JP3832540B2 - Permanent magnet motor - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、空気調和機や自動車等に用いるモータの永久磁石電動機に係り、さらに詳しく言えば、リラクタンストルクの有効利用を可能とする永久磁石電動機に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
永久磁石電動機は、例えば図10に示すように、回転磁界を発生する例えば24スロットの固定子1内に回転子2を有しており、この回転子2には当該永久磁石電動機の極数(例えば4極)分の永久磁石3が外径に沿って円周方向に配置されている。なお、4はシャフト挿通用の中心孔である。
【0003】
この回転子2の構造においては、永久磁石3がq軸に沿った板形状であり、一方のq軸から他方のq軸への磁束(固定子1からの磁束)の路が確保され、また一方のd軸から他方のd軸への磁束(固定子1からの磁束)の路に永久磁石3が垂直に介在する。このような構造によりd軸、q軸インダクタンス比(いわゆる突極比)がとれ、リラクタンストルクの発生が見られることから、したがってマグネットトルクだけなく、リラクタンストルクも期待できる。なお、上記回転子2を備えた永久磁石電動機は三相四極モータであるが、特開平10−66285の公報には六極モータについての説明があり、前述した従来例の参照例とされたい。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記永久磁石電動機においては、d軸、q軸インダクタンス比(いわゆる突極比)が極めて小さく、リラクタンストルクがモータトルクに殆ど寄与せず、主にマグネットトルクがモータトルクに寄与することなり、高トルク、高効率化するため、マグネットを大きくしたり、磁力の強いマグネットを用いると、コスト高となり、しかもコスト等を勘案すると、マグネットの使用量にも限界がある。
【0005】
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、その目的は、リラクタンストルクを大きくし、高トルク、高効率化を図ることができるようにした永久磁石電動機を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、請求項1に記載されているように、回転磁界を発生する固定子の内側に回転子を有する永久磁石電動機において、前記回転子には、板状のマグネットをq軸に沿って、かつ、前記回転子の外周に沿って極数分だけ等間隔に埋め込むとともに、前記マグネットの磁化をq軸に対して直角方向とし、かつ、隣接する前記マグネットの対向極側を同極として当該極をd軸部分に形成し、d軸部分に一方のq軸から他方のq軸への磁路(磁束の路)を確保するスリットを形成してなり、前記スリットによりd軸,q軸インダクタンス比を大きくするようにしたことを特徴としている。
【0007】
請求項2に記載されているように、請求項1において、前記スリットは、断面円弧形状,断面バスタブ形状もしくはV字形状であり、それらの中央部分をシャフト用中心孔側に向けた状態でd軸方向に等間隔で多層に形成されていることが好ましい。
【0008】
請求項3に記載されているように、請求項1または2において、前記マグネットのシャフト挿通用中心孔側の端部にはフラックスバリアを形成し、前記フラックスバリアは隣接する前記マグネットの前記シャフト挿通用中心孔側の端部に渡るようにするとよい。
【0009】
請求項4に記載されているように、請求項3において、前記フラックスバリアは、中間部で2つに分割して一対のフラックスバリアにしてもよい。
【0010】
請求項5に記載されているように、請求項1,2または3において、前記スリットとシャフト挿通用中心孔との間あるいは前記スリットとフラックスバリアとの間で、d軸上にコアかしめ用のリベットを通してなり、前記リベットを磁性材料とするとよい。
【0011】
請求項6に記載されているように、請求項1,2または3において、前記スリットと前記回転子のコア外周との間あるいは前記スリットと前記フラックスバリアとの間で、d軸上にコアかしめ用のリベットを通し、前記リベットを磁性材料とするとよい。
【0012】
請求項7に記載されているように、請求項1ないし6のいずれか1項において、前記回転子は電磁鋼板からなるコアシートを自動プレスで打ち抜くとともに、金型内で自動積層してなるコアであり、該自動プレス時に前記マグネットの埋設孔、前記スリットの孔、前 記リベットの孔および前記フラックスバリアの孔を打ち抜き、かつ、これら孔の間およびこれら孔と前記回転子のコア外周との間は、少なくとも前記コアシートの厚さより大きくするとよい。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図1ないし図9を参照して詳しく説明する。なお、図中、図10と同一部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
【0014】
図1ないし図3に示すように、この永久磁石電動機の回転子10は、q軸方向に沿って細長い(板状の)マグネット11をIPM方式で埋め込み、かつ、当該極数分コア外周に沿って等間隔に埋め込み、固定子1からの(一方のq軸から他方のq軸へ)の磁気通路を確保する一方(図3の破線矢印参照)、この確保した領域にリラクタンストルクを大きくするスリット12を形成する。上記マグネット11をq軸と直角方向(板状マグネット11の厚さ方向)に磁化、着磁するとともに、隣接するマグネット11を同極とし、d軸側に当該モータの極を形成する。
【0015】
上記モータの極を形成したd軸部には、シャフト挿通用の中心孔4に頂点を向けた逆円弧状のスリット12が形成されるが、このスリット12は一方のd軸から他方のd軸への磁束(固定子1からの磁束)に対してほぼ垂直に介在し、フラックスバリアの機能を発揮する一方、一方のq軸から他方のq軸への磁束(固定子1からの磁束)の路を十分に確保する。したがって、d軸、q軸インダクタンス比が大きくなり(突極比が大きくなり)、これによりリラクタンストルクは大きくなる。
【0016】
なお、スリット12はd軸方向に三層構造となっているが、少なくとも一層以上であればよい。また、固定子1において、例えば外径側の巻線をU相、内径側の巻線をW相、その中間の巻線をV相としている。さらに、24スロットの固定子1には三相(U相、V相およびW相)の電機子巻線が施されているが、スロット数や電機子巻線が異なっていてもよい。
【0017】
ところで、上記q軸に沿って埋設したマグネット11により、d軸側に極(N極あるいはS極)が生じ、しかもこの極が円周方向に交互に生じることになるため、マグネットトルクが発生する。また、回転子10の外周縁とマグネット11の端部との間隔は、後述するコアシート10aの厚さをtとすると、その厚さtより大きい値(例えばt〜3t)とする。これにより、マグネット11の磁束の漏洩、短絡も防止することができ、つまりマグネットトルクの向上に寄与し、しかも後述する自動プレスによるコア製造時にバリ等の発生もなく、精度よくコアを製造することができる。
【0018】
また、モータコストはマグネット11の大きさに依存する。そこで、マグネット11の使用量を少なくすることにより、コストが抑えられる一方、一方のq軸から他方のq軸への磁路幅が広くなり、ここにスリット12を形成してd軸、q軸インダクタンスの比を大きくすることができる。このようにして、マグネット11の使用量の減少によるマグネットトルクの低下分をリラクタンストルクで補うとが可能となる。また、マグネット11としては、フェライト磁石や希土類磁石を用いる。この場合、フェライト磁石は低コスト化に有効であり、希土類磁石は高トルク化に有効となる。
【0019】
さらに、上記回転子10の製造においては、コアプレス金型を用いて自動プレスで電磁鋼板を打ち抜き、金型内で一体的に形成するコア積層方式(自動積層方式)を採用する。図2および図3に示すように、このプレス加工工程では、回転子10のコアを打ち抜くが、本発明ではその時と同時にシャフト挿通用の中心孔4、マグネット11を埋設する孔およびスリット12の孔を打ち抜いたコアシート10aを積層する。
【0020】
そして、自動的にプレス、積層して得た回転子10のコアの孔にIPM方式でマグネット11を埋め込む。なお、マグネット11は前述したようにq軸と直角方向に磁化、着磁し、かつ、隣接するマグネット11が同極となるようにする。
【0021】
このように、スリット12の形成によりリラクタンストルクを大きくすることができ、マグネットトルクとリラクタンストルクによるトータルトルクの向上が図れ、ひいては高トルク、高効率のモータを実現することができ、またコストおよびトルクを勘案してマグネットの使用量(大きさ)を選択することにより適用的モータを実現することができる。
【0022】
図4は本発明の他の実施例を説明する回転子の概略的平面図である。なお、図中、図3と同一部分には同一符号を付して重複説明を省略する。また、固定子1については図1を参照されたい。この実施例では、マグネット11の中心孔4側端部において磁束の短絡、漏洩を防止するために、マグネット11の中心孔4側端部にフラックスバリア21を形成している。
【0023】
図4に示す回転子20は、マグネット11の端部(中心孔4側端部)から隣接するマグネット11の方向に延びる一対の細長い孔21a,21bによるフラックスバリア21を有する構造になっている。なお、マグネット11と細長い孔21aとの間隔、マグネット11と細長い孔21bとの間隔、細長い孔21aと細長い孔21bの間隔、中心孔4と細長い孔21aとの間隔および中心孔4と細長い孔21bとの間隔はコアシート10aの厚さtより大きくする。これにより、マグネット11の磁束の短絡、漏洩を防止し、マグネットトルクを有効に発生させることができる一方、コア製造時にバリ等の発生を防止することができ、しかも孔21aと孔21bとの間が橋絡部となり、コア強度を高めることができる。
【0024】
図5および図6は本発明の変形実施例を説明する回転子の概略的平面図である。なお、図中、図4と同一部分および相当する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。また、固定子1については図1を参照された。図5に示す回転子20は、コアをかしめるためのリベット22をスリット12と中心孔4の間でd軸上に、つまり隣接するマグネット11の中間に通している。
【0025】
この場合、中心孔4とリベット22との間隔およびリベット22とマグネット11の端部との間隔はコアシート10aの厚さtよりも大きくする。これにより、回転子20の製造において、プレス加工時のバリ等の発生を防ぎ、歩留まりの向上を図ることができる。上記リベット22の材質としては、透磁率の良い磁性体を用いる。これにより、一方のq軸から他方のq軸への磁束に与える影響を小さくし、d軸、q軸インダクタンス比を大きくすることができる。
【0026】
また、図6に示す回転子20は、リベット23を最外側のスリット12とコア外周との間でd軸上に通している。この場合、最外側のスリット12とリベット23との間隔および回転子20の外周とリベット23との間隔は、前述と同じ理由からコアシート10aの厚さtより大きくする。ところで、図5および図6に示したリベット22,23を通す孔は、前述したプレス加工時に形成する。つまり、中心孔4、マグネット11の孔、スリット12およびフラックスバリア21の孔を打ち抜く際に、そのリベット22あるいはリベット23の通し孔を同時に打ち抜くことができる。
【0027】
図7は図4ないし図6に示した実施例と異なるフラックスバリアを有する回転子の概略的平面図である。なお、図中、図4ないし図6と同一部分および相当する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。この回転子20は、マグネット11の磁束の漏洩、短絡を防止するために、図4ないし図6に示す細長い孔21a,21bのフラックスバリア21に代え、1つのフラックスバリア24をマグネット11の中心孔4側の端部の間に形成したものである。
【0028】
なお、前述したフラックスバリア21,22は直線的に細長い孔であるが、曲線的な孔でもよく、例えばフラックスバリア21,22の形状を1つの逆円弧状のスリットとし、またそのスリットの中心孔4側を同中心孔4に沿った円弧曲線とし、そのスリットのコア外周側を逆円弧曲線とする。これにより、磁束の漏洩、短絡防止だけなく、一方のq軸から他方のq軸への磁束の路を確保することができる。
【0029】
図8および図9は本発明のさらに他の変形例を示す回転子の概略的平面図である。なお、図中、図3と同一部分および同一と見なされる部分には同一符号を付して重複説明を省略する。図8に示す回転子10は、図3に示すスリット12に代え、断面バスタブ形状のスリット25を備えている。なお、スリット25の断面バスタブ形状とは台形の底辺を除いた両辺および上辺に沿った形状をいう。
【0030】
この場合、断面バスタブ形状の底辺を中心孔4に向けて複数層に形成する。これによっても、固定子1からの磁束(一方のq軸から他方のq軸への磁束)の路を確保することができ、前述同様にd軸、q軸インダクタンス比を大きくすることができる。
【0031】
図9に示す回転子10は、図3に示すスリット12に代え、V字形状のスリット26を備えている。この場合、V字形状の開き角度は鈍角であり、この頂角を中心孔4に向けて複数層に形成する。これにより、固定子1からの磁束(一方のq軸から他方のq軸への磁束)の路を確保することができ、前述同様にd軸、q軸インダクタンス比を大きくすることができる。
【0032】
なお、図8および図9にはともに図示されていないが、埋め込むマグネット11の中心孔4側端部には図4に示したフラックスバリア21あるいは図7に示すフラックスバリア24を形成するとよい。また、コアをかしめるためのリベットについては、図5に示したリベット22と同様の位置に、つまりd軸上で中心孔4とスリット25との間に通すか、図6に示したリベット23と同様の位置、つまりd軸上でコア外周とスリット25との間に通すようにすればよい。
【0033】
さらに、前述した回転子10,20を直流ブラシレスモータに組み込めば、例えば空気調和機の圧縮機モータ等として利用すれば、コストをアップすることなく、空気調和機の運転効率の上昇、を図ることができる。
【0034】
【発明の効果】
以上説明した本発明によれば、次のような効果が奏される。本発明は回転子にリラクタストルクを大きくするスリットを形成したことから、リラクタンストルクの十分な活用を実現することができ、このリラクタンストルクとマグネットトルクによって高トルク、高効率モータを実現することができるという効果があり、またコストおよびトルクを勘案してマグネットの使用量(大きさ)を選択することにより適用的モータを実現することができるという効果がある。
【0035】
本発明は回転子にリラクタンストルクを大きくするスリットをd軸方向に多層構造としたことから、より一方のq軸から他方のq軸への磁束の路を確保する一方、一方のd軸から他方のd軸への磁束に対してフラックスバリアの効果が有効に発揮し、リラクタンストルクをより大きくすることができ、ひいては高トルク、高効率モータを得ることができる。
【0036】
本発明は回転子に埋め込んだマグネットの当該中心孔側端部にフラックスバリアを形成し、このフラックスバリアを隣接するマグネットの当該中心孔側端部に渡るようにしたことから、マグネットの磁束の短絡、漏洩を防止し、マグネットトルクを有効に発生させることができるという効果がある。
【0037】
本発明は回転子に形成するフラックスバリアを中間部で2つに分割して一対のフラックスバリアとしたことから、その一対の孔と孔との間が橋絡部となり、コア強度を高めることができるという効果がある。
【0038】
本発明はd軸上にコアかしめ用のリベットを通し、このリベットを磁性材料としたことから、回転子の強度向上になり、しかも一方のq軸から他方のq軸への磁束に影響を与えずに済み、つまりd軸、q軸インダクタンス比の低下なしに済ませることができる。
【0039】
本発明は回転子を、電磁鋼板を自動プレスで打ち抜くとともに、金型内で自動積層して得る際に、マグネットの埋設孔、スリットの孔、リベットの孔およびフラックスバリアの孔を打ち抜き、かつこれら孔の間およびこれら孔と当該コア外周との間は少なくとも当該コアシートの厚さより大きくしたことから、従来のプレス技術を利用することができ、つまり製造コストアップなしに実現することができ、またコア製造時にバリ等の発生を防止し、コア製造の歩留まりを上げ、ひいては製造コストの低下を図ることができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の一形態を示す永久磁石電動機の概略的平面図。
【図2】図1に示す永久磁石電動機を説明するための回転子の概略的側断面図。
【図3】図1に示す永久磁石電動機を説明するための回転子の概略的平面図。
【図4】図3に示す回転子の他の実施例を説明するための概略的平面図。
【図5】図4に示す回転子の他の実施例を説明するための概略的平面図。
【図6】図5に示す回転子の変形例を説明するための概略的平面図。
【図7】図4に示し回転子の変形例を説明するための概略的平面図。
【図8】本発明の他の変形実施の形態を示す回転子の概略的平面図。
【図9】本発明の他の形実施の形態を示す回転子の概略的平面図。
【図10】従来の永久磁石電動機の概略的平面図。
【符号の説明】
1 固定子
4 中心孔(シャフト用)
10,20 回転子
10a コアシート
11 マグネット(板状の永久磁石)
12 スリット(円弧形状)
21,24 フラックスバリア
21a,21b 孔(フラックスバリア)
22,23 リベット
25 スリット(断面バスタブ形状)
26 スリット(V字形状)
t コアシートの厚さ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a permanent magnet motor for a motor used in an air conditioner, an automobile, or the like, and more particularly to a permanent magnet motor that enables effective use of reluctance torque.
[0002]
[Prior art]
For example, as shown in FIG. 10, the permanent magnet motor has a
[0003]
In the structure of the
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the permanent magnet motor, the d-axis and q-axis inductance ratio (so-called salient pole ratio) is extremely small, the reluctance torque hardly contributes to the motor torque, and the magnet torque mainly contributes to the motor torque. In order to increase the torque and efficiency, if a magnet is enlarged or a magnet having a strong magnetic force is used, the cost increases, and the amount of magnet used is also limited in consideration of the cost.
[0005]
The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a permanent magnet motor capable of increasing the reluctance torque to achieve high torque and high efficiency.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention provides a permanent magnet motor having a rotor inside a stator for generating a rotating magnetic field as defined in
[0007]
State as described in
[0008]
As described in
[0009]
As described in
[0010]
As described in
[0011]
As described in
[0012]
The core according to any one of
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. In the figure, the same parts as those in FIG.
[0014]
As shown in FIGS. 1 to 3, the rotor 10 of the permanent magnet motor is elongated along the q-axis direction (plate-like) embedded
[0015]
In the d-axis portion where the motor pole is formed, a reverse arc-
[0016]
The
[0017]
By the way, the
[0018]
The motor cost depends on the size of the
[0019]
Further, in the manufacture of the rotor 10, a core lamination method (automatic lamination method) is adopted in which a magnetic press steel plate is punched out by automatic press using a core press die and is integrally formed in the die. As shown in FIGS. 2 and 3, in this pressing process, the core of the rotor 10 is punched. In the present invention, the
[0020]
Then, the
[0021]
In this way, the reluctance torque can be increased by forming the
[0022]
FIG. 4 is a schematic plan view of a rotor for explaining another embodiment of the present invention. In the figure, the same parts as those in FIG. For the
[0023]
The
[0024]
5 and 6 are schematic plan views of a rotor for explaining a modified embodiment of the present invention. In the figure, the same or corresponding parts as those in FIG. For the
[0025]
In this case, the distance between the
[0026]
Further, the
[0027]
FIG. 7 is a schematic plan view of a rotor having a flux barrier different from the embodiment shown in FIGS. In addition, in the figure, the same code | symbol is attached | subjected to the part which is the same as FIG. 4 thru | or FIG. 6, and a corresponding part, and duplication description is abbreviate | omitted. The
[0028]
The above-described
[0029]
8 and 9 are schematic plan views of a rotor showing still another modification of the present invention. In the figure, the same parts as those in FIG. 3 and the parts regarded as the same as those in FIG. The rotor 10 shown in FIG. 8 includes a
[0030]
In this case, the bottom of the bathtub-shaped cross section is formed in a plurality of layers toward the
[0031]
The rotor 10 shown in FIG. 9 includes a V-shaped
[0032]
Although not shown in FIGS. 8 and 9, it is preferable to form the
[0033]
Furthermore, if the above-described
[0034]
【The invention's effect】
According to the present invention described above, the following effects are exhibited. In the present invention, since the slit for increasing the reluctance torque is formed in the rotor, the reluctance torque can be fully utilized, and a high torque and high efficiency motor can be realized by the reluctance torque and the magnet torque. In addition, there is an effect that an applicable motor can be realized by selecting the usage (size) of the magnet in consideration of cost and torque.
[0035]
In the present invention, the slit for increasing the reluctance torque in the rotor has a multi-layer structure in the d-axis direction, so that a path of magnetic flux from one q-axis to the other q-axis is secured, while The flux barrier effect is effectively exerted on the magnetic flux to the d-axis, and the reluctance torque can be further increased. As a result, a high torque and high efficiency motor can be obtained.
[0036]
In the present invention, a flux barrier is formed at the center hole side end of the magnet embedded in the rotor, and this flux barrier is extended to the center hole side end of the adjacent magnet. There is an effect that leakage can be prevented and magnet torque can be generated effectively.
[0037]
In the present invention, since the flux barrier formed on the rotor is divided into two at the intermediate portion to form a pair of flux barriers, a bridge portion is formed between the pair of holes to increase the core strength. There is an effect that can be done.
[0038]
In the present invention, a rivet for caulking the core is passed on the d-axis, and this rivet is made of a magnetic material. Therefore, the strength of the rotor is improved, and the magnetic flux from one q-axis to the other q-axis is affected. This can be done without having to reduce the d-axis and q-axis inductance ratio.
[0039]
In the present invention, when a rotor is obtained by punching an electromagnetic steel sheet with an automatic press and automatically laminating it in a mold, a buried hole of a magnet, a hole of a slit, a hole of a rivet and a hole of a flux barrier are punched. Since the gap between the holes and between the holes and the outer periphery of the core is at least larger than the thickness of the core sheet, the conventional press technology can be used, that is, it can be realized without an increase in manufacturing cost. There is an effect that it is possible to prevent the occurrence of burrs or the like during the manufacture of the core, increase the yield of the core manufacture, and consequently reduce the manufacturing cost.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic plan view of a permanent magnet motor showing an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic sectional side view of a rotor for explaining the permanent magnet motor shown in FIG. 1;
FIG. 3 is a schematic plan view of a rotor for explaining the permanent magnet motor shown in FIG. 1;
4 is a schematic plan view for explaining another embodiment of the rotor shown in FIG. 3; FIG.
FIG. 5 is a schematic plan view for explaining another embodiment of the rotor shown in FIG. 4;
6 is a schematic plan view for explaining a modified example of the rotor shown in FIG. 5;
7 is a schematic plan view for explaining a modification of the rotor shown in FIG. 4; FIG.
FIG. 8 is a schematic plan view of a rotor showing another modified embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a schematic plan view of a rotor showing another embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a schematic plan view of a conventional permanent magnet motor.
[Explanation of symbols]
1
10, 20 Rotor
12 Slit (arc shape)
21, 24
22, 23
26 Slit (V-shaped)
t Core sheet thickness
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