JP2015142484A - 表面磁石型回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】表面磁石型回転電機において、性能低下や工数の増加なく、安価でシンプルな方法で永久磁石を固定できる構造を提供する。【解決手段】複数の永久磁石３０からなるロータ磁石３を取り付けたロータ１と、コイルを巻回したステータとからなる表面磁石型回転電機において、永久磁石３０の端部に設けられた切り欠き部３１と、この切り欠き部３１に対応する大きさに形成された磁石固定用のリング部材４とを備え、切り欠き部３１にリング部材４を嵌め込み、ロータ１に永久磁石３０を固定した。【選択図】図１

Description

この発明は、表面磁石型回転電機、すなわち、表面磁石型回転電動機又は表面磁石型発電機における永久磁石を固定する構造に関するものである。

永久磁石を用いた電動機又は発電機である永久磁石式回転電機は、磁石をロータあるいはステータ表面に配置する表面磁石型（ＳＰＭ）と、磁石をロータの鉄心内部に組み込む埋込磁石型（ＩＰＭ）とに大別される。

この種の永久磁石式回転電機において、埋込磁石型の場合は、ロータの鉄心に磁石が挿入されるためのポケットが形成されており、このポケットに磁石を挿入することで磁石を容易に配置固定でき、ロータが回転した際に磁石の飛散などが生じる虞はない。

一方、表面磁石型の場合、ロータあるいはステータ表面に磁石を貼付けるような構造となるため、特に、インナーロータとして回転させた場合、遠心力による磁石の飛散や剥離、破損等が懸念される。さらに、磁石配置がハルバッハ型配列のように強い反発力を受けながら固定される場合は、より堅牢性を考慮する必要がある。

表面磁石型の永久磁石の固定方法が、特許文献１に開示されている。この特許文献１では、シャフトへロータ磁石を固定後、磁石外径部の表面全体を円管状のカーボンリングにより覆うことで磁石の飛散防止を図っている。また、隣接する磁石間にくさび形の金具を挿入することで、さらなる固定強度の向上を図っていた。

また、特許文献２では、ロータコア外径側に予め磁石を嵌め込むスリットを設け、その突起部を磁石配置した後に、変形させて磁石を押え込む手法をとっていた。

特開２００５−３１２２５０号公報 特開２００４−２３９４４号公報

上記したように、表面磁石型における磁石の飛散や剥離、破損等を防ぐためには、磁石外径側や隣接する磁石間を利用して機械的に磁石を押え込む構造が有効である。しかし、特許文献１のようなロータ磁石外径部にリング部材を設ける構造では、磁石（界磁）表面から電機子コイルまでの距離（モータギャップ）をリング部材の厚み分大きくする必要があり、これはモータ出力、モータ効率の低下を招くことになる。

また、磁石間部をくさび型部材で押える構造においても、磁石を隙間なく敷き詰めた構成に比べ、くさび部材の体積分、磁石体積を減少させることになり、界磁磁束の低下によりモータ出力、モータ効率の低下を招くことになる。

また、特許文献２では、コアを変形させる手法をとっているが、通常、ロータコア（鉄心）には積層鋼板や圧粉磁心を使用するため、このように無理に変形させると積層鋼板の場合は積層部分が剥離したり、残留応力により磁気特性の低下を招くことになる。また、圧粉磁心の場合、変形はほぼ不可能で粉砕する可能性が高い。一方で積層鋼板や圧粉磁心を使用せず無垢材を用いれば、回転中の鉄損が増加し性能の低下を招くことになる。また、これらの手段はロータ磁石側面部に磁性体が回り込む形状になり、界磁磁束への影響も懸念され、さらに磁極数が多い場合はその工数も問題になる。

そこで、この発明は、表面磁石型回転電機において、性能低下や工数の増加なく、安価でシンプルな方法で永久磁石を固定できる構造を提供することを課題とするものである。

前記の課題を解決するために、この発明は、複数の永久磁石からなるロータ磁石を取り付けたロータと、コイルを巻回したステータとからなる表面磁石型回転電機において、前記永久磁石の端部に設けられた切り欠き部と、この切り欠き部に対応する大きさに形成された磁石固定用のリング部材とを備え、前記切り欠き部に前記リング部材を嵌め込み、ロータに永久磁石を固定したことを特徴とする。

また、前記ロータは、ロータコアの外周に複数の永久磁石を取り付けたインナーロータであり、前記永久磁石の軸方向の両端部に設けられた切り欠き部を有するように構成することができる。

また、前記ロータは、バックヨーク又は筺体部材の内周に複数の永久磁石を取り付けたアウターロータであり、前記永久磁石の軸方向の内周側の両端部に切り欠き部を設けるように構成することができる。

また、前記ロータは、アキシアルギャップ型のロータであり、円板状のバックヨークに円板状に複数の永久磁石が配列され、各永久磁石の外周側と内周側の端部に切り欠き部を設けるように構成することができる。

また、前記磁石の切り欠き部は、断面形状を矩形、又はテーパー状、もしくは円弧状に形成することができる。

また、前記ロータ磁極にハルバッハ型配列を適用することができる。

また、前記磁石固定用のリング部材は非磁性体で形成させることができる。

以上のように、この発明は、磁石の軸方向端部において磁石を固定する構造にすることで、性能低下や工数の増加をほぼ無くし、表面磁石型回転電機を堅牢な構造にすることができる。

この発明の第１の実施形態を示す表面磁石型インナーロータ型電動機のロータを示す分解斜視図である。 この発明の第１の実施形態を示す表面磁石型インナーロータ型電動機を示す概略断面図である。 ロータ磁石の磁石配列を示す模式図であり、（ａ）は、通常磁石配列、（ｂ）はハルバッハ型配列である。 ハルバッハ型配列における磁石がずれようとする方向を示す模式図である。 この発明の第２の実施形態を示す表面磁石型アウターロータ型電動機のロータを示す分解斜視図である。 この発明の第２の実施形態を示す表面磁石型アウターロータ型電動機を示す概略断面図である。 この発明の第３の実施形態を示すアキシアルギャップ型表面磁石型電動機のロータを示す分解斜視図である。 この発明の第３の実施形態を示すアキシアルギャップ型表面磁石型電動機を示す概略断面図である。 ロータ磁石と磁石固定用のリング部材との嵌め込み態様を示す模式図であり、（ａ）は表面磁石型インナーロータ型電動機、（ｂ）は表面磁石型アウターロータ型電動機又はアキシアルギャップ型表面磁石型電動機を示している。 ロータ磁石と磁石固定用のリング部材との嵌め込み態様の他の実施形態を示す模式図であり、（ａ）は表面磁石型インナーロータ型電動機、（ｂ）は表面磁石型アウターロータ型電動機又はアキシアルギャップ型表面磁石型電動機を示している。 ロータ磁石と磁石固定用のリング部材との嵌め込み態様の更に他の実施形態を示す模式図であり、（ａ）は表面磁石型インナーロータ型電動機、（ｂ）は表面磁石型アウターロータ型電動機又はアキシアルギャップ型表面磁石型電動機を示している。

以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。第１の実施形態は、表面磁石型回転電機の一例である表面磁石型のインナーロータ型電動機に、この発明を適用したものである。図１は、この発明の第１の実施形態を示す表面磁石型インナーロータ型電動機のロータを示す分解斜視図、図２は、この発明の第１の実施形態を示す表面磁石型インナーロータ型電動機を示す概略断面図である。

図１及び図２に示すように、ロータ１は、シャフト２にロータコア２ａが設けられている。ロータコア２ａは、シャフト２よりも径が大きくなっている。このロータコア２ａの外周にロータ磁石３が配置される。

このロータ磁石３の各永久磁石３０は、軸方向の両端部の外径側にそれぞれ切り欠き部３１を設けている。この実施形態においては、断面矩形形状の切り欠き部３１が設けられている。

このロータコア２ａの外周に全ての永久磁石３０を固定し、ロータ磁石３を配置するとロータ磁石３の両端部には、切り欠き部３１が設けられる。この切り欠き部３１に対応する大きさに形成された磁石固定用のリング部材４を嵌め込み、ロータ磁石３が固定される。この実施形態では、断面形状が矩形のリング部材４が用いられ、切り欠き部３１にリング部材４を嵌め込むと、ロータ磁石３の両端部に段差が無い状態に一体化される。このリング部材４は、例えば、非磁性体で形成されている。尚、磁性体でリング部材４を形成してもよい。

ロータ１へのロータ磁石３の固定は、ロータコア２ａの周囲に、全ての永久磁石３０…を接着剤で仮固定した後、ロータ磁石３の両端部の切り欠き部３１に磁石固定用のリング部材４を嵌めることにより行われる。

そして、ロータ１の外周にモータギャップを有してステータコア５ａにコイル５ｂが巻回されたステータ５を配置して、表面磁石型のインナーロータ型電動機が構成される。

このような構造にすることで、回転時の遠心力や磁気的作用力における永久磁石３０の飛散や剥離、破損等を容易に防ぐことができる。また、この形状であれば、モータギャップ部や永久磁石３０、３０の間には、何も挿入しないため、モータギャップの増加や磁石体積の減少等による性能の低下はほぼ無い。さらに永久磁石３０、３０の間へくさび型部材をネジ固定したり、部材を変形させて固定する等の方法と比較すると、切り欠き部３１にリング部材４を嵌め込むだけで良いので、工数やコストも極めて小さい。

図３にロータ磁石３の磁石配列を示す。磁石配列は、図３（ａ）に示す通常磁石配列以外に、（ｂ）に示すハルバッハ型配列でもよい。図３において、磁石の周囲のハッチングは磁場エリアを示している。図３（ａ）に示す通常磁石配列は、永久磁石３０ａが径方向着磁され、これらをＳ極、Ｎ極が交互になるように配列されている。これに対して、ハルバッハ型配列は永久磁石３０ａが径方向着磁、永久磁石３０ｂが周方向着磁となる。

このハルバッハ型配列、図３（ｂ）に示すように、磁石の配列方向に対し片側のみに強磁界を生成することが可能であり、さらに磁極の切替わり方が正弦波状となる特徴も持っている。図３（ａ）に示すＮ極とＳ極を交互に配置した通常磁石配列のものと比べ、より遠方まで強力な磁場を生成することが可能である。

しかし、一方で、この配列は磁石が互いに強い反発力を受け、常に図４に示す矢印方向へずれようとする力が働いている。そのため磁石を強固に固定する必要があり、表面磁石型に用いる場合は特に磁石の飛散や剥離、破損等の防止を意識しなければならいが、この発明の磁石固定方法であれば、シンプルで容易、かつ安価に堅牢な構造が可能となる。

第２の実施形態は、表面磁石型回転電機の一例である表面磁石型アウターロータ型電動機に、この発明を用いたものである。図５及び図６に示すように、ロータ１は、筒型のバックヨーク１ｂの内周にロータ磁石３が配置される。バックヨーク１ｂの代わりに、筺体部材を用いる場合もある。

このロータ磁石３の各永久磁石３０は、軸方向の両端部の内周側に切り欠き部３１を設けている。この実施形態においては、断面矩形形状の切り欠き部３１が設けられている。

このバックヨーク１０の内周に全ての永久磁石３０を固定し、ロータ磁石３を配置するとロータ磁石３の内周側の両端部には、切り欠き部３１が設けられる。この切り欠き部３１に対応する大きさに形成された磁石固定用のリング部材４を嵌め込み、ロータ磁石３が固定される。この実施形態では、断面形状が矩形のリング部材４が用いられ、切り欠き部３１にリング部材４を嵌め込むと、ロータ磁石３の両端部に段差が無い状態に一体化される。

ロータ１へのロータ磁石３の固定は、バックヨーク１０の内周に、全ての永久磁石３０…を接着剤で仮固定した後、ロータ磁石３の両端部の切り欠き部３１に磁石固定用のリング部材４を嵌めることにより行われる。

そして、ロータ１の内周にモータギャップを有してステータコア５ａにコイル５ｂが巻回されたステータ５を配置して、表面磁石型のアウターロータ型電動機が構成される。

ところで、アウターロータ型電動機の場合は、遠心力が加わってもロータ磁石３の外周部のバックヨーク１ｂ（または筐体部材）で機械的に抑えられるため堅牢性は比較的確保しやすい。しかし、ハルバッハ型配列を用いる場合は、先に述べたように互いの強い反発力で磁石が剥離する可能性があるため、この発明の固定方法は有効である。

また、上記した第１、第２の実施形態では、ラジアルギャップ型電動機について説明したが、図７及び図８に示すようなアキシアルギャップ型電動機についても同様にこの発明を適用することができる。

この発明の第３の実施形態にかかわるアキシアルギャップ型電動機は、円板状のバックヨーク１１に円板状にロータ磁石３が配列される。ロータ磁石３の各永久磁石３０の外周側と内周側の端部にそれぞれ切り欠き部３１を設けている。この切り欠き部３１に対応する大きさに形成された磁石固定用のリング部材４をロータ磁石３の切り欠き部３１に嵌め込んで、ロータ１が構成される。バックヨーク１１の代わりに、筺体部材を用いる場合もある。バックヨーク１０又は筺体部材にシャフトが取り付けられ、ロータ１が構成される。

円板状のバックヨーク１１のロータ磁石３の固定は。バックヨーク１１の表面に全ての永久磁石３０…が接着剤を用いて仮固定された後、切り欠き部３１に磁石固定用のリング部材４を嵌め込んで行われる。

そして、ロータ１のアキシアル方向に所定のモータギャップを有して、ステータコア５ａにコイル５ｂが巻回されたステータ５を配置して、表面磁石型のアウターロータ型電動機が構成される。

また、上記した各実施形態では、図９（ａ）、（ｂ）のように磁石固定用のリング部材４の断面形状が矩形のものを例として示したが、図１０（ａ）、（ｂ）のように断面形状がＬ字形状のリング部材４を用いてもよい。

また、図１１（ａ）、（ｂ）のように、切り欠き部の形状が磁石の内外径方向や軸方向のいずれにも開口しない溝状の切り欠き部３１ａとしても良い。

また、上記した各実施形態は、切り欠き部３１、３１ａが断面矩形状に形成されているが、切り欠き部３１、３１ａは、断面矩形状に限らず、テーパー状、円弧状などに形成することもできる。この場合、リング部材４の断面形状は、切り欠き部３１、３１ａの断面形状に対応させればよい。

上記した実施形態は、電動機にこの発明を適用した例を説明したが、他の回転電機である発電機にも同様に適用ですることができる。

今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。この発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ ロータ
１ｂ バックヨーク
２ シャフト
２ａ ロータコア
３ ロータ磁石
４ リング部材
５ ステータ
５ａ ステータコア
５ｂ コイル
３０ 永久磁石
３１、３１ａ 切り欠き部

Claims (6)

1. 複数の永久磁石からなるロータ磁石を取り付けたロータと、コイルを巻回したステータとからなる表面磁石型回転電機において、
   前記永久磁石の端部に設けられた切り欠き部と、この切り欠き部に対応する大きさに形成された磁石固定用のリング部材とを備え、前記切り欠き部に前記リング部材を嵌め込み、ロータに永久磁石を固定したことを特徴とする表面磁石型回転電機。
2. 前記ロータは、ロータコアの外周に複数の永久磁石を取り付けたインナーロータであり、前記永久磁石の軸方向の両端部に切り欠き部が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の表面磁石型回転電機。
3. 前記ロータは、バックヨーク又は筺体部材の内周に複数の永久磁石を取り付けたアウターロータであり、前記永久磁石の軸方向の内周側の両端部に切り欠き部が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の表面磁石型回転電機。
4. 前記ロータは、アキシアルギャップ型のロータであり、円板状のバックヨークに円板状に複数の永久磁石が配列され、各永久磁石の外周側と内周側の端部にそれぞれ切切り欠き部が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の表面磁石型回転電機。
5. 前記磁石の切り欠き部は、断面形状が矩形、又はテーパー状、もしくは円弧状に形成されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の表面磁石型回転電機。
6. 前記ロータ磁極にハルバッハ型配列を適用していることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の表面磁石型回転電機。
   
   

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