JP2013074694A - 永久磁石埋設型電動モータ - Google Patents

Abstract

【課題】ロータコアを構成する鋼板における磁束漏れと応力集中の抑制を可能にした永久磁石埋設型電動モータを提供する。
【解決手段】支持部Ｙと永久磁石との間に形成した空隙部２２はｄ軸に平行な縁部２２Ｃにより曲面状の縁部２２Ａ、２２Ｂを接続する構成としたため、空隙部２２の領域を最も広く形成することができ、磁束漏れの抑制機能を高めることができる。一方、ロータの回転中に、支持部Ｙには、コア領域Ｘの遠心力に伴う荷重による応力が発生する。しかし、この応力は、空隙部２２の縁部２２Ａ及び縁部２２Ｂを曲面状に形成することにより、特定の箇所に応力集中する恐れが無くなり、支持部Ｙの強度設計が容易となる利点がある。特に、空隙部２２にｄ軸に平行な縁部２２Ｃを形成することにより、縁部２２Ａ、２２Ｂを曲率半径の大きな曲面に形成することができるため、応力の分散効果をより高めることができる。
【選択図】図３

Description

本願発明は、ロータに永久磁石を埋設した永久磁石埋設型電動モータに関する。

特許文献１には、強度を確保しつつ、磁気特性を向上させることができる永久磁石埋込式回転電機の提供を目的とする発明が開示されている。特許文献１に開示された回転子では、回転子の外側に向かって広がるように配置された２つの永久磁石を一極分として、回転子の内部に複数極分が埋め込まれている。また、永久磁石を埋め込む回転子は、構成の異なる２種類の第１及び第２積層鋼板を交互に積層した構成である。

即ち、第１積層鋼板には、２つの永久磁石を保持する２つの第１保持穴部と、２つの第１保持穴部の間に配置した２つの第１空洞部と、２つの永久磁石及び隣接する他の２つの永久磁石の間に配置した２つの第２空洞部とを一極分として、複数極分が形成されている。第２積層鋼板には、２つの永久磁石を保持する２つの第２保持穴部と、２つの第２保持穴部の間に配置した２つの第３空洞部と、第１積層鋼板の第２空洞部と重なるように配置されるとともに回転子の外縁まで通じる２つの切欠部とを一極分として、複数極分が形成されている。回転子の鉄心は、第１積層鋼板と第２積層鋼板とを交互に積層することにより構成されている。また、第２積層鋼板の存在により外縁部における磁束短絡が低減される。

特開２０１１−４４８０号公報

第２積層鋼板の構成では、２つの切欠部の存在により、２つの永久磁石と回転子の外縁とで囲まれる鉄心部分は、中央支持部として説明されている２つの永久磁石の間に位置する鉄心部分によって支持される。従って、中央支持部には、回転子の遠心力に伴う荷重による応力集中が生じ、中央支持部を破損し易いという問題がある。このため、中央支持部の面積を広く取り、強度を高める必要があるが、逆に、中央支持部を広くすると、磁束漏れを生じ易くなるという問題がある。

本願発明は、ロータコアを構成する鋼板における磁束漏れと応力集中の抑制を可能にした永久磁石埋設型電動モータを提供する。

請求項１は、回転軸を有するロータ及びコイルを有するステータを備え、前記ロータは前記回転軸の軸方向に鋼板を複数枚積層して形成したロータコアと前記ロータコアに埋設された永久磁石によって構成される永久磁石埋設型電動モータにおいて、前記鋼板のうち少なくとも１枚は外縁に向けて広がるように穿設された一対の磁石挿入孔を複数対有し、前記磁石挿入孔のｑ軸側端部には、外縁に開口する切欠き部が接続され、前記磁石挿入孔のd軸側端部には空隙部が存在し、前記鋼板の外縁側には、一対の前記磁石挿入孔及び前記切欠き部により囲まれるコア領域が形成され、一対の前記空隙部の間には前記コア領域を支持する支持部が形成され、前記空隙部のd軸方向の両端の縁部はd軸から離れるように曲線状に形成されていることを特徴とする。

請求項１によれば、一対の永久磁石と支持部との間に空隙部を形成することにより磁束漏れの抑制を図るとともに空隙部に挟まれた支持部の両端を曲線状にすることにより応力集中の抑制を可能にした。

請求項２は、前記空隙部について、d軸方向の両端以外の縁部はd軸と平行な直線で構成されたことを特徴とする。請求項２によれば、支持部の強度上の必要幅を保ちながら、空隙部の領域を最も広く形成することができ、漏れ磁束をより効果的に減少させることができる。

請求項３は、前記磁石挿入孔に前記永久磁石が挿入された状態において、前記永久磁石のd軸側端部には面取り加工が施されていることを特徴とする。請求項３によれば、空隙部の内部にも永久磁石の端部を挿入させることができるので、磁石の幅を実質的に長くすることができる。このため、ロータコアを大型化することなく、モータ効率を高めることができ、電動モータの運転効率を高めることができる。

請求項４は、前記切欠き部は、前記磁石挿入孔からｄ軸側へと屈曲して延長され、前記鋼板の外縁に開口することを特徴とする。請求項４によれば、コア領域の面積を可能な限り小さくすることができる。このため、コア領域の遠心力を小さくし、支持部へかかる応力をより小さくすることができる。

本願発明は、ロータコアにおいて、磁束漏れを抑制し、ロータの回転時に発生する応力集中を抑制することができる。

第１の実施形態を示す電動モータのロータ及びステータの側面図である。 ロータコアをなす鋼板を示す側面図である。 ロータコアをなす鋼板の部分拡大図である。 永久磁石を埋設した鋼板の部分拡大図である。 第２の実施形態を示す永久磁石を埋設した鋼板の部分拡大図である。 第３の実施形態を示す永久磁石を埋設した鋼板の部分拡大図である。

（第１の実施形態）
第１の実施形態は、車両に搭載される永久磁石埋設型電動モータに本願発明を実施した例を示すもので、図１〜図４に基づき説明する。図１において、永久磁石埋設型電動モータ１は、ロータ２とロータ２の外周に配置されるステータ３を備えている。ロータ２を構成するロータコア４は磁性体からなる鋼板を複数枚積層することにより構成されている。また、ロータコア４の中心に形成した回転軸孔５には、回転軸（図示せず）が挿入され、圧入あるいは接着剤、キー等の適宜手段により固定される。なお、図１〜図４に示したｄ軸は後述する一対の永久磁石３０（他の対の永久磁石においても同様）間の中心を通り、回転軸孔５の中心に交差する仮想軸である。また、ｑ軸は後述する隣接する磁極の異なる永久磁石３０の間の中心を通り、回転軸孔５の中心に交差する仮想軸である。ｄ軸およびｑ軸は永久磁石埋設型電動モータの性能評価で広く用いられるものである。また、ステータ３には、コイル３Ａが巻線されている。

ロータコア４をなす鋼板には、図２に示すように、２つの磁石挿入孔６が一対となってｄ軸に線対称となるように配置され、鋼板の外縁４Ａに向けてＶ字状に広がるように穿設されている。ロータコア４の全域には、８対の磁石挿入孔６〜１３が均等に配置されるように穿設されている。ｑ軸側端部において、一対の磁石挿入孔６には、それぞれ所定の角度に屈曲する形で延長され、外縁４Ａに開口される２つの切欠き部１４が一対となるように接続されている。同様に他の７対の磁石挿入孔７〜１３には、切欠き部１４と同一形状の一対の切欠き部１５〜２１がそれぞれ接続されている。

また、一対の磁石挿入孔６には、それぞれ切欠き部１４と反対側（ｄ軸側端部）に形成された２つの空隙部２２が一対となるように形成されている。同様に他の７対の磁石挿入孔７〜１３には、空隙部２２と同一形状の一対の空隙部２３〜２９がそれぞれ接続されている。空隙部２２は、ロータコア４の外縁４Ａ側（ｄ軸における外側）に位置する磁石挿入孔６の縁部６Ａと接続する縁部２２Ａ及びロータコア４の回転軸孔５側（ｄ軸における内側）に位置する縁部６Ｂと接続する縁部２２Ｂを備え、ｄ軸方向の両端の縁部２２Ａ、２２Ｂはｄ軸から離れるように曲線状に形成されている。また、縁部２２Ａ及び縁部２２Ｂのｄ軸方向の両端以外は、それぞれｄ軸に平行な直線で形成された縁部２２Ｃにより接続されている。ｄ軸と平行な縁部２２Ｃの形成は、縁部２２Ｃがｄ軸に平行でない場合に比し、最低限の強度を確保しつつ空隙部２２が形成される領域を最も広く設定することが可能である。

鋼板の外縁４Ａ側には、一対の切欠き部１４の形成により分断され、一対の磁石挿入孔６により囲まれるコア領域Ｘが形成され、一対の空隙部２２の間、即ち一対の空隙部２２の各縁部２２Ｃの間に幅Ｌ１を有する支持部Ｙが形成される。支持部Ｙはコア領域Ｘを支持し、ロータ２の回転時にコア領域Ｘの遠心力に伴う荷重が全てかかる位置となる。このため、支持部Ｙの幅Ｌ１は、コア領域Ｘの遠心力による負荷に対応可能な大きさに設定されている。なお、コア領域Ｘ及び支持部Ｙは、他の各対をなす磁石挿入孔７〜１３、切欠き部１５〜２１及び空隙部２３〜２９においても同様に形成されている。

図４に示すように、各対の磁石挿入孔６〜１３には、それぞれネオジム磁石等の希土類磁石で構成される平板状の永久磁石３０が埋設されている。一対の磁石挿入孔６に埋設された２つの永久磁石３０は一対で１極分を構成し、ロータコア４には８対の永久磁石３０が埋設され、８極分が形成されている。なお、永久磁石３０は、希土類磁石に限らず、合金磁石やフェライト磁石等の他の磁石を用いることが可能である。また、本願明細書及び特許請求の範囲で説明する磁石挿入孔６〜１３とは、永久磁石３０が埋設された時の永久磁石３０と鋼板の接触領域の幅Ｌ２に相当する幅の空間部分を指すものとする。この場合に、幅Ｌ２とは、鋼板の外縁４Ａに向けてＶ字状に延びる方向を指すものとする。

一対の磁石挿入孔６を延長して一対の切欠き部１４を形成する構成は、鋼板の外縁４Ａ側において、一対の永久磁石３０と、隣接する磁極の異なる永久磁石３０との間（ｑ軸）における磁束漏れを抑制する利点がある。また、図３に示すように、一対の切欠き部１４が一対の磁石挿入孔６から屈曲してロータコア４の外縁４Ａに開口する構成は、一対の切欠き部１４が一対の磁石挿入孔６の直線的な延長線上に形成される構成に比して、コア領域Ｘの面積を可能な限り小さくすることができる。このため、コア領域Ｘの遠心力を小さくし、支持部Ｙへかかる応力をより小さくすることが可能である。

支持部Ｙの領域が大きくなると、一対の永久磁石３０の間において支持部Ｙを経由した磁束の短絡が生じ易くなり、磁束漏れが増大する。しかし、支持部Ｙと永久磁石３０との間に形成された空隙部２２〜２９はｄ軸に平行な縁部２２Ｃにより曲線状の縁部２２Ａ、２２Ｂを接続する構成としたため、空隙部２２〜２９の各領域を最も広く形成することができ、磁束漏れの抑制機能をより高めることができる。従って、磁束漏れの抑制はモータ効率を高め、永久磁石埋設型電動モータ１の効率の良い運転を可能とする。

一方、ロータ２の回転中に、支持部Ｙには、コア領域Ｘの遠心力に伴う荷重による応力が発生する。しかし、この応力は、空隙部２２〜２９の各縁部２２Ａ及び各縁部２２Ｂが共に曲線状に形成されているため、特定の箇所に応力集中する恐れが無く、支持部Ｙが破断してモータが故障するリスクが低減される利点がある。

本願発明は、前記した各実施形態の構成に限定されるものではなく、本願発明の趣旨の範囲内で種々の変更が可能であり、次のように実施することができる。

（１）第１の実施形態における空隙部２２〜２９は、図５に示した第２の実施形態に変更することが可能である。第２の実施形態における空隙部４２〜４９（図５には、一対の空隙部４２及び一対の空隙部４３、４９の一部のみを示している）は、支持部Ｙの幅Ｌ１を空けてｄ軸に平行な縁部５０と、磁石挿入孔６〜１３における鋼板の外縁４Ａ側（ｄ軸における外側）及び回転軸孔５側（ｄ軸における内側）に位置する縁部に接続する曲面状の縁部５１、５２を備えている。回転軸孔５側の曲面状の縁部５２は、第１の実施形態と同様に、磁石挿入孔６〜１３の幅方向に膨らみを有するように形成されているが、外縁４Ａ側の曲面状の縁部５１は、磁石挿入孔６〜１３の厚み方向に膨らみを有するように形成されている。なお、曲面状の縁部５１、５２は、膨らみ方向の形成を図５の例と逆の位置に形成するか、共に磁石挿入孔６〜１３の幅方向と交差する方向に形成しても良い。第２の実施形態のように空隙部４２〜４９を形成しても、第１の実施形態と同様に、支持部Ｙにおける磁束漏れ及び応力集中を抑制することができる。

（２）第１の実施形態における永久磁石３０は、図６に示した第３の実施形態に変更することが可能である。第３の実施形態における永久磁石６４は、磁石挿入孔６〜１３（図６には、一対の磁石挿入孔６及び一対の磁石挿入孔７、１３の一部のみを示している）に挿入した時、ｄ軸側端部に位置する角部６５、６６に面取りを施した形状に構成されている。第３の実施形態における永久磁石６４は、角部６５、６６に面取りを施した形状であるため、空隙部２２〜２９の空間内にその一部を進入させることができ、永久磁石６４の幅を実質的に長くすることができる。このため、ロータコア４を大型化することなく、モータ効率を高めることができ、永久磁石埋設型電動モータ１の運転効率を高めることができる。角部６５、６６の形状は面取り加工に限らず、円弧面等の曲面やその他の形状に加工することも可能である。

（３）前記各実施形態に示された空隙部２２〜２９及び４２〜４９は、樹脂を充填して構成することができる。充填された樹脂は、隣接する一対の永久磁石３０、６４間における磁束の短絡を抑制し、磁束漏れを低減することができる。また、樹脂は、永久磁石３０、６４を磁石挿入孔６〜１３に固定する機能を得ることができる。

（４）ロータコア４は磁性体からなる鋼板を複数枚積層することにより構成されているが、実施形態に示した形状の鋼板のみを積層した構造だけに限定されず、永久磁石を装入できるのであれば、他の形状の鋼板を混合して積層しても良い。

１ 永久磁石埋設型電動モータ
２ ロータ
３ ステータ
４ ロータコア
４Ａ 外周面
６〜１３ 磁石挿入孔
６Ａ、６Ｂ、２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ、５０、５１、５２、６１ 縁部
１４〜２１ 切欠き部
２２〜２９、４２〜４９ 空隙部
３０、６４ 永久磁石
６５、６６ 角部
Ｌ１ 支持部の幅
Ｌ２ 永久磁石の幅
Ｘ コア領域
Ｙ 支持部
Ｚ 中心線

Claims (4)

1. 回転軸を有するロータ及びコイルを有するステータを備え、前記ロータは前記回転軸の軸方向に鋼板を複数枚積層して形成したロータコアと前記ロータコアに埋設された永久磁石によって構成される永久磁石埋設型電動モータにおいて、
   前記鋼板のうち少なくとも１枚は外縁に向けて広がるように穿設された一対の磁石挿入孔を複数対有し、前記磁石挿入孔のｑ軸側端部には、外縁に開口する切欠き部が接続され、前記磁石挿入孔のd軸側端部には空隙部が存在し、前記鋼板の外縁側には、一対の前記磁石挿入孔及び前記切欠き部により囲まれるコア領域が形成され、一対の前記空隙部の間には前記コア領域を支持する支持部が形成され、前記空隙部のd軸方向の両端の縁部はd軸から離れるように曲線状に形成されていることを特徴とする永久磁石埋設型電動モータ。
2. 前記空隙部について、d軸方向の両端以外の縁部はd軸と平行な直線で構成されたことを特徴とする請求項１に記載の永久磁石埋設型電動モータ。
3. 前記磁石挿入孔に前記永久磁石が挿入された状態において、前記永久磁石のd軸側端部には面取り加工が施されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の永久磁石埋設型電動モータ。
4. 前記切欠き部は、前記磁石挿入孔からｄ軸側へと屈曲して延長され、前記鋼板の外縁に開口することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の永久磁石埋設型電動モータ。

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