JP6377883B2 - モータ - Google Patents

Description

本発明は、磁石が埋め込まれたロータを有したモータに関するものである。

従来より、磁石補助型のシンクロナスリラクタンスモータ（Synchronous Reluctance Motor，略してSynRM）や内部磁石埋込型モータ（Interior Permanent Magnet，略してIPMモータ）などのモータが知られている。このようなモータには、ロータの端面が、コイルエンド付近まで延長されているものがある（例えば特許文献１を参照）。特許文献１の例では、ロータを軸方向に延長させることには、ホール素子でロータ内の磁石の半径方向の磁界成分を検知するという目的がある。

特開２００７−１４１８４号公報

しかしながら、ステータと対向していないロータ延長部分においては、ステータと対向した部分と比べてエアギャップ長が長くなるため磁気抵抗が大きくなりロータコアの磁束密度が低く磁気飽和が緩和される。そのため、ステータと対向した部分とロータ延長部分とでは、トルクが最大となる電流位相が互いに異なり、この電流位相の相違ゆえに、特にリラクタンストルクを主体としたモータでは十分にトルクを発生できない。

本発明は前記の問題に着目してなされたものであり、ロータがステータと対向していない部分を有したモータにおいて、トルクの向上を図ることを目的としている。

前記の課題を解決するため、第１の発明は、
磁石（34）が埋め込まれたロータコア（31）を有したモータにおいて、
前記ロータコア（31）は、ステータコア（21）よりも軸方向長が長く形成されて、少なくとも一方の軸方向端部に前記ステータコア（21）に対向しない非対向部分を有し、全部又は一部によって前記非対向部分を構成する第１ロータコア（31a）と、前記第１ロータコア（31a）に隣接する第２ロータコア（31b）とに分割され、
前記第１ロータコア（31a）と前記第２ロータコア（31b）との間には、前記第１ロータコア（31a）の方が、前記分割の面において回転方向に進んだ位置となるように、スキューが設けられ、
前記スキュー及び前記第１ロータコア（31a）の軸方向長（La）は、
前記第２ロータコア（31b）のみで最大トルクを発生させたときの電流位相である第１電流位相（β2）と、電流位相が該第１電流位相（β2）の際に前記第１ロータコア（31a）のみで発生するトルク（Ta）と同じ大きさのトルク（Ta）を該第１ロータコア（31a）のみで発生させる、該第１電流位相（β2）よりも小さな値の電流位相である第２電流位相（β1）との間の電流位相に、前記第１ロータコア（31a）のみで最大トルクを発生させたときの電流位相がなるように設定されており、
前記ロータコア（31）は、軸方向両端に前記第１ロータコア（31a）が設けられていることを特徴とする。

この構成では、前記第１ロータコア（31a）と前記第２ロータコア（31b）との間には、前記第１ロータコア（31a）の方が回転方向に進んだ位置となるように、スキューが設けられているので、第１ロータコア（31a）における電流位相を小さくできる。これにより、第１ロータコア（31a）のトルクをトルク曲線（後述）のピークに近づけることができる。

この構成では、電流位相（β）に応じてスキュー角（θ）が設定される。

この構成では、電流位相（β）に応じて第１ロータコア（31a）の軸方向長（La）が設定される。

この構成では、ロータコア（31）の両端においてスキューが設けられる。

また、第２の発明は、
第１のモータにおいて、
前記第１ロータコア（31a）は、前記ロータコア（31）が前記ステータコア（21）に対向する部分を含んでいることを特徴とする。

この構成では、第１ロータコア（31a）の一部分がステータコア（21）と対向するので、その対向部分ではマグネットトルクが発生する。

第１の発明によれば、第１ロータコア（31a）のトルクをトルク曲線（後述）のピークに近づけることができるので、モータ全体としてのトルクの向上を図ることが可能になる。また、第１ロータコア（31a）と第２ロータコア（31b）との間にスキューを設けたことにより、平均トルクを低下させること無くロータ（30）の磁気障壁に起因する高調波磁束を低減でき、その結果、鉄損の低減や、振動低減の効果を得ることも可能になる。また第１ロータコア（31a）と第２ロータコア（31b）は略同一の断面形状を持つため、鋼板打ち抜きのための金型を複数製作する必要がない。

また、第１の発明によれば、確実にトルクを増大できる。

また、第１の発明によれば、ロータコア（31）の両端においてスキューが設けられるので、トルクをより増大させることが可能になる。

また、第２の発明によれば、より大きなトルクを発生させることが可能になる。

図１は、実施形態１に係るモータの横断面図である。 図２は、ステータ及びロータの縦断面図である。 図３は、ロータにおけるスキュー角を説明する図であり、図３（Ａ）は、第２ロータコアの磁石の位置を示し、図３（Ｂ）は、第１ロータコアの磁石の位置を示している。 図４は、第１ロータコア及び第２ロータコアのそれぞれについて、トルクと電流位相との関係を示した図である。 図５は、関連技術に係るステータ及びロータの縦断面図である。 図６は、実施形態２に係るステータ及びロータの縦断面図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。

《発明の実施形態１》
図１は、本発明の実施形態１に係るモータ（10）の横断面図である。このモータ（10）は、例えばＥＶ／ＨＥＶの駆動用モータや空気調和機の電動圧縮機（図示は省略）に用いる。

〈モータ（10）の構成〉
モータ（10）は、図１に示すように、ステータ（20）、ロータ（30）、及び駆動軸（40）を備え、前記電動圧縮機のケーシング（50）に収容されている。なお、以下の説明において、軸方向とは駆動軸（40）の軸心の方向をいい、径方向とは前記軸心と直交する方向をいう。また、外周側とは前記軸心からより遠い側をいい、内周側とは前記軸心により近い側をいう。

〈ステータ（20）〉
ステータ（20）は、図１に示すように、円筒状のステータコア（21）と、コイル（26）を備えている。

ステータコア（21）は、電磁鋼板（P）をプレス加工によって打ち抜いて積層板を作成し、複数の積層板を軸方向に積層した積層コアである。ステータコア（21）は、図１に示すように、１つのバックヨーク部（22）、それぞれ複数のティース部（23）、及びツバ部（24）を備えている。

それぞれのティース部（23）は、ステータコア（21）において径方向に伸びる直方体状の部分である。各ティース部（23）の間の空間が、コイル（26）が収容されるコイル用スロット（25）である。

バックヨーク部（22）は、円環状をしている。バックヨーク部（22）は、各ティース部（23）を該ティース部（23）の外周側で連結している。ステータコア（21）は、バックヨーク部（22）の外周部がケーシング（50）の内面に固定されている。

ツバ部（24）は、それぞれのティース部（23）の内周側に連なる部分である。ツバ部（24）は、ティース部（23）よりも幅（周方向の長さ）が大きく構成されている。ツバ部（24）は、内周側の面が円筒面である。その円筒面は、後述のロータコア（31）の外周面（円筒面）と所定の距離（エアギャップ（G））をもって対向している。

ティース部（23）には、いわゆる分布巻方式で、コイル（26）が巻回されている。勿論、コイル（26）は、集中巻方式で巻回することも可能である。

〈ロータ（30）〉
図２は、ステータ（20）及びロータ（30）の縦断面図である。ロータ（30）は、ロータコア（31）、複数の磁石（34）、及び２つの端板（35）を備え、円筒状の形態である。この例では、ロータ（30）は、６つの磁極が形成され、磁石（34）は、各極毎に多層を構成するように設けられている。具体的には、それぞれの極に３層の永久磁石（34）が設けられている。

ロータコア（31）は、電磁鋼板（P）をプレス加工によって打ち抜いて積層板を作成し、複数の積層板を軸方向に積層した積層コアである。ロータコア（31）は、前記軸方向に、互いに接する３つのロータコア（31a,31b,31a）に分割されている。より詳しくは、ロータコア（31）は、ステータ（20）よりも軸方向長が長く形成されて、２つの第１ロータコア（31a）と、１つの第２ロータコア（31b）とに分割されている。第２ロータコア（31b）は、軸方向両端から第１ロータコア（31a）によって挟み込まれている（図２を参照）。この例では、第１ロータコア（31a）は、ロータコア（31）の軸方向両端においてステータ（20）に対向しない非対向部分と同じ軸方向長（La）を有している。すなわち、ロータコア（31）は、非対向部分の全部を含み、第２ロータコア（31b）の軸方向長（Lb）と、ステータコア（21）の軸方向長とは同じである。なお、この例では、図２に示すように、それぞれの第１ロータコア（31a）の軸方向長（La）は、第２ロータコア（31b）の軸方向長（Lb）よりも小さい。

ロータコア（31）では、第１ロータコア（31a）及び第２ロータコア（31b）の双方ともに、磁石（34）をそれぞれ装着する複数の磁石用スロット（32）が形成されている（図１参照）。それぞれの磁石用スロット（32）は、ロータコア（31）の軸心回りに６０°ピッチで配置されている。それぞれの磁石用スロット（32）は、軸方向から見て概ねＵ字状の形状を有し、ロータコア（31）を軸方向に貫通している。

また、本実施形態では、第１ロータコア（31a）と第２ロータコア（31b）との間にスキューが設けられている。図３は、ロータ（30）におけるスキュー角（θ）を説明する図であり、図３（Ａ）は、第２ロータコア（31b）の磁石（34）の位置を示し、図３（Ｂ）は、第１ロータコア（31a）の磁石（34）の位置を示している。同図に示すように、第１ロータコア（31a）の磁石用スロット（32）の方が、第２ロータコア（31b）の磁石用スロット（32）よりも回転方向側に進んだ位置にある。このようなスキューを設けるために、それぞれの磁石（34）は、第１ロータコア（31a）用と、第２ロータコア（31b）用とに分割されている。

〈端板（35）〉
端板（35）は、円板状の形態を有し、例えばステンレスなどの非磁性金属で形成されている。

〈第１ロータコア長及びスキュー角の設定〉
図４は、第１ロータコア（31a）及び第２ロータコア（31b）のそれぞれについて、トルク（T）と電流位相（β）との関係を示した図（トルク曲線と呼ぶ）である。ここで、電流位相（β）とは、永久磁石同期モータのステータと第２ロータコアのｄ、ｑ座標系におけるｑ軸からの電流の進み角（β=arctan id/iq）をいう。図４に示すように、横軸を電流位相（β）、縦軸をトルク（T）とすると、トルク曲線は上に凸の曲線となる。第１ロータコア（31a）は、第２ロータコア（31b）よりも磁束密度が低いので、トルク（T）の最大値、及び最大値となる電流位相（β）は、第２ロータコア（31b）とは異なっている。なお、図４の例では、第２ロータコア（31b）は、該第２ロータコア（31b）の電流位相（βb）がβ２のときに最大トルクとなる。

例えば、第１ロータコア（31a）と第２ロータコア（31b）との間にスキュー角（θ）を設けない場合には、第２ロータコア（31b）のトルクが最大トルクの場合（電流位相（βb）＝β２の場合）には、第１ロータコア（31a）の電流位相（βa）は、β２となる。このように、第１ロータコア（31a）と第２ロータコア（31b）とで、トルク（T）が最大値となる電流位相（β）が異なると、特にリラクタンストルクを主体としたモータでは十分にトルクを発生できない。

本実施形態では、第２ロータコア（31b）が最大トルクを発生する際における第１ロータコア（31a）の電流位相（βa）が、図４に示したβ１からβ２の間となるように、第１ロータコア（31a）の軸方向長（La）さ、及びスキュー角（θ）を設定してある。ここで、β１は、βａ＝β２の場合の第１ロータコア（31a）のトルクをＴａとした場合に、β１＜β２、且つ第１ロータコア（31a）のトルクがＴ＝Ｔａとなる第１ロータコア（31a）の電流位相である。

すなわち、本実施形態では、第２ロータコア（31b）で最大トルクを発生させた際の第１ロータコア（31a）における電流位相（βa）が、第２ロータコア（31b）で最大トルクを発生させる電流位相（β2）よりも所定量だけ小さくなるように、ロータコア（31）の軸方向長（Lb）及びスキュー角（θ）を設定しているのである。例えば、本実施形態のモータ（10）を空気調和機の電動圧縮機に用いた例では、電気角（＝機械角×極対数）で、１°から３０°の範囲で後述の効果が得られた。

〈本実施形態における効果〉
既述のとおり、第１ロータコア（31a）と第２ロータコア（31b）との間にスキュー角（θ）を設けていない場合には、第２ロータコア（31b）のトルクが最大トルクの場合（βｂ＝β２の場合）には、第１ロータコア（31a）の電流位相（βa）は、β２となる。この場合には、第１ロータコア（31a）のトルクは、Ｔａとなる。そして、第１ロータコア（31a）の軸方向端部での磁束漏れにより、ロータコア（31）の軸方向端部付近の磁気飽和は、ロータコア（31）の軸方向中心部に比べて緩和される。

これに対し本実施形態では、第１ロータコア（31a）の磁石（34）を、第２ロータコア（31b）の磁石（34）よりも回転方向側に進んだ位置にすることで、第２ロータコア（31b）が最大トルクを発生する際における第１ロータコア（31a）の電流位相（βa）が、図４に示したβ１からβ２の間となるようにしてある。つまり、第１ロータコア（31a）トルクが最大となる電流位相が遅れることになる。これにより、第１ロータコア（31a）のトルクは、Ｔａよりも大きくなる。

すなわち、ロータがステータと対向していない部分を有したモータにおいて、トルクの向上を図ることが可能になる。また、第１ロータコア（31a）と第２ロータコア（31b）との間にスキューを設けたことにより、ロータ（30）における高調波磁束を低減でき、その結果、鉄損の低減や、振動低減の効果を得ることも可能になる。

《発明の関連技術》
図５は、関連技術に係るステータ（20）及びロータ（30）の縦断面図である。同図に示すように、本関連技術のロータコア（31）は、一方の軸方向端部のみに第１ロータコア（31a）が設けられている。第１ロータコア（31a）は、非対向部分と同じ軸方向長を有している。この構成においても、第１ロータコア（31a）の磁石（34）が、第２ロータコア（31b）よりも回転方向側に進んだ位置になるように、第１ロータコア（31a）と第２ロータコア（31b）との間にスキューを設けてある。スキュー角（θ）の設定、及び第１ロータコア（31a）の軸方向長（La）の設定は、実施形態１と同様の考え方に基づいている。これにより、本関連技術においても、トルクの向上を図ることが可能になる。

また、第２ロータコア（31b）には、第１ロータコア（31a）が設けられていない軸方向端部側から磁石（34）を挿入すればよいので、組み立てが容易になる。また、第２ロータコア（31b）を設けた側には、磁石（34）の抜け止めを設ける必要がない。

《発明の実施形態２》
図６は、実施形態２に係るステータ（20）及びロータ（30）の縦断面図である。本実施形態のロータコア（31）は、実施形態１と同様に、前記軸方向に、互いに接する３つのロータコア（31a,31b,31a）に分割されている。より詳しくは、ロータコア（31）は、ステータ（20）よりも軸方向長が長く形成されて、２つの第１ロータコア（31a）と、１つの第２ロータコア（31b）とに分割されている。第２ロータコア（31b）は、軸方向両端から第１ロータコア（31a）によって挟み込まれている（図６を参照）。この例では、それぞれの第１ロータコア（31a）は、前記非対向部分よりも、軸方向長（La）が長く形成されている。すなわち、第１ロータコア（31a）は、その一部がステータコア（21）と対向している。この構成においても、第１ロータコア（31a）の磁石（34）が、第２ロータコア（31b）よりも回転方向側に進んだ位置になるように、第１ロータコア（31a）と第２ロータコア（31b）との間にスキューを設けてある。そのため、本実施形態でも実施形態１と同様に、トルクの向上を図ることが可能になる。

《その他の実施形態》
なお、第１ロータコア（31a）は、軸方向長（La）を非対向部分の軸方向長よりも短くなる（すなわち、第１ロータコア（31a）が当該非対向部分の軸方向端部側の一部のみを含む）ように構成してもよい。

また、非対向部分は、一方の軸方向端部のみに設けるようにしてもよい。

また、第１及び第２ロータコア（31a,31b）は、積層コア（電磁鋼板）には限定されない。例えば、第１及び第２ロータコア（31a,31b）は、圧粉磁性体で構成することもできる。また、例えば、第１及び第２ロータコア（31a,31b）の一方を圧粉磁性体で構成し、もう一方を電磁鋼板で構成するなど、異種の磁性材料で構成したコアを組み合わせてロータコア（31）を構成してもよい。

本発明は、磁石が埋め込まれたロータを有したモータとして有用である。

１０ モータ
２１ ステータコア
３１ ロータコア
３１ａ 第１ロータコア
３１ｂ 第２ロータコア
３４ 磁石

Claims (2)

1. 磁石（34）が埋め込まれたロータコア（31）を有したモータにおいて、
   前記ロータコア（31）は、ステータコア（21）よりも軸方向長が長く形成されて、少なくとも一方の軸方向端部に前記ステータコア（21）に対向しない非対向部分を有し、全部又は一部によって前記非対向部分を構成する第１ロータコア（31a）と、前記第１ロータコア（31a）に隣接する第２ロータコア（31b）とに分割され、
   前記第１ロータコア（31a）と前記第２ロータコア（31b）との間には、前記第１ロータコア（31a）の方が、前記分割の面において回転方向に進んだ位置となるように、スキューが設けられ、
   前記スキュー及び前記第１ロータコア（31a）の軸方向長（La）は、
   前記第２ロータコア（31b）のみで最大トルクを発生させたときの電流位相である第１電流位相（β2）と、電流位相が該第１電流位相（β2）の際に前記第１ロータコア（31a）のみで発生するトルク（Ta）と同じ大きさのトルク（Ta）を該第１ロータコア（31a）のみで発生させる、該第１電流位相（β2）よりも小さな値の電流位相である第２電流位相（β1）との間の電流位相に、前記第１ロータコア（31a）のみで最大トルクを発生させたときの電流位相がなるように設定されており、
   前記ロータコア（31）は、軸方向両端に前記第１ロータコア（31a）が設けられていることを特徴とするモータ。
2. 請求項１のモータにおいて、
   前記第１ロータコア（31a）は、前記ロータコア（31）が前記ステータコア（21）に対向する部分を含んでいることを特徴とするモータ。

Images