(57)【要約】【課題】コストの増加を抑制して、電動機の特性を最適に維持しつつ出力トルクを調整する。【解決手段】電動機の回転子１００は、回転軸と平行して回転子の両端面を貫通するように形成された複数のスロット１１０を含む。そのスロット１１０のそれぞれには、永久磁石１２０および非磁性部材１３０が配置される。【選択図】        図１
2004260920.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電動機の回転子であって、前記回転子には回転軸と平行するように前記回転子の両端面を貫通する複数の開口部が形成され、
前記複数の開口部のそれぞれには、永久磁石および非磁性体が配置される、回転子。
【請求項２】
前記複数の開口部は、前記回転子の回転中心を点対称の中心として配置される、請求項１に記載の回転子。
【請求項３】
前記永久磁石および前記非磁性体は、前記開口部に対して実質的に隙間なく配置される、請求項１または２に記載の回転子。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の回転子と、固定子とを含む、電動機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、永久磁石を使用する電動機に関し、特に、電動機の出力を調整することができる回転子およびその回転子を含む電動機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
永久磁石を使用する電動機の一つに、回転子に永久磁石が埋め込まれた埋込磁石型電動機がある。この電動機では、永久磁石により磁石トルクを発生させて、回転子を回転させることにより、電動機が回転する。このとき、回転子に形成された開口部に埋め込まれる永久磁石の大きさあるいは形状を変更することにより、電動機の出力トルクを変更することができる。このように調整される電動機においては、磁石トルクに加えて、永久磁石が埋め込まれない開口部における磁気抵抗の差に基づいてリラクタンストルクを発生させることができる。したがって、磁石トルクおよびリラクタンストルクを変更することにより、電動機の特性、仕様等を調整することができる。
【０００３】
このようにして電動機の特性、仕様等を調整する場合、永久磁石を保持する回転子の開口部の形状を変更する必要がある。この開口部の変更は、回転子あるいはその開口部に対応する永久磁石の製造コストの増加、さらには、様々な回転子および永久磁石を管理するためのコストの増加をもたらし、結果として、電動機のコストを押し上げるという問題があった。
【０００４】
特開２００２−２０９３４９号公報（特許文献１）は、この問題を解決するために、コストの増加および生産効率の低下を抑制しつつ、トルク特性を向上させ、かつ電動機の特性を変更することができる永久磁石型電動機の回転子を開示する。この回転子は、その鉄心に磁石装着用の複数の穴とリラクタンストルクを発生させるための突極となる複数の穴とをそれぞれ含む。
【０００５】
特許文献１に開示された回転子によると、その複数の穴に装着される磁石の個数および配置を変えることにより、磁石トルクとリラクタンストルクとの比率および極数が変更される。このようにして電動機の特性を変更することができる。この場合、電動機の特性ごとに回転子を生産する必要がないため、電動機の製造コストおよび回転子あるいは永久磁石などの構成部品の管理コストの増加も抑制される。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００２−２０９３４９号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１に開示された技術によると、配置される磁石の数あるいは位置が変更されると、磁気回路も変化することになる。このため、磁石の配置が変更される前の状態に基づいて予め設定された最適なトルク特性が維持できなくなるという問題があった。
【０００８】
また、永久磁石の数あるいは位置を変更することにより、磁石トルクとリラクタンストルクとを変更することができるが、磁石の数に応じて磁石トルクが変わるため、これらのトルクは不連続に変更されることになる。このため、磁石トルクとリラクタンストルクとの比率を微調整することができないという問題があった。また、永久磁石が取り除かれた部分は磁束が利用されなくなるため、リラクタンストルクを効果的に向上させることができないという問題もあった。
【０００９】
さらに、永久磁石の数あるいは位置を変更するために回転子を交換する方法も考えられるが、その回転子を構成するプレートを新たに製造する必要があり、結果として、回転子のコストの増加につながるという問題もあった。
【００１０】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであって、その目的は、コストの増加を抑制して、電動機の特性を最適に維持しつつ出力トルクを最適に調整することができる回転子およびその回転子を含む電動機を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
第１の発明に係る回転子は、電動機の回転子であって、その回転子には回転軸と平行するように回転子の両端面を貫通する複数の開口部が形成される。複数の開口部のそれぞれには、永久磁石および非磁性体が配置されるものである。
【００１２】
第１の発明によると、回転子に形成された開口部には、少なくとも永久磁石と非磁性体が配置される。このような構成にすると、永久磁石の大きさあるいは位置を変更しても、回転子における磁気回路はほとんど変化しない。また、それぞれの開口部には、永久磁石と非磁性体とが必ず配置されるため、各開口部における永久磁石および非磁性体の形状あるいは大きさを調整することにより、磁石トルクおよびリラクタンストルクを微調整することができる。このようにすると、磁気回路を変化させることなく、電動機の出力を変更することができる。また、開口部には必ず永久磁石が配置されることから、永久磁石の大きさあるいはその磁石が配置される位置を変更しても、ギャップ磁束密度の分布の変化が抑制される。したがって、トルクリプル、コギングトルクあるいは誘起電圧の波形の変化など電動機に関する特性の変化を防止することができる。たとえば、電動機の出力トルクを小さくする必要がある場合は、その必要に応じて永久磁石を小さくするとともに非磁性体を大きくすることにより、出力トルクを小さくする前の特性を維持しつつ出力トルクを小さくすることができる。すなわち、電動機の出力トルクが変更されても、電動機の特性は所定の傾向を示すように予め設定された特性に維持される。さらに、この変更の場合、回転子の開口部の形状、数あるいは位置を変更する必要がないため、回転子に関するコストは新たに発生しない。これにより、コストを増加させることなく、電動機の特性を維持しつつ出力トルクを最適に調整することができる回転子を提供することができる。
【００１３】
第２の発明に係る回転子は、第１の発明の構成に加えて、複数の開口部は、回転子の回転中心を点対称の中心として配置されるものである。
【００１４】
第２の発明によると、回転子を回転させるトルクが均等に発生するため、回転子を安定して回転させることができる。
【００１５】
第３の発明に係る回転子は、第１または第２の発明の構成に加えて、永久磁石および非磁性体は、開口部に対して実質的に隙間なく配置されるものである。
【００１６】
第３の発明によると、永久磁石および非磁性体は、それぞれの寸法公差の範囲内で発生する隙間以上に隙間を生じることなく（実質的に隙間なく）、開口部に配置されている。このようにすると、回転子における磁気回路が所定の回路に維持されるため、電動機の特性を維持することができる。
【００１７】
第４の発明に係る電動機は、第１〜３のいずれかの発明に係る回転子と、固定子とを含む。
【００１８】
第４の発明によると、回転子の開口部に埋め込まれる永久磁石の大きさと位置とを変更することにより、磁石トルクとリラクタンストルクとを微調整することができる。すなわち、電動機の出力トルクは微調整される。この調整の後においても、回転子の開口部には永久磁石と非磁性体とが配置されるため、回転子と固定子との間のギャップ磁束密度の分布の変化は抑制される。したがって、電動機の出力トルクを調整しても（大きくしても、あるいは小さくしても）、電動機の特性（トルクリプル、コギングトルク等）の変化を抑制することができる。このようにすると、電動機の仕様に基づいて予め設定された特性を維持しつつ、電動機の出力トルクを変更することができる。また、この変更の場合、回転子の開口部の形状、数あるいは位置を変更する必要がないため、回転子に関するコストは新たに発生しない。これにより、コストを増加させることなく、特性を維持しつつ出力トルクを最適に調整することができる電動機を提供することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。
【００２０】
＜第１の実施の形態＞
図１を参照して、本発明の第１の実施の形態に係る電動機の回転子１００の構成について説明する。
【００２１】
図１に示すように、この回転子１００には、予め定められた磁気回路を構成するように複数のスロット１１０（計１０箇所）が設けられている。それぞれのスロット１１０には、永久磁石１２０および非磁性部材１３０が配置されている。なお、このスロット１１０の数、形状あるいは位置は、図１に示される数、形状あるいは位置に限られない。このスロット１１０の配置の例として、たとえば、回転子１００の回転中心に対して、それぞれのスロットを点対称に配置してもよい。
【００２２】
ここで、回転子１００は、たとえばスロット１１０に相当する開口部が形成された電磁鋼鈑を積層したものであるが、このように形成されたものに限られず、永久磁石１２０および非磁性部材１３０を開口部に保持することができるものであればよい。また、非磁性部材１３０は、たとえば銅、アルミニウムその他の非鉄材料、あるいは面心立方晶のオーステナイト系ステンレス鋼など、比透磁率が１に近く、強い磁性を示さない材料からなる部材であればよい。
【００２３】
図１において、スロット１１０に配置された永久磁石１２０は、必要に応じてその形状あるいは大きさを変更することができる。たとえば、電動機の出力トルクを小さくする場合、永久磁石１２０をより小型の永久磁石に置き換えることができる。この場合、その置き換えによりスロット１１０に生じる隙間には、非磁性部材１３０が、新たに置き換えられた永久磁石（すなわち、永久磁石１２０よりも小型の磁石）を保持するように配置される。このようにすると、スロット１１０から永久磁石を取り除く場合に比べて、磁気回路を大きく変更することなく、電動機の出力を微調整することができる。
【００２４】
また、スロット１１０には必ず永久磁石１２０が配置されるため、磁気回路は大きく変化せず、また、ギャップ磁束密度の分布は大きく変更されない。したがって、リラクタンストルクを活用しつつ電動機の出力を変更することができる。また、トルクリプル、コギングトルク、あるいは誘起電圧波形などの特性を、電動機の仕様に対応して当初設定された特性に維持することができる。さらに、永久磁石１２０の形状あるいは寸法は、パーミアンス係数が大きくなる方向に調整することができるため、減磁の問題が発生しにくくなる。その結果、磁束量の調整幅を広くすることができる。
【００２５】
図２を参照して、本実施の形態に係る回転子１００を含む電動機の仕様について説明する。図２は、コアおよび巻数が同一の電動機において、磁石量と無負荷誘起電圧との関係（曲線Ａ）および磁石量と無負荷鉄損との関係（曲線Ｂ）を表わす。
【００２６】
曲線Ａは、磁石量が低下すると、無負荷誘起電圧も所定の比率に基づいて低下することを示す。すなわち、所定の磁石量（１００％とする）を使用する電動機の無負荷誘起電圧を１とした場合、磁石量を小さくすると、無負荷誘起電圧も低下する。図２の例では、磁石量が所定の磁石量の約２０％を下回ると、無負荷誘起電圧は０となる。
【００２７】
曲線Ｂは、磁石量が低下すると無負荷鉄損も低下することを示す。図２の例では、磁石量が所定の磁石量の約３０％であるとき、無負荷鉄損は０となる。
【００２８】
図３を参照して、本実施の形態に係る回転子１００を使用する電動機の特性を、巻数を所定の値に調整した場合について説明する。図３は、磁石量と材料費との関係（曲線Ａ）および磁石量とコアの長さとの関係（曲線Ｂ）を表わす。
【００２９】
曲線Ａは、磁石量を減少させるとコアが長くなることを示す。すなわち、所定の出力を得るためには、磁石量を減少させるとコアを長くする必要がある。
【００３０】
曲線Ｂは、磁石量が低下すると材料費が上昇することを示す。ここで、材料費とは、永久磁石１２０、非磁性部材１３０、コア、コイルなど、電動機を構成する材料の費用である。
【００３１】
このように、図２および図３は、磁石量が無負荷誘起電圧あるいは無負荷鉄損とコア長あるいは材料費との間においてトレードオフの関係にあることを示す。したがって、たとえば、電動機を車両に搭載できる範囲で（すなわち、コアが所定の長さを超えない範囲で）材料費が大きく増加しないように磁石量を減らすことにより、仕様に適合した電動機を設計することができる。
【００３２】
図４を参照して、本実施の形態に係る回転子１００を含む電動機４００について説明する。この電動機４００は、軸受４４０を介して出力軸４５０に取り付けられ、電動機システム１０００を構成している。
【００３３】
図４に示すように、この電動機４００は、フレーム４１０、固定子４２０、コイル４３０、およびスロット１１０が形成された回転子１００を含む。スロット１１０には、図１に示したように永久磁石１２０および非磁性部材１３０が配置されている。
【００３４】
この図４において、電流が電動機４００に供給されて固定子４２０が励磁されると、回転子１００の永久磁石１２０（図１）が励磁された極（図示しない）により吸引されるため、回転子１００は回転する。その後、固定子４２０において他の極（図示しない）が励磁されると、その永久磁石１２０はその磁極に吸引され、回転子１００は、さらに回転を続ける。この電動機４００のスロット１１０には、永久磁石１２０および非磁性部材１３０が必ず配置されているため、回転子１００の回転位相によってギャップ磁束密度の分布は大きく異ならない。したがって、電動機４００は、出力特性を大きく変えることなく、安定して回転を続けることができる。
【００３５】
＜第１の実施の形態の変形例＞
以下、本実施の形態の変形例について説明する。本変形例に係る回転子は、非磁性部材が永久磁石の両端に配置されている点で、前述の第１の実施の形態に係る回転子（図１）と異なる。
【００３６】
図５を参照して、本実施の形態に係る回転子５００の構成について説明する。なお、本実施の形態に係る回転子５００およびスロット１１２の形状および大きさは、図１に示される回転子１００およびスロット１１０の形状および大きさと同じである。
【００３７】
図５に示すように、スロット１１２には、永久磁石１２２および２つの非磁性部材１３２が配置される。永久磁石１２２はその両端に配置された非磁性部材１３２により保持される。この場合、各スロット１１２には永久磁石１２２が必ず配置されるため、回転子５００に生じる磁気回路は、図１に示される回転子１００に生じる磁気回路と大きく異ならない。このようにすると、回転子１００を使用する電動機４００（図４）が出力する特性と同様の特性を、回転子５００を使用する電動機に出力させることができる。
【００３８】
以上により、本実施の形態に係る回転子１００および本変形例に係る回転子５００によると、磁気回路を変化させることなく、電動機の仕様に対応するように磁石トルクおよびリラクタンストルクを微調整することができる。また、トルクリプル、コギングトルク、無負荷誘起電圧などの特性を変更することなく、電動機の出力トルクを調整することができる。
【００３９】
さらに、この回転子１００がたとえば積層電磁鋼鈑により形成される場合、１種類の電磁鋼鈑からなるプレートにスロットを形成すればよく、電動機の仕様（出力トルク、特性等）に応じて複数のプレートを準備する必要がない。たとえば、図１に示すように１０箇所のスロット１１０が形成されたプレートのみでよい。このようにすると回転子１００を形成するためのプレートのコストの増加を抑制することができる。また、各プレートに形成される開口部の形状に対応する永久磁石を生産する必要もない。すなわち、特定のプレートに必要な永久磁石を準備すればよいため、永久磁石に関するコストの増加を抑制することができる。これにより、コストを増加させることなく、電動機の特性を最適に維持しつつ出力トルクを調整することができる回転子およびその回転子を含む電動機を提供することができる。
【００４０】
＜第２の実施の形態＞
以下、本発明の第２の実施の形態について説明する。本実施の形態に係る回転子は、小型化された永久磁石と大型化された非磁性部材とがスロットに配置される点で、前述の第１の実施の形態に係る回転子と異なる。
【００４１】
図６を参照して、本実施の形態に係る回転子６００の構成について説明する。なお、本実施の形態に係る回転子６００およびスロット１１４の形状および大きさは、図１に示される回転子１００およびスロット１１０の形状および大きさと同じである。
【００４２】
図６に示すように、スロット１１４には、永久磁石１２４および非磁性部材１３４が配置される。この回転子６００を使用する電動機（図示しない）の出力の調整のため、永久磁石１２４は永久磁石１２０（図１）よりも小さな磁石である。一方、非磁性部材１３４は、永久磁石１２４をスロット１１４に保持するように、非磁性部材１３０よりも大きな部材である。
【００４３】
このようにすると、スロット１１４には、永久磁石１２４および非磁性部材１３４が必ず配置されるため、磁気回路およびギャップの磁束密度の変化が抑制される。したがって、回転子６００を使用する電動機の特性（トルクリプル、コギングトルクなど）を、永久磁石１２４の大きさが変更される前の電動機（たとえば電動機４００）の特性と同程度に維持することができる。
【００４４】
以上により、本実施の形態に係る回転子６００によると、電動機の特性の変化を防止しつつ、電動機の出力トルクを調整することができる。また、回転子６００は回転子１００と同じ形状および大きさであるため、回転子を新規に生産する必要はない。これにより、コストの増加を抑制して電動機の特性を最適に維持しつつ出力トルクを調整することができる回転子を提供することができる。
【００４５】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る回転子の構成図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る回転子を使用する電動機の特性図（その１）である。
【図３】本発明の実施の形態に係る回転子を使用する電動機の特性図（その２）である。
【図４】本発明の実施の形態に係る回転子を使用する電動機の構成図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態の変形例に係る回転子の構成図である。
【図６】本発明の第２の実施の形態に係る回転子の構成図である。
【符号の説明】
１００，５００，６００  回転子、１１０，１１２，１１４  スロット、１２０，１２２，１２４  永久磁石、１３０，１３２，１３４  非磁性部材、４００電動機、４１０  フレーム、４２０  固定子、４３０  コイル、４４０  軸受、４５０  出力軸。
【図１】
2004260920.tif 000003
【図２】
2004260920.tif 000004
【図３】
2004260920.tif 000005
【図４】
2004260920.tif 000006
【図５】
2004260920.tif 000007
【図６】
2004260920.tif 000008