JP4299391B2

JP4299391B2 - 永久磁石回転子

Info

Publication number: JP4299391B2
Application number: JP37774398A
Authority: JP
Inventors: 繁大熊; 慎二道木; 睦雄冨田; 光彦佐藤; 清一金子; 光広鈴木
Original assignee: アイチエレック株式会社
Priority date: 1998-12-09
Filing date: 1998-12-09
Publication date: 2009-07-22
Anticipated expiration: 2018-12-09
Also published as: JP2000184640A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
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（以下、磁石と称す）界磁を有する同期電動機の回転子に関し、特に回転子鉄心の内部に磁石を埋め込んで構成するいわゆる埋め込み磁石構造の回転子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
上記埋め込み磁石構造の回転子を備えた電動機は、固定子の通電巻線の電流とこれに鎖交する主磁束（磁石による磁束）とによって得られる主磁束トルクに加えて、回転子位置による磁気抵抗の相違によって得られるリラクタンストルクが利用できる特長を備えており、これら両トルクが効率よく組み合わされるように通電制御されるように構成される。
【０００３】
このような電動機の一例として、図６に示す構成のものが知られており、例えば電気学会論文誌Ｄ１１７巻１０号（平成９年）１２２１〜１２２６頁に開示されている。図６の電動機は、回転軸４に垂直な断面を示しており、この軸４は円柱状の回転子鉄心２ｄの中心に設けた軸孔に嵌入されて回転子１を支持している。また回転子鉄心２ｄには軸４と平行に磁石を収容するための孔部が複数設けられており、この孔部に磁石３ｅ，３ｆが挿入されて構成されている。
【０００４】
磁石３ｅ，３ｆは、図示する断面において略円弧状をなし、その凹面側を外周部に向けて回転子鉄心２ｄに埋め込まれている。界磁を形成する各極は、軸側磁石３ｅと反軸側磁石３ｆの２重の磁石によって１つの極が形成されており、図示する例は４極の界磁構成を示している。
【０００５】
上記回転子１は、所定のエアギャップ１１を介して固定子５と対向配置されて永久磁石型の同期電動機を構成する。固定子５は、固定子鉄心６の外周部がケーシングに固定されて支持されており、固定子鉄心６の内周部には、複数の歯部７と、この歯部７間に形成されてエアギャップ１１へ向けた開口部９を有するスロット８を備え、このスロット８には絶縁材を介して例えば三相４極構造に巻装された巻線１０を備えている。そしてインバータを介して固定子５の巻線１０に通電することによって回転子１が回転を行うようになっている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
図６に示す電動機の要部を図７に示す。回転子に埋め込まれている磁石３ｅ，３ｆの各端部には、この端部と回転子鉄心２ｄの外周部との間にブリッジ部１４が形成されているために、このブリッジ部１４を経由して短絡磁束が生じている。従って、ブリッジ部１４等の磁石３ｅ，３ｆ端部の鉄心部分の磁束密度はかなり高く構成されることになる。
【０００７】
一方、リラクタンストルクに寄与する固定子磁束は、巻線１０に電流が流れることによって、固定子鉄心６の歯部７からエアギャップ１１を経由して回転子鉄心２ｄへ流出入する。この固定子磁束は、磁石３ｅと３ｆ間に形成された磁路１２へ流出入することにより大きなリラクタンストルクを発生し得る。この場合、固定子磁束の流路としては、回転子鉄心のブリッジ部１４を経由して磁路１２へ流出入すべきところ、前述したようにブリッジ部１４等の磁石端部の鉄心部分の磁束密度が非常に高いために、固定子の磁束量が大きくなると迂回して磁石３ｅ，３ｆの端部を通過することになる。この結果、磁石３ｅ，３ｆの端部における単位体積当たりの磁束量が他の部分に比べて非常に大きくなって、磁石３ｅ，３ｆの端部が減磁するといった問題が発生する。
【０００８】
局部的ではあるが、このように磁石が減磁することによって主磁束量が減少するため、電動機の起電力定数が小さくなってインバータの始動制御とのマッチングが悪くなってしまう。このため電動機のセンサレス始動ができなくなったり、始動電流が増加してさらに磁石の減磁が進行したりする。また主磁束量の減少に伴って必然的に電動機の効率が大きくダウンするため、この点も大きな問題となっている。
【０００９】
またリラクタンストルクを利用する電動機はリラクタンストルクによる脈動が大きいため、その対策として、図８に示すように磁石３ｇ，３ｈの端部にカット部分１３を設けて、磁石端部の鉄心面積を大きくして固定子磁束がスムーズに回転子に流出入できるように構成したものが提案されている。ところがこのような磁石３ｇ，３ｈを用いた回転子の場合は、磁石端部が先細になっているため、この部分が一層減磁し易いといった欠点を有している。これは、ブリッジ部１４は相変わらず狭幅であるので回転子鉄心２ｅの外周部の磁束密度は過大となり、前述同様磁石３ｇ，３ｈの端部の減磁をまねくためである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、固定子とエアギャップを介して対向配置されており、中心に軸孔が設けられている回転子鉄心と、当該回転子鉄心に設けられた孔部に収容された永久磁石を有し、前記永久磁石は、前記回転子鉄心の軸方向に垂直な断面で見て、前記回転子鉄心の外周部に向けて凹形状となるように各極に配設されている永久磁石回転子において、前記永久磁石は、各極に、回転子半径方向に多層に配設されており、前記回転子鉄心の外周部には、前記各極に多層に配設された各永久磁石の端部と対向する位置に、各永久磁石の端部との間に狭幅のブリッジ部を残すように各永久磁石の端部に向けて切り欠いた溝部が設けられている。また、永久磁石の端部とこれに対向する溝部との相対位置関係は、各永久磁石端部で同一となる個所が少ない方がトルクリップル低減効果があるので、前記位置関係は不揃いとなるように構成する。
【００１１】
この場合、前記永久磁石は、フェライト磁石材あるいは希土類磁石材を用い、前記溝部の円周方向の幅は、前記エアギャップ以上に設定され、前記溝部の半径方向の深さは、前記ブリッジ部の幅以上に設定される。また、前記各永久磁石の断面形状は、略円弧状あるいは略くの字状等が選択可能であり、これら永久磁石は回転子鉄心に設けた孔部に収容して装着される。前記孔部と永久磁石には部分的に隙間が存在しても構わない。
【００１２】
また、減磁耐力が大きいため、前記永久磁石を収容する孔部の端部を先細状にして、コギングトルクの一層の低減を図るように構成してもよい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の実施形態を示す電動機の回転子の横断面図であり、回転子の軸方向に垂直な断面を示している。回転子鉄心２ａは、順送プレス型によって所定形状に打ち抜いた０．３５ｍｍ厚，０．５０ｍｍ厚等の薄鉄板をプレス型内で軸方向に多数積層したものであり、各薄鉄板に設けた切り起こし突起による凹凸部を軸方向に隣接するもの同士で嵌合させて固定する周知のクランプ手段等によって複数箇所で固定されている。この円柱状の回転子鉄心２ａの中心には軸孔４ａが設けられ、この軸孔４ａと平行に設けた孔部に磁石３ａ，３ｂ及びカシメピン１６がそれぞれ挿着されている。
【００１４】
各磁石３ａ，３ｂは断面形状が円弧状に形成され、鉄心２ａの外周部に向けて凹形状となるように埋め込まれ、回転子半径方向に２層に配設されたペア毎に１極を形成するように着磁されて、図示例の場合４極の界磁を構成するようになっている。磁石材料としては、フェライト磁石等が適している。反軸心側の磁石３ｂの凹面側には厚肉の鉄心部分が存在し、また軸心側の磁石３ａと反軸心側の磁石３ｂとの層間には円弧状の鉄心部分１２が打ち残されており、これらの部分にｑ軸の磁路が形成されることによってｑ軸インダクタンスが大きくなって、大きなリラクタンストルクが得られるようになっている。
【００１５】
この回転子は、図２に示すように、鉄心２ａに設けた孔部１５ａ，１５ｂにそれぞれ磁石３ａ，３ｂを挿着した後、鉄心２ａの軸方向両端部に端板１８が装着されて蓋がなされ、鉄心のピン孔１６ａ及び端板のピン孔１９にそれぞれカシメピン１６を挿通して固着一体化するものである。端板１８は、黄銅や亜鉛等の非磁性の金属板から成り、必要に応じて、バランスウェイト等の付属品が端板と一体形成されるかまたは同時かしめにより固着される。
【００１６】
図１に示す回転子１の要部を図３に示す。回転子鉄心２ａの外周部には磁石３ａ，３ｂの端部へ向けて切り欠いた溝部２０が設けてあり、この溝部２０の底部と磁石３ａ、３ｂ端部との間には狭幅のブリッジ部２１が形成されている。このブリッジ部２１によって回転子鉄心２ａを構成する薄鉄板は円周方向に連結され、溝部２０を含む外周縁部及び各孔部を備えたものが一体打ち抜き可能となっている。
【００１７】
回転子鉄心２ａに埋め込まれている磁石３ａ，３ｂの短絡磁束によって、磁石端部のブリッジ部２１は磁気的に飽和状態となって磁束密度が大となるが、磁石層間の鉄心部分１２の回転子外周部への連通口２２の磁石３ａ，３ｂによる磁束密度はさほど大きくなることはない。この理由は、上記連通口２２には、Ｎ，Ｓで図示される磁石３ａのＮ極の磁束と磁石３ｂのＳ極の磁束との差分の磁束量しか流出入しないからである。加えて、溝部２０の存在によって磁石３ａ，３ｂが固定子鉄心６から離間しているため、固定子磁束は磁石３ａ，３ｂの端部に集中して通過することがない。
【００１８】
この結果、磁石の短絡磁束と固定子磁束が重畳しても、上記連通口２２の磁束密度は過大となることがなく、固定子磁束は回転子の鉄部分にスムーズに流出入することができると同時に、磁石３ａ，３ｂの端部を減磁させてしまうような要因は除去されていることになる。
【００１９】
溝部２０の大きさは、磁石材の残留磁束密度あるいは固定子巻線の電流値等の要素によって適正値が存在するが、概略の目安としては、円周方向の幅を電動機のエアギャップ以上に、また半径方向の深さをブリッジ部２１の幅以上にそれぞれ設定する。また溝部２０の形状に関しては、例示した矩形に限定する必要はなく、断面形状が台形、三角形、半円形等であってもよく、所用の磁気抵抗が得られる形状であれば構わない。
【００２０】
磁石端部とこれに対向する溝部２０との円周方向相対位置関係はさほど厳密なものではなく、溝部２０が概ね磁石端部と対向するように設ければよい。但し、溝部２０と固定子歯部７（またはスロット８）との相対位置関係が円周方向の複数箇所で同一となると、トルクリップルを増大させる要因となるため、磁石端部と溝部との相対位置関係を円周方向になるべく不揃いとなるように構成することが好ましい。このような構成は、回転子鉄心２ａの薄鉄板の打ち抜き形状を設計する際に前記相対位置関係を不揃いに設定する方法と、前記相対位置関係を特別不揃いに設計することなく、薄鉄板の積層時にスキュー等を施すことによって軸方向に不揃いになるように設定する方法とがある。
【００２１】
図４は本発明の第２の実施形態における係る回転子を示しており、断面形状が円弧状の磁石３ｃを回転子鉄心２ｂの外周部に向けて凹形状となるように埋め込むものであるが、図１のものと異なり、各極当たりの磁石３ｃは半径方向に１層のみとなっている。各磁石３ｃの端部には、狭幅のブリッジ部２１を介して溝部２０が対向して設けてあり、図１の場合と同様の作用、効果が得られるものである。尚、各極当たりに配設する磁石の層数は、１層や２層に限らず、さらに多層であっても本発明が適用できることは勿論である。
【００２２】
図５は本発明の第３の実施形態に係る回転子を示しており、磁石を収容するための孔部１５ｄの断面形状を略くの字状に形成するとともに、回転子鉄心２ｃの外周部に向けて凹形状となるように形成し、この孔部１５ｄに各極当たり１対の平板状の磁石３ｄ、３ｄを挿着して構成したものである。このような回転子の場合においても、図示するように、ブリッジ部２１を介して溝部２０を対向して設けることにより、図１の回転子の場合と同様の作用、効果が得られるものである。この図に示されるように本発明においては、磁石３ｄとこれを収容するための孔部１５ｄとの間には、適宜箇所に隙間が存在しても構わない。尚、図５のような略くの字状の孔部１５ｄ及び磁石３ｄは、各極当たり１層に限らず２層以上の適数配設したものであっても本発明は同様に適用可能である。
【００２３】
図９は、そのような一例を示すものであり、断面形状を略くの字状に形成した２層の孔部１５ｉ，１５ｊに、１対の平板状の磁石３ｉ，３ｉと３ｊ，３ｊをそれぞれ挿着して構成したものである。磁石３ｉ，３ｊの材料として、例えばＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系磁石等の希土類磁石を用い、主磁束を大きく設定したものである。希土類磁石を使用した場合、残留磁束密度が高いため短絡磁束量も大きくなる恐れがあるが、磁石３ｉ，３ｊの端部に対向して溝部２０が設けてあるため、隣接極間での主磁束の漏洩短絡に対して大きな防止効果を有している。
【００２４】
また希土類磁石は鉄分を多く含むため、磁石内部に鉄損を発生する欠点を有している。そして固定子巻線にはＰＷＭ波等の高調波成分を含む電圧が印加されるため、これに伴って発生した高調波磁束は表皮効果によって回転子の外周表面近傍に集中する。従って、従来は回転子外周部近傍部分で希土類磁石に多大な鉄損が生じていたが、図９に示すような本発明の構成においては、溝部２０によって磁石３ｉ，３ｊが回転子外周部から離間しているため、前述の希土類磁石特有の鉄損の発生が抑制されて効率のよい電動機が構成できる。
【００２５】
【発明の効果】
本発明によれば、回転子鉄心の外周部に向けて凹形状となるように永久磁石を埋め込んで構成する永久磁石回転子において、減磁耐力に優れた回転子が構成でき、磁石の減磁が防止できるものである。この結果、主磁束量の変動がないため電動機のセンサレス始動が常にスムーズであり、また効率等の電動機特性も恒久的に良好且つ安定したものが提供できる特長を備えている。
【００２６】
また特に脈動トルクを低減して振動や騒音を少なくすることを目的として、磁石を収容する孔部の端部を先細状とした回転子の場合は、磁石端部にカット部が設けられて減磁し易い形状に形成されるが、このような回転子に対して本発明の構成を適用することにより、減磁耐力が増すことによって品質に優れた電動機が構成できる。
【００２７】
また本発明による回転子は減磁耐力に優れる構成であるため、減磁耐力の増加分に見合う分、使用する磁石材料自体の保磁力を減じても構わない。即ち、磁石材料の最大エネルギー積を一定とすれば、保磁力を減じた分に比例して残留磁束密度が大きくできるため、主磁束量をさらに高めることができて電動機効率を大幅に向上させ得る能力を有している。
【００２８】
さらに希土類磁石を使用するものにおいては、磁石が回転子外周部から離間して埋め込まれるために、希土類磁石が高調波磁束の影響を受けにくくなって、希土類磁石内部の鉄損の発生が抑制されて効率のよい電動機が構成できる特長がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態を示す回転子の横断面図。
【図２】図１の回転子の分解斜視図。
【図３】図１の回転子の要部拡大図。
【図４】本発明の第２の実施形態を示す回転子の横断面図。
【図５】本発明の第３の実施形態を示す回転子の横断面図。
【図６】従来例を示す電動機の横断面図。
【図７】図６の電動機の要部拡大説明図。
【図８】別の従来例を示す回転子の要部横断面図。
【図９】本発明の第４の実施形態を示す回転子の横断面図。
【符号の説明】
１…回転子、２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅ，２ｆ…回転子鉄心、３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ，３ｅ，３ｆ，３ｇ，３ｈ，３ｉ，３ｊ…永久磁石、４…軸、４ａ…軸孔、５…固定子、６…固定子鉄心、７…歯部、１１…エアギャップ、１４，２１…ブリッジ部、２０…溝部。

Claims

固定子とエアギャップを介して対向配置されており、中心に軸孔が設けられている回転子鉄心と、当該回転子鉄心に設けられた孔部に収容された永久磁石を有し、前記永久磁石は、前記回転子鉄心の軸方向に垂直な断面で見て、前記回転子鉄心の外周部に向けて凹形状となるように各極に配設されている永久磁石回転子において、
前記永久磁石は、各極に、回転子半径方向に多層に配設されており、
前記回転子鉄心の外周部には、前記各極に多層に配設された各永久磁石の端部と対向する位置に、各永久磁石の端部との間に狭幅のブリッジ部を残すように各永久磁石の端部に向けて切り欠いた溝部が設けられているとともに、各永久磁石の端部とこれに対向する溝部との円周方向相対位置関係を不揃いとした永久磁石回転子。
前記溝部の円周方向の幅は、前記エアギャップ以上に設定され、前記溝部の半径方向の深さは、前記ブリッジ部の幅以上に設定されている請求項１に記載の永久磁石回転子。
前記永久磁石は、前記回転子鉄心の軸方向に垂直な断面で見て、略円弧状に形成されている請求項１または２に記載の永久磁石回転子。
前記孔部は、前記回転子鉄心の軸方向に垂直な断面で見て、略くの字状に形成されている請求項１または２に記載の永久磁石回転子。
前記永久磁石を収容する孔部の端部を先細状とした請求項１乃至４のいずれかに記載の永久磁石回転子。
前記永久磁石をフェライト磁石材にて構成した請求項１乃至５のいずれかに記載の永久磁石回転子。
前記永久磁石を希土類磁石材にて構成した請求項１乃至５のいずれかに記載の永久磁石回転子。