JP2012114970A - 永久磁石埋込型電動機 - Google Patents

Abstract

【課題】 永久磁石の個数を磁極数と同一としながら、性能面を改善した永久磁石埋込型電動機を提供する。
【解決手段】 回転軸９の方向に永久磁石収容孔８が複数形成された回転子鉄心７と、回転軸９に直角な面において、永久磁石収容孔８に回転子６の周方向で隣り合う永久磁石１０の長手方向の端面どうしが同極どうしとなるように挿入した永久磁石１０を備えた回転子６からなり、磁極数の個数に対して永久磁石収容孔８の個数が同数であり、回転軸９に直角な面において、全ての永久磁石収容孔８の長手面が、回転子６の内周側から外周側へと延びる方向で、かつ、隣り合う永久磁石収容孔８が干渉しない範囲で、回転子外周側８ａを径方向に対して同一周方向へ傾けることで永久磁石量を増やすことが可能な形状とし、永久磁石収容孔８に永久磁石１０を有する永久磁石埋込型電動機である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、固定子と固定子の中で回転する回転子からなる永久磁石埋込型電動機における回転子、特に回転子を構成する回転子鉄心に永久磁石を埋め込んだ回転子を有する永久磁石埋込型電動機に関する。

従来の永久磁石埋込型電動機の回転子は、回転子を構成する回転子鉄心の回転軸方向に永久磁石を収容する磁石収容孔が複数形成されており、前記の各磁石収容孔に永久磁石が挿入された回転子を備えている。この永久磁石収容孔の形状には、効率の改善や振動や騒音を抑えるために考慮された様々な形状が考えられている。

これらの永久磁石収容孔の形状には、回転子の回転軸に直角な面において、前記の永久磁石収容孔が回転軸側に凸で、両端部が外周部まで延長して設けられた円弧形状となったもの（例えば、特許文献１参照。）や、回転子の回転軸に直角な面において、回転子の径方向の内周側に向けて２本の永久磁石収容孔の間の幅が狭くなり、かつ、回転軸側に凸となって略Ｖ字形状となっているもの（例えば、特許文献２参照。）や、回転子の回転軸に直角な面において、回転子の径方向の外周側に凸となって略Ｖ字形状の永久磁石収容孔となり、かつ、この略Ｖ字形状の永久磁石収容孔と周方向で隣り合う他の略Ｖ字形状の永久磁石収容孔との間に径方向の１本の永久磁石収容孔を追加して有する形状からなるもの（例えば、特許文献３参照。）などがある。

上記のように、従来の永久磁石埋込型電動機の回転子の例では、回転子の機械的強度を保ちながら、トルクの増大や効率の改善のため、有効に働く永久磁石の量を増やしている。

しかしながら、上記のような永久磁石埋込型電動機の回転子は磁極数Ｐに対して永久磁石の数がＰ個になっていない。基本的には、永久磁石がＰ個あればＰ極の磁極を形成可能であることから単に回転子の周方向に複数の永久磁石を並べた形状に比べ、これらの永久磁石埋込型電動機の回転子で使用する永久磁石の個数は増えることとなる。ところで、永久磁石のコストには材料費だけでなく、個々の永久磁石を形成するときに必要となる成型費と加工費も含まれており、特に永久磁石の材料費が安価な材料を使用する場合には、上記のコスト増大の比率が大きくなる。このため、使用される材料が同一体積の永久磁石であっても、永久磁石の個数が増えるほどコストを増大させる原因となる。

また、製品組立時の回転子の永久磁石収容孔へ永久磁石を挿入する工程においても、永久磁石の個数が少ない方が、組立時間の短縮になり、組立コストの低減が可能となる。

上記のように永久磁石埋込型電動機の回転子では、永久磁石の使用個数が少ない方がコスト面で有利となるが、同時に永久磁石を回転子内部に埋め込む際の埋込形状の自由度が低下し、使用する永久磁石量が減少する傾向にあるため、性能面を満たせない場合がある。

特開平８−３３１７８３号公報 特開２００８−１７６３３号公報 特開２００８−１９９７９４号公報

本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、本発明が解決しようとする課題は、永久磁石埋込型電動機の回転子の永久磁石の個数を磁極数と同一としながら、性能面を改善した回転子を有する永久磁石埋込型電動機の提供することを目的とする。

上記の課題を解決するための本発明の手段は、請求項１の発明では、回転子の回転軸方向に複数の永久磁石収容孔を有する回転子鉄心と、回転子の回転軸に直角な面における永久磁石収容孔に周方向で隣り合う永久磁石の長手面を同極どうしとして挿入した永久磁石を配設した回転子を有する。さらに、この回転子の複数の磁極数の個数に対して上記の複数の永久磁石収容孔の個数は同数となっている。しかも、回転子の回転軸に直角な面における全ての永久磁石収容孔の長手面は回転子内周側から回転子外周側へと延びる方向で、かつ、隣り合う永久磁石収容孔を干渉しない範囲で、永久磁石収容孔の回転子外周側を回転子の径方向に対して同一の周方向へ傾けており、この永久磁石収容孔に永久磁石を埋込んだ回転子を有することを特徴とする永久磁石埋込型電動機である。

請求項２の発明では、回転子の回転軸に直角な面において永久磁石収容孔は平板形状からなっている。さらに、この永久磁石収容孔に配設している永久磁石は平板形状からなっていることを特徴とする請求項１の手段の永久磁石埋込型電動機である。

請求項３の発明では、回転子の回転軸に直角な面において平板形状の永久磁石を配設の平板形状の永久磁石収容孔は、長手方向端面の少なくとも片側に永久磁石の長手方向端面から長手方向に延びる空隙を有することを特徴とする請求項２の手段の永久磁石埋込型電動機である。

請求項４の発明では、回転子の回転軸に直角な面にいて平板形状の永久磁石収容孔から長手方向に延びる空隙は、その端部の少なくとも一方から永久磁石収容孔の長手面側に延びたスリットを有することを特徴とする請求項３の手段の永久磁石埋込型電動機である。

請求項５の発明では、回転子は回転軸に直角な面において固定子のスロットの先端部のティースに対向する回転子の外周部の一部が永久磁石収容孔の回転子外周側の端部の付近で平坦形状に形成されていることを特徴とする請求項４の手段の永久磁石埋込型電動機である。

本発明の効果は、請求項１の発明の手段では、回転子の回転軸に直角な面において、回転子の周方向で隣り合う永久磁石の長手面は同極どうしからなるものとし、回転子に複数の永久磁石を埋め込む永久磁石収容孔の個数は回転子の磁極数と同一数としたままでありながら、永久磁石収容孔の回転子外周側を回転子の径方向に対して同一の周方向へ干渉しない範囲で傾けて永久磁石を埋め込んで有するので、単に回転子の径方向に沿って永久磁石を配置した場合や、単に周方向に沿って永久磁石を並べた形状に比べて、より一層長い永久磁石を回転子鉄心の内部に埋め込むことができるので、従来の表面磁石型（ＳＰＭ）の回転子からなる電動機に比して小型化が図れ、さらに従来の永久磁石埋込型電動機の回転子に比しても永久磁石量の増加が図れ、同時に長手方向端部の磁束の短絡を抑えながらトルクの増大と効率の改善が図られている。

請求項２の発明の手段では、回転子の回転軸方向に直角な面において、永久磁石収容孔は平板形状からなるものとし、さらに、この永久磁石収容孔に配設の永久磁石の形状を平板形状からなるものとすることで、円弧板形状などの曲面形状を持つ永久磁石に比べると回転子内部に埋め込み可能な永久磁石量は減少するものの、トルクの増大と効率の改善を図りながら永久磁石の製造コストを引き下げが図られている。

請求項３の発明の手段では、永久磁石を配設の永久磁石収容孔の長手方向端面から永久磁石を無くし、この部位を長手方向に延びる空隙とすることによって、永久磁石収容孔の端面部に透磁率の低い領域が形成されるため、磁束の短絡を制限することができ、永久磁石端部の永久磁石が有効に働いていない部分の永久磁石量を削減することができる。これに対して、従来の回転子の回転軸に直角な面において、長手方向面に対して垂直な方向に着磁された永久磁石では、永久磁石の磁束の短絡が永久磁石の長手方向端部に近いほど大きくなり、特に透磁率の高い材質に囲まれた状態では、磁束の短絡の度合いが大きくなっていた。

請求項４の手段では、回転子の回転軸に直角な面において、永久磁石収容孔の長手方向から回転子の外周方向に延びる外周側空隙から延びるスリットを設けているので、トルクと共に増大したコギントルクやトルクリプルを抑止でき、また、外周側スリットのスリット長さによって永久磁石埋込型電動機の騒音と振動を効率よく抑えることができる。さらに、回転子の内周方向に延びる内周側空隙の一方の端部から回転子の外周方向へ延びる内周側スリットを有するので、永久磁石の回転子の内周部における磁束の短絡をより効果的に抑制することができる。また、前記の内周側スリットのスリット長さによって、トルクの増大と効率の改善が図れる。しかし、内周側スリットのスリット長さを長くすると回転子鉄心の強度も低下するため、内周側スリットのスリット長さを最適化することによって、トルクの増大と効率の改善を効率よく行うことが可能である。

請求項５の手段では、回転子を駆動するため、回転子に直角な面において、回転子に空隙を挟んで対向する固定子に組み込まれて使用されるが、回転子の外周部の一部が平坦形状に形成されているので、この部分の回転子と固定子の間の空隙の幅が大きくなって磁気抵抗が高くなり、回転子と空隙を挟んで対抗する固定子のスロットのティース部を介して発生する磁束の短絡が抑制できる。

本実施の形態における固定子および固定板を除去して示す回転子の回転軸に直角な面を示す図である。 本実施の形態における外周側空隙付近の回転軸に直角な面の拡大図である。 本実施の形態における内周側空隙付近の回転軸に直角な面の拡大図である。 本実施の形態における内周側スリットのスリット長さＬｃと効率の関係を示すグラフである。 本実施の形態における外周側スリットのスリット長さＬａと、スリット長さＬｂの関係およびコギングトルク特性を示すグラフである。 （ａ）は平板形状の永久磁石を使用した回転子の回転軸に直角な面の部分図で、（ｂ）は円弧板形状の永久磁石を使用した回転子の回転軸に直角な面の部分図である。 本発明の永久磁石埋込型（ＩＰＭ）の回転子からなる電動機と従来品である表面磁石型（ＳＰＭ）の回転子からなる電動機の効率特性を示す軸出力と効率の関係を示すグラフである。

本発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。本発明はこの実施の形態に限定されるものではない。

図１は、本発明の実施の形態を示す永久磁石埋込型の回転子の回転軸に直角な面を示す図である。

回転子６の回転軸９に直角な面において、固定子１は固定子鉄心１ａの外径を形成する略環状の環状部２から中心方向に空隙１２を介して回転子６に対向するように延びている１２本の放射状のティース３が環状に形成されている。各ティース３の両側に銅線を巻回するための空間であるスロット４と、捲線５を形成する際に固定子１の鉄心と捲線５の絶縁を確保するためのインシュレーター（図示略）を有し、スロット４の空間に銅線を巻回した捲線５を備えている。この捲線５はＹ結線にて行われ、各Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の捲線は直列に結線されて中性点で接続されている。

回転子６は、回転子鉄心７と、回転子鉄心７を固定する回転軸９と、回転子鉄心７の内部に存在する永久磁石収容孔８に挿入される永久磁石１０と、回転子鉄心７の回転軸９の方向の両端部に、永久磁石１０の脱落を防止する固定板（図示略）で構成されており、固定板は回転子６を回転軸９の方向に貫通するリベットで固定された形状から形成されている。

回転子鉄心７は、電磁鋼板を回転軸９の方向に積層して形成され、中心部に形成された回転軸挿入孔（図示略）に回転軸９を挿入して固定することで、回転軸９と一体で回転自在な状態で固定子１の内側に支持されている。また、回転子鉄心７には、回転軸９に直角な面において、全ての永久磁石収容孔８の長手面が、回転子６の内周側から外周側へと延びる方向で、かつ、隣り合う永久磁石収容孔８に干渉しない範囲で、回転子外周側８ａの永久磁石収容孔８を回転子６の径方向に対して同一周方向へ傾けた形状として、永久磁石１０の挿入可能な永久磁石収容孔８が周方向に等間隔で磁極数の個数分である８個が形成されている。また、回転軸９に直角な面において、電動機の回転時に永久磁石収容孔８に挿入された永久磁石１０が回転子鉄心７の回転軸方向端面からの脱落を防止するために、回転子鉄心７には、回転子鉄心７の回転軸９の方向の両端部に備えた固定板（図示略）を固定するリベットを通すリベット孔７ａが設けられている。

永久磁石１０は、回転子６の回転軸９に直角な面において、径方向面における長手方向面に垂直に着磁され、隣り合う永久磁石収容孔８の長手方向面がＮ極どうしあるいはＳ極どうしからなる同極どうしとなるように挿入されている。また、この実施の形態においては、最終的な製品のコストを考慮し、最も安価に製造可能な図６の（ａ）に見られる平板形状の永久磁石１０により形成されている。しかし、さらに高トルクを実現したい場合には、永久磁石１０の形状を平板形状ではなく、図６の（ｂ）に見られる円弧板形状にすることによって、永久磁石量をさらに増加することが可能となり、高トルクの永久磁石埋込型電動機を実現できる。なお、これらの図６では、永久磁石端部の回転子内周側８ｂの内周側空隙８ｃや回転子外周側８ａの外周側空隙８ｄおよび内周側スリット８ｆや外周側スリット８ｈおよび外周側８ｉを省略して永久磁石端部を延ばした状態で模式的に示している。

回転子鉄心７には、回転子６の回転軸９に直角な面において、各永久磁石収容孔８の永久磁石１０の長手方向の両端部分では、磁束の短絡の度合いが大きい。そこで、磁束の短絡を制限するために、永久磁石１０の長手方向の両端部分から延びた空隙として、回転子６の内周側に内周側空隙８ｃと、回転子外周側８ａに外周側空隙８ｄを設けている。また、永久磁石１０の回転子外周部付近において、固定子１と回転子６の間の空隙１２と固定子１のティース３の先端部を介して発生する磁束の短絡を抑制するために、回転子６の外周部である環状部分の一部を切り取って図２に示す平坦形状部１１に形成している。

さらに、回転軸９に直角な面において、図３に示すように、前記の内周側空隙８ｃは隣り合う永久磁石収容孔８に接触しない範囲で延ばされている。しかし、このように内周側空隙８ｃを延ばすにつれて、隣り合う永久磁石収容孔８に挟まれた内周側ブリッジ鉄心８ｅの幅が細くなって回転子鉄心７の強度が落ちてくる。そこで挟まれた内周側ブリッジ鉄心８ｅの幅を強度が落ちない程度に残して回転子鉄心７を形成している。また、前記の内周側空隙８ｃの一部から延ばして回転子外周側８ａへ内周側スリット８ｆを形成しており、この内周側スリット８ｆのスリット長さＬｃを変更することで、効率の改善が可能である。ところで、内周側スリット８ｆのスリット長さＬｃが長くなるにつれて、回転子鉄心７の強度は低下し、図４に示すように効率の改善も飽和してくる。このために内周側スリット８ｆのスリット長さＬｃは効率の飽和点になる長さで形成されている。

また、回転軸９に直角な面において、図２に示すように、前記の永久磁石収容孔８の外周側空隙８ｄは回転子６の外周と接触しない範囲で回転子６の外周近傍まで延ばされている。しかし、回転子６の外周部の外周側ブリッジ鉄心８ｇの幅が細くなるにつれて、回転子鉄心７の強度が落ちてくる。そこで回転子６の外周部の外周側ブリッジ鉄心８ｇの幅を強度が落ちない程度の細さとして残して回転子鉄心７を形成している。また、前記の外周側空隙８ｄから回転子６の周方向の両側に延びた外周側スリット８ｈと外周側スリット８ｉが形成されている。外周側スリット８ｈのスリット長さＬａと外周側スリット８ｉのスリット長さＬｂをそれぞれ変化させることで、図５に示すように、回転子６のコギングトルクとトルクリプルを改善することが可能である。したがって、外周側スリット８ｈのスリット長さＬａと外周側スリット８ｉのスリット長さＬｂを最適化した形状で形成している。

さらに、図２に示すように、回転軸９に直角な面において、回転子外周側８ａに備えられた平坦形状部１１は、永久磁石１０の回転子６の外周部の端面の中央と回転子６の中心を通る線と回転子６の外周の交点における接線を径方向の回転子６の内周部に平行移動した線により回転子６の外周円の環状部分の一部を切り取った直線形状に形成されており、さらに平行移動された接線と回転子６の外周と交点の部分は、量産時の金型形状の耐久性を上げるために角部を無くしてアール部１３に形成されている。

上記の実施の形態では、図１に示す永久磁石１０は回転軸９の方向に対して分割されておらず、完全に回転子６の磁極数と永久磁石１０の個数が８個で一致する構成になっている。しかし、電動機の回転軸９方向の寸法が大きい場合、永久磁石１０の回転軸９方向の寸法も大きくなるために、永久磁石１０の製造歩留りが悪くなる場合がある。そこで、このように永久磁石１０の製造歩留りが悪くなる場合には、回転軸９の方向で永久磁石１０を分割しても問題はない。

図７は本発明の永久磁石埋込型（ＩＰＭ）の回転子からなる電動機と従来品である表面磁石型（ＳＰＭ）の回転子からなる電動機のそれぞれ回転数１２００ｒｐｍ時の効率特性を示す軸出力と効率の関係を示すグラフである。この場合、従来品のＳＰＭの電動機では、固定子（ステータ）の外径をφ１２２ｍｍ、固定子の積厚を６５ｍｍ、永久磁石の長さを７５ｍｍ、永久磁石の体積を１０７０５ｍｍ²としている。この従来品のＳＰＭの電動機と略同様の出力と効率となる本発明の永久磁石埋込型（ＩＰＭ）電動機では、固定子の外径をφ１１２ｍｍ、固定子の積厚を５５ｍｍ、永久磁石の長さを６０ｍｍ、永久磁石の体積を８００６ｍｍ²としている。すなわち、本発明の永久磁石埋込型の電動機では、従来品の表面磁石型の電動機と略同性能とするとき、本発明の永久磁石埋込型の電動機の大きさは、従来品の表面磁石型の電動機に比して固定子の外径で６．６％、固定子の積厚で１５．４％、永久磁石の長さで２０％、永久磁石の体積で２５％と縮小でき、本発明の永久磁石埋込型の電動機は小型で高性能化が図れる。

１ 固定子
１ａ 固定子鉄心
２ 環状部
３ ティース
４ スロット
５ 捲線
６ 回転子
７ 回転子鉄心
７ａ リベット孔
８ 永久磁石収容孔
８ａ 回転子外周側
８ｂ 回転子内周側
８ｃ 内周側空隙
８ｄ 外周側空隙
８ｅ 内周側ブリッジ鉄心
８ｆ 内周側スリット
８ｇ 外周側ブリッジ鉄心
８ｈ 外周側スリット
８ｉ 外周側スリット
９ 回転軸
１０ 永久磁石
１１ 平坦形状部
１２ 空隙
１３ アール部
Ｌａ スリット長さ
Ｌｂ スリット長さ
Ｌｃ スリット長さ

Claims (5)

1. 回転子の回転軸方向に複数の永久磁石収容孔を有する回転子鉄心と、回転子鉄心の回転軸に直角な面における永久磁石収容孔に周方向で隣り合う永久磁石の長手面を同極どうしとして挿入した永久磁石を配設した回転子を有し、該回転子の複数の磁極数の個数に対して該複数の永久磁石収容孔の個数は同数であり、さらに回転子の回転軸に直角な面における全ての永久磁石収容孔の長手面が回転子内周側から回転子外周側へと延びる方向で、かつ、隣り合う永久磁石収容孔を干渉しない範囲で、永久磁石収容孔の回転子外周側を径方向に対して同一の周方向へ傾け、該永久磁石収容孔に永久磁石を埋込んだ回転子を有することを特徴とする永久磁石埋込型電動機。
2. 回転子鉄心の回転軸に直角な面における永久磁石収容孔は平板形状からなり、該永久磁石収容孔に配設の永久磁石は平板形状からなることを特徴とする請求項１に記載の永久磁石埋込型電動機。
3. 回転子鉄心の回転軸に直角な面における平板形状の永久磁石を配設の平板形状の永久磁石収容孔は、長手方向端面の少なくとも片側に永久磁石の長手方向端面から長手方向に延びる空隙を有することを特徴とする請求項２に記載の永久磁石埋込型電動機。
4. 回転子の回転軸に直角な面における平板形状の永久磁石収容孔から長手方向に延びる空隙は、その端部の少なくとも一方から永久磁石収容孔の長手面側に延びたスリットを有することを特徴とする請求項３に記載の永久磁石埋込型電動機。
5. 回転子は回転軸に直角な面において固定子のスロットの先端部のティースに対向する回転子の外周部の一部が永久磁石収容孔の回転子外周側の端部の付近で平坦形状に形成されていることを特徴とする請求項４に記載の永久磁石埋込型電動機。