JP4984347B2

JP4984347B2 - 電動機

Info

Publication number: JP4984347B2
Application number: JP2001072244A
Authority: JP
Inventors: 浩村上; 雄一郎定永; 康文一海; 太郎岸部; 慎一朗川野; 俊幸玉村; 治彦角
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2000-05-19
Filing date: 2001-03-14
Publication date: 2012-07-25
Anticipated expiration: 2021-03-14
Also published as: JP2002044920A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、リラクタンストルクを利用するリラクタンスモータの構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
リラクタンスモータは、インダクタンスモータと比較して回転子の２次銅損が発生しないという特徴があるため、電気自動車や工作機械等の駆動用モータとして注目されている。しかし、この種のモータは一般に力率が悪く、産業用として利用するには、ロータコア構造あるいは駆動方法等の改善が必要であった。近年、ロータコアのコアシートに多層のフラックスバリアを設けることにより力率を向上させる技術が開発された（平成８年電気学会全国大会誌、１０２９、本田ら著「マルチフラックスバリアタイプシンクロナスリラクタンスモータの検討」参照）。
【０００３】
図５にこの従来の改良されたリラクタンスモータのロータコア構造の一例を示す。図５（ａ）において、電磁鋼板製の円板状のコアシート１６１には、多層のフラックスバリア１６２がコアシート１６１の軸芯１６３に対し逆円弧状に形成されている。フラックスバリア１６２は幅１ｍｍ程度のスリット（貫通溝）からなり、プレス加工されたものである。また、コアシート１６１の外周には回転時にかかる遠心力に対する強度を持たせるため、一定幅のスリット外周端部１６４を設けている。
【０００４】
コアシート１６１をロータ軸１６５の方向に数十枚積層することにより、図５（ｂ）に示すようなロータコア１６６が完成する。そして、このロータコア１６６を、図５（ｃ）に示すようなステータ１６７内にセットすれば、ステータ１６７の複数の界磁部１６８より、ロータコア１６６に回転磁界が与えられ、これにより、リラクタンストルクＴが発生する。このリラクタンストルクＴは次式で表される。
【０００５】
Ｔ＝Ｐｎ（Ｌｄ−Ｌｑ）ｉｄｉｑ ………………………………………（１）
ただし、Ｐｎは極対数、Ｌｄ，Ｌｑはｄ，ｑ軸インダクタンス、ｉｄ，ｉｑはｄ，ｑ軸電流である。上記（１）式より、このモータの性能を左右するのはｄ，ｑ軸インダクタンスの差Ｌｄ−Ｌｑの大きさであることが分かる。
【０００６】
そこで、この差Ｌｄ−Ｌｑを大きくするために、上記フラックスバリアを設けることにより、スリットを横切るｑ軸方向の磁路に抵抗を与える一方、スリット間に挟まれたｄ軸方向の磁路を確保していた。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従来の構成では、リラクタンストルクのみで回転駆動するため電動機が発生する駆動トルクはどうしても小さくなってしまう。しかし、これらの電動機により駆動する電動機応用製品（コンプレッサ、冷蔵庫、エアコン等）によっては、必要とする駆動トルクが大きく、リラクタンスモータを使いづらいものが多々ある。
【０００８】
本件発明は、このような課題に鑑み、永久磁石をスリットに埋め込むことでリラクタンストルクのみならずマグネットトルクを利用でき、駆動トルクの大きい電動機を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本件発明は、ステータと半径方向に並ぶ多層スリットを有する回転子本体とを備え、前記多層スリット中の一部のスリットで、最も外側のスリットより中心側のスリットに永久磁石を埋め込み、マグネットトルク及びリラクタンストルクにより回転駆動し、隣り合うスリット間の磁束通路の幅は、永久磁石を埋め込んだスリットの外側に位置する前記磁束通路の幅が最も太い電動機であり、リラクタンストルクのみならずマグネットトルクを利用することで、リラクタンストルクのみでは得られない、大きな駆動トルクを発生することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本件発明は、ステータと半径方向に並ぶ多層スリットを有する回転子本体とを備え、前記多層スリット中の一部のスリットで、最も外側のスリットより中心側のスリットに永久磁石を埋め込み、マグネットトルク及びリラクタンストルクにより回転駆動し、隣り合うスリット間の磁束通路の幅は、永久磁石を埋め込んだスリットの外側に位置する前記磁束通路の幅が最も太い電動機であり、リラクタンストルクのみならずマグネットトルクを利用することで、リラクタンストルクのみでは得られない、大きな駆動トルクを発生することができる。
【００１１】
さらに、本件発明は、永久磁石は最も外側のスリットより中心側のスリットに埋め込んだ電動機であり、最も外側のスリットに永久磁石を埋め込まないようにしている。最も外側のスリットに永久磁石を埋め込むと、永久磁石が中心点から最も離れているため遠心力が大きく、回転子にかかる負担が大きくなる。よって、埋め込む永久磁石は、最も中心側のスリットのみに埋め込むことが適切である。
【００１２】
さらに、本件発明は、隣り合うスリット間の磁束通路の幅は、永久磁石を埋め込んだスリットの外側に位置する磁束通路の幅を最も太くすることで、永久磁石が発生する磁性磁束が流れても、磁気飽和しないようにしている。
【００１３】
また、本件発明は、永久磁石を埋め込んだスリットは、スリットの端部に空隙部を有する構成にしてもよい。また、固定子の巻線部は、集中巻方式で施してもよい。また、埋め込んだ永久磁石として、フェライト磁石を用いてもよい。また、埋め込んだ永久磁石として、樹脂磁石を用いてもよい。また、複数のコアシートのスリットをずらしながら回転子軸方向に積層し、スキューを施した回転子としてもよい。
【００１４】
また、本件発明は、最も中心側のスリットのみに永久磁石を埋め込んだ場合、多層スリットの層数が、３層以上５層以下であると高効率である。
【００１５】
さらに、多層スリットの層数が４層であると最も効率がよい。
【００１６】
また、多層スリットの最も中心部にある永久磁石の埋め込まれたスリット端部と回転子本体の外周の間にあるブリッジ幅Ｗａが、その他のスリットの端部とロータ外径の間にあるブリッジ幅Ｗｂに対して、Ｗｂ＞Ｗａであると磁石から出た磁束を分散することが可能である。
【００１７】
永久磁石を埋め込んだスリットより回転子本体の外周側に位置するスリットのブリッジ幅は、幅広になるとよい。
【００１８】
さらに、スリット端部と回転子本体の外周との間にあるブリッジ幅は、永久磁石を埋め込んだスリットのブリッジ幅より、この永久磁石を埋め込んだスリットより回転子本体の外周側に位置するスリットのブリッジ幅の方が順次幅広にすると誘起電圧波形を正弦波状にすることが可能である。
【００１９】
さらに、ブリッジ幅は、永久磁石を埋め込んだスリットのブリッジ幅が最も狭く、回転子本体の最外周に位置するスリットのブリッジ幅が最も太くてもよい。
【００２０】
【実施例】
（実施例１）
以下、添付図面を参照して本発明の実施例について説明する。なお、以下の実施例は本発明を具体化した１例であって、本発明の技術的範囲を限定するものではない。
【００２１】
図１において、１は電磁鋼板等の高透磁率材からなる円板状のコアシートであって、その周方向には等間隔置きの４箇所に、中心側に凸となるように湾曲する円弧状の磁束通路２が半径方向にスリット３を挟んで列設されている。このようなコアシート１はプレス加工もしくはレーザ加工等により形成される。
【００２２】
磁束通路２の形状としては、磁路の形状やコアシート１の加工等を考慮すれば、円弧状とするのが好適である。ただし、図２に示すようにＶ字型やＩ字型の形状としてもよいのは勿論である。そして、コアシート１を軸方向に数十枚積み重ねて積層体となした後、ロータ軸が挿入されることによりロータコアが完成される。このようなコアシート１同士は必要に応じて接着剤等で一体固着される。
【００２３】
このように完成されたロータコアをステータ４内にセットすれば、ステータの複数の歯からなる界磁部より、ロータコアに回転磁界が与えられ、これにより、リラクタンストルクが発生する。ステータ４は、分布巻方式でコア部を形成したステータであり、巻線（図示せず）は複数のティースを跨ぐように巻回している。
【００２４】
このようなロータコアを有するリラクタンスモータにおいては、磁束通路２を横切るｑ軸方向のインダクタンスＬｑと、磁束通路２に沿ったｄ軸方向のインダクタンスＬｄとを比較すると、次のようになる。すなわち、ｑ軸方向には電磁鋼板に比べて透磁率が約１／１０００である空気層よりなるスリット３で磁路に抵抗を与えているため、磁束がほとんど通らず、インダクタンスＬｑは小さくなる。一方、ｄ軸方向には、磁束通路２が磁路を形成しているため、磁束が通り易く、インダクタンスＬｄは大きくなる。
【００２５】
本実施例の電動機の特徴は、リラクタンストルクのみならずマグネットトルクを利用し回転駆動することである。よって、ロータコアの最も中心側のスリット５の中に、両端に空隙部を備えた状態で永久磁石６を埋め込んだ。この永久磁石６が発生する磁石磁束により、電動機の駆動トルクにリラクタンストルクのみならずマグネットトルクが加わり、駆動トルクを大きくすることができる。
【００２６】
この時、永久磁石を埋め込んだ最も中心側のスリット５と隣り合うスリットとの間の磁束通路７は、他の磁束通路２よりも幅が広くなっている。このように、磁束通路７を広くした理由は、永久磁石６が発生する永久磁石磁束は、永久磁石６の外側に位置するスリット３にブロックされるため、磁束通路７に流れ込んでしまう。よって、磁束通路は、ステータからの磁束のみならず永久磁石磁束が通過するため、磁気飽和が起こりやすくなる。そのため、最も中心側の磁束通路を他の磁束通路より太くすることで、磁束通路で磁気飽和が起こりにくいようにしている。
【００２７】
なお、上述した実施例の回転子には、１極のスリットに１層にしか永久磁石を埋め込んでいないが、図２（ａ）に示すように複数の層に埋め込んでもよい。
【００２８】
また、図２（ｂ）〜（ｅ）のようにスリット、磁束通路の形状はＶ字であったり、直線形状であってもよい。
【００２９】
また、図３に示すように回転子にスキューかけ、磁束の不均一に起因するトルクリップルを低減して、モータ性能をさらに向上させてもよい。
【００３０】
複数枚のコアシートを積層する際に、図３（ａ）に示すように、各コアシート１１の取り付け位置をロータ軸方向でずらしてスキュー１７をかければ、ｄ軸方向の磁路に対する抵抗がロータ周方向において均一化されるため、ステータからロータコア１６に入ったり、ロータコア１６からステータに出るｄ軸方向の磁束が均一化され、磁束の不均一に起因するトルクリップルを低減して、モータ性能をさらに向上させることができる。
【００３１】
この場合、図３（ｂ）に示すように、前記スキュー１７を階段状としたり、あるいは、図３（ｃ）に示すように、ロータ軸方向の途中で折れ曲がったようなＶ字状としてもよい。
【００３２】
また、図４に示すように、ステータ側は分布巻方式によりコイル部を形成したステータでなくとも、図４に示すように集中巻方式によりコイル部を形成したステータであってもよい。
【００３３】
（実施例２）
図６に本願の他の実施例を示す。図６において、２１はステータ、２２はロータ、２３はスリット、２４は永久磁石である。図６は４種類のモータを示しており、（ａ）が２層スリット、（ｂ）が３層スリット、（ｃ）が４層スリット、（ｄ）が５層スリットである。これらは、磁石形状は全て同じで、磁石全面のスリット層数のみが異なる。図７にこれらのモータに同じ電流を流した時のモータが発生するトルクの比を示す。トルク比は２層スリットモータのトルクを基準にしている。
【００３４】
図７において、横軸が２層から６層までの層数、縦軸がトルク比である。この図より、３層から５層が最もトルクが高く、特に４層が最も高くなっている。したがって、半径方向に並ぶ多層スリットを有する回転子構造を備え、前記多層スリット中の最も中心側のスリットのみに永久磁石を埋め込んだ構造の回転機のロータにおいて、層数は３層から５層が最適であり、４層スリットが最も高性能となる。
【００３５】
（実施例３）
図９に本願の他の実施例を示す。図８は従来型モータの構造である。図８に示すように、従来型モータはスリット端部とロータ外径のブリッジ部の幅Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３、Ｗ４がすべて同じであった。このブリッジ幅は、ロータの強度が保証できる範囲で、できる限り薄く設計することが多い。しかし、本発明のように磁石が一番奥のスリットに埋め込まれている場合、図８の従来構造では、磁石から出た磁束は磁石の埋め込まれているスリットとその全面のスリットの間からしかロータの外に出て行かないため、コギングトルクが大きくなり、誘起電圧波形も歪んだ波形になる。
【００３６】
本実施例は、図９に示すように、磁石に埋め込まれているスリットのブリッジ幅Ｗ１よりその外側に位置するスリット幅Ｗ２、Ｗ３、Ｗ４が大きくなっている。このような構造にすることで、永久磁石から出た磁束はブリッジ部を通ることが可能になり、磁石からより多くの磁束をロータからステータに出すことが可能で、コギングトルクを小さくすることができる。
【００３７】
また、図１０のように、内側に位置するスリットのブリッジ幅を順次大きくすることで、磁極の中心からより多くの磁束をだすことができるため、コギングトルクが小さくなるのに加えて、誘起電圧波形も正弦波状にすることができるため振動、騒音の小さいモータにすることができる。
【００３８】
【発明の効果】
本件請求項１記載の発明は、リラクタンストルクのみならずマグネットトルクを利用することができ、大きな駆動トルクを得ることができる。
【００３９】
さらに、請求項１記載の発明は、永久磁石の位置を内側に配置することで、永久磁石を埋め込むことで発生する遠心力の負担を抑えることができる。
【００４０】
さらに、請求項１記載の発明は、磁束通路の幅を大きくすることで、磁気飽和の発生を抑え効率のよい回転駆動を行うことができる。
【００４１】
請求項８記載の発明は、高効率の電動機を提供することができる。
【００４２】
請求項９記載の発明は、最も効率の高い電動機を提供することができる。
【００４３】
請求項１０記載の発明は、コギングトルクを低減させた電動機を提供することができる。
【００４４】
請求項１１記載の発明は、誘起電圧波形を正弦波状にすることで、コギングトルクをさらに低減させた電動機を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施例の電動機の断面図
【図２】他の実施例の回転子の断面図
【図３】スキューを施した回転子の側面図
【図４】集中巻方式のステータを備える電動機の断面図
【図５】従来のリラクタンスモータを示す図
【図６】（ａ）２層スリットの電動機の断面図
（ｂ）３層スリットの電動機の断面図
（ｃ）４層スリットの電動機の断面図
（ｄ）５層スリットの電動機の断面図
【図７】スリット層数とトルク比との関係を示す図
【図８】従来のブリッジ幅と永久磁石から発生する磁束との関係を示す図
【図９】本実施例のブリッジ幅と永久磁石から発生する磁束との関係を示す図
【図１０】同ブリッジ幅と永久磁石から発生する磁束との関係を示す図
【符号の説明】
１コアシート
２磁束通路
３スリット
４ステータ

Claims

ステータと半径方向に並ぶ多層スリットを有する回転子本体とを備え、前記多層スリット中の一部のスリットで、最も外側のスリットより中心側のスリットに永久磁石を埋め込み、マグネットトルク及びリラクタンストルクにより回転駆動し、
隣り合うスリット間の磁束通路の幅は、永久磁石を埋め込んだスリットの外側に位置する前記磁束通路の幅が最も太く、
前記回転子本体が高透磁率材からなり、
スリット端部と前記回転子本体の外周との間にあるブリッジ幅は、永久磁石を埋め込んだスリットのブリッジ幅より、この永久磁石を埋め込んだスリットより前記回転子本体の外周側に位置するスリットのブリッジ幅の方が幅広になっている電動機。
永久磁石は、最も中心側のスリットのみに埋め込んだ請求項１記載の電動機。
永久磁石を埋め込んだスリットは、スリットの端部に空隙部を有する請求項２記載の電動機。
前記ステータの巻線部は、集中巻方式で施した請求項１記載の電動機。
埋め込んだ永久磁石として、フェライト磁石を用いた請求項１記載の電動機。
埋め込んだ永久磁石として、樹脂磁石を用いた請求項１記載の電動機。
複数のコアシートのスリットをずらしながら回転子軸方向に積層し、スキューを施した回転子本体を有する請求項６記載の電動機。
多層スリットの層数が、３層以上５層以下である請求項２記載の電動機。
多層スリットの層数が４層である請求項２記載の電動機。
前記回転子本体が高透磁率材からなり、多層スリットの最も中心部にある永久磁石の埋め込まれたスリット端部と前記回転子本体の外周の間にあるブリッジ幅Ｗａが、その他のスリットの端部と前記回転子本体の外周の間にあるブリッジ幅Ｗｂに対して、Ｗｂ＞Ｗａである請求項８記載の電動機。
前記回転子本体が高透磁率材からなり、永久磁石を埋め込んだスリットより前記回転子本体の外周側に位置するスリットのブリッジ幅は、順次幅広になっている請求項１記載の電動機。
ブリッジ幅は、永久磁石を埋め込んだスリットのブリッジ幅が最も狭く、前記回転子本体の最外周側に位置するスリットのブリッジ幅が最も太い請求項１１記載の電動機。