JP2015154533A

JP2015154533A - 電動機

Info

Publication number: JP2015154533A
Application number: JP2014024534A
Authority: JP
Inventors: 周平玉村; Shuhei Tamamura
Original assignee: WOLONG; Wolong Motor Control Technology Co Ltd
Current assignee: WOLONG; Wolong Motor Control Technology Co Ltd
Priority date: 2014-02-12
Filing date: 2014-02-12
Publication date: 2015-08-24

Abstract

【課題】従来に比して出力トルクを向上させることが可能な電動機を提供する。【解決手段】インナーロータ型の電動機１において、永久磁石２２の配向中心Ｃを、回転子２の回転中心Ｏから対象の永久磁石２２の外周面までの距離Ｒ１の１．２倍以上１．８倍以下の距離だけ回転中心Ｏから離隔した位置とする。また、回転中心Ｏと配向中心Ｃとの間の距離Ｄは、ヨーク部３１の内側端と回転中心Ｏとの間の距離Ｒ２の０．８倍以上、１．４倍以下することが好ましく、距離Ｒ２の０．８倍以上、１．１倍以下することがさらに好ましい。【選択図】図２

Description

本発明は、回転子に永久磁石が設けられたインナーロータ型電動機に関する。

特許文献１には、インナーロータ型電動機用の回転子が開示されている。この回転子は、円柱状のロータコアの外周面に、周方向の断面が円弧状台形をなす方形ブロックの永久磁石が周方向に複数取り付けられて構成されている。特許文献１に記載された回転子が円筒形状の固定子によって囲繞されることで、インナーロータ型の電動機が構成される。

かかるインナーロータ型の電動機では、ロータの回転中心から放射方向に磁化配向させたラジアル磁石が一般的に用いられている。

特開２０１３−９０４３３号公報

例えば空気調和機に用いられる電動機では、小型でありながら出力トルクが大きいものが望まれる。しかしながら、ラジアル磁石を用いたインナーロータ型の電動機では、トルクを向上させることが難しかった。

本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、その主たる目的は、上記課題を解決することができる電動機を提供することにある。

上述した課題を解決するために、本発明の一の態様の電動機は、回転可能であり、複数の永久磁石が回転方向に配置された回転子と、前記回転子を囲繞するように複数配置されたコイルを具備する固定子と、を備え、前記永久磁石の磁気配向の中心が、前記回転子の外周面と回転中心との間の距離の１．２倍以上１．８倍以下の距離だけ前記回転中心から離隔した位置に設けられている。

この態様において、前記固定子は、円筒形のヨーク部と、前記ヨーク部の内側端から前記回転子の回転方向に複数突設されたティース部と、前記ティース部に導線が巻回された前記コイルとを具備し、前記永久磁石の磁気配向の中心が、前記ヨーク部の内側端と前記回転中心との間の距離の０．８倍以上１．４倍以下の距離だけ前記回転中心から離隔した位置に設けられていてもよい。

また、上記態様において、前記永久磁石の磁気配向の中心が、前記ヨーク部の内側端と前記回転中心との間の距離の０．８倍以上１．１倍以下の距離だけ前記回転中心から離隔した位置に設けられていてもよい。

また、上記態様において、前記回転子は、回転可能なロータコアを具備し、前記ロータコアの外周面に前記複数の永久磁石が取り付けられており、前記回転子の外周面と前記回転中心との間の距離は、前記永久磁石の外周面のうち前記回転中心から最も離れた位置と前記回転中心との間の距離であってもよい。

また、上記態様において、前記回転子は、回転可能なロータコアを具備し、前記ロータコアの外周面に前記複数の永久磁石が取り付けられており、前記回転子の外周面と前記回転中心との間の距離は、前記永久磁石の回転方向中央における前記永久磁石の外側端と前記回転中心との間の距離であってもよい。

また、上記態様において、前記永久磁石の磁気配向の中心が、前記回転中心と前記永久磁石の回転方向一端とを通る第１の直線と、前記回転中心と前記永久磁石の回転方向他端とを通る第２の直線との間の範囲に設けられていてもよい。

また、上記態様において、前記永久磁石の磁気配向の中心が、前記回転中心と前記永久磁石の回転方向中央位置とを通る第３の直線上に設けられていてもよい。

本発明に係る電動機によれば、従来に比して出力トルクを向上させることが可能となる。

実施の形態に係る電動機の構成を示す側面断面図。実施の形態に係る電動機の永久磁石の磁気配向を説明するための模式図。配向中心が永久磁石に近接した場合の磁束の向きを説明するための模式図。性能評価試験の結果を示すグラフ。実施の形態に係る電動機を使用した空気調和機の構成を示す模式図。配向中心の位置の変形例を示す模式図。

以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。

図１は、本実施の形態に係る電動機の内部構成を示す側面図である。なお、以下の説明では、電動機の回転中心軸の軸長方向を「軸長方向」、電動機の回転半径方向を「径方向」、電動機の回転方向を「周方向」という。

本実施の形態に係る電動機１は、インナーロータ型の電動機であり、さらに詳しくはＳＰＭモータ（Surface Permanent Magnet Motor）である。当該電動機１は、回転子２と、固定子３とを備えている。

回転子２は、概略円筒状のロータコア２１と、複数（図１では８個）の永久磁石２２とを具備する。各永久磁石２２は、ロータコア２１の外周面上において、周方向に等間隔に配置されている。また、永久磁石２２は、ロータコア２１の外周面に接着剤等によって固着されている。

永久磁石２２は、円弧状に湾曲した板状をなしており、その円弧が回転子２の回転中心周りの円に沿うように配置されている。つまり、各永久磁石２２によって円が形成されているが、各永久磁石２２の円弧形状は、この円に沿っている。

また、永久磁石２２の外周面は、周方向両端が丸みを帯びるように形成されており、その厚さ（径方向の長さ）が、周方向中央位置において最も大きく、周方向両端に近づくにしたがって徐々に小さくなっている。このため、永久磁石２２の外周面と回転子２の回転中心との間の距離は、永久磁石２２の周方向中央位置において最大となる。以下、この距離を「回転子外径」という。

また、ロータコア２１の中空部分には、図示しない回転軸が挿入されている。回転軸とロータコア２１とは固着されており、回転子２は回転軸と一体的に回転可能となっている。

固定子３は、概略円筒状をなしており、回転子２を囲繞している。固定子３は、図示しないハウジングに覆われた状態で固着されている。かかる固定子３と回転子２とは、互いに相対的に回転可能である。

固定子３は、円筒状をなすヨーク部３１と、ヨーク部３１の内周面において、周方向に等間隔に配置された複数（図１では１２個）のティース部３２と、各ティース部３２に導線が巻回された複数（図１では１２個）のコイル３３とを有している。

ヨーク部３１は、側面断面視が円弧状に湾曲した板状部３１０が繋ぎ合わされて構成されている。また、各板状部３１０の凹状に湾曲した内側面には、周方向中央位置からティース部３２が内側（つまり、回転子２の回転中心に向かう側）へと突設されている。即ち、板状部３１０とティース部３２とは一対一に対応している。

ティース部３２は、径方向に延びる直線部３２１と、直線部３２１の内側端から周方向両側に延びる内側端部３２２とを具備する。内側端部３２２は、隣り合うティース部３２の内側端部３２２と僅かな隙間を介して近接しており、各内側端部３２２が側面視において円を形成するように配置されている。

コイル３３は、ティース部３２の直線部３２１に導線が巻回されることにより構成されている。

次に、永久磁石２２の磁気配向について説明する。図２は、本実施の形態に係る電動機１の永久磁石２２の磁気配向を説明するための模式図である。なお、図２では、コイル３３を省略している。

図２において破線で示すように、各永久磁石２２は、回転子２の回転中心Ｏと当該永久磁石２２の周方向中心位置とを通る直線２２ａ上に配向中心Ｃが位置するよう、磁気配向される。この配向中心Ｃは、回転子２の外周面よりも径方向外側、即ち、当該永久磁石２２の外周面よりも径方向外側に位置づけられる。

さらに詳細に配向中心Ｃについて説明する。配向中心Ｃは、回転中心Ｏからの距離Ｄが、回転子外径Ｒ１の１．２倍以上１．８倍以下の位置に設けられている。この範囲に配向中心Ｃを設定することによって、配向中心Ｃにおける永久磁石２２の磁束量が非常に大きくなる。

距離Ｄが回転子外径Ｒ１の１．０倍以上１．２倍未満の場合、配向中心Ｃの位置が永久磁石２２に近接する。図３は、配向中心Ｃが永久磁石２２に近接した場合の磁束の向きを説明するための模式図である。配向中心Ｃが永久磁石２２に近接すると、図中矢印で示すように磁束がティース部３２の径方向内側端に集中する。このため、磁気飽和が生じ、電動機１の損失が悪化する可能性がある。

距離Ｄを回転子外径Ｒ１の１．２倍以上、１．８倍以下に設定することにより、上記のような無駄な損失を減ずることができ、また、固定子３を錯交しない漏れ磁束を減ずることができる。つまり、固定子３を錯交する磁束量を多くすることができるため、トルクを向上させることができる。

また、配向中心Ｃは、回転中心Ｏからの距離Ｄが、回転中心Ｏからヨーク部３１の内周面までの距離（以下「ヨーク部内径」という。）Ｒ２の０．８倍以上１．４倍以下の位置に設けられていることが好ましい。また、配向中心Ｃは、回転中心Ｏからの距離Ｄが、ヨーク部内径Ｒ２の０．８倍以上１．１倍以下の位置に設けられることがさらに好ましい。このように、配向中心Ｃをヨーク部３１とティース部３２との接続部付近に位置づけることで、固定子３を錯交する磁束量が多くなるため、トルク向上の効果を大きくすることができる。

電動機１の寸法仕様の例を下表に示す。仕様Ａでは、回転子外径Ｒ１が３４．７５ｍｍであり、ヨーク部内径Ｒ２が４９．５ｍｍである。この仕様Ａの場合、配向中心Ｃと回転中心Ｏとの距離Ｄが４１．７ｍｍ（回転子外径Ｒ１の１．２倍だけ回転中心Ｏから隔てた位置に配向中心Ｃを設ける）以上、６２．５５ｍｍ（回転子外径Ｒ１の１．８倍だけ回転中心Ｏから隔てた位置に配向中心Ｃを設ける）以下とされることで、適切な磁束量を得ることができる。

上述したように、配向中心Ｃの位置がヨーク部３１とティース部３２との接続部付近であれば、出力トルクが向上するため好ましい。仕様Ａの場合、ヨーク部内径Ｒ２の０．８倍だけ回転中心Ｏから隔てた位置に配向中心Ｃを設定すると、回転中心Ｏと配向中心Ｃとの間の距離Ｄが３９．６ｍｍとなる。これは、回転子外径Ｒ１に基づく距離Ｄの範囲の下限値である４１．７ｍｍよりも小さい。したがって、距離Ｄをヨーク部内径Ｒ２の０．８倍以上とすることを考慮しても、距離Ｄの好ましい範囲の下限値は、結局４１．７ｍｍとなる。

仕様Ａの場合、ヨーク部内径Ｒ２の１．４倍だけ回転中心Ｏから隔てた位置に配向中心Ｃを設定すると、距離Ｄが６９．３ｍｍとなる。これは、回転子Ｒ１に基づく距離Ｄの範囲の上限値である６２．５５ｍｍよりも大きい。したがって、距離Ｄをヨーク部内径Ｒ２の１．４倍以下とすることを考慮しても、距離Ｄの好ましい範囲の上限値は、結局６２．５５ｍｍとなる。

さらに、距離Ｄをヨーク部内径Ｒ２の１．１倍以下とすることについても検討する。仕様Ａの場合、ヨーク部内径Ｒ２の１．１倍だけ回転中心Ｏから隔てた位置に配向中心Ｃを設定すると、距離Ｄが５４．４５ｍｍとなる。これは、上述した距離Ｄの範囲の下限値（４１．７ｍｍ）と上限値（６２．５５ｍｍ）の間である。このため、仕様Ａの場合、距離Ｄをヨーク部内径Ｒ２の１．１倍以下とすることを考慮すると、距離Ｄの範囲の上限値を５４．４５ｍｍとすることがさらに好ましい。

次に、仕様Ｂについて説明する。仕様Ｂでは、回転子外径Ｒ１が２５ｍｍであり、ヨーク部内径Ｒ２が３９．５ｍｍである。仕様Ｂの場合、配向中心Ｃと回転中心Ｏとの距離Ｄが３０ｍｍ（回転子外径Ｒ１の１．２倍だけ回転中心Ｏから隔てた位置に配向中心Ｃを設ける）以上、４５ｍｍ（回転子外径Ｒ１の１．８倍だけ回転中心Ｏから隔てた位置に配向中心Ｃを設ける）以下とされることで、適切な磁束量を得ることができる。

また、仕様Ｂの場合、ヨーク部内径Ｒ２の０．８倍だけ回転中心Ｏから隔てた位置に配向中心Ｃを設定すると、距離Ｄが３１．６ｍｍとなる。これは、上述した回転子外径Ｒ１に基づく距離Ｄの範囲内である。したがって、仕様Ｂの場合、距離Ｄをヨーク部内径Ｒ２の０．８倍以上とすることを考慮すると、距離Ｄの範囲の下限値を３１．６ｍｍとすることがさらに好ましい。

仕様Ｂの場合、ヨーク部内径Ｒ２の１．４倍だけ回転中心Ｏから隔てた位置に配向中心Ｃを設定すると、距離Ｄが５５．３ｍｍとなる。これは、上述した距離Ｄの範囲の上限値である４５ｍｍよりも大きい。したがって、距離Ｄをヨーク部内径Ｒ２の１．４倍以下とすることを考慮しても、距離Ｄの好ましい範囲の上限値は、結局４５ｍｍとなる。

さらに、仕様Ｂの場合、ヨーク部内径Ｒ２の１．１倍だけ回転中心Ｏから隔てた位置に配向中心Ｃを設定すると、距離Ｄが４３．４５ｍｍとなる。これは、上述した距離Ｄの範囲の下限値（３１．６ｍｍ）と上限値（４５ｍｍ）との間である。このため、仕様Ｂの場合、距離Ｄをヨーク部内径Ｒ２の１．１倍以下とすることを考慮すると、距離Ｄの範囲の上限値を４３．４５ｍｍとすることがさらに好ましい。

＜性能評価試験＞
上記の仕様Ｂの電動機について、直線２２ａ上で配向中心Ｃの位置を変化させて、ラジアル配向に対するトルク定数比を調べた。図４は、性能評価試験の結果を示すグラフである。図４において、縦軸はトルク定数比を示し、横軸は配向中心Ｃの位置を示している。なお、図４のグラフでは、配向中心Ｃの位置として、回転子外径Ｒ１に対する回転中心Ｏと配向中心Ｃとの距離Ｄの割合、即ち、距離Ｄが回転子外径Ｒ１の何倍であるかを用いている。

図４における横軸の値が“０”のときは、配向中心Ｃと回転中心Ｏとが一致している、即ち、ラジアル配向であることを意味する。また、横軸の値が負のときは、配向中心Ｃが回転中心Ｏを挟んで対象の永久磁石２２の反対側に位置していることを意味する。

図４を参照すると分かるように、ラジアル配向のときにはトルク定数比が０％であり、横軸が負のときにはトルク定数比が概ね０乃至３％となっている。つまり、配向中心Ｃが回転中心Ｏに対して対象の永久磁石２２とは反対側の位置にある場合には、ラジアル配向に比べて固定子３を錯交する磁束量が増えるため、若干トルク定数比が向上している。

距離Ｄが回転子外径Ｒ１の０倍より大きくなると、即ち、配向中心Ｃが回転中心Ｏから径方向外側に対象の永久磁石２２へと近づいていくと、トルク定数比は減少し、負の値を取る。横軸の値が０．４のとき、即ち、距離Ｄが回転子外径Ｒ１の０．４倍のとき、トルク定数比は−６．７となる。距離Ｄが回転子外径Ｒ１の０倍乃至１．０倍付近のとき、即ち、配向中心Ｃが回転中心Ｏと対象の永久磁石２２との間にあるときには、トルク定数比が負の値を取ると推定される。

距離Ｄが回転子外径Ｒ１の１．２乃至１．６倍のときには、トルク定数比が約８乃至１０となっている。また、横軸が∞のとき、即ち、永久磁石２２の磁気配向がパラレル配向であるときには、トルク定数比が６．４となっている。パラレル配向のときでもトルク定数比は向上しているが、距離Ｄが回転子外径Ｒ１の１．２乃至１．６倍のときは、パラレル配向よりも高いトルク定数比が得られている。

磁気配向がパラレル配向に近づくほど、つまり配向中心Ｃの位置が、回転中心Ｏから対象の永久磁石２２側に離れていくほど、トルク定数比はパラレル配向の場合に近づくと推定される。また、電動機１の構造上、ヨーク部３１が永久磁石２２からさほど離れた位置に設けられることはないことから、距離Ｄが回転子外径Ｒ１の１．２以上１．８以下の場合に、概ね７乃至８以上の良好なトルク定数比を得ることができると思われる。

本実施の形態に係る電動機１は、空気調和機の室内機及び室外機に使用することが可能である。図５は、本実施の形態に係る電動機１を使用した空気調和機の構成を示す模式図である。図５に示すように、空気調和機１００の室内機１１０におけるファン１１１を駆動するためのモータ１１２として、本実施の形態に係る電動機１を使用することができる。また、空気調和機１００の室外機１２０におけるファン１２１を駆動するためのモータ１２２として、本実施の形態に係る電動機１を使用することもできる。

（その他の実施の形態）
なお、上述した実施の形態においては、回転子２の外周に永久磁石２２が配置されたＳＰＭモータの場合について述べたが、これに限定されるものではない。回転子に永久磁石が埋め込まれたＩＰＭモータ（Interior Permanent Magnet Motor）において、回転中心から永久磁石の配向中心までの距離を回転子外径の１．２倍以上１．８倍以下とすることもできる。この場合、回転子外径は、回転中心から永久磁石の外周面上の位置までの距離ではなく、回転中心から回転子外周面上の位置（回転子外周面のうち回転中心から最も離れた位置）までの距離となる。但し、ＩＰＭモータでは、永久磁石からロータコアの鉄心を通って固定子へと磁束が流れるため、磁束の向きがティース部に集中するように矯正されやすい。これに対してＳＰＭモータでは磁束の向きが矯正されにくく、上述したように磁気配向を設定することによるトルク向上の効果がＩＰＭモータの場合よりも高い。

また、上述した実施の形態においては、回転中心Ｏと永久磁石２２の周方向中心位置とを通る直線２２ａ上に配向中心Ｃを設ける構成について述べたが、これに限定されるものではない。回転中心Ｏから配向中心Ｃまでの距離が回転子外径Ｒ１の１．２倍以上１．８倍以下となるのであれば、直線２２ａから外れた位置に配向中心Ｃを設けることも可能である。

図６は、配向中心Ｃの位置の変形例を示す模式図である。永久磁石２２から配向中心Ｃが離れるほど、電動機の出力トルクは低下する。このため、配向中心Ｃは、径方向だけでなく周方向にも永久磁石２２から離れないことが好ましい。より好適には、図６に示すように、永久磁石２２の一端（図中左側端）と回転中心Ｏとを通る直線２２ｂと、永久磁石２２の他端（図中右側端）と回転中心Ｏとを通る直線２２ｃとの間（図中斜線で示す範囲）に、配向中心Ｃが設けられる。

本発明の電動機は、回転子に永久磁石が設けられたインナーロータ型電動機として有用である。

１電動機
２回転子
２１ロータコア
２２永久磁石
２２ａ直線
３固定子
３１ヨーク部
３１０板状部
３２ティース部
３３コイル
３２１直線部
３２２内側端部

Claims

回転可能であり、複数の永久磁石が回転方向に配置された回転子と、
前記回転子を囲繞するように複数配置されたコイルを具備する固定子と、
を備え、
前記永久磁石の磁気配向の中心が、前記回転子の外周面と回転中心との間の距離の１．２倍以上１．８倍以下の距離だけ前記回転中心から離隔した位置に設けられている、
電動機。
前記固定子は、円筒形のヨーク部と、前記ヨーク部の内側端から前記回転子の回転方向に複数突設されたティース部と、前記ティース部に導線が巻回された前記コイルとを具備し、
前記永久磁石の磁気配向の中心が、前記ヨーク部の内側端と前記回転中心との間の距離の０．８倍以上１．４倍以下の距離だけ前記回転中心から離隔した位置に設けられている、
請求項１に記載の電動機。
前記永久磁石の磁気配向の中心が、前記ヨーク部の内側端と前記回転中心との間の距離の０．８倍以上１．１倍以下の距離だけ前記回転中心から離隔した位置に設けられている、
請求項２に記載の電動機。
前記回転子は、回転可能なロータコアを具備し、前記ロータコアの外周面に前記複数の永久磁石が取り付けられており、
前記回転子の外周面と前記回転中心との間の距離は、前記永久磁石の外周面のうち前記回転中心から最も離れた位置と前記回転中心との間の距離である、
請求項１乃至３の何れかに記載の電動機。
前記回転子は、回転可能なロータコアを具備し、前記ロータコアの外周面に前記複数の永久磁石が取り付けられており、
前記回転子の外周面と前記回転中心との間の距離は、前記永久磁石の回転方向中央における前記永久磁石の外側端と前記回転中心との間の距離である、
請求項１乃至３の何れかに記載の電動機。
前記永久磁石の磁気配向の中心が、前記回転中心と前記永久磁石の回転方向一端とを通る第１の直線と、前記回転中心と前記永久磁石の回転方向他端とを通る第２の直線との間の範囲に設けられている、
請求項１乃至５の何れかに記載の電動機。
前記永久磁石の磁気配向の中心が、前記回転中心と前記永久磁石の回転方向中央位置とを通る第３の直線上に設けられている、
請求項６に記載の電動機。