JP2007300796A - 永久磁石形電動機の回転子 - Google Patents

Abstract

【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。
【選択図】図１

Description

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。

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。

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３ａ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。

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。

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。

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。

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。

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Ｌｑ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。
特開平９−１８２３３２号公報 特開平９−３０８１４８号公報 特開平６−３３９２４１号公報

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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、特に希土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。

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。

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。

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。

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。

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。

図４は、収容孔両端部の空隙部４の開角θ２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。

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。

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。

本発明の実施例を示す回転子の平面断面図。 図１の回転子の分解斜視図。 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。 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。 従来例を示す回転子の平面断面図。 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
３，３ａ，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

Claims (2)

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. 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。

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