JP2007020350A - 磁石埋込型モータ - Google Patents

Abstract

【課題】 永久磁石からの磁束がロータコアにおける永久磁石間の箇所などに漏洩することを最小限に抑えながら、ロータ回転時に永久磁石が周方向にずれることを防止できる磁石埋込型モータを提供する。
【解決手段】 永久磁石２２を挿入して埋め込む複数の挿入孔２３をロータコア２１の外周よりも径方向内側に形成し、挿入孔２３の周方向端部に、挿入孔２３の外周部から永久磁石２２の磁極境界部２２ａよりも径方向内側の位置まで永久磁石２２の各端部から空隙をなすように形成された空間部２３ｂと、この空間部２３ｂの径方向内側箇所から挿入孔２３の内周部までの間の少なくとも一部に形成されて、永久磁石２２を保持する保持壁面部２３ｃとを設けた。空間部２３ｂによりロータコア２１の永久磁石２２間における磁束の漏洩を防止でき、保持壁面部２３ｃにより永久磁石２２がロータ回転方向に対して良好に保持される。
【選択図】 図４

Description

本発明は磁石埋込型モータに関する。

ブラシレスのモータとして、ロータの表面に永久磁石を配置した表面磁石型モータ（ＳＰＭモータと称す）に代えて、このＳＰＭモータよりも出力特性（トルク特性および加速性）および効率（トルク変換効率）が良い長所を有する磁石埋込型モータ（ＩＰＭモータと称す）が空気調和機の圧縮機や工作機械などにおいて用いられており、電動自転車用モータとしても用いることが検討されている。このＩＰＭモータは、ロータの内部に永久磁石を埋め込む配置としたもので、マグネットトルクに加えて、リラクタンストルクを発生できる性質を有することで、上記長所を発揮できる構成とされている。

このＩＰＭモータのロータの構造は、図９（ａ）に示すように、板状磁性部材（鉄心）を積層したロータコア１に、永久磁石２を埋め込む挿入孔３を形成し、この挿入孔３に永久磁石２を挿入して埋め込んだ構造である。ここで、永久磁石２を埋め込む挿入孔３の断面形状（モータの軸心に対して直交する面の断面形状）は、永久磁石２の断面形状と同じ形状とされている（例えば、特許文献１等）。

ところで、ロータコア１をなす鉄心は永久磁石２や空気と比べて極めて高い透磁率を有する。また、永久磁石２はそのロータの外周寄りに位置する面の部分と内周寄りに位置する面の部分とで反対の磁極を有し、また、隣り合う永久磁石２の磁極も異なるように配置されている。したがって、上記のように挿入孔３の形状が永久磁石２の断面形状と同じであると、図９（ｂ）に拡大して示すように、永久磁石２同士が隣接する永久磁石２間のロータコア１の部分（隣接部と称す）１ａで磁気通路が形成されてしまって磁束（磁力線）Φが漏洩し、永久磁石２の外周側部分からの磁束Φが効率的にステータ側に流れず、効率が低下するという課題があった。

これに対処する手法として、図１０に示すように、ロータコア１の隣接部１ａにおける挿入孔３のロータ周方向に対する両端部箇所に、挿入孔３に続いて、永久磁石２の厚み方向全幅にわたって空間となるように空間部４を設けることが提案されている（例えば、特許文献２、３等）。

この構成によれば、永久磁石２が埋め込まれる挿入孔３に続いて空間部４が設けられるので、この空間部４によりロータコア１の隣接部１ａにおいて磁気通路が形成されなくなって磁束（磁力線）Φの漏洩を防止でき、永久磁石２の外周側部分からの磁束Φが効率的にステータ側に流れて、効率を向上できる。
特開２００２−１０５４１号公報 特開２００４−３２０９８９号公報 特開平５−２３６６８４号公報

しかしながら、図１０に示すように、ロータコア１の隣接部１ａにおいて挿入孔３に続いて空間部４を設けると、磁束（磁力線）Φの漏洩を防止できて効率を向上できるものの、空間部４が永久磁石２の厚み方向全幅にわたって形成されているため、ロータの回転時に永久磁石２が、図１０におけるｃ方向にずれてしまい、ロータとステータとの間に生じる磁気回路の磁気抵抗がばらつき、磁石トルクの変動によるトルクリップルが大きくなる等の不具合を招いてしまう。

このような不具合を防止する手法としては、前記空間部４に非磁性体と接着剤とを混ぜた充填材を充填することが提案されており（例えば、特許文献３等）、この構成によれば、ロータの回転時でも永久磁石２がずれることを防止できる。しかし、この場合には、非磁性体と接着剤との混合作業や、充填材の充填作業など、多くの手間や時間がかかってしまうとともに、接着剤が硬化するまで、永久磁石を良好な位置に保持しなければならず、この際の位置決めが不良であると、トルクリップルが大きくなる。

本発明は上記不具合などを解決するもので、永久磁石からの磁束がロータコアにおける永久磁石間の箇所などに漏洩することを最小限に抑えることができながら、ロータの回転時に永久磁石が周方向にずれてしまうことを確実かつ容易に防止することができる磁石埋込型モータを提供することを目的とするものである。

上記課題を解決するために本発明の磁石埋込型モータは、永久磁石を挿入して埋め込む複数の挿入孔をロータコアの外周よりも径方向内側に形成し、前記挿入孔の周方向端部に、挿入孔の外周部から永久磁石の磁極境界部よりも径方向内側の位置まで永久磁石の各端部から空隙をなすように形成された空間部と、この空間部の径方向内側箇所から挿入孔の内周部までの間の少なくとも一部に形成されて、永久磁石を保持する保持壁面部とを設けたことを特徴とする。

より具体的には、保持壁面部は、空間部の径方向内側箇所から挿入孔の内周部までにわたって形成され、永久磁石のロータ半径方向に沿って延びる辺の、磁極境界部よりも径方向内側の部分に当接して、永久磁石をロータ回転方向の両側から保持するように構成する。

この構成により、挿入孔の周方向端部に、挿入孔の外周部から永久磁石の磁極境界部よりも径方向内側の位置まで空間部が形成されているので、この空間部によりロータコアの永久磁石間における、磁極境界部を含めてこの磁極境界部より径方向外側の部分において磁気通路が形成されなくなる。これにより、ロータコアの永久磁石間への磁束の漏洩を防止でき、永久磁石の外周部からの磁束が良好にステータ側に流れて、良好な効率を維持できる。また、挿入孔の周方向端部における空間部の径方向内側箇所から挿入孔の内周部までの間の少なくとも一部に保持壁面部が形成されているので、永久磁石が前記保持壁面部によりロータ回転方向に対して良好に保持され、ロータの回転時でも永久磁石が回転方向にずれることを防止できる。

また、本発明は、永久磁石の表面部から磁極境界部までの寸法をａ、空間部における永久磁石の磁極境界部の周方向端部からの磁極境界線に沿った空隙寸法をｂと設定した場合に、ｂ／ａ≧１であることを特徴とする。

この構成により、永久磁石の磁極境界部の周方向端部での空間部の空隙寸法が大きいので、この空間部が設けられている箇所でのロータコアの永久磁石間の磁束の漏洩を極めて良好に防止することができる。

以上のように本発明によれば、挿入孔の周方向端部に、挿入孔の外周部から永久磁石の磁極の境界部よりも径方向内側の位置まで永久磁石の端部から空隙をなすように形成された空間部と、この空間部の径方向内側箇所から挿入孔の内周部までの間の少なくとも一部に形成されて、永久磁石を保持する保持壁面部とを設けたので、前記空間部により磁束の漏洩を防止できて、磁石埋込型モータ（ＩＰＭモータ）としての良好な効率を維持することができると同時に、ロータの回転時でも永久磁石が回転方向にずれることを防止できて、磁石トルクの変動によるトルクリップルが生じることを防止でき、良好な出力特性を得ることができる。しかも、前記空間部に接着剤を含む充填材を充填しなくても、永久磁石がロータの回転方向にずれることを防止できるので、充填材の充填作業などを行わなくて済み、これに係る手間や時間を省くできるとともに、接着剤硬化時の位置決め不良によるトルクリップルの発生も防止でき、信頼性も向上する。

また、永久磁石の表面部から磁極境界部までの寸法をａ、空間部における永久磁石の磁極境界部の周方向端部からの磁極境界線に沿った空隙寸法をｂと設定した場合に、ｂ／ａ≧１となるように空間部を形成することで、ロータコアの永久磁石間の磁束の漏洩を極めて良好に防止することができる。

以下、本発明の実施の形態に係る磁石埋込型モータについて、図面を参照しながら説明する。
図１および図２は本発明の実施の形態に係る磁石埋込型モータの概略的な断面図で、図１はモータの回転軸心に沿った面で切断した部分断面外観図、図２は、図１におけるII−II線で切断した断面図である。図３（ａ），（ｂ）は、同磁石埋込型モータのロータの正面図（モータの軸心方向から見た図）および部分切欠側面図である。

図１および図２に示すように、本発明の実施の形態に係るブラシレスＤＣモータでもある磁石埋込型モータは、固定配置されたステータ１０の内側に、回転するロータ２０を配置した構成とされている。ステータ１０は、板状磁性部材（鉄心）を積層した複数（この実施の形態では１２）のステータコア１１にそれぞれステータコイル１２（図１参照）が巻かれて構成されている。また、磁石埋込型モータには、回転軸心方向に対してロータ２０に対向するようにホール素子などからなる位置検出センサ１３が複数設けられ、この位置検出センサ１３によりロータ２０の位置（位相）を検出するようになっている。なお、図１における１５は磁石埋込型モータの回転軸である。

図３、図４（ａ），（ｂ）（図４（ａ）においては、理解しやすいように、一部の挿入孔２３にのみ永久磁石２２が埋め込まれている場合を示しているが、実際には、全ての挿入孔２３に永久磁石２２が埋め込まれている）に示すように、ロータ２０は、板状磁性部材（鉄心）を積層したロータコア２１に、永久磁石２２を埋め込む挿入孔２３を形成し、この挿入孔２３に永久磁石２２を挿入して埋め込んだ構造である。

ここで、挿入孔２３には、モータ軸心方向に見て、永久磁石２２の断面形状（この実施の形態では径方向に薄肉で、略回転方向に長い、扁平な長方形状）とほぼ同形状の磁石挿入部２３ａと、この磁石挿入部２３ａの両端部（周方向に対して両端となる箇所）に臨む箇所に、磁石挿入部２３ａと続いてそれぞれ形成された空間部２３ｂと、永久磁石２２を保持する保持壁面部２３ｃとが設けられている。そして、空間部２３ｂは、挿入孔２３の外周部から永久磁石２２の磁極境界部２２ａよりも径方向内側の位置まで形成されており、この空間部２３ｂにより永久磁石２２の端部から略ロータ回転方向に対して空隙をなすように配置されている。また、この空間部２３ｂの径方向内側箇所から挿入孔２３の内周部までの間が保持壁面部２３ｃとされ、この保持壁面部２３ｃが、永久磁石２２のロータ半径方向に沿って延びる辺の、磁極境界部２２ａよりも径方向内側の部分に当接して、永久磁石２２をロータ回転方向の両側から保持するように構成されている。

なお、図５に示すように、この実施の形態においては、空間部２３ｂが形成されている箇所は、概略的に、永久磁石２２の磁極境界部２２ａに対応する箇所が永久磁石２２の端部から最も離れる円弧形状とされている。

また、永久磁石２２の表面部２２ｂから磁極境界部２２ａまでの寸法（すなわち、永久磁石２２の半径方向寸法の半分の幅）をａ、空間部２３ｂにおける永久磁石２２の磁極境界部２２ａの周方向端部から磁極境界部２２ａのラインに沿った空隙寸法をｂと設定した場合に、ｂ／ａ≧１となる形状に空間部２３ｂが形成されている。

また、図６（ａ），（ｂ）に示すように、この実施の形態においては、磁石挿入部２３における内周寄りの辺２３ｆの一部に僅かに外径方向に突出する突起部２３ｄが形成され（この実施の形態では、ロータコア２１を形成する板状磁性部材に同形状に突起部２３ｄが形成されて積層され、モータ軸心方向に対して突起部２３ｄが繋がるように形成されている）、これにより、磁石挿入部２３に永久磁石２２が挿入された際に、磁石挿入部２３における内周寄りの辺２３ｆに対してはその突起部２３ｄの突出距離ｔ分、永久磁石２２との間に隙間を生じてその磁力が少なめにしか作用しないようになっている一方、磁石挿入部２３における外周寄りの辺２３ｅには永久磁石２２が隙間無く接し、その永久磁石２２の磁力により、ロータコア２１における前記外周寄りの辺２３ｅの箇所に密着して固定されるように構成されている。

上記構成によれば、周方向に沿う挿入孔２３の両端部に、挿入孔２３の外周部から永久磁石２２の磁極境界部２２ａよりも径方向内側の位置まで空間部２３ｂが形成されているので、図７に示すように、この空間部２３ｂにより、ロータコア２１の永久磁石２２間における磁極境界部２２ａを含めてこの磁極境界部２２ａより径方向外側の部分において磁気通路が形成されなくなって、ロータコア２１の永久磁石間の箇所（隣接部と称す）２１ａへの磁束Φの漏洩を防止できる。したがって、永久磁石２２の外周側部分からの磁束Φが効率的にステータ１０側に流れて、良好な効率を維持できる。

また、この場合に、永久磁石２２の表面部２２ｂから磁極境界部２２ａまでの寸法をａ、空間部２３ｂにおける永久磁石２２の磁極境界部２２ａの周方向端部から磁極境界部２２ａのラインに沿った空隙寸法をｂと設定した場合に、ｂ／ａ≧１となる形状に空間部２３ｂを形成しているので、この空間部２３ｂが設けられている箇所でのロータコア２１の永久磁石間の隣接部２１ａでの磁束の漏洩を極めて良好に防止することができる。

つまり、永久磁石２２のＮ極とＳ極とを分離する磁極境界部（磁極中立帯部分）２２ａの近傍では、空間部２３ｂの空隙寸法ｂは、永久磁石２２から発せられる総磁束の有効度合いに大きく影響するため、この空隙寸法Ｌとして適正な値を選ぶことが重要である。

ここで、図８は、前記ｂ／ａの値（空隙寸法比率と称す）を横軸にとり、有効磁束量の度合いを縦軸にとった場合の特性を示している。実際には、ロータ２０を外部から回転駆動させることにより、ロータ２０と対となるステータ１０におけるステータコア１１のステータコイル１２に、誘起されて発生する電圧「誘起電圧」を測定して図８に示す相関データを得た。なお、誘起電圧比率は、前記空隙寸法ｂが、永久磁石２２の表面部２２ｂから磁極境界部２２ａまでの寸法ａに比べて、大幅に大きいときの誘起電圧の値（いわゆる飽和値）を１として表現している。

図８に示すように、ｂ／ａ≧１となる形状に空間部２３ｂを形成することで、空間部２３ｂが設けられている箇所でのロータコア２１の永久磁石間の隣接部２１ａでの磁束の漏洩を極めて良好に防止できることがわかる。

また、挿入孔２３の両端部における空間部２３ｂの径方向内側箇所から挿入孔２３の内周部までの間に保持壁面部２３ｃが形成されているので、永久磁石２２が保持壁面部２３ｃによりロータ回転方向に対して良好に保持され、ロータ２０の回転時でも永久磁石２２が回転方向にずれることを防止できる。

この結果、磁石埋込型モータ（ＩＰＭモータ）としての良好な効率を維持することができると同時に、ロータ２０の回転時でも永久磁石２２が回転方向にずれることを防止できて、磁石トルクの変動によるトルクリップルが生じることを防止でき、良好な出力特性を得ることができる。

また、従来のように空間部に接着剤を含む充填材を充填しなくても、永久磁石２２が略ロータ回転方向にずれることを防止できるので、充填材の充填作業などを行わなくて済んで、これに係る手間や時間を省くことができるとともに、接着剤硬化時の位置決め不良によるトルクリップルの発生も防止でき、これによっても磁石埋込型モータとしての信頼性も向上する。

なお、上記の実施の形態では、挿入孔２３の両端部分における空間部２３ｂの径方向内側箇所から挿入孔２３の内周部までの間の全ての領域に保持壁面部２３ｃが形成されている場合を述べたが、これに限るものではなく、挿入孔２３の両端部分における空間部２３ｂの径方向内側箇所から挿入孔２３の内周部までの間の一部の領域だけに保持壁面部２３ｃを形成しても、永久磁石２２が略ロータ回転方向にずれることを防止できる。しかし、良好に永久磁石２２の位置決めを行って保持するためには、できるだけ、保持壁面部２３ｃの面積が大きいことが望ましい。

また、上記の実施の形態では、永久磁石２２として断面長方形状のものを用いた場合を述べ、この場合には、永久磁石２２として安価なものを用いることができるとともに、挿入孔２３の形状も比較的単純な形状となって、製造コストの増加を最小限に抑えることができる利点がある。しかし、これに限るものではなく、例えば、永久磁石２２として断面円弧形状のものを用いる場合でも、上記空間部２３ｂや保持壁面部２３ｃの構成を適用することは可能である。

さらに、上記の実施の形態では、挿入孔２３の周方向両端部に空間部２３ｂを設けた場合を述べ、これにより、ロータコア２１の全ての永久磁石間の隣接部２１ａでの磁束Φの漏洩を防止できるため、極めて良好な効率を維持できる利点を有するが、これに限るものではなく、挿入孔２３の周方向の一方のみの端部に空間部２３ｂを設けてもよく、この場合でも、空間部２３ｂを全く設けない場合と比較すると、ロータコア２１の永久磁石間の隣接部２１ａにおける空間部２３ｂを設けた箇所での磁束Φの漏洩を防止できるため、良好な効率を維持できる効果がある。

本発明は、空気調和機の圧縮機や工作機械、さらには電動自転車用モータとしての磁石埋込型モータに最適であるが、その他の用途に用いられる磁石埋込型モータにも適用可能である。

本発明の実施の形態に係る磁石埋込型モータの概略的な断面図で、モータの回転軸心に沿った面で切断した部分断面外観図 同磁石埋込型モータの概略的な断面図で、図１におけるII−II線で切断した断面図 （ａ）および（ｂ）は、同磁石埋込型モータのロータの正面図（モータの軸心方向から見た図）および部分切欠側面図 （ａ）および（ｂ）は、同磁石埋込型モータのロータの正面図（モータの軸心方向から見た図）およびその拡大図 同磁石埋込型モータのロータの要部拡大図 （ａ）および（ｂ）は、同磁石埋込型モータのロータの要部正面図およびその拡大図 同磁石埋込型モータのロータの要部拡大図 空隙寸法比率を横軸にとり、有効磁束量の度合いを縦軸にとった場合の特性を示す図 （ａ）および（ｂ）は、従来の磁石埋込型モータを示す図およびその要部拡大図 他の従来の磁石埋込型モータの要部を示す図

符号の説明

１０ ステータ
１１ ステータコア
１２ ステータコイル
１３ 位置検出センサ
１５ 回転軸
２０ ロータ
２１ ロータコア
２１ａ 隣接部
２２ 永久磁石
２２ａ 磁極境界部
２３ 挿入孔
２３ａ 磁石挿入部
２３ｂ 空間部
２３ｃ 保持壁面部
２３ｄ 突起部

Claims (3)

1. 永久磁石を挿入して埋め込む複数の挿入孔をロータコアの外周よりも径方向内側に形成し、前記挿入孔の周方向端部に、挿入孔の外周部から永久磁石の磁極境界部よりも径方向内側の位置まで永久磁石の各端部から空隙をなすように形成された空間部と、この空間部の径方向内側箇所から挿入孔の内周部までの間の少なくとも一部に形成されて、永久磁石を保持する保持壁面部とを設けた磁石埋込型モータ。
2. 保持壁面部は、空間部の径方向内側箇所から挿入孔の内周部までにわたって形成され、永久磁石のロータ半径方向に沿って延びる辺の、磁極境界部よりも径方向内側の部分に当接して、永久磁石をロータ回転方向の両側から保持する請求項１に記載の磁石埋込型モータ。
3. 永久磁石の表面部から磁極境界部までの寸法をａ、空間部における永久磁石の磁極境界部の周方向端部からの磁極境界線に沿った空隙寸法をｂと設定した場合に、ｂ／ａ≧１である請求項１または２に記載の磁石埋込型モータ。

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