JP2007129830A - 単相永久磁石モータ - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、単相永久磁石モータにおいて、廉価な小形モータとしての要求仕様を満たしつつ高効率化・高出力化を図ることである。
【解決手段】本発明は、導電率が１．０×１０^５以下の希土類焼結界磁用磁石を採用し、渦電流損を大幅に低減する。また、ステータコアに圧粉磁心を使用し高抵抗なモータ構造とする。これによって、単相モータの高効率化、及び高周波駆動による高出力化が可能となる。
【選択図】図1

Description

本発明は、冷却用のファンを駆動する小型の単相永久磁石モータに関する。

小型の単相永久磁石モータは、構造及び駆動回路が簡便で廉価なため、冷蔵庫やパソコンの冷却用ファンなど多くの家電製品に使用されている。

単相の永久磁石モータは、特開２００４−１４０８９７号公報（特許文献１）に示されているように、界磁用の磁石は表面磁石構造とするのが一般的で、この構造により磁束の利用率を高くしている。

しかし、単相永久磁石モータの原理上、電機子主磁束に対し逆相磁界が発生するため、これによりギャップ磁束密度が大きく変動し、界磁用永久磁石の渦電流損が増加するという問題がある。

このような渦電流損の低減技術として特開２００３−７０２１４号公報（特許文献２）に記載されている方式がある。

特開２００４−１４０８９７号公報 特開２００３−７０２１４号公報

上記特許文献２では永久磁石の渦電流損を低減することはできるが、分割磁石を用いるので定常的にゼロにすることはコストの面から困難である。また、渦電流損が増加する高周波領域での低減については特に記載がない。

本発明は、上記の問題に鑑み、コストを上げることなく、永久磁石の渦電流損を低減を図ることを目的とする。

本発明は、希土類磁性紛を焼結等により形成した界磁用永久磁石を有する単相永久磁石モータにおいて、界磁用永久磁石の導電率を１．００×１０^５（Ｓ／ｍ）以下としたことを特徴とする。

本発明によれば、界磁用永久磁石の導電率を１．００×１０^５（Ｓ／ｍ）以下としたので、界磁用永久磁石の渦電流損が低減された高効率化の単相永久磁石モータを提供することができた。また、界磁用永久磁石の導電率を下げるだけなので、コストアップを回避することができた。

以下に本発明の実施例について説明する。

図１に単相磁石モータの一例の全体図を示す。

図１において、１はロータ、２はロータコア、３は界磁用永久磁石で、希土類で形成された永久磁石である。４はステータコア、５はステータティース部、７はシャフト挿入溝孔を示している。

図１に示されるステータコア４及びロータコア２は珪素鋼板を軸方向に積層して構成されている。

図１のモータの上面図を図２に示す。

図２において、６は電機子のコイルであり、その他の符号は図１と同一の部品を示している。

永久磁石の界磁用永久磁石３は、その磁束を最大限有効に活用するためロータコア２の内周表面に接着されている。

図２は４極のモータを表しているが、コイル６に流れる電流は単一相のみである。すなわち、４組のコイルはすべて直列に接続されており、ある時刻においてこれらによって形成される起磁力の大きさは全て等しい。

いま、図３に示すような正弦波状の電流をコイル６に通電する場合、各時刻において電機子のコイルには図４に示す向きの磁束が発生する。

時刻（１）のとき、ロータ１の界磁用永久磁石３が図４（ａ）のような位置にあるとすると、電機子磁束とロータ１の界磁用永久磁石３の異極同士は引き合い、同極同士は反発するので、ロータ１は反時計回りに回転する。

時刻（２）においてもロータ１には反時計回りの回転力が働くが、電機子のコイル６に発生する磁束は（１）に比べ小さくなり、ロータ１の位置も反時計回りに進むため、両者の間に働く吸引力及び反発力は時刻（１）に比べ小さくなる。

時刻（３）においては電機子のコイル６に電流が流れないためロータ１に回転力は働かないが、慣性で回り続ける。そして、時刻（４）において、今度は時刻（２）とは逆向きの磁界が電機子に発生し、電機子磁束とロータ１の界磁用永久磁石３の異極同士は引き合い同極同士は反発する。

従って、ロータ１には再び反時計回りの回転力が働く。これが単相永久磁石モータの回転原理であり、上記の作用の繰り返しにより単相永久磁石モータは回転する。実際の単相永久磁石モータにはホール素子等の位置センサがつけられており、これによりロータ１の界磁用永久磁石の磁極位置を検出しトルクが最大となるよう入力電圧の位相を制御している。

ここで、単相永久磁石モータに発生する逆相磁界について説明する。

説明を簡単にするため、図６に示すような２極の単相永久磁石モータを考える。いま、反時計回りを正とし電機子のコイル６に正弦波が通電されるとすると、電機子主磁束Ｂは次式で表される。

Ｂ（ｔ） ＝ ＫＩ・ｃｏｓωｔ （１）
ただし、Ｋは定数、Ｉは電流、ωは角周波数である。（１）式で表される電機子主磁束の変化を図５（ａ）に示す。

ここで、上式を書き換えると
Ｂ（ｔ） ＝ ＫＩ／２・ｃｏｓωｔ ＋ ＫＩ／２・ｃｏｓ（−ωｔ） （２）
となる。

これは、電機子主磁束が正回転磁束と逆回転磁束との和で表されていることに等しい。（２）式の第一項及び第二項はそれぞれ正相分、逆相分と呼ばれている。（２）式からわかるように、正相分は速度ωで反時計回りに回転する大きさ一定の磁束を発生するのに対し、逆相分は時計回りに回転する大きさ一定の磁束を発生する。

図５（ａ）の時刻（１）における電機子主磁束は正相分と逆相分が同じ向きのベクトルとなっているため大きさが最大となる。ロータとの位置関係が図６（ａ）となる場合を考えると、先述したようにロータの界磁用永久磁石との吸引力及び反発力によって、ロータが反時計回りに回転する。

もし逆相分がなければ、時刻（２）以降においても正相分の磁極とロータとの位置関係が時刻（１）と同様になるように何らかの方法で制御し、両者の間に一定のトルクを生じさせることが可能である。

しかし、実際には、図６（ａ）〜（ｅ）の点線矢印で示すように、ロータの回転とは逆方向、すなわち時計回りに回転する逆相分が存在する。これがトルクブレーキとして作用するため、単相永久磁石モータのトルクは一定とならない。

いま、ロータの界磁用永久磁石のＳ極の中心点Ｐから逆相分の磁束変化を見ることにする。時刻（１）の状態から時刻（２）に変化する場合を考えると、時刻（２）において逆相磁束は点Ｐと対向する。

このため、レンツの法則に従い点Ｐにはこの磁束を打ち消そうとする向きに誘導磁界が発生する。

このとき界磁用永久磁石には渦電流が流れ、渦電流のもつエネルギーは熱として消費されるために損失となる。これが界磁用永久磁石に発生する渦電流損である。

時刻（３）以降においても逆相磁束の変化に対し、点Ｐには図５（ｂ）に示すような誘導磁界が発生する。従って、単相永久磁石モータの逆相分によりトルクが一定にならないだけでなく、界磁用永久磁石に渦電流が発生しモータ損失が増大する。

一般に、界磁用永久磁石の電気抵抗が低ければ低いほど界磁用永久磁石には渦電流が流れやすくなり、渦電流損は増大する。また、高周波で駆動するほど界磁用永久磁石の渦電流損は大きくなる。

このため、単相永久磁石モータにおいて高効率化、及び高周波駆動による高出力化はこれまで困難とされ、上述した渦電流の問題を最小限に抑える設計とすることで、廉価で且つ低効率な低周波駆動モータとしての要求仕様を満たすに止まっていた。

そこで、本発明の実施例では高抵抗な希土類焼結磁石を採用することで渦電流損を大幅に低減する。発明に当たっては、まず高抵抗磁石による渦電流低減効果を検証するために、磁石の電気抵抗が異なる３つのモータに対して磁界解析により渦電流損を算出した。

対象は図１に示すような４極の単相永久磁石モータで、電源周波数１００Ｈｚ駆動時の出力が１０Ｗ程度のものとした。使用した界磁用永久磁石の残留磁束密度（Ｂｒ）はいずれも１．２Ｔとする。結果を図７に示す。

なお、図７以降は、磁石抵抗を表す指標として導電率（Ｓ／ｍ）を用いることとする。

導電率は電流の流れやすさを表す値で、抵抗値の逆数である。従って、導電率が高い界磁用永久磁石ほど渦電流は流れやすくなり、低い界磁用永久磁石ほど渦電流は流れにくくなる。本発明の実施例で用いる高抵抗の界磁用永久磁石は、従来の界磁用永久磁石より導電率が低いものである。

図７（ａ）は従来の希土類の界磁用永久磁石の渦電流損と電源周波数との関係を示したものである。

参考のため、コアのヒステリシス損と渦電流損も併せて示す。図７（ａ）より、界磁用永久磁石の渦電流損は電源周波数の増加に伴い指数関数的に増大することがわかる。図７（ｂ）に界磁用永久磁石の導電率を１／１０（抵抗が１０倍）にした場合を示す。

この図示より、いずれの周波数においても渦電流損を大幅に低減できることがわかる。

図７（ｂ）の界磁用永久磁石の渦電流損は図７（ａ）に対して各周波数とも１／１０程度になっており、特に２００Ｈｚ以上での駆動時はコアの鉄損と比較して低減効果が大きい。図７（ｃ）に示すように、導電率を１／１００（抵抗が１００倍）にすると、界磁用永久磁石の渦電流損は周波数によらずほぼゼロになる。

上記結果を受け、界磁用永久磁石の渦電流損の減少が顕著となる変極点を求めるために界磁用永久磁石の永久磁石抵抗の大きさと渦電流損との関係を磁界解析によりサーベイした。高抵抗磁石化による渦電流の低減効果を明確にするため、上記結果より電源周波数は４００Ｈｚとした。結果を図８に示す。

この図より、永久磁石の導電率を従来の１／１０である６．６７Ｅ４（Ｓ／ｍ）としたとき、渦電流損の減少幅が大きくなることがわかる。図８より変極点は１×１０^５（Ｓ／ｍ）付近であり、これ以下の導電率を有する希土類磁石を単相永久磁石モータに採用することで、渦電流損を大幅に低減できる。

これによって、単相永久磁石モータの高効率化、及び高周波駆動による高出力化が可能となる。また、渦電流損の低減は、希土類磁石の導電率を低くすることにより実現できるので、従来の分割磁石方式に比べてもコストアップにならなく、廉価で性能（高効率）の良い小型の単相永久磁石モータを提供できる。

上記実施例の界磁用永久磁石は、希土類の磁性紛を焼結して形成した。この界磁用永久磁石は希土類の磁性紛と樹脂を混練し、成型、熱硬化して形成することも可能である。また、希土類の磁性紛と樹脂を混練し、圧縮成型により固めるようにすることも可能である。

図９に爪磁極形の単相永久磁石モータを示す。

図において、各符号は図１及び図２と同一の部品を表している。

図９の電機子は４極の爪磁極からなるが、図１に示したものに比べ巻線構造が簡略であり、コイルエンドがないために磁束利用率が高い。図９に示す破線部Ａ及び破線部Ｂの各断面を左側から見た様子を図１０に示す。

図９において、コイル６に流れる電流の向きが反時計回りの場合を仮定すると、断面Ａ及びＢでの磁束の流れはそれぞれ図１０（ａ）及び（ｂ）のようになる。図１０（ａ）のギャップ面には電機子電流によりＳの磁極が、図１０（ｂ）のギャップ面にはＮの磁極が形成される。このように、爪磁極の単相永久磁石モータにおいても、図４に示したものと同様にして電機子に磁極が形成され、上述した回転原理に従ってロータが回転する。

このような構造の単相永久磁石モータにおいても、導電率が１×１０^５（Ｓ／ｍ）以下の希土類磁石を採用することで、渦電流損を大幅に低減できる。これによって、爪磁極形の単相永久磁石モータの高効率化、及び高周波駆動による高出力化が可能となる。

この爪磁極形の単相永久磁石モータのステータコア４は、コイル６を巻装するボビン部と、ボビン部の外周に設けられ、軸方向に交互に逆向きに突き出す４つの爪磁極とを有する。磁極は４極であるが、コイル６は一つであるので、コイルの巻装が容易である。

このステータコア４は、磁性紛を成型や鋳型等を用いて形成するのが製造上有利である。

この実施例では、図１及び図９に示す単相永久磁石モータを圧粉磁心などの粉末成形体から得られる一体成形のステータコアで構成する。

圧粉磁心は、微小な鉄の粒子を絶縁被膜でコーティングした粉末磁性材料を圧縮成型ないし成型硬化させて形成する。この圧粉磁心により、導電率の低いステータコアが得られる。

従って、導電率が１×１０^５（Ｓ／ｍ）以下の希土類の界磁用磁石を採用し、かつ圧粉磁心によりステータコアを構成することで、渦電流損が大幅に低減できる。これによって、単相モータの一段の高効率化、及び高周波駆動による高出力化が可能となる。

単相永久磁石モータは、逆相磁界によるブレーキトルクが発生するためトルク脈動が大きい。この問題を解決するための有用な方法として極数を増やす方法があるが、同一出力で多極化する場合、電源周波数を大きくする必要がある。

しかし、高周波駆動になるほど渦電流損が増大するため、多極化はこれまで困難であった。そこで、本発明の実施例では導電率が１×１０^５（Ｓ／ｍ）以下の希土類磁石を採用し、高周波領域での渦電流損を大幅に低減する。これによって、単相永久磁石モータの多極化が可能となり、トルク脈動の低減及び騒音・振動の低減が可能となる。

また、界磁用永久磁石と、ロータコアをそれぞれ磁性の粉体で成型し、一体に焼結することにより、丈夫で組み立てが容易なる単相永久磁石モータを提供できる。磁性の粉体を焼結して形成したロータコアは、鋼板で形成したロータコアに比べ、導電率が低く、渦電流損が低減される。

また、単相永久磁石モータは、次のような構成にすることにより、２相の駆動電源でも利用可能である。

２極の電極を有するステータコアを２段に重ね、９０度位置をずらして配置する。各ステータコアのコイルに９０度位相が違う駆動電源を供給する。この構成のモータは、各ステータコアが単相に対応しているので、単相永久磁石モータである。

また、上記実施例はアウタロータタイプの構造であるが、本発明はインナロータイプにも適用できる。インナロータイプでは、ステータコアの内側にロータが置かれ、ロータコアの外周に界磁用永久磁石が配置される。

本発明の実施例１に係わるもので、珪素鋼板を積層して得られる単相永久磁石モータの全体図である。 本発明の実施例１に係わるもので、珪素鋼板を積層して得られる単相永久磁石モータの上面図である。 本発明の実施例１に係わるもので、単相永久磁石モータの電機子コイルに通電する電流の正弦波状の時間変化を示す図である。 本発明の実施例１に係わるもので、単相永久磁石モータの電機子コイルにより発生する主磁束とロータとの位置関係を示す図である。 本発明の実施例１に係わるもので、単相永久磁石モータの電機子主磁束の変化及び単相モータの逆相磁界による誘導磁界の変化を示す図である。 本発明の実施例１に係わるもので、単相永久磁石モータの電機子主磁束及びその正相分及び逆相分とロータとの位置関係を示す図である。 本発明の実施例１に係わるもので、単相永久磁石モータにおいて磁石の導電率を変えた場合の電源周波数とモータ損失の関係を磁界解析により計算した結果を示すグラフである。 本発明の実施例１に係わるもので、単相永久磁石モータにおいて磁石の導電率と渦電流損との関係を磁界解析によって計算した結果を示すグラフである。 本発明の実施例２に係わるもので、爪磁極形の単相永久磁石モータの全体図である。 図９の爪磁極形の単相永久磁石モータの径方向断面図である。（ａ）は図９のＡ部の断面。（ｂ）は図９のＢ部の断面。

符号の説明

１…ロータ、２…ロータコア、３…界磁用永久磁石、４…ステータコア、５…ステータティース、６…コイル、７…シャフト挿入溝孔。

Claims (9)

1. 希土類磁性紛を焼結等により形成した界磁用永久磁石を有する単相永久磁石モータにおいて、
   前記界磁用永久磁石の導電率を１．００×１０^５（Ｓ／ｍ）以下としたことを特徴とする単相永久磁石モータ。
2. 希土類を焼結等により形成した界磁用永久磁石と、コイルを巻装するステータコアとを有する単相永久磁石モータにおいて、
   前記界磁用永久磁石の導電率を１．００×１０^５（Ｓ／ｍ）以下とし、
   前記ステータコアは、圧紛磁心により形成したことを特徴とする単相永久磁石モータ。
3. 請求項１または２記載の単相永久磁石モータにおいて、
   供給する駆動電力の周波数を２００Ｈｚ以上としたことを特徴とする単相永久磁石モータ。
4. 請求項１または２記載の単相永久磁石モータにおいて、
   前記界磁用永久磁石による磁極数が少なくとも４極以上としたことを特徴とする単相永久磁石モータ。
5. 請求項１〜４の何れに記載された単相永久磁石モータにおいて、
   前記界磁用永久磁石の導電率は６．００×１０^２（Ｓ／ｍ）を下限とすることを特徴とする単相永久磁石モータ。
6. 請求項１〜４の何れに記載された単相永久磁石モータにおいて、
   供給する駆動電力の周波数は１０００００Ｈｚを上限とすることを特徴とする単相永久磁石モータ。
7. 請求項１〜６の何れに記載された単相永久磁石モータと、前記単相永久磁石モータで駆動されるファンとを有するファン装置。
8. 希土類の磁性紛により形成した界磁用永久磁石と、前記界磁用永久磁石を外周側から囲うように支持する環状のロータコアと、コイルを巻装するステータコアとを有する単相永久磁石モータにおいて、
   前記界磁用永久磁石の導電率を１．００×１０^５（Ｓ／ｍ）以下とし、
   前記ロータコアを磁性紛により形成したことを特徴とする単相永久磁石モータ。
9. 請求項８記載の単相永久磁石モータにおいて、
   前記界磁用永久磁石と前記ロータコアとを一体に焼結したことを特徴とする単相永久磁石モータ。

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