JP6068048B2 - ロータ及びモータ - Google Patents

Description

本発明は、マグネット界磁のランデル型ロータ及びモータに関する。

従来、モータの一種として、図１１に示すようなマグネット界磁のランデル型ロータ８１を有するモータが周知である（例えば特許文献１，２等参照）。この型のモータのロータ８１は、周方向に複数の爪状磁極８２ａ，８３ａを有する鉄製の一対の回転子鉄心８２，８３と、回転子鉄心８２，８３の間に配置された円板磁石８４とを備える。そして、円板磁石８４の磁界によって各爪状磁極８２ａ，８３ａが周方向において交互に異なる磁極を生成することにより、いわゆるマグネット界磁のランデル型ロータとして機能する。

実開平５−４３７４９号公報 特開２０１２−１１５０８５号公報

ところで、この型のモータにおいては、隣同士の爪状磁極８２ａ，８３ａの間にどうしても隙間ができてしまい、この隙間から磁束が漏れてしまう現状があった。この漏れ磁束が増加すると、モータの出力が低下する要因にもなるので、何らかの対策が必要であるが、部品点数が増加しない構造としたい要望があった。

ちなみに、特許文献１に開示のモータのロータは、爪状磁極の背面に補助磁石（背面磁石）を設け、特許文献２に開示のモータのロータは、周方向隣接の爪状磁極間に補助磁石（極間磁石）を設けて、それぞれ漏れ磁束低減が図られている。これら各補助磁石を用いるのにあたり、部品点数の増加が懸念されるところである。

本発明の目的は、第１回転子鉄心及び第２回転子鉄心の間の隙間から磁束が漏れ難い構造を、部品点数を少なく抑えて実現することができるロータ及びモータを提供することにある。

前記問題点を解決するために、本発明では、周方向に複数の爪状磁極を持つ第１回転子鉄心及び第２回転子鉄心が設けられ、これらの一方の爪状磁極が他方の爪状磁極間の切欠部に入り込む組み付け状態をとり、これら第１回転子鉄心及び第２回転子鉄心の間に配置された永久磁石の磁界によって、複数の前記爪状磁極が周方向において交互にＮ極／Ｓ極となるロータにおいて、前記永久磁石は、前記第１回転子鉄心と第２回転子鉄心との軸方向における隙間に配置された磁石本体部と、前記第１回転子鉄心の爪状磁極と前記第２回転子鉄心の爪状磁極との間において周方向に生じる隙間に配置された極間磁石部と、それぞれの前記爪状磁極の背面に生じる隙間に配置された背面磁石部とがそれぞれ相互間で一体形成された一体型永久磁石であり、前記磁石本体部の軸方向端面は、前記背面磁石部の軸方向端面と連続した同一平面上となることを要旨とする。

本発明の構成によれば、第１回転子鉄心及び第２回転子鉄心に各々磁極を持たせる永久磁石を、これらの軸方向にできる隙間を埋める磁石本体部と、爪状磁極間に周方向にできる隙間を埋める極間磁石部と、各爪状磁極の背面にできる隙間を埋める背面磁石部とを一体に有する一体型永久磁石とした。このため、第１回転子鉄心と第２回転子鉄心との間の隙間から磁束を漏れ難くする構造を、少ない部品点数で実現することが可能となる。また、部品の組付工数を少なく抑えることにも繋がり、ひいては部品の組付コストの低減に効果が高くなる。さらに、一体型永久磁石はそれなりの体格を有する１部品となるので、ロータ遠心力による飛散も生じ難くすることが可能となる。

本発明では、前記磁石本体部は、前記軸方向に磁化され、前記極間磁石部は、前記周方向に磁化され、前記背面磁石部は、径方向に磁化されていることを要旨とする。この構成によれば、磁石本体部、極間磁石部及び背面磁石部の各磁気モーメントを、それぞれ最適な方向に磁化するので、第１回転子鉄心及び第２回転子鉄心に、それぞれ磁束の強いＮ極／Ｓ極を持たせることが可能となる。

本発明では、前記一体型永久磁石は、焼結磁石又はボンド磁石であることを要旨とする。この構成によれば、一体型永久磁石を圧縮成形や射出成形のどちらでも製造することが可能となるので、製造方法が１通りに限定されてしまうことがない。

本発明では、前記一体型永久磁石は、フェライト磁石、サマリウム鉄窒素系磁石、サマリウムコバルト系磁石、ネオジム磁石又はアルニコ磁石であることを要旨とする。この構成によれば、これら汎用的な材料によっても一体型永久磁石を製造することも可能である。

本発明では、前記第１回転子鉄心又は前記第２回転子鉄心に磁石材料をインサート成形することにより、前記一体型永久磁石が形成されていることを要旨とする。この構成によれば、一体型永久磁石をインサート成形によって回転子鉄心に直接形成するので、回転子鉄心と磁石との間に接着層や機械的エアギャップが発生しない。このため、ロータのパーミアンスが向上し、ロータのトルクを確保することが可能となる。

本発明では、前記永久磁石は、前記背面磁石部から隣接の前記極間磁石部における爪状磁極より内側の部分を経由して磁極の異なる前記背面磁石部に向けて磁束が湾曲して流れる極異方配向としたことを要旨とする。この構成によれば、極間磁石部及び背面磁石部をそれぞれ最適な方向の成分を有するように磁化でき、しかも背面磁石部の外側面側から一括して着磁を行うことも可能である。

本発明では、周方向に複数の爪状磁極を持つ第１回転子鉄心及び第２回転子鉄心が設けられ、これらの一方の爪状磁極が他方の爪状磁極間の切欠部に入り込む組み付け状態をとり、これら第１回転子鉄心及び第２回転子鉄心の間に配置された永久磁石の磁界によって、複数の前記爪状磁極が周方向において交互にＮ極／Ｓ極を形成するロータと、当該ロータを回転可能に支持するステータとを備えたモータにおいて、前記永久磁石は、前記第１回転子鉄心と第２回転子鉄心との軸方向における隙間に配置された磁石本体部と、前記第１回転子鉄心の爪状磁極と前記第２回転子鉄心の爪状磁極との間において周方向に生じる隙間に配置された極間磁石部と、それぞれの前記爪状磁極の背面に生じる隙間に配置された背面磁石部とがそれぞれ相互間で一体形成された一体型永久磁石であり、前記磁石本体部の軸方向端面は、前記背面磁石部の軸方向端面と連続した同一平面上となることを要旨とする。

本発明によれば、第１回転子鉄心及び第２回転子鉄心の間の隙間から磁束が漏れ難い構造を、部品点数を少なく抑えて実現することができる。

一実施形態のモータの構成図。 ロータの部品構成を示す分解斜視図。 ロータの外観を示す斜視図。 ロータに発生する磁界を説明する図３のII−II線断面図。 別例の一体型永久磁石の構成を示す斜視図。 （ａ）（ｂ）は、一体型永久磁石の着磁方法を説明する説明図。 別例のロータの部品構成を示す分解斜視図。 ロータに発生する磁界を説明する断面図。 他の別例のロータの断面図。 他の別例のロータの断面図。 従来のロータの部品構成を示す分解斜視図。

以下、本発明を具体化したロータ及びモータの一実施形態を図１〜図４に従って説明する。
図１に示すように、モータ（回転電機）１には、モータ１の固定側となるステータ２が設けられ、このステータ２の内部に、モータ１の回転側となるロータ３がステータ２に対して回転可能に設けられている。そして、ステータ２の鉄心に巻かれた巻線に電流が流されると、ステータ２とロータ３との間のマグネット界磁（永久磁石界磁）に発生する磁界によって、ロータ３がステータ２に対して回転する。

図２に示すように、本例のようなマグネット界磁のランデル型ロータ３には、例えば鉄製の一対の回転子鉄心４，５と、これら一対の回転子鉄心４，５の間に挟まれた永久磁石６とが設けられている。永久磁石６は、各回転子鉄心４，５にＮ極／Ｓ極を付すための磁石である。本例の場合、紙面上側を第１回転子鉄心４とし、紙面下側を第２回転子鉄心５とする。ロータ３の軸中心には、ロータ３の回転軸となる非磁性体のシャフト７が取り付けられている。各回転子鉄心４，５は、シャフト７に圧入固定されている。

図２〜図４に示すように、第１回転子鉄心４において略円板状の鉄心本体８の周縁には、周方向に沿って等間隔に並ぶ複数の爪状磁極９，９…が、外側に向かって放射状に突設されている。さらに、第１回転子鉄心４の爪状磁極９は、モータ軸方向に沿って延出する形状、つまり図２及び図３において紙面下方向に飛び出す形状をなし、隣同士の爪状磁極９，９の間が切欠部１０となっている。第２回転子鉄心５は、第１回転子鉄心４と略同一形状をなし、第１回転子鉄心４と同様に鉄心本体１１、爪状磁極１２及び切欠部１３を有する。第１回転子鉄心４及び第２回転子鉄心５は、一方の爪状磁極９（１２）が他方の切欠部１３（１０）に入り込むように、上下逆さまの組み付け状態をとる。これにより、第１回転子鉄心４の爪状磁極９と第２回転子鉄心５の爪状磁極１２とは、ロータ周方向において交互に配置される。各回転子鉄心４，５の中心には、シャフト７を挿通する通し孔１４，１５が各々貫設されている。

爪状磁極９（１２）は、ロータ径方向から見て長方形に形成されている。なお、爪状磁極９（１２）は、例えば正四角形状や台形状に形成されてもよい。また、鉄心本体８と爪状磁極９（１２）との間の隙間は、断面が長方形状となるように形成されている。さらに、隣り合う爪状磁極９，１２の間は、ロータ径方向から見て長方形の空間をなすように離間する。

永久磁石６は、第１回転子鉄心４と第２回転子鉄心５との間を埋める形状をなしている。具体的に述べると、本例の永久磁石６は、第１回転子鉄心４の鉄心本体８と第２回転子鉄心５の鉄心本体１１との間を埋める磁石本体部１６と、第１回転子鉄心４の爪状磁極９と第２回転子鉄心５の爪状磁極１２との間の隙間を埋める複数の極間磁石部１７と、各爪状磁極９，１２の背面の隙間を埋める背面磁石部１８とからなる。よって、本例の永久磁石６は、磁石本体部１６、極間磁石部１７及び背面磁石部１８が一体に形成された一体型永久磁石６となっている。

極間磁石部１７は、略円板状の磁石本体部１６の周囲に、爪状磁極９と爪状磁極１２との間にできる周方向の１０個の隙間に合わせて、周方向おいて等間隔に計１０個形成されている。背面磁石部１８は、隣同士の極間磁石部１７を繋ぐように、周方向において計１０個形成されている。また、磁石本体部１６の中央には、シャフト７を通すための通し孔１９が貫設されている。

図３及び図４に示すように、本例の一体型永久磁石６は、第１回転子鉄心４をＮ極、第２回転子鉄心５をＳ極とするように着磁されている。具体的には、一体型永久磁石６は、磁石本体部１６においてロータ軸方向（第２回転子鉄心５から第１回転子鉄心４の向き）に磁化され、極間磁石部１７においてロータ周方向（第２回転子鉄心５から第１回転子鉄心４の向き）に磁化され、背面磁石部１８においてロータ径方向（第２回転子鉄心５から第１回転子鉄心４の向き）に磁化されている。よって、図３及び図４に示すように、磁石本体部１６には、矢印Ｍ１方向の磁気モーメントが生成され、極間磁石部１７には、矢印Ｍ２方向の磁気モーメントが生成され、背面磁石部１８には、矢印Ｍ３方向の磁気モーメントが生成される。

本例の永久磁石６は、例えば焼結磁石、ボンド磁石（プラスチックマグネット、ゴムマグネット等）からなる。また、これ以外に、例えばフェライト磁石、サマリウム鉄窒素（Sm−Fe−N）系磁石、サマリウムコバルト系磁石、ネオジム磁石、アルニコ磁石などを使
用してもよい。

次に、本例のモータ１の作用を、図３及び図４を用いて説明する。
図３及び図４に示すように、本例の一体型永久磁石６は、磁石本体部１６が矢印Ｍ１方向の磁気モーメントの向きに着磁され、極間磁石部１７が矢印Ｍ２方向の磁気モーメントの向きに着磁され、背面磁石部１８が矢印Ｍ３方向の磁気モーメントの向きに着磁されている。このため、第１回転子鉄心４がＮ極となり、第２回転子鉄心５がＳ極となるので、第１回転子鉄心４と第２回転子鉄心５との間には、図４に示すように、第１回転子鉄心４か第２回転子鉄心５に入り込む矢印Ｂｘで示す磁束ループが形成される。これにより、ロータ３がマグネット界磁のランデル型モータとして機能し、ステータ２に対して回転可能となる。

よって、本例の場合、回転子鉄心４，５に磁極を付す永久磁石６を、磁石本体部１６と極間磁石部１７と背面磁石部１８とが一体となった一体型永久磁石６としたので、永久磁石６にかかる部品点数を少なく抑えることが可能となる。このため、ロータ３の組付工数を減らすことが可能となり、組付コストを低く抑えることが可能となる。また、永久磁石６自体が１つの大きな部品となるので、ロータ回転時に発生する遠心力に対して耐性が高くなる。これにより、ロータ遠心力を要因とする永久磁石６の極間磁石部１７の飛散も発生し難くすることが可能となる。

また、本例のロータ３において永久磁石６の磁石材料を例えばボンド磁石等で形成する場合、ボンド磁石を第１回転子鉄心４（第２回転子鉄心５でも可）にインサート形成することにより、一体型永久磁石６を形成することも可能である。こうすれば、第１回転子鉄心４（第２回転子鉄心５）と永久磁石６との間に接着層や機械的エアギャップが発生しなくなるので、モータ１のパーミアンスが上がり、トルク向上に効果が高くなる。

本実施形態の構成によれば、以下に記載の効果を得ることができる。
（１）第１回転子鉄心４と第２回転子鉄心５との間に、各回転子鉄心４，５をＮ極／Ｓ極の鉄心として機能させる永久磁石６を設け、この永久磁石６を磁石本体部１６と極間磁石部１７と背面磁石部１８とを有する形状としつつ、これらを一体型の部品として形成する。このため、ロータ３の部品点数を削減することが可能となるので、部品の組付工数を少なく抑えることができ、ひいては部品の組付コストを低く抑えることに繋がる。また、永久磁石６がそれなりの体格を有する１部品となるので、ロータ遠心力による永久磁石６の飛散も生じ難くすることができる。

（２）磁石本体部１６をモータ軸方向に磁化し、極間磁石部１７をロータ周方向に磁化し、背面磁石部１８をロータ径方向に磁化する。よって、磁石本体部１６、極間磁石部１７及び背面磁石部１８の各磁気モーメントＭ１〜Ｍ３を、それぞれ最適な方向に磁化するので、第１回転子鉄心４及び第２回転子鉄心５に、それぞれ磁束の強いＮ極／Ｓ極を発生させることができる。

（３）一体型永久磁石６を焼結磁石やボンド磁石とした場合、一体型永久磁石６を例えば圧縮成形や射出成形のどちらでも形成することが可能となるので、製造方法が１通りに限定されてしまうことがない。

（４）一体型永久磁石６をフェライト磁石、サマリウム鉄窒素系磁石、サマリウムコバルト系磁石、ネオジム磁石又はアルニコ磁石などで形成することも可能であるので、これら汎用的な材料によっても一体型永久磁石６を製造することができる。

（５）回転子鉄心４，５と一体型永久磁石６は互いの凹凸形状の引っ掛かりにより強固に組み付くので、部品の位置決め状態の保持に効果が高くなる。
（６）回転子鉄心４，５は一体型永久磁石６の磁力によって一体型永久磁石６に強く組み付くので、部品の位置決め状態の保持に一層効果が高い。

（７）例えばボンド磁石等を回転子鉄心４（５）にインサート成形して一体型永久磁石６を形成する場合、回転子鉄心４（５）と永久磁石６との間に接着層や機械的エアギャップが発生しなくなるので、モータ１のパーミアンスが上がり、トルク向上に効果が高くなる。

なお、実施形態はこれまでに述べた構成に限らず、以下の態様に変更してもよい。
・図５に示す一体型永久磁石６のように、主たる磁石本体部１６に対して補助的に機能する極間磁石部１７及び背面磁石部１８の着磁態様を極異方配向としてもよい。詳しくは、Ｓ極の背面磁石部１８の外側面から隣接の極間磁石部１７を経由しＮ極の背面磁石部１８の外側面に向けて磁束が湾曲（径方向内側が凸）して流れる、いわゆる極異方配向の着磁がなされている。これにより、背面磁石部１８は径方向成分の磁束を有し、極間磁石部１７は周方向成分の磁束を有することから、図３に示す一体型永久磁石６と同様に機能する。つまり、図５に示す一体型永久磁石６においても、極間磁石部１７及び背面磁石部１８がロータ３内の磁束の整流を行い、漏れ磁束を低減させる効果を発揮する。

図５に示す一体型永久磁石６の着磁方法について、図６（ａ）（ｂ）に示す着磁装置２０が用いられる。図６（ｂ）には、一体型永久磁石６の磁石本体部１６に対する着磁を行う第１着磁装置２１が示され、第１着磁装置２１の異なる磁極の着磁部２１ａ，２１ｂが円板状の磁石本体部１６の表裏面にそれぞれ対向し、磁石本体部１６の厚み方向（軸方向）に沿った磁化が行われる。また、図６（ａ）（ｂ）には、極間磁石部１７及び背面磁石部１８に対する着磁を行う第２着磁装置２２が示され、第２着磁装置２２の異なる磁極の着磁部２２ａ，２２ｂが周方向に交互に５個ずつ、合計１０個の着磁部２２ａ，２２ｂが周方向等間隔に設けられる。そして、周方向等間隔に１０箇所ある背面磁石部１８の外側面に各着磁部２２ａ，２２ｂがそれぞれ対向し、背面磁石部１８の外側面側から一括して着磁が行われ、極間磁石部１７を挟む隣接の背面磁石部１８間に跨って湾曲する磁化（上記の極異方配向）が行われる。

また、磁石本体部１６、極間磁石部１７及び背面磁石部１８の着磁順について、磁石本体部１６と、極間磁石部１７及び背面磁石部１８との着磁を同時に行えば、着磁工程が少なくてすみ、一体型永久磁石６を短時間で製造できる。また、磁石本体部１６と、極間磁石部１７及び背面磁石部１８との着磁を時間的にずらすようにすれば、磁石本体部１６と、極間磁石部１７及び背面磁石部１８とを着磁する際の互いの磁束の干渉を防止できる。特に、磁石本体部１６側の着磁を先に行えば、磁石本体部１６側の磁化を着実とすることが期待でき、極間磁石部１７及び背面磁石部１８側の着磁を先に行えば、極間磁石部１７及び背面磁石部１８側の磁化を着実とすることが期待できる。

・図７及び図８に示すように、シャフト７は、第１回転子鉄心４及び第２回転子鉄心５に対して一体に形成されてもよい。この場合、永久磁石６を孔なしの単純円板とすることが可能となるので、これまで孔部分で損失していた分の磁束増加が見込め、トルク向上に効果が高くなる。また、永久磁石６に孔加工する必要がなくなるので、製造コストの削減も見込める。さらに、回転子鉄心４，５にシャフト機能を持たせるので、部品としてシャフト７が不要となるので、部品点数削減にも効果が高くなる。なお、図７及び図８の場合、永久磁石６を単なる円板型として記載したが、これは実施形態及び上記別例で述べた一体型永久磁石に変更することも可能である。

・ロータ３は、第１回転子鉄心４及び第２回転子鉄心５の組が１組のみの一層構造に限定されず、図９に示すようなタンデム構造としてもよい。タンデム構造のロータは、複数のロータユニット３１，３１からなる。本例のロータユニット３１は、実施形態で記載したロータ３そのものである。そして、タンデム構造の場合、これらロータユニット３１，３１は、軸方向において上下逆向きに配置されることにより、Ｎ極同士（又はＳ極同士）が接触する向きにて取り付けられる。なお、図９の場合も、永久磁石６を単なる円板型として記載したが、これは一体型永久磁石に変更することも可能である。タンデム構造を採用すれば、永久磁石６の表面におけるＮ極、Ｓ極の面積を広くとることが可能となるので、トルク向上に効果が高い。

・ロータ３をタンデム構造にした場合、図１０に示すように、同極で接触する回転子鉄心４（又は回転子鉄心５）同士を一体に形成してもよい。ちなみに、図１０の場合は、Ｎ極の回転子鉄心同士を一体に形成している。なお、図１０の場合も、永久磁石６を単なる円板型として記載したが、これは一体型永久磁石に変更することも可能である。

・爪状磁極９，１２の個数は、実施形態に記載した個数に限定されず、他の個数に変更可能である。
・第１回転子鉄心４をＳ極とし、第２回転子鉄心５をＮ極としてもよい。

・一体型永久磁石６の材質は、実施形態に記載以外のものを適宜採用可能である。
・一体型永久磁石６の形状は、実施形態に記載したような形状に限定されず、磁石本体部１６と極間磁石部１７と背面磁石部１８とを有していれば、どのような形状に変更してもよい。

・極間磁石部１７及び背面磁石部１８の個数は、爪状磁極９，１２の個数に合わせて適宜変更可能である。
・磁石本体部１６、極間磁石部１７及び背面磁石部１８の着磁方向は、回転子鉄心４，５に所望の磁極を持たせることができれば、他の向きに変更可能である。

１…モータ、２…ステータ、３…マグネット界磁のランデル型ロータ、４…第１回転子鉄心、５…第２回転子鉄心、６…一体型永久磁石、９…爪状磁極、１０…切欠部、１２…爪状磁極、１３…切欠部、１６…磁石本体部、１７…極間磁石部、１８…背面磁石部。

Claims (7)

1. 周方向に複数の爪状磁極を持つ第１回転子鉄心及び第２回転子鉄心が設けられ、これらの一方の爪状磁極が他方の爪状磁極間の切欠部に入り込む組み付け状態をとり、これら第１回転子鉄心及び第２回転子鉄心の間に配置された永久磁石の磁界によって、複数の前記爪状磁極が周方向において交互にＮ極／Ｓ極となるロータにおいて、
   前記永久磁石は、
   前記第１回転子鉄心と第２回転子鉄心との軸方向における隙間に配置された磁石本体部と、前記第１回転子鉄心の爪状磁極と前記第２回転子鉄心の爪状磁極との間において周方向に生じる隙間に配置された極間磁石部と、それぞれの前記爪状磁極の背面に生じる隙間に配置された背面磁石部とがそれぞれ相互間で一体形成された一体型永久磁石であり、
   前記磁石本体部の軸方向端面は、前記背面磁石部の軸方向端面と連続した同一平面上となる
   ことを特徴とするロータ。
2. 前記磁石本体部は、前記軸方向に磁化され、前記極間磁石部は、前記周方向に磁化され、前記背面磁石部は、径方向に磁化されている
   ことを特徴とする請求項１に記載のロータ。
3. 前記一体型永久磁石は、焼結磁石又はボンド磁石である
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載のロータ。
4. 前記一体型永久磁石は、フェライト磁石、サマリウム鉄窒素系磁石、サマリウムコバルト系磁石、ネオジム磁石又はアルニコ磁石である
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載のロータ。
5. 前記第１回転子鉄心又は前記第２回転子鉄心に磁石材料をインサート成形することにより、前記一体型永久磁石が形成されている
   ことを特徴とする請求項１〜４のうちいずれか一項に記載のロータ。
6. 前記永久磁石は、前記背面磁石部から隣接の前記極間磁石部における爪状磁極より内側の部分を経由して磁極の異なる前記背面磁石部に向けて磁束が湾曲して流れる極異方配向とした
   ことを特徴とする請求項１に記載のロータ。
7. 周方向に複数の爪状磁極を持つ第１回転子鉄心及び第２回転子鉄心が設けられ、これらの一方の爪状磁極が他方の爪状磁極間の切欠部に入り込む組み付け状態をとり、これら第１回転子鉄心及び第２回転子鉄心の間に配置された永久磁石の磁界によって、複数の前記爪状磁極が周方向において交互にＮ極／Ｓ極を形成するロータと、当該ロータを回転可能に支持するステータとを備えたモータにおいて、
   前記永久磁石は、
   前記第１回転子鉄心と第２回転子鉄心との軸方向における隙間に配置された磁石本体部と、前記第１回転子鉄心の爪状磁極と前記第２回転子鉄心の爪状磁極との間において周方向に生じる隙間に配置された極間磁石部と、それぞれの前記爪状磁極の背面に生じる隙間に配置された背面磁石部とがそれぞれ相互間で一体形成された一体型永久磁石であり、
   前記磁石本体部の軸方向端面は、前記背面磁石部の軸方向端面と連続した同一平面上となる
   ことを特徴とするモータ。