JP4709132B2 - 永久磁石埋込型モータの回転子及び送風機用電動機及び圧縮機用電動機 - Google Patents

Description

この発明は、永久磁石埋込型モータの回転子に関するもので、特に永久磁石挿入穴に沿って設けられるスリット形状に関する。

電機子反作用磁束を軽減すると共に、外周部鉄心の磁束分布を改善することにより、騒音や振動の少ない高効率な永久磁石電動機を提供するために、回転子鉄心中にその軸心を中心とする略正多角形の各辺に対応する部位に形成された永久磁石収容孔と、この磁石収容孔にそれぞれ挿入された永久磁石と、永久磁石収容孔の外周部鉄心に形成され、径方向に細長く、かつ、永久磁石収容孔に沿って離隔配置された４個以上のスリット孔とを備え、スリット孔の径方向外側端のピッチを略等しくし、径方向内側端のピッチを永久磁石の中央部を大きくし、中央部から端部に離れるに従って小さくした永久磁石電動機が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００５−９４９６８号公報

前記特許文献１に記載された永久磁石電動機の回転子のスリット孔形状は、径方向外側端のピッチを略等しくし、径方向内側端のピッチを永久磁石の中央部を大きくし、中央部から端部に離れるに従って小さくすることにより、誘起電圧の高調波を低減していた。しかし、スリット孔の形状が複雑となり加工費が増加する。また、スリット孔の径方向外側端と回転子鉄心の外周との間の薄肉部を均一、または磁極中央部の薄肉部を広くして、誘起電圧高調波を低減しているが、極間部のスリット孔を広くしていないため、誘起電圧の高調波成分を低減できていない。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、極間部の磁束密度波形の高調波成分を低減して、誘起電圧の高調波、コギングトルクを低減できる永久磁石埋込型モータの回転子を提供することを目的とする。

この発明に係る永久磁石埋込型モータの回転子は、複数枚の電磁鋼板を積層して形成される回転子鉄心と、この回転子鉄心の軸方向に形成され、軸心を中心とする略正多角形の各辺に対応する部位に形成された永久磁石挿入穴と、この永久磁石挿入穴に挿入される永久磁石と、永久磁石挿入穴の外周鉄心部に形成され、永久磁石挿入穴に沿って離隔配置された複数個のスリットと、このスリットの径方向外側端と回転子鉄心の外周との間に設けられ、径方向の幅が磁極中心から極間部に向けて徐々に広くなる外側薄肉部とを備えたことを特徴とする。

この発明に係る永久磁石埋込型モータの回転子は、スリットの外側薄肉部が磁極中心から極間部に向けて徐々に広くなることにより、極間部の磁束密度波形の高調波成分が低減でき、誘起電圧の高調波、コギングトルクを低減することが可能である。

実施の形態１．
図１乃至図３は比較のために示す一般的な永久磁石埋込型モータの回転子を示す図で、図１は打ち抜き後の電磁鋼板１の平面図、図２は回転子２の斜視図、図３は回転子２の断面図である。

図１に示す、一般的な永久磁石埋込型モータ（４極）の回転子に使用する打ち抜き後の電磁鋼板１は、電磁鋼板１中にその軸心を中心とする略正四角形（正多角形の一例）の各辺に対応する部位に形成された永久磁石挿入穴１ａと、永久磁石挿入穴１ａの外周部鉄心に形成され、径方向に細長く、かつ、永久磁石挿入穴１ａに沿って離隔配置された複数個（図１では６個）のスリット１ｂとを備える。また、電磁鋼板１の中央部に、シャフト挿入穴１ｃが形成されている。電磁鋼板１の素材は、例えば、板厚０．３５〜０．５ｍｍの無方向性電磁鋼板である。

図２により、回転子２の構成を説明する。図１の電磁鋼板１を所定枚数積層して、所定幅の回転子鉄心２ａを形成する。永久磁石挿入穴１ａに、例えば、希土類磁石で構成される永久磁石を挿入後、端板３を回転子鉄心２ａの軸方向両端面に装着し、リベット４で固定する。そして、シャフト挿入穴１ｃに、シャフト５を圧入や焼嵌等により嵌合する。このようにして、回転子２が完成する。

図３は回転子２の断面図である。永久磁石挿入穴１ａに永久磁石６が挿入されている。永久磁石６の中心と、永久磁石挿入穴１ａの磁極中心が略一致するように永久磁石６は配置される。永久磁石挿入穴１ａの外周部鉄心に、スリット１ｂが径方向に細長く、かつ、永久磁石挿入穴１ａに沿って離隔配置されている。図３では、１極当たり６個のスリット１ｂがある。そして、スリット１ｂは、磁極中心の左右に３個ずつ対称に配置される。スリット１ｂの径方向外側端と回転子鉄心２ａの外周との間の外側薄肉部１ｄ、及びスリット１ｂの径方向内側端と永久磁石挿入穴１ａとの間の内側薄肉部１ｅは、全てのスリット１ｂにおいて均一になっている。

一般的に、スリット１ｂの外側薄肉部１ｄ、内側薄肉部１ｅは、磁束の漏れを抑制したり、高調波を低減するために、加工可能な最小の幅により形成されることが多い。一般的に積層電磁鋼板の厚み（０．３５〜０．５ｍｍ）が、加工可能な最小寸法である。しかし、スリット１ｂの外側薄肉部１ｄ、内側薄肉部１ｅが均一であると、外側薄肉部１ｄが磁気飽和し、ギャップ（ステータ（図示せず）と回転子２との間の隙間）の磁束密度波形に高調波が含まれてしまう。そのため、ステータの誘起電圧の高調波成分の増加、コギングトルクの悪化へとつながる。

図４乃至図１２は実施の形態１を示す図で、図４は電磁鋼板１の永久磁石挿入穴１ａ付近の部分平面図、図５は回転子２表面の１極分の磁束密度分布を従来のものと比較した図、図６は電磁鋼板１の永久磁石挿入穴１ａ付近の部分平面図、図７乃至図１２は回転子２の永久磁石６付近の部分平面図である。

図４に示すように、永久磁石挿入穴１ａの外周鉄心部に沿って、径方向に細長く、離隔配置されるスリット１ｂの外側薄肉部１ｄの幅を、極中心側からｄ１、ｄ２、ｄ３とする。尚、このスリット１ｂの外側薄肉部１ｄの幅は、極中心に対して左右対称である。本実施の形態では、ｄ１、ｄ２、ｄ３が次式を満たすことを特徴とする。
ｄ１＜ｄ２＜ｄ３ （１）
即ち、磁極中心から極間部に向けて、スリット１ｂの外側薄肉部１ｄの幅を徐々に大きくする。このように構成することにより、極間部付近の磁束密度の高調波を低減することができる。尚、スリット１ｂの外側薄肉部１ｄの幅は、極中心に対して非対称にしても同様の効果があリ、かつ、スキューの効果もある。

スリット１ｂの外側薄肉部１ｄの幅を、（１）式のように変化させることにより、回転子表面の磁束密度がどのようになるか解析した。結果を図５に示す。比較のために、従来の一般的な、スリット１ｂの外側薄肉部１ｄの幅が均一な回転子（図３の回転子）のデータも示す。図５の実線が図３の回転子の磁束密度であり、破線が本実施の形態（図４の電磁鋼板１を用いる回転子、）の磁束密度である。尚、図５に示す磁束密度は、１極分である。また、電気角０［ｄｅｇ］、１８０［ｄｅｇ］が極間部、電気角９０［ｄｅｇ］が磁極中心に対応する。

図５に示すように、各磁束密度波形には、高調波が含まれるが、本実施の形態（図４の回転子）は、従来の図３の回転子よりも、正弦波に近づくことが解る。そのため、本実施の形態（図４の回転子）は、従来の図３の回転子よりも、ステータの誘起電圧の高調波成分、コギングトルク、高調波鉄損、トルクリップルが低減する。

図６は変形例で、磁極中心に対して最も遠い、極間部に最も近いスリット１ｂの外側薄肉部１ｄの幅を、他のスリット１ｂの外側薄肉部１ｄの幅よりも大きくし、その他のスリット１ｂの外側薄肉部１ｄの幅は均一にしたものである。即ち、式で示すと、次式のようになる。
ｄ１＝ｄ２＜ｄ３ （２）
回転子２から発生する磁束はスリット１ｂなしの状態では矩形波状となる。スリット１ｂを設けることにより正弦波状の波形に近づく。また、ステータの誘起電圧は磁束の時間変化により発生するため、磁束の急激な変化をなくすことにより、誘起電圧の高調波成分を低減することができる。永久磁石埋込型モータの回転子２において、磁束の変化が一番大きいところは極間部であり、極間部付近の磁束の変化を滑らかにすることが、誘起電圧の高調波成分を低減するのに大きな効果がある。つまり、図６のように、極間部に一番近いスリット１ｂの外側薄肉部１ｄを他のスリット１ｂよりも広げることにより、外側薄肉部１ｄの磁気飽和による磁束密度の急激な変化がなくなるため、ステータの誘起電圧の高調波成分を低減することができる。

図７に示すように、永久磁石６の周方向の長さは、永久磁石挿入穴１ａの周方向の長さよりも短い。そして、永久磁石６は、永久磁石挿入穴１ａの略中心に配置されるので、永久磁石６の両端に、永久磁石６が存在しない部分ができる。この永久磁石挿入穴１ａの永久磁石６が存在しない部分の外周鉄心部にスリット１ｂを設けると、このスリット１ｂにより永久磁石６が発生する磁束を調整することができる。そして、スリット１ｂの外側薄肉部１ｄを磁極中心から極間部に向けて徐々に広げることによっても（ｄ１＜ｄ２＜ｄ３）、極間部に流れ込む磁束の量を調整することができるため、両者によりさらにステータの誘起電圧の高調波、コギングトルク、振動、トルクリプルを低減することができる。

図８は図７の変形例であり、極間部に近いスリット１ｂの外側薄肉部１ｄの幅を、他のスリット１ｂの外側薄肉部１ｄの幅より広くしている。極間部に一番近いスリット１ｂよりも永久磁石６が磁極中心部側に存在する時は（永久磁石挿入穴１ａの永久磁石６が存在しない部分の外周鉄心部にスリット１ｂを設ける）、極間部に流れ込む磁束の量を調整しているのは、ほぼ外側のスリット１ｂのみである。また、前述したように、極間部の磁束がステータの誘起電圧の高調波に与える影響が大きい。そのため、極間部に一番近いスリット１ｂの外側薄肉部１ｄのみを広くしても、図７のものと同様の効果を奏する。

図９は、図８の変形例であり、磁極中心部から最も遠い、極間部に最も近いスリット１ｂと永久磁石挿入穴１ａとを連通させている。そのスリット１ｂは、永久磁石挿入穴１ａの永久磁石６の存在しない部分と連通している。連通させる前は、外側薄肉部１ｄと内側薄肉部１ｅとの二箇所に薄肉部が存在したが、連通させることにより、薄肉部は外側薄肉部１ｄの一箇所となる。他のスリット１ｂの外側薄肉部１ｄの幅は、図９では均一であるが、図７のように磁極中心から極間に向けて徐々に広くなるものでもよい。

極間部に一番近いスリット１ｂにより、極間部に流れ込む磁束量を調整可能であるが、薄肉部が加工可能な最小寸法よりも小さくできないため、連通していない時のスリット１ｂの両薄肉部（外側薄肉部１ｄ、内側外側薄肉部１ｅ）を最小寸法にしても、極間部への流れ込む磁束量が多すぎる場合がある。極間部に一番近いスリット１ｂと永久磁石６が存在しない永久磁石挿入穴１ａを連通させることにより、薄肉部が外側薄肉部１ｄの一箇所となるため、極間部への流れ込む磁束量の調整幅が大きくなり、永久磁石６の幅、材質に合ったスリット１ｂの形状を選択できる幅が広がる。

また、今まで電磁鋼板１のスリット１ｂを金型により打ち抜く際には、永久磁石挿入穴１ａとスリット１ｂとの内側薄肉部１ｅが小さいため、他の部分とは別工程により製作していた。図９のような形状（極間部に最も近いスリット１ｂと永久磁石挿入穴１ａとが連通する）にすることにより、外側のスリット１ｂと永久磁石挿入穴１ａを同時に打ち抜くことが可能であり、回転子２の製造工程が少なくなり、打ち抜きコスト、金型費用の低減が可能である。

図１０は図９において、極間部に最も近いスリット１ｂ以外のスリット１ｂも永久磁石挿入穴１ａと連通させ、さらに連通部の幅（ｗ２）をスリット１ｂの幅（ｗ１）より小さくした例である。図１０に示すように、永久磁石挿入穴１ａの永久磁石６が存在する部分の外周鉄心部のスリット１ｂも永久磁石挿入穴１ａと連通させると、そのスリット１ｂの薄肉部が外側薄肉部１ｄの一箇所となり、図９と同じ理由で、磁束量の調整幅が広がるため、誘起電圧の高調波を低減するために選択できる薄肉部の形状の幅が広がる。

但し、永久磁石６が存在することにより、永久磁石６が空気と直接触れるため、永久磁石６のパーミアンスが低下し、磁力の低下、減磁耐力の低下を招く。そこで、永久磁石挿入穴１ａの永久磁石６が存在する部分とスリット１ｂとを連通させる部分の幅を、スリット１ｂの幅よりも狭くすることで、永久磁石６のパーミアンスの低下を防ぐことができる。また、永久磁石挿入穴１ａとスリット１ｂが一体構造となるため、加工性が向上し、打ち抜きコスト、金型の費用削減の低減が可能である。

図１１は図１０の変形例で、永久磁石挿入穴１ａの永久磁石６が存在する部分と連通するスリット１ｂの形状を台形（楔状）にしたものである。連通部の幅（ｗ２）が、スリット１ｂの径方向外側端の幅（ｗ１）より小さい。このような形状にしても、図１０の回転子２と同様の効果を奏する。

図１２に示す回転子２は、永久磁石６を永久磁石挿入穴１ａの略中心に位置決めするための永久磁石位置決め突起７を設けたものである。永久磁石位置決め突起７は、永久磁石挿入穴１ａの両端部付近に設けられる。磁極中心線と永久磁石位置決め突起７の中心との距離をＡ、極間部に最も近く、永久磁石挿入穴１ａに連通するスリット１ｂの磁極中心側の端と磁極中心線との距離をＢ、永久磁石挿入穴１ａに連通するスリット１ｂの極間部側の端と磁極中心線との距離をＣとする。

永久磁石挿入穴１ａに対して、永久磁石６の幅が狭いときは、永久磁石６の位置決めを行うため、永久磁石位置決め突起７や段差を追加する必要がある。しかし、永久磁石位置決め突起７を追加することにより、その部分の永久磁石挿入穴１ａの径方向の幅が狭くなり、磁束の漏れが大きくなる。

そこで、磁極中心線と永久磁石位置決め突起７の中心との距離Ａが、永久磁石挿入穴１ａに連通するスリット１ｂの磁極中心側の端と磁極中心線との距離Ｂと、永久磁石挿入穴１ａに連通するスリット１ｂの極間部側の端と磁極中心線との距離Ｃとの間に収まるように、永久磁石位置決め突起７を配置する。つまりＢ＜Ａ＜Ｃとすることにより、永久磁石位置決め突起７により永久磁石挿入穴１ａの径方向の幅が狭くなる部分を少なくすることが可能となり、磁束の漏れが小さくなり、誘起電圧の低下を防ぐことができる。

Ｂ＜Ａ＜Ｃを満たしても、永久磁石位置決め突起７の周方向の幅が、スリット１ｂの周方向の幅に対し無視できない程度の大きさの場合は、永久磁石位置決め突起７により永久磁石挿入穴１ａの径方向の幅が狭くなる部分ができる。従って、永久磁石位置決め突起７の全体が、永久磁石挿入穴１ａに連通するスリット１ｂの周方向の幅内に収まるように、永久磁石位置決め突起７の周方向の幅及び位置とするのが好ましい。

本実施の形態は、回転子２の径が小さい場合や、多極化により、スリット１ｂの形状を複雑化できない時に特に有効であり、スリット１ｂの幅、間隔が一定にしなければならない時に適用すると、特に効果がある。

実施の形態２．
図１３乃至図１６は実施の形態２を示す図で、図１３乃至図１５は電磁鋼板１の永久磁石挿入穴１ａ付近の部分平面図、図１６は回転子２の永久磁石６付近の部分平面図である。

図１３に示すように、永久磁石挿入穴１ａの外周鉄心部に沿って、径方向に細長く、離隔配置されるスリット１ｂの内側薄肉部１ｅの幅を、極中心側からＤ１、Ｄ２、Ｄ３とする。尚、このスリット１ｂの内側薄肉部１ｅの幅は、極中心に対して左右対称である。本実施の形態では、Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３が次式を満たすことを特徴とする。
Ｄ１＜Ｄ２＜Ｄ３ （３）
即ち、磁極中心から極間部に向けて、スリット１ｂの内側薄肉部１ｅの幅を徐々に大きくする。尚、スリット１ｂの外側薄肉部１ｄの幅は、極中心に対して非対称にしても同様の効果があリ、かつ、スキューの効果もある。

図１３の電磁鋼板１を用いると、回転子２が小さい場合、または多極化した場合に有利である。スリット１ｂ間の間隔が狭く、また、打ち抜き精度からスリット１ｂを移動できないときに、極間部に流れ込む磁束量をスリット１ｂの内側薄肉部１ｅにて調整するものである、図１３のように、磁極中心から極間部に向けて徐々に内側薄肉部１ｅを広くすることにより、磁極中心から極間部に向けて磁束量が徐々に変化し、回転子２表面の磁束密度分布が正弦波状に近づき、ステータの誘起電圧の高調波成分、コギングトルクの低減が可能である。

また、図１４に示すように、磁束密度の変化が激しい極間部付近の磁束量を調整するため、磁極中心に対して最も遠い、極間部に最も近いスリット１ｂの内側薄肉部１ｅの幅を、他のスリット１ｂの内側薄肉部１ｅの幅よりも大きくし、その他のスリット１ｂの内側薄肉部１ｅの幅は均一にしたものである。即ち、式で示すと、次式のようになる。
Ｄ１＝Ｄ２＜Ｄ３ （４）
磁束の変化の激しい極間部に最も近いスリット１ｂの内側薄肉部１ｅの厚さを他のスリット１ｂの内側薄肉部１ｅの厚さより広くしても、ステータの誘起電圧の高調波成分、コギングトルクを低減できる。

図１５は図１４の変形例で、極間部に最も近いスリット１ｂの外側薄肉部１ｄを除き、外部に連通させている。

極間部に一番近いスリット１ｂにより、極間部に流れ込む磁束量を調整可能であるが、薄肉部が加工可能な最小寸法よりも小さくできないため、連通していない時のスリット１ｂの両薄肉部（外側薄肉部１ｄ、内側薄肉部１ｅ）を最小寸法にしても、極間部への流れ込む磁束量が多すぎる場合がある。極間部に一番近いスリット１ｂを外部と連通させることにより、薄肉部が内側薄肉部１ｅの一箇所となるため、極間部への流れ込む磁束量の調整幅が大きくなり、永久磁石６の幅、材質に合ったスリット１ｂの形状を選択できる幅が広がる。

図１６は、磁極中心に対して最も遠いスリット１ｂを永久磁石挿入穴１ａの永久磁石６が存在しない部分の外周鉄心部に配置した回転子２の永久磁石６付近の断面図である。図１６に示すように、磁極中心に対して最も遠いスリット１ｂを永久磁石挿入穴１ａの永久磁石６が存在しない部分の外周鉄心部に配置することにより、永久磁石６から極間部へ流れる磁束がすべて磁極中心に対して最も遠いスリット１ｂの内側薄肉部１ｅを通る。極間部の磁束が誘起電圧の高調波に与える影響が大きいため、磁極中心に対して最も遠いスリット１ｂの内側薄肉部１ｅの幅を広げることにより、ステータの誘起電圧の高調波成分、コギングトルク、トルクリプルの低減をする事ができる。

また、実施の形態１と同様、本実施の形態でも、回転子２の径が小さい場合や、多極化により、スリット１ｂの形状を複雑化できない時に特に有効であり、スリット１ｂの幅、間隔が一定にしなければならない時に適用すると、特に効果がある。

尚、上記実施の形態１、２では、永久磁石６を、１極当たり１個の構成としたが、複数に分割して配置してもよい。例えば、２分割の場合は、Ｖ字形の配置となる。さらに、３分割の場合は、バスタブ形の配置となる。

実施の形態３．
実施の形態１又は実施の形態２の永久磁石埋込型モータの回転子２を、送風機用電動機に搭載することにより、騒音や振動の少ない高効率な送風機用電動機が得られる。

実施の形態４．
実施の形態１又は実施の形態２の永久磁石埋込型モータの回転子２を、圧縮機用電動機に搭載することにより、騒音や振動の少ない高効率な圧縮機用電動機が得られる。

比較のために示す一般的な永久磁石埋込型モータの回転子を示す図で、打ち抜き後の電磁鋼板１の平面図。 比較のために示す一般的な永久磁石埋込型モータの回転子を示す図で、回転子２の斜視図。 比較のために示す一般的な永久磁石埋込型モータの回転子を示す図で、回転子２の断面図。 実施の形態１を示す図で、電磁鋼板１の永久磁石挿入穴１ａ付近の部分平面図。 実施の形態１を示す図で、回転子２表面の１極分の磁束密度分布を従来のものと比較した図。 実施の形態１を示す図で、電磁鋼板１の永久磁石挿入穴１ａ付近の部分平面図。 実施の形態１を示す図で、回転子２の永久磁石６付近の部分平面図である。 実施の形態１を示す図で、回転子２の永久磁石６付近の部分平面図である。 実施の形態１を示す図で、回転子２の永久磁石６付近の部分平面図である。 実施の形態１を示す図で、回転子２の永久磁石６付近の部分平面図である。 実施の形態１を示す図で、回転子２の永久磁石６付近の部分平面図である。 実施の形態１を示す図で、回転子２の永久磁石６付近の部分平面図である。 実施の形態２を示す図で、電磁鋼板１の永久磁石挿入穴１ａ付近の部分平面図。 実施の形態２を示す図で、電磁鋼板１の永久磁石挿入穴１ａ付近の部分平面図。 実施の形態２を示す図で、電磁鋼板１の永久磁石挿入穴１ａ付近の部分平面図。 実施の形態２を示す図で、回転子２の永久磁石６付近の部分平面図。

符号の説明

１ 電磁鋼板、１ａ 永久磁石挿入穴、１ｂ スリット、１ｃ シャフト挿入穴、１ｄ 外側薄肉部、１ｅ 内側薄肉部、２ 回転子、２ａ 回転子鉄心、３ 端板、４ リベット、５ シャフト、６ 永久磁石、７ 永久磁石位置決め突起。

Claims (6)

1. 複数枚の電磁鋼板を積層して形成される回転子鉄心と、
   この回転子鉄心の軸方向に形成され、軸心を中心とする略正多角形の各辺に対応する部位に形成された永久磁石挿入穴と、
   この永久磁石挿入穴に挿入される永久磁石と、
   前記永久磁石挿入穴の外周部鉄心に形成され、前記永久磁石挿入穴に沿って離隔配置された複数個のスリットと、
   このスリットの径方向内側端と前記永久磁石挿入穴との間に設けられ、径方向の幅が磁極中心から極間部に向けて徐々に広くなる内側薄肉部とを備えたことを特徴とする永久磁石埋込型モータの回転子。
2. 磁極中心から最も遠く、かつ極間部に最も近い前記スリットの前記内側薄肉部の径方向の幅を、他のスリットの前記内側薄肉部の径方向の幅よりも広くし、他のスリットの前記内側薄肉部の径方向の幅は略均一としたことを特徴とする請求項１記載の永久磁石埋込型モータの回転子。
3. 磁極中心から最も遠く、かつ極間部に最も近い前記スリットを外部に連通させたことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の永久磁石埋込型モータの回転子。
4. 前記永久磁石挿入穴の前記永久磁石が存在しない部分の外周鉄心部に、前記磁極中心から最も遠く、かつ極間部に最も近い前記スリットを設けることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の永久磁石埋込型モータの回転子。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の永久磁石埋込型モータの回転子を備えたことを特徴とする送風機用電動機。
6. 請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の永久磁石埋込型モータの回転子を備えたことを特徴とする圧縮機用電動機。

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