JP6477271B2

JP6477271B2 - 永久磁石電動機

Info

Publication number: JP6477271B2
Application number: JP2015117615A
Authority: JP
Inventors: 孝史鈴木; 朋記西尾
Original assignee: Fujitsu General Ltd
Current assignee: Fujitsu General Ltd
Priority date: 2015-06-10
Filing date: 2015-06-10
Publication date: 2019-03-06
Anticipated expiration: 2035-06-10
Also published as: JP2017005871A

Description

本発明は、永久磁石電動機に関する。

近年、コンプレッサー等に用いられる永久磁石電動機には、ロータコア内部に永久磁石を埋め込んだＩＰＭ（ＩｎｔｅｒｉｏｒＰｅｒｍａｎｅｎｔＭａｇｎｅｔ）モータ、あるいは、ロータコアの表面に永久磁石を配設したＳＰＭ（ＳｕｒｆａｃｅＰｅｒｍａｎｅｎｔＭａｇｎｅｔ）モータなどがある。この永久磁石電動機のロータコアは、永久磁石を埋め込んだ後、両端を非磁性材料からなる端板等で塞ぐことで、永久磁石の飛び出しを防いでいる。

例えば、特許文献１の永久磁石式回転子は、ＳＰＭモータに用いられ、端板の外周付近を周方向に所定間隔毎に切り起こし、永久磁石を押圧するための突起部を形成し、この突起部が形成された端板を回転子の片側端面に配置することにより、突起部が永久磁石に押圧力を加えることで永久磁石を固定規制している。

特開平４−１６５９３３号公報

しかしながら、上記特許文献１によれば、永久磁石を押圧する突起部は、端板を周方向に切り起こして形成されているため、永久磁石の厚み（ｔ２）、幅（Ｗ）、高さ（Ｌ）を図１０のように定義すると、特許文献１の突起部が永久磁石を押さえる面積が小さく、厚み（ｔ２）方向に点で押圧するため、永久磁石に対して局所的な力が加わり、磁石が破損するおそれがある。また、磁石を押さえる力を分散するためには、１つの永久磁石に対して幅（Ｗ）方向に複数の突起部を形成する必要がある。

そこで、本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ロータコア内部に配設する永久磁石を端板により局所的な力が加えられることなく安全かつ確実に固定支持することが可能な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、本発明は、ステータコア内に円柱状のロータコアと、同ロータコアの中央部に設けられる回転軸とを配置し、該回転軸に沿って該ロータコアに形成した孔に永久磁石を埋め込み、該ロータコアの両端に端板を配置して前記永久磁石を押さえる永久磁石電動機であって、前記端板は、前記回転軸から離れ、前記端板に径方向に延びる突起部を形成し、前記突起部は、前記端板を前記ロータコアに固定する複数のリベットの間に設けられ、先端側に前記永久磁石を押さえる磁石押さえ部を備えると共に、根元側に該磁石押さえ部を弾性的に支持する支持部を備えていることを特徴とする。

また、本発明は、前記磁石押さえ部は、前記突起部の先端側を前記孔に向かうように曲げて形成されていることが好ましい。

また、本発明は、前記端板は、前記永久磁石電動機に埋め込まれた複数の永久磁石のうちの一部の永久磁石を押さえる突起部を設けた第１端板と、前記複数の永久磁石のうち残りの永久磁石を押さえる突起部を設けた第２端板とからなり、前記第１端板と前記第２端板は突起部同士が向い合わないようにずらして両端に配置することが好ましい。

本発明によれば、ロータコアに埋め込んだ永久磁石を押圧する磁石押さえ部を周方向に長く形成できるため、永久磁石に加わる力を分散させることができ、磁石押さえ部の根元側に支持部を備えているため、永久磁石を安全かつ確実に固定支持可能な永久磁石電動機が得られるという効果を奏する。

図１は、本実施例にかかる特徴的な端板を両端に配置したロータコアをステータコア内に配置した永久磁石電動機の構成を示す平面図である。図２−１は、永久磁石電動機に埋め込まれた全ての永久磁石を押さえる突起部が設けられた端板の構成を示す平面図である。図２−２は、図２−１の端板の右側面図である。図３−１は、永久磁石電動機に埋め込まれた永久磁石の半数の永久磁石を押さえる突起部が設けられた端板の構成を示す平面図である。図３−２は、図３−１の端板の右側面図である。図４は、突起部が設けられていない端板の構成を示す平面図である。図５は、図３−１のＡ−Ａ線断面図である。図６−１は、図３−１の突起部の磁石押さえ部を端板の外周付近に配置する場合の端板の構成を示す平面図である。図６−２は、図６−１の端板の右側面図である。図７−１は、ロータコアに永久磁石を埋め込んで図２−１の端板をロータコアの両端に配置したロータコアの構成を示す平面図である。図７−２は、図７−１のＢ−Ｂ線断面図である。図８−１は、ロータコアに永久磁石を埋め込んで図３−１の端板をロータコアの両端に突起部同士が向い合わないようにずらして配置したロータコアの構成を示す平面図である。図８−２は、図８−１のＣ−Ｃ線断面図である。図８−３は、図８−１のロータコアを反対方向から見たロータコアの構成を示す平面図である。図９−１は、ロータコアに永久磁石を埋め込んで図４の端板をロータコアの両端に配置したロータコアの構成を示す平面図である。図９−２は、図９−１のＤ−Ｄ線断面図である。図１０は、図７−１のロータコアに埋め込まれた永久磁石の寸法と磁石面積との関係を説明する斜視図である。

以下に、本発明にかかる永久磁石電動機の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。

図１は、本実施例にかかる特徴的な端板を両端に配置したロータコアをステータコア内に配置した永久磁石電動機の構成を示す平面図であり、図２−１は、永久磁石電動機に埋め込まれた全ての永久磁石を押さえる突起部が設けられた端板の構成を示す平面図であり、図２−２は、図２−１の端板の右側面図であり、図３−１は、永久磁石電動機に埋め込まれた永久磁石の半数の永久磁石を押さえる突起部が設けられた端板の構成を示す平面図であり、図３−２は、図３−１の端板の右側面図であり、図４は、突起部が設けられていない端板の構成を示す平面図であり、図５は、図３−１のＡ−Ａ線断面図であり、図６−１は、図３−１の突起部の磁石押さえ部を端板の外周付近に配置する場合の端板の構成を示す平面図であり、図６−２は、図６−１の端板の右側面図である。

本実施例にかかる永久磁石電動機４０は、図１に示すように、軟磁性体の鋼板であるけい素鋼板を複数枚積層して円柱状に形成した回転子鉄心にそれぞれ磁石埋め込み孔が周方向に沿って環状に形成される。その磁石埋め込み孔の中に永久磁石１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ、１１ｅ、１１ｆを埋め込んだ後、その両端１４、１５（図７−２参照）に端板２０を配置して、３本のリベット１２で挟持固定することによりロータコア１０を構成している。ロータコア１０の中心には、回転軸１３が設けられている。ロータコア１０の外側にはロータコア１０の外周部から所定のエアギャップを隔ててステータコア３０が配置される。ステータコア３０は、環状のヨーク部３１とヨーク部３１から内方に延びる９本のティース部３２が４０度（機械角）間隔で形成され、ティース部３２の先端から周方向に先端エッジ部３３が突出している。

本実施例にかかる永久磁石電動機４０の特徴は、ロータコア１０の両端１４、１５に配置される端板２０の構造にある。端板２０は、磁束の漏れを防止するため非磁性材料（例えば、ＳＵＳ３０４など）により構成されている。端板２０は、円板状の非磁性材料を、永久磁石１１ａ〜１１ｆを径方向に跨ぐ位置でコ字状に切り欠くことによって、図１に示すように、径方向に延びる突起部２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄ、２４ｅ、２４ｆを形成する。そして、この突起部２４ａ〜２４ｆの先端側を図１の紙面奥行き方向に折り曲げることにより、永久磁石１１ａ〜１１ｆの幅（Ｗ）方向（後述する図７−１及び図１０に示すＷ方向参照）に所定の長さを持つ磁石押さえ部２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄ、２５ｅ、２５ｆを形成することができる。このように、本実施例に係る磁石押さえ部２５ａ〜２５ｆは、上記特許文献１のように周方向に切り起こした突起部と異なり、径方向に延びる突起部２４ａ〜２４ｆとしたことで、ロータコア１０に埋め込んだ永久磁石１１ａ〜１１ｆを押圧する磁石押さえ部２５ａ〜２５ｆが永久磁石１１ａ〜１１ｆの幅（Ｗ）方向に長く形成できることから、永久磁石に加わる力を分散させることができる。

また、磁石押さえ部２５ａ〜２５ｆの根元側には、磁石押さえ部２５ａ〜２５ｆを弾性的に支持する支持部２６ａ、２６ｂ、２６ｃ、２６ｄ、２６ｅ、２６ｆを備えている。この支持部２６ａ〜２６ｆは、端板２０をコ字状に切り欠いて、径方向に延びる突起部２４ａ〜２４ｆを形成し、その突起部２４ａ〜２４ｆの先端側の磁石押さえ部２５ａ〜２５ｆを片持ち支持する構造とすることで、弾性的に支持可能としている。このため、磁石押さえ部２５ａ〜２５ｆによって押さえられる永久磁石１１ａ〜１１ｆの寸法（ここでは、高さ（Ｌ））やロータコア１０の積厚に多少ばらつきがあったとしても、支持部２６ａ〜２６ｆによって吸収することが可能となり、永久磁石１１ａ〜１１ｆを確実に固定支持することができる。

（端板の構成例）
本実施例に係る端板２０は、図２−１に示すように、１つの端板にロータコア１０に埋め込まれた全ての永久磁石１１ａ〜１１ｆを押さえる突起部２４ａ〜２４ｆに磁石押さえ部２５ａ〜２５ｆが形成され、その根元側には支持部２６ａ〜２６ｆを備えている。弾性を持たせた突起部２４ａ〜２４ｆの形状例としては、図２−１に示すように、磁石押さえ部２５ａ〜２５ｆの周方向の長さをａとし、突起部２４ａ〜２４ｆの径方向の長さをｂとし、図２−２に示すように、端板２０の厚みをｔ１とし、磁石押さえ部２５ａ〜２５ｆの高さをｈとし、これらの寸法（ａ，ｂ，ｈ）や板厚（ｔ１）を変えることによって、弾性の強さを自由に設計することが可能である。これらの各寸法については、次に説明する図３−１の端板２１の場合も同様である。

本実施例に係る端板２１は、図３−１に示すように、１つの端板にロータコア１０に埋め込まれた全ての永久磁石１１ａ〜１１ｆの半数の永久磁石を押さえる突起部２４ｇ、２４ｈ、２４ｉに磁石押さえ部２５ｇ、２５ｈ、２５ｉが形成され、その根元側には支持部２６ｇ、２６ｈ、２６ｉを備えている。図３−１の端板２１の場合は、永久磁石１１ａ〜１１ｆに対して突起部２４ｇ、２４ｈ、２４ｉが１つ置きに設けられている。なお、本実施例に係る端板２１は、図２−１に示す端板２０を製作する金型（不図示）を用いて製作することが可能である。具体的には、端板２０の突起部２４ａ〜２４ｆを形成する金型のパンチを２４ａ、２４ｃ、２４ｅだけを形成するように動作させればよい。

また、本実施例で用いられる端板２２は、図４に示すように、本実施例に特徴的な突起部を備えていないが、後述するように本実施例に係る端板２０、２１との使い分けによって、永久磁石の寸法（高さ（Ｌ））を変更することが可能となり、それに伴ってモータ出力を調整することができる。なお、端板２２も、端板２１と同様に、図２−１に示す端板２０を製作する金型（不図示）を用いて製作することが可能である。具体的には、端板２０の突起部２４ａ〜２４ｆを形成する金型のパンチを動作させないようにして、端板２２を形成すればよい。

突起部の断面形状は、例えば、図３−１のＡ−Ａ線断面を示す図５のようになっている。端板２１をコ字状に切り欠くことにより、径方向に延びる突起部２４ｇを形成し、その突起部２４ｇの先端側を高さｈ分だけ折り曲げることにより、永久磁石を押さえるための磁石押さえ部２５ｇを形成する。そして、磁石押さえ部２５ｇの根元側には、磁石押さえ部２５ｇを弾性的に支持する支持部２６ｇを備えている。このため、磁石押さえ部２５ｇは、図５の矢印方向に撓むことで、永久磁石の寸法が規定より長い場合であっても支持部２６ｇで吸収することができる。

本実施例に係る永久磁石電動機４０は、ＩＰＭモータを例にあげて説明しているが、本発明は、ＳＰＭモータにも適用可能である。例えば、ＳＰＭモータの永久磁石は、端板の外周に配置されているため、図３−１に示す磁石押さえ部２５ｇ、２５ｈ、２５ｉの位置では押圧することができない。このため、図６−１及び図６−２に示すように、突起部２４ｊ、２４ｋ、２４ｌを端板２３の外周付近に形成して、その先端側を折り曲げることにより、ＳＰＭモータの永久磁石に対しても押圧可能な磁石押さえ部２５ｊ、２５ｋ、２５ｌを形成することができる。

（ロータコアの両端に配置する端板の組み合わせ例）
本実施例に係る永久磁石電動機４０は、ロータコアの両端１４、１５に配置する端板を変えるだけで、永久磁石の寸法（高さ（Ｌ））を３通りに変えることができ、これにより容易にモータ出力を調整することができる。

図７−１は、ロータコアに永久磁石を埋め込んで図２−１の端板２０をロータコアの両端に配置したロータコアの構成を示す平面図であり、図７−２は、図７−１のＢ−Ｂ線断面図であり、図８−１は、ロータコアに永久磁石を埋め込んで図３−１の端板２１をロータコアの両端に突起部同士が向い合わないようにずらして配置したロータコアの構成を示す平面図であり、図８−２は、図８−１のＣ−Ｃ線断面図であり、図８−３は、図８−１のロータコアを反対方向から見たロータコアの構成を示す平面図であり、図９−１は、ロータコアに永久磁石を埋め込んで図４の端板２２をロータコアの両端に配置したロータコアの構成を示す平面図であり、図９−２は、図９−１のＤ−Ｄ線断面図であり、図１０は、図７−１のロータコアに埋め込まれた永久磁石の寸法と磁石面積との関係を説明する斜視図である。

まず、図７−１に示すように、全ての永久磁石１１ａ〜１１ｆを押さえる突起部２４ａ〜２４ｆが設けられた２枚の端板２０、２０同士をロータコア１０の両端１４、１５にそれぞれ配置する場合は、図７−２に示すように、ロータコアの積厚Ｌに対して、端板２０の磁石押さえ部２５ａ〜２５ｆが高さｈ分だけ磁石埋め込み孔の両端１４、１５から入り込む。このため、埋め込まれる永久磁石１１ａ〜１１ｆの高さは、Ｌ−２ｈ分の高さがあれば良い。

次に、図８−１及び図８−３に示すように、半数の永久磁石を押さえる突起部２４ｇ〜２４ｉが設けられた２枚の端板２１、２１同士（一方を第１端板、他方を第２端板ともいう）を突起部２４ｇ〜２４ｉ同士が向い合わないようにずらして、一方の端板２１と他方の端板２１をロータコア１０の両端１４、１５にそれぞれ配置する場合は、図８−２に示すように、ロータコアの積厚Ｌに対して、何れか一方の端板２１の磁石押さえ部２５ｇ〜２５ｉが高さｈ分だけ磁石埋め込み孔に入り込む。このため、埋め込まれる全ての永久磁石１１ａ〜１１ｆの高さは、Ｌ−ｈ分の高さがあれば良い。図８−１及び図８−３に示すように、２枚の端板２１、２１の突起部２４ｇ〜２４ｉが向い合わない様に端板２１、２１同士を配置すると、永久磁石のセンター（磁石の高さ方向の中間）１６は１つ置きに異なる位置となるが、磁石の数は偶数であるので、永久磁石１１ａ〜１１ｆの平均のセンター（全ての永久磁石１１ａ〜１１ｆを一つの永久磁石としたときの高さ方向のセンター）１７は、端板２１の間に挟まれるロータコア１０のセンター（ロータコアの高さ方向の中間）１８と一致させることができる（図８−２参照）。また、図８−２に示すように、永久磁石のセンターを１つ置きに左右に振り分けていることから、永久磁石のセンターを左右対称とすることができる。

さらに、図９−１に示すように、突起部が設けられていない２枚の端板２２、２２同士をロータコア１０の両端１４、１５にそれぞれ配置する場合は、図９−２に示すように、永久磁石１１ａ〜１１ｆの高さがロータコア１０の積厚Ｌと等しくなる。このため、埋め込まれる全ての永久磁石１１ａ〜１１ｆの高さは、Ｌ分の高さがあれば良い。この場合、図９−２に示すように、永久磁石１１ａ〜１１ｆのセンター１６と、永久磁石１１ａ〜１１ｆの平均のセンター１７と、ロータコア１０のセンター１８とは、全て一致している。

このように、本実施例に係る永久磁石電動機４０に用いられる端板の形状は、全ての永久磁石１１ａ〜１１ｆと同数の突起部２４ａ〜２４ｆが設けられた端板２０（図７−１及び図７−２参照）と、１つ置きに突起部２４ｇ〜２４ｉが設けられた端板２１（図８−１〜図８−３参照）と、突起部が設けられていない端板２２（図９−１及び図９−２参照）の３種類の形状とすることにより、共通のロータコア１０を、軸方向の長さ（高さ（Ｌ））が異なる３種類の永久磁石に対応させることが可能となり、磁束の強さを微調整できるので、これを用いてモータ特性を調整することができる。

そして、何れの場合も永久磁石の平均のセンター１７は、ロータコアのセンター１８と一致することになるので、永久磁石の軸方向の長さに合わせてロータコア１０の固定位置（ステータコア３０に対する固定位置）を調整する必要が無くなる。

また、上記したような突起部を有する端板では、突起部に弾性を持たせた形状としている。そして、上述したように、端板を作成する金型の動作を一部変更するだけで、突起部の無い端板２２と、１つ置きに突起部がある端板２１と、全て突起部がある端板２０の３種類の端板形状を容易に製作することができ、３通りの磁石の長さ（Ｌ、Ｌ−ｈ、Ｌ−２ｈ）に対する対応が可能となる。

磁石の高さ（Ｌ）とモータ出力との関係については、１磁極当たりの磁石面積を増やすことができれば、磁束が増加し、誘起電圧が増えるため、モータの出力と効率を高めることができる。例えば、図１０に示すように、磁石面積は幅（Ｗ）×高さ（Ｌ）で求めることができるため、永久磁石の幅（Ｗ）が一定であって、永久磁石の高さがＬの場合と、Ｌ−ｈの場合と、Ｌ−２ｈの場合のようにすることで、ロータコアの積厚を変えることなく、モータ出力を段階的に低減させることができる。

また、本実施例に係る永久磁石電動機は、それ程高いモータ出力を必要としない場合であれば、永久磁石の寸法を小さくすることで、ＩＰＭモータに用いられている高価な永久磁石の使用量を減らすことができ、磁石にかかるコストを下げることができる。

なお、上記実施例では、６極の永久磁石電動機の場合を例にあげて説明したが、これに限定されず、４極あるいは８極以上の永久磁石電動機の場合であっても同様に適用することが可能である。

以上のように、本発明にかかる永久磁石電動機は、ＩＰＭ構造あるいはＳＰＭ構造の永久磁石電動機に適用可能であり、共通のロータコアを用いてモータ出力の調整を行うことができると共に、磁石の省資源化を図ることでコストを大幅に低減可能なコンプレッサー用の永久磁石電動機として有用である。

１０ロータコア
１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ、１１ｅ、１１ｆ永久磁石
１２リベット
１３回転軸
１４、１５両端
１６永久磁石のセンター
１７永久磁石の平均のセンター
１８ロータコアのセンター
２０、２１、２２、２３端板
２１端板（第１端板、第２端板）
２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄ、２４ｅ、２４ｆ、２４ｇ、２４ｈ、２４ｉ、２４ｊ、２４ｋ、２４ｌ突起部
２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄ、２５ｅ、２５ｆ、２５ｇ、２５ｈ、２５ｉ、２５ｊ、２５ｋ、２５ｌ磁石押さえ部
２６ａ、２６ｂ、２６ｃ、２６ｄ、２６ｅ、２６ｆ、２６ｇ、２６ｈ、２６ｉ、２６ｊ、２６ｋ、２６ｌ支持部
３０ステータコア
３１ヨーク部
３２ティース部
３３先端エッジ部
４０永久磁石電動機
ｔ１端板の厚み
ｔ２永久磁石の厚み
Ｌ永久磁石の高さ
Ｗ永久磁石の幅

Claims

ステータコア内に円柱状のロータコアと、同ロータコアの中央部に設けられる回転軸とを配置し、該回転軸に沿って該ロータコアに形成した孔に永久磁石を埋め込み、該ロータコアの両端に端板を配置して前記永久磁石を押さえる永久磁石電動機であって、
前記端板は、前記回転軸から離れ、
前記端板に径方向に延びる突起部を形成し、
前記突起部は、前記端板を前記ロータコアに固定する複数のリベットの間に設けられ、先端側に前記永久磁石を押さえる磁石押さえ部を備えると共に、根元側に該磁石押さえ部を弾性的に支持する支持部を備えていることを特徴とする永久磁石電動機。
前記磁石押さえ部は、前記突起部の先端側を前記孔に向かうように曲げて形成されていることを特徴とする請求項１に記載の永久磁石電動機。
前記端板は、前記永久磁石電動機に埋め込まれた複数の永久磁石のうちの一部の永久磁石を押さえる突起部を設けた第１端板と、前記複数の永久磁石のうち残りの永久磁石を押さえる突起部を設けた第２端板とからなり、前記第１端板と前記第２端板は突起部同士が向い合わないようにずらして両端に配置することを特徴とする請求項１または２に記載の永久磁石電動機。