(57)【要約】【課題】漏れ磁束を抑制して電動機の出力トルクの向上を図る。【解決手段】ロータ本体１１に形成した貫通孔１２に永久磁石４、５を埋め込んだ、いわゆる磁石埋め込みタイプのロータにおいて、ロータ本体１１の中心位置Ｃと、隣り合う２つの磁極Ｍ２、Ｍ３間の中心位置Ｄとを結ぶ径方向の磁極間中心線Ｌ上に位置するロータ本体１１の外周部に、永久磁石４、５の磁石端面４Ｂ１、５Ａ１を露出させる切り欠き部となる溝部１３を形成し、その溝部１３に臨むロータ本体１１の外側コア部１１Ａの端部１１Ａ１，１１Ａ２を、磁石端面４Ｂ１、５Ａ１から突出させた。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転子本体の軸方向に貫通し且つ回転方向に所定間隔をおいて形成された複数の貫通孔を有し、その貫通孔それぞれに永久磁石を埋め込んだ永久磁石式電動機の回転子において、
前記回転子本体の中心位置と、隣り合う２つの磁極間の中心位置とを結ぶ径方向の磁極間中心線上に位置する前記回転子本体の外周部に、前記永久磁石の磁石端面を露出させる溝部を形成し、
前記溝部に臨む前記回転子本体の外周端部を、前記磁石端面から突出させた
ことを特徴とする永久磁石式電動機の回転子。
【請求項２】
請求項１に記載の永久磁石式電動機の回転子であって、
前記回転子本体の外周端部を、前記磁石端面から前記磁極間中心線に向かって突出する延在部とした
ことを特徴とする永久磁石式電動機の回転子。
【請求項３】
請求項２に記載の永久磁石式電動機の回転子であって、
前記延在部の長さＹを、前記磁石端面から前記磁極間中心線までの距離Ｘを１としたときに、０．１≦Ｙ／Ｘ≦０．３５とした
ことを特徴とする永久磁石式電動機の回転子。
【請求項４】
請求項２又は請求項３に記載の永久磁石式電動機の回転子であって、
前記延在部の長さを、各磁極の両端部でそれぞれ異にした
ことを特徴とする永久磁石式電動機の回転子。
【請求項５】
請求項２から請求項４の何れか１項に記載の永久磁石式電動機の回転子であって、
前記延在部の先端部が、前記磁石端面に対して傾斜している
ことを特徴とする永久磁石式電動機の回転子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、永久磁石式電動機の回転子に関し、詳細には、漏洩磁束低減技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気回路に永久磁石を用いた永久磁石式電動機（永久磁石式モータ）に使用される回転子（ロータ）には、例えばドーナツ形状の珪素鋼板を複数積層した鉄心（ロータコア）に複数の貫通孔を円周方向に所定間隔を置いて且つ軸方向に貫通して形成し、その各貫通孔に磁極を構成する永久磁石を埋め込んだ、いわゆる磁石埋め込みタイプの回転子がある。
【０００３】
磁石埋め込みタイプの回転子では、漏れ磁束を低減し且つ永久磁石の鎖交磁束を増大させて出力トルクの向上を図ることを目的として、各磁極の永久磁石を２つとし、それら２つの永久磁石間に該永久磁石を保持する外側コア部と連結するブリッジ部を設け、さらに各磁極間に永久磁石の磁石端面を露出させる溝部を設けた構造のものが提案されている（例えば、特許文献１等に記載）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−２５２８４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１に記載の回転子では、磁石端面と面一とされた外側コア部のコア角部に磁束が集中して磁束漏れが発生する可能性がある。そのため、この回転子では、漏れ磁束により電動機の出力トルク低下が避けられない。
【０００６】
そこで、本発明は、漏れ磁束を抑制して電動機の出力トルクの向上を図ることのできる永久磁石式電動機の回転子を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の永久磁石式電動機の回転子では、回転子本体の中心位置と隣り合う２つの磁極間の中心位置とを結ぶ径方向の磁極間中心線上に位置する前記回転子本体の外周部に、永久磁石の磁石端面を露出させる溝部を形成し、その溝部に臨む回転子本体の外周端部を、前記磁石端面から突出させる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の永久磁石式電動機の回転子によれば、回転子本体の外周部に形成した溝部に臨む回転子本体の外周端部を、磁石端面から突出させると、この突出した部位から漏れる漏れ磁束が溝部に臨む永久磁石の磁石端面に届き難くなり、永久磁石内の最小磁束密度が大きくなり且つ永久磁石を減磁させる逆磁界が小さくなって、耐減磁性能を向上させることができる。したがって、本発明の回転子を電動機に使用することで、投入可能な電流を大きくでき、電動機の出力トルクを向上させることができる。また、本発明によれば、耐減磁性能の向上分、永久磁石の厚みを薄くすることができ、コスト低減を図ることもできる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は実施形態１の永久磁石式電動機の回転子の横断面図である。
【図２】図２は図１の回転子のうち永久磁石が埋め込まれた部位を拡大して示す要部拡大図である。
【図３】図３は図１の回転子のうち溝部が形成された部位の要部拡大図である。
【図４】図４は電流を印加した時の磁石内の最小磁束密度を示す特性図である。
【図５】図５はステータに巻回したコイルに電流を印加した時の外側コア部から漏れる磁束密度分布を示した図である。
【図６】図６は外側コア部の端部である延在部の長さを伸ばして行った時の延在部の伸ばし量と最小磁束密度の関係を示す図である。
【図７】図７は延在部の伸ばし量を変化させた時の磁石の鎖交磁束φａを示す図である。
【図８】図８は比較例１の回転子を示し、（Ａ）はその横断面図、（Ｂ）は永久磁石が埋め込まれた部位を拡大して示す要部拡大図である。
【図９】図９は比較例２の回転子を示し、（Ａ）はその横断面図、（Ｂ）は永久磁石が埋め込まれた部位を拡大して示す要部拡大図である。
【図１０】図１０は実施形態２のロータにおける外側コア部の拡大図である。
【図１１】図１１は実施形態３を示し、延在部の先端部に傾斜を付けた例を示す図である。
【図１２】図１２は実施形態３を示し、延在部の先端部に傾斜を付けた例を示す図である。
【図１３】図１３は実施形態３を示し、延在部の先端部に傾斜を付けた例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明を適用した具体的な実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１１】
「実施形態１」
図１は実施形態１の永久磁石式電動機の回転子の横断面図、図２は図１の回転子のうち永久磁石が埋め込まれた部位を拡大して示す要部拡大図、図３は図１の回転子のうち溝部が形成された部位の要部拡大図である。
【００１２】
永久磁石式電動機（永久磁石式モータ）は、固定子であるステータと、回転子であるロータとを有した、永久磁石式の交流モータである。図示を省略するステータは、内部にロータを回転可能に配置させる円筒体として形成され、その内側部位にロータに回転磁界を発生させるコイルを巻装させた構造とされている。
【００１３】
ロータ１は、図１に示すように、例えば珪素鋼板からなる複数枚の円板形状をなす磁性体を、絶縁材を間に挟んで交互に積層した積層円筒体として形成されている。このロータ１の中心孔２には、図示を省略した回転軸が挿入固定される。ロータ１には、磁極を構成する２つで１組とされた永久磁石３〜１０と、それぞれの永久磁石３〜１０をロータ本体１１に埋め込む貫通孔１２と、が形成されている。
【００１４】
永久磁石３〜１０は、磁極の数を８極とすることから全部で１６個設けられている。かかる永久磁石３〜１０は、断面略長方形状をなし、ロータ１のロータ軸方向長さとほぼ同一長さとした棒磁石として形成されている。この実施形態では、２つの永久磁石３Ａ，３Ｂ〜１０Ａ，１０Ｂを１組として１つの磁極Ｍ１〜Ｍ８を構成している。８つの磁極Ｍ１〜Ｍ２が構成される部位は、ロータ本体１１の外周部に切り欠き部となる溝部１３を８箇所形成することで、２つの永久磁石３Ａ，３Ｂ〜１０Ａ，１０Ｂを１組として配置させる先端形状を円弧状とした凸状部として形成される。
【００１５】
前記溝部１３は、図２に示すように、ロータ本体１１の中心位置Ｃと、隣り合う２つの磁極Ｍ２、Ｍ３間の中心位置Ｄとを結ぶ径方向の磁極間中心線Ｌ上に設けられ、隣り合う永久磁石４Ｂ、５Ａの磁石端面４Ｂ１、５Ａ１を露出させるように前記ロータ本体１１の外周部の一部を切り欠くことで形成される。かかる溝部１３は、ロータ本体１１を８等分する位置にそれぞれ設けられ、その外周部から中心位置Ｃに向かって且つ軸方向に沿って形成されている。
【００１６】
前記貫通孔１２は、各磁極Ｍ１〜Ｍ８が形成される部位に２つづ形成されている。この貫通孔１２は、ロータ本体１１の軸方向に貫通し、一端を前記溝部１３に開放させている。各磁極Ｍ１〜Ｍ８に形成された２つの貫通孔１２の間には、これら貫通孔１２に埋め込まれた２つの永久磁石３Ａ，３Ｂ〜１０Ａ，１０Ｂを保持し且つ円弧形状をなす凸状部としての外側コア部１１Ａを保持するブリッジ部１１Ｂが形成されている。このブリッジ部１１Ｂは、その幅が狭ければ狭い程（体積が少ない程）、漏れ磁束を抑制することができるため、強度を考慮して出来る限り細い方が望ましい。
【００１７】
実施形態１では、図３に示すように、溝部１３に臨むロータ本体部１１の外周端部、すなわち外側コア部１１Ａの両端部１１Ａ１，１１Ａ２を、磁石端面４Ａ１，４Ｂ１、５Ａ１，５Ｂ１から突出させている。この外側コア部１１Ａの端部１１Ａ１，１１Ａ２を、磁石端面４Ｂ１、５Ａ１から前記磁極間中心線Ｌに向かって突出する延在部とすると、磁石内の最小磁束密度を大きくでき、耐減磁性能を向上させることができる。
【００１８】
図４は、電流を印加した時の磁石内の最小磁束密度を示し、Ａ線は実施形態１のロータ、Ｂ線は比較例１のロータ、Ｃ線は比較例２のロータをそれぞれ表している。比較例１のロータ１４は、図８に示すように、１つの永久磁石３〜１０で１つの磁極Ｍ１〜Ｍ８を構成し、その永久磁石３〜１０を、外側コア部１１Ａとこの外側コア部１１Ａと連結する両ブリッジ部１１Ｂ、１１Ｃとで保持し、且つ各磁極Ｍ１〜Ｍ８間に溝部１３を形成した構造としている。比較例１のロータ１４は、実施形態１とは異なり磁石端面が溝部１３に露出せず、その磁石端面がブリッジ部１１Ｂ、１１Ｃで覆われている。比較例２のロータは、図９に示すように、外側コア部１１Ａの端部１１Ａ１，１１Ａ２が磁石端面４Ｂ１、５Ａ１と面一となっている他は、実施形態１と同一である。なお、実施形態１、比較例１及び比較例２の各ロータは、同体格で同一の運転が可能な強度を持つようにブリッジ幅を調整してあるものとする。
【００１９】
永久磁石３〜８は、素材の持つクニック点（図４中Ｘで示す）を下回ると、永久減磁し発生する磁束が減少する。電動機の出力トルクを発生させるためには、磁束だけでなく電流も必要である。そのため、出力トルクを大きくするには、投入電流を増大する必要がある。実施形態１のロータでは、最小磁束密度を同じにした場合、比較例１及び比較例２のロータよりも投入できる電流が増大し（Ｃ１，Ｂ１，Ａ１の順で大きくなる）、出力トルクが大きくなる。
【００２０】
また、実施形態１のロータは、あらゆる電流条件の範囲で比較例１及び比較例２のロータよりも最小磁束密度が大きくなり、耐減磁性能が向上する。その結果、実施形態１のロータによれば、耐減磁性能が向上した分、永久磁石の厚みを薄くすることができ、コストの低減が可能となる。最小磁束密度は、その値が大きいと減磁し難く、小さいと減磁し易い。一般的には、ロータにおいて、同等の耐減磁性能にするためには、磁石の厚みを厚くする必要がある。しかし、そうするとコストが増加してしまう。実施形態１のロータでは、最小磁束密度を大きくでき、耐減磁性能を向上できるので磁石の厚みを厚くする必要がなくなり、コスト増加を招かない。
【００２１】
図５は、ステータに巻回したコイルに電流を印加した時の外側コア部から漏れる磁束密度分布を示した図である。図５のＡ線は実施形態１のロータのロータ半径方向における磁束密度変化を示し、図５のＣ線は比較例２のロータのロータ半径方向における磁束密度変化を示す。図５のＲ線はロータの半径方向を示す。
【００２２】
比較例２のロータでは、図５のグラフのうち斜線部で示す領域が、磁石角部を減磁させる逆磁界となっている。これに対して、実施形態１のロータでは、磁石角部を減磁させる逆磁界が小さくなっている。したがって、図４に示したように、実施形態１のロータは、比較例２のロータと比較して磁石内の最小磁束密度が大きくなり、耐減磁性能を向上させることができる。
【００２３】
図６は、外側コア部１１Ａの端部１１Ａ１，１１Ａ２である延在部の長さを伸ばして行った時の延在部の伸ばし量と最小磁束密度の関係を示す図である。図６のＡ線は実施形態１のロータを示し、図６のＣ線は比較例２のロータを示す。延在部の伸ばし量が少しでも大きくなると、比較例２のロータよりも磁石内の最小磁束密度は大きくなり、耐減磁性能が向上する。これにより、実施形態１のロータをモータに使用した場合は、投入可能な電流を大きくでき、出力トルクを増加させることが可能となる。また、実施形態１のロータでは、耐減磁性能の向上分、永久磁石の厚みを薄くでき、コスト低減効果を得ることができる。
【００２４】
前記延在部の伸ばし量は、延在部の長さＹを、磁石端面５Ａ１から磁極間中心線Ｌまでの距離Ｘを１としたときに、０．１≦Ｙ／Ｘ≦０．３５とすることが望ましい。延在部の伸ばし量が０．１以上の時、最小磁束密度は比較例２のロータよりも大きくなる。そのため、延在部の伸ばし量の下限は、０．１以上とする。
【００２５】
図７は、延在部の伸ばし量を変化させた時の磁石の鎖交磁束φａを示す。図７のＡ線は実施形態１のロータを示し、図７のＣ線は比較例２のロータを示す。磁石の鎖交磁束φａは、延在部の伸ばし量が増えると減少する。これは、伸ばし量が大きくなると、隣り合った磁極に磁束が流れ易くなり、漏れ磁束が増加するためである。実施形態１のロータにおいて、比較例２のロータと比較すると、伸ばし量０．３５以下の時、磁石の鎖交磁束が向上する。そのため、延在部の伸ばし量の上限は、０．３５以下とする。このように、延在部の伸ばし量を０．１≦Ｙ／Ｘ≦０．３５とした場合は、耐減磁性能を確保しつつ鎖交磁束φａも向上できるため、出力トルクをさらに向上させることができる。
【００２６】
以上のように、実施形態１の永久磁石式電動機の回転子によれば、ロータ本体の外周部に形成した溝部に臨むロータ本体の外周端部を、磁石端面から突出させると、この突出した部位から漏れる漏れ磁束が溝部に臨む永久磁石の磁石端面に届き難くなり、永久磁石内の最小磁束密度が大きくなり且つ永久磁石を減磁させる逆磁界が小さくなって、耐減磁性能を向上させることができる。したがって、本発明のロータを電動機に使用することで、投入可能な電流を大きくでき、電動機の出力トルクを向上させることができる。また、本発明によれば、耐減磁性能の向上分、永久磁石の厚みを薄くすることができ、コスト低減を図ることもできる。
【００２７】
また、実施形態１の永久磁石式電動機の回転子によれば、ロータ本体の外周端部を磁石端面から磁極間中心線に向かって突出する延在部としたので、溝部を形成するときにロータ本体の外周部の一部を残すことにより、簡単に延在部を形成することができる。
【００２８】
また、実施形態１の永久磁石式電動機の回転子によれば、延在部の長さＹを、磁石端面から磁極間中心線までの距離Ｘを１としたときに、０．１≦Ｙ／Ｘ≦０．３５としたので、前記延在部からの漏れ磁束による逆磁界を小さくでき、耐減磁性能を確保することができると共に鎖交磁束も向上させることができる。
【００２９】
「実施形態２」
図１０は実施形態２のロータにおける外側コア部の拡大図である。実施形態２では、外側コア部１１Ａの両端部１１Ａ１，１１Ａ２の長さを、実施形態１では同一長さとした例に対して、各磁極４の両端部でそれぞれ異にしている。具体的には、図１０（Ａ）では、中央のブリッジ部１１Ｂを挟んで左側の端部１１Ａ１は延在部とし、右側の端部１１Ａ２は磁石端面４Ｂ１と面一としている。図１０（Ｂ）では、図１０（Ａ）とは逆に右側のみを伸ばしている。
【００３０】
これは、モータを駆動源とする電気自動車では、力行と回生で必要なトルクが異なることに対応させるためである。力行とは、電気エネルギーを機械エネルギー（運動エネルギー）に変換すること（モータとして動作させること）をいう。回生とは、機械エネルギーを電気エネルギーに変換すること（発電機として動作させること）をいう。
【００３１】
力行の出力トルクが大きい場合には、図１０の矢印Ｆで示す反時計方向へロータが回転すると、その回転方向である左側の永久磁石４Ａが減磁し易い。そのため、各磁極Ｍ２におけるロータ回転方向側（先行して回転する一方の永久磁石４Ａが設けられる側）の外側コア部１１Ａの端部１１Ａ１を磁石端面４Ａ１から伸ばすことで、耐減磁性能を向上させる。そして、反対側（右側）の端部１１Ａ２は、他方の永久磁石４Ｂの磁石端面４Ｂ１から伸ばさないか或いはその伸ばし量を少なくすることにより、鎖交磁束の減少を抑制する。これにより、モータとして減磁性能を確保しつつ鎖交磁束の減少を抑えることができる。したがって、実施形態２の永久磁石式電動機の回転子は、力行と回生で必要なトルクが異なる電気自動車用のモータに使用することができる。
【００３２】
「実施形態３」
図１１から図１３は実施形態３を示し、延在部の先端部に傾斜を付けた例を示す図である。実施形態３では、延在部の先端部を、磁石端面に対して傾斜させる。
【００３３】
図１１では、永久磁石４Ａの外側に設けられた外側コア部１１Ａの端部（延在部）１１Ａ１の先端部を、磁石端面４Ａ１と平行な面とするのではなく斜めにした傾斜面１５としている。図１１（Ａ）の傾斜面１５は磁石端面４Ａ１に向かう斜面とし、同図（Ｂ）の傾斜面１５は磁石端面４Ａ１から離れる斜面とし、同図（Ｃ）の傾斜面１５はその傾斜角度をさらにきつくした斜面としている。
【００３４】
図１２では、外側コア部１１Ａの端部１１Ａ１の先端部を、磁石端面４Ａ１に近づく屈曲部となるように傾斜させている。図１２（Ｂ）では、同図（Ａ）よりも先端部を尖らせた形状としている。
【００３５】
図１３では、外側コア部１１Ａの端部１１Ａ１の先端部を、ロータ径方向に折り曲げる屈曲部となるように傾斜させている。図１３（Ａ）では、先端部をロータ径方向に向く凸形状とし、同図（Ｂ）では、先端部を尖らせた形状とし、同図（Ｃ）では先端部をロータ径方向に対して若干斜め方向に向けた形状としている。
【００３６】
実施形態３では、延在部の先端部が磁石端面に対して傾斜していても実施形態１のロータと同様、漏れ磁束を抑制して電動機の出力トルクを向上させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明は、永久磁石式電動機の回転子に利用することができる。
【符号の説明】
【００３８】
１…ロータ
３〜１０（３Ａ，３Ｂ〜１０Ａ，１０Ｂ）…永久磁石
４Ａ１，４Ｂ１，５Ａ１，５Ｂ１…磁石端面
１１…ロータ本体（回転子本体）
１１Ａ…外側コア部（回転子本体の外周部）
１１Ａ１，１１Ａ２…外側コア部の端部（回転子本体の外周端部）
１２…貫通孔
１５…傾斜面
Ｍ１〜Ｍ８…磁極
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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