JP4838160B2 - 同期電動機の回転子の製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、同期電動機の回転子の製造方法に関するものである。

マグネットトルクとリラクタンストルクの合成トルクを大きくすることができ、かつ、電流位相をトルクが大きい領域に合わせることが容易で、高効率の駆動を可能にする永久磁石電動機を提供するために、永久磁石を内蔵した突極形回転子を有する永久磁石電動機において、永久磁石による界磁磁束分布の中心と電機子起磁力の中心とが電気的にπ／２ずれる軸に対して、電機子巻線のインダクタンスが最大になる回転子軸を、回転方向と反対側にずらしたものであり、具体的には、回転子の永久磁石の配向特性又は着磁方向を、永久磁石の外周の突極鉄心の幾何学的中心軸よりも回転方向側にずらしたり、あるいは、回転子の永久磁石の外周の突極鉄心に、該突極鉄心の幾何学的中心から見て回転方向側の端部に周方向への磁束の通りを妨げるギャップ又は打ち抜き孔を設けたりする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）。

組み立てが容易でしかも全体のコギングトルクおよびリラクタンストルクの脈動分が低減され、効率の良い低振動で低騒音の永久磁石回転型モータを安価に提供するために、永久磁石回転型モータは、積層ロータコアに６個の永久磁石を埋設してなるロータと、このロータに回転空隙を介して同心的に配置されたステータとを備え、ロータコアには１磁極当たり１層の永久磁石をロータの中心側に対して凸状となる軸方向に延びた６個の磁石挿入孔に埋設し、かつ極対ごとにロータの突極とステータの歯部の位置関係を円周方向に適当な角度、例えばロータの軸方向を１０゜づつずらすように配置している永久磁石回転型モータが提案されている（例えば、特許文献２参照）。

これに対して、表面にマグネットを配置する形態の回転子を用いる同期電動機においては、モータの出力を向上させるため、また出力されるトルクの脈動を抑えるために、回転子に用いるマグネットの形状を磁極の中心を肉厚に、極間を薄肉にする偏肉形状のマグネットを回転子表面に配置する形態のものがある。このとき、バックヨークはマグネットと接する面が円ではなく、回転子の極数に合わせた略多角形である場合がある。

この場合、バックヨークから見たステータとの間の空隙は、不均一となり、回転子の磁極中心付近は空隙が大きくなり、極間の空隙は小さくなる。このため、回転子に外周から磁場を加えた場合、磁極間の空隙の小さい部分に磁束が集まりやすく、これによって僅かであるがバックヨークにリラクタンストルクが発生する。

このような回転子の場合、マグネットの着磁を行う際には着磁ヨークの磁極の中心とマグネットの肉厚部分を一致させて着磁を行う。しかし、バックヨークの磁気回路としては、最も不安定な位置となるため、回転子の位置の僅かな違いによって、着磁の際にバックヨークに生じるトルクの方向が異なってしまう。このため、回転子の固定をしっかり行わないと、回転子が回転して着磁のばらつきが生じる。

また、偏肉形状のマグネットを射出成形等により製造する場合、回転子の磁極数に応じた配向磁場を金型内部に形成する。バックヨークをこの金型内部にインサートして一体成形する場合、磁極の中心は、バックヨーク外径の一番小さい部分、すなわちマグネットが一番厚肉となる部分が対向する様に設置する必要がある。そのためバックヨークの磁気回路としては、前述と同様最も不安定な状態であり、僅かな設置位置の違いによってバックヨークの受けるリラクタンストルクの向きが変わってしまい、設置が難しく位置の固定にも大きな力が必要であり、固定位置の精度も必要である。

同期電動機としては、マグネットの厚みがある分、ＩＰＭ回転子（永久磁石埋込型）と比較すると、運転時に発生するリラクタンストルクは小さいが、マグネットの着磁や配向成形時の磁場は、非常に大きいため、わずかな空隙の差によっても比較的大きなトルクが発生する。マグネットの着磁、配向のばらつきを抑えるためには、その際の位置決めの精度を高くする必要があり、同時にバックヨークに発生するリラクタンストルクよって回転子が回転しないように強固に固定する必要がある。そのためには、生産設備が大がかりになるという課題がある。
特開平１１−９８７３７号公報 特開２０００−３１６２４２号公報

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、マグネットの着磁ばらつきを最小限に抑えることができ、且つモータトルク特性が優れた同期電動機回転子の製造方法を提供することを目的とする。

この発明に係る同期電動機の回転子の製造方法は、固定子と対向する面に配置され、径方向の厚みが不均一な偏肉形状のマグネットと、このマグネットと接する面が略多角形であるバックヨークとを有する同期電動機の回転子の製造方法において、マグネットを着磁するために外部より印加する磁場に対して、回転子の回転方向とは逆向きにバックヨークを所定の角度だけ位相をずらして配置、固定してマグネットを着磁することを特徴とする。

この発明に係る同期電動機の回転子の製造方法は、着磁過程において、バックヨークの位相を予め回転方向の逆方向になるように回転子を着磁ヨークに配置することで、着磁磁界を印加した際にバックヨークに生じるリラクタンストルクの向きを一方向に固定することで、位置決めの精度が向上し、マグネットの着磁ばらつきを最小限に抑えることができる。また、このようにして着磁された回転子は、同期電動機の運転時にバックヨークに生じるリラクタンストルクを常に回転方向側に発生させることができるため、モータトルク向上が可能である。

実施の形態１．
図１乃至図４は実施の形態１を示す図で、図１は同期電動機の回転子１の断面図、図２は同期電動機の回転子１と着磁ヨーク４とを示す断面図、図３は同期電動機の回転子１と着磁ヨーク４との位置関係を示す図、図４は同期電動機の回転子１と着磁ヨーク４の位置のズレ量と同期電動機の出力トルクの関係を示す図である。

図１は同期電動機の回転子１（８極）の１磁極対を示している。バックヨーク３は略八角形となっている。マグネット２の外周を円筒、内周をバックヨーク３と同形状の略八角形の偏肉形状になっている。

マグネット２の着磁は、通常は、１磁極の表面磁束の分布が対称になるように、マグネット磁極の中心を厚肉に、また極間を薄肉になる位置に着磁を行う。図１に示す、本実施の形態の同期電動機の回転子１は、磁極の形状が対称になっていない。磁極の中心が、磁石形状が対称となる位置（磁石形状対称軸）より反時計方向にずれた位置になっている。この場合、同期電動機の回転子１の回転方向は、反時計方向である。つまり、同期電動機の回転子１は、磁極の中心が、回転方向（反時計方向）に磁石形状対称軸よりずれた位置になっている。

図２に示すように、回転子１の回転方向に対して、反対方向に回転子１の位置をずらして配置している。着磁の際、着磁ヨーク４の巻線５に電流を流すことによって磁界（印加磁場）が発生する。この磁界を回転子１に与えると、着磁ヨーク４と回転子１のバックヨーク３との間の空隙が最も小さいマグネット２の薄肉部に磁束が集中する。この薄肉部が着磁ヨーク４の磁極中心に移動するように回転子１に力が加わる。

図３に示すような回転子１の位置であれば、常に回転子１に加わる力の方向は、回転方向の逆向きになる。

このため、回転子１に加わる力の向きを一方向に限定できるため、力の発生する方向に回転しない様に周り止め等で回転子１の位置を固定することで回転子１を強固に固定する必要がなくなる。また、一方向に対して寸法を管理すれば良いので、ばらつきの少ない回転子１の位置固定が容易にできる。

図４に回転子１の位置と着磁のずれと同期電動機の出力トルクの関係を示す。横軸に回転子１をずらした角度、縦軸に同一電流により発生するトルクを示す。回転子１の回転方向と反対方向の位置のずれを正の値、同方向を負の値で示す。回転子１の反対方向に着磁をずらすことで同期電動機の出力トルクが僅かであるが増加していることがわかる。

また、同方向にずらした場合には、ずらした角度に従って発生トルクの低下が大きくなっている。これは、モータ運転時に僅かながらバックヨーク３に生じるリラクタンストルクが出力に影響しているためである。回転方向と逆方向に回転子１をずらして着磁することで出力トルクと同方向のリラクタンストルクが作用する。また同方向にずらして着磁することで逆方向のリラクタンストルクが作用する。そのため、図４に示すようなトルク特性になる。

以上より、製造ばらつきが少なく、特性の良い同期電動機の回転子１を得ることができる。

ここで、回転子１に用いるマグネット２を等方性のマグネット２とした場合、マグネット２が着磁される向きは、印加された磁場の向きによるため、着磁工程において、回転子１に発生する力は、バックヨーク３が多角形形状であることにより生じるリラクタンストルクのみとなるので、前述の手段（バックヨーク３の位相を予め回転方向の逆方向になるように回転子１を着磁ヨーク４に配置することで、着磁磁界を印加した際にバックヨーク３に生じるリラクタンストルクの向きを一方向に固定する）によって、特性の安定した回転子１を得ることができる。

また、マグネット２に希土類系の材料を用いる場合、薄肉のマグネット２を用いることが多いため、バックヨーク３と着磁ヨーク４との間の空隙がより小さくなり、着磁の際に発生するリラクタンストルクの影響が大きくなる。このため、上記の手段（バックヨーク３の位相を予め回転方向の逆方向になるように回転子１を着磁ヨーク４に配置することで、着磁磁界を印加した際にバックヨーク３に生じるリラクタンストルクの向きを一方向に固定する）による特性の安定化の効果はより大きく得られることとなる。

実施の形態２．
図５、図６は実施の形態２を示す図で、図５は回転子１と着磁ヨーク４の形状及び両者の位置関係を示す図、図６は同期電動機のギャップ磁束密度分布を示す図である。

図５に示すように、回転子１と着磁ヨーク４との位置関係は、実施の形態１と同様である。しかし、着磁ヨーク４の形状が異なる。着磁ヨーク４は磁極の中心に対して、非対称な形状になっている。実施の形態１による回転子１の場合、着磁によって得られる回転子表面の磁束密度分布は、１磁極の形状が非対称となるため、１磁極分の表面磁束密度の分布も磁極中心に対して非対称な波形となる。これによって、同期電動機の固定子巻線に生じる誘起電圧に歪みが発生し、運転時のトルク脈動が増加する。例えば、送風機用途の様に、低振動・低騒音が求められる場合、トルクリップルを小さく抑える必要がある。そのため、回転子表面の磁束密度分布も歪みが少ない方が望ましい。

このため、本実施の形態では、図５に示すように、着磁ヨーク４は磁極の中心に対して、非対称な形状になっている。具体的には、着磁ヨーク４と回転子１との間のギャップを磁極の中心に対して非対称にする。磁極の中心に対して、磁極の片側（図５では右側）にギャップを拡大したギャップ拡大部６を形成する。

着磁ヨーク４の形状を非対称にすることで表面の磁束密度分布を、図６に示すように対称な波形に近づける。図６において、細線は着磁ヨーク４が磁極の中心に対して、対称な形状のときの磁束密度である。太線は着磁ヨーク４が磁極の中心に対して、非対称な形状のときの磁束密度である。

これによって、回転子１の表面磁束密度分布の非対称な歪みを抑え、同期電動機の振動・騒音の増加を抑えることができる。

実施の形態３．
図７乃至図９は実施の形態３を示す図で、図７は同期電動機の回転子１と配向金型７とを示す断面図、図８は同期電動機の回転子１と配向金型７との位置関係を示す図、図９は回転子１と配向金型７との位置のズレ量と同期電動機の出力トルクの関係を示す図である。

図７には、８極の回転子１の１磁極対分を示している。バックヨーク３は略八角形、マグネット２の外周を円筒、内周面を略八角形としている。バックヨーク３を金型内部に配置して、外周にマグネット２を射出成形する。マグネット２が異方性の材料である場合、回転子１の磁極数に合わせて、金型内部に磁場を形成することでマグネット２は、磁極数にあった配向がかけられる。

この配向の磁場を形成するために、図７に示すように、回転子１外周に磁極を形成する配向ヨーク７ｂと、磁束を発生させる配向磁石７ａとを備える配向金型７を配置する。図７では、配向磁石７ａに永久磁石を用いているが、これを電磁石に置き換えても良い。

配向磁石７ａに永久磁石を用いる場合、配向金型７内部には常に配向のための磁場が発生している。そのため、配向金型７にバックヨーク３を設置する際には、バックヨーク３の略八角形の頂点が配向ヨーク７ｂの中心と一致するような位置が磁気回路としては最も安定する状態である。しかし、実際はマグネット２の磁極中心が厚肉となるように成形するため、バックヨーク３の頂点を配向磁場の極間に位置するように固定しなければならない。この位置は、磁気回路しては、最も不安定な位置であり、頂点の位置が僅かにずれることによって、バックヨーク３に発生するトルクの向きが変化して、安定しない。

本実施の形態では、図８に示すように、バックヨーク３を配向金型７内部の磁場に対して、回転子１の回転方向とは逆の向きに所定の角度回転させた状態で設置する。これによって、配向金型７内部でバックヨーク３に生じるリラクタンストルクは、常に回転子１の回転方向とは逆の向きとなる。

図９は、成形時のバックヨーク３の設置位置とその状態で成形した回転子１を用いた同期電動機のモータ出力との関係を示したものである。横軸に、バックヨーク３のズレ量（配向位相）を角度（機械角）で示し、縦軸は同一電流で発生するトルク比（％）を示す（基準は配向位相０［ｄｅｇ］）。回転子１の回転方向に反対にずらした角度を正、同方向にずらした角度を負として示している。

回転子１の回転方向の逆方向にバックヨーク３をずらしてバックヨーク３を設置した方が、僅かにトルクが大きくなっており、正方向にずらした場合は、その角度に応じてトルクが低下していることがわかる。これは、実施の形態１と同様、バックヨーク３に生じるリラクタンストルクの影響が出ているものであり、配向金型７内にバックヨーク３を回転子１の回転方向の反対方向にずらして設置した方がモータ運転時に出力トルクと同じ向きのリラクタンストルクが得られているためである。

本実施の形態では、概ね５°程度の位相ズレ（回転子１の回転方向に反対方向）とした場合が最も出力トルクが得られている。これは、必ずしも全ての形態、回転子１の形状にあてはまるものではなく、バックヨーク３、マグネット２の形状によって左右される。しかし、回転方向の逆方向にバックヨーク３をずらして配向金型７に配置することによって、同様の効果が得られる点は、共通である。

ここで、回転子１に用いるマグネット２が希土類系の材料である場合、使用重量を減らすため、薄肉のリング形状とすることが多いため、配向ヨーク７ｂと回転子１のバックヨーク３との間の空隙が狭くなり、配向金型７内部で発生するリラクタンストルクの影響が大きくなる。本実施の形態を用いることで、このような場合でも特性の良い回転子１を安定して製造することが可能である。

また、バックヨーク３の材料が軟磁性粉末を含む樹脂で構成される場合、射出成形するマグネット材料（プラスチックマグネット）と線膨張係数が近く、温度変化によってマグネット２に加わるストレスを緩和できるため、よりマグネット２を薄くすることができる。このため、バックヨーク３と配向ヨーク７ｂとの間の空隙が小さくなり、配向金型７内部でのリラクタンストルクが大きくなる。本実施の形態によって、このような場合においても、特性の良い回転子１を安定して製造することができる。

実施の形態４．
図６、図１０は実施の形態４を示す図で、図６は同期電動機のギャップ磁束密度分布を示す図、図１０は同期電動機の回転子１と配向金型７とを示す断面図である。

配向金型７内部の配向ヨーク７ｂと回転子１の位置関係は実施の形態３と同様であるが、配向ヨーク７ｂの形状が異なる。配向ヨーク７ｂは、磁極の中心に対して、非対称な形状になっている。実施の形態２による回転子１の場合、配向によって得られる回転子表面の磁束密度分布は、１磁極の形状が非対称となるため、１磁極分の表面磁束密度の分布も磁極中心に対して非対称な波形となる。これによって、同期電動機の固定子巻線に生じる誘起電圧に歪みが発生し、運転時のトルク脈動が増加する。送風機用途の様に、低振動・低騒音が求められる場合、トルクリップルを小さく抑える必要があるため、回転子表面の磁束密度分布も歪みが少ない方が望ましい。

このため、本実施の形態では、図１０に示すように、配向ヨーク７ｂの形状を非対称にする。具体的には、配向ヨーク７ｂと回転子１との間のギャップを磁極の中心に対して非対称にする。磁極の中心に対して、磁極の片側（図１０では右側）にギャップを拡大したギャップ拡大部６を形成する。それにより、回転子表面の磁束密度分布を図６に示すように対称な波形に近づけることができる。これによって、回転子１の表面磁束密度分布の非対称な歪みを抑え、同期電動機の振動・騒音の増加を抑えることができる。

本発明の活用例として、マグネットを表面に配置する形態の回転子を用いることの多い、空気調和機、送風機に用いられる同期電動機への適用が可能である。

実施の形態１を示す図で、同期電動機の回転子１の断面図。 実施の形態１を示す図で、同期電動機の回転子１と着磁ヨーク４とを示す断面図。 実施の形態１を示す図で、同期電動機の回転子１と着磁ヨーク４との位置関係を示す図。 実施の形態１を示す図で、同期電動機の回転子１と着磁ヨーク４の位置のズレ量と同期電動機の出力トルクの関係を示す図。 実施の形態２を示す図で、回転子１と着磁ヨーク４の形状及び両者の位置関係を示す図。 実施の形態２，４を示す図で、同期電動機のギャップ磁束密度分布を示す図。 実施の形態３を示す図で、同期電動機の回転子１と配向金型７とを示す断面図。 実施の形態３を示す図で、同期電動機の回転子１と配向金型７との位置関係を示す図。 実施の形態３を示す図で、回転子１と配向金型７との位置のズレ量と同期電動機の出力トルクの関係を示す図。 実施の形態４を示す図で、同期電動機の回転子１と配向金型７とを示す断面図。

符号の説明

１ 回転子、２ マグネット、３ バックヨーク、４ 着磁ヨーク、５ 巻線、６ ギャップ拡大部、７ 配向金型、７ａ 配向磁石、７ｂ 配向ヨーク。

Claims (6)

1. 固定子と対向する面に配置され、径方向の厚みが不均一な偏肉形状のマグネットと、このマグネットと接する面が略多角形であるバックヨークとを有する同期電動機の回転子の製造方法において、
   前記マグネットを着磁するために外部より印加する磁場の磁極中心に対して、前記回転子の回転方向とは逆向きに前記バックヨークの前記多角形の一辺の中心を所定の角度だけ位相をずらして配置、固定して前記マグネットを着磁し、
   さらに、着磁ヨークは磁極中心に対して、磁極の前記回転子の回転方向とは反対側の片側に、前記着磁ヨークと前記回転子との間のギャップを拡大したギャップ拡大部が形成されていることを特徴とする同期電動機の回転子の製造方法。
2. 前記マグネットに、等方性のマグネットを用いることを特徴とする請求項１記載の同期電動機の回転子の製造方法。
3. 固定子と対向する面に配置され、径方向の厚みが不均一な偏肉形状のマグネットと、このマグネットと接する面が略多角形であるバックヨークとを有する同期電動機の回転子の製造方法において、
   前記マグネットを成形、配向するために外部より印加する磁場の磁極中心に対して、前記回転子の回転方向とは逆向きに前記バックヨークの前記多角形の一辺の中心を所定の角度だけ位相をずらして配置、固定して前記マグネットを成形し、
   さらに、配向ヨークは磁極中心に対して、磁極の前記回転子の回転方向とは反対側の片側に、前記配向ヨークと前記回転子との間のギャップを拡大したギャップ拡大部が形成されていることを特徴とする同期電動機の回転子の製造方法。
4. 前記マグネットに、異方性のマグネットを用いることを特徴とする請求項３記載の同期電動機の回転子の製造方法。
5. 前記マグネットに、希土類のマグネットを用いることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の同期電動機の回転子の製造方法。
6. 前記バックヨークに軟磁性粉末と樹脂を混合した材料を用いることを特徴とした請求項１乃至５のいずれかに記載の同期電動機の回転子の製造方法。

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