JP3659055B2

JP3659055B2 - 電動機のロータ

Info

Publication number: JP3659055B2
Application number: JP08479799A
Authority: JP
Inventors: 俊治大木; 真秀木村; 由佳吉村
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1999-03-26
Filing date: 1999-03-26
Publication date: 2005-06-15
Anticipated expiration: 2019-03-26
Also published as: JP2000278896A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ロータ内に永久磁石を埋め込んだ電動機のロータの構造に関し、特に、スキュー（傾き）などを用いることなく、コギングトルクを低減することができるものである。
【０００２】
【従来の技術】
磁石型同期モータ（電動機）として、ロータ内に永久磁石を埋め込んだＩＰＭモータ（埋込み磁石型モータ）がある。このモータは、高効率、小型化可能、高回転化可能という特徴を有するため、電気自動車などに適したモータとして、現在広く採用されている。
【０００３】
ところが、このような永久磁石を用いたモータにおいては、鉄心によるリラクタンス変化に伴ってステータとロータの間の吸引力が変動し、この変動によってコギングトルクまたはトルクリプルなどと呼ばれる角速度変化を伴う周期的なトルク変動（以下、ここではコギングトルクと呼ぶ）が発生する。このコギングトルクは回転の円滑を損ない、振動や異音の発生の原因ともなるので、小さく抑えることが望まれる。
【０００４】
そのため、従来より、コギングトルク低減のための工夫がいろいろなされている。マグネットロータの磁極（永久磁石）にスキュー（傾き）を設けるのもその一つである（例えば、特開昭６３−１４０６４５号公報）。また、永久磁石の着磁方向を斜めにして、ロータにスキュー効果をもたらすものも開示されている（特開平５−１６８１８１号）。
【０００５】
また、スキュー以外の方法によるものとしては、例えば、永久磁石の幅を中心角で所定の値（または範囲）に決めるもの（特開平３−９８４４５号公報）、磁路を分割するようにロータコアに複数個の空隙を設けてロータ形状を非円形としたもの（実開平５−９１４７号公報）、積層してロータを構成する鉄心片の外周形状を積層方向に進むに従って変えてロータコア形状を変えたもの（実開平３−１０６８５１号公報）などが開示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、マグネットロータの磁極にスキューを設ける方法にあっては、例えば、積層されたロータコアを永久磁石とともに積層方向に分割し、これら分割されたロータコアに永久磁石を挿入した後、一定角度ずつ階段状にずらせて軸に取り付ける必要があるため、工数が増大し、製作する手間と時間が増加し、コストアップにつながるという問題がある。また、永久磁石の着磁方向を斜めにしてスキュー効果を持たせる方法にあっても、着磁方向を斜めにするための特別の工程を必要とし、製作に手間と時間を要する。
【０００７】
また、スキュー以外の方法によるものとして、まず、磁石の幅を決める方法にあっては、欲しい磁束の量は磁石の幅によって決まるが、この場合には磁石の幅を任意に決めることができず、コギングトルク低減のために欲しい磁束の量が得られないおそれがある。また、ロータ形状を非円形にしたりまたはロータコア形状を変えたりする方法にあっては、ロータまたはロータコアの形状が通常の円形ではないため、やはり製作に手間と時間がかかり、高価になりがちである。
【０００８】
以上、いずれの方法にせよ、永久磁石自体に何らかの変更を加えたりまたはロータもしくはロータコアの形状それ自体を変更したりすることは、工数が増加し、製作に手間と時間を要し、コストアップは避けられない。
【０００９】
本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、スキューなどを用いることなくコギングトルクを低減することができ、しかも少ない工数で製作が容易で安価な電動機のロータを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の上記目的は、下記の手段によって達成される。
【００１１】
（１）本発明に係る電動機のロータは、ロータコアの内部に複数個の永久磁石を配置してなる電動機のロータにおいて、前記複数の永久磁石を前記ロータコアの外周部の円周方向に配置し、前記ロータコアの前記各永久磁石の円周方向端面側の外周部に略径方向の磁束遮断部を設け、該磁束遮断部の外周側端部には前記永久磁石の側に突き出た突出部が設けられ、前記突出部と前記永久磁石の間には鉄心が存在することを特徴とする。
【００１２】
（２）前記磁束遮断部は、前記永久磁石の円周方向端面に接している。
【００１３】
（３）前記突出部の先端位置と前記永久磁石の中心とが前記ロータコアの中心を挟む角度は、電気角で５４〜５９°である。
【００１４】
（４）前記永久磁石は、板状の磁石である。
【００１５】
（５）前記磁束遮断部は、貫通穴である。
【００１６】
【発明の効果】
本発明によれば、ロータコアに設ける磁束遮断部の外周側端部に永久磁石の側に突き出た突出部を設け、つまり、磁束遮断部を略Ｌ字形にし、永久磁石の両側の磁束遮断部（の突出部）の間隔が永久磁石の幅よりも短くなるようにしたので、永久磁石による磁束の分布が最適化され、スキューなどを用いずにコギングトルクを低減することができる。このとき、コギングトルク低減の効果はロータコアに設ける磁束遮断部の形状のみで与えられ、永久磁石自体を変更したりまたはロータもしくはロータコアの形状それ自体を変更したりする必要はなく、磁束遮断部の形状以外の点については通常のもので足りるため、工数が少なく、製作も容易で、安価である。また、前記磁束遮断部を突出部と永久磁石の間に鉄心が存在する形状にしたので、永久磁石の磁束を活かすことができるため、ステータコイルとロータの永久磁石とが反発、吸引することによるマグネットトルクを減少させずに、コギングトルクを低減することができる。
【００１８】
また、実験によれば、前記磁束遮断部の突出部の先端位置と永久磁石の中心とがロータコアの中心を挟む角度（以下「磁束遮断部先端角」という）を電気角で５４〜５９°にした場合、コギングトルク率（＝コギングトルク最大値／定格トルク）がモータ設計上の一般的な目標値である１.０％（コギングトルク率が１.０％以下になると回転数変動の低減により振動・異音が著しく改善されることが知られている）以下となり、望ましい結果が得られた。したがって、磁束遮断部先端角を電気角で５４〜５９°の範囲に設定するだけで、コギングトルクを有効に低減することができる。
【００１９】
また、上記のように磁束遮断部の形状のみによる調整であり、磁石の形状や配置には大きな自由度があるため、永久磁石として製作の容易な板状の磁石を使用することができ、上記した簡単なロータ構造と相俟って、コスト的にもきわめて有利である。
【００２０】
また、磁束遮断部が貫通穴である場合には、打抜き用の所定の型を用意するだけで足り、従来行われていた加工工程でそのまま対応できるため、この点でのコストアップはない。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を使って、本発明の実施の形態を説明する。
【００２２】
図１は、本発明の電動機のロータの一例を示す要部正面図である。なお、ここでは、１つの磁極部分に関してのみ記載しており、その他の磁極部分は同一構成のため省略してある。
【００２３】
この電動機は、ロータ１０内に４個の永久磁石を埋め込んだ４極（２極対）のＩＰＭモータ（埋込み磁石型モータ）である。このロータ１０は、薄い（例えば、０.５mm厚）円形のけい素鋼板を複数枚積層してなるロータコア１１と、該ロータコア１１の中心にあるシャフト穴に圧入されたモータシャフト（図示せず）と、ロータコア１１の外周部の円周方向に等間隔に配置された４個の永久磁石１２とからなる。永久磁石１２は、製作の容易な通常の板状磁石を使用する。
【００２４】
また、ロータコア１１の永久磁石１２の円周方向端面側の外周部には、略径方向のフラックスバリア（磁束遮断部）１３，１４がそれぞれ設けられている。フラックスバリア１３，１４は、ロータコア１１の長手方向に貫通する、磁束を通さない貫通穴である。このフラックスバリア１３，１４の外周側端部には、永久磁石１２の側に突き出た突出部１３ａ，１４ａが設けられている。すなわち、このフラックスバリア１３，１４は、略Ｌ字形の形状をしており、フラックスバリア１３，１４（の突出部１３ａ，１４ａ）の間隔Ｌが永久磁石１２の幅Ｗよりも短くなるように配置されている。また、永久磁石１２の磁束を活かすために、フラックスバリア１３，１４の突出部１３ａ，１４ａと永久磁石１２との間に隙間１５（寸法ｄ）を設けてその部分にも鉄心が存在する形状にしている。つまり、永久磁石１２の表面には必ず鉄心が存在するようにしている。なお、永久磁石１２およびフラックスバリア１３，１４は、永久磁石１２の中心とロータコア１１の中心とを結ぶ直線Ａに関して対称である。
【００２５】
図２は、フラックスバリア先端位置とコギングトルク率との関係を示す図面である。ここでは、フラックスバリア先端位置を、フラックスバリア１３，１４の突出部１３ａ，１４ａの先端位置と永久磁石１２の中心とがロータコア１１の中心を挟む角度（以下「フラックスバリア先端角」という）、換言すれば、フラックスバリア１３，１４の突出部１３ａ，１４ａの先端位置とロータコア１１の中心とを結ぶ直線Ｂと、永久磁石１２の中心とロータコア１１の中心とを結ぶ直線Ａとのなす角度を電気角で表現したもの（θ_F）によって示す。また、コギングトルク率は、下記の式、
コギングトルク率＝コギングトルク最大値／定格トルク
によって定義される。
【００２６】
実験の結果、図２に示すように、コギングトルク率は、フラックスバリア先端角θ_F に依存しており、コギングトルクの低減に有効な望ましい範囲が存在することがわかる。同図によれば、モータ設計上のコギングトルク率の一般的な目標値が１.０％であることを考慮すると、コギングトルク率が１.０％以下となる５４〜５９°（電気角）の範囲が、フラックスバリア１３，１４（の突出部１３ａ，１４ａ）の形状または寸法として望ましい範囲である。特に、フラックスバリア先端角θ_F が５７°（電気角）またはその近傍のとき、コギングトルク低減の効果が最大となり、最も望ましい。なお、フラックスバリア先端角θ_F が６１°（電気角）の場合は、図３に示すように、フラックスバリア１３，１４に突出部が存在しない場合である。
【００２７】
したがって、本実施の形態によれば、ロータコア１１に設けるフラックスバリア１３，１４の外周側端部に永久磁石１２の側に突き出た突出部１３ａ，１４ａを設け、つまり、フラックスバリア１３，１４を略Ｌ字形にし、永久磁石１２の両側のフラックスバリア１３，１４（の突出部１３ａ，１４ａ）の間隔Ｌが永久磁石１２の幅Ｗよりも短くなるようにしたので、永久磁石１２による磁束の分布が最適化され、スキューなどを用いることなくコギングトルクを低減することができる。このとき、コギングトルク低減の効果はロータコア１１に設けるフラックスバリア１３，１４の形状のみで与えられ、永久磁石自体を変更したりロータもしくはロータコアの形状それ自体を変更する必要はなく、フラックスバリア１３，１４の形状以外の点については通常のもので足りるため、例えば、永久磁石１２として板状の磁石を使用でき、ロータ１０またはロータコア１１の形状も円形でよいため、工数が少なく、製作も容易で、安価である。
【００２８】
また、フラックスバリア１３，１４の突出部１３ａ，１４ａと永久磁石１２の間に鉄心が存在する形状にしたので、永久磁石１２の表面には必ず鉄心が存在することになり、永久磁石１２の磁束を活かすことができるため、ステータコイルとロータ１０の永久磁石１２とが反発、吸引することによるマグネットトルクを減少させることなく、コギングトルクを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の電動機のロータの一例を示す要部正面図である。
【図２】フラックスバリア先端位置とコギングトルク率との関係を示す図面である。
【図３】フラックスバリア先端角が６１°（電気角）の場合におけるフラックスバリアの形状を示す図１の対応図面である。
【符号の説明】
１０…ロータ、
１１…ロータコア、
１２…永久磁石、
１３，１４…フラックスバリア（磁束遮断部）、
１３ａ，１４ａ…突出部。

Claims

ロータコアの内部に複数個の永久磁石を配置してなる電動機のロータにおいて、
前記複数の永久磁石を前記ロータコアの外周部の円周方向に配置し、前記ロータコアの前記各永久磁石の円周方向端面側の外周部に略径方向の磁束遮断部を設け、該磁束遮断部の外周側端部には前記永久磁石の側に突き出た突出部が設けられ、前記突出部と前記永久磁石の間には鉄心が存在することを特徴とする電動機のロータ。
前記磁束遮断部は、前記永久磁石の円周方向端面に接していることを特徴とする請求項１記載の電動機のロータ。
前記突出部の先端位置と前記永久磁石の中心とが前記ロータコアの中心を挟む角度は、電気角で５４〜５９°であることを特徴とする請求項１記載の電動機のロータ。
前記永久磁石は、板状の磁石であることを特徴とする請求項１記載の電動機のロータ。
前記磁束遮断部は、貫通穴であることを特徴とする請求項１記載の電動機のロータ。