(57)【要約】【課題】高速回転時に確実に磁石保持が可能で、かつ十分なトルクが得られる。【解決手段】ステータとロータからなる永久磁石式回転電機であって、ロータは低透磁率材からなるロータ本体に、ステータと対向する径方向外側の表層部に周方向に沿って軸方向へ延びる複数の保持孔を形成し、保持孔に複数の永久磁石を挿入した構成とし、永久磁石の周方向の配置を永久磁石が互いに離間したハルバック配列としてある。【効果】高速回転時に確実に磁石保持が可能で、かつ十分なトルクが得られる。【選択図】図１
2009219312.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステータコアおよび上記ステータコアに巻回されたコイルを持つステータと、
上記ステータに対して回転自在に支持された低透磁率材料のロータ本体および上記ロータ本体内に互いに離間して周方向に配列された複数の永久磁石を持つロータとを備えた回転電機において、
上記永久磁石が、周方向に交互に配置された径方向極性を持つ主磁石と周方向極性を持つ補助磁石とを備え、上記主磁石および上記補助磁石は、それぞれ極性が周方向に互いに逆極性となるよう配置されている回転電機。
【請求項２】
上記永久磁石が、直方体形状である請求項１に記載の回転電機。
【請求項３】
ロータ本体が、表面に絶縁材を塗布した低透磁率材の薄板の積層体である請求項１あるいは２に記載の回転電機。
【請求項４】
上記補助磁石が、上記主磁石よりも径方向内側に配置されている請求項１〜３のいずれか一項に記載の回転電機。
【請求項５】
上記主磁石と上記補助磁石との間に高透磁率部材が配置されている請求項１〜４のいずれか一項に記載の回転電機。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一項に記載の回転電機を備えているスピンドルユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、回転電機およびそれを用いたスピンドルユニットに関し、特に永久磁石型回転電機とそれを用いたスピンドルユニットに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
永久磁石型同期電動機（以下、ＰＭモータと呼ぶ）は、そのロータの構造上、永久磁石をロータの外周面に配置したＳＰＭ（Surface Permanent Magnet）モータと、内部に配置したＩＰＭ（Interior Permanent Magnet）モータとに大別される。
【０００３】
ＳＰＭモータは、永久磁石がロータ外周面に配置されているため、インダクタンスが小さくなり、高速な電流応答が得られ、トルクの線形性もよい。しかし、ＳＰＭモータで高速回転させる場合、外周面に配置した永久磁石に大きな遠心力が働くため、その遠心力によって、ロータから永久磁石が脱落、破損しないように、永久磁石をロータに確実に固定しなければならない。このような特性を有するＳＰＭモータにおいて、ロータの外周面に配置する永久磁石の固定方法としては以下の代表例が挙げられる。
（１）接着剤を用いて永久磁石を接着する方法
（２）押さえ金具を用いて固定する方法
（３）ロータシャフトの外周面に形成したくさび状の溝で固定する方法
（４）ＳＵＳ管により固定する方法
（５）ＣＦＲＰリングにより固定する方法
【０００４】
しかしながら、（１）（２）（３）による固定方法は、ロータの高速回転によって永久磁石などに作用する大きな遠心力強度に対して永久磁石自体の強度が不十分であり、高速回転には適していない。また、（４）（５）の方法では、ＳＵＳ管もしくはＣＦＲＰリングと高透磁率材であるロータコアバックが別部材であるため、部品点数が増加し組立工数が増加するという課題がある。
【０００５】
これらの課題の解決方法として、永久磁石をロータ内部に埋め込んだＩＰＭモータとすることが提案されている。ＩＰＭモータとすることで、遠心力による永久磁石の破損がなくなる。また、永久磁石固定部材とロータコアバックが一体となることから、部品点数や組立工数が増加しない（例えば特許文献１参照）。
【０００６】
【特許文献１】特開平５−７６１４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、特許文献１のようにＩＰＭモータとする方法では、以下の課題がある。高速回転させるためには、永久磁石を保持するためにロータブリッジ部分の強度を確保することが必要である。つまり、高速回転に対応したＩＰＭではロータブリッジ部分が太くなり、永久磁石はロータ内部深くに埋め込まれることとなる。このことにより、永久磁石の漏れ磁束が増加し、トルクが減少する。また、永久磁石がロータ内部深くに埋め込まれても、モータ特性を確保するためにはロータコアバックを同じだけ確保する必要がある。この場合ロータ内径が小さくなるため、主軸モータに適用する場合にはチャック径が小さくなり把持できる工具の自由度が減少する。
【０００８】
従って本発明の目的は高速回転時でも確実に磁石保持が可能でかつ十分なトルクが得られ、ロータ内径を大きく確保できる回転電機を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明によれば、ステータコアおよび上記ステータコアに巻回されたコイルを持つステータと、上記ステータに対して回転自在に支持された低透磁率材料のロータ本体および上記ロータ本体内に互いに離間して周方向に配列された複数の永久磁石を持つロータとを備えた回転電機において、上記永久磁石が、周方向に交互に配置された径方向極性を持つ主磁石と周方向極性を持つ補助磁石とを備え、上記主磁石および上記補助磁石は、それぞれ極性が周方向に互いに逆極性となるよう配置されていることを特徴とする回転電機が得られる。
【発明の効果】
【００１０】
この構成により、永久磁石が確実に固定でき、漏れ磁束が低減できるので十分なトルクが得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
実施の形態１．
図１は、この発明の回転電機の実施の形態１の概略断面図である。図１において、回転電機は、ステータ１とロータ２とを備えている。本実施の形態では、４極２４ティース構成を示したが、いずれの極数およびティース数の組み合わせであってもよい。ステータ１およびロータ２は、たがいに回転自在となるよう間に所定の空隙３を設けて支持されている。
【００１２】
ステータ１は、内周面に複数のティース４が設けられた円筒状磁性体のステータコア５と、ステータコア５のティース４に巻回されたコイル６とを備えている。
【００１３】
ロータ２は、ステータ１に対して回転自在に支持され、ＳＵＳやＣＦＲＰなどの低透磁率材料の中心孔７を持つ一体物である円筒形のロータ本体８と、ロータ本体８内に互いに周方向に離間して支持されてロータ本体８の周方向に配列された複数の永久磁石９を持っている。
【００１４】
永久磁石９は、先端がＮ極を表す矢印で示すように、周方向に交互に配置されて径方向極性を持つ主磁石１０ａ、１０ｂと、周方向に交互に配置されて周方向極性を持つ補助磁石１１ａ、１１ｂとを備え、主磁石１０ａ、１０ｂおよび補助磁石１１ａ、１１ｂは、それぞれ極性が周方向に交互に逆極性となるよう配置されている。即ち、永久磁石９の配列は、図１において、１２時の位置から時計回りに順番に、径方向外向きの極性の主磁石１０ａ、周方向反時計方向の極性の補助磁石１１ａ、径方向内向きの極性の主磁石１０ｂ、および周方向時計方向の極性の補助磁石１１ｂとされている。
【００１５】
図示の例では、ロータ２の永久磁石９は、ロータ本体８のステータ１と対向する側（径方向外周部）の表層近くの部分に周方向に等間隔に軸方向に延びた複数の保持孔１２を設け、この保持孔１２に複数の主磁石１０ａ、１０ｂおよび補助磁石１１ａ、１１ｂを１つずつ挿入して接着剤などで固着するなどして構成されている。主磁石１０ａ、１０ｂは半径方向に異極となるように着磁して配置し、補助磁石１１ａ、１１ｂは磁石の周方向両側面から磁束が流通されるように着磁して配置し、いわゆるハルバック配列とされていて、この４つの永久磁石９からなるハルバック配列（１０ａ、１１ａ、１０ｂ、１１ｂ）が２回繰り返されている。
【００１６】
換言すれば、永久磁石９は、周方向に交互に配置された径方向極性を持つ主磁石１０ａ、１０ｂと、周方向に交互に配置された周方向極性を持つ補助磁石１１ａ、１１ｂとを備え、主磁石１０ａ、１０ｂおよび補助磁石１１ａ、１１ｂは、それぞれ極性が互いに逆極性となるように配置されている。
【００１７】
ところで、ハルバック配列の場合は、例えば公知文献である特開２０００−１９７２８７号公報に記載されているように、発生する磁束を有効に利用するために隣り合う永久磁石は概ね互いに接触させて配置するのが技術常識であったが、隣り合う永久磁石が反発するため永久磁石の固定が困難であった。
【００１８】
しかしながら、このようにハルバック配列を採用する一方で、主磁石１０ａ、１０ｂ、補助磁石１１ａ、１１ｂで構成された永久磁石９を磁石保持部材であるロータ本体８の保持孔１２に挿入するなどして埋め込んで支持することにより、永久磁石９を確実に固定することができる。さらに、上述の技術常識に反して、ハルバック配列の永久磁石９間にロータ本体８による隙間が形成されることにより、減磁しにくくなるという効果も得られる。また、ロータ本体８が低透磁率材料であるために、強度確保のため内側深くに埋め込んでも漏れ磁束によるトルクの減少が生じにくくなる。さらに永久磁石９をハルバック配列で配置することにより、従来必要であった高透磁率材のロータコアバックが不要となり、ロータ内径を大きくできる。さらにロータ本体８に複数の保持孔１２を形成して、その中に永久磁石９を固定する構造であり、ロータ本体８が永久磁石９の内側部分と外側部分とで連続した一体部品であるので、部品点数が増加することがない。
【００１９】
実施の形態２．
永久磁石９の形状は図１に示す断面が扇形の柱状体以外にも、他の様々な形状が使用でき、図２に示す回転電機のロータ２の例では永久磁石９の形状が直方体形状あるいは矩形断面の四角柱であり、保持孔１２も対応した四角形断面である。その他の構成は図１に示す回転電機のロータ２と同様である。
【００２０】
永久磁石９を四角形とすることで、永久磁石９および保持孔１２の加工コストを低減することができ、また永久磁石９およびロータ本体８の製造および組立が容易になる。
【００２１】
実施の形態３．
図３に示す回転電機のロータ本体８は、図１および図２のロータ本体８が一体物で構成されているのに対して、表面に絶縁材を塗布した低透磁率材の薄板１３を複数枚積層して形成した積層体により構成されている。
【００２２】
ロータ本体８の材質がＳＵＳやアルミニウムなどの金属である場合、図１の実施の形態のようにロータ本体８を一体物で構成した場合には渦電流損が発生するが、このように薄板１３の積層体として構成することにより、ロータ本体８に生じる渦電流損を低減することが可能となり、損失低減の効果が得られる。また、一体物で構成されたロータ本体８に複数の保持孔１２を加工する場合には、特にロータ径が大きい場合に加工コストが増加するが、低透磁率材の薄板１３を打ち抜いて積層することにより、加工コストが低減でき、コア幅が異なるモータ製作にも柔軟に対応できるという効果が得られる。
【００２３】
実施の形態４．
図４は実施の形態４を示す回転電機の断面図である。扇形断面の永久磁石９（主磁石１０ａ、１０ｂおよび補助磁石１１ａ、１１ｂ）のうち、周方向に磁束が流れるように着磁された補助磁石１１ａ、１１ｂは、永久磁石９のハルバック配列は維持したまま、主磁石１０ａ、１０ｂに対してより径方向内側に配置されている。
【００２４】
実施の形態１〜３においては、径方向に着磁された主磁石１０ａ、１０ｂに周方向に着磁された補助磁石１１ａ、１１ｂの磁束がほぼ直角に入るため減磁しやすいが、本実施の形態４のように構成することにより、補助磁石１１ａ、１１ｂから主磁石１０ａ、１０ｂに流入する磁束の角度が緩和され、減磁しにくくなる。また、補助磁石１１ａ、１１ｂが径方向内側に配置してあることにより、補助磁石１１ａにかかる遠心力が低下し、ロータ２の強度が増す。
【００２５】
実施の形態５．
図５は実施の形態５を示す回転電機の断面図であり、この回転電機においては、図４のように配置された永久磁石９（主磁石１０ａ、１０ｂおよび補助磁石１１ａ、１１ｂ）が全て図２に示すような矩形断面の直方体の永久磁石９である。
【００２６】
実施の形態１〜３においては、径方向に着磁された主磁石１０ａ、１０ｂに周方向に着磁された補助磁石１１ａ、１１ｂの磁束がほぼ直角に入るため減磁しやすいが、本実施の形態５のように構成することにより、補助磁石１１ａ、１１ｂから主磁石１０ａ、１０ｂに流入する磁束の角度が緩和され、減磁しにくくなる。また、補助磁石１１ａ、１１ｂが径方向内側に配置してあることにより、補助磁石１１ａにかかる遠心力が低下し、ロータ２の強度が増す。さらに、永久磁石９を四角形とすることで、永久磁石９および保持孔１２の加工コストを低減することができ、また永久磁石９およびロータ本体８の製造および組立が容易になる。
【００２７】
実施の形態６．
図６は実施の形態６を示す回転電機の断面図である。扇形断面の永久磁石９のうち、周方向に磁束が流れるように着磁された補助磁石１１ａ、１１ｂが、磁束の方向が径方向の主磁石１０ａ、１０ｂに対してより内側に配置されているのは図４に示す回転電機と同様であり、さらに高透磁率部材１４が主磁石１０ａ、１０ｂの内側に配置されている。高透磁率部材１４は、例えば珪素鋼などで作られ、互いにほぼ直角な辺がそれぞれ主磁石１０ａ、１０ｂの内側、補助磁石１１ａ、１１ｂの周方向に平行で、斜面が湾曲した直角三角形に似た断面形状を持つ三角柱の部材であり、隣接の永久磁石の間を滑らかに連結するように配置されている。このように構成することにより、磁束の流れがより円滑になるためトルクが向上する。なお、高透磁率部材１４が主磁石１０ａ、１０ｂと補助磁石１１ａ、１１ｂとの間に配置されることによって磁束の流れを円滑にすることができるが、高透磁率部材１４が主磁石１０ａ、１０ｂのＮ極またはＳ極に対向するように、主磁石１０ａ、１０ｂの内側に配置されることによって磁束の流れをより円滑にすることができる。
【００２８】
実施の形態７．
図７は実施の形態７を示す回転電機の断面図である。扇形断面の永久磁石９のうち、周方向に磁束が流れるように着磁された補助磁石１１ａ、１１ｂが、磁束の方向が径方向の主磁石１０ａ、１０ｂに対してより内側に配置されているのは図５に示す回転電機と同様であり、さらに高透磁率部材１４が主磁石１０ａ、１０ｂの内側に配置されている。高透磁率部材１４は、例えば珪素鋼などで作られ、互いにほぼ直角な辺がそれぞれ主磁石１０ａ、１０ｂの内側、補助磁石１１ａ、１１ｂの周方向に平行な直角三角形に似た断面形状を持つ三角柱の部材であり、隣接の永久磁石の間を滑らかに連結するように配置されている。このように構成することにより、磁束の流れがより円滑になるためトルクが向上する。なお、高透磁率部材１４が主磁石１０ａ、１０ｂと補助磁石１１ａ、１１ｂとの間に配置されることによって磁束の流れを円滑にすることができるが、高透磁率部材１４が主磁石１０ａ、１０ｂの内側に配置されることによって磁束の流れをより円滑にすることができる。
【００２９】
実施の形態８．
図８は実施の形態８を示す回転電機の断面図である。本発明においては、磁束の方向が径方向の主磁石１０ａ、１０ｂと磁束の方向が周方向の補助磁石１１ａ、１１ｂで構成された永久磁石９がハルバック配列で配置されているため、ロータコアバックが不要となるので、図８に示すようにロータ本体８に直径の大きな中心孔１５を設けることができる。このような回転電機を工作機械のスピンドルユニット用主軸モータとして用いる場合には、ロータ内径を大きく確保できるためチャック径を大きくでき、より大きな工具が把持可能となり、スピンドルユニットの性能が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の実施の形態１における回転電機の断面図である。
【図２】本発明の実施の形態２における回転電機の断面図である。
【図３】本発明の実施の形態３における回転電機のロータ本体の斜視図である。
【図４】本発明の実施の形態４における回転電機の断面図である。
【図５】本発明の実施の形態５における回転電機の断面図である。
【図６】本発明の実施の形態６における回転電機の断面図である。
【図７】本発明の実施の形態７における回転電機の断面図である。
【図８】本発明の実施の形態８における回転電機の断面図である。
【符号の説明】
【００３１】
１  ステータ、２  ロータ、３  空隙、４  ティース、５  ステータコア、６  コイル、７  中心孔、８  ロータ本体、９  永久磁石、１０ａ、１０ｂ  主磁石、１１ａ、１１ｂ  補助磁石、１２  保持孔、１３  薄板、１４  高透磁率部材、１５  中心孔。
【図１】
2009219312.tif 000003
【図２】
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【図３】
2009219312.tif 000005
【図４】
2009219312.tif 000006
【図５】
2009219312.tif 000007
【図６】
2009219312.tif 000008
【図７】
2009219312.tif 000009
【図８】
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