JP2013118772A - 永久磁石埋込型モータ - Google Patents

Abstract

【課題】磁石量を削減したとても、減磁が防止されることで高い効率で運転することのできる永久磁石埋め込み型モータを提供する。
【解決手段】第１磁気ギャップ長ＧＬ１、第２磁気ギャップ長ＧＬ２、第１磁石ＭＧ１の長さＭＬ、ロータ２０の外周から境界線２３３までの距離を磁石の埋込深さｄ、ロータ２０の外径Ｄ、第１磁石ＭＧ１と第２磁石ＭＧ２がなす角度を磁石角度θとすると、以下を満足する永久磁石埋込型モータ。
ＧＬ１／ＭＬ＝０．０７５〜０．１００ ＧＬ２／ＭＬ＝０．２４〜０．２６
ｄ／Ｄ＝０．１５〜０．１９ θ＝１４７°〜１５５°
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば自動車に搭載される空気調和装置を構成する電動圧縮機に用いられるモータに関する。

電動圧縮機用のモータＭは、図８（ａ）に示すように、永久磁石ＭＧが埋め込まれたロータ（Ｒｏｔｏｒ）Ｒと、ロータＲの周囲に配置されるステータ（Ｓｔａｔｏｒ）Ｓと、を備えている。ステータＳには図示を省略したコイル（ステータコイル）が巻き回されており、それに通電することにより、磁束を発生させる。また、ロータＲには、モータＭの極数（例えば４極）に応じた数の永久磁石ＭＧが保持される。図８（ａ）の例では、１つの磁極に対して２つの永久磁石ＭＧが設けられている。
永久磁石ＭＧとしては、コストを重視する場合には安価なフェライト磁石を用い、モータ出力あるいは小型化を重視する場合には高い磁気特性（飽和磁束密度、最大磁気エネルギ積）を有する希土類磁石を用いる。しかし、希土類磁石は高価であるため、低コスト化のためには希土類磁石の量を削減する必要がある。

少ない磁石量で高効率のモータを得るためには、図８（ａ）に示す永久磁石ＭＧの配置より、図８（ｂ）に示すように一対の永久磁石ＭＧのなす角度（磁石角度）θを大きくし、一対の永久磁石ＭＧをロータＲの表面に近づけることが有効である。
しかし、図８（ｂ）に示す永久磁石の配置では、ステータコイルから発生した磁束が永久磁石ＭＧの磁化方向と逆に通過する反磁界が生じると、不可逆減磁（以下、単に減磁）が磁石に生じ、モータの効率を大幅に低下させることがある。
この場合、減磁に対する耐力、つまり保磁力の大きい磁石を用いるか、あるいは、磁石の厚さを増加するといった対応をとり得る。ところが、ロータＲには局所的な磁気飽和が生じるため、反磁界が永久磁石ＭＧに生じる。減磁が特に大きいのは、特許文献１（図６）にも記載されているように一対の永久磁石ＭＧが対向される端部である。
そこで特許文献１は、図８（ｃ）に示すように、永久磁石ＭＧの双方の対向端部Ｅ１，Ｅ２に臨む空気穴ＡＨをロータＲに設けることを提案している。

特開２００３−１４３７８８号公報

ところが、本発明者らの検討によると、上記の空気穴ＡＨを設けるだけでは、ロータＲの永久磁石ＭＧに生ずる減磁を十分に低減することができない。
本発明は、このような課題に基づいてなされたもので、磁石量を削減したとても、減磁が防止されることで高い効率で運転することのできる永久磁石埋め込み型モータを提供することを目的とする。

上記目的を達成する本発明の永久磁石埋込型モータは、１つの磁極に対して一対の第１磁石及び第２磁石が、双方の対向端が近接するとともに双方の他方端が離間し、かつ周方向に沿って保持スロットに埋め込まれている円筒状のロータと、ロータの周囲に配置されるステータと、を備える。
ロータにおける第１磁石と第２磁石は、互いの対向端の間に空隙が設けられ、かつ、第１磁石と第２磁石の他方端側よりも対向端側が、ロータの外周からの距離が遠くなるように、Ｖ字状に配置される。
保持スロットは、第１磁石を保持する第１スロットと、第２磁石を保持する第２スロットと、からなり、第１スロットと第２スロットは境界線で連なる。
そして、本発明のモータにおいて、
第１スロットにおける第１磁石の対向端側の空隙の長さ、及び、第２スロットにおける第２磁石の対向端側の空隙の長さを第１磁気ギャップ長ＧＬ１、
第１スロットにおける第１磁石の他方端側の空隙の長さ、及び、第２スロットにおける第２磁石の他方端側の空隙の長さを第２磁気ギャップ長ＧＬ２、
第１磁石、及び、第２磁石の長さをＭＬ、
ロータの外周から境界線までの距離を磁石の埋込深さｄ、
ロータの外径をＤ、
第１磁石と第２磁石がなす角度を磁石角度θとすると、
ＧＬ１／ＭＬ＝０．０７５〜０．１００
ＧＬ２／ＭＬ＝０．２４〜０．２６
ｄ／Ｄ＝０．１５〜０．１９
θ＝１４７°〜１５５°
を満足することを特徴とする。

本発明によれば、第１磁気ギャップ長ＧＬ１などを特定することにより、磁石量を削減したとても、減磁が防止されることで、高い効率で運転することのできる永久磁石埋め込み型モータが提供される。

（ａ）は本実施の形態における永久磁石埋め込み型モータの平面図であり、（ｂ）はその部分区拡大図である。 第１磁気ギャップ長ＧＬ１、第２磁気ギャップ長ＧＬ２と減磁の関係を調査した結果を示すグラフと、ロータと、を対応して示す図である。 第１磁気ギャップ長ＧＬ１と、モータの効率、逆磁界の関係を示すグラフである。 第２磁気ギャップ長ＧＬ２と、モータの効率、逆磁界の関係を示すグラフである。 埋込深さｄと減磁の関係を調査した結果を示すグラフと、ロータと、を対応して示す図である。 埋込深さｄ／ロータ外径Ｄと効率、逆磁界の関係を確認した結果を示すグラフである。 埋込深さｄ／ロータ外径Ｄと磁石角度θの関係を示す図である。 永久磁石埋込型モータを示し、（ａ）は磁石角度θが相対的に小さいモータを示し、（ｂ）は磁石角度θが相対的に大きいモータを示し、（ｃ）は特許文献１に開示されるロータの部分拡大図である。

以下、添付図面に示す実施の形態に基づいてこの発明を詳細に説明する。
図１（ａ）に示すように、本実施の形態における永久磁石埋め込み型のモータ１０は、ロータ２０と、ステータ３０と、を備えている。

ロータ２０は、ロータコア２１と、ロータコア２１に形成される複数（本例では６つ）の保持スロット２３と、図示しない電動圧縮機の主軸が貫通される軸貫通孔２５と、を備えている。後述する永久磁石ＭＧは、保持スロット２３に圧入され、必要に応じて接着剤を用いることにより、保持スロット２３を介してロータコア２１に保持される。
ロータコア２１は、略円環状をなし、薄肉の磁性鋼板を積層して構成されている。ロータコア２１の中心部には、前述した主軸が挿通される軸貫通孔２５が形成されている。軸貫通孔２５に主軸が圧入されることにより、ロータコア２１は主軸に固定される。

軸貫通孔２５の周囲には、周方向に等間隔を隔てて、極数に対応して４組の保持スロット２３が形成されている。各保持スロット２３は、第１スロット２３１と第２スロット２３２からなる。各々が平面視した形状及び寸法が同じ矩形をなしている第１スロット２３１と第２スロット２３２は、図１（ａ）、（ｂ）に示すように境界線２３３で連なっている。第１スロット２３１と第２スロット２３２は、境界線２３３がロータ２０の外周からの距離が遠くなるように、Ｖ字状に配置されることで、境界線２３３を中心に線対称をなしている。第１スロット２３１は、屈曲点２３５を境にロータ２０の外周に近くなるように向きが変わる。第２スロット２３２も同様である。
保持スロット２３には永久磁石ＭＧが保持される。具体的には、第１スロット２３１に第１磁石ＭＧ１が、また、第２スロット２３２に第２磁石ＭＧ２が保持される。したがって、第１磁石ＭＧ１と第２磁石ＭＧもまた、Ｖ字状に配置される。第１磁石ＭＧ１と第２磁石ＭＧ２は、仕様が同じ直方体状の永久磁石が用いられ、その長さＭＬが等しい。永久磁石ＭＧとしては、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系の希土類磁石が好適に用いられる。
第１磁石ＭＧ１と第２磁石ＭＧの互いの対向端の間に空隙が設けられる。この空隙は磁気的なギャップ（第１磁気ギャップ）Ｇ１を構成する。また、第１磁石ＭＧ１と第２磁石ＭＧ２の他方端側にも空隙が設けられ、この空隙も磁気的なギャップ（第２磁気ギャップ）Ｇ２を構成する。
ロータコア２１は、例えば磁性鋼板をプレス加工、レーザ加工などの加工によって形成される。以下説明する、ステータコア３１も同様である。

ステータ３０は、ロータ２０の外周を囲むように設けられたステータコア３１と、このステータコア３１に取り付けられる電線から構成される巻線（図示を省略）と、を備えている。
ステータコア３１は、略円環状をなし、導電材料である薄肉の磁性鋼板を積層して構成されている。ステータコア３１は、その内周壁において周方向に所定の間隔を隔てて設けられた複数の巻線スロット３３が形成されており、この巻線スロット３３に巻線が施される。この巻線スロット３３は、巻線の形態として分布型を想定しているが、本発明はこれに限定されず、集中巻きにより巻線を施すものにも適用できる。ステータコア３１は、電源から巻線へ通電することにより、ステータコア３１の内側に回転磁界を発生させる。

図１に示すように、ロータ２０のｄの値を本発明の永久磁石ＭＧの埋込み深さと定義する。つまり、埋込み深さｄは、ロータ２０の外周から境界線２３３の外周側の縁までの距離で特定される。
また、ロータ２０のθの角度を本発明の磁石角度と定義する。つまり、磁石角度θは同じ保持スロット２３に保持される一対の第１磁石ＭＧ１と第２磁石ＭＧ２が互いになす角度のうちで、ロータ２０の外周に臨む角度である。
次に、ロータ２０のＧＬ１は第１磁石ＭＧ（第２磁石ＭＧ２）の対向端側に位置する第１磁気ギャップＧ１の長さ、ロータ２０のＧＬ２は第１磁石ＭＧ（第２磁石ＭＧ２）の他方端側に位置する第２磁気ギャップＧ２の長さである。つまり、第１磁気ギャップ長ＧＬ１は第１磁石ＭＧ１（第２磁石ＭＧ２）の対向端から境界線２３３までの長さであり、第２磁気ギャップ長ＧＬ２は第１磁石ＭＧ１（第２磁石ＭＧ２）の他方端から第１スロット２３１（第２スロット２３２）の外周側の縁２３４までの長さである。また、第２磁気ギャップ長ＧＬ２は、屈曲点２３５よりも第１磁石ＭＧ１（第２磁石ＭＧ２）に遠い側のギャップ長をＧＬ２１、近い側のギャップ長をＧＬ２２とする。

ロータ２０は、以上のように定義される第１磁気ギャップ長ＧＬ１、第２磁気ギャップ長ＧＬ２、磁石長ＭＬ、埋込深さｄ、ロータ外径Ｄ、及び磁石角度θが以下の条件を満足するように作製される。
ＧＬ１（第１磁気ギャップ長）／ＭＬ（磁石長）＝０．０７５〜０．１００
ＧＬ２（第２磁気ギャップ長）／ＭＬ（磁石長）＝０．２４〜０．２６
ｄ（埋込深さ）／Ｄ（ロータ外径）＝０．１５〜０．１９×
θ（磁石角度）：１４７°〜１５５°

［磁気ギャップ長ＧＬ１，ＧＬ２について］
（１）第１磁気ギャップ長ＧＬ１、第２磁気ギャップ長ＧＬ２と減磁の関係
ＧＬ１、ＧＬ２の寸法と磁石の減磁状況を下記３つのケースについて調査した。なお、埋込深さｄ、磁石角度θは、ｄ／＝０．１７×Ｄ、θ＝１５０°である。結果を図２に示す。なお、ＧＬ２１、ＧＬ２２については図１を参照願いたい。
＜ケース１＞
ＧＬ１／ＭＬ＝０
ＧＬ２／ＭＬ＝０．１７（ＧＬ２１／ＭＬ＝０．１７，ＧＬ２２／ＭＬ＝０）
第１磁気ギャップ長ＧＬ１を設けないと第１磁石ＭＧ１と第２磁石ＭＧ２の間（中心部）、つまり対向端側の逆磁界が大きくなるために減磁が顕著となる。また、第２磁気ギャップ長ＧＬ２が小さいと、第１磁石ＭＧ１と第２磁石ＭＧ２の他方端側の減磁も大きい。
＜ケース２＞
ＧＬ１／ＭＬ＝０．０８
ＧＬ２／ＭＬ＝０．１７（ＧＬ２１／ＭＬ＝０．１７，ＧＬ２２／ＭＬ＝０）
ケース１と対比すると、第１磁気ギャップ長ＧＬ１を十分に設けることにより第１磁石ＭＧ１と第２磁石ＭＧ２の中心部の減磁が低減されることが分かる。
＜ケース３＞
ＧＬ１／ＭＬ＝０．０８
ＧＬ２／ＭＬ＝０．２５（ＧＬ２１／ＭＬ＝０．１７，ＧＬ２２／ＭＬ＝０．０８）
ケース２と対比すると、第２磁気ギャップ長ＧＬ２を十分に設けることにより第１磁石ＭＧ１と第２磁石ＭＧ２の各々の他方端側の減磁も低減され、第１磁石ＭＧ１と第２磁石ＭＧ２の全体に亘る減磁が低減されることがわかる。

（２）第１磁気ギャップ長ＧＬ１、第２磁気ギャップ長ＧＬ２と効率、逆磁界の関係
次に、第１磁気ギャップ長ＧＬ１とモータ１０の効率、逆磁界との関係を確認した結果を図３に示す。
なお、第１磁気ギャップ長ＧＬ１以外の条件は下記の通りである。
ｄ／Ｄ＝０．１７、磁石角度θ＝１５０°
ＧＬ２／ＭＬ＝０．２５（ＧＬ２１／ＭＬ＝０．１７，ＧＬ２２／ＭＬ＝０．０８）
また、図３において、効率は第１磁気ギャップ長ＧＬ１＝０のときを１とする指数で表している。

図３より、以下のことが判る。
ＧＬ１／ＭＬが小さくなるにつれて逆磁界が大きくなり、ＧＬ１／ＭＬが概ね０．０８未満になると、永久磁石ＭＧが減磁する。減磁する部分は永久磁石ＭＧとしての役目を果たさず、実質的な磁石長が短くなり、効率が低下する。したがって、ＧＬ１／ＭＬは０．０８近傍よりも大きい値にすることが好ましい。なお、第１磁石ＭＧ１、第２磁石ＭＧ２の厚さが厚いほど減磁しにくくなる傾向にあり、主に使用環境の温度に応じて厚さを設定することになる。例えば、使用環境の温度が１２０℃程度であれば、一つの指標として、ロータ外径Ｄに対して０．０４５〜０．０５５倍、磁石長さＭＬに対して０．２〜０．３倍の範囲で適宜選択される。
一方、ＧＬ１／ＭＬが大きくなるにつれて、磁石長ＭＬが短くなり効率が低下する。ピーク値の９５％を超える効率を得るにはＧＬ１／ＭＬを下記の範囲にすればよい。
０．０７５≦ＧＬ１／ＭＬ≦０．１００
以上の結果に基づいて、本発明はＧＬ１を下記の範囲に設定する。
ＧＬ１／ＭＬ：０．０７５〜０．１００

次に、第２磁気ギャップ長ＧＬ２と効率、逆磁界の関係を確認した結果を図４に示す。
なお、第２磁気ギャップ長ＧＬ２以外の条件は下記の通りである。
ｄ／Ｄ＝０．１７、磁石角度θ＝１５０°
ＧＬ１／ＭＬ＝０．０８
また、図４において、モータの効率はＧＬ１／ＭＬ＝０．１７のときを１とする指数で表している。

図４より、以下のことが判る。
ＧＬ２／ＭＬが小さくなるにつれて逆磁界が大きくなり、概ね０．２５未満になると、永久磁石ＭＧが減磁する。減磁する部分は永久磁石ＭＧとしての役目を果たさず、実質的な磁石長はＧＬ２／ＭＬ＝０．２５より短くなり、効率が低下する。したがって、ＧＬ２／ＭＬは０．２５近傍よりも大きい値にすることが好ましい。
一方、ＧＬ２／ＭＬが大きくなるにつれて、磁石長ＭＬが短くなり効率が低下する。ピーク値の９５％を超える効率を得るにはＧＬ２／ＭＬを下記の範囲にすればよい。
０．２４≦ＧＬ２／ＭＬ≦０．２６
以上の結果に基づいて、本発明はＧＬ２を下記に設定する。
ＧＬ２／ＭＬ：０．２４〜０．２６
なお、ＧＬ２１／ＭＬ＝０．１７と固定とした場合、ＧＬ２２は、０．０７≦ＧＬ２２／ＭＬ≦０．０９となる。

［埋込深さｄ、磁石角度θについて］
次に、埋込深さｄ（ロータ外径Ｄ）と減磁状況を下記３つのケースについて調査した。なお、第１磁気ギャップ長ＧＬ１、第２磁気ギャップ長ＧＬ２は、ＧＬ１／ＭＬ＝０．０８、ＧＬ２／ＭＬ＝０．２５である。また、磁石角度θは、埋込深さｄ、第１磁気ギャップ長ＧＬ１、第２磁気ギャップ長ＧＬ等、他の寸法にて定まる。
結果を図５に示す。ケース１、２では磁石全体が減磁するのに対し、ケース３では減磁しないことが判る。このように、埋込深さｄが小さいと磁石が減磁しやすくなる。
＜ケース３＞
ｄ／Ｄ＝０．０９ θ＝１７０°
＜ケース４＞
ｄ／Ｄ＝０．１３ θ＝１６０°
＜ケース５＞
ｄ／Ｄ＝０．１７ θ=１５０°

次に、埋込深さｄ／ロータ外径Ｄと効率、逆磁界の関係を確認した結果を図６に示す。
なお、ｄ／Ｄ以外の条件は、上記と同じである。
図６に示すように、ｄ／Ｄが０．１７未満だと永久磁石ＭＧ全体が減磁する。したがって、Ｇｄ／Ｄは０．１７近傍よりも大きい値にすることが好ましい。なお、この時の磁石角度θは１５０°である。
一方、ｄ／Ｄが大きくなるにつれて、モータ１０の効率は低下する。逆磁界の許容範囲を１±０．０５とするために、本発明はｄ／Ｄを下記の範囲に設定する。
０．１５≦ｄ／Ｄ≦０．１９
この時、磁石角度θは、図７に示すように、１４７°≦θ≦１５５°の範囲をとる。

以上、本発明によるモータ１０を説明したが、ＧＬ１／ＭＬ、ＧＬ２／ＭＬ、ｄ／Ｄ及びθ以外の要素は任意である。例えば、永久磁石ＭＧとしては、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系希土類磁石以外の材質を用いることもできる。ロータ２０、ステータ３０の形態及び材質も、公知のものを広く適用することができる。また、モータ１０の用途も任意であり、圧縮機以外の用途に適用することができる。
また、
これ以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更することが可能である。

１０ モータ
２０ ロータ
２１ ロータコア
２３ 保持スロット
２３１ 第１スロット
２３２ 第２スロット
２３３ 境界線
２３４ 縁
２３５ 屈曲点
３０ ステータ
３１ ステータコア
ＭＧ１ 第１磁石
ＭＧ２ 第２磁石
Ｄ ロータ外径
Ｇ１ 第１磁気ギャップ
Ｇ２ 第２磁気ギャップ
ＧＬ１ 第１磁気ギャップ長
ＧＬ２ 第２磁気ギャップ長
ＭＬ 磁石長
θ 磁石角度
Ｍ モータ

Claims (1)

1. １つの磁極に対して一対の第１磁石及び第２磁石が、双方の対向端が近接するとともに双方の他方端が離間し、かつ周方向に沿って保持スロットに埋め込まれている円筒状のロータと、ロータの周囲に配置されるステータと、を備え、
   前記第１磁石と前記第２磁石が、
   互いの前記対向端の間に空隙が設けられ、かつ、前記第１磁石と前記第２磁石の前記他方端の側より前記対向端の側が、前記ロータの外周からの距離が遠くなるように、Ｖ字状に配置され、
   前記保持スロットが、
   前記第１磁石を保持する第１スロットと、前記第１スロットと境界線で連なり、前記第２磁石を保持する第２スロットと、からなり、
   前記第１スロットにおける前記第１磁石の前記対向端の側の前記空隙の長さ、及び、前記第２スロットにおける前記第２磁石の前記対向端の側の前記空隙の長さを第１磁気ギャップ長ＧＬ１、
   前記第１スロットにおける前記第１磁石の前記他方端の側の前記空隙の長さ、及び、前記第２スロットにおける前記第２磁石の前記他方端の側の前記空隙の長さを第２磁気ギャップ長ＧＬ２、
   前記第１磁石、及び、前記第２磁石の長さをＭＬ、
   前記ロータの外周から前記境界線までの距離を磁石の埋込深さｄ、
   前記ロータの外径Ｄ、
   前記第１磁石と前記第２磁石がなす角度を磁石角度θとすると、
   ＧＬ１／ＭＬ＝０．０７５〜０．１００
   ＧＬ２／ＭＬ＝０．２４〜０．２６
   ｄ／Ｄ＝０．１５〜０．１９
   θ＝１４７°〜１５５°
   であることを特徴とする永久磁石埋込型モータ。

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