JP5596074B2 - 永久磁石型回転電機 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、回転子磁極が永久磁石により構成された永久磁石型回転電機に関する。

この種の回転電機例えば永久磁石型ブラシレスモータ（以下単に永久磁石型モータという。）は、電機子巻線が施されたティースを持つ固定子と前記ティースの配列円周面と界磁空隙を介して対向する多数の永久磁石製磁極を円周方向に配列してなる回転子とからなる。永久磁石製磁極としては、プラスチック粉末に磁性粉末を混入して成型したプラスチック磁石と、磁性粉末を焼結してなる焼結磁石とがある。

プラスチック磁石からなる回転子磁極は、連続したリング状の成形体として形成されそのまま円盤状回転子フレームに収められる。これに対して焼結磁石からなる回転子磁極では、個々の磁石すなわちセグメント磁石がリング状に連続する一体物として成形し焼結すると半径方向厚みが変化する部分すなわち各セグメント磁石間に冷却にともなう収縮応力によって割れを生ずることが避けられない。

従って、成形性及び組立性の点ではプラスチック磁石回転子の方が有利であるが、焼結磁石回転子に比べ磁石の単位体積当たりの出力が大幅に低い。プラスチック磁石が非磁性材であるプラスチック粉末（バインダー）と磁性粉末の混合物であるのに対して焼結磁石は磁性粉末のみからなるので単位体積当たりの出力が大きい。この種の永久磁石型モータでは、家電機器、情報通信機器、事務機器などの何れの機器に使用される場合でも、小型で高出力、低騒音が強く望まれ、これに向けた改善の努力がはらわれている。小型で高出力という点では、プラスチック磁石型よりも焼結磁石型モータの方が優れており、価格の面でも後者の方がかなり廉価である。なお、プラスチック磁石を用いた永久磁石型モータの低騒音化を図るための構成が特許文献１に開示されている。この特許文献１に開示された技術の主目的は、誘起起電力の正弦波近似性を高め、結果として高調波成分による出力低下の防止と低騒音化を図ろうとするもので、そのために永久磁石の固定子ティースと対向する磁極面を極中央で最大突出寸法をもつ凸曲面とし且つその円周方向両端の径方向肉厚寸法を極中央肉厚寸法の８５〜８８％とすることを開示している。

特開２００３−３１９５８５号公報

特許文献１には開示されていないが、小型で高出力を得るために永久磁石を焼結磁石とした場合、前述のように回転子磁極は、個々のセグメント磁石を円盤状フレームに個々に接着して取り付けることになり、最初からリング状に一体成型するプラスチック磁石の場合と異なり、配列されたセグメント磁石の円周方向相互間に接着材などの非磁性支持部材を介在させるためこの部分が非磁性空隙になる。或いは支持部材を要さない場合でも空間が不可避的に発生する。発明者らは、この不可避的に生ずる磁気的空隙がモータ特性に重大な経時的悪影響を与えることを突き止めた。

本発明の実施形態は、回転子磁極をなすセグメント磁石の耐減磁性を向上させることにより、モータ特性、特に誘起起電力の経時的低下や波形の経時的悪化を極力抑え得る永久磁石型回転電機を提供することを目的とする。

この目的を達成するための永久磁石型回転電機は、固定子巻線を巻回したティースを有する固定子と、前記ティースと界磁空隙を介して対向するように且つ互いの間に磁気的空隙を介して円周方向に配列され一極一セグメント関係をもつ焼結永久磁石製のセグメント磁石を持つ回転子とからなる回転電機であって、前記各セグメント磁石は磁束密度が極中央で高く円周方向両端に進むにつれ次第に低下する集束異方性を持ち、且つ各セグメント磁石の前記界磁空隙と対向する側の円周方向コーナ部の形状を前記ティースの先端が描く円筒面とセグメント磁石のコーナ部との対向間隔が隣り合うセグメント磁石方向に進むにつれ徐々に拡大する曲面形状に形成する。

本発明の第１の実施形態の永久磁石型モータの要部を拡大して示す断面図 同モータの固定子を示す斜視図 同モータの回転子の斜視図 同モータのセグメント磁石のコーナ部の曲面形状の説明図 セグメント磁石の形状と減磁率及び誘起電圧変化率の関係を示す図 第２の実施形態の図４相当図 第３の実施形態の図４相当図 従来のモータにおける図１相当図

以下、第１の実施形態による永久磁石型回転電機例えば永久磁石型モータを図１ないし図５に基づいて説明する。固定子１は電機子巻線２を巻回する多数のティース３を放射状の円形配列に有する積層鋼板製の固定子鉄心４とからなり、取り付け対象機器例えば洗濯機のモータ支持フレームに取り付けるための取り付け部５を有する。回転子６は、鉄製ロータヨークを兼ねた円盤状の回転子フレーム７とこの回転子フレーム７の環状部８の内周面に配列された多数のセグメント磁石９とからなる。

回転子フレーム７の平板部には、その中央に回転軸支持用の開口１０有し、その周りに通風孔１１を有する。前記セグメント磁石９による回転子磁極数と前記ティース３によるスロット数との比を４対３に定め、この実施形態では４８極、３６ティースである。前記セグメント磁石９は、磁性粉末例えばフェライト粉末を焼結して一極一セグメントに独立した形態に形成し、夫々を前記回転子フレーム７の環状部８の内面に円周方向配列となるように個々に接着により取り付ける。

この取り付けにおいて、リング状に成形されたプラスチック製永久磁石のように隣り合う磁石どうしが全く隙間のない配列に形成することは不可能であるから、図１に示すように各セグメント磁石９間に不可避的に隙間１２（図３では図示を省略）が生ずる。その理由は、焼結磁石は粉末を固めて焼成し冷却する行程を経るがその冷却での収縮率が大きいため仕上がり寸法のばらつきも大きくなるためである。このばらつきが大きいと、４８個のセグメント磁石９を回転子フレーム７の環状部８に配列するとき最後の一個を入れる隙間がなくなる可能性があり、これを避けるために環状部８の周長に余裕を与えておき、その余裕寸法を各セグメント磁石間に均等な隙間１２として割り当てる。

これにより、各セグメント磁石間に上記のような隙間１２が不可避的に発生する。この隙間１２は、空間であるが磁気的には磁気的空隙に相当すればよいので、この実施形態では非磁性スペーサを接着材と共に介在してセグメント磁石９の支持力を強化する。

このセグメント磁石９は、磁束数が磁極の中央で最も高く円周方向両端に進むにつれ低くなる磁気異方性（集束異方性）が与えられている。すなわち、磁化容易軸が極中央領域で半径方向を向き極中央から離れるに従い傾斜する特性持つ。このような磁気異方性を前提に、セグメント磁石９の前記ティース３の先端と界磁空隙を介して対向する面においては、その面の円周方向コーナ部９ａの形状を図１に示すように角張った部分のない滑らかな曲面形状にする。すなわち、図４に示すようにティース３の先端が描く円筒面３ａとセグメント磁石９のコーナ部９ａとの対向間隔Ｌ１が隣り合うセグメント磁石９に進むにつれ徐々に拡大する形状である。特にこの実施形態では、図４に示すように、セグメント磁石９の界磁空隙側の面を平坦面９ｂとし、コーナ部９ａの曲面形状をその平坦面９ｂを通る直線９ｃに正接する点９ｄをもつ円９ｅを描く円弧面形状にする。図４ではコーナ部９ａが円９ｅの１／４円に一致する円弧であるが、セグメント磁石９の円周方向端面は想像線９ｆで示すように１／４円未満でカットされた形状であってもよい。

上記した実施形態の構成を持つこの永久磁石型ブラシレスモータは次のような効果を期待することができる。モータの運転状態では、電機子巻線２からの磁束による電機子反作用を完全には回避できず、このため電機子反作用による逆向き磁界がセグメント磁石９に作用しこの磁石９が減磁作用を受ける。この減磁作用は異常負荷がかかった大電流時に著しくなる。これを図８に示す従来構成により説明すると、電機子巻線の通電によりティース（ロ）から発生した磁束φ１の一部が円周方向に隣り合う二つのセグメント磁石（イ）間の空隙を逆向き（セグメント磁石（イ）からの磁束φ２に対して逆向き）に通過する還流（逆向き磁界）が避けられないはずである。

この逆向きに還流する磁束は、二つのセグメント磁石間の空隙よりも磁気抵抗の小さいセグメント磁石のコーナ部（ハ）を集中して通過し、このコーナ部（ハ）が磁路長の短い角張った形状であるとその集中が一層増し、この部分を強く減磁させる。磁石は層が薄いほど逆向き磁界により減磁し易いからである。この実施形態では、セグメント磁石９の円周方向コーナ部９ａの形状を曲面形状にした結果、そのコーナ部９ａの前記ティース３の回転面３ａとの対向間隔Ｌ１がセグメント磁石９の中央領域すなわち平坦面９ｂ部分に比べ円周方向に進むにつれ徐々に拡大し、その分磁気抵抗が増大をする。

その結果、コーナ部９ａを逆方向磁束が集中して通過することが緩和され、且つ逆向き磁界に対する磁石層も比較的厚い形状となるので、この部分の耐減磁性の低下が免れる。また、この実施形態が発明の対象とするモータのように隣り合う磁石間に非磁性空隙が不可避的に存在する場合、セグメント磁石のコーナ部が図８のように直角のままであると、この空隙（ニ）を通じて隣り合う異極磁石９から逆方向磁束を受け減磁作用を運転停止中でも常に受けてしまう。この実施形態では、コーナ部９ａが曲面形状であることから隣り合う磁石との間の磁路長が拡大するのでこのような減磁作用も回避できる。

また、セグメント磁石９のコーナ部９ａが経時的に減磁されると同磁石の全域に設定された当初の磁束密度の正弦波分布も経時的に変化し、起電力の波形ひずみが拡大する。これと同時に誘起起電力も低下するのでその起電力の大きさをデータとするトルク制御や速度制御では制御精度が低下する。これに対してこの実施形態では、耐減磁性の向上によりモータの電磁気的特性を長期にわたり所期通りに維持されるので、誘起電圧波形の経時的なひずみ変化、従って経時的な出力低下、経時的な騒音増大の防止を期待できる。更に、起電力の経時的低下を避け得るのでモータの制御定数を変えることなく、所期通りの制御精度、良好なモータ特性を長期にわたり維持できる。特にこの実施態様のモータのようにセグメント磁石９が４８個と相当数に及ぶ構成では、個々のセグメント磁石の減磁が及ぼす影響が極めて大であることから見ればこの実施態様の有用性は極めて高いものがある。

この実施形態の実現に至るテストデータの一部を図５に示す。図５の（Ａ）はテスト資料であるロータのセグメント磁石９の形状を示しており、このセグメント磁石９の厚さ比率Ｚの変化に対する磁石の減磁率αの変化を図５の（Ｂ）に、誘起電圧の変化率βを図５の（Ｃ）に示す。ここで磁石の円周方向両端以外の主要部分の半径方向の平均的厚さをＹとし、その両端のコーナ部９ａの先端面の厚さをＸ（Ｘ≦Ｙ）としたとき、Ｘ／Ｙを厚さ比率Ｚと称している。コーナ部９ａの曲面の始点をＰ１とし、曲面の終点をＰ２としたとき厚さＸはセグメント磁石９取り付け面（ティース３と対向しない側の面）から前記終点Ｐ２までの寸法をいう。

テストはセグメント磁石９のコーナ部９ａを曲面の始点Ｐ１位置を変えずにＸ寸法を変化させる（Ｐ２位置を変化させる。）という形状変更を行い（従ってコーナ部９ａの曲率半径が変化する）、その各形状（各厚さ比率Ｚ）について減磁率α及び誘起電圧の変化率βを測定した。この測定は、厚さ比率１００％、８８％、７８％、７３％の４段階について行い、図５の（Ｂ）（Ｃ）を作成した。ここで減磁率α及び誘起電圧の変化率βとは、Ｘ＝Ｙとしたときの減磁量及び誘起電圧値でＸをＹに対して変化させたときの各値を除した値をいう。

図５の（Ｂ）によれば厚さ比率Ｚの値が小さくなるにつれ、すなわちコーナ部９ａの形状が矩形（Ｚ＝１００％）から円に近くなるにつれ減磁率αが低くなること、すなわち耐減磁性の向上が認められる。また、図５の（Ｃ）によれば、厚さ比率Ｚが小さくなるにつれ誘起起電力が低下することが認められ、これは磁石の体積が大きいほど誘起起電力が大きくなる一般的特性に由来する。図５の（Ｂ）及び（Ｃ）からセグメント磁石９のコーナ部９ａの厚さ比率Ｚが小さくなるにつれ耐減磁性が上昇するのに対して誘起起電力が低下することが認められ、これら相反する特性を考慮に入れるとコーナ部９ａの形状は、厚さ比率Ｚでいうと９０％を超えず好ましくは８０％以下で且つ７０％以上が実用的であると評価できる。

この実施形態では、回転子磁極数であるセグメント磁石数と前記ティースによる固定子スロット数との比を４対３に定めているので、セグメント磁石９のコーナ部９に受ける減磁作用が低下する。これはセグメント磁石３の厚み（径方向寸法）を薄くすることができることを意味する。これに対して比率を２対３にするとセグメント磁石９ａの電気角幅がティース３のそれよりも大きくなって逆向き磁界が一つのセグメント磁石９ａに集中してしまい、耐減磁性が低下する。

図６に第２の実施形態として示すように、セグメント磁石９のティース３と対向する面の形態は、図４では両コーナ部９ａ間すなわち中央区域を平坦面９ｂとしているのに対して凸曲面９ｇをなす形状であってもよい。この場合、中央区域の凸曲面９ｇの曲率半径はコーナ部９ａの曲率半径よりも大きい値にすると共に、コーナ部９ａと凸曲面９ｇとの境界を連続した曲面に形成する。

図７に第３の実施形態として示すように、セグメント磁石９のティース３と対向する面の形態は、両コーナ部９ａ間すなわち中央区域が凹曲面９ｈをなす形状であってもよい。この形態では、このコーナ部９ａの曲率半径よりも中央区域の凹曲面９ｇの曲率半径の方を大きい値にし、且つ上記のようにコーナ部９ａと凹曲面９ｈとの境界を連続した曲面に形成する。

なお、本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は例として提示したものであり発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、耐減磁性の向上に向けた他の様々な形態に変形して実施することが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

図面中、１は固定子、２は電機子巻線、３はティース、４は固定子鉄心、６は回転子、７は回転子フレーム、９はセグメント磁石、９ａはコーナ部、９ｂは平坦面、９ｇは凸曲面、９ｈは凹曲面、１２は非磁性空隙である。

Claims (3)

1. 固定子巻線を巻回したティースを有する固定子と、この固定子を取り巻くように配置され前記ティースと界磁空隙を介して対向するように且つ互いの間に磁気的空隙を介して円周方向に配列され一極一セグメント関係をもつ焼結永久磁石製のセグメント磁石を持つ回転子とからなる回転電機であって、前記各セグメント磁石はその磁気異方性が集束異方性を持ち、その形態が前記ティースと対向する面を平坦面とし円周方向コーナ部の形状を前記平坦面を通る直線に正接する円弧面とし、それによって前記ティースの先端が描く円筒面とセグメント磁石の前記コーナ部との対向間隔が隣り合うセグメント磁石に進むにつれ徐々に拡大するように構成にしたことを特徴とする永久磁石型回転電機。
2. 回転子は環状部を形成した鉄製ロータヨークを有しその環状部に前記セグメント磁石が配列されていることを特徴とする請求項１に記載の永久磁石型回転電機。
3. 前記セグメント磁石のコーナ部の曲面形状は、その曲面のティースと対向する側の始点をＰ１としその終点をＰ２とし、セグメント磁石のティースと対向しない側の面からＰ１及びＰ２までの夫々の寸法をそれぞれＹ及びＸとしたとき、７０％≦Ｘ／Ｙ≦８０％としたことを特徴とする請求項１または２の何れか一つに記載の永久磁石型回転電機。
   
   

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