JP6079132B2 - 磁石埋込型ロータ - Google Patents

Description

本発明は、磁石埋込型ロータに関する。

近年、ロータの内部に永久磁石を埋め込んだ構造からなるモータ（Ｉｎｔｅｒｉｏｒ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ Ｍｏｔｏｒ、ＩＰＭモータ）が知られている。このＩＰＭモータに用いられるロータとしては、特許文献１に記載のロータがある。

図８に示すように、特許文献１に記載のロータ６は、その軸方向に複数枚の電磁鋼板を積層した構造からなる円筒状のロータコア６０を備えている。ロータコア６０の外周側には、ブリッジ部６３を介して隔てられた一対の磁石挿入孔６１，６２が等角度間隔で複数形成されている。そして、複数対の磁石挿入孔６１，６２には一対の永久磁石７０，７１がそれぞれ挿入されている。

特開２００１−２８６１１０号公報

ところで、図８に示したロータコア６０のように、一対の磁石挿入孔６１，６２間にブリッジ部６３が存在する場合、一対の永久磁石７０，７１においてブリッジ部６３の近傍から発せられる磁束が、図中に矢印で示すようにロータコア６０の外周側、すなわちステータ側に向かわずにブリッジ部６３を通ってしまう。すなわち、ブリッジ部６３に漏れ磁束が生じるため、ロータコア６０の外周面における磁束密度が減少してしまう。これによりステータコイルと鎖交する有効磁束量が減少し、これがモータの高出力化を阻害する要因となっている。

本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、モータの出力トルクを高めることのできる磁石埋込型ロータを提供することにある。

上記課題を解決するために、ブリッジ部を介して隔てられた一対の磁石挿入孔が周方向に複数形成されるロータコアと、各磁石挿入孔に挿入される永久磁石と、を備え、複数対の磁石挿入孔にそれぞれ挿入される一対の永久磁石が前記ロータコアの外周部分に一磁極を形成する磁石埋込型ロータにおいて、前記ロータコアには、前記一対の永久磁石の間であって前記ブリッジ部よりも前記ロータコアの外周側に補助永久磁石が設けられ、前記補助永久磁石には、前記ロータコアの周方向の幅が前記ブリッジ部に向かって徐々に細くなるテーパ部が形成され、前記補助永久磁石の前記ロータコアの外周側の磁極を、前記補助永久磁石と対向する前記一対の永久磁石が前記ロータコアの外周側に形成する磁極と同一とするとともに、前記補助永久磁石の前記テーパ部の磁極を、前記補助永久磁石と対向する前記一対の永久磁石が前記ロータコアの外周側に形成する磁極と異なり、前記一対の永久磁石は、前記ブリッジ部を中心に前記ロータコアの外周側に向けて開くＶ字をなすように配置され、前記テーパ部は、そのテーパ角を「θ１」、前記一対の永久磁石が前記ロータコアの外周側でなす角を「θ２」とするとき、「θ１＜θ２」なる関係を満たすように形成することとした。

この構成によれば、一対の永久磁石においてブリッジ部の近傍から発せられる磁束は、補助永久磁石のテーパ部により吸収されるため、ブリッジ部を通る漏れ磁束を低減できる。そして補助永久磁石で吸収された磁束は補助永久磁石を介してロータコアの外周側に放射されるため、ロータコアの外周面における磁束密度が増加する。これによりステータコイルと鎖交する有効磁束量が増加するため、モータの出力トルクを高めることができる。また、一対の永久磁石においてブリッジ部側に位置する部分ほど補助永久磁石のテーパ部との距離が近くなるため、ブリッジ部を通る磁束を効果的に吸収できる。これにより漏れ磁束の低減効果を高めることができる。

上記磁石埋込型ロータについて、前記補助永久磁石がボンド磁石からなることが好ましい。
この構成によれば、補助永久磁石の製造の際に、その形状的な制約を受け難くなるため、上記のような形状からなる補助永久磁石を容易に製造できる。

この磁石埋込型ロータによれば、モータの出力トルクを高めることができる。

磁石埋込型ロータの一実施形態について同ロータを用いたＩＰＭモータの断面構造を示す断面図。 実施形態の磁石埋込型ロータの断面構造を示す断面図。 実施形態の磁石埋込型ロータについてその外周部分の断面構造を示す断面図。 図３の領域Ａの拡大断面構造を示す断面図。 磁石埋込型ロータの変形例についてその外周部分の断面構造を示す断面図。 磁石埋込型ロータの他の変形例についてその外周部分の断面構造を示す断面図。 磁石埋込型ロータの他の変形例についてその外周部分の断面構造を示す断面図。 従来の磁石埋込型ロータの断面構造を示す断面図。

以下、磁石埋込型ロータの一実施形態について説明する。はじめに、図１及び図２を参照して、本実施形態の磁石埋込型ロータを用いたＩＰＭモータの構造について説明する。
図１に示すように、このＩＰＭモータは、ハウジング１の内周面に固定された円筒状のステータ２、図示しない軸受けを介してハウジング１により回転可能に支持される出力軸３、及び出力軸３の外周面に一体的に取り付けられるロータ４を備えている。

ステータ２は、その軸方向に複数枚の電磁鋼板を積層した構造からなる。ステータ２の内周面には、径方向内側に向かって延びる１２個のティース２０が形成されている。各ティース２０にはステータコイル２１が巻回されている。

図２に示すように、ロータ４は、その軸方向に複数枚の電磁鋼板を積層した構造からなる円筒状のロータコア４０を備えている。ロータコア４０の外周側には、３つの永久磁石５０〜５２で一組をなす磁石群５が周方向に等角度間隔で１０組埋め込まれている。一組の磁石群５は、ロータコア４０の外周部分にＮ極及びＳ極のいずれか一方の磁極を形成する。これらＮ極を形成する磁石群５、及びＳ極を形成する磁石群５がロータコア４０の周方向に沿って交互に配置されることにより、ロータ４には１０極の磁極が形成される。

このように構成されたモータでは、図１に示すステータコイル２１に三相の電流が供給されると、ステータ２により回転磁界が形成される。この回転磁界に基づいてロータ４の各磁石群５が吸引されることによりロータ４にトルクが付与され、出力軸３が回転する。

次に、一組の磁石群５の構造について詳述する。
図３に示すように、ロータコア４０の外周側には、ブリッジ部４１を介して隔てられた一対の磁石挿入孔４２，４３が軸方向に貫通するように形成されるとともに、それらの間に磁石挿入孔４４が形成されている。そして一対の磁石挿入孔４２，４３に挿入される一対の永久磁石５０，５１、及び磁石挿入孔４４に挿入される補助永久磁石５２により一組の磁石群５が構成されている。

一対の永久磁石５０，５１は焼結磁石からなり、対応する一対の磁石挿入孔４２，４３に軸方向から挿入される。一対の永久磁石５０，５１は、ロータコア４０の軸方向（紙面に垂直な方向）に直交する断面形状が矩形状をなしている。一対の永久磁石５０，５１は、ブリッジ部４１を中心にロータコア４０の外周側に向けて開くＶ字をなすように配置されている。一組の磁石群５によりロータコア外周部分にＮ極を形成する場合、一対の永久磁石５０，５１は、図中に示すようにロータコア外周側がＮ極に着磁され、ロータコア内周側がＳ極に着磁されている。

補助永久磁石５２も焼結磁石からなり、対応する磁石挿入孔４４に軸方向から挿入される。補助永久磁石５２は、一対の永久磁石５０，５１の間であってブリッジ部４１よりもロータコア外周側に配置されている。図４に示すように、補助永久磁石５２は、ロータコア４０の軸方向に直交する断面形状が五角形状をなし、そのロータコア内周側の部分に、ロータコア周方向の幅がブリッジ部４１に向けて徐々に細くなるテーパ部５２ａを有している。テーパ部５２ａは、そのテーパ角を「θ１」、一対の永久磁石５０，５１がロータコア外周側でなす角を「θ２」とするとき、「θ１＜θ２」なる関係を満たすように形成されている。なお図中の一点鎖線は一対の永久磁石５０，５１のそれぞれの中心線を示している。一組の磁石群５によりロータコア４０の外周部分にＮ極を形成する場合、補助永久磁石５２は、図中に示すようにテーパ部５２ａがＳ極に着磁され、ロータコア外周側がＮ極に着磁されている。すなわち補助永久磁石５２のロータコア外周側の磁極は、補助永久磁石５２と対向する一対の永久磁石５０，５１がロータコア外周側に形成する磁極と同一の磁極となっている。また補助永久磁石５２のテーパ部５２ａの磁極は、補助永久磁石５２と対向する一対の永久磁石５０，５１がロータコア外周側に形成する磁極と異なる磁極となっている。

なお、ロータコア４０の外周部分にＳ極を形成する一組の磁石群５は、図３及び図４に例示した一対の永久磁石５０，５１及び補助永久磁石５２のそれぞれのＮ極及びＳ極をそれぞれ反転させた構成からなる。

ロータコア４０の磁石挿入孔４２，４３には、永久磁石５０，５１の短辺両側面の外側に、空隙Ｇ１，Ｇ２がそれぞれ形成されている。またロータコア４０の磁石挿入孔４２，４３には、永久磁石５０，５１のロータコア内周側の長辺側面の両端部外側に、空隙Ｇ３，Ｇ４がそれぞれ形成されている。さらにロータコア４０の磁石挿入孔４４には、補助永久磁石５２のロータコア周方向の両端部外側に、空隙Ｇ５が形成されている。これらの空隙Ｇ１〜Ｇ５は、ロータコア４０の外周面での磁束密度を増加させるために、一対の永久磁石５０，５１及び補助永久磁石５２における磁束の回り込みを防ぐ、いわゆるフラックスバリアとして機能する。

次に、本実施形態のロータ４の作用について説明する。
図３に示すように、一対の永久磁石５０，５１においてブリッジ部４１の近傍から発せられる磁束は、図中に矢印で示すように、補助永久磁石５２のテーパ部５２ａにより吸収されるため、ブリッジ部４１を通る漏れ磁束を低減できる。しかも本実施形態では、一対の永久磁石５０，５１においてブリッジ部４１側に位置する部分ほど補助永久磁石５２のテーパ部５２ａとの距離が近くなっている。ここで図４に示すように、テーパ部５２ａの一対の永久磁石５０，５１側の両側面のそれぞれの長さをＬ１とする。また、ロータコア４０の外周側から内周側に向けて補助永久磁石５２を一対の永久磁石５０，５１に投影させた場合、永久磁石５０，５１の長辺側面の補助永久磁石５２が投影される部分のそれぞれの長さをＬ２とする。すると、本実施形態では「θ１＜θ２」なる関係が満たされているため、長さＬ１が長さＬ２よりも長くなっている。これにより一対の永久磁石５０，５１の長さＬ２に対応する部分から発せられる磁束の大部分は、より表面積が大きいテーパ部５２ａの長さＬ１に対応する部分に吸収されるため、漏れ磁束の低減効果を高めることができる。そして図３に示すように、補助永久磁石５２で吸収された磁束は、そこからロータコア４０の外周側に放射されるため、ロータコア４０の外周面での磁束密度が増加する。その結果、モータの出力トルクを高めることができる。

またこのように、ブリッジ部４１に漏れ磁束が通り難い構造であれば、図４に示すブリッジ部４１のロータコア周方向の幅Ｈを厚くできるため、ロータコア４０の強度を確保できる。これにより、例えばロータ４の回転時にロータコア４０の磁石挿入孔４２，４３よりも外周側の部位に遠心力が加わった場合でも、そこが外側に広がるように変形し難くなる。

以上説明したように、本実施形態の磁石埋込型ロータによれば以下の効果が得られる。
（１）ロータコア４０には、一対の永久磁石５０，５１の間であってブリッジ部４１よりもロータコア外周側に補助永久磁石５２を設けた。そして補助永久磁石５２には、ロータコア周方向の幅がブリッジ部４１に向かって徐々に細くなるテーパ部５２ａを設けた。また補助永久磁石５２のロータコア外周側の磁極を、補助永久磁石５２と対向する一対の永久磁石５０，５１がロータコア外周側に形成する磁極と同一の磁極とした。また補助永久磁石５２のテーパ部５２ａの磁極を、補助永久磁石５２と対向する一対の永久磁石５０，５１がロータコア外周側に形成する磁極と異なる磁極とした。これによりロータコア４０の外周面での磁束密度が増加するため、モータの出力トルクを高めることができる。また、モータを小型化することもできる。

（２）補助永久磁石５２のテーパ部５２ａを、そのテーパ角を「θ１」、一対の永久磁石５０，５１がロータコア外周側でなす角を「θ２」とするとき、「θ１＜θ２」なる関係を満たすように形成することとした。これによりブリッジ部４１を通る磁束を効果的に吸収できるため、漏れ磁束の低減効果を高めることができ、ひいてはモータの出力トルクを更に高めることができる。

なお、上記実施形態は、これを適宜変更した以下の形態にて実施することもできる。
・上記実施形態では、補助永久磁石５２のロータコア４０の軸方向に直交する断面形状を五角形状に形成したが、これに代えて、例えば図５に示すような三角形状や、図６に示すようなＶ字状に形成してもよい。補助永久磁石５２が図５及び図６に示すような形状からなる場合でも、ブリッジ部４１を通る漏れ磁束を低減できるため、その分だけステータコイル２１と鎖交する有効磁束量が増加し、モータの出力トルクを高めることができる。要は、補助永久磁石５２に、ロータコア４０の周方向の幅がブリッジ部に向かって徐々に細くなるテーパ部５２ａが形成されていればよい。

・図７に示すように、テーパ部５２ａのテーパ角θ１を、一対の永久磁石５０，５１がロータコア外周側でなす角θ２よりも大きく設定してもよい。補助永久磁石５２が図７に示すような形状からなる場合でも、ブリッジ部４１を通る漏れ磁束を低減できるため、モータの出力トルクを高めることは可能である。

・ロータコア４０の磁石挿入孔４２〜４４にそれぞれ形成された空隙Ｇ１〜Ｇ５の形状は適宜変更可能である。またロータコア４０の磁石挿入孔４２〜４４に空隙Ｇ１〜Ｇ５を設けなくてもよい。

・上記実施形態では、一対の永久磁石５０，５１及び補助永久磁石５２のそれぞれの材質として焼結磁石を採用したが、例えばボンド磁石などを採用してもよい。これにより形状的な制約を受け難くなるため、特に上記のような形状からなる補助永久磁石５２を容易に製造できる。また、例えば一対の磁石挿入孔４２，４３に射出成形でボンド磁石を埋め込む際に、その射出圧力によりロータコア４０の磁石挿入孔４２，４３よりも外側の部位に応力が加わったとしても、ブリッジ部４１により外側への変形が抑制される。

・上記実施形態では、一対の永久磁石５０，５１をブリッジ部４１を中心にＶ字状をなすように配置したが、これに代えて、例えばブリッジ部４１を中心にＵ字状をなすように配置してもよい。要は、ブリッジ部を介して隔てられた一対の磁石挿入孔が周方向に複数形成されたロータコアと、各磁石挿入孔に挿入される永久磁石とを備えるロータコアであれば、本発明を適用可能である。

４…磁石埋込型ロータ、４０…ロータコア、４１…ブリッジ部、４２，４３…磁石挿入孔、５０，５１…永久磁石、５２…補助永久磁石、５２ａ…テーパ部、６０…ロータコア。

Claims (2)

1. ブリッジ部を介して隔てられた一対の磁石挿入孔が周方向に複数形成されるロータコアと、
   各磁石挿入孔に挿入される永久磁石と、を備え、
   複数対の磁石挿入孔にそれぞれ挿入される一対の永久磁石が前記ロータコアの外周部分に一磁極を形成する磁石埋込型ロータにおいて、
   前記ロータコアには、前記一対の永久磁石の間であって前記ブリッジ部よりも前記ロータコアの外周側に補助永久磁石が設けられ、
   前記補助永久磁石には、前記ロータコアの周方向の幅が前記ブリッジ部に向かって徐々に細くなるテーパ部が形成され、
   前記補助永久磁石の前記ロータコアの外周側の磁極は、前記補助永久磁石と対向する前記一対の永久磁石が前記ロータコアの外周側に形成する磁極と同一であるとともに、前記補助永久磁石の前記テーパ部の磁極は、前記補助永久磁石と対向する前記一対の永久磁石が前記ロータコアの外周側に形成する磁極と異なり、
   前記一対の永久磁石は、前記ブリッジ部を中心に前記ロータコアの外周側に向けて開くＶ字をなすように配置され、
   前記テーパ部は、そのテーパ角を「θ１」、前記一対の永久磁石が前記ロータコアの外周側でなす角を「θ２」とするとき、次式
   θ１＜θ２
   なる関係を満たすように形成されることを特徴とする磁石埋込型ロータ。
2. 請求項１に記載の磁石埋込型ロータにおいて、
   前記補助永久磁石がボンド磁石からなることを特徴とする磁石埋込型ロータ。