JP2004236471A - 同期機の磁石半減型ロータ - Google Patents

Abstract

【課題】磁石収容孔部の両端の磁束漏れ防止空孔部とロータコアの外周面との間のブリッジを通して磁束が漏れ難い同期機の磁石半減型ロータを提供することである。
【解決手段】磁石半減型ロータのロータコア２１は、所定のピッチで軸方向へ貫設されて永久磁石を収容するｋ個の磁石収容孔２２部と、各磁石収容孔部の周方向両側に位置し永久磁石を収容せず軸方向に貫設される２ｋ個の磁束漏れ防止空孔部２５と、磁石収容孔部の径方向外側の外周面部分から成る第１極性の磁極部３１と、周方向に隣接する２つの磁束漏れ防止空孔部の間の外周面部分から成る第２極性の磁極部３４と、各磁束漏れ防止空孔部とロータコアの外周面との間の一対のブリッジ２８と、を有する。各ブリッジ２８の厚さは、ロータと固定子との間の間隙３６の大きさの０．５から３倍である。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は同期機の磁石半減型ロータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
永久磁石型同期機は、ステータコアとステータコイルとから成る円筒状の固定子（ステータ）の中空部に、ロータコアと永久磁石とから成る円柱状の回転子（ロータ）を配置して成る。ロータにおいて、永久磁石をロータコアの１極ピッチ毎に配置する場合がある。この場合、ロータコアの円周方向に複数に永久磁石を隔設し、永久磁石を含む複数の第１極性の磁極部と、永久磁石を含まない複数の第２極性の磁極部とを円周方向で交互に形成する。
【０００３】
複数の永久磁石はロータコアの外周面側が同じ極性（Ｎ極又はＳ極）となるように配置される場合が多い（例えば特開平４−７９７４１号及び実開平７−２００５０号参照）。永久磁石を含む磁極部ではロータコアの外周面が同じ第１極性となり、永久磁石を含まない磁極部では外周面が第１磁極とは逆の同じ第２極性となる。
【０００４】
このタイプのロータでは、磁石収容孔部の両端に形成する磁束漏れ防止空孔部の大きさや、この磁束漏れ防止空孔部とロータコアの外周面との間のブリッジの厚さ等がロータの特性に影響を及ぼすと考えられる。
【０００５】
磁束漏れ防止空孔部に関し、従来の永久磁石回転電機（特許文献１参照）では、図４に示すように、ロータコア１００に形成したくぼみ１０２に永久磁石１１０を挿入し、磁極片部１１２で覆っている。永久磁石１１０と磁極片部１０４との間の磁束漏れ防止空孔部１０５をブリッジ１０６で塞いでいる。
【０００６】
【特許文献１】
特許第３３０８８２８号
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の永久磁石回転電機では、磁束漏れ防止用空孔部１０５の半径方向寸法が永久磁石１１０の厚さと同程度であり、ブリッジ１０６の厚さが厚くなっている。これでは、ブリッジ１０６を流れる漏洩磁束により、有効磁束が減少して発生トルクが減少するという問題がある。
【０００８】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、磁石収容孔部の両端の磁束漏れ防止空孔部とロータコアの外周面との間のブリッジを通して磁束が漏れ難い同期機の磁石半減型ロータを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本願の発明者は、ブリッジにおける磁束の漏れの防止にはブリッジの厚さを薄くすることが有効で、そのためには磁石収容孔部の両端に連続して所定形状及び大きさの磁束漏れ防止空孔部を形成し、ブリッジの厚さをステータとロータとの間の間隙の大きさとの関係で決めることを思い付いて、本発明を完成した。
【００１０】
本発明による同期機の磁石半減型ロータは、請求項１に記載したように、ロータコアと、該ロータコアの外周面近傍に埋設されるｋ個の永久磁石とから成る。
前記ロータコアは、角度θｎ（＝３６０度／ｋ）のピッチで軸方向へ貫設されて前記永久磁石を個別に収容するｋ個の磁石収容孔部と、前記各磁石収容孔部の周方向両側に位置し前記永久磁石を収容することなく軸方向に貫設される２ｋ個の磁束漏れ防止空孔部と、前記磁石収容孔部の径方向外側の外周面部分により構成される第１極性の磁極部と、周方向に隣接する２つの前記磁束漏れ防止空孔部の間の外周面部分により構成される第２極性の磁極部と、各該磁束漏れ防止空孔部とロータコアの外周面との間の一対のブリッジとを有する。ロータは固定子とともに同期機を構成し、各前記ブリッジの厚さは、ロータと固定子との間の間隙の大きさの０．５から３倍であることを特徴とする。
【００１１】
このロータにおいて、ロータの磁石収容孔部の両端のブリッジの厚さは、ロータと固定子との間の間隙の大きさの０．５から３倍と薄くされているので、磁束がブリッジを通して円周方向に漏れ難い。
【００１２】
請求項２のロータは、請求項１において、各ブリッジの厚さは全体にわたって一定で、ブリッジを通る磁束が飽和する。請求項３のロータは、請求項１において、各磁束漏れ防止空孔部は断面直角三角形状で、斜辺がロータコアの外周面に沿っている。請求項４のロータは、請求項１において、第１極性の磁極部の円周方向寸法は、第２極性の磁極部の円周方向寸法よりも大きい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
＜同期機＞
代表的な同期機として永久磁石型同期モータがある。その円筒状のステータはステータコアとコイルとを含み、円柱状のロータはロータコアと永久磁石とを含む。ステータコアの内周面とロータコアの外周面との間の間隙の大きさは、ロータとステータとの間の磁束の流れ等を考慮して、一般に０．５から０．８ｍｍに選定される。
【００１４】
＜ロータ（回転子）＞
ロータはロータコアと、ロータコアの円周方向に隔設されたｋ個（具体的には、２から４個程度）の永久磁石とから成る。このうち、ロータコアは、角度θｎ（＝３６０度／ｋ）のピッチで軸方向に貫通したｋ個の磁石収容孔部、各磁石収容孔部の両端部に位置し軸方向に貫通した２ｋ個の磁束漏れ防止空孔部、及び各磁束漏れ防止空孔部とロータコアの外周面との間の２ｋ個のブリッジとを備えている。横断面視又は端面視で磁石収容孔部はロータコアの半径方向と直交する方向に延び、その両端に連続して一対の磁束漏れ防止空孔部が形成されている。
【００１５】
磁束漏れ防止空孔部は断面直角三角形状を持ち、一辺（底壁）が磁石収容孔部の底壁に連続し、他辺（側壁）が磁石収容孔部の側壁に一致することができる。
尚、永久磁石は希土類磁石であることが望ましい。以上の結果、ロータは永久磁石を含むｋ個の第１極性の磁極部と、含まないｋ個の第２極性の磁極部とが円周方向で交互に形成され、合計で２ｋ個の磁極部を持つことになる
ブリッジの厚さは、磁束の漏れの防止の点から薄い方が望ましいが、所定厚さを越えて薄くすることには製造上、強度上の問題がある。また、所定厚さを越えて厚くすると、従来例と同様の問題生ずるおそれがある。本発明では、必要トルクが確保できる間隙磁束密度を得る観点から、ステータとロータとの間の間隙の大きさとの関係でブリッジの厚さを決めている
図３のグラフを参照しつつ詳述する。このグラフにおいて、横軸はステータとロータとの間の間隙の大きさ（Ｌｇ）に対する、ロータコアの磁束漏れ防止空孔部とロータコアの外周面との間のブリッジの厚さ（ｔ）の比ｔ／Ｌｇである。ブリッジの厚さが厚くなればこの比が大きくなり、薄くなれば小さくなる。一方、縦軸はステータとロータとの間の間隙を通過する磁束の密度（間隙磁束密度比）である。
【００１６】
間隙の大きさとブリッジの厚さが等しいとき（比ｔ／Ｌｇが１の時）の間隙磁束密度比を１とした上で、比ｔ／Ｌｇの変化に対する間隙磁束密度比の変化を示している。比ｔ／Ｌｇの値が３のとき、間隙磁束密度比は約０．７９である。ブリッジ厚さが薄いために比ｔ／Ｌｇが０．５より小さいと、構造が成立しない。
間隙の大きさＬｇが大きいためにｔ／Ｌｇが０．５より小さいと、間隙の磁束密度が低下する。逆に、ブリッジ厚さが厚いために比ｔ／Ｌｇが３より大きい場合は、ブリッジでの磁束漏れが多くなる。
【００１７】
間隙磁束密度比とはロータと固定子との間の間隙（ギャップ）を通過する磁束の量であり、この値を０．５から３の範囲に設定すれば同期機として実用上問題はない。
【００１８】
【実施例】
以下、本発明の実施例を添付図面に基づき説明する。
（構成）
図１及び図２に示す永久磁石型同期モータ（ブラシレスモータ）は、ステータ１０とロータ２０とから成る。ステータ１０はステータコア１１とステータコイル１７とを含む。ステータコア１１は円筒形状を有し、外径が約８５ｍｍ、内径が約５１ｍｍである。一端面から他端面まで軸方向に貫通した多数のコイル挿入穴１２が円周方向に隔設され、隣接するコイル挿入穴間に多数のティース（歯部）１３が形成されている。コイル挿入穴１２の幅（円周方向の寸法）は一定で、複数本のコイル１７が挿入されている。
【００１９】
ロータ２０はロータコア２１と永久磁石３０とを含む。ロータコア２１は円柱形状を有し、外径が約５０ｍｍである。一端面から他端面まで軸方向に貫通する３つの磁石収容孔部２２が円周方向に隔設されている。横断面視で磁石収容孔部２２は横長形状を持ち、ロータコア２１の半径と直交する方向、換言すればロータコア２１の円形の外周面２４に対して弦となるように延びている。
【００２０】
磁石収容孔部２２の両端には、これに連続して、僅かな段差で一対の磁束漏れ防止空孔部２５（以下、実施例では「空孔部」と呼ぶ）が形成されている。この実施例では３つの磁石収容孔部２２が形成されているので、ピッチは３６０度／３＝１２０度である。
【００２１】
空孔部２５はほぼ直角二等辺三角形状を持ち、底壁２６ａが磁石収容孔部２２の底壁２３ａに連続してロータコア２１の外周面２４近くまで延びている。側壁２６ｂが磁石収容孔部２２の側壁２３ｂと一致している。斜辺２６ｃはロータコア２１の外周面２４に沿って延び、その結果薄くて厚さが一定のブリッジ２８が形成されている。
【００２２】
各磁石収容孔部２２に内面側にＳ極、外面側にＮ極を持つ薄い矩形板形状の永久磁石３０が挿入され、ロータコア２１の外周面２４はＮ極で中心側はＳ極の磁極部３１が形成されている。その結果、隣接する磁石収容孔部２２間に位置する突出部３２により形成される磁極部３４は外周面２４側がＳ極となる。磁極部３１の永久磁石３０の円周方向寸法Ｗ１は、磁極部３４の突出部３２の円周方向寸法（より正確には隣接する磁束漏れ防止空孔部２５間の距離）Ｗ２の約１．１倍である。
【００２３】
ステータコア２１の内周面１４とロータコア２１の外周面２４との間には隙間３６が形成されている。この隙間３６の厚さ（半径方向寸法）は円周方向及び軸方向の全長にわたって一定で、ブリッジ２８の厚さとほぼ等しくされている。
（作用効果）
ロータ２０の磁束は磁極部３１のＮ磁から出て磁極部３４のＳ極に至り、磁極部３１のＳ極に至る。磁極センサ（不図示）により検出したロータ２０の磁極の位置に対応するステータ１０のコイル１７に電流を流すと、永久磁石３０の磁束とコイル１７に流れる電流との相互作用によってロータ２０が回転する。
【００２４】
上述したように、本実施例では、ブリッジ２８の厚さを間隙３６の大きさとほぼ等しくした上で、磁極部３１を磁極部４３よりも長くした。これにより以下の効果が得られる。第１に、ロータコア２１において、磁石収容孔部２２の両端部のブリッジ２８において磁束が円周方向に漏れ難くなる。ブリッジ２８の厚さを間隙３６の厚さと同程度まで薄くし、ブリッジ２８を流れる磁束を飽和させたからである。
【００２５】
第２に、所望の厚さのブリッジ２８が容易に形成できる。磁石収容孔部２２の両端に連続して一対の直角二等辺三角形状の空孔部２５を形成し、その斜辺をロータコア２１の外周面に沿わせたことによる。なお、空孔部２５の側壁２６ｂの高さ（半径方向寸法）を磁石収容孔部２２の側壁２３ｂの高さよりも相当高くしている。これは、永久磁石３０の両端において空隙２５内に漏れる磁束を減らすためである。
【００２６】
ロータ２０の特性の向上（特に磁極部３１と磁極部３４との磁束量の均衡）が第３の効果である。これは、磁極部３１の円周方向長さＷ１を磁極部３４の円周方向長さＷ２よりも少し長くしたことにより得られた。
【００２７】
最後に、３つの永久磁石３０しか収容されていないロータ２０でありながら、６つの永久磁石３０が収容されたロータと同等の磁束密度が得られる。その結果、磁石の個数が半減でき、大幅なコストダウンが図れる。これに対して、磁極部３１の円周方向長さを磁極部３４のそれよりも短くすると（例えば、特許第３１４２００２号参照）、磁極部３１の磁束量が低下するため、特性が低下する。
【００２８】
【発明の効果】
以上述べてきたように、本発明の同期機の磁石半減型ロータによれば、ロータの磁石収容孔部の両端の磁束漏れ防止空孔部とロータの外周面との間に形成されたブリッジは厚さが薄く、磁束はブリッジを通して円周方向に漏れ難い。よって、殆どの磁束がロータから固定子に又は固定子からロータに流れ、ロータの特性が向上する。
【００２９】
請求項２のロータによれば、ブリッジでの磁束の飽和により、磁束がロータのブリッジをより流れ難くなる。 請求項３のロータによれば、磁石収容孔部の両端の直角三角形状の磁束漏れ防止空孔部の形成により、所望の厚さのブリッジを容易に形成することができる。請求項４のロータによれば、第１極性の磁極部での磁束量と第２極性の磁極部での磁束量とが均衡し、ロータの特性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を要部端面図である。
【図２】上記実施例のロータの横断面図である。
【図３】上記実施例の作動を説明するグラフである。
【図４】従来のロータを示す横断面図である。
【符号の説明】
１０：ステータ １１：ステータコア
１７：コイル ２０：ロータ
２１：ロータコア ２２：磁石収容孔部
２５：磁束漏れ防止空孔部 ２８：ブリッジ
３０：永久磁石 ３１、３４：磁極部
３２：突出部 ３６：間隙

Claims (4)

1. ロータコアと、該ロータコアの外周面近傍に埋設されるｋ個の永久磁石とから成り、
   前記ロータコアは、角度θｎ（＝３６０度／ｋ）のピッチで軸方向へ貫設されて前記永久磁石を個別に収容するｋ個の磁石収容孔部と、前記各磁石収容孔部の周方向両側に位置し前記永久磁石を収容することなく軸方向に貫設される２ｋ個の磁束漏れ防止空孔部と、前記磁石収容孔部の径方向外側の外周面部分により構成される第１極性の磁極部と、周方向に隣接する２つの前記磁束漏れ防止空孔部の間の外周面部分により構成される第２極性の磁極部と、各該磁束漏れ防止空孔部と該ロータコアの外周面との間の一対のブリッジと、を有する同期機の磁石半減型ロータにおいて
   固定子とともに同期機を構成し、各前記ブリッジの厚さは、前記ロータと前記固定子との間の間隙の大きさの０．５から３倍であることを特徴とする同期機の磁石半減型ロータ。
2. 各前記ブリッジの厚さは全体に亘って一定で、各該ブリッジの磁束が飽和する請求項１に記載の同期機の磁石半減型ロータ。
3. 各前記磁束漏れ防止空孔部は断面直角三角形状で、斜辺が前記ロータコアの外周面に沿っている請求項１に記載の磁石半減型ロータ。
4. 前記第１極性の磁極部の円周方向寸法は、前記第２極性の磁極部の円周方向寸法よりも大きい請求項１に記載の磁石半減型ロータ。

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