JP2020005459A - 永久磁石モータ及び回転子 - Google Patents

Abstract

【課題】高速回転時にも回転子コアの変形や破断を防止することができるとともに、固定子の巻線において滑らかな誘起電圧波形を得ることが可能な永久磁石モータ及び回転子を提供する。【解決手段】回転子は、回転子コアの外周側に埋め込まれた外周側永久磁石と、回転子コアの内周側に埋め込まれた内周側永久磁石と、を備え、内周側永久磁石は、回転子コアの周方向に離間した内周側第１永久磁石と内周側第２永久磁石とを備え、外周側永久磁石は、回転子コアの周方向において内周側第１永久磁石及び内周側第２永久磁石と重なるように配置され、内周側第１永久磁石と内周側第２永久磁石との間における回転子コアの第１部分が、前記回転子の遠心力に抗して前記回転子の形状を保持可能とする幅を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、永久磁石モータ及び回転子に関する。

永久磁石モータは、従来の誘導モータでは必須の構成要素である励磁回路が不要になることから、誘導モータに比べて小型かつ高効率であり、近年の磁石性能向上や価格低下とともに普及が進んでいる。永久磁石モータにおける回転子の種類には、回転子表面に永久磁石を貼り付けた構造のＳＰＭ型と、電磁鋼板からなる回転子の開口窓に永久磁石を埋設した構造のＩＰＭ型とがある。ＳＰＭ型の永久磁石モータは、回転子の回転によって固定子の巻線に発生する誘起電圧の波形を正弦波形状としやすいという利点を有しているが、その反面、回転子の永久磁石が固定子からの反磁界の影響を受けて消磁しやすい点、また、磁石が回転子表面にあるためモータの組立時に回転子を他の物にぶつけて割れや欠けを生じやすい点などの欠点も有する。そこで近年では、ＩＰＭ型の永久磁石モータが利用されることが多くなってきている。

特開２００６−１８７１８９号公報

従来のＩＰＭ型の永久磁石モータにおける回転子４０の構成例を図４に示す。電磁鋼板からなる回転子コア４２の開口窓部に永久磁石４４が埋設されている。隣り合う異磁極の永久磁石４４が発する磁束が回転子４０の内部で漏れないように、永久磁石４４の両端部には非磁性部（例えば空隙）４６が設けられ、回転子コア４２の非磁性部４６に挟まれた部分の幅は非常に薄くなっている。そのため、回転子４０が回転すると、回転子コア４２のこの薄い部分に遠心力による応力がかかり、特にモータの高速回転時には、回転子コア４２が変形又は破断してしまうおそれがある。

従来のＩＰＭ型の永久磁石モータにおける回転子４０の別の構成例を図５に示す（例えば特許文献１参照）。図５の回転子４０では、各磁極の永久磁石が２つの永久磁石４４−１及び４４−２から構成されており、永久磁石４４−１と４４−２で挟まれた部分における回転子コア４２の幅は比較的広くなっている。そのため、この部分にモータの高速回転時に遠心力による大きな応力がかかっても、回転子コア４２の変形等を防ぐことが可能である。しかしながら、各磁極の中心部分、即ち２つの永久磁石４４−１と４４−２の間の部分における磁束密度が局所的に小さくなるので、固定子の巻線に生じる誘起電圧の極性の切り替わりのタイミングにおいて、誘起電圧波形に乱れが生じてしまう。その結果、トルクリプルが大きくなり、また、誘起電圧の極性変化のタイミングを利用したセンサレス駆動制御において脱調しやすくなるという問題がある。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、その目的の１つは、高速回転時にも回転子コアの変形や破断を防止することができるとともに、固定子の巻線において滑らかな誘起電圧波形を得ることが可能な永久磁石モータ及び回転子を提供することにある。

本発明の第１の形態によれば、永久磁石が埋め込まれた回転子と、前記回転子に対して回転磁界を作用させるための固定子と、を備える永久磁石モータであって、前記回転子は
、回転子コアと、前記回転子コアの表面に複数の磁極を形成する複数の組の永久磁石と、を備え、前記複数の組の永久磁石における各組の永久磁石は、前記回転子コアの外周側に埋め込まれた外周側永久磁石と、前記回転子コアの内周側に埋め込まれ、同一組に属する前記外周側永久磁石とともに前記回転子コアの表面に１つの磁極を形成する内周側永久磁石と、を備え、前記内周側永久磁石は、前記回転子コアの周方向に離間した内周側第１永久磁石と内周側第２永久磁石とを備え、前記外周側永久磁石は、前記回転子コアの周方向において前記内周側第１永久磁石及び前記内周側第２永久磁石と重なるように配置され、前記内周側第１永久磁石と前記内周側第２永久磁石との間における前記回転子コアの第１部分が、前記回転子の遠心力に抗して前記回転子の形状を保持可能とする幅を有する、永久磁石モータが提供される。

かかる形態の永久磁石モータによれば、モータが高速回転された際にも回転子が遠心力によって変形したり破断したりしないように、回転子コアの幅広の第１部分で回転子の形状を保持することができる。また、外周側永久磁石が回転子コアの周方向において内周側第１永久磁石及び内周側第２永久磁石と重なるように配置されているので、永久磁石の各組から生じる磁束は突極性を有するものとなり、その結果、回転子の回転によって固定子の巻線に生じる誘起電圧が正から負、又は負から正に切り替わるタイミングにおいて、誘起電圧を滑らかに変化させることができる。

本発明の第２の形態によれば、第１の形態において、前記回転子コアの前記第１部分の幅をＡ、前記回転子の前記内周側永久磁石よりも外周側の部分であって前記回転子コアの１つの磁極に対応する部分の質量をＭ、前記回転子の回転中心から前記質量の重心までの距離をｒ、前記回転子の最大角速度をω、前記回転子コアの許容引張応力をσ、前記回転子の回転軸方向に沿った前記回転子コアの長さをＬとしたとき、Ａ＞Ｍｒω^２／（σＬ）である。

かかる形態の永久磁石モータによれば、回転子コアの第１部分は回転子の変形や破断を防止することができる。

本発明の第３の形態によれば、第１又は第２の形態において、前記回転子コアの前記第１部分の幅は、当該内周側永久磁石とそれに隣り合う内周側永久磁石との間における前記回転子コアの第２部分の幅よりも広い。

かかる形態の永久磁石モータによれば、回転子コアの第１部分の幅が回転子コアの第２部分の幅よりも広いので、回転子コアの幅広の第１部分で回転子の変形や破断を防止することができるとともに、回転子コアの薄い第２部分の存在によって磁束の漏れを低減することができる。

本発明の第４の形態によれば、第２の形態において、前記回転子コアの周方向における前記外周側永久磁石の幅をＢとしたとき、Ａ＜Ｂである。

かかる形態の永久磁石モータによれば、永久磁石の各組から生じる磁束は突極性を有するものとなるので、回転子の回転によって固定子の巻線に生じる誘起電圧が正から負、又は負から正に切り替わるタイミングにおいて、誘起電圧を滑らかに変化させることができる。また、永久磁石の各組によって形成される磁極の中心部において磁束密度が高くなり、磁束密度分布が正弦波形状に近くなるため、モータのトルクリプルを小さくすることができる。

本発明の第５の形態によれば、第１から第４のいずれか１つの形態において、前記外周側永久磁石の厚さは前記内周側永久磁石の厚さよりも小さい。

かかる形態の永久磁石モータによれば、永久磁石の各組における磁束密度分布の形を更に正弦波に近づけることができ、これによりモータのトルクリプルをより一層低減することができる。

本発明の第６の形態によれば、第１から第５のいずれか１つの形態において、前記外周側永久磁石及び前記内周側永久磁石は平板磁石である。

かかる形態の永久磁石モータによれば、製造コストを抑制することができる。

本発明の第７の形態によれば、回転子コアと、前記回転子コアの表面に複数の磁極を形成する複数の組の永久磁石と、を備える回転子であって、前記複数の組の永久磁石における各組の永久磁石は、前記回転子コアの外周側に埋め込まれた外周側永久磁石と、前記回転子コアの内周側に埋め込まれ、同一組に属する前記外周側永久磁石とともに前記回転子コアの表面に１つの磁極を形成する内周側永久磁石と、を備え、前記内周側永久磁石は、前記回転子コアの周方向に離間した内周側第１永久磁石と内周側第２永久磁石とを備え、前記外周側永久磁石は、前記回転子コアの周方向において前記内周側第１永久磁石及び前記内周側第２永久磁石と重なるように配置され、前記内周側第１永久磁石と前記内周側第２永久磁石との間における前記回転子コアの第１部分が、前記回転子の遠心力に抗して前記回転子の形状を保持可能とする幅を有する、回転子が提供される。

かかる形態の回転子によれば、モータが高速回転された際にも回転子が遠心力によって変形したり破断したりしないように、回転子コアの幅広の第１部分で回転子の形状を保持することができる。また、外周側永久磁石が回転子コアの周方向において内周側第１永久磁石及び内周側第２永久磁石と重なるように配置されているので、永久磁石の各組から生じる磁束は突極性を有するものとなり、その結果、回転子の回転によって固定子の巻線に生じる誘起電圧が正から負、又は負から正に切り替わるタイミングにおいて、誘起電圧を滑らかに変化させることができる。

本発明の一実施形態に係る永久磁石モータの構成図である。 本発明の一実施形態に係る永久磁石モータの構成図である。 本発明の一実施形態に係る永久磁石モータの構成図である。 従来のＩＰＭ型の永久磁石モータにおける回転子の構成図である。 従来のＩＰＭ型の永久磁石モータにおける回転子の構成図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳しく説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る永久磁石モータ１００の構成図である。図１は、永久磁石モータ１００の回転軸に対して垂直な断面を示している。

永久磁石モータ１００は、固定子１２０、回転子１４０、及びモータシャフト１６０を備える。固定子１２０は、回転子１４０の外周を取り囲んで設置されている。回転子１４０には、モータシャフト１６０が挿通され、回転子１４０とモータシャフト１６０は互いに固着されている。固定子１２０は、回転磁界を発生させる。回転子１４０は、固定子１２０からの回転磁界の作用を受けて、モータシャフト１６０を回転軸としてモータシャフト１６０とともに回転する。モータシャフト１６０の回転により、永久磁石モータ１００の出力トルクが得られる。

固定子１２０は、固定子コア１２２及び巻線１２４を備える。固定子コア１２２は、磁性材料（例えば珪素鋼）から構成され、図１に示される例では、概ね円筒形状を有する。固定子コア１２２は、回転子１４０と対向するその内側部分に、回転子１４０の側へ向かって突出した複数の磁極部１２２ａを備える。磁極部１２２ａには各々、巻線１２４が装着されている。各巻線１２４に所定の位相で制御された交流電流を流すことによって、複数の磁極部１２２ａに極性が時間的に順次切り替わる磁極が誘起され、固定子１２０の内側の空間に回転磁界が形成される。図１に例示された固定子コア１２２は、その内周上に等間隔に配置された６個の磁極部１２２ａと、これら磁極部１２２ａのそれぞれに対応する６組の巻線１２４を備えている。しかしながら、磁極部１２２ａの数及び巻線１２４の組の数は、これに限定されるものではなく、任意の数であってよい。

回転子１４０は、回転子コア１４２と、複数の組の永久磁石１４４とを備える。図１に示される例において、回転子１４０は４つの永久磁石の組１４４−１、１４４−２、１４４−３、１４４−４を備えているが、永久磁石の組の数はこれに限定されず、任意であってよい。

回転子コア１４２は、固定子コア１２２と同様、磁性材料（例えば珪素鋼）から構成される。回転子コア１４２の外周面は円柱面をなしており、回転子コア１４２のこの外周表面に近接して、固定子コア１２２の各磁極部１２２ａの先端が位置している。回転子コア１４２の中央部には、回転子コア１４２の円柱の中心軸に沿ってモータシャフト１６０が挿通される。回転子コア１４２はモータシャフト１６０に固着されている。

永久磁石の各組１４４−１、１４４−２、１４４−３、１４４−４は、それぞれ外周側永久磁石１４４Ａ及び内周側永久磁石１４４Ｂを含み、内周側永久磁石１４４Ｂは、それぞれ内周側第１永久磁石１４４Ｂ１及び内周側永久磁石１４４Ｂ２を含む。外周側永久磁石１４４Ａは、回転子コア１４２の外周近傍部分に埋め込まれており、内周側永久磁石１４４Ｂは、外周側永久磁石１４４Ａから所定距離だけ離れて、回転子コア１４２のより中心に近い部分に埋め込まれている。外周側永久磁石１４４Ａ及び内周側永久磁石１４４Ｂは、平板磁石である。各組１４４−１、１４４−２、１４４−３、１４４−４の外周側永久磁石１４４Ａは、回転子コア１４２の円柱の径方向に対して垂直な向きに向けられている。各組１４４−１、１４４−２、１４４−３、１４４−４の内周側永久磁石１４４Ｂは、同じ組の外周側永久磁石１４４Ａと平行に配置されている。

外周側永久磁石１４４Ａ及び内周側永久磁石１４４Ｂの各々の磁極の向きは、回転子コア１４２の外周表面に永久磁石の各組１４４−１、１４４−２、１４４−３、１４４−４に対応して異なる磁極が形成されるように定められる。図１に示される例において、永久磁石の第１の組１４４−１並びに第３の組１４４−３の外周側永久磁石１４４Ａ及び内周側永久磁石１４４Ｂは、回転子コア１４２の外周面側（即ち固定子１２０側）にＮ極、中心側（即ちモータシャフト１６０側）にＳ極を向けて配置されている。また永久磁石の第２の組１４４−２並びに第４の組１４４−４の外周側永久磁石１４４Ａ及び内周側永久磁石１４４Ｂは、回転子コア１４２の外周面側にＳ極、中心側にＮ極を向けて配置されている。これにより、回転子コア１４２の外周表面において、永久磁石の第１の組１４４−１及び第３の組１４４−３に対応する場所にはＮ極が形成され、永久磁石の第２の組１４４−２及び第４の組１４４−４に対応する場所にはＳ極が形成される。

永久磁石の各組において、内周側第１永久磁石１４４Ｂ１と内周側第２永久磁石１４４Ｂ２は、互いから回転子コア１４２の周方向に離間距離Ａだけ離れて配置されている。換言すると、例えば、永久磁石の組１４４−１の内周側第１永久磁石１４４Ｂ１は、永久磁石の組１４４−１の内周側第２永久磁石１４４Ｂ２から見て、隣の永久磁石の組１４４−４の側へ距離Ａだけ離れている（反対に永久磁石の組１４４−１の内周側第１永久磁石１
４４Ｂ１から見ると、永久磁石の組１４４−１の内周側第２永久磁石１４４Ｂ２は、もう一方の隣の永久磁石の組１４４−２の側へ距離Ａだけ離れている）。よって、内周側第１永久磁石１４４Ｂ１と内周側第２永久磁石１４４Ｂ２との間には、回転子コア１４２の部分的領域である第１部分１４２ａが存在する。この回転子コア第１部分１４２ａの、回転子コア１４２の周方向に沿った幅はＡである。

内周側第１永久磁石１４４Ｂ１の内周側第２永久磁石１４４Ｂ２と反対側の端部には、非磁性部１４６（例えば空隙）が設けられる。同様に、内周側第２永久磁石１４４Ｂ２の内周側第１永久磁石１４４Ｂ１と反対側の端部にも、非磁性部１４６が設けられる。非磁性部１４６は、内周側永久磁石１４４Ｂの端部での磁束の漏れを低減するためのものである。永久磁石のある組（例えば１４４−１）の内周側永久磁石１４４Ｂの端部に設けられた非磁性部１４６と、永久磁石の当該ある組に隣り合った組（例えば１４４−２及び１４４−４）の内周側永久磁石１４４Ｂの端部に設けられた非磁性部１４６との間には、回転子コア１４２の第２部分１４２ｂが存在する。この第２部分１４２ｂ（その幅をＣとする）は、磁束の漏れを効果的に低減させるために、できるだけ薄く形成されている。

このように、回転子１４０は、その外周側部分（回転子コア１４２のうち内周側永久磁石１４４Ｂよりも外周側にある部分、外周側永久磁石１４４Ａ、及び内周側永久磁石１４４Ｂの三者を一体とみなした合計質量Ｍを有する１つの物体）が、回転子コア１４２の第１部分１４２ａと第２部分１４２ｂを介して回転子コア１４２の内側部分（内周側永久磁石１４４Ｂよりも中心側にある部分）に連結された力学的構造を有する。そのため、永久磁石モータ１００の駆動時には、回転子１４０の質量Ｍの外周側部分に作用する遠心力によって、回転子コア１４２の第１部分１４２ａと第２部分１４２ｂに応力が生じる。

図１に示されるように、回転子コア１４２の第１部分１４２ａは、回転子コア１４２の第２部分１４２ｂよりも幅が広く形成される（即ちＡ＞Ｃ）。これにより、モータが高速回転された際にも回転子１４０が変形したり破断したりしないように回転子コア１４２の幅広の第１部分１４２ａで回転子１４０の形状を保持できるとともに、回転子コア１４２の薄い第２部分１４２ｂの存在によって磁束の漏れを低減することができる。

回転子１４０の回転中心から質量Ｍの重心までの距離をｒ、回転子１４０の最大角速度をω、回転子コア１４２の許容引張応力をσ、回転子１４０の回転軸方向に沿った回転子コア１４２の長さをＬとすると、次式
Ａ＞Ｍｒω^２／（σＬ）
が成り立つ場合に、回転子コア１４２の第１部分１４２ａは遠心力による回転子１４０の変形や破断を防止することができる。

モータの回転が加速又は減速する際には、回転子１４０の径方向の遠心力に加えて周方向に慣性力が作用し、この慣性力による応力が回転子コア１４２の薄い第２部分１４２ｂにも加わるが、内周側第１永久磁石１４４Ｂ１又は内周側第２永久磁石１４４Ｂ２の１つ当たりの質量は内周側永久磁石１４４Ｂ全体の質量の半分であるので、その応力は、内周側永久磁石１４４Ｂが１つの磁石として構成される場合に比べて軽減される。したがって、モータの加減速時における回転子コア１４２の第２部分１４２ｂでの破断のおそれを低減することができる。

また、図１に示されるように、回転子コア１４２の第１部分１４２ａの幅Ａは、回転子コア１４２の周方向における外周側永久磁石１４４Ａの幅Ｂよりも小さく、外周側永久磁石１４４Ａは、回転子コア１４２の周方向において内周側第１永久磁石１４４Ｂ１及び内周側第２永久磁石１４４Ｂ２と重なるように配置されている。これにより、永久磁石の各組１４４から生じる磁束は突極性を有するものとなる。したがって、回転子１４０の回転
によって固定子１２０の巻線１２４に生じる誘起電圧が正から負、又は負から正に切り替わるタイミングにおいて、誘起電圧を滑らかに変化させることができる。そのため、巻線１２４の誘起電圧を利用した回転子１４０の回転位置検出を、精度良く行うことができる。また、永久磁石の各組１４４によって形成される磁極は、その中心部において磁束密度が高くなり、磁束密度分布が正弦波形状に近くなるため、モータのトルクリプルを小さくすることができる。外周側永久磁石１４４Ａの厚さｔ_１を内周側永久磁石１４４Ｂの厚さｔ_２よりも小さくすることで、磁束密度分布の形を更に正弦波に近づけることができ、これによりモータのトルクリプルをより一層低減することができる。

図２は、永久磁石モータ１００の変形例の構成を示す。図２に示されるように、永久磁石モータ１００の内周側永久磁石１４４Ｂは、３つ（又はそれ以上）の永久磁石を含むのであってもよい。この場合、３つの永久磁石の間の離間距離の合計Ａ_１＋Ａ_２が、図１における離間距離（第１部分１４２ａの幅）Ａに相当するものとする。

図３は、永久磁石モータ１００の別の変形例の構成を示す。図３に示されるように、永久磁石モータ１００における永久磁石の各組１４４は、３層（又はそれ以上）の永久磁石を含むのであってもよい。この場合、最外周の永久磁石は１つの永久磁石から構成され、最外周よりも内側の永久磁石は２つ以上の永久磁石を含むのであってよい。但し、図３に示される永久磁石間の離間距離Ａ及びＡ_１＋Ａ_２が、図１における離間距離（第１部分１４２ａの幅）Ａに相当するものとする。

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明はこれに限定されず、その要旨を逸脱しない範囲内において様々な変更が可能である。

１００ 永久磁石モータ
１２０ 固定子
１２２ 固定子コア
１２２ａ 磁極部
１２４ 巻線
１４０ 回転子
１４２ 回転子コア
１４２ａ 第１部分
１４２ｂ 第２部分
１４４ 永久磁石
１４４Ａ 外周側永久磁石
１４４Ｂ 内周側永久磁石
１４４Ｂ１ 内周側第１永久磁石
１４４Ｂ２ 内周側第２永久磁石
１４６ 非磁性部
１６０ モータシャフト

Claims (7)

1. 永久磁石が埋め込まれた回転子と、
   前記回転子に対して回転磁界を作用させるための固定子と、
   を備える永久磁石モータであって、
   前記回転子は、
   回転子コアと、
   前記回転子コアの表面に複数の磁極を形成する複数の組の永久磁石と、
   を備え、
   前記複数の組の永久磁石における各組の永久磁石は、
   前記回転子コアの外周側に埋め込まれた外周側永久磁石と、
   前記回転子コアの内周側に埋め込まれ、同一組に属する前記外周側永久磁石とともに前記回転子コアの表面に１つの磁極を形成する内周側永久磁石と、
   を備え、
   前記内周側永久磁石は、前記回転子コアの周方向に離間した内周側第１永久磁石と内周側第２永久磁石とを備え、
   前記外周側永久磁石は、前記回転子コアの周方向において前記内周側第１永久磁石及び前記内周側第２永久磁石と重なるように配置され、
   前記内周側第１永久磁石と前記内周側第２永久磁石との間における前記回転子コアの第１部分が、前記回転子の遠心力に抗して前記回転子の形状を保持可能とする幅を有する、
   永久磁石モータ。
2. 前記回転子コアの前記第１部分の幅をＡ、前記回転子の前記内周側永久磁石よりも外周側の部分であって前記回転子コアの１つの磁極に対応する部分の質量をＭ、前記回転子の回転中心から前記質量の重心までの距離をｒ、前記回転子の最大角速度をω、前記回転子コアの許容引張応力をσ、前記回転子の回転軸方向に沿った前記回転子コアの長さをＬとしたとき、Ａ＞Ｍｒω^２／（σＬ）である、請求項１に記載の永久磁石モータ。
3. 前記回転子コアの前記第１部分の幅は、当該内周側永久磁石とそれに隣り合う内周側永久磁石との間における前記回転子コアの第２部分の幅よりも広い、請求項１又は２に記載の永久磁石モータ。
4. 前記回転子コアの周方向における前記外周側永久磁石の幅をＢとしたとき、Ａ＜Ｂである、請求項２に記載の永久磁石モータ。
5. 前記外周側永久磁石の厚さは前記内周側永久磁石の厚さよりも小さい、請求項１から４のいずれか１項に記載の永久磁石モータ。
6. 前記外周側永久磁石及び前記内周側永久磁石は平板磁石である、請求項１から５のいずれか１項に記載の永久磁石モータ。
7. 回転子コアと、
   前記回転子コアの表面に複数の磁極を形成する複数の組の永久磁石と、
   を備える回転子であって、
   前記複数の組の永久磁石における各組の永久磁石は、
   前記回転子コアの外周側に埋め込まれた外周側永久磁石と、
   前記回転子コアの内周側に埋め込まれ、同一組に属する前記外周側永久磁石とともに前記回転子コアの表面に１つの磁極を形成する内周側永久磁石と、
   を備え、
   前記内周側永久磁石は、前記回転子コアの周方向に離間した内周側第１永久磁石と内周
   側第２永久磁石とを備え、
   前記外周側永久磁石は、前記回転子コアの周方向において前記内周側第１永久磁石及び前記内周側第２永久磁石と重なるように配置され、
   前記内周側第１永久磁石と前記内周側第２永久磁石との間における前記回転子コアの第１部分が、前記回転子の遠心力に抗して前記回転子の形状を保持可能とする幅を有する、
   回転子。
   

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