JP2008131853A - 磁石埋込型ロータ及び磁石埋込型ロータの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】モータの特性向上、低騒音化、並びに強度を保つことができる磁石埋込型ロータを提供することを目的とする。
【解決手段】内部に永久磁石８を有する磁石埋込型ロータ１において、外周に永久磁石８を装着する永久磁石装着部を有し、永久磁石８の磁路となる第１のコア６と、永久磁石装着部に装着される永久磁石８と、第１のコア６及び永久磁石８の外側に設けられ、比透磁率が第１のコア６の比透磁率より小さく、永久磁石８に対向する外周鉄心部７ａと、永久磁石８同士の間の磁極間鉄心部７ｂとを構成する第２のコア７とを備えたことを特徴とする。
【選択図】図２

Description

この発明は、ＤＣブラシレスモータ等に使用される磁石埋込型ロータ及びその製造方法に関する。

電機子反作用磁束を軽減すると共に、外周部鉄心の磁束分布を改善することにより、騒音や振動の少ない高効率な永久磁石電動機を提供するために、回転子鉄心中にその軸心を中心とする略正多角形の各辺に対応する部位に形成された永久磁石収容孔と、この永久磁石収容孔にそれぞれ挿入された永久磁石と、永久磁石収容孔の外周部鉄心に形成され、径方向に細長く、かつ、永久磁石収容孔に沿って離隔配置された４個以上のスリット孔とを備え、スリット孔の径方向外側端のピッチを略等しくし、径方向内側端のピッチを永久磁石の中央部を大きくし、中央部から端部に離れるに従って小さくした永久磁石電動機が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００５−９４９６８号公報

しかしながら、前記特許文献１に記載された永久磁石電動機は、以下に示す課題があった。
（１）永久磁石収容孔の外周部鉄心に、複数のスリットを設けることにより、永久磁石収容孔に挿入された永久磁石によって作られる磁束が途中で短絡するのを防ぎ、磁束が流れやすい方向と流れにくい方向を作るためであり、永久磁石の特性を十分生かしたトルクを得ることができるが、複数のスリットが設けられることにより、ロータの強度を犠牲にしている場合があった。
（２）電磁鋼板部の磁気抵抗と、スリット部（＝空気）の磁気抵抗との差が非常に大きいため、磁束の流れが一定方向に集中しすぎるため、磁束流れのアンバランスが生じ、コギングトルクやトルクリプルの発生要因となっていた。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、モータの特性向上、低騒音化、並びに強度を保つことができる磁石埋込型ロータ及びその製造方法を提供することを目的とする。

この発明に係る磁石埋込型ロータは、内部に永久磁石を有する磁石埋込型ロータにおいて、外周に永久磁石を装着する永久磁石装着部を有し、永久磁石の磁路となる第１のコアと、永久磁石装着部に装着される永久磁石と、第１のコア及び永久磁石の外側に設けられ、比透磁率が第１のコアの比透磁率より小さく、永久磁石に対向する外周鉄心部と、永久磁石同士の間の磁極間鉄心部とを構成する第２のコアとを備えたことを特徴とする。

この発明に係る磁石埋込型ロータは、上記構成により、強度の確保、低振動・低騒音化、高効率、低価格化などの効果を奏する。

実施の形態１．
図１乃至図１２は実施の形態１を示す図で、図１はモータ１００の断面図、図２は磁石埋込型ロータ１の断面図、図３は磁石埋込型ロータ１を第１のコア６のみで構成した場合の磁束の流れを示す図、図４は図３の要部拡大図、図５は磁石埋込型ロータ１を第１のコア６と第２のコア７とで構成した場合の磁束の流れを示す図、図６は磁界解析により算出したモータ１００のトルクを示す図、図７は第１のコア６の平面図、図８は磁石埋込型ロータ１の変形例を示す断面図、図９は第１のコア６の変形例の平面図、図１０は磁石埋込型ロータ１の変形例を示す断面図、図１１は磁石埋込型ロータ１の変形例を示す断面図、図１２は磁石埋込型ロータ１の変形例を示す断面図である。

図１のモータ１００は、ＤＣブラシレスモータである。このモータ１００の用途は、例えば、送風機である。モータ１００は、中心に軸１２が嵌合した磁石埋込型ロータ１と、ステータ２と、フレーム３と、図示しない軸受、ブラケット等を備える。ステータ２は、所定の形状に打ち抜かれた電磁鋼板（板厚０．３５〜０．５ｍｍ）を所定枚数積層し、かしめ等により形成される。ステータ２は、外形が略リング状で、外周部が環状のコアバック２ｃで構成される。環状のコアバック２ｃから内側に向かって、６個のティース２ａが放射状に延びている。ティース２ａ同士の間には内周側に開口部５を有するスロット２ｂがあり、スロット２ｂの個数は、ティース２ａと同数の６個である。各ティース２ａには、両側のスロット２ｂの空間を利用して、コイル４が、例えば、集中巻方式により巻線される。集中巻方式以外に、分布巻方式もある。コイル４は、通常三相巻線が施される。

ステータ２の内側に、空隙１１を介して、磁石埋込型ロータ１が挿入される。磁石埋込型ロータ１は、外周部の近傍に周方向に、ここでは４個の永久磁石８が設けられる。従って、モータ１００の極数は、４極である。但し、これは一例であり、４極に限定されるものではない。磁石埋込型ロータ１の中心に軸１２が嵌合される。軸１２には、図示しない軸受（一般的には、ボールベアリング）が装着される。

ステータ２の外周に、例えば、金属製のフレーム３が嵌合する。さらに、フレーム３の両端に図示しないブラケットが取り付けられて、モータ１００が完成する。

本実施の形態は、磁石埋込型ロータ１の構造に特徴がある。図２により、磁石埋込型ロータ１の構造を説明する。図２に示す磁石埋込型ロータ１は、コアが永久磁石８の主磁束が通る、略十字状の第１のコア６と、この第１のコア６の外側に設けられ、外周鉄心部７ａ及び磁極間鉄心部７ｂとからなり、磁石埋込型ロータ１の外周部を形成する第２のコア７とに分割される。

第１のコア６は、例えば、板厚０．３５〜０．５ｍｍの電磁鋼板を積層したもので、比透磁率が大きい（数千程度）。一方、第２のコア７には、比透磁率が小さい（数十乃至百程度）材料を使用する。例えば、軟質磁性粉末（例えば、鉄粉）に樹脂（熱可塑性樹脂、例えばナイロン）を混練した材料である。

略十字状の第１のコア６は、図４に示すような形状である。外周の４箇所に永久磁石８を装着する平面形状の永久磁石装着部６ｆがあり、永久磁石装着部６ｆの両端に軸方向に延びる永久磁石位置決め突起６ｄが形成されている。さらに、中心部に軸孔６ｂが穿設されている。また、磁極間は永久磁石８からの主磁束の流れに沿うような内側に凹む円弧形状となっている。これにより、軟質磁性粉末に樹脂を混練した材料による射出成形時に、金型内での混練材料の流れが良くなる。

第１のコア６の永久磁石装着部６ｆに、４個の永久磁石８が装着される。この場合、永久磁石８が着磁されていると、第１のコア６の永久磁石装着部６ｆへの装着が容易に行える。図２中、矢印は永久磁石８が作り出す磁束を示し、この磁束が第１のコア６を図に示すように滑らかに通る。

第２のコア７は、永久磁石８に対向する外周鉄心部７ａに、複数のスリット１０が形成されている。スリット１０内には、スリット１０を形成するためのスリット形成部品１０ａがあり、スリット形成部品１０ａは非磁性であれば何でもよいが、例えば、ＡＢＳ樹脂を用いる。スリット１０は空洞ではなく、非磁性材料が挿入されている。１極当たりのスリット１０の数は、特に制限はないが、スリット１０の部分と、それ以外の部分が、断面で半々程度の面積であればよい。

磁石埋込型ロータ１を製作する工程は、例えば、次のような工程となる。
（１）先ず、所定の形状に打ち抜いた電磁鋼板を所定枚数積層して、略十字状の第１のコア６を作る。
（２）第１のコア６の永久磁石装着部６ｆに装着する永久磁石８を用意する。このとき、永久磁石８を着磁しておくと便利である。
（３）射出成形用の軟質磁性粉末に樹脂を混練した材料より融点の高い非磁性材料（例えば、ＡＢＳ樹脂）を用いるスリット形成部品１０ａがセットされた樹脂成形用金型に、第１のコア６を配置し、永久磁石８を第１のコア６の永久磁石装着部６ｆに、例えば、磁力を利用して装着する。
（４）軟質磁性粉末に樹脂を混練した材料を射出して成形する。
このようにして、外周部が比透磁率の小さい第２のコア７で、その内側に比透磁率の大きい第１のコア６が配置される磁石埋込型ロータ１が完成する。尚、樹脂成形用金型にセットされたスリット形成部品１０ａは、磁石埋込型ロータ１を金型から取り出す際にスリット１０内に残る。そのため、スリット形成部品１０ａには、非磁性の材料を用いる必要がある。

図２に示す磁石埋込型ロータ１では、永久磁石８が作り出す主磁束は、主に比透磁率が大きい第１のコア６を図中矢印で示すように通る。磁石埋込型ロータ１のコアの全体が電磁鋼板の場合は、永久磁石８の端部等で磁束の漏れが発生する。そのため、主磁束が減少してモータ特性が低下する場合がある。

また、磁石埋込型ロータ１のコアの全体が電磁鋼板で、スリット１０を設けただけでは、極間部の磁気アンバランスが大きくなるため、コギングトルクやトルクリプルが大きくなり、振動・騒音の要因となる。

従って、図２に示すように、磁極間の第２のコア７に、第１のコア６より磁気特性の低い（透磁率の小さい）材料（例えば、軟質磁性粉末に樹脂を混練した材料）を用い、且つ外周鉄心部７ａに複数のスリット１０を形成することにより、永久磁石８端部への磁束の漏れを抑制し、且つ磁束のアンバランスを解消することができる。

ここで、磁石埋込型ロータ１を第１のコア６のみで構成した場合と、本実施の形態のように磁石埋込型ロータ１を第１のコア６と、第２のコア７とで構成した場合との磁束の流れを比較する。

図３は磁石埋込型ロータ１を第１のコア６のみで構成した場合の磁束の流れを示す図で、図に示すように、永久磁石８の両端部で磁束が短絡している（図４の拡大図も参照）。そのため永久磁石８の極から極へ向かう主磁束が不十分である。

図５は磁石埋込型ロータ１を第１のコア６と第２のコア７とで構成した場合の磁束の流れを示す図で、この構成であれば、永久磁石８の両端部における磁束の短絡が抑制され、永久磁石８の極から極へ向かう主磁束を十分に流すことができる。

図６は、本実施の形態の磁石埋込型ロータ１を用いたモータ１００の磁界解析によりトルクを算出した結果を示す。比較のため、磁石埋込型ロータ１のコアの全体が電磁鋼板で構成され、外周鉄心部にスリット１０を有する従来例のトルクを併記する。図６に示すように、本実施の形態のモータ１００は、従来例のものより、トルクが大幅に大きくなり、且つトルクリップルも小さくなっている。これは、磁極間を比透磁率が小さい第２のコア７の磁極間鉄心部７ｂで構成し、且つ外周鉄心部７ａに複数のスリット１０を設けることにより、永久磁石８の磁束漏れが抑制され、且つ空隙の磁束密度波形が正弦波に近い波形になるためである。

図８は磁石埋込型ロータ１の変形例を示す断面図、図９は第１のコア６の変形例の平面図である。図２の磁石埋込型ロータ１では、第１のコア６の極間部の形状を円弧にしたが、図８、図９に示すように、Ｖ字形状にしてもよい。

図１０は磁石埋込型ロータ１の変形例を示す断面図である。図１０のように、第２のコア７の外周鉄心部７ａに形成するスリット１０を、極中心に向かって斜めに傾斜するようにしてもよい。これにより、極中心に磁束が集中し、トルク特性が向上する。

図１１は磁石埋込型ロータ１の変形例を示す断面図である。図１１のように、第２のコア７の外周鉄心部７ａに形成されるスリット１０の中の、外周鉄心部７ａの周方向端部に位置する端部スリット１０ｂを大きくすることにより、永久磁石８端部での磁束の短絡を抑制することができる。

図１２は磁石埋込型ロータ１の変形例を示す断面図である。図１２のように、第２のコア７の外周が円筒形状ではなく、磁極間鉄心部７ｂが内側に凹み、磁極間が空間になるようしてもよい。これにより、磁極間を通る磁束がさらに少なくなり、トルク特性を改善することができる。

実施の形態２．
図１３、図１４は実施の形態２を示す図で、図１３は磁石埋込型ロータ１の断面図、図１４は第１のコア６の一例を示す平面図である。
本実施の形態では、磁極間を第２のコア７で形成し、その他の部分は第１のコア６で形成する。すなわち、第１のコア６は、所定の形状に打ち抜かれた電磁鋼板を所定枚数積層して構成される。各電磁鋼板は、略十字形状で、外周鉄心部６ａに複数のスリット１０を有し、その内側に永久磁石挿入孔９が形成される。スリット１０は空洞である。永久磁石挿入孔９の周方向両端部は、主磁束が通る磁路の部分と外周鉄心部６ａとが薄肉部６ｃで繋がれる。第１のコア６の中心には、軸孔６ｂが形成される。このように第１のコア６を構成することにより、スリット１０、永久磁石挿入孔９等を有するコアを一体に形成できる。

図１４に示す第１のコア６を用いて、磁極間を軟質磁性粉末に樹脂を混練した材料を用いて第２のコア７を樹脂成形すると図１３に示す磁石埋込型ロータ１が得られる。第１のコア６をこのように構成すると、予め永久磁石８の挿入位置が決められる。また、樹脂成形金型が簡単な構成になる。

図１３に示す磁石埋込型ロータ１の製造工程を以下に示す。
（１）先ず、外周鉄心部６ａに複数のスリット１０を有し、且つその内側に永久磁石挿入孔９を有するように打ち抜いた電磁鋼板を所定枚数積層して、略十字状の第１のコア６を作る。
（２）第１のコア６の永久磁石挿入孔９に挿入する永久磁石８を用意する。このとき、永久磁石８の着磁は不要である。
（３）樹脂成形用金型に、第１のコア６を配置し、永久磁石８を第１のコア６の永久磁石挿入孔９に、挿入する。
（４）軟質磁性粉末に樹脂を混練した材料を射出して成形する。

このように、図１４に示す第１のコア６を使用することにより、樹脂成形用金型にスリット形成部品１０ａをセットする必要がなく、樹脂成形用金型が簡単になる。また、第１のコア６に永久磁石挿入孔９が形成されているので、永久磁石８の着磁が不要で、永久磁石８の位置決めも容易である。

実施の形態１を示す図で、モータ１００の断面図。 実施の形態１を示す図で、磁石埋込型ロータ１の断面図。 実施の形態１を示す図で、磁石埋込型ロータ１を第１のコア６のみで構成した場合の磁束の流れを示す図。 実施の形態１を示す図で、図３の要部拡大図。 実施の形態１を示す図で、磁石埋込型ロータ１を第１のコア６と第２のコア７とで構成した場合の磁束の流れを示す図。 実施の形態１を示す図で、磁界解析により算出したモータ１００のトルクを示す図。 実施の形態１を示す図で、第１のコア６の平面図。 実施の形態１を示す図で、磁石埋込型ロータ１の変形例を示す断面図。 実施の形態１を示す図で、第１のコア６の変形例の平面図。 実施の形態１を示す図で、磁石埋込型ロータ１の変形例を示す断面図。 実施の形態１を示す図で、磁石埋込型ロータ１の変形例を示す断面図。 実施の形態１を示す図で、磁石埋込型ロータ１の変形例を示す断面図である。 実施の形態２を示す図で、磁石埋込型ロータ１の断面図。 実施の形態２を示す図で、第１のコア６の一例を示す平面図。

符号の説明

１ 磁石埋込型ロータ、２ ステータ、２ａ ティース、２ｂ スロット、２ｃ コアバック、３ フレーム、４ コイル、５ 開口部、６ 第１のコア、６ａ 外周鉄心部、６ｂ 軸孔、６ｃ 薄肉部、６ｄ 永久磁石位置決め突起、６ｆ 永久磁石装着部、７ 第２のコア、７ａ 外周鉄心部、７ｂ 磁極間鉄心部、８ 永久磁石、９ 永久磁石挿入孔、１０ スリット、１０ａ スリット形成部品、１１ 空隙、１２ 軸、１００ モータ。

Claims (14)

1. 内部に永久磁石を有する磁石埋込型ロータにおいて、
   外周に永久磁石を装着する永久磁石装着部を有し、前記永久磁石の磁路となる第１のコアと、
   前記永久磁石装着部に装着される永久磁石と、
   前記第１のコア及び前記永久磁石の外側に設けられ、比透磁率が前記第１のコアの比透磁率より小さく、前記永久磁石に対向する外周鉄心部と、前記永久磁石同士の間の磁極間鉄心部とを構成する第２のコアとを備えたことを特徴とする磁石埋込型ロータ。
2. 前記第２のコアは、前記外周鉄心部に複数のスリットを有することを特徴とする請求項１記載の磁石埋込型ロータ。
3. 前記永久磁石装着部は、両端に永久磁石位置決め突起を備えたことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の磁石埋込型ロータ。
4. 前記第１のコアの前記永久磁石装着部同士の間の磁極間部分を、内側に凹む円弧形状としたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の磁石埋込型ロータ。
5. 前記第１のコアの前記永久磁石装着部同士の間の磁極間部分を、内側に凹むＶ字形状としたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の磁石埋込型ロータ。
6. 前記第２のコアの前記外周鉄心部に設けられるスリットを、極中心に向かって斜めに傾斜させたことを特徴とする請求項２乃至５のいずれかに記載の磁石埋込型ロータ。
7. 前記第２のコアの前記外周鉄心部に設けられるスリットの中、前記外周鉄心部の周方向端部に位置する端部スリットを他のスリットより大きくしたことを特徴とする請求項２乃至６のいずれかに記載の磁石埋込型ロータ。
8. 内部に永久磁石を有する磁石埋込型ロータの製造方法において、
   所定の形状に打ち抜いた電磁鋼板を所定枚数積層して永久磁石装着部を有する第１のコアを形成し、
   前記第１のコアの前記永久磁石装着部に装着する永久磁石を形成し、
   樹脂成形用金型に、前記第１のコアを配置し、前記永久磁石を前記第１のコアの前記永久磁石装着部に装着し、
   前記樹脂成形用金型に、軟質磁性粉末に樹脂を混練した材料を射出して、第２のコアを前記第１のコアと一体成形することを特徴とする磁石埋込型ロータの製造方法。
9. 前記樹脂成形用金型に、射出成形用の軟質磁性粉末に樹脂を混練した材料より融点の高い非磁性材料を用いるスリット形成部品がセットされた状態で、前記混練材料を射出することを特徴とする請求項８記載の磁石埋込型ロータの製造方法。
10. 前記第１のコアの前記永久磁石装着部に装着する永久磁石は、予め着磁しておくことを特徴とする請求項８又は請求項９記載の磁石埋込型ロータの製造方法。
11. 内部に永久磁石を有する磁石埋込型ロータにおいて、
    外周鉄心部と、この外周鉄心部の内側に永久磁石を挿入する永久磁石挿入孔とを有し、前記永久磁石の磁路となる第１のコアと、
    前記永久磁石挿入孔に挿入される永久磁石と、
    前記第１のコアの磁極間に形成され、比透磁率が前記第１のコアの比透磁率より小さい第２のコアとを備えたことを特徴とする磁石埋込型ロータ。
12. 前記第１のコアは、前記外周鉄心部に複数のスリットを有することを特徴とする請求項１１記載の磁石埋込型ロータ。
13. 前記第１のコアは電磁鋼板を積層して形成され、前記第２のコアは軟質磁性粉末に樹脂を混練した材料を射出成形して形成されることを特徴とする請求項１又は請求項１１記載の磁石埋込型ロータ。
14. 内部に永久磁石を有する磁石埋込型ロータの製造方法において、
    所定の形状に打ち抜いた電磁鋼板を所定枚数積層して永久磁石挿入孔を有する第１のコアを形成し、
    前記第１のコアの前記永久磁石挿入孔に挿入する永久磁石を形成し、
    樹脂成形用金型に、前記第１のコアを配置し、前記永久磁石を前記第１のコアの前記永久磁石挿入孔に挿入し、
    前記樹脂成形用金型に、軟質磁性粉末に樹脂を混練した材料を射出して、第２のコアを前記第１のコアと一体成形することを特徴とする磁石埋込型ロータの製造方法。

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