施の形態では、永久磁石３０と突起部２２は離れていても磁気バランスを崩せばよく、圧入する必要がないため、このような不具合を防止できる。

なお、上記の一実施の形態は一例に過ぎず、本開示はこれに限定されず、適宜変更することができる。例えば、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開示に組み合わせることができる。

本開示に係る回転子および電動機は、家庭用電気機器、産業用機器をはじめとして種々の機器に用いられている電動機等に広く利用可能である。

１ 電動機
２ 回転子
３ 固定子
３ａ 固定子鉄心
３ａ１ ティース
３ｂ 巻線コイル
１０ 回転軸
２０ 回転子鉄心
２１ 磁石配置穴
２１ａ、２１ｂ 内面
２２ 突起部
２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄ 角部
３０ 永久磁石

Claims (3)

1. 複数の磁石配置穴を有する回転子鉄心と、
   それぞれ前記複数の磁石配置穴の内部に配置された複数の永久磁石と、
   前記回転子鉄心に固定された回転軸と、を備え、
   前記複数の磁石配置穴の各々の前記回転軸の回転方向において対向する内面のうち一方の内面に突起部が設けられている、
   回転子。
2. 複数の磁石配置穴を有する回転子鉄心と、
   それぞれの前記複数の磁石配置穴の内部に配置された複数の永久磁石と、
   前記回転子鉄心に固定された回転軸と、を備え、
   前記複数の磁石配置穴の各々は、前記回転軸の回転方向において対向する内面のうち一方の内面と接する角部の曲率半径が他方の内面と接する角部の曲率半径より大きい、
   回転子。
3. 請求項１または請求項２のいずれかに記載の回転子と、
   前記回転子に対向して配置され、前記回転子に作用する磁力を発生させる固定子と、を備えている、
   電動機。