JP2000050546A - 永久磁石形電動機の回転子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 収容孔３と鉄心１の外周部との間隔が各収容
孔の中央部で広く、両端部で狭くなるように構成される
永久磁石形電動機の回転子において、高トルクあるいは
高効率を追求して電動機の最大能力を引き出す。 【解決手段】 収容孔３の両端部に永久磁石２の断面輪
郭の延長線に対して屈曲した空隙部４を設け、この空隙
部４によって隣接極との極間部に放射状の鉄心部分８を
残すとともに、鉄心外周部との間にブリッジ状の鉄心部
分５を残すように形成し、各極において、空隙部４を永
久磁石２の開角より狭い範囲まで張り出すように形成す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、冷凍機や空調機の
圧縮機駆動用電動機等に代表される永久磁石（以下、磁
石と称す）の界磁を有する永久磁石形の同期電動機に関
し、特に回転子の鉄心の内部に磁石を埋め込んで構成す
るいわゆる埋め込み磁石構造の回転子に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】上記回転子として、図５に示す構成のも
のが知られており、例えば特開平９−１８２３３２号公
報等に開示されている。

【０００３】図５は回転子の軸方向に垂直な断面を示す
平面断面図であって、図中１ａは鉄心であり、軸孔１０
及び磁石を挿着するための複数の収容孔３ａを備えた薄
鉄板を軸方向に多数積層して形成されている。収容孔３
ａには平板形の磁石２ａが軸方向に挿着されており、１
個の磁石２ａが１極を形成するように着磁されて、図示
例の場合４極の界磁を構成するようになっている。磁石
材料としては、主に希土類磁石が用いられる。

【０００４】収容孔３ａの両端部には外周へ向けて空隙
部４ａが形成されており、磁石による磁束（以下、主磁
束と称す）が隣接極間で短絡漏洩するのを防止するよう
になっている。そしてこの空隙部４ａと回転子外周部と
の間には、極力幅を狭くしたブリッジ部５ａが形成され
ている。

【０００５】このような構成の回転子の場合には、回転
子の外周部に多くの鉄心部分が存在するために、ｑ軸イ
ンダクタンスを大きくとることができる。従って、電動
機固定子の通電巻線の電流とこれに鎖交する主磁束とに
よって得られる主磁束トルクに加えて、回転子位置によ
る磁気抵抗の相違によって得られるリラクタンストルク
を大いに利用できる特長を備えている。

【０００６】一般に電動機のトルクＴは、主磁束トルク
をＴ１、リラクタンストルクをＴ２とすると、 Ｔ＝Ｔ１＋Ｔ２ …（１） で表され、磁石の磁極中心と回転軸心を結んだ方向をｄ
軸とし、このｄ軸に対する電気角９０°位相をｑ軸と
し、主磁束量をΦ、ｄ軸電流をＩｄ、ｑ軸電流をＩｑ、
ｄ軸インダクタンスをＬｄ、ｑ軸インダクタンスをＬｑ
とすれば、 Ｔ１＝Φ・Ｉｑ …（２） Ｔ２＝（Ｌｄ−Ｌｑ）Ｉｄ・Ｉｑ …（３） で表される。（３）式において、Ｉｄがマイナスの値と
なるように制御すれば、Ｌｄと比較してＬｑが大きくな
るほどリラクタンストルクＴ２を大きくすることができ
る。

【０００７】図６は別の回転子の例を示しており、軸心
に向けて凸状をなし、端部が回転子外周部に近接するよ
うに形成された略Ｖ字形の収容孔３ｂ内に、平板形の磁
石２ｂを２個挿着して各極の界磁を構成したものであ
る。磁石材料としては、主にフェライト磁石が用いられ
るが、希土類磁石等であっても構わない。図５の例同
様、主磁束の短絡を防止するために、ブリッジ部５ｂの
幅は極力狭い方が好ましく、必要に応じて収容孔３ｂの
両端部における磁石２ｂとブリッジ部５ｂとの間に空隙
部を形成するように構成してもよい。このような回転子
は、例えば特開平９−３０８１４８号公報等に開示され
ている。

【０００８】図６の例においても、回転子の外周部に多
くの鉄心部分が存在するために、ｑ軸インダクタンスＬ
ｑが大きくなり、リラクタンストルクを大きく構成する
ことができる。磁石の収容孔が軸心に向けて凸状をなす
ように形成するものとしては、この他に例えば特開平６
−３３９２４１号公報等に開示されるように、断面が略
Ｃ字形の収容孔及び磁石を用いた回転子があり、この場
合も図５や図６の例と同様の効果を有している。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】従来の回転子において
は、電動機のトルクを極力大きくするために、残留磁束
密度の大きな希土類磁石等の高性能磁石を用いて主磁束
トルクＴ１を大きくし、一方、ｑ軸インダクタンスを極
力大きくするようにして大きなリラクタンストルクＴ２
を引き出すように構成する。このｑ軸インダクタンスを
大きくするために、例えば図５に示すような回転子にお
いては、空隙部４ａの円周方向の幅を極力狭く形成する
ようにし、図６に示すような回転子においても、極間に
空隙部を設ける場合は、磁石２ｂの外周側に僅かな空隙
を設けるのみの構成となっている。

【００１０】しかしながら一方で、極間の空隙部を小さ
くすると、主磁束の短絡漏洩が増加して主磁束トルクが
減少する恐れがあるため、上記リラクタンストルクとの
兼ね合いが設計を難しいものとしている。一般にリラク
タンストルクを利用する電動機においては、固定子と回
転子間のエアギャップが極力小さくなるように構成する
が、１〜２馬力クラスの圧縮機駆動用電動機等において
は、構造上の制約からエアギャップ寸法は０．５〜０．
７ｍｍ程度と比較的大きなものとなってしまう。従っ
て、磁気抵抗が大きくなってリラクタンストルクを十分
に引き出せないために、全トルクＴに占めるリラクタン
ストルクＴ２の割合は２割程度に過ぎず、全トルクＴは
基本的には８割程度を占める主磁束トルクＴ１に負うと
ころが大きい。ところが従来設計品はリラクタンストル
ク偏重の傾向にあり、希土類磁石等の高性能磁石を用い
る場合においても、その構成上の傾向に変化は見られな
い。

【００１１】冷凍機や空調機に対する消費電力の低減化
は地球環境保全の見地から早急な課題であり、これらを
駆動する電動機に対しては、たとえ僅かでも高効率なも
のへ発展させていく使命が課せられている。図５や図６
に示す従来構成のものは、主磁束トルクとリラクタンス
トルクの双方を利用する永久磁石形電動機の回転子とし
ては無難な構成といえるが、高トルクあるいは高効率を
追求して電動機の最大能力を引き出す上で、必ずしも最
適且つ究極的な構成とはなっていないのが現状である。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、鉄心内部に設
けた複数の収容孔に永久磁石を挿着し、軸方向に垂直な
断面において、前記収容孔と前記鉄心外周部との間隔が
前記各収容孔の中央部で広く、両端部で狭くなるように
構成される永久磁石形電動機の回転子において、前記収
容孔の両端部に前記永久磁石の断面輪郭の延長線に対し
て屈曲した空隙部を設け、この空隙部によって隣接極と
の極間部に放射状の鉄心部分を残すとともに、前記鉄心
外周部との間にブリッジ状の鉄心部分を残すように形成
し、各極において、前記空隙部を前記永久磁石の開角よ
り狭い範囲まで張り出すように形成するものである。

【００１３】

【発明の実施の形態】上記構成は主磁束の大きな電動機
に適するため、実施形態としては、前記収容孔は凸面側
を軸心に向けた略Ｖ字形をなし、この収容孔に平板状希
土類永久磁石を挿着したものが好ましい。

【００１４】上記構成によって、空隙部が磁石の開角よ
り狭い範囲まで張り出すため、空隙部の面積が大きく形
成でき、主磁束の短絡漏洩が削減されて電動機の主磁束
トルク分が大きく増加する。同時に主磁束の磁路が極中
心方向に誘導されて、固定子の励磁部分と有効に鎖交す
ることになる。一方、極間部に残された放射状の鉄心部
分及びブリッジ状の鉄心部分によって、ｑ軸インダクタ
ンスは大きい状態のまま維持されるため大きなリラクタ
ンストルク分も得ることができる。これらの結果とし
て、主磁束トルクとリラクタンストルクの和である電動
機トルクが大きく向上するものであり、従来品と同一ト
ルクで比較すれば、電流値が減少して銅損が削減され、
電動機効率が大きくアップする。

【００１５】

【実施例】図１は本発明の実施例を示す電動機回転子の
平面断面図であり、回転子の軸方向に垂直な断面を示し
ている。鉄心１は、順送プレス型によって所定形状に打
ち抜いた０．３５ｍｍ厚，０．５０ｍｍ厚等の薄鉄板を
プレス型内で軸方向に多数積層したものであり、各薄鉄
板に設けた切り起こし突起による凹凸部を軸方向に隣接
するもの同士で嵌合させて固定する周知のクランプ手段
等によって複数箇所で固定されている。この略円柱状の
鉄心１の中心には軸孔１０が設けられ、この軸孔１０と
平行に磁石を挿着するための複数の収容孔３及びカシメ
ピンを挿通するための複数のピン孔６がそれぞれ設けら
れている。

【００１６】収容孔３は、各極毎に断面が略Ｖ字形に形
成されており、軸心に向けて凸状をなして端部が回転子
外周部に近接するように形成されている。この収容孔３
と鉄心１の外周部との間隔は各収容孔の中央部で広く、
両端部で狭くなるように構成され、各極のＶ字の凹部側
には回転子の外周部にかけて厚肉の鉄心部分が存在する
ためにｑ軸インダクタンスＬｑが大きく、一方ｄ軸イン
ダクタンスは小さく構成されている。

【００１７】図２に示すように、鉄心１の各収容孔３に
は、各Ｖ字当たり２個の平板形の磁石２が軸方向から挿
着され、各Ｖ字当たり１極を形成するように着磁され
て、４極の界磁を構成するようになっている。磁石材料
としては、一般的にフェライト磁石または希土類磁石の
適用が可能であるが、図示例の場合は希土類磁石に適し
た形状を示している。即ち、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ（ネオジウ
ム−鉄−ホウ素）系磁石等の希土類磁石を用いることに
よって主磁束を極力大きなものとしている。また希土類
磁石の場合、断面が円弧形状のものは高コストとなるた
め一般には平板状に形成され、従って図示するようなＶ
字形の収容孔に装着するのに適している。

【００１８】磁石２を挿着した後、鉄心１の軸方向両端
部には端板９が装着されて蓋がなされ、鉄心のピン孔６
及び端板のピン孔１１にそれぞれカシメピン７を挿通し
て固着一体化するものである。

【００１９】図１に戻って、鉄心１における収容孔３の
両端部は、磁石２が収容されない空隙部４となってお
り、この空隙部４は磁石２の断面輪郭の延長線に対して
屈曲するとともに、磁石２の軸心Ｏからの開角θ１より
狭い開角θ２まで先端が極中心方向へ張り出して形成さ
れている。そしてこの空隙部４によって、隣接極との極
間部に幅がｄなる放射状の鉄心部分８が残されており、
また鉄心外周部との間にブリッジ部５が残されている。

【００２０】鉄心１における空隙部４がθ２＜θ１とな
って極中心方向へ張り出して形成されていることによ
り、隣接極間での主磁束の漏洩短絡は従来品以上に削減
され、電動機の主磁束トルク分が増加することになる。
これは、特に希士類磁石等の高性能磁石を用いた場合に
は、磁束密度が高いために主磁束トルク分の増加は顕著
となる。

【００２１】また、θ２＜θ１なる関係に形成すること
により、主磁束の磁路を極中心方向へ誘導することがで
きる効果が生じる。即ち、このような電動機の固定子に
おける通電切り換えは、一般に三相１２０°通電が採用
されるため、電気角１８０°の範囲に形成される界磁各
極の主磁束は、なるべく狭い角度範囲に集中させた方が
トルクへの寄与が大きくなるからである。従ってこの点
からも、上記空隙部４の存在によって主磁束トルク分を
向上させることができる。

【００２２】一方、極間部に残された放射状の鉄心部分
８によって、この部分を介して固定子磁束が回転子鉄心
１内へ多量に流出入することができるため、ｑ軸インダ
クタンスは相変わらず大きな値のまま維持され、空隙部
４に起因する電動機のリラクタンストルク分の減少を低
く抑えることができる。この場合、ブリッジ部５が漏斗
のような作用をして、放射状の鉄心部分８あるいは収容
孔３の外側の鉄心部分への固定子磁束の流出入を誘導す
る効果を奏する。

【００２３】ブリッジ部５の半径方向の幅は、狭い方が
特性上好ましいのであるが、鉄心１を構成する薄鉄板の
打ち抜き技術及びブリッジ部５の耐遠心力強度等を考慮
して適切な幅に決定される。そして放射状の鉄心部分８
及びブリッジ部５によって鉄心１が連結されているた
め、各薄鉄板は一体に打ち抜くことが可能となってい
る。但し、耐遠心力強度が不足する等の場合には、図示
例のように、収容孔３の外側の鉄心部分にカシメピン７
を挿通して補強し、品質的に安定したものとすることが
好ましい。

【００２４】図３は、極間部に残された放射状の鉄心部
分８の円周方向の幅ｄを変化させた場合における主磁束
量Φの変化、及びｑ軸インダクタンスＬｑとｄ軸インダ
クタンスＬｄの比である突極比Ｌｑ／Ｌｄの変化をそれ
ぞれ示したものである。主磁束量Φは、回転子を電動機
の固定子に対向させた状態で回転させたときの固定子巻
線の誘起電圧を測定することによって知ることができ
る。一方、ｑ軸インダクタンスＬｑ及びｄ軸インダクタ
ンスＬｄは、同様に回転子を電動機の固定子に対向させ
た状態で回転させたときの巻線のインダクタンスの最大
値と最小値を測定することによって知ることができる。
そして前述したように、主磁束量Φが大きいほど主磁束
トルクＴ１が大きく、突極比Ｌｑ／Ｌｄが大きいほどリ
ラクタンストルクＴ２が大きく形成できるものである。

【００２５】図３において、Ｐ１で示すポイントは幅ｄ
が固定子のスロット開口部の円周方向の幅と等しいポイ
ントを表しており、このポイントを境にしてΦの傾きは
さほど変わらないのに対し、Ｌｑ／Ｌｄの傾きは屈曲点
を形成している。即ち、幅ｄをＰ１よりも狭くすると、
固定子と回転子間の磁気抵抗が極端に大きくなってしま
うため、リラクタンストルクの落ち込み分が主磁束トル
クの増加分を上回るようになって好ましくない。従っ
て、極間部に残された放射状の鉄心部分８の円周方向の
幅ｄは、スロット開口部幅Ｐ１以上で且つＰ１近辺の値
とすることによって、高トルクの電動機を得ることがで
きる。

【００２６】図４は、収容孔両端部の空隙部４の開角θ
２を変化させた場合における主磁束量Φの変化、及び突
極比Ｌｑ／Ｌｄの変化をそれぞれ示したものである。空
隙部４の開角θ２が磁石２の開角θ１と等しくなるポイ
ントを境にして、Ｌｑ／Ｌｄの傾きはさほど変わらない
のに対し、Φの傾きは屈曲点を形成していることが判
る。即ち、θ２をθ１よりも狭くしていくと、隣接極間
での主磁束Φの短絡漏洩が大きく減少し、同時に主磁束
の磁路が極中心方向へ集中するようになり、これらの作
用がθ１を境にして顕著となっていくものである。そし
て主磁束トルクの増加分がリラクタンストルクの落ち込
み分を上回るため、θ２＜θ１なる関係に形成すること
により高トルクの電動機を得ることができる。

【００２７】尚、図４に示す傾向は、特に希土類磁石等
の高性能磁石を用いた場合に一層顕著となるため、電動
機の特性向上に大きく寄与するものである。また、空隙
部４の開角θ２は小さい方が好ましいのであるが、鉄心
１の打ち抜きや機械的強度、特にブリッジ部５の強度の
関係からあまり小さくすることも好ましくなく、下限値
に関しては主に製造上の都合によって決定される。

【００２８】また、本発明においては、収容孔両端部の
空隙部に樹脂等の非磁性材料を充填した場合であっても
同様の作用を生じるものであるため、必ずしも空隙に限
定するものではない。さらに本発明は、断面Ｖ字形の磁
石に限らず、図５に示したような各極当たり平板形の磁
石１個によって構成するもの、あるいは断面Ｃ形の磁石
を用いたもの等、収容孔と鉄心外周部との間隔が各収容
孔の中央部で広く両端部で狭くなるように構成される永
久磁石形電動機の回転子であれば適用可能である。

【００２９】

【発明の効果】本発明は、リラクタンストルクを偏重し
た従来の構成から視点を変え、極間部の空隙部に着目し
て主磁束トルクの向上を達成したものであり、これによ
り主磁束トルクとリラクタンストルクの和である電動機
の全トルクを大幅に増加させ得るものであり、このこと
は、従来と同一トルクにて比較すれば、電動機の銅損が
減少して電動機の効率を大きく向上させることができ
る。そして特に希土類磁石等の高性能磁石を用いた高ト
ルクあるいは高効率を追求するタイプの電動機におい
て、電動機の最大能力を引き出す上で効果的な構成を提
供するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例を示す回転子の平面断面図。

【図２】図１の回転子の分解斜視図。

【図３】極間部の放射状の鉄心部分の幅に対する主磁束
量の関係、及び突極比の関係を示す特性図。

【図４】収容孔両端部の空隙部の開角に対する主磁束量
の関係、及び突極比の関係を示す特性図。

【図５】従来例を示す回転子の平面断面図。

【図６】別の従来例を示す回転子の平面断面図。

【符号の説明】

１，１ａ，１ｂ…鉄心、２，２ａ，２ｂ…磁石、３，３
ａ，３ｂ…収容孔、４，４ａ…空隙部、５，５ａ，５ｂ
…ブリッジ状の鉄心部分、８…放射状の鉄心部分、１０
…軸孔。

フロントページの続き (72)発明者 金子 清一 三重県桑名郡木曽岬町栄68−４ (72)発明者 鈴木 光広 名古屋市緑区鳴海町字山ノ神72 Ｆターム(参考） 5H621 AA03 BB07 GA01 GA04 JK02 5H622 AA03 CA02 CA07 CA10 CA13 CB03 CB05 DD02 PP03 PP10 PP11 PP14 PP16

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 鉄心内部に設けた複数の収容孔に永久磁
   石を挿着し、軸方向に垂直な断面において、前記収容孔
   と前記鉄心外周部との間隔が前記各収容孔の中央部で広
   く、両端部で狭くなるように構成される永久磁石形電動
   機の回転子において、前記収容孔の両端部に前記永久磁
   石の断面輪郭の延長線に対して屈曲した空隙部を設け、
   この空隙部によって隣接極との極間部に放射状の鉄心部
   分を残すとともに、前記鉄心外周部との間にブリッジ状
   の鉄心部分を残すように形成し、各極において、前記空
   隙部を前記永久磁石の開角より狭い範囲まで張り出すよ
   うに形成したことを特徴とする永久磁石形電動機の回転
   子。
2. 【請求項２】 前記収容孔は凸面側を軸心に向けた略Ｖ
   字形をなし、この収容孔に平板状希土類永久磁石を挿着
   したことを特徴とする請求項１記載の永久磁石形電動機
   の回転子。