JP4709495B2 - 永久磁石埋込型モータ - Google Patents

Description

本発明は、複数のスリットを有する回転子の上記スリット内に永久磁石を埋め込んだ回転子と、複数のスロットを有する鉄心に巻き線を巻いた固定子とを空隙を介して配置した永久磁石埋込型モータに関する。

永久磁石埋込型モータは、回転子を高速回転させる用途において多用されるモータである。このように永久磁石を回転子に埋め込む構造を有するモータにおいては、最低１対の永久磁石を対称に配置する。一般に多く用いられる構造としては、２対の永久磁石を、磁極が交互に反転する位置関係において、埋め込むものである。

このように、永久磁石を２対埋め込む構造のものにおいては、埋め込んだ後の隣接する永久磁石の間隔が少ないと、隣接する磁極同士による磁束の短絡等により、回転子内部の磁束の流れに乱れが生じてしまい、固定子との相互作用において発生する磁力が減衰し、モータの回転に必要なトルクが得られなくなる。これによってコギングトルクが発生し、ひいてはモータの回転効率低下に結びつくことが課題となっている。

上記の課題を解消するために、すでにいくつかの発明がなされている。例えば、回転子に埋め込まれた永久磁石の外側輪郭の外径が、隣接する永久磁石の頂点を通る外径より小さくなるように、それぞれの永久磁石の外径の中心を偏心させることで、永久磁石の隣接部分の厚みを薄くし、回転子の形状が花弁状になる構造を有し、これによって、磁束の短絡が軽減されトルクムラの無いスムーズな回転を可能とする技術が知られている（例えば特許文献１参照）。

他の例として、永久磁石を埋め込む回転子のスリットの両側に空隙を設け、これによって隣接する磁極同士の磁気的絶縁を行い、磁束の短絡を防止することで、トルクの源となる磁力の減衰を防ぐ工夫が施されるものがある（例えば特許文献２、特許文献３参照）。

特開２０００−３５０３９３号公報 特開平０５−２３６６８４号公報 特開２０００−０６９７１７号公報

しかしながら、従来の発明はいずれも永久磁石埋込型モータにおいて、コギングトルクの低減や、逆起電力歪率の低減効果があるが、回転子の磁束分布の極性が反転する近傍の形状においてさらなる改善をしなくては、トルクリップルを小さくし、騒音や振動を小さくするには不十分である。

特に、隣接する永久磁石同士の短絡を防止するために、回転子内の所定の場所に空隙を設けることは、回転に必要なトルクの減衰を防ぎ、トルクムラを低減することに有効である。しかし、回転子内に設ける空隙の形状と大きさは、モータ全体の大きさに影響を与える要素であり、最適な形状と大きさになるよう工夫を施すことが重要である。この工夫を怠り、空隙を大きくするとモータ内に無駄な部分を作り出す原因となる。また、空隙を単に小さくするだけでは、磁束の短絡を防ぎ、トルクムラを低減するという効果が期待できなくなる。従って、回転子の形状、回転子に設けられる所定の空隙の形状において、最適な構成となるよう工夫することが重要である。

また、回転子はその製造工程において、複数の回転子片を積層して形成してなるものである。回転子片は例えばケイ素鋼板をプレス機などで打ち抜いたものであり、回転子の形状を花弁状にする為には、回転子片においても花弁状である必要がある。

しかしながら、回転子片は１枚のケイ素鋼板から、複数枚の回転子片を連続して打ち抜くため、回転子片の外形が花弁状であるが故に、隣接する回転子片同士に間隙を設けないことには、打ち抜きを行うことはできない。すなわち、隣接する回転子片同士をケイ素鋼板に隙間無く配置した形でこれを打ち抜くとしても、回転子片同士は１点で接触して他は間隙になっており、その間隙にあたる部分の鋼板材は回転子片として利用できず、材料の有効利用は望めない。

本発明は以上のような従来技術の問題点を解消するためになされたもので、トルクリップルを小さく、振動や騒音を小さくすることができる永久磁石埋込型モータを提供することを目的とする。

本発明はまた、回転子の製造過程において材料の廃棄物量を削減することも可能な永久磁石埋込型モータを提供することを目的とする。

本発明は、複数のスリットに永久磁石を埋め込んだ回転子と、複数のスロットを有する鉄心に巻き線を巻いた固定子とを空隙を介して配置した永久磁石埋込型モータにおいて、スリットは、回転子の半径方向に直交する方向に永久磁石が埋め込まれる永久磁石埋込部と、この永久磁石埋込部に続く両端部のＬ字状空隙部とを有し、回転子１極分の角度（θ１）とＬ字状空隙部の角度（θ２）との比θ２／θ１が０．２に設定されていることを特徴とする。これによって、Ｌ字状空隙部の回転子円周方向における長さが適切になるよう配置され、隣接する永久磁石同士の磁束短絡を防ぎ、磁極反転部における回転トルクの減衰を防ぐことができる。

本発明において、回転子の外接円半径（Ｒ）とＬ字状空隙部近傍における回転子外径の曲率（Ｒ１）が、
０．１５≦（Ｒ−Ｒ１）／Ｒ≦０．２５
の条件を満足することが好ましい。これによって、Ｌ字型空隙部の回転子円周方向における長さと、Ｌ字状空隙部外側の回転子半径方向における長さが適切になるよう配置され、隣接する永久磁石同士の磁束短絡を防ぎ、磁極反転部における回転トルクの減衰を防止することができる。

以上のように本発明によれば、複数のスリットを有する回転子内部に永久磁石を埋め込んだ回転子と、複数のスロットを有する鉄心に巻き線を巻いた固定子とを空隙を介して配置した永久磁石埋込型モータにおいて、スリットは、回転子の半径方向に直交する方向に永久磁石が埋め込まれる永久磁石埋込部と、この永久磁石埋込部に続く両端部のＬ字状空隙部とを有し、回転子１極分の角度（θ１）とＬ字状空隙部の角度（θ２）との比θ２／θ１が０．２に設定されていることを特徴とすることで、回転子に用いる永久磁石の極性が反転する近傍における磁束分布を滑らかにすることが可能となり、逆起電力波形歪み低減や、コンキングトルクの低減を図ることが可能となる。これにより、トルクリップルが小さくなり、モータ回転時の振動や騒音が改善される。

以下、図面を参照しながら本発明にかかる永久磁石埋込型モータの実施の形態について説明する。

図１は、本発明における永久磁石埋込型モータに用いる回転子の基本構造を示している。永久磁石埋込型モータの回転子１１は、鋼板材からプレス機などで打ち抜かれた複数の回転子片を積層することによって形成されている。この回転子片の外周形状は、これに外接する円とは曲率の異なる複数の円弧によって構成されている。具体的には、図２に示すように、回転子片の外接円の半径Ｒよりも短い半径Ｒ１の四つの円弧をつなぐことによって構成されている。回転子１１の内部には少なくとも１対（図に示した実施例においては２対）の永久磁石１２を埋設するためのスリット２０の中央が回転子１１の半径方向と直交する方向に形成されており、スリット２０は永久磁石を埋込むために設けられた永久磁石埋設部２１と、その両端に位置するＬ字状空隙部２２より構成されている。各スリット２０は、上記の四つの円弧に対応して設けられ、従って、永久磁石埋設部２１もそれぞれ上記各円弧に対応している。

Ｌ字状空隙部２２はスリット２０の永久磁石埋設部２１に続く両端に位置し、回転子１１の半径方向に伸びる部分２２ａとそれに続き回転子１１の円周方向に伸びる部分２２ｂにより構成される。

永久磁石埋込部２１には板状の永久磁石１２が埋設されている。隣接する永久磁石１２には互いに異なる磁極が配置されるため、隣接部２３においてそれぞれの永久磁石より発生する磁束が隣接する磁極同士で短絡してしまい、固定子との間に磁界が形成されず、あるいは形成される磁界が弱くなる可能性がある。このため、磁束の短絡を防止すること目的とし、永久磁石１２の両端部から回転子１１の外周面近傍まで半径方向に伸びる磁束短絡防止用のＬ字状空隙２２が形成されている。

図２は、前記回転子１１の一部を拡大し、前記Ｌ字状空隙部の構造をより詳細に表したものである。図２において、回転子１１の外周部１１ａは外接円半径Ｒよりも小さい半径Ｒ１を有する曲率円によって構成されている。その半径Ｒ１の前記曲率円の中心は、外接円の中心よりａ１だけ外周に移動した永久磁石１２の周方向中心位置を通る半径軸上に位置している。半径Ｒ１の円弧は、回転子１１の外接円を４等分する半径軸上のそれぞれに設けられている。すなわち、回転子１１の外周部１１ａは４つの円弧の組み合わせによって形成されており、図２は前記回転子１１を直径軸にて切断した上半分を示している。

前記外周部１１ａを構成する曲率円の円弧の終端と外接円の中心１１ｃを結んだ二つの直線によって成る角度θ１は、回転子１１の回転子１極分を構成する角度である。

また、前記外周部１１ａを構成する曲率円の円弧の終端から、回転子内部に形成されているＬ字状空隙部２２の内側先端までの角度をθ２としている。

前記回転子１１に設けたＬ字状空隙部２２は、Ｒ、Ｒ１、θ１，θ２が、０．１≦θ２／θ１≦０．３という条件と０．１≦（Ｒ−Ｒ１）／Ｒ≦０．３という条件が成り立つように構成され、本発明の目的とする効果を生じることが可能となる。なお、θ２／θ１は、０．１５≦θ２／θ１≦０．２５に設定することがより好ましく、ほぼ０．２に設定しておくことが最も好ましい。また、（Ｒ−Ｒ１）／Ｒは、０．１５≦（Ｒ−Ｒ１）／Ｒ≦０．２５に設定することがより好ましく、ほぼ０．２に設定しておくことが最も好ましい。

次に、上記条件によって目的を達成しうる根拠について、次に示す図３、図４を用いて説明する。

図３は、前記実施の形態にかかる回転子１１における、各限定要素を変化させ、それぞれの場合において、逆起電力歪率を示した線図である。図３（ａ）は前記回転子１１のθ１とθ２の比を変化させたものである。θ２／θ１にて求められる値を横軸にし、縦軸は逆起電力歪率を示している。図３（ａ）から明らかなように、θ２／θ１が約０．２において、逆起電力歪率が最小となる。また、図３（ｂ）は、前記回転子１１のＲとＲ１の比を変化させたものである。（Ｒ−Ｒ１）／Ｒにて求められる値を横軸にし、縦軸は逆起電力歪率を示している。図３（ｂ）から明らかなように、（Ｒ−Ｒ１）／Ｒが約０．２である時、逆起電力歪率が最小となる。

図３から明らかなように、θ２／θ１が０．１より小さくなり、また、０．３より大きくなると逆起電力歪率が大きくなり、実用上好ましい結果が得られないため、θ２／θ１は０．１から０．３の範囲とするのが望ましい。なお、図３から明らかなように、θ２／θ１は、０．１５≦θ２／θ１≦０．２５に設定することがより好ましく、ほぼ０．２に設定しておくことが最も好ましい。また、（Ｒ−Ｒ１）／Ｒが０．１より小さくなり、また、０．３より大きくなると逆起電力が大きくなり、実用上好ましい結果が得られないため、（Ｒ−Ｒ１）／Ｒは０．１から０．３の範囲とするのが望ましい。なお、図３から明らかなように、（Ｒ−Ｒ１）／Ｒは、０．１５≦（Ｒ−Ｒ１）／Ｒ≦０．２５に設定することがより好ましく、ほぼ０．２に設定しておくことが最も好ましい。

図４は、前記実施の形態にかかる回転子１１における、各限定要素を変化させ、それぞれの場合において、コンキングトルクを示した線図である。図４（ａ）は前記回転子１１のθ１とθ２の比を変化させたものである。θ２／θ１にて求められる値を横軸にし、縦軸はコンキングトルクを示している。図４（ａ）から明らかなように、θ２／θ１が約０．２において、コンキングトルクが最小となる。また、図４（ｂ）は、前記回転子１１のＲとＲ１の比を変化させたものである。（Ｒ−Ｒ１）／Ｒにて求められる値を横軸にし、縦軸はコンキングトルクを示している。図４（ｂ）から明らかなように、（Ｒ−Ｒ１）／Ｒが約０．２である時、コンキングトルクが最小となる。

図４から明らかなように、θ２／θ１が０．１より小さくなり、また、０．３より大きくなるとコンキングトルクが増大する。また、（Ｒ−Ｒ１）／Ｒが０．１より小さくなり、また、０．３より大きくなるとコンキングトルクが増大する。従って、θ２／θ１は０．１から０．３の範囲とするのが望ましく、（Ｒ−Ｒ１）／Ｒは０．１から０．３の範囲とするのが望ましい。なお、上記と同様に、図４から明らかなように、θ２／θ１は、０．１５≦θ２／θ１≦０．２５に設定することがより好ましく、ほぼ０．２に設定しておくことが最も好ましい。また、（Ｒ−Ｒ１）／Ｒは、０．１５≦（Ｒ−Ｒ１）／Ｒ≦０．２５に設定することがより好ましく、ほぼ０．２に設定しておくことが最も好ましい。

図５は、回転子１１を用いた永久磁石埋込型モータにおける逆起電力の出力波形を示した線図である。図５における横軸は回転子１１の回転角度を示し、縦軸は逆起電力の大きさを示している。図５（ａ）は、回転子１１の円周を複数の曲率円を用いずに単一曲率円により構成し、Ｌ字状空隙部２２を設けない従来例の場合を示している。図５（ｂ）は、Ｌ字状間隙部を設けるが、回転子１１の円周を複数の曲率円を用いずに単一曲率円により構成した本発明における実施例の場合を示しており、具体的には、図２におけるθ１、θ２、Ｒ、Ｒ１の関係が、θ２／θ１＝０．２，（Ｒ−Ｒ１）／Ｒ＝０．１以下で回転子１１を用いた永久磁石埋込型モータにおける逆起電力の出力波形である。図５（ａ）に示す従来技術と比較すれば、線図の変化もなめらかであり、逆起電力歪率も改善されている。

図５（ｃ）は、回転子１１の円周を、曲率Ｒ１の円を用いて４つの円弧により構成し、かつ、Ｌ字状空隙を設けた場合の逆起電力波形を示している。具体的には図２におけるθ１、θ２、Ｒ、Ｒ１の関係が、θ２／θ１＝０．２，（Ｒ−Ｒ１）／Ｒ＝０．２となるよう構成した回転子を用いている。

ところで、逆起電力はモータの構造上必ず発生するものであるが、その発生量によって、モータの特性を左右する重要な要素である。図５において、各線図の変化がなめらかなものほど、回転子１１の回転が円滑で効率的に運動していることを示しており、これによって明らかなように、図５（ｃ）に示した線図の変化が最もなめらかであり、逆起電力歪率が最も低いことを示している。

図６は、前記回転子１１を用いた永久磁石埋込型モータにおけるコギングトルクの出力波形を示した線図である。横軸は回転子１１の回転角度を示し、縦軸はコギングトルクの大きさを示している。図６（ａ）は、回転子１１の円周を、曲率Ｒ１の円を用いて４つの円弧により形成することはせず、Ｌ字状空隙部２４を設けない従来技術の場合を示している。図６（ｂ）は、Ｌ字状空隙部２２を設けるが、回転子１１の円周における複数の曲率円を用いない本発明における実施例の場合を示しており、具体的には図２におけるθ１、θ２、Ｒ、Ｒ１の関係が、θ２／θ１＝０．２，（Ｒ−Ｒ１）／Ｒ＝０．１以下である。

図６（ｃ）は、回転子１１の円周を、曲率Ｒ１の円を用いて４つの円弧により構成し、Ｌ字状空隙部２４を設けた場合のコギングトルク波形を示している。具体的には図２におけるθ１、θ２、Ｒ１、Ｒ２の関係が、θ２／θ１＝０．２，（Ｒ−Ｒ１）／Ｒ＝０．２となるよう構成した回転子を用いている。

ところで、コギングトルクはモータの構造上必ず発生するものであるが、その発生量によって、モータの特性を左右する重要な要素である。図６において示した実施例にて、各線図の変化が小さく、なめらかで、コギングトルクの値が小さなものほど、回転子１１の回転が円滑で効率的に運動していることを示している。これによって明らかなように、図６（ｂ）に示した実施例は、図６（ａ）に示す従来技術と比較すれば、線図の変化もなめらかであり、コギングトルクも改善されている。更に、図６（ｃ）に示した線図の変化は最もなめらかであり、コギングトルクが最も低いことを示している。

図７は、前記回転子１１の別の実施形態を示したものである。図７（ａ）において、回転子１１の外形は３つの曲率円、即ち、曲率円の半径Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３の組み合わせによって構成されている。なお、回転子１極分の角度に対する半分のみを図示し、回転子１１の外周側にその領域を図示している。この実施形態では、Ｒ＞Ｒ１＞Ｒ２＞Ｒ３に設定された例である。図７（ｂ）は回転子１１の外形を２つの曲率円Ｒ１，Ｒ２で構成した例である。図７（ｂ）において２つの曲率円の半径を表すＲ１とＲ２それぞれの中心が、回転子１１の外接円半径の中心からの隔たりがａ１、ａ２としたときに、ａ１×０．８≦ａ２≦ａ１×１．２の関係になるよう構成されている。

図８は、本発明における永久磁石埋込型モータに用いる回転子の別の実施形態を示したものである。永久磁石埋込型モータの回転子１１は、鋼板材からプレス機などで打ち抜かれた回転子片を積層し形成することによってなり、その外形は曲率の異なる複数の円弧部１５および直線部１６によって構成されている。回転子１１の内部には少なくとも１対（図に示した実施例においては２対）の永久磁石１２を埋設するためのスリット２０が構成されており、スリット２０は永久磁石を埋込ために設けられた部分すなわち永久磁石埋設部２１とそのほかの部分すなわちＬ字状間隙部２２より構成されている。Ｌ字状間隙部２２は永久磁石埋設部２１に続く両端に位置し、回転子１１の半径方向に伸びる部分２２ａとそれに続き回転子１１の円周方向に伸びる部分２２ｂにより構成される。

前記回転子１１は、前記永久磁石２０の1極分を含む回転子１１の１極分の中心角度をθ１とし、Ｌ字状空隙部２２を囲む回転子１１の中心角度、即ち、隣接する１極分の回転子１１との境界部分から円周方向に伸びる部分２２ｂの先端までの角度をθ２となるように構成されている。これらを元に回転子１１における各部の寸法が０．１≦θ２／θ１≦０．３という条件が成り立つよう構成されている。

図９は、図８における回転子１１を形成するための、材料となる鋼板３０における回転子片３１の配置を示す。鋼板３０において、回転子片３１は効率的に製造できるよう、隙間無く配置される。この実施形態の特徴は回転子１１の円周の一部が直線部３２でなり、この直線部３２が相互に当接するように配置することによって、隣接する回転子片同士を隙間無く配置することが可能となり、鋼板３０をプレスによって打ち抜く時の材料取りの効率化をはかることができる

図１０は、回転子片の形状における別の実施例を示す。回転子片の外周形状は、図９に示すような４極分の回転子を構成する四角状の丸形に限らず、図１０に示すように６極分の回転子を構成する６角状の丸形でも良い。また、図示しないが８角状の丸形、１０角状の丸形でも良い。

図１１は、図９に示した回転子片３１の外周に設ける前記直線状部３２の別の実施例を示す。前記直線状部３２は、図１１（ａ）に示すように、Ｌ字状空隙部の狭間における外周部において、３角形の凹形状３３を有しても良い。また、同様に図１１（ｂ）に示すように、円弧状の凹形状部３４を設けても良い。また、同様に図１１（ｃ）に示すように、四角形の凹形状部３５を設けても良い。さらに、凹形状であれば、図示した以外にも、多角形凹形状部（図示しない）でも良く、直線状部３２において、複数の凹形状部（図示しない）を設けても良い。

本発明にかかる永久磁石埋込型モータの回転子の実施の形態を示す断面図である。 上記実施の形態の要部を示す拡大断面図である。 （ａ）は、本発明にかかる永久磁石埋込型モータの回転子における永久磁石１極分の角度とＬ字状空隙部近傍の角度の比を変化させたときの、逆起電力歪率の変化を示した線図であり、（ｂ）は、外形円弧半径の外接円に対する比を変化させたときの、逆起電力歪率の変化を示した線図である。 （ａ）は、本発明にかかる永久磁石埋込型モータの回転子における永久磁石１極分の角度とＬ字状空隙部近傍の角度の比を変化させたときの、コギングトルクの変化を示した線図であり、（ｂ）は、外形円弧半径の外接円に対する比を変化させたときの、コギングトルクの変化を示した線図である。 永久磁石埋込型モータにおける逆起電力の出力波形を示した線図であり、（ａ）は従来例、（ｂ），（ｃ）は、本発明の実施形態を示すものである。 永久磁石埋込型モータにおけるコギングトルクの変化を示した線図であり、（ａ）は従来例、（ｂ），（ｃ）は、本発明の実施形態を示すものである。 （ａ）、（ｂ）は、本発明にかかる永久磁石埋込型モータの回転子の別の実施の形態を示す断面図である。 本発明にかかる永久磁石埋込型モータの回転子のさらに別の実施の形態を示す断面図である。 上記実施形態における回転子片を製造するために用いる鋼板に回転子片を配置した例を示す平面図である。 回転子片配置の別の実施形態を示す平面図である。 回転子のＬ字状空隙部近傍形状の別の例を示す拡大平面図である。

符号の説明

１１ 回転子
１２ 永久磁石
２３ Ｌ字状空隙部

Claims (2)

1. 複数のスリットに永久磁石を埋め込んだ回転子と、複数のスロットを有する鉄心に巻き線を巻いた固定子とを空隙を介して配置した永久磁石埋込型モータにおいて、
   上記スリットは、上記回転子の半径方向と直交する方向に上記永久磁石が埋め込まれる永久磁石埋込部と、この永久磁石埋込部に続く両端部のＬ字状空隙部とを有し、
   上記回転子１極分の角度（θ１）と上記Ｌ字型空隙部の角度（θ２）との比θ２／θ１が０．２に設定されていることを特徴とする永久磁石埋込型モータ。
2. 請求項１記載の永久磁石埋込型モータにおいて、
   前記回転子の外接円半径（Ｒ）と前記Ｌ字状空隙部近傍における前記回転子外径の曲率（Ｒ１）が、
   ０．１５≦（Ｒ−Ｒ１）／Ｒ≦０．２５
   の条件を満足することを特徴とする永久磁石埋込型モータ。

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