JP3968542B2 - 永久磁石電動機 - Google Patents
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Description
【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られる永久磁石電動機に関し、さらに詳しく言えば、マグネットトルクおよびリラクタンストルクを有効利用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(4極)分だけの永久磁石3が外径に沿って円周方向に配置されている。なお、4はシャフト用の中心孔である。また、回転子2を無駄なく利用するために、マグネットの量を多くすることによってマグネットトルクを大きくし、大きなトルクを発生する永久磁石電動機を得ることができる。
【0003】
一方、例えば図11に示すように、マグネットを用いないリラクタンスモータが既に提案されており、このリラクタンスモータは前記永久磁石電動機と同様の24スロットの固定子1内に回転子5を有している。
【0004】
この回転子5の外周は凹凸形状になっており、この凹凸部が当該リラクタンスモータの極数(4極)分だけ等間隔に形成されている。これにより、固定子1からの一方(q軸)の磁束がその凸部を介して回転子5内を通り易く、他方(d軸)の磁束が凹部(フラックスバリア)により回転子5内を通りにくくなる。このような磁束の通り方により、回転子5内がリラクタンス不均一なり、またその凸部に突極部が形成され、固定子1の回転磁界とあいまって回転子5が回転する。
【0005】
したがって、永久磁石電動機は、マグネットを使用する分リラクタンスモータより大きいトルクを得ることができ、リラクタンスモータは、マグネットを使用しない分永久磁石電動機よりコストが安価に済む。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記永久磁石電動機においては、永久磁石3が固定子1からの磁路を阻害するためリラクタンストルクはほとんど発生せず、つまりリラクタンストルクの寄与が殆ど見られない。しかも、高トルク、高効率化を図るために、希土類の永久磁石等を使用すると、モータのコストがより高くなってしまう。
【0007】
また、前記リラクタンスモータにおいては、回転子5に設けた凹部(フラックスバリア)が無駄なスペースになっているばかりかマグネットトルクの発生がないため、どうしても高トルク、高効率化が望めない。
【0008】
このように、永久磁石電動機およびリラクタンスモータにあっては、トルクおよびコスト面を勘案すると、トルクの有効的な利用に限りがある。
【0009】
本発明は前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発生させ、マグネットトルクと組合せて高トルク、低コストのモータを得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。
【0010】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明は、回転磁界を発生する固定子の内部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、前記固定子からの磁路について一方のq軸から他方のq軸へ所定の磁路幅を確保するように、外形が円弧曲線と両側辺が前記q軸と平行である断面バスタブ曲線との組み合わせからなる断面蒲鉾形のマグネットがd軸に対応する部分に前記円弧曲線を前記回転子の外周に沿って当該永久磁石電動機の極数分だけ等間隔に埋め込まれているとともに、前記マグネットの外形に含まれている前記断面バスタブ曲線と相似形である断面バスタブ曲線に沿って形成されたフラックスバリアとしての細長い孔がその全長にわたって前記マグネットとの間の間隔を一定として前記各マグネットを囲むように配置されており、隣接する前記マグネットの磁化方向を逆向きとしてマグネットトルクを発生させ、かつ、前記マグネットおよび前記細長い孔とにより、d軸,q軸インダクタンスの差を大きくしてリラクタンストルクを発生させることを特徴としている。
【0011】
前記回転子は、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なるコアであり、該自動積層したコアをシャフト用の中心孔と前記細長い孔との間でq軸上あるいはd軸上にリベットを通してかしめるとよい。
【0012】
また、前記マグネットと前記回転子の外周との間隔および前記断面バスタブ曲線形状の孔の両端部と前記回転子の外周との間隔は、当該コアシートの厚さの1倍から3倍の範囲にするとよい。
【0013】
前記断面バスタブ曲線形状の細長い孔の底部分あるいは前記断面バスタブ曲線形状の細長い孔の両側辺部分もしくは前記断面バスタブ曲線形状の細長い孔の全てにマグネットを埋め込み、該マグネットを前記断面蒲鉾形のマグネットの磁束の向きに磁化、着磁するとよい。
【0014】
【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および図11と同一部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
【0015】
本発明の永久磁石電動機は、d軸方向にIPM方式でマグネットを埋め込む一方、そのマグネットを囲むようにフラックスバリアを設け、かつ一方のq軸から他方のq軸への磁路幅を広く確保すれば、マグネットトルクの発生だけなく、リラクタンストルクを有効に発生させることができるという永久磁石電動機およびリラクタンスモータの利点を生かせば、高トルク化、低コスト化が図れることに着目にしたものである。
【0016】
そのため、図1および図2に示すように、この永久磁石電動機の回転子10は、固定子1からの一方(一方のq軸から他方のq軸へ)の磁路を確保するように(図2の破線矢印参照)、蒲鉾形状のマグネット11を回転子10の外周に沿って当該永久磁石電動機の極数分等間隔に埋め込む一方(電気角でほぼπの位相差を有するように埋め込む一方)、そのマグネット11を囲む形に細長いフラックスバリアの孔12を形成してなる。なお、隣接するマグネット11は異極とする。
【0017】
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。
【0018】
前記マグネット11は、蒲鉾形の円弧部分を外周に沿うように配置されている。またマグネット11の外形は、その円弧曲線と断面バスタブ曲線とを組合せてなり、かつその断面バスタブ曲線の側辺がq軸に平行となるように同断面バスタブ曲線の折り曲げ角度が鈍角になっている。したがって、前記フラックスバリアの細長い孔12は断面断面バスタブ曲線形状となる。
【0019】
一方、前記マグネット11の量は、従来の永久磁石電動機より少なく、かつマグネット11と断面バスタブ曲線形状の孔12との間隔は一定値xとし、固定子1からの磁気を一方のq軸から他方のq軸へと通り易くしている(図2の破線矢印参照)。これは、その磁路の磁気抵抗を小さくし、q軸インダクタンスLqを大きくすることになる。
【0020】
また、マグネット11は、透磁率が小さくフラックスバリアとして働き、さらに断面バスタブ曲線形状の孔12がフラックスバリアであることことから、固定子1からの磁束が一方のd軸から他方のd軸へ通りにくくなる。これは、その磁路の磁気抵抗を大きくし、d軸インダクタンスLdを小さくすることになる。したがって、LdとLqとの差が大きくなり、リラクタンストルクが有効に発生する。
【0021】
また、回転子10の外周とマグネット11との間隔は、後述するコアシート10aの厚さをtとすると、tから3tの範囲内とする。同様に、回転子10の外周と断面バスタブ曲線形状の孔12の両端部との間隔はtから3tの範囲内にするとよい。これにより、後述す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、またマグネット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する。
【0022】
ここで、モータコストについて考えると、コストはマグネット11の大きさに依存する。したがって、マグネット11の使用量を少なくし、マグネット11を小さくして一方のq軸から他方のq軸への磁路幅をより広くすると、リラクタンストルクを大きくすることができ、つまりマグネット11の減少分をリラクタンストルクで補うことができ、ひいては高トルク化、低コスト化を実現することができる。
【0023】
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。
【0024】
ところで、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。
【0025】
図3および図4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、シャフト用の中心孔4、永久磁石11を埋設する孔11aおよび断面バスタブ曲線形状の孔12を打ち抜いたコアシート10aを積層してかしめる。このかしめは、積層したコアの両端側に蓋をするとともに、かしめ用のリベット13を孔13aに通して行う。したがって、前記コアシート10aのプレス加工時に、リベット13を通す孔13aも打ち抜くことになる。
【0026】
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を埋め込み、このマグネット11を磁化、着磁する。なお、マグネット11は、d軸方向に磁化、着磁し、かつ隣接するマグネット11の磁化、着磁の向きを逆にする。
【0027】
また、前記リベット13を通す孔13aは、中心孔4と孔12と孔12の間(フラックスバリアの間)でq軸上に設けられている。したがって、リベット13の材料としては、透磁率の大きい磁性体を用いる。これは、固定子1からの磁束が一方のq軸から他方のq軸へ通り易くなり(図3の破線矢印参照)、q軸インダクタンスが大きくなるからである。
【0028】
このように、マグネットトルクおよびリラクタンストルクを有効に発生させ、しかもマグネット11の使用量を削減することにより、低コスト化を実現することができるとともに、リラクタンストルクを発生させて高トルクを維持することができる。
【0029】
また、前述により形成される回転子10を組み込んでDCブラシレスモータとし、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、空気調和機の性能アップ(運転効率の上昇)を図ることができる。
【0030】
図5ないし図7は、本発明の変形実施の形態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。
【0031】
図5に示す回転子20は、断面バスタブ曲線形状の孔12の底部分にマグネット21をIPM方式で埋め込んだ構成になっている。なお、他の構成部分については図3と同一である。
【0032】
この場合、マグネット21の磁化、着磁を前記孔12で囲まれているマグネット11の磁化方向に合わせ、つまり同マグネット11の磁束に重なるようにマグネット21を磁化、着磁する。すると、マグネット21は当該マグネットトルクに寄与する一方、断面バスタブ曲線形状の孔12のうちマグネット21を埋め込んでいない孔とともに、フラックスバリアの機能を発揮する。
【0033】
したがって、この変形例では、図3に示す場合よりもマグネットトルクを大きくすることができるとともに、リラクタンストルクを大きくすることができるため、高トルク化、高効率化が図れる。
【0034】
図6に示す回転子30は、断面バスタブ曲線形状の孔12の側辺部にマグネット31をIPM方式で埋め込んだ構成になっている。なお、他の構成部分については図3と同一である。
【0035】
この場合、前記マグネット31の磁化、着磁を前変形実施例と同様に行うことにより、埋め込んだマグネット31は当該マグネットトルクに寄与する一方、断面バスタブ曲線形状の孔12のうちマグネット31を埋め込んでいない孔とともに、フラックスバリアの機能を発揮する。
【0036】
したがって、この変形例では、図3に示す場合よりもマグネットトルクを大きくすることができるとともに、リラクタンストルクを大きくすることができるため、高トルク化、高効率化が図れる。
【0037】
さらに、図7に示す回転子40は、断面バスタブ曲線形状の孔12にマグネット41をIPM方式で埋め込んだ構成になっている。なお、他の構成部分については図3と同一である。
【0038】
この場合、マグネット41の磁化、着磁を前述した変形実施例と同様に行うことにより、埋め込んだマグネット41は当該マグネットトルクに寄与する一方、断面バスタブ曲線形状の孔12のうちマグネット41を埋め込んでいない孔とともに、フラックスバリアの機能を発揮する。
【0039】
したがって、この変形例では、図3に示す場合および前記変形例に示す場合よりもマグネットトルクを大きくすることができるだけでなく、リラクタンストルクを大きくすることができるため、より高トルク化、高効率化が図れる。
【0040】
図8はこの発明の変形実施の形態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。
【0041】
図8に示す回転子50は、コアをかしめるためのリベット51を断面バスタブ曲線形状の孔12と中心孔4との間でd軸上に配置した構成になっている。なお、リベット51と中心孔4との間隔およびリベット51と孔12との間隔はコアシート10aの厚さtより大きくする。また、リベット51の材料としては透磁率の大きい磁性体を用いるとよい。なお、この変形例は、図5ないし図7に示す回転子20,30,40に適用することができる。また、回転子20,30,40,50の製造としては、前述した方法をそのまま適用することができる。
【0042】
このように、マグネット21,31,41をマグネット11の補助的なものとしたので、当該マグネットトルクを大きくすることができ、またその補助的なマグネットが残りの孔(空気層)とともにフラックスバリア機能を発揮することから、当該リラクタンストルクに影響を与えずに済み、ひいては高トルク、高効率化を図ることができる。
【0043】
図9は本発明の他の実施の形態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。
【0044】
この他の実施の形態においては、図8に示すリベット13が狭い箇所に通っており、製造面で支障を来すこともあることから、マグネット11を囲む断面バスタブ曲線形状の孔(フラックスバリア)を中心孔4に近づけ、マグネット11と断面バスタブ曲線形状の孔との間でd軸上でリベットを通している。
【0045】
そのため、この回転子60は、断面バスタブ曲線形状の孔61をマグネット11からより離して(図3に示す一定値xの大きさ)配置し、コアをかしめるためのリベット62を断面バスタブ曲線形状の孔61と中心孔4との間でd軸上に通す構成になっている。なお、リベット62とマグネット11との間隔およびリベット62と孔61との間隔はコアシート10aの厚さtより大きくする。また、リベット51の材料としては透磁率の大きい磁性体を用いるとよい。
【0046】
したがって、マグネット11と孔61との間隔、つまり磁路幅が広くなることから、q軸インダクタンスが大きくなり、ひいてはリラクタンストルクを大きくすることができる。
【0047】
また、この実施例は、図5ないし図7に示す回転子20,30,40に適用することができる。さらに、回転子60の製造は前述した方法を適用することができる。
【0048】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、回転磁界を発生する固定子の内部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、前記固定子からの磁路について一方のq軸から他方のq軸へ所定の磁路幅を確保するように、外形が円弧曲線と両側辺が前記q軸と平行である断面バスタブ曲線との組み合わせからなる断面蒲鉾形のマグネットがd軸に対応する部分に前記円弧曲線を前記回転子の外周に沿って当該永久磁石電動機の極数分だけ等間隔に埋め込まれているとともに、前記マグネットの外形に含まれている前記断面バスタブ曲線と相似形である断面バスタブ曲線に沿って形成されたフラックスバリアとしての細長い孔がその全長にわたって前記マグネットとの間の間隔を一定として前記各マグネットを囲むように配置されており、隣接する前記マグネットの磁化方向を逆向きとしてマグネットトルクを発生させ、かつ、前記マグネットおよび前記細長い孔とにより、d軸,q軸インダクタンスの差を大きくしてリラクタンストルクを発生させるようにしたことにより、マグネットトルクとリラクタンストルクを組合せてモータトルクを得ることができるため、高トルク化および低コスト化を図ることができ、例えば、マグネットの使用量を減らしてマグネットのコア占有率を下げることにより、リラクタンストルクを上げ、高トルク、低コストのモータを実現することができるという効果がある。
【0049】
特に、マグネットの断面蒲鉾形は、円弧曲線と断面バスタブ曲線とを組合せ、かつこの断面バスタブ曲線の側辺が前記q軸に平行となるように同断面バスタブ曲線の折り曲げ角度を鈍角とし、前記細長い孔は前記断面バスタブ曲線形状のフラックスバリアとしてなるので、d軸インダクタンスとq軸インダクタンスとの差が大きくなり、モータトルクに対するリラクタンストルクの寄与が大きくなり、ひいては高トルク化が望むことができる。
【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平面図。
【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5】本発明の変形実施の形態を示す永久磁石電動機の概略的平面図。
【図6】本発明の変形実施の形態を示す永久磁石電動機の概略的平面図。
【図7】本発明の変形実施の形態を示す永久磁石電動機の概略的平面図。
【図8】本発明の変形実施の形態を示す永久磁石電動機の概略的平面図。
【図9】本発明の他の形実施の形態を示す永久磁石電動機の概略的平面図。
【図10】従来の永久磁石電動機を示す概略的平面図。
【図11】従来のリラクタンスモータを示す概略的断面図。
【符号の説明】
1 固定子
4 中心孔(シャフト用)
10,20,30,40,50,60 回転子
11 マグネット(蒲鉾形)
11a 孔(マグネットの埋設孔)
12,61 孔(断面バスタブ曲線形状のフラックスバリア)
13,51,62 リベット
13a 孔(リベット通し孔)
21,31,41 マグネット
t コアシートの厚さ
x 一定値(マグネット11と孔12との間隔)
Claims (2)
- 回転磁界を発生する固定子の内部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、前記固定子からの磁路について一方のq軸から他方のq軸へ所定の磁路幅を確保するように、外形が円弧曲線と両側辺が前記q軸と平行である断面バスタブ曲線との組み合わせからなる断面蒲鉾形のマグネットがd軸に対応する部分に前記円弧曲線を前記回転子の外周に沿って当該永久磁石電動機の極数分だけ等間隔に埋め込まれているとともに、
前記マグネットの外形に含まれている前記断面バスタブ曲線と相似形である断面バスタブ曲線に沿って形成されたフラックスバリアとしての細長い孔がその全長にわたって前記マグネットとの間の間隔を一定として前記各マグネットを囲むように配置されており、
隣接する前記マグネットの磁化方向を逆向きとしてマグネットトルクを発生させ、かつ、前記マグネットおよび前記細長い孔とにより、d軸,q軸インダクタンスの差を大きくしてリラクタンストルクを発生させることを特徴とする永久磁石電動機。 - 前記断面バスタブ曲線形状の細長い孔の底部分あるいは前記断面バスタブ曲線形状の細長い孔の両側辺部分もしくは前記断面バスタブ曲線形状の細長い孔の全てにマグネットを埋め込み、該マグネットを前記断面バスタブ曲線形状の細長い孔によって囲んだ前記断面蒲鉾形のマグネットの磁束の向きに磁化、着磁してなる請求項1に記載の永久磁石電動機。
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