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発明の名称 磁石埋込型モータ
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2007−68318(P2007−68318A)
公開日 平成19年3月15日(2007.3.15)
出願番号 特願2005−250396(P2005−250396)
出願日 平成17年8月31日(2005.8.31)
代理人 【識別番号】100113859
【弁理士】
【氏名又は名称】板垣 孝夫
発明者 上田 雄美 / 安見 聡 / 鶴岡 宏一郎
要約 課題
永久磁石の磁力を利用することで、挿入孔内に永久磁石を容易に固定することができる磁石埋込型モータを提供する。

解決手段
永久磁石22を挿入して埋め込む複数の挿入孔23がロータコア21の外周よりも径方向内側に形成されている磁石埋込型モータにおいて、永久磁石22を、永久磁石22におけるロータ径方向外側寄りに配置される外周面22bとこの外周面22bに臨むロータコア21の挿入孔外周壁面23eとの間の隙間が、永久磁石22におけるロータ径方向内側寄りに配置される内周面22fとこの内周面22fに臨むロータコア21の挿入孔内周壁面23fとの間の隙間よりも小さくなる位置に配設した。
特許請求の範囲
【請求項1】
永久磁石を挿入して埋め込む複数の挿入孔がロータコアの外周よりも径方向内側に形成されている磁石埋込型モータであって、永久磁石を、永久磁石におけるロータ径方向外側寄りに配置される外周面とこの外周面に臨むロータコアの挿入孔外周壁面との間の隙間が、永久磁石におけるロータ径方向内側寄りに配置される内周面とこの内周面に臨むロータコアの挿入孔内周壁面との間の隙間よりも小さくなる位置に、配設した磁石埋込型モータ。
【請求項2】
ロータコアにおける挿入孔内周壁面の一部に、挿入孔内に突出して、永久磁石の内周面に当接する突起部を形成した請求項1記載の磁石埋込型モータ。
【請求項3】
永久磁石の内周面とこの内周面に臨むロータコアの挿入孔内周壁面との間に、弾性体を介装した請求項1記載の磁石埋込型モータ。
【請求項4】
弾性体が接着剤である請求項3記載の磁石埋込型モータ。
発明の詳細な説明
【技術分野】
【0001】
本発明は磁石埋込型モータに関する。
【背景技術】
【0002】
ブラシレスのモータとして、ロータの外表面に永久磁石を配置した表面磁石型モータ(SPMモータと称す)に代えて、このSPMモータよりも出力特性(トルク特性および加速性)および効率(トルク変換効率)が良い長所を有する磁石埋込型モータ(IPMモータと称す)が空気調和機の圧縮機や工作機械などにおいて用いられており、電動自転車用モータとしても用いることが検討されている。このIPMモータは、ロータの内部(ロータの外周よりも径方向内側)に永久磁石を埋め込む配置としたもので、マグネットトルクに加えて、リラクタンストルクを発生できる性質を有することで、上記長所を発揮できる構成とされている。
【0003】
このIPMモータのロータの構造は、図9(a)、(b)に示すように、板状磁性部材(鉄心)を積層してなるロータコア1に挿入孔3を形成し、この挿入孔3に永久磁石2を挿入して埋め込んだ構造である。ここで、永久磁石2を埋め込む挿入孔3の断面形状(モータの軸心に対して直交する面の断面形状)は、永久磁石2の断面形状と同じ形状とされ、例えば、断面矩形状のものがあり(例えば特許文献1、2等)、この場合には簡略な形状で形成し易い利点がある。
【0004】
ところで、ロータコア1をなす鉄心は、永久磁石2や空気と比べて極めて高い透磁率を有する。また、永久磁石2は、そのロータの径方向外側寄りに配置される面(以下、外周面と称す)2aと、ロータの径方向内側寄りに配置される面(以下、内周面と称す)2bとに反対の磁極を有する。したがって、永久磁石2はその外周面2aで、この外周面2aに臨むロータコア1の対向面に対して大きな磁力fを生じ、また、内周面2bで、この内周面2bに臨むロータコア1の対向面に対して大きな磁力fを生じるが、これらの磁力f、fが、永久磁石2の外周面2aと内周面2bとにおいて互いに反対の向きでほぼ同様の力で作用するため、これらの力f、fが相殺されてしまい、永久磁石2を挿入孔3の内部に引き留める力としては作用しない。したがって、従来は、永久磁石2を挿入孔3の内部に確実に固定できるように大きな接着力を有する接着剤などを用いて強力に接着する構造としたり、または接着力が大きくなるように接着構造に工夫を凝らしたり、あるいは、永久磁石2を挿入孔3に挿入した後に、この挿入孔3を、挿入孔3などが形成されていない板状磁性部材で、回転軸心方向の両側から覆って塞いだり(例えば特許文献3参照)していた。
【特許文献1】特開2002−10541号公報
【特許文献2】特開2003−23740号公報
【特許文献3】特開2005−39909号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかしながら、上記従来構成の磁石埋込型モータでは、挿入孔3内に永久磁石2を固定するために、大きな接着力を有する接着剤を選択するとともに接着構造に工夫をこらしたり、永久磁石2が挿入されている挿入孔3を板状磁性部材で両側から覆ったりする必要があったため、多くの手間や時間がかかっていたとともに製造コストの増加を招いていた。
【0006】
本発明は上記課題を解決するもので、永久磁石の磁力を利用することで、挿入孔内に永久磁石を容易に固定することができる磁石埋込型モータを提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【0007】
上記課題を解決するために本発明は、永久磁石を挿入して埋め込む複数の挿入孔がロータコアの外周よりも径方向内側に形成されている磁石埋込型モータであって、永久磁石を、永久磁石におけるロータ径方向外側寄りに配置される外周面とこの外周面に臨むロータコアの挿入孔外周壁面との間の隙間が、永久磁石におけるロータ径方向内側寄りに配置される内周面とこの内周面に臨むロータコアの挿入孔内周壁面との間の隙間よりも小さくなる位置に、配設したことを特徴とする。
【0008】
この構成により、永久磁石の外周面とこの外周面に臨むロータコアの挿入孔外周壁面との間に作用する磁力が、永久磁石の内周面とこの内周面に臨むロータコアの挿入孔内周壁面との間に作用する磁力よりも大きくなり、この結果、永久磁石の外周面とロータコアの挿入孔外周壁面との間に作用する大きな磁力によって、永久磁石をロータコアの挿入孔内に良好に引き付けて固定することができる。
【0009】
また、本発明は、ロータコアにおける挿入孔内周壁面の一部に、挿入孔内に突出して、永久磁石の内周面に当接する突起部を形成したことを特徴とし、これによれば、極めて簡単な構造で、永久磁石をロータコアの挿入孔外周壁面側に密接させることができる。
【0010】
また、本発明は、永久磁石の内周面とこの内周面に臨むロータコアの挿入孔内周壁面との間に、弾性体を介装したことを特徴とし、これによっても、比較的簡単な構造で、永久磁石をロータコアの挿入孔外周壁面側に密接させることができる。なお、弾性体として接着剤を用いてもよい。
【発明の効果】
【0011】
以上のように本発明によれば、永久磁石を、永久磁石におけるロータ径方向外側寄りに配置される外周面とこの外周面に臨むロータコアの挿入孔外周壁面との間の隙間が、永久磁石におけるロータ径方向内側寄りに配置される内周面とこの内周面に臨むロータコアの挿入孔内周壁面との間の隙間よりも小さくなる位置に、配設したことにより、接着剤や接着構造に工夫をこらしたり、永久磁石が挿入されている挿入孔を板状磁性部材で両側から覆ったりしなくても、永久磁石の磁力を利用して、挿入孔内に永久磁石を容易に固定することができる。
【0012】
また、ロータコアにおける挿入孔内周壁面の一部に、挿入孔内に突出して、永久磁石の内周面に当接する突起部を形成したことにより、固定用部品や強力な接着剤などを用いなくても、永久磁石の組付固定作業を能率よく、しかも、製造コストを最小限に抑えながら行うことができる。
【0013】
また、永久磁石の内周面とこの内周面に臨むロータコアの挿入孔内周壁面との間に、弾性体を介装したことによっても、比較的簡単な構造で、永久磁石をロータコアの挿入孔外周壁面側に密接させて固定することができる。なお、弾性体として接着剤を用いてもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【0014】
以下、本発明の実施の形態に係る磁石埋込型モータについて、図面を参照しながら説明する。
図1および図2は本発明の実施の形態に係る磁石埋込型モータの概略的な断面図で、図1はモータの回転軸心に沿った面で切断した部分断面外観図、図2は、図1におけるII−II線で切断した断面図である。図3(a),(b)は、同磁石埋込型モータのロータの正面図(モータの軸心方向から見た図)および部分切欠側面図である。
【0015】
図1および図2に示すように、本発明の実施の形態に係るブラシレスDCモータでもある磁石埋込型モータは、固定配置されたステータ10の内側に、回転するロータ20を配置した構成とされている。ステータ10は、板状磁性部材(鉄心)を積層した複数(この実施の形態では12)のステータコア11にそれぞれステータコイル12(図1参照)が巻かれて構成されている。また、磁石埋込型モータには、回転軸心方向に対してロータ20に対向するようにホール素子などからなる位置検出センサ13が複数設けられ、この位置検出センサ13によりロータ20の位置(位相)を検出するようになっている。なお、図1における15は磁石埋込型モータの回転軸である。
【0016】
図3、図4(a),(b)(図4(a)においては、理解しやすいように、一部の挿入孔23にのみ永久磁石22が埋め込まれている状態を示しているが、実際には、全ての挿入孔23に永久磁石22が埋め込まれている)に示すように、ロータ20は、板状磁性部材(鉄心)をモータ軸心方向に積層したロータコア21に、永久磁石22を埋め込む挿入孔23を形成し、この挿入孔23に永久磁石22を挿入して埋め込んだ構造である。
【0017】
ここで、挿入孔23には、モータ軸心方向に見て、永久磁石22の断面形状(この実施の形態では径方向に対して薄肉で、回転方向(周方向)に略沿う直線方向に長い、扁平な長方形(矩形)状)とほぼ同形状の磁石挿入部23aと、この磁石挿入部23aの両端部(周方向に対して両端となる箇所)に臨む箇所に、磁石挿入部23aと続いてそれぞれ形成された空間部23bと、永久磁石22を保持する保持壁面部23cとが設けられている。そして、空間部23bは、挿入孔23の外周部分から永久磁石22の磁極境界部22aよりも径方向内側の位置まで形成されており、この空間部23bにより永久磁石22の端部から略ロータ回転方向に対して空隙をなすように配置されている。また、この空間部23bの径方向内側箇所から挿入孔23の内周部までの間が保持壁面部23cとされ、この保持壁面部23cが、永久磁石22のロータ半径方向に沿って延びる辺の、磁極境界部22aよりも径方向内側の部分に当接して、永久磁石22をロータ回転方向の両側から保持するように構成されている。
【0018】
なお、図5に示すように、この実施の形態においては、空間部23bが形成されている箇所は、概略的に、永久磁石22の磁極境界部22aに対応する箇所が永久磁石22の端部から最も離れる円弧形状とされている。
【0019】
また特に、本発明の実施の形態においては、図6(a),(b)に示すように、挿入孔23の磁石挿入部23aにおけるロータ径方向内側寄りの辺をなす内周壁面23fの一部に、外径方向に僅かに突出する突起部23dが、内周壁面23fの周方向(厳密には辺の長さ方向)に所定間隔をあけて2箇所に形成されている。すなわち、この実施の形態では、ロータコア21を形成する板状磁性部材に同形状に突起部23dが形成されて積層され、モータ軸心方向に対して突起部23dが繋がるように形成されている。これにより、磁石挿入部23に永久磁石22が挿入された際に、磁石挿入部23における内周壁面23fに対してはその突起部23dの突出距離t分、内周壁面23fに臨む永久磁石22のロータ径方向内側寄りの辺をなす内周面22fとの間に隙間を生じるように配置されている。なお、突起部23dの突出距離tは、例えば、0.1mmとされているが、これに限るものではない。
【0020】
一方、挿入孔23の磁石挿入部23aにおけるロータ径方向外側寄りの辺をなす外周壁面23eには、突起部等は設けられておらず、この外周壁面23eに、永久磁石22のロータ径方向外側寄りの辺をなす外周面22bが隙間なく接するように配置されている。
【0021】
上記構成によれば、挿入孔23の磁石挿入部23aにおける内周壁面23fの一部に、僅かに外径方向に突出する突起部23dを形成したことにより、磁石挿入部23に永久磁石22を挿入させた際に、磁石挿入部23の内周壁面23fに対してはその突起部23dの突出距離t分、永久磁石22との間に空気の隙間を生じる。永久磁石22からの磁力は離間距離の二乗に反比例するため、この箇所では、永久磁石22の磁力Fが少なめにしか作用しない。
【0022】
一方、挿入孔23の磁石挿入部23aにおける外周壁面部23eには、突起部等が設けられておらず、この外周壁面23eに永久磁石22が隙間なく接して、永久磁石22の外周壁面23eの磁極から大きな磁力Fが発生する。
【0023】
すなわち、永久磁石22の外周面22bとロータコア21の挿入孔23の外周壁面23eとの間に作用する磁力Fが、永久磁石22の内周面22fとロータコア21の挿入孔23の内周壁面23fとの間に作用する磁力Fよりも極めて大きくなり、この結果、永久磁石22の外周面22bとロータコア21の挿入孔23の外周壁面23eとの間に作用する磁力Fによって永久磁石22が引き付けられ、ロータコア21の挿入孔23に引き付けられて留められた状態で固定される。
【0024】
この結果、従来のように、接着剤や接着構造に工夫をこらしたり、永久磁石22が挿入されている挿入孔23を板状磁性部材で両側から覆ったりしなくても、永久磁石22の磁力Fを利用して、挿入孔23内に永久磁石22を容易に固定することができる。したがって、永久磁石22となる材料を挿入孔23内に挿入した後に磁化するだけで固定でき、永久磁石22の組付固定作業を能率よく行え、しかも、製造コストも最小限に抑えることができる。
【0025】
なお、上記実施の形態では、接着剤を全く用いない場合を述べたが、磁力が小さい永久磁石22を用いる場合には、永久磁石22の内周面22fとロータコア21の挿入孔23の内周壁面23fとの間に接着剤を充填して、永久磁石22の固定させる力を接着剤により補強するように構成してもよい。この場合には、接着剤を充填する工程が増えるため、工程数の低減という点に関しては不利になるが、もともと、永久磁石22の外周面22bとロータコア21の挿入孔23の外周壁面23eとの間に大きな磁力Fが作用するので、接着剤の強度をあまり高めなくても済む。また、永久磁石22の内周面22fとロータコア21の挿入孔23の内周壁面23fとの間には、突起部23dに対応する隙間が形成されているので、この隙間に容易に接着剤を充填することができる。
【0026】
なお、上記の実施の形態においては、周方向に沿う挿入孔23の両端部に、挿入孔23の外周部から永久磁石22の磁極境界部22aよりも径方向内側の位置まで空間部23bが形成されているので、図7に示すように、この空間部23bにより、ロータコア21の永久磁石22間における磁極境界部22aを含めてこの磁極境界部22aより径方向外側の部分において磁気通路が形成されなくなって、ロータコア21の永久磁石間の箇所(隣接部と称す)21aへの磁束Φの漏洩を防止できる利点がある。したがって、永久磁石22の外周側部分からの磁束Φが効率的にステータ10側に流れて、良好な効率を維持できる。つまり、ロータコアをなす鉄心は永久磁石や空気と比べて極めて高い透磁率を有し、また、永久磁石はそのロータの外周寄りに位置する面の部分と内周寄りに位置する面の部分とで反対の磁極を有し、さらに、隣り合う永久磁石の磁極も異なるように配置されているので、図9(b)に示すように、挿入孔3の形状が永久磁石2の断面形状と同じであると、永久磁石2同士が隣接する永久磁石2間のロータコア1の部分(隣接部と称す)1aで磁気通路が形成されてしまって磁束(磁力線)Φが漏洩し、永久磁石2の外周側部分からの磁束Φが効率的にステータ側に流れず、効率が低下するという不具合があったが、本発明の実施の形態ではこのような不具合は生じない。
【0027】
また、挿入孔23の両端部における空間部23bの径方向内側箇所から挿入孔23の内周部までの間に保持壁面部23cが形成されているので、永久磁石22が保持壁面部23cによりロータ回転方向に対して良好に保持され、ロータ20の回転時でも永久磁石22が回転方向にずれることを防止できる。
【0028】
なお、上記実施の形態では、突起部23dをロータコア21の挿入孔23の内周壁面23fに2箇所設けた場合を述べたが、これに限るものではなく、3箇所以上設けても差し支えない。
【0029】
また、上記実施の形態では、ロータコア21の挿入孔23の内周壁面23fに突起部23dを設けたが、突起部23dを設ける代わりに、図8に示すように、弾性を有するスペーサなどからなる薄肉で透磁率の低い合成樹脂などからなる弾性体31を、永久磁石22の内周面22fとロータコア21の挿入孔23の内周壁面23fとの間に介装してもよい。なお、この場合は、例えば、ロータコア21の挿入孔23の内周壁面23fに接着剤などで弾性体31を取付けるとよい。
【0030】
さらには、合成樹脂などからなる弾性体31を設ける代わりに、ロータコア21の挿入孔23と、永久磁石22とが径方向に対してわずかに隙間を有する大きさに設定し、永久磁石22の内周面22fとロータコア21の挿入孔23の内周壁面23fとの間に、弾性を有する接着剤32を充填する一方、永久磁石22の外周面22bとロータコア21の挿入孔23の外周壁面23eとの間には、接着剤32を充填しないことで、永久磁石22の内周面22fとロータコア21の挿入孔23の内周壁面23fとの間に接着剤32の厚み分だけ、隙間を生じるように構成してもよい。
【0031】
これらの構成によっても、接着剤32を用いる工程分、工程数が増える短所はあるものの、永久磁石22の外周面22bとロータコア21の挿入孔23の外周壁面23eとの間に作用する大きな磁力Fによって永久磁石22が引き付けられ、永久磁石22をロータコア21の挿入孔23に引き付けて固定することができる。
【0032】
また、上記の実施の形態では、永久磁石22として断面長方形状のものを用いた場合を述べ、この場合には、永久磁石22として安価なものを用いることができるとともに、挿入孔23の形状も比較的単純な形状となって、製造コストの増加を最小限に抑えることができる利点がある。しかし、これに限るものではなく、例えば、永久磁石22として断面円弧形状のものを用いる場合でも、上記構成を適用することは可能である。
【産業上の利用可能性】
【0033】
本発明は、空気調和機の圧縮機や工作機械、さらには電動自転車用モータとしての磁石埋込型モータに最適であるが、その他の用途に用いられる磁石埋込型モータにも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【0034】
【図1】本発明の実施の形態に係る磁石埋込型モータの概略的な断面図で、モータの回転軸心に沿った面で切断した部分断面外観図
【図2】同磁石埋込型モータの概略的な断面図で、図1におけるII−II線で切断した断面図
【図3】(a)および(b)は、同磁石埋込型モータのロータの正面図(モータの軸心方向から見た図)および部分切欠側面図
【図4】(a)および(b)は、同磁石埋込型モータのロータの正面図(モータの軸心方向から見た図)およびその拡大図
【図5】同磁石埋込型モータのロータの要部拡大図
【図6】(a)および(b)は、同磁石埋込型モータのロータの要部正面図およびその拡大図
【図7】同磁石埋込型モータのロータの要部拡大図
【図8】本発明の他の実施の形態に係る磁石埋込型モータのロータの要部拡大図
【図9】(a)および(b)は、従来の磁石埋込型モータを示す図およびその要部拡大図
【符号の説明】
【0035】
10 ステータ
11 ステータコア
12 ステータコイル
20 ロータ
21 ロータコア
22 永久磁石
22b 外周面
22f 内周面
23 挿入孔
23a 磁石挿入部
23b 空間部
23c 保持壁面部
23d 突起部
23e 外周壁面
23f 内周壁面
31 弾性体
32 接着剤




 

 


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