JP6357870B2 - 永久磁石式電動機 - Google Patents

Description

本発明は、永久磁石式電動機に関する。

永久磁石式電動機は、コギングトルクと呼ばれる一種のトルク脈動が発生する。永久磁石式電動機においてコギングトルクが大きい場合には、電動機の制御性能の悪化や騒音が発生するなどの問題が生じる。
コギングトルクは、回転子コアの回転によって磁気抵抗が変化することが原因である。よって、機械角による磁気抵抗の変化が少なくなるようにすれば、コギングトルクを低減できる。
コギングトルクを低減する方法として、例えば特許文献１のように回転子コアにスキューを施す技術がある。特許文献１は、回転子コアを軸方向に複数分割し、これら分割した物を所定の角度ずらして回転子を構成する。軸方向に分割した回転子コアのある１片において磁気抵抗の大きい機械角で、別の１片において磁気抵抗が小さくなるようにずらす角度を調整すれば、電動機全体での磁気抵抗の機械角による変化を小さくできる。

また、コギングトルクを低減する他の方法として、特許文献２のように回転子コアの外周をいわゆる花弁形状とすることが知られている。永久磁石式電動機は、略直方体などの単純な形状の永久磁石が用いられるため、磁石からの磁束の波形は正弦波というよりもむしろ矩形波に近く、多くの高調波を含んでいる。こうした高調波はトルクに寄与せず、しかも、極数とスロット数から決まる特定の次数の高調波は、電動機全体での磁気抵抗の機械角による変化となって、コギングトルク発生の原因となる。
このような高調波を低減するために、特許文献２は、回転子コアの外周を花弁形状とし、ｑ軸方向付近において、回転子コアの外周面と固定子の内周面との間のギャップを広げ、磁束の波形を正弦波に近づけるという技術である。なお、回転子コアの回転中心を通過して永久磁石の磁極方向に延在する軸をｑ軸とし、ｄ軸に電気角で直交する軸をｑ軸とする。

特開平１０−８００７９号公報 特開２０００−１９７２９２号公報

しかし、特許文献１は、スキューを施すことによりコギングトルクが大きく低下するものの、トルクに直接寄与する基本波成分も位相をずらして重ね合わされるため、トルク自体も若干低下してしまう。また、特許文献１は、スキューを施すために軸方向に分割した箇所の付近では、磁束が軸方向にも流れ、鉄損が増加してしまうという問題がある。
また、特許文献２の回転子コアは、同一形状の花弁が軸方向の一端から他端まで形成されているので、軸方向の端部に回転子コアの外周面と固定子の内周面との間のギャップが広くなり、磁束が大量に漏れて磁束の回転軸方向成分が発生してしまうため、鉄損の増加に繋がってしまうおそれがある。
そこで、本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、電動機特性を大きく低下させることなく、コギングトルクを低減させることができる永久磁石式電動機を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明の一態様に係る永久磁石式電動機は、励磁コイルを巻装した固定子と、この固定子の内周面に外周がギャップを設けて対向している回転子と、を備えている。上記回転子は、回転子コアと、この回転子コアの軸方向に貫通し、周方向に間隔をあけて形成した複数のスロットと、これらスロットのそれぞれに磁極面を上記回転子コアの径方向に向けて埋設された複数の永久磁石と、を備えている。そして、上記回転子コアの回転中心を通過して前記永久磁石の磁極方向に延在する軸をｄ軸とし、このｄ軸に電気角で直交する軸をｑ軸とすると、上記回転子コアの軸方向両端部以外の外周形状は、上記ｄ軸上の第１外径寸法が最も大きく、上記ｑ軸上の第２外径寸法が最も小さい円弧形状の外周面を有する形状とされているとともに、上記回転子コアの軸方向両端部は、全周の外径寸法が上記第２外径寸法より大きい外周形状とされている。

本発明に係る永久磁石式電動機によれば、ｑ軸付近における固定子の内周面と、回転子コアの軸方向両端部以外の外周との間のギャップを大きくすることができるので、磁束の波形を正弦波に近づけてコギンクトルクを低減することができるとともに、ｑ軸付近における軸方向の他端部の回転子コアが漏れ磁束を吸収することで、鉄損の増加を抑制することができる。

本発明に係る第１実施形態の永久磁石式電動機を示す正面図である。 本発明に係る第１実施形態の永久磁石式電動機を示す平面図である。 本発明に係る第１実施形態の回転子コアの軸方向両端部以外の断面を示す図である。 本発明に係る第１実施形態の回転子コアの軸方向の一端部の断面を示す図である。 本発明に係る第１実施形態の永久磁石式電動機の作用を説明した図である。 本発明に係る第２実施形態の永久磁石式電動機を示す平面図である。 本発明に係る第２実施形態の回転子コアの軸方向両端部以外の断面を示す図である。 本発明に係る第２実施形態の回転子コアの軸方向の一端部の断面を示す図である。

以下、この発明を実施するための形態（以下、実施形態という。）を、図面を参照しながら詳細に説明する。
［第１実施形態］
図１から図４は、本発明に係る第１実施形態の永久磁石式電動機１を示すものであり、図１は永久磁石式電動機１の正面図、図２は永久磁石式電動機１の平面図、図３は図２のIII−III矢視断面図、図４は図２のIV−IV矢視断面図である。
図１に示すように、第１実施形態の永久磁石式電動機１は、円筒状フレーム２と、この円筒状フレーム２の内周側に配置した固定子３と、この固定子３の内周面３ａとの間にギャップを設けて対向する４極用の回転子４とを有している。回転子４は、円筒状フレーム２に配設した一対の軸受（不図示）によって回転自在に支持された回転軸５の外周に装着されている。

固定子３は、複数枚の固定子用鋼板を積層し、これら複数の固定子用鋼板の内周面側に、円周方向に等間隔に複数のスロット６が形成され、これらスロット６の間に複数のティース７が設けられている。そして、各ティース７に励磁コイル８が巻装されている。
回転子４は、回転軸５が貫通している回転子コア９と、この回転子コア９の周方向に等間隔に設けられた４箇所の回転子スロット１０ａ〜１０ｄと、これら回転子スロット１０ａ〜１０ｄ内に挿入された４個の永久磁石１１ａ〜１１ｄとを有している。

４個の永久磁石１１ａ〜１１ｄは、周方向に隣り合う永久磁石の外周側の極と内周側（回転軸５側）の極とが異極となるように構成されている。すなわち、永久磁石１１ａの外周側がＮ極、内周側がＳ極であり、この永久磁石１１ａに隣接して配置された永久磁石１１ｂの外周側がＳ極、内周側がＮ極である。
回転子コア９は、軟磁性材からなる板状部材、例えば無方向性電磁鋼板を複数枚積層してなるものである。

図２の符号９ａで示す部分を軸方向中央部の回転子コアと称し、図２の符号９ｂで示す部分を軸方向一端部の回転子コアと称し、図２の符号９ｃで示す部分を軸方向他端部の回転子コアと称する。そして、軸方向一端部の回転子コア９ｂ及び軸方向他端部の回転子コア９ｃの間の全ての回転子コアを、軸方向中央部の回転子コア９ａとしている。
ここで、本発明の回転子コアの軸方向両端部以外の外周形状が、第１実施形態の軸方向中央部の回転子コア９ａに対応している。

図３は、軸方向中央部の回転子コア９ａを示すものである（図２のIII−III矢視断面図）。この軸方向中央部の回転子コア９ａの外周形状は、回転子コア９の回転中心Ｃａを通過して永久磁石１１ａの磁極方向に延在する軸をｄ軸とし、このｄ軸に電気角で直交する軸をｑ軸とすると、ｄ軸上の回転中心Ｃａから外周までの第１外径寸法Ｄａが最も大きく、ｑ軸上の回転中心Ｃａから外周までの第２外径寸法Ｄｂが最も小さくなるような円弧形状の外周面を有し、永久磁石１１ａの外周側に花弁９ａ１を形成している（Ｄｂ＜Ｄａ）。
また、他の永久磁石１１ｂ〜１１ｄの外周側にも、各々のｄ軸及ｑ軸に対応して同一形状の花弁９ａ１が形成されており、軸方向中央部の回転子コア９ａの外周形状は、極数と同じ４個の花弁形状とされている。

図４は、軸方向一端部の回転子コア９ｂを示すものである。この軸方向一端部の回転子コア９ｂの外周形状は、図４に示すように、ｄ軸上の回転中心Ｃａから外周までが第１外径寸法Ｄａであり、ｑ軸上の回転中心Ｃａから外周までの寸法が第３外径寸法Ｄｃに設定されている。この第３外径寸法Ｄｃは、第２外径寸法Ｄｂより大きく、第１外径寸法Ｄａ以下の値である（Ｄｂ＜Ｄｃ≦Ｄａ）。

これにより、軸方向一端部の回転子コア９ｂは、永久磁石１１ａの外周側に花弁９ｂ１が形成されているとともに、他の永久磁石１１ｂ〜１１ｄの外周側にも、各々のｄ軸及ｑ軸に対応して同一形状の花弁９ｂ１が形成されており、軸方向一端部の回転子コア９ｂの外周形状も、極数と同じ４個の花弁形状とされている。
また、軸方向の他端部の回転子コア９ｃの外周形状も、軸方向の一端部の回転子コア９ｂと同一形状の極数と同じ４個の花弁形状とされている。

次に、第１実施形態の作用効果について説明する。
この第１実施形態の永久磁石式電動機１は、軸方向中央部の回転子コア９ａの外周形状を花弁形状とすると、ｑ軸付近における固定子３の内周面と軸方向中央部の回転子コア９ａの外周との間のギャップを大きくすることができるので、磁束の波形を正弦波に近づけてコギンクトルクを低減することができる。

ここで、図５（ａ）は、第１実施形態の回転子コア９及び固定子３をｑ軸に直交する方向から示したものであり、図５（ｂ）は、特許文献２で示した軸方向の一端から他端まで同一形状の花弁形状とした回転子コア２０及び固定子３をｑ軸に直交する方向から示したものである。
図５（ｂ）で示した特許文献２の回転子コア２０は、同一形状の花弁が軸方向の一端から他端まで形成されているので、軸方向の端部に回転子コア２０の外周面と固定子３の内周面３ａとの間のギャップが広くなり、磁束が大量に漏れて磁束の回転軸方向成分が発生してしまうため（図５（ｂ）の符号２１の領域）、鉄損が増加する。

これに対して、図５（ａ）で示す第１実施形態は、軸方向の他端部の回転子コア９ｃの外周形状が、ｑ軸上の第３外径寸法Ｄｃを第２外径寸法Ｄｂより大きい値に設定することで、軸方向中央部の回転子コア９ａと比較して固定子３の内周面３ａとのギャップを小さくした花弁形状に形成されているので、ｑ軸付近における軸方向の他端部の回転子コア９ｃが漏れ磁束を吸収し、鉄損の増加を抑制することができる。なお、図示していないが、軸方向の一端部の回転子コア９ｂの外周形状も、そのｑ軸上の第３外径寸法Ｄｃが軸方向中央部の回転子コア９ａの第２外径寸法Ｄｂより大きい値に設定され、軸方向中央部の回転子コア９ａと比較して、固定子３の内周面３ａとのギャップを小さくして花弁形状に形成されているので、ｑ軸付近における軸方向の他端部の回転子コア９ｃが漏れ磁束を吸収し、鉄損の増加を抑制することができる。

［第２実施形態］
次に、図６から図８は、本発明に係る第２実施形態の永久磁石式電動機２２を示すものであり、図６は永久磁石式電動機２２の平面図であり、図７は図６のVII−VII矢視断面図であり、図４は図２のVIII−VIII矢視断面図である。これらの図において、第１実施形態と同一構成のものは、同一符号を付してその説明を省略する。
第２実施形態の永久磁石式電動機２２は、固定子３の内周面３ａとの間にギャップを設けて対向する４極用の回転子２３を有している。

この回転子２３は、回転軸５が貫通している回転子コア２４と、この回転子コア２４の周方向に等間隔に設けられた４箇所の回転子スロット１０ａ〜１０ｄと、これら回転子スロット１０ａ〜１０ｄ内に固定された４個の永久磁石１１ａ〜１１ｄとを有している。
回転子コア２４は、軟磁性材からなる板状部材、例えば無方向性電磁鋼板を複数枚積層してなるものである。

図６の符号２４ａで示す部分を軸方向中央部の回転子コアと称し、図６の符号２４ｂで示す部分を軸方向一端部の回転子コアと称し、図６の符号２４ｃで示す部分を軸方向他端部の回転子コアと称する。そして、軸方向一端部の回転子コア２４ｂ及び軸方向他端部の回転子コア２４ｃの間の全ての回転子コアを、軸方向中央部の回転子コア２４ａとしている。
ここで、本発明の回転子コアの軸方向両端部以外の外周形状が、第２実施形態の軸方向中央部の回転子コア２４ａに対応している。

図７は、軸方向中央部の回転子コア２４ａを示すものである。この軸方向中央部の回転子コア２４ａの外周形状は、ｄ軸上の回転中心Ｃａから外周までの第１外径寸法Ｄａが最も大きく、ｑ軸上の回転中心Ｃａから外周までの第２外径寸法Ｄｂが最も小さくなるような円弧形状の外周面を有し、永久磁石１１ａの外周側に花弁２４ａ１が形成されている（Ｄｂ＜Ｄａ）。
また、他の永久磁石１１ｂ〜１１ｄの外周側にも、各々のｄ軸及ｑ軸に対応して同一形状の花弁２４ａ１が形成されており、軸方向中央部の回転子コア２４ａの外周形状は、極数と同じ４個の花弁形状とされている。このように、第２実施形態の軸方向中央部の回転子コア２４ａは、第１実施形態の軸方向中央部の回転子コア９ａと同一形状の花弁形状である。

図８は、軸方向一端部の回転子コア２４ｂを示すものである。この軸方向一端部の回転子コア２４ｂの外周形状は、回転中心Ｃａから外周までが第１外径寸法Ｄａの真円形状である。
また、軸方向の他端部の回転子コア２４ｃの外周形状も、回転中心Ｃａから外周までが第１外径寸法Ｄａの真円形状である。
この第２実施形態の永久磁石式電動機２２によると、軸方向中央部の回転子コア２４ａの外周形状を花弁形状とすると、ｑ軸付近における固定子３の内周面と軸方向中央部の回転子コア２４ａの外周との間のギャップを大きくすることができるので、磁束の波形を正弦波に近づけてコギンクトルクを低減することができる。
また、第２実施形態の軸方向の両端部の回転子コア２４ｂ，２４ｃの外周形状が、回転中心Ｃａから外周までの距離を第１外径寸法Ｄａとした真円形状に形成されたことで、固定子３の内周面３ａとのギャップがさらに小さくなり、ｑ軸付近における軸方向の両端部の回転子コア２４ｂ，２４ｃが漏れ磁束をさらに吸収し、鉄損の増加を大幅に抑制することができる。

なお、第２実施形態の回転子コア２４ｂ，２４ｃを第１外径寸法Ｄａの真円形状としたが、第１外径寸法Ｄａよりさらに大きな値に設定して固定子３の内周面３ａとのギャップをさらに小さくしてもよい。ただし、固定子コア２４ｂ，２４ｃの第１外径寸法Ｄａは固定子３の内径寸法よりも小さくする。
また、第１実施形態の回転子コア９及び第２実施形態の回転子コアは、軸方向一端部の回転子コア９ｂ，２４ｂ及び軸方向他端部の回転子コア９ｃ，２４ｃと、軸方向中央部の回転子コア９ａ，２４ａと、を構成する軟磁性材の種類が異なっていてもよい。

また、回転子コア９，２４の軸方向の長さのうち、軸方向一端部の回転子コア９ｂ，２４ｂ及び軸方向他端部の回転子コア９ｃ，２４ｃが占める割合は、漏れ磁束を十分吸収できるものであれば、あまり大きくする必要はない。例えば板厚０．５mmや０．３５mmの無方向性電磁鋼板を複数枚積層して回転子コア９，２４を形成する場合には、全積層枚数のうち、１〜３枚程度をそれぞれ軸方向一端部の回転子コア９ｂ，２４ｂ及び軸方向他端部の回転子コア９ｃ，２４ｃとすればよい。
また、第１及び第２実施形態では４個の永久磁石１１ａ〜１１ｄを有する４極１２スロットの永久磁石式電動機１，２２について説明したが、例えば６極３６スロットや８極１２スロット等のように他の極数やスロット数の永久磁石式電動機であっても、同様の効果を奏することができる。

１…永久磁石式電動機、２…円筒状フレーム、３…固定子、３ａ…内周面、４…回転子、５…回転軸、６…スロット、７…ティース、８…励磁コイル、９…回転子コア、９ａ…軸方向中央部の回転子コア、９ｂ…軸方向一端部の回転子コア、９ｃ…軸方向他端部の回転子コア、９ａ１…軸方向中央部の回転子コアの花弁、９ｂ１…軸方向一端部の回転子コアの花弁、９ｃ１…軸方向他端部の回転子コアの花弁、１０ａ〜１０ｄ…回転子スロット、１１ａ〜１１ｄ…永久磁石、２２…永久磁石式電動機、２３…回転子、２４…回転子コア、２４ａ…軸方向中央部の回転子コア、２４ａ１…軸方向中央部の回転子コアの花弁、２４ｂ…軸方向一端部の回転子コア、２４ｃ…軸方向他端部の回転子コア、Ｄａ…第１外径寸法、Ｄｂ…第２外径寸法、Ｄｃ…第３外径寸法

Claims (3)

1. 励磁コイルを巻装した固定子と、
   この固定子の内周面に外周がギャップを設けて対向している回転子と、を備え、
   前記回転子は、回転子コアと、この回転子コアの軸方向に貫通し、周方向に間隔をあけて形成した複数のスロットと、これらスロットのそれぞれに磁極面を前記回転子コアの径方向に向けて埋設された複数の永久磁石と、を備え、
   前記回転子コアの回転中心を通過して前記永久磁石の磁極方向に延在する軸をｄ軸とし、このｄ軸に電気角で直交する軸をｑ軸とすると、
   前記回転子コアの軸方向両端部以外の外周形状は、前記ｄ軸上の第１外径寸法が最も大きく、前記ｑ軸上の第２外径寸法が最も小さい円弧形状の外周面を有する形状とされているとともに、
   前記回転子コアの軸方向両端部は、全周の外径寸法が前記第２外径寸法より大きい外周形状とされていることを特徴とする永久磁石式電動機。
2. 前記回転子コアの軸方向両端部の外周形状は、前記ｑ軸上の第３外径寸法が、前記第２外径寸法より大きく、且つ前記第１外径寸法以下の値である円弧形状の外周面を有する形状とされていることを特徴とする請求項１記載の永久磁石式電動機。
3. 前記回転子コアの軸方向両端部の外周形状は、前記第１外径寸法以上の真円形状であることを特徴とする請求項１記載の永久磁石式電動機。

Images