(57)【要約】【課題】簡易な構成で弱め界磁制御を実現できる永久磁石埋め込み型ロータを提供する。【解決手段】回転数が高いときにロータ１４のブリッジ部３６の内面に磁性体片３８が接触する一方で回転数が低いときに磁性体片３８がブリッジ部３６と非接触になる磁性体片接離機構３０を、モータのロータ１４の内部に埋め込まれた永久磁石２４のロータ周方向端部２４ａに隣接して設ける。【選択図】図３
2012050292.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転数が高いときにロータのブリッジ部の内面に磁性体片が接触する一方で回転数が低いときに前記磁性体片が前記ブリッジ部と非接触になる磁性体片接離機構を、モータのロータの内部に埋め込まれた永久磁石のロータ周方向端部に隣接して設けた、ロータ。
【請求項２】
請求項１に記載のロータであって、
前記磁性片接離機構は、前記永久磁石のロータ周方向端部に隣接してロータ内部に形成される空間内に移動可能に配置される前記磁性片と、ロータ回転時に前記磁性片に作用する遠心力によって長さが変わる弾性体とを含む、ロータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モータに用いられる永久磁石埋め込み型ロータに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、モータのロータに永久磁石を埋め込んだ永久磁石埋め込み型のロータ（以下、適宜にＩＰＭ(Interior Permanent Magnet)ロータという）が知られている。このようなＩＰＭロータは、筒状をなすスタータ内に回転可能に配置される。そして、スタータ内周部に周方向に配列されたティース部に巻装されているステータコイルに例えば交流電流を流すことによってステータ内に回転界磁が形成され、これによりＩＰＭロータは回転駆動される。
【０００３】
永久磁石型モータの最大回転数を上げるためには、永久磁石を埋め込んだロータの回転によりステータコイルに発生する誘起電圧（逆起電力）を小さくする必要がある。モータが低速度で回転している場合には、永久磁石による界磁によりステータコイルに誘起される電圧は小さいためにモータの回転に及ぼす影響はほとんどない。しかし、モータの回転が上昇して誘起電圧がモータに供給可能な最大電圧に等しくなると、モータへの電流供給が不可能となるために回転数を上げることはできず、モータのロータのトルクは零に低下する。つまり、誘起電圧（逆起電力）がモータ供給最大電圧と等しくなるときのモータの回転数が最高回転数となる。
【０００４】
永久磁石型モータでは、ステータコイルに流す電流が低くても、ロータに設けた永久磁石による界磁を強くすればマグネットトルクの増大によりモータトルクを大きくすることが可能である。ところが、界磁を強くすればモータの最高回転数が低くなるという問題が生じる。近年、希土類磁石の高性能化により、永久磁石型モータに希土類磁石が使用されることが多い。しかし、高性能の希土類磁石を使用すると、低速域では高トルクを得ることができるがモータの最大回転数が極端に低くなるという問題が生じる。
【０００５】
このため、ステータコイルに流れる電流の電気角位相を調整して、ステータ内に形成される界磁を減少させる弱め界磁制御が行われている。この弱め界磁制御により、モータの最高回転数を上げることができる。また、この弱め界磁制御では、磁石トルクが低下するもののリアクタンストルクが増加することでトータルとしてのモータトルクも高くすることができる。
【０００６】
これに関連する先行技術文献として特開２００２−２０４５４１号公報（特許文献１）には、複数の永久磁石を有する回転子と、この回転子を囲むように同心状に設けた固定子とを備えた永久磁石型回転電動機において、互いに対して回転可能な状態に組み合わされた内輪と外輪とで回転子を構成し、回転時に作用する遠心力によって内輪および外輪に相対回転移動を生じさせ、これによりそれぞれに埋め込んである永久磁石の位置をずらすことで、回転子の永久磁石による界磁を弱めて固定子巻線の電流を操作せずに弱め界磁制御を行うことが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−２０４５４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１の永久磁石型回転電動機では、回転子を内輪と外輪の二重輪で構成するとともに、内輪および外輪に相対回転移動を生じさせる機構が必要となるため、構成が複雑になるという問題がある。また、弱め界磁制御中にステータコイルに流れる電流を抑制することがコイルひいてはモータの発熱を抑制するうえで好ましい。
【０００９】
本発明は、より簡易な構成で弱め界磁制御を実現できるＩＰＭロータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係るロータは、回転数が高いときにロータのブリッジ部の内面に磁性体片が接触する一方で回転数が低いときに前記磁性体片が前記ブリッジ部と非接触になる磁性体片接離機構を、モータのロータの内部に埋め込まれた永久磁石のロータ周方向端部に隣接して設けたものである。
【００１１】
本発明に係るロータにおいて、前記磁性片接離機構は、前記永久磁石のロータ周方向端部に隣接してロータ内部に形成される空間内に移動可能に配置される前記磁性片と、ロータ回転時に前記磁性片に作用する遠心力によって長さが変わる弾性体とを含んでもよい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係るロータでは、高速回転時には磁性体片がロータのブリッジ部内面に接触して永久磁石の端部における漏れ磁束経路が形成される。これにより、永久磁石からの漏れ磁束が多くなるため、永久磁石による界磁が弱められる。一方、低速回転時には磁性体片をロータのブリッジ部内面から離して位置させることにより、上記漏れ磁束経路が形成されなくなる。したがって、永久磁石による界磁は弱められず、永久磁石の磁力に応じた磁石トルクを得ることができる。
【００１３】
このように本発明に係るロータによれば、回転時の遠心力によって磁性体片がブリッジ部内面に接離する機構を永久磁石に隣接して設けるという簡易な構成によって、弱め界磁制御を実現することが可能になる。
【００１４】
また、上記のように高速回転時に弱め界磁制御を行えることでステータコイルに生じる誘起電圧を抑制することができる。これにより、ステータコイルに流す電流を調整して弱め界磁制御を行う場合、コイル電流を低減することができる。その結果、ステータコイルの発熱、ひいては、モータの発熱を効果的に抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態であるロータを含むモータの軸方向端面を示す図である。
【図２】低速回転時における図１中のＡ部の拡大図である。
【図３】高速回転時における図１中のＡ部の拡大図である。
【図４】変形例のロータを示す図２と同様の図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下に、本発明に係る実施の形態について添付図面を参照しながら詳細に説明する。この説明において、具体的な形状、材料、数値、方向等は、本発明の理解を容易にするための例示であって、用途、目的、仕様等にあわせて適宜変更することができる。
【００１７】
以下において、「軸方向」とはロータの回転中心軸に沿う方向をいい、「径方向」とは前記回転中心軸に直交する方向をいい、「周方向」とは前記回転中心軸を中心として直交平面上に描かれる円の円周方向に沿う方向をいう。
【００１８】
図１は、本発明の一実施の形態であるモータ１０の軸方向端面を示す。モータ１０は、筒状をなすステータ１２と、ステータ１２の内側に設けられた円柱状のロータ１４とを備える。また、モータ１０は、図示しないケースまたはハウジング内に収容されている。
【００１９】
ステータ１２は、たとえば、打ち抜き加工により円環状に形成された珪素鋼板を軸方向に多数枚積層して一体に連結されてなるステータコア１３によって構成されている。ステータコア１３の内周には、複数（本実施形態では８つ）のティース部１６が周方向に均等間隔で配列され且つ径方向内側にむかってそれぞれ突設されている。そして、隣接する２つのティース部１６間にはスロット部１８が形成されている。これらティース部１６およびスロット部１８は、ステータコア１３と同じ軸方向長さを有して軸方向に延伸している。ティース部１６の径方向内側の先端面とロータ１４の外周面との間には、ロータ回転時に両者が緩衝しない程度の狭い隙間が形成されている。
【００２０】
ステータコア１３の各ティース部１６に周囲には、ステータコイル２０がそれぞれ巻装されている。ステータコイル２０は、周方向に隣接するコイル同士が電気的に接続されてもよいし、あるいは、周方向に所定数おき毎のコイル同士が接続されて複数相コイルを構成してもよい。図１中には示されていないが、各ステータコイル２０は、ステータコア１３の軸方向両端面から外側へそれぞれ突出しており、この突出部分がコイルエンド部とも呼ばれる。
【００２１】
このような構成からなるステータ１２において、モータ外部からステータコイル２０に電圧が印加されるとステータコイル２０により励磁されるティース部１６によって、ステータ１２内に回転磁界が形成されるようになっている。この回転磁界に引き付けられて、後述するＩＰＭロータが回転駆動されることになる。
【００２２】
なお、ステータ１２は一体のステータコア１３から構成されるものとして説明するが、これに限定されず、周方向に複数に分割される分割コアを環状に連ねて締結することによって構成されてもよい。この場合、分割コアは、たとえば圧粉磁心により構成に形成されることができる。また、ステータコイルは、丸線状の導電線を巻回して構成されてよいし、あるいは、帯状平板を巻回してエッジワイズコイルとして形成されもよい。さらに、ステータ１２へのコイルの巻き方は、いわゆる集中巻きである場合に限らず、いわゆる分布巻きであってもよい。
【００２３】
次に、もう１つのモータ構成要素であるロータ１４について説明する。
【００２４】
ロータ１４は、円柱状または円筒状をなすロータコア１５と、ロータコア１５の中心に固定されたロータシャフト２２とを含む。ロータコア１５は、上述したステータコア１３と同様に構成されることができる。すなわち、たとえば、円盤状に打ち抜き加工された珪素鋼板を軸方向に多数枚積層して、かしめ、接着、溶接等の手法によって一体に連結されて構成されている。
【００２５】
ロータコア１５の中心穴を貫通して固定されるロータシャフト２２の軸方向の両端部は、図示しないモータケースに取り付けられた軸受部材によって回転可能にそれぞれ支持されている。図１において、ロータシャフト２２の回転中心軸Ｘが点として示されている。
【００２６】
また、ロータコア１５には、複数の永久磁石２４がコア内部に埋め込まれている。本実施形態のロータ１４では、４つの永久磁石２４がロータコア１５の内部であって外周面近傍の位置で且つ周方向に均等配置で固定されている。永久磁石２４は、軸方向端面が細長い矩形をなす扁平な板状のものである。ロータコア１５の内部には、磁石挿入穴２６が軸方向に延伸して形成されており、この磁石挿入穴２６にロータコア１５の軸方向端面から挿入された永久磁石２４が樹脂等によって接着されて穴内の所定位置に固定されている。
【００２７】
このようにロータ１４では、ロータコア１５の内部に永久磁石２４が埋め込まれて固定されているため、高速回転時に遠心力によって永久磁石２４がロータ１４から離脱することがなく、また、磁石挿入穴２６内に接着等によって固定されているため永久磁石２４がロータコア１５内で軸方向に移動することもない。
【００２８】
ロータコア１５に形成される磁石挿入穴２６は、永久磁石２４の厚みに対応する縦幅（または径方向長さ）は、永久磁石２４を挿入可能な程度に若干大きく形成されている。これに対し、磁石挿入穴２６の横幅（または径方向と直交する方向の長さ）は永久磁石２４よりも長く形成されている。これにより、磁石挿入穴２６内部に固定された永久磁石２４の径方向両端部に隣接して空間が形成され、その空間内に磁性体片接離機構３０が設けられている。
【００２９】
続いて、図２，３を参照して磁性体片接離機構３０について説明する。図２は低速回転時における図１中のＡ部の拡大図であり、図３は高速回転時における図１中のＡ部の拡大図である。
【００３０】
図２を参照すると、上述したようにロータコア１５の磁石挿入穴２６に固定された永久磁石２４の周方向端部２４ａに隣接して空間３２が形成されている。この空間３２は、ロータコア１５の軸方向の全長にわたって延伸して形成されている。空間３２を形成する径方向外側の内壁面３４とロータコア１５の外周面１５ａとの間の狭い部分がロータ１４のブリッジ部３６となっている。
【００３１】
このように低透磁率で磁気抵抗となる空間３２を永久磁石２４の周方向端部２４ａに隣接して設けることで、永久磁石２４の周方向端部２４ａにおける漏れ磁束を抑制する効果がある。図２において永久磁石２４から出る磁力線２５ａ，２５ｂを点線で模式的に示す（図３，４についても同様）。永久磁石２４の端部２４ａの径方向外側面（たとえばＮ極面）から出た磁力線２５ａが、永久磁石２４の裏側面（たとえばＳ極面）に回り込むことなくロータ１４の外側へと延びている様子が示されている。
【００３２】
上記空間３２内に設けられた磁性体片接離機構３０は、磁性体片３８と弾性体４０とを含む。磁性体片３８にはたとえば鉄片を好適に用いることができるが、他の磁性材料からなる金属片等が用いられてもよい。磁性体片３８は、永久磁石２４とほぼ同じ軸方向長さを有して、空間３２内に延伸して配置されている。
【００３３】
弾性体４０には、たとえばコイルばねが好適に用いられる。弾性体４０の径方向外側の端部は、磁性体片３８に連結されている。一方、弾性体４０の径方向内側の端部は、空間３２を挟んでブリッジ部３６に対向する内壁面に固定されている。これにより、弾性体４０は、ロータ１４の回転時に磁性体片３８に作用する遠心力によって長さが変わる。すなわち、弾性体４０は、ロータ１４の高速回転時には、磁性体片３８に作用する遠心力によって伸び、ロータ１４の停止時または低速回転時には縮んだ状態になる。なお、弾性体４０には、コイルばね以外の弾性体、たとえば板ばね、ゴム等が用いられてもよい。
【００３４】
磁性体片３８は、たとえば略直角をなすように尖った頂部３９を有している。これに応じて空間３２の内壁面３４も凹んだ形状に形成されている。これにより、図３に示すように、ロータ１４の高速回転時に弾性体４０が伸びたとき、磁性体片３８の頂部３９が空間３２の内壁面３４、すなわちブリッジ部３６と密着した状態にほぼ隙間無く接触するようになっている。なお、磁性体片３８とブリッジ部３６との接触面形状はどのような面状であってもよく、たとえば円弧状に湾曲突出した頂部と円弧状に凹んだ内壁面としてもよい。
【００３５】
続いて、上記構成からなる磁性体片接離機構３０の動作について説明する。
【００３６】
ロータ１４が低速回転するとき、図２に示すように弾性体４０は縮んだままの状態にあり、磁性体片３８はロータ１４のブリッジ部３６から離れている。これにより、上述したように永久磁石２４の周方向端部２４ａから出た磁力線２５ａは裏面に回りこむことなくロータ１４の外側に伸びる。その結果、永久磁石２４による界磁は弱められず、永久磁石２４の磁力に応じた磁石トルクを得ることができる。
【００３７】
一方、ロータ１４が高速回転するとき、図３に示すように弾性体４０が磁性体片３８に作用する遠心力によって伸びる。そして、磁性体片３８が空間３２内を矢印Ｂ方向に移動して、ブリッジ部３６と接触した状態になる。これにより、永久磁石２４の端部２４ａに隣接して磁性体片３８を通る漏れ磁束経路が形成される。その結果、永久磁石２４の端部２４ａから出た磁力線２５ａがブリッジ部３６に接触した位置にある磁性体片３８を介して裏面側に回り込む漏れ磁束が発生し、その分、永久磁石２４によってロータ外部に形成される界磁が弱くなる。このように本実施形態のロータ１４では、回転時の遠心力によって磁性体片３８がブリッジ部３６の内面３４に接離する機構を永久磁石２４に隣接して設けるという簡易な構成によって、弱め界磁制御を実現することが可能になる。
【００３８】
また、上記のようにロータ１４の高速回転時に弱め界磁制御を行えることでステータコイル２０に生じる誘起電圧を抑制することができる。これにより、ステータコイル２０に流す電流を調整して弱め界磁制御を行う場合、コイル電流を低減することができる。その結果、ステータコイル２０の発熱、ひいては、モータ１０の発熱を効果的に抑制することができる。
【００３９】
なお、ロータ１４が中速回転するとき、磁性体片３８に作用する遠心力によって弾性体４０は少しは伸びるものの、ブリッジ部３６に対して磁性体片３８が非接触の状態を維持する。したがって、空間３２は漏れ磁束抑制機能を発揮することから、磁石トルクを低下させることはない。
【００４０】
本発明に係るロータは、上述した実施形態のものに限定されず、種々の改良または変更が可能である。
【００４１】
たとえば、図４に示すように、永久磁石２４と磁性体片３８との間に仕切壁４２を設けてもよい。この仕切壁４２は、樹脂層等により好適に構成されることができる。このような仕切壁４２を設けることで、磁性体片３８が永久磁石２４に直に接触して漏れ磁束経路が形成されてしまうのを防止することができる。また、仕切壁４２を設けることで、磁性体片３８の矢印Ｂ方向への円滑な移動性を確保しつつ、空間３２内で磁性体片３８が振動して騒音を生じるのを抑制することができる。
【００４２】
また、上記においては、磁性体片３８がロータ回転数にかかわらず永久磁石２４の側方に位置しているものとして説明または図示するが、これに限定されず、ロータ低速回転時には磁性体片が永久磁石から径方向内方へ離れて位置し、ロータ高速回転時に径方向外方へ迫り出してきて図３に示すブリッジ部との接触位置となるように磁性体片接離機構を構成してもよい。
【符号の説明】
【００４３】
１０  モータ、１２  ステータ、１３  ステータコア、１４  ロータ、１５  ロータコア、１５ａ  ロータ外周面、１６  ティース部、１８  スロット部、２０  ステータコイル、２２  ロータシャフト、２４  永久磁石、２４ａ  ロータ周方向端部、２５ａ，２５ｂ  磁力線、２６  磁石挿入穴、３０  磁性体片接離機構、３２  空間、３４  内壁面または内面、３６  ブリッジ部、３８  磁性体片、３９  頂部、４０  弾性体、４２  仕切壁、Ｘ  回転中心軸。
【図１】
2012050292.tif 000003
【図２】
2012050292.tif 000004
【図３】
2012050292.tif 000005
【図４】
2012050292.tif 000006