JP6333479B2 - 永久磁石電動機 - Google Patents

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Description

本発明は、ステータとロータとロータの回転位置を検出する回転位置検出センサとを備えた永久磁石電動機に関する。
永久磁石電動機のロータに取り付けられたメイン磁石と、ステータに設置された回転位置検出センサとの距離が近い場合、ロータを回転させるためのメイン磁石から発生する主磁束を検出することが可能である。ところが回転位置検出センサが、ステータから突出している巻線部分のコイルエンドに近づくと、コイルエンドに流れる電流により発生する磁束の影響を受け、メイン磁石の主磁束が乱れ、位置検出精度が低下する場合がある。特にモータを小型化する場合、製造誤差の影響が大きくなるため位置検出精度向上が重要になる。
特許文献1に示すモータではメイン磁石と位置検出磁石が別ピースになっており、回転位置検出センサがステータコイルから離間して配置され、回転位置検出センサの近くに位置検出磁石が配置される。この構成により特許文献1に示すモータではコイルによる磁束の影響を排除している。また、メイン磁石と位置検出磁石はロータコアで一体化され、組立上のばらつきを少なくするよう工夫されている。
特許文献2に示すモータは、固定子の磁気による外乱の影響を避けるため、ロータを構成する永久磁石の軸方向長を固定子の長さより長くして、固定子の作用部分から永久磁石の一部を軸方向に延出させ、この延出部分に位置検出用センサを備える。このような構成によれば、軸に回転位置検出用の永久磁石を備える必要がない。
特許文献3に示すモータでは、ロータコアがロータの軸方向に分割された2つの第一のロータコアと第二のロータコアで構成される。第一のロータコアには希土類磁石が挿入され、第二のロータコアにはフェライト磁石が挿入されている。また特許文献3には、第二のロータコアを固定子鉄心の端部よりも軸方向外側に配置した構成例も記載されている。
特開2007−151314号公報 特開平06−38479号公報 特開2010−68600号公報
しかしながら特許文献1から3に開示されるモータでは以下の課題があった。特許文献1のモータにはメイン磁石と位置検出磁石の配向の向きが違うことが示されており、これは別々の着磁ヨークで着磁していることを示している。この場合それぞれの着磁ヨークに位相ずれが発生していると、着磁による配向ずれが起こり、磁気的にはメイン磁石と位置検出磁石にずれが生じることになる。モータの製造設備である着磁ヨークに位相のずれが発生している場合、位相ずれも集積されて精度を出すことが難しくなる。また特許文献1のモータに用いられるロータは磁石埋込型ロータではないため、位置検出磁石の磁束でメイン磁石の磁束をアシストしてトルクに活用することができない。特許文献2のモータでは、軸に回転位置検出用の永久磁石を備える必要がない。ところが近年ではモータに対する高効率化の要求のため、永久磁石に希土類磁石を用いることが多い。そのため高価な希土類磁石を固定子の長さよりも軸方向に延長した場合、その部分はモータのトルクには寄与しない部分となり、位置検出のためだけに磁石量を増やすのはコストパフォーマンスが悪いものになる。特許文献3のモータでは、回転位置検出センサでフェライト磁石をセンシングすることが記載されておらず、また希土類磁石とフェライト磁石を同一磁石挿入孔に入れ、位相ずれをなくすような構成になっていない。なお特許文献3には、希土類磁石とフェライト磁石の位置関係について「希土類磁石とフェライト磁石の極中心は略一致していればよい」と記載され、さらに「第一のロータの磁石挿入孔と第二のロータの磁石挿入孔とは、径方向に少なくとも一部がオーバーラップしていればよい」と記載されている。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、コストの増加を抑制しながらロータの回転位置を精度よく検出することができる永久磁石電動機を得ることを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る永久磁石電動機は、環状のステータコアと、前記ステータコアの内側に配置され、複数の磁石挿入孔を有するロータコアと、前記ロータコアと対向して配置され、前記ロータコアの回転位置を検出する回転位置検出センサと、を備え、前記複数の磁石挿入孔の各々には、希土類磁石配置され、前記複数の磁石挿入孔には、前記ロータコアの回転方向に1つおきにフェライト磁石が配置され、前記複数の磁石挿入孔の内、前記ロータコアの回転方向に1つおきに配置された前記フェライト磁石は、前記複数の磁石挿入孔の各々に配置された前記希土類磁石と軸方向に隣接して配置され、前記ロータコアの前記軸方向の長さは、前記ステータコアの前記軸方向の長さよりも長く、前記希土類磁石は、前記ステータコアの径方向において前記ステータコアと対向するように前記複数の磁石挿入孔の各々に配置され、前記複数の磁石挿入孔の内、前記ロータコアの回転方向に1つおきに配置された前記フェライト磁石は、前記複数の磁石挿入孔の内の対応する磁石挿入孔に配置された前記希土類磁石と前記回転位置検出センサとの間に配置され、前記フェライト磁石から前記回転位置検出センサまでの前記軸方向における距離をL1とし、前記希土類磁石から前記回転位置検出センサまでの前記軸方向における距離をL2としたとき、距離L1は距離L2よりも短い。
本発明に係る永久磁石電動機は、コストの増加を抑制しながらロータの回転位置を精度よく検出することができるという効果を奏する。
実施の形態1にかかる永久磁石電動機の側面図 実施の形態1にかかる永久磁石電動機のロータの断面図 図2のA−A矢視断面図 に示す磁石挿入孔を拡大した図 磁石挿入孔と磁石の長手方向の幅との関係を示す図 図1に示すロータに着磁させる着磁装置の断面図 実施の形態2にかかる永久磁石電動機のロータの断面図
以下に、本発明の実施の形態に係る永久磁石電動機を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
実施の形態1.
図1は実施の形態1にかかる永久磁石電動機の側面図である。永久磁石電動機である電動機100は、ステータ1と、ステータ1の内側に配置されるロータ2と、ロータ2の中心部に貫通する回転軸4と、回転軸4を回転可能に支持する1対の軸受3と、制御基板6と、ロータ2の軸方向一端面側に位置し制御基板6に配置される回転位置検出センサ7と、電動機100の外郭を構成すると共にステータ1の一端側に配置される軸受3の外輪を取り囲むハウジングを構成する熱硬化性樹脂で形成されるモールド樹脂9と、ステータ1の他端側に配置される軸受3の外輪を取り囲みモールド樹脂9で形成された開口部の内周面に嵌め込まれるブラケット5とを有して構成される。
ステータ1は、厚みが0.2mmから0.5mmの電磁鋼板母材から打ち抜かれた鉄心片を複数枚積層して成るステータコア1aと、ステータコア1aに一体成形で形成されまたはステータコア1aとは別体で製作された後にステータコア1aへ嵌め込まれる絶縁材1bと、ステータコア1aの図示しないティースに巻かれる銅製またはアルミ製の巻線1cとで構成される。絶縁材1bは、ポリブチレンテレフタレート(PolyButylene Terephthalate:PBT)、ポリフェニレンサルファイド(Poly Phenylene Sulfide:PPS)、液晶ポリマー(Liquid Crystal Polymer:LCP)、ポリエチレンテレフタレート(PolyEthylene Terephthalate:PET)といった絶縁性の樹脂または紙で構成される。
永久磁石埋込(Interior Permanent Magnet:IPM)型のロータ2は、鉄損値がステータの鉄損値と同一またはステータの鉄損値よりも大きく、厚みが0.2mmから0.5mmの電磁鋼板母材から打ち抜かれた鉄心片を複数枚積層して構成される。ロータ2には複数の磁石挿入孔2bが設けられ、各々の磁石挿入孔2bには磁石が挿入される。具体的には、ロータ2は、回転軸4の外周部に設けられ、ロータコアaの回転方向に離間して配置される複数の磁石挿入孔2bを有するロータコア2aを有し、複数の磁石挿入孔2bの各々には、希土類磁石2cとフェライト磁石2dとが軸方向に隣接して配置される。ロータコア2aの軸方向の長さは、ステータコア1aの軸方向の長さよりも長く、希土類磁石2cは、ステータコア1aの径方向においてステータコア1aと対向するように複数の磁石挿入孔2bの各々に配置される。複数の磁石挿入孔2bの各々に配置されたフェライト磁石2dは、複数の磁石挿入孔2bの内の対応する磁石挿入孔2bに配置された希土類磁石2cと回転位置検出センサとの間に配置される。
希土類磁石2cは高価であるが磁力が強いため、モータの高トルク化および小型化に有効であり、メイン磁石として使用する。位置検出には磁力が弱くても良いため安価なフェライト磁石2dを用いる。希土類磁石2cには、ネオジム(Neodymium:Nd)と鉄(Ferrum:Fe)とボロン(Boron:B)から成るNd−Fe−B系磁石または、サマリウム(Samarium:Sm)と鉄と窒素(Nitrogen:N)から成るSm−Fe−N系磁石が用いられる。また希土類磁石2cには、フェライト磁石2dとともに、焼結磁石タイプまたはボンド磁石タイプが用いられる。焼結磁石は磁力が強いものの単純な形状にしかできないため、複雑な形状の磁石挿入孔2bを採用する場合にはボンド磁石が用いられることもある。メイン磁石の希土類磁石2cと位置検出磁石のフェライト磁石2dを同一挿入孔に入れることで、回転方向の位相ずれの問題が排除できる。希土類磁石2cとフェライト磁石2dは、磁石挿入孔2bに圧入され、または位置ずれに影響のない程度に隙間嵌めされる。
制御基板6のステータ1側の面には回転位置検出センサ7が配置される。回転位置検出センサ7は、ロータ2の軸方向一端面と対向する位置に設置され、フェライト磁石2dの磁束のNSの切り替わりを検出することでロータ2の回転方向における位置を特定し、位置検出信号を出力する。図示しないモータ駆動回路は、回転位置検出センサ7から出力された位置検出信号を利用して巻線1cに電流を通電することで永久磁石電動機の運転を制御する。回転位置検出センサ7は、ステータ1の巻線1cに電流が流れることで生じる磁束の影響を受けると誤動作する虞がある。そのため回転位置検出センサ7はステータ1の巻線1cから離して配置される。一方でロータ2の回転位置を精度よく検出するためにフェライト磁石2dは、その軸方向一端が回転位置検出センサ7の近くまで延出される。
制御基板6には、回転位置検出センサ7以外にも、モールド樹脂9外部に表出し、巻線1cに電力を供給する電源リード線11とセンサリード線12とを電動機100内に導入する口出し部品10が設けられる。また制御基板6には、センサリード線12の端部に接続されたボードインコネクタ8が配置され、ボードインコネクタ8の端子は半田で電子部品と電気的に接合される。制御基板6がステータ1に組みつけられた後、モールド樹脂9でモールド成形されてモールド固定子が得られ、一端側に軸受3が装着されたロータ2をモールド固定子に挿入し、ブラケット5を組み付けることで電動機100が得られる。
一つの磁石挿入孔2bには希土類磁石2cとフェライト磁石2dの2種類の磁石が挿入され、希土類磁石2cの回転位置検出センサ7側にフェライト磁石2dが配置される。希土類磁石2cは、その軸方向長がステータコア1aの軸方向長と同等の長さとされ、巻線1cに流される電流との電磁力によりトルクを発生させるメイン磁石とする。なおステータコア1aの軸方向長と同等の長さは、ステータコア1aに入る磁束を有効に使うためステータコア1aの軸方向長±10%とする。
ロータコア2aの回転位置検出センサ側の端部は、ステータコア1aの回転位置検出センサ側の端面よりも回転位置検出センサ側にオーバーハングし、回転位置検出センサの近くまで延出される。フェライト磁石2dは、ロータコア2aのオーバーハングする部分に配置され、回転位置検出センサの近くまでロータコアとともに延出され位置検出用磁石として作用する。希土類磁石2cの軸方向長がロータコア2aの軸方向長よりも短い場合、フェライト磁石2dの希土類磁石2c側の端部はステータコア1a側に位置するが、フェライト磁石2dの大部分は、ステータコア1aの回転位置検出センサ側の端面よりも回転位置検出センサ側に延出される。
ロータはIPM型であるため、磁石の表面側にも鉄心が配置されている。そのためオーバーハングした部分のフェライト磁石2dの磁束が磁石の径方向外側の鉄心を介して流てステータに入りこむという効果を得られる。すなわちオーバーハング部のフェライト磁石2dは、位置検出用磁石であるとともに、その磁束をメイン磁石である希土類磁石2cの磁束に追加する磁束アシスト機能も持ち合わせる。
図2は実施の形態1にかかる永久磁石電動機のロータの断面図である。図3は図2のA−A矢視断面図である。ロータコア2aにはシャフト挿入孔2fと、極数と同数の磁石挿入孔2bと、複数の磁石挿入孔2bの各々の回転方向の両端に形成されたフラックスバリア2eとが設けられる。図示例では10極分の磁石が磁石挿入孔2bに挿入される。フラックスバリア2eは、隣接する磁石の磁束が鉄心を介して漏れる漏れ磁束を小さくするために設けられる。図3には磁石挿入孔2bに挿入された希土類磁石2cとフェライト磁石2dとフラックスバリア2eとの位置関係が示される。図3の紙面左右方向がロータ2の軸方向に対応する。フラックスバリア2e内は空気でも良いし、磁石固定のための絶縁材、例えばPBT、PPS、LCP、またはPETをフラックスバリア2e内に挿入してもよい。フェライト磁石2dから回転位置検出センサ7までのロータ2の軸方向における距離をL1とし、希土類磁石2cから回転位置検出センサ7までのロータ2の軸方向における距離をL2としたとき、距離L1は距離L2よりも短い。
図4は図に示す磁石挿入孔を拡大した図である。フラックスバリア2eと磁石挿入孔2bは一体化され、磁石挿入孔2bの径方向内側面の両端には、磁石の位置を制限する磁石ストッパー2gが形成されている。従って磁石挿入孔2bの径方向内周側の辺と磁石挿入孔2bの径方向外側の辺と磁石ストッパー2gの辺とで囲まれる領域が磁石挿入孔2bとなる。
図5は磁石挿入孔と磁石の長手方向の幅との関係を示す図である。図1に示すフェライト磁石2dまたは希土類磁石2cは単に磁石と称する。ロータコア2aの径方向を短手方向として、径方向と直交する方向を長手方向として磁石は磁石挿入孔2bに配置される。図5では、長手方向における磁石挿入孔2b長をLhとし、長手方向における磁石巾をLmとする。またaは、磁石と対向する図面左側の磁石ストッパー2gの表面を短手方向に延長した面と、磁石挿入孔2bの径方向外側面と対向する磁石の表面を長手方向に延長した線との交点である。bは、磁石挿入孔2bの長手方向に磁石を移動させて図面右側の磁石ストッパー2gに当接したときの磁石の角部の内、図面左側の磁石ストッパー2gと対向する磁石の短辺と、磁石の径方向外側の長辺との交点部分に位置する角部を示す。Oはシャフトの中心を示す。aとOとを結んだ直線a−Oと、bとOとを結んだ直線b−Oとのなす角度をθとしたとき、θをなるべく小さくすることが希土類磁石2cとフェライト磁石2dの回転方向位相ずれを少なくすることに有効である。ロータ2の回転位置は、メイン磁石である希土類磁石2cの誘起電圧位相で定義されるが、誘起電圧は直接測定できないため、位置検出磁石の磁束を検出する回転位置検出センサの信号で代替される。ただし誘起電圧位相と回転位置検出センサの信号とにずれが生じると、ロータ2の回転位置が正確に把握できていないことになり、適正なタイミングで電圧を印加できなくなり、効率、出力、および騒音といったモータ特性に悪影響を及ぼす。このようなモータをエアコンディショナーに搭載されるファンモータに適用した場合は、エアコンの暖房能力が小さくなり、または消費電力が上がるといった不具合が生じる可能性がある。誘起電圧と回転位置検出センサの信号のずれ量は電気角で10°以上ずれるとモータ特性として影響が大きくなる。そのため、誘起電圧と回転位置検出センサの信号のずれ量は10°未満に抑える必要がある。誘起電圧と回転位置検出センサの信号のずれは、希土類磁石2cとフェライト磁石2dの磁極中心のずれであるので、磁石挿入孔2bの長手方向に対して希土類磁石2cとフェライト磁石2dの各々が逆方向にずれた時が最大になる。電気角θeを機械角θmに換算するには、モータの極数をPとすると、θm=θe/(P/2)で表される。ここで、θmは、希土類磁石2cの磁極中心のずれ量θmrとフェライト磁石2dの磁極中心のずれ量θmfの和であり、希土類磁石2cとフェライト磁石2dが磁石挿入孔2bに対し逆方向にずれた時が最大になる。θmはθmr+θmfとなり、θmr+θmf=θe/(P/2)で表される。θmとa−Oとb−Oとのなす角度をθの関係は、幾何学的にθm=θ/2となるので、希土類磁石2cのθをθr、フェライト磁石2dのθをθfとすると、θr/2+θf/2=θe/(P/2)となる。θeは10°未満が望ましいので、θr/2+θf/2<10°/(P/2)となるようにクリアランス調整される。図2に示す10極のロータ2では、θr/2+θf/2<10°(10/2)=2°となる。回転位置検出センサは、径方向に着磁されたフェライト磁石2dの延出部の軸方向へ漏れた磁束を検知する。そのため、フェライト磁石2dが挿入されるロータコア2aの外周面の延長線上か、この延長線上よりもステータ側へ移動した斜めの位置方向が検出しやすい。
図6は図1に示すロータに着磁させる着磁装置の断面図である。着磁装置30は、上側が開口する凹状のフレーム31と、フレーム31の内側の開口部に配置される着磁ヨーク32とを備える。着磁ヨーク32は、その軸方向長さがロータ2の軸方向長さよりも長く形成されている。図示例のように希土類磁石2cが着磁ヨーク32と相対するように、図1に示すロータ2が着磁装置30の開口部に挿入される。着磁ヨーク32の巻線に瞬間的に大電流を流すと、着磁ヨーク32からの磁束により、希土類磁石2cとフェライト磁石2dは、軸方向と直交する方向に各々同時に着磁される。これにより希土類磁石2cのN極およびS極と、フェライト磁石2dのN極およびS極とが同じ位相で着磁される。メイン磁石と位置検出磁石が別ピースに分けられたロータを用いた場合、着磁による位相のずれが発生するが、実施の形態1に係るロータ2ではこのような着磁による位相のずれが発生しない。
実施の形態2.
図7は実施の形態2にかかる永久磁石電動機のロータの断面図である。実施の形態2では、位置検出用のフェライト磁石2dが磁石挿入孔2bにつおきに挿入されている。具体的には実施の形態2のロータ2Aでは、複数の磁石挿入孔2bの各々には、希土類磁石2cが配置され、複数の磁石挿入孔2bには、ロータコア2aの回転方向に1つおきにフェライト磁石2dが配置され、複数の磁石挿入孔2bの内、ロータコア2aの回転方向に1つおきに配置されたフェライト磁石2dは、複数の磁石挿入孔2bの各々に配置された希土類磁石2cと軸方向に隣接して配置される。ロータコア2aの軸方向の長さは、ステータコア1aの軸方向の長さよりも長く、希土類磁石2cは、ステータコア1aの径方向においてステータコア1aと対向するように複数の磁石挿入孔2bの各々に配置される。複数の磁石挿入孔2bの内、ロータコア2aの回転方向に1つおきに配置されたフェライト磁石2dは、複数の磁石挿入孔2bの内の対応する磁石挿入孔2bに配置された希土類磁石2cと回転位置検出センサとの間に配置される。
このように構成した場合、ロータ2Aでは磁力が半分以下になるが、位置検出上問題なければフェライト磁石2dが半分になることによって、コストが削減できる。また、磁石と磁石の間のフェライト磁石2d未挿入部の極は、鉄心の形状にもよるが、磁束が乱れて検出しづらくなることもあり得る。そのような場合には、磁石のある部分の極のみを検出するようにする。ロータ2Aの一回転あたりの検出回数は半減するが、検出頻度に問題が生じない場合はコストの低減効果が得られる。
以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。
1 ステータ、1a ステータコア、1b 絶縁材、1c 巻線、2 ロータ、2a ロータコア、2b 磁石挿入孔、2c 希土類磁石、2d フェライト磁石、2e フラックスバリア、2f シャフト挿入孔、2g 磁石ストッパー、3 軸受、4 回転軸、5 ブラケット、6 制御基板、7 回転位置検出センサ、8 ボードインコネクタ、9 モールド樹脂、10 口出し部品、11 電源リード線、12 センサリード線、13 電源リード線、30 着磁装置、31 フレーム、32 着磁ヨーク、100 電動機。

Claims (3)

  1. 環状のステータコアと、
    前記ステータコアの内側に配置され、複数の磁石挿入孔を有するロータコアと、
    前記ロータコアと対向して配置され、前記ロータコアの回転位置を検出する回転位置検出センサと、
    を備え、
    前記複数の磁石挿入孔の各々には、希土類磁石が配置され、
    前記複数の磁石挿入孔には、前記ロータコアの回転方向に1つおきにフェライト磁石が配置され、
    前記複数の磁石挿入孔の内、前記ロータコアの回転方向に1つおきに配置された前記フェライト磁石は、前記複数の磁石挿入孔の各々に配置された前記希土類磁石と軸方向に隣接して配置され、
    前記ロータコアの前記軸方向の長さは、前記ステータコアの前記軸方向の長さよりも長く、
    前記希土類磁石は、前記ステータコアの径方向において前記ステータコアと対向するように前記複数の磁石挿入孔の各々に配置され、
    前記複数の磁石挿入孔の内、前記ロータコアの回転方向に1つおきに配置された前記フェライト磁石は、前記複数の磁石挿入孔の内の対応する磁石挿入孔に配置された前記希土類磁石と前記回転位置検出センサとの間に配置され、
    前記フェライト磁石から前記回転位置検出センサまでの前記軸方向における距離をL1とし、前記希土類磁石から前記回転位置検出センサまでの前記軸方向における距離をL2としたとき、
    距離L1は距離L2よりも短い永久磁石電動機。
  2. 前記ロータコアの前記回転位置検出センサ側の端部は、前記ステータコアの前記回転位置検出センサ側の端面よりも前記回転位置検出センサ側にオーバーハングし、前記回転位置検出センサの近くまで延出され、
    前記複数の磁石挿入孔の内、周方向に1つおきに配置されたフェライト磁石は、前記ロータコアのオーバーハングする部分に配置され、前記回転位置検出センサの近くまで前記ロータコアとともに延出される請求項に記載の永久磁石電動機。
  3. 前記複数の磁石挿入孔の各々に配置された前記希土類磁石と、前記複数の磁石挿入孔の内、周方向に1つおきに配置された前記フェライト磁石とは、1つの着磁ヨークで同時に着磁される請求項または請求項に記載の永久磁石電動機。
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