JP2020145881A - 回転子及び同期電動機 - Google Patents

Abstract

【課題】回転電動機に組み込んだ時に、磁路の短絡に起因する発生トルクの低下と、製造誤差に起因する発生トルクの変動の発生が抑制される回転子を提供する。【解決手段】回転子６は、回転子コア９と、回転軸Ｒｘ周りの円周上に配置されて、回転子コア９に固定された複数個の永久磁石１０を備え、永久磁石１０は、回転子コア９の外周側に作用面が形成されるとともに、回転軸Ｒｘ周りの円周方向における中央に磁極の境界面が形成され、回転子コア９に固定された状態において隣接する永久磁石１０の互いに隣接する磁極が、同極にされている。【選択図】図４

Description

本発明は回転子及び同期電動機に関する。

同期電動機は、高効率で小形・軽量化が可能であり、速度制御精度が優れている。そのため、同期電動機は、電気自動車、エレベーター、鉄道車両から冷蔵庫、洗濯機に至る、各種の電気機器において多用されている。

同期電動機の回転子の機械的構成については、既に多数の発明が出願されている。本願の出願人も、同期電動機を構成する回転子の機械的構成に係る発明を出願している（特許文献１）。

特許文献１に記載の回転子は、回転子コアと８個の永久磁石を備えている。８個の永久磁石は、回転子コアの回転軸周りの円周上に配置されて、回転子コアに固定されている。永久磁石は、回転子の外周面に作用面が形成されるように極配向されていて、永久磁石の、回転子コアの回転軸周りの円周方向における中央に磁極の境界面が形成されている。そして、回転子コアに固定された状態において隣接する２個の永久磁石の互いに隣接する磁極は、異極にされている。つまり回転子コアに固定された永久磁石のＮ極は、当該永久磁石に隣接する別の永久磁石のＳ極と隣接する。全ての永久磁石のＳ極は、当該永久磁石に隣接する別の永久磁石のＮ極と隣接する。

特許文献１に記載の回転子は、上記のように構成されているので、回転子表面の磁束分布を正弦波状に整えることができる。その結果、同期電動機のコギングトルクが改善され、騒音と振動の発生が抑制される。

特開２００２−３１５２７９号公報

しかしながら、特許文献１に記載の回転子においては、回転子コアの回転軸周りの円周上において隣接する２個の永久磁石の互いに対面する磁極が、異極にされているので、磁路の短絡が生じ易いという問題があった。つまり、永久磁石の磁極から流れる磁束の一部が固定子に向かう前に、隣接する別の永久磁石の磁極に流れるという問題があった。そのために、固定子に流れる磁束が減少し、その結果、同期電動機の発生トルクが低下し、効率が低下するという問題があった。

特許文献１に記載の回転子が備える永久磁石収納部の寸法は、製造時に生じる永久磁石の寸法の誤差を見込んで大きめに設計される。そして、永久磁石収納部の寸法も製造時に誤差が生じる。そのため、回転子の周方向において永久磁石と永久磁石収納部の間に隙間が生じることがある。また、特許文献１に記載の回転子においては、トルクを発生させる磁気回路が２個の永久磁石の間を跨いでいるので、磁気回路は永久磁石と永久磁石収納部の間の隙間を通る。隙間の透磁率は回転子コアの透磁率より低いので、永久磁石と永久磁石収納部の間に隙間が生じると、磁気回路における磁気抵抗が増大する。その結果、同期電動機の発生トルクが低下する。そして、同期電動機の発生トルクの低下量は、隙間の大きさによって変動する。このように、特許文献１に記載の回転子が備える同期電動機においては、永久磁石と永久磁石収納部の寸法の誤差に起因して、発生トルクが変動するという問題がある。また、永久磁石と永久磁石収納部の寸法の誤差に起因する発生トルクの低下を見込んで、同期電動機を理論値よりも大きめに設計する必要がある。そのため、同期電動機の製造コストが増加するという問題がある。

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、回転電動機に組み込んだ時に、磁路の短絡に起因する発生トルクの低下と、製造誤差に起因する発生トルクの変動の発生が抑制される回転子を提供することを目的とする。また、該回転子を備える同期電動機を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明に係る回転子は、回転子コアと、回転軸周りの円周上に配置されて、回転子コアに固定された複数個の永久磁石を備え、永久磁石は、回転子コアの外周側に作用面が形成されるとともに、回転軸周りの円周方向における中央に磁極の境界面が形成され、回転子コアに固定された状態において隣接する永久磁石の互いに隣接する磁極が、同極にされているものである。

本発明に係る回転子においては、回転子コアに固定された状態において隣接する永久磁石の互いに隣接する磁極が、同極にされているので、隣接する永久磁石の互いに隣接する磁極の間で磁路の短絡が生じない。そのため、本発明に係る回転子を備える回転電動機においては、磁路の短絡に起因する発生トルクの低下と、効率の低下が抑制される。

本発明に係る回転子を備える回転電動機においては、回転子の永久磁石の一方の磁極から固定子に流れた磁束が同じ永久磁石の他方の磁極に戻るので、トルクを発生させる磁気回路が２個の永久磁石の間を跨ぐことがない。そのため、回転子の周方向において永久磁石と永久磁石収納部の間に隙間が生じても、磁気回路における磁気抵抗が変動しないので、回転電動機の発生トルクが変動することがない。その結果、本発明に係る回転子を備える回転電動機においては、回転電動機の製造誤差、特に回転子が備える永久磁石と永久磁石収納部の寸法のばらつきに起因する、発生トルクの変動が生じにくい。そのため、回転電動機を設計する際の、理論値に対するマージンを小さく設定できるので、回転電動機を小型軽量に設計できる。また、回転電動機の製造コストを低減させることができる。

本発明の第１の実施の形態に係る永久磁石同期電動機の構成を示す縦断面図 図１に記載の永久磁石同期電動機が備える回転子の外形を示す斜視図 図２に記載の回転子が備える永久磁石と回転子コアの外形を示す斜視図 図２に記載の回転子の横断面図 本発明の第２の実施の形態に係る回転子の横断面図 本発明の第３の実施の形態に係る回転子の横断面図 本発明の第４の実施の形態に回転子の外形を示す斜視図 図７に記載の回転子が備える永久磁石の外形を示す斜視図であって、永久磁石の一部を切り取って示す図 本発明の第５の実施の形態に係る回転子の構成を示す図であって、（Ａ）は回転子の外形を示す斜視図、（Ｂ）は回転子の横断面図 本発明の第１の実施の形態に係る回転子が備える永久磁石の成形と着磁に使用される金型の構成図 本発明に係る永久磁石同期電動機を備える空気調和装置の構成を示す構成図

以下、本発明の実施形態に係る回転子及び該回転子を備える同期電動機の構成と作用を、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図面においては、同一または同等の部分に同一の符号を付している。

（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る永久磁石同期電動機１の構成を示す縦断面図である。図１に示すように、永久磁石同期電動機１は、円筒状のケーシング２と、ケーシング２の端部に蓋をする形でケーシング２に固定された負荷側ブラケット３と反負荷側ブラケット４と備えている。また、ケーシング２の内面には固定子５が固定されている。ケーシング２の内部には、回転子６が配置されている。回転子６は、回転軸Ｒｘ周りに回転自在にケーシング２に支持されている。また、固定子５は、全体として円筒状に構成されていて、回転子６を取り囲んでいる。

固定子５は、固定子コア７と、固定子コア７に巻き回された固定子コイル８とを備える電磁石である。固定子コイル８には、図示しないインバータ装置から交流電流が供給される。

回転子６は、回転子コア９と、回転子コア９に固定された永久磁石１０とを備える。回転子コア９には、回転軸１１が嵌装されている。回転軸１１は、負荷側ブラケット３と反負荷側ブラケット４に回転自在に支持されている。このように、回転子６は、回転軸１１を介して、負荷側ブラケット３と反負荷側ブラケット４に、回転軸Ｒｘ周りに回転自在に支持される。

前述したように、図示しないインバータから固定子コイル８に交流電流が供給されると、ケーシング２の内部に、磁界が発生する。そして、磁界の極性は、回転軸Ｒｘを中心に回転しているかのように変化する。回転子６に固定された永久磁石１０は、この変動する磁界に吸引される。その結果、回転子６が、回転軸Ｒｘ周りに回転する。

図２は、回転子６の外形を示す斜視図である。図２に示すように、回転子６は、回転子コア９と、回転軸Ｒｘ周りに円環状に配列されて回転子コア９に固定される８個の永久磁石１０とを備える。

図３は、回転子コア９と永久磁石１０の外形を示す斜視図である。図３に示すように、回転子コア９は多数の電磁鋼板を積層して構成される。また、回転子コア９は、回転子コア９を貫通する８個の磁石収納部９ａを備える。８個の磁石収納部９ａは、回転軸Ｒｘ周りに円環状に配列されていて、そのそれぞれに、永久磁石１０が嵌装される。８個の永久磁石１０は、それぞれが互いに独立した固体である。なお、永久磁石１０は、熱可塑性樹脂に磁性粉末を練り込んで構成されるプラスチック磁石を、磁石収納部９ａに充填して、その後、固化させることによって形成される。

図４は、回転子コア９の横断面図、つまり、回転子コア９を回転軸Ｒｘに直交する平面で切断した断面図である。永久磁石１０は、横断面形において、回転子コア９の外縁側に凸に湾曲に湾曲している。そのため、図４に示すように、永久磁石１０の横断面形における外周辺１０ａと内周辺１０ｂは円弧をなしている。また、外周辺１０ａと内周辺１０ｂの円弧の中心は、回転軸Ｒｘと一致している。

永久磁石１０は、極配向されて着磁されていて、外周面１０ｃに作用面が形成されている。つまり、外周面１０ｃに磁極が形成されている。また、永久磁石１０の内部には図４に示すような磁路１２が形成されている。そのため、回転軸Ｒｘ周りの円周方向における永久磁石１０の中央部には、磁極の境界面１０ｄが形成されている。永久磁石１０の外表面の、一方の側にはＮ極が形成され、他方の側にはＳ極が形成されている。

また、回転子コア９に固定された状態において隣接する永久磁石１０の互いに隣接する磁極は、同極にされている。つまり、回転子コア９に固定された状態において、全ての永久磁石１０のＮ極は、当該永久磁石１０に隣接する別の永久磁石１０のＮ極と隣接する。全ての永久磁石１０のＳ極は、当該永久磁石１０に隣接する別の永久磁石１０のＳ極と隣接する。

上記のように、回転子コア９において隣接する永久磁石１０の互いに隣接する磁極は、同極にされている。そのため、隣接する永久磁石１０の互いに隣接する磁極の間で、磁路が短絡することがないので、上記の回転子６を備える永久磁石同期電動機１においては、磁路の短絡に起因する発生トルクの低下が抑制される。

また、上記の回転子６を備える永久磁石同期電動機１においては、永久磁石１０の磁極から固定子５に流れた磁束は、その後に同一の永久磁石１０の磁極に流れる。そのため、永久磁石同期電動機１の製造に生じる避けられない誤差に起因して、回転子６の周方向において永久磁石１０と磁石収納部９ａの間に隙間が生じても、永久磁石同期電動機１においてトルクを発生させる磁気回路の磁気抵抗は変化しないので、永久磁石同期電動機１の発生トルクは変化しない。したがって、永久磁石同期電動機１の設計及び製造においては、製造誤差に起因する発生トルクの変化を考慮する必要がない。永久磁石同期電動機１は、製造誤差に起因する発生トルクの低下を見込んで、理論値よりも大きめに設計する必要がない。

（第２の実施の形態）
回転子６が備える永久磁石１０は、横断面形において、回転子コア９の外縁側に凸に湾曲しているものには、限定されない。図５に示すように、回転子６が備える永久磁石１０の横断面形は、回転子コア９の中心つまり回転軸Ｒｘに向かって凸に湾曲するものであっても良い。図５に示す例においては、外周辺１０ａと内周辺１０ｂの円弧の中心Ｏは、回転軸Ｒｘから延びる回転子６の半径上にあって、回転子６の外縁の更に外側にある。また、永久磁石１０は、中心Ｏと回転軸Ｒｘの間にある。

上記のように、永久磁石１０の横断面形を、回転子コア９の中心つまり回転軸Ｒｘに向かって凸に湾曲させることによって、回転子６周りの磁束分布が改善される。その結果、永久磁石同期電動機１の発生トルクが大きくなる。

また、第２の実施の形態に係る回転子６においては、永久磁石１０の形状に合わせて、回転子コア９の外周の一部９ｂを切り取っている。そのため、外周の一部９ｂを短絡する磁束に起因する永久磁石同期電動機１の発生トルクの低下を抑制することができる。

（第３の実施の形態）
回転子６は、回転子コア９に磁石収納部９ａを備えて、磁石収納部９ａに永久磁石１０が嵌装されるものには限定されない。図６に示すように、回転子６は、永久磁石１０が回転子コア９の外周に固着されているものであっても良い。この構成を選択すれば、磁束の短絡を更に小さくして、磁束の短絡に起因する永久磁石同期電動機１の発生トルクの低下を更に抑制することができる。

（第４の実施の形態）
図７に示すように、回転子６は、センサマグネット１３を備えるものであっても良い。センサマグネット１３は、回転軸Ｒｘを回転中心とするリング状の外形を有する磁石である。図７に記載の回転子６を備える永久磁石同期電動機１は、センサマグネット１３の磁気を検出するセンサを備えて、該センサが検出する磁気の極性と強さに基いて、回転子６の回転軸Ｒｘ周りの回転角度を検出する。また、図７に記載の回転子６を備える永久磁石同期電動機１は、該センサによって検出された回転子６の回転角度に基いて、固定子コイル８に供給される交流電流を制御する制御装置を備える。

また、第４の実施の形態に係る回転子６が備えるセンサマグネット１３は、図８に示すように、永久磁石１０と一体に構成される。つまり、センサマグネット１３と８個の永久磁石１０は単一の固体を構成している。

（第５の実施の形態）
回転子６は、図９（Ａ），（Ｂ）に示すように、回転軸Ｒｘ方向の端面が、樹脂リング１４で覆われ、外周面が樹脂バー１５で覆われるものであっても良い。このように、回転子６の外面を樹脂材料で覆うことによって、永久磁石１０の脱落を防止することができる。また、永久磁石１０が破損した場合の飛散を防止することができる。

また、樹脂リング１４と樹脂バー１５は、非磁性樹脂で構成される。そのため、樹脂リング１４と樹脂バー１５によっては、回転子６において、磁束の短絡が生じないので、磁束の短絡に起因する永久磁石同期電動機１の発生トルクの低下を抑制することができる。

（永久磁石の着磁と成形）
図１０は、第１の実施の形態に係る回転子６の製造に使用される金型１６の構成を示す構成図である。図１０に示すように、金型１６はフレーム１７を備える。フレーム１７は、金型１６の外殻を構成する構造部材であって、非磁性の材料で構成される。また、金型１６は、８個の磁性体１８と８個の配向用磁石１９を備えている。磁性体１８と配向用磁石１９は交互に配列されて、円環状に配置されて、フレーム１７に固定されている。配向用磁石１９は永久磁石であって、磁性体１８と接する面から磁束が出るように、磁性体１８と配向用磁石１９を配列して構成される円環の円周方向に磁化されている。

回転子６の製造に当たっては、まず、金型１６の磁性体１８と配向用磁石１９を配列して構成される円環の中に回転子コア９を挿入して、一時的に固定する。そして、回転子コア９の磁石収納部９ａ（図１０において図示しない）に、プラスチック磁石を充填して、そこで固化させる。その結果、磁石収納部９ａ内に永久磁石１０が形成される。そして、図１０に示すように、磁性体１８と配向用磁石１９と永久磁石１０の間に磁路２０が形成され、永久磁石１０が着磁される。以上のプロセスを経て、回転子６が完成する。そして、その後、完成した回転子６を金型１６から取り出す。

（空気調和装置）
図１１は、永久磁石同期電動機１が使用される空気調和装置２１の構成図である。図１１に示すように、空気調和装置２１は、室内ユニット２２と室外ユニット２３を備える。室内ユニット２２は、室内の空気と冷媒の間で熱交換を行う図示しない熱交換器を備える。室外ユニット２３は、室外の空気と冷媒の間で熱交換を行う図示しない熱交換器と、冷媒を圧縮及び膨張させる図示しない熱ポンプを備える。また、冷媒は、室内ユニット２２内の熱交換器と、室外ユニット２３内の熱交換器及び熱ポンプの間を循環する。

図１１に示すように、永久磁石同期電動機１は室外ユニット２３に取り付けられて、室外ユニット２３内の熱交換器に外気を供給する送風ファン２４を駆動する。前述したように、永久磁石同期電動機１は、従来品に比べて小型化が可能なので、送風ファン２４の駆動に永久磁石同期電動機１を使用すれば、室外ユニット２３を小型化することができる。

以上、説明したように、上記の各実施の形態に係る回転子６においては、回転子コア９内での磁路の短絡が抑制される。そのため、回転子６を備える永久磁石同期電動機１の発生トルクが増加し、効率が向上する。その結果、永久磁石同期電動機１の小型化が可能になる。永久磁石同期電動機１を空気調和装置２１の室外ユニット２３の送風ファン２４の駆動に使用すれば、室外ユニット２３の小型化が可能になる。

なお、上記の各実施の形態は、本発明の具体的な構成の例示である。したがって、本発明の技術的範囲は、上記の各実施の形態及び各変形例によっては限定されない。本発明は、特許請求の範囲に示された技術的思想の限りにおいて、自由に応用、変形、あるいは改良して実施することができる。また、上記の各実施の形態及び各変形例に開示されていない構成要素を追加して、本発明を実施することも自由である。

上記の各実施の形態においては、回転子６に８個の永久磁石１０を備える例を示した。つまり、上記の各実施の形態においては、８極の回転子６の例を示した。しかしながら、回転子６は８個の永久磁石１０を備えるものには限定されない。回転子６は７個以下の永久磁石１０を備えるものであっても良いし、９個以上の永久磁石１０を備えるものであっても良い。つまり、回転子６は７極以下のものであっても良いし、９極以上のものであっても良い。

上記においては、プラスチック磁石を、磁石収納部９ａに充填して、その後、固化させることによって永久磁石１０を形成する例を示したが、永久磁石１０はこのようなプロセスを経て形成されるものには限定されない。事前に成型あるいは加工された固体状の永久磁石１０を回転子コア９に取り付けても良い。また、この場合、成型方法あるいは加工方法は特に限定されない。各種の成型方法あるいは加工方法を任意に選択することができる。また、永久磁石１０を構成する素材は、限定されない。永久磁石１０を構成する素材は、任意に選択できる。

回転子コア９の形状は、上記の各実施の形態に示したものには限定されない。回転子コア９の形状は自由に設計できる。

永久磁石１０の形状は、上記の各実施の形態に示したものには限定されない。永久磁石１０の形状は自由に設計できる。

永久磁石１０を着磁する装置と方法は、図１０に記載の金型１６と金型１６による方法には限定されない。永久磁石１０を着磁するにあたっては、各種の装置と方法を任意に選択することができる。

永久磁石同期電動機１の構成と形状は、図１に示したものには限定されない。永久磁石同期電動機１の構成と形状は自由に設計できる。

上記の実施の形態において、永久磁石同期電動機１を空気調和装置２１の室外ユニット２３の送風ファン２４の駆動に使用する例を示したが、永久磁石同期電動機１の用途は送風ファン２４の駆動には限定されない。永久磁石同期電動機１は、電気自動車、エレベーター、鉄道車両等の重電機器から、冷蔵庫、洗濯機等の民生機器に至る、各種の電気機器に使用することができる。

１ 永久磁石同期電動機、２ ケーシング、３ 負荷側ブラケット、４ 反負荷側ブラケット、５ 固定子、６ 回転子、７ 固定子コア、８ 固定子コイル、９ 回転子コア、９ａ 磁石収納部、９ｂ 外周の一部、１０ 永久磁石、１０ａ 外周辺、１０ｂ 内周辺、１０ｃ 外周面、１０ｄ 境界面、１１ 回転軸、１２ 磁路、１３ センサマグネット、１４ 樹脂リング、１５ 樹脂バー、１６ 金型、１７ フレーム、１８ 磁性体、１９ 配向用磁石、２０ 磁路、２１ 空気調和装置、２２ 室内ユニット、２３ 室外ユニット、２４ 送風ファン、Ｒｘ 回転軸。

Claims (6)

1. 回転子コアと、
   回転軸周りの円周上に配置されて、前記回転子コアに固定された複数個の永久磁石を備え、
   前記永久磁石は、前記回転子コアの外周側に作用面が形成されるとともに、回転軸周りの円周方向における中央に磁極の境界面が形成され、
   前記回転子コアに固定された状態において隣接する前記永久磁石の互いに隣接する磁極が、同極にされている、
   回転子。
2. 前記永久磁石を前記回転軸に直交する平面で切断して得られる横断面形は、前記回転子コアの外周側に凸に湾曲している、
   請求項１に記載の回転子。
3. 前記永久磁石を前記回転軸に直交する平面で切断して得られる横断面形は、前記回転子コアの中心側に凸に湾曲している、
   請求項１に記載の回転子。
4. 前記永久磁石は、前記回転子コアの外周面に取り付けられるとともに、
   前記永久磁石の外周面は、樹脂材料で被覆されている、
   請求項１から３のいずれか一項に記載の回転子。
5. 前記回転子の前記回転軸周りの回転角度の検出に使用されるセンサマグネットを備えるとともに、
   前記センサマグネットと全ての前記永久磁石が、単一の固体を構成している、
   請求項１から４のいずれか一項に記載の回転子。
6. 請求項１から５のいずれか一項に記載の回転子を備える同期電動機。
   
   
   
   

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