(57)【要約】【課題】ハイブリット自動車用のモータであって、既存の駆動系との連結機構を収容可能にするため、肉厚が薄く中央が大きく空いた円環断面を有するロータコアに適した永久磁石の配置構造ならびに磁石量の削減構造を提供する。【解決手段】１極の板状の永久磁石を、中央部のセンタ磁石１と磁極面の幅がセンタ磁石１より小さな両端のサイド磁石２に３分割し、ロータコア１０の接線と並行に埋め込み、センタ磁石１の両極間の厚みをサイド磁石２より薄くし、磁極前部コア１０ａの体積を増加させ、左右のサイド磁石２の磁極面２ａをそれぞれ中央のセンタ磁石１側に内向きに傾けて配置したことを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁鋼板を積層した円筒状のロータコアの内部に、円周方向に等間隔に外周側表面が交互にＮ極、Ｓ極となるよう複数極設けられた板状の永久磁石を配置したモータにおいて、
前記板状の永久磁石を、中央部のセンタ磁石と磁極面の幅がセンタ磁石より小さな両端のサイド磁石に３分割し、ロータコアの接線と並行に埋め込み、
前記センタ磁石の両極間の厚みをサイド磁石より薄くし、ロータコアの外周からセンタ磁石の磁極面までの磁極前部コアの体積を増加させ、
前記左右のサイド磁石の磁極面を、それぞれ中央のセンタ磁石側に内向きに傾けて配置したことを特徴とする磁石埋込み型ロータ。
【請求項２】
前記センタ磁石のロータコア内周側の磁極面は、少なくとも前記左右のサイド磁石の内周側の磁極面を結ぶ線と同じか、またはロータコアの外周側寄りに配置することを特徴とする請求項１記載の磁石埋込み型ロータ。
【請求項３】
前記センタ磁石は、前記サイド磁石よりも保磁力が低く希少金属の含有率が低い素材からなる永久磁石を使用することを特徴とする請求項１に記載の磁石埋込み型ロータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モータの磁石埋込み型ロータに係り、より詳細には、肉厚が薄く中央が大きく空いた円環断面を有するロータコアに適した永久磁石の配置構造および磁石量の削減構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、永久磁石（磁石）を使用した同期モータには、磁石がロータの表面に貼り付けられるＳＰＭ（Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ  Ｍａｇｎｅｔ）モータと、磁石がロータのコア内側に埋め込まれるＩＰＭ（Ｉｎｔｅｒｉｏｒ  Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ  Ｍａｇｎｅｔ）モータがある。ＳＰＭモータは高速回転での磁石の飛散防止構造が複雑であるのに対し、ＩＰＭモータではこのようなことがないので、最近ではＩＰＭモータが主流になりつつある。ＩＰＭモータはハイブリッド車の駆動用モータとしても用いられている。
【０００３】
特許文献１は磁石埋込み型のＩＰＭモータの例で、ロータの１極が２層構造の３分割された略Ｕ字形配置の磁石からなることが示されている。特許文献２はＩＰＭモータの他の例で、ロータの１極が１層構造の３分割された略Ｕ字形配置の磁石からなることが示されている。ＩＰＭモータのロータを回転させる全トルクは、埋め込まれた磁石がステータの極であるコイルの電磁石と引き合う（または反発する）マグネットトルクと、ロータの極においてケイ素鋼板などの金属部分と磁石のインダクタンス差によって発生するリラクタンストルクの和で表される。
【０００４】
特許文献１、２に示されるＩＰＭモータは、磁石の形状が略Ｕ字形配置であるため、大きなトルクを得られる反面、ロータの径を大きくせざるを得ず小型化のネックとなっていた。
【０００５】
また、ハイブリット自動車用のモータとしては、量産化されている既存の駆動系機構であるクランクシャフトやトランスミッションとの連結機構が組み込める構造が求められている。このため、中央が大きく空いた円環断面のロータコアとなるため、円環の肉厚が狭く、従来のＶ字状、或いはＵ字状の永久磁石配置ができないため、これに代わる高出力、高効率な磁石配置が望まれていた。
【０００６】
また、保磁力の強い磁石にはネオジウムなどの希少金属が使用されており高価であるため、磁石使用量の削減がコストダウンに直結していた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０００−３１６２４１号公報
【特許文献２】特開２００４−８８８４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の目的は、ハイブリット自動車用のモータであって、既存の駆動系との連結機構を収容可能にするため、肉厚が薄く中央が大きく空いた円環断面を有するロータコアに適した永久磁石の配置構造ならびに磁石量の削減構造を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明による磁石埋込み型ロータは、電磁鋼板を積層した円筒状のロータコアの内部に、円周方向に等間隔に外周側表面が交互にＮ極、Ｓ極となるよう複数極設けられた板状の永久磁石を配置したモータにおいて、前記板状の永久磁石を、中央部のセンタ磁石と磁極面の幅がセンタ磁石より小さな両端のサイド磁石に３分割し、ロータコアの接線と並行に埋め込み、前記センタ磁石の両極間の厚みをサイド磁石より薄くし、ロータコアの外周からセンタ磁石の磁極面までの磁極前部コアの体積を増加させ、前記左右のサイド磁石の磁極面を、それぞれ中央のセンタ磁石側に内向きに傾けて配置したものである。
【００１０】
また、前記センタ磁石のロータコア内周側の磁極面は、少なくとも前記左右のサイド磁石の内周側の磁極面を結ぶ線と同じか、またはロータコアの外周側寄りに配置するものである。
【００１１】
また、前記センタ磁石は、前記サイド磁石よりも保磁力が低く希少金属の含有率が低い素材からなる永久磁石を使用するものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の磁石埋込み型ロータによれば、センタ磁石の磁極間の厚みをサイド磁石より薄くしたことにより磁石の使用量をその分減らすことができる。同時に、センタ磁石の厚みを薄くした分、ロータコアの外周からセンタ磁石の磁極表面までの磁極前部コアの体積を増加させることとなり、リラクタンストルクが増えて磁石を減らしつつトルクを維持することができる。より詳細には、出力特性を維持しつ、磁石使用量を従来比で１２％程度減らすことができ、コストを低減することができた。また、センタ磁石と両側のサイド磁石をロータコアの外周接線と並行に埋め込み略直線状に配置したので、ロータコアの中央が大きく空いた肉厚の薄い円環断面のロータコアであっても多極、高トルクのモータを実現することができる。
【００１３】
また、左右のサイド磁石の磁極面を、それぞれ中央のセンタ磁石側に内向きに傾けて配置したことにより、ロータコアの外周からセンタ磁石の磁極表面までの磁極前部コアに対し、電磁石（ステータコイル）からの磁束をサイド磁石で遮ることが無く、磁束をスムーズに通過させ磁極前部コアのリラクタンストルク発生を大きくすることができる。
【００１４】
また、センタ磁石のロータコア内周側の磁極面は、少なくとも左右のサイド磁石の内周側の磁極面を結ぶ線と同じか、またはロータコアの外周側寄りに配置したので、センタ磁石により、ロータコアの内周からセンタ磁石の後部磁極面までの磁極後部コアの透磁性を遮ることが無く、磁極後部コアに対する磁路が確保され、磁石の磁束が飽和せず、結果としてセンタ磁石の磁石量を削減してもモータの出力を維持することができる。
【００１５】
さらに、センタ磁石に保磁力が低く希少金属の含有率が低い素材からなる永久磁石を使用することにより、磁石単価の低減が可能となり、モータのコストダウンができる。なお、磁極中央部にかかる逆磁界は小さいので、磁極中央部に高い磁力を保つ必要はなく、出力特性への影響もない。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の磁石埋込み型ロータの実施の形態を示すロータコアの一部断面図である。
【図２】埋込磁石モータのトルク成分概念図である。
【図３】サイド磁石角度によるロータコア内磁束通過量の違いを示す図で、（ａ）は両端磁石角度なしの磁束、（ｂ）は両端磁石角度付加の磁束を示す。
【図４】センタ磁石と両端のサイド磁石のロータコア内周側の磁極面の配置を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を用いて、本発明による磁石埋込み型ロータを詳細に説明する。
【実施例】
【００１８】
図１は、本発明の磁石埋込み型ロータの実施の形態を示すロータコアの一部断面図である。
【００１９】
図１は、電磁鋼板を積層した円筒状のロータコア１０の内部に、円周方向に等間隔に外周側表面が交互にＮ極、Ｓ極になるよう複数極設けられた板状の永久磁石の軸方向に垂直な断面の一極部分を示している。
【００２０】
ロータコア１０は、中央が大きく空いた円環断面で、Ｗはその円環の肉厚を示す。１０ｃはコア外周、１０ｄはコア内周を示し、コア外周１０ｃには隣接する永久磁石間に磁束の短絡を防止するための空隙として短絡防止溝１０ｅを設け、円環の内部にはコア外周１０ｃの接線と並行方向に、板状の永久磁石を軸方向に挿入可能な略矩形の磁石挿入孔１０ｆが形成されている。
【００２１】
本発明においては、１極の永久磁石を、中央部のセンタ磁石１と磁極面の幅がセンタ磁石１より小さな両端のサイド磁石２に３分割している。
【００２２】
図１において、センタ磁石１、サイド磁石２のコア外周１０ｃ側の磁極面１ａはＮ極、コア内周１０ｄ側の磁極面１ｂはＳ極に着磁され、隣接する永久磁石はその反対に着磁されている。
【００２３】
また、センタ磁石１の磁極間の厚さＭ１は、両端のサイド磁石２の厚さＭ２より薄くし、ロータコア１０のコア外周１０ｃからセンタ磁石１の磁極面１ａまでの磁極前部コア１０ａの体積を増加させている。
【００２４】
センタ磁石１の厚さＭ１が薄くなることにより、磁石トルクの減少を来たすが、磁極前部コア１０ａの体積増によりリラクタンストルクが増加し、その合成によりモータとしてのトルクを維持する最適点設計を採用している。
【００２５】
図２は、埋込磁石モータのトルク成分概念図で、横軸は、基本設計から右辺方向に薄くなる磁石厚み、縦軸はトルク／磁石体積を示し、磁石トルクの減少に対し、磁極前部コアの増加によるリラクタンストルクの増加と、磁石トルク＋リラクタンストルクである全トルクの値を示す。図に示すように基本設計点に対し、磁石量を減らしても、一定範囲までは全トルクは維持されることがわかる。
【００２６】
本発明の実施例では、センタ磁石１の厚みを薄くして、磁極前部コア１０ａの体積増と置き換えることで、トルク・出力を維持しつつ磁石使用量を削減し、コストダウンを図ることができた。具体的には、磁石使用量を１２％低減し、基本設計(磁石トルク９３％＋リラクタンストルク７％)に対し磁石削減設計（(磁石トルク８９％＋リラクタンストルク１１％)のトルク成分比として当初のトルクを維持させることができた。
【００２７】
センタ磁石１はコア外周１０ｃの接線と並行方向に埋め込まれているが、両端のサイド磁石２は、それぞれセンタ磁石１側、すなわち内向きに傾けて埋め込まれている。この実施の形態では、センタ磁石１に対し角度５°傾けている。
【００２８】
リラクタンストルクを大きくするにはロータの外周に配置される電磁石（ステータコイル）が、ロータコアの積層鉄板部分と正対している時と、ロータ内の永久磁石と正対している時の吸引力の差を大きくすることが必要とされる。永久磁石自体は磁気抵抗が非常に大きく、どのような形状、配置であっても磁石の正対時には殆ど磁束が通過しない。よって吸引力の差を大きくするには、積層鉄板部分と正対した時に電磁石（ステータコイル）が作る磁束をスムーズに通過させるように、永久磁石と積層鉄板部分の形状を決め、配置を最適化する必要がある。
【００２９】
図３はサイド磁石角度によるロータコア内磁束通過量の違いを示す図で、図３（ａ）は両端磁石角度なしの磁束、図３（ｂ）は両端磁石角度付加の磁束を示す。図３（ｂ）に示すように、本発明では両端のサイド磁石２を傾けて配置しているので、コア外周１０ｃからセンタ磁石１の磁極面１ａに至る磁束をスムーズに通過させることができる。
【００３０】
このように、図３（ａ）に対し、図３（ｂ）に示すサイド磁石２を傾けた場合の方が、遮られる磁束が減り、電磁石（ステータコイル)２０からの磁束をスムーズに通過させる。
【００３１】
図４は、センタ磁石と両端のサイド磁石のロータコア内周側の磁極面の配置を示す図である。
【００３２】
図４に示すように、センタ磁石１のロータコア１０内周側の磁極面１ｂは、少なくとも左右のサイド磁石２の内周側の磁極面２ｂを結ぶ線１１と同じ、またはロータコア１０の外周側１０ｃ方向に配置し、センタ磁石１により磁極後部コア１０ｂの透磁性を遮らないように配置する。
【００３３】
この配置は、センタ磁石１をロータコア１０の内周側へ配置すると磁極前部コア１０ａのリラクタンストルクを増加させることとなるが、磁極後部コア１０ｂの磁路が狭くなり、磁束が飽和してしまい、結果として磁石トルクの減少を来すこととなる。これを防止するため本発明では少なくとも左右のサイド磁石２の内周側の磁極面２ｂを結ぶ線１１より外周側にセンタ磁石１を配置する。
【００３４】
さらに、本発明のセンタ磁石１は、サイド磁石２に対し、保磁力が低く希少金属の含有率が低い素材からなる永久磁石を使用し、磁石のコストを下げることを実現している。
【００３５】
モータの設計において、電磁石（ステータコイル）の磁界が過大な場合、或いは永久磁石の保磁力が小さな場合、不可逆減磁を起こしトルクを維持できなくなることがある。これを避けるため最大負荷状態に対応できる設計がなされるが、従来、寸法要求の厳しいハイブリット自動車用モータの場合は部品形状やコイル仕様の変更の余地が少なく、希少金属含有量を増やした保磁力が大きな高コストの永久磁石を用いることで解決していた。
【００３６】
本発明では、永久磁石にかかる逆向きの磁界は、磁石１極の中で、中央部がもっとも小さくなる性質から、磁極中央部は保磁力を高く保つ必要がないことに着目し、３分割されたセンタ磁石１について保磁力が低く希少金属の含有率が低い素材からなる永久磁石を使用し、希少金属の消費を押さえると共に、コストダウンを図ることとした。
【００３７】
具体的には、サイド磁石２は、残留磁束密度１．１６〜１．２４Ｔ、保磁力２３８７ＫＡ／ｍ以上の永久磁石、に対しセンタ磁石１は残留磁束密度１．２４〜１．３１Ｔ、保磁力１６７１ＫＡ／ｍ以上の永久磁石としてコストを引き下げた。
【００３８】
結果として、本発明によれば、１５ｋＷ級モータを例にとれば、磁石コストを１０％近く引き下げる効果を呈する。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明は、肉厚が薄く円環断面を有する磁石埋込み型ロータであり、ハイブリット自動車用のモータとして好適である。
【符号の説明】
【００４０】
１    センタ磁石
１ａ  磁極面
１ｂ  磁極面
２    サイド磁石
２ａ  磁極面
２ｂ  磁極面
１０    ロータコア
１０ａ  磁極前部コア
１０ｂ  磁極後部コア
１０ｃ  コア外周
１０ｄ  コア内周
１０ｅ  短絡防止溝
１０ｆ  磁石挿入孔
１１  サイド磁石２の内周側の磁極面２ｂを結ぶ線
２０    電磁石（ステータコイル）
Ｍ１    センタ磁石厚さ
Ｍ２    サイド磁石厚さ
Ｗ      ロータコアの円環幅
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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