JP3072504B2 - 電動機の回転子 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、冷凍機や空調機の圧縮
機駆動用電動機等に代表される永久磁石を装着した内転
型回転子に関し、特に回転子の鉄心の内部に磁石を埋め
込んで構成するいわゆるインテリアル・パーマネントマ
グネット・モータ（ＩＰＭ）の回転子に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】上記電動機の回転子として、図１０に示
す構成のものが知られており、例えば特開平６−３３９
２４１号公報に開示されている。図１０に示す回転子１
ｅは、円柱状の鉄心２ｅの中心に設けた軸孔に軸４を嵌
入し、この軸４と平行に磁石と略相似形の複数の収容孔
を設けて、この収容孔に磁石３ｕ，３ｖ，３ｗ，３ｘを
それぞれ挿入して構成されている。

【０００３】鉄心２ｅは、所定形状に打ち抜いた薄鉄板
を軸方向に多数積層して形成されており、各薄鉄板に設
けた打ち出し突起による凹凸部を軸方向に隣接する薄鉄
板相互で嵌合させて固定する周知のカシメクランプ手段
によって固定されている。この鉄心の構成は、後述する
固定子鉄心の場合についても同様である。磁石３ｕ〜３
ｘは、フェライト磁石または希土類磁石よりなり、図示
する軸４に垂直な断面において略Ｃ字形をなし、回転子
の外側へ向けて凹状となるように鉄心２ｅの収容孔内へ
挿着されている。そして各磁石の中央を磁極中心として
隣接する磁石が互いに異極となるように着磁されるもの
であり、図１０の場合４極の界磁を形成している。尚上
記磁石は、各極において凹凸の方向を揃えて多重に埋め
込むように構成してもよく、このような例としては平成
７年電気学会産業応用部門全国大会講演論文集第３８５
頁〜３８８頁（論文番号３０６）に開示されている。

【０００４】また上記回転子と異なる磁石形状のものと
して、図１１に示すような回転子がある。図１１に示す
回転子１ｄは、磁石３ｑ，３ｒ，３ｓ，３ｔが軸４に垂
直な断面において略Ｖ字形をなし、回転子の外側へ向け
て凹状となるように鉄心２ｄの収容孔内へ挿着されてお
り、他は図１０に示した回転子同様の構成となってい
る。尚、この磁石３ｑ〜３ｔの各Ｖ字は、各極において
板状磁石を２個用いて形成するようにしてもよい。

【０００５】上記回転子は、三相巻線を有する固定子内
に配置されて永久磁石型の同期電動機を構成し、インバ
ータを介して固定子巻線を励磁することによって回転を
行うようになっている。図１２は、図１１の回転子１ｄ
を用いた場合の電動機の構成を示したものであり、ステ
ータのスロット数が２４、モータの極数が４の場合を示
している。固定子５の鉄心６の内周部には多数の歯部８
が存在して、この各歯部の間にはスロット７が設けてあ
り、このスロットには模式的に図示する巻線９が絶縁物
を介して装着されている。回転子１ｄは、Ｎ，Ｓで図示
するように着磁されて４極の界磁を形成しており、固定
子鉄心６の内周部との間に所定の空隙を介して対向する
ように軸４によって回動自在に支持されている。

【０００６】このような電動機の場合、逆突極性を特徴
としているため、低速域においては、これにより生じる
リラクタンストルクと磁石により生じる主磁束トルクの
双方の最大トルクポイントで駆動するいわゆる最大トル
ク制御を行い、一方高速域においては、主磁束トルクを
リラクタンストルクにて補ういわゆる進み位相制御を行
うのが有効であり、前述の圧縮機等の駆動に用いられて
いる。

【０００７】即ち、一般に電動機のトルクＴは、主磁束
トルクをＴ１、リラクタンストルクをＴ２、コギングト
ルクをＴｃとすると、

【数１】 であり、磁石による磁束量をΦ、ｑ軸電流をＩｑ、ｄ軸
電流をＩｄ、ｑ軸インダクタンスをＬｑ、ｄ軸インダク
タンスをＬｄとすれば、

【数２】

【数３】 で表される。

【０００８】また、一般に電動機の固定子に対してなさ
れる台形波１２０゜通電は、Ｕ−Ｖ，Ｕ−Ｗ，Ｖ−Ｗ，
Ｖ−Ｕ，Ｗ−Ｕ，Ｗ−Ｖの６つの通電パターンより成
り、各々の通電区間は電気角６０゜となっている。従っ
て、ある特定の巻線に電気角６０゜の通電がなされる
間、その特定の巻線による電磁力と磁石による磁束との
関係が最高のトルクを生じる関係となるように通電制御
されるようになっている。

【０００９】図６は、固定子に対して例えばＵ−Ｖ通電
を行い、主磁束トルクＴ１が最大となる位置を０゜と
し、Ｕ−Ｖ通電を継続しつつ回転子を回転させていった
場合に生じる回転子の進み角θに対するトルク変化の傾
向を示している。進み角θは電気角を表しており、また
このθの進み方向は電動機の運転時における回転子の回
転方向と反対の方向となっている。電気角１８０゜の範
囲で主磁束トルクＴ１とリラクタンストルクＴ２は図示
するような変化を示し、これらの合成である電動機のト
ルクＴは、数１におけるコギングトルクＴｃを無視すれ
ば図中の曲線Ｔのような傾向を示す。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】図１２において示す固
定子５の巻線９は例えばＵ−Ｖ通電した場合のＵ相及び
Ｖ相の巻線を示しており、図中電気記号で示すような方
向に電流が流れて固定子５にＮ，Ｓで示す磁極が形成さ
れているとすると、図１２の場合、回転子１ｄは主磁束
トルクＴ１が最大となる位置、即ち図６における進み角
θ＝０゜の状態を示している。図１２の電動機の運転時
における回転子１ｄの回転方向は時計方向であり、例え
ば進み角θ＝−９０゜の位置は回転子１ｄが時計方向に
機械角で４５゜回転した図１３に示す位置となり、同様
に進み角θ＝９０゜の位置は反時計方向に機械角で４５
゜回転した位置となる。

【００１１】図１２に示す電動機において通電状態を変
えずに回転子１ｄをθ＝−９０゜〜９０゜の範囲で回転
させた場合、トルクＴは図７の破線Ｂのような変化を示
す。この破線Ｂは図６の曲線Ｔと比較して非常にリップ
ルが大きくなっているが、この理由は固定子鉄心６のス
ロット７と歯部８の存在によるコギングトルクに起因し
ている。例えば図１４に示す状態は進み角θ＝１０゜の
時を示し、このポイントにおいてはコギングトルク分が
加算されて電動機トルクが増加し、一方、図１５に示す
状態はθ＝２０゜の時を示し、このポイントにおいては
反対にコギングトルク分が減算されて電動機トルクが減
少する。このようなトルクリップルを生じさせるコギン
グトルク成分は、磁石の磁束によるものは割合的に少な
く、主として固定子磁束によって生じるコギングトルク
成分が関与している。

【００１２】図１４に示す進み角θ＝１０゜の状態と図
１５に示すθ＝２０゜の状態を拡大してそれぞれ図１６
及び図１７に示す。図１６及び図１７において、巻線９
への通電によって生じる固定子磁束１１は、固定子鉄心
６のＮ極の歯部８から空隙１０を経由して回転子鉄心２
ｄへ入り、この回転子鉄心２ｄ内を流れて再び空隙１０
を経由して固定子鉄心６のＳ極の歯部８へ戻るように形
成される。ところが回転子鉄心内に埋め込まれた磁石３
ｑ〜３ｔの部分は磁気抵抗が大きいため、特に磁石が回
転子外周部と近接する部分において固定子磁束は著しい
拘束を受けることになる。

【００１３】即ち、図１６のθ＝１０゜の状態におい
て、固定子鉄心６の特定の歯部８ａから回転子鉄心２ｄ
へ入る固定子磁束１２は、そのほとんどが歯部８ａに対
して反時計方向にやや離間して存在する回転子の極間部
の鉄心部分へ向けて流れることになる。この結果、この
部分に磁気的吸引力が作用して回転子１ｄはその回転方
向である時計方向へ力を受け、電動機のトルクが増加す
る。また図１７のθ＝２０゜の状態においては、固定子
鉄心６の特定の歯部８ｂから回転子鉄心２ｄへ入る固定
子磁束１３は、そのほとんどが歯部８ｂに対して時計方
向にやや離間して存在する回転子の極間部の鉄心部分へ
向けて流れることになる。この結果上記同様、この部分
に磁気的吸引力が作用して回転子１ｄはその反回転方向
である反時計方向へ力を受け、電動機のトルクが減少す
る。これら図１６及び図１７に示す現象は、各磁石３ｑ
〜３ｔの回転子外周部と近接するすべての端部において
同様に生じており、また図１０に示したような略Ｃ字形
の磁石３ｕ〜３ｘを用いた回転子１ｅの場合においても
同様である。

【００１４】従来、上記のようなコギングトルク成分に
起因する著しいトルクリップルによって電動機の運転に
伴う振動、騒音が非常に大きなものとなっており、断面
がＶ字形やＣ字形をした磁石を凹部側が外側を向くよう
に鉄心内に配置した電動機において大きな問題となって
いた。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明は、各極における
断面形状が略Ｖ字形または略Ｃ字形の磁石を凹部側が外
側を向くように鉄心内に埋め込んで構成する電動機の回
転子において、前記磁石における凹部側縁部の回転子外
周部に近接する部分に面取り状に切り欠いた部分を設け
るとともに、この切り欠いた部分は凸部側縁部の面取り
よりも大きく、且つ、交差しない範囲とし、この磁石は
前記鉄心に設けられた磁石と略相似形の収容孔に挿着さ
れるため、前記切り欠いた部分は前記鉄心によって埋め
られて構成される。

【００１６】また、前記磁石における凹部側縁部の切り
欠いた部分を磁石両端に直線状に設ける場合は、両端の
ものを同一直線上で切り欠くようにすると製造上都合が
よい。さらに、断面形状が略Ｖ字形または略Ｃ字形の磁
石を各極において凹凸の方向を揃えて多重に埋め込んで
構成する回転子においても、個々の磁石に対して本発明
は同様に適用可能である。

【００１７】

【作用】固定子鉄心の歯部と回転子鉄心との間で流出入
を行う固定子磁束が、磁石が回転子外周部と近接する部
分において、磁石を挟んで２方向へ分散して流出入を行
うことにより、磁気的吸引力が分散されて回転子に作用
するコギングトルク成分が減少する。

【００１８】

【実施例】本発明による回転子の第１の実施例を図１に
示す。この図は軸４に垂直な断面を示しており、略Ｖ字
形の磁石３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄが鉄心２ａに設けられ
たこれら磁石と略相似形の収容孔に挿入されている。各
磁石３ａ〜３ｄは凹部側が外側を向くように配置されて
おり、各磁石の中央を磁極中心として４極に着磁されて
いる。またこれらの磁石３ａ〜３ｄは、その凹部側縁部
３３の回転子外周部に近接する部分に面取り部２０が設
けてある。この面取り部２０は凸部側縁部の面取り部１
６よりも大きく、且つ、交差しない範囲となっている。
尚、各磁石３ａ〜３ｄはＶ字形を一体形成したものでも
よいが、各極において板状磁石を２個組み合わせてＶ字
を形成するようにしたものであってもよい。

【００１９】図１のように構成した回転子１ａを図１２
に示したものと同じ固定子５内へ配置して電動機を構成
し、回転子の進み角θ＝１０゜及びθ＝２０゜の場合に
おける固定子磁束の流れをそれぞれ図２及び図３に示
す。図２に示すθ＝１０゜の状態は従来例における図１
６の状態に対応しており、固定子鉄心６の特定の歯部８
ａから回転子鉄心２ａへ入る固定子磁束は、符号１２で
示される従来の流路の他に面取り部２０の存在によって
符号１４で示される流路が新たに生じることになって、
磁石３ａを挟んで磁路が分散されることになる。

【００２０】また図３に示すθ＝２０゜の状態は従来例
における図１７の状態と対応しており、固定子鉄心６の
特定の歯部８ｂから回転子鉄心２ａへ入る固定子磁束
は、符号１３で示される従来の流路の他に面取り部２０
の存在によって符号１５で示される流路が新たに生じる
ことになって、磁石３ｄを挟んで磁路が分散されること
になる。これら図２及び図３に示す現象は、回転子１ａ
の各磁石３ａ〜３ｄの回転子外周部と近接するすべての
端部において同様に生じており、この結果、固定子と回
転子間の固定子磁束による磁気的吸引力が回転子１ａの
回転方向と反回転方向とに分散され、回転子１ａに作用
するコギングトルク成分が減少する。

【００２１】上記回転子１ａを用いた電動機において、
通電状態を一定にして回転子１ａを進み角θ＝−９０゜
〜９０゜の範囲で回転させてトルクを測定すると、図７
の実線Ａのような変化となり、同一条件で測定した従来
例のトルクを示す破線Ｂと比較してリップルが緩和さ
れ、図６の曲線Ｔに近い形状が得られたことが判る。こ
れは例えば、固定子のスロット数が１２個になった場合
であっても、コギング間隔が大きくなる点が異なるのみ
であって、同様の効果が得られるものである。

【００２２】図４は本発明による回転子の第２の実施例
を示しており、図１に示した略Ｖ字形の磁石３ａ〜３ｄ
に代えて、断面形状が略Ｃ字形の磁石３ｅ，３ｆ，３
ｇ，３ｈを鉄心２ｂのこれら磁石と略相似形の収容孔に
挿入して構成した例を示している。この回転子１ｂにお
いても、各磁石３ｅ〜３ｈの外側へ向いた凹部側縁部３
５の回転子外周部に近接する部分に面取り部２１が設け
てあり、この面取り部２１は凸部側縁部の面取り部１７
よりも大きく、且つ、交差しない範囲となっており、図
１の回転子１ａ同様の作用、効果が得られるようになっ
ている。

【００２３】尚、図１及び図４に示す回転子１ａ及び１
ｂにおいて、各磁石の面取り部２０，２１は必ずしも直
線状に設ける必要はなく、緩やかなＲ面取り等であって
もよく、要するに磁石の凹部側縁部を形成する線を端部
において面取り状に切り欠き、この切り欠いた部分に回
転子鉄心が存在するように、回転子鉄心における磁石を
挿入する収容孔が無理なく形成できる形状であればよ
い。

【００２４】また実施例に示すような略Ｖ字形や略Ｃ字
形の磁石は、図１及び図４に示すように、その凸部側縁
部３４，３６と回転子外周に沿った磁石の端部を形成す
る線１８，１９とは鋭角を形成するため、一般に凸部側
縁部３４，３６の端部には面取り部１６，１７が設けら
れる。従って本発明における磁石の凹部側縁部３３，３
５の面取り部２０，２１を設ける範囲は、上記凸部側縁
部３４，３６の面取り部１６，１７と交差しない範囲と
することが望ましく、これにより磁石の縁部に鋭角部が
生じることがなく、磁石の欠け等が防止できる。

【００２５】また上記面取り部２０，２１の面取り角度
は、固定子磁束をスムーズに回転子鉄心へ誘導できる範
囲であれば特に制約を設ける必要はないが、面取り部２
０，２１を図示するような直線状に設ける場合は、磁石
の両端のものを同一直線上で切り欠くように形成すれば
磁石の製造を容易にし、且つ磁石材料も削減できる効果
がある。この理由をＣ字形磁石を例にとって図８及び図
９に基づいて説明する。

【００２６】図８は焼結磁石の成型過程を示す断面図で
あり、（ａ）は本発明による磁石の場合、（ｂ）は従来
の磁石の場合をそれぞれ示している。図１０に示した従
来の回転子１ｅに使用される磁石３ｕ〜３ｘを製造する
ためには、図８（ｂ）に示すように、個々の製品形状に
基づいて設計された金型２４，２５，２６，２８を用い
て磁石材料３０を磁場中成型するようになっている。こ
の場合一般に、下型２８には成型時の荷重を安定させて
磁石材料３０の密度を均一化するために、平坦な受け面
３８が必要な構成となっている。成型された磁石材料３
０は炉に入れられて焼成され、この過程で収縮を生じる
ものの、概ね図９（ｂ）に示すような破線部３２も含め
た磁石３ｕの原形が得られる。図８（ｂ）に示した金型
の受け面３８に対応する部分は、図９（ｂ）の直線部４
０となって焼成されるため、従来の磁石３ｕを形成する
ためには、焼成品を研削加工して破線部３２を取り除い
て磁石３ｕの最終形状を得るようにしている。

【００２７】これに対して図４に示す本発明による回転
子１ｂに使用される磁石３ｅ〜３ｈを製造するために
は、図８（ａ）に示すような平坦な受け面３７を有する
下型２７が用いられ、この型により成型された磁石材料
２９は焼成後図９（ａ）に示す破線部３１も含めた形状
となり、金型の受け面３７に対応する部分は直線部３９
となって焼成される。この直線部３９は磁石３ｅの凹部
側縁部の面取り部２１と対応しておりこの結果、磁石３
ｅを得るための研削加工部分は破線部３１のみとなり、
従来品と比べて歩留まりが向上するのみならず、研削時
間も大幅に短縮されるといった長所を備えている。従っ
て、上記の工程で本発明による磁石３ｅ〜３ｈを形成す
る場合、凹部側縁部の面取り部２１は、必然的に磁石の
両端で同一直線上に存在することになる。

【００２８】図５は本発明による回転子の第３の実施例
を示しており、図４に示したような断面形状が略Ｃ字形
の磁石を各極で凹凸の方向を揃えて２重構造としたもの
である。この回転子１ｃにおいても、各磁石３ｉ，３
ｊ，３ｋ，３ｌ，３ｍ，３ｎ，３ｏ，３ｐの外側へ向い
た凹部側縁部の回転子外周部に近接する部分には面取り
部２２及び２３が設けてあり、この面取り部２２及び２
３は凸部側縁部の面取り部よりも大きく、且つ、交差し
ない範囲となっており、図１の回転子１ａにおいて説明
したような作用、効果が同様に得られるものである。
尚、各極における磁石をさらに多重構造とした場合にお
いても同一要領で構成すればよく、さらに略Ｖ字形の磁
石を多重構造としたものについても同様である。

【００２９】

【発明の効果】本発明によれば、固定子鉄心の歯部と回
転子鉄心との間で流出入を行う固定子磁束が、磁石が回
転子外周部と近接する部分において特定の方向へ偏るこ
となく分散して流出入を行うようになり、磁気的吸引力
が分散されて回転子に作用するコギングトルク成分が減
少する。この結果トルクリップルが緩和されて、電動機
の運転に伴う振動、騒音を大幅に低減することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による回転子の第１の実施例を示す平面
断面図。

【図２】図１の回転子を用いた電動機の要部拡大説明
図。

【図３】図１の回転子を用いた電動機の要部拡大説明
図。

【図４】本発明による回転子の第２の実施例を示す平面
断面図。

【図５】本発明による回転子の第３の実施例を示す平面
断面図。

【図６】回転子位置に対する電動機のトルクの変化を示
す説明図。

【図７】本発明による回転子と従来の回転子の双方にお
ける回転子位置に対する電動機のトルクの変化を示す特
性図。

【図８】磁石の成型過程を説明する断面図であり、
（ａ）は本発明の例を示し、（ｂ）は従来例を示す。

【図９】磁石の研削を説明する断面図であり、（ａ）は
本発明の例を示し、（ｂ）は従来例を示す。

【図１０】従来例を示す回転子の平面断面図。

【図１１】別の従来例を示す回転子の平面断面図。

【図１２】図１１の回転子を用いた電動機の平面断面
図。

【図１３】図１２の電動機における回転子進み角が異な
る例を示す平面断面図。

【図１４】図１２の電動機における回転子進み角が異な
る例を示す平面断面図。

【図１５】図１２の電動機における回転子進み角が異な
る例を示す平面断面図。

【図１６】図１４の要部拡大説明図。

【図１７】図１５の要部拡大説明図。

【符号の説明】

１ａ〜１ｅ 回転子 ２ａ〜２ｅ 回転子鉄心 ３ａ〜３ｘ 磁石 ４ 軸 ５ 固定子 ６ 固定子鉄心 ７ スロット ８ 歯部 ９ 巻線 １０ 空隙 ２０，２１，２２，２３ 面取り部 ３３，３５ 磁石の凹部側縁部 ３４，３６ 磁石の凸部側縁部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平８−336247（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−140076（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−298852（ＪＰ，Ａ) 実開 平６−66277（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H02K 1/27 501

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 各極における断面形状が略Ｖ字形または
   略Ｃ字形の磁石を凹部側が外側を向くように鉄心内に埋
   め込んで構成する電動機の回転子において、前記磁石に
   おける凹部側縁部の回転子外周部に近接する部分に面取
   り状に切り欠いた部分を設けるとともに、この切り欠い
   た部分は凸部側縁部の面取りよりも大きく、且つ、交差
   しない範囲とし、この切り欠いた部分が前記鉄心によっ
   て埋められていることを特徴とする電動機の回転子。
2. 【請求項２】 前記磁石における凹部側縁部の切り欠い
   た部分は、磁石両端に直線状に設けるとともに、両端の
   ものが同一直線上で切り欠いてあることを特徴とする請
   求項１に記載の電動機の回転子。
3. 【請求項３】 前記磁石は、各極において凹凸の方向を
   揃えて多重に埋め込まれていることを特徴とする請求項
   １または２に記載の電動機の回転子。