JP2006211801A - 永久磁石埋込型電動機 - Google Patents

Abstract

【課題】永久磁石埋め込み型電動機において、オーバーハング部の回転子鉄心外周部における磁気飽和の影響をなくし、小型高出力で高効率な永久磁石埋込型電動機を提供する。
【解決手段】環状のヨークと巻線用溝となる周方向間隔をおいて放射状に複数のティースが形成されている固定子と、前記固定子と僅かな空隙を介して対向し、回転自在に保持された回転子鉄心に埋設された永久磁石にて界磁を発生する回転子とを備えた電動機において、固定子鉄心と空隙を介して対峙する永久磁石を有する第１の回転子鉄心４の端面側に、概第１の回転子鉄心の磁極と同じ磁極を第１の回転子鉄心側となるよう軸方向着磁された永久磁石７を配置した第２の回転子鉄心６を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、特に永久磁石埋込型電動機で小型高効率な特性が要求される、コンプレッサ、電気自動車、ハイブリッド自動車、燃料電池自動車用等小型高効率を求められる電動機に関する。

近年、地球環境との共存や省エネに対する認識が高まり、エアコンや冷蔵庫等に用いられるコンプレッサを初めとする電気機器に搭載される電動機や、電気自動車、ハイブリッド自動車、燃料電池自動車等に搭載される電動機も小型高効率を求められている。

一般的に固定子に固定子巻線を配置し、ラジアル方向に磁気ギャップを介して回転子を有する電動機の固定子軸方向長さＬ２は、磁路として有効な固定子鉄心軸方向長さＬ１に加えて固定子巻線端部の長さ、いわゆるコイルエンド高さが必要である。一方、固定子巻線の無い回転子の回転子鉄心軸方向長さは、磁気ギャプを介して固定子鉄心と対峙し磁路として有効となる部分であり固定子鉄心と回転子鉄心の軸方向長さがほぼ等しい。よって、固定子全長Ｌ２は、回転子全長より長くなる傾向にある。

永久磁石を用いた電動機のトルクアップに回転子から固定子へ鎖交する永久磁石の磁束を高めることは有効であり、固定子全長Ｌ２と回転子全長との差で生じる空間を有効活用しトルクアップができればその分電動機を短くすることができ小型高効率電動機を実現することができる。

図１０に従来の永久磁石埋込型電動機の縦断面図を示す。１０１は回転子、１０２は固定子、１０４は永久磁石を示す。１１０ａ、１１０ｂはオーバーハング部であり、固定子鉄心軸方向長さＬ１よりも両端にオーバーハングしている。１０９は固定子巻線である。回転子鉄心軸方向長さを固定子鉄心の軸方向長さＬ２より長くし、永久磁石の軸方向長さもオーバーハングすることで、磁束を増加させトルクアップをねらっている（例えば、特許文献１参照）。
特開平１０−１９１５８５号公報

図１１は、永久磁石電動機の有効磁束とオーバーハング部長さの一例を示す図である。回転子鉄心の軸方向長さを固定子鉄心軸方向長さより長くすることで、有効磁束を増加することができるが、オーバーハング部がある程度の長さになると、回転子鉄心外周部の磁気飽和の影響により有効磁束量は飽和し、磁石の使用量を多くしてもトルクアップがはかれないので電動機が小型化できないという課題があった。

本発明は、このような従来の課題を解決するものであり、固定子鉄心と空隙を介して対峙する第１の永久磁石を有する第１の回転子鉄心の端面側に、第１の回転子鉄心の磁極と同じ磁極を第１の回転子鉄心側となるよう軸方向着磁された第２の永久磁石を配置した第２の回転子鉄心を有することで、オーバーハング部の回転子鉄心外周部における磁気飽和の影響をなくし、小型高出力で高効率な永久磁石埋込型電動機を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために本発明は、環状のヨークと巻線用溝となる周方向間隔をおいて放射状に複数のティースが形成されている固定子と、前記固定子と僅かな空隙を介して対向し、回転自在に保持された回転子鉄心に埋設された永久磁石にて界磁を発生する回転子とを備えた電動機において、固定子鉄心と空隙を介して対峙する第１の永久磁石を有する第１の回転子鉄心の端面側に、第１の回転子外周の磁極と同じ磁極を第１の回転子鉄心側となるよう軸方向着磁された第２の永久磁石を配置した第２の回転子を有する永久磁石埋込型電動機としたものである。

また、固定子鉄心と空隙を介して対峙する第１の回転子鉄心に第１の回転子鉄心の軸方向長さよりも短い軸断面方向に着磁された第１の永久磁石を配置し、磁極間に相当する箇所にスリットを設けた永久磁石を配置しない第１の回転子鉄心と、第１の永久磁石の外周側から内径側の範囲に相当する第１の回転子鉄心の端面に、第１の回転子鉄心の磁極と同じ磁極を第１の回転子鉄心側となるよう軸方向着磁された第２の永久磁石を配置した第２の回転子を有することを特徴としたものである。

また、極数Ｐ、回転子外径Ｄ、第１の回転子鉄心の永久磁石のない回転子鉄心の軸方向長さＡが以下の条件であることを特徴としたものである。

Ａ≦πＤ／４Ｐ・・・（式１）
また、回転子端面に磁性体を配置したことを特徴としたものである。

また、固定子鉄心と空隙を介して対峙する第１の回転子鉄心の端面側に、第１の回転子の外周部永久側磁極と同じ磁極を第１の回転子鉄心側となるよう軸方向着磁された第２の永久磁石の磁極間の軸方向寸法が磁極中央の軸方向寸法よりも短く、概永久磁石の端面に配置された磁性体の軸方向寸法は、磁極間の軸方向寸法が概永久磁石磁極間磁極中央の軸方向寸法よりも大きいことを特徴としたものである。

また、固定子鉄心と空隙を介して対峙する第１の永久磁石を有する第１の回転子鉄心の端面側に、概回転子鉄心の磁極と同じ磁極を回転子鉄心側となるよう軸方向着磁された第２の永久磁石を配置した第２の回転子の永久磁石外周部に非磁性材を配置したこと特徴としたものである。

上記手段によって、オーバーハング部の回転子鉄心外周部における磁気飽和の影響をなくし、小型高出力で高効率な永久磁石埋込型電動機を提供することができる。

請求項１記載の発明によれば、固定子鉄心と空隙を介して対峙する永久磁石を有する第１の回転子鉄心の端面側にオーバーハングした第２の回転子鉄心に軸方向着磁された永久磁石を配置したことで、オーバーハング部の回転子鉄心外周部における磁気飽和の影響をなくし、小型高出力で高効率な永久磁石埋込型電動機を提供することができる。

請求項２記載の発明によれば、固定子鉄心と空隙を介して対峙する第１の回転子鉄心に第１の回転子鉄心の軸方向長さよりも短い軸断面方向に着磁された第１の永久磁石を配置し、磁極間に相当する箇所にスリットを設けた永久磁石を配置しない第１の回転子鉄心と、第１の永久磁石の外周側から内径側の範囲に相当する第１の回転子鉄心の端面に、第１の回転子鉄心の磁極と同じ磁極を第１の回転子鉄心側となるよう軸方向着磁された第２の永久磁石を配置したことで、面積が広い端面磁石の磁束を有効に用いることができ、高トルクを実現し、小型高出力で高効率な永久磁石埋込型電動機を提供することができる。

請求項３記載の発明によれば、極数Ｐ、回転子外径Ｄ、第１の回転子鉄心で永久磁石のない回転子鉄心の軸方向長さＡが、Ａ ≦πＤ／４Ｐであることを特徴とすることで、端面の永久磁石の磁束を効果的に活かし永久磁石使用量低減に特に効果的であり、小型高出力で高効率な永久磁石埋込型電動機を提供することができる。

請求項４記載の発明によれば、オーバーハングした回転子の永久磁石の端面に磁性体を配置したことで僅かな軸方向寸法のアップで大幅に磁束量をアップすることができ、小型高出力で高効率な永久磁石埋込型電動機を提供することができる。

請求項５記載の発明によれば、オーバーハングした回転子の永久磁石の軸方向寸法とその端面に配置した磁性体の軸方向寸法を最適化することでさらに僅かな軸方向寸法のアップで大幅に磁束量をアップすることができ、小型高出力で高効率な永久磁石埋込型電動機を提供することができる。

請求項６記載の発明によれば、オーバーハングした概回転子鉄心の磁極と同じ磁極を回転子鉄心側となるよう軸方向着磁された永久磁石の外周部に非磁性材を配置して固定したことで、高速回転に耐えることができ、より高出力な小型で高効率な永久磁石埋込型電動機を提供することができる。

請求項７記載の発明によれば、圧粉焼結による回転子鉄心を用いたことで回転子鉄心の形状に自由度が高まり、永久磁石の磁束をステータコアへ最適に導入することができ、より小型高出力で高効率な永久磁石埋込型電動機を提供することができる。

請求項８乃至請求項９記載の発明によれば、本発明の永久磁石埋込型電動機を搭載することでコンプレッサや、電気自動車、ハイブリッド自動車および燃料電池自動車を小型高効率に寄与することができる。

本発明は、環状のヨークと巻線用溝となる周方向間隔をおいて放射状に複数のティースが形成されている固定子と、前記固定子と僅かな空隙を介して対向し、回転自在に保持された回転子鉄心に埋設された永久磁石にて界磁を発生する回転子とを備えた電動機において、固定子鉄心と空隙を介して対峙する永久磁石を有する第１の回転子鉄心の端面側に、概第１の回転子鉄心の磁極と同じ磁極を第１の回転子鉄心側となるよう軸方向着磁された永久磁石を配置した第２の回転子鉄心を有している。

このような構成により、オーバーハング部の回転子鉄心外周部における磁気飽和の影響をなくし、小型高出力で高効率な永久磁石埋込型電動機を提供することができる。

本発明の実施の形態について、図を用いて説明する。
図１は本発明の第１の実施例を示す永久磁石埋込型電動機断面図、図２は本発明の第１の実施例を示す永久磁石埋込型電動機の平面図である。２は固定子であり環状のヨークと固定子巻線用溝となる周方向間隔をおいて放射状に複数のティースが形成されている。図２は固定子の巻線用溝に固定子巻線３が配置される。固定子の軸方向長さをＬ２とし、固定子鉄心の軸方向長さをＬ１とする。回転子は、固定子鉄心のＬ１部で空隙を介して対峙し、軸断面方向に着磁された第１の永久磁石を有する第１の回転子鉄心４と、概第１の回転子鉄心４の磁極と同じ磁極を第１の回転子鉄心側となるよう軸方向着磁された第２の永久磁石７を配置した第２の回転子鉄心６を有している。第２の回転子鉄心の外側には磁性体からなる第２のロータヨーク８を有する。なお、図２には説明のために、固定子巻線３および、第２のロータヨーク８は図示していない。

図２に示したように、第２の永久磁石は、第１の回転鉄心端面で第１の永久磁石の外周側鉄心部分に配置される。また、第２の永久磁石は、第１の永久磁石の磁極と同じ磁極を第１の回転子鉄心側となるよう軸方向着磁された配置としている。よって、第２の永久磁石の磁束が、第１の回転子鉄心の第１の永久磁石外周側に直接流れることになり、従来例でみられたオーバーハング部において回転子鉄心の永久磁石の外周側での磁気飽和による有効磁束の飽和の影響をなくし、小型高出力で高効率な永久磁石埋込型電動機を提供することができる。

回転子端面に配置した第２のロータヨーク８が、隣接した第２の永久磁石と磁路を構成することで、回転子の軸方向長さは若干長くなるが、磁束を増加することができるので有効である。

なお、本実施例は６極Ｖ字型磁石の埋込磁石型電動機の例であるが、極数が異なる場合や、磁石形状が平板や円弧状となる場合でも、同様の効果を得られる。第１の回転子鉄心の永久磁石外周側の軸方向面積が大きい程有効な手段であり、第２の永久磁石の配置が第１の永久磁石と一部重なっていても、第２の永久磁石の軸方向断面積に対して、第１の回転子鉄心の永久磁石外周側の軸方向断面積の割合が大きいのであれば良い。また、第２の磁石は片側にのみ配置しても、また全磁極に限らず１極以上の配置でも、複数の磁極に着磁された１個の永久磁石で構成されても同様の効果が得られる。

また、図３は、本発明の第１の実施例を他の例を示す永久磁石埋込型電動機回転子平面図であるが、第１の回転子鉄心の永久磁石５の外周側の一部に相当する箇所に第２の永久磁石７を配していて、同様の効果が得られる。

図４は本発明の第２の実施例を示す永久磁石埋込型電動機断面図、図５は本発明の第２の実施例を示す永久磁石埋込型電動機の回転子平面図である。２は固定子であり環状のヨークと固定子巻線用溝となる周方向間隔をおいて放射状に複数のティースが形成されている。固定子の軸方向長さをＬ２とし、固定子鉄心の軸方向長さをＬ１とする。回転子は、固定子鉄心のＬ１部で空隙を介して対峙し、軸断面方向に着磁された第１の永久磁石を有する第１の回転子鉄心４と、第１の回転子鉄心４の外側の磁極と同じ磁極を第１の回転子鉄心側となるよう軸方向着磁された第２の永久磁石７を配置した第２の回転子鉄心６を有している。第２の回転子鉄心の外側には磁性体からなる第２のロータヨーク８を有する。以上は実施例１と同様である。

固定子鉄心と空隙を介して対峙する第１の回転子鉄心に、第１の回転子鉄心の軸方向長さよりも短い軸断面方向に着磁された第１の永久磁石を配置した点が実施例１と異なる。回転子鉄心４で永久磁石のない軸方向長さ部Ａ１、Ａ２が存在する。図５を用いて回転子鉄心４で永久磁石のない軸方向長さ部Ａ１、Ａ２の詳細な説明を行う。図５（ａ）は、本実施例の回転子の半断面図である。図５（ｂ）、（ｃ）（ｄ）は、それぞれ、図５（ａ）の５１、５２、５３における永久磁石を配置しない第１の回転子鉄心９の断面図である。説明のため、永久磁石を配置しない第１の回転子鉄心９をクロス線で、第２の永久磁石７を斜線で、第１の永久磁石５の位置を二点鎖線で示している。

第２の永久磁石７は、第１の回転子鉄心４の永久磁石の外周側のみでなく、内周側にまで面積を大きくして配置している。軸方向に着磁された第２の永久磁石７の磁束は、永久磁石が同一材料であれば磁束を発生する軸方向面積が大きい程より多くの磁束を発生する。その磁束を第１の回転子鉄心の永久磁石５の外周側へ有効に導くために、図５（ｂ）、（ｃ）（ｄ）に示すように磁極間に相当する箇所にスリットを設けている。また、各々内周寸法が異なるので内径には非磁性材からなるカラー１１を用いている。

このように、永久磁石を配置しない第１の回転子鉄心９により、第２の永久磁石７の磁束は、固定子鉄心と空隙を介して対峙する第１の回転子鉄心の永久磁石５の外周側へ導かれている。本実施例は、実施例１よりも軸方向断面の大きい端面磁石の磁束を有効に活用することができる構造であるため、より小型高出力で高効率な永久磁石埋込型電動機を提供することができる。

永久磁石を配置しない第１の回転子鉄心の構成は、図５（ａ）に示すように複数の形状の異なる回転子鉄心を用い、第１の回転子鉄心に磁束を導いているが、形状の種類を少なくして、階段状に変化させても良い。また、磁極間に相当する箇所のスリット部を非磁性となる複合材を用いることや、接着材等を用いることで、回転子の強度を高めることができ、より高速回転可能な小型高出力で高効率な永久磁石埋込型電動機を提供することができる。

図７は本発明の第３の実施例を説明する永久磁石の模式斜視図である。図７（ａ）は、固定子鉄心と空隙を介して対峙する第１の回転子鉄心に用いられる軸断面方向に着磁された永久磁石を示す。
図７（ｂ）は第１の回転子鉄心端面に配置される第２の回転子に用いられる軸方向に着磁された永久磁石を示す。ここで、回転子半径をＲ、回転子直径をＤ、極数をＰとする。

実施例２では、永久磁石を配置しない第１の回転子鉄心の軸方向寸法をＡ１，Ａ２で示した。本実施例では、このＡ１、Ａ２のより好ましい寸法について記載している。
以下に永久磁石の磁束の概略計算を行う。図７（ａ）から、第１の永久磁石の軸方向長さをＡとすると、永久磁石の磁束を最大とするには、クロス線で示した面積を最大にすることであり、２ＲＡに比例する。即ちＤＡに比例する。ただし、磁石の厚みや回転子の軸径等は無視している。

一方、図７（ｂ）から、軸方向に着磁された第２の永久磁石の磁束を最大とするには、クロス線で示した面積を最大することであり、πＤ＾２／４Ｐに比例する。

この両式が等しい場合は、第２の永久磁石の磁束が、永久磁石を配置しない第１の回転子鉄心の軸方向寸法Ａの範囲に第１の永久磁石がある場合の磁束とほぼ同等である場合であるので、
Ａ≦πＤ／４Ｐ・・・（式１）
とすることで、少ない磁石量で小型高出力で高効率な永久磁石埋込型電動機を提供することができる。

図８は本発明の第４の実施例を示す永久磁石埋込型電動機回転子の部分図、および平面図である。
図８（ａ）は、４は固定子鉄心と空隙を介して対峙する永久磁石を有する第１の回転子鉄心であり、その端面側に概第１の回転子鉄心の磁極と同じ磁極を第１の回転子鉄心側となるよう軸方向着磁された第２の永久磁石７を配置している。その端面には磁性体からなる第２のロータヨーク８を配置している。第２の永久磁石７は、磁極中央の軸方向寸法７１が磁極間の軸方向寸法７２よりも大きく、第２のロータヨーク８は、磁極中央に相当するの軸方向寸法８２が磁極間に相当するの軸方向寸法８１よりも小さい。ロータヨークの磁極間に相当するの軸方向寸法８１を必要寸法を確保しているのでロータヨークの磁気飽和もなく、図８（ｂ）に示した軸方向寸法が均一な場合と比較して回転子の軸方向寸法をＸだけ短くすることができ、軸方向寸法のアップを最小にすることができる。僅かな軸方向寸法のアップであるが大幅に磁束量をアップすることができ、小型高出力で高効率な永久磁石埋込型電動機を提供することができる。

図９は本発明の第５の実施例を示す永久磁石埋込型電動機回転子の平面図である。第２のロータコアの平面図を示し、第２のロータヨークは図示していない。第１の永久磁石を二点鎖線で示し、７は第２の永久磁石を斜線で示し、１０は永久磁石保持リングをクロス線で示す。永久磁石保持リング１０は非磁性からなり、隣接する磁極の磁束の短絡を防いでいる。
第２の永久磁石７の固定は、第１の回転子に接着等で固定しても良いが、本実施例のように、永久磁石保持リング１０を用いることで、より強固な固定ができ、高速回転での信頼性が向上し、より高速回転可能な小型高出力で高効率な永久磁石埋込型電動機を提供することができる。

また、圧粉焼結による回転子鉄心を用いたことで回転子鉄心の形状に自由度が高まり、実施例２のように永久磁石の磁束をステータコアへ最適に導入することが容易にでき、より小型高出力で高効率な永久磁石埋込型電動機を提供することができる。

また、本発明の永久磁石埋込型電動機を搭載することでコンプレッサや、電気自動車、ハイブリッド自動車および燃料電池自動車を小型高効率に寄与することができる。

本発明は、簡単な構成で小型高出力高効率な電動機を実現できるため、コンプレッサ用や、電気自動車、ハイブリッド自動車、燃料電池自動車用等の永久磁石埋込型電動機として有用である。

本発明の第１の実施例を示す永久磁石埋込型電動機断面図 本発明の第１の実施例を示す永久磁石埋込型電動機平面図 本発明の第１の実施例を他の例を示す永久磁石埋込型電動機回転子平面図 本発明の第２の実施例を示す永久磁石埋込型電動機断面図 本発明の第２の実施例を示す永久磁石埋込型電動機の回転子平面図 本発明の第２の実施例を示す回転子の半断面図、および回転子鉄心断面図 本発明の第３の実施例を示す永久磁石の模式斜視図 本発明の第４の実施例を示す永久磁石埋込型電動機回転子の部分図、および平面図 本発明の第５の実施例を示す永久磁石埋込型電動機回転子平面図 従来の永久磁石埋込型電動機の縦断面図 永久磁石電動機の有効磁束とオーバーハング部長さの一例を示す図

符号の説明

１ 永久磁石埋込型電動機
２ 固定子
３ 固定子巻線
４ 第１の回転子
５ 第１の永久磁石
６ 第２の回転子
７ 第２の永久磁石
８ 第２のロータヨーク
９ 永久磁石を配置しない第１の回転子鉄心
１０ 永久磁石保持リング
１１ 非磁性材からなるカラー
１０１ 回転子
１０２ 固定子
１０４ 永久磁石
１０９ 固定子巻線
１１０ａ、１１０ｂ オーバーハング部

Claims (9)

1. 環状のヨークと巻線用溝となる周方向間隔をおいて放射状に複数のティースが形成されている固定子と、前記固定子と僅かな空隙を介して対向し、回転自在に保持された回転子鉄心に埋設された永久磁石にて界磁を発生する回転子とを備えた電動機において、固定子鉄心と空隙を介して対峙する第１の永久磁石を有する第１の回転子鉄心の端面側に、第１の回転子外周の磁極と同じ磁極を第１の回転子鉄心側となるよう軸方向着磁された第２の永久磁石を配置した第２の回転子を有する永久磁石埋込型電動機。
2. 固定子鉄心と空隙を介して対峙する第１の回転子鉄心に第１の回転子鉄心の軸方向長さよりも短い軸断面方向に着磁された第１の永久磁石を配置し、磁極間に相当する箇所にスリットを設けた永久磁石を配置しない第１の回転子鉄心と、第１の永久磁石の外周側から内径側の範囲に相当する第１の回転子鉄心の端面に、第１の回転子鉄心の磁極と同じ磁極を第１の回転子鉄心側となるよう軸方向着磁された第２の永久磁石を配置した第２の回転子を有することを特徴とする請求項１記載の永久磁石埋込型電動機。
3. 極数Ｐ、回転子外径Ｄ、第１の回転子鉄心の永久磁石のない回転子鉄心の軸方向長さＡが以下の条件であることを特徴とする請求項２記載の永久磁石埋込型電動機。
   Ａ≦πＤ／４Ｐ・・・（式１）
4. 回転子端面に磁性体を配置したことを特徴とする請求項１乃至３記載の永久磁石埋込型電動機。
5. 固定子鉄心と空隙を介して対峙する第１の回転子鉄心の端面側に、第１の回転子磁極と同じ磁極を第１の回転子鉄心側となるよう軸方向着磁された第２の永久磁石の磁極間の軸方向寸法が磁極中央の軸方向寸法よりも短く、概永久磁石の端面に配置された磁性体の軸方向寸法は、磁極間の軸方向寸法が概永久磁石磁極間磁極中央の軸方向寸法よりも大きいことを特徴とする請求項４記載の永久磁石埋込型電動機。
6. 固定子鉄心と空隙を介して対峙する第１の永久磁石を有する第１の回転子鉄心の端面側に、概回転子鉄心の磁極と同じ磁極を回転子鉄心側となるよう軸方向着磁された第２の永久磁石を配置した第２の回転子の永久磁石外周部に非磁性材を配置したこと特徴とする請求項１乃至５記載の永久磁石埋込型電動機。
7. 圧粉焼結による回転子鉄心を用いたことを特徴とした請求項１乃至６記載の永久磁石埋込型電動機。
8. 請求項１乃至７記載の永久磁石埋込型電動機を搭載したコンプレッサ。
9. 請求項１乃至７記載の永久磁石埋込型電動機を搭載した電気自動車、ハイブリッド自動車および燃料電池自動車。
   
   

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