JP4937274B2 - ラインスタート型永久磁石同期モータ用のロータアセンブリ - Google Patents

Description

本発明はラインスタート型永久磁石（Line Start Permanent Magnet；ＬＳＰＭ）同期モータ用のロータに関するものであり、より詳しくは、ＬＳＰＭ同期モータの駆動中に生じるトルクリップル現象を低減するＬＳＰＭ同期モータ用のロータに関する。

一般に、モータは、電気的エネルギーを機械的エネルギーに変換させて回転力を供給する装置であり、家庭用電気製品だけではなく、産業用機器にも使用される。モータは、交流（ＡＣ）モータと直流（ＤＣ）モータとに大別される。

一方、交流モータの一種であるＬＳＰＭ同期モータは、ロータの導体に誘起される電圧によって生成される２次電流と、ステータの巻線で発生する磁束との相互作用によって生じるトルクで駆動される。このとき、リラクタンストルク及び／又はマグネットトルク及びケージ（cage）によるトルク成分の合成トルクによってトルクが生じる。また、ＬＳＰＭ同期モータが、ステータの回転磁界の速度に応じて駆動されるように、起動後の通常動作の間、ロータに配置された永久磁石の磁束は、ステータで発生する磁束と同期する。

従来のＬＳＰＭ同期モータを、添付の図面を参照して以下に説明する。

図１は、従来のＬＳＰＭ同期モータの要部を示す平面図である。図１で示すように、従来のＬＳＰＭ同期モータ１０は、ケーシング又はシェル（図示せず）に固定されたステータ１１と、ステータ１１に巻き線されたコイル１２と、ステータ１１の内側で回転自在となるように隙間を有して、ステータ１１の内側に配置されたロータ１３とを備える。

ステータ１１は、同じ形状の複数のケイ素鋼板を軸方向に重ねて形成される。ステータ１１の内側には、ロータ１３を配置するための孔（図示せず）が形成され、ステータ１１の内周面に沿って複数の歯部１１ａが形成される。隣接する２つの歯部１１ａはすべて、互いに等しい距離をおいて離隔して配置され、それによって、隣接する歯部１１の間にスロット１１ｂを形成する。

コイル１２は、各歯部１１ａに巻き線され、交流電源がコイル１２へ印加されたとき、ステータ１１の構造体より回転磁束が発生するようにする。

ロータ１３は、ロータ１３とステータ１１との間に隙間が形成されるようにして、ステータ１１の中央部に回転自在に配置される。シャフト１３ａが、ロータ１３の中央部に形成された挿入孔（図示せず）を貫通し、かつ前記挿入孔に固定される。複数の導体１３ｂが、ロータ１３の外周部に沿って縦方向に挿入され、かつ前記外周部に固定される。各導体１３ｂは、バーのような形状をしている。シャフト１３ａの周囲に複数の磁石装着孔１３ｃが形成され、各磁石装着孔１３ｃに永久磁石１３ｄが挿入され、かつ固定される。

シャフト１３ａがベアリング（図示せず）を介して回転するように、シャフト１３ａは、ＬＳＰＭ同期モータ１０のケースをなすケーシング又はシェルに取り付けられる。導体１３ｂには、一般に伝導性に優れていると共に、ダイカスト工法が可能なアルミニウム（Ａｌ）が用いられる。各永久磁石１３ｄが、コイル１２で発生する磁束と相互作用することにより、ＬＳＰＭ同期モータ１０を駆動させるためのトルクを生じる。

このような従来のＬＳＰＭ同期モータ１０のコイル１２に電流が印加された場合、ステータ１１の構造体で発生する回転磁束が、ロータ１３の導体１３ｂに生成される誘導電流と相互作用することにより、ロータ１３がステータ１１に対して回転する。そして、ロータ１３が同期速度に到達すると、ロータ１３を回転させるため、永久磁石１３ｄによるトルク及びロータ１３の特定の構造体に起因するリラクタンストルクが生じる。

しかしながら、従来技術に係るこのような従来のＬＳＰＭ同期モータ１０において、磁束の極性が切り替わると、即ち、ロータ１３の回転角に応じてロータ１３に誘起される２次電圧を示す図２の「ａ」部において、永久磁石１３ｄの極性が切り替わると、一般にトルクリップル現象が生じる。そのようなトルクリップル現象によりロータ１３が振動し、騒音を発生することがあり、またそれによって効率を低下させることがある。

そのため、ＬＳＰＭ同期モータ１０において生じるトルクリップル現象を低減し、それによって振動及び騒音の発生を最小限にすると共に、ＬＳＰＭ同期モータの効率を向上させる、新たなＬＳＰＭ同期モータの開発が必要とされている。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、ＬＳＰＭ同期モータの駆動中に生じるトルクリップル現象を低減し、振動及び騒音の発生を最小限にし、かつＬＳＰＭ同期モータの効率を向上させる、ＬＳＰＭ同期モータ用のロータを提供することにある。

前記目的を達成するための本発明は、ロータアセンブリであって、シャフト孔が形成された中央部と複数の導体が配置された外周部とを有するロータコアと、前記ロータコアの前記シャフト孔周囲の一部に配置された複数の永久磁石と、隣接する永久磁石の互いに異なる磁極間に設けられた極性切替領域に形成された少なくとも１つの第１リップル低減導体とを備え、前記ロータコアに誘起される誘導電圧の極性をなだらかに切り替えて、トルクリップル現象を低減することを特徴とする。

本発明に係るＬＳＰＭ同期モータ用のロータによれば、トルクリップルを大幅に低減し、それによって振動及び騒音の発生を最小限にし、ＬＳＰＭ同期モータの効率を向上させるという効果を奏する。

以下、添付の図面を参照しつつ、本発明の好適な実施形態を詳細に説明する。

図３は、本発明の第１実施形態に係るラインスタート型永久磁石（ＬＳＰＭ）同期モータにおいて用いられるロータの平面図を示す。図３で示すように、本発明の第１実施形態に係るＬＳＰＭ同期モータ用のロータアセンブリ１００は、ステータ１１（図１で図示）の内側に、ロータアセンブリ１００及びステータ１１の間に隙間を有する構成をなすようにして配置され、ロータアセンブリ１００が、ステータ１１の内側で回転自在となるようにする。

ロータアセンブリ１００は、中央部と外周部を有するロータコア１１０であって、シャフト孔１１１が前記中央部に形成され、複数の導体１１４が前記外周部に沿って挿入される該ロータコア１１０と、ロータコア１１０のシャフト孔１１１の周囲に挿入される複数の永久磁石１２０と、隣接する永久磁石１２０の互いに異なる磁極間に設けられた極性切替領域においてロータコア１１０に縦方向に挿入されるように構成された一対のリップル低減導体１３０とを備える。

シャフト孔１１１は、ロータコア１１０の中央部に縦方向に形成され、シャフト１３ａ（図１で図示）が、シャフト孔１１１に挿入され、かつ固定される。複数の導体挿入孔１１３が、ロータコア１１０の外周部に沿って形成され、２つの隣接する導体挿入孔１１３はどれも、或る一定の間隔をおいて互いに離隔して配置される。各導体１１４は、アルミニウム（Ａｌ）などの伝導性に優れた材質を含み、ダイカスト工法又は類似の工法を用いて、その対応する導体挿入孔１１３に挿入され、かつ固定される。

各永久磁石１２０を取り付けるための複数の磁石装着孔１１２は、ロータコア１１０のシャフト孔１１１の周囲において、ロータコア１１０に縦方向に形成される。磁石装着孔１１２及びその中に挿入される永久磁石１２０が、シャフト孔１１１に対して互いに対称であることが好ましい。より好ましくは、磁石装着孔１１２及びその中に挿入される永久磁石１２０が、互いに等しい間隔をおいて配置される。

リップル低減導体１３０をその中に取り付けるためのリップル低減導体挿入孔１１５が、ロータコア１１０の極性切替領域において、ロータコア１１０に縦方向に形成される。

ロータコア１１０は、複数のケイ素鋼板を積層するプロセスを用いて形成されてもよく、軟磁性粉末（soft magnetic powder）を圧縮するプロセスを用いて形成されてもよい。

ロータコア１１０を、軟磁性粉末を圧縮成形するプロセスを用いて製造する場合、圧縮成形機にロータコア１１０に対応する形状を有する成形空間を設け、前記成形空間に軟磁性粉末を充填した後、パンチなどの圧縮部材を用いて軟磁性粉末を圧縮することによって、シャフト孔１１１、磁石装着孔１１２、導体挿入孔１１３及びリップル低減導体挿入孔１１５を同時に形成する。

ロータコア１１０の製造に用いられる軟磁性粉末には、鉄をベースとする粒子を含み、それらは互いに電気的に絶縁されるように、各々の粒子がコーティングされる。圧縮プロセスでは、所望に応じて、軟磁性粉末に潤滑剤及び／又は結合剤を添加することがある。

軟磁性粉末の圧縮プロセスにより、ロータコア１１０は、３次元形状を有する軟磁性複合材料（soft magnetic composite；「ＳＭＣ」という）のように構成することができる。そのため、本発明によれば、同一形状のケイ素鋼板が重ねられた積層構造を有する従来のロータコアとは異なり、本発明に係る軟磁性のロータコア１１０は、より高い自由度が許容されるため、様々な形状のリップル低減導体挿入孔１１５を形成することができるのに加えて、磁石装着孔１１２及び導体挿入孔１１３も、様々な形状をなすようにすることができる。

磁束を発生させるための永久磁石１２０は、シャフト孔１１１の周囲においてロータコア１１０に固定されるように、ロータコア１１０の各磁石装着孔１１２に挿入される。

リップル低減導体１３０は、アルミニウム（Ａｌ）などの伝導性に優れた材料で作られる。導体１１４とは異なり、１つのリップル低減導体１３０が、ロータコア１１０の隣接する永久磁石１２０の互いに異なる磁極間に設けられた極性切替領域に形成されたリップル低減導体挿入孔１１５のそれぞれに縦方向に挿入され、ステータ１１（図１で図示）に誘起された１次誘導電圧によりロータコア１１０に誘起される２次誘導電圧と、永久磁石１２０によって発生する磁束とが相互作用して誘導電流を生成し、それによって、ロータコア１１０に誘起される２次誘導電圧の極性をなだらかに切り替えて、トルクリップル現象を低減するようにする。

リップル低減導体１３０は、ロータコア１１０の外周部において、隣接する永久磁石１２０の互いに異なる磁極間に配置される。４つの永久磁石１２０を有するロータコア１１０が、図３で示すように、２つの極性切替領域が設けられるように構成される場合、２つのリップル低減導体１３０はそれぞれ、その２つの極性切替領域に配置される。

リップル低減導体１３０に誘起される誘導電流が、導体１１４に誘起される誘導電流より大きくなるようにするために、各リップル低減導体１３０の断面積が、各導体１１４の断面積よりも大きな断面積を有していることが好ましい。所望に応じて、リップル低減導体１３０が挿入されるリップル低減導体挿入孔１１５の周囲にそれぞれ配置される１つ或いは複数の導体１１４が省かれることがある。

図４は、本発明の第２実施形態に係るＬＳＰＭ同期モータ用のロータアセンブリ２００の断面図を示す。図４を参照すると、ロータアセンブリ２００のロータコア２１０は、４つの永久磁石２２０を有し、隣接する永久磁石２２０の互いに異なる磁極間に設けられる極性切替領域が、４つ設けられるように構成される。この場合、４つのリップル低減導体２３０が、４つの極性切替領域にそれぞれ配置されるように、各極性切替領域に、１つのリップル低減導体２３０が取り付けられる。

図５は、本発明の第３実施形態に係るＬＳＰＭ同期モータ用のロータアセンブリ３００の断面図を示す。複数の（例えば、２つの）リップル低減導体３３０が、隣接する永久磁石３２０の互いに異なる磁極間に設けられた各極性切替領域に取り付けられてもよい。リップル低減導体３３０の数は、トルクリップルの所望の減少率に応じて、リップル低減導体３３０の材料、断面積などを考慮して定められる。

図６は、本発明の第４実施形態に係るＬＳＰＭ同期モータ用のロータアセンブリ４００の断面図を示す。様々な種類のリップル低減導体（即ち、第１リップル低減導体４３０及び第２リップル低減導体４４０）が、隣接する永久磁石４２０の互いに異なる磁極間に設けられた各極性切替領域に取り付けられてもよく、第２リップル低減導体４４０は、第１リップル低減導体４３０の外側に配置される。第１リップル低減導体４３０の断面形状は、第２リップル低減導体４４０の断面形状と異なることがある。本発明の第４実施形態では、各第１リップル低減導体４３０の断面積は、各導体４１４の断面積よりも大きな断面積を有し、各第２リップル低減導体４４０の断面積は、各導体４１４の断面積よりも小さな断面積を有する。

このような構造からなるＬＳＰＭ同期モータのロータの作用について、以下に説明する。

本発明に係るＬＳＰＭモータを駆動させると、ステータ１１（図１で図示）に巻き線されたコイル１２（図１で図示）に電力を供給することにより、１次誘導電圧を発生させ、ロータコア１１０、２１０、３１０、及び４１０に２次誘導電圧を誘起する。このとき、隣接する永久磁石１２０、２２０、３２０、及び４２０の互いに異なる磁極間に設けられた各極性切替領域に配置されたリップル低減導体１３０、２３０、３３０、４３０、及び４４０は、ロータ１１０、２１０、３１０、及び４１０に誘起される誘導電圧の極性をなだらかに変化させる、即ち、図７で示すような、磁束の極性の切り替えが生じる「ｂ」部において、誘導電圧Ｖ２の極性をなだらかに変化させる。

なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明に係る技術的思想の範囲から逸脱しない範囲内で様々な変更が可能であり、それらも本発明の技術的範囲に属する。

従来技術に係るラインスタート型永久磁石（ＬＳＰＭ）同期モータの要部を示す平面図である。 従来技術に係るＬＳＰＭ同期モータの２次電圧の変化を示すグラフである。 本発明の第１実施形態に係るＬＳＰＭ同期モータ用のロータを示す平面図である。 本発明の第２実施形態に係るＬＳＰＭ同期モータ用のロータを示す平面図である。 本発明の第３実施形態に係るＬＳＰＭ同期モータ用のロータを示す平面図である。 本発明の第４実施形態に係るＬＳＰＭ同期モータ用のロータを示す平面図である。 本発明に係るＬＳＰＭ同期モータの２次電圧の変化を示すグラフである。

Claims (6)

1. ロータアセンブリであって、
   シャフト孔が形成された中央部及び複数の導体が配置された外周部を有する、軟磁性粉末の圧縮プロセスを用いて形成されたロータコアと、
   前記ロータコアの前記シャフト孔の周囲の部品に配置された複数の永久磁石と、
   隣接する前記永久磁石の互いに異なる磁極間に設けられた極性切替領域に形成された少なくとも１つの第１リップル低減導体と、
   前記ロータコアに挿入されるように構成され、前記少なくとも１つの第１リップル低減導体の外側に配置された少なくとも１つの第２リップル低減導体であって、前記第２リップル低減導体の断面積が、前記複数の導体それぞれの断面積よりも小さな断面積である、該少なくとも１つの第２リップル低減導体とを備え、
   前記ロータコアに誘起される誘導電圧の極性をなだらかに切り替えて、トルクリップル現象を低減することを特徴とするロータアセンブリ。
2. 前記第１リップル低減導体の断面積が、前記複数の導体それぞれの断面積よりも大きな断面積であることを特徴とする請求項１に記載のロータアセンブリ。
3. 前記少なくとも１つの第１リップル低減導体が、前記ロータコアの前記外周部に配置されることを特徴とする請求項１に記載のロータアセンブリ。
4. 前記複数の永久磁石が、前記シャフト孔に対して互いに軸対称であることを特徴とする請求項１に記載のロータアセンブリ。
5. 前記複数の永久磁石のうちの隣接する永久磁石間の間隔が等しいことを特徴とする請求項４に記載のロータアセンブリ。
6. 前記少なくとも１つの第１リップル低減導体が、前記ロータコアに縦方向に挿入されることを特徴とする請求項１に記載のロータアセンブリ。

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