WO2017187861A1 - 電動機 - Google Patents

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WO2017187861A1
WO2017187861A1 PCT/JP2017/012219 JP2017012219W WO2017187861A1 WO 2017187861 A1 WO2017187861 A1 WO 2017187861A1 JP 2017012219 W JP2017012219 W JP 2017012219W WO 2017187861 A1 WO2017187861 A1 WO 2017187861A1
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WO
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magnetic pole
permanent magnet
rotor
stator
soft magnetic
Prior art date
Application number
PCT/JP2017/012219
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English (en)
French (fr)
Inventor
一農 田子
金澤　宏至
中山　賢治
榎本　裕治
大介 山下
裕司 辻
Original Assignee
日立オートモティブシステムズエンジニアリング株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00—Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/22—Rotating parts of the magnetic circuit
    • H02K1/27—Rotor cores with permanent magnets
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/64—Electric machine technologies in electromobility

Definitions

  • the present invention relates to an electric motor.
  • EPS devices electric power steering devices
  • Patent Document 1 discloses a rotor of an electric motor having a rotor core, a permanent magnet, and a pole piece arranged so as to protrude from the permanent magnet toward the stator.
  • notched step portions are formed at both end portions on the exposed surface side of the pole piece. Therefore, the average distance between the pole piece and the stator is increased, and the torque is reduced.
  • Patent Document 1 there is a problem in the shape of the end of an effective magnetic pole for generating torque with a small amount of magnet usage.
  • An electric motor of the present invention includes a stator, and a rotor that is provided to face the stator and includes a core, a permanent magnet, and a soft magnetic pole material arranged in a radial direction to form a magnetic pole.
  • the soft magnetic pole material has an arcuate surface on the side close to the stator, and a protrusion having a larger width than the permanent magnet in the circumferential direction of the rotor.
  • the contribution to the torque generation by the end shape of the magnetic pole can be improved, and the torque can be generated with a smaller amount of magnet usage.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of the rotor according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a partially enlarged view of a cross-sectional view of the rotor according to the first embodiment. It is the elements on larger scale of sectional drawing of the rotor which concerns on 2nd Embodiment. It is the elements on larger scale of sectional drawing of the rotor which concerns on 3rd Embodiment. It is the elements on larger scale of the sectional view of the rotor concerning a 4th embodiment. It is the elements on larger scale of sectional drawing of the rotor which concerns on 5th Embodiment. It is the elements on larger scale of sectional drawing of the rotor which concerns on 6th Embodiment.
  • FIG. 6 is a partially enlarged view of a cross-sectional view of a rotor according to Comparative Example 1.
  • FIG. 10 is a partially enlarged view of a cross-sectional view of a rotor according to Comparative Example 2.
  • FIG. It is a figure explaining the characteristic of a comparative example and an embodiment.
  • the electric motor for the electric power steering apparatus (EPS apparatus) of the present embodiment is applicable not only to the EPS apparatus but also to other automobile auxiliary machines, for example, electric motors for electric brakes. Furthermore, the present invention can be applied to all industrial electric motors for which low vibration is preferable.
  • axial direction refers to a direction along the rotation axis of the rotor.
  • circumferential direction refers to a direction along the rotation direction of the rotor.
  • radial direction refers to a direction perpendicular to the rotation direction of the rotor.
  • the torque generation and magnetic pole shape will be described.
  • the torque is likely to be improved as the average distance between the surface shape and the stator inner diameter is smaller. This is because the magnetic resistance of the air gap becomes small, so that the magnetic flux of the magnet easily passes to the stator side, and the magnetic flux from the stator also easily passes to the magnet side.
  • an arc-shaped shape that is easy to manufacture is usually used as the surface shape of the magnetic pole on the stator side, but when the arc radius of the magnetic pole is matched with the rotation radius of the outer surface of the rotor, The average stator distance is the smallest. For this reason, it is considered that the torque can be most effectively generated when the arc radius of the magnetic pole is matched with the rotation radius of the outer surface of the rotor.
  • the relationship between thermal demagnetization and magnetic pole shape will be described.
  • the smaller the air gap length the smaller the influence of the demagnetizing field and the smaller the thermal demagnetization.
  • the situation is different when the magnets are installed at a distance as in a normal surface magnet rotor.
  • the surface arc radius of the permanent magnet is close to the rotor radius, the outer peripheral end of the permanent magnet is a corner, so it is greatly affected by the demagnetizing field from the stator, and thermal demagnetization occurs at the end of the permanent magnet. growing.
  • the surface arc radius of the permanent magnet is smaller than the rotor radius and the length of the air gap between the outer edge and the stator is larger than the center of the magnet, it is difficult to be affected by the demagnetizing field from the stator In addition, thermal demagnetization hardly occurs at the end of the permanent magnet. For these reasons, in order to effectively generate torque, when the surface arc radius of the permanent magnet is made close to the rotor radius, thermal demagnetization tends to occur largely at the outer peripheral end of the permanent magnet. For this reason, normally, in order to reduce the thermal demagnetization by increasing the air gap at the magnet end and to reduce the cogging torque and torque ripple, the magnetic pole arc radius is reduced and the air gap is increased. Means for allowing the side effect of torque reduction due to this is taken. In addition, when a soft magnetic pole material having a high magnetic permeability is installed on the outer peripheral side of the permanent magnet, the same shape is adopted.
  • the permanent magnet is a rectangular flat plate type and a high magnetic permeability soft magnetic pole material is provided on the outer peripheral side of the magnet
  • the soft magnetic magnetic pole arc radius is close to the outer radius of the rotor, it will be permanent. It seems that thermal demagnetization tends to occur largely at the outer peripheral end of the magnet.
  • the thickness of the soft magnetic pole at the end of the magnet is large, the magnetic flux can freely move within the soft magnetic pole, and the concentration of the demagnetizing field at the end is greatly relaxed, and the thermal demagnetization is greatly mitigated.
  • a soft magnetic pole shape in which the magnetic pole arc radius is close to the outer radius of the rotor and the thickness of the soft magnetic pole at the magnet end can be sufficiently secured is preferable.
  • an increase in magnet thickness for suppressing the influence of thermal demagnetization can be suppressed, and torque can be generated using the magnetic flux effectively.
  • the relationship between cogging torque and magnetic pole shape will be described.
  • the distance between the end of the rotor magnetic pole and the inner circumference of the stator is larger than when the arc radius of the magnet magnetic pole or the soft magnetic magnetic pole is matched with the rotation radius of the outer surface of the rotor, or the magnetic pole Cogging torque tends to be smaller when the arc radius is smaller than the rotor radius. For this reason, if the average distance between the surface shape and the stator inner diameter is easily reduced, the cogging torque increases.
  • the increase or decrease in the circumferential attractive force between the rotor and stator is suppressed, and the core back
  • the cogging torque tends to be small by offsetting the increase and decrease in the circumferential attractive force between the rotor and the stator due to the magnetic flux passing through.
  • the magnetic flux leaks to the adjacent rotor magnetic pole at the magnetic pole circumferential end on the rotor outer peripheral side, so this magnetic flux does not pass through the stator, so this magnetic flux does not generate an attractive force between the rotor and the stator. Does not contribute to cogging torque. For this reason, when the distance between the end of the rotor magnetic pole and the inner periphery of the stator is small, or when the magnetic pole arc radius is close to the rotor radius, the adjacent rotor magnetic pole at the end of the outer periphery of the magnetic pole in the circumferential direction of the magnetic pole. When the magnetic flux is leaked, the increase and decrease in the circumferential attractive force of the stator and the rotor is suppressed, and the cogging torque can be reduced.
  • torque ripple tends to decrease when the magnetic pole arc radius is reduced.
  • the torque resistance increases due to an increase in magnetoresistance due to magnetic saturation that occurs partially or entirely in the stator core.
  • the torque ripple may be large at a small current.
  • the absolute value of the fluctuation amplitude but also the phase is related, and cogging torque and torque ripple may be emphasized or canceled. Because these effects appear together, it is difficult to discuss torque ripple in general.
  • the basic order of the torque ripple is a sixth-order pulsation with respect to the NS magnetic pole pair of the rotor.
  • the three-phase magnetomotive force path includes a path connecting the stator and rotor magnetic poles and a path closing inside the stator, but the path connecting adjacent rotor magnetic poles to the stator magnetic poles also affects. .
  • the weight of these paths can vary depending on the magnitude of the current.
  • the magnetic flux generated by the teeth winding of the stator attracts one of the rotor magnetic poles and eliminates another rotor magnetic pole adjacent to the rotor magnetic pole, thereby generating a rotational driving force.
  • the magnetic flux from the stator magnetic poles goes to the adjacent teeth that are difficult to be rejected in addition to the rotor magnetic poles. Further, since the magnetic flux from the rotor magnetic pole that receives the rejection force is difficult to pass through the teeth to be rejected, the magnetic flux is directed to the teeth that are not rejected or to the adjacent rotor magnetic pole. In these magnetic flux paths, the amount of magnetic flux in the path fluctuates with the rotation of the rotor, but it is difficult to understand torque ripple because it depends complicatedly on the magnetic pole structure and current.
  • a shape in which leakage between NS poles of the same magnet is small or fluctuation is small, and a shape in which the amount of leakage between adjacent rotor magnetic poles can be controlled small was examined.
  • the shape is a shape in which both ends of the magnetic pole outer periphery arc are protrusions, and the magnetic pole width is narrower on the inner periphery side than the protrusions. The amount of leakage between adjacent rotor magnetic poles can be controlled small by such a protrusion.
  • the shape separated from the stator core (iron core) by a low magnetic permeability member or space was examined. As a result, the leakage between NS poles of the same magnet is small and the fluctuation of the leakage amount is small, so it is considered that torque ripple is easily suppressed.
  • the circumferential width of the rotor magnetic pole is not so large compared to the circumferential width of the stator magnetic pole as in the 14:18 series and 10:12 series concentrated winding, and the orders of the cogging torque and torque ripple are When it is relatively large, it is clear that even when the magnetic pole arc radius is close to the rotor radius, the cogging torque and torque ripple can be sufficiently reduced by utilizing the leakage of magnetic flux from the protrusion of the soft magnetic pole material. Became.
  • the cogging torque can be reduced with a small amount of magnetic flux leakage that has little effect on torque ripple, and it has a protruding part that extends the outer peripheral surface, and the soft magnetic pole width narrows on the inner peripheral side from the protruding part. It is a shape which can control the amount of leakage of magnetic flux with the shape of a part.
  • the circumferential width of the rotor magnetic pole is larger than the circumferential width of the stator magnetic pole as in the 2: 3 series of concentrated windings, cogging torque and torque ripple cannot be reduced by magnetic flux leakage alone. It is necessary to use a means such as reduction of the magnetic pole arc radius and skew. Further, when magnetic flux leakage from the protruding portion of the soft magnetic magnetic pole material is used, the magnetic pole arc radius can be set larger than in the case where it does not.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view in a direction perpendicular to the rotating shaft of the electric motor.
  • FIG. 2 is an enlarged view of the rotor shown in FIG.
  • FIG. 3 is a partially enlarged view of the rotor shown in FIG.
  • the motor of this embodiment is a 14 pole 18 slot concentrated winding motor.
  • the electric motor 1 of the present embodiment is an electric motor including a stator 10 and a rotor 20 that faces the stator 10 via an air gap 30 in the radial direction.
  • Stator 10 includes a stator core 100 including a core back 110 and teeth 130, and a winding 140.
  • the rotor 20 includes a rotor core, that is, an iron core 200, a permanent magnet 210 supported by the iron core 200, and a soft magnetic pole disposed on the surface of the permanent magnet 210 on the side close to the stator 10.
  • a magnetic pole is constituted by the material 220. As shown in FIG.
  • the soft magnetic pole material 220 has a stator side 221 that is closer to the stator 10 and a magnet side 222 that is closer to the permanent magnet 210.
  • a protrusion 223 having an arcuate surface 226 and a width larger than that of the permanent magnet 210 in the circumferential direction is formed.
  • a recess 202 is formed in the iron core 200, and the recess 202 is filled with a synthetic resin 230.
  • the synthetic resin 230 includes a side wall 224 of the soft magnetic pole material 220, a side wall 211 of the permanent magnet 210, an iron core. It is filled so that it may contact 200 side wall part 201, respectively.
  • the density and strength of the synthetic resin 230 are set so as to be values necessary for fixing the soft magnetic pole material 220 and the permanent magnet 210 in the circumferential direction. Further, at the portion of the recess 202 that contacts the wall portion 205 in the outer peripheral direction, the density and strength of the synthetic resin 230 are respectively set to values necessary for fixing the entire synthetic resin 230 in the radial direction.
  • the synthetic resin 230 When the synthetic resin 230 is filled, a jig is used and the positions of the permanent magnet 210 and the soft magnetic pole material 220 are fixed to the iron core 200.
  • the filling of the synthetic resin 230 is performed by covering the arc-shaped surface 226 of the soft magnetic magnetic pole material 220 and the circumferential end surface of the protruding portion 223 of the soft magnetic magnetic pole material 220 with a jig. At this time, it is filled inside the inner periphery of the jig portion sandwiched between the circumferential end surfaces of the protrusions 223. In this case, when the jig is removed and the metal cover 40 is installed, a gap 231 is generated in the portion sandwiched between the circumferential end surfaces of the protrusions 223.
  • the outer peripheral surface 232 of the synthetic resin 230 reflects the inner peripheral surface shape of the jig portion sandwiched between the circumferential end surfaces of the protrusions 223.
  • the outer peripheral surface 232 of the synthetic resin 230 may be planar or cylindrical as shown in FIG. 3 or may be recessed toward the inner peripheral side, but the synthetic resin 230 is made of the permanent magnet 210 and the soft magnetic pole. It has the density and strength necessary to hold the material 220 in the circumferential direction.
  • the rotor 20 of the electric motor 1 is provided with a metal cover 40 on the outer peripheral side of the magnetic pole. Due to the structure in which the surface of the rotor 20 is held by the metal cover 40, the rotor 20 is stably held in the radial direction. In addition, since no gap for filling the synthetic resin 230 is provided between the protrusion 223 of the soft magnetic magnetic pole material 220 and the cover 40, the soft magnetic magnetic pole material 220 is suppressed from the outer peripheral side to the inner peripheral side by the synthetic resin 230. It cannot be structured.
  • the structure that suppresses the surface of the rotor 20 with the metal cover 40 as described above not only in the radial direction but also in the circumferential direction.
  • a stable rotor 20 can be held.
  • the synthetic resin 230 holds the magnet side 222 of the soft magnetic magnetic pole material 220 and the permanent magnet 210 in the circumferential direction.
  • the rotor 20 has the metal cover 40 mounted on the radially outer side of the soft magnetic pole material 220.
  • the soft magnetic pole material 220 has a side wall portion 224 in the circumferential direction on the magnet side 222, and the permanent magnet 210 has a side wall portion 211 in the circumferential direction.
  • the magnet support member 206 constituted by the iron core 200 that supports the permanent magnet 210 has a magnet support contact surface 207 that contacts the inner peripheral surface of the permanent magnet 210.
  • the magnet support member 206 has the aforementioned side wall portion 201 in the circumferential direction, and the recess 202 contacts the side wall portion 224 of the soft magnetic pole material 220, the side wall portion 211 of the permanent magnet 210, and the side wall portion 201 of the magnet support member 206. Then, the synthetic resin 230 is filled. In the recess 202, a wall portion 205 for fixing the filled synthetic resin 230 in the radial direction is formed on the inner peripheral side of the side wall portion 201.
  • the relative permeability of the synthetic resin 230 and the permanent magnet 210 is smaller than that of the soft magnetic magnetic pole material 220 and the iron core 200, and the soft magnetic magnetic pole material 220 and the iron core 200 are made of the synthetic resin. 230 and a permanent magnet 210. In other words, the high permeability material is not in contact with the side wall 211 side of the permanent magnet 210.
  • the stator 10 is formed, for example, by forming a stator core 100 from a laminated body obtained by laminating divided punched cores of electromagnetic steel sheets, forming a winding 140 on the stator core 100, and assembling the ring 140 into a housing. Alternatively, it is formed by press-fitting and integration (see FIG. 1). A laminated body of punched electromagnetic steel sheets can be used for the iron core 200.
  • the soft magnetic pole material 220 has an extremely short length in the magnetic path direction as compared with the stator core 100 and the iron core 200, and even if the relative permeability is about a fraction of that of the stator core 100, there is no problem in performance.
  • a material that can increase the shape accuracy such as a laminate obtained by punching a softer magnetic steel sheet or a sintered material that can be formed with increased flexibility by a resin, can be used as the soft magnetic pole material 220.
  • a soft magnetic steel sheet can be laminated with a round dowel when a laminated body of punched electromagnetic steel sheets is manufactured.
  • the core 200, the permanent magnet 210, and the soft magnetic pole material 220 can be accurately held in the circumferential direction by filling the synthetic resin 230, and the stator 10 is radially fixed by the metal cover 40 such as SUS316. Therefore, the rotor 20 can be manufactured with high accuracy.
  • the contribution to the torque generation by the end shape of the magnetic pole can be improved, the torque can be generated with a smaller amount of magnet use, and an electric motor excellent in cogging torque and torque ripple can be obtained.
  • FIG. 4 is a partially enlarged view of a cross-sectional view of the rotor 20 according to the second embodiment.
  • the configuration of the stator 10 is the same as that of the first embodiment shown in FIG.
  • the electric motor of the present embodiment is a 14 pole 18 slot concentrated winding electric motor, and the description of the parts common to the first embodiment is omitted.
  • the iron core 200 has a protrusion 203 that sandwiches and holds the permanent magnet 210 in the circumferential direction at the circumferential end of the magnet support member 206.
  • the permanent magnet 210 has a side wall portion 211 in the circumferential direction as in the first embodiment.
  • the soft magnetic pole material 220 is the same as in the first embodiment. That is, as shown in FIG. 4, the stator side 221, which is closer to the stator 10, has an arcuate surface 226 in the rotation plane formed on the outer periphery of the rotor 20 by the rotation of the rotor 20.
  • the protruding portion 223 is formed so that the circumferential width of the stator side 221 is larger than the circumferential width of the magnet side 222, which is the side close to the permanent magnet 210.
  • the soft magnetic pole material 220 has a side wall portion 224 in the circumferential direction on the magnet side 222.
  • the rotor 20 has a metal cover 40 mounted on the outer peripheral side of the soft magnetic pole material 220.
  • the iron core 200 has a concave portion 202 filled with a synthetic resin 230 on the inner peripheral side of the side wall portion 201.
  • the recess 202 is filled with a synthetic resin 230 so as to come into contact with the side walls 201, 211, 224 of the iron core 200, the permanent magnet 210, and the soft magnetic pole material 220.
  • the density and strength of the synthetic resin 230 are set so as to be values necessary for fixing the soft magnetic pole material 220 in the circumferential direction. Further, in the portion that contacts the outer peripheral wall portion 205 of the recess 202, the density and strength of the synthetic resin 230 are set to values necessary for fixing the entire synthetic resin 230 in the radial direction.
  • the density and strength of the synthetic resin 230 can be reduced at the portion that contacts the side wall portion 211 of the permanent magnet 210 when the synthetic resin 230 is filled. There is no need to raise 210 to hold 210 in the circumferential direction.
  • the synthetic resin 230 When filling the concave portion 202 with the synthetic resin 230, a part of the side wall part 201 in the protruding part 203 of the iron core 200, a part of the side wall part 211 of the permanent magnet 210, and the side wall part 224 of the soft magnetic pole material 220 A part, the arc-shaped surface 226 of the soft magnetic pole material 220, and the circumferential end of the protrusion 223 of the soft magnetic pole material 220 are covered with a jig.
  • the synthetic resin 230 can be filled in a state where the positions of the permanent magnet 210 and the soft magnetic pole material 220 are fixed with respect to the iron core 200.
  • the synthetic resin 230 since the synthetic resin 230 is filled on the inner peripheral side of the jig portion sandwiched between the ends of the adjacent protruding portions 223, the synthetic resin corresponds to the shape of the inner peripheral side of the jig when the jig is removed. An outer peripheral surface 232 of 230 and a gap 231 are formed. Further, since the outer peripheral side surface 232 of the synthetic resin 230 reflects the inner peripheral side shape of the jig portion sandwiched between the circumferential ends of the protrusions 223, the shape shown in FIG. The shape may be recessed to the side. However, in this case as well, the synthetic resin 230 preferably has the density and strength necessary to hold the soft magnetic pole material 220 in the circumferential direction.
  • the relative permeability of the synthetic resin 230 and the permanent magnet 210 is small, and the soft magnetic pole material 220 and the iron core 200 are combined with the synthetic resin 230 and It is separated by a permanent magnet 210.
  • the high permeability material is not in contact with the side wall 211 side of the permanent magnet 210.
  • the second embodiment compared with the first embodiment, even if the strength of the synthetic resin 230 is small, a torque output with respect to the magnet usage amount is large, and an electric motor excellent in cogging torque and torque ripple can be obtained.
  • the thickness in the radial direction of the permanent magnet 210 is small, the magnetic flux leakage increases between the projection 203 of the iron core 200 and the stator 10, so that the amount of magnet used is larger than that in the first embodiment. The per-torque output tends to decrease.
  • FIG. 5 is a partially enlarged view of a cross-sectional view of the rotor 20 according to the third embodiment.
  • the configuration of the stator 10 is the same as that of the first embodiment shown in FIG.
  • the motor of this embodiment is a 14-pole 18-slot concentrated winding motor, and the description of the parts common to the first and second embodiments is omitted.
  • the rotor 20 has a metal cover 40 mounted on the outer peripheral side of the soft magnetic magnetic pole material 220, and the soft magnetic magnetic pole material 220 and the iron core 200 are composed of a synthetic resin 230 and a permanent magnet 210. It is separated. Further, as in the first and second embodiments, the soft magnetic pole material 220 has a side wall portion 224 in the circumferential direction of the magnet side 222, and the permanent magnet 210 has a side wall portion 211 in the circumferential direction. Similarly to the second embodiment, the iron core 200 has a protrusion 203 that can hold the permanent magnet 210 in the circumferential direction on the magnet support member 206, and has a side wall 201 in the circumferential direction of the protrusion 203.
  • the iron core 200 has a concave portion 202 filled with a synthetic resin 230 on the inner peripheral side of the side wall portion 201.
  • the density and strength of the synthetic resin 230 are set so as to be values necessary for fixing the soft magnetic pole material 220 in the circumferential direction. Further, in the portion that contacts the outer peripheral wall portion 205 of the recess 202, the density and strength of the synthetic resin 230 are set to values necessary for fixing the entire synthetic resin 230 in the radial direction. On the other hand, since the permanent magnet 210 is fixed in the circumferential direction by the projecting portion 203, the density and strength of the synthetic resin 230 can be reduced at the portion that contacts the side wall portion 211 of the permanent magnet 210 when the synthetic resin 230 is filled. There is no need to raise 210 to hold 210 in the circumferential direction.
  • the synthetic resin 230 can be filled in a state where the positions of the permanent magnet 210 and the soft magnetic pole material 220 are fixed with respect to the iron core 200.
  • the jig has a shape that matches the surface of the magnet side wall portion 224 of the soft magnetic pole material 220 by using a jig having a shape that matches the magnet contact surface of the soft magnetic pole material 220.
  • the synthetic resin 230 can be formed after the permanent magnet 210 is installed. At this time, the inner peripheral surface of the soft magnetic magnetic pole material 220 and the outer peripheral surface of the permanent magnet 210 have a shape that matches each other. Can be installed.
  • the outer peripheral surface 232B of the synthetic resin 230 is formed corresponding to the shape of the inner peripheral side of the jig between the side wall portions 224 of the adjacent soft magnetic magnetic pole materials 220, and the gap 231B is formed.
  • the shape of the inner peripheral side of the jig between the side wall portions 224 of the adjacent soft magnetic magnetic pole materials 220 the shape coincides only with the inner peripheral side of the side wall portion 224 of the soft magnetic magnetic pole material 220, and other jig shapes 5 exists on the inner peripheral side, the gap 231B generated in the synthetic resin 230 reaches the magnet side wall 224 of the soft magnetic pole material 220 as shown in FIG.
  • the side wall portion 224 of the soft magnetic magnetic pole material 220 and the inner peripheral side of the protruding portion 223 of the soft magnetic magnetic pole material 220 When a part of the surface matches the shape and another jig shape exists on the inner peripheral side, the gap 231B generated in the synthetic resin 230 reaches the inner peripheral side surface of the protrusion 223 of the soft magnetic pole material 220. The side wall 224 is not reached.
  • the magnet support member 206 may not have the protrusion 203 that can hold the permanent magnet 210 in the circumferential direction.
  • the density and strength of the portion of the synthetic resin 230 in contact with the side wall portion 211 of the permanent magnet 210 are set to values necessary for fixing the permanent magnet 210 in the circumferential direction. Each is set to be.
  • the third embodiment similarly to the second embodiment, even if the strength of the synthetic resin 230 is small, a torque output with respect to the magnet usage amount is large, and an electric motor excellent in cogging torque and torque ripple can be obtained.
  • the thickness in the radial direction of the permanent magnet 210 is small, the magnetic flux leakage increases between the projection 203 of the iron core 200 and the stator 10, so that the amount of magnet used is larger than that in the first embodiment. The per-torque output tends to decrease.
  • FIG. 6 is a partially enlarged view of a cross-sectional view of the rotor 20 according to the fourth embodiment.
  • the configuration of the stator 10 is the same as that of the first embodiment shown in FIG.
  • the electric motor of this embodiment is a 14-pole 18-slot concentrated winding electric motor, and the description of the parts common to the first and third embodiments is omitted.
  • the rotor 20 has a metal cover 40 mounted on the outer peripheral side of the soft magnetic pole material 220.
  • the soft magnetic pole material 220 and the iron core 200 are made of synthetic resin 230, gap 231C and permanent. It is separated by a magnet 210.
  • the soft magnetic pole material 220 has a side wall portion 224 in the circumferential direction of the magnet side 222 and a projection portion 225 that can hold the permanent magnet 210 in the circumferential direction.
  • the permanent magnet 210 has a side wall portion 211 in the circumferential direction
  • the magnet support member 206 has a side wall portion 201 in the circumferential direction.
  • the iron core 200 has a concave portion 202 filled with a synthetic resin 230 on the inner peripheral side of the side wall portion 201.
  • the density and strength of the synthetic resin 230 are set so as to be values necessary to fix the soft magnetic pole material 220 and the permanent magnet 210 in the circumferential direction. Further, in the portion that contacts the outer peripheral wall portion 205 of the recess 202, the density and strength of the synthetic resin 230 are set to values necessary for fixing the entire synthetic resin 230 in the radial direction.
  • the soft magnetic magnetic pole material 220 is fixed in the circumferential direction together with the permanent magnet 210 by the protrusions 225 sandwiching and holding the permanent magnet 210 in the circumferential direction. This eliminates the need for the synthetic resin 230 to contact the side wall portion 224 of the soft magnetic pole material 220. For this reason, in this embodiment, as shown in FIG. 6, the synthetic resin 230 is filled so as to contact the side wall part 211 of the permanent magnet 210 and the side wall part 201 of the iron core 200.
  • the synthetic resin 230 When filling the recess 202 with the synthetic resin 230, a part of the side wall part 201 of the iron core 200 and a part of the side wall part 211 of the permanent magnet 210 are covered with a jig.
  • the synthetic resin 230 can be filled in a state where the positions of the permanent magnet 210 and the soft magnetic pole material 220 are fixed with respect to the iron core 200.
  • the magnet and the soft magnetic pole material 220 can be installed after the synthetic resin 230 is formed.
  • the inner peripheral surface of the permanent magnet 210 and the outer peripheral surface of the magnet support member 206 that is, the magnet support contact surface 207 can be in close contact with each other.
  • the outer peripheral surface 232C of the synthetic resin 230 is formed corresponding to the shape of the inner peripheral side of the jig between the side wall portions 211 of the adjacent permanent magnets 210, and the gap 231C is formed.
  • the synthetic resin 230 after the permanent magnet 210 is installed.
  • the synthetic resin After the formation of 230, the soft magnetic pole material 220 can be installed.
  • the soft magnetic pole material 220 and the permanent magnet 210 can be in close contact with each other, and the soft magnetic pole material 220 can be installed after the synthetic resin 230 is formed.
  • the outer peripheral surface 232C of the synthetic resin 230 is formed corresponding to the shape of the inner peripheral side of the jig between the side wall portions 211 of the adjacent permanent magnets 210, and the gap 231C is formed.
  • the soft magnetic pole material 220 is held in the radial direction by the metal cover 40. Further, since the radius of the arc-shaped surface 226 of the soft magnetic pole material 220 is close to the radius of rotation and close to the radius of the metal cover 40, the soft magnetic pole material 220 is also held in the circumferential direction.
  • the fourth embodiment even if the amount of the synthetic resin 230 is small, a torque output with respect to the magnet usage amount is large, and an electric motor excellent in cogging torque and torque ripple can be obtained.
  • the magnetic flux leakage between the protruding portion 225 of the soft magnetic pole material 220 and the stator 10 and the distance between the side wall portions 224 of the adjacent soft magnetic pole materials 220 are closer. Since magnetic flux leakage increases, the torque output per magnet usage tends to decrease.
  • the former magnetic flux leakage becomes a problem when the thickness of the permanent magnet 210 in the radial direction is small, but it is more advantageous than the case of having a side wall integral with the iron core 200.
  • the latter magnetic flux leakage can be adjusted by increasing the distance between the opposing projecting portions 223.
  • FIG. 7 is a partially enlarged view of a cross-sectional view of the rotor 20 according to the fifth embodiment.
  • the configuration of the stator 10 is the same as that of the first embodiment shown in FIG.
  • the motor of this embodiment is a 14-pole 18-slot concentrated winding motor, and the description of the parts common to the third and fourth embodiments is omitted.
  • the rotor 20 has a metal cover 40 mounted on the outer peripheral side of the soft magnetic magnetic pole material 220.
  • the soft magnetic magnetic pole material 220 and the iron core 200 are made of a synthetic resin 230, a gap 231C, and a permanent magnet. It is separated by a magnet 210.
  • the soft magnetic pole material 220 similarly to the fourth embodiment, has a side wall portion 224 and a projection portion 225 that can sandwich and hold the permanent magnet 210 in the circumferential direction in the circumferential direction of the magnet side 222.
  • the permanent magnet 210 has a side wall portion 211 in the circumferential direction
  • the iron core 200 has a protruding portion that can hold the permanent magnet 210 in the circumferential direction with the magnet support member 206 as in the second and third embodiments.
  • the soft magnetic magnetic pole material 220 has the protrusions 225, and the magnet support member 206 has the protrusions 203. Therefore, even if the synthetic resin 230 is not filled, the permanent magnet 210 and the soft magnetic The magnetic pole material 220 can be positioned and held in the circumferential direction. Further, when the synthetic resin 230 is filled, the circumferential positioning members of the permanent magnet 210 and the soft magnetic pole material 220 can be omitted from the jig.
  • the synthetic resin 230 is filled up to the inner peripheral side of the circumferential side wall portion 211 of the permanent magnet 210 and the circumferential holding is performed twice will be described using FIG. 7 in the fifth embodiment.
  • the synthetic resin 230 is filled in contact with the circumferential side wall 211 of the permanent magnet 210 and the circumferential side wall 201 of the magnet support member 206. Therefore, the soft magnetic pole material 220 and the permanent magnet 210 can be held in the circumferential direction by the protrusions 203 and 225 and the synthetic resin 230.
  • the iron core 200 has a concave portion 202 filled with a synthetic resin 230 on the inner peripheral side of the side wall portion 201.
  • the density and strength of the synthetic resin 230 are set so as to be values necessary for fixing the soft magnetic pole material 220 and the permanent magnet 210 in the circumferential direction. Further, in the portion that contacts the outer peripheral wall portion 205 of the recess 202, the density and strength of the synthetic resin 230 are set to values necessary for fixing the entire synthetic resin 230 in the radial direction.
  • the permanent magnet 210 and the soft magnetic pole material 220 can be installed after the synthetic resin 230 is formed.
  • the inner peripheral surface of the permanent magnet 210 and the outer peripheral surface of the magnet support member 206, that is, the magnet support contact surface 207 have shapes that match each other.
  • the outer peripheral surface 232C of the synthetic resin 230 is formed corresponding to the shape of the inner peripheral side of the jig between the side wall portions 211 of the adjacent permanent magnets 210, and the gap 231C is formed. Further, filling with the synthetic resin 230 can be performed after the permanent magnet 210 is installed, and the jig has a shape that matches the outer peripheral surface of the permanent magnet 210, and the side wall portion of the permanent magnet 210. Since it has a shape coinciding with the outer peripheral side of 211 and can be in close contact with the surface of the permanent magnet 210, the soft magnetic pole material 220 can be installed after the synthetic resin 230 is formed.
  • the soft magnetic pole material 220 is held in the radial direction by the metal cover 40. Further, since the radius of the arc-shaped surface 226 of the soft magnetic pole material 220 is close to the radius of rotation and close to the radius of the metal cover 40, it is also held in the circumferential direction.
  • the fifth embodiment even if the amount of the synthetic resin 230 is small, a torque output with respect to the magnet usage amount is large, and an electric motor excellent in cogging torque and torque ripple can be obtained.
  • the leakage of magnetic flux between NS poles is larger than that in the first embodiment, and the output The magnet usage ratio tends to decrease. This is a problem when the thickness of the permanent magnet 210 in the radial direction is small, but it is more advantageous than the case of having a side wall integral with the iron core 200.
  • FIG. 8 is a partially enlarged view of a cross-sectional view of the rotor 20 according to the sixth embodiment.
  • the electric motor of this embodiment is a 10 pole 60 slot distributed winding brushless electric motor.
  • the rotor 20 has a metal cover 40 mounted on the outer peripheral side of the soft magnetic pole material 220, and the soft magnetic pole material 220 and the iron core 200 are made of permanent magnets 210 and a synthetic resin 230. It is separated. Further, the soft magnetic pole material 220 has a side wall portion 224 in the circumferential direction of the magnet side 222, the permanent magnet 210 has a side wall portion 211 in the circumferential direction, and the magnet support member 206 has a side wall portion 201 in the circumferential direction. Have The side walls 224, 211, and 201 are in contact with the synthetic resin 230.
  • the soft magnetic pole material 220 and the permanent magnet 210 are held in the circumferential direction by the contact between the side wall portions 224, 211, 201 and the synthetic resin 230. Further, the iron core 200 has a concave portion 202 filled with a synthetic resin 230 on the inner peripheral side of the side wall portion 201. In the sixth embodiment, description of the synthetic resin 230 common to the fourth and fifth embodiments is omitted.
  • the arc radius of the surface 226 on the stator side of the soft magnetic pole material 220 is smaller than the radius of the inner periphery of the metal cover 40. Therefore, the facing distance of the tip of the circumferential protrusion 223 of the soft magnetic pole material 220 is larger than the distance between NS poles. That is, the distance between adjacent magnetic poles is increased in order to suppress an increase in cogging torque due to magnetic flux leakage due to the large thickness of the end portion of the soft magnetic pole material 220. Further, in order to suppress an increase in torque ripple due to a large distance between adjacent magnetic poles, the arc radius of the surface 226 is reduced. As shown in FIG. 8, there is a gap (about 1 mm or less) between the circumferential protrusion 223 of the soft magnetic pole material 220 and the metal cover 40. The soft magnetic pole material 220 can be held in the radial direction by filling the gap with resin.
  • the soft magnetic pole material 220 may have a protrusion 225 that can hold the permanent magnet 210 in the circumferential direction as in the fourth and fifth embodiments.
  • the magnet support member 206 may have a protrusion 203 that can hold the permanent magnet 210 in the circumferential direction.
  • the permanent magnet 210 can be fixed in the circumferential direction by the protrusion 203, it is not necessary to increase the density and strength of the synthetic resin 230 to values necessary for holding the permanent magnet 210.
  • the stator 10 has a shape having 60 teeth 130 on the inner peripheral side of an annular core back 110.
  • the stator 10 is formed, for example, by forming the stator core 100 by a laminated body in which single-layer cores punched from electromagnetic steel sheets are laminated, and inserting the winding 140 into the stator core 100 and connecting them by welding.
  • the stator 10 is integrated by shrink fitting or press fitting into the housing.
  • an electric motor having a large torque output with respect to the amount of magnet usage and excellent cogging torque and torque ripple can be obtained.
  • FIG. 9 is a partially enlarged view of a cross-sectional view of the rotor 20 according to the seventh embodiment.
  • the motor of this embodiment is a 12 pole 18 slot concentrated winding motor.
  • the rotor 20 has a metal cover 40 mounted on the outer peripheral side of the soft magnetic magnetic pole material 220, and the soft magnetic magnetic pole material 220 and the iron core 200 are made of a permanent magnet 210 and a synthetic resin 230. It is separated. Further, the soft magnetic pole material 220 has a side wall portion 224 in the circumferential direction of the magnet side 222, the permanent magnet 210 has a side wall portion 211 in the circumferential direction, and the magnet support member 206 has a side wall portion 201 in the circumferential direction. Have The synthetic resin 230 is filled in contact with the side wall portions 201, 211, and 224.
  • the soft magnetic pole material 220 and the permanent magnet 210 are held in the circumferential direction by contacting the side wall portions 201, 211, 224 and the synthetic resin 230. Further, the iron core 200 has a concave portion 202 filled with a synthetic resin 230 on the inner peripheral side of the side wall portion 201. In the seventh embodiment, description of the synthetic resin 230 common to the fourth and fifth embodiments is omitted.
  • the arc radius of the surface 226 on the stator side of the soft magnetic pole material 220 is smaller than the radius of the inner periphery of the metal cover 40.
  • the arc radius of the surface 226 of the soft magnetic pole material 220 is larger than the radius of the rotor used in the conventional surface magnet type motor when the soft magnetic pole material 220 does not have the protruding portion 223 in the circumferential direction. Can be bigger. Thereby, torque can be generated more effectively.
  • the soft magnetic pole material 220 can be held in the radial direction by filling the gap with resin.
  • the soft magnetic pole material 220 may have a protrusion 225 that can hold the permanent magnet 210 in the circumferential direction as in the fourth and fifth embodiments.
  • the magnet support member 206 may have a protrusion 203 that can hold the permanent magnet 210 in the circumferential direction.
  • the permanent magnet 210 can be fixed in the circumferential direction by the protrusion 203, it is not necessary to increase the density and strength of the synthetic resin 230 to values necessary for holding the permanent magnet 210.
  • the winding 140 of the stator 10 a winding arrangement corresponding to 12 poles and 18 slots is required.
  • a torque output with respect to the magnet usage amount is large, and an electric motor excellent in cogging torque and torque ripple can be obtained.
  • a soft magnetic pole material having the same shape as that of the present embodiment can be applied to the same 2: 3 series 8-pole 12-slot concentrated-winding motor.
  • FIG. 10 is a comparative example 1, which is a 14-pole 18-slot concentrated winding electric motor, and shows a partially enlarged view of a rotor.
  • Comparative Example 1 is a surface magnet type, and as shown in FIG. 10, the electric motor 1 includes a stator 10 having teeth 130 and a rotor 20 that faces the stator 10 in the radial direction via an air gap 30. .
  • the stator 10 is the same as in the first embodiment.
  • the rotor 20 includes a permanent magnet 210 on the outer peripheral surface.
  • the permanent magnet 210 is installed between magnet stops 299 provided on the iron core 200 and is held in the circumferential direction, and is held in the radial direction by the metal cover 40.
  • the radius of the rotor 20 is the same as in the first embodiment. In Comparative Example 1, since there is no soft magnetic pole material, the thickness of the permanent magnet 210 increases and the magnetic pole arc radius decreases.
  • FIG. 11 shows a partial enlarged view of a rotor, which is a comparative example 2 and is a 14-pole 18-slot concentrated winding motor.
  • Comparative Example 2 is an embedded magnet type.
  • the electric motor 1 includes a stator 10 having teeth 130 and a rotor 20 that faces the stator 10 via an air gap 30 in the radial direction.
  • the stator 10 is the same as in the first embodiment.
  • the rotor 20 has a soft magnetic pole 220 formed integrally with the iron core 200, and a permanent magnet 210 is installed in the hole of the soft magnetic pole 220.
  • the difference between the inner peripheral radius of the stator 10 and the outer peripheral radius of the rotor 20 was shortened to 0.5 mm, and the thickness of the side wall portion of the soft magnetic pole 220 on the circumferential side of the permanent magnet 210 was set to 0.5 mm.
  • the arc radius of the soft magnetic pole 220 was reduced.
  • the reason why the difference between the inner peripheral radius of the stator 10 and the outer peripheral radius of the rotor 20 is shortened is to increase the torque, and the thickness of the side wall portion of the soft magnetic pole 220 on the circumferential direction side of the permanent magnet 210 is reduced to 0.5.
  • the reason for the mm is that the dimensions can be produced without any problem.
  • the reason why the arc radius of the soft magnetic pole 220 is reduced is to suppress cogging torque and torque ripple.
  • FIG. 12 is a diagram for explaining the characteristics of the comparative example and the embodiment.
  • Torque ripple (%) was compared. These physical quantities are calculated by magnetic field analysis using the finite element method for the magnetic flux distribution of the air gap 30 between the stator 10, the rotor 20, and the stator 10 and the rotor 20, and the electromagnetic stress of the air gap 30. This is obtained by calculating the torque corresponding to the rotation angle. Torque ripple can be obtained from a two-dimensional analysis in the plane of rotation.
  • the relationship between the axial thicknesses of the three examples can be obtained by matching the torque constants of the above three examples, so that the magnet volume and the cogging torque can be obtained.
  • the magnet volume is close to that of the comparative example 1.
  • the air gap 30 was shortened in order to increase the torque.
  • the thickness was 1.25 times that of the first embodiment, no effect was observed.
  • FIG. 12 shows that the magnet volume is the minimum in the first embodiment, and the cogging torque and the torque ripple are small and effective.
  • the arc radius of the soft magnetic pole material 220 is close to the rotor radius and the average distance between the soft magnetic pole material 220 and the stator inner diameter is small, there is an effect of improving torque. Further, since the arc radius of the soft magnetic pole material 220 is large, the cogging torque and the torque ripple tend to increase. However, for this, a protrusion is provided to extend the outer peripheral surface of the soft magnetic pole material 220 and rotate. By causing magnetic flux leakage between the child magnetic poles, the cogging torque can be reduced.
  • the inner peripheral side of the protruding portion is the soft magnetic magnetic pole material 220 on the magnet side of the soft magnetic magnetic pole material 220, which is separated from the rotor core 200 and formed smaller than the circumferential width of the protruding portion. Since the magnetic flux leakage between the rotor magnetic poles can be suppressed, the cogging torque can be reduced and the increase in torque ripple can be suppressed. Further, when the arc radius of the soft magnetic pole material 220 is close to the rotor radius, the magnetic pole material at the circumferential end of the permanent magnet 210 becomes thick, and the magnetic flux can move freely through the soft magnetic pole material 220. Edge concentration is greatly relaxed and thermal demagnetization is suppressed.
  • the magnet thickness can be reduced and the torque output per magnet mass can be improved.
  • the electric motor 1 is provided so as to face the stator 10 and the stator 10, and rotate to configure a magnetic pole by arranging an iron core 200, a permanent magnet 210, and a soft magnetic pole material 220 in the radial direction.
  • the soft magnetic pole material 220 has a projecting portion 223 having an arcuate surface on the side close to the stator 10 and having a width larger than the permanent magnet 210 in the circumferential direction of the rotor 20. Is formed.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiment, and other forms conceivable within the scope of the technical idea of the present invention are also included in the scope of the present invention as long as the characteristics of the present invention are not impaired. . Moreover, it is good also as a structure which combined the above-mentioned embodiment.

Landscapes

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Abstract

永久磁石210式ブラシレス電動機において、磁極端部形状のトルク生成への寄与を向上し、より少ない磁石使用量でトルクを生成できる回転子構造を提供することである。　固定子と永久磁石210式回転子を備えるブラシレス電動機において、固定子と、径方向にエアギャップを介して固定子と向き合う回転子と、を備える電動機であって、回転子は、鉄心200と、鉄心200に支持される永久磁石210と、永久磁石210の固定子に近い側の面に配置される軟磁性磁極材220と、を有し、軟磁性磁極材220は、固定子に近い側に回転面内で円弧状の表面を有し、かつ永久磁石210の周方向の幅より大きく形成された固定子側磁極材と、永久磁石210に近い側に形成されかつ固定子側磁極材の周方向の幅より小さく形成された磁石側磁極材と、を有し、かつ固定子側磁極材において磁石側磁極材の周方向の幅より大きく形成された部分に突起部を有する電動機により解決できる。

Description

電動機
　本発明は、電動機に関する。
　車両の電動化による油圧の代替や、ハイブリッド自動車、電気自動車の市場拡大の流れを受けて、電動パワーステアリング装置（以下、EPS装置と称する）の装着率が急速に増大している。
　EPS装置では、電動機がステアリングホイール操作をアシストすることから、運転者はステアリングホイールを介して、電動機のトルク脈動を手に感じることになる。このため、EPS装置用の電動機では、コギングトルクを電動機によるアシストトルクの1/1000程度に、トルクリップルをアシストトルクの１％程度に小さくする必要がある。さらに、近年、アイドリングストップやブレーキなどの運転操作の一部を自動化する機能を搭載した車の普及を背景に、運転快適性の向上とともに車室内の静音化が進展している。この結果、車室内騒音の低減の観点から、EPS装置などの電装品に用いられる電動機に対して低振動、低騒音が求められている。また、同時に、電動機を含めた装置の価格低減が求められている。
　特許文献１には、回転子コア、永久磁石、永久磁石より固定子側に凸となるように配置される磁極片を有する電動機の回転子が示されている。この特許文献１では、磁極片の露出面側の両端部分に切り欠き状の段部が形成されている。そのため、磁極片と固定子との平均的距離が大きくなり、トルクを低下させる。
特許第４９６９０６４号公報
　特許文献１では、少ない磁石使用量でトルクを生成するための有効な磁極の端部形状に課題があった。
　本発明の電動機は、固定子と、前記固定子と対向して設けられ、径方向に、鉄心と、永久磁石と、軟磁性磁極材とを配置して磁極を構成する回転子と、を備え、前記軟磁性磁極材は、前記固定子に近い側に円弧状の表面を有し、かつ前記永久磁石よりも大きな幅を前記回転子の周方向に有する突出部が形成されている。
　本発明によれば、磁極の端部形状によるトルク生成への寄与を向上させ、より少ない磁石使用量でトルクを生成できる。
電動機の断面図である。 第1の実施形態に係る回転子の断面図である。 第1の実施形態に係る回転子の断面図の部分拡大図である。 第２の実施形態に係る回転子の断面図の部分拡大図である。 第３の実施形態に係る回転子の断面図の部分拡大図である。 第４の実施形態に係る回転子の断面図の部分拡大図である。 第５の実施形態に係る回転子の断面図の部分拡大図である。 第６の実施形態に係る回転子の断面図の部分拡大図である。 第７の実施形態に係る回転子の断面図の部分拡大図である。 比較例１に係る回転子の断面図の部分拡大図である。 比較例２に係る回転子の断面図の部分拡大図である。 比較例と実施形態との特徴を説明する図である。
　次に、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、各図面において、同様の構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。
　なお、本実施形態の電動パワーステアリング装置（EPS装置）向け電動機は、EPS装置のみならずその他の自動車補機、例えば電動ブレーキ向け電動機にも適用可能である。さらには、低振動化が好ましい産業用の電動機全般にも適用可能である。
　以下では、本実施形態の構造を得る際に、回転子磁極の構造と、トルク、熱減磁、コギングトルクとの関係について検討した結果を説明する。その後、実施形態について、図面を参照して説明する。なお、以下の説明において、「軸方向」は、回転子の回転軸に沿った方向を指す。「周方向」は、回転子の回転方向に沿った方向を指す。「径方向」は、回転子の回転方向に垂直な方向を指す。
　まず、トルク生成と磁極形状の関係について説明する。回転子磁極の固定子側表面形状に関して、表面形状と固定子内径との平均的距離が小さいほどトルクが向上しやすい。これは、エアギャップの磁気抵抗が小さくなるために、磁石磁束が固定子側に通りやすくなるとともに、固定子からの磁束も磁石側に通りやすくなるためである。また、固定子側の磁極の表面形状には、通常、製造しやすい円弧状の形状が用いられるが、磁極の円弧半径を回転子の外表面の回転半径に一致させたときに、磁極表面と固定子の平均距離が最も小さくなる。このため、磁極の円弧半径を回転子の外表面の回転半径に一致させると、最も有効にトルクを生成できると考えられる。
　次に、熱減磁と磁極形状の関係について説明する。磁石に端がなく、磁石と固定子のエアギャップの長さのみを考慮すればよい理想極限では、エアギャップの長さが小さいほうが減磁界の影響が小さく、熱減磁が小さくなる。しかし、通常の表面磁石回転子のように、各磁石が距離を隔てて設置されている場合は事情が異なる。永久磁石の表面円弧半径が回転子半径に近い場合は、永久磁石の外周側の端は角であるために固定子からの減磁界の影響を大きく受け、永久磁石の端部に熱減磁が大きくなる。一方、永久磁石の表面円弧半径が回転子半径より小さく、外周側の端と固定子とのエアギャップの長さが磁石中央と比べて大きく、固定子からの減磁界の影響を受けにくい場合は、永久磁石の端部に熱減磁が生じにくい。これらのことから、有効にトルクを生成するために、永久磁石の表面円弧半径を回転子半径に近くする場合は、永久磁石の外周側の端部に熱減磁が大きく生じやすい。このため、通常は、磁石端部でのエアギャップを大きくして熱減磁を緩和しつつ、かつ、コギングトルクとトルクリップルを低減するために、磁極円弧半径を小さくして、エアギャップが大きいことによるトルク低下の副作用を許容する手段が採られている。また、永久磁石の外周側に高透磁率の軟磁性磁極材を設置する場合も、同様の形状にする手段が採られている。
　ここで、永久磁石を矩形平板型として、磁石の外周側に高透磁率の軟磁性磁極材を設置することを考えると、軟磁性磁極円弧半径が回転子外半径に近い場合は、一見、永久磁石の外周側の端部に熱減磁が大きく生じやすいように見える。しかし、磁石端部の軟磁性磁極厚みが大きい場合は、逆に、磁束が軟磁性磁極内を自由に移動でき、減磁界の端部集中が大きく緩和され、熱減磁が大きく緩和される。このため、磁極円弧半径が回転子外半径に近く、磁石端部の軟磁性磁極厚みを十分確保できる軟磁性磁極形状が好ましい。これにより、熱減磁の影響を抑止するための磁石厚みの増加を抑制し、磁束を有効に利用してトルクを生成可能になる。ただし、このような形状を採用した場合にも、コギングトルクとトルクリップルを低減できることが必要である。
　次に、コギングトルクと磁極形状の関係について説明する。コギングトルクにおいては、磁石磁極あるいは軟磁性磁極の円弧半径を回転子の外表面の回転半径に一致させたときより、回転子磁極の端と固定子内周との距離が大きいか、あるいは、磁極円弧半径が回転子半径より小さい方が、コギングトルクが小さい傾向にある。このため、安易に表面形状と固定子内径との平均的距離を小さくすると、コギングトルクが増大する。
　回転子磁極の端と固定子内周との距離が小さいか、あるいは、磁極円弧半径が回転子半径に近い場合は、回転子磁極の端から固定子を経由して隣の回転子磁極への磁束の漏れが増加し、これにより回転子・固定子間の吸引力が増加する。このため、固定子ティースと回転子磁極の位置関係による周方向吸引力の増減が強調されて、コギングトルクの増大につながる。回転子磁極の端と固定子内周との距離が大きいか、あるいは、磁極円弧半径が回転子半径より小さい場合は、回転子・固定子間の周方向吸引力の増減が抑制され、コアバックを経由する磁束による回転子・固定子間の周方向吸引力の増減と相殺し、コギングトルクが小さい傾向になる。
　一方、回転子外周側の磁極周方向端部において、隣の回転子磁極へ磁束が漏れると、磁束が固定子を経由しないため、この磁束は回転子・固定子間の吸引力を発生させず、コギングトルクに寄与しない。このため、回転子磁極の端と固定子内周との距離が小さいか、あるいは、磁極円弧半径が回転子半径に近い場合、回転子外周側の磁極周方向端部において、隣の回転子磁極へ磁束を漏らすと、固定子と回転子の周方向吸引力の増減が抑制され、コギングトルクを小さくできる。
　このため、表面形状と固定子内径との平均的距離を小さくして、かつ、コギングトルクを小さくするには、隣の回転子磁極への固定子を経由する磁束の漏れの一部を回転子外周側の磁極周方向端部の突出部を介して漏らす手段が有効になる。ただし、コギングトルクを小さくするために漏らした磁束による、トルクやトルクリップルへの影響が、小さいことが重要である。検討の結果、14:18系列や10:12系列のように、回転子磁極の周方向幅が固定子磁極の周方向幅に対してさほど大きくなく、コギングトルクの次数が大きいときは、コギングトルクを十分低減可能であることが、明らかになった。
　一方、2：3系列のように、固定子磁極の周方向幅に対して回転子磁極の周方向幅が大きいときは、突出部からの漏れを大きくするだけではトルク低下が大きくなるため、磁極円弧半径の縮小やスキューなどの手段を併用することが必要である。
　また、永久磁石の側壁部側に高透磁率材があり、同一磁石のNS極間に磁束の漏れが生じており、隣接磁極への漏れとともに同一磁石のNS極間の漏れ量が変動する場合は、コギングトルクを小さくしにくい。永久磁石の側壁部側に高透磁率材があり、同一磁石のNS極間に漏れがあっても、同一磁石のNS極間の漏れ量の変動が小さくなるように、隣接する磁極で永久磁石の側壁部との距離が大きいことが必要になる。ただし、少なくとも同一磁石のNS極間に漏れがあるため、磁束の有効利用の点では不利になる。
　次に、トルクリップルと磁極形状の関係について説明する。トルクリップルについては、コギングトルクと同様に、磁極円弧半径を小さくすると低減する傾向がある。一方、巻線の電流が大きくなると、固定子コアに部分的にあるいは全体的に生じる磁気飽和によって磁気抵抗が増大することにより、トルクリップルが増大する。また、コギングトルクが大きい場合に、小電流においてトルクリップルが大きい場合がある。一方、変動の振幅の絶対値だけでなく位相も関係しており、コギングトルクとトルクリップルが強調する場合も相殺する場合も生じうる。これらの影響が混在して現れるため、トルクリップルに関して一概に論ずることは難しい。
　３相交流起磁力の場合、トルクリップルの基本次数は回転子のNS磁極一対に対して６次の脈動になる。３相の起磁力の磁束の経路には固定子と回転子の磁極を結ぶものと、固定子内で閉じるものがあるが、隣接する回転子磁極を結んで固定子磁極とつながる経路も影響する。電流の大きさでこれらの経路の重みは変わりうる。また、固定子のティース巻線による磁束は、回転子磁極の一つを吸引し、回転子磁極に隣接する別の回転子磁極を排斥することにより、回転駆動力を発生させる。固定子磁極からの磁束は、回転子磁極以外にも、排斥されにくい隣のティースに向かうことが考えられる。また、排斥力を受ける回転子磁極からの磁束は、排斥するティース内を通りにくいため、排斥されないティースか隣の回転子磁極に向かう。これらの磁束の経路において、回転子の回転に伴って経路の磁束量が変動するが、磁極の構造や電流に複雑に依存するため、トルクリップルの理解は困難である。
　検討を進めるための仮説として以下を用いた。コギングトルクの値はトルクリップルより小さいため、突出部経由の少量の磁束漏れにより、コギングトルクの値は変化しやすいが、少量の磁束漏れ量の変動のトルクリップルへの影響は小さいと仮定する。すなわち、コギングトルクとトルクリップルの次数が比較的大きく、値が小さく安定しているような極スロット組み合わせでは、隣接回転子磁極への漏れが小さい場合、回転駆動に伴う隣接回転子磁極への漏れ量の変動が小さく、トルクリップルが抑制されやすくなると仮定する。
　この仮説に基づくと、磁束漏れ量の変動が小さいような形状が重要と考えられる。このような形状として、同一磁石のNS極間の漏れが小さいか変動が小さい形状であり、隣接する回転子磁極間の漏れ量を小さく制御できる形状を検討した。その形状とは、磁極外周円弧の両端が突出部になっており、突出部より内周側で磁極幅が狭まる形状である。このような突出部によって隣接する回転子磁極間の漏れ量を小さく制御できる。また、この磁極材としては、低透磁率の部材または空間によって固定子コア（鉄心）と分離された形状を検討した。これにより、同一磁石のNS極間の漏れが小さく、漏れ量の変動が小さいため、トルクリップルが抑制されやすいと考えられる。
　検討の結果、14:18系列や10:12系列の集中巻のように、回転子磁極の周方向幅が固定子磁極の周方向幅に対してさほど大きくなく、コギングトルクとトルクリップルの次数が比較的大きいときは、磁極円弧半径が回転子半径に近くても、軟磁性磁極材の突出部からの磁束の漏れを利用して、コギングトルクとトルクリップルを十分低減可能であることが、明らかになった。すなわち、トルクリップルへの影響が小さい少量の磁束漏れでコギングトルクを低減でき、外周表面を延長する形の突出部を有し、突出部より内周側で軟磁性磁極幅が狭まることにより、突出部の形状で磁束の漏れ量を制御できる形状である。
　ただし、２：３系列の集中巻のように、固定子磁極の周方向幅に対して回転子磁極の周方向幅が大きいときは、コギングトルクとトルクリップルの低減を磁束漏れのみで対策できないため、磁極円弧半径の縮小やスキューなどの手段を併用することが必要である。また、軟磁性磁極材の突出部からの磁束漏れを利用する場合は、しない場合に比べて、磁極円弧半径を大きく設定可能になる。
　また、通常の埋め込み磁石方式のように、永久磁石の側壁部に高透磁率材があり、同一磁石のNS極間に漏れがある場合は、コギングトルクとトルクリップルを低減するために、高透磁率材の厚みが小さくして同一磁石のNS極間の漏れ量と変動を小さくするか、隣接する磁極の間隔を大きくして同一磁石のNS極間の漏れ量の変動を小さくする必要がある。
（第１の実施形態）
　以下、図１～図３を参照して、第１の実施形態による電動機を説明する。図１は、電動機の回転軸に垂直な方向の断面図である。図２は、図１に示す回転子の拡大図である。図３は、図２に示す回転子の部分拡大図である。本実施形態の電動機は14極18スロット集中巻の電動機である。
　図１に示すように、本実施形態の電動機1は、固定子10と、径方向にエアギャップ30を介して固定子10と向き合う回転子20と、を備える電動機である。固定子10は、コアバック110およびティース130からなる固定子コア100と、巻線140とを有する。回転子20は、図２に示すように、回転子コアすなわち鉄心200と、鉄心200に支持される永久磁石210と、永久磁石210の固定子10に近い側の面に配置される軟磁性磁極材220とにより磁極を構成する。軟磁性磁極材220は、図３に示すように、固定子10に近い側である固定子側221と、永久磁石210に近い側である磁石側222とを有しており、固定子側221に円弧状の表面226を有し、かつ永久磁石210よりも大きな幅を周方向に有する突出部223が形成されている。
　鉄心200には凹部202が形成されており、この凹部202には合成樹脂230が充填されており、合成樹脂230は、軟磁性磁極材220の側壁部224、永久磁石210の側壁部211、鉄心200の側壁部201にそれぞれ接するように充填されている。合成樹脂230の密度および強度は、軟磁性磁極材220、永久磁石210を周方向に固定するために必要な値となるようにそれぞれ設定される。また、凹部202の外周方向の壁部205に接触する部分では、合成樹脂230の密度および強度は、合成樹脂230全体を径方向に固定するために必要な値となるようにそれぞれ設定される。
　合成樹脂230を充填する場合は、冶具を使用して、永久磁石210および軟磁性磁極材220の位置を鉄心200に対して固定した状態で、実施される。また、合成樹脂230の充填は、軟磁性磁極材220の円弧状の表面226と、軟磁性磁極材220の突出部223の周方向端面とを冶具により覆って実施される。このとき、突出部223の周方向端面に挟まれた冶具部分の内周より内側に充填される。この場合、冶具を外して金属カバー40を設置すると、突出部223の周方向端面に挟まれた部分に空隙231が生じる。このとき、合成樹脂230の外周側表面232は、突出部223の周方向端面に挟まれた冶具部分の内周側表面形状を反映する。合成樹脂230の外周側表面232は、図３に示すような平面状または円筒状であっても、それより内周側に凹む形状でもよいが、合成樹脂230は、永久磁石210および軟磁性磁極材220を周方向に保持するのに必要な密度・強度を持つ。
　電動機1の回転子20には、磁極の外周側に金属製のカバー40が装着される。金属製のカバー40で回転子20の表面を抑える構造により、回転子20は径方向に安定に保持される。なお、軟磁性磁極材220の突出部223とカバー40との間には合成樹脂230を充填する空隙が設けられないため、合成樹脂230で軟磁性磁極材220を外周側から内周側に抑える構造にはできない。ただし、軟磁性磁極材220の円弧半径が回転子20の半径に近いため、上記のように金属製のカバー40で回転子20の表面を抑える構造により、径方向のみならず、周方向にも安定的な回転子20の保持ができる。また、軟磁性磁極材220の突出部223より内周側においては、合成樹脂230により、軟磁性磁極材220の磁石側222と永久磁石210とが周方向に保持される。
　上記のように、回転子20は、軟磁性磁極材220の径方向外側に装着される金属製のカバー40を有している。また、軟磁性磁極材220は磁石側222の周方向に側壁部224を有し、永久磁石210は周方向に側壁部211を有している。さらに、永久磁石210を支持する鉄心200により構成される磁石支持部材206は、永久磁石210の内周側表面と接触する磁石支持接触面207を有している。磁石支持部材206は周方向に前述の側壁部201を有し、凹部202には、軟磁性磁極材220の側壁部224と永久磁石210の側壁部211と磁石支持部材206の側壁部201に接触して、合成樹脂230が充填されている。また、凹部202において、側壁部201の内周側には、充填された合成樹脂230を径方向に固定するための壁部205が形成されている。本実施形態による電動機1の回転子20においては、合成樹脂230と永久磁石210の比透磁率は軟磁性磁極材220と鉄心200に比べて小さく、軟磁性磁極材220と鉄心200とが合成樹脂230及び永久磁石210により分離されている。換言すると、永久磁石210の側壁部211側には高透磁率材が接していない。
　固定子10は、たとえば、電磁鋼板の分割打ち抜きコアを積層した積層体により固定子コア100を形成し、この固定子コア100に巻線140を形成して、円環に組み、ハウジングに焼嵌めまたは圧入して一体化されることで形成される（図1参照）。鉄心200には打ち抜き電磁鋼板の積層体を使用できる。軟磁性磁極材220は、固定子コア100や鉄心200に比べて、磁路方向の長さが極めて短く、比透磁率は固定子コア100の数分の１程度でも性能に問題は生じない。そのため、より軟らかい電磁鋼板の打ち抜きによる積層体や、樹脂により柔軟性を高めて成形できる焼結材などの、形状精度を高くできる素材を軟磁性磁極材220として使用できる。磁路方向の長さが極めて短い場合でも、軟らかい電磁鋼板であれば、打ち抜き電磁鋼板の積層体を製造する際に、丸ダボで位置決めした積層が可能になる。既に述べたように、合成樹脂230の充填により鉄心200と永久磁石210と軟磁性磁極材220を周方向に精度よく保持可能であり、SUS316などの金属製のカバー40により固定子10を径方向に保持可能であるため、回転子20を精度よく製造可能である。
　本実施形態によれば、磁極の端部形状によるトルク生成への寄与を向上させ、より少ない磁石使用量でトルクを生成でき、コギングトルク、トルクリップルに優れた電動機が得られる。
（第２の実施形態）
　図４は、第２の実施形態に係る回転子20の断面図の部分拡大図である。固定子10の構成は、図1に示した第1の実施形態と同様であるので説明を省略する。本実施形態の電動機は14極18スロット集中巻の電動機であり、第１の実施形態と共通の部分は説明を省略する。
　図４に示すように、鉄心200は、磁石支持部材206の周方向端部に永久磁石210を周方向に挟み保持する突起部203を有する。永久磁石210は、第１の実施形態と同様に、周方向に側壁部211を有する。軟磁性磁極材220は、第１の実施形態と同様である。すなわち、図４に示すように、固定子10に近い側である固定子側221に、回転子20の回転によって回転子20の外周に形成される回転面内で、円弧状の表面226を有し、かつ永久磁石210に近い側である磁石側222の周方向の幅より固定子側221の周方向の幅が大きくなるように突出部223が形成されている。また、軟磁性磁極材220は、磁石側222の周方向に側壁部224を有する。回転子20は、軟磁性磁極材220の外周側に装着される金属製のカバー40を有する。また、鉄心200は、側壁部201の内周側に、合成樹脂230が充填される凹部202を有する。
　凹部202には、鉄心200、永久磁石210、軟磁性磁極材220の各側壁部201、211、224に接触するように、合成樹脂230が充填されている。合成樹脂230の密度および強度は、軟磁性磁極材220を周方向に固定するために必要な値となるようにそれぞれ設定される。また、凹部202の外周側の壁部205に接触する部分では、合成樹脂230の密度および強度は、合成樹脂230全体を径方向に固定するために必要な値となるようにそれぞれ設定される。一方、永久磁石210は突起部203により周方向に固定されているため、合成樹脂230の充填時に、永久磁石210の側壁部211に接触する部分において、合成樹脂230の密度や強度を、永久磁石210を周方向に保持するために高める必要がなくなる。
　凹部202に合成樹脂230を充填する際には、鉄心200の突起部203における側壁部201の一部と、永久磁石210の側壁部211の一部と、軟磁性磁極材220の側壁部224の一部と、軟磁性磁極材220の円弧状の表面226と、軟磁性磁極材220の突出部223の周方向端部とが、冶具により覆われる。これにより、永久磁石210および軟磁性磁極材220の位置を鉄心200に対して固定した状態で、合成樹脂230を充填することが可能になる。このとき、隣り合う突出部223の端部に挟まれた冶具部分の内周側に合成樹脂230が充填されるため、冶具を外すと、冶具の内周側の形状に対応して、合成樹脂230の外周側表面232と、空隙231とが形成される。また、合成樹脂230の外周側表面232は、突出部223の周方向端部に挟まれた冶具部分の内周側形状が反映されるため、図４に示すような形状や、それより内周側に凹む形状であってよい。ただし、この場合も、合成樹脂230は軟磁性磁極材220を周方向に保持するのに必要な密度・強度を持つことが好ましい。
　本実施形態による電動機1の回転子20においては、第１の実施形態と同様に、合成樹脂230と永久磁石210の比透磁率は小さく、軟磁性磁極材220と鉄心200とが合成樹脂230及び永久磁石210により分離されている。換言すると、永久磁石210の側壁部211側には高透磁率材が接していない。
　第２の実施形態によれば、第１の実施形態と比べて、合成樹脂230の強度が少なくても、磁石使用量に対するトルク出力が大きく、コギングトルク、トルクリップルに優れた電動機が得られる。ただし、永久磁石210の径方向の厚さが小さい場合には、鉄心200の突起部203と固定子10との間で磁束漏れが増加するため、第１の実施形態と比較すると、磁石使用量あたりのトルク出力は低下する傾向にある。
（第３の実施形態）
　図５は、第３の実施形態に係る回転子20の断面図の部分拡大図である。固定子10の構成は、図1に示した第1の実施形態と同様であるので説明を省略する。本実施形態の電動機は14極18スロット集中巻の電動機であり、第１、２の実施形態と共通の部分は説明を省略する。
　図５に示すように、回転子20は、軟磁性磁極材220の外周側に装着される金属製のカバー40を有し、軟磁性磁極材220と鉄心200が合成樹脂230及び永久磁石210により分離されている。さらに、第１、２の実施形態と同様に、軟磁性磁極材220は、磁石側222の周方向に側壁部224を有し、永久磁石210は、周方向に側壁部211を有する。また、第２の実施形態と同様に、鉄心200は、磁石支持部材206に永久磁石210を周方向に挟み保持できる突起部203を有し、この突起部203の周方向に側壁部201を有する。そして、各側壁部224、211、201に接触して充填された合成樹脂230を有する。これにより、軟磁性磁極材220の磁石側と永久磁石210を合成樹脂230により周方向に保持する。また、鉄心200は、側壁部201の内周側に、合成樹脂230が充填される凹部202を有する。
　合成樹脂230の密度および強度は、軟磁性磁極材220を周方向に固定するために必要な値となるようにそれぞれ設定される。また、凹部202の外周側の壁部205に接触する部分では、合成樹脂230の密度および強度は、合成樹脂230全体を径方向に固定するために必要な値となるようにそれぞれ設定される。一方、永久磁石210は突起部203により周方向に固定されているため、合成樹脂230の充填時に、永久磁石210の側壁部211に接触する部分において、合成樹脂230の密度や強度を、永久磁石210を周方向に保持するために高める必要がなくなる。
　凹部202に合成樹脂230を充填する際には、鉄心200の側壁部201の一部と、永久磁石210の側壁部211の一部とが、冶具により覆われる。これにより、永久磁石210および軟磁性磁極材220の位置を鉄心200に対して固定した状態で、合成樹脂230を充填することが可能になる。また本実施形態では、冶具が、軟磁性磁極材220の磁石接触面と一致する形状を有する冶具を用いることにより、かつ、軟磁性磁極材220の磁石側側壁部224の表面と一致する形状を内周側で有する冶具を用いることにより、永久磁石210設置後に合成樹脂230を形成可能になる。このとき、軟磁性磁極材220の内周側の表面と、永久磁石210の外周側の表面とが、互いに合致する形状を有しており、合成樹脂230の形成後に、軟磁性磁極材220を設置可能になる。
　このとき、隣り合う軟磁性磁極材220の側壁部224の間における、冶具の内周側の形状に対応して、合成樹脂230の外周側表面232Bが形成され、空隙231Bが形成される。また、隣り合う軟磁性磁極材220の側壁部224の間における、冶具の内周側の形状において、軟磁性磁極材220の側壁部224の内周側のみと形状が一致し、他の冶具形状が内周側に存在する場合は、図５に示すように、合成樹脂230に生じる空隙231Bは、軟磁性磁極材220の磁石側側壁部224に達する。一方、隣り合う軟磁性磁極材220の側壁部224の間における、冶具の内周側の形状において、軟磁性磁極材220の側壁部224と、軟磁性磁極材220の突出部223の内周側表面の一部と形状が一致し、他の冶具形状が内周側に存在する場合は、合成樹脂230に生じる空隙231Bは、軟磁性磁極材220の突出部223の内周側表面に達するが、側壁部224には達しない。
　なお、本実施形態において、磁石支持部材206は、永久磁石210を周方向に挟み保持できる突起部203を有さずともよい。この場合は、永久磁石210の側壁部211に接触する部分の合成樹脂230の密度および強度は、第１の実施形態と同様に、永久磁石210を周方向に固定するために、必要な値となるようにそれぞれ設定される。
　第３の実施形態によれば、第２の実施形態と同様に、合成樹脂230の強度が少なくても、磁石使用量に対するトルク出力が大きく、コギングトルク、トルクリップルに優れた電動機が得られる。ただし、永久磁石210の径方向の厚さが小さい場合には、鉄心200の突起部203と固定子10との間で磁束漏れが増加するため、第１の実施形態と比較すると、磁石使用量あたりのトルク出力は低下する傾向にある。
（第４の実施形態）
　図６は、第４の実施形態に係る回転子20の断面図の部分拡大図である。固定子10の構成は、図1に示した第1の実施形態と同様であるので説明を省略する。本実施形態の電動機は14極18スロット集中巻の電動機であり、第１、３の実施形態と共通の部分は説明を省略する。
　図６に示すように、回転子20は、軟磁性磁極材220の外周側に装着される金属製のカバー40を有し、軟磁性磁極材220と鉄心200が合成樹脂230、空隙231C及び永久磁石210により分離されている。さらに、軟磁性磁極材220は、磁石側222の周方向に、側壁部224と、永久磁石210を周方向に挟み保持できる突起部225とを有する。また、第１の実施形態と同様に、永久磁石210は、周方向に側壁部211を有し、磁石支持部材206は、周方向に側壁部201を有する。また、永久磁石210の側壁部211と磁石支持部材206の側壁部201に接触して充填された合成樹脂230を有する。これにより、軟磁性磁極材220と永久磁石210を合成樹脂230により周方向に保持する。また、鉄心200は、側壁部201の内周側に、合成樹脂230が充填される凹部202を有する。
　合成樹脂230の密度および強度は、軟磁性磁極材220と永久磁石210を周方向に固定するために必要な値となるようにそれぞれ設定される。また、凹部202の外周側の壁部205に接触する部分では、合成樹脂230の密度および強度は、合成樹脂230全体を径方向に固定するために必要な値となるようにそれぞれ設定される。ただし、軟磁性磁極材220は、突起部225が永久磁石210を周方向に挟み保持することで、永久磁石210と共に周方向に固定される。そのため、合成樹脂230が軟磁性磁極材220の側壁部224に接触する必要がなくなる。このため、本実施形態では、図６に示すように、合成樹脂230は永久磁石210の側壁部211と鉄心200の側壁部201に接触するように充填される。
　凹部202に合成樹脂230を充填する際には、鉄心200の側壁部201の一部と、永久磁石210の側壁部211の一部とが、冶具により覆われる。これにより、永久磁石210および軟磁性磁極材220の位置を鉄心200に対して固定した状態で、合成樹脂230を充填することが可能になる。また本実施形態では、永久磁石210の側壁部211の内周側と一致する形状を有する冶具を用いることにより、かつ、永久磁石210の内周側の表面と一致しかつ磁石支持部材206の外周側表面207と密着できる形状を有する冶具を用いることにより、合成樹脂230の形成後に、前記磁石と前記軟磁性磁極材220を設置可能になる。これにより、永久磁石210の内周側の表面と、磁石支持部材206の外周側の表面、すなわち磁石支持接触面207とが密着できる。このとき、隣り合う永久磁石210の側壁部211の間における、冶具の内周側の形状に対応して、合成樹脂230の外周側表面232Cが形成され、空隙231Cが形成される。
　また、合成樹脂230を充填することは、永久磁石210を設置後に実施することも可能である。この場合は、永久磁石210の外周側の表面と一致する形状を有する冶具を用いることにより、かつ、永久磁石210の側壁部211の外周側と一致する形状を有する冶具を用いることにより、合成樹脂230の形成後に、前記軟磁性磁極材220を設置可能になる。これにより、軟磁性磁極材220と永久磁石210とが密着でき、合成樹脂230の形成後に、軟磁性磁極材220を設置可能になる。このとき、隣り合う永久磁石210の側壁部211の間における、冶具の内周側の形状に対応して、合成樹脂230の外周側表面232Cが形成され、空隙231Cが形成される。
　軟磁性磁極材220は、金属製のカバー40により径方向に保持される。また、軟磁性磁極材220の円弧状表面226の半径が回転半径に近く、金属製のカバー40の半径にも近いため、軟磁性磁極材220は周方向にも保持される。
　第４の実施形態によれば、合成樹脂230の量が少なくても、磁石使用量に対するトルク出力が大きく、コギングトルク、トルクリップルに優れた電動機が得られる。ただし、第１の実施形態と比較すると、軟磁性磁極材220の突起部225と固定子10との間の磁束漏れと、隣り合う軟磁性磁極材220の側壁部224同士の距離が近づくことによる磁束漏れとが増加するため、磁石使用量あたりのトルク出力は低下する傾向にある。前者の磁束漏れは永久磁石210の径方向の厚さが小さい場合に問題になるが、鉄心200と一体の側壁を有する場合よりは有利である。後者の磁束漏れは対向する突出部223の距離を大きくすることで調整可能である。
（第５の実施形態）
　図７は、第５の実施形態に係る回転子20の断面図の部分拡大図である。固定子10の構成は、図1に示した第1の実施形態と同様であるので説明を省略する。本実施形態の電動機は14極18スロット集中巻の電動機であり、第３、４の実施形態と共通の部分は説明を省略する。
　図７に示すように、回転子20は、軟磁性磁極材220の外周側に装着される金属製のカバー40を有し、軟磁性磁極材220と鉄心200が合成樹脂230、空隙231C及び永久磁石210により分離している。さらに、第４の実施形態と同様に、軟磁性磁極材220は、磁石側222の周方向に、側壁部224と、永久磁石210を周方向に挟み保持できる突起部225とを有する。さらに、永久磁石210は、周方向に側壁部211を有し、第２、第３の実施形態と同様に、鉄心200は、磁石支持部材206に永久磁石210を周方向に挟み保持できる突起部203を有し、この突起部203の周方向に側壁部201を有する。
　回転子20は、上記のように軟磁性磁極材220が突起部225を有し、磁石支持部材206が突起部203を有するため、合成樹脂230を充填しなくても、永久磁石210および軟磁性磁極材220の周方向の位置決めと保持を行うことができる。また、合成樹脂230を充填する場合は、冶具から永久磁石210および軟磁性磁極材220の周方向の位置決め部材を省くことができる。
　以下では、第５の実施形態における図７を用いて、永久磁石210の周方向の側壁部211の内周側まで、合成樹脂230を充填し、周方向保持を２重に実施する場合について述べる。
　第５の実施形態における図７では、永久磁石210の周方向の側壁部211と磁石支持部材206の周方向の側壁部201とに接触して、合成樹脂230が充填されている。そのため、突起部203、225と合成樹脂230により、軟磁性磁極材220と永久磁石210を周方向に保持することができる。また、鉄心200は、側壁部201の内周側に、合成樹脂230が充填される凹部202を有する。合成樹脂230の密度および強度は、軟磁性磁極材220と永久磁石210を周方向に固定するために必要な値となるようにそれぞれ設定される。また、凹部202の外周側の壁部205に接触する部分では、合成樹脂230の密度および強度は、合成樹脂230全体を径方向に固定するために必要な値となるようにそれぞれ設定される。
　本実施形態では、合成樹脂230を充填製造する際に、永久磁石210の側壁部211の内周側と一致する形状を有する冶具を用いることにより、かつ、永久磁石210の内周側の表面と一致する形状を有する冶具を用いることにより、合成樹脂230の形成後に、永久磁石210と軟磁性磁極材220を設置可能になる。このとき、永久磁石210の内周側の表面と、磁石支持部材206の外周側の表面、すなわち磁石支持接触面207とが、互いに合致する形状を有している。このとき、隣り合う永久磁石210の側壁部211の間における、冶具の内周側の形状に対応して、合成樹脂230の外周側表面232Cが形成され、空隙231Cが形成される。また、合成樹脂230を充填することは、永久磁石210を設置後に実施することも可能であり、冶具が、永久磁石210の外周側の表面と一致する形状を有し、永久磁石210の側壁部211の外周側と一致する形状を有して、永久磁石210の表面と密着できることにより、合成樹脂230の形成後に、軟磁性磁極材220を設置可能になる。
　軟磁性磁極材220は、金属製のカバー40により径方向に保持される。また、軟磁性磁極材220の円弧状表面226の半径が回転半径に近く、金属製のカバー40の半径に近いため、周方向にも保持される。
　第５の実施形態によれば、合成樹脂230の量が少なくても、磁石使用量に対するトルク出力が大きく、コギングトルク、トルクリップルに優れた電動機が得られる。ただし、永久磁石210の外周側と内周側に高透磁率材の突起部203、225がそれぞれ存在するため、第１の実施形態に比べてNS極間の磁束の漏れが大きくなり、出力に対する磁石使用量比が低下する傾向にある。これについては、永久磁石210の径方向の厚さが小さい場合に問題になるが、鉄心200と一体の側壁を有する場合よりは有利である。また、隣り合う軟磁性磁極材220の側壁部224同士の距離が近づくことによる磁束漏れが増加するため、磁石使用量あたりのトルク出力は低下する傾向にあるが、これは対向する突出部223の距離を大きくすることで調整可能である。
（第６の実施形態）
　図８は、第６の実施形態に係る回転子20の断面図の部分拡大図である。本実施形態の電動機は10極60スロット分布巻ブラシレスの電動機である。
　図８に示すように、回転子20は、軟磁性磁極材220の外周側に装着される金属製のカバー40を有し、軟磁性磁極材220と鉄心200が永久磁石210および合成樹脂230により分離されている。さらに、軟磁性磁極材220は、磁石側222の周方向に側壁部224を有し、永久磁石210は、周方向に側壁部211を有し、磁石支持部材206は、周方向に側壁部201を有する。そして、各側壁部224、211、201に接触して合成樹脂230が充填されている。各側壁部224、211、201と合成樹脂230が接触することにより、軟磁性磁極材220と永久磁石210とが周方向に保持されている。また、鉄心200は、側壁部201の内周側に、合成樹脂230が充填される凹部202を有する。第６の実施形態において、第４、第５の実施形態と共通する合成樹脂230に関する説明は、省略する。
　第６の実施形態では、図８に示すように、軟磁性磁極材220の固定子側の表面226の円弧半径が金属製のカバー40の内周の半径より小さい。そのため、軟磁性磁極材220の周方向突出部223の先端の対向距離が、NS極間の距離より大きい。すなわち、軟磁性磁極材220の端部の厚みが大きいことによる磁束漏れでのコギングトルクの増加を抑制するために、隣接磁極間距離が大きくなっている。また、隣接磁極間距離が大きいことによるトルクリップルの増加を抑制するために、表面226の円弧半径が小さくなっている。図８に示すように、軟磁性磁極材220の周方向突出部223と金属製のカバー40の間に空隙(約1mm以下)がある。この空隙にも樹脂を充填することで軟磁性磁極材220を径方向に保持することができる。
　なお、本実施形態において、軟磁性磁極材220は、第４、第５の実施形態と同様に、永久磁石210を周方向に挟み保持できる突起部225を有してもよい。また、第２、第３、第５の実施形態と同様に、磁石支持部材206は、永久磁石210を周方向に挟み保持できる突起部203を有してもよい。この場合は、永久磁石210は突起部203により周方向に固定できているため、合成樹脂230の密度や強度を、永久磁石210の保持に必要な値に高める必要がなくなる。一方、突起部225、203と固定子10との間の磁束漏れが小さいように設計する必要が生じる。
　鉄心200と軟磁性磁極材220の説明は省略する。固定子10は、円環状のコアバック110の内周側に６０本のティース130を有する形状を有している。固定子10は、たとえば、電磁鋼板を打ち抜いた単層コアを積層した積層体により固定子コア100を形成し、この固定子コア100に巻線140を挿入して溶接により結線することで形成される。固定子10は、ハウジングに焼嵌めまたは圧入して一体化される。
　第６の実施形態によれば、磁石使用量に対するトルク出力が大きく、コギングトルク、トルクリップルに優れた電動機が得られる。
（第７の実施形態）
　図９は、第７の実施形態に係る回転子20の断面図の部分拡大図である。本実施形態の電動機は12極18スロット集中巻の電動機である。
　図９に示すように、回転子20は、軟磁性磁極材220の外周側に装着される金属製のカバー40を有し、軟磁性磁極材220と鉄心200が永久磁石210および合成樹脂230により分離されている。さらに、軟磁性磁極材220は、磁石側222の周方向に側壁部224を有し、永久磁石210は、周方向に側壁部211を有し、磁石支持部材206は、周方向に側壁部201を有する。そして、各側壁部201、211、224に接触して合成樹脂230が充填されている。各側壁部201、211、224と合成樹脂230が接触することにより、軟磁性磁極材220と永久磁石210とが周方向に保持されている。また、鉄心200は、側壁部201の内周側に、合成樹脂230が充填される凹部202を有する。第７の実施形態において、第４、第５の実施形態と共通する合成樹脂230に関する説明は、省略する。
　第７の実施形態では、図９に示すように、軟磁性磁極材220の固定子側の表面226の円弧半径が金属製のカバー40の内周の半径より小さい。しかし、軟磁性磁極材220の表面226の円弧半径は、軟磁性磁極材220が周方向に突出部223を有さない場合や、従来の表面磁石型の電動機で用いられる回転子の半径よりも大きくすることができる。これにより、よりトルクを有効に生成可能になる。ただし、コギングトルクとトルクリップルを十分低減するためには、スキューなどの他の手段を併用することが好ましい。図９に示すように、軟磁性磁極材220の周方向突出部223と金属製のカバー40の間に空隙(約1mm以下)がある。この空隙にも樹脂を充填することで軟磁性磁極材220を径方向に保持することができる。
　なお、本実施形態においても、軟磁性磁極材220は、第４、第５の実施形態と同様に、永久磁石210を周方向に挟み保持できる突起部225を有してもよい。また、第２、第３、第５の実施形態と同様に、磁石支持部材206は、永久磁石210を周方向に挟み保持できる突起部203を有してもよい。この場合は、永久磁石210は突起部203により周方向に固定できているため、合成樹脂230の密度や強度を、永久磁石210の保持に必要な値に高める必要がなくなる。一方、突起部225、203と固定子10との間の磁束漏れが小さいように設計する必要が生じる。固定子10のコアと鉄心200と軟磁性磁極材220の説明は省略する。固定子10の巻線140に関しては、12極18スロットに対応した巻線配置が必要になる。
　第７の実施形態によれば、磁石使用量に対するトルク出力が大きく、コギングトルク、トルクリップルに優れた電動機が得られる。なお、同じ2:3系列の8極12スロット集中巻の電動機に対しても、本実施形態と同様の形状の軟磁性磁極材を適用可能である。
　以下に、本実施形態の優位性について比較例１、２を参照して説明する。
　図１０は比較例１であり、14極18スロット集中巻の電動機であって、回転子の部分拡大図を示す。比較例１は表面磁石式であり、図１０に示すように、電動機1は、ティース130を有する固定子10と、径方向にエアギャップ30を介して固定子10と向き合う回転子20とを備える。固定子10は第１の実施例と同様である。回転子20は、外周表面に永久磁石210を備える。永久磁石210は、鉄心200に設けられた磁石止299の間に設置されて周方向に保持され、金属製のカバー40により径方向に保持される。回転子20の半径は第１の実施例と同様である。比較例１は、軟磁性磁極材がないため、永久磁石210の厚みが増加し、磁極円弧半径が小さくなる。
　図１１は比較例２であり、14極18スロット集中巻の電動機であって、回転子の部分拡大図を示す。比較例２は埋込磁石式であり、図１１に示すように、電動機1は、ティース130を有する固定子10と、径方向にエアギャップ30を介して固定子10と向き合う回転子20とを備える。固定子10は第１の実施例と同様である。回転子20は、鉄心200と一体に形成された軟磁性磁極220を有し、軟磁性磁極220の孔部に永久磁石210が設置される。固定子10の内周半径と回転子20の外周半径との差を0.5mmとして短縮し、永久磁石210の周方向側の軟磁性磁極220の側壁部の厚みを0.5mmとした。また、軟磁性磁極220の円弧半径を小さくした。固定子10の内周半径と回転子20の外周半径との差を短縮したのは、トルクを大きくするためであり、永久磁石210の周方向側の軟磁性磁極220の側壁部の厚みを0.5mmとしたのは、問題なく量産できる寸法とするためである。また、軟磁性磁極220の円弧半径を小さくしたのはコギングトルクとトルクリップルを抑制するためである。
　図１２は、比較例と実施形態との特徴を説明する図である。図１２において、表面磁石式の比較例１と、埋込磁石式の比較例２と、第１の実施形態について、比較例１を基準としてブロック換算した磁石体積の比と、コギングトルク/5mNmと、トルクリップル(%)を比較した。これらの物理量は、固定子10、回転子20、および、固定子10と回転子20の間のエアギャップ30の磁束分布と、エアギャップ30の電磁応力を有限要素法による磁界解析で計算し、回転角に対応するトルクを算出することにより得たものである。トルクリップルは回転面内の２次元的な解析から得ることができる。磁石体積とコギングトルクについては、上記３例のトルク定数を一致させることで、３例の軸方向の積厚の関係が得られるため、磁石体積とコギングトルクを得ることができる。埋込磁石式の比較例２においては、磁石体積は比較例１に近い。ただし、トルクを大きくするためにエアギャップ30を短縮したが、永久磁石210の周方向側の軟磁性磁極220の側壁部の厚みによる磁束もれとトルク低加およびトルクリップルの増加の影響の方が大きい結果となり、また、積厚は第１の実施形態の1.25倍となったため、効果は認められなかった。一方、図１２において、磁石体積は第１の実施形態が最小であり、コギングトルクとトルクリップルも小さく、効果のあることが示された。
　本実施形態によれば、軟磁性磁極材220の円弧半径が回転子半径に近く、軟磁性磁極材220と固定子内径との平均的距離が小さいためトルクが向上する効果がある。また、軟磁性磁極材220の円弧半径が大きいため、コギングトルクとトルクリップルが増加する傾向になるが、これについては、軟磁性磁極材220の外周面を延長させる形で突出部を設けて回転子磁極間に磁束漏れを生じさせることにより、コギングトルクを小さくできる。また、突出部より内周側は、軟磁性磁極材220の磁石側の軟磁性磁極材220であり、回転子の鉄心200と分離されており、かつ、突出部の周方向の幅より小さく形成された形状になっており、回転子磁極間の磁束漏れを抑制できるため、コギングトルクを小さくでき、かつ、トルクリップルの増加を抑制する形状にできる。また、軟磁性磁極材220の円弧半径が回転子半径に近いと、永久磁石210の周方向端部の磁極材が厚くなり、磁束が軟磁性磁極材220を自由に移動できることから、減磁界の端部集中が大きく緩和され、熱減磁が抑制される。これにより、磁石厚みを低減し、磁石質量あたりのトルク出力の向上が可能になる。このように、磁極端部形状と隣接磁極間の空間とを有効に利用して、少ない磁石使用量でトルクを生成できる回転子構造を提供可能になる。
　以上説明した実施形態によれば、次の作用効果が得られる。
（１）電動機1は、固定子10と、固定子10と対向して設けられ、径方向に、鉄心200と、永久磁石210と、軟磁性磁極材220とを配置して磁極を構成する回転子20と、を備え、軟磁性磁極材220は、固定子10に近い側に円弧状の表面を有し、かつ永久磁石210よりも大きな幅を回転子20の周方向に有する突出部223が形成されている。これにより、磁極の端部形状によるトルク生成への寄与を向上させ、より少ない磁石使用量でトルクを生成できる。
　本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の特徴を損なわない限り、本発明の技術思想の範囲内で考えられるその他の形態についても、本発明の範囲内に含まれる。また、上述の実施形態を組み合わせた構成としてもよい。
1　電動機
10　固定子
20　回転子
30　エアギャップ
40　金属製カバー
100　固定子コア 
110　コアバック 
130　ティース 
140　巻線
200　鉄心（回転子コア）
201　鉄心の周方向の側壁部
202　鉄心の樹脂嵌め込み凹部
203　鉄心の磁石側の周方向端部の突起部
205　鉄心の樹脂嵌め込み凹部の外周方向の壁部
206　鉄心の磁石支持部材
207　鉄心の磁石支持部材の表面
210　永久磁石 
211　永久磁石の周方向の側壁部
220　軟磁性磁極材    
221　軟磁性磁極材の固定子側
222　軟磁性磁極材の磁石側
223　軟磁性磁極材の突出部
224　軟磁性磁極材の磁石側の周方向の側壁部
225　軟磁性磁極材の磁石側周方向の突起部
226　軟磁性磁極材の固定子側の円弧状表面
230　合成樹脂
231、231B、231C、231D、231E、231F　空隙
232、232B、232C、232D       合成樹脂の外周側表面

Claims (7)

  1. 　固定子と、
    　前記固定子と対向して設けられ、径方向に、鉄心と、永久磁石と、軟磁性磁極材とを配置して磁極を構成する回転子と、を備え、
    　前記軟磁性磁極材は、前記固定子に近い側に円弧状の表面を有し、かつ前記永久磁石よりも大きな幅を前記回転子の周方向に有する突出部が形成されている電動機。
  2. 　請求項１に記載の電動機において、
    　前記回転子の磁極を構成する前記永久磁石、および前記軟磁性磁極材は、側壁部をそれぞれ備え、
    　前記回転子の隣接する前記磁極と前記磁極の間には、前記永久磁石の前記側壁部および前記軟磁性磁極材の前記側壁部に接触して、前記軟磁性磁極材および前記鉄心よりも比透磁率の小さな材料が配置され、
    　前記軟磁性磁極材と前記鉄心とは、前記永久磁石および前記材料により分離されている電動機。
  3. 　請求項２に記載の電動機において、
    　前記回転子の径方向外側に装着される金属製のカバーを備える電動機。
  4. 　請求項２または請求項３に記載の電動機において、
    　前記材料は、樹脂または空隙である電動機。
  5. 　請求項２から請求項４までのいずれか一項に記載の電動機において、
    　前記軟磁性磁極材は、前記永久磁石を前記側壁部の両側から挟み込む突起部を有する電動機。
  6. 　請求項２から請求項４までのいずれか一項に記載の電動機において、
    　前記鉄心は、前記永久磁石を前記側壁部の両側から挟み込む突起部を有する電動機。
  7. 　請求項１から請求項６までのいずれか一項に記載の電動機は、
    　自動車の電動パワーステアリングまたは電動ブレーキに用いられる電動機。
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