JP2005354899A

JP2005354899A - 永久磁石型モータ

Info

Publication number: JP2005354899A
Application number: JP2005262246A
Authority: JP
Inventors: Masatsugu Nakano; 正嗣中野; Masaya Inoue; 正哉井上; Shinji Nishimura; 慎二西村
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2005-09-09
Filing date: 2005-09-09
Publication date: 2005-12-22

Abstract

【課題】永久磁石において発生する渦電流損を低減し、発熱による永久磁石の減磁を防ぐことで、高効率かつ信頼性の高い永久磁石型モータを得る。
【解決手段】永久磁石型モータにおいて、永久磁石１を複数に分割し、それぞれの永久磁石１ａ〜１ｃの間に絶縁層２を設けることで、渦電流の発生を低減し、損失を少なくすると同時に、発熱による永久磁石１の減磁を防いだ。
【選択図】図２

Description

本発明は、永久磁石を備えたモータに関するものである。

従来から、鉄などの高透磁率材からなる回転子本体に永久磁石を埋め込む構造のモータが知られている。回転子本体に埋め込まれる永久磁石は、複数に分割される場合と分割されない場合がある。例えば、回転子の軸長が長いときには、永久磁石も軸方向に長くなり、回転子鉄心に埋め込むのが困難になり生産性の低下につながる。したがって、永久磁石は細長い形状にならないように長軸方向に複数に分割することが望ましい。

また、永久磁石によって形成される磁束を極中心に集中するように配置するため、永久磁石を複数に分割する場合もある（例えば特許文献１参照）。

また、回転子の表面に永久磁石を有するモータについても、同様に回転子の軸長が長くなると、長軸方向に複数に分割したほうが生産性の観点から有利である。
特開平１０−１９１５８５号公報

しかしながら、上記従来の永久磁石埋め込み型モータ、および回転子表面に永久磁石を有するモータにおいて、永久磁石と回転子鉄心との間及び分割された複数の永久磁石の間は絶縁されることはなかった。したがって、永久磁石が例えば希土類磁石のように導電率が大きいものである場合、磁石内部に渦電流が流れ、これが損失となってモータの効率が低下し、さらに永久磁石における発熱が原因で磁石が減磁する現象が見られた。

モータの電機子巻線に交流電流を流し、回転子が回転している状態において、回転子からみた固定子側のパーミアンスは固定子スロットの影響を受けて時間とともに周期的に変化する。この結果、回転子のエアギャップに面した部分の磁束密度は周期的に変化するため、この磁束をうち消す向きに回転子に渦電流が流れる。

従来のモータにおいて、回転子鉄心は、通常、絶縁被膜で覆われた薄い鋼板を積層して作るために渦電流はほとんど流れない。一方、永久磁石は回転子鉄心のような渦電流の発生を防ぐ構造を持たないために渦電流が磁石の内部に流れ、損失が発生し、効率が低下するとともに、発生した熱により、永久磁石が減磁することがあった。

本発明は、このような従来の課題を解決するものであり、分割された永久磁石間の電流経路または回転子本体から永久磁石内部に流入する電流経路を遮断し、永久磁石における渦電流損を低減し、モータの効率を向上させるとともに永久磁石内の発熱に伴う減磁を防ぐことにより信頼性の高いモータを提供することを目的としている。

この発明に係る永久磁石型モータは、軸方向において複数個に分割された永久磁石と、この分割された永久磁石のそれぞれの間に設けられた絶縁体と、を有する回転子を備えたものである。

又、軸方向及び周方向のそれぞれの方向において複数個に分割された永久磁石と、この分割された永久磁石のそれぞれの間に設けられた絶縁体と、を有する回転子を備えたものである。

又、絶縁体が、分割された永久磁石のそれぞれの表面を覆っているものである。

又、絶縁体が、分割された永久磁石のそれぞれの間に設けられるとともに、上記分割された永久磁石における回転子径方向の外側の表面のほぼ全面に設けられているものである。

又、板状の永久磁石と絶縁層を交互に積層した構造の永久磁石を有する回転子を備えたものである。

又、導電率の大きい磁石材料と導電率の小さい磁石材料とを交互に積層した構造の永久磁石を有する回転子を備えたものである。

又、電機子巻線が集中巻である固定子を備えたものである。

この発明に係る永久磁石型モータは、軸方向において複数個に分割された永久磁石と、この分割された永久磁石のそれぞれの間に設けられた絶縁体と、を有する回転子を備えたので、上記永久磁石で発生する渦電流損を低減するとともに、発熱による該永久磁石の減磁を防ぐという効果がある。

又、軸方向及び周方向のそれぞれの方向において複数個に分割された永久磁石と、この分割された永久磁石のそれぞれの間に設けられた絶縁体と、を有する回転子を備えたので、上記永久磁石で発生する渦電流損、及び発熱による該永久磁石の減磁を、さらに抑制できるという効果がある。

又、絶縁体が、分割された永久磁石のそれぞれの表面を覆っているので、上記永久磁石で発生する渦電流損を低減し、発熱による該永久磁石の減磁を防ぐとともに、上記回転子において、上記永久磁石とそれ以外の部分との間に生じる渦電流損を低減するという効果がある。

又、絶縁体が、分割された永久磁石のそれぞれの間に設けられるとともに、上記分割された永久磁石における回転子径方向の外側の表面のほぼ全面に設けられているので、上記永久磁石で発生する渦電流損、及び発熱による該永久磁石の減磁をさらに抑制できるとともに、表面をコーティングする場合に比べて、絶縁材料を節約することが可能となり、生産コストの低減を図ることができ、しかも、固定子に近い側と遠い側の両方に絶縁体を設ける場合に比べて、トルクが大きくなり有利である。

又、板状の永久磁石と絶縁層を交互に積層した構造の永久磁石を有する回転子を備えたので、上記磁石で発生する渦電流損を低減するとともに、発熱による該永久磁石の減磁を防ぐという効果がある。

又、導電率の大きい磁石材料と導電率の小さい磁石材料とを交互に積層した構造の永久磁石を有する回転子を備えたので、上記磁石で発生する渦電流損を低減するとともに、発熱による該永久磁石の減磁を防ぐという効果がある。さらに、導電率が小さい磁石材料は、絶縁層を積層した場合と異なり起磁力を発生するため、磁石全体の起磁力は大きくなり、結果としてモータのトルクが大きく有利である。

又、電機子巻線が集中巻である固定子を備えたので、分布巻の場合に比べて、渦電流損失の低減ならびに発熱による減磁を防ぐ効果がより大きく現れる。

まず、本発明の理解を助けるために、以下に、渦電流損及び発熱による減磁の低減に関して説明を行う。
渦電流損は一般に以下の式で表される。

ここで、
Ｐ：渦電流損［Ｗ／ｋｇ］
Ｂ：磁束［Ｔ］
ｗ：Ｂに垂直な導体幅［ｃｍ］
ｆ：周波数［Ｈｚ］
ρ：固有抵抗［Ωｃｍ］
γ：密度［ｇ／ｃｍ³］
Ｋ：係数
とする。

渦電流損は、時間的に変化する磁束に対して導体の垂直な面の幅の自乗に比例する。したがって、導体の幅が小さいほど損失は小さい。しかしながら、ただ単に永久磁石を分割しただけでは渦電流損の低減は不可能である。希土類磁石の表面には錆などの対策からニッケルなどの金属でコーティングされることが多く、そのため、分割した磁石の間は電気的に導通状態である。したがって、渦電流の経路を断ち切ることは出来ず、損失あるいは発熱の低減にはならない。よって、渦電流損を低減するためには、分割した永久磁石の間に絶縁層を設ける必要がある。

また、同時に回転子鉄心との間に絶縁層を設けることにより、回転子鉄心と永久磁石の間に流れる渦電流も断ち切ることが出来る。また、永久磁石を導電率が大きく渦電流が流れやすい希土類磁石等と導電率が非常に小さく渦電流が流れにくいフェライト磁石等の磁石を交互に積層した構造にすることにより、渦電流損および発熱による減磁を低減することができる。

以下、図１乃至図９に従って、本発明の実施の形態１乃至６について説明する。

実施の形態１．
図１は、本実施の形態による永久磁石型モータの要部断面図である。本実施の形態による永久磁石型モータは、図１に示すように、回転子１６に永久磁石１を有するインナーロータ型のモータであって、電機子巻線５が集中巻の構造を有する固定子を備える。この永久磁石型モータは、回転軸１５、回転子鉄心３及びその内部に埋め込まれた永久磁石１を有する回転子１６と、電機子巻線５を有する固定子４とを備える。

一般に、電機子巻線５に交流電流を流すと、空隙８に回転磁界が形成され、その回転磁界に永久磁石１が引っ張られることによりトルクが発生し、電機子巻線５の作る回転磁界に同期して回転子１６が回転する。回転子１６が回転磁界に同期して回転している時、回転子鉄心３における磁束密度は固定子４のティース６とスロット７の影響を受けて時間的に変化する。

このため、従来の永久磁石型モータにおいては、回転子鉄心３および永久磁石１にこの磁束をうち消す向きに渦電流が生じる。回転子鉄心３は、通常絶縁された積層鋼板で構成されるためほとんど渦電流は流れないが、導電率の大きい磁石では回転子鉄心３のような積層構造をしていないために渦電流が流れる。

そこで、本実施の形態においては、図２のように永久磁石１回転軸１５の軸方向に複数に分割し、かつ分割した磁石１ａ〜１ｃそれぞれの間に絶縁層２を設けた。ここで、図２は、本実施の形態における回転子１６の状態を示す説明図であり、この図においては、理解を容易にするため、視点から遠い側の永久磁石１の回転子１６内部における記載を省略するとともに、回転軸１５の回転子１６内部における記載も省略した。尚、回転軸１５は図２において、回転子１６の内部を上下方向に貫くように配置されている。

このように構成することで、永久磁石１に発生する渦電流は減少し、損失を低減するとともに発熱による減磁を防ぐことが出来る。

ここで、絶縁層２の材料としては、例えばシリコン、エポキシ接着剤、プラスチック、又は熱収縮性の膜等を用いる。

実施の形態２．
上記実施の形態１は、永久磁石１を回転子１６中に埋め込んだ例であったが、図３及び図４に示すように、永久磁石１を埋め込むことなく、回転子１６の表面に固定したモータについても、軸方向に分割する技術を適用可能である。

図３は、本実施の形態における永久磁石型モータの要部断面図である。本実施の形態における永久磁石型モータは、この図に示すように、回転子１６の表面に永久磁石１を固定した集中巻の構造を有する。このように、回転子１６表面に永久磁石１を固定した場合にも、磁石埋め込み型モータの場合と同様に、回転子鉄心３の磁束密度が固定子４のティース６とスロット７の影響を受けて時間的に変化する。そして、この磁束の変化を妨げるように永久磁石１の内部に渦電流が発生しようとする。

そこで、図４に示すように、永久磁石１を回転軸１５の軸方向に分割し、各磁石１ｄ〜１ｆの間に絶縁層２を設けることにより、渦電流を低減し発熱による減磁を防止することが出来る。

ここで、図４は、本実施の形態における回転子１６の状態を示す説明図であり、この図においては、理解を容易にするため、視点から遠い側の永久磁石１の回転子１６内部における記載を省略するとともに、回転軸１５の回転子１６内部における記載も省略した。尚、回転軸１５は図４において、回転子１６の内部を上下方向に貫くように配置されている。

なお、絶縁層２の材料としては、例えばシリコン、エポキシ接着剤、プラスチック、又は熱収縮性の膜等を用いる。

実施の形態３．
上記実施の形態１及び２においては、渦電流を低減するために、永久磁石を軸方向にのみ分割し、分割された磁石のそれぞれの間に絶縁層を設けていた。渦電流を低減するためには、既に述べたように変化する磁束に対して垂直な面の幅が小さいほど効果があるため、なるべく磁石を細かく分割するのがよい。

そこで、本実施の形態においては、図５に示すように、軸方向にも周方向にも永久磁石１を分割し、各々の永久磁石１ｊ〜１ｒのそれぞれの間に絶縁層２を設けることにより、永久磁石１に発生する渦電流の発生を低減し、損失を小さくし発熱による減磁を防いでいる。このように、永久磁石１を軸方向にも周方向にも分割することで、軸方向のみあるいは周方向のみに分割した場合に比べて、渦電流及び発熱の低減の効果は大きい。

ここで、図５は、本実施の形態における回転子１６の状態を示す説明図であり、この図においては、理解を容易にするため、視点から遠い側の永久磁石１の回転子１６内部における記載を省略するとともに、回転軸１５の回転子１６内部における記載も省略した。尚、回転軸１５は図５において、回転子１６の内部を上下方向に貫くように配置されている。

図５は磁石埋め込み型のモータについて示しているが、ロータ表面に永久磁石を固定したモータについても、同様に永久磁石を軸方向にも周方向にも分割することにより渦電流及び発熱を低減することが出来る。

実施の形態４．
本実施の形態における永久磁石型モータは、分割された永久磁石１ａａ〜１ｃｃのそれぞれの表面に絶縁膜９をコーティングしている点を除いて、実施の形態１と同様の構造である。

実施の形態１では、分割された永久磁石１ａ〜１ｃの相互間のみに絶縁層２を設けて永久磁石１に発生する渦電流を低減するものであった。その場合、回転子鉄心３間と永久磁石１の間は短絡されているため、永久磁石１と回転子鉄心３との間に渦電流が流れる。

そこで、本実施の形態においては、分割された永久磁石１ａａ〜１ｃｃのそれぞれの表面を絶縁膜９でコーティングすることで、回転子鉄心３との間に渦電流が流れないようにした。図６に、表面を絶縁膜９でコーティングされた永久磁石１ａａを示す。

又、図７には、分割され絶縁膜９でコーティングされた永久磁石１ａａ〜１ｃｃを軸方向に並べた例を示しているが、このときの磁石１の分割方法は、軸方向のみでも、軸方向および周方向両方に分割してもよい。

ここで、図７は、本実施の形態における回転子１６の状態を示す説明図であり、この図においては、理解を容易にするため、視点から遠い側の永久磁石１の回転子１６内部における記載を省略するとともに、回転軸１５の回転子１６内部における記載も省略した。尚、回転軸１５は図７において、回転子１６の内部を上下方向に貫くように配置されている。

なお、絶縁膜９でコーティングする手法としては、絶縁テープを磁石に巻き付ける方法や樹脂を塗装する方法などがあるが、前者はコーティングが容易であるという利点があり、後者は大量に絶縁膜を表面に施す場合に有効である。

上記の説明では、実施の形態１との相違点について記述したが、本実施の形態で示した原理は、実施の形態２及び３に対しても適用可能であることは言うまでもない。

実施の形態５．
上記実施の形態１乃至３においては、分割された永久磁石のそれぞれの間にのみ絶縁層を設けており、一方、実施の形態４においては、分割された磁石のそれぞれをコーティングする絶縁膜を設けていた。これに対して、本実施の形態においては、分割された永久磁石のそれぞれの間にとどまらず、この分割された永久磁石の固定子に近い側の表面のほぼ全面（即ち、この分割された永久磁石における回転子径方向の外側の表面のほぼ全面）にも、絶縁層２を設けた構造としている。

導電率の高い永久磁石を用いた永久磁石型モータにおいては、渦電流は永久磁石の内部よりも固定子に近い側の表面付近にてより多く発生する。そのため、特に、永久磁石埋め込み型モータにおいては、永久磁石の固定子に近い側の表面と回転子鉄心との間に、過電流が発生しやすい。ここで、回転子鉄心が積層構造をしていない場合には、積層構造を取る場合に比べ、より多くの過電流が発生することとなる。

そこで、本実施の形態においては、例えば図８に示すように、周方向に分割された永久磁石１ｇ〜１ｉの固定子に近い側（即ち、回転軸１５に遠い側）の表面のほぼ全面に絶縁層２を設けることにより、回転子鉄心３と永久磁石１との間に流れる電流経路を断ち、永久磁石１に発生する渦電流の発生を低減し、損失を小さくし発熱による減磁を防いでいる。

又、永久磁石１の固定子から遠い部分においては渦電流の発生が少ないため、固定子から遠い側（即ち、回転軸１５に近い側）の絶縁層を省略することが可能となり、実施の形態４のように、分割された永久磁石の表面をコーティングする場合に比べて、絶縁材料を節約することが可能となり、生産コストの低減にもつながる。

又、永久磁石１の表面に設けられた絶縁層２は磁気的には空隙とほぼ同じ役割を果たすため、この絶縁層２が厚いとトルクの低下につながる。そこで、本実施の形態のごとく、永久磁石１の固定子側表面にのみ絶縁層２を設けた場合においては、固定子に近い側と遠い側の両方に絶縁層２を設ける場合に比べてトルクが大きくなり、有利になる。

ここで、図８は、本実施の形態における回転子１６の状態を示す説明図であり、この図においては、理解を容易にするため、視点から遠い側の永久磁石１の回転子１６内部における記載を省略するとともに、回転軸１５の回転子１６内部における記載も省略した。尚、回転軸１５は図８において、回転子１６の内部を上下方向に貫くように配置されている。

尚、図８においては、永久磁石１を回転軸１５の周方向に分割した例を示したが、軸方向、あるいは軸方向と周方向の両方に分割しても良いことは言うまでもない。

実施の形態６．
本実施の形態における永久磁石型モータは、永久磁石を、薄い板状の永久磁石と絶縁層とを交互に積み重ねて構成している点を除いて、実施の形態１と同様の構造である。

図９は、本実施の形態における、薄い板状の永久磁石１２ａ〜１２ｆと絶縁層２とを交互に積み重ねて構成される永久磁石１の構成図である。一般に、変化する磁束に垂直な面の幅を小さくすることで渦電流は軽減できるので、導電性の永久磁石の幅を出来るだけ小さくすることが望ましい。そこで、あらかじめ薄い板状の着磁前の永久磁石１２ａ〜１２ｆと絶縁層２とを接着して交互に積み重ね、ある一定の長さの磁石を構成する。この積層された磁石１２ａ〜１２ｆに着磁を行ってから回転子に挿入するか、あるいは、回転子３に挿入してから着磁を行う。

このように、板状の薄い永久磁石１２ａ〜１２ｆと絶縁層２を積層することにより、回転子鉄心３や固定子鉄心４によく用いられる積層鋼板と同様にほとんど渦電流が発生せず、損失の低減および発熱による磁石の減磁を防ぐことが出来る。

又、上記の永久磁石１２ａ〜１２ｆと絶縁層２を積層して形成される磁石の表面に、絶縁膜をコーティングしても良く、さらに、このときの絶縁膜は絶縁層２と同様の絶縁体であればよい。

尚、上記実施の形態１乃至６においては、絶縁層２、絶縁膜９はなるべく薄くすることが望まれる。その理由は、絶縁層２、絶縁膜９は起磁力を発生しないため、これらが厚いと磁石１のみで構成される場合に比べて起磁力が低下するからである。

実施の形態７．
本実施の形態における永久磁石型モータは、永久磁石を、導電率の大きい磁石材料と導電率が小さい磁石材料とを交互に積層して構成している点を除いて、実施の形態１と同様の構造である。

図１０は、本実施の形態おける、導電率の大きい磁石材料１０と導電率が小さい磁石材料１１とを交互にモータの軸方向に積層して構成した永久磁石１の構成図である。

希土類磁石等の導電率の大きい磁石材料１０では、導電率が大きいために渦電流が流れるのに対して、フェライト系などの導電率の小さい磁石材料１１では、希土類磁石などに比べて起磁力は小さいが導電率は低く、ほぼ絶縁体と同様に考えることができるので、渦電流は流れない。

そのため、このように導電率の大きい磁石材料１０と小さい磁石材料１１をそれぞれ層状にして積み重ねた構造の磁石においては、導電率の小さい磁石材料１１の層が実施の形態６における絶縁層２と同じ役割を果たし、この磁石に交番磁界をかけたとき、変化する磁束と垂直な導体面の幅が小さくなるため、渦電流はほとんど流れない。

さらに、絶縁層として働く導電率が小さい磁石材料１１は、実施の形態６の絶縁層２とは異なり起磁力を発生するため、導電率が小さい磁石材料１１の厚さを実施の形態６の絶縁層２の厚さと同じにしたとき、即ち、絶縁層２を導電率が小さい磁石材料１１に置き換えたとき、磁石全体の起磁力は大きくなり、結果としてモータのトルクが大きく、有利である。

上記実施の形態１乃至７においては、モータの電機子巻線５が集中巻のときに、特に有効である。一般に、電機子巻線５が集中巻のときには、分布巻の場合に比べて、電機子起磁力高調波が大きいため、永久磁石１に渦電流が発生しやすく、それに伴う損失あるいは発熱による減磁が問題となる。そこで、上記実施の形態１乃至７において示した技術を用いることにより、電機子巻線５が集中巻の場合においても上記の問題点を克服でき、その効果は分布巻の場合に比べて顕著である。

実施の形態１に係る永久磁石埋め込み式のモータの要部断面図である。実施の形態１に係る永久磁石埋め込み式のモータにおける、回転子の状態を示す説明図である。実施の形態２に係る回転子の表面に永久磁石を有するモータの要部断面図である。実施の形態２に係る回転子の表面に永久磁石を有するモータにおける、回転子の状態を示す説明図である。実施の形態３に係る永久磁石埋め込み式のモータにおける、回転子の状態を示す説明図である。実施の形態４に係る表面に絶縁膜をコーティングした永久磁石の説明図である。実施の形態４に係る永久磁石埋め込み式のモータにおける、回転子の状態を示す説明図である。実施の形態５に係る永久磁石埋め込み式のモータにおける、回転子の状態を示す説明図である。実施の形態６に係る薄い板状の永久磁石と絶縁層を交互に積み重ねて構成される永久磁石の構成図である実施の形態７に係る導電率の大きい磁石材料と導電率が小さい磁石材料とを交互に積層して構成される永久磁石の構成図である。

符号の説明

１永久磁石、
１ａ〜１ｒ、１ａａ〜１ｃｃ分割された永久磁石のそれぞれ、
２絶縁層、３回転子鉄心、４固定子、５電機子巻線、
６ティース、７スロット、８空隙、９絶縁膜、
１０導電率の大きい磁石材料、１１導電率の小さい磁石材料、
１２ａ〜１２ｆ板状の永久磁石、１５回転軸、１６回転子。

Claims

周方向に互いに異なる極性となるように並設された、板状の単位永久磁石と絶縁層とを軸方向に交互に積層した構造の永久磁石を有する回転子、を備えた永久磁石型モータ。
周方向に互いに異なる極性となるように並設された、導電率の大きい磁石材料と導電率の小さい磁石材料とを軸方向に交互に積層した構造の永久磁石を有する回転子、を備えた永久磁石型モータ。
永久磁石の表面を絶縁体で覆ったことを特徴とする請求項１又は２に記載の永久磁石型モータ。
永久磁石の回転子径方向の外側の表面に絶縁体を設けたことを特徴とする請求項１又は２に記載の永久磁石型モータ。