JP2001359247A

JP2001359247A - 永久磁石形電動機の回転子

Info

Publication number: JP2001359247A
Application number: JP2000215222A
Authority: JP
Inventors: Yoshiyuki Yamamoto; 善之山本; Kenji Tanaka; 劍治田中; Tsuneaki Tanaka; 常明田中; Shoji Mano; 鐘治真野
Original assignee: Aichi Elec Co
Current assignee: Aichi Elec Co
Priority date: 2000-06-12
Filing date: 2000-06-12
Publication date: 2001-12-26
Anticipated expiration: 2020-06-12
Also published as: JP4666726B2

Abstract

(57)【要約】【課題】インバータによって駆動される永久磁石埋め込
み回転子においてインバータ通電区間での磁束の増強を
図り電動機の性能を向上、及び、音、振動を低減する。【解決手段】軸孔を有する回転子鉄心内部に永久磁石を
埋め込む回転子において前記永久磁石を埋め込む収容孔
が略凹字状であって、この略凹字状収容孔の底部収容孔
が前記軸孔に面し、側部収容孔がの縁が回転子外周に向
い伸びており、この回転子外周に向く収容孔面に直角に
磁気配向させインバータの通電区間に磁束が集中する様
に構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電動機に代表され
る永久磁石を装着した内転型回転子に関し、特に回転子
鉄心内部の収容孔に永久磁石を埋め込んで構成した永久
磁石埋め込み回転子に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の電動機の回転子としては、図８に
示す構成のものが知られている。例えば、図８に示す回
転子は円柱状の回転子鉄心１の中心に設けた軸孔２に軸
を嵌入し、この軸孔２と平行に複数の収容孔６を設け
て、この収容孔６に永久磁石７をそれぞれ挿入して構成
されている。回転子鉄心１は所定形状に打ち抜いた薄鉄
板を軸方向に多数積層して形成されており、各薄鉄板に
設けた打ち出し突起による凹凸部を軸方向に隣接する薄
鉄板相互で嵌合させて固定する周知のカシメクランプ手
段によって固定されている。この鉄心の構成は後述する
固定子の構成についても同様である。永久磁石７はフェ
ライト磁石または希土類磁石よりなり、回転子の外側へ
向けて逆円弧状となるように回転子鉄心１の収容孔６へ
挿着されている。そして、隣接する永久磁石７が互いに
異極となるように着磁されている。図８に示した回転子
はＮ極、Ｓ極が交互に配置された４極構造である。

【０００３】また、図９に示すような回転子も知られて
いる。図９に示す回転子は、図８と同様に円柱状の回転
子鉄心１の中心に設けた軸孔２に軸を嵌入し、この軸孔
２と平行に複数の収容孔８を設けて、この収容孔８に永
久磁石９を挿入し構成されている。図８と同様に各収容
孔８に異極となるように着磁されている。上記永久磁石
型電動機は、三相巻線を有する固定子内に回転子を配置
されて構成し、制御回路を介して固定子巻線に励磁する
ことによって回転子の回転を行うようになっている。

【０００４】制御回路は、スイッチング回路内のトラン
ジスタを制御することにより固定子巻線Ｕ，Ｖ，Ｗの隣
接する２相分の固定子巻線に１２０°づづ位相をずらし
電流を通電させる周知の１２０°通電制御をしている。
また、制御回路は電動機の回転子の回転により固定子巻
線Ｕ、Ｖ、Ｗに誘起される誘起電圧を検出して回転子の
回転位置に応じた電動機の駆動信号が得られるようにな
っている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来の永久磁石型電動
機においては、制御回路の制御方式による関係から電動
機に通電する通電区間は電気角で１２０°区間であるた
め、電動機が発生する各極の磁束は電気角で１２０°の
区間しか有効に利用されていない。つまり、各極におけ
る非通電区間が存在するため電動機に装着された永久磁
石の磁束が有効に利用されていないことになる。この有
効に利用されない非通電区間は、電気角で０°から３０
°及び、１５０°から１８０°区間である。この非通電
区間の永久磁石の磁束は電動機を駆動させるためのトル
クとしては有効に使用されていない。また、従来は電動
機の性能を向上させるには、電動機の体格を大きくした
りして対応している。

【０００６】また、図８、図９に示した従来の電動機の
永久磁石埋め込み回転子を有する電動機のトルクを次の
式（１）で表すことができる。Ｔ＝Ｔｍ＋Ｔｒ…（１）Ｔｍ＝Φ・Ｉｑ…（２）Ｔｒ＝（Ｌｄ−Ｌｑ）Ｉｄ・Ｉｑ…（３）Ｔ＝Φ・Ｉｑ＋（Ｌｄ−Ｌｑ）Ｉｄ・Ｉｑ…（４）磁石による磁束量をΦ、ｄ軸電流をＩｄ、ｑ軸電流をＩ
ｑ、ｑ軸インダクタンスをＬｑ、ｄ軸インダクタンスを
Ｌｄである。前記式よりも明らかな様に永久磁石の磁束
が増加することによりマグネットトルクＴｍが増え、ま
た、リラクタンストルク成分が増加することによりリラ
クタンストルクＴｒを増やすことができる。その結果、
総合トルクＴを上げることができる。図１０は前記式を
トルク特性として表したものである。Ｔｍはマグネット
トルク、Ｔｒはリラクタンストルク、Ｔはマグネットト
ルクＴｍとリラクタンストルクＴｒを合成したものであ
る。縦軸をトルク、横軸βは位相角度を示している。図
１０では、回転子を機械角で反時計方向に９０°回転さ
せた場合のトルク特性であります。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、軸孔
を有する回転子鉄心内部に永久磁石を埋め込む回転子に
おいて、前記永久磁石を埋め込む収容孔が略凹字状であ
って、略凹字底部が前記回転子軸孔に面し、略凹字側部
の縁が回転子外周に向い伸びているものであって、略凹
字状の収容孔が回転子外周に向く収容孔面に対して前記
永久磁石の磁気配向が直角に配向されている永久磁石を
挿入することで達成される。請求項２の発明は、略凹字
状の収容孔を有する前記回転子において磁極間の継鉄部
形状が、回転子外周面側が広く回転子内径側に向い狭く
なっているロート形状にすることにより固定子と回転子
における磁束の流出入を多くさせることができ、モータ
性能に寄与するリラクタンストルクを増加させることが
できる。請求項３の発明は、収容孔を略凹字状に形成し
前記収容孔に倣う様な形状に一体成形された永久磁石を
隙間なく埋め込むことにより、磁束量を増加させること
で達成される。請求項４の発明は、略凹字状の収容孔幅
において、側部収容孔幅より底部収容孔幅の方が広くす
ることにより達成される。請求項５の発明は、略凹字状
の収容孔幅において、一方の側部収容孔幅と底部収容孔
幅が同じであり、他方の側部収容孔幅が一方の側部収容
孔幅と底部収容孔幅より広くすることにより達成され
る。請求項６の発明は、略凹字状の収容孔が、多重に配
置されていることにより達成される。請求項７の発明
は、前記回転子内部の磁束の変化が少ない位置にピン孔
が設けられていることにより達成される。

【０００８】

【発明の実施の形態】本発明の永久磁石埋め込み回転子
の実施の形態は、積層された鉄心コアの軸孔に回転軸を
圧入または、焼き嵌め等により挿入して固定される。次
に鉄心コアの収容孔に永久磁石を挿入し鉄心コアの軸方
向両端部に端板を装着させる。この端板の材質としては
非磁性の材料を選ぶことが好ましい。次に、この端板に
設けられたピン孔と鉄心コアに設けられたピン孔にカシ
メピンを挿入し鉄心コアを一体化固着させる。カシメピ
ンの材質としては、鉄心等の磁性体や非磁性体を用いる
ことができる。尚、鉄心コアのピン孔は、磁束の変化が
少く電動機特性を悪化させない位置や、機械応力の影響
が受け難い位置に設けるのが好ましい。また、永久磁石
埋め込み回転子を形成する方法は前記方法に限定される
ものではない。

【０００９】次に図面を用いて説明する。尚、本発明に
おいて永久磁石埋め込み回転子の構成要素が同様のもの
は同じ符号を付して説明を省略する。図１は、第１の実
施例の形態での回転子の平面断面図であり、本実施例の
形態では４極の永久磁石埋め込み回転子を示している。
図２は、図１の回転子鉄心１の各極に埋め込まれた永久
磁石３が隣り合う極を異極とし着磁を施された永久磁石
３の磁気配向を表すための部分拡大図である。本実施の
形態の永久磁石埋め込み回転子は、回転子鉄心１に略凹
字状の永久磁石３が略凹字状の収容孔５に倣う様に挿入
されており、この永久磁石３の磁気配向を回転子外周面
に面した収容孔５側面に対して直角に磁気配向されてい
る。また略凹字底部収容孔５ａが回転子の軸孔２に面
し、略凹字側部収容孔５ｂ、５ｃの縁が回転子外周に向
い伸びている。磁気配向が回転子外周面に面した収容孔
５側面に対して直角に配向させていることにより、該回
転子鉄心１の該磁気中心側において側部収容孔５ｂ、５
ｃの側面からの磁束と底部収容孔５ａの側面からの磁束
を交差させることができる。この交差させた磁束集中区
間θを制御回路における通電区間とすることにより、今
まで分散して有効に使われなかった非通電区間の磁束を
通電区間θ全域に集中させることにより有効に使うこと
ができ、先に述べた周知の電動機のトルクを表す式
（１）、（２）、（４）に記載の回転子表面に出てくる
磁束量Φを増加させることが出来る。

【００１０】図３は、図１、図２の永久磁石埋め込み回
転子を使用した場合の固定子巻線Ｕ、Ｖ、Ｗの隣接する
任意の２相を使用し固定子巻線に１２０°づつ位相をず
らし電流を通電させる周知の１２０°通電制御をした場
合のタイミングチャート図である。上段は誘起電圧波形
Ｅ、下段は通電電流波形Ｉを示す。本実施例の図１、図
２では、４極の永久磁石埋め込み回転子であるので制御
回路の通電区間１２０°における磁束集中区間θは６０
°（機械角）であり、この区間の全範囲において非通電
区間０°〜３０°及び１５０°〜１８０°の磁束を通電
区間に集中させることによって有効に磁束量Φを増加さ
せることができる。尚、本図のタイミングチャート図の
上段においての誘起電圧波形Ｅの破線部分３０は従来の
磁束を集中させない場合であり、実線部分３１は本発明
においての磁束を集中させた場合を示している。

【００１１】更に、本発明の第２の実施例の形態を図１
を用いて説明する。本実施の形態は、略凹字状の収容孔
５を回転子ラジアル方向に９０°等配されている永久磁
石埋め込み回転子であり隣り合う異極の収容孔間、つま
り磁極間の継鉄部１８の形状が、回転子外周面側に広く
形成され、回転子内径側に向い狭く形成されたロート形
状にすることにより固定子と回転子間の磁束の流出入を
多くさせることができる。その結果、回転子の収容孔５
と内径軸孔２の間の継鉄部に磁束が多く流れることにな
りリラクタンストルクを増加させることができモータ性
能を上げることができる。

【００１２】第３の実施例の形態は、前記略凹字状の収
容孔５に埋め込まれる永久磁石を一体成型して埋め込む
ことにより、複数の永久磁石を収容孔５に挿入する場合
と比べて寸法のバラツキを考慮しなくてすみ永久磁石と
収容孔５との隙間を大きくする必要がなくなる。つまり
複数の永久磁石を使用する場合は各永久磁石の寸法のバ
ラツキを考慮しなくてはならず、収容孔５に複数の永久
磁石が必ず入るようにするために、収容孔５を大きく設
定しなくてはならないが一体成形にした場合、永久磁石
を複数使用するわけではないため寸法のバラツキ範囲が
小さくなり収容孔５と永久磁石３の隙間を小さくするこ
とができる。また、この隙間が小さくなることにより、
隙間による磁気抵抗が減少し電動機の性能を向上させる
ことができる。更に、隙間が小さくなることで音、振動
等も小さくなる。

【００１３】以上の実施の形態では略凹字状の収容孔幅
は等しい場合について説明してきたが、略凹字状の収容
孔を異ならせた場合においての実施の形態について図を
用いて説明する。第４の実施の形態では図４の略凹字状
の収容孔１０に倣う様に永久磁石１１を挿入して構成さ
れており略凹字状の収容孔１０において、側部収容孔幅
より底部収容孔幅が広く設定されている。本実施の形態
では、底部収容孔１０ａの永久磁石１１の厚さをＴａ
１、側部収容孔１０ｂ、１０ｃの永久磁石１１の厚さを
Ｔｂ１、Ｔｃ１とした時Ｔａ１＞Ｔｂ１＝Ｔｃ１となる
ように設定している。ここでＴａ１＝Ｔｂ１＝Ｔｃ１の
状態からＴｂ１、Ｔｃ１をそのままでＴａ１を大きくし
ていくことにより回転子鉄心外周面に出てくる磁束が大
きくなり式（１）、（２）、（４）の式からもわかるよ
うに磁束Φが増加しマグネットトルクＴｍを増加するこ
とができる。

【００１４】次に、本発明の第５の実施例では、図５の
略凹字状収容孔幅を一方の側部収容孔幅と底部収容孔幅
が同じであり他方の側部収容孔幅が一方の側部収容孔幅
と底部収容孔幅より広く設定されている。本実施例の形
態では、底部収容孔１２ａの永久磁石１３の厚さＴａ
２、側部収容孔１２ｂ、１２ｃの永久磁石１３の厚さＴ
ｂ２、Ｔｃ２とした時Ｔｃ２＝Ｔａ２＜Ｔｂ２となるよ
うに設定している。ここでＴａ２＝Ｔｂ２＝Ｔｃ２の状
態からＴａ２、Ｔｃ２をそのままでＴｂ２を大きくして
いくことにより永久磁石１３の磁束Φの集中をα分だけ
位相をずらせることができる。このことは、図６に示し
たトルク特性として表すことができる。図６に付された
符号は図１０と同一意味を示しているため、ここでは符
号の説明を省略することにする。マグネットトルクＴｍ
の磁束Φの集中がα分だけ位相がずれている。尚、ここ
では図５での回転子を機械角で反時計方向に９０°回転
させた場合のトルク特性である。この様に磁束Φの集中
箇所を適宜調整させ該電動機のマグネットトルクＴｍの
ピークをα分ずらせることにより総合トルクＴのピーク
を突出させないように全体的に安定した電動機トルク特
性が得ることができるようになる。即ち、このような回
転子は従来問題にしているコギングトルクによる音、振
動を小さくすることができる。

【００１５】以上の実施の形態では、各極に収容孔を設
け単層構造としたが、各極の収容孔を所定間隔に開けて
複数個設けて多層構造とすることもできる。多層構造に
形成した本発明における第６の実施の形態を図７に示
す。本実施の形態では、略凹字状収容孔１５、１４は軸
方向に垂直な断面であり、略凹字底部収容孔１４ａ、１
５ａが前記回転子軸孔２に面し、略凹字側部収容孔１４
ｂ、１４ｃ、１５ｂ、１５ｃの縁が回転子外周に向い伸
びて形成され、また各永久磁石１６、１７の厚さがほぼ
等しい厚さに設定されている。本実施の形態では各極毎
に所定間隔を開けて２つの収容孔１４、１５を設けてい
るが、収容孔の層数及び形状を限定する物ではない。内
周側の収容孔１４に挿通されている永久磁石１６と外周
側の収容孔１５に挿通されている永久磁石１７の極性は
同一となるように構成されている。また、それぞれの実
施の形態については個別に説明したが、これらの方法を
適宜組み合わせて用いることもできる。更に、各収容孔
に挿通する永久磁石を複数個挿入させ、側部収容孔と底
部収容孔に挿通させている永久磁石の特性を異ならせる
方法や、各極毎の多層構造に形成され層毎の特性及び
厚さをことならせる方法等もある。

【００１６】

【発明の効果】以上説明したように請求項１及至請求項
７に記載の回転子を用いることで回転子鉄心内部の略凹
字状である収容孔に永久磁石を埋め込み、この収容孔側
面に対して直角に磁気配向させることにより、回転子が
発生する各極の磁束を制御回路の非通電区間に存在する
磁束を通電区間に集中させることによって通電区間全域
にわたり磁束量を増加させることができる。更に、磁極
間の継鉄部を回転子外周面側を広く回転子内径側に向い
狭くしたことによって磁束の流出入を増加させることが
できリラクタンストルクを増加させモータ性能を向上さ
せることができる。また、永久磁石を一体成形すること
により永久磁石を隙間なく埋め込むことにより磁束量を
増加することができる。また、収容孔の幅を適宜設定す
ることによりマグネットトルクを増加させコギングトル
クによる音、振動を小さくすることができる。また、収
容孔を多層にすることによってマグネットトルクとリラ
クタンストルクを増加させることができる。また、ピン
孔を磁束の変化が少ない位置や機械応力の影響が受け難
い位置に設けることにより電動機特性を悪化させること
はない。

【００１７】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１及至第３実施例の形態の回転子の
平面断面図である。

【図２】図１の磁気配向を表すための部分拡大図であ
る。

【図３】図１、図２の回転子を用いた場合と従来例とを
比較した誘起電圧波形と通電電流波形を示したタイミン
グチャート図である。

【図４】本発明の第４実施例の形態の回転子の平面断面
図である。

【図５】本発明の第５実施例の形態の回転子の平面断面
図である。

【図６】図５の回転子を用いた場合のトルク特性であ
る。

【図７】本発明の第６実施例の形態の回転子の平面断面
図。

【図８】従来例を示す回転子の平面断面図。

【図９】別の従来例を示す回転子の平面断面図。

【図１０】従来例の回転子を用いた場合のトルク特性で
ある。

【符号の説明】

１…回転子鉄心、２…軸孔、３，７，９，１１，１３，
１６，１７…永久磁石、４…ピン孔、５，６，８，１
０，１２，１４，１５…収容孔、５ａ，１０ａ，１２
ａ，１４ａ，１５ａ…底部収容孔、５ｂ，５ｃ，１０
ｂ，１０ｃ，１２ｂ，１２ｃ，１４ｂ，１４ｃ，１５
ｂ，１５ｃ…側部収容孔、１８…継鉄部、Ｔ…総合トル
ク、Ｔｍ…マグネットトルク、Ｔｒ…リラクタンストル
ク、θ…磁束集中範囲、Ｅ…誘起電圧波形、Ｉ…通電電
流波形、α…ずれ位相角度、β…位相角度、Ｔａ１，Ｔ
ａ２…底部収容孔の永久磁石厚さ、Ｔｂ１，Ｔｂ２，Ｔ
ｃ１，Ｔｃ２…側部収容孔の永久磁石の厚さ、３０…従
来品の誘起電圧波形、３１…発明品の誘起電圧波形。

フロントページの続き (72)発明者真野鐘治愛知県春日井市愛知町２番地アイチーエマソン電機株式会社内Ｆターム(参考） 5H002 AA01 AB07 AC07 AE07 AE08 5H622 AA03 CA02 CA05 CA07 CA10 CA13 PP03 PP07 PP10 QA10

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】軸孔を有する回転子鉄心内部に永久磁石
を埋め込む回転子において、前記永久磁石を埋め込む収
容孔が略凹字状であって、略凹字底部が前記回転子軸孔
に面し、略凹字側部の縁が回転子外周に向い伸びている
ものであって、略凹字状の収容孔が回転子外周に向く収
容孔面に対して前記永久磁石の磁気配向が直角に配向さ
れていることを特徴とする永久磁石埋め込み回転子。
【請求項２】前記略凹字状の収容孔を有する前記回転
子において、収容孔と収容孔の間の磁極継鉄部の形状
が、回転子外周面側が広く回転子内径側に向いて狭くな
っていることを特徴とする請求項１記載の永久磁石埋め
込み回転子。
【請求項３】前記略凹字状の収容孔に埋め込まれる永
久磁石は一体成形であることを特徴とする請求項１また
は請求項２のいずれかに記載の永久磁石埋め込み回転
子。
【請求項４】前記略凹字状の収容孔幅において、側部
収容孔幅より底部収容孔幅の方が広いことを特徴とする
請求項１及至請求項３のいずれかに記載の永久磁石埋め
込み回転子。
【請求項５】前記略凹字状の収容孔幅において、一方
の側部収容孔幅と底部収容孔幅が同じであり、他方の側
部収容孔幅が一方の収容孔幅と底部収容孔幅より広いこ
とを特徴とする請求項１及至請求項４のいずれかに記載
の永久磁石埋め込み回転子。
【請求項６】前記略凹字状の収容孔が多重に配置され
ていることを特徴とする請求項１及至請求項５記載のい
ずれかに記載の永久磁石埋め込み回転子。
【請求項７】前記回転子内部の磁束変化が少ない位置
にピン孔が設けられていることを特徴とする請求項１及
至請求項６のいずれかに記載の永久磁石埋め込み回転
子。