JP2014525232A - モーター及びその回転子 - Google Patents

Abstract

モーター及びその回転子である。モーター回転子の永久磁石（２０）の鉄心（１０）の中心から遠ざかる側の両端点間の距離を永久磁石の長さＬとし、永久磁石の鉄心の中心から遠ざかる側の両端点間の接続線と永久磁石の鉄心の中心線に近寄る側の中心点との間の距離を永久磁石の幅Ｈとすると、

である。永久磁石の長さＬと幅Ｈとの間の関係を調整することによって、永久磁石のエア・ギャップ磁束密度を有効に高め、即ち、回転子のｄ軸とｑ軸方向の永久磁石の磁束を増加する。これにより、永久磁石の使用量を増加せずに永久磁石の利用率及びモーター回転子の性能を向上させる。

Description

本発明は、モーター分野に関し、具体的に、モーター回転子及びそれを備えるモーターに関する。

永久磁石同期モーター（ＩＰＭ）は、回転子の内側に一層の永久磁石を設けて、主に永久磁石トルクを利用し、リラクタンストルクを補助とするモーターである。

リラクタンストルクと永久磁石トルクとの合成式は、
である。
ここで、Ｔはモーターの出力トルクで、Ｔの値を増加させると、モーターの性能が向上させることができ、Ｔの後ろの等式中の一番目の項はリラクタンストルクで、二番目の項は永久磁石トルクで、Ψ_ＰＭはモーターの永久磁石による固定子と回転子のカップリング磁束の最大値で、ｍは固定子導体の相数で、Ｌ_ｄ、Ｌ_ｑはそれぞれ、ｄ軸とｑ軸のインダクタンスで、その中、ｄ軸は主磁極軸線と重なる軸を指し、ｑ軸は主磁極軸線に垂直な軸を指し、ここで、垂直とは電気角を言い、ｉ_ｄ、ｉ_ｑはそれぞれ電機子電流のｄ軸、ｑ軸方向における量である。上記合成式から、二番目の項である永久磁石トルクの追加及びモーターのｄ軸とｑ軸のインダクタンス差の増加によって、モーターの出力トルクＴを増加できることが分かった。

従来、主に、永久磁石の性能を向上させることによってモーターの性能を向上させ、即ち、永久磁石トルクを増加させる方法で、合成トルクの値を増加し、モーターの効率を向上させており、これに対して、一般的な対応策は希土類永久磁石を内蔵することである。しかし、希土は非再生資源で、且つ、価格もかなり高いので、このようなモーターの更なる汎用が制限されている。そして、回転子の体積の制限によって、回転子の各極での永久磁石の占有率に極限値が存在し、永久磁石の使用量を増加する方法でモーターの出力トルクを向上させることが難しく、モーターの効率の向上を制限してしまう。

本発明は、永久磁石の利用率を向上させることによってモーターの回転子の性能を高めることができるモーター回転子及びそれを備えるモーターを提供することを目的とする。

第１の発明では、鉄心と、鉄心の内部に設けられた永久磁石とを含み、鉄心に、鉄心の周方向に沿って複数組の装着溝が設けられ、各組の装着溝は鉄心の径方向に不連続的に設けられた２つ又は２つ以上の装着溝を含み、永久磁石は複数組あり、各組の永久磁石の中の各永久磁石は各組の装着溝の各装着溝に対応して嵌め込まれ、鉄心の軸方向に垂直な永久磁石の断面において、永久磁石の鉄心の中心から遠ざかる側の両端点間の距離を永久磁石の長さＬとし、永久磁石の鉄心の中心から遠ざかる側の両端点間の接続線と永久磁石の鉄心の中心に近寄る側の中心点との間の距離を永久磁石の幅Ｈとすると、
であるモーター回転子を提供する。

また、各組の装着溝は第１の装着溝と第２の装着溝とを含み、第１の装着溝と第２の装着溝に嵌め込まれる永久磁石はそれぞれ、第１の永久磁石と第２の永久磁石で、第１の永久磁石の永久磁石長さと永久磁石幅をそれぞれ、Ｌａ１とＨａ１とすると、
である。

また、第２の永久磁石の永久磁石長さと永久磁石幅をそれぞれ、Ｌａ２とＨａ２とすると、
である。

また、各組の装着溝は第１の装着溝と、第２の装着溝と、第３の装着溝と、を含み、第１の装着溝、第２の装着溝、及び第３の装着溝に嵌め込まれる永久磁石はそれぞれ、第１の永久磁石、第２の永久磁石、及び第３の永久磁石であって、第１の永久磁石の永久磁石長さと永久磁石幅をそれぞれ、Ｌｂ１とＨｂ１とすると、
である。

また、第２の永久磁石の永久磁石長さと永久磁石幅をそれぞれ、Ｌｂ２とＨｂ２とすると、
である。

また、第３の永久磁石の永久磁石長さと永久磁石幅をそれぞれ、Ｌｂ３とＨｂ３とすると、
である。

本発明の一態様によると、上述のモーター回転子を備えるモーターが提供される。

本発明のモーター回転子及びそれを備えるモーターによれば、永久磁石の鉄心の中心から遠ざかる側の両端点間の距離を永久磁石の長さＬとし、永久磁石の鉄心の中心から遠ざかる側の両端点間の接続線と永久磁石の鉄心の中心に近寄る側の中心点との間の距離を永久磁石の幅Ｈとし、テスト結果によると、永久磁石の長さＬとＨとの間の関係を調整することによって、永久磁石の周囲の空気中の磁界強度を有効に高め、永久磁石のエア・ギャップ磁束密度を増加させることができ、即ち、回転子のｄ軸とｑ軸方向の永久磁石の磁束を有効に増加させることで、永久磁石の使用量を増加せずに永久磁石の利用率及びモーター回転子の性能を向上させる。

ここで説明する図面は本発明を理解させるためのもので、本発明の一部を構成し、本発明における実施例と共に本発明を解釈し、本発明を不当に限定するものではない。
図１は、本発明に係るモーター回転子の一実施例の構造を示す図である。 図２は、本発明に係るモーター回転子の一実施例の永久磁石長さＬと永久磁石幅Ｈを示す図である。 図３は、本発明に係るモーター回転子の一実施例のＨ/Ｌとモーター効率との関係を示す図である。 図４は、本発明に係るモーター回転子の他の実施例の構造及び永久磁石長さＬと永久磁石幅Ｈを示す図である。 図５は、本発明に係るモーター回転子の他の実施例のＨ/Ｌとモーター効率との関係を示す図である。 図６は、本発明に係るモーター回転子のＨ/Ｌとエア・ギャップ磁束密度との関係を示す図である。

以下、図面を参照しつつ実施例に関して本発明を詳しく説明する。
本発明において、モーター回転子の装着溝２０に配置した永久磁石２０の内弧の装着溝まで伸びた両端点間の距離と、同一の永久磁石２０の外弧面の中心点からｄ軸方向に沿って内弧の両端点の接続線の中心点までの距離との関係を検討し、永久磁石２０の使用量が一定である場合に永久磁石トルクの利用を向上させる方法を提供し、即ち、永久磁石のサイズを最適化することによって、モーターの合成トルクＴの最大化を図り、モーターの効率を向上させる。

図１に示すように、本発明によれば、鉄心１０と、鉄心１０の内部に設けられる永久磁石２０とを含み、鉄心１０に、鉄心１０の周方向に沿って複数組の装着溝３０が設けられ、各組の装着溝３０は鉄心１０の径方向に不連続的に設けられた２つ又は２つ以上の装着溝３０を含み、永久磁石２０は複数組あり、各組の永久磁石２０の中の各永久磁石２０は各組の装着溝３０の各装着溝３０に対応して嵌め込まれ、鉄心１０の軸方向に垂直な永久磁石２０の断面において、永久磁石２０の鉄心１０の中心から遠ざかる側の両端点間の距離を永久磁石の長さＬとし、永久磁石２０の鉄心１０の中心から遠ざかる側の両端点間の接続線と永久磁石２０の鉄心１０の中心に近寄る側の中心点との間の距離を永久磁石の幅Ｈとすると、
であるモーター回転子を提供する。

図１に示すように、本発明のモーター回転子は、少なくともけい素鋼板を積層してなる鉄心１０と、鉄心１０に嵌め込まれる永久磁石２０とを含む。モーター回転子の鉄心１０は、鉄心１０を貫通する複数組の装着溝３０を含み、各組の装着溝３０は鉄心を隔てた２層以上の装着溝３０を含む。永久磁石２０は装着溝３０に嵌め込まれ、嵌め込む場合、同組の永久磁石２０がモーター回転子の外周方向に向けて同一の極性を有しなければならなく、例えば、図１に示すように、ｄ軸方向に２層の永久磁石が全てＳ極をなし、同時に、隣り合う二組の永久磁石２０の磁性が逆になり、各組の永久磁石２０は外へ向けて円周方向に沿ってＮＳ極の順で交互に分布されている。永久磁石３０を装着溝３０に設けた後、装着溝３０の両端には一定の隙間が形成され、その中に空気又は非透磁媒体が充填される。モーター回転子の同組の永久磁石２０のうち、隣り合う２つの永久磁石間に、けい素鋼板からなり、一定の幅を有する磁束経路があり、モーター回転子の隣り合う二組の装着溝３０間に、けい素鋼板からなり、幅が不一定である接続リブがある。

装着溝３０に永久磁石２０を設けた場合、当該回転子はリラクタンストルクを提供できる。ｄ軸方向に複数層の永久磁石２０が設けられ、且つ永久磁石２０自体のリラクタンスが大きく、空気の透磁率に相当するので、ｄ軸方向のインダクタンスＬ_ｄは小さくなり、一方、ｑ軸方向は鉄心１０自体が高い透磁率を有するので、ｑ軸方向のインダクタンスＬ_ｑが大きくなり、これにより、モーター回転子のリラクタンストルクを増加させることで、モーターの出力トルクを増加させ、さらにモーターの効率を向上させる。このような方法でモーターの効率を向上させるため、希土類永久磁石を追加してモーターの効率を向上させる方法の替わりに用いられることができ、希土の使用量を低減し、エネルギーを節約できる一方、環境負担を低減でき、また、コストを引き下げ、製品の競争力を高めることが可能となる。

そして、永久磁石２０を挿入したので、当該回転子も永久磁石トルクを提供できる。永久磁石２０の鉄心１０の中心から遠ざかる側の両端点間の距離を永久磁石の長さＬとし、永久磁石２０の鉄心１０の中心から遠ざかる側の両端点間の接続線と永久磁石２０の鉄心１０の中心に近寄る側の中心点との間の距離を永久磁石の幅Ｈとする場合、テスト結果によると、永久磁石の長さＬとＨとの間の関係を調整することによって、永久磁石のエア・ギャップ磁束密度（エア・ギャップ磁束密度とは、空気中の磁気強度を指し、エア・ギャップ磁束密度が大きいほど、磁界の強度が大きく、永久磁石のトルクが大きい）を有効に増加させることができ、即ち、回転子のｄ軸とｑ軸方向の永久磁石の磁束を有効に増加させることで、永久磁石の使用量を増加せずに永久磁石の利用率及びモーター回転子の性能を向上させることができる。図５に示すように、
である場合、エア・ギャップ磁束密度は緩やかに増加する段階に進入する。

本発明に係る第１の実施例によれば、図２に示すように、各組の装着溝３０は、第１の装着溝３１ａと、第２の装着溝３２ａと、を含み、第１の装着溝３１ａと第２の装着溝３２ａに嵌め込まれる永久磁石２０はそれぞれ、第１の永久磁石２１ａと第２の永久磁石２２ａで、第１の永久磁石２１ａの永久磁石長さと永久磁石幅をそれぞれＬａ１とＨａ１とすると、
である。また、第２の永久磁石２２ａの永久磁石長さと永久磁石幅をそれぞれＬａ２とＨａ２とすると、
であることが好ましい。

図２に示すように、２１と２２はそれぞれ、第１の装着溝３１ａと第２の装着溝３２ａに挿入される第１層の永久磁石と第２層の永久磁石である。回転子の各極がいずれも一定の扇形の面積を有するので、構造上、挿入される弧形の永久磁石の曲率と弧形深さは任意であってもよい。しかし、テスト結果によると、関係式
を満たすように、永久磁石の内弧２１ａ１が両側へ装着溝３１ａまで伸びて交差する両端点間の距離と、永久磁石の外弧２１ａ２の中心点からｄ軸方向に沿って内弧２１ａ１の両端点の接続線からなる仮想直線までの距離Ｈを調整した場合、永久磁石２０の体積が一定すると、永久磁石の磁束を増加できる。図３に示すＨ/Ｌとモーターの効率の曲線は、区間内の複数組のテストデータの平均値であり、Ｈ/Ｌが関係式
を満たす場合、モーターの効率は当該関係式を満たさない場合より高く、当該関係式による効果は、モーターが低速で動作する時に一層著しい。好ましくは、第２の装着溝３２ａ中の第２の永久磁石２２ａの永久磁石長さＬａ２と永久磁石幅Ｈａ２との関係が
を満たす場合、モーターの効率を一層向上させることができる。

本発明に係る第２の実施例によれば、図４に示すように、各組の装着溝３０が、第１の装着溝３１ｂと、第２の装着溝３２ｂと、第３の装着溝３３ｂと、を含み、第１の装着溝３１ｂ、第２の装着溝３２ｂ、及び第３の装着溝３３ｂに嵌め込まれる永久磁石２０がそれぞれ、第１の永久磁石２１ｂ、第２の永久磁石２２ｂ、及び第３の永久磁石２３ｂであり、第１の永久磁石２１ｂの永久磁石長さと永久磁石幅をそれぞれＬｂ１とＨｂ１とすると、
である。また、第２の永久磁石２２ｂの永久磁石長さと永久磁石幅をそれぞれ、Ｌｂ２とＨｂ２とすると、
であることが好ましい。また、第３の永久磁石２３ｂの永久磁石長さと永久磁石幅をそれぞれＬｂ３とＨｂ３とすると、
であることが好ましい。

上記の関係式は好適に２層の永久磁石２０による回転子に適用し、その永久磁石２０の組数は図２に示す６極に限定されず、４極、８極の回転子の場合にも適用する。

図４に示すように、本実施例において、各組の装着溝３０は、それぞれ第１の装着溝３１ｂ、第２の装着溝３２ｂ、第３の装着溝３３ｂである３層の装着溝を含む。テスト結果によると、関係式
を満たすように、永久磁石２１ｂの内弧が両側へ装着溝３１ｂまで伸びて交差する両端点間の距離と、永久磁石２１ｂの外弧の中心点からｄ軸方向に沿って内弧の両端点の接続線からなる仮想直線までの距離Ｈを調整した場合、永久磁石の体積が一定すると、永久磁石の磁束を増加でき、これにより、モーターの永久磁石トルクを高め、最終的に、モーターの効率を向上させる目的を達成できる。図５に示すＨ/Ｌとモーターの効率曲線は、区間内の複数組のテストデータの平均値であって、Ｈ/Ｌが関係式
を満たす場合、モーターの効率は関係式を満たさない場合より高く、当該関係式による効果はモーターが低速で動作するときに一層著しい。好ましくは、第２の装着溝３２ｂ中の第２の永久磁石２２ｂの永久磁石長さＬｂ２と永久磁石幅Ｈｂ２との関係が
を満たす場合、モーターの効率を一層向上させることができる。好ましくは、第３の装着溝３３ｂ中の第２の永久磁石２３ｂの永久磁石長さＬｂ３と永久磁石幅Ｈｂ３との関係が
を満たす場合、モーターの効率を一層向上させることができる。

本実施例における関係式は好適に３層の永久磁石２０による回転子に適用し、その永久磁石２０の組数は図４に示す４極に限定されず、６極、８極の回転子にも適用する。

本発明のモーター回転子における嵌め込まれる永久磁石と貫通溝の形態を、同厚さの弧形に設計してもよいし、中央が厚く両側が薄い、厚さが不均一な弧形に設計してもよい。

本発明は、さらに、上記のモーター回転子を備えるモーターを提供する。
本発明のモーターによれば、永久磁石の長さとその幅との間の関係を限定することによって、永久磁石の体積が一定である場合に永久磁石の磁束利用率及びモーターの永久磁石トルクを向上させ、最終的に、モーターの効率を向上させる目的を達成できる。本発明のモーターがエアコンの圧縮機、電気自動車及び送風機システムに適用できることは言うまでもない。

上述のように、本発明の上記の実施例は、以下の効果を実現できる。
本発明のモーター回転子及びそれを備えるモーターによれば、永久磁石の使用量が一定である場合、モーター回転子の永久磁石トルクの利用率を上げ、モーターの効率を向上させる目的を達成でき、或いは、モーターの効率を不変にする場合、永久磁石の使用量を低減でき、材料を節約し、モーターのコストを低減する目的を達成できる。

以上は、本質的に好ましい例示であって、本発明を限定するものではない。当業者であれば本発明に様々な修正や変形が可能である。本発明の精神や原則内での如何なる修正、置換、改良なども本発明の保護範囲内に含まれる。

Claims (7)

1. 鉄心（１０）と、前記鉄心（１０）の内部に設けられた永久磁石（２０）とを備えるモーター回転子であって、
   前記鉄心（１０）に前記鉄心（１０）の周方向に沿って複数組の装着溝（３０）が設けられ、各組の前記装着溝（３０）はそれぞれ、前記鉄心（１０）の径方向に不連続的に設けられた２つ又は２つ以上の装着溝（３０）を含み、
   前記永久磁石（２０）は複数組あり、各組の前記永久磁石（２０）の中の各永久磁石（２０）は各組の装着溝（３０）の各前記装着溝（３０）に対応して嵌め込まれ、
   前記鉄心（１０）の軸方向に垂直な永久磁石（２０）の断面において、前記永久磁石（２０）の前記鉄心（１０）の中心から遠ざかる側の両端点間の距離を永久磁石の長さＬとし、前記永久磁石（２０）の前記鉄心（１０）の中心から遠ざかる側の両端点間の接続線と前記永久磁石（２０）の前記鉄心（１０）の中心に近寄る側の中心点との間の距離を永久磁石の幅Ｈとすると、
   であることを特徴とするモーター回転子。
2. 各組の前記装着溝（３０）は、第１の装着溝（３１ａ）と、第２の装着溝（３２ａ）と、を含み、前記第１の装着溝（３１ａ）と前記第２の装着溝（３２ａ）に嵌め込まれる前記永久磁石（２０）はそれぞれ、第１の永久磁石（２１ａ）と第２の永久磁石（２２ａ）であって、前記第１の永久磁石（２１ａ）の永久磁石長さと永久磁石幅をそれぞれＬａ１とＨａ１とすると、
   であることを特徴とする請求項１に記載のモーター回転子。
3. 前記第２の永久磁石（２２ａ）の永久磁石長さと永久磁石幅をそれぞれＬａ２とＨａ２とすると、
   であることを特徴とする請求項２に記載のモーター回転子。
4. 各組の前記装着溝（３０）は、第１の装着溝（３１ｂ）と、第２の装着溝（３２ｂ）と、第３の装着溝（３３ｂ）と、を含み、前記第１の装着溝（３１ｂ）、前記第２の装着溝（３２ｂ）、及び前記第３の装着溝（３３ｂ）に嵌め込まれる前記永久磁石（２０）はそれぞれ、第１の永久磁石（２１ｂ）、第２の永久磁石（２２ｂ）、及び第３の永久磁石（２３ｂ）であり、前記第１の永久磁石（２１ｂ）の永久磁石長さと永久磁石幅をそれぞれＬｂ１とＨｂ１とすると、
   であることを特徴とする請求項１に記載のモーター回転子。
5. 前記第２の永久磁石（２２ｂ）の永久磁石長さと永久磁石幅をそれぞれＬｂ２とＨｂ２とすると、
   であることを特徴とする請求項４に記載のモーター回転子。
6. 前記第３の永久磁石（２３ｂ）の永久磁石長さと永久磁石幅をそれぞれＬｂ３とＨｂ３とすると、
   であることを特徴とする請求項４に記載のモーター回転子。
7. 請求項１乃至６のいずれか一つに記載のモーター回転子を備えることを特徴とするモーター。