JP3688396B2 - 電動機の回転子 - Google Patents

Description

【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（以下ＩＰＭと称す）の回転子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＩＰＭの回転子として、一般に図８に示す構成のものが知られている。この回転子は、軸孔５に嵌入される軸によって支持されて、ケーシングに固定された電動機固定子の内側に配置され、鉄心１ｅの外周部が固定子鉄心の内周部との間に所定の空隙を介して対向するように構成される。鉄心１ｅは所定形状に打ち抜いた０．３５ｍｍ，０．５０ｍｍ等の板厚の薄鉄板を多数積層して形成されており、収納した磁石の軸方向両端部を密閉するために端板１０，１０を装着し、軸方向に貫通する複数のカシメピン９によって鉄心１ｅと端板１０，１０とが固定されている。
【０００３】
図８に示した回転子の断面を図９及び図１０に示す。薄鉄板の打ち抜きによって形成された鉄心１ｅは、磁石６の収容孔２、カシメピン９の挿通孔８及び軸孔５を備え、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７によって固定されて構成されている。積層後の鉄心１ｅの複数の収容孔２には、これと略相似形の磁石６がすきまばめあるいは圧入等によって挿入され、しかる後、端板１０，１０がカシメピン９によって固定されて蓋がなされるようになっている。
【０００４】
複数片の磁石６は、主にフェライト磁石あるいは希土類磁石が用いられ、極と平行に磁気配向させた極異方性、あるいは径方向に磁気配向させたラジアル異方性に形成され、１片の磁石が１極を形成するように着磁されて界磁を形成するようになっており、実施例のものは４極の界磁構成の場合を示している。図９に示す回転子において、磁石６の断面形状は、外径側が円弧状で内径側が直線状の略蒲鉾形をなし、この磁石６の円弧状外周部は鉄心１ｅの外周部と同心状の円弧に形成されている。この結果、図１１に示すように、鉄心１ｅにおける外周部と磁石６の外周部即ち収容孔２の円弧状外周部との間に介在する鉄心部分（以下ブリッジ部と称す）３は等幅に形成されている。そしてこのブリッジ部３は、収容孔２の相互間に介在する鉄心部分（以下ガード部と称す）４によって支持された構成となっている。
【０００５】
磁石の形状としては、図９に示したもの以外に、図１２に示すような形状のものも一般に多用されている。この磁石６ａは、外径側と内径側の双方を同心の円弧状に形成した弓形をなしており、内径側が円弧状である点を除いて図９に示した磁石６と同様の構成となっている。図１２に示す回転子の構成に関しては、図９の場合と同様であるため、図９と同一の符号を付して重複する説明は省略する。以上説明したような回転子は、例えば特開平５−１７６４８７号公報等に開示されている。
【０００６】
上記回転子は、三相巻線を有する固定子とともに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。このようなＩＰＭ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ＩＰＭ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とすると、
Ｔ＝Ｔ１＋Ｔ２ ……（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、
Ｔ１＝Φ・Ｉｑ ……（２）
Ｔ２＝（Ｌｄ−Ｌｑ）Ｉｄ・Ｉｑ ……（３）
で表される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ＩＰＭの場合、一般にリラクタンストルクＴ２に比べて主磁束トルクＴ１の占める割合が大きいため、図１１に示したような回転子鉄心１ｅにおいては、主磁束の漏洩を少なくするために、ブリッジ部３の径方向の幅は小さく設計する必要がある。回転子鉄心を構成する薄鉄板の打ち抜きは、順送プレス型を用いて行われ、図１３に示すように所定のクリアランスＷ１を有する上刃１２と下刃１３とによって板厚がＷ２なる薄板材料１１を抜き落とすものであり、下側の薄板１１ａが抜き落とされるとともに、上側の薄板１１ｂが残されて次ステーションへ運ばれるようになっている。ブリッジ部３を形成する場合、収容孔２を抜き落とすステーションにおいてはブリッジ部３は図１３の薄板１１ｂに相当し、鉄心１ｅの外周部を抜き落とすステーションにおいては薄板１１ａに相当することになる。
【０００９】
このように打ち抜かれて積層された鉄心ブリッジ部３は、図１４に示すような形状となる。即ち、各薄鉄板には鉄心の外周部１４と内周側の収容孔２との間に幅がＷ３なるブリッジ部３が打ち抜かれており、このブリッジ部３の内外周面のそれぞれはせん断面１５と破断面１６によって形成されており、破断面１６の先端にはバリ１７が生じている。また上刃１２または下刃１３が打ち込まれる板面からせん断面１５にかけては薄板材料が刃に引き込まれて生じるだれ込み部１８が生じる。従ってだれ込み部１８によって、ブリッジ部３の上下板面はせん断方向へ傾斜して形成されることになる。
【００１０】
積層直後の回転子鉄心は、図１４に示すように各薄鉄板に生じたバリ１７によって積層間が浮いた状態となっていて積層密度が悪いため、一般に積層方向に再加圧して増し締めがなされる。このとき鉄心のブリッジ部３においては、幅寸法Ｗ３が小さいために、この寸法Ｗ３に対する前述のだれ込み部１８による傾斜部分の割合がかなり大きくなっており、この結果図１５に示すように、加圧によってブリッジ部３の上下面が滑って積層間にズレが生じたり、ブリッジ部３自体が傾斜して収容孔２側あるいは外周部１４側へ突出するといったいわゆる座屈現象を生じる。このようにブリッジ部３が本来のブリッジ幅Ｗ３に対して径方向内外へ凹凸を生じることにより、収容孔２への磁石６，６ａの挿入ができなくなったり、回転子の外周部１４が固定子と接触して電動機として回転不能となったりするものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、多数の薄鉄板を打ち抜いて積層し積層方向に再加圧して増し締めを行う鉄心の内部に、複数片の磁石を環状に装着して構成する電動機の回転子において、前記鉄心の外周部と前記磁石の円弧状外周部との間に介在する鉄心ブリッジ部の幅を、前記磁石の１片における周方向中央部と対向する部分を広幅に形成するものである。
【００１２】
この鉄心ブリッジ部に設ける広幅部の形状は、内側へ向けた凸状または外側へ向けた凸状のどちらでもよいが、内側へ向けた凸状とした場合は、広幅部の凸状の先端は磁石の円弧状外周部に当接するような円弧に形成し、それ以外の狭幅のブリッジ部は磁石から離間した構成となる。また内側へ向けた凸状とした場合において、磁石の周方向中央部と対向する部分に加えて、周方向端部近傍と対向する鉄心ブリッジ部に周方向に間欠的に広幅部を設けるようにしてもよい。尚、前記鉄心ブリッジ部に設ける広幅部の幅は、前記鉄心を構成する薄鉄板の板厚以上とすることが好ましい。
【００１３】
【作用】
鉄心ブリッジ部の広幅部においては、打ち抜きによるだれ込み部に対してブリッジ部の幅寸法が大きいために広幅部に平坦な板面が存在し、積層方向に鉄心を再加圧して増し締めを行う際に前記平坦な板面で加圧力を受けることができ、この結果ブリッジ部にズレや傾斜が生じることがない。
【００１４】
また、ブリッジ部の周方向中央部に存在する広幅部に磁石による主磁束が効率的に集中し、前述の（２）式における磁束量Φが増加して主磁束トルクＴ１が大きくなる。またこのように主磁束が広幅部に集中することによりガード部を経由して漏洩する主磁束が減少し、代わりにガード部を経由した固定子磁束の通過量が増加し、同時に広幅部を経由する固定子磁束の磁路も形成され、 （Ｌｄ−Ｌｑ）の絶対値が大きくなってリラクタンストルクＴ２が大きくなる。この結果、（Ｔ１＋Ｔ２）によって構成されるＩＰＭのトルクＴが大幅に増加する。
【００１５】
【実施例】
本発明の実施例を図面に基づいて説明する。図１は本発明の代表的な一例を示す回転子鉄心の平面図である。この鉄心１ａのブリッジ部３は、従来のように等幅に形成されるのではなく、周方向中央部に広幅部３ａを、そして周方向端部のガード部４近傍の部分には狭幅部３ｂ，３ｂをそれぞれ設けてある。広幅部３ａは収容孔２内へ突出した凸部によって形成されており、この構成は各極におけるブリッジ部で均等構成となっている。
【００１６】
広幅部３ａの内周部は鉄心１ａの外径１４と同心状に形成され、図２に示すようにこの鉄心１ａの収容孔２に磁石６を挿入したとき、広幅部３ａの内周部と磁石６の円弧状外周部とは当接状態となり、狭幅部３ｂ，３ｂと磁石６とは若干離間するように構成される。
【００１７】
図１に示される鉄心１ａにおいて、鉄心を構成する各薄鉄板を打ち抜く際、図１５にて説明しただれ込み部１８が生じるためにブリッジ部３の板面はせん断方向へ傾斜して形成されるのであるが、従来のブリッジ部と比較して広幅に形成された部分３ａにおいては、だれ込み部に対するブリッジ幅Ｗ３の割合が大きくなるため、平坦な板面を多く残存させて打ち抜くことができる。このため積層方向に鉄心１ａを再加圧して増し締めを行う際に、上記平坦な板面で加圧力を受けることができ、ブリッジ部３のズレや傾斜が発生することが防止される。
【００１８】
上記効果を得るためのブリッジ部の広幅部３ａの幅寸法は、概ね薄鉄板の板厚以上とすることにより、良好な効果が発揮されることが発明者らによって確認されている。一方ブリッジ部３の狭幅部３ｂは、鉄心のガード部４に近接しているため、この部分については加圧によるズレや傾斜は発生しにくい構成となっているため、従来通りの幅に形成すればよく、必要に応じさらに狭幅に形成することも可能である。
【００１９】
図２に示す回転子を固定子と対向配置した状態を図６に示す。固定子２４は、複数のスロット２１を有する固定子鉄心１９に絶縁物を介して三相巻線２０ａ，２０ｂが巻回されており、図示する巻線は模式的に示してあるが、巻線群２０ａと巻線群２０ｂには互いに逆方向の電流が通電されて、これにより２３ａ，２３ｂで示されるような磁束が生じている状態を表している。一般にＩＰＭ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。
【００２０】
図７は、固定子に対して例えばＵ−Ｖ通電を行い、回転子が停止した位置を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トルクを示しており、θは回転の電気角、実線Ａは本発明による回転子の場合、破線Ｂは従来の回転子の場合をそれぞれ示している。前述したように本発明の回転子の場合は、ブリッジ部の広幅部３ａは磁石６と当接して磁石の磁束が通過し易く構成され、狭幅部３ｂは磁石６と離間しているとともに磁気飽和し易く構成されているために、必然的に磁石による主磁束は広幅部３ａへ集中し易く構成されることになる。このような構成によって得られる主磁束トルクＴ１は、図７の（ａ）におけるＡ線で示されるようなものとなり、電気角θが９０゜の地点で極大値となり、この近辺で従来品Ｂに比べて大きなトルクが得られる。
【００２１】
一方、リラクタンストルクの成分は固定子巻線による磁束によって生じるものであり、この磁束は図６の２３ａ，２３ｂのような磁路を形成する。即ち磁束２３ｂは、固定子鉄心１９から空隙２２を経由して回転子鉄心１ａのガード部４、磁石６の内側の鉄心部分、磁石６を挟んだもう一方のガード部４をそれぞれ通って再び空隙２２を経由して固定子鉄心１９に至る磁路を形成し、これは従来のＩＰＭにおける一般的な磁路である。本発明の特徴は、ブリッジ部の広幅部３ａの存在により、固定子鉄心１９から空隙２２を経由して広幅部３ａを通る磁束２３ａが比較的大きな割合で寄与してくることにある。またブリッジ部の広幅部３ａと狭幅部３ｂのそれぞれの作用により、前述したように磁石による主磁束がブリッジ部の周方向中央部に集中することから、ガード部４を経由した主磁束の漏洩が減少し、このことにより固定子磁束２３ｂの磁路のパーミアンスが増加して磁束２３ｂも増加することになる。
【００２２】
従って本発明品のリラクタンストルクＴ２は図７の（ｂ）におけるＡ線で示されるようなものとなり、従来品Ｂに比べて大きなものとなっている。この結果ＩＰＭのトルクＴは、（１）式にて説明したようにＴ１とＴ２の合成となるため、図７の（ｃ）のＡ線にて示されるものとなる。このトルクＡの最大区間を形成する２つの極大値間の角度θは約５０゜であり、この区間は主磁束トルクＴ１とリラクタンストルクＴ２との成分比によって移動するが、区間の角度幅は変化することはなく、電気角６０゜の通電をこのトルクＴの最大区間で行うことにより従来品Ｂよりも大きなトルクを得ることが可能となる。
【００２３】
図３は本発明の別の実施例を示し、ブリッジ部３の周方向中央部の広幅部３ａに加えて、周方向端部近傍にも広幅部３ｃ，３ｄを間欠的に設けたものである。この場合、端部の広幅部３ｃ，３ｄの内径は、中央部の広幅部３ａと同一に形成されている。図３のような鉄心１ｂとすることにより、磁石の円弧状外周部と当接する部分が周方向に分散できるため、回転子の回転に伴って磁石に加わる遠心力が中央部の一点に集中するのを回避し、回転子の耐遠心力強度を高めることが可能となる。
【００２４】
図４は本発明のさらに別の実施例を示し、図１に示した広幅部３ａに代えて、外側へ向けて突出した広幅部３ｅとしたものである。図４のような鉄心１ｃにおいても、図１に示した回転子と略同様の効果を得ることができる。尚、広幅部３ｅの突出によって回転子と固定子間の空隙が縮小するが、前述したブリッジ部３のズレや傾斜が発生した場合に比べれば突出寸法は相対的に小さなものであり、且つ寸法上の品質も安定しているので、固定子との間に所定の空隙を維持して回転子が回転を行うに際して支障は生じない。
【００２５】
図５に示す鉄心１ｄは、図１２に示したような弓形の磁石を使用した回転子に本発明を適用した場合の例を示しており、収容孔２の内径側が磁石形状に合わせた円弧状である点以外は図１に示した鉄心１ａと同様の構成であり、作用、効果に関しても何等変わることはない。
【００２６】
【発明の効果】
本発明によれば、鉄心ブリッジ部の広幅部の存在によって、積層方向に鉄心を加圧して増し締めを行う際にブリッジ部に積層間のズレや傾斜が発生することが防止される。この結果、鉄心の収容孔への磁石の挿入が容易となって製造上の歩留まりが向上するとともに、回転子の外周部が固定子と接触するといった事故をなくすことができ、品質の良い回転子を提供できるものである。
【００２７】
またブリッジ部の周方向中央部に存在する広幅部に磁石による主磁束が効率的に集中して主磁束トルク成分を増加させ、同時に該広幅部及び磁石間に介在する鉄心部分であるガード部を経由して磁路を形成する固定子磁束の通過量が増加してリラクタンストルク成分を増加させ、これらの結果ＩＰＭのトルクが大幅に向上し、電動機の小型化あるいは効率の向上等に大きく寄与し得るものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を示す回転子鉄心の要部平面図。
【図２】図１の鉄心を使用した回転子の要部平面断面図。
【図３】本発明の第２の実施例を示す回転子鉄心の要部平面図。
【図４】本発明の第３の実施例を示す回転子鉄心の要部平面図。
【図５】本発明の第４の実施例を示す回転子鉄心の要部平面図。
【図６】図２の回転子を固定子と対向配置した状態を示す説明図。
【図７】固定子に対する特定の通電パターン時における回転子位置によるトルクの変化を示し、（ａ）は主磁束トルク、（ｂ）はリラクタンストルク、（ｃ）はそれらの合成トルクをそれぞれ示す特性図。
【図８】ＩＰＭの一般的な回転子を示す斜視図。
【図９】従来例を示す回転子の平面断面図。
【図１０】従来例を示す回転子の正面断面図。
【図１１】従来例を示す回転子鉄心の要部平面図。
【図１２】別の従来例を示す回転子の平面断面図。
【図１３】薄鉄板の打ち抜きを説明する正面断面図。
【図１４】打ち抜き後の鉄心ブリッジ部を示す正面断面図。
【図１５】加圧された鉄心ブリッジ部を示す正面断面図。
【符号の説明】
１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅ，１ｆ 鉄心
２ 収容孔
３ ブリッジ部
３ａ，３ｃ，３ｄ，３ｅ 広幅部
３ｂ 狭幅部
４ ガード部
５ 軸孔
６，６ａ 磁石
７ カシメクランプ手段
８ カシメピン挿通孔
９ カシメピン
１０ 端板
１８ だれ込み部
１９ 固定子鉄心
２２ 空隙
２３ａ，２３ｂ 固定子磁束

Claims (3)

1. 多数の薄鉄板を打ち抜いて積層し積層方向に再加圧して増し締めを行う鉄心と、この鉄心の内部に環状に装着した複数片の磁石とを具備した電動機の回転子において、前記鉄心の外周部と前記磁石の円弧状外周部との間に介在する鉄心ブリッジ部の幅を、前記磁石の１片における周方向中央部と対向する部分では広幅に形成するとともに、前記磁石の１片における周方向端部近傍と対向する部分では狭幅に形成し、前記広幅の部分は、内側へ向けた凸状をなし、前記凸状の先端は前記磁石の円弧状外周部に当接するような円弧状に形成し、前記狭幅の部分と前記磁石の円弧状外周部が離間するように構成し、また、前記広幅の部分の幅は前記鉄心を構成する薄鉄板の板厚以上としたことを特徴とする電動機の回転子。
2. 前記磁石の１片における周方向端部近傍と対向する前記鉄心ブリッジ部の幅を、周方向に間欠的に広幅に形成したことを特徴とする請求項１に記載の電動機の回転子。
3. 多数の薄鉄板を打ち抜いて積層し積層方向に再加圧して増し締めを行う鉄心と、この鉄心の内部に環状に装着した複数片の磁石とを具備した電動機の回転子において、前記鉄心の外周部と前記磁石の円弧状外周部との間に介在する鉄心ブリッジ部の幅を、前記磁石の１片における周方向中央部と対向する部分では広幅に形成するとともに、前記磁石の１片における周方向端部近傍と対向する部分では狭幅に形成し、前記広幅の部分は、外側へ向けた凸状をなし、前記凸状の先端は前記鉄心の外周部の外径と同心状に形成し、前記広幅の部分と前記狭幅の部分の内周部が前記磁石の円弧状外周部と当接するように構成し、また、前記広幅の部分の幅は前記鉄心を構成する薄鉄板の板厚以上としたことを特徴とする電動機の回転子。

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