JP2011147346A

JP2011147346A - 電動機

Info

Publication number: JP2011147346A
Application number: JP2011102745A
Authority: JP
Inventors: Junichi Abe; 淳一安部; Satoru Fujimura; 哲藤村; Akihiro Daikoku; 晃裕大穀
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2011-05-02
Filing date: 2011-05-02
Publication date: 2011-07-28
Anticipated expiration: 2021-05-10
Also published as: JP5307849B2

Abstract

【課題】高速回転に耐えるとともにトルクリップルを低減して効率の良い電動機を得る。
【解決手段】回転子２と、回転子を覆う用に設けられた固定子１０３とを備えた電動機において、回転子２は複数の永久磁石６を有し、極毎にいくつかの永久磁石６が集まって永久磁石群９を構成し、各永久磁石６は互いに間隔をおいて仕切り壁８を介して配設され、永久磁石群９は全体として回転磁界の基本波である正弦波形状となるように形成されている。このような構成により、回転子２と固定子１０３との隙間の磁束密度分布が正弦波分布に近づき、トルクリップルが小さくなって効率が良くなるとともに、仕切り壁８によって回転子２の径方向の耐力が増加し、回転子２は高速回転による遠心力に耐えることができる。
【選択図】図１

Description

この発明は、永久磁石を有する回転子を備えた電動機に関するものである。

従来、永久磁石を用いた電動機は、一般的に回転子内に複数の永久磁石を配置して極を形成した回転子と、この回転子に対向して取り囲むように配置された固定子とを備えている。固定子は回転子に対向する面にコイルが設けられており、このコイルに交流電流を通電することにより回転磁界を形成する。運転中の電動機は、回転子に埋め込まれている永久磁石の磁束と回転磁界の磁束とが回転子及び固定子の間のエアギャップを介して連結し、回転子を同期速度で回転させる。

例えば図１２は、従来の電動機と同様の構成を示す要部斜視図である。図１２において、電動機１０１は回転子１０２と、この回転子１０２の周囲に設けられた固定子１０３とを備えている。回転子１０２は、極毎に磁石挿着穴１０４を有した回転子鉄心１０５と、この各磁石挿着穴１０４に挿着された複数（例えば３つ）の永久磁石１０６とを有している。各磁石挿着穴１０４は径方向に垂直の方向に細長い長方形断面であり、この長方形断面内に複数の永久磁石１０６が並べられて挿着されている。固定子１０３は、回転子１０２側にスロット１０７を有しており、このスロット１０７に固定子コイル（図示しない）が挿入されている。回転子１０２と固定子１０３との間には隙間１０８があり、回転子１０２と固定子１０３とが接触して破損しないようになっている。

この電動機１０１は、固定子１０３の固定子コイルに交流電流を通電することによって回転磁界が形成され、この回転磁界により回転子１０２の永久磁石１０５の磁束と連結して回転子１０２が回転磁界に同期して回転する。このとき、永久磁石１０６には磁束の通過による渦電流が発生し、これが渦電流損となって電動機１０１全体の効率低下の原因となるが、１つの極に複数の永久磁石１０６が挿着されているため、１つの極に１つの永久磁石１０６が挿着された場合より、渦電流の経路が全体として長くなって渦電流自体を小さくすることができるので渦電流損を低減することができる（例えば特許文献１参照）。

特開２０００−２２８８３８号公報

しかし、このような従来の電動機１０１の構成では、磁石挿着穴１０４は径方向に垂直な方向に細長い断面であるので、回転子鉄心１０５の周囲部分の肉厚がその磁石挿着穴１０４の断面の両端で小さくなる。また、この周囲部分は両端の肉厚が薄い部分で繋がって回転子鉄心１０５の一部となっている。従って、回転子１０２が大型で高速回転した場合には、永久磁石１０６にかかる遠心力により回転子鉄心１０５の周囲部分に大きな負荷がかかり、肉厚の薄い部分では耐えきれずにこの回転子鉄心１０５の周囲部分が破損して永久磁石１０６が外に飛び出る可能性があるという問題点があった。

また、磁石挿着穴１０４は、断面が径方向に垂直な方向に延びた長方形であるので、隙間１０８における極毎の永久磁石１０６の磁束密度分布は回転磁界の基本波成分に一致せず、トルクリップルによって電動機１０１の効率が低下するという問題点があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、大型で高速回転するときにも破損しないような信頼性が高く、トルクリップルが小さくて効率の良い電動機を得ることを目的とする。

この発明に係る電動機は、極を有する回転子と、回転子の外側に設けられた固定子とを備えた電動機において、回転子は、極毎に周方向に互いに間隔をおいて形成された複数の穴を有する回転子鉄心と、各穴に１つずつ挿着された永久磁石とを有し、極毎に形成された複数の穴における径方向外側の面と径方向内側の面との間の距離は、回転子の周方向について変化しており、永久磁石は、極毎において回転子及び固定子の間の磁束密度が正弦波状分布となるように配設され、極毎における各前記永久磁石のうち、中央部分の永久磁石の径方向の長さが最も大きく、周方向両側に向かうにつれて永久磁石の径方向の長さが小さくなっている。

また、永久磁石は、軸線方向に垂直な平面における断面形状の固定子側が弧状である。

また、永久磁石は、回転子鉄心の外周面と永久磁石の固定子側の面との距離がほぼ一定となるように配設されたものである。

また、永久磁石は、極毎に３つずつ配設されている。

また、極内に配設された永久磁石は、中間部が希土類磁石で、両側部がフェライト磁石である。

この発明によれば、極を有する回転子と、回転子の外側に設けられた固定子とを備えた電動機において、回転子は、極毎に周方向に互いに間隔をおいて形成された複数の穴を有する回転子鉄心と、各穴に１つずつ挿着された永久磁石とを有し、極毎に形成された複数の穴における径方向外側の面と径方向内側の面との間の距離は、回転子の周方向について変化しており、永久磁石は、極毎において回転子及び固定子の間の磁束密度が正弦波状分布となるように配設され、極毎における各前記永久磁石のうち、中央部分の永久磁石の径方向の長さが最も大きく、周方向両側に向かうにつれて永久磁石の径方向の長さが小さくなっているので、永久磁石の間に回転子鉄心の一部が介在し、高速回転による遠心力に対する耐力をつけることができ回転子が破損することがなく、また回転子と固定子との隙間に形成される磁束密度分布が正弦波分布に近づき、トルクリップルを小さくして効率を良くすることができる。

また、永久磁石は、軸線方向に垂直な平面における断面形状の固定子側が弧状であるので、回転子と固定子との隙間に形成される磁束密度分布が正弦波分布に近づきトルクリップルを小さくして効率を良くすることができる。

また、永久磁石は、回転子鉄心の外周面と前記永久磁石の固定子側の面との距離がほぼ一定となるように配設されたので、永久磁石の漏れ磁束が少なくなり、電動機出力を増加できる。

また、永久磁石は、極毎に３つずつ配設されているので、電動機出力を極端に低下させずに回転子は高速回転による遠心力に対する耐力を有することができる。

また、極内に配設された永久磁石は、中間部が希土類磁石で、両側部がフェライト磁石であるので、各永久磁石の形状及び大きさを変更せずに、回転子と固定子との隙間に形成される磁束密度分布を正弦波分布に近づけ、トルクリップルを小さくして効率を良くすることができる。

この発明の実施の形態１に係る電動機の構成を示す要部断面図である。この発明の実施の形態２に係る電動機の構成を示す要部断面図である。この発明の実施の形態３に係る電動機の構成を示す要部断面図である。この発明の実施の形態４に係る電動機の構成を示す要部断面図である。外径２９０ｍｍの回転子を回転数４０００ｒ／ｍｉｎで回転させたときの永久磁石群を構成する永久磁石の数とそのときの必要な機械強度及び電動機の出力との関係を示すグラフである。３つの同一の永久磁石が回転子鉄心に配設されて永久磁石群を構成した状態の断面図である。３つの永久磁石が回転子鉄心に中央が大きな永久磁石となるように配設されて永久磁石群を構成した状態の断面図である。図６における回転子及び固定子の隙間に形成される磁束密度分布を示す模式的な説明図である。図７における回転子及び固定子の隙間に形成される磁束密度分布を示す模式的な説明図である。永久磁石群を構成する永久磁石の数とこの永久磁石群により形成される磁束密度分布及び正弦波分布の一致率との関係を示すグラフである。この発明の実施の形態５に係る電動機の構成を示す要部断面図である。従来の電動機の構成を示す要部斜視図である。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る電動機の回転子の構成を示す要部断面図である。図１において、電動機１は極を有する回転子２を備えている。回転子２は、周方向に互いに間隔をおいて設けられた複数の磁石挿着穴４を有する回転子鉄心５と、各磁石挿着穴４に挿着された永久磁石６とを有している。

磁石挿着穴４は、極毎に複数集まって挿着穴群７を構成している。また、各磁石挿着穴４は軸方向に垂直な面に沿った断面形状がそれぞれ異なっており、全体として挿着穴群７の断面形状が正弦波形状となるように配設されている。なお、図では各磁石挿着穴４は回転子２の径方向に垂直な面に底面が一致するように配設されている。さらに、各磁石挿着穴４は互いに間隔をおいて配設されているため、回転子鉄心５の一部が各磁石挿着穴４の間に仕切り壁８として介在している。

永久磁石６は、各磁石挿着穴４に１つずつ挿着されており、挿着穴群７に挿着された永久磁石６で永久磁石群９を構成している。各永久磁石６は各磁石挿着穴４に挿着されており、その各永久磁石６の軸方向に垂直な面に沿った断面形状と各磁石挿着穴４の断面形状とが同一形状となっている。従って、永久磁石群９も全体として挿着穴群７の断面形状と同一形状となっている。

他の構成は従来技術と同様である。

このような構成では、回転子２が高速で回転する場合、各永久磁石６に大きな遠心力が働くが、各永久磁石６の両側面に仕切り壁８が設けられているので、各永久磁石６の回転子２の外周側及び内周側の回転子鉄心５が仕切り壁８により強固に結びついている。従って、回転子鉄心５は、回転子２の径方向、即ち各永久磁石６に遠心力が働く方向に対する耐力が従来技術に比べて増大する。

また、極毎の永久磁石群９が軸方向に垂直な断面において形状が全体として正弦波形状となっているので、回転子２と固定子１０３との隙間１０８には極毎に磁束密度分布が回転磁界の基本波である正弦波分布に近づき、トルクリップルを低減することができる。

なお、永久磁石群９の断面形状の固定子１０３側の面は正弦波形状に限定する必要はなく、弧状等のように隙間１０８における極毎の磁束密度分布が回転磁界の基本波に近づくような形状にすればトルクリップルを低減できる。

また、各永久磁石６の底面は径方向に垂直な面に一致するように配設する必要はなく、隙間１０８における磁束密度分布が回転磁界の基本波に近づくような形状にすればトルクリップルを低減できる。

実施の形態２．
図２は、この発明の実施の形態２に係る電動機の構成を示す要部断面図である。図２において、回転子２１は周方向に並べて配設された複数の磁石挿着穴４１を有する回転子鉄心５１と、この磁石挿着穴４１に挿着された永久磁石６１とを有している。

複数の磁石挿着穴４１は、極毎に挿着穴群７１を構成している。この挿着穴群７１を構成している各磁石挿着穴４１は軸方向に垂直な断面形状がそれぞれ異なっている。各磁石挿着穴４１は間隔をおいて配設されているので、各磁石挿着穴４１の間には仕切り壁８１が介在している。また、各磁石挿着穴４１はその固定子１０３側の面である外側穴面４１ａと回転子２の外周面との距離ｔがほぼ一定となるように配設されている。さらに、挿着された永久磁石６１による隙間１０８における磁束密度分布が回転磁界の基本波である正弦波形状となるように各磁石挿着穴４１の大きさ及び形状が調整されている。ここでは、挿着穴群７１における中央部分の磁石挿着穴４１が径方向内側に最も大きく張り出しており、円周方向両側に向かうにつれて磁石挿着穴４１の径方向の長さが小さくなっている。

永久磁石６１は、磁石挿着穴４１に挿着されている。従って、各永久磁石６１の断面形状は各磁石挿着穴４１の断面形状と同一になっている。また、極毎に設けられた挿着穴群７１に挿着された各永久磁石６１によって永久磁石群９１が構成され、各永久磁石６１の固定子１０３側の面である外側磁石面６１ａと回転子２１の外周面との距離が一定値ｔとなっている。

他の構成は実施の形態１と同様である。

従って、回転子２１が高速で回転した場合、実施の形態１と同様の効果を奏する。さらに、回転子２１の外周面と各外側磁石面６１ａとの距離ｔがどの位置でもほぼ一定であるので、実施の形態１よりも永久磁石群９１の両側において距離ｔが小さくなり、各永久磁石６１の漏れ磁束が低減し電動機出力が増大する。

実施の形態３．
図３は、この発明の実施の形態３に係る電動機の構成を示す要部断面図である。図３において、回転子２２は周方向に並べて配設された複数の磁石挿着穴４２を有する回転子鉄心５２と、この磁石挿着穴４２に挿着された永久磁石６２とを有している。

複数の磁石挿着穴４２は、極毎に挿着穴群７２を構成している。また、各磁石挿着穴４２は軸方向に垂直な断面形状が長方形であり、回転子２２における内周側の辺が径方向に垂直な直線に一致するように配設されている。さらに、挿着穴群７２の各磁石挿着穴４２は回転子２２の外周側における長方形断面の辺の中点が全て回転磁界の基本波形状に一致するようになっている。なお、各磁石挿着穴４２は互いに仕切り壁８２を介して配設されている。

永久磁石６２は直方体であり、各磁石挿着穴４２に挿着されている。また、挿着穴群７２に挿着された複数の永久磁石６２により永久磁石群９２が構成されている。

他の構成は実施の形態１と同様である。

このような構成では、回転子２２が高速で回転する場合、実施の形態１と同様の効果を奏する。さらに、永久磁石６２は直方体であるので、作製が容易でコストが低減する。

実施の形態４．
図４は、この発明の実施の形態４に係る電動機の構成を示す要部断面図である。図４において、回転子２３は周方向に並べて配設された複数の磁石挿着穴４３を有する回転子鉄心５３と、この磁石挿着穴４３に挿着された永久磁石６３とを有している。

複数の磁石挿着穴４３は、極毎に３つずつ配設されており、この極毎の３つの磁石挿着穴４３により挿着穴群７３が構成されている。また、各磁石挿着穴４３は軸線方向に垂直な断面形状が長方形となっている。さらに、挿着穴群７３の中央の磁石挿着穴４３ａはその両側の磁石挿着穴４３ｂより回転子２３の径方向に長さが大きくなっている。なお、各磁石挿着穴４３は仕切り壁８３を介して配設されている。

永久磁石６３は、各磁石挿着穴４３に挿着されており、挿着穴群７３を構成する磁石挿着穴４３に挿着された永久磁石６３によって永久磁石群９３が構成されている。従って、永久磁石群９３は３つの直方体の永久磁石６３から構成され、中央の永久磁石６３ａは両側の永久磁石６３ｂよりも回転子２３の径方向に長く形成されている。

図５は、外径２９０ｍｍの回転子を回転数４０００ｒ／ｍｉｎで回転させたときの永久磁石群を構成する永久磁石の数とそのときの必要な機械強度及び電動機の出力との関係を示すグラフである。図５において、永久磁石群を構成する永久磁石の数が多くなると、これら各永久磁石間に介在する仕切り壁による結合力によって、遠心力に対する機械的強度は大きくなる。しかし、永久磁石の数が多くなり仕切り壁の数が多くなると、永久磁石からの磁束が仕切り壁を通って漏れるので、電動機出力は低下する。この例では、永久磁石群を構成する永久磁石の数が１つでは仕切り壁による結合力がないので必要な機械強度より小さくなり、遠心力に耐えることができない。逆に、永久磁石群を構成する永久磁石の数が５つになると、仕切り壁による結合力により遠心力には耐えることができるが、漏れ磁束の増加のために電動機出力が低下してしまう。

従って、出力を最大限確保したまま回転子を高速（ここでは外径２９０ｍｍで回転数４０００ｒ／ｍｉｎ）で回転させるためには、永久磁石群を構成する永久磁石が３つのときが最適であることがわかる。

次に、回転子と固定子との隙間に極毎に形成される磁束密度分布について考えてみる。図６は、３つの同一の永久磁石が回転子鉄心に配設されて永久磁石群を構成した状態の断面図であり、図７は、３つの永久磁石が回転子鉄心に中央が大きな永久磁石となるように配設されて永久磁石群を構成した状態の断面図である。また、図８は、図６における回転子及び固定子の隙間に形成される磁束密度分布を示す模式的な説明図であり、図９は、図７における回転子及び固定子の隙間に形成される磁束密度分布を示す模式的な説明図である。図８及び図９における正弦波分布は理想的な磁束密度分布であり、比較の対象とするために示したものである。

回転子と固定子との隙間の磁束密度分布は極毎に回転磁界の基本波分布（多くの場合は正弦波分布）であれば、トルクリップルが小さくなり電動機効率が向上する。図６及び図８において、同一の形状及び大きさの永久磁石により永久磁石群が構成されているため、磁束密度分布に永久磁束群の中で大小がつきにくく、連続的に変化する理想的な正弦波分布に比べると大きな差異がある。図７及び図９において、永久磁石群を構成する中央の永久磁石が両側の永久磁石より大きいので、中央の磁束密度も大きく、永久磁石群の中で磁束密度分布の大小がつき、図８の磁束密度分布よりも正弦波分布に近づけることができる。

図１０は、永久磁石群を構成する永久磁石の数とこの永久磁石群により形成される磁束密度分布及び正弦波分布の一致率との関係を示すグラフである。なお、永久磁石群を構成する永久磁石は全て直方体であり、発生する隙間の磁束密度分布が最も正弦波分布に近づくように各永久磁石の径方向の長さを調整している。図１０において、永久磁石群を構成する永久磁石の数が１つである場合と３つである場合とを比べてみると、３つである場合のほうが１つである場合よりも磁束密度分布が正弦波分布に明らかに近くなっている。また、永久磁石の数が５つである場合は、３つである場合に比べてそれほど変化していない。図５における永久磁石の数が３つから５つに増加したときの電動機出力の低下を考慮に入れると、永久磁石を５つにしてトルクリップルの低減による電動機効率の向上による効果は図５の電動機出力の低下をカバーするほどの大きな効果はないことが分かる。

従って、永久磁石群を構成する永久磁石の数を３つにして、図４に示す構成の回転子２３とすることによって、外径２９０ｍｍの回転子が回転数４０００ｒ／ｍｉｎという高速で回転しても、遠心力による回転子の破損を起こさず、しかも電動機出力及び電動機効率が極端に低下しない電動機を得ることができる。

なお、外径が２９０ｍｍより小さい回転子であれば、当然、永久磁石に与える遠心力も小さくなるので、外径２９０ｍｍに限定する必要はなく、それ以下であってもよい。また、回転数が４０００ｒ／ｍｉｎより小さければ、同様に遠心力も小さくなるので、それ以下であってもよい。

実施の形態５．
図１１は、この発明の実施の形態５に係る電動機の構成を示す要部断面図である。図１１において、回転子２４は周方向に並べて配設された複数の磁石挿着穴４４を有する回転子鉄心５４と、この磁石挿着穴４４に挿着された永久磁石６４とを有している。

複数の磁石挿着穴４４は、極毎に３つずつ配設されており、この極毎の３つの磁石挿着穴４４により挿着穴群７４が構成されている。また、各磁石挿着穴４４は軸線方向に垂直な断面形状が長方形となっている。これら各磁石装着穴４４は同一の形状及び大きさである。なお、各磁石挿着穴４４は仕切り壁８４を介して配設されている。

永久磁石６４は、各磁石挿着穴４４に挿着されており、挿着穴群７４を構成する磁石挿着穴４４に挿着された永久磁石６４によって永久磁石群９４が構成されている。また、永久磁石群９４は３つの直方体の永久磁石６４から構成され、中央の磁石挿着穴４４ａに装着された中央の永久磁石６４ａは希土類磁石等の残留磁束密度の高い永久磁石であり、その両側の磁石挿着穴４４ｂに装着された永久磁石６４ｂはフェライト磁石等の希土類磁石等より残留磁束密度の低い永久磁石となっている。

他の構成は実施の形態１と同様である。

このような構成では、極毎に中央部分に残留磁束密度の高い希土類磁石等を配設しているので、回転子２４と固定子１０３との隙間に形成される磁束密度分布が極毎に中央部分が大きくなった分布になり、回転磁界の基本波である正弦波分布に近づき、トルクリップルが小さくなることによって電動機効率が向上する。

また、各磁石挿着穴４４及び各永久磁石６４の形状及び大きさが同一であるので、作製が容易で、コストが低減する。

なお、挿着穴群７４の中央の磁石挿着穴４４ａ及び永久磁石６４ａはその両側の磁石挿着穴４４ｂ及び永久磁石６４ｂと回転子２４の径方向の長さが異なっていても、回転子２４と固定子１０３との隙間に形成される磁束密度分布が正弦波分布に近づく場合に限り、構わない。

また、永久磁石群９４の中間部がその両側部よりも磁束密度が大きければ、トルクリップルによる電動機効率の低下を抑制できるので、永久磁石群９４を構成する永久磁石は直方体に限定しなくてもよく、その数は３つより多くても構わない。

１電動機、２，２１，２２，２３，２４回転子、１０３固定子、４，４１，４２，４３，４４磁石挿着穴、４３ａ，４４ａ中央の磁石挿着穴、４３ｂ，４４ｂ両側の磁石挿着穴、５，５１，５２，５３，５４回転子鉄心、６，６１，６２，６３，６４磁石挿着穴、６３ａ，６４ａ中央の永久磁石、６３ｂ，６４ｂ両側の永久磁石、７，７１，７２，７３，７４挿着穴群、８，８１，８２，８３，８４仕切り壁、９，９１，９２，９３，９４永久磁石群。

Claims

極を有する回転子と、前記回転子の外側に設けられた固定子とを備えた電動機において、
前記回転子は、前記極毎に周方向に互いに間隔をおいて形成された複数の穴を有する回転子鉄心と、各前記穴に１つずつ挿着された永久磁石とを有し、
前記極毎に形成された複数の前記穴における径方向外側の面と径方向内側の面との間の距離は、前記回転子の周方向について変化しており、
前記永久磁石は、極毎において前記回転子及び前記固定子の間の磁束密度が正弦波状分布となるように配設され、
極毎における各前記永久磁石のうち、中央部分の前記永久磁石の径方向の長さが最も大きく、周方向両側に向かうにつれて前記永久磁石の径方向の長さが小さくなっていることを特徴とする電動機。
前記永久磁石は、軸線方向に垂直な断面形状の固定子側が弧状であることを特徴とする請求項１に記載の電動機。
前記永久磁石は、前記回転子鉄心の外周面と前記永久磁石の固定子側の面との距離がほぼ一定となるように配設されたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電動機。
前記永久磁石は、極毎に３つずつ配設されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の電動機。
極内に配設された前記永久磁石は、中間部が希土類磁石で、両側部がフェライト磁石であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の電動機。