JP4729956B2

JP4729956B2 - 永久磁石型電動機

Info

Publication number: JP4729956B2
Application number: JP2005083091A
Authority: JP
Inventors: 典禎西山; 静横手; 修明森野; 浩村上
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2005-03-23
Filing date: 2005-03-23
Publication date: 2011-07-20
Anticipated expiration: 2025-03-23
Also published as: JP2006271049A

Description

本発明は、特に永久磁石型電動機で小型高効率な特性が要求される、コンプレッサ、電気自動車、ハイブリッド自動車、燃料電池自動車用等に用いられる電動機に関する。

近年、地球環境との共存や省エネに対する認識が高まり、エアコンや冷蔵庫等に用いられるコンプレッサをはじめとする電気機器に搭載される電動機や、電気自動車、ハイブリッド自動車、燃料電池自動車等に搭載される電動機も小型高効率を求められている。

図７は、従来のリラクタンストルクのみならず、マグネットトルクを活用した電動機の一例を示す。

１０１は回転子鉄心を示し、その周方向に中心側に凸となるように湾曲する円弧状の磁路通路１０２が半径方向に複数のスリット１０３を挟んで列設される。固定子１０４内に空隙を設けて回転子１０１が回転自在に配置され、磁路通路１０２に沿う磁束の流れやすさと、それに直行したスリット１０３の磁気抵抗により磁束の流れにくさ、即ち磁気突極性によって生じるリラクタンストルクと回転子鉄心に埋め込まれた永久磁石１０６によるマグネットトルクを活用した永久磁石電動機の例である（例えば、特許文献１参照）。

また、図８は、他の従来例の回転子の部分平面図を示す。回転子の磁極間部から磁極中央部が内周側となる複数のスリット部１１２を配する。スリット１１２は回転子内周側となる磁極中央部のブリッジ部１１３で回転子外周側鉄心と内径側鉄心とがつながっている。スリット内に配置される永永久磁石は、例えばボンド磁石（プラスチックマグネット）を充填することで構成される。図８の例と同様に、回転子の磁気突極性によって生じるリラクタンストルクと回転子鉄心に埋め込まれた永久磁石１１４によるマグネットトルクを活用した永久磁石電動機の例である（例えば、特許文献２参照）。
特開２００２−１０５４７号公報特開２００２−４４９２０号公報

永久磁石の透磁率は空気の透磁率にほぼ等しいので、回転子のスリット部を空気とするかわりに永久磁石を配置することで、磁気突極性によるリラクタンストルクを確保しつつ、永久磁石によるマグネットトルクを活用することができる。さらなる小型高トルクを発揮する電動機とするためには、スリットに配する永久磁石を高性能な、例えば希土類焼結磁石とすることが有効である。

しかしながら、図７、図８に示した回転子鉄心の複数のスリット部全てに、前述の高性能な希土類焼結磁石を配置することは困難であり、さらなる高トルク化による小型化が困難であるという課題があった。また、スリット内に永久磁石を埋込むと、永久磁石に作用する遠心力が回転子鉄心に作用し、回転子のスリット周囲の鉄心の細い箇所であるブリッジ部に応力が集中するため高速回転になると最悪回転子が変形し高速回転ができない。また耐遠心力設計としてスリットのブリッジ部寸法を大きくすることは有効であるが、一方ブリッジ部での磁束の漏れが大きくなりマグネットトルクが下がり、また磁気突極性も下がるためリラクタンストルクも低下し、小型高出力化が困難であるといった課題があった。

本発明は、このような従来の課題を解決するものであり、固定子鉄心と空隙を介して対峙する第１の回転子鉄心には永久磁石を配置せず、第１の回転子鉄心の端面に軸方向着磁された永久磁石を配置した第２の回転子を有することで、オーバーハング部の永久磁石から第１の回転子に効果的に磁束を流す構造により、マグネットトルクとリラクタンストルクを積極的に活用することが容易にでき、小型高出力で高効率な永久磁石型電動機を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために本発明は、環状のヨークと巻線用溝からなる周方向間隔をおいて放射状に複数のティースが形成されている固定子と、前記固定子と僅かな空隙を介して対向し、回転自在に保持された回転子鉄心を備えた電動機において、前記固定子の固定子鉄心と空隙を介して対峙する第１の回転子鉄心には永久磁石を配置せず、前記第１の回転子鉄心の端面に軸方向着磁された永久磁石を配置した第２の回転子を有し、かつ前記固定子の固定子鉄心と空隙を介して対峙する第１の回転子鉄心には極数に応じた１層以上のスリット群があり、極中央部が極間部に対して内周側に凸となる形状のスリットを設けた構成を具備する永久磁石型電動機である。

また、本発明は、上記永久磁石型電動機において、回転子端面に磁性体を配置した構成を具備し、かつ固定子鉄心と空隙を介して対峙する第１の回転子鉄心の端面に配した第２の回転子端面に軸方向に着磁された永久磁石を配置し、永久磁石の磁極間の軸方向寸法が磁極中央の軸方向寸法よりも短く、永久磁石の端面に配置された磁性体の軸方向寸法は、磁極間の軸方向寸法が永久磁石磁極間磁極中央の軸方向寸法よりも大きい構成を具備する永久磁石型電動機である。

なお、極数Ｐ、回転子外径Ｄ、第１の回転子鉄心の軸方向長さＡとが、Ａ≦πＤ／４Ｐの条件式を満足する構成としてもよい。

なお、永久磁石が極毎で外周に向かって小さくなる形状とする構成としてもよい。

なお、固定子鉄心と空隙を介して対峙する第１の回転子鉄心の端面に配した第２の回転子の軸方向着磁された永久磁石外周部に非磁性材を配置した構成としてもよい。

また、圧粉焼結による回転子鉄心を用いた構成としてもよい。

このようにして、オーバーハング部の永久磁石から第１の回転子に効果的に磁束を流す構造により、マグネットトルクとリラクタンストルクを積極的に活用することが容易にでき、小型高出力で高効率な永久磁石型電動機を提供することができる。

本発明によれば、環状のヨークと巻線用溝からなる周方向間隔をおいて放射状に複数のティースが形成されている固定子と、前記固定子と僅かな空隙を介して対向し、回転自在に保持された回転子鉄心を備えた電動機において、固定子の固定子鉄心と空隙を介して対峙する第１の回転子鉄心には極数に応じた１層以上のスリット群があり、極中央部が極間部に対して内周側に凸となる形状のスリットを設けたことを特徴とし、オーバーハング部の永久磁石から第１の回転子に効果的に磁束を流す構造により、リラクタンストルクをより活用することができる構造の回転子であり、マグネットトルクとリラクタンストルクを積極的に活用することが容易にでき、また、第１の回転子鉄心には永久磁石を配置していないため第１の回転子鉄心に作用する遠心力を低減することができ、より高速回転が可能な小型高出力で高効率な永久磁石型電動機を提供することができる。

また、本発明によれば、固定子の固定子鉄心と空隙を介して対峙する第１の回転子鉄心の端面に配した第２の回転子端面に軸方向に着磁された永久磁石を配置し、永久磁石の磁極間の軸方向寸法が磁極中央の軸方向寸法よりも短く、永久磁石の端面に配置された磁性体の軸方向寸法は、磁極間の軸方向寸法が永久磁石磁極間磁極中央の軸方向寸法よりも大きくすることで回転子の永久磁石の軸方向寸法とその端面に配置した磁性体の軸方向寸法を最適化することにより僅かな軸方向寸法のアップで大幅に磁束量をアップすることができ、小型高出力で高効率な永久磁石型電動機を提供することができる。

以下、発明を実施するための最良の形態についての実施例を説明する。

本発明の実施例について、図を用いて説明する。図１は本発明の第１の実施例を示す永久磁石型電動機の平面図、図２は永久磁石型電動機の縦断面図、図３は第１の回転子の平面図である。２は固定子であり環状のヨークと固定子巻線用溝となる周方向間隔をおいて放射状に複数のティースが形成され、固定子の巻線用溝に固定子巻線３が配置される。図２では、固定子の軸方向長さをＬ２とし固定子鉄心の軸方向長さをＬ１としている。回転子は、固定子鉄心のＬ１部で空隙を介して対峙する第１の回転子４と、Ｌ１よりオーバーハングした第２の回転子６からなる。第１の回転子４と第２の回転子６は機械的に結合されており相互に可動するものではない。

第１の回転子４には、スリット群で構成された極における極中央部が極間部に対して内周側となる複数のスリット５を設けている。この極に対して磁極が交互に第１の回転子鉄心側となるよう軸方向着磁された永久磁石７を配置している。永久磁石は第１の回転子鉄心の磁極に対応したスリット５の端面に配置され、第１の回転子鉄心側となるよう軸方向着磁された配置としている。よって、第２の回転子鉄心の永久磁石は同じ磁極が向き合って、同極の磁束を第１の回転子へ流す構成となっている。第２の回転子鉄心の外側には磁性体からなるロータヨーク８を有する。なお、図１には説明のために、固定子巻線３および、第２のロータヨーク８は図示していない。

従来例として、スリットに成型等によるボンド磁石を埋込んだ例があるが、より高性能な希土類焼結磁石を全スリットに埋込むことは困難である。本実施例では、オーバーハングした回転子の端面に永久磁石を配するだけで容易にスリットに永久磁石を配したものと同様の効果が得られ、小型高出力で高効率な永久磁石型電動機を提供することができる。

また、回転子端面に配置したロータヨーク８が、隣接した異極の永久磁石と磁路を構成することで、回転子の軸方向長さは若干長くなるが、磁束を増加することができるため有効である。

なお、本実施例は４極で極中央部が磁極間部に対して内周側となる逆円弧状の複数のスリットを設けた永久磁石型電動機の例であるが、極数が異なる場合や、スリットが直線状や、Ｖ字形状でも同様の効果を得られる。リラクタンストルクをより活用するのはスリットが深い方が効果的である。

図４に他の回転子の例を示す。図４（ａ）〜（ｄ）は６極で第１の回転子は円弧状のスリット５が構成されていて磁石の形状が異なる例である。図４（ｅ）は４極で第１の回転子及び磁石の形状が異なる例である。

図４（ａ）は第２の回転子６の永久磁石７を片側６個で構成されている。隣接する永久磁石は互いに逆方向に軸方向に着磁されていて、第１の回転子鉄心の磁束を流し磁極を構成している。

図４（ｂ）は第２の回転子６の永久磁石７を１個で構成され、軸方向の着磁を極数に合わせて互いに逆方向にしていて、第１の回転子鉄心の磁束を流し磁極を構成している。用いる磁石の数が少ないので組立が容易であるという効果がある。

図４（ｃ）は第２の回転子６の永久磁石７が第１の回転子のスリット一部にのみ重なる構成として、隣接する永久磁石は互いに逆方向に軸方向に着磁されていて、第１の回転子鉄心の磁束を流し磁極を構成している。用いる磁石量を少なくし、前例に比べてマグネットトルクを下げ、リラクタンストルクのとのバランスを変えたモータ特性を実現する例である。

図４（ｄ）は第２の回転子６の永久磁石７が極毎に外周に向かって小さくなる形状としたものである。本図では、永久磁石を１個で構成し極毎に互いに逆方向となるように軸方向に着磁されていて、第１の回転子鉄心の磁束を流し磁極を構成している。前述の図４（ａ）のように複数磁石片で構成しても良い。永久磁石が極毎で外周に向かって小さくなる形状としたことにより、用いる磁石量を少なくし、かつ、永久磁石に作用する遠心力を小さくすることができる。従来例のようにスリット全体に磁石を埋め込んだ場合は、永久磁石に作用する遠心力が第１の回転子鉄心にも作用するので耐遠心力設計を行わないと高速速回転が困難である。一般的に耐遠心力設計を行うと応力の集中するスリット周囲のブリッジ部の幅を厚くすることになり、漏れ磁束が増加しモータ特性は悪化する。

しかし、第１の回転子の端面に永久磁石を配置することで、第１の回転子鉄心に作用する遠心力を高めることなく、スリット全体に磁石を埋め込んだ場合と同等の効果が得られる構造により、ブリッジ部を厚くすることによるモータ特性の悪化もなく、高速回転が可能であり小型高出力に優れている。

なお、図４においても図１から図３の例と同様に、回転子両端に永久磁石を用いる場合は、第２の回転子鉄心の永久磁石は同じ磁極が向き合って、同極の磁束を第１の回転子へ流す構成となっている。

また、図４（ｅ）は第１の回転子の異なる例である。ブリッジ部９を回転子鉄心外周ではなく、極中央としている。第１の回転子鉄心の極中央にかかる端面に永久磁石を配する場合、永久磁石を回転子の内径側へ配置して、永久磁石に作用する遠心力を小さくすることができる。一方、ブリッジ部が外周に向かって磁路を構成する磁路を通じて磁束が流れ、スリット部全部に永久磁石を配置した場合と同様の効果が得られる。永久磁石に作用する遠心力を小さくできるので、高速回転が可能であり小型高出力に優れている。

また、図４（ｆ）は第１の回転子の異なる例であり、第２のロータコアの平面図を示し、ロータヨークは図示していない。７は永久磁石、１０は永久磁石保持リングであり斜線で示す。永久磁石保持リング１０は非磁性からなり、隣接する磁極の磁束の短絡を防いでいる。

永久磁石７の固定は、第１の回転子に接着等で固定しても良いが、本実施例のように、永久磁石保持リング１０を用いることで、より強固な固定ができ、高速回転での信頼性が向上し、より高速回転可能な小型高出力で高効率な永久磁石型電動機を提供することができる。

磁性体で構成された第１の回転子鉄心に永久磁石を埋め込むと磁極間で洩れ磁束が発生し、有効磁束が減少するが、第２の回転子に永久磁石を固定する本例では、永久磁石の固定に用いる材料に非磁性材料を用いることができるため磁極間での漏れ磁束を増加することなく効果的にマグネットトルクが得られ、高速回転も可能であるという効果が得られる。

また、トルク脈動を極力低減する手段として回転子の外径を円形ではなく、固定子との空隙が磁極間と磁極中央で異なっている場合であっても、また、ステータティース中央と両端とでロータとの空隙が異なる構成であっても、オーバーハング部の永久磁石の効果は得られる。

また、スリットを無くす等で回転子に磁気突極性を持たせず、リラクタンストルクを用いない構造であっても、オーバーハングした第２の回転子の永久磁石によるマグネットトルクの効果は得られる。

また、磁石は片側にのみ配置しても、また全磁極に限らず１極以上の配置でも、また複数の磁極に着磁された１個の永久磁石で構成されても同様の効果が得られる。

また、スリット部を非磁性となる複合材を用いることや、接着材等を用いることで、回転子の強度を高めることができ、より高速回転可能な小型高出力で高効率な永久磁石型電動機を提供することができる。

このように、必要とするトルク特性に応じて、スリット形状や磁石量を変える事は有効であり、様々な特性を容易に実現することができる小型高効率電動機を提供することができる。

第２の実施例として、オーバーハングした第２の回転子に配した永久磁石の磁束を有効活用する例について図５を用いて説明する。

図５は、本発明の第２の実施例を説明する永久磁石の模式斜視図である。

図５（ａ）は、第１の回転子鉄心端面に配置される第２の回転子に用いられる軸方向に着磁された永久磁石を示す。ここで、回転子半径をＲ、すなわち回転子直径をＤ、極数をＰとする。磁石の厚みや回転子の軸径等を無視した場合、この磁石の形状から得られる磁束は、概算では図５（ａ）のクロス線で示した面積に比例した値となるので、πＤ＾２／４Ｐに比例する。

この磁束に対して、第１の回転子鉄心のスリットに永久磁石を埋め込んだ場合の磁束は、永久磁石の軸断面方向の面積に比例するので、最も深く埋め込んだ場合が最大となり、図５（ｂ）のクロス線で示した面積に比例した値となる。ここで、図５（ａ）同様に回転子半径をＲ、回転子直径をＤ、極数をＰとする。磁石の厚みや回転子の軸径等を無視した場合、この磁石の形状から得られる磁束は、概算ではクロス線で示した面積に比例した値となるので、２ＲＡ、すなわち、ＤＡに比例した値となる。

ここで、両式より図５（ａ）の第２の回転子の端面磁石の磁束と、図５（ｂ）の第１の回転子に埋込んだ磁石の磁束を比較すると、回転子外径Ｄに対して、第１の回転子の軸方向長さＡが、Ａ≦πＤ／４Ｐの場合は、第１の回転子に永久磁石を配した永久磁石の磁束よりも、オーバーハングした回転子の端面に軸方向に着磁された永久磁石の磁束の効果が大きいという条件となる。

この式を満たす回転子の軸方向長さと回転子外径であれば、回転子に磁石を埋め込むよりも回転子端面に磁石を配置した方が磁束を大きくでき、少ない磁石量で小型高出力高効率な永久磁石型電動機を提供することができる。

図６は本発明の第３の実施例を示す永久磁石型電動機回転子の部分図、および平面図である。

図６（ａ）は、４は固定子鉄心と空隙を介して対峙する第１の回転子鉄心であり、その端面側に第１の回転子鉄心の極と同じ磁極を第１の回転子鉄心側となるよう軸方向着磁された永久磁石７を配置している。その端面には磁性体からなるロータヨーク８を配置している。永久磁石７は、磁極中央の軸方向寸法７１が磁極間の軸方向寸法７２よりも大きく、ロータヨーク８は、磁極中央に相当する軸方向寸法８２が磁極間に相当する軸方向寸法８１よりも小さい。ロータヨークの磁極間に相当する軸方向寸法８１を必要寸法確保しているのでロータヨークの磁気飽和もなく、図６（ｂ）に示した軸方向寸法が均一な場合と比較して回転子の軸方向寸法をＸだけ短くすることができ、軸方向寸法のアップを最小にすることができる。僅かな軸方向寸法のアップであるが大幅に磁束量をアップすることができ、小型高出力で高効率な永久磁石型電動機を提供することができる。

また、圧粉焼結による回転子鉄心を用いたことで回転子鉄心の形状に自由度が高まり、リラクタンストルクとマグネットトルクを最適化した構造を容易に実現することができ、より小型高出力で高効率な永久磁石型電動機を提供することができる。

また、本発明の永久磁石型電動機を搭載することでコンプレッサや、電気自動車、ハイブリッド自動車および燃料電池自動車を小型高効率に寄与することができる。

本発明は、簡単な構成で小型高出力高効率な電動機を実現できるため、コンプレッサ用や、電気自動車、ハイブリッド自動車、燃料電池自動車用等の永久磁石型電動機として有用である。

本発明の第１の実施例を示す永久磁石型電動機の平面図同永久磁石型電動機を示す縦断面図同第１の回転子を示す平面図（ａ）は同極数６の回転子を示す平面図、（ｂ）は同極数６の他の回転子を示す平面図、（ｃ）は同極数６のさらに他の回転子を示す平面図、（ｄ）は同極数６のさらに他の回転子を示す平面図、（ｅ）は同極数４の回転子を示す平面図、（ｆ）は同極数４の他の回転子を示す平面図（ａ）は本発明の第２の実施例における第１の回転子鉄心端面に配置される永久磁石を示す模式斜視図、（ｂ）は本発明の第２の実施例における第１の回転子鉄心のスリットに埋め込んだ永久磁石を示す模式斜視図（ａ）は本発明の第３の実施例の回転子を示す平面図、（ｂ）は本発明の第３の実施例の他の回転子を示す平面図従来の永久磁石型電動機の平面図従来の永久磁石型電動機の回転子の部分平面図

１永久磁石型電動機
２固定子
３固定子巻線
４第１の回転子
５スリット部
６第２の回転子
７永久磁石
８ロータヨーク
９ブリッジ部
１０永久磁石保持リング
１０１回転子鉄心
１０２円弧状の磁路通路
１０３スリット
１０４固定子
１０６永久磁石
１１２スリット部
１１３ブリッジ部
１１４永久磁石

Claims

環状のヨークと巻線用溝からなる周方向間隔をおいて放射状に複数のティースが形成されている固定子と、前記固定子と僅かな空隙を介して対向し、回転自在に保持された回転子鉄心を備えた電動機において、前記固定子の固定子鉄心と空隙を介して対峙する第１の回転子鉄心には永久磁石を配置せず、前記第１の回転子鉄心の端面に軸方向着磁された永久磁石を配置した第２の回転子を有し、かつ前記固定子の固定子鉄心と空隙を介して対峙する第１の回転子鉄心には極数に応じた１層以上のスリット群があり、極中央部が極間部に対して内周側に凸となる形状のスリットを設けた構成を具備する永久磁石型電動機。
請求項１記載の永久磁石型電動機において、回転子端面に磁性体を配置した構成を具備し、かつ固定子鉄心と空隙を介して対峙する第１の回転子鉄心の端面に配した第２の回転子端面に軸方向に着磁された永久磁石を配置し、永久磁石の磁極間の軸方向寸法が磁極中央の軸方向寸法よりも短く、永久磁石の端面に配置された磁性体の軸方向寸法は、磁極間の軸方向寸法が永久磁石磁極間磁極中央の軸方向寸法よりも大きい構成を具備する永久磁石型電動機。