(57)【要約】【課題】減磁しにくく、低コギングで、かつ、永久磁石とヨークとの周方向位置決めを容易にすることができる永久磁石型回転電機を得ることを目的としている。【解決手段】電機子２０と、電機子２０の外周側に空隙を介して設けられる界磁とを備え、１０界磁は、周方向に等間隔で配置され電機子２０と同心の円弧状の永久磁石１１と、永久磁石１１の外周に周方向に等間隔で設けられ電機子２０と同心の円弧状のヨーク１２とを備え、隣り合うヨーク１２間にヨーク空隙１２ａが形成され、ヨーク空隙１２ａは永久磁石１１の外周面の周方向中央部に位置し、ヨーク空隙１２ａと対面する永久磁石１１の外周面に、周方向に所定の幅を有し、径方向に所定の深さを有する窪み１１ｂが設けられている構成とする。【選択図】図１
2013135535.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電機子と、上記電機子の外周側に空隙を介して設けられる界磁とを備え、上記界磁は、周方向に等間隔で配置され上記電機子と同心の円弧状の永久磁石と、上記永久磁石の外周に上記周方向に等間隔で設けられ上記電機子と同心の円弧状のヨークとを備え、上記周方向に隣り合う上記ヨーク間にヨーク空隙が形成され、上記ヨーク空隙は上記永久磁石の外周面の周方向中央部に位置し、上記ヨーク空隙と対面する上記永久磁石の外周面に、上記周方向に所定の幅を有し、径方向に所定の深さを有する窪みが設けられていることを特徴とする永久磁石型回転電機。
【請求項２】
上記ヨーク空隙の上記周方向中心と上記永久磁石の上記周方向中心とは、それぞれの周方向の位置が一致していることを特徴とする請求項１に記載の永久磁石型回転電機。
【請求項３】
上記永久磁石の上記窪みの幅及び深さは、上記永久磁石が上記窪みを持たない場合に上記永久磁石に発生する磁束密度の高調波成分の合成波を打ち消すように設定されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の永久磁石型回転電機。
【請求項４】
上記高調波成分の合成波に（−１）を乗じた値が０Ｔ以上の範囲である合成波のピッチをウ、上記高調波成分に（−１）を乗じた値の振幅をイ、上記永久磁石の磁束密度の最大値をアとしたとき、上記窪みの幅及び深さを下記式（１）及び式（２）により設定することを特徴とする請求項３に記載の永久磁石型回転電機。
窪みの幅＝ウ・・・式（１）
窪みの深さ／永久磁石の径方向厚さ＝イ／ア・・・式（２）
【請求項５】
上記ヨーク空隙の周方向幅をＬとしたとき、上記周方向幅Ｌは、上記電機子中心からみた角度が、電気角で０＜Ｌ＜２５ｄｅｇの範囲にあることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の永久磁石型回転電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、界磁が電機子の外周側に配置され、界磁を構成する永久磁石の構造に特徴がある永久磁石型回転電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、あらゆる製品への適用が増えつつある永久磁石型回転電機において、低コスト化・高品質化（低振動・低騒音）が求められている傾向にある。
【０００３】
特に、生産台数が多く、構成部品点数の多い自動車などにおいては、電動パワーステアリング装置、排ガス循環装置などにも永久磁石型回転電機を用いる例が多く、低コスト化や低振動化に対する要求が高い。
【０００４】
また、室内に置かれることの多い家庭用洗濯機などにおいては、洗濯槽を駆動するために永久磁石型回転電機を用いる例が多く、低騒音化に対する要求が高い。
【０００５】
上記のような用途に使われる永久磁石型回転電機は、その大半は、界磁が電機子の外周側に配置される構成である。例えば、自動車用では、内周側の電機子が回転し、電圧の供給を機械的に切り替えていくブラシ付直流モータが、また、洗濯機では外周側で界磁が回転するアウターロータ型のブラシレスモータが広く使われている。
【０００６】
上記永久磁石型回転電機の界磁は、複数の永久磁石とヨークとからなる。永久磁石は極数分設けられた略瓦状であることが多く、ヨークは円筒形を成している。永久磁石とヨークとの固定は、接着剤による場合もあるが、永久磁石−ヨーク間に生じる空隙による特性低下を回避するため、上下端部やその他の空隙に樹脂をモールドして固定されることもある。
【０００７】
従来より、電機子の外周側に配置された界磁に永久磁石を用いた回転電機が公知であり、その界磁は、１磁極あたり１個の永久磁石を複数個組み合わせた磁極と、磁極の外周側に設けられた磁性体のヨークから構成されている。上記構成のモータにおいて、永久磁石の周方向両端における径方向厚さを周方向中央における径方向厚さより薄く（例えば、０．４〜０．８倍）なるように形成することでコギングトルクを低減させた永久磁石型モータが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００８】
また、別の例では、界磁部分をハウジングで保持する際に、ハウジングの樹脂割れ及び剥離を防止するため、ヨークに電機子の中心軸に沿った方向のスリットを磁極の中心に相当する位置に設けることによりヨークを複数に分割した構造の永久磁石型モータが提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００６−０９４６０４号公報（第３頁−第４頁、図１−図３）
【特許文献２】実用新案登録公報第２５８００５３号公報（第２頁、図１−図２）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上記特許文献１のように磁石の周方向両端部を中央の厚みより薄くした場合、均一の厚みの場合よりも電機子との間のギャップが広くなり、出力トルクが低下する傾向にあった。
【００１１】
また、回転電機を駆動させると、界磁は電機子電流による反磁界を受けるが、通常は磁極間部、すなわち、永久磁石の両端に大きな反磁界を受けることが多い。上記特許文献１のように磁石の両端部を薄肉にした場合、反磁界によって減磁しやすくなっていた。
【００１２】
また、上記特許文献２のようにヨークの磁極中心に相当する位置にスリットを設けた場合、スリット部に充填された樹脂によって、磁石とヨークとを固着する効果はあるが、永久磁石の周方向中心とヨークのスリット中心との位置決め、すなわち永久磁石とヨークとの周方向位置決めが難しく、モールド時に両者の中心がずれることで磁気回路の漏れが生じ、出力トルクの低下、コギングの増大に繋がっていた。
【００１３】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、減磁しにくく、低コギングで、かつ、永久磁石とヨークとの周方向位置決めを容易にすることができる永久磁石型回転電機を得ることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
この発明に係る永久磁石型回転電機は、電機子と、上記電機子の外周側に空隙を介して設けられる界磁とを備え、上記界磁は、周方向に等間隔で配置され上記電機子と同心の円弧状の永久磁石と、上記永久磁石の外周に上記周方向に等間隔で設けられ上記電機子と同心の円弧状のヨークとを備え、上記周方向に隣り合う上記ヨーク間にヨーク空隙が形成され、上記ヨーク空隙は上記永久磁石の外周面の周方向中央部に位置し、上記ヨーク空隙と対面する上記永久磁石の外周面に、上記周方向に所定の幅を有し、径方向に所定の深さを有する窪みが設けられているものである。
【発明の効果】
【００１５】
この発明に係る永久磁石型回転電機によれば、電機子と、上記電機子の外周側に空隙を介して設けられる界磁とを備え、上記界磁は、周方向に等間隔で配置され上記電機子と同心の円弧状の永久磁石と、上記永久磁石の外周に上記周方向に等間隔で設けられ上記電機子と同心の円弧状のヨークとを備え、上記周方向に隣り合う上記ヨーク間にヨーク空隙が形成され、上記ヨーク空隙は上記永久磁石の外周面の周方向中央部に位置し、上記ヨーク空隙と対面する上記永久磁石の外周面に、上記周方向に所定の幅を有し、径方向に所定の深さを有する窪みが設けられているものであるので、減磁しにくく、低コギングで、かつ、永久磁石とヨークとの周方向位置決めを容易にすることができる永久磁石型回転電機を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】この発明に係る永久磁石型回転電機の（ａ）横断面図及び（ｂ）Ａ−Ａ断面図である。
【図２】この実施の形態１における永久磁石の形状を示す平面図である。
【図３】実施の形態１における永久磁石に発生する磁束密度の周方向に沿って解析した分布を示す図である。
【図４】図３の解析結果と永久磁石の形状とを重ね合わせた図である。
【図５】この実施の形態１における永久磁石の形状、コギング及び磁石重量の関係を従来のものと比較したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
実施の形態１.
図１は、この発明に係る永久磁石型回転電機の横断面図（ａ）及び図１（ａ）におけるＡ−Ａ断面図（ｂ）、図２は、この実施の形態１における永久磁石の形状を示す平面図、図３は、この実施の形態１における永久磁石１１に発生する磁束密度の周方向に沿って解析した分布を示す図、図４は、図３の解析結果と永久磁石１１の形状とを重ね合わせた図、図５は、この実施の形態１における永久磁石の形状、コギング及び磁石重量の関係を従来のものと比較したグラフである。
【００１８】
図１に示したように、永久磁石型回転電機１００は、電機子２０と、電機子２０の外周側に空隙３０を介して設けられる界磁１０を備える。界磁１０が固定され、電機子２０が界磁１０の内側で回転する場合及び、電機子２０が固定され、外周の界磁１０が回転する場合が本発明に入る。
【００１９】
図１に示したように、電機子２０は、周方向に等間隔で配置された磁極数分の電機子鉄心２１と、電機子鉄心２１のスロットに収納される電機子コイル２２とを備える。電機子鉄心２１は、所定の形状に打ち抜かれた電磁鋼板を、所定枚数積層して形成される。なお、図１では、インシュレータ、ブラシ、整流子は図示していない。
【００２０】
界磁１０は、周方向に等間隔で配置され、電機子２０と同心の円弧状の永久磁石１１と、永久磁石１１の外周に等間隔で設けられ、電機子２０と同心の円弧状のヨーク１２とを備え、隣り合うヨーク１２間にヨーク空隙１２ａが形成され、ヨーク空隙１２ａは永久磁石１１の外周面の周方向中央部に位置しヨーク空隙１２ａと対面する永久磁石１１の外周面に、周方向に所定の幅を有し、径方向に所定の深さを有する窪み１１ｂが設けられている。
【００２１】
界磁１０は、ヨーク１２及び永久磁石１１を金型内に配置し、熱可塑性樹脂を射出注入するインサート成形により成形される。
【００２２】
永久磁石１１には、例えば、焼結磁石（フェライト）を用いるが、ネオジムやディスプロシウムを使った希土類磁石を用いてもよい。各永久磁石１１は、電機子２０と同心の円弧形状のセグメント磁石であり、ラジアル方向に配向あるいは着磁されている。永久磁石１１の成す角度（図２の１１ｃ）は電気角で１２０〜１３５度であり、極間空隙１１ａは、電機子２０中心から見た角度が電気角で４５〜６０度である。
【００２３】
窪み１１ｂの形状について説明する。図２に示したように、窪み１１ｂは、永久磁石１１の周方向中央部において、永久磁石１１の周方向幅１１ｃ及び径方向厚さ１１ｄそれぞれに対して、所定の幅１１ｂ−１、中央における所定の深さ１１ｂ−２からなる。
【００２４】
図３において、横軸は磁石の周方向位置で周方向の中心位置を０．０ｄｅｇ（電気角）、縦軸は磁束密度（Ｔ）であり、太い破線Ａは、窪み１１ｂがない場合の永久磁石１１の磁束密度分布であり、方形波状の形状となる。細い破線Ｃはその基本波成分、太い実線Ｂは高調波（５次，７次）成分の合成波に（−１）を乗じた波形（高調波成分を打ち消す合成波）を示す。なお、この実施の形態１の一例における永久磁石１１の周方向幅１１ｃでは、高調波３次、及び高調波７次より高次の高調波成分は非常に小さいので無視しているが、永久磁石１１の周方向幅１１ｃの大きさによっては高調波３次、及び高調波７次より高次の高調波成分も無視できない場合がある。
【００２５】
図３の波形のうち、永久磁石１１の磁束密度の最大値をア、高調波の合成波の振幅をイ、合成波のピッチ（磁束密度０Ｔと交わるポイント間の幅）をウとする。
【００２６】
図４に示したように、永久磁石１１の径方向厚さ１１ｄ及び永久磁石１１の周方向幅１１ｃと、太い破線で示した磁束密度波形とを合わせて作図した図である。また、円弧状の太線は窪み１１ｂによって実現したい磁束密度の波形である。窪み１１ｂの深さ１１ｂ−２を略イの値とし、窪みの幅１１ｂ−１を略ウの値にすることで−３０ｄｅｇ〜３０ｄｅｇの間の高調波成分を打ち消す合成波におおむね一致した磁束密度の波形が得られる。なお、図４において、、永久磁石１１の両端部より外側の高調波成分の合成波は、大部分が永久磁石１１から外れたものであるので無視できる。また、−３０ｄｅｇ及び３０ｄｅｇから永久磁石端部までの間にある高調波成分の合成波は、この発明では考慮していないが、後述のように、電機子２０の電流による反磁界を受けても、減磁しにくい永久磁石型回転電機が得られ、また、後述の図５のように、従来よりもコギングを低減することができる。
【００２７】
以上のことから、幅１１ｂ−１と深さ１１ｂ−２は下記式（１）と下記式（２）のように設定する。
（幅１１ｂ−１）＝ウ・・・式（１）
（深さ１１ｂ−２）／（径方向厚さ１１ｄ）＝イ／ア・・・式（２）
となるように幅１１ｂ−１，深さ１１ｂ−２を設定する。
【００２８】
以上のようにすることで、永久磁石１１の外周中央部に設けた窪み１１ｂにより高調波成分を打ち消すことができるため、磁束の歪みが小さくなってコギングを低減することができ、かつ、窪み１１ｂ分の磁石使用量も減らせる。また、永久磁石１１の両端部を薄くせずにコギングを低減しており、運転時の電機子２０の電流による反磁界を受けても、減磁しにくい永久磁石型回転電機が得られる。
【００２９】
図５に示したように、永久磁石の形状を、Ａ．均一厚みとした場合、Ｂ．両端部厚みを０．５倍にした場合、Ｃ．外周中央に上記寸法の窪みを設ける場合を比較した結果、コギングの低減率及び磁石使用量をＡを１００％とすると、コギングの低減は、Ｂの場合が８０％に、Ｃの場合が５５％に低減され、磁石使用量は、Ｂの場合が９８．６％に、Ｃの場合が９８．５％に低減される。
【００３０】
なお、窪み１１ｂを設けることで、永久磁石１１とヨーク１２の間には窪み１１ｂの形状に等しい空隙ができる。
【００３１】
ヨーク１２は、磁性体からなり、永久磁石１１の径方向厚さは永久磁石１１から出る磁束が飽和しない程度の厚さを持つ。ヨーク１２には、永久磁石１１の背面の所定の箇所に、ヨーク空隙１２ａが形成されている。また、ヨーク１２は、極間空隙１１ａに対向する部分は繋がっている。すなわち、ヨーク１２は、永久磁石１１と同数に分割され、セグメント状となっている。
【００３２】
ヨーク空隙１２ａの周方向の位置は、永久磁石１１の磁極中心と等しくなるようにすることが望ましい。また、ヨーク空隙１２ａの周方向幅を、電機子２０中心からみた角度が、電気角で０＜Ｌ＜２５ｄｅｇの範囲にすることが望ましい。この構成により、磁気回路における磁束の漏れを最小限にすることができ、出力トルクを向上させることができる。
【００３３】
また、永久磁石１１の周方向中心とヨーク空隙１２ａの周方向中心とを位置合わせする位置決め用の機構を金型内に設けることにより、樹脂１３による一体成形時に、永久磁石１１とヨークとの周方向の位置合わせが容易になり、両者の位置ずれによるコギングの増大、トルクの低下を防ぐことができる。例えば、金型内にヨーク空隙１２ａと窪み１１ｂを合成した形状のピンからなる位置決め機構を設け、この位置決め機構に合わせてヨーク１２、永久磁石１１をインサートすればよい。
【００３４】
この実施の形態１の永久磁石型回転電機１００によれば、電機子２０と、電機子２０の外周側に空隙を介して設けられる界磁とを備え、界磁１０は、周方向に等間隔で配置された電機子２０と同心の円弧状の永久磁石１１と、永久磁石１１の外周に等間隔で設けられた電機子２０と同心の円弧状のヨーク１２とを備え、隣り合うヨーク１２間ににヨーク空隙１２ａが形成され、ヨーク空隙１２ａは永久磁石１１の外周面の周方向中央部に位置し、ヨーク空隙１２ａと対面する永久磁石１１の外周面に、周方向に所定の幅を有し、径方向に所定の深さを有する窪み１１ｂが設けられているので、減磁しにくく、低コギングで、かつ、磁石使用量を削減した永久磁石型回転電機を得ることができる。
【００３５】
また、永久磁石１１に、高調波を打ち消すような窪み１１ｂを設けることで、コギングを大幅に低減できる。図５に示したように、窪み１１ｂがない場合に比べてコギングを４０％低減でき、磁石使用量も１．５％削減できる。
【００３６】
また、極間空隙１１ａ、永久磁石１１の外周側のヨーク空隙１２ａ、ヨーク１２と永久磁石１１の軸方向両端部、及びヨーク１２の外周面に樹脂１３を充填して、界磁１０は一体化され、永久磁石１１の固定を確実にすることができる。
【００３７】
また、永久磁石の窪み１１ｂによってできる空隙とヨーク空隙１２ａとでできる空隙を利用して相互の位置決めを容易にすることができ、位置ばらつきによるコギングの増大やトルクの低下を防ぐことができる。また、インサート成形時の金型形状を単純にすることができ、金型寿命も向上する。
【００３８】
なお、この発明は、その発明の範囲内において、実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
この発明の永久磁石型回転電機は、自動車あるいは家庭用洗濯機等幅広い分野で有効に利用することができる。
【符号の説明】
【００４０】
１０  界磁、１１  永久磁石、１１ａ  極間空隙、１１ｂ  窪み、
１１ｂ−１  窪みの幅、１１ｂ−２  窪みの深さ、１１ｃ  磁極の幅、
１１ｄ  径方向厚さ、１２  ヨーク、１２ａ  ヨーク空隙、１３  樹脂、２０  電機子、２１  電機子鉄心、２２  電機子コイル、３０  空隙、１００  永久磁石型回転電機。
【図１】
2013135535.tif 000003
【図２】
2013135535.tif 000004
【図３】
2013135535.tif 000005
【図４】
2013135535.tif 000006
【図５】
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