(57)【要約】【課題】本発明は、ロータヨーク内の磁石の配置を所定位置に設定することにより、従来よりも高いトルクを得ることができるようにすることである。【解決手段】本発明によるＩＰＭモータのロータ構造は、回転軸(2)に設けられ磁性材よりなるロータヨーク(1)と、前記ロータヨーク(1)内に半径方向に沿って設けられた偶数個の磁石とを有し、前記各磁石(3)は、一対の前記磁石(3)で１つの一対極(30)を構成し、前記一対極(30)は軸方向から見た場合、Ｖ字型に配置されている構成である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸(2)に設けられ磁性材よりなるロータヨーク(1)と、前記ロータヨーク(1)内に所定の角度間隔で半径方向に沿って設けられた偶数個の磁石(3)と、を有し、
前記各磁石(3)は一対の前記磁石(3)で１つの極である一対極(30)を構成し、前記一対極(30)は軸方向から見た場合、Ｖ字型に配置されている構成よりなることを特徴とするＩＰＭモータのロータ構造。
【請求項２】
前記回転軸(2)は、非磁性材で形成されていることを特徴とする請求項１記載のＩＰＭモータのロータ構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＩＰＭモータのロータ構造に関し、特に、ロータ内に設けられる各磁石のうち、一対の磁石で１つの極である一対極を構成すると共にＶ字型配置として、従来よりも高いトルクが得られるようにするための新規な改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、用いられていたモータのロータ構造としては、文献名は特に示していないが、第１従来構成としては、図４から図６で示されるように、回転軸２に設けられたロータ１０のロータヨーク１の外周に複数のセグメント磁石３が間隔子４を介して円周上に貼着配設されている構成である。
また、第２従来例としては、図７から図９で示されるように、回転軸２に嵌合されたロータ１０のロータヨーク１の外周にリング磁石３Ａが嵌め込まれ、このリング磁石３Ａは所定角度間隔毎にＮ極とＳ極が着磁して形成されている。
【０００３】
前述の図４及び図７で示される第１、第２従来構成のロータ１０は、いわゆる、周知のＳＰＭ（Surfacial Permanent Magnet) 構造に属するもので、前述のＳＰＭ構造以外の構造としては、図１０及び図１１に示されるように、例えば、特許文献１に開示されている周知のＩＰＭ(Internal Permanent Magnet) 構造が用いられ、複数の磁石３が回転軸２に保持されたロータヨーク１内に埋設されており、１つの磁石３によって１つの磁極であるＮ極又はＳ極が形成されている。また、前記ロータ１０は、ステータ１１の内側に回転自在に配設されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１３−１０６３８８号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来のモータのロータ構造は、以上のように構成されていたため、次のような課題が存在していた。
すなわち、セグメント磁石をロータ表面に貼り付ける構造では、磁石の飛散防止対策が必要であり、このためにギャップが広くなり、そのため、同一磁石体積に対して、大きなトルク定数を得ることが難しくなっていた。また、磁石の形状を整形する方法としてワイヤーカット等の手法がとられる場合には、同一体積の方形の磁石部材から取り出す、使用できる磁石の量は少なくなってしまうため、使用できる磁石の割に価格が高くなるというデメリットがあった。
一方、リング磁石では、磁石の飛散防止対策をとる必要がないために、ギャップを狭くすることができるが、磁石単体のコストと製造コストが高く、高コストとなるデメリットがあった。
【０００６】
また、一般的にヨーク（ステータ、及びロータ）の飽和を考慮しないトルク特性の計算において、モータのトルク定数は、ギャップパーミアンス〔Ｌｍ／（Ｌｍ＋Ｌｇ）但し、Ｌｍ：磁石の厚さ（磁路内に占める磁石の長さ）Ｌｇ：ギャップ長（磁路内のギャップの長さ）〕と、磁石の表面積（磁路の断面積）に比例することが知られているが、このうちＳＰＭにおける磁石の表面積は、
２×π×Ｒｒ×ｌｍ／Ｎｐ〔（但し、Ｒｒ：ロータ外半径、ｌｍ：ロータの軸方向厚さ（積厚）、Ｎｐ：極数）〕
より大きくすることは構造的に不可能である。
【０００７】
また、前述の図１０及び図１１で示した従来構成においては、本発明の構成と類似の磁石の配置構造が示されているが、１つの磁石が１つの磁極を構成しているのみで、本発明のようにトルクアップを目的とするものではなく、ロータヨーク１の外周に突出して形成されている突出部１２の周方向の幅の大きさを調整することによって、ステータ１１の歯部１３との磁気的結合度を調整し、コギングトルクの調整を行う構成で、本発明のように、トルクアップを目的とする構成とは別異のものである。
【０００８】
本発明は、以上のような課題を解決するためになされたもので、特に、ロータ内に設けられる各磁石のうち、一対で１つの極である一対極を構成すると共にＶ字型配置として、従来よりも高いトルクが得られるようにしたＩＰＭモータのロータ構造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】
【０００９】
本発明によるＩＰＭモータのロータ構造は、回転軸に設けられ磁性材よりなるロータヨークと、前記ロータヨーク内に所定の角度間隔で半径方向に沿って設けられた偶数個の磁石と、を有し、前記各磁石は一対の前記磁石で１つの極である一対極を構成し、前記一対極は軸方向から見た場合、Ｖ字型に配置されている構成であり、また、前記回転軸は、非磁性材で形成されている構成である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によるＩＰＭモータのロータ構造は、以上のように構成されているため、次のような効果を得ることができる。
すなわち、回転軸に設けられ磁性材よりなるロータヨークと、前記ロータヨーク内に所定の角度間隔で半径方向に沿って設けられた偶数個の磁石と、を有し、前記各磁石は一対の前記磁石で１つの極である一対極を構成し、前記一対極は軸方向から見た場合、Ｖ字型に配置されている構成よりなることにより、高トルク定数及び低価格を実現することができる。
また、前記回転軸は、非磁性材で形成されていることにより、磁石の軸側において、ロータ内で回り、トルクに寄与しない磁束が発生するが、このロータ内で回る磁束を極力低減させることができる。また、回転軸に直接ロータヨークを設けることができるため、ロータの組立てが容易となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明によるＩＰＭモータのロータ構造を示す平面図である。
【図２】図１のロータ構造の磁束線図である。
【図３】図１のロータ構造の磁束密度を示す説明図である。
【図４】従来のＩＰＭモータのロータ構造の第１従来構成を示す平面図である。
【図５】図４のロータ構造の磁束線図である。
【図６】図４のロータ構造の磁束密度を示す説明図である。
【図７】従来のＩＰＭモータのロータ構造の第２従来構成を示す平面図である。
【図８】図７のロータ構造の磁束線図である。
【図９】図７のロータ構造の磁束密度を示す説明図である。
【図１０】従来のＩＰＭモータのロータ構造を示す平面図である。
【図１１】図１０の断面図である。
【図１２】従来構成と本発明構成のトルク定数を示す線図である。
【図１３】従来構成と本発明構成の誘起電圧波形を示す線図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明によるＩＰＭモータのロータ構造は、ロータ内に設けられる各磁石のうち、一対の磁石で１つの極である一対極を構成すると共にＶ字型配置として、従来よりも高いトルクが得られることである。
【実施例】
【００１３】
以下、図面と共に本発明によるＩＰＭモータのロータ構造の好適な実施の形態について説明する。
尚、従来例と同一又は同等部分には同一符号を付して説明する。
図１において、符号１で示されるものは、例えば、オーステナイト系のステンレス等の非磁性材からなる回転軸２の外周に嵌め込まれた円筒状のロータヨークであり、前記ロータヨーク１内には、所定の角度間隔で半径方向に向けて複数の溝２０が形成されている。
【００１４】
前記各溝２０は、前記ロータヨーク１の軸方向に沿って長手状に形成されており、前記各溝２０内には長手板状をなす磁石３が挿入されて固定されている。
前記各磁石３の前記ロータヨーク１における半径方向に沿う長さＬｍａは、前記ロータヨーク１の半径方向の肉厚と一致している。
【００１５】
前記ロータヨーク１、磁石３及び回転軸２によってロータ１０が形成されており、前記各磁石３は、図１の構成では１０個埋設されているが、互いに直接隣接する一対の磁石３によって１つの極をなす一対極３０が形成されている。
すなわち、前記一対極３０によってＮ極又はＳ極を構成していることにより、図１のロータ１０の構成の場合には、５個の一対極３０による５対極が形成され、その磁束線図は図２に、その磁束密度は図３に示されている。
【００１６】
前記各一対極３０を構成する前記各一対の磁石３は、図１の軸方向から見た平面図又は側面図においては、互いにＶ字型の形状となるように構成されている。
【００１７】
前記ロータ１０の外側には、所定角度間隔で内方に突出する複数の突出磁極１３を有するステータ１１が設けられ、前記各突出磁極１３には、ステータ巻線１１Ａが巻回して設けられている。
前記ロータ１０のロータヨーク１及び各磁石３の外端は、前記各突出磁極１３の内端に対して、わずかな隙間Ｇを介して回転自在に設けられている。
【００１８】
次に、本発明によるＩＰＭモータの、ギャップパーミアンスと磁石３の表面積（磁路の断面積）は、前述の段落０００６でも述べている関係を有し、
Ｌｍｂ／（Ｌｍｂ＋Ｌｇ）[但し、Ｌｍｂ：磁石の径方向と直交する方向の長さ＝磁路と平行な長さ、Ｌｇ：ギャップ長（磁路内のギャップの長さ）〕
Ｌｍａ×ｌｍ〔但し、Ｌｍａ：磁石の径方向の長さ＝磁路と直交する長さ、ｌｍ：ロータの軸方向厚さ（積厚）〕
で与えられる。
【００１９】
ここで、前記Ｌｍｂの最大値はロータ極数が多くなるにつれ小さくなるが、前記Ｌｍａの最大値は、（ロータの外半径−軸の半径）で与えられ、ロータ極数には依存していない。従って、ロータの外径がある程度大きく、極数が多いモータにおいては、ＳＰＭで可能な磁石の表面積を大きく上回ることが可能である。
また、トルク定数に比例するパラメータである前述のギャップパーミアンスと磁石表面積の内、ギャップパーミアンスは磁石３０の厚みに比例して大きくなる訳ではないが（厚みがギャップに比してある程度大きくなると、磁石の量を増やしても（Ｌｍｂを大きくしても）、ギャップパーミアンスはそれほど大きくならない）、磁石３０の表面積は、磁石３０の径方向の長さＬｍａを大きくすると、比例して磁石表面積、すなわちトルク定数も大きくなる。従って、このＬｍａを極力長くとることが、モータのトルク定数を大きくすることになる。
従って、本発明による磁石配置は、すなわち、１つの極を一対の前記磁石３０ので形成する一対極３０で構成すると共にＶ字型に配設しているため、この磁路断面内の磁石表面積を最も大きくなることができる構造である。
【００２０】
また、ＩＰＭモータの場合、主に磁石３０の軸側において、ロータ１０内で回り、トルクに寄与しない磁束が発生するが、このロータ１０内で回る磁束を極力減らすために、本発明においては、回転軸２は非磁性材（例えば、オーステナイト系のステンレス等）を用いて構成している。回転軸２に磁性材を利用する場合には、図示していないが、ロータ１０内で回る磁束を極力低減するための空気穴等をロータヨーク１の内端側に設ける方法も考えられる。
以上により、ロータ１０の外径から回転軸２までの距離が長い比較的大型のモータ、及び極数の多いモータにおいては、本発明によるロータ構造を持つＩＰＭが最も高トルク定数を実現することができる。
【００２１】
次に、本発明によるＩＰＭモータのロータ構造における前記磁石３０の配置によるトルク定数の優劣を比較するため、ＳＰＭ（セグメント磁石）、ＳＰＭ（リング磁石）及びＩＰＭ（本発明構成）の３つのモータのステータ１１の形状は全て同一であり、磁石３０の体積も同一としてある。
この３つのモータの理論的な誘起電圧波形を図１３に示す。
図１３に示した誘起電圧波形から得られる３つのモータのトルク定数の比較結果を図１２に示している。
前述の各図は有限要素法により求めた解析結果（モータ形状のもつ理論値）である。
この結果が示すように本発明によるＩＰＭモータは他のＳＰＭモータと同一磁石体積であるにも関わらず、ＳＰＭのセグメント磁石のモータと比べて約３９〔％〕、ＳＰＭのリング磁石と比べて約２６〔％〕も大きいトルク定数を持っていることが明らかとなった。
従って、図１２、図１３の特性比較結果からも、前述の３つのモータの中で、本発明によるロータ構造をもつＩＰＭモータが、最もトルク定数が高く、磁石の形状からも最も低価格となるものである。
【００２２】
尚、前述の本発明によるＩＰＭモータのロータ構造の要旨とするところは、以下の通りである。
すなわち、回転軸２に設けられ磁性材よりなるロータヨーク１と、前記ロータヨーク１内に所定の角度間隔で半径方向に沿って設けられた偶数個の磁石３と、を有し、前記各磁石３は一対の前記磁石３で１つの極である一対極３０を構成し、前記一対極３０は軸方向から見た場合、Ｖ字型に配置されている構成であり、また、前記回転軸２は、非磁性材で形成されている構成である。
【産業上の利用可能性】
【００２３】
本発明によるＩＰＭモータのロータ構造は、ロータ内に設けられる各磁石のうち、一対の磁石で１つの極である一対極を構成すると共にＶ字型配置として、従来よりも高いトルクを得ることができる。
【符号の説明】
【００２４】
１    ロータヨーク
２    回転軸
３    磁石
１０    ロータ
１１    ステータ
１１Ａ    ステータ巻線
１３    突出磁極
２０    溝
３０    一対極
Ｇ    隙間
【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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