JP5361942B2 - 磁石埋め込み型回転子、電動機、圧縮機、空気調和機、および、電気自動車 - Google Patents
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Description
図1は比較のために示す図で、一般的な回転子の横断面図である。
図2に電動機の横断面図を示す。図2に示す一般的な電動機は、例えばブラシレスDCモータである。電動機は、固定子と、この固定子の内側に空隙を介して配置される回転子とを備える。
図3は比較のために示した図1の回転子を搭載した電動機の誘起電圧波形図である。
本実施の形態では、図8に示すように回転子20に挿入される永久磁石22の枚数は極数(6極)の半分(3個)で構成され、かつ、極ピッチ間隔で永久磁石22のある極とない極が交互に配置され、永久磁石22の磁極の向きは外周方向(半径外側方向)に全て同一であり、回転軸中心から回転子20の外形までの距離は極中心81で最大、極間82で最小となる略花丸形状である。
磁石挿入孔23には、平板の永久磁石22を挿入する矩形部231と、端部には空気層で構成されるフラックスバリア部232とがある。矩形部231(挿入される永久磁石22の両端2点)の開口角度は、極ピッチの角度よりも狭い角度であり、前記磁石挿入孔23(フラックスバリア部の両端2点)の開口角度θは極ピッチの角度よりも広い角度であることを特徴とする。ここで、開口角度とは、図8のθのように、2点を通る2つの半径の作る角(中心角)をいう。
また、前記磁石挿入孔23は、回転子鉄心21の回転軸に垂直な断面形状において、極中央部に位置し永久磁石22が挿入される矩形部231と、矩形部231の両端部から極間82に向かってへの字状あるいはくの字状あるいはエル字状に屈曲しながら突き出た1対のフラックスバリア部232とを有している。
フラックスバリア部232は極間82手前から極間82に向かって伸び、極間82直前で半径方向内側に屈曲し、屈曲後のフラックスバリア部232の屈曲先部233は回転子20の半径方向と直交するように極間82を横断している。
フラックスバリア部232の屈曲先部233は極間82の外形表面とほぼ並行に配置され、フラックスバリア部232の屈曲先部233は極間82の外形表面との間に薄肉部83を形成している。
また、この実施の形態1の磁石埋め込み型回転子20は、複数の極に対して永久磁石22が存在する極としない極が交互になるように、かつ、磁極の向きが半径外側方向に向かって同一になるように、複数の永久磁石22を挿入する磁石挿入孔23を有している。
さらに、この実施の形態1の磁石埋め込み型回転子20は、回転軸中心から極中央部の外形までの距離が回転軸中心から極周辺部の外形までの距離よりも大きい回転子鉄心21とを備え、花丸形状が望ましい。
磁石挿入孔23は、挿入された永久磁石22の端部に空気層を提供するフラックスバリア部を備えており、磁石挿入孔23の開口角度は、極ピッチの角度よりも広い角度であることを特徴とする。
図13には、本実施の形態の回転子20の変形例(実施の形態2)として、回転子20の外形は真円とし、極間部に切り欠きを設けた回転子20を示す。
さらに、実施の形態2の磁石埋め込み型回転子20の回転子鉄心21は、回転軸中心から極中央部の外形までの距離(半径)が回転軸中心から極周辺部(極間)の外形までの距離(半径)よりも大きい。
また、回転子20の外形は真円であり、永久磁石22が存在する極としない極との間(極間)の外周に切り欠き部84を設け、磁石挿入孔23の端部には空気層で構成されるフラックスバリアが構成され、前記磁石挿入孔23の開口角度は極ピッチよりも広い角度であることを特徴とする。
実施の形態2の前記磁石挿入孔23の開口角度も極ピッチよりも広い角度で構成される。本構成でも、前記と同様の効果がある。
図14には、本実施の形態の回転子20の変形例(実施の形態3)として、回転子表面内側にスリット85を配置した回転子20を示す。スリット85は磁束の流れ方を制御する効果があるため、永久磁石22のない極の極中心部の磁束を高めるようにスリット85を配置することで、回転子磁束密度分布をより正弦波に近い状態に構成することができる。
図15には、本実施の形態の変形例(実施の形態4)を示す。実施の形態4の構成は図8と似ているが、回転子20の外形(略花丸形状)が異なる円弧で構成されている。永久磁石22のある極とない極で、花丸形状の円弧が非対称であり、本実施の形態では永久磁石22がある極の円弧の半径R3が永久磁石22がない極の円弧半径R4よりも大きく構成されている。図16に変形例3の誘起電圧波形を示す。図17にはその高調波含有率を示す。実施の形態4の高調波含有率は2%まで低減できており、極の対称性の良い低騒音な回転子20を構成できている。
実施の形態3までだと、永久磁石22のある極とない極での誘起電圧、インダクタンス、磁気吸引力の非対称性を対称に構成するには限界があるが、形状を非対称にすることで、実用レベルに対称性を改善することができる。
図18には、実施の形態5を示しており、永久磁石22のある極とない極で外形が非対称となっている。本実施の形態では、永久磁石22のある極の外形半径R1よりも永久磁石22のない極の外形半径R2の方が大きい。永久磁石22のない極の磁束の流れは、エアギャップが広い程、磁気抵抗の小さい隣接する磁石極に近接する部分を流れやすい構成となる。このため、永久磁石22がない極のエアギャップを小さくすることで磁極中央部の磁気抵抗がより小さく構成でき、磁束密度分布を正弦波に近づけやすい。実施の形態5でも、実施の形態4と同様の効果がある。
図19には、実施の形態6を示しており、外周の切り欠き部84を除いた磁路部が、永久磁石22の存在する極としない極で異なっており、永久磁石22のある極とない極で外周磁路ピッチが非対称となっている。永久磁石22のある極の外周磁路ピッチθ2は、永久磁石22のない極の外周磁路ピッチθ1より大きい。実施の形態6でも、実施の形態4と同様の効果がある。
図20には、実施の形態7を示しており、永久磁石22のある極とない極でスリット85が非対称となっている。永久磁石22のない極にスリット85を4本配置しているのに対し、永久磁石22のある極のスリット85の本数は2本である。スリット85の個数だけではなくスリット85の形状が異なっていてもよい。実施の形態7でも、実施の形態4と同様の効果がある。
図21には、実施の形態8を示しており、永久磁石22のある極とない極で回転子中心部に設けた風穴86が非対称となっている。本実施の形態の回転子20を圧縮機のような冷媒中で使用する場合、電動機を冷媒、油が通過するための隙間が必要である。その隙間を回転子20の風穴86として設けている。また、その他の電気自動車用電動機においても、永久磁石22に渦電流が流れ発熱するため回転子20を冷却するための風穴86を設ける。通常、この風穴86は大きいほど、冷媒、空気が通りやすいため好ましいが、磁石近傍に設けると磁石磁束の通路を阻害してしまうため、大きさ、配置の制限が大きい。本実施の形態の回転子20は、その点で、永久磁石22のない極が存在するという空間的なメリットがある。永久磁石22がない極は永久磁石22がある極に比べ磁路に余裕があるため、磁気特性を悪化させることなく、より大きな風穴86を設けることができる。効果として、圧縮機の冷媒の循環、油上がりを改善し、圧縮機の効率を改善できる。また、回転子20の冷却効果も高まるため、減磁に対して強くなり、Dy含有量の少ない磁石を使用することができ、省レアアース対策としても有効である。また、R22冷媒のような高温の冷媒にも効果的である。
図22には、実施の形態9を示しており、永久磁石22が回転子20外形に対し、逆円弧の形状をしている。すなわち、回転子鉄心21の回転軸に垂直な断面形状において、回転子鉄心21の極中央部の半径外側方向への膨らみとは逆の膨らみを有する逆円弧状の永久磁石22(あるいはC字状の永久磁石22、U字状の永久磁石22、かまぼこ状の永久磁石22)を備えている。
平板上の永久磁石22を用いた場合、永久磁石22のある極とない極の形状が異なるため、極ピッチでのインダクタンスの差が生じてしまうが、永久磁石22を実施の形態9のように配置することで、回転子外周から永久磁石22までの距離が永久磁石22のある極とない極とで非対称性が小さくなり、対称性を改善することができる。また、本実施の形態は、磁石枚数を半減したことで、回転子断面の磁束密度が低減するため、1枚の磁石の面積を大きく設計できるという利点もある。
図23には、実施の形態10を示しており、本実施の形態の回転子20を極ピッチ分回転して積層している。極ピッチ分回転させた回転子20は永久磁石22の極性を反転させている。
すなわち、本実施の形態の回転子20は、磁極の向きを半径外側方向に向かってN極にした磁石埋め込み型回転子20aと、磁極の向きを半径外側方向に向かってS極にした磁石埋め込み型回転子20bとを、回転方向に極ピッチの角度分ずらして積層したものである。
このように構成することで磁気的な非対称性を緩和でき、より低振動で、制御性の良い電動機を構成することができる。本変形例は、回転子20を軸方向に2分割して回転させているが、2分割以上に複数に分割して、スキューを設けても良い。
実施の形態1〜10に記載の磁石埋め込み型回転子20は、電動機に搭載することができる。また、その電動機を圧縮機又は空気調和機又は電気自動車に搭載することができる。
Claims (14)
- 所定の極ピッチの間隔で複数の極が形成された磁石埋め込み型回転子において、
複数の極の極数の半分の個数の複数の磁石と、
複数の極に対して磁石が存在する極としない極が交互になるように、かつ、磁極の向きが半径外側方向に向かって同一になるように、複数の磁石を挿入する磁石挿入孔を有し、回転軸中心から極中央部の外形までの距離が回転軸中心から極周辺部の外形までの距離よりも大きい回転子鉄心と
を備え、
磁石挿入孔は、回転子鉄心の回転軸に垂直な断面形状において、極中央部に位置し磁石が挿入される矩形部と、矩形部の両端に位置し挿入された磁石の端部に空気層を提供する1対のフラックスバリア部とを備え、
矩形部の開口角度は、極ピッチの角度よりも狭い角度であり、
磁石挿入孔の開口角度は、極ピッチの角度よりも広い角度であり、
前記1対のフラックスバリア部は、矩形部の両端から極間に向かってへの字状あるいはくの字状あるいはエル字状に屈曲しながら突き出でおり、
前記1対のフラックスバリア部の各フラックスバリア部は、極間手前から極間に向かって伸び、極間直前で半径方向内側に屈曲し、
屈曲した部分から先にある屈曲先部は、回転軸中心からの半径方向と直交するように極間を横断していることを特徴とする磁石埋め込み型回転子。 - 前記磁石挿入孔の両側において、屈曲先部は、極間の外形表面とほぼ並行に配置されて極間を横断しており、
前記磁石挿入孔の両側において、屈曲先部は、極間の外形表面との間に薄肉部を形成していることを特徴とする請求項1記載の磁石埋め込み型回転子。 - 前記回転子鉄心は、回転軸中心から極中心の外形までの距離が最大となり,回転軸中心から極間外形までの距離が最小となる花丸形状であることを特徴とする請求項1または2記載の磁石埋め込み型回転子。
- 前記回転子鉄心は、極間以外において真円の外形を有し、極間において切り欠き部を有することを特徴とする請求項1又は2記載の磁石埋め込み型回転子。
- 前記回転子鉄心は、外形表面内側にスリットを有することを特徴とする請求項1〜4いずれかに記載の磁石埋め込み型回転子。
- 前記回転子鉄心は、花丸形状を磁石の存在する極としない極で異なる円弧で構成することを特徴とする請求項3に記載の磁石埋め込み型回転子。
- 前記回転子鉄心は、磁石の存在する極としない極で回転軸中心から外形までの半径が異なることを特徴とする請求項1〜5いずれかに記載の磁石埋め込み型回転子。
- 前記回転子鉄心は、外周の切り欠き部を除いた磁路部の外周磁路ピッチが、磁石の存在する極としない極で異なることを特徴とする請求項4に記載の磁石埋め込み型回転子。
- 前記スリットの形状が、磁石の存在する極としない極で異なることを特徴とする請求項5に記載の磁石埋め込み型回転子。
- 前記回転子鉄心は、風穴を有し、風穴の大きさが磁石の存在する極としない極で異なることを特徴とする請求項1〜9いずれかに記載の磁石埋め込み型回転子。
- 前記回転子鉄心は、回転子鉄心の回転軸に垂直な断面形状において、回転子鉄心の極中央部の半径外側方向への膨らみとは逆の膨らみを有する逆円弧状の磁石を備えたことを特徴とする請求項1〜10いずれかに記載の磁石埋め込み型回転子。
- 前記磁石埋め込み型回転子は、請求項1〜11いずれかに記載の磁極の向きを半径外側方向に向かってN極にした磁石埋め込み型回転子と、請求項1〜11いずれかに記載の磁極の向きを半径外側方向に向かってS極にした磁石埋め込み型回転子とを、回転方向に極ピッチの角度分ずらして積層した磁石埋め込み型回転子であることを特徴とする請求項1〜11いずれかに記載の磁石埋め込み型回転子。
- 請求項1〜12いずれかに記載の磁石埋め込み型回転子を搭載したことを特徴とする電動機。
- 請求項13記載の電動機を搭載したことを特徴とする圧縮機又は空気調和機又は電気自動車。
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