JP4452488B2 - 永久磁石型電動機 - Google Patents

Description

本発明は、固定子と間隙を隔てて対向配置した回転子内部に永久磁石を挿入するための磁石収容孔を備えた永久磁石埋め込み型電動機に関し、特に、車両用途や空調用、冷蔵庫用圧縮装置等の駆動装置として用いられる永久磁石型電動機に関する。

従来、車両用途や空調用、冷蔵庫用圧縮装置等の駆動装置として用いられる永久磁石型電動機には、小型、高効率の要求により、永久磁石を回転子の内部の磁石収容孔に埋め込んだ永久磁石埋め込み型電動機が多く採用されている。回転子内部の磁石収容孔に永久磁石を埋め込んだ構造とすることにより、永久磁石の磁束によるマグネットトルクと回転子の逆突極性によるリラクタンストルクを有効に利用したものである。

これらの永久磁石型電動機には、例えば、図９に示すような永久磁石型電動機がある。
図９には、固定子１ｅと間隙を隔てて対向配置している回転子２ｅの内部に磁石収容孔７ｅを備え、磁石収容孔７ｅには回転子２ｅの軸方向に直角な断面において永久磁石６ｅを収容している。回転子２ｅの外周部は、図９のｄ軸と交差した凸部側を主磁極部とし、ｑ軸と交差した凹部側を補助磁極部としている。この主磁極部と補助磁極部が回転子２ｅの周方向に交互に配置されている（特許文献１参照）。

図９では、回転子２ｅの軸孔９ｅを中心として、固定子１ｅの歯端部５ｅまでの開角（以降、開角は機械角とする）をθ４とし、回転子２ｅの外周部のｑ軸と交差した凹部側の補助磁極部の開角をθ５とした場合、θ４≦θ５となるよう構成された永久磁石型電動機を示している。
尚、回転子２ｅの軸孔９ｅの中心と、凸部側の主磁極部の磁気中心とを結ぶ線をｄ軸とし、また回転子２ｅの軸孔９ｅの中心と、凹部側の補助磁極部の磁気中心とを結ぶ線をｑ軸としている。
特開２００３−２８４２７５号公報

これらの永久磁石型電動機の多くは、通常、周波数変換装置あるいは周波数・電圧変換装置などのインバータ装置を介して駆動用の電源が供給されている。この場合のインバータ回路は、所定の周波数（キャリア周波数）でスイッチング（PWM制御）することによって供給されている。尚、スイッチングに用いられる周波数としては、３０００Ｈｚ〜４０００Ｈｚの周波数が用いられている。

特に、これらの永久磁石型電動機では、小型、高効率等の要求に対して高磁束密度の希土類系の永久磁石を使用する場合が多く、永久磁石型電動機の固定子や回転子内における磁束密度は非常に高いものとなっている。従って、固定子１ｅの歯部４ｅの特定個所への磁束の集中が発生し易く、磁束が大きく変化し鉄損が増加して効率を低下させている。また、固定子１ｅの鉄心強度の弱い歯端部５ｅにおいては、大きな磁気吸引力の影響を受けるため固定子１ｅの歯端部５ｅにおいてキャリア周波数に起因する音、振動（キャリア騒音）も発生し易くなっている。

先に示した図９の永久磁石型電動機では、固定子１ｅの歯端部５ｅまでの開角をθ４とし、回転子２ｅの外周部のｑ軸と交差した凹部側の補助磁極部の開角をθ５とし、θ４≦θ５とすることにより、固定子１ｅの歯部４ｅの特定個所への磁束の集中をなくし、固定子１ｅの歯端部５ｅにおいてキャリア周波数に起因する音、振動（キャリア騒音）を解決しようとしたものであるが、本発明では更によりよい効果を追求したものであり、回転子２ｅの外周部分の主磁極部と補助磁極部の凹凸部の境界部と、固定子１ｅの歯端部５ｅとの間に流れる磁束の急激な変化を改善するものである。

複数のスロットを有する固定子と、前記固定子と間隙を隔てて対向配置された回転子内部には永久磁石を挿入するための磁石収容孔が設けられ、
前記回転子の外周部が、主磁極部のｄ軸と交差し凸部側が外周方向を向いた第１の曲線部分と、補助磁極部のｑ軸と交差し凸部側が外周方向を向いた第２の曲線部分とが交互に接続され、
主磁極部の第１の曲線部分の半径の中心は回転子の軸孔を中心とし、
主磁極部の第１の曲線部分の半径より補助磁極部の第２の曲線部分の半径を大きく形成した永久磁石型電動機において、
前記回転子の軸孔を中心として、前記第１の曲線部分の開角をθ１、前記第２の曲線部分の開角をθ２、前記固定子の歯端部の開角をθ３とした場合、θ１≦θ２、且つ、θ１≦θ３の条件を満たすことにより、効率を維持し、キャリア周波数に起因した音、振動を低減した永久磁石型電動機とすることができる。また、特にθ１≦θ３≦θ２の条件が満足するように構成することにより、よりよい効果を得ることができる。

尚、固定子の歯部に直接巻線を巻き付けた集中巻き方式の永久磁石型電動機においては、固定子歯部に磁束が集中し易いため、前記条件を満たすことにより固定子歯部への磁束の集中を緩和した永久磁石型電動機とすることができる。

回転子の外周部を、主磁極部のｄ軸と交差し凸部側が外周方向を向いた第１の曲線部分と、補助磁極部のｑ軸と交差し凸部側が外周方向を向いた第２の曲線部分とが交互に接続され、
主磁極部の第１の曲線部分の半径の中心は回転子の軸孔を中心とし、
主磁極部の第１の曲線部分の半径より補助磁極部の第２の曲線部分の半径を大きく形成した永久磁石型電動機とすることによって、主磁極部分と補助磁極部分との境における磁束の急激な変化を無くすことができ、また、前記第１の曲線部分の開角をθ１、前記第２の曲線部分の開角をθ２、前記固定子の歯端部の開角をθ３とした場合、固定子の歯端部における磁束集中等により発生するキャリア周波数に起因した音、振動を低減するために補助磁極の開角θ２より主磁極部分の開角θ１を小さくすることによって、永久磁石型電動機の効率を低下させることなくキャリア騒音を低減することができる。

また、固定子歯部と回転子の主磁極部である第１の曲線部分の開角θ１に流れる磁束は、固定子側の歯部に流れる磁束の通路幅によってほぼ支配されているため開角θ１は開角θ３と同じか、開角θ３より小さくすることにより、固定子の歯部と回転子の主磁極間における磁束の流出入を支障がなく流すことが出きる。従って、θ１≦θ２、且つ、θ１≦θ３の条件を満たすことにより、永久磁石型電動機の効率を維持しながらキャリア周波数に起因した音、振動を低減することができる。

また、第２の曲線部である補助磁極部の開角θ２は、固定子の歯端部の開角θ３より大きな開角とすることにより、固定子の歯端部を介し隣り合う主磁極部分同士が短絡して、漏れ磁束が発生するのを防ぐことができる。従って、第１の曲線部である主磁極の開角θ１と、第２の曲線部分の開角をθ２と、固定子の歯端部の開角をθ３との関係は、θ１≦θ３≦θ２の条件とすることによってキャリア周波数に起因した音、振動を低減し、効率の低下を防いだ永久磁石型電動機とすることができる。

特に、固定子の歯部に直接巻線を巻き付けた集中巻き方式の永久磁石型電動機においては、固定子歯部に磁束が集中し易いため、前記条件を満たすことにより固定子歯部への磁束の集中が緩和でき、性能を維持しながらキャリア周波数に起因した音、振動を低減した永久磁石型電動機とすることができる。

本発明の実施例について図面を用いて説明する。図１の固定子１には複数のスロット３を有し、巻線が直接固定子１の歯部４に巻き付けられた集中巻き方式の電動機である。尚、本実施形態における固定子は説明を簡略にするため巻線を図示していない。固定子１の歯部４と、空隙を隔てて回転子２が対向配置されている。回転子２には永久磁石６を埋め込むための磁石収容孔７が設けられている。回転子２に埋め込まれた永久磁石６は、回転子２の外周側表面の隣り合う磁極が異極となるように着磁されている。

本実施の形態では、凸部側が回転子２の中心方向を向いたＶ字形状の磁石収容孔７によって４極を形成している。また、隣り合う磁極と磁極との間には、補助磁極が形成されている。これによりＶ字形状の磁石収容孔７の主磁極側では、大きなマグネットトルクを得ることができ、また磁極間に設けた補助磁極側においても大きなリラクタンストルクを得ることができる。この結果、永久磁石型電動機の総合トルクを向上させ、電動機の効率を向上させることができる。尚、図１の磁極を形成するＶ字の磁石収容孔７には、平板の永久磁石６を磁極中央で向かい合うように２枚埋め込んでいるが、Ｖ字形状の永久磁石１枚で構成してもよい。

また、永久磁石６の両端部と磁石収容孔７との間には端部空隙８を設けている。この端部空隙８があることにより、主磁極部分と補助磁極部分との間の漏れ磁束を低減することができる。また、磁石収容孔７内に永久磁石６を固定する方法としては、磁石収容孔７の内部の側壁の一部１２を膨らませ、永久磁石６を挟み込むように固定している。その結果、永久磁石６は磁石収容孔７に確実に固定されている。

図１の回転子２の外周は、回転子２の軸孔９を中心として主磁極部の磁気中心とを結んだｄ軸と交差し凸部側が回転子２の外周方向を向いた第１の曲線部分と、補助磁極部の磁気中心とを結んだｑ軸と交差し凸部側が回転子２の外周方向を向いた第２の曲線部分とが交合に形成されている。別の表現をすれば、永久磁石６がＶ字に埋め込まれた磁石収容孔７の回転子２の外周部分を主磁極部分の第１の曲線とし、主磁極と主磁極との間の補助磁極部分を第２曲線で滑らかに結んでいる。

これにより、第１の曲線部分の主磁極部分と第２の曲線部分の補助磁極部分との境における磁束の急激な変化を無くすことができる。この場合、補助磁極部分を逆に回転子の内側に切り欠いた凹形状とした場合、主磁極部分と補助磁極部分との境界において急激な磁束の変化が発生し好ましくない。

また、図２には図１に示した回転子２の主磁極部分と補助磁極部分の部分拡大図を示している。主磁極部分の第１の曲線部分の半径Ｒ１とし、補助磁極部分の第２の曲線部分の半径Ｒ２とした場合、主磁極部分の第１の曲線部分の半径Ｒ１より補助磁極部分の第２の曲線部分の半径Ｒ２を大きく形成している。これにより、主磁極部分から極性が異なる隣の主磁極部分へ切り替わる際に、固定子１の歯部４と回転子２の外周との間隙を徐々に広げたり、或いは、徐々に狭くすることにより急激な磁束の流出入がなくなり、磁束を支障がなく流すことができる。尚、本実施の形態においては、主磁極部分の第１の曲線部分の半径Ｒ１の中心を回転子２の軸孔９を中心とし、補助磁極部分の第２の曲線部分の半径Ｒ２の中心を任意の点としている。

また、回転子２の軸孔９を中心として、前記第１の曲線部分の開角をθ１とし、前記第２の曲線部分の開角をθ２とした場合、固定子１の歯端部５における磁束集中等により発生するキャリア周波数に起因する音、振動を低減するために補助磁極の開角θ２より主磁極部分の開角θ１を小さくしている。これにより永久磁石型電動機の効率を維持しながらキャリア騒音を低減することができる。この場合の関係式としては、θ１≦θ２の条件を満足すればよい。

また、図３には図１に示した固定子１の歯部４と回転子２の主磁極部分の磁束１０の流れを示した図である。図３よりわかるように第１曲線部分の主磁極の開角θ１の大きさは、固定子１と回転子２間に流れる磁束が支障がなく流れる通路幅を確保すればよい。この場合、固定子１の歯部４の歯幅が磁束の流出入量を決定することになるため、磁束の流出入口である固定子１の歯端部５の開角と同じか、それ以下とすればよい。尚、固定子１の歯端部５の開角以上に回転子２の主磁束部分の第１の曲線部分の開角θ１を大きくしても、固定子１の歯端部５の開角が磁束通路幅となっているため、それ以上磁束の流出入を緩和させることはできない。この場合の関係式としては、θ１≦θ３の条件を満足すればよい。（歯端部５は、磁束が集中し磁気飽和し易いが、若干磁束が流れるため通路幅に含めている。）

従って、第１の曲線部分の主磁極部分と第２の曲線部分の補助磁極部分との境における急激な磁束の変化を無くすことができ、且つ、回転子２の主磁極部分と固定子１の歯部４との磁束通路を確保するための関係式としては、θ１≦θ２、且つ、θ１≦θ３の条件を満たすことにより、永久磁石型電動機の効率を維持しながらキャリア周波数に起因した音、振動を低減することができる。

また、より好ましくは、図４に示した様に第２の曲線部である補助磁極部の開角θ２を、固定子１の歯端部５の開角θ３より大きくすることにより、固定子１の歯端部５を介し隣り合う主磁極同士が短絡して磁束が漏れるのを防ぐことができる。これにより第１の曲線部である主磁極の開角θ１、第２の曲線部分の開角θ２、固定子１の歯端部５の開角θ３との関係は、θ１≦θ３≦θ２となり、この条件を満たすことにより漏れ磁束が少なく効率の低下を防ぐことができ、更にキャリア周波数に起因した音、振動を低減した永久磁石型電動機とすることができる。

また、固定子１の歯部４に直接巻線を巻き付けた集中巻き方式の永久磁石型電動機においては、分布巻方式の固定子１の歯部４と比べた場合、１つの固定子１の歯部４に磁束が集中し易いため、前記した漏れ磁束や効率の低下、及びキャリア周波数に起因した音、振動を発生し易い。
従って、本発明の前記条件を満たすことにより固定子１の歯部４への磁束の集中が緩和でき、性能を維持しながらキャリア周波数に起因した音、振動を低減した永久磁石型電動機とすることができる。

尚、本発明の実施形態では、回転子２の外周に対して主磁極部のｄ軸と交差し凸部側が外周方向を向いた第１の曲線部分と、補助磁極部のｑ軸と交差し凸部側が外周方向を向いた第２の曲線部分とが交互に接続され、主磁極部分の第１の曲線部分にＶ字形状の磁石収容孔７の凸部側が回転子２の中心方向を向いた４極の永久磁石６を埋め込んだ回転子２で説明したが、主磁極部分の第１の曲線部分に埋め込む永久磁石６の形状としては、平板形状、凹形状、逆円弧形状等でもよく、極数を限定するものでもない。また、回転子２の強度を維持するために磁石収容孔７の中央部をブリッジで繋いだ構造にも適用することもできる。

以下、別の実施形態について図を用いて説明する。図５には、回転子２ａの主磁極部分の外周に対して弦状に磁石収容孔７ａが設けられている。この磁石収容孔７ａには、永久磁石６ａが埋め込まれている。永久磁石６ａの両端部と磁石収容孔７ａとの間には端部空隙８ａが設けられている。この端部空隙８ａにより、主磁極部分と補助磁極部分の間に発生する漏れ磁束を防いでいる。

また、図６には、回転子２ｂの主磁極部分において凹状の磁石収容孔７ｂが設けられている。この磁石収容孔７ｂの凹状の底部が回転子２ｂの軸孔９ｂ側に位置し、凹状の側孔部の端部が回転子２ｂの外周側に位置している。この凹状の磁石収容孔７ｂには底部及び側孔部に各々平板の永久磁石６ｂ（３枚）が埋め込まれている。このように磁石収容孔７ｂを凹形状とすることにより主磁極部分のマグネットトルクや、リラクタンストルクを増大させることができる。また、図５と同様に凹状の磁石収容孔７ｂの側孔部の端部には、端部空隙８ｂがあり、これは、先に説明した様に主磁極部分と補助磁極部分の間に発生する漏れ磁束を防いでいる。

図７には、回転子２ｃの主磁極部分において逆円弧状の磁石収容孔７ｃが設けられている。図５または図６と同様に磁石収容孔７ｃの逆円弧状の凸部側が回転子２ｃの軸孔９ｃ側に位置し、逆円弧の磁石収容孔７ｃの端部が回転子２ｃの外周側に位置することにより、主磁極部分のマグネットトルクや、リラクタンストルクを増大させることができる。尚、この場合、磁石収容孔７ｃの端部空隙を図示していないが、端部空隙を設けてもよい。

図８には、回転子２ｄの主磁極部分においてＶ字状の磁石収容孔７ｄが設けられている。図１の実施形態と同様であるが、回転子２ｄの強度を維持するために磁石収容孔７ｄの中央部をブリッジで繋いだ構造としている。

本発明の実施形態における永久磁石型電動機の断面図。 図１の実施形態における永久磁石型回転子の部分拡大図。 図１の主磁極部分と固定子歯部における磁束の流れを示した図。 図１の補助磁極部分と固定子歯部の関係を示した図。 別の実施形態を示した永久磁石型回転子の断面図。 別の実施形態を示した永久磁石型回転子の断面図。 別の実施形態を示した永久磁石型回転子の断面図。 別の実施形態を示した永久磁石型回転子の断面図。 従来例を示した永久磁石型回転子の断面図。

１、１ｅ・・・固定子、２、２ａ〜２ｅ・・・回転子、３、３ｅ・・・スロット、４、４ｅ・・・歯部、５、５ｅ・・・歯端部、６、６ａ〜６ｅ・・・永久磁石、７、７ａ〜７ｅ・・・磁石収容孔、８、８ａ〜８ｅ・・・端部空隙、９、９ａ〜９ｅ・・・軸孔、１０・・・磁束の流れ、１１・・・ブリッジ、１２・・・永久磁石固定部。

Claims (3)

1. 複数のスロットを有する固定子と、前記固定子と間隙を隔てて対向配置された回転子内部には永久磁石を挿入するための磁石収容孔が設けられ、
   前記回転子の外周部が、主磁極部のｄ軸と交差し凸部側が外周方向を向いた第１の曲線部分と、補助磁極部のｑ軸と交差し凸部側が外周方向を向いた第２の曲線部分とが交互に接続され、
   主磁極部の第１の曲線部分の半径の中心は回転子の軸孔を中心とし、
   主磁極部の第１の曲線部分の半径より補助磁極部の第２の曲線部分の半径を大きく形成した永久磁石型電動機において、
   前記回転子の軸孔を中心として、前記第１の曲線部分の開角をθ１、前記第２の曲線部分の開角をθ２、前記固定子の歯端部の開角をθ３とした場合、θ１≦θ２、且つ、θ１≦θ３を満足するように構成されたことを特徴とする永久磁石型電動機。
2. 前記回転子の軸孔を中心として、前記第１の曲線部分の開角をθ１、前記第２の曲線部分の開角をθ２、前記固定子の歯端部の開角をθ３とした場合、θ１≦θ３≦θ２を満足するように構成されたことを特徴とする請求項１項記載の永久磁石型電動機。
3. 前記固定子は、固定子歯部に直接巻線を巻き付けた集中巻き方式としたことを特徴とする請求項１項又は請求項２項記載の永久磁石型電動機。

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