JP6661939B2 - ロータ - Google Patents

Description

本発明は、回転電機に使用するロータに関するものである。

従来、円柱状のロータの周囲に環状のステータを備えた回転電機が種々開発されている。ロータは、電磁鋼板からなる複数のコアシートを積層させたロータコア、ロータコアに形成された磁石孔、および磁石孔に埋め込まれた磁石を備える。

ロータが回転した際に発生する騒音を減少させるために、下記特許文献１のように、磁石孔をロータの軸方向の一端から他端に向かうにつれてロータの周方向にずらせた（スキュー（skew）させた）ロータが開示されている。

磁石孔をスキューさせたロータは、磁極中心がロータの軸方向の一端から他端に向かうにつれて周方向に変化する。リラクタンスの角度による変動や起磁力の段階的な変化が小さくなることでコギングトルクやトルクリップルが小さくなり、騒音が抑えられる。スキューはコアシート１枚ずつおこなう場合と、複数枚ずつ段階的におこなう場合（段スキュー（step skew））がある。

段スキューのロータは、磁石孔をスキューさせた境界に非磁性体を配置し、漏れ磁束を防いでいる。磁石孔にボンド磁石を射出成形する場合、１回の射出成形でボンド磁石を形成することが好ましい。そのためには、上記の非磁性体にも磁石孔を開ける必要がある。

ボンド磁石はコアシートおよび非磁性体のそれぞれの磁石孔に形成されるが、非磁性体の部分は磁場の影響を受けず、外周に磁極を形成できない。そのため、非磁性体の磁石孔に形成された磁石はロータのトルクに寄与できない。

特開２００６−２５４５９８号公報

本発明は、トルクに寄与できない磁石を削減したロータを提供することを目的とする。

本発明のロータは、電磁鋼板からなる第１コアシートと、前記第１コアシートを複数枚積層した複数のコアブロックと、前記コアブロックを厚み方向に貫く第１磁石孔と、電磁鋼板からなる第２コアシートと、前記第２コアシートを１枚または複数枚積層した仕切りコアと、前記仕切りコアを厚み方向に貫く第２磁石孔と、前記仕切りコアでコアブロックを挟み込んだ状態で積層され、仕切りコアを挟む２つのコアブロックの第１磁石孔の位置が、周方向にずれているロータコアと、前記第１磁石孔と第２磁石孔に埋め込まれたボンド磁石とを備える。

前記第２磁石孔は、前記周方向にずれた第１磁石孔の各々をロータコアの軸心に直交する平面に投影した形状である。

前記第１磁石孔の幅をｗ、第１磁石孔と第２磁石孔の幅の差をｄ、仕切りコアの厚みをｔとすると、ｗは｛（ｗ−ｄ）^２＋ｔ^２｝^1/2以下である。

前記コアブロックの第１磁石孔が複数であり、前記仕切りコアを挟む２つのコアブロックにおける第１コアシートの積層方向において、一のボンド磁石が埋め込まれた第１磁石孔は他のボンド磁石の埋め込まれた第１磁石孔と重ならない。

前記ボンド磁石が異方性ボンド磁石である。第２磁石孔に埋め込まれた異方性ボンド磁石は、コアブロックに面した部分がロータコアの軸心方向に磁化している。

本発明は仕切りコアを形成する第２コアシートは電磁鋼板であり、従来のように非磁性体ではない。仕切りコアの部分でも第２磁石孔に埋め込まれたボンド磁石の磁束によって磁極が配置され、従来のロータにあったトルクに寄与しない磁石を無くすことができる。

上記の幅ｗなどによって仕切りコアでも減磁の影響が出ない形状になっており、仕切りコアも必要な磁束が得られる。異方性のボンド磁石を使用しており、等方性のボンド磁石よりも磁束密度を高めることができる。

本発明のロータを示す斜視図である。 （ａ）は図１のＡ−Ａ線断面における第１コアシートを示し、（ｂ）は図１のＢ−Ｂ線断面における第２コアシートを示し、（ｃ）は図１のＣ−Ｃ線断面における第１コアシートを示す図である。 （ａ）は２つの第１磁石孔を重ねた図であり、（ｂ）は第２磁石孔を示す図である。 第２磁石孔における磁化の方向を示す図である。 第１磁石孔と第２磁石孔における磁石の形状の関係を示す図である。 磁石孔が一方向と他方向にスキューしたロータを示す斜視図である。

本発明のロータについて図面を用いて説明する。ロータは回転電機に用いられるものである。回転電機は、従来と同様に、圧縮機などに適用できる。ロータは、ＩＰＭ（Interior Permanent Magnet）モータに使用されるロータである。

図１と図２に示す本発明のロータ１０は、第１コアシート１２を複数枚積層した複数のコアブロック１４、コアブロック１４を貫く第１磁石孔１６、第２コアシート１８からなる仕切りコア２０、仕切りコア２０を貫く第２磁石孔２２、コアブロック１４と仕切りコア２０を積層したロータコア２４、第１磁石孔１６と第２磁石孔２２に埋め込まれたボンド磁石２６を備える。

第１コアシート１２および第２コアシート１８は軟磁性体の電磁鋼板を打ち抜き加工して形成したものである。各コアシート１２、１８の厚みは、たとえば約０．２〜１ｍｍであり、好ましくは約０．３〜０．５ｍｍである。各コアシート１２、１８の表面に絶縁膜を被覆し、コアシート１２、１８間の渦電流を防止する。各コアシート１２、１８の外周形状は、円形またはほぼ円形になっている。

コアブロック１４は第１コアシート１２を複数枚積層したものである。第１コアシート１２に第１磁石孔１６を設けておくことで、第１磁石孔１６がコアブロック１４を厚み方向（積層方向）に貫いている。図１と図２では１つのコアブロック１４につき、第１磁石孔１６が４個設けられている。１つのロータコア２４に少なくとも２つのコアブロック１４が備えられる。

仕切りコア２０は第２コアシート１８で構成される。仕切りコア２０に使用される第２コアシート１８は１枚の場合もあるし、複数枚の場合もある。第２コアシート１８に第２磁石孔２２が設けられており、第２磁石孔２２が仕切りコア２０を厚み方向に貫いている。第２磁石孔２２は、第１磁石孔１４と同数設けられている。

ロータコア２４は、コアブロック１４と仕切りコア２０を積層したものであり、全体として円筒形状をしている。コアブロック１４の間に仕切りコア２０が挟まれるように積層されている。コアブロック１４が連続して積層されたり、仕切りコア２０が連続して積層されたりすることは無い。ロータコア２４の両端にコアブロック１４が配置される。

ロータコア２４は第１磁石孔１６をスキューさせている。スキューは段スキューであり、１つのコアブロック１４では第１磁石孔１６の位置は一定であるが、１つの仕切りコア２０を挟む２つのコアブロック１４の同じ第２磁石孔２２に対応する第１磁石孔１６同士は、ロータコア２４の周方向（回転方向）にずれている。

第２磁石孔２２は、仕切りコア２０を挟む２つのコアブロック１４の第１磁石孔１６をロータコア２４の軸心に直交する平面に投影した形状である。図３（ａ）のようにロータコア２４の周方向にずれた２つの第１磁石孔１６の外周を重ねた際に、最も広くなった部分が第２磁石孔２２の外周と一致している（図３（ｂ））。ロータコア２４の中で第１磁石孔１６と第２磁石孔２２がつながって、１つの磁石孔２８になっている。磁石孔２８の数は任意であるが、ロータコア２４の外周にＮ極とＳ極が交互に形成されるようにする。

磁石孔２８の中にはボンド磁石２６が埋め込まれている。磁石孔２８の中に射出成形によって磁石材料を充填し、着磁によって磁石を形成する。ボンド磁石２６は異方性のボンド磁石を使用する。磁石材料は、バインダ樹脂に磁性粉または磁性粒を混入したものである。バインダ樹脂は、ポリアミド、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレート、ポニフェニレンサルファイド、液晶ポリマーなどである。磁性粉または磁性粒としてネオジムを含む異方性の磁性粉または磁性粒が挙げられ、たとえばＮｄＦｅＢが挙げられる。ＮｄＦｅＢの磁性粉または磁性粒のみではなく、ＳｍＦｅＮなどの磁性粉または磁性粒を混合しても良い。

磁石孔２８が複数であり、仕切りコア２０を挟む２つのコアブロック１４の第１コアシート１２の積層方向において、一のボンド磁石２６が埋め込まれた第１磁石孔１６が他のボンド磁石２６を埋め込まれた第１磁石孔１６と重ならない。そのため、一の磁石孔２８と他の磁石孔２８がつながることは無い。

図４のように、第２磁石孔２２に埋め込まれたボンド磁石２６は、コアブロック１４に面３０した部分がロータコア２４の軸心方向ｍに磁化している。ボンド磁石２６は単体で着磁するのではなく、コア内に射出された状態で着磁されるため、磁化するときに、磁石材料に接するコアシート１２に対して垂直方向に磁化の方向が向くためである。異方性である場合には射出成形時に磁場を掛けることで、垂直方向に磁化が発生し、等方性であれば、射出成形時には磁場を掛けないが、その後の着磁工程において、垂直方向に磁化が発生する。

図５のように、第１磁石孔１６の幅をｗ、第１磁石孔１６と第２磁石孔２２の幅の差をｄ、仕切りコア２０の厚みをｔとすると、ｗは｛（ｗ−ｄ）^２＋ｔ^２｝^1/2以下である。ｗは薄くなるほど減磁しやすくなり、所望の磁束が生じなくなる。したがって、ｗは、ボンド磁石２６から必要な磁束が得られる厚みよりも厚くする。｛（ｗ−ｄ）^２＋ｔ^２｝^1/2は図５のＬであり、Ｌがｗよりも大きいことで、ボンド磁石２６が第２磁石孔２２の部分でも必要な磁束が得られるようになっている。さらには、本発明を採用しない場合に比べて磁石を多く使うことになるが、それに応じた磁極面積を得られるため、積厚を小さくすることさえ可能である。

ロータコア２４の中心に回転軸用孔３２が開けられており、回転軸用孔３２に回転軸が入れられて固定される。ロータ１０を備えた回転電機が圧縮機に適用される場合、回転軸は圧縮機構まで延び、圧縮機の回転軸にもなる。ロータコア２４の側方を囲むようにしてステータが配置され、回転電機になる。ステータはコイルを備え、コイルに電流を流して発生させた磁場によって、ロータ１０を回転させる。

コアブロック１４と仕切りコア２０が固定部材（図示省略）で固定されるように、各コアシート１２、１８に締結用孔（図示省略）を設けておき、固定部材を挿入して固定する。たとえば、固定部材はボルトとナット、またはリベットなどであり、それらの軸が締結用孔に入れられて固定される。また、各コアシート１２、１８をカシメによって固定しても良い。

次に、ロータ１０の製造方法について説明する。（１）電磁鋼板を準備し、所定形状に打ち抜き加工をおこない、各コアシート１２、１８を形成する。第１コアシート１２と第２コアシート１８は外形が同じであるので、外形を形成した後、磁石孔１６、２２を打ち抜き加工するときに、別々の工程で打ち抜き加工しても良い。

上記のように第２磁石孔２２は２つのずれた位置にある第１磁石孔１６を投影したものである。したがって、第１磁石孔１６を形成する金型を使用し、第２コアシート１８に対して２回の打ち抜き加工をおこなっても良い。１回目と２回目の打ち抜き加工において第２コアシート１８を周方向にずらすことで、第２磁石孔２２を形成することができる。

なお、各コアシート１２、１８には回転軸用孔３２や締結用孔が必要であり、これらの孔も打ち抜き加工で形成する。

（２）ロータコア２４を形成する。ロータコア２４を形成する方法は、（ａ）第１コアシート１２を所定枚数積層してコアブロック１４を形成し、（ｂ）その上に第２コアシート１８を所定枚数積層して仕切りコア２０を形成し、（ｃ）さらにその上に第１コアシート１２を所定枚数積層してコアブロック１４を形成する。各コアシート１２、１８を積層しながら、コアブロック１４で仕切りコア２０が挟まれるように積層していく。

仕切りコア２０を挟み込む２つのコアブロック１４は、第１磁石孔１６がロータコア２４の周方向にずれるように積層する。

上記（ｃ）の後、必要に応じて（ｂ）と（ｃ）を繰り返すことで、必要な数のコアブロック１４と仕切りコア２０が積層されたロータコア２４が形成される。

なお、所定個数のコアブロック１４と仕切りコア２０を形成した後に、コアブロック１４で仕切りコア２０が挟まれるように積層しても良い。

（３）各コアシート１２、１８が積層されただけではコアシート１２、１８が外れるため、上述した固定部材で固定する。また、回転軸用孔３２に回転軸を入れて固定する。

（４）磁石孔２８にボンド磁石２６を埋め込む。ボンド磁石２６の埋め込みは、上述した磁石材料を射出成形によって磁石孔２８に流し込み、外部から磁場を印加して着磁し、硬化させることでボンド磁石２６を埋め込む。

上記工程でロータ１０を製造する。ロータ１０は、環状のステータの内側に配置され、ロータ１０とステータで回転電機が構成される。ステータ内のコイルに電流を流し、その電流で発生した磁場によって、ロータ１０が回転する。

上記のように仕切りコア２０を形成する第２コアシート１８は電磁鋼板であり、従来のように非磁性体ではない。従来のロータにあったトルクに寄与しない磁石を無くすことができる。上記のように仕切りコア２０でも減磁の影響が出ない形状になっており、仕切りコア２０も必要な磁束が得られる。１つの磁石孔２８にボンド磁石２６を一体成型できるため、製造が容易である。異方性のボンド磁石２６を使用しており、等方性のボンド磁石よりも磁束密度を高めることができる。磁石孔２８がスキューしているので、スキューしていないロータに比べてコギングトルクが小さく、ロータのトルクが高い。

以上のように本発明の実施形態を説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されない。たとえば、コアブロック１４に形成される第１磁石孔１６は円弧状に限定されず、直線状の第１磁石孔１６であっても良い。第１磁石孔１６の形状に合わせて、仕切りコア２０の第２磁石孔２２の形状も変更する。上記のように、第２磁石孔２２は仕切りコア２０を挟むコアブロック１４の第１磁石孔１６を投影した形状である。

コアブロック１４の数が３以上になった場合、第１磁石孔１６をスキューさせる方向は一定ではない。たとえば、図６のロータ４０のように、ロータコア４４の一端から他端に向かう間に、一方向Ｒ１に第１磁石孔１６をスキューさせ、その後に他方向Ｒ２に第１磁石孔１６をスキューさせている。第１磁石孔１６をスキューさせる方向は限定されない。

実際の第１磁石孔１６のスキューのさせ方は、回転電機のコギング周期の半分の角度ずつずらすことが考えられる。たとえば、４極６スロット集中巻の回転電機の場合、回転軸を中心として第１磁石孔１６が１５°ずれるようにコアブロック１４を積層する。第１磁石孔１６をずらす角度は、ロータコア２４、４４の一端から他端にかけてである。

たとえば、コアブロック１４が２つであれば、２つのコアブロック１４の第１磁石孔１６が１５°ずれるように積層する。また、コアブロック１４が４つであり、一定方向に第１磁石孔１６をずらすのであれば、コアブロック１４の第１磁石孔１６が５°ずつずれるように積層する。ロータコア２４の一端から他端にかけて第１磁石孔１６が１５°ずれるようにしている。

図６のように第１磁石孔１６を一方向と他方向にスキューさせる場合、第１磁石孔１６を一方向に１５°ずらした後、他方向に１５°ずらす。一方向と他方向に第１磁石孔１６をスキューさせる場合、１本の磁石孔２８において、最大のずれ量が１５°になれば良い。

図１などのロータ１０、４０はインナーロータであったが、アウターロータに本願を適用しても良い。アウターロータにおいて、コアブロック１４と仕切りコア２０を積層したロータコア２４、４４を形成する。

その他、本発明は、その主旨を逸脱しない範囲で当業者の知識に基づき種々の改良、修正、変更を加えた態様で実施できるものである。

１０、４０：ロータ
１２：第１コアシート
１４：コアブロック
１６：第１磁石孔
１８：第２コアシート
２０：仕切りコア
２２：第２磁石孔
２４、４４：ロータコア
２６：ボンド磁石
２８：磁石孔
３０：コアブロックに面
３２：回転軸用孔

Claims (3)

1. 電磁鋼板からなる第１コアシートと、
   前記第１コアシートを複数枚積層した複数のコアブロックと、
   前記コアブロックを厚み方向に貫く第１磁石孔と、
   電磁鋼板からなる第２コアシートと、
   前記第２コアシートを１枚または複数枚積層した仕切りコアと、
   前記仕切りコアを厚み方向に貫く第２磁石孔と、
   前記仕切りコアでコアブロックを挟み込んだ状態で積層され、仕切りコアを挟む２つのコアブロックの第１磁石孔の位置が、周方向にずれているロータコアと、
   前記第１磁石孔と第２磁石孔とがつながって１つになった磁石孔と、
   複数の前記磁石孔のそれぞれに充填されたボンド磁石と、
   を備え、
   前記第２磁石孔が、前記周方向にずれた第１磁石孔の各々をロータコアの軸心に直交する平面に投影した形状であり、
   前記複数の磁石孔において、一の磁石孔と他の磁石孔がつながらないロータ。
2. 前記第１磁石孔の幅をｗ、第１磁石孔と第２磁石孔の幅の差をｄ、仕切りコアの厚みをｔとすると、ｗが｛（ｗ−ｄ）^２＋ｔ^２｝^1/2以下である請求項１のロータ。
3. 前記ボンド磁石が異方性ボンド磁石である請求項１または２のロータ。

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