JP5653298B2 - 永久磁石埋込型モータの回転子 - Google Patents

Description

この発明は、回転子鉄心に永久磁石が埋め込まれる永久磁石埋込型モータの回転子に関するものである。

永久磁石埋込型モータの回転子では、積層した薄板鋼板に挿入孔を設けて永久磁石を挿入するが、挿入時や固定時の永久磁石の破損の防止や、永久磁石の飛び出し防止のための技術が開発されている。
従来の永久磁石埋込型モータのロータにおいて、永久磁石が嵌着される挿入孔が形成された非磁性金属製のケースと、ケースを磁石固定孔に機械的に固定する手段を備え、そのケースは薄肉の周縁部と、挿入孔と、肉厚の突起部と、停止部とからなる（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１０−２３９８０３号公報

従来の永久磁石埋込型モータのロータは、薄肉の周縁部と、挿入孔と、肉厚の突起部と、停止部とからなるケースに永久磁石を嵌着後、ケースを挿入孔に固定している。
しかしながら、このようなケースは周縁部により永久磁石の磁化方向を覆っているため、材質が金属であるケース部分に渦電流が発生しやすい。また、周縁部の厚み分だけ回転子鉄心と永久磁石間に磁化方向のクリアランスが生じるため磁気抵抗が上がる。よってモータ特性が低下するという問題があった。また、ケースに永久磁石を嵌着する際に永久磁石が破損する場合があるという問題があった。
この発明は、上記のような問題を解決するためになされたもので、永久磁石の破損を防止し、かつモータ特性の優れた永久磁石埋込型モータの回転子を得ることを目的とする。

この発明に係る永久磁石埋込型モータの回転子は、複数枚の電磁鋼板を積層してなる回転子鉄心が、軸方向に貫通する複数の磁石挿入孔を有し、上記各磁石挿入孔に、永久磁石および上記永久磁石を磁力線と交わる２面を露出させて取り囲む非磁性体からなるカバーがそれぞれ挿入され、上記カバーの径方向の幅を上記永久磁石の径方向の幅より小さく設定し、上記永久磁石の径方向内側および径方向外側の２面が上記カバーから突出して露出するように構成されたものである。

この発明の永久磁石埋込型モータの回転子によれば、カバーにより永久磁石の破損を防止するとともに、カバーを設けたことによる渦電流の発生や磁気抵抗の増加を抑制し、モータ特性の向上を図ることができる。

この発明の実施の形態１における回転子の構成を示す平面図である。 この発明の実施の形態１における回転子の構成を示す斜視図である。 この発明の実施の形態１における回転子の構成を示す断面図である。 この発明の実施の形態１における永久磁石とカバーの構成を説明する斜視図である。 この発明の実施の形態１におけるカバー内に配置された永久磁石の側面図である。 この発明の実施の形態１における永久磁石およびカバーを回転子鉄心に挿入する様子を示す図である。 この発明の実施の形態１における永久磁石およびカバーの回転子鉄心への挿入後の様子を示す図である。 この発明の実施の形態１におけるカバーを回転子鉄心に固定する様子を示す図である。 この発明の実施の形態１における別例の回転子の構成を示す断面図である。 この発明の実施の形態１における永久磁石の断面形状のバリエーションを示す斜視図である。 この発明の実施の形態１における永久磁石の断面形状のバリエーションを示す斜視図である。 この発明の実施の形態２における永久磁石およびカバーを回転子鉄心に挿入する様子を示す模式図である。 この発明の実施の形態３における永久磁石とカバーの構成を説明する斜視図である。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１における永久磁石埋込型モータの回転子１の構成を示す平面図、図２は回転子１の斜視図、図３は回転子１の断面図である。
回転子１は、回転子鉄心２と、複数の永久磁石３と、永久磁石３のカバー４とを備えている。図４は永久磁石３およびカバー４の構成を説明する斜視図、図５は永久磁石３がカバー４内に配置された状態を示す側面図、図６、図７、図８は永久磁石３およびカバー４を回転子鉄心２の磁石挿入孔２２内に配置する過程を示す模式図である。図６は永久磁石３およびカバー４を回転子鉄心２に挿入する様子を示し、図７は挿入後の様子、図８は挿入後にカバー４を回転子鉄心に固定する様子を示す。また、図７、図８は突起部４２Ｂの構成を分かり易くするため、突起部４２Ｂ側の方向から見た図としている。また、図９は本実施の形態１の別例の回転子の構成を示す断面図、図１０、図１１は永久磁石３の断面形状のバリエーションを示す図である。

回転子鉄心２は所定形状に打ち抜かれた電磁鋼板を複数枚積層して構成される。電磁鋼板には板厚が約０．１〜０．５ｍｍのものを使用する。回転子鉄心２には、その中心部に回転軸挿入用の貫通孔２１が設けられている。また、回転子鉄心２には、周方向に等間隔で断面略長方形状の４個の磁石挿入孔２２が軸方向に貫通して設けられている。

永久磁石３は断面略長方形状であり、例えばネオジウム系磁石によって形成され、短手方向に磁化されている（図４矢印Ａの方向）。永久磁石３はカバー４内に配置された状態で磁石挿入孔２２に挿入され、永久磁石３の磁化方向が回転子鉄心２の径方向となるように配置される。また、回転子鉄心２の隣り合う磁石挿入孔２２には、互いに極性が反転された永久磁石３が配置される。このように永久磁石３が配置された場合の、回転子１内の磁力線の向きを図３中矢印Ｂで示す。永久磁石３の径方向内側および外側の２面が磁力線と交わっている。

図４、図５に示すように、カバー４は永久磁石３の周方向両側の２面を覆う第１の枠部４１と軸方向両側の２面を覆う第２の枠部４２とで永久磁石３を取り囲むよう形成される。永久磁石３の磁力線と交わる２面である径方向内側および外側の面は、カバー４に覆われることなくカバー４から露出している。なお、第１の枠部とは、永久磁石３の軸方向の２面以外の４面の内、磁力線と交わらない２面を覆う枠部であり、第２の枠部とは、永久磁石３の軸方向の２面を覆う枠部である。また、径方向、周方向、軸方向は、全て回転子鉄心２に基づく方向である。
本実施の形態１では第１および第２の枠部４１、４２の径方向の幅を永久磁石３の径方向の幅より小さく設定し、永久磁石３の径方向内側および外側の２面が枠部４１、４２から突出して露出するように構成されている。
第２の枠部４２の一方側（図中上側）の端部には径方向に突出して設けられた抜け止め用の第１の突起部４２Ａが設けられている。カバー４を回転子鉄心２の磁石挿入孔２２に挿入した際には第１の突起部４２Ａが回転子鉄心２の軸方向一方側（図中上側）の端面と当接して、カバー４が磁石挿入孔２２から抜け落ちることを防止する。
第２の枠部４２の他方側（図中下側）の端部には軸方向下向きに突出する第２の突起部４２Ｂが設けられている。

図４に示すように、永久磁石３はカバー４の開口している側からカバー４内に配置される。そして、図６に示すように、永久磁石３が配置されたカバー４が第２の枠部４２側から磁石挿入孔２２内へ挿入される。第２の突起部４２Ｂは軸方向に突出して設けられているため、カバー４の磁石挿入孔２２への挿入時に、第２の突起部４２Ｂと回転子鉄心２の磁石挿入孔２２内壁面とは接触しない。また、カバー４の磁石挿入孔２２への挿入時に、第１の枠部４１のいずれか一方側の面を磁石挿入孔２２の内壁面に沿わせながら挿入することで、永久磁石３の露出面と回転子鉄心２の磁石挿入孔２２内壁面との間のクリアランスを一定に保ちながら挿入でき、挿入時における永久磁石３の破損を防ぐ。
図７、図８に示すように、回転子鉄心２の磁石挿入孔２２にカバー４を挿入後、第２の突起部４２Ｂにプレス等で荷重をかけ、第２の突起部４２Ｂをその根元部から回転子鉄心２の軸方向他方側の端面方向に折れ曲がるように塑性変形させる。これにより、第２の突起部４２Ｂと回転子鉄心２の端面が圧着され、カバー４を回転子鉄心２の磁石挿入孔２２内に固定することができる。なお、ここでは第２の突起部４２Ｂが回転子鉄心２の端面に圧着するよう塑性変形したが、必ずしも圧着する必要はない。第２の突起部４２Ｂと回転子鉄心２が当接することで、永久磁石３およびカバー４が回転子鉄心２内に固定することができ、第２の突起部４２Ｂが回転子鉄心２の端面方向に折れ曲がっていれば、カバー４の回転子鉄心２からの抜け落ちを防止できる。カバー４を固定することでカバー４内に配置された永久磁石３も磁石挿入孔２２から抜け落ちることはなく、磁石挿入孔２２内に保持される。
なお、カバー４の材質は非磁性体であればよく、金属、非金属のいずれであってもよい。例えば、アルミ合金や非磁性のＳＵＳや樹脂等がある。

以上のように、本実施の形態１の回転子１は、永久磁石３がカバー４内に配置された状態で磁石挿入孔２２に挿入されているため、カバー４の一面を回転子鉄心２の磁石挿入孔２２内壁面に沿わせて挿入することができ、永久磁石３の露出面と回転子鉄心２の磁石挿入孔２２内壁面との間のクリアランスを一定に保ちながら挿入できる。このため、挿入時における永久磁石３の破損を防ぐ。さらに、永久磁石３の磁力線と交わる２面がカバー４から露出しているため、永久磁石３の露出面と回転子鉄心２との間のクリアランスを最小限に抑えることができ、クリアランスによる磁気抵抗の増加を抑制することができる。また、カバー４は、永久磁石３の磁力線と交わる２面を覆わないような構成であるため、カバー４に渦電流が生じにくく、永久磁石３の周辺に作用する磁束の低下を防ぐことができる。そして、磁気抵抗の増加や渦電流の発生を抑制して磁束の低下を防止することで、モータ特性を向上させることができ、エネルギー消費量を削減することができるという効果も有する。

また、カバー４が回転子鉄心２の磁石挿入孔２２内に固定されることで、永久磁石３が磁石挿入孔２２内に保持される構成であるため、永久磁石３を保持するためのリベットや端板等の保持部材が不要であり、そのような保持部材との接触による永久磁石３の破損という問題が生じない。そして、保持部材が不要であるため、回転子１の軽量化、小型化を図ることができるとともに、簡単な構成で永久磁石３を磁石挿入孔２２内に保持することができるため生産工程自体の環境負荷も低減する。
また、第１または第２の突起部４２Ａ、４２Ｂを取り除くことで、容易に永久磁石３やカバー４を取り出すことができ、回転子１の分解が容易であるという効果も有する。
さらに、第２の突起部４２Ｂを塑性変形して回転子鉄心２の端面と圧着させることによりカバー４を回転子鉄心２に固定する場合は、カバー４を回転子鉄心２に固定する際に、回転子鉄心２を構成する各電磁鋼板の積層固定を同時に行うことができ、抜きカシメや溶接、接着等の電磁鋼板積層プロセスを削減することができる。

なお、本実施の形態１では永久磁石３の磁化方向が回転子鉄心２の径方向となるように配置された場合について説明したが、永久磁石３の配置はこれに限られるものではない。例えば、本実施の形態１の別例として、図９に示すように、永久磁石３の磁化方向が回転子鉄心２の周方向となるように配置されてもよい。このように永久磁石３が配置された場合の回転子１内の磁力線の向きは図９中矢印Ｃで示す通りであり、永久磁石３の磁力線と交わる２面とは周方向両側の２面となる。従って、カバー４の第１の枠部４１が永久磁石３の磁力線と交わらない２面である径方向内側と外側の面を覆い、第２の枠部４２が軸方向両側の２面を覆い、永久磁石３は磁力線と交わる周方向両側の２面がカバー４から露出するように各枠部４１、４２により取り囲まれる構成となる。

また、本実施の形態１では永久磁石３の形状は断面略長方形状であったが、この形状に限られるものではない。
例えば図１０に示すように断面略蒲鉾形状の永久磁石５としてもよく、カバー６の第２の枠部６２０も永久磁石５の形状に合うように形成される。永久磁石５が短手方向（図中矢印Ｄ）に磁化されている場合には、磁力線の方向も同じく短手方向となり、永久磁石５の磁力線と交わる２面とは、蒲鉾形状の曲面とその反対側の平面となる。永久磁石５はカバー６の開口している側からカバー６内に配置され、永久磁石５の磁力線と交わる２面が露出するようにカバー６の第１の枠部６１と第２の枠部６２とに取り囲まれる。
また、例えば図１１に示すように断面略瓦形状の永久磁石５０としてもよく、カバー６０の第２の枠部６２０も永久磁石５０の形状に合うように形成される。永久磁石５０が短手方向（図中矢印Ｅ）に磁化されている場合には、磁力線の方向も同じく短手方向となり、永久磁石５０の磁力線と交わる２面とは、瓦形状の両曲面となる。永久磁石５０はカバー６０の開口している側からカバー６０内に配置され、永久磁石５０の磁力線と交わる２面が露出するようにカバー６０の第１の枠部６１０と第２の枠部６２０とにより取り囲まれる。

実施の形態２．
図１２はこの発明の実施の形態２におけるカバーを回転子鉄心に挿入する様子を示す模式図である。本実施の形態２は、上記実施の形態１とカバーの形状と磁石挿入孔の形状が異なっている。それ以外の部分については上記実施の形態１と同様であり、同一符号を付して説明を省略する。
本実施の形態２のカバー７は永久磁石３の周方向両側２面を覆う第１の枠部７１と、軸方向両側の２面を覆う第２の枠部７２とで永久磁石３を取り囲むように形成される。永久磁石３の磁力線と交わる２面である径方向内側およおび外側の面はカバー７に覆われることなく、カバー７から露出している。カバー７の第１の枠部７１には、軸方向に延びる凸部７１Ａが設けられ、回転子鉄心２の磁石挿入孔２２の周方向両側の内壁面には軸方向に延びる凹部２２Ａが設けられ、凹部２２Ａに凸部７１Ａが圧入されることによりカバー７が回転子鉄心２の磁石挿入孔２２内に固定される。

以上のように、本実施の形態２の回転子１は、永久磁石３が配置されたカバー７を磁石挿入孔２２に挿入する際に、枠部７１の凸部７１Ａを磁石挿入孔２２の凹部２２Ａに圧入させて挿入するため、挿入中にカバー７の磁石挿入孔２２に対する位置が周方向や径方向にずれることがない。このため、永久磁石３の露出面と回転子鉄心２の磁石挿入孔２２内壁面との間のクリアランスを一定に保ちながら挿入でき、挿入時における永久磁石３の破損を防ぐ。
また、カバー７の挿入後においても、カバー７は凸部７１Ａが凹部２２Ａに圧入されることにより磁石挿入孔２２内に強固に固定されるため、回転子１の回転等によってもカバー７の位置が磁石挿入孔２２内でずれることがなく、回転子１の回転時の振動発生を抑制することができる。
また、上記実施の形態１と同様に、カバー７が回転子鉄心２の磁石挿入孔２２内に固定されることで、永久磁石３が磁石挿入孔２２内に保持される構成であるため、永久磁石３を保持するためのリベットや端板等の保持部材が不要であり、そのような保持部材等との接触による永久磁石３の破損という問題が生じない。そして、保持部材が不要であるため、回転子１の軽量化、小型化を図ることができるとともに、簡単な構成で永久磁石３を磁石挿入孔２２内に保持することができるため生産工程自体の環境負荷も低減する。
また、上記実施の形態１と同様に、永久磁石３の磁力線と交わる２面がカバー７から露出しているため、永久磁石３の露出面と回転子鉄心２との間のクリアランスを最小限に抑えることができ、クリアランスによる磁気抵抗の増加を抑制することができる。また、カバー７は、永久磁石３の磁力線と交わる２面を覆わないような構成であるため、カバー７に渦電流が生じにくく、永久磁石３の周辺に作用する磁束の低下を防ぐことができる。そして、磁気抵抗の増加や渦電流の発生を抑制して磁束の低下を防止することで、モータ特性を向上させることができ、エネルギー消費量を削減することができるという効果も有する。

実施の形態３．
図１３はこの発明の実施の形態３における永久磁石とカバーの構成を説明する斜視図である。図に示すように、本実施の形態３では、上記実施の形態１で説明したカバー４の第２の枠部４２に、略四角形状の孔部４３が設けられている。本実施の形態３では孔部４３は軸方向上下両方の枠部４２にそれぞれ４個ずつ等間隔で設けられている。それ以外の部分については上記実施の形態１と同様であり、同一符号を付して説明を省略する。
孔部４３によりカバー４に発生する渦電流の流れが制限され、カバー４に発生するトータルの渦電流を低下させることができる。
なお、孔部４３の形状や個数や配置位置はこれに限られるものではなく、必要に応じて適宜設定すればよい。また、本実施の形態３では上下両面の第２の枠部４２に孔部４３を設けたが、いずれか一方に設ける構成としてもよく、また、第１の枠部４１の２面の内のいずれか一方又は両方に設ける構成としてもよい。また第１および第２の枠部４１、４２の全ての面に孔部４３を設ける構成としてもよい。

以上のように、本実施の形態３の回転子１は、上記実施の形態１の構成に加えてカバー４の第２の枠部４２に孔部４３を設けているため、上記実施の形態１の効果に加え、カバー４内に発生する永久磁石３の磁化方向の磁束を打ち消そうとする渦電流の発生をさらに低減することができ、モータ特性をさらに向上させることができる。

１ 回転子、２ 回転子鉄心、３ 永久磁石、４ カバー、５ 永久磁石、
６ カバー、７ カバー、２２ 磁石挿入孔、２２Ａ 凹部、４２Ａ 第１の突起部、
４２Ｂ 第２の突起部、４３ 孔部、５０ 永久磁石、６０ カバー、７１Ａ 凸部。

Claims (7)

1. 複数枚の電磁鋼板を積層してなる回転子鉄心が、軸方向に貫通する複数の磁石挿入孔を有し、上記各磁石挿入孔に、永久磁石および上記永久磁石を磁力線と交わる２面を露出させて取り囲む非磁性体からなるカバーがそれぞれ挿入され、
   上記カバーの径方向の幅を上記永久磁石の径方向の幅より小さく設定し、上記永久磁石の径方向内側および径方向外側の２面が上記カバーから突出して露出するように構成された永久磁石埋込型モータの回転子。
2. 上記カバーの軸方向一方側の端部から突出して設けられ上記回転子鉄心の軸方向一方側の端面と当接する第１の突起部と、上記カバーの軸方向他方側の端部から突出して設けられ上記回転子鉄心の他方側の端面と当接する第２の突起部とを備えたことを特徴とする請求項１に記載の永久磁石埋込型モータの回転子。
3. 上記回転子鉄心の上記磁石挿入孔内壁に設けられた軸方向に延びる凹部と、上記カバーに設けられ上記凹部に圧入される軸方向に延びる凸部とを備えたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の永久磁石埋込型モータの回転子。
4. 上記カバーの少なくとも１面に孔部を設けたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の永久磁石埋込型モータの回転子。
5. 上記各永久磁石は断面略長方形状であ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項に記載の永久磁石埋込型モータの回転子。
6. 上記各永久磁石は断面略蒲鉾形状であ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項に記載の永久磁石埋込型モータの回転子。
7. 上記各永久磁石は断面略瓦形状であ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項に記載の永久磁石埋込型モータの回転子。

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