JP2007174899A

JP2007174899A - 永久磁石型モータ

Info

Publication number: JP2007174899A
Application number: JP2007073481A
Authority: JP
Inventors: Shoichi Hattori; 正一服部; Naohiro Makino; 直宏牧野
Original assignee: Nabtesco Corp
Current assignee: Nabtesco Corp
Priority date: 2007-03-20
Filing date: 2007-03-20
Publication date: 2007-07-05

Abstract

【課題】回転子鉄心内に開字状に永久磁石を配置した永久磁石型モータにおいて、回転子鉄心内に磁石挿入口が開いていることによって、回転子鉄心の剛性が弱く、強度を保つために外周リブ部の幅を大きめに持たせなければならなかった。そのため前記外周リブ部より磁束漏れを起こし十分なトルクを得ることができなかった。
【解決手段】開字の形状に形成した前記永久磁石を複数個に分割し、それぞれ開字の挿入個所に装着し、各永久磁石接触部分にリブを設け遠心力により隣り合う内周側永久磁石が外周側永久磁石を直接接触して押すことにより回転子最外周の連結部が破壊することを防ぐ。または、回転子外周部にリング状の非磁性体で開字状永久磁石と開字内の磁性体部分を覆うことにより、破壊に対して強くし、かつ磁束漏れを最低限に抑える。
【選択図】図１

Description

この発明は、永久磁石埋め込み回転子形モータに関するものである。

近年、様々なモータが開発されてきているが、エネルギー密度、効率の良さから永久磁石式モータの応用が盛んに行われている。さらに回転子に配置される永久磁石を鉄心内に埋め込む、埋込磁石型モータの開発が進んでいる。埋込磁石型モータは永久磁石を鉄心内に効果的に配置し、回転子内の磁気回路に突極性を持たせることでより高いトルクを実現するが、機械強度的な理由から外周リブ部への磁束漏洩が避けられないと考えられてきた。漏洩磁束を低減するために外周リブを薄くしなければならないが、一方高速回転を行うためには外周リブを厚くして機械強度を確保する必要がある。より高速、高トルクなモータを実現するには、上記の相反する性質が妨げとなっていた。

図８に従来の開コの字型回転子を示す。１は円筒状に形成された固定子鉄心で、その内側にスロット２が極数、相数などにより決められる数だけ打ち抜かれており、スロット２間にはコイル３が巻回されている。４は前記固定子鉄心１の内側に配置された円柱状の回転子鉄心で、軸方向に貫通する開コの字状の磁石挿入孔５が穿設されている。

６は前記回転子鉄心４の外周部に位置し、前記磁石挿入孔５の開コの字の内縁に挟まれた磁束保持部、７は前記磁石挿入孔５の開コの字の外縁に包囲されたヨーク部、８は隣接する前記磁石挿入孔５の間に挟まれ磁束保持部６とヨーク部７とを連結する連結部で、前記連結部８は強度上必要な幅を有しており、漏れ磁束が影響しない程度の幅に設定されている。

９は前記磁石挿入孔５に挿入された永久磁石で、磁石挿入孔５と相似形でかつ３分割された開コの字型に埋設され、１極分の磁極を構成している。そして、隣接する磁極の永久磁石９の極性は互いに逆極性に配置されている。１０は回転子軸挿入孔である。

従来の開字形回転子はこのように構成され、例えばコイル３が三相巻線であるとし、このコイル３に三相交流を流すと、コイル３に流れる電流と永久磁石９の磁束によって生じるトルク、即ち永久磁石界磁トルクと、コイル３に流れる電流によって生じる磁束が、磁気的に安定した位置に移動しようとするトルク、即ちリラクタンストルクが発生して回転子鉄心４が回転する。つまり、永久磁石９による磁束がモータの発生トルクに関係する構成になっている。
特開平０９−１８２３２９号公報特開２０００−１８８８３７号公報

このような従来の永久磁石型モータの開字形回転子では、分割された永久磁石９を埋設しているため、永久磁石に作用する遠心力と前記開字磁石で囲まれた磁束保持部６にかかる遠心力が回転子鉄心の連結部８に集中する。そのため、連結部８の径方向の幅は、強度を保つためにかなり大きめな幅を持っていなければならなかった。

したがって、連結部８の径方向の幅が大きめになっているため、この連結部８に生じる漏れ磁束が増加し、コイルに鎖交する磁束が減少して、モータの効率が低下するという問題が発生した。

このため、強度を犠牲にして開字の両外周部の磁石を長くして開字内の磁束を強くすると連結部８の径方向部分が破壊しない範囲内の遠心力を保つように回転数を６０００ＲＰＭ程度にしかできず、高速回転可能な埋込磁石型モータはできなかった。

この発明はこのような問題点を解消するためになされたもので、回転子鉄心に必要な強度を保持したまま、隣接する磁極部間の漏れ磁束を減少させるようにした永久磁石型モータを提供することを目的とする。

この発明に係る永久磁石型モータは、コイルが巻回された固定子鉄心の内側に、単一鋼体または鋼板が多数積層された回転子鉄心を配置し、この回転子鉄心にはその軸方向に開字状に穿設され、この開字の開口側が前記回転子鉄心の外周側に配置された磁石挿入孔を有し、この磁石挿入孔に前記開字の内側同士がそれぞれ同極となるように永久磁石が挿入されたモータにおいて、開字の形状に形成した前記永久磁石を複数個に分割し、それぞれ開字の挿入個所に装着し、各永久磁石接触部分にリブを設け遠心力により隣り合う内周側永久磁石が外周側永久磁石を直接接触して押すことにより回転子最外周の磁極連結部が破壊することを防ぐ効果がある。

また、このような構造にすることにより回転子外周の磁極連結部にかかる永久磁石からの力を小さくできることから回転子外周の磁極連結部の幅を狭くすることができる。これにより回転子外周の磁極連結部から開字外へ逃げる磁界を抑えることができ従来製品に比較して大きなトルクを得ることができる。他にも回転子外周の磁極連結部にかかる遠心力が小さくなったことから各磁石の大きさを大きくすることができることにより開字内の磁束密度を高くして大きなトルクを得る方法もある。

さらに従来回転子外周の磁極連結部が弱いため６０００ＲＰＭ程度の回転数しか得られなかった回転子が、前記リブ部を設けることにより前記磁極連結部にかかる永久磁石からの遠心力が弱まるため１００００回転以上の高速回転まで耐えることのできる埋込磁石型モータを作ることもできる。

また、回転子外周部を剛性の高いリング状の非磁性体で覆い回転子に開字形状の永久磁石を該剛性の高いリング状の非磁性体に密着するように装着する。この構成にすることにより回転子を構成する磁性体による磁界の漏れを抑えることができ開字内の磁束密度を高くすることができ大きなトルクを得ることができる。他にも回転子外周部にリング状の非磁性体で覆っていることから開字状永久磁石と開字内の磁性体部の遠心力に対しても回転子外周部のリング状の非磁性体は強くなり永久磁石のサイズを大きくすることにより開字内の磁束密度を高くしトルクを大きくする方法もある。

回転子外周部にリング状の非磁性体を配置することにより開字状永久磁石と開字内の磁性体部の遠心力による破壊に対し、強くすることができるため回転子を従来では使用できなかった回転数でも使用できる埋込磁石型モータが可能となる。

以上に述べたように、この発明の永久磁石型モータでは、コイルが巻回された円筒状の固定子鉄心の内側に、円柱状の回転子鉄心を配置し、この回転子鉄心にはその軸方向に磁束保持部を形成し、この磁束保持部が前記回転子鉄心の外周側に配置された永久磁石挿入孔を有し、この磁石挿入孔に前記磁束保持部に面した部分同士がそれぞれ同極となるように永久磁石が挿入されたモータにおいて、該挿入孔形状に複数の分割された永久磁石を挿入し分割部分にはリブ部を設けたことを特徴としている。また、外周部をリング状弾性体物質で覆い磁束保持部をこのリング状弾性体に接触させて配置したことを特徴としている。このような構成にすることにより磁束保持部の磁束密度を増加させ回転子で大きなトルクを得ることができ、さらに磁石等の遠心力を軽減できることから高回転領域で回転子を運転することも可能となるという大きな効果がある。

［実施の形態１］図１は、本発明における実施の形態１の永久磁石型モータを示す断面図、図２は図１の回転子鉄心横断面図である。図１において、固定子鉄心１０１の内部に回転子鉄心１０４が配置されさらに回転子鉄心の回転中心軸に回転子鉄心と共に回転するモータ出力軸１１５が軸受１１２を介して固定子鉄心に固定されている。図１、図２において、１０４は回転子鉄心で、単一鋼体または多数の打抜鋼板が積層されて円柱状に形成され、かつ複数の開コの字状の磁石挿入孔１０５を有し、この磁石挿入孔１０５に挿入される永久磁石１０９を備えている。１１１はリブ部で、永久磁石１０９及び磁束保持部１０６にかかる遠心力が外周連結部１０７に集中するのを防ぎ、さらに外周連結部１０７にかかる荷重は曲げ荷重であるのに対し、リブ部１１１は単純引っ張りに近いことから同程度の寸法配分でもより強い荷重に対抗することが出来る。したがってリブ部１１１を設けることで外周連結部１０７の幅Ｗ１を狭くしても破壊することはなくなる。一方、リブ部１１１を設けることで、外周連結部１０７と内側リブ部１１１の両方で磁束の漏洩が起こるが、前記のように内側リブ部１１１を設けることで外周連結部１０７の幅Ｗ１は飛躍的に狭く抑えることができ、結果的に外周連結部１０７だけによる場合よりも磁束の漏洩通路を低減することができる。総合的に機械的強度を保持したまま漏洩磁束を抑えることで磁束保持部１０６の磁束密度を大きくすることができ、回転子の回転トルクを上げることができる。更に前記回転子の外周連結部１０７にかかる永久磁石からの遠心力による力を軽減できたことから永久磁石１０９のサイズを大きくして磁束保持部１０６の磁束密度を大きくしトルクを大きくすることもできる。

また、外周連結部１０７にかかる永久磁石からの遠心力による力を軽減できたということは、従来の回転子の回転数に比較して、高速回転にしても従来と同じ信頼性を保って運転することができる。

［実施の形態２］リブ部を設ける他の形態として図３のようにＵ字型の永久磁石埋め込み型回転子にも適用できる。Ｕ字型永久磁石を図３のように２つに分割し回転子の磁石埋め込み溝２０５に挿入する。このようにリブ部２１１を設けて永久磁石を２分割することによって回転子連結部２０７に永久磁石２０９と磁束保持部２０６の遠心力による負荷が集中するのを防ぐ効果がある。これにより、実施の形態１と同じ効果を呈することができる。

［実施の形態３］また他の実施の形態として図４に示すようにＶ字型永久磁石埋め込み回転子がある。Ｖ字型永久磁石を図４のように２分割し、回転子の磁石埋め込み溝３０５に挿入する。このようにリブ部３１１を設けて永久磁石を２分割することによってＵ字型永久磁石を用いた回転子と同じように、回転子連結部３０７に永久磁石３０９と磁束保持部３０６の遠心力による負荷が集中するのを防ぐ効果がある。これにより、前記開コの字型永久磁石埋込回転子と実施の形態１と同じ効果を呈することができる。

以上実施の形態１，２，３の開コの字型、Ｖ字型、Ｕ字型の永久磁石の形状に限らず様々な形状の永久磁石型回転子の永久磁石を複数に分割し分割部分にリブを形成することにより同じ効果を得ることができる。

［実施の形態４］図５は、この発明の実施の形態４を示す永久磁石型回転子の断面図である。この回転子は鉄心部４０８、開コの字型磁石部４０５、開コの字内部の磁束保持部４０６をリング状の非磁性体４０７で覆われて構成されている。外周部を非磁性体４０７で覆い開コの字型磁石を図５に示すようにリング状の非磁性体４０７に接触するように配置することにより磁束保持部４０６内から磁束がもれることはほとんどなくなり大きな磁束密度を得ることができる。さらに外周部をリング状の非磁性体４０７で覆うことにより開コの字型永久磁石４０９と開コの字内部の磁束保持部４０６の遠心力による回転子の破壊に対して強くなる。従って大きな永久磁石を用いて４０６内の磁束密度を大きくしたり、更には従来では回転子が破壊してしまうような高速回転領域まで耐えることのできる埋込磁石型モータの製作を可能にできるという効果がある。

これらの効果は開コの字内部の磁束保持部４０６としてより大きな透磁率をもつ部品を用いることによりさらに大きな効果を得ることができる。

リング状の非磁性体４０７の材質として非磁性物質に限らず剛性の高い材質を選ぶことにより大きな磁石を用いて開コの字内部の磁束保持部４０６の磁束密度を大きくしたり、より高回転領域で埋込磁石型モータを運転したりすることができる。

［実施の形態５］また実施の形態４の開コの字形状の永久磁石の形状は図６に示すようにＵ字型にしても実施の形態４と同じ効果が得られる。鉄心部５０８、Ｕ字型磁石部５０５、Ｕ字内部の磁束保持部５０６をリング状の非磁性体５０７で覆って構成される。

［実施の形態６］さらに、実施の形態４の開コの字形状の永久磁石の形状を図７に示すようにＶ字型にしても実施の形態４と同じ効果が得られる。鉄心部６０８、Ｖ字型磁石部６０５、Ｖ字内部の磁束保持部６０６をリング状の非磁性体６０７で覆って構成される。

以上実施の形態４，５，６で示した開コの字、Ｕ字、Ｖ字形状の永久磁石の形状は、永久磁石とリング状の弾性体の間に磁束保持部が形成される構成の回転子全てに適応することができる。

この発明の実施の形態１の永久磁石型モータを示す回転子鉄心の断面図である。この発明の実施の形態１の永久磁石型モータを示す回転子鉄心の横断面図である。（開コの字型）この発明の実施の形態２の永久磁石型モータを示す回転子鉄心の横断面図である。（開Ｕの字型）この発明の実施の形態３の永久磁石型モータを示す回転子鉄心の横断面図である。（開Ｖの字型）この発明の実施の形態４の永久磁石型モータを示す回転子鉄心の横断面図である。（開コの字型）この発明の実施の形態５の永久磁石型モータを示す回転子鉄心の横断面図である。（開Ｕの字型）この発明の実施の形態６の永久磁石型モータを示す回転子鉄心の横断面図である。（開Ｖの字型）従来の永久磁石型モータを示した説明図である。

符号の説明

１固定子鉄心
２スロット
３コイル
４回転子鉄心
５磁石挿入孔
６磁束保持部
７ヨーク部
８連結部
９永久磁石
１０回転軸挿入孔
１１リブ部
１２軸受

Claims

コイルが巻回された固定子鉄心の内側に、単一鋼体または鋼板が多数積層された回転子を配置し、この回転子にはその軸方向に開字穿設されこの開字の開口側が前記回転子鉄心の外周側に配置された磁石挿入孔を有し、この磁石挿入孔に前記開字の内側同士がそれぞれ同極となるように永久磁石が挿入されたモータにおいて、前記開字型磁石を複数に分割し、該分割部分にリブを設けたことを特徴とする永久磁石型モータ。
コイルが巻回された固定子鉄心の内側に、単一鋼体または鋼板が多数積層された回転子を配置し、この回転子にはその軸方向に開字穿設されこの開字の開口側が前記回転子鉄心の外周側に配置された磁石挿入孔を有し、この磁石挿入孔に前記開字の内側同士がそれぞれ同極となるように永久磁石が挿入されたモータにおいて、前記回転子の外周部にスリーブを設け開字型磁石装着部を回転子から切り裂き、該開字型磁石の内側に磁束保持部を備えたことを特徴とする永久磁石型モータ。