JP5404684B2

JP5404684B2 - 埋め込み磁石型モータ

Info

Publication number: JP5404684B2
Application number: JP2011073295A
Authority: JP
Inventors: 和慶土田; 昌弘仁吾; 浩二矢部
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2011-03-29
Filing date: 2011-03-29
Publication date: 2014-02-05
Anticipated expiration: 2031-03-29
Also published as: JP2012210040A

Description

この発明は、埋め込み磁石型モータに関する。

ロータ内に磁石を埋め込んだ埋め込み磁石型モータ（ＩＰＭ）において、磁石を挿入する挿入孔断面積は挿入される磁石より大きくなっている。その場合、運転中に磁石に遠心力が加わることで挿入孔内部で磁石が動く可能性がある。それを防ぐために磁石挿入孔端部には突起部が設けられ、その突起部が磁石両端部と接する位置にあることで運転中に磁石が動くことを抑制する埋め込み磁石型モータが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００９−２４７１３１号公報

ステータから磁石とは反対方向の磁束がロータへ進んできた場合、磁石が挿入された挿入孔全体は透磁率が鉄よりはるかに小さいため、ステータ発生磁束は磁石挿入孔を通過せずに挿入孔外周部の鉄の部分を通過する。この状態でステータ発生磁束が大きくなると、やがて挿入孔外周部が磁気飽和を起こし、それ以上磁束の通過できない状態になる。すると通過できなくなった磁束は行き場を失い、磁石挿入孔を通過するようになる。この場合、磁束は挿入孔幅の最も小さい部分（透磁率の大きい）を通過しようとするため、磁石固定用の突起部を経路として主に通過する。これによりステータ発生磁束は突起部と接している磁石端部付近を通過する際に磁石端部を減磁させるという課題があった。

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、磁石の減磁耐力が向上し、高トルク・高出力化が図れる埋め込み磁石型モータを提供する。

この発明に係る埋め込み磁石型モータは、所定の形状の電磁鋼板を所定枚数積層して形成される回転子鉄心と、
回転子鉄心の外周縁に沿って設けられ、両端部の外周側と回転子鉄心の外周縁との間に所定の径方向寸法の外周薄肉部が形成される複数の磁石挿入孔と、
磁石挿入孔の略中央部に挿入される永久磁石と、
磁石挿入孔の永久磁石が挿入されない両端部の空間に、磁石挿入孔の外周側もしくは内周側から永久磁石より所定の距離離れて突出する減磁抑制用突起部と、を備え、
減磁抑制用突起部と磁石挿入孔との最短距離が、磁石挿入孔の径方向の幅よりも小さいことを特徴とする。

この発明に係る埋め込み磁石型モータは、磁石挿入孔の前記永久磁石が挿入されない両端部の空間に、磁石挿入孔の外周側もしくは内周側から永久磁石より所定の距離離れて突出する減磁抑制用突起部を設けることで、ステータから発生した磁束が回転子を通過する際、磁束が永久磁石内を避けて減磁抑制用突起部を通過することで減磁を抑制する。

比較のために示す図で、一般的な埋め込み磁石型モータの回転子１００の横断面図。比較のために示す図で、一般的な埋め込み磁石型モータの回転子鉄心１１０の横断面図。図２の部分拡大図。図１の極間部付近の拡大図。回転子鉄心１１０の外周薄肉部１１４が磁気飽和を起こし、それ以上磁束の通過できない状態になり、磁束が磁石挿入孔を通過するようになった状態を示す図。実施の形態１を示す図で、埋め込み磁石型モータの回転子２００の横断面図。実施の形態１を示す図で、埋め込み磁石型モータの回転子鉄心２１０の横断面図。図７の部分拡大図。図８の部分拡大図。実施の形態１を示す図で、回転子２００におけるステータからの磁束の経路を示す図。実施の形態１を示す図で、減磁抑制用突起部２１５を設けた本実施の形態と、減磁抑制用突起部のない比較例の減磁率を比較した解析結果を示す図。実施の形態１を示す図で、埋め込み磁石型モータの回転子３００の横断面図。実施の形態１を示す図で、埋め込み磁石型モータの回転子鉄心３１０の横断面図。図１３の部分拡大図。図１４の部分拡大図。実施の形態１を示す図で、回転子３００におけるステータからの磁束の経路を示す図。実施の形態１を示す図で、埋め込み磁石型モータの回転子４００の横断面図。実施の形態１を示す図で、埋め込み磁石型モータの回転子鉄心４１０の横断面図。図１８の部分拡大図。図１９の部分拡大図。実施の形態１を示す図で、回転子４００におけるステータからの磁束の経路を示す図。

実施の形態１．
先ず、一般的な埋め込み磁石型モータの回転子１００について説明する。図１は比較のために示す図で、一般的な埋め込み磁石型モータの回転子１００の横断面図である。

図１に示すように、一般的な埋め込み磁石型モータの回転子１００は、回転子鉄心１１０と、回転子鉄心１１０の内部に埋め込まれる６個の平板状の永久磁石１２０とを備える。回転子１００は、６個の永久磁石１２０を備える６極のロータである。

図２は比較のために示す図で、一般的な埋め込み磁石型モータの回転子鉄心１１０の横断面図である。図２に示すように、回転子鉄心１１０は、外周縁に沿って、永久磁石１２０が挿入される磁石挿入孔１１１が６個形成されている。横断面において、６個の磁石挿入孔１１１で略六角形を形成している。回転子鉄心１１０の略中心部に軸（図示せず）が嵌合される軸孔１１２が形成されている。

図３は図２の部分拡大図である。図３に示すように、磁石挿入孔１１１には、両端部近傍に永久磁石１２０の周方向の位置決めを行う一対の磁石固定用突起部１１３が形成されている。一対の磁石固定用突起部１１３は、磁石挿入孔１１１の内周側から磁石挿入孔１１１内に突出している。

図４は図１の極間部付近の拡大図である。磁石挿入孔１１１の径方向の幅をＴ１とし、磁石固定用突起部１１３と磁石挿入孔１１１の外周部との間の最短距離をＴ２とする。ステータで発生した磁束が回転子１００内を通る場合、永久磁石１２０および磁石挿入孔１１１は透磁率が電磁鋼板に比べはるかに小さいため、ステータで発生した磁束は、回転子鉄心１１０の外周薄肉部１１４を通過しようとする（図４の破線部）。

図５は回転子鉄心１１０の外周薄肉部１１４が磁気飽和を起こし、それ以上磁束の通過できない状態になり、磁束が磁石挿入孔を通過するようになった状態を示す図である。図４の状態でステータ発生磁束が大きくなると、やがて回転子鉄心１１０の外周薄肉部１１４が磁気飽和を起こし、それ以上磁束の通過できない状態になる。すると通過できなくなった磁束は行き場を失い、磁石挿入孔１１１を通過するようになる。この場合、磁束は挿入孔１１１の幅の最も小さい部分（透磁率の大きい）を通過しようとするため、永久磁石１２０固定用の突起部１１３を経路として主に通過する。これによりステータ発生磁束は磁石固定用突起部１１３と接している永久磁石１２０の端部付近を通過する際に永久磁石１２０の端部を減磁させる。

永久磁石１２０を減磁させない方法としては、永久磁石１２０の径方向の幅を大きくするか、回転子１００を多極化して１枚の永久磁石１２０にかかる磁束量を分散させる方法が挙げられる。

しかし、永久磁石１２０の径方向の幅を大きくすると、使用する磁石量が多くなりコストが高くなる。

また、極数を増やした設計においては、駆動周波数が極数に比例して大きくなるため、ＰＷＭ駆動を行う場合、スイッチングのキャリア周波数を一定とすると、正弦波電流の波形生成が悪化し、高効率な駆動ができない。そのため、極数を増やす場合は、インバータのキャリア周波数を極数に比例させて増加させるが、インバータのスイッチング損失が増加し、効率が悪化する課題がある。

本実施の形態は、回転子の形状の大幅な変更をすること無く、回転子の減磁耐力を向上させ、高トルク・高出力化を図るものである。

図６は実施の形態１を示す図で、埋め込み磁石型モータの回転子２００の横断面図である。図６に示すように、埋め込み磁石型モータの回転子２００は、回転子鉄心２１０と、回転子鉄心２１０の内部に埋め込まれる６個の平板状の永久磁石２２０とを備える。回転子２００は、６個の永久磁石２２０を備える６極のロータである。

図７は実施の形態１を示す図で、埋め込み磁石型モータの回転子鉄心２１０の横断面図である。図７に示すように、回転子鉄心２１０は、外周縁に沿って、永久磁石２２０が挿入される磁石挿入孔２１１が６個形成されている。横断面において、６個の磁石挿入孔２１１で略六角形を形成している。回転子鉄心２１０の略中心部に軸（図示せず）が嵌合される軸孔２１２が形成されている。

図８は図７の部分拡大図である。図８に示すように、磁石挿入孔２１１には、両端部近傍に永久磁石２２０の周方向の位置決めを行う一対の磁石固定用突起部２１３が形成されている。一対の磁石固定用突起部２１３は、磁石挿入孔２１１の内周側から磁石挿入孔２１１内に突出している。

また、図８に示すように、磁石挿入孔２１１には、一対の磁石固定用突起部２１３の夫々の極間側に、磁石挿入孔２１１の外周側から磁石挿入孔２１１内に突出する一対の減磁抑制用突起部２１５が形成されている。一対の減磁抑制用突起部２１５は、一対の磁石固定用突起部２１３から極間側に離れているので、永久磁石２２０には接触しない。

図９は図８の部分拡大図である。図９に示すように、磁石挿入孔２１１の径方向の幅をＴ１、磁石固定用突起部２１３と磁石挿入孔２１１の外周部との間の最短距離をＴ２、磁石固定用突起部２１３と減磁抑制用突起部２１５との間の最短距離をＴ３とする。減磁抑制用突起部２１５を、以下の関係が成り立つように構成する。
Ｔ３＜Ｔ２＜Ｔ１・・・（１）

既に述べたように、磁石挿入孔２１１の透磁率は、回転子鉄心２１０を構成する電磁鋼板よりはるかに小さいため、ステータからの磁束が磁石挿入孔２１１を通過する際は、磁石挿入孔２１１の空間距離が短い部分を主に通過しようとする。

図１０は実施の形態１を示す図で、回転子２００におけるステータからの磁束の経路を示す図である。外周薄肉部２１４が飽和した場合、（１）式より、ステータからの磁束は、Ｔ３→Ｔ２→Ｔ１の順に通過しやすくなっている。よってステータからの磁束はＴ３を主に通過し、その経路は図１０の破線で示すようになる。

減磁抑制用突起部２１５が存在しない場合は、図５のようにステータからの磁束が磁石端部を通過していたのに対し、図１０ではステータからの磁束の流れが磁石（永久磁石２２０）端部を通過することはないので、磁石（永久磁石２２０）端部を減磁させる恐れが少ない。

図１１は実施の形態１を示す図で、減磁抑制用突起部２１５を設けた本実施の形態と、減磁抑制用突起部のない比較例の減磁率を比較した解析結果を示す図である。図１１はステータ・ロータの仕様を同じとし、６極９スロットのモデルでステータに流す電流を大きくしていった場合における減磁率を比較している。図１１のグラフは、横軸を起磁力（相巻数×電流値）、縦軸を減磁率として表している。これより同じ起磁力において、減磁抑制用突起部２１５を設けた本実施の形態に対し、減磁抑制用突起部のない比較例の方が減磁率が大きく、減磁抑制用突起部２１５による効果があることがわかる。

図１２は実施の形態１を示す図で、埋め込み磁石型モータの回転子３００の横断面図である。回転子３００は、回転子２００と比べると、減磁抑制用突起部と磁石固定用突起部が径方向で逆の位置関係になっている。

図１２に示すように、埋め込み磁石型モータの回転子３００は、回転子鉄心３１０と、回転子鉄心３１０の内部に埋め込まれる６個の平板状の永久磁石３２０とを備える。回転子３００は、６個の永久磁石３２０を備える６極のロータである。

図１３は実施の形態１を示す図で、埋め込み磁石型モータの回転子鉄心３１０の横断面図である。図１３に示すように、回転子鉄心３１０は、外周縁に沿って、永久磁石３２０が挿入される磁石挿入孔３１１が６個形成されている。横断面において、６個の磁石挿入孔３１１で略六角形を形成している。回転子鉄心３１０の略中心部に軸（図示せず）が嵌合される軸孔３１２が形成されている。

図１４は図１３の部分拡大図である。図１４に示すように、磁石挿入孔３１１には、両端部近傍に永久磁石３２０の周方向の位置決めを行う一対の磁石固定用突起部３１３が形成されている。一対の磁石固定用突起部３１３は、磁石挿入孔３１１の外周側から磁石挿入孔３１１内に突出している。

また、図１４に示すように、磁石挿入孔３１１には、一対の磁石固定用突起部３１３の夫々の極間側に、磁石挿入孔３１１の内周側から磁石挿入孔３１１内に突出する一対の減磁抑制用突起部３１５が形成されている。一対の減磁抑制用突起部３１５は、一対の磁石固定用突起部３１３から極間側に離れているので、永久磁石３２０には接触しない。

図１５は図１４の部分拡大図である。図１５に示すように、磁石挿入孔３１１の径方向の幅をＴ１、磁石固定用突起部３１３と磁石挿入孔３１１の外周部との間の最短距離をＴ２、磁石固定用突起部３１３と減磁抑制用突起部３１５との間の最短距離をＴ３とする。減磁抑制用突起部３１５を、以下の関係が成り立つように構成する。
Ｔ３＜Ｔ２＜Ｔ１・・・（１）

既に述べたように、磁石挿入孔３１１の透磁率は、回転子鉄心３１０を構成する電磁鋼板よりはるかに小さいため、ステータからの磁束が磁石挿入孔３１１を通過する際は、磁石挿入孔３１１の空間距離が短い部分を主に通過しようとする。

図１６は実施の形態１を示す図で、回転子３００におけるステータからの磁束の経路を示す図である。外周薄肉部３１４が飽和した場合、（１）式より、ステータからの磁束は、Ｔ３→Ｔ２→Ｔ１の順に通過しやすくなっている。よってステータからの磁束はＴ３を主に通過し、その経路は図１６の破線で示すようになる。

回転子３００のように、減磁抑制用突起部３１５と磁石固定用突起部３１３が径方向で、回転子２００と逆の位置関係になっていても、同様の効果を奏する。

図１７は実施の形態１を示す図で、埋め込み磁石型モータの回転子４００の横断面図である。回転子４００は、回転子２００と比べると、磁石固定用突起部を持たない。磁石挿入孔端部を外周へ向けて屈折した形状にすることで磁石を固定している。

図１７に示すように、埋め込み磁石型モータの回転子４００は、回転子鉄心４１０と、回転子鉄心４１０の内部に埋め込まれる６個の平板状の永久磁石４２０とを備える。回転子４００は、６個の永久磁石４２０を備える６極のロータである。

図１８は実施の形態１を示す図で、埋め込み磁石型モータの回転子鉄心４１０の横断面図である。図１８に示すように、回転子鉄心４１０は、外周縁に沿って、永久磁石４２０が挿入される磁石挿入孔４１１が６個形成されている。横断面において、６個の磁石挿入孔４１１で略六角形を形成している。回転子鉄心４１０の略中心部に軸（図示せず）が嵌合される軸孔４１２が形成されている。

図１９は図１８の部分拡大図である。図１９に示すように、磁石挿入孔４１１には、両端部近傍に磁石挿入孔４１１の外周側から磁石挿入孔４１１内に突出する一対の減磁抑制用突起部４１５が形成されている。一対の減磁抑制用突起部４１５は、永久磁石４２０から極間側に離れているので、永久磁石４２０には接触しない。

図２０は図１９の部分拡大図である。図２０に示すように、磁石挿入孔４１１の径方向の幅をＴ１、減磁抑制用突起部４１５と磁石挿入孔４１１とのの間の最短距離をＴ４とする。減磁抑制用突起部４１５を、以下の関係が成り立つように構成する。
Ｔ４＜Ｔ１・・・（２）

既に述べたように、磁石挿入孔４１１の透磁率は、回転子鉄心４１０を構成する電磁鋼板よりはるかに小さいため、ステータからの磁束が磁石挿入孔４１１を通過する際は、磁石挿入孔４１１の空間距離が短い部分を主に通過しようとする。

図２１は実施の形態１を示す図で、回転子４００におけるステータからの磁束の経路を示す図である。外周薄肉部４１４が飽和した場合、（２）式より、ステータからの磁束は、Ｔ４→Ｔ１の順に通過しやすくなっている。よってステータからの磁束はＴ４を主に通過し、その経路は図２１の破線で示すようになる。

回転子４００のように、磁石挿入孔端部を外周へ向けて屈折した形状にすることで永久磁石４２０を固定し、磁石挿入孔４１１の両端部近傍に磁石挿入孔４１１の外周側から磁石挿入孔４１１内に突出する一対の減磁抑制用突起部４１５を設けることでも、回転子２００と同様の効果を奏する。

１００回転子、１１０回転子鉄心、１１１磁石挿入孔、１１２軸孔、１１３磁石固定用突起部、１１４外周薄肉部、１２０永久磁石、２００回転子、２１０回転子鉄心、２１１磁石挿入孔、２１２軸孔、２１３磁石固定用突起部、２１４外周薄肉部、２１５減磁抑制用突起部、２２０永久磁石、３００回転子、３１０回転子鉄心、３１１磁石挿入孔、３１２軸孔、３１３磁石固定用突起部、３１４外周薄肉部、３１５減磁抑制用突起部、３２０永久磁石、４００回転子、４１０回転子鉄心、４１１磁石挿入孔、４１２軸孔、４１３磁石固定用突起部、４１４外周薄肉部、４１５減磁抑制用突起部、４２０永久磁石。

Claims

電磁鋼板が複数積層されて形成される回転子鉄心であって、外周縁に沿って磁石挿入孔が複数設けられるとともに、前記磁石挿入孔の両端部と前記外周縁との間に薄肉部が形成される回転子鉄心と、
前記磁石挿入孔の両端部を除く前記磁石挿入孔の略中央部に埋め込まれる永久磁石と
を備え、
前記永久磁石から前記磁石挿入孔の両端側に所定の距離離れた位置で、前記回転子鉄心の内周側から前記磁石挿入孔の内側に突出する減磁抑制用突起部が、前記回転子鉄心に形成され、
前記減磁抑制用突起部の突出する端面と前記磁石挿入孔の当該端面に対向する内面との最短距離が、前記回転子鉄心の径方向における前記磁石挿入孔の略中央部の幅よりも短いことを特徴とする埋め込み磁石型モータ。
前記永久磁石より前記磁石挿入孔の両端側で、前記回転子鉄心の外周側から前記磁石挿入孔の内側に突出して、前記回転子鉄心の周方向における前記永久磁石の位置決めを行う磁石固定用突起部が、前記回転子鉄心に形成され、
前記減磁抑制用突起部が、前記磁石固定用突起部より前記磁石挿入孔の両端側に形成されていることを特徴とする請求項１記載の埋め込み磁石型モータ。
前記磁石固定用突起部の突出する端面と前記磁石挿入孔の当該端面に対向する内面との最短距離が、前記回転子鉄心の径方向における前記磁石挿入孔の略中央部の幅よりも短く、
前記減磁抑制用突起部の突出する端面と前記磁石固定用突起部の突出する端面との最短距離が、前記磁石固定用突起部の突出する端面と前記磁石挿入孔の当該端面に対向する内面との最短距離よりも短いことを特徴とする請求項２記載の埋め込み磁石型モータ。