JP6220651B2 - 同期電動機の回転子 - Google Patents

Description

本発明は、同期電動機の回転子に関するものである。

同期電動機には様々な種類が存在する。一般的な同期電動機の部品構成について、図９を用いて説明する。図９は、従来の同期電動機の固定子２および回転子１の軸方向断面図である。図９に示す様に、固定子２は固定子鉄心１２に巻線５を巻回して、フレーム１１に固定されている。前記フレーム１１に設けられた軸受１０に回転軸３が支持されている。回転子１は、複数の電磁鋼板を積層して前記回転軸３に挿入された回転子鉄心１５と、前記回転子鉄心１５の軸方向の両端に配設されたバランスリング１３によって構成されている。前記バランスリング１３は、回転軸３に接着もしくは焼きバメによって固定されている。

この様な構造の同期電動機としてよく知られているのが、リラクタンス型同期電動機（以下、リラクタンスモータ）と埋込構造永久磁石同期電動機（以下、ＩＰＭモータ）である。リラクタンスモータとＩＰＭモータでは、回転子の構造が異なる。図７と図８を用いて説明する。

始めに、リラクタンスモータの回転子の径方向断面図を図７に示す。図７に示す様に、リラクタンスモータの回転子は、複数の電磁鋼板が積層された回転子鉄心１５を有し、この電磁鋼板の表面に円周方向の磁極位置から隣接する磁極位置に向かって複数のスリット２０が形成されている。スリット２０は、エアギャップとして作用し、スリットに交差する方向には磁気抵抗が大きくなり、小さな磁束しか発生しない。つまり、漏れ磁束４０はほとんど生成されない。一方、スリットの方向すなわち、磁路２６の方向は磁気抵抗が小さくなり、リラクタンストルク向磁束２５が容易に生成され、リラクタンストルクが発生する。

次にＩＰＭモータの回転子の径方向断面図を図８に示す。図８に示す様に、ＩＰＭモータの回転子は、磁石挿入穴とスリット２０が形成された回転子鉄心１７と、回転子鉄心１７に内挿された永久磁石１６で構成されている。スリット２０よりも外径側にリラクタンストルク向磁束２５が生成されて、上記リラクタンスモータと同様にリラクタンストルクが発生する。一方、前記永久磁石１６から固定子側に向かってマグネットトルク向磁束２７が生成されマグネットトルクが発生する。この様に、ＩＰＭモータはマグネットトルクとリラクタンストルクを合成したトルクが得られる。

この様な同期電動機は工作機械の主軸に使用されることが多いが、その場合、回転時に低振動であることが要求されるため、回転子のアンバランスを極力減らす必要がある。一般的に、回転子のバランス調整を行う際は、始めにアンバランス量とアンバランスの回転方向位置をバランシングマシン等で求めて、図９のバランスリング１３の外周を削ったり、バランスリング１３の外周に複数のタップ穴を設けてネジを取り付けたり、バランスリング１３にバランスウェイトを貼り付けたりすることで、アンバランスを削減している。

特開平１０−３１１３７５号公報

回転子のバランスリングは、磁束漏れによるトルク低下を防ぐためにステンレス鋼やアルミニウム合金などの材料コストがかかる非磁性材料が用いられることが多い。

リラクタンスモータとＩＰＭモータでは、磁束の流れ方が異なるため、別々に説明する。はじめに、図７を用いてリラクタンスモータについて説明する。リラクタンスモータは、背景技術で説明した通り、リラクタンストルクを低下させる漏れ磁束４０を生成しない様にする必要がある。バランスリング１３に非磁性材料を用いた場合は、想定通り漏れ磁束４０を生成しない様にすることが出来るが、バランスリング１３に磁性材料を用いた場合は、バランスリング１３を介して磁路２６が互いに磁気的につながってしまうため、トルクを弱める漏れ磁束４０の方向に漏れ磁束が発生する。この漏れ磁束によって、リラクタンストルクを発生させる磁束が減り、出力されるトルクが低下してしまう。

次に、図８と図１０を用いてＩＰＭモータについて説明する。図１０は、バランスリング１３に磁性材料を用いた場合のＩＰＭモータの磁束を示した軸方向の断面図である。ＩＰＭモータは背景技術で説明した通り、リラクタンストルクとマグネットトルクの両方を発生するが、バランスリング１３に磁性材料を用いると、前記リラクタンスモータで説明した様にバランスリング１３を介して、図８に示したマグネットトルク向磁束２７の逆方向に漏れ磁束が発生して、リラクタンストルクが低下する。それに加えて、図１０に示す様に永久磁石１６とバランスリング１３の間で渦状の漏れ磁束４１が発生して、固定子２に向かってマグネットトルク向磁束２７が生成されなくなる。その結果、マグネットトルク向磁束２７の一部がマグネットトルクに寄与しなくなりトルクが低下してしまう。上記理由により、バランスリング１３には非磁性材料を用いることが多い。

さらに、バランスリングの外周に穴を設けて回転子のアンバランスを調整する場合は、作業性を考慮して非磁性材料の中でも比重が大きいステンレス鋼を用いることが多く、材料コストがかかってしまう。

そこで、本発明は、漏れ磁束を発生させることなく、同期電動機のバランスリングに使用している非磁性材料の使用量を削減して、モータを安価に提供することを目的とする。

本発明の同期電動機の回転子は、表面に円周方向の磁極位置から隣接する磁極位置に向かって複数のスリットで磁極を形成した電磁鋼板が積層配置された円柱状の回転子鉄心と、前記回転子鉄心の軸方向両外側に配設されたバランス調整を行うバランスリングと、を備えた同期電動機の回転子であって、前記バランスリングは、磁性材料からなり、前記回転子鉄心における複数のスリットが設けられた領域に軸方向で接しないよう外形形状に設定された第１リングと、前記第１リングの外周に固定され、非磁性材料からなるバランス調整用の第２リングと、を有する、ことを特徴とする。

他の本発明の同期電動機の回転子は、永久磁石を埋設するための磁石挿入穴を形成した電磁鋼板が積層配置された円柱状の回転子鉄心と、前記回転子鉄心の磁石挿入穴に埋設される永久磁石と、前記回転子鉄心の軸方向両外側に配設されたバランス調整を行うバランスリングと、を備えた同期電動機の回転子であって、前記バランスリングは、磁性材料からなり、前記回転子鉄心における磁石挿入孔及び前記磁石挿入孔の径方向外側の領域に軸方向で接しない外形形状に設定された第１リングと、前記第１リングの外周に固定され、非磁性材料からなるバランス調整用の第２リングと、を有する、ことを特徴とする。

前記第１リングを積層した電磁鋼板で形成することが望ましい。また、前記第２リングの内周縁のうち、前記第１リングの外周縁に接触しない箇所に、バランスウェイトを取り付けてバランス調整することが望ましい。

本発明に係る同期電動機の回転子によれば、第１リングを安価な磁性材料とし、第２リングのみ非磁性材料を用いることが可能となり、漏れ磁束を発生させることなく、モータを安価に提供することができる。

さらに、第１リングに電磁鋼板を用いることで、プレス加工やワイヤー加工で製作可能となり、素材から削り出した部品と比べて部品コストを抑えることができ、モータを安価に提供することができる。

また、回転子のアンバランスを前記第２リングの内径に非磁性のバランスウェイトを取り付けて調整することで、前記第２リングの外周に穴やタップ穴を設ける作業を廃止して加工コストを抑えることができる。さらに前記第２リングの材料は、比重の大小を考慮する必要が無くなるため、アルミニウム等の比較的安価な非磁性材料を用いることが可能になり、モータを安価に提供することができる。

（ａ）は、本発明の第１の実施形態を示すリラクタンスモータの回転子の軸方向断面図、（ｂ）は、（ａ）におけるＡ−Ａ断面図である。 本発明の第１の実施形態で用いる第１リングおよび第２リングの形状とリラクタンスモータの軸方向視図である。 本発明の第２の実施形態を示すＩＰＭモータの回転子の径方向断面図である。 本発明の第２の実施形態でのＩＰＭモータの磁束を示した軸方向の断面図である。 本発明の第３の実施形態を示す第１リングの斜視図である。 本発明の第４の実施形態を示すリラクタンスモータの回転子の断面図である。 リラクタンスモータの回転子を説明した径方向の断面図である。 ＩＰＭモータの回転子を説明した径方向の断面図である。 従来のリラクタンスモータの固定子及び回転子の軸方向の断面図である。 バランスリング１３に磁性材料を用いた場合のＩＰＭモータの磁束を示した軸方向の断面図である。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態について説明する。図１〜図６において、１は回転子、２は固定子、３は回転軸、１５はリラクタンスモータ用回転子鉄心、１６は永久磁石、１７はＩＰＭモータ用回転子鉄心、２０はスリット、２１は第１リング、２２は第２リング、２４はバランスウェイト、２５はリラクタンストルク向磁束、２６は磁路、２７はマグネットトルク向磁束、４０は漏れ磁束、４１は渦状の漏れ磁束である。

［第１の実施形態］
本発明の第１実施形態について、図１〜図２を参照して説明する。図１（ａ）は、本発明の第１の実施形態を示すリラクタンスモータの回転子の軸方向断面図、図１（ｂ）は、図１（ａ）におけるＡ−Ａ断面図である。図２は、第１の実施形態で用いる第１リング２１および第２リング２２の形状と、リラクタンスモータの軸方向視図である。

まず、構成について説明する。本発明の実施形態である同期電動機の回転子１は、回転子鉄心１５と、回転子鉄心１５の軸方向両外側に磁性材料からなる第１リング２１と、前記第１リング２１の外周に非磁性材料からなるバランス調整用の第２リング２２とで構成されている。

回転子鉄心１５は、板状の電磁鋼板を軸方向に積層して円柱状に構成されており、その軸心には、回転軸３を挿入する孔が貫通成形されている。積層した電磁鋼板の表面には円周方向の磁極位置から隣接する磁極位置に向かってスリット２０が形成されている。前記回転子鉄心１５の軸方向両外側に配設された第１リング２１は、鉄などの磁性材料からなる。また、外形寸法は回転子鉄心１５の隣接するスリット２０で構成された磁路２６を遮断しないようにするために、回転子の最も内径側にある磁路２６の内径寸法以下とする。別の言い方をすれば、第１リング２１は、磁路２６と重複しない形状である。本実施形態では、第１リング２１を、図２に示すように、円形から磁路２６と対応する４カ所を切り欠いた形状としている。なお、外形寸法は、回転子の磁路と磁気的につながらなければよいため、磁路２６の最内径寸法以下であれば最も内径側にあるスリット２０を遮ってもよいし、図１に示す様にスリット２０の最内径寸法としてもよい。

前記第１リング２１の外周に固定されたバランス調整用の第２リング２２は、バランス調整のし易さを考慮して比重が大きいステンレス鋼等の非磁性材料を使用する。前記第２リング２２の固定方法は、前記第１リングに接着してもよいし、焼きバメしてもよいし、ボルト等で固定してもよい。なお、外径寸法は、バランスの調整代が確保できればよいので、回転子鉄心と同一である必要はない。ただし、第２リング２２は、第１リング２１の外周に取り付けられる関係上、当該第２リング２２の内径は、第１リング２１の最大外径とほぼ同じにすることが望ましい。

以上のように、前記第１リング２１と第２リング２２を使用すれば、回転子鉄心１５の軸方向両端に形成されたリラクタンストルクに寄与する磁路の外側には、空隙もしくは非磁性材料が隣接するため、漏れ磁束は発生せずトルクも低下しない。

本実施形態によれば、第１リングを安価な磁性材料とし、第２リングのみ非磁性材料を用いることが可能となり、漏れ磁束を発生させることなく、非磁性材料の使用量を削減してモータを安価に提供することができる。

ちなみに、前記第１リングの軸方向の厚みは、前記第２リングと同一幅である必要はなく、第２リングを接着できる接着代や焼きバメ代分の厚みがあればよい。これにより、磁性材料の使用量も削減することが可能である。なお、リラクタンスモータには、スリット２０に磁石を挿入したタイプのものもあるが、その場合でも、磁路２６には、リラクタンストルク向磁束２５が生成されるため、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。

［第２の実施形態］
本発明の第２実施形態について、図３、４を参照して説明する。図３は本発明の第２の実施形態を示すＩＰＭモータの回転子の径方向断面図である。図４は本発明の第２の実施形態でのＩＰＭモータの磁束を示した軸方向の断面図である。

第２の実施形態に係る同期電動機の回転子が第１の実施形態と異なる点は、ＩＰＭモータである点である。図３に示す様に本実施形態による回転子は、磁石挿入穴とスリット２０が形成された電磁鋼板を積層配置した回転子鉄心１７と、前記回転子鉄心１７の磁石挿入穴に内挿された永久磁石１６で構成されている。

前記回転子鉄心１７の軸方向両外側に配設された第１リング２１は、鉄などの磁性材料を使用する。また、マグネットトルクに寄与する回転子鉄心１７に内挿された永久磁石１６と固定子を流れるマグネットトルク向磁束２７と、リラクタンストルクに寄与する回転子鉄心１７のスリット２０より外側を流れるリラクタンストルク向磁束２５が第１リング２１に漏れないようにするために、第１リング２１の外形寸法は、永久磁石の内径寸法以下およびスリット２０の最外径寸法以下とする。別の言い方をすれば、第１リング２１は、永久磁石１６と重複せず、かつ、スリットの外側に形成される磁路と重複しない形状となっている。なお、外形寸法は、回転子の磁路と磁気的につながらなければよいため、スリット２０の最外径寸法以下であればスリット２０を遮ってもよいし、図３に示す様にスリット２０の最内径寸法としてもよい。前記第１リング２１の外周に固定されたバランス調整用の第２リング２２については、第１の実施形態と同様であるため省略する。

以上の通り、前記第１リング２１と第２リング２２を使用すれば、回転子鉄心１７の軸方向両端に形成されたリラクタンストルクとマグネットトルクに寄与する磁路の外側には、空隙もしくは非磁性材料が隣接するため、背景技術の図７で説明したような漏れ磁束４０や図４に示す様な渦状の漏れ磁束４１は発生せずトルクも低下しない。つまり、本実施形態によれば、ＩＰＭモータの回転子であっても、漏れ磁束を発生させることなく、非磁性材料の使用量を削減してモータを安価に提供することができる。

［第３の実施形態］
本発明の第３実施形態について、図５を参照して説明する。図５は本発明の第３の実施形態を示す第１リングの斜視図である。

第３の実施形態に係る同期電動機の回転子が第１および第２の実施形態と異なる点は、前記第１リング２１を積層した電磁鋼板で形成する点である。

磁路形状によっては、第１リング２１を複雑な形状で製作する必要がある。複雑な形状を素材から削り出す場合、レーザー加工機等で曲面を加工した後に旋盤で外径を旋削すれば比較的安価に製作可能であるが、電磁鋼板の様な薄板をプレス加工機やワイヤー加工機で加工して積層した方がより安価に製作することができる。

本実施形態によれば、第１リングの部品コストを素材からの削り出し品に比べて抑えることでモータを安価に提供することができる。

［第４の実施形態］
本発明の第４実施形態について、図６を参照して説明する。図６は本発明の第４の実施形態を示すリラクタンスモータの回転子の断面図である。第３の実施形態に係る同期電動機の回転子が第１〜３の実施形態と異なる点は、バランスの調整方法を前記第２リング２２の外周に穴やタップ穴を設ける方法から、バランスリングにツバを設けることなく、前記第２リングの内径に非磁性のバランスウェイト２４を取り付けて調整する方法に変更する点である。

図６に示す様に第１リング２１と第２リング２２の空隙にバランスウェイト２４を取り付けることで、ツバを設けなくても径方向への飛び出しを防ぐことが出来る。この際、バランスウェイト２４は、第２リング２２の内径側に取り付けた方がより遠心力の影響を受け難い。つまり、本実施形態では、第２リング２２の内周縁のうち、第１リング２１の外周縁に接触しない箇所に、バランスウェイト２４を取り付けてバランスの調整を行う。さらにバランスウェイトの材質は、軸方向への磁束漏れを考慮して非磁性の材料を採用する。

本実施形態によれば、前記第１〜３の実施形態に比べて、前記第２リングの外周に穴やタップ穴を加工するコストを削減できる。さらに、前記第２リングの材料は、比重の大小を考慮する必要が無くなるため、比重が小さいアルミニウム等の比較的安価な非磁性材料を用いることが可能になる。よって、モータをさらに安価で提供することができる。

なお、本発明によれば、第１リングの外径を大きくすることで、第２リングの肉厚を薄くして材料コストを安くすることができる。もし、第２リングだけで課題を解決しようとすると、第２リングをモータコアに固定するために、例えば、第２リングとモータコアを、長い固定ボルトで結合する等しなければならないが、多層スリット構造のモータコアは、外径付近にスリットが配置されているため、ボルトを通す箇所がなく、コアの内径側に配置することになる。このため、第２リングだけでは、第２リングの肉厚を薄くできず、材料コストは安くならない。

１ 回転子、２ 固定子、３ 回転軸、５ 巻線、１０ 軸受、１１ フレーム、１２ 固定子鉄心、１３ バランスリング、１５ 回転子鉄心（リラクタンス型同期電動機用）、１６ 永久磁石、１７ 回転子鉄心（埋込構造永久磁石同期電動機用）、２０ スリット、２１ 第１リング、２２ 第２リング、２４ バランスウェイト、２５ リラクタンストルク向磁束、２６ 磁路、２７ マグネットトルク向磁束、４０ 漏れ磁束、４１渦状の漏れ磁束

Claims (4)

1. 表面に円周方向の磁極位置から隣接する磁極位置に向かって複数のスリットで磁極を形成した電磁鋼板が積層配置された円柱状の回転子鉄心と、
   前記回転子鉄心の軸方向両外側に配設されたバランス調整を行うバランスリングと、
   を備えた同期電動機の回転子であって、
   前記バランスリングは、
   磁性材料からなり、前記回転子鉄心における複数のスリットが設けられた領域に軸方向で接しない外形形状に設定された第１リングと、
   前記第１リングの外周に固定され、非磁性材料からなるバランス調整用の第２リングと、
   を有する、ことを特徴とする同期電動機の回転子。
2. 永久磁石を埋設するための磁石挿入穴を形成した電磁鋼板が積層配置された円柱状の回転子鉄心と、
   前記回転子鉄心の磁石挿入穴に埋設される永久磁石と、
   前記回転子鉄心の軸方向両外側に配設されたバランス調整を行うバランスリングと、
   を備えた同期電動機の回転子であって、
   前記バランスリングは、
   磁性材料からなり、前記回転子鉄心における磁石挿入孔及び前記磁石挿入孔の径方向外側の領域に軸方向で接しない外形形状に設定された第１リングと、
   前記第１リングの外周に固定され、非磁性材料からなるバランス調整用の第２リングと、
   を有する、ことを特徴とする同期電動機の回転子。
3. 前記第１リングは積層した電磁鋼板で形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の同期電動機の回転子。
4. 前記回転子のバランス調整は、前記第２リングの内周縁のうち、前記第１リングの外周縁に接触しない箇所に、バランスウェイトを取り付けてバランス調整する、
   ことを特徴とする請求項１〜３に記載の同期電動機の回転子。

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