JP2020103013A - モータ - Google Patents

Abstract

【課題】トロイダルコアに対して、回転子における磁束の回り込みを防止しつつ永久磁石を適切に配置可能とする。【解決手段】コイル２ｂがステータコア２ａにトロイダル巻きにより巻回された固定子２と、ロータコア３ａの軸孔３ｄの周囲に形成された複数の磁石収容孔３ａ３に複数の永久磁石３ｂが埋設された回転子３とを備えるモータ１であって、ロータコア３ａは、外周面が径方向内側に向けて屈曲されている凹状壁部が外周側に配置されると共に、周方向に隣り合う磁石収容孔３ａ３相互間に設けられる凹四角形状の貫通孔であるフラックスバリア孔を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、モータに関するものである。

近年では、環状のステータコアに対して巻線を内外に向けて巻回するトロイダル巻きのモータが考案されている。このようなモータは、一般的に従来の集中巻き等のモータと比較して、固定子の極ピッチを短く設計できることから高いトルク密度が得られ、出力を大きくすることが可能である。

例えば、特許文献１には、マグネット埋め込み式のロータコアに対してトロイダル巻きによりコイルが巻回された固定子を備える永久磁石埋込型モータ（ＩＰＭモータ）が開示されている。上述のようなＩＰＭモータにおいては、回転子内部での磁束の回り込みを抑制する必要があり、特許文献２においては、マグネット埋め込み式のロータコアに対して、埋設されたそれぞれの磁石の端部に空隙（フラックスバリア）が形成されている。

特開２００１−３７１３３号公報 特開２０１４−２３９６３３号公報

このようなトロイダル巻きの永久磁石埋込型モータにおいては、回転子の回転角度に応じて生じる磁気的吸引力の変化によってコギング（揺動）が発生しやすい特性がある。コギングを防止するためには、回転子の磁極数を増加（細分化）させる必要があり、これに伴って回転子に配置する永久磁石の数が増加する。しかしながら、特許文献２のようにフラックスバリアを永久磁石の両端部に設けていると、ロータコアにスペースが足りず、全ての永久磁石にフラックスバリアを配置することができない。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、トロイダル巻きによりコイルが巻回された固定子に適応したＩＰＭモータの回転子において、回転子内部での磁束の回り込みによる損失を抑制しつつコギングを低減可能とすることを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では、第１の手段として、コイルがステータコアにトロイダル巻きにより巻回された固定子と、中心に軸孔が形成されると共に前記軸孔の周囲に複数の磁石収容孔が形成されたロータコアと、前記複数の磁石収容孔に埋設された複数の永久磁石とを有する回転子と、前記ロータコアの軸孔に固着された回転軸とを備えるモータであって、周方向に隣設する前記磁石収容孔は、径方向外側に向かって広がるＵ字型またはＶ字型に配されており、前記ロータコアには、隣り合う前記磁石収容孔の相互間に設けられるフラックスバリア孔と、外周面が径方向内側に向けて屈曲されている凹状壁部とが形成されており、前記フラックスバリア孔が、前記回転軸の軸線方向から見て前記凹状壁部が外周側に配される凹四角形状の開口である、という構成を採用する。

第２の手段として、前記回転軸の軸線方向から見て、前記磁石収容孔はその両端が前記ロータコアによる仕切り壁部で閉塞されており、前記磁石収容孔は、前記仕切り壁部を隔てて前記フラックスバリア孔と隣接している、という構成を採用する。

第３の手段として、前記フラックスバリア孔の前記開口の隅角部が円弧状に形状設定されている、という構成を採用する。

第４の手段として、前記ロータコアは、前記フラックスバリア孔及び磁石収容孔を有する複数個の円盤状部材を前記回転軸の軸線方向に重ねた多段構造で構成されており、前記複数個の円盤状部材の各フラックスバリア孔が前記回転軸方向に沿って重畳するように、前記複数個の円盤状部材が周方向において変位して重ね合わせられる、という構成を採用する。

本発明によれば、隣接する永久磁石の間の狭隘な部位に凹四角形状の開口であるフラックスバリア孔を１つ設けることにより、回転子における磁束の回り込みを防止している。これにより、トロイダルコアに適応して磁極数を増加（細分化）させた回転子においても、各永久磁石の両端にフラックスバリア孔を設けることが可能である。したがって、トロイダルコアを擁するモータにおいて、磁束の回り込みによる損失を防止しつつコギングを低減することができる。

本発明の一実施形態におけるモータの全体を示す模式図である。 本発明の一実施形態に係る回転子の要部拡大図である。 本発明の一実施形態に係る回転子の斜視図である。 本発明の一実施形態に係る回転子の要部拡大図である。

以下、図面を参照して、本発明に係るモータについて説明する。

モータ１は、図１に示すように、外周側に設けられると共に固定された固定子２と、固定子２の内側に配置された回転子３とを備えており、例えば車両等の駆動源として機能する。

固定子２は、ステータコア２ａと、コイル２ｂとを備えている。
ステータコア２ａは、環状のトロイダルコアとされ、ティース２ａ１を複数有している。また、ステータコア２ａは、例えば３個の略円弧のコア片により構成されており、該円弧状部材を連結させることにより環状とされている。
ティース２ａ１は、径方向内側及び径方向外側に向けて立設された部材である。このティース２ａ１は、ステータコア２ａにおいて周方向に等間隔に形成されている。

コイル２ｂは、ステータコア２ａに巻回される巻線である。コイル２ｂは、それぞれ、２つのティース２ａ１の間にトロイダル巻きにより巻回されている。また、コイル２ｂの端部は、回路基板等に電気的に接続されている。

回転子３は、固定子２の内側に回転可能に配置されており、ロータコア３ａと、複数の永久磁石３ｂと、回転軸３ｃとを備えている。
ロータコア３ａは、図２及び図３に示すように、中心部の軸孔３ｄに回転軸３ｃが固定された略円筒形の部材であり、フラックスバリア孔３ａ１及び永久磁石３ｂを埋設可能な磁石収容孔３ａ３を有している。このようなロータコア３ａは、薄板の電磁鋼板を多数枚重ね合わせて複数の永久磁石３ｂを埋設可能な磁石収容孔３ａ３を形成した複数個の類似形状の円盤状部材Ｓをさらに回転軸方向に重ねた多段構造（段スキュー）となっている。さらに、複数個の円盤状部材Ｓ間は、周方向においてそれぞれ数度（例えば１度）ずつ角度変位するように積層されている。後述するように、磁石収容孔３ａ３の内部には永久磁石３ｂが収容されており、図１及び図２に示すように、回転軸方向から見て２つの磁石収容孔３ａ３が径方向外側に向けて広がるＶ字型となるように、周方向において配置されている。また、ロータコア３ａは、フラックスバリア孔３ａ１が形成された部位の径方向外側（近傍）において、径方向内側に向けてＶ字状の凹状かつ鋭角に屈曲されて形成された凹状壁部３ａ２が外周面に設けられている。周方向に隣り合う凹状壁部３ａ２は、相互間がステータコア２ａ方向に向かって緩やかに膨出された円弧形状になっている。したがって、ロータコア３ａの全体は、外周面の一部が等間隔で凹んだ形状とされている。なお、凹状壁部３ａ２は、上記周方向に隣り合う凹状壁部３ａ２相互間の円弧形状が交差する点で平角に近しい鈍角に形成されている。これにより、ロータコア３ａとステータコア２ａの間の空隙における磁束密度の変化を正弦波化して、コキングを低減することができる形態となり、さらに、回転子３の高回転時においてはロータコア３ａの外周面の空気抵抗を抑えることができる。

フラックスバリア孔３ａ１は、凹状壁部３ａ２に隣接するように設けられて、回転軸３ｃに沿う方向に向けて形成された貫通孔である。さらに、フラックスバリア孔３ａ１は、周方向において隣り合う２つの磁石収容孔３ａ３の間に設けられており、回転軸３ｃの軸線方向から見て、凹状壁部３ａ２の内側に配される凹四角形状の開口とされる。また、フラックスバリア孔３ａ１は、図４に示すように、円盤状部材Ｓが周方向において変位して積層されている。これにより、軸線方向において隣接する一方の円盤状部材Ｓに形成されたフラックスバリア孔３ａ１と他方の円盤状部材Ｓに形成されたフラックスバリア孔３ａ１とは、一部が重なった（重畳した）状態とされている。

磁石収容孔３ａ３は、図１に示すように、ロータコア３ａの軸線方向において各円盤状部材Ｓのそれぞれに対して個別に設けられており、さらに、上述のように径方向外側に向けてＶ字型となるように配列されている。このような磁石収容孔３ａ３に埋設されて円盤状部材Ｓと共に積層される永久磁石３ｂは、円盤状部材Ｓが周方向において徐々に変位するように積層されているため、回転軸３ｃの軸線方向から見て、一部が重なると共に周方向において徐々に変位して配置されている。なお、磁石収容孔３ａ３は、回転軸３ｃの軸線方向から見てその両端がロータコア３ａによる仕切り壁部３ａ４で閉塞された矩形状を呈しており、これにより、磁石収容孔３ａ３は仕切り壁部３ａ４を隔ててフラックスバリア孔と隣り合っている。

回転軸３ｃは、ロータコア３ａの中心部に開口された軸孔３ｄに固定された長尺状部材である。回転軸３ｃは、不図示のモータケーシングが備える軸受部材により回転自在に軸支されており、ロータコア３ａの回転に伴って回転可能である。

このようなモータ１では、コイル２ｂに通電されることにより発生する磁界の変化により、ロータコア３ａに設けられた永久磁石３ｂがコイル２ｂに対して吸着及び反発することで、回転子３が回転する。

本実施形態のようにトロイダル巻きにより巻回されたコイル２ｂの場合、上述のように、永久磁石３ｂを回転子３に対して多数設ける必要があり、これに伴って回転子に配置される永久磁石３ｂ同士が近接する。しかしながら、本実施形態においては、２つのＶ字型に配置された永久磁石３ｂを埋設する磁石収容孔３ａ３の間に、凹四角形状の貫通孔であるフラックスバリア孔３ａ１を１つ設けることにより、回転子における磁束の回り込みによる損失を防止しつつコギングを低減することが可能である。

また、本実施形態においては、ロータコア３ａに、外周面が径方向内側に向けて屈曲されている凹状壁部３ａ２と、凹状壁部３ａ２の内周側において、周方向に隣り合う磁石収容孔３ａ３の間に設けられる凹四角形状の貫通孔であるフラックスバリア孔３ａ１とが形成されている。したがって、ロータコア３ａの外周面に深い凹凸が形成されず、回転子３の高回転時においてロータコア３ａの外周面の空気抵抗を抑えることができる。また、上記凹状壁部３ａ２を設けることにより、磁束密度の変化を正弦波化することができ、回転子３の回転角度に応じて発生する脈動（コギング）を抑制することが可能である。また、上記凹状壁部３ａ２を設けることにより、ロータコア３ａの強度を損なうことなく、フラックスバリア孔３ａ１を形成することが可能である。

また、本実施形態においては、磁石収容孔３ａ３及びこれに収容される永久磁石３ｂをＶ字型に配置していることにより、ロータコア３ａの径を大きくすることなく、全ての永久磁石３ｂを適切に配置可能である。さらに、磁石収容孔３ａ３の間に四角形状の貫通孔であるフラックスバリア孔３ａ１を１つ設けることで、磁束の回り込みによる損失を抑制しつつコギングを低減することが可能である。

また、本実施形態において、磁石収容孔３ａ３は、両端が前記ロータコアによる仕切り壁部３ａ４で閉塞され、この仕切り壁部３ａ４を隔ててフラックスバリア孔３ａ１と隣接している。これにより、ロータコア３ａの強度を高めることができる。したがって、回転子３の回転時に永久磁石３ｂの位置が変位することがなく、永久磁石３ｂを強固に固定することが可能である。

また、本実施形態においては、フラックスバリア孔３ａ１の開口の隅角部が丸められた曲線状（角丸四角形）とされていることにより、回転子３の高回転時において、フラックスバリア孔３ａ１の開口に加わる応力を分散することができる。したがって、ロータコア３ａの強度を損なうことなく、フラックスバリア孔３ａ１を形成することが可能である。

また、本実施形態においては、回転子３が薄板の電磁鋼板を多数枚重ね合わせた複数個の円盤状部材Ｓを、回転軸３ｃの軸線方向に重ねた多段構造（段スキュー）で構成されており、円盤状部材Ｓが周方向においてフラックスバリア孔３ａ１の半分程度が重なり合うように重畳して積層されている（段スキュー）。したがって、積層された各円盤状部材Ｓ相互間において、フラックスバリア孔３ａ１は、空気が流通可能に連通している。これにより、不図示のモータケーシング内に冷気を循環すること等により、フラックスバリア孔３ａ１ならびにこれに隣設する永久磁石３ｂを冷却することができる。さらに、積層された各円盤状部材Ｓの相互間における永久磁石３ｂ及びフラックスバリア孔３ａ１の周方向位置の違いにより、コギングトルクを相殺することで、コギングを抑制することが可能である。

また、本実施形態においては、フラックスバリア孔３ａ１が貫通孔であることにより、ロータコア３ａの軽量化を図ることが可能である。

以上、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の趣旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

上記実施形態においては、円盤状部材Ｓを薄板の電磁鋼板を多数枚重ね合わせて形成するもの（積層コア）としたが、本発明はこれに限定されない。円盤状部材Ｓは、例えば、鉄材などの金属紛を焼結して作成した焼結コアとすることも可能である。この場合、円盤状部材Ｓを少ない作業工程で作成することができる。

また、上記実施形態においては、周方向に隣設する一対の磁石収容孔３ａ３は、径方向外側に向かって広がるＶ字型に配されており、この一対の磁石収容孔３ａ３に永久磁石３ｂが埋設されるものとしたが、本発明はこれに限定されない。例えば、磁石収容孔３ａ３は、径方向外側に向かって広がるＵ字型あるいは円弧型に開口されてもよい。これによっても、回転子３に配置する磁極の数を増加（細分化）してコギングを抑制することが可能となる。

１……モータ
２……固定子
２ａ……ステータコア
２ｂ……コイル
３……回転子
３ａ……ロータコア
３ａ１……フラックスバリア孔
３ａ２……凹状壁部
３ａ３……磁石収容孔
３ａ４……仕切り壁部
３ｂ……永久磁石
３ｃ……回転軸
３ｄ……軸孔
Ｓ……円盤状部材

Claims (4)

1. コイルがステータコアにトロイダル巻きにより巻回された固定子と、
   中心に軸孔が形成されると共に前記軸孔の周囲に複数の磁石収容孔が形成されたロータコアと、前記複数の磁石収容孔に埋設された複数の永久磁石とを有する回転子と、
   前記ロータコアの軸孔に固着された回転軸と
   を備えるモータであって、
   周方向において隣設する前記磁石収容孔は、径方向外側に向かって広がるＵ字型またはＶ字型に配されており、
   前記ロータコアには、隣り合う前記磁石収容孔の相互間に設けられるフラックスバリア孔と、外周面が径方向内側に向けて屈曲されている凹状壁部とが形成されており、
   前記フラックスバリア孔が、前記回転軸の軸線方向から見て前記凹状壁部が外周に配される凹四角形状の開口であることを特徴とするモータ。
2. 前記回転軸の軸線方向から見て、前記磁石収容孔は、その両端が前記ロータコアによる仕切り壁部で閉塞されており、前記磁石収容孔は、前記仕切り壁部を隔てて前記フラックスバリア孔と隣接していることを特徴とする請求項１記載のモータ。
3. 前記フラックスバリア孔の前記開口の隅角部が円弧状に形状設定されていることを特徴とする請求項２記載のモータ。
4. 前記ロータコアは、前記フラックスバリア孔及び磁石収容孔を有する複数個の円盤状部材を前記回転軸の軸線方向に重ねた多段構造で構成され、
   前記複数個の円盤状部材の各フラックスバリア孔が前記回転軸の軸線方向に沿って重畳するように、前記複数個の円盤状部材が周方向において変位して重ね合わせられることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のモータ。

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