JP2017046386A - 永久磁石電動機 - Google Patents

Abstract

【課題】スポーク型ＩＰＭ電動機において、固定子を貫く永久磁石の磁束を増やしても、連結部材と回転子鉄心との連結構造（嵌合構造）を形成することができること。【解決手段】回転子２は、磁性体の回転子鉄心２１と、シャフト２２と、回転子鉄心２１とシャフト２２とを連結する非磁性体の連結部材２３と、回転子鉄心２１に放射状に配置された複数の永久磁石２４とを備え、連結部材２３は、外周面２５に回転子鉄心２１に向けて突出する複数の凸部２３２を備え、回転子鉄心２１は、凸部２３２と同数であって内周側が開放されシャフト２２の軸方向からみて長方形形状の回転子鉄心凹部２１１を備え、回転子鉄心凹部２１１は、内周側に凸部２３２と嵌合する連結部材嵌合部２１２と、連結部材嵌合部２１２よりも外周側に永久磁石２４を保持する永久磁石保持部２１３とを備え、凸部２３２と永久磁石２４の内周端面２４１とを隣接させる。【選択図】図３

Description

本発明は、永久磁石電動機に関する。

従来の永久磁石電動機として、複数の永久磁石を回転軸に対して放射状に配置した回転子を有するスポーク型ＩＰＭ（Ｉｎｔｅｒｉｏｒ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ：磁石埋め込み）電動機が知られている。このスポーク型ＩＰＭ電動機の回転子は、円周方向に比べて半径方向に長さを持った直方体形状の永久磁石を配置したものであることから、永久磁石の表面積を増やすことができるため、固定子を貫きトルクの発生に寄与する永久磁石の磁束を増やすことができる。

この種のスポーク型ＩＰＭ電動機の回転子は、例えば、磁性体で形成された回転軸と、非磁性体で形成され回転軸に嵌合される円柱形状のリブ部材（連結部材）と、磁性体で形成されリブ部材に嵌合される円筒形状の回転子鉄心と、回転子鉄心に回転軸に対して放射状に配置される６個の直方体形状の永久磁石とを備えている。

６個の永久磁石は回転子鉄心に円周方向に等間隔に配置されている。リブ部材は、外周面に回転子鉄心に向けて突出する６個の凸部が形成されている。６個の凸部は円周方向に等間隔に形成されている。この凸部の円周方向の幅が永久磁石の円周方向の幅より大きくなっている。また、リブ部材は、凸部の間に６個の凹部が形成されている。回転子鉄心は、内周面にリブ部材に形成された凸部に対応する箇所に、６個の鉄心凹部が形成されている。６個の鉄心凹部は、リブ部材に形成された凸部に嵌合される嵌合部と、嵌合部よりも外径側に永久磁石を保持する保持部とをそれぞれ備えている。この鉄心凹部は、嵌合部の円周方向の幅より保持部の円周方向の幅が小さくなっている。また、回転子鉄心は、鉄心凹部の間に６個の鉄心凸部が形成されている。６個の鉄心凸部は、リブ部材に形成された凹部に嵌合されている。（例えば、特許文献１参照）。

この特許文献１に示すスポーク型ＩＰＭ電動機の回転子は、永久磁石の内周側面をリブ部材に形成された凸部に当接させることで永久磁石の内周側面が非磁性体と隣接する構造になっているため、永久磁石の内周側における漏れ磁束の抑制効果がある。

ところで、このようなスポーク型ＩＰＭ電動機の回転子において、固定子を貫きトルクの発生に寄与する永久磁石の磁束を増やす場合、永久磁石の個数を増やすことが考えられる。これを特許文献１に示すスポーク型ＩＰＭ電動機の回転子に適用すると、永久磁石の個数を増やした分だけリブ部材に形成される凸部の個数が増えるため、単純に永久磁石の個数を増やそうとするとリブ部材に形成される凹部を形成することができず、リブ部材と回転子鉄心との連結構造（嵌合構造）を形成することができなくなる場合があった。この場合、回転子の回転時にリブ部材と回転子鉄心との位置ずれが生じる可能性があった。

特開２０１４−７８３３号公報

本発明は上記問題点に鑑み、永久磁石の内周側における漏れ磁束を抑制するスポーク型ＩＰＭ電動機の回転子において、固定子を貫く永久磁石の磁束を増やすために永久磁石の個数を増やしても、連結部材と回転子鉄心との連結構造（嵌合構造）を形成することができる永久磁石電動機を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の永久磁石電動機は、回転子と回転子の外周面に所定の間隔をもって対向するように配置された固定子とを備え、回転子は、磁性体で形成された円筒形状の回転子鉄心と、磁性体で形成され回転子鉄心の中心軸に沿って配置されたシャフトと、非磁性体で形成され回転子鉄心とシャフトとを連結する円柱形状の連結部材と、回転子鉄心に放射状に配置された複数の直方体形状の永久磁石とを備え、連結部材は、外周面に回転子鉄心に向けて突出し円周方向に等間隔に形成された複数の凸部を備え、回転子鉄心は、凸部と同数であって内周側が開放されシャフトの軸方向からみて長方形形状の回転子鉄心凹部を備え、回転子鉄心凹部は、内周側に凸部と嵌合する連結部材嵌合部と、連結部材嵌合部よりも外周側に永久磁石を保持する永久磁石保持部とを備え、凸部と永久磁石の内周端面とを隣接させることを特徴とする。

本発明の永久磁石電動機によれば、固定子を貫く永久磁石の磁束を増やすために永久磁石の個数を増やしても、連結部材と回転子鉄心との連結構造（嵌合構造）を形成することができる。

本発明の永久磁石電動機を示す斜視図である。 本発明の永久磁石電動機を示す断面図である。 図２における固定子と回転子の一部を示す拡大図である。 本発明の永久磁石電動機の他の実施例を示す斜視図である。 本発明の永久磁石電動機の他の実施例を示す断面図である。 図５における固定子と回転子の一部を示す拡大図である。 他の実施例による回転子の一部を示す拡大図である。 図５における固定子と回転子の一部の磁束密度分布を示す拡大図である。

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づき詳細に説明する。図１乃至図８は、本実施形態における永久磁石電動機を説明する図である。この永久磁石電動機Ｍは、回転磁界を発生する固定子１内に永久磁石２４を備える回転子２を回転可能に配置したインナーロータ型モータであり、例えば、空気調和機に搭載する送風ファンを回転駆動するためのブラシレスＤＣモータとして用いられる。また、本実施形態における永久磁石電動機Ｍは、回転子鉄心２１に複数の永久磁石２４をシャフト２２に対して放射状に配置する回転子２を備えるスポーク型ＩＰＭ（ＩＰＭ：磁石埋め込み）電動機である。

本実施形態による永久磁石電動機Ｍは、図１乃至図３に示すように、固定子１は、固定子鉄心１１と固定子巻線１２とを備えている。固定子鉄心１１は、薄い鋼板を複数積層して円筒形状に形成された積層構造体であり、環状のバックヨーク部１１１とバックヨーク部１１１から内径側に延びる複数（１２個）のティース部１１２とを備えている。この固定子鉄心１１には、インシュレータ（図示省略）を介してティース部１１２に固定子巻線１２が巻回されている。

このように構成された固定子１は、固定子巻線１２が巻回されたティース部１１２の先端面１１３が回転子２の外周面２５に所定の間隔（いわゆるエアギャップ）をもって対向するように配置されている。永久磁石電動機Ｍは、例えば、回転子２に備えたシャフト２２に送風ファン（図示省略）が連結されて空気調和機の室外機に搭載されている。

回転子２は、円筒形状の回転子鉄心２１と、回転子鉄心２１の中心軸Ｏに沿って配置されたシャフト２２と、回転子鉄心２１とシャフト２２とを連結する円柱形状の連結部材２３と、回転子鉄心２１に放射状に配置された複数（８個）の直方体形状の永久磁石２４とを備えている。

シャフト２２は、磁性体で形成され、連結部材２３に固定されている。永久磁石２４は、円周方向の長さ（厚さ）に比べて半径方向の長さが長いフェライト磁石であり、隣接する永久磁石２４同士では同極が対向するように配置されている。

連結部材２３は、非磁性体で形成されている。連結部材２３は、中心にシャフト２２の軸方向に貫通する貫通孔２３１を備え、シャフト２２を貫通孔２３１に圧入することでシャフト２２と連結されている。連結部材２３は、外周面に回転子鉄心２１に向けて突出し円周方向に等間隔に形成された複数（８個）の凸部２３２と、複数（８個）の凸部２３２の間に形成された複数（８個）の凹部２３３とを備えている。

回転子鉄心２１は、磁性体である薄い鋼板を複数積層した積層構造体からなっている。回転子鉄心２１は、連結部材２３の凸部２３２と同数（８個）であって、内周側が開放されシャフト２２の軸方向からみて長方形形状に貫通した回転子鉄心凹部２１１と、複数（８個）の回転子鉄心凹部２１１の間に形成された複数（８個）の回転子鉄心凸部２１４とを備えている。回転子鉄心凹部２１１は、内周側に連結部材２３の凸部２３２と嵌合する連結部材嵌合部２１２と、連結部材嵌合部２１２よりも外周側に永久磁石２４を保持する永久磁石保持部２１３とを備えている。この回転子鉄心凹部２１１は、連結部材嵌合部２１２の円周方向の幅と永久磁石保持部２１３の円周方向の幅が等しくなっている。

回転子鉄心２１は、回転子鉄心凹部２１１が連結部材２３の凸部２３２に連結（嵌合）され、回転子鉄心凸部２１４が連結部材２３の凹部２３３に連結（嵌合）され、これにより、回転子鉄心２１と連結部材２３とが連結（嵌合）される構造となっている。また、連結部材２３の凸部２３２に連結（嵌合）された回転子鉄心凹部２１１内に永久磁石２４が保持された構造となっている。さらに、連結部材２３の凸部２３２の円周方向の幅Ｗ１が永久磁石２４の円周方向の幅Ｗ２に対応した幅に形成されており、連結部材嵌合部２１２に嵌合された連結部材２３の凸部２３２が永久磁石保持部２１３に保持された永久磁石２４の内周端面２４１に隣接されている。

以上説明してきた本実施形態による永久磁石電動機Ｍによれば、永久磁石２４の内周端面２４１に非磁性体である連結部材２３の凸部２３２が隣接されている。この結果、永久磁石２４の内周側の磁気抵抗が大きくなり、永久磁石２４の内周側における漏れ磁束を抑制することができる。また、連結部材２３の凸部２３２に連結（嵌合）された回転子鉄心凹部２１１内に永久磁石２４が保持された構造となっている。この結果、固定子１を貫きトルクの発生に寄与する永久磁石２４の磁束を増やすため、永久磁石２４の個数を増やして永久磁石２４の表面積を増やす場合、連結部材２３の凸部２３２の個数が増えるが、連結部材２３の凹部２３３を形成することができる。これは、永久磁石２４の内周側が永久磁石２４同士で接触することなく一定間隔を確保できれば、永久磁石２４の個数を増やせる範囲において連結部材２３の凹部２３３を形成することができ、連結部材２３と回転子鉄心２１との連結構造（嵌合構造）を形成することができる。

次に、本実施形態による永久磁石電動機Ｍの回転子２の他の実施例について図４乃至図７を用いて説明する。この回転子２は、前述の回転子２とは、回転子鉄心２１と連結部材２３が相違するため、回転子鉄心２１と連結部材２３のみ説明し、前述の実施例と同じ構成要素には同じ番号を付し説明を省略する。

本実施例による連結部材２３は、図４乃至図７に示すように、凸部２３２が、永久磁石２４の内周端面２４１に隣接する位置の円周方向の幅Ｗ１よりも永久磁石２４の内周端面２４１から離れた位置の円周方向の幅Ｗ１１が小さくなったＴ字形状に形成されている。つまり、連結部材２３の凸部２３２は、径方向外側を幅Ｗ１に形成した頭部２３２ａと径方向内側を幅Ｗ１１に形成した首部２３２ｂとを備えている。

回転子鉄心２１は、図４乃至図７に示すように、永久磁石２４と同数（８個）の分割鉄心２１７から構成されたものであり、回転子鉄心２１の回転子鉄心凹部２１５は、内周側および外周側が開放された形状になっている。回転子鉄心凹部２１５の外周側は、両端に永久磁石２４の外周端面２４２を保持する外周壁２１６が形成されている。

回転子鉄心凹部２１５は、連結部材２３の凸部２３２と嵌合する連結部材嵌合部２１２が、永久磁石保持部２１３に隣接する位置の円周方向の幅Ｗ３よりも永久磁石保持部２１３から離れた位置の円周方向の幅Ｗ３１が小さくなった形状に形成されている。つまり、連結部材嵌合部２１２は、連結部材２３の凸部２３２に備えた頭部２３２ａおよび首部２３２ｂに沿った形状に形成されている。連結部材２３の凹部２３３と回転子鉄心凸部２１４についても、それぞれが頭部２３２ａおよび首部２３２ｂに沿った形状に形成されている。

回転子鉄心２１は、前述の実施例と同様に、連結部材２３の凸部２３２の頭部２３２ａおよび首部２３２ｂに沿った形状に形成された回転子鉄心凹部２１５の連結部材嵌合部２１２が連結部材２３の凸部２３２に連結（嵌合）され、頭部２３２ａおよび首部２３２ｂに沿った形状に形成された回転子鉄心凸部２１４が連結部材２３の凹部２３３に連結（嵌合）される構造となっている。これにより、この回転子２は、前述の実施例と同様に、連結部材２３の凸部２３２に連結（嵌合）された回転子鉄心凹部２１５内に永久磁石２４が保持された構造となっており、連結部材嵌合部２１２に嵌合された連結部材２３の凸部２３２が永久磁石保持部２１３に保持された永久磁石２４の内周端面２４１に隣接されている。

以上説明してきた他の実施例による回転子２においても、前述の実施形態による永久磁石電動機Ｍと同様に、図８に示すように、永久磁石２４の内周側における漏れ磁束を抑制することができる。また、前述の実施形態による永久磁石電動機Ｍと同様に、固定子１を貫きトルクの発生に寄与する永久磁石２４の磁束を増やしても、連結部材２３の凹部２３３を形成することができ、連結部材２３と回転子鉄心２１との連結構造（嵌合構造）を形成することができる。

なお、図６に示す実施例では、連結部材２３の凸部２３２の頭部２３２ａと首部２３２ｂとは、頭部２３２ａの両側から首部２３２ｂの両側に向けて傾斜するように一体形成されている。この結果、頭部２３２ａと首部２３２ｂに沿った形状に形成された連結部材嵌合部２１２は、その両端には永久磁石保持部２１３との境界部分に段差が形成されるため、この段差部分で永久磁石２４の内周端面２４１が引っかかる（保持される）。また、図６の実施例を一部変形した図７に示す実施例では、連結部材２３の凸部２３２の頭部２３２ａと首部２３２ｂとは、頭部２３２ａを首部２３２ｂに向けて厚みＨを持たせた上で、頭部２３２ａの両側から首部２３２ｂの両側に向けて傾斜するように一体形成されている。

図６および図７に示す実施例では、頭部２３２ａと首部２３２ｂの間に傾斜するように一体形成されているため、回転子２の回転時に作用する応力の集中を低減するようにしている。図６に示す実施例では、頭部２３２ａの両側が尖っているため、分割鉄心２１７と永久磁石２４が接近する部分ができ、頭部２３２ａの両側に小さな磁路が形成されるおそれがあるが、図７に示す実施例では、頭部２３２ａの両側が尖っていないため、頭部２３２ａの両側に小さな磁路が形成されるのを防止するようにしている。

Ｍ 永久磁石電動機
Ｏ 中心軸
Ｗ１ 凸部２３２の円周方向の幅（永久磁石２４の内周端面２４１に隣接する位置の凸部２３２の円周方向の幅）
Ｗ１１ 永久磁石２４の内周端面２４１から離れた位置の凸部２３２の円周方向の幅
Ｗ２ 永久磁石２４の円周方向の幅
Ｗ３ 永久磁石保持部２１３に隣接する位置の連結部材嵌合部２１２の円周方向の幅
Ｗ３１ 永久磁石保持部２１３から離れた位置の連結部材嵌合部２１２の円周方向の幅
Ｈ 頭部２３２ａの厚み
１ 固定子
１１ 固定子鉄心
１１１ バックヨーク部
１１２ ティース部
１１３ 先端面
１２ 固定子巻線
２ 回転子
２１ 回転子鉄心
２１１ 回転子鉄心凹部
２１２ 連結部材嵌合部
２１３ 永久磁石保持部
２１４ 回転子鉄心凸部
２１５ 回転子鉄心凹部
２１６ 外周壁
２１７ 分割鉄心
２２ シャフト
２３ 連結部材
２３１ 貫通孔
２３２ 凸部
２３２ａ 頭部
２３２ｂ 首部
２３３ 凹部
２４ 永久磁石
２４１ 内周端面
２４２ 外周端面
２５ 外周面

Claims (2)

1. 回転子と前記回転子の外周面に所定の間隔をもって対向するように配置された固定子とを備え、
   前記回転子は、磁性体で形成された円筒形状の回転子鉄心と、磁性体で形成され前記回転子鉄心の中心軸に沿って配置されたシャフトと、非磁性体で形成され前記回転子鉄心と前記シャフトとを連結する円柱形状の連結部材と、前記回転子鉄心に放射状に配置された複数の直方体形状の永久磁石とを備え、
   前記連結部材は、外周面に前記回転子鉄心に向けて突出し円周方向に等間隔に形成された複数の凸部を備え、
   前記回転子鉄心は、前記凸部と同数であって内周側が開放され前記シャフトの軸方向からみて長方形形状の回転子鉄心凹部を備え、
   前記回転子鉄心凹部は、内周側に前記凸部と嵌合する連結部材嵌合部と、前記連結部材嵌合部よりも外周側に前記永久磁石を保持する永久磁石保持部とを備え、
   前記凸部と前記永久磁石の内周端面とを隣接させることを特徴とする永久磁石電動機。
2. 前記凸部は、前記永久磁石の内周端面に隣接する位置の円周方向の幅よりも前記永久磁石の内周端面から離れた位置の円周方向の幅が小さくなっており、
   前記連結部材嵌合部は、前記永久磁石保持部に隣接する位置の円周方向の幅よりも前記永久磁石保持部から離れた位置の円周方向の幅が小さくなっていることを特徴とする請求項１に記載の永久磁石電動機。

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