JP5708706B2

JP5708706B2 - 回転電機

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Publication number: JP5708706B2
Application number: JP2013107680A
Authority: JP
Inventors: 大穀　晃裕; 晃裕大穀; 岡崎　正文; 正文岡崎; 田中　俊則; 俊則田中
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2013-05-22
Filing date: 2013-05-22
Publication date: 2015-04-30
Anticipated expiration: 2028-06-12
Also published as: JP2013158244A

Description

この発明は、ヨークの内周面に永久磁石を有する、電動機または発電機などの回転電機に関する。

従来の回転電機として、円筒状のヨークの内周面に永久磁石が配置された電動機がある。このような電動機では、固定子全体の周方向での剛性の違いを軽減するために、複数の永久磁石により構成される磁極の間に設けた隙間部分に隣接するヨークの肉厚を厚くしている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００７−２８８９０３号公報（第５頁、第２図）

従来の回転電機では、磁極の間の隙間部分に設けたヨークの厚肉部の一部が、隣り合う磁極を結ぶヨーク部に配置されているため、この部分において磁路断面積が増え、結果的に磁気飽和が緩和され、トルク特性を向上できる場合がある。しかしながら、ヨークの厚肉部が円筒状のヨークの外側に配置されていることから、回転電機の寸法が大きくなってしまうという問題点があった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、回転電機の寸法を大きくすることなく、ヨークでの磁気飽和を緩和することでトルク特性が向上できる回転電機を得るものである。

この発明に係る回転電機は、円筒状のヨークと、周方向中央において前記円筒状のヨークと当接し、周方向端部において前記円筒状のヨークに対向する側に１つの平面で構成される切り欠き部を形成し、かつ、互いに周方向に隙間をあけて前記円筒状のヨークの内周面に設けられた複数の円弧状の永久磁石と、前記円筒状のヨークおよび前記切り欠き部の間に設けられ、隣り合う前記永久磁石の向い合う前記切り欠き部に１つの平面で接する補助ヨークと、前記補助ヨークの内周側で、かつ、隣り合う前記永久磁石の間に該永久磁石の前記隣り合う面および内周面の端に沿って延びて前記周方向への弾力性を有する弾性部材とを有する固定子を備え、前記円筒状のヨークおよび前記補助ヨークは、一体で形成され、前記弾性部材および前記永久磁石は、前記周方向に一周するように交互に並べて配置されたことを特徴とするものである。

この発明に係る回転電機は、隣り合う永久磁石の向い合う切り欠き部をつなぐように、円筒状のヨークおよび切り欠き部の間に設けられた補助ヨークを設けたので、回転電機の寸法を大きくすることなく、ヨークでの磁気飽和を緩和することでトルク特性を向上させることができる。

実施の形態１．
図１は、この発明を実施するための実施の形態１における回転電機の軸方向から見た断面図である。また、図２は、この回転電機の横断面図である。図１、図２において、円筒状のヨーク１の内面に４つの永久磁石２（２ａ〜２ｄ）が設けられている。さらに、その内周側には、回転子鉄心３、回転軸４、回転子鉄心３に設けたスロット６に配設された電機子巻線７、整流子９から成る回転子２０が配設され、整流子９に電流を通電させるためのブラシ８が設けられている。

円筒状のヨーク１は、均一な板厚を持つ板材の絞り加工により形成されており、ベアリング支持を行うブラケット部の一方が円筒部と一体で形成されている。４つの永久磁石２は、それぞれが一様方向に着磁されており、周方向に異なる極性が交互に配置されている。例えば永久磁石２ａ、２ｃは内周面側がＮ極に、永久磁石２ｂ、２ｄは内周面側がＳ極になるように着磁されている。本実施の形態において、１個の永久磁石で一つの磁極を形成しているが、複数の分割された永久磁石を結合して一つの磁極を形成してもよい。

永久磁石２のうち円筒状のヨーク１と接する側には永久磁石２の周方向中央（磁極中心部）付近にヨーク当接面１１が形成されると共に、永久磁石２の周方向両端には円筒状のヨーク１とを離間させる切り欠き部１２が設けられている。そして、隣り合う永久磁石２の向い合う切り欠き部１２同士をつなぐように、磁性体から成る４つの補助ヨーク５（５ａ〜５ｄ）が設置されている。つまり、補助ヨーク５は、円筒状のヨーク１および永久磁石２の切り欠き部１２の間に設けられている。補助ヨーク５は、非磁性弾性体である磁石ホルダー１０（１０ａ〜１０ｆ）によって保持されている。磁石ホルダー１０は、補助ヨーク５の内周側で、かつ、隣り合う永久磁石２の間に設けられる。固定子は、円筒状のヨーク１、永久磁石２、補助ヨーク５、および磁石ホルダー１０によって構成されている。

本実施の形態において、円筒状のヨーク１と補助ヨーク５とは、別体で構成されている。円筒状のヨーク１と補助ヨーク５とを、別々に作製することによって、それぞれのヨークの加工性が向上し、回転子の生産性が高くなる。また、補助ヨーク５は、１枚の薄板をプレス加工することによって形成してもよいし、薄板を軸方向に積層することによって形成してもよい。前者の加工方法によると、補助ヨーク５を安価に製造することができ、後者の加工方法によると、補助ヨーク５の形状自由度を高めることができる。

ここで、永久磁石２と補助ヨーク５との固定方法について説明する。図３〜図６は、磁石ホルダー１０、永久磁石２、および補助ヨーク５を組み付ける際の部品展開図である。図３は磁石ホルダー１０の斜視図、図４は永久磁石２の斜視図、図５は磁石ホルダー１０に永久磁石２を固定した状態の斜視図、図６は磁石ホルダー１０に補助ヨーク５を固定した状態の斜視図である。図４に示すような隣り合う永久磁石２の間には、図３に示すような樹脂などの非磁性弾性体で形成される磁石ホルダー１０の柱状部分１０ａ〜１０ｄが配置されている。また、永久磁石２と補助ヨーク５との軸方向両端には磁石ホルダー１０のリング状部分１０ｅ，１０ｆが配置されている。

図５に示すように４つの永久磁石２ａ〜２ｄは、隣り合う磁石ホルダー１０の柱状部分１０ａ〜１０ｄの間の空間にそれぞれ配置される。そして、図６に示すように４つの補助ヨーク５ａ〜５ｄは、隣り合う永久磁石２の切り欠き部１２と磁石ホルダー１０の柱状部分１０ａ〜１０ｄとで構成される窪み１３に配置される。永久磁石２、補助ヨーク５、および磁石ホルダー１０を一体化した複合体の外径寸法は、円筒状のヨーク１の内径よりもやや大きくなるように設定されている。この複合体を円筒状のヨーク１に圧入することによって、永久磁石２および補助ヨーク５は、周方向と同時に軸方向にも位置決めされ、非磁性弾性体である磁石ホルダー１０の弾力によって円筒状のヨーク１内に強固に保持される。この製造方法によって、補助ヨーク５を容易で確実に円筒状のヨーク１の内周面に当接させることができる。

次に、この回転電機の作動状態について、モータ動作時を例に説明する。回転子２０に設けた整流子９とブラシ８とは当接しており、電源（図示せず）からブラシ８および整流子９を介して、電機子巻線７に電流が流れる。この電流と永久磁石２の作る磁界との相互作用によって回転子２０にトルクが発生し、回転電機はモータとして動作する。

モータ動作時の回転電機の磁束密度分布について説明する。図７は、実施の形態１における回転電機のモータ動作時の磁束密度分布を表しており、色の濃淡が各部分における磁束密度を表している。各図の右側には、色の濃淡と磁束密度［単位：Ｔ］との対応を表記している。図７においては、いわゆる磁気回路部分、すなわち円筒状のヨーク１、永久磁石２、回転子鉄心３、補助ヨーク５のみを表記している。図８は、補助ヨーク５を有しない従来の回転電機における磁束密度分布を表したものであり、表記については図７と同じである。従来の回転電機の永久磁石１０２は、周方向両端に切り欠き部が設けられていない。

図８に示すように、従来の回転電機においては、永久磁石の間にある隙間（磁極間）近傍のヨーク部分において磁束密度が非常に高くなっていることがわかる。すなわち、この部分の磁気抵抗が大きくなる結果、回転子と鎖交する磁束量を増やすことができず、同じ電流に対するトルク特性を向上できなかった。これに対して、図７に示すように本実施の形態においては、永久磁石２のヨーク当接面１１のうち周方向両端に切り欠き部１２を設け、ここに補助ヨーク５を配置したので、永久磁石２の間にある磁極間部の円筒状のヨーク１の磁束密度が低下し、磁気飽和が緩和されていることがわかる。

本実施の形態の回転電機によって、トルク特性がどの程度向上したかについて説明する。図９は、回転子２０の回転角度に対する、トルク波形を示したものである。横軸は回転角度（機械角）、縦軸は従来の回転電機のトルクの平均値を１とした場合の本実施の形態１の回転電機のトルクの相対値をあらわしたトルク比である。図９において、実線（細線）が従来の回転電機の特性であり、実線（太線）が本実施の形態の回転電機の特性である。従来の回転電機に比べて、本実施の形態の回転電機は、同一の電流で平均トルクを約１０％向上し、さらにトルク脈動も低減していることがわかる。

本実施の形態では、円筒状のヨーク１の肉厚は周方向で一定であるので、均等な肉厚の板材から絞り加工などで形成することができ、ヨークを積層体で形成する場合に比べ、部品点数が少なく、防水・防塵性に優れ、安価で寸法精度の良いヨークを得ることができる。また、補助ヨーク５の厚みがほぼ一定であるため、板材を円筒状のヨーク１の内周面の曲率に合わせて湾曲させるのみでよく、安価に形成することができる。また、補助ヨーク５の固定には樹脂などの非磁性弾性体から成る磁石ホルダー１０を用いているので、磁石の保持部材と別に保持部材ないし固着工程（溶接など）を設ける必要が無く、部品点数が少なく安価に保持することができる。

以上のように、永久磁石２の円筒状のヨーク１とのヨーク当接面１１のうち周方向両端部に切り欠き部１２を設け、ここに補助ヨーク５を配置したので、円筒状のヨーク１の磁極間部における磁気飽和を緩和することができ、トルク特性を向上させることができる。また、円筒状のヨーク１の内周面側に補助ヨーク５を設けたので、小型で高性能な回転電機を得ることができる。さらに、円筒状のヨーク１および補助ヨーク５は、その厚みを一定としたので、薄板に対しプレス加工または絞り加工を行うことのみで、形成することができ、安価に製作することができる。

なお、本実施の形態においては、永久磁石２を４つ設けた４極の回転電機について説明したが、６極、８極など異なる極数の回転電機においても同様の効果を得ることができる。また、円筒状のヨーク１と補助ヨーク５とは、図１に示したように完全に密着することが望ましい。しかしながら、円筒状のヨーク１は、図１０に示すように永久磁石２と接する部位で密着することがより望ましく、磁極間部で円筒状のヨーク１と補助ヨーク５との間に隙間１４が生じても、モータとしての性能上は特段の遜色はない。

実施の形態２．
図１１は、この発明を実施するための実施の形態２における回転電機の軸方向から見た断面図である。本実施の形態の回転電機は、永久磁石の周方向両端の切り欠き部の形状および補助ヨークの形状が実施の形態１と異なっている。図１１において、図１と同一の符号を付したものは、同一またはこれに相当するものであり、このことは明細書の全文において共通することである。また、明細書全文に表れている構成要素の態様は、あくまで例示であってこれらの記載に限定されるものではない。また、図１２は、回転電機のモータ動作時の磁束密度分布である。

図１１に示すように、本実施の形態では、補助ヨーク２５の形状を、永久磁石２２の周方向中央（磁極中心部）で厚く、隣り合う永久磁石２２との間（磁極間部）に向かうに従って薄くなるように形成している。つまり、補助ヨーク２５の周方向端部に向かうに従って薄くなるように形成している。永久磁石２２の切り欠き部３２は、段差を設けることなく、１つの断面のみで構成している。

このような構成にすることによって、補助ヨーク２５の重量を軽くすることができ、回転電機の軽量化を図ることができる。また、永久磁石２２の切り欠き部３２を加工する際に、研磨加工による割れなどが生じにくくなり、永久磁石２２の製造時の歩留まりが向上して、結果的に永久磁石２２の単価が安価になる。さらに、永久磁石２２の割れによる信頼性の低下を防止することができる。なお、補助ヨーク２５の加工においては、板厚が一様でない形状を形成するための加工が必要となるが、本実施の形態では、例えば、補助ヨーク２５を１枚の板から作る場合を示しており、プレス加工などにより両端部で厚みが薄くなるようにする。ここで、補助ヨーク２５の端部を薄くしすぎると、端部の強度が弱くなるので、本実施の形態においては、補助ヨーク２５の端部の厚みが、補助ヨーク２５の周方向の中央部の厚みの半分程度の厚みとなるようにしている。このため、曲率を有する円筒状のヨーク１と補助ヨーク２５と永久磁石２２との間には微少ではあるが空隙部ができる。

このような構成の回転電機においても、図１２に示すように、永久磁石２２のヨーク当接面のうち周方向両端に切り欠き部３２を設け、ここに補助ヨーク２５を配置したので、永久磁石２２の間にある磁極間部の円筒状のヨーク１の磁束密度が低下し、磁気飽和が緩和されていることがわかる。そして、トルクは実施の形態１と同様に、従来の回転電機に比べて、同一の電流で平均トルクを約１０％向上されており、回転電機の寸法を大きくすることなく、ヨークでの磁気飽和を緩和することでトルク特性が向上できる。

実施の形態３．
図１３は、この発明を実施するための実施の形態３における回転電機の軸方向から見た断面図である。また、図１４は、補助ヨークの斜視図である。本実施の形態の回転電機は、補助ヨークの種類が実施の形態２と異なっている。本実施の形態では、補助ヨーク２６は薄板の積層体で形成したものであるとともに、円筒状のヨーク１と補助ヨーク２６とを溶接にて固着している。円筒状のヨーク１と補助ヨーク２６との溶接箇所が溶接部２７である。本実施の形態において、溶接部２７は、補助ヨーク２６毎に円周方向に２箇所である。補助ヨーク２６の製造方法としては、例えば順送金型などを用いて打ち抜きおよび積層を行う。

このような構成によれば、円筒状のヨーク１の内周面と補助ヨーク２６の内周面との密着度を高めることができる。また、補助ヨーク２６の厚みが一定でない場合、さらにはトルク脈動低減を目的として補助ヨーク２６の断面形状をさらに複雑にしたい場合においても、所望の形状の補助ヨーク２６を高精度に加工することができる。さらに、円筒状のヨーク１と補助ヨーク２６とは溶接で固着しているので、両者の間に生じる隙間によって磁気抵抗が増加する虞が無い。また、円筒状のヨーク１と補助ヨーク２６とが相対的に振動することによる騒音などの虞もなくなり、信頼性の高い回転電機を得ることができる。

実施の形態４．
図１５は、この発明を実施するための実施の形態４における回転電機の軸方向から見た断面図である。また、図１６は、図１５の補助ヨークを中心とした回転電機の要部拡大図、図１７は、補助ヨークの斜視図である。本実施の形態の回転電機は、円筒状のヨークと補助ヨークとをいわゆるプロジェクション溶接で固定している点が実施の形態１と異なっている。

補助ヨーク４５には、あらかじめ突起部４６を設けておき、円筒状のヨーク１と補助ヨーク４５とが突起部４６で接するように配置した状態で両者間に電極を設け、これに通電することによって突起部４６にジュール熱を発生させ、突起部４６を溶融することによって両者を接合する。このような構成によれば、円筒状のヨーク１と補助ヨーク４５とを磁石ホルダー１０の柱状部１０ａ〜１０ｄのみで固定する場合に比べて両者の接合力を格段に向上させることができる。なお、突起部を円筒状のヨーク１に設けてもよいし、突起部を円筒状のヨーク１および補助ヨーク４５の双方に設けても同様の効果を得ることができる。

実施の形態５．
図１８は、この発明を実施するための実施の形態５における回転電機の軸方向から見た断面図である。また、図１９は、板バネの斜視図である。本実施の形態の回転電機は、永久磁石２の固定部材として、樹脂などの非磁性弾性体でできた磁石ホルダーに代えて板バネを用いている点が実施の形態４と異なっている。

板バネ５１は、補助ヨーク４５の内周側で、かつ、隣り合う永久磁石２の間に設けられている。本実施の形態の板バネ５１は、特に周方向への弾力性が強い。このため、軸の周りを一周するように板バネ５１と永久磁石２とを交互に並べて配置することによって、永久磁石２は板バネ５１に周方向に押し付けられて固定される。補助ヨーク４５には、実施の形態４における補助ヨーク４５と同様にあらかじめ突起部４６を設けておく。また、補助ヨーク４５の突起部４６に対応する位置に、板バネに５１にも第２の突起部５２を設けておく。なお、第２の突起部を補助ヨーク４５に設けてもよいし、第２の突起部を板バネ５１および補助ヨーク４５の双方に設けても同様の効果を得ることができる。そして、円筒状のヨーク１、補助ヨーク４５、および板バネ５１を同時にプロジェクション溶接で固定している。板バネ５１の軸方向両端には磁石押さえ５３が形成してあり、永久磁石２が軸方向に動くことを防止する。

このような構成によって、円筒状のヨーク１と補助ヨーク４５との間に隙間が生じて回転電機の性能が低下することを防止することができる。また、円筒状のヨーク１および永久磁石２の固定を、樹脂などでできた磁石ホルダーに代えて板バネ５１で行うため、安価で耐熱性に優れた回転電機を得ることができる。

実施の形態６．
図２０は、この発明を実施するための実施の形態６における固定子の横断面図である。また、図２１は、板バネの斜視図である。本実施の形態の回転電機は、板バネによって補助ヨークを円筒状のヨーク側に押し付けて固定させる点が実施の形態５と異なっている。

板バネ５４は、補助ヨーク４５の内周側で、かつ、隣り合う永久磁石（図示せず）の間に設けられている。本実施の形態の板バネ５４は、軸方向の両端部において外周側に突出した接合部５５を有している。この接合部５５と円筒状のヨーク１の内周面をプロジェクション溶接することによって、板バネ５４を固定している。板バネ５４は、実施の形態５において説明したような周方向への弾力性を有すると共に、外周側への弾力性が強い。このため、補助ヨーク４５は板バネ５４に外周側に押し付けられ、円筒状のヨーク１に押さえられて固定される。また、軸の周りを一周するように板バネ５４と永久磁石とを交互に並べて配置することによって、永久磁石は板バネ５４に周方向に押し付けられて固定される。なお、図２０に示すように、実施の形態５と同様に板バネ５４にも第２の突起部５２を設けて、板バネ５４と円筒状のヨーク１との接合に加えて、板バネ５４と補助ヨーク４５とを接合しても良い。

このような構成によって、円筒状のヨーク１と補助ヨーク４５との間に隙間が生じて回転電機の性能が低下することを防止することができる。また、円筒状のヨーク１、永久磁石および補助ヨーク４５の固定を、樹脂などでできた磁石ホルダーに代えて板バネ５４で行うため、安価で耐熱性に優れた回転電機を得ることができる。

実施の形態７．
図２２は、この発明を実施するための実施の形態７における回転電機の軸方向から見た断面図である。本実施の形態の回転電機は、円筒状のヨークと補助ヨークとに代えて、一体型のヨークを用いている点が実施の形態１と異なっている。このような構成によって、円筒状のヨークと補助ヨークとの間に生じる隙間によって特性が低下する虞がなく、高性能なモータを得ることができる。一体型のヨーク６１の形成方法としては、薄板の積層体で形成してもよいし、厚手の板から絞り加工により形成しても良い。

この発明の実施の形態１における回転電機の断面図である。この発明の実施の形態１における回転電機の横断面図である。この発明の実施の形態１における磁石ホルダーの斜視図である。この発明の実施の形態１における永久磁石の斜視図である。この発明の実施の形態１における磁石ホルダーに永久磁石を固定した状態の斜視図である。この発明の実施の形態１における磁石ホルダーに補助ヨークを固定した状態の斜視図である。この発明の実施の形態１における回転電機のモータ動作時の磁束密度分布を表す図である。従来の回転電機のモータ動作時の磁束密度分布を表す図である。この発明の実施の形態１における回転角度に対するトルク波形を示した図である。本発明の実施の形態１における回転電機の他の構成を示す断面図である。この発明の実施の形態２における回転電機の断面図である。この発明の実施の形態２における回転電機のモータ動作時の磁束密度分布を表す図である。この発明の実施の形態３における回転電機の断面図である。この発明の実施の形態３における補助ヨークの斜視図である。この発明の実施の形態４における回転電機の断面図である。図１５に示す回転電機の要部拡大図である。この発明の実施の形態４における補助ヨークの斜視図である。この発明の実施の形態５における回転電機の断面図である。この発明の実施の形態５における板バネの斜視図である。この発明の実施の形態６における固定子の横断面図である。この発明の実施の形態６における板バネの斜視図である。この発明の実施の形態７における回転電機の断面図である。

１円筒状のヨーク、２，２２永久磁石、３回転子鉄心、４回転軸、５，２５，２６，４５補助ヨーク、６スロット、７電機子巻線、８ブラシ、９整流子、１０磁石ホルダー、１１ヨーク当接面、１２，３２切り欠き部、１３窪み、１４隙間、２０回転子、２７溶接部、４６突起部、５１，５４板バネ、５２第２の突起部、５３磁石押さえ、５５接合部、６１一体型のヨーク。

Claims

円筒状のヨークと、
周方向中央において前記円筒状のヨークと当接し、周方向端部において前記円筒状のヨークに対向する側に１つの平面で構成される切り欠き部を形成し、かつ、互いに周方向に隙間をあけて前記円筒状のヨークの内周面に設けられた複数の円弧状の永久磁石と、
前記円筒状のヨークおよび前記切り欠き部の間に設けられ、隣り合う前記永久磁石の向い合う前記切り欠き部に１つの平面で接する補助ヨークと、
前記補助ヨークの内周側で、かつ、隣り合う前記永久磁石の間に該永久磁石の前記隣り合う面および内周面の端に沿って延びて前記周方向への弾力性を有する弾性部材とを有する固定子を備え、
前記円筒状のヨークおよび前記補助ヨークは、一体で形成され、
前記弾性部材および前記永久磁石は、前記周方向に一周するように交互に並べて配置されたことを特徴とする回転電機。
前記弾性部材は、板バネにより構成され、前記補助ヨークおよび前記板バネは、前記補助ヨークおよび前記板バネの少なくともいずれか一方に設けられた突起部を溶融することで固着されることを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
前記板バネは、軸方向の両端部において外周側に突出した接合部によって前記円筒状のヨークに固着されることを特徴とする請求項２に記載の回転電機。
前記弾性部材は、非磁性弾性体から構成されることを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
前記補助ヨークの厚みは、周方向中央で厚く、周方向端部に向かって薄くなるように形成されたことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の回転電機。
前記円筒状のヨークは、板材の絞り加工によって形成されたことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の回転電機。
前記永久磁石は、分割された永久磁石を結合して形成されたことを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の回転電機。
前記永久磁石の内周側には、回転子鉄心および前記回転子鉄心に配設された電機子巻線を有する回転子を備えたことを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載の回転電機。