JP2008017633A - 回転子および埋込磁石型モータ - Google Patents

Abstract

【課題】 廉価な平板状磁石を用いて、遠心力に対し頑強な構造であり、トルクや効率を維持しながら、コギングトルクが小さく、コントロールし易い埋込磁石型モータを提供できるようにする。
【解決手段】径方向内側に凸で略Ｖ字形状の磁石挿入孔に永久磁石を設けた回転子を有する埋込磁石型モータにおいて、回転子の永久磁石の外周側端部に、磁石飛散防止用の回転子鉄心連結部と磁石端部の幅より狭い切り欠き部を設けた。
【選択図】図１

Description

本発明は、径方向内側に凸で略Ｖ字形状の磁石挿入孔に永久磁石を設けた回転子および該回転子を有する埋込磁石型モータに関する。

従来の径方向内側に凸で略Ｖ字形状の磁石挿入孔に永久磁石を設けた回転子を有する埋込磁石型モータには、断面が長方形である平板状の永久磁石を用いるものがある。（例えば、特許文献１参照）。
図６は、前記埋込磁石型モータの形状例であり、特許文献１の図４に示されているものである。
図において、回転子鉄心３には磁極毎に２つの孔でＶ字形を形成するような磁石挿入孔４が設けられている。磁石挿入孔４に永久磁石６を挿入することで、回転子の磁極を形成する。永久磁石の外周側端部に、磁石飛散防止用の回転子鉄心連結部３ａを有する。
また、空隙４ａは、長方形でない磁石挿入孔４に断面が長方形である平板状の永久磁石６を挿入するため生じるものである。平板状の永久磁石の利用は低コスト化に貢献する。回転子鉄心連結部３ａの幅は、永久磁石の洩れ磁束を最小限に止めるため、通常、要求される機械的強度を満たす必要最小限寸法に設ける。永久磁石の洩れ磁束が大きくなると、マグネットトルクの低下を招き、トルクや効率の低いモータとなる。
このように、従来の埋込磁石型モータの１例では、廉価な平板状磁石を用いて、遠心力に対し頑強な構造でありながら、トルクや効率の増大に努めてきた。

図７は、別の埋込磁石型モータの回転子の形状例であり、特許文献２、図１に示されているものである。
図において、略コの字形状の磁石挿入孔１３には、１２Ａ、１２Ｂからなる２組の永久磁石が設けられている。磁石挿入孔の磁石が挿入されていない空隙部分は、洩れ磁束を防ぐよう設けられている。このことは、永久磁石の使用量を減らし、低コスト化に貢献している。
永久磁石の外周側端部には、空隙１３ａと磁石飛散防止用の回転子鉄心連結部１５ａを有し、永久磁石の洩れ磁束を最小限に止めるよう、回転子鉄心連結部１５ａの最小幅Ｌ１を決定している。
この例でも、廉価な平板状磁石を少量用いながら、遠心力に対し頑強な構造と、トルクや効率の維持に努めている。

図８は、別の埋込磁石型モータの形状例であり、特許文献３、図１に示されているものである。
図において、４つの磁石挿入孔２３に永久磁石２２が設けられている。永久磁石２２の両側に空隙２３ａと、対向する回転子鉄心の外周に切り欠き部２１ａを設け、磁石飛散防止用の回転子鉄心連結部２１ｂの幅を適切に制限し、機械的強度を維持しながら洩れ磁束の最小化に努めている。
この例でも、廉価な平板状磁石を用いながら、遠心力に対し頑強な構造と、トルクや効率の維持に努めている。
特開２００３−０９２８６３号公報（図４） 実開平０５−０８８１６５号公報（図１） 特開２００５−１２４２８１号公報（図１）

図６に示した従来の埋込磁石型モータは、磁束が集中する磁極面の幅Ａの表面磁束密度に対し、磁石端部の幅Ｗの表面磁束密度が劇的に減少し、その急激に変化する表面磁束密度がコギングトルクを増大させるという問題があった。また、ギャップ磁束密度分布も高調波成分が大きく、コギングトルクの影響と合せてスムーズなコントロールを損ねるため、サーボモータには適さないというような問題もあった。

図７に示した従来の埋込磁石型モータは、空隙１３ａを半円形状に設けたことで、永久磁石１２の幅Ｌ４の部分にも磁束が回り込み、図６に示した磁石端部の幅Ｗの極端に低い表面磁束密度に相当する部分を殆どなくすことができ、ギャップ磁束密度分布の高次の高調波成分を低減できるが、この空隙１３ａを図６に示した径方向内側に凸で略Ｖ字形状の磁石挿入孔に永久磁石を設ける回転子へ適用しづらいという問題があった。回転子鉄心の極間連結部３ｂと回転子鉄心連結部３ａが連結できなくなり、遠心力や負荷トルクに対する回転子鉄心の強度が低下するからである。
また、図６に示した磁束が集中する磁極面の幅Ａの高い表面磁束密度に相当する部分が直接隣合うため、やはり表面磁束密度の変化が大きく、コギングトルクの低減に限界があるというような問題もあった。

図８に示した従来の埋込磁石型モータは、回転子鉄心の外周に切り欠き部を設けることを特徴の１つとしているが、その目的は磁石飛散防止用の回転子鉄心連結部２１ｂの幅を適切に制限し、機械的強度を維持しながら洩れ磁束を最小化することであり、磁束が集中する磁極面の幅Ａの表面磁束密度に対し、磁石端部の幅Ｗの表面磁束密度が劇的に減少することに変わりなく、その急激に変化する表面磁束密度がコギングトルクを増大させるという問題も解消しない。
エアコン用モータのように連続的に出力を得る目的には十分でも、スムーズなコントロールを要するサーボモータ等には、コギングトルクの低減が不十分であるという問題があった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、廉価な平板状磁石を用いて、遠心力に対し頑強な構造であり、トルクや効率を維持しながら、コギングトルクが小さく、コントロールし易い埋込磁石型モータを提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したものである。
請求項１記載の発明は、回転子に係り、１磁極につき略Ｖ字形状のように半径方向内側に向けて互いに次第に間隔の狭くなるように設けた２個の磁石挿入孔から成る磁石挿入孔対を複数対有する回転子において、前記磁石挿入孔の外周側端部と前記回転子外周端との間に磁石飛散防止用の回転子鉄心連結部を設け、かつ該回転子鉄心連結部に切り欠き部を設けたことを特徴としている。
請求項２記載の発明は、請求項１記載の回転子において、前記切り欠き部の周方向の長さが、該切り欠き部のある部位の磁石挿入孔の外周側端部と該磁石挿入孔に隣接する直近の他の磁石挿入孔の外周側端部との間の互いに遠い方の内壁同士を結ぶ距離より短いことを特徴としている。
請求項３記載の発明は、請求項２記載の回転子において、前記回転子鉄心の永久磁石を支持する部分の幅Ｈは、磁石端部と切り欠き部までの長さＢの半分程度であることを特徴としている。
請求項５記載の発明は、請求項４記載の回転子において、前記磁石挿入孔の前記外周側端部形状と前記永久磁石の前記外周側端部形状を略同一形状にして、前記磁石挿入孔に前記永久磁石を挿入したとき両者間に空隙をなくしたことを特徴としている。
請求項６記載の発明は、埋込磁石型モータに係り、請求項５記載の回転子と、該回転子を中空空間に収納した固定子と、から成ることを特徴としている。

以上の発明によると、磁石飛散防止用の回転子鉄心連結部に上記に規定する切り欠き部を設けたことで、廉価な平板状磁石を前記磁石挿入孔に用いても遠心力に対し頑強な構造となり、トルクや効率を維持しながら、ギャップ磁束密度の変化を滑らかにすることでコギングトルクが小さく、コントロールし易い埋込磁石型モータが得られるようになる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図１は本発明の実施例を示す埋込磁石型モータの回転子の径方向断面図である。
図において、回転子３０は、内部に永久磁石３２を設けた回転子鉄心３１とこれを支持するシャフト３３を有する。回転子鉄心３１は、シャフト３３に圧入固定する。永久磁石３２は、回転子鉄心３１の磁石挿入孔３１ａに挿入し、接着材で固定する。
磁石挿入孔３１ａは、径方向内側に凸で略Ｖ字形状に設ける。その中に平板状であり板厚方向に着磁した永久磁石３２を挿入する。そのため、Ｖ字形の内側にＳ極を向けた磁極の回転子の表面はＳ極となり、Ｖ字形の内側にＮ極を向けた回転子の表面はＮ極となる。
永久磁石３２の外周側端部３２ａに、磁石飛散防止用の回転子鉄心連結部３１ｂと磁石端部の幅より狭い切り欠き部３１ｃを設ける。
固定子の構造は、既に示した図６の従来構造と同様であり、スロット数が１２であることのみ異なる。

図２及び図３は本発明の実施例を示す回転子の切り欠き部の詳細図である。
図２において、磁石飛散防止用の回転子鉄心連結部３１ｂの幅は、永久磁石の洩れ磁束を最小限に止めるため、通常、要求される機械的強度を満たす必要最小限寸法に設ける。永久磁石の洩れ磁束が大きくなると、マグネットトルクの低下を招き、トルクや効率の低いモータとなる。
回転子鉄心の切り欠き部３１ｃの幅Ｌは、磁石端部の幅Ｗより狭くする。回転子鉄心の永久磁石を支持する部分の幅Ｈは、磁石端部と切り欠き部までの長さＢの半分程度とする。
このようにすれば、従来の埋込磁石型モータの磁極面に集中していた磁束が永久磁石の外周側端部を回りこみ、図６に示した従来の劇的に変化しがちであった磁石端部の幅Ｗと磁束が集中する磁極面の幅Ａとの表面磁束密度の変化を滑らかにできる。
回転子鉄心の切り欠き部の角部の面取り３１ｄは、図２のようなＲ面取りを設けても良いし、無くても良い。また、回転子鉄心の切り欠き部の形状は、図２に示したように開口部を平行に設けても良いし、図３に示すように外開きに設けても良い。これらはコギングトルク等の評価により適切に設ける。

本実施例の回転子構造は、廉価な平板状磁石を用いて、遠心力に対し頑強な構造であり、トルクや効率を維持しながら、その上でコギングトルクの低減に努めた回転子構造としている。一般的にコギングトルクの低減には、例えば極数、スロット数の選定から、Ｖ字形状に設ける埋込磁石の挟角、磁石厚み、磁石挿入孔の形状等さまざまな調整要素が存在する。
しかし、損失の１要因である銅損を低減し効率を向上するため、平板状磁石より界磁磁束を最大に得ようとした場合、機械的強度よりシャフト径は決定され、高巻線係数化より極数とスロット数が決定され、遠心力や負荷トルクに対する回転子鉄心の機械的強度より図２に示す回転子鉄心の磁極間連結部の最小寸法Ｄが決定され、電機子反作用に対する耐減磁性より磁石の厚みが決定されるため、埋込磁石の挟角も決定され、前記コギングトルク低減に関するさまざまな調整要素は、殆ど決定済み項目となり、図２に示した磁石端部の幅Ｗも一律に決定される。
基本的にコギングトルクの低減には、ギャップ磁束密度の変化を滑らかにすることが有効であり、トルクリップルも低減し、コントロールし易いモータを得るには、ギャップ磁束密度分布を正弦波に近づけることが有効である。そのためには、多種多様な要求仕様に対し概略決定済みの回転子構造に、ギャップの磁束密度の変化を滑らかにする要素と、ギャップ磁束密度分布を正弦波に近づけるために高調波を調整できる要素を設けることが肝要である。

図２において、回転子鉄心の永久磁石を支持する部分の幅Ｈを機械的強度を満たす最小寸法より適当に大きくすれば、磁束が集中する磁極面の幅Ａから磁石端部と切り欠き部までの長さＢの間の磁束密度の変化を滑らかにできる。大きくし過ぎると磁束が集中する磁極面の幅Ａから切り欠き部までの間に磁束が回り込み、回転子鉄心の切り欠き部両端での磁束密度の変化が逆に大きくなる。
また、高調波に関しては、Ｈを大きくするほどギャップ磁束密度分布の３次高調波が大きくなる。回転子鉄心の切り欠き部３１ｃの幅Ｌは、５〜７次高調波等に大きく影響する。本実施例では、コギングトルクの繰り返し周期が１／６０回転であり、同等の周期となるためである。回転子鉄心の切り欠き部の角部の面取り３１ｄや、図３に示した切り欠き部の開口部３１ｆの外開き角は、より高次の高調波を生じさせないための調整要素である。
これらの調整要素は一概に適切な値を推定できないが、回転子のサイズや極数に関係なく、コギングトルクの低減やギャップ磁束密度分布を正弦波に近づけるために、これらの調整要素を調整することが有効である。

図４はスロットのない鉄心の中に、ギャップを隔て図６に示した従来例に類似の回転子構造と、本発明の図２に示した回転子構造の磁界解析によるギャップ磁束密度分布の比較例を示すものである。
従来の回転子構造のギャップ磁束密度では、磁石端部の幅Ｗと磁束が集中する磁極面の幅Ａに相当する部分が劇的に変化するのに対し、本発明のそれではギャップ磁束密度の変化を滑らかにできている。このことは、コギングトルクの低減に貢献する。
図５は、図２に示した回転子の切り欠き部の詳細図において、回転子鉄心の切り欠き部３１ｃの幅Ｌを、磁石端部の幅Ｗより狭い範囲で変化させ、コギングトルクの変化を磁界解析により評価した結果例を示すものである。
図において、従来に類似の回転子構造に対し本発明の回転子構造は、より小さなコギングトルクとなり、Ｌ／Ｗ＝０．６の場合コギングトルクが最小となることから、切り欠き部３１ｃの幅を適切に設けることにより、一般的にもコギングトルクを低減できることがわかる。
本発明が特許文献１と異なる部分は、磁石飛散防止用の回転子鉄心連結部と磁石端部の幅より狭い切り欠き部を設けた部分である。
本発明が特許文献２及び３と異なる部分は、径方向内側に凸で略Ｖ字形状の磁石挿入孔に永久磁石を設けた回転子構造に、磁石飛散防止用の回転子鉄心連結部と磁石端部の幅より狭い切り欠き部を設けた部分である。

本発明の実施例を示す埋込磁石型モータの回転子の径方向断面図である。 本発明の実施例を示す回転子の切り欠き部の詳細図である。 本発明の実施例を示す回転子の外開き切り欠き部の詳細図である。 磁界解析によるギャップ磁束密度分布の比較例である。 コギングトルクの変化を磁界解析により評価した結果例である。 従来の埋込磁石型モータの形状例である。 従来の別の埋込磁石型モータの回転子の形状例である。 従来の別の埋込磁石型モータの形状例である。

符号の説明

１ 回転子
２ 固定子
３ 回転子鉄心
３ａ 回転子鉄心連結部
３ｂ 回転子鉄心の磁極間連結部
４ 磁石挿入孔
４ａ 空隙
５ａ、５ｂ 絶縁材
６ 永久磁石
１０ 回転子
１１ シャフト
１２ 永久磁石
１３ 磁石挿入孔
１４ 回転子鉄心保持部材
１５ 回転子鉄心
２０ 回転子
２１ 回転子鉄心
２１ａ 回転子鉄心の切り欠き部
２２ 永久磁石
２３ 磁石挿入孔
２３ａ 空隙
２４ 固定子
２５ スロット
２６ ティース
２７ ティースヘッド
２８ スロットの開口部
３０ 回転子
３１ 回転子鉄心
３１ａ 磁石挿入孔
３１ｂ 回転子鉄心連結部
３１ｃ 回転子鉄心の切り欠き部
３２ 永久磁石
３２ａ 永久磁石の外周側端部
３３ シャフト

Claims (6)

1. １磁極につき略Ｖ字形状のように半径方向内側に向けて互いに次第に間隔の狭くなるように設けた２個の磁石挿入孔から成る磁石挿入孔対を複数対有する回転子において、前記磁石挿入孔の外周側端部と前記回転子外周端との間に磁石飛散防止用の回転子鉄心連結部を設け、かつ該回転子鉄心連結部に切り欠き部を設けたことを特徴とする回転子。
2. 前記切り欠き部の周方向の長さは、該切り欠き部のある部位の磁石挿入孔の外周側端部と該磁石挿入孔に隣接する直近の他の磁石挿入孔の外周側端部との間の互いに遠い方の内壁同士を結ぶ距離より短いことを特徴とする請求項１記載の回転子。
3. 前記回転子鉄心の永久磁石を支持する部分の幅Ｈは、磁石端部と切り欠き部までの長さＢの半分程度であることを特徴とする請求項２記載の回転子。
4. 前記磁石挿入孔に永久磁石を挿入したことを特徴とする請求項３記載の回転子。
5. 前記磁石挿入孔の前記外周側端部形状と前記永久磁石の前記外周側端部形状を略同一形状にして、前記磁石挿入孔に前記永久磁石を挿入したとき両者間に空隙をなくしたことを特徴とする請求項４記載の回転子。
6. 請求項５記載の回転子と、該回転子を中空空間に収納した固定子と、から成ることを特徴とする埋込磁石型モータ。

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