(57)【要約】【課題】永久磁石型ロータの磁束密度を高める技術を提供する。【解決手段】永久磁石型ロータ１００は、ロータコア１１０と、ロータの外周面に複数の磁極を構成する複数の永久磁石とを備える。１磁極を構成する永久磁石群１２０は、ロータの径方向に着磁された第１磁石１２１と、第１磁石よりもロータコアの内側に配置されてロータの径方向に着磁された第２磁石１２２と、第１磁石の両側にそれぞれ配置されてロータの周方向に着磁された第３磁石１２３と、第２磁石の両側にそれぞれ配置されてロータの周方向に着磁された第４磁石１２４と、を含む。ロータコアは、第１磁石と第２磁石との間の部分から第３磁石と第４磁石との間の部分を経由してロータの外周面に達する磁路に沿って連続する共通コア部１１２を有する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
永久磁石型のロータ（１００，１００ａ）であって、
強磁性体のコア材で形成された中空円筒状のロータコア（１１０）と、
前記ロータコアに保持されて、前記ロータの外周面に複数の磁極（１３０Ｎ，１３０Ｓ）を構成する複数の永久磁石（１２１〜１２４）と、
を備え、
前記複数の永久磁石のうち、１磁極を構成する永久磁石群は、
前記ロータの径方向に着磁された第１磁石（１２１，１２１ａ，１２１ｂ）と、
前記第１磁石よりも前記ロータコアの内側に配置され、前記ロータの径方向に着磁された第２磁石（１２２，１２２ａ，１２２ｂ）と、
前記第１磁石の両側にそれぞれ配置され、前記ロータの外周面での前記第１磁石による磁束密度を高めるように、前記ロータの周方向に着磁された第３磁石（１２３）と、
前記第２磁石の両側にそれぞれ配置され、前記ロータの周方向に着磁された第４磁石（１２４，１２４ａ，１２４ｂ）と、
を含み、
前記ロータコアは、前記第１磁石と前記第２磁石との間の部分から前記第３磁石と前記第４磁石との間の部分を経由して前記ロータの外周面に達する磁路に沿って連続する共通コア部（１１２）を有する、ロータ。
【請求項２】
請求項１に記載のロータであって、
前記第３磁石は、前記第１磁石の両側面にそれぞれ接した状態で配置され、
前記第３磁石の径方向の寸法（Ｈ１２３）は、前記第１磁石の径方向の寸法（Ｈ１２１）以上である、ロータ。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のロータであって、
前記第４磁石は、前記第２磁石の両側面にそれぞれ接した状態で配置され、
前記第４磁石の径方向の寸法（Ｈ１２４）は、前記第２磁石の径方向の寸法（Ｈ１２２）以上である、ロータ。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載のロータであって、
前記第４磁石は、前記ロータの周方向に沿って隣り合う第１部分（１２４ａ）と第２部分（１２４ｂ）とに分割されており、前記第４磁石の前記第１部分は前記１磁極を構成し、前記第４磁石の前記第２部分は前記１磁極に隣接する他の磁極を構成し、前記第４磁石の前記第１部分と前記第２部分との間には前記ロータコアの一部（Ｃ４）が存在する、ロータ。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載のロータであって、
前記第１磁石は、前記ロータの周方向に沿って隣り合う第１部分（１２１ａ）と第２部分（１２１ｂ）とに分割されており、前記第１磁石の前記第１部分と前記第２部分との間には前記ロータコアの一部である第１コア部（Ｃ１）が存在する、ロータ。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一項に記載のロータであって、
前記第２磁石は、前記ロータの周方向に沿って隣り合う第１部分（１２２ａ）と第２部分（１２２ｂ）とに分割されており、前記第２磁石の前記第１部分と前記第２部分との間には前記ロータコアの一部である第２コア部（Ｃ２）が存在する、ロータ。
【請求項７】
請求項５に従属する請求項６に記載のロータであって、
前記ロータの周方向に沿った前記第２コア部の寸法（Ｗ２）は、前記ロータの周方向に沿った前記第１コア部の寸法（Ｗ１）よりも大きい、ロータ。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか一項に記載のロータであって、
前記共通コア部は、前記第１磁石と前記第２磁石との間の距離に相当する前記共通コア部の寸法（Ｌ１）が、前記第３磁石と前記第４磁石との間の距離に相当する前記共通コア部の寸法（Ｌ２）よりも大きい、ロータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、電動機に用いられる永久磁石型ロータに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１では、複数の永久磁石と複数のコア片とを有する永久磁石型ロータが開示されている。複数の永久磁石は、２つのコア片の間に配置される第１の永久磁石と、２つのコア片の両側に配置される第２の永久磁石を有する。第１の永久磁石は半径方向に沿って着磁され、第２の永久磁石は周方向に着磁されている。第１の永久磁石の両側にあるコア片の一面はロータ表面に現れており、他の面は第１及び第２の永久磁石の側面と接触している。第２の永久磁石とコア片との接触面は、径方向に延びている。コア片は、第２の永久磁石と接触する接触面の面積が、ロータ表面に現れているコア片の表面積よりも大きく形成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第５１９４９８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述した従来技術の永久磁石型ロータの構造では、更にトルクを高めようとすると、ロータの外周面に現れるコア片の表面における磁束密度を高めるために、第２の永久磁石と接触するコア片の接触面の面積を増大させる必要が生じる。しかし、このような接触面の面積の増大は、コア片の径方向の寸法の増大を意味するので、ロータ重量が過度に増加してしまう可能性があるという問題がある。そこで、上述した従来技術と異なる構造でロータの磁束密度を高める技術が望まれる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本開示の一形態によれば、永久磁石型のロータ（１００）が提供される。このロータは、強磁性体のコア材で形成された中空円筒状のロータコア（１１０）と、前記ロータコアに保持されて、前記ロータの外周面に複数の磁極（１３０Ｎ，１３０Ｓ）を構成する複数の永久磁石（１２１〜１２４）と、を備える。前記複数の永久磁石のうち、１磁極を構成する永久磁石群（１２０）は、前記ロータの径方向に着磁された第１磁石（１２１）と、前記第１磁石よりも前記ロータコアの内側に配置され、前記ロータの径方向に着磁された第２磁石（１２２）と、前記第１磁石の両側にそれぞれ配置され、前記ロータの外周面での前記第１磁石による磁束密度を高めるように、前記ロータの周方向に着磁された第３磁石（１２３）と、前記第２磁石の両側にそれぞれ配置され、前記ロータの周方向に着磁された第４磁石（１２４）と、を含む。前記ロータコアは、前記第１磁石と前記第２磁石との間の部分から前記第３磁石と前記第４磁石との間の部分を経由して前記ロータの外周面に達する磁路に沿って連続する共通コア部（１１２）を有する。
【０００６】
この永久磁石型ロータによれば、電機子（ステータ）からの磁界を受けると、共通コア部に電機子磁束が流れようとし、この電機子磁束によって磁石磁束の方向が傾いてコア表面に流れようとするので、ロータの外周面における磁束密度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】第１実施形態の永久磁石型モータの構成を示す断面図。
【図２】永久磁石型ロータの一部拡大図。
【図３】電機子磁束が無い状態における磁極の磁束を示す説明図。
【図４】電機子磁束がある状態における磁極の磁束を示す説明図。
【図５】第２実施形態の永久磁石型ロータの構成を示す説明図。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
Ａ．第１実施形態：
図１に示すように、第１実施形態の永久磁石型モータ３００は、永久磁石型ロータ１００と、ステータ２００とを備える。以下では、永久磁石型ロータ１００を単に「ロータ１００」と呼ぶ。
【０００９】
ロータ１００は、強磁性体のコア材で形成されたロータコア１１０と、ロータコア１１０内に保持されてロータ１００の外周面に複数の磁極を構成する永久磁石群１２０と、を備える。ロータコア１１０は、円板状又は円環状のコアシートとして形成された複数のコア材を積層することによって構成されており、全体として中空円筒状を有している。コア材は、通常は軟磁性体で形成されている。永久磁石群１２０は、コア材によってロータコア１１０内に保持されている。後述するように、１極を構成する永久磁石群１２０は、第１磁石１２１と、第２磁石１２２と、第３磁石１２３と、第４磁石１２４とを含む。ロータ１００内の複数の第１磁石１２１は、ロータ１００の中心軸ＣＸを中心とした回転対称の位置に配置されている。他の磁石１２２〜１２４も同様である。１極を構成する磁石１２１〜１２４の配置や寸法については後述する。
【００１０】
ステータ２００は、ロータ１００の外周面からロータギャップを隔てて配置されており、複数のスロット２２０が設けられたステーコア２１０と、各スロット２２０内に収容された電磁コイル２３０とを有する。
【００１１】
図１の例では、ロータ１００の磁極数は１２であり、ステータ２００のスロット数は３６であるが、これらは任意の所望の値に設定可能である。また、第１実施形態のロータ１００は、ロータコア１１０の中に永久磁石が埋め込まれている埋込磁石型ロータであるが、本開示はロータコア１１０の表面に永久磁石の一部が露出している表面磁石型ロータにも適用可能である。
【００１２】
図２に示すように、ロータ１００の外周面には、複数の磁極１３０Ｎ，１３０Ｓが形成されている。第１の磁極１３０ＮはＮ極であり、第２の磁極１３０ＳはＳ極である。これらの磁極１３０Ｎ，１３０Ｓは、交互に配置されている。
【００１３】
１つの磁極１３０Ｎを構成する永久磁石群は、第１磁石１２１と、第２磁石１２２と、第３磁石１２３と、第４磁石１２４とを含む。各磁石１２１〜１２４に描かれている白抜きの矢印は、着磁方向を示している。第１磁石１２１は、ロータ１００の径方向に平行な方向に着磁されている。磁極１３０Ｎを構成する第１磁石１２１では、その着磁方向はロータ１００の中心軸ＣＸから外側に向かう方向である。第２磁石１２２は、第１磁石１２１よりもロータコア１１０の内側に配置されており、第１磁石１２１と同じ方向に着磁されている。なお、「第１磁石１２１よりもロータコア１１０の内側」とは、ロータ１００の中心軸ＣＸにより近い位置を意味する。第３磁石１２３は、第１磁石１２１の両側にそれぞれ配置されており、第１磁石１２１によるロータ１００の外周面での磁束密度を高めるように、ロータ１００の周方向に平行な方向に着磁されている。磁極１３０Ｎを構成する第３磁石１２３では、その着磁方向は第３磁石１２３から第１磁石１２１に向かう方向である。なお、第１磁石１２１の両側に配置された２つの第３磁石１２３の着磁方向は、互いに反対向きである。「第１磁石１２１の両側に配置された」とは、ロータ１００の周方向に沿って第１磁石１２１と隣接する位置にそれぞれ配置されていることを意味する。第４磁石１２４は、第２磁石１２２の両側にそれぞれ配置されており、第３磁石１２３と同じ第２方向に着磁されている。第２磁石１２２の両側に設けられた２つの第４磁石１２４の着磁方向も、互いに反対向きである。なお、第４磁石１２４の一部は、第２の磁極１３０Ｓを構成する磁石としても機能する。すなわち、ロータ１００の径方向と中心軸方向とに平行な面で第４磁石１２４を仮想的に切断した２つの部分のうちの一方が第１の磁極１３０Ｎを構成しており、他方が第２の磁極１３０Ｓを構成していると考えることができる。
【００１４】
図２において、第２の磁極１３０Ｓを構成する磁石１２１〜１２４には、それぞれの周方向の寸法Ｗ１２１〜Ｗ１２４と、径方向の寸法Ｈ１２１〜Ｈ１２４が示されている。本明細書において、或る磁石の「周方向の寸法」は、ロータ１００の中心軸ＣＸからその磁石の両端を見込む角度［ラジアン］で表される。例えば、或る磁石が１／１２の円環状の形状を有する場合には、その磁石の周方向の寸法は、π／６である。また、或る磁石の「径方向の寸法」は、ロータ１００の中心軸ＣＸから外側に放射状に延びる半径に沿って測ったその磁石の長さで表される。
【００１５】
第２磁石１２２の周方向の寸法Ｗ１２２は、第１磁石１２１の周方向の寸法Ｗ１２１よりも大きい。また、第２磁石１２２の周方向の寸法Ｗ１２２は、更に、第１磁石１２１とその両側にある２つの第３磁石１２３とを合わせた周方向の寸法（Ｗ１２１＋２×Ｗ１２３）よりも大きい。第３磁石１２３の径方向の寸法Ｈ１２３は、第１磁石１２１の径方向の寸法Ｈ１２１よりも大きい。第１磁石１２１の側面は、第１磁石１２１の両側にある第３磁石１２３の側面によってそれぞれ覆われている。これは、第３磁石１２３によって第１磁石１２１の磁束密度を十分に高めるためである。ここで、各磁石の「側面」は、ロータ１００の半径方向と中心軸方向とに平行な面を意味する。第４磁石１２４の径方向の寸法Ｈ１２４は、第２磁石１２２の径方向の寸法Ｈ１２２よりも大きい。これも、第４磁石１２４によって第２磁石１２２の磁束密度を十分に高めるためである。なお、第４磁石１２４の周方向の寸法Ｗ１２４は任意に設定可能である。なお、これらの磁石１２１〜１２４の配置や寸法の関係は一例であり、他の配置や寸法に設定してもよい。
【００１６】
第２の磁極１３０Ｓも第１の磁極１３０Ｎと同じ磁石構造を有しているが、各磁石の着磁方向は上述した第１の磁極１３０Ｎにおける着磁方向と逆である。
【００１７】
ロータコア１１０は、第１磁石１２１と第２磁石１２２との間の部分から、第３磁石１２３と第４磁石１２４との間の部分を経由してロータ１００の外周面に達する磁路に沿って連続する共通コア部１１２を有する。第３磁石１２３と第４磁石１２４との間の部分は、第１磁石１２１と第２磁石１２２の間の部分の両側にそれぞれ連続している。従って、共通コア部１１２及びその磁路の全体は、略Ｕ字状に屈曲した形状を有する。また、第３磁石１２３と第４磁石１２４との間にある共通コア部１１２の一部は、ロータ１００の外周面に露出している。
【００１８】
第１実施形態では、共通コア部１１２の寸法にも工夫がなされている。具体的には、共通コア部１１２の寸法のうち、第１磁石１２１と第２磁石１２２との間の距離に相当する共通コア部１１２の第１の寸法Ｌ１が、第３磁石１２３と第４磁石１２４との間の距離に相当する共通コア部１１２の第２の寸法Ｌ２よりも大きい。この構成の利点は以下の通りである。すなわち、共通コア部１１２においては、共通コア部１１２の屈曲部において磁束が集中するので、ここで磁気飽和が生じ易い。上述したように、第１の寸法Ｌ１を第２の寸法Ｌ２よりも大きくすれば、第１磁石１２１と第２磁石１２２との間の距離に相当する共通コア部１１２の寸法Ｌ１が大きくなるので、共通コア部１１２の屈曲部において磁気飽和を生じ難くすることができる。この結果、ロータ１００の外周面における磁束密度を高めることが可能である。但し、第１の寸法Ｌ１を第２の寸法Ｌ２以下としてもよい。
【００１９】
ロータコア１１０は、更に、第１磁石１２１と第３磁石１２３の外側を覆う外周コア部１１４と、第２磁石１２２と第４磁石１２４の内側を覆う内周コア部１１６とを有することが好ましい。外周コア部１１４は、第１磁石１２１の外周側の磁束密度を高める機能を有する。内周コア部１１６は、ロータ１００の機械的強度を高める機能を有する。
【００２０】
第３磁石１２３は、第１磁石１２１の両側面にそれぞれ接した状態で配置されている。また、第３磁石１２３の径方向の寸法Ｈ１２３は、第１磁石１２１の径方向の寸法Ｈ１２１以上である。この構成によれば、第３磁石１２３によって第１磁石１２１による磁束密度を更に高めることができ、磁気飽和により第１磁石１２１の磁束密度が十分に高くならない現象を防止できる。但し、第３磁石１２３を、第１磁石１２１の両側面に接しない状態で配置してもよい。
【００２１】
第４磁石１２４は、第２磁石１２２の両側面に接しておらず、離間した状態で配置されている。但し、第４磁石１２４は、第２磁石１２２の両側面にそれぞれ接した状態で配置されることが好ましい。このとき、第４磁石１２４の径方向の寸法Ｈ１２４は、第２磁石１２２の径方向の寸法Ｈ１２２以上であることが好ましい。この好ましい構成によれば、第４磁石１２４によって第２磁石１２２による磁束密度を更に高めることができ、磁気飽和により第２磁石１２２の磁束密度が十分に高くならない現象を防止できる。
【００２２】
図３に示すように、第１の磁極１３０Ｎにおいて、電機子磁束が無い状態では、第２磁石１２２から外側に向かう磁束Ψ１２２は、第１磁石１２１と第３磁石１２３に向けて収束している。なお、「電機子磁束」とは、ステータ２００の電磁コイル２３０に電流を流すことによって流れようとする磁束を意味する。永久磁石による磁束を「磁石磁束」と呼ぶ。第４磁石１２４から第３磁石１２３に向かう磁束Ψ１２４は、ほぼ周方向に平行か、又は、第３磁石１２３に向けて収束している。第１磁石１２１から外側に向かう磁束Ψ１２１は、ロータ１００の径方向とほぼ平行である。また、ロータ１００の外周面に露出している共通コア部１１２の露出面では、磁束がロータギャップに向けて発生していない。このように、電機子磁束が無い状態では、第１の磁極１３０Ｎにおいてロータギャップに向かう磁束は第１磁石１２１に起因する磁束Ψ１２１のみであり、ロータギャップに向かう磁束の発生面積が小さいので、第１の磁極１３０Ｎ全体の磁束密度が低い状態にある。これは第２の磁極１３０Ｓも同様である。なお、電機子磁束が無い状態でロータギャップに向かう磁束の発生面積が小さいことは、無負荷誘起電圧を抑制できることも意味している。すなわち、第１実施形態のロータ１００では、無負荷誘起電圧を抑制できるという利点も有する。
【００２３】
図４に示すように、白抜きの矢印で示す電機子磁束Ψacが流れようとする状態では、第１の磁極１３０Ｎの実質的な磁束は、この電機子磁束Ψacと図３で説明した各磁石による磁束とを合成したものとなる。このときの第１の磁極１３０Ｎの実質的な磁束は、図４において実線及び破線の矢印で示す方向に発生する。この結果、第１磁石１２１からロータギャップに向かう磁束のみでなく、共通コア部１１２の露出面からも磁束がロータギャップに向けて発生する。この結果、電機子磁束が流れようとする状態では、ロータギャップに向かう磁束の発生面積が大きくなり、第１の磁極１３０Ｎ全体の磁束密度が高まっている。これは第２の磁極１３０Ｓも同様である。従って、共通コア部１１２を設けることにより、ロータ重量を過度に増加させることなく磁束密度を高めることが可能である。なお、図４において、第１磁石１２１からロータギャップに向かう磁束の方向が傾いている理由は、電機子（ステータ）からの磁界を受けると、外周コア部１１４にも図示しない電機子磁束が流れようとするからである。
【００２４】
以上のように、第１実施形態のロータ１００によれば、電機子（ステータ）からの磁界を受けると、共通コア部１１２に電機子磁束Ψacが流れようとし、この電機子磁束Ψacによって磁石磁束の方向が傾いてコア表面に流れようとするので、ロータ１００の外周面における磁束密度を高めることができる。
【００２５】
Ｂ．第２実施形態：
図５に示すように、第２実施形態のロータ１００ａは、第１実施形態の第１磁石１２１と第２磁石１２２と第４磁石１２４とをそれぞれ２分割した構成を有しており、他の構成は第１実施形態と同じである。なお、第１実施形態と同じ符号は、同一の構成を示すものであって、先行する説明を参照する。
【００２６】
２つに分割された第１磁石１２１の第１部分１２１ａと第２部分１２１ｂの間には、第１コア部Ｃ１が存在する。この第１コア部Ｃ１は、ロータコア１１０の一部である。第１磁石１２１の第１部分１２１ａと第２部分１２１ｂの間に第１コア部Ｃ１を設けるようにすれば、第１コア部Ｃ１によってロータ全体の強度を高めることができ、より高速回転に耐えることが可能である。
【００２７】
同様に、２つに分割された第２磁石１２２の第１部分１２２ａと第２部分１２２ｂの間には、第２コア部Ｃ２が存在する。この第２コア部Ｃ２も、ロータコア１１０の一部である。第２磁石１２２の第１部分１２２ａと第２部分１２２ｂの間に第２コア部Ｃ２を設けるようにすれば、第２コア部Ｃ２によってロータ全体の強度を高めることができ、より高速回転に耐えることが可能である。
【００２８】
ロータ１００の周方向に沿った第２コア部Ｃ２の寸法Ｗ２は、第１コア部Ｃ１の寸法Ｗ１よりも大きいことが好ましい。第２コア部Ｃ２は第１コア部Ｃ１よりもロータコア１１０の内側にあるので、ロータ１００の回転時に第１コア部Ｃ１よりも大きな重量を保持する役割を有し、第１コア部Ｃ１よりもより大きな力が掛かることになる。従って、第２コア部Ｃ２の周方向の寸法Ｗ２を第１コア部Ｃ１の周方向の寸法Ｗ１よりも大きくすることにより、より高速回転に耐えることが可能である。また、第１コア部Ｃ１の周方向の寸法Ｗ１をより小さくすれば、第１磁石１２１の分割による磁束密度の低下を抑制できるという利点もある。
【００２９】
第４磁石１２４の第１部分１２４ａと第２部分１２４ｂは、ロータ１００の周方向に沿って隣り合っており、それらの間にはロータコア１１０を形成するロータコアの一部であるコア部Ｃ４が存在する。第４磁石１２４の第１部分１２４ａは第１の磁極１３０Ｎを構成し、第４磁石１２４の第２部分１２４ｂは第１の磁極１３０Ｎに隣接する第２の磁極１３０Ｓを構成する。この構成によれば、第４磁石１２４の第１部分１２４ａと第２部分１２４ｂの間にコア部Ｃ４が存在するので、電機子（ステータ）からの磁界を受けると、このコア部Ｃ４にも電機子磁束が流れようとし、この電機子磁束によって磁石磁束の方向が傾いてコア表面に流れようとするので、ロータ１００の外周面における磁束密度を更に高めることができる。
【００３０】
なお、第２実施形態のロータ１００ａは、第１実施形態の第１磁石１２１と第２磁石１２２と第４磁石１２４とをそれぞれ２分割した構成を有しているが、これらの３種類の磁石１２１，１２２，１２４のうちの１つ又は２つのみを分割してもよい。また、各磁石の分割数は、２に限らず、３以上の任意の数に設定可能である。
【００３１】
本開示は、上述の実施形態や変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、開示の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
【符号の説明】
【００３２】
１００，１００ａ…永久磁石型ロータ、１１０…ロータコア、１１２…共通コア部、１２０…永久磁石群、１２１…第１磁石、１２１ａ…第１磁石の第１部分、１２１ｂ…第１磁石の第２部分、１２２…第２磁石、１２２ａ…第２磁石の第１部分、１２２ｂ…第２磁石の第２部分、１２３…第３磁石、１２４…第４磁石、１２４ａ…第４磁石の第１部分、１２４ｂ…第４磁石の第２部分
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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