JP4666726B2

JP4666726B2 - 永久磁石形電動機の回転子

Info

Publication number: JP4666726B2
Application number: JP2000215222A
Authority: JP
Inventors: 善之山本; 劍治田中; 常明田中; 鐘治真野
Original assignee: アイチエレック株式会社
Priority date: 2000-06-12
Filing date: 2000-06-12
Publication date: 2011-04-06
Anticipated expiration: 2020-06-12
Also published as: JP2001359247A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電動機に代表される永久磁石を装着した内転型回転子に関し、特に回転子鉄心内部の収容孔に永久磁石を埋め込んで構成した永久磁石埋め込み回転子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の電動機の回転子としては、図８に示す構成のものが知られている。例えば、図８に示す回転子は円柱状の回転子鉄心１の中心に設けた軸孔２に軸を嵌入し、この軸孔２と平行に複数の収容孔６を設けて、この収容孔６に永久磁石７をそれぞれ挿入して構成されている。回転子鉄心１は所定形状に打ち抜いた薄鉄板を軸方向に多数積層して形成されており、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によって固定されている。この鉄心の構成は後述する固定子の構成についても同様である。永久磁石７はフェライト磁石または希土類磁石よりなり、回転子の外側へ向けて逆円弧状となるように回転子鉄心１の収容孔６へ挿着されている。そして、隣接する永久磁石７が互いに異極となるように着磁されている。図８に示した回転子はＮ極、Ｓ極が交互に配置された４極構造である。
【０００３】
また、図９に示すような回転子も知られている。図９に示す回転子は、図８と同様に円柱状の回転子鉄心１の中心に設けた軸孔２に軸を嵌入し、この軸孔２と平行に複数の収容孔８を設けて、この収容孔８に永久磁石９を挿入し構成されている。図８と同様に各収容孔８に異極となるように着磁されている。上記永久磁石型電動機は、三相巻線を有する固定子内に回転子を配置されて構成し、制御回路を介して固定子巻線に励磁することによって回転子の回転を行うようになっている。
【０００４】
制御回路は、スイッチング回路内のトランジスタを制御することにより固定子巻線Ｕ，Ｖ，Ｗの隣接する２相分の固定子巻線に１２０°づづ位相をずらし電流を通電させる周知の１２０°通電制御をしている。また、制御回路は電動機の回転子の回転により固定子巻線Ｕ、Ｖ、Ｗに誘起される誘起電圧を検出して回転子の回転位置に応じた電動機の駆動信号が得られるようになっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来の永久磁石型電動機においては、制御回路の制御方式による関係から電動機に通電する通電区間は電気角で１２０°区間であるため、電動機が発生する各極の磁束は電気角で１２０°の区間しか有効に利用されていない。つまり、各極における非通電区間が存在するため電動機に装着された永久磁石の磁束が有効に利用されていないことになる。この有効に利用されない非通電区間は、電気角で０°から３０°及び、１５０°から１８０°区間である。この非通電区間の永久磁石の磁束は電動機を駆動させるためのトルクとしては有効に使用されていない。また、従来は電動機の性能を向上させるには、電動機の体格を大きくしたりして対応している。
【０００６】
また、図８、図９に示した従来の電動機の永久磁石埋め込み回転子を有する電動機のトルクを次の式（１）で表すことができる。
Ｔ＝Ｔｍ＋Ｔｒ…（１）
Ｔｍ＝Φ・Ｉｑ…（２）
Ｔｒ＝（Ｌｄ−Ｌｑ）Ｉｄ・Ｉｑ…（３）
Ｔ＝Φ・Ｉｑ＋（Ｌｄ−Ｌｑ）Ｉｄ・Ｉｑ…（４）
磁石による磁束量をΦ、ｄ軸電流をＩｄ、ｑ軸電流をＩｑ、ｑ軸インダクタンスをＬｑ、ｄ軸インダクタンスをＬｄである。前記式よりも明らかな様に永久磁石の磁束が増加することによりマグネットトルクＴｍが増え、また、リラクタンストルク成分が増加することによりリラクタンストルクＴｒを増やすことができる。その結果、総合トルクＴを上げることができる。図１０は前記式をトルク特性として表したものである。Ｔｍはマグネットトルク、Ｔｒはリラクタンストルク、ＴはマグネットトルクＴｍとリラクタンストルクＴｒを合成したものである。縦軸をトルク、横軸βは位相角度を示している。図１０では、回転子を機械角で反時計方向に９０°回転させた場合のトルク特性であります。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、軸孔を有する回転子鉄心内部に永久磁石を埋め込む回転子において、前記永久磁石を埋め込む収容孔が略凹字状であって、略凹字底部が前記回転子軸孔に面し、略凹字側部の縁が回転子外周に向い伸びているものであって、略凹字状の収容孔が回転子外周面に面した収容孔側面に対して前記永久磁石の磁気配向が直角に配向され、
前記回転子外周面に面した略凹字側部の収容孔側面からの磁束と、略凹字底部の収容孔側面からの磁束とを交差した磁束集中区間を設け、前記磁束集中区間を制御回路における通電区間とした、
永久磁石埋め込み回転子とすることで達成される。
請求項２の発明は、略凹字状の収容孔を有する前記回転子において磁極間の継鉄部形状が、回転子外周面側が広く回転子内径側に向い狭くなっているロート形状にすることにより固定子と回転子における磁束の流出入を多くさせることができ、モータ性能に寄与するリラクタンストルクを増加させることができる。
請求項３の発明は、収容孔を略凹字状に形成し前記収容孔に倣う様な形状に一体成形された永久磁石を隙間なく埋め込むことにより、磁束量を増加させることで達成される。
請求項４の発明は、略凹字状の収容孔幅において、側部収容孔幅より底部収容孔幅の方が広くすることにより達成される。
請求項５の発明は、略凹字状の収容孔幅において、一方の側部収容孔幅と底部収容孔幅が同じであり、他方の側部収容孔幅が一方の側部収容孔幅と底部収容孔幅より広くすることにより達成される。
請求項６の発明は、略凹字状の収容孔が、多重に配置されていることにより達成される。
請求項７の発明は、前記回転子内部の磁束の変化が少ない位置にピン孔が設けられていることにより達成される。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明の永久磁石埋め込み回転子の実施の形態は、積層された鉄心コアの軸孔に回転軸を圧入または、焼き嵌め等により挿入して固定される。次に鉄心コアの収容孔に永久磁石を挿入し鉄心コアの軸方向両端部に端板を装着させる。この端板の材質としては非磁性の材料を選ぶことが好ましい。次に、この端板に設けられたピン孔と鉄心コアに設けられたピン孔にカシメピンを挿入し鉄心コアを一体化固着させる。カシメピンの材質としては、鉄心等の磁性体や非磁性体を用いることができる。尚、鉄心コアのピン孔は、磁束の変化が少く電動機特性を悪化させない位置や、機械応力の影響が受け難い位置に設けるのが好ましい。また、永久磁石埋め込み回転子を形成する方法は前記方法に限定されるものではない。
【０００９】
次に図面を用いて説明する。尚、本発明において永久磁石埋め込み回転子の構成要素が同様のものは同じ符号を付して説明を省略する。図１は、第１の実施例の形態での回転子の平面断面図であり、本実施例の形態では４極の永久磁石埋め込み回転子を示している。図２は、図１の回転子鉄心１の各極に埋め込まれた永久磁石３が隣り合う極を異極とし着磁を施された永久磁石３の磁気配向を表すための部分拡大図である。本実施の形態の永久磁石埋め込み回転子は、回転子鉄心１に略凹字状の永久磁石３が略凹字状の収容孔５に倣う様に挿入されており、この永久磁石３の磁気配向を回転子外周面に面した収容孔５側面に対して直角に磁気配向されている。また略凹字底部収容孔５ａが回転子の軸孔２に面し、略凹字側部収容孔５ｂ、５ｃの縁が回転子外周に向い伸びている。磁気配向が回転子外周面に面した収容孔５側面に対して直角に配向させていることにより、該回転子鉄心１の該磁気中心側において側部収容孔５ｂ、５ｃの側面からの磁束と底部収容孔５ａの側面からの磁束を交差させることができる。この交差させた磁束集中区間θを制御回路における通電区間とすることにより、今まで分散して有効に使われなかった非通電区間の磁束を通電区間θ全域に集中させることにより有効に使うことができ、先に述べた周知の電動機のトルクを表す式（１）、（２）、（４）に記載の回転子表面に出てくる磁束量Φを増加させることが出来る。
【００１０】
図３は、図１、図２の永久磁石埋め込み回転子を使用した場合の固定子巻線Ｕ、Ｖ、Ｗの隣接する任意の２相を使用し固定子巻線に１２０°づつ位相をずらし電流を通電させる周知の１２０°通電制御をした場合のタイミングチャート図である。上段は誘起電圧波形Ｅ、下段は通電電流波形Ｉを示す。本実施例の図１、図２では、４極の永久磁石埋め込み回転子であるので制御回路の通電区間１２０°における磁束集中区間θは６０°（機械角）であり、この区間の全範囲において非通電区間０°〜３０°及び１５０°〜１８０°の磁束を通電区間に集中させることによって有効に磁束量Φを増加させることができる。尚、本図のタイミングチャート図の上段においての誘起電圧波形Ｅの破線部分３０は従来の磁束を集中させない場合であり、実線部分３１は本発明においての磁束を集中させた場合を示している。
【００１１】
更に、本発明の第２の実施例の形態を図１を用いて説明する。本実施の形態は、略凹字状の収容孔５を回転子ラジアル方向に９０°等配されている永久磁石埋め込み回転子であり隣り合う異極の収容孔間、つまり磁極間の継鉄部１８の形状が、回転子外周面側に広く形成され、回転子内径側に向い狭く形成されたロート形状にすることにより固定子と回転子間の磁束の流出入を多くさせることができる。その結果、回転子の収容孔５と内径軸孔２の間の継鉄部に磁束が多く流れることになりリラクタンストルクを増加させることができモータ性能を上げることができる。
【００１２】
第３の実施例の形態は、前記略凹字状の収容孔５に埋め込まれる永久磁石を一体成型して埋め込むことにより、複数の永久磁石を収容孔５に挿入する場合と比べて寸法のバラツキを考慮しなくてすみ永久磁石と収容孔５との隙間を大きくする必要がなくなる。つまり複数の永久磁石を使用する場合は各永久磁石の寸法のバラツキを考慮しなくてはならず、収容孔５に複数の永久磁石が必ず入るようにするために、収容孔５を大きく設定しなくてはならないが一体成形にした場合、永久磁石を複数使用するわけではないため寸法のバラツキ範囲が小さくなり収容孔５と永久磁石３の隙間を小さくすることができる。また、この隙間が小さくなることにより、隙間による磁気抵抗が減少し電動機の性能を向上させることができる。更に、隙間が小さくなることで音、振動等も小さくなる。
【００１３】
以上の実施の形態では略凹字状の収容孔幅は等しい場合について説明してきたが、略凹字状の収容孔を異ならせた場合においての実施の形態について図を用いて説明する。第４の実施の形態では図４の略凹字状の収容孔１０に倣う様に永久磁石１１を挿入して構成されており略凹字状の収容孔１０において、側部収容孔幅より底部収容孔幅が広く設定されている。本実施の形態では、底部収容孔１０ａの永久磁石１１の厚さをＴａ１、側部収容孔１０ｂ、１０ｃの永久磁石１１の厚さをＴｂ１、Ｔｃ１とした時Ｔａ１＞Ｔｂ１＝Ｔｃ１となるように設定している。ここでＴａ１＝Ｔｂ１＝Ｔｃ１の状態からＴｂ１、Ｔｃ１をそのままでＴａ１を大きくしていくことにより回転子鉄心外周面に出てくる磁束が大きくなり式（１）、（２）、（４）の式からもわかるように磁束Φが増加しマグネットトルクＴｍを増加することができる。
【００１４】
次に、本発明の第５の実施例では、図５の略凹字状収容孔幅を一方の側部収容孔幅と底部収容孔幅が同じであり他方の側部収容孔幅が一方の側部収容孔幅と底部収容孔幅より広く設定されている。本実施例の形態では、底部収容孔１２ａの永久磁石１３の厚さＴａ２、側部収容孔１２ｂ、１２ｃの永久磁石１３の厚さＴｂ２、Ｔｃ２とした時Ｔｃ２＝Ｔａ２＜Ｔｂ２となるように設定している。ここでＴａ２＝Ｔｂ２＝Ｔｃ２の状態からＴａ２、Ｔｃ２をそのままでＴｂ２を大きくしていくことにより永久磁石１３の磁束Φの集中をα分だけ位相をずらせることができる。このことは、図６に示したトルク特性として表すことができる。図６に付された符号は図１０と同一意味を示しているため、ここでは符号の説明を省略することにする。マグネットトルクＴｍの磁束Φの集中がα分だけ位相がずれている。尚、ここでは図５での回転子を機械角で反時計方向に９０°回転させた場合のトルク特性である。この様に磁束Φの集中箇所を適宜調整させ該電動機のマグネットトルクＴｍのピークをα分ずらせることにより総合トルクＴのピークを突出させないように全体的に安定した電動機トルク特性が得ることができるようになる。即ち、このような回転子は従来問題にしているコギングトルクによる音、振動を小さくすることができる。
【００１５】
以上の実施の形態では、各極に収容孔を設け単層構造としたが、各極の収容孔を所定間隔に開けて複数個設けて多層構造とすることもできる。多層構造に形成した本発明における第６の実施の形態を図７に示す。本実施の形態では、略凹字状収容孔１５、１４は軸方向に垂直な断面であり、略凹字底部収容孔１４ａ、１５ａが前記回転子軸孔２に面し、略凹字側部収容孔１４ｂ、１４ｃ、１５ｂ、１５ｃの縁が回転子外周に向い伸びて形成され、また各永久磁石１６、１７の厚さがほぼ等しい厚さに設定されている。本実施の形態では各極毎に所定間隔を開けて２つの収容孔１４、１５を設けているが、収容孔の層数及び形状を限定する物ではない。内周側の収容孔１４に挿通されている永久磁石１６と外周側の収容孔１５に挿通されている永久磁石１７の極性は同一となるように構成されている。また、それぞれの実施の形態については個別に説明したが、これらの方法を適宜組み合わせて用いることもできる。更に、各収容孔に挿通する永久磁石を複数個挿入させ、側部収容孔と底部収容孔に挿通させている永久磁石の特性を異ならせる方法や、各極毎の多層構造に形成され層毎の特性及び厚さをことならせる方法等もある。
【００１６】
【発明の効果】
以上説明したように請求項１及至請求項７に記載の回転子を用いることで回転子鉄心内部の略凹字状である収容孔に永久磁石を埋め込み、この収容孔側面に対して直角に磁気配向させることにより、回転子が発生する各極の磁束を制御回路の非通電区間に存在する磁束を通電区間に集中させることによって通電区間全域にわたり磁束量を増加させることができる。更に、磁極間の継鉄部を回転子外周面側を広く回転子内径側に向い狭くしたことによって磁束の流出入を増加させることができリラクタンストルクを増加させモータ性能を向上させることができる。また、永久磁石を一体成形することにより永久磁石を隙間なく埋め込むことにより磁束量を増加することができる。また、収容孔の幅を適宜設定することによりマグネットトルクを増加させコギングトルクによる音、振動を小さくすることができる。また、収容孔を多層にすることによってマグネットトルクとリラクタンストルクを増加させることができる。また、ピン孔を磁束の変化が少ない位置や機械応力の影響が受け難い位置に設けることにより電動機特性を悪化させることはない。
【００１７】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１及至第３実施例の形態の回転子の平面断面図である。
【図２】図１の磁気配向を表すための部分拡大図である。
【図３】図１、図２の回転子を用いた場合と従来例とを比較した誘起電圧波形と通電電流波形を示したタイミングチャート図である。
【図４】本発明の第４実施例の形態の回転子の平面断面図である。
【図５】本発明の第５実施例の形態の回転子の平面断面図である。
【図６】図５の回転子を用いた場合のトルク特性である。
【図７】本発明の第６実施例の形態の回転子の平面断面図。
【図８】従来例を示す回転子の平面断面図。
【図９】別の従来例を示す回転子の平面断面図。
【図１０】従来例の回転子を用いた場合のトルク特性である。
【符号の説明】
１…回転子鉄心、２…軸孔、３，７，９，１１，１３，１６，１７…永久磁石、４…ピン孔、５，６，８，１０，１２，１４，１５…収容孔、５ａ，１０ａ，１２ａ，１４ａ，１５ａ…底部収容孔、５ｂ，５ｃ，１０ｂ，１０ｃ，１２ｂ，１２ｃ，１４ｂ，１４ｃ，１５ｂ，１５ｃ…側部収容孔、１８…継鉄部、Ｔ…総合トルク、Ｔｍ…マグネットトルク、Ｔｒ…リラクタンストルク、θ…磁束集中範囲、Ｅ…誘起電圧波形、Ｉ…通電電流波形、α…ずれ位相角度、β…位相角度、Ｔａ１，Ｔａ２…底部収容孔の永久磁石厚さ、Ｔｂ１，Ｔｂ２，Ｔｃ１，Ｔｃ２…側部収容孔の永久磁石の厚さ、３０…従来品の誘起電圧波形、３１…発明品の誘起電圧波形。

Claims

軸孔を有する回転子鉄心内部に永久磁石を埋め込む回転子において、前記永久磁石を埋め込む収容孔が略凹字状であって、略凹字底部が前記回転子軸孔に面し、略凹字側部の縁が回転子外周に向い伸びているものであって、略凹字状の収容孔が回転子外周面に面した収容孔側面に対して前記永久磁石の磁気配向が直角に配向され、
前記回転子外周面に面した略凹字側部の収容孔側面からの磁束と、略凹字底部の収容孔側面からの磁束とを交差した磁束集中区間を設け、前記磁束集中区間を制御回路における通電区間とした、
ことを特徴とする永久磁石埋め込み回転子。
前記略凹字状の収容孔を有する前記回転子において、収容孔と収容孔の間の磁極継鉄部の形状が、回転子外周面側が広く回転子内径側に向いて狭くなっていることを特徴とする請求項１記載の永久磁石埋め込み回転子。
前記略凹字状の収容孔に埋め込まれる永久磁石は一体成形であることを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の永久磁石埋め込み回転子。
前記略凹字状の収容孔幅において、側部収容孔幅より底部収容孔幅の方が広いことを特徴とする請求項１及至請求項３のいずれかに記載の永久磁石埋め込み回転子。
前記略凹字状の収容孔幅において、一方の側部収容孔幅と底部収容孔幅が同じであり、他方の側部収容孔幅が一方の収容孔幅と底部収容孔幅より広いことを特徴とする請求項１及至請求項４のいずれかに記載の永久磁石埋め込み回転子。
前記略凹字状の収容孔が多重に配置されていることを特徴とする請求項１及至請求項５記載のいずれかに記載の永久磁石埋め込み回転子。
前記回転子内部の磁束変化が少ない位置にピン孔が設けられていることを特徴とする請求項１及至請求項６のいずれかに記載の永久磁石埋め込み回転子。