JP2008099418A

JP2008099418A - 永久磁石埋込型電動機

Info

Publication number: JP2008099418A
Application number: JP2006277541A
Authority: JP
Inventors: Norisada Nishiyama; 典禎西山
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2006-10-11
Filing date: 2006-10-11
Publication date: 2008-04-24

Abstract

【課題】小型高効率化に特徴のある永久磁石埋込型電動機において、さらに振動、騒音を低減したいという課題があった。
【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６が形成され、ティース先端中央近傍６ａの内径寸法に対してティース先端端部６ｂの内径寸法が大きいことを特徴とする固定子２と、前記固定子２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５にて界磁を発生する回転子３を備えた電動機１において、回転子鉄心の外形は、磁極中央部７ａを最大径とした外径に凸形状で、その形状が磁極数分となり、回転子鉄心の磁極間部７ｂは回転軸を中心とした円弧形状であり、回転子外径の最小寸法となることを特徴としたことで、コギングトルクや、通電時のトルク脈動を小さくすることができ、低振動、低騒音な永久磁石埋込型電動機１を提供することができる。
【選択図】図２

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ものである。

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。図９は、永久磁石埋込型電動機の例である。回転子は永久磁石１１２を回転子内部の溝に配置しており、この回転子片の外周形状は、これに外接する円とは曲率の異なる複数の円弧によって構成されている。回転子片の外接円の半径Ｒよりも短い半径Ｒ１の四つの円弧をつなぐことによって構成されている。埋め込まれた永久磁石の外側輪郭の外径が、隣接する永久磁石の頂点を通る外径より小さくなるように、それぞれの永久磁石の外径の中心を偏心させることで、永久磁石の隣接部分の厚みを薄くし、回転子の形状が花弁状になる構造を有し、これによって、磁束の短絡が軽減されトルクムラの無いスムーズな回転を可能とする技術が知られている（例えば特許文献１参照）。

また、図１０は、コギングトルクを軽減したブラシレスモータの例である。固定子１１６のティース１１７は、回転子１１８との間の周方向両端側におけるエアギャップＧ１は、周方向中心側のエアギャップＧ２に比べて大きく形成されている。永久磁石Ｓ、Ｎの磁極の境界の部分とティース周方向両端部のエッジ部分との間でマクスウェル吸引力が急増していることがコギングトルクを増大させる原因の一つであることが知られている（例えば特許文献２参照）。
特開２００４−３２０９８９号公報特開２００３−４７１８１号公報

小型高効率化に特徴のある永久磁石埋込型電動機において、さらに振動、騒音を低減したいという課題があった。また、昨今の環境への意識の高まりからエアコンのコンプレッサ、電気自動車、ハイブリッド自動車および燃料電池自動車に搭載される電動機においても振動、騒音の低減のためトルク脈動を低減することは有効である。機器との共振を避けるため、特にトルク脈動の回転数次数成分の低い成分を低減したいという課題がある。

本発明は、このような従来の課題を解決するものであり、小型高出力、高効率で、低振動、低騒音である永久磁石埋込型電動機を提供することができる。また特にトルク脈動の低い次数成分を低減することも可能である。

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、ティース先端中央近傍の内径寸法に対してティース先端端部の内径寸法が大きいことを特徴とする固定子と、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を備えた電動機において、回転子鉄心の外形は、磁極中央部を最大径とした外径に凸形状で、その形状が磁極数分となり、回転子鉄心の磁極間部は回転軸を中心とした円弧形状であり、回転子外径の最小寸法となることを特徴としたものである。

また、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、ティース先端中央近傍は軸中心の円弧形状であり、ティース先端端部はティース先端中央近傍の円弧形状から直線形状で内径寸法が大きくなることを特徴とする固定子を有することを特徴としたものである。

また、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、ティースには同心状に巻線が施されたことを特徴としたものである。

上記構成によって、回転子の位置により固定子と鎖交する磁束の変化によって生じるコギングトルクや、通電時のトルク脈動を小さくすることができる。さらにトルク脈動の回転数次数成分の低い成分を低減することで１脈動当たりのエネルギーを低減することができ、低振動、低騒音であるといった特徴がある。

請求項１記載の発明によれば、固定子ティース先端中央近傍の内径寸法に対してティース先端端部の内径寸法が大きく、回転子鉄心の外形は、磁極中央部を最大径とした外径に凸形状で、その形状が磁極数分となり、回転子鉄心の磁極間部は回転軸を中心とした円弧形状であり、回転子外径の最小寸法となる特徴を有し、回転子の位置により固定子と鎖交する磁束の変化によって生じるコギングトルクや、通電時のトルク脈動を小さくすることができる。さらにトルク脈動の回転数次数成分の低い成分を低減することにより１脈動当たりのエネルギーを低減することができ、電動機搭載機器との共振を起こすことなく低振動、低騒音な永久磁石埋込型電動機を提供することができる。また、回転子鉄心の磁極間部は磁束の短絡を防止するとともに、回転子の強度を確保した回転軸を中心とした円弧形状であり、回転子外径の最小寸法部となっているため、寸法管理も容易であり、高品質を維持することができる。

請求項２記載の発明によれば、固定子ティース先端中央近傍は軸中心の円弧形状であり、ティース先端端部はティース先端中央近傍の円弧形状から直線形状で内径寸法が大きくなる特徴を有し、回転子の位置により固定子と鎖交する磁束の変化によって生じるコギングトルクや、通電時のトルク脈動を小さくすることができる。さらにトルク脈動の回転数次数成分の低い成分を低減することにより１脈動当たりのエネルギーを低減することができ、電動機搭載機器との共振を起こすことなく低振動、低騒音な永久磁石埋込型電動機を提供することができる。また、固定子ティース先端中央近傍は軸中心の円弧形状であるので寸法管理も容易であり、高品質を維持することができる。

請求項３記載の発明によれば、固定子ティースには同心状に巻線が施されたいわゆる集中巻の永久磁石埋込型電動機であり、固定子ティース毎の磁束の切り替えが急峻ではなくなるため、低振動、低騒音に特に効果が大きい。

請求項４から５記載の発明によれば、請求項１から３に記載の永久磁石埋込型電動機を搭載したコンプレッサ、電気自動車、ハイブリッド自動車および燃料電池自動車の小型高効率化に寄与することができる。

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、ティース先端中央近傍の内径寸法に対してティース先端端部の内径寸法が大きいことを特徴とする固定子と、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を備えた電動機において、回転子鉄心の外形は、磁極中央部を最大径とした外径に凸形状で、その形状を磁極と同数設け、
回転子鉄心の磁極間部は回転軸を中心とした円弧形状であり、回転子外径の最小寸法となることを特徴とした永久磁石埋込型電動機である。

このような構成により、小型高出力、高効率で、低振動、低騒音である永久磁石埋込型電動機を提供でき、トルク脈動の低い次数成分を特に低減することも可能である。

本発明の実施例について、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１の断面図、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１の拡大断面図である。２は固定子であり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６が形成されている。説明のため巻線は図示していない。回転子３は磁性体で構成され、内部に複数のスリット４が設けられている。スリット４内に永久磁石５を配置したいわゆる永久磁石埋込型電動機である。図２の拡大断面図で固定子２の特徴を説明する。固定子内径の最小円を破線で示しているが、ティース６の先端中央近傍６ａの内径寸法に対して、ティース先端端部６ｂの内径寸法を大きくしている。一方、回転自在に保持された回転子鉄心３は、永久磁石５をスリット４内に配置しており、本実施例では図２の中央に示されたＶ字形状の磁石配置で一磁極を構成している。回転子鉄心３の外形は、磁極中央部７ａを最大径とした外径に凸形状で、その形状を磁極と同数設けている。回転子鉄心の磁極間部７ｂは回転軸を中心とした円弧形状である。回転子に破線で示していることからわかるように回転子外径の回転軸を中心とした円弧形状で最小寸法としている。

固定子ティース先端端部６ｂが固定子ティース先端中央近傍６ａに対して回転子外径から離れていること、また、回転子の磁極中央部７ａに対して、磁極の切り替わる磁極間部７ｂの径が小さく固定子内径から離れていることにより、回転子の位置により固定子と鎖交する磁束の急激な変化が抑制され、コギングトルクや、通電時のトルク脈動を小さくすることができる。

次に、図３、図４を用いて本実施例の効果を説明する。図３はトルク波形、図４はトルク脈動の次数成分を示している。一般に３相永久磁石式同期電動機は電気角に対して６次成分のトルク脈動が基本波成分として生じる。図３のトルク波形から、従来例と実施例の両者ともに明らかである。このトルク波形を次数分析し、６次成分とその倍の１２次成分を図４に示している。ここで、従来例の永久磁石埋込型電動機拡大断面図を図８に示す。１０２は固定子であり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１０６が形成されている。説明のため巻線は図示していない。回転子１０３は磁性体で構成され、内部に複数のスリット１０４が設けられている。スリット１０４内に永久磁石１０５を配置したいわゆる永久磁石埋込型電動機である。以上は本実施例と同様である。従来例は、ティース１０６の先端中央から端部ともに回転軸を中心とした円弧形状であり、回転子外径１０７も回転軸を中心とした円形状である。実施例１は、これまで説明した特徴にあるように固定子内径がティースの先端中央近傍６ａの内径寸法に対して、ティース先端端部６ｂの内径寸法が大きく、回転子鉄心３の外形は、磁極中央部７ａを最大径とした外径に凸形状で、その形状を磁極と同数設けており、回転子鉄心の磁極間部７ｂは回転軸を中心とした円弧形状である。従来例のトルク脈動の６次成分を１．０に正規化して両者の比較を明確する。図４では実施例１が従来例に比較して、トルク脈動の基本波である６次成分が１．０から約０．５５に低減でき、１２次成分も約０．４２から約０．１０に低減できている。このように、トルク脈動の基本波である６次成分、２倍の１２次成分ともに大きく低減し、低振動、低騒音な永久磁石埋込型電動機を提供することができる。本実施例では、６次成分に加え１２次成分も低減しており、１脈動当たりのエネルギーを低減することができ電動機搭載機器との共振を起こすことなく低振動、低騒音な永
久磁石埋込型電動機を提供することができる。

図４では、本実施例と従来例とを比較することでトルク脈動の次数成分低減の効果を明確にしたが、図５は従来例の固定子と実施例の回転子を組み合わせた場合のトルク脈動の次数成分を示している。図４同様に従来例の６次成分を１．０に正規化して両者の比較を明確する。トルク脈動の基本波である６次成分が１．０から約０．６０に低減しているが、１２次成分は約０．４２から約０．７２に増加している。図６は実施例の固定子と従来例の回転子を組み合わせた場合のトルク脈動の次数成分を示している。図４同様に従来例の６次成分を１．０に正規化して両者の比較を明確する。トルク脈動の基本波である６次成分が１．０から約０．７６に低減、１２次成分は約０．４２から約０．２６に低減している。このように、図５、図６の結果に比較しても、図４に示した本実施例のトルク脈動の次数成分低減の効果が明確である。先行例として、図９に回転子の例、図１０に固定子の例を挙げたが、両者の組み合わせ以上の効果があることが明らかである。

また、回転子鉄心の磁極間部は磁束の短絡を防止するとともに、回転子の強度を確保した回転軸を中心とした円弧形状であり、回転子外径の最小寸法部となっているため、寸法管理も容易であり、高品質を維持することができる。

なお、本実施例は８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。

本発明の第２の実施例について、図を用いて説明する。

図７は本発明の第２の実施例を示す永久磁石埋込型電動機拡大断面図である。１２は固定子であり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１６が形成されている。説明のため巻線は図示していない。回転子３は磁性体で構成され、内部に複数のスリット４が設けられている。スリット４内に永久磁石５を配置したいわゆる永久磁石埋込型電動機である。回転自在に保持された回転子鉄心３は、永久磁石５をスリット４内に配置しており、本実施例では図７の中央に示されたＶ字形状の磁石配置で一磁極を構成している。回転子鉄心３の外形は、磁極中央部７ａを最大径とした外径に凸形状で、その形状を磁極と同数設けている。回転子鉄心の磁極間部７ｂは回転軸を中心とした円弧形状である。回転子に破線で示していることからわかるように回転子外径の回転軸を中心とした円弧形状で最小寸法としている。以上は第１の実施例と同様である。第１の実施例との差異は、固定子ティース先端中央近傍１６ａは軸中心の円弧形状であり、ティース先端端部１６ｂがティース先端中央近傍の円弧形状から直線形状となり内径寸法が大きくなることを特徴としている。固定子ティース先端端部１６ｂが固定子ティース先端中央近傍１６ａに対して回転子外径から離れていること、また、回転子の磁極中央部７ａに対して、磁極の切り替わる磁極間部７ｂの径が小さく固定子内径から離れていることにより、回転子の位置により固定子と鎖交する磁束の急激な変化が抑制され、コギングトルクや通電時のトルク脈動を小さくすることができる。また、固定子ティース先端中央近傍１６ａは軸中心の円弧形状であるので、寸法管理も容易であることに加え、回転子の寸法管理も容易であり、高品質を容易に維持することができる。

また、固定子巻線が、固定子ティース１６に同心状に巻かれたいわゆる集中巻の場合、固定子と回転子の形状の特長により磁束の急激な変化が抑制され、コギングトルクや通電時のトルク脈動を小さくする効果が特に高い。

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の小型高効率化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拡大断面図本発明の第１の実施例のトルクの波形を示した図本発明の第１の実施例のトルクの次数成分を示した図従来の永久磁石埋込型電動機のトルクの次数成分を示した図従来の永久磁石埋込型電動機のトルクの次数成分を示した図本発明の第２の実施例を示す永久磁石埋込型電動機拡大断面図従来の永久磁石埋込型電動機拡大断面図従来の永久磁石埋込型電動機の回転子拡大断面図従来のブラシレスモータのティースを示した図

符号の説明

１永久磁石埋込型電動機
２、１２固定子
３回転子
４スリット
５永久磁石
６、１６ティース
６ａ、１６ａティースの先端中央近傍
６ｂ、１６ｂティース先端端部
７ａ磁極中央部
７ｂ磁極間部
８、１８、２８第２の回転子ヨーク
９、１９、２９永久磁石間の回転子鉄心
１０、２０、３０溝または穴で構成された空間部
１１、２１ブリッジ部
３１着磁巻線
３２、３３着磁ヨーク
１０２固定子
１０３回転子
１０４スリット
１０５永久磁石
１０６ティース
１０６ａティースの先端中央近傍
１０７回転子外径
１１１回転子
１１２永久磁石
１１６固定子
１１７ティース
１１８回転子

Claims

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、ティース先端中央近傍の内径寸法に対してティース先端端部の内径寸法が大きいことを特徴とする固定子と、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を備えた電動機において、回転子鉄心の外形は、磁極中央部を最大径とした外径に凸形状で、その形状が磁極と同数設けられ、回転子鉄心の磁極間部は回転軸を中心とした円弧形状であり、回転子外径の最小寸法となることを特徴とした永久磁石埋込型電動機。
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、ティース先端中央近傍は軸中心の円弧形状であり、ティース先端端部はティース先端中央近傍の円弧形状から直線形状で内径寸法が大きくなることを特徴とする固定子を有する請求項１に記載の永久磁石埋込型電動機。
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、ティースには同心状に巻線が施されたことを特徴とする固定子を有する請求項１または２に記載の永久磁石埋込型電動機。
請求項１から３のいずれか１項に記載の永久磁石埋込型電動機を搭載したコンプレッサ。
請求項１から３のいずれか１項に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。