JP5902501B2

JP5902501B2 - 永久磁石モータ

Info

Publication number: JP5902501B2
Application number: JP2012028490A
Authority: JP
Inventors: 昭杉山
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2012-02-13
Filing date: 2012-02-13
Publication date: 2016-04-13
Anticipated expiration: 2032-02-13
Also published as: JP2013165611A

Description

本発明は、永久磁石が埋め込まれたロータを有する永久磁石モータに関する。

従来の永久磁石モータのロータは特許文献１に開示されている。この従来の永久磁石モータのロータは鉄心（ロータコア）内部に永久磁石を埋め込んだ構成のロータである。この構成のロータを有するモータは永久磁石の吸引、反発により生じるマグネットトルクと、コイルがロータ鉄心を吸引することにより生じるリラクタンストルクとを併用することができ、高効率化を図ることが可能である。昨今、このような永久磁石モータはエアコン、洗濯機、冷蔵庫などといった家電製品へと応用の範囲が広がっている。

一方、永久磁石が埋め込まれたロータを有するモータはロータ回転時に生じるトルク変動であるトルクリップルが大きくなる可能性があることが懸念されている。ロータ回転時のトルクリップルが大きくなると、永久磁石モータ及びそのモータを搭載した機器の振動・騒音が大きくなるという問題があった。

この問題を解決すべく、特許文献１に記載された永久磁石モータのロータは永久磁石挿入口（永久磁石用打ち抜き穴）の径方向外側に複数のスリットを備えている。これら複数のスリットは近接する永久磁石に沿って略等間隔に配置され、永久磁石との間隔及びロータ外周面との間隔がすべて同じになるように形成されている。これにより、この従来のロータはロータ回転時に生じるトルクリップルを小さくし、振動、騒音の小さいモータを提供しようとしている。

特開平１１−１８７５９７号公報

しかしながら、上記従来の永久磁石モータのロータは複数のスリットの永久磁石との間隔及びロータ外周面との間隔がすべて同じになるように形成されているので、ロータ外周面に近接する永久磁石の端部付近で生じる磁束に対してトルクリップルを抑制するための好適な配慮がなされていない。これにより、ロータ回転時に生じるトルクリップルを十分に抑制できない可能性があるという問題があった。

本発明は、上記の点に鑑みなされたものであり、ロータ回転時に生じるトルクリップルを効果的に抑制することが可能な永久磁石モータを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明の永久磁石モータは、ロータの軸心を中心とする略多角形の各辺に対応する箇所であって２箇所の端部で前記ロータの外周面に近接するように配置されてロータ軸線方向に沿って前記ロータに埋め込まれた永久磁石と、前記ロータの外周面と前記永久磁石との間に配置されてロータ軸線方向と直角をなす断面の形状が永久磁石側からロータ外周面側に向かって延びる長手状をなしてロータ軸線方向に沿って開口されるとともに前記永久磁石に沿って間隔を空けて複数が配列されたスリットと、を備え、前記永久磁石の前記端部に対応して配置されたものを含む前記端部近傍の複数の前記スリットに関して、各々の前記断面の長手方向略両端を結ぶ直線が略平行をなすとともに各々のうち少なくとも１個の前記断面の形状が長手方向略両端を結ぶ前記直線に対して湾曲していることを特徴としている。

この構成によれば、永久磁石の端部近傍の複数のスリットに関して、各スリットとロータ外周面との間におけるロータ断面の形状や間隔に差異が生じる。これにより、ロータ外周面に近接する永久磁石の端部付近で生じる磁束量が調整される。したがって、この永久磁石モータはロータ回転時に生じるトルクの変動幅が小さくなる。

なお、ここで述べる「長手方向」とは、例えば矩形や帯状形状、オーバル形状（楕円形、長円形）、円弧状形状などといった所謂「長手状」をなす形状において、矩形や帯状形状の長辺方向、オーバル形状の長軸方向、円弧状形状の周方向を意味する。

また、上記構成の永久磁石モータにおいて、前記永久磁石の前記端部に対応して配置されたものを含む前記端部近傍の複数の前記スリットに関して、前記端部に対応する前記スリットの前記断面の形状が長手方向略両端を結ぶ前記直線に対して平行な辺を有する形状であり、前記端部に対応する前記スリットよりスリット配列方向内側の前記スリットの前記断面の形状が長手方向略両端を結ぶ前記直線に対して湾曲した形状であることを特徴としている。

この構成によれば、永久磁石の端部に対応して配置されたスリットの断面の形状と、それよりスリット配列方向内側のスリットの断面の形状とが異なる。これにより、それら各スリットとロータ外周面との間におけるロータ断面の形状や間隔に差異が生じる。したがって、ロータ外周面に近接する永久磁石の端部付近で生じる磁束量が調整される。

また、上記構成の永久磁石モータにおいて、前記永久磁石の前記端部に対応して配置されたものを含む前記端部近傍の複数の前記スリットに関して、前記端部に対応する前記スリットの前記断面の形状が長手方向略両端を結ぶ前記直線に対して湾曲した形状であり、前記端部に対応する前記スリットよりスリット配列方向内側の前記スリットの前記断面の形状が長手方向略両端を結ぶ前記直線に対して平行な辺を有する形状であることを特徴としている。

本発明の構成によれば、永久磁石モータはロータ外周面に近接する永久磁石の端部付近で生じる磁束量が調整され、ロータ回転時に生じるトルクの変動幅を小さくすることが可能になる。したがって、ロータ回転時に生じるトルクリップルを効果的に抑制することが可能な永久磁石モータを提供することができる。

本発明の第１の実施形態に係る永久磁石モータの断面図である。本発明の第１の実施形態に係る永久磁石モータのロータの断面図である。本発明の第１の実施形態に係る永久磁石モータのロータ断面の永久磁石及びスリットの箇所の部分拡大図である。本発明の第１の実施形態に係る永久磁石モータのロータ回転角度とトルクとの関係を示すグラフである。比較例の永久磁石モータのロータの断面図である。比較例の永久磁石モータのロータ断面の永久磁石及びスリットの箇所の部分拡大図である。比較例の永久磁石モータのロータ回転角度とトルクとの関係を示すグラフである。本発明の第２の実施形態に係る永久磁石モータのロータ断面の永久磁石及びスリットの箇所の部分拡大図である。本発明の第３の実施形態に係る永久磁石モータのロータ断面の永久磁石及びスリットの箇所の部分拡大図である。

以下、本発明の実施形態を図１〜図９に基づき説明する。

最初に、本発明の第１の実施形態に係る永久磁石モータについて、図１を用いてその構造の概略を説明する。図１は永久磁石モータの断面図である。

永久磁石モータ１は、図１に示すように固定子であるステータ１０と、回転子であるロータ２０とを備えている。

ステータ１０は環状をなす磁性材料で構成されたステータコア１１を備えている。ステータコア１１は環状をなすステータヨーク１２と、そのステータヨーク１２の内周部分から径方向内側に突出するように延びるステータティース１３とを備えている。ステータティース１３の径方向内側の先端部はロータ２０の外周面に間隙を隔てて対向している。

ステータティース１３は永久磁石モータ１の周方向に、例えば６個が並べて一周させて配置されている。すなわち、ステータ１０には６か所のスロット１４が形成されている。ステータティース１３は、例えば複数枚の鋼板をモータ軸線方向（図１の紙面に対して垂直をなす方向）に積層して一体として形成されている。

ステータティース１３の外周には電気絶縁材料からなるボビンを構成するインシュレータ（図示せず）が装着される。さらに、インシュレータの外側であってスロット１４の箇所にはモータ軸線方向に沿って電線が巻きつけられたコイル１５が形成される。このコイル１５にはロータ２０を回転駆動するための電流が流される。

ロータ２０は略円柱状をなす磁性材料で構成され、図１及に示すようにステータ１０の内側に回転可能に配置される回転子である。ロータ２０は回転軸２１と、その回転軸２１の周面に対して変位不能に固定されたロータコア２２を備えている。

回転軸２１は例えばその両端部が２個の軸受け（図示せず）を介してモータケース（図示せず）などに回転可能に支持されている。また別の例では、回転軸２１は一方の端部が軸受け等を用いて片持ち状で支持されている。なお、ロータ軸線方向はモータ軸線方向と同一であって、図１の紙面に対して垂直をなす方向に延びている。ロータコア２２には永久磁石２３が埋め込まれている。

続いて、ロータ２０の構成について、図１に加えて図２〜図４を用いてさらに詳しく説明する。図２は永久磁石モータ１のロータ２０の断面図、図３はロータ２０の断面の永久磁石２３及びスリットの箇所の部分拡大図、図４は永久磁石モータ１のロータ回転角度とトルクとの関係を示すグラフである。

ロータ２０のロータコア２２は、図２に示すようにＮ極及びＳ極の２つの磁極が周方向に沿って全周にわたって交互に並置されて構成されている。ロータコア２２の磁極数は４となっている。ロータコア２２の磁極にはそれぞれ１箇所ずつ永久磁石挿入口２４が設けられ、永久磁石挿入口２４に永久磁石２３が埋め込まれている。

永久磁石２３はロータ軸線方向と直角をなす断面形状が矩形状をなし、ロータ２０の軸心を中心とする四角形の各辺に対応する箇所であって２箇所の端部でロータ２０の外周面に近接するように配置されている。永久磁石挿入口２４は永久磁石２３が挿入可能な大きさのロータ軸線方向と直角をなす断面形状が例えば台形状をなし、ロータ軸線方向に沿って開口している。永久磁石２３は永久磁石挿入口２４に合わせてロータ軸線方向に沿って延びて永久磁石挿入口２４に挿入され、埋め込まれている。なお、図２が永久磁石２３及び永久磁石挿入口２４のここで述べる断面を示している。

永久磁石２３はその断面の長手方向両端の間において永久磁石挿入口２４の内面に接触している。そして、その永久磁石挿入口２４の内部において永久磁石２３の断面の長手方向両端外側に隣接するとともにロータ２０の外周面に近接して空隙部２５が設けられている。空隙部２５はその断面形状が例えば三角形状をなし、ロータ軸線方向に沿って開口している。

ロータ２０の外周面と永久磁石２３との間にはスリット２６が設けられている。スリット２６は近接する永久磁石２３に沿って間隔を空けて複数が配列されている。すなわち、スリット２６は近接する１個の永久磁石２３につき６個が設けられている。

スリット２６は、図３に示すようにロータ軸線方向と直角をなす断面の形状が永久磁石側からロータ外周面側に向かって延びる長手状、すなわち長円状または略円弧状をなしてロータ軸線方向に沿って開口している。また、１個の永久磁石２３に近接する６個のスリット２６のうち、永久磁石２３の２箇所の端部各々に対応して配置されたスリット２６ａを含む端部近傍の２個のスリット２６ａ、２６ｂは、各々の断面の長手方向略両端を結ぶ直線Ｌａ、Ｌｂが略平行をなしている。なお、図３の一点鎖線が２個のスリット２６ａ、２６ｂの断面の長手方向略両端を結ぶ直線Ｌａ、Ｌｂを示している。

そして、スリット２６ａ、２６ｂの各々のうち少なくとも１個、すなわちスリット２６ｂの断面の形状が長手方向略両端を結ぶ直線Ｌｂ（一点鎖線）に対して湾曲して略円弧状をなしている。スリット２６ａは断面の形状が長手方向略両端を結ぶ直線Ｌａ（一点鎖線）に対して平行な辺を有する長円状をなしている。

図４は、このような実施形態の構成の永久磁石モータ１を回転させたときのロータ回転角度とトルクとの関係をグラフとして示している。グラフの横軸は０度から９０度までのロータ２０の回転角度を示し、グラフの縦軸はロータ２０の回転角度に対応して生じるトルクを示している。これによれば、トルクはロータ回転角度にして３０度ごとに最小値と最大値との間の変動幅Ｔｒ１で変動していることが分かる。

ここで、上記実施形態としての永久磁石モータ１に対する比較例である永久磁石モータについて、図５〜図７を用いて説明する。図５は比較例の永久磁石モータのロータの断面図、図６は比較例の永久磁石モータのロータ断面の永久磁石及びスリットの箇所の部分拡大図、図７は比較例の永久磁石モータのロータ回転角度とトルクとの関係を示すグラフである。なお、この比較例の基本的な構成は図１〜図４を用いて説明した上記実施形態と同じであるので、上記実施形態と共通する構成要素について説明を省略するものとする。

比較例の永久磁石モータのロータ１２０は、図５に示すように回転軸１２１及びロータコア１２２を備えている。ロータコア１２２の磁極にはそれぞれ１箇所ずつ永久磁石挿入口１２４が設けられ、永久磁石挿入口１２４に永久磁石１２３が埋め込まれている。

ロータ１２０の外周面と永久磁石１２３との間にはスリット１２６が設けられている。スリット１２６は近接する１個の永久磁石２３につき６個が設けられ、永久磁石１２３に沿って間隔を空けて配列されている。すべてのスリット１２６はロータ軸線方向と直角をなす断面の形状が永久磁石側からロータ外周面側に向かって延びる長円状をなしている。

図７は、このような比較例の構成の永久磁石モータを回転させたときのロータ回転角度とトルクとの関係をグラフとして示している。これによれば、トルクはロータ回転角度にして３０度ごとに最小値と最大値との間の変動幅Ｔｒ０で変動していることが分かる。

そして、図４に示した上記実施形態の永久磁石モータ１を回転させたときのトルク変動幅Ｔｒ１と、図７に示した比較例の永久磁石モータを回転させたときのトルク変動幅Ｔｒ０とを比較すると、実施形態の永久磁石モータ１で生じるトルク変動幅Ｔｒ１が比較例の永久磁石モータで生じるトルク変動幅Ｔｒ０の約８８％であり、小さくなっている。

このようにして、永久磁石モータ１は、永久磁石２３の端部に対応して配置されたスリット２６ａを含む端部近傍の２個のスリット２６ａ、２６ｂに関して、各々の断面の長手方向略両端を結ぶ直線Ｌａ、Ｌｂが略平行をなすとともに各々のうちスリット２６ｂの断面の形状が長手方向略両端を結ぶ直線Ｌｂに対して湾曲して略円弧状をなしている。これにより、永久磁石２３の端部近傍のスリット２６ａ、２６ｂとロータ外周面との間におけるロータ断面の形状や間隔に差異が生じる。そして、ロータ外周面に近接する永久磁石２３の端部付近で生じる磁束量が調整される。したがって、永久磁石モータ１はロータ回転時に生じるトルクの変動幅を小さくすることが可能になる。

また、永久磁石２３の２箇所の端部各々に対応して配置されたスリット２６ａの断面の形状が長手方向略両端を結ぶ直線Ｌａに対して平行な辺を有する長円状であり、スリット２６ａよりスリット配列方向内側のスリット２６ｂの断面の形状が長手方向略両端を結ぶ直線Ｌｂに対して湾曲した略円弧状である。これにより、永久磁石２３の端部に対応して配置されたスリット２６ａの断面の形状と、それよりスリット配列方向内側のスリット２６ｂの断面の形状とが異なる。そして、それらスリット２６ａ、２６ｂとロータ外周面との間におけるロータ断面の形状や間隔に差異を生じさせることができる。したがって、永久磁石モータ１はロータ外周面に近接する永久磁石２３の端部付近で生じる磁束量を調整することが可能になる。

そして、本発明の上記実施形態の構成によれば、永久磁石モータ１はロータ外周面に近接する永久磁石２３の端部付近で生じる磁束量が調整され、ロータ回転時に生じるトルクの変動幅を小さくすることが可能になる。したがって、ロータ回転時に生じるトルクリップルを効果的に抑制することが可能な永久磁石モータ１を提供することができる。

次に、本発明の第２の実施形態に係る永久磁石モータについて、図８を用いて説明する。図８は永久磁石モータのロータ断面の永久磁石及びスリットの箇所の部分拡大図である。なお、この実施形態の基本的な構成は図１〜図７を用いて説明した前記第１の実施形態と同じであるので、第１の実施形態と共通する構成要素には前と同じ符号を付し、図面の記載及びその説明を省略するものとする。

第２の実施形態に係る永久磁石モータは、図８に示すようにロータ２０の外周面と永久磁石２３との間にスリット２７を備えている。スリット２７は近接する１個の永久磁石２３につき８個が設けられている。

８個のスリット２７のうち、永久磁石２３の２箇所の端部各々に対応して配置されたスリット２７ａを含む端部近傍の３個のスリット２７ａ、２７ｂ、２７ｃは、各々の断面の長手方向略両端を結ぶ直線Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃが略平行をなしている。なお、図８の一点鎖線が３個のスリット２７ａ、２７ｂ、２７ｃの断面の長手方向略両端を結ぶ直線Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃを示している。

そして、スリット２７ａ、２７ｂ、２７ｃの各々のうち、スリット２７ｂ、２７ｃの断面の形状が長手方向略両端を結ぶ直線Ｌｂ、Ｌｃ（一点鎖線）に対して湾曲して略円弧状をなしている。スリット２７ａは断面の形状が長手方向略両端を結ぶ直線Ｌａ（一点鎖線）に対して平行な辺を有する長円状をなしている。

この第２の実施形態の構成のように、永久磁石２３の２箇所の端部各々に対応して配置されたスリット２７ａの断面の形状が長手方向略両端を結ぶ直線Ｌａに対して平行な辺を有する長円状であり、スリット２７ａよりスリット配列方向内側のスリット２７ｂ、２７ｃの断面の形状が長手方向略両端を結ぶ直線Ｌｂ、Ｌｃに対して湾曲した略円弧状である場合でも、ロータ外周面に近接する永久磁石２３の端部付近で生じる磁束量が調整される。したがって、永久磁石モータ１はロータ回転時に生じるトルクの変動幅を小さくすることが可能になる。

次に、本発明の第３の実施形態に係る永久磁石モータについて、図９を用いて説明する。図９は永久磁石モータのロータ断面の永久磁石及びスリットの箇所の部分拡大図である。なお、この実施形態の基本的な構成は図１〜図７を用いて説明した前記第１の実施形態と同じであるので、第１の実施形態と共通する構成要素には前と同じ符号を付し、図面の記載及びその説明を省略するものとする。

第３の実施形態に係る永久磁石モータは、図９に示すようにロータ２０の外周面と永久磁石２３との間にスリット２８を備えている。スリット２８は近接する１個の永久磁石２３につき６個が設けられている。

６個のスリット２８のうち、永久磁石２３の２箇所の端部各々に対応して配置されたスリット２８ａを含む端部近傍の２個のスリット２８ａ、２８ｂは、各々の断面の長手方向略両端を結ぶ直線Ｌａ、Ｌｂが略平行をなしている。なお、図９の一点鎖線が２個のスリット２８ａ、２８ｂの断面の長手方向略両端を結ぶ直線Ｌａ、Ｌｂを示している。

そして、スリット２８ａ、２８ｂの各々のうち、スリット２８ａの断面の形状が長手方向略両端を結ぶ直線Ｌａ（一点鎖線）に対して湾曲して略円弧状をなしている。スリット２８ｂは断面の形状が長手方向略両端を結ぶ直線Ｌｂ（一点鎖線）に対して平行な辺を有する長円状をなしている。

この第３の実施形態の構成のように、永久磁石２３の２箇所の端部各々に対応して配置されたスリット２８ａの断面の形状が長手方向略両端を結ぶ直線Ｌａに対して湾曲した略円弧状であり、スリット２８ａよりスリット配列方向内側のスリット２８ｂの断面の形状が長手方向略両端を結ぶ直線Ｌｂに対して平行な辺を有する長円状であるので、永久磁石２３の端部に対応して配置されたスリット２８ａの断面の形状と、それよりスリット配列方向内側のスリット２８ｂの断面の形状とが異なる。これにより、それらスリット２８ａ、２８ｂとロータ外周面との間におけるロータ断面の形状や間隔に差異を生じさせることができる。したがって、永久磁石モータ１はロータ外周面に近接する永久磁石２３の端部付近で生じる磁束量を調整することが可能になる。

以上、本発明の実施形態につき説明したが、本発明の範囲はこれに限定されるものではなく、発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えて実施することができる。

例えば、永久磁石２３、永久磁石挿入口２４及びスリット２６の形状、数量は上記実施形態で用いた形状、数量に限定されるわけではなく、他の形状、数量であっても良い。

また、ロータ２０の軸心を中心とする多角形の各辺に対応する箇所に配置される永久磁石２３に関して、その多角形は上記実施形態の四角形に限定されるわけではなく、例えば六角形や八角形など他の多角形であっても良い。

また、上記実施形態では永久磁石２３の端部近傍の２個または３個のスリットに関して、各々の断面の長手方向略両端を結ぶ直線が略平行をなすとともに各々のうち少なくとも１個の断面の形状が長手方向略両端を結ぶ直線に対して湾曲していることとしたが、永久磁石２３の端部近傍の４個以上のスリットを対象としても良い。この場合、永久磁石２３に沿って間隔を空けて配列される複数のスリットは１０個以上であることが望ましい。

本発明は、永久磁石が埋め込まれたロータを有する永久磁石モータに利用することができる。

１永久磁石モータ
１０ステータ
２０ロータ
２１回転軸
２２ロータコア
２３永久磁石
２４永久磁石挿入口
２５空隙部
２６、２７、２８スリット

Claims

ロータの軸心を中心とする略多角形の各辺に対応する箇所であって２箇所の端部で前記ロータの外周面に近接するように配置されてロータ軸線方向に沿って前記ロータに埋め込まれた永久磁石と、
前記ロータの外周面と前記永久磁石との間に配置されてロータ軸線方向と直角をなす断面の形状が永久磁石側からロータ外周面側に向かって延びる長手状をなしてロータ軸線方向に沿って開口されるとともに前記永久磁石に沿って間隔を空けて複数が配列されたスリットと、
を備え、
前記永久磁石の前記端部に対応して配置されたものを含む前記端部近傍の複数の前記スリットに関して、各々の前記断面の長手方向略両端を結ぶ直線が略平行をなすとともに、前記断面の形状が長手方向略両端を結ぶ前記直線に対して平行な辺を有する形状である１個以上の前記スリットと、前記断面の形状が長手方向略両端を結ぶ前記直線に対して湾曲した形状である１個以上の前記スリットと、を含むことを特徴とする永久磁石モータ。
前記永久磁石の前記端部に対応して配置されたものを含む前記端部近傍の複数の前記スリットに関して、前記端部に対応する前記スリットの前記断面の形状が長手方向略両端を結ぶ前記直線に対して平行な辺を有する形状であり、前記端部に対応する前記スリットよりスリット配列方向内側の前記スリットの前記断面の形状が長手方向略両端を結ぶ前記直線に対して湾曲した形状であることを特徴とする請求項１に記載の永久磁石モータ。
前記永久磁石の前記端部に対応して配置されたものを含む前記端部近傍の複数の前記スリットに関して、前記端部に対応する前記スリットの前記断面の形状が長手方向略両端を結ぶ前記直線に対して湾曲した形状であり、前記端部に対応する前記スリットよりスリット配列方向内側の前記スリットの前記断面の形状が長手方向略両端を結ぶ前記直線に対して平行な辺を有する形状であることを特徴とする請求項１に記載の永久磁石モータ。