JP6328598B2 - 同期電動機の永久磁石回転子 - Google Patents

Description

本発明は、同期電動機の永久磁石回転子（以下、ロータと略称する。）に関する。

同期電動機のロータとしては、一般に、ラジアル型ロータと表面磁石型ロータのうちのいずれかが使用されている。ラジアル型ロータは、ヨークを成すロータコアと永久磁石とを円周方向に交互に順次配置してなる。一方、表面磁石型ロータは、複数の永久磁石を円筒形のロータコアの外周面に円周方向に順次貼付けてなる。

前述のようなロータの永久磁石には、ロータの回転に伴う遠心力と、ロータの周囲に配置されるステータの磁界に起因する磁気吸引力とがロータの径方向外側に作用する。したがって、特に表面磁石型ロータにおいては、前述のような遠心力と磁気吸引力とが永久磁石に長時間作用したとしても、永久磁石がロータコアの外周面から剥離しないように永久磁石を固定しておく必要がある。

そのため、表面磁石型ロータにおいては、従前より、図６〜図８に示されるような永久磁石の固定方法が提案されている。図６〜図８はそれぞれ従来の方法１〜３に係るロータの一部の断面構造を拡大して示した図である。特に、これらの図はロータコアに対する永久磁石の固定構造をロータの回転軸に沿った方向から見た図である。

図６に示される従来の方法１においては、複数の永久磁石１０１の各々を樹脂または接着剤１０２によってロータコア１０３の外周面に接着および固定している。

図７に示される従来の方法２においては、複数の永久磁石１０１の各々をロータコア１０３の外周面に順次配置しつつ、ガラスクロスなどの絶縁テープ１０４をロータコア１０３の外周に巻回する。それにより、各永久磁石１０１をロータコア１０３と絶縁テープ１０４との間に挟んで固定する。

図８に示される従来の方法３においては、永久磁石１０１の両側面をテーパ状に形成し、永久磁石１０１の両側面に密着して係合する逆テーパ状の複数の係合部１０５をロータコア１０３の外周面に順次設けることにより、楔効果を用いて各永久磁石１０１を固定する。

また、前述のようなロータを備える同期電動機は工作機械の送り軸などに多く採用される。電動機の回転の滑らかさが工作機械の加工精度に大きく影響するため、電動機のコギング力がより小さくなるようにロータを設計することが求められている。

表面磁石型ロータにおいて前述のコギング力を低減させるためには、ステータの内周面に対向する永久磁石の表面に適切な曲面を形成する必要がある。

一般に、前述のように設計された永久磁石の場合は、特許文献１、特許文献２および特許文献３などに開示されるように、ロータコアの周方向における永久磁石の中央部から端部に向かうにつれて厚み寸法が小さくなっている（図６〜図８には示されていない。）。

さらに、特許文献１、特許文献２および特許文献３などには、各永久磁石を挟むように配置されていてロータコアからロータコアの径方向外側に突出する複数の突出部（図６〜図８には示されていない。）が開示されている。そして、当該突出部は、永久磁石をロータコアから剥離させないために、ロータコアの周方向における永久磁石の端部に密に係合する形状を有している。

特開平０９−２０５７４７号公報 再公表２００６−００８９６４号公報 特開２０１５−１２２８４２号公報

しかしながら、前述のように永久磁石の厚み寸法をロータコアの周方向における永久磁石の中央部から端部に向かうにつれて小さくした場合には、永久磁石の端部に近いほどパーミアンス係数および減磁耐量が減少する。その結果、永久磁石にロータコアの周方向に亘って同一の減磁界が負荷された場合でも、永久磁石の端部の方が永久磁石の中央部よりも減磁しやすい、という問題が生じる。

また、前述のように突出部を永久磁石の端部に密に係合させた形状にすると、当該永久磁石の端部のパーミアンス係数および減磁耐量が極端に増大してしまうため、コギング力を低減させるのが困難となる。

以上のことより、表面磁石型ロータについては、コギング力を低減することと、磁石端部の減磁耐量の減少を抑制することとをバランス良く実現させることが望まれている。

そこで本発明は、上述したような問題点に鑑み、コギング力の低減と磁石端部における減磁耐量の減少の抑制とをバランス良く実現することができる電動機の永久磁石回転子を提供することを目的とする。

本発明の第一態様によれば、円筒状のコアと、コアの外周面にコアの周方向に沿って順次配置された複数の磁石と、隣接する磁石どうしの間にそれぞれ配置された複数の突出部と、を備える、電動機の永久磁石回転子であって、
コアの径方向における磁石の厚みが、コアの周方向における磁石の中央部から磁石の端部に向かうにつれて小さくなっており、
突出部は、コアの外周面からコアの径方向の外側に突出する基部と、基部からコアの周方向に延在し、空間を介して磁石の端部を被覆する被覆部とを有し、
コアの径方向における空間の高さが基部から被覆部の先端に向かうにつれて縮小されるように、被覆部が形成されている、電動機の永久磁石回転子が提供される。

本発明の第二態様によれば、上記の第一態様の永久磁石回転子であって、
突出部は、磁石をコアの外周面に向けて押圧する押圧部を備える、回転子が提供される。

本発明の第一態様によれば、コアの径方向における磁石の厚みがコアの周方向における磁石の中央部から端部に向かうにつれて小さくなっていることにより、コギング力を低減することができる。このように磁石の厚みを変えてコギング力の低減を図ると、磁石の端部における減磁耐量は減少する。このため、第一態様においては、コアの外周面に突出部を設け、空間を介して磁石の端部を被覆する被覆部を突出部に設け、突出部の基部から離れるほどコアの径方向における空間の高さが縮小されるように被覆部を形成している。このことにより、コギング力を低減することと、磁石端部の減磁耐量の減少を抑制することとをバランス良く実現することができる。

本発明の第二態様によれば、磁石をコアの外周面に向けて押圧する押圧部を突出部に設けている。このことにより、ロータの回転に伴う遠心力と、ロータの周囲に配置されるステータによる磁気吸引力とが磁石に長時間作用しても、永久磁石をコアの外周面から剥離しないように保持することができる。

添付図面に示される本発明の典型的な実施形態の詳細な説明から、本発明のこれらの目的、特徴および利点ならびに他の目的、特徴および利点がさらに明確になるであろう。

一実施形態のロータの一部の断面構造を拡大して示した図である。 一実施形態のロータの全体の断面構造を模式的に示した図である。 一実施形態のロータを構成するコアの一部を拡大して示した斜視図である。 一実施形態のロータにおける一つの永久磁石のパーミアンス係数の解析値を示す図である。 図１に示されたロータの断面構造の変形例を示した図である。 従来の方法１に係るロータの一部の断面構造を拡大して示した図である。 従来の方法２に係るロータの一部の断面構造を拡大して示した図である。 従来の方法３に係るロータの一部の断面構造を拡大して示した図である。

次に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。以下の図面において、同じ部材には同じ参照符号が付けられている。そして、異なる図面において同じ参照符号が付されたものは同じ機能を有する構成要素であることを意味するものとする。また、理解を容易にするために、これらの図面は縮尺を適宜変更している。

図１は本発明の一実施形態のロータの一部の断面構造を拡大して示した図である。さらに図２は、本発明の一実施形態のロータの全体の断面構造を模式的に示した図である。特に、これらの図はロータコアに対する永久磁石の固定構造をロータの回転軸に沿った方向から見た図である。

図１および図２を参照すると、本実施形態のロータ１０は、シャフト１１に固定されたコア（鉄心）１２と、コア１２の外周面にコア１２の周方向に沿って所定間隔で順次配置された複数の永久磁石１３と、を備える。なお、本実施形態のロータ１０は、同期電動機のロータとして使用される表面磁石型ロータ（いわゆるＳＰＭロータ）である。

コア１２は円筒形状を有している。そして、複数の永久磁石１３は、Ｎ極とＳ極とが交互になるようにコア１２の周方向に沿って順次配置されている。さらに、図２に示されるように円筒状のコア１２の中央の穴部にシャフト１１が圧入されている。

また、図１および図２に示されるように、前述のロータ１０は、隣接する永久磁石１３どうしの間にそれぞれ配置された複数の突出部１４を備えている。

より具体的には、各突出部１４は、コア１２の外周面からコア１２の径方向外側に突出する基部１４ａと、基部１４ａからコア１２の周方向の両側に向かってそれぞれ延在する二つの被覆部１４ｂとを有する。なお、本実施形態の突出部１４は、図１および図２に示されるようにロータ１０の回転軸に沿った方向から見て略Ｔ字形状を成している。

さらに、各被覆部１４ｂは、図１に示されるように、コア１２の周方向における永久磁石１３の各端部１３ａを隙間、すなわち空間Ｓを介して覆っている。空間Ｓについては、図１における破線により囲まれた領域Ｐを参照されたい。

領域Ｐを見て分かるように、コア１２の径方向における空間Ｓの高さが突出部１４の基部１４ａから被覆部１４ｂの先端に向かうにつれて縮小されるように、被覆部１４ｂが形成されている。

前述のような空間Ｓは、永久磁石１３の表面１３ｂを凸曲面にすることにより形成される。特に本実施形態の永久磁石１３については、コア１２の径方向における永久磁石１３の厚み寸法が、コア１２の周方向における永久磁石１３の中央部から端部１３ａに向かうにつれて小さくなっている。永久磁石１３の表面１３ｂの形状としては、例えば偏心円弧形状や、三角関数で定義された曲線形状などが挙げられる。

さらに、永久磁石１３の底面１３ｃはコア１２の外周面に添うように形成されるとともに、樹脂、例えばエポキシ系の接着剤によりコア１２の外周面に接着されている。各永久磁石１３は一つの磁石により構成されているが、複数の磁石片により構成されていても構わない。

なお、前述のようなコア１２は、複数枚の電磁鋼板（図示せず）を順次積層して作られている。各電磁鋼板は、環状部と、この環状部の外周部に周方向に沿って所定間隔で順次設けられていて環状部の径方向外側に突出する複数の突出片とからなる。各突出片は、鋼板のプレス抜き加工によって環状部と一体的に形成されている。さらに、このような電磁鋼板を順次積層しつつ複数の突出片を重ねることによって、前述したコア１２とともに突出部１４が一体的に形成されている。また、前述の電磁鋼板は、例えば珪素鋼板である。

図３は、上述したようなコア１２の一部を拡大して示した斜視図であり、コア１２の外周面における突出部１４の配置例を説明するための図である。なお、図３は、前述のシャフト１１や永久磁石１３を図示せずに、コア１２の一部のみを示している。

上述した実施形態においては、複数の突出部１４はコア１２の周方向に所定間隔で順次配置されているだけでなく、コア１２の中心軸方向に沿った方向にも追加の突出部１４’が突出部１４のそれぞれに対応した位置に配置されていてもよい。例えば図３に示されるように、或る突出部１４がコア１２の中心軸方向におけるコア１２の一端側に位置し、追加の突出部１４’がコア１２の他端側に突出部１４に対応して位置していてもよい。

但し、本発明においては、コア１２の中心軸方向に沿った方向に配置すべき突出部１４と追加の突出部１４’のそれぞれの位置や数は図３に示された態様の位置や数に限定されない。例えば、追加の突出部１４’を設けずに、各々の突出部１４をコア１２の中心軸方向に沿った方向に十分に長い長さを有する一つの部材により構成してもよい。

次に、本実施形態のロータ１０の構成に基づく効果を説明する。
前述したとおり、本実施形態のロータ１０に使用されている永久磁石１３については、コア１２の径方向における永久磁石１３の厚み寸法が、コア１２の周方向における永久磁石１３の中央部から端部１３ａに向かうにつれて小さくなっている。さらに、コア１２の外周面より突出した突出部１４には、空間Ｓを介して永久磁石１３の端部１３ａを被覆する被覆部１４ｂが設けられている。そして、被覆部１４ｂは、突出部１４の基部１４ａから離れるほどコア１２の径方向における空間Ｓの高さが縮小されるように形成されている。このような構成によると、コギング力を低減することと、磁石端部の減磁耐量の減少を抑制することとをバランス良く実現できるという効果が得られる。

ここで、前述した効果を奏する理由について説明する。
図４は、本実施形態のロータ１０における一つの永久磁石１３のパーミアンス係数の解析値を示す図である。図４の横軸の中央が、コア１２の周方向における前述した永久磁石１３の中央部に対応し、図４の横軸の両端がそれぞれ、コア１２の周方向における前述した永久磁石１３の両端に対応する。また、図４の縦軸が、パーミアンス係数の数値に対応する。

図４において、曲線Ｃが本実施形態のロータ１０の場合を示し、曲線Ａと曲線Ｂがそれぞれ従来のロータ構造の場合を示している。

曲線Ａにより示された従来のロータ構造（以下、従来例１と呼ぶ。）は、本実施形態のロータ１０に対して、突出部１４を備えていないロータ構造である。また、曲線Ｂにより示された従来のロータ構造（以下、従来例２と呼ぶ。）は、本実施形態のロータ１０に対して、永久磁石１３の端部１３ａと突出部１４の被覆部１４ｂとの間に空間Ｓのような隙間が無いロータ構造である。つまり、従来例２は、前述した特許文献１、特許文献２および特許文献３に示されているようなロータ構造であって、突出部１４がコア１２の周方向における永久磁石１３の端部１３ａに密に係合しているロータ構造である。なお、従来例１や従来例２の永久磁石の形状においても、本実施形態のロータ１０と同様、ロータコアの周方向における永久磁石の中央部から永久磁石の端部に向かうにつれて永久磁石の厚みが薄くなっているものとする。

以上の事を踏まえて、まず、減磁耐量に関する効果について述べる。
パーミアンス係数は磁気抵抗の逆数であり、永久磁石の減磁耐量はパーミアンス係数に対して正の相関がある。

前述した従来例１の場合は、図４中の曲線Ａから分かるように、永久磁石の端部のパーミアンス係数が永久磁石の中央部に比べて低い。つまり、永久磁石の端部に近いほど減磁耐量が減少している。

前述した従来例２の場合は、図４中の曲線Ｂから分かるように、永久磁石の端部のパーミアンス係数が極端に増大している。この場合、永久磁石の端部における減磁耐量の減少は抑制されたものの、後述するようにコギング力の低減が困難となる。

本実施形態のロータ１０の場合は、永久磁石１３の端部１３ａと突出部１４の被覆部１４ｂとの間の空間Ｓが突出部１４の基部１４ａに近くなるほど拡大されているため、従来例２と比べて永久磁石の端部の磁気抵抗が増加する。つまり、従来例２の場合の曲線Ｂと比べて永久磁石の端部のパーミアンス係数が減少する。このことにより、図４中の曲線Ｃから分かるように、永久磁石の端部のパーミアンス係数が極端に増大することなく、永久磁石の端部における減磁耐量の減少を抑制することができる。

次に、コギングに関する効果について述べる。
コア１２の周方向に所定間隔で配置された複数の永久磁石１３についてパーミアンス係数の変動を総合して判断すると、従来例１の曲線Ａ、従来例２の曲線Ｂおよび本実施形態の曲線Ｃのうち、最も緩やかなパーミアンス係数の変動となる曲線は従来例１の曲線Ａである。つまり、従来例１の場合は、従来例２や本実施形態と比べて、コア１２の周方向に亘って磁気抵抗の変動が緩やかとなる。一般にコア１２の周方向に亘って磁気抵抗に極端な変動が少ないほど、コギング力は低減される。このため、従来例１によるコギング力の低減効果は、従来例２や本実施形態よりも高い。しかし、従来例１の場合は、図４中の曲線Ａから分かるように、永久磁石の端部におけるパーミアンス係数および減磁耐量の減少を抑制することができない。

一方、前述の従来例２の場合は、図４中の曲線Ｂから分かるように、永久磁石の端部のパーミアンス係数が極端に増大している。このことにより、永久磁石の端部の磁気抵抗が極端に変動するため、従来例２によるコギング力の低減効果は、前述の従来例１よりも劣る。

これに対し、本実施形態のロータ１０の場合は、図４中の曲線Ｃから分かるように、従来例２の場合の曲線Ｂと比べて永久磁石の端部のパーミアンス係数が減少する。つまり、永久磁石の端部の磁気抵抗変動が緩和される。したがって、本実施形態によるコギング力の低減効果は、従来例１よりも低いものの、従来例２よりも高くなる。

以上の事から、本実施形態のロータ１０の構成であればコギング力の低減と、磁石端部における減磁耐量の減少の抑制とをバランス良く実現できるということが分かる。

なお、磁力に関する効果についても言及する。
前述の従来例２の場合は、電磁材料のコア１２の一部である突出部１４が永久磁石の端部に密に係合しているため、永久磁石の端部の磁束が電動機のステータに向かわずに突出部１４に漏洩してしまう。その結果、永久磁石の磁力が低下する。これに対し、前述の従来例１の場合は、突出部１４が無いので永久磁石の磁束がコア１２に漏洩しない。また、本実施形態のロータ１０の場合も、永久磁石１３の端部１３ａと突出部１４の被覆部１４ｂとの間に前述の空間Ｓが形成されているため、前述の従来例２よりも永久磁石の端部の磁束漏れが抑えられる。それにより、本実施形態のロータ１０は、前述の従来例２よりも永久磁石の磁力の低下を抑制できる。

次に、図５を参照して、その他の実施形態について説明する。
図５は、図１に示されたロータの断面構造の変形例を示した図である。なお、図５においては、上述した実施形態の同一の構成要素には同一符号を使用している。

図５に示されたロータにおいては、各々の突出部１４の被覆部１４ｂは、コア１２の径方向内側に延びる部位１４ｃを有している。図５から分かるように、この部位１４ｃは永久磁石１３に接触していて、永久磁石１３をコア１２に向かって押付けている。あるいは、永久磁石１３に接触する被覆部１４ｂの先端が部位１４ｃであってもよい。

すなわち、図５に示された各突出部１４は、前述した部位１４ｃのように永久磁石１３をコア１２に向けて押圧する押圧部を備えている。

このような押圧部は、ロータ１０の回転に伴う遠心力と、ロータ１０の周囲に配置されるステータ（図示せず）による磁気吸引力とが永久磁石１３に長時間作用しても、永久磁石１３をコア１２の外周面から剥離しないように保持できる。なお、その他の構成要素および効果については上述した実施形態と同じである。つまり、前述の押圧部を備えたとしても、コギング力を低減することと、磁石端部の減磁耐量の減少を抑制することとをバランス良く実現することができる。

なお、以上では典型的な実施形態を示したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、本発明の思想を逸脱しない範囲で上述の実施形態を様々な形、構造や材料などに変更可能である。

１０ ロータ
１１ シャフト
１２ コア
１３ 永久磁石
１３ａ 永久磁石の端部
１３ｂ 永久磁石の表面
１３ｃ 永久磁石の底面
１４、１４’ 突出部
１４ａ 基部
１４ｂ 被覆部
１４ｃ 押圧部
Ｓ 空間

Claims (1)

1. 円筒状のコア（１２）と、
   前記コア（１２）の外周面に前記コア（１２）の周方向に沿って順次配置された複数の磁石（１３）と、
   隣接する前記磁石（１３）どうしの間にそれぞれ配置された複数の突出部（１４）と、を備える、電動機の永久磁石回転子（１０）であって、
   前記コア（１２）の径方向における前記磁石（１３）の厚みが、前記コア（１２）の周方向における前記磁石（１３）の中央部から前記磁石（１３）の端部（１３ａ）に向かうにつれて小さくなっており、
   前記突出部（１４）は、
   前記コア（１２）の外周面から前記コア（１２）の径方向の外側に突出する基部（１４ａ）と、
   前記磁石（１３）の外表面（１３ｂ）から離隔するように前記基部（１４ａ）から前記コア（１２）の周方向に延在し、空間（Ｓ）を介して前記磁石（１３）の前記端部（１３ａ）を被覆する被覆部（１４ｂ）であって、該被覆部（１４ｂ）には、前記磁石（１３）の外表面（１３ｂ）と接触する部位が設けられていない、被覆部（１４ｂ）と、を有し、
   前記コア（１２）の径方向における前記空間（Ｓ）の高さが前記基部（１４ａ）から前記被覆部（１４ｂ）の先端に向かうにつれて縮小されるように、前記被覆部（１４ｂ）が形成されている、電動機の永久磁石回転子。

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