JP5176466B2 - 埋込磁石同期モータのロータおよび埋込磁石同期モータ - Google Patents

Description

本発明は、回転電機のロータの中に界磁用の永久磁石を埋め込んだ永久磁石形回転電機、特に埋込磁石同期モータのロータに関する。

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従来の埋込磁石同期モータのロータは、例えば図６に示すように、無方向性鋼板を積層してロータ鉄心６を形成し、該ロータ鉄心６内部に板状の界磁用永久磁石２を埋設した構造となる。また、隣接する界磁用磁石２間がロータ鉄心６でつながる場合、界磁極間に漏洩磁束が発生するため、隣接する界磁用磁石挿入穴１の間に、空間穴５を設けたものや、空間穴５に磁石（図示せず）を埋設し、界磁用磁石間のつなぎ部を磁気飽和させ、界磁用磁石による漏洩磁束を低減するものもある（例えば、特許文献１参照）。
図７に示すように、ステータ９の電機子巻線１０が作るｄ軸方向の磁束の磁路にはエアギャップと同様の磁気抵抗の大きな界磁用磁石２が存在し、磁束が通り難いが、ｑ軸方向の磁束は鉄心６を通ることができるため、磁気抵抗は小さくなる。この結果、磁束の通り易さを示すｄ軸インダクタンスＬｄとｑ軸インダクタンスＬｑとの値に差が生じ、リラクタンストルクが発生する。
また、図８は、第２の従来技術例の埋込磁石同期モータのロータの正断面図である。図８に示すように、ロータ鉄心に二方向性電磁鋼板１１を利用して、磁化容易軸方向を界磁用永久磁石２の作る磁束の向きに対して電気角で９０度ずれた方向（ｑ軸方向）に設定して、リラクタンストルクを発生させるものがある（例えば、特許文献２参照）。
この構造では、二方向性電磁鋼板１１の磁化困難方向を界磁用磁石が作る磁束の方向（ｄ軸）に設定することでｄ軸インダクタンスＬｄを小さくし、磁化容易方向をｑ軸に設定することでｑ軸インダクタンスＬｑを大きくすることによりリラクタンストルクを向上させるものである。
特開平７−２３１５８９号公報（第３頁、図１） 特開２００３−１３４７０６号公報（第４頁、図１）

ところが、従来の無方向性鋼板を積層して形成された埋込磁石同期モータのロータに対しては、リラクタンストルクを大きくするために、磁石の外側の鋼板部分の幅を広く取り、その分、磁石を小さくしなければならず、磁石トルクの大きさが低下する。さらに、リラクタンストルクの大きさを決定するｄ軸インダクタンスとｑ軸インダクタンス差はロータ鉄心の形状に依存するので、リラクタンストルクの向上には限界がある。
また、ロータ鉄心に二方向性電磁鋼板を用いた埋込磁石同期モータのロータでは、磁化容易方向と磁化困難方向の向きは予め決まっており、リラクタンストルクを向上することができるロータの磁極は４極の場合に限られ、多極で構成することができないという問題がある。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、発生トルクを向上させることが可能で、かつ多極構成が可能な埋込磁石同期モータのロータおよびそれを用いたモータを提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明を次のように構成した。
請求項１に記載の発明は、無方向性電磁鋼板が積層されたロータ鉄心と、前記ロータ鉄心の内部に円周方向に沿って埋設した板状の界磁用磁石と、前記ロータ鉄心の外周面上に設けられた磁化容易方向性を有する方向性磁性体と、を備え、前記方向性磁性体の磁化容易方向は、前記界磁用磁石の長い方の面に対して平行であり、前記方向性磁性体には、磁極間で周方向に磁束が漏れ難くする切り欠け部が設けられ、前記方向性磁性体は、方向性鋼板を前記方向性磁性体の断面形状を直線状に展開した形状に打ち抜いた方向性磁性板を積層して形成され、当該方向性磁性体が前記ロータ鉄心の外周面上に巻かれた埋込磁石同期モータのロータであることを特徴としている。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の埋込磁石同期モータのロータにおいて、前記ロータ鉄心には、隣りあう前記界磁用磁石の間に空間穴が設けられたことを特徴としている。

また、請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の埋込磁石同期モータのロータにおいて、前記方向性磁性体は、前記方向性磁性板を１枚毎または複数枚毎、磁極ピッチの整数倍ずらして積層して形成されたことを特徴としている。

請求項４に記載の発明は、埋込磁石同期モータにおいて、請求項１〜３のいずれか１項に記載の埋込磁石同期モータのロータを用いたことを特徴としている。

本発明によると、ロータ鉄心の外周に磁極間で周方向に磁束が漏れ難くする切り欠け部を設けた方向性磁性体を備え、ｑ軸方向の磁束と同じ向きに磁化容易方向を持つ方向性磁性体を設置したので、ｑ軸方向に磁束が流れ易くなり、ｑ軸インダクタンスが増加する一方、ｄ軸方向の磁束の流れは無方向性鋼板を用いた場合の磁束の流れと同等のままなので、ｑ軸インダクタンスとｄ軸インダクタンスの値の差が増加し、リラクタンストルクを向上させることができる。
また、ロータ鉄心の外周に設けられた方向性磁性体は、磁極間で周方向に磁束
が漏れないようにする切り欠け部を自由に形成することができるので、多極の
ロータにも適用することができるという効果がある。
さらに、界磁用磁石とステータティースの間の距離を短くすることで、磁石ト
ルクを同時に向上させることができるという効果がある。

方向性磁性体の磁化容易方向をｑ軸方向に合わせるように、任意の形状で方向
性鋼板を打ち抜くことができ、リラクタンストルクに起因する突極のみに方向性
磁性体を使用すれば良いので、材料コストを低減することができ、さらに、方向
性磁性体を容易にロータ鉄心の外周へ装着できるので、製造コストも低減するこ
とができるという効果がある。
さらに上記効果に加えて、方向性磁性体の接合点が分散されるので、磁性特性
が平均化され、方向性磁性体とロータ鉄心との接着性も向上するという効果があ
る。
そして、組立てコストが低減できるという効果がある。

また、発生トルクを向上させることが可能で、かつ多極構成が可能な埋込磁石
同期モータを提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。また、以下同一名称には極力同一符号を付け重複説明を省略する。

図１は、本発明の第１の実施例を示す埋込磁石同期モータのロータの正断面図である。図において、１は界磁用磁石挿入穴、２は界磁用磁石、３は突極部、４はヨーク部、５は空間穴、６はロータ鉄心、７は方向性磁性体である。また、７１は磁化容易方向、７２は切り欠け部である。
方向性磁性体７は、磁化容易方向性を有する磁性体である。
ロータ鉄心６は、無方向性電磁鋼板を積層して形成する。ロータ鉄心６は空隙を介してステータコア（図示せず。）の内側に設けられ、ロータ鉄心６の外周にほぼ沿って、円周方向に長い界磁用磁石挿入穴１を複数個、界磁磁極ピッチで円周方向に並べて設け、各界磁用磁石挿入穴１の中にロータ鉄心６の径方向に磁束が流れるように着磁した永久磁石からなる界磁用磁石２をそれぞれ挿入する。界磁用磁石挿入穴１よりロータ鉄心６の外周側には突極部３を形成し、界磁用磁石挿入穴１よりロータ鉄心６の中心側にはヨーク部４を形成する。
隣あう界磁用磁石挿入穴１の間には漏洩磁束低減用の空間穴５を設ける。
さらに、ロータ鉄心６の外周に磁極間で周方向に磁束が漏れ難くする切り欠け部を設けた方向性磁性体７を備え、方向性磁性体７の磁化容易方向７１を界磁用磁石２の面に対して平行になるように配置する。
本発明が従来例と異なる点は、ロータ鉄心６の外周に磁極間で周方向に磁束が漏れ難くする切り欠け部を設けた方向性磁性体７を備え、該方向性磁性体７の磁化容易方向７１を任意の磁極のｑ軸方向に設定できる点である。

次に本発明の動作について説明する。
図２は、本発明の埋込磁石同期モータの動作を示す一部分の断面図である。図２において、９はステータティース、１０は電機子巻線である。
界磁用磁石２の作る磁束は電機子巻線１０に流れる電流によって発生する磁界により、磁石トルクＴｍを発生する。同時に、ロータを通過するｄ軸磁束とq軸磁束の通り易さの違いから生じる突極性に起因したリラクタンストルクＴｒを発生する。埋込磁石形同期モータは磁石トルクＴｍとリラクタンストルクＴｒを合わせたトルクにより回転する。
すなわち、埋込磁石形同期モータの発生トルクＴは、リラクタンストルクＴｒと磁石トルクＴｍの和で表される。

ここで、Ｐｎは極対数、Ｌｄはｄ軸インダクタンス、Ｌｑはｑ軸インダクタンス、ｉｄはｄ軸電流、ｉｑはｑ軸電流、Ψａは電機子鎖交磁束を表す。

上式より、リラクタンストルクＴｒは、ｄ軸インダクタンスＬｄとｑ軸インダクタンスＬｑの大きさの差に比例するため、ＬｄとＬｑの差が大きいほど高トルクが得られる。
したがって、リラクタンストルクを向上させるためには、図２に示すように、界磁用磁石の面に対して平行に設置し、ｑ軸磁束をｄ軸磁束よりも通し易くすればよい。
本発明では磁化容易方向をｑ軸磁束の通る向きに設定することにより、ｑ軸インダクタンスＬｑとｄ軸インダクタンスＬｄの差をより大きくすることで、磁石トルクを低下させることなくリラクタンストルクを向上させることができる。

図３は、本発明の第２実施例を示す埋込磁石同期モータのロータの正断面図である。
本実施例が実施例１と異なる点は、界磁用磁石挿入穴１を方向性磁性体７に設け、その中に界磁用磁石２を挿入する点である。
ロータ鉄心６内に界磁用磁石挿入穴１を設け、その中に界磁用磁石２を埋設する場合、隣り合う磁石（磁極）間で漏れ磁束が増加する。これを防止するために、従来は、隣あう界磁用磁石挿入穴１の間には漏洩磁束低減用の空間穴５を設けていたのである。
また、ロータ鉄心６の外周に方向性磁性体７を備えるとすると、外形が同じになるようにするには、ロータ鉄心６の径を小さくしなければならなくなる。そうすると、界磁用磁石２の配置位置を、ロータの中心に近くしなければならなくなるので、周長が短くなり、磁石の投入量も減少するため磁石トルクが小さくなる。
そこで、図３に示すように、界磁用磁石挿入穴１を方向性磁性体７内部に設け、その中に界磁用磁石２を挿入することで磁石の漏れ磁束を減少し、磁石トルクを低下させることなくリラクタンストルクを向上させることができる。

図４は、本発明の第３実施例を示す方向性鋼板の打ち抜きの型を表す正断面図である。図４において、８は方向性鋼板、８１は方向性磁性板、８２は蒲鉾状ブロックである。
方向性鋼板８は、磁化容易方向性を有する電磁鋼板である。
方向性磁性板８１は、方向性鋼板８を磁化容易方向７１の方向に、方向性磁性体７の断面形状を直線に展開した形状のものを打ち抜いて作成する。
方向性磁性体７は、方向性鋼板８を打ち抜いて作った方向性磁性板８１を積層することで作製し、それをロータ鉄心６の外周に巻きつけて接着し固定する。
方向性磁性板８１は、ロータ鉄心６に配置される界磁用磁石の数と同数の蒲鉾状ブロック８２が連なった形状で構成される。隣り合う蒲鉾状ブロック８２の間は、山側に切り欠け部７２を形成し、底側が隣と連結される。蒲鉾状ブロック８２の底側の曲率は、ロータ鉄心６の外周の曲率に等しくなるようにする。蒲鉾状ブロック８２の山側は、本発明では、とくには規定しない。蒲鉾状ブロック８２のピッチは、方向性磁性体７をロータ鉄心６の外周に巻きつけたときに、各蒲鉾状ブロック８２の中心線がそれぞれ界磁用磁石２の各中心線と一致するようにする。

図５は、本発明の第３実施例における方向性磁性体のロータ鉄心への装着方法を説明する正断面図である。図５において、７３は結合点、７４は接合面である。
図５に示すように、方向性磁性体７のロータ鉄心６への装着は、方向性磁性体７の接合面７４がロータ鉄心６の外周面に密着するように巻きつけ、接合面７４をロータ鉄心６に接着材により貼り付ける。そのとき、各蒲鉾状ブロック８２の中心線がそれぞれ界磁用磁石２の各中心線と一致するようにする。さらに、結合点７３を密着させる。接合点７３は溶接してもよい。
方向性磁性体７は、切り欠け部７２が開かれることで、ロータ鉄心６に巻きつけることが可能になる。

本実施例が実施例1と異なる点は、方向性磁性体７を帯状の方向性鋼板８を打ち抜いて作った方向性磁性板８１を積層することで作製し、それをロータ鉄心６の外周に巻きつけて接着し固定する点である。
このように、方向性磁性体７をロータ鉄心６に容易に装着することができるので、製造コストを低減することができ、さらに、ロータ鉄心６の外周部にのみ方向性磁性体７を設置することができるため、材料コストも抑えることができる。

本実施例では、方向性磁性板８１をずらすことなく積層して、それをロータ鉄心６の外周面に密着するように巻きつけて接合面７４をロータ鉄心６に接着材により貼り付けているが、方向性磁性板８１を１枚毎または複数枚毎、蒲鉾状ブロック８２の整数倍ピッチずらして、接合面７４がロータ鉄心６の外周面に密着するように巻きつけて積層し、接合面７４をロータ鉄心６に接着材により貼り付けてもよい。
こうすることにより、接合点７３が分散されるので、磁性特性が平均化され、方向性磁性体７とロータ鉄心６との接着性も向上する。
また、方向性磁性板８１を接合点７３が合うように円状にして、１枚毎または複数枚毎、蒲鉾状ブロック８２の整数倍ピッチずらし、円筒状に積層して方向性磁性体７を形成した後、ロータ鉄心６を挿入してもよい。
こうすることにより、ロータの組立てコストが低減できる。

本発明は、ロータの突極部に方向性磁性体を利用することによって、モータの発生トルクを向上させることができるので、小形で高トルクを必要とするモータに適用できる。

本発明の第１実施例を示す埋込磁石同期モータのロータの正断面図 本発明の埋込磁石同期モータの動作を示す一部分の断面図 本発明の第２実施例を示す埋込磁石同期モータのロータの正断面図 本発明の第３実施例を示す方向性鋼板の打ち抜きの型を表す正断面図 本発明の第３実施例における方向性磁性体のロータ鉄心への装着方法を説明する正断面図 第１の従来技術例の埋込磁石同期モータのロータの正断面図 第１の従来技術例の埋込磁石同期モータの動作を示す一部分の断面図 第２の従来技術例の埋込磁石同期モータのロータの正断面図

符号の説明

１ 界磁用磁石挿入穴
２ 界磁用磁石
３ 突極部
４ ヨーク部
５ 空間穴
６ ロータ鉄心
７ 方向性磁性体
８ 方向性鋼板
９ ステータティース
１０ 電機子巻線
１１ 二方向性電磁鋼板
１２ フラックスバリア
７１ 磁化容易方向
７２ 切り欠け部
７３ 結合点
７４ 接合面
８１ 方向性磁性板
８２ 蒲鉾状ブロック
Ｎ 磁石のＮ極
Ｓ 磁石のＳ極

Claims (4)

1. 無方向性電磁鋼板が積層されたロータ鉄心と、
   前記ロータ鉄心の内部に円周方向に沿って埋設した板状の界磁用磁石と、
   前記ロータ鉄心の外周面上に設けられた磁化容易方向性を有する方向性磁性体と、
   を備え、
   前記方向性磁性体の磁化容易方向は、前記界磁用磁石の長い方の面に対して平行であり、
   前記方向性磁性体には、磁極間で周方向に磁束が漏れ難くする切り欠け部が設けられ、
   前記方向性磁性体は、方向性鋼板を前記方向性磁性体の断面形状を直線状に展開した形状に打ち抜いた方向性磁性板を積層して形成され、当該方向性磁性体が前記ロータ鉄心の外周面上に巻かれた
   ことを特徴とする埋込磁石同期モータのロータ。
2. 前記ロータ鉄心には、隣りあう前記界磁用磁石の間に空間穴が設けられたことを特徴とする請求項１に記載の埋込磁石同期モータのロータ。
3. 前記方向性磁性体は、前記方向性磁性板を１枚毎または複数枚毎、磁極ピッチの整数倍
   ずらして積層して形成されたことを特徴とする請求項１または２に記載の埋込磁石同期モータのロータ。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の埋込磁石同期モータのロータを用いたことを特徴とする埋込磁石同期モータ。