JP6845194B2 - 永久磁石型回転電機 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、固定子と、この固定子に対して空隙を介して回転可能に設けられ回転子コアの内部に永久磁石を配置して構成される回転子とを備える永久磁石型回転電機に関する。

回転子コアの内部に永久磁石を埋め込むように配置する埋め込み型の永久磁石型モータにおいては、磁力線に対して垂直となる磁石断面積を増加させて固定子巻線への鎖交磁束量を増加させるため、様々な工夫がなされている。例えば、回転子コア内に、平板状の複数個の永久磁石を多角形状となるように配置したり、各磁極の周方向の中央にて固定子との間の空隙に対して遠ざかるように、２個の平板状の永久磁石をＶ字状に配置したものが提案されている。また、特許文献１の図５には、鎖交磁束量をより多くするため、永久磁石の配置形状が「ひ」の字型となるように構成したものが開示されている。

特開２０１２−２３９３２７号公報

しかしながら、永久磁石をＶ字状に配置した構成では、配置可能な永久磁石の限界量が少なく、したがって鎖交磁束の最大量も少ない。また、特許文献１の構成では、磁極間に鉄心部が多く存在する。磁極間の鉄心部は、永久磁石から出た磁束が固定子鉄心を介することなく永久磁石へ直接向かう磁路となり、鎖交磁束量の増加にあまり寄与しない。磁極間の鉄心部が多いと、永久磁石から固定子鉄心に向かう磁束が通る磁路がその分狭まり、磁気飽和が生じやすくなるため、永久磁石を多く配置しても鎖交磁束量があまり増加しないといった問題がある。
そこで、より効率的に永久磁石を配置して鎖交磁束量を増加させることができる永久磁石型回転電機を提供する。

実施形態の永久磁石型回転電機は、固定子と、この固定子に対して空隙を介して回転可能に設けられ回転子コアの内部に永久磁石を配置して構成される回転子とを備え、前記回転子の磁極数をＰとするものにおいて、
１つの磁極を構成する永久磁石が、回転中心における中心角が（３６０／Ｐ）度以上となる領域に亘って配置されている。そして、各磁極は、スロット内に矩形状の永久磁石を複数配置してなる。

第１実施形態であり、永久磁石型モータの構成を示す平面図 図１より永久磁石を除いて、各磁極の磁石挿入口を示す図 １磁極の範囲を示す図 モータの構成を示す縦断側面図 磁束量のシミュレーションに用いた永久磁石の各配置形態を示す図 磁束量のシミュレーション結果を示す図 第２実施形態であり、永久磁石型モータの構成を示す平面図 図７より永久磁石を除いて、各磁極の磁石挿入口を示す図 １つの磁極に対応する永久磁石の配置領域を示す図 第３実施形態であり、永久磁石型モータの構成を示す平面図

（第１実施形態）
以下、第１実施形態について図１から図６を参照して説明する。これらの図は、インナーロータ形の永久磁石型モータを示している。図４に示すように、この永久磁石型モータは、モータの外殻となるモータケース１を備えている。モータケース１は、この場合、それぞれアルミニウム製の上ケース２と下ケース３を備えている。これら上ケース２と下ケース３との間に、固定子４の固定子コア５が挟まれた状態で固着されている。固定子コア５は、軟磁性体である珪素鋼板を打ち抜き多数枚積層して構成されたもので、円環状をなし、内周部に複数個、この場合９個の突極部６を有している。各突極部６には、絶縁処理した後、この場合３相の固定子コイル７が巻装されている。固定子コイル７は、図示しないインバータ回路により通電制御される。

固定子コア５の内周部には回転子８が回転可能に配設されている。回転子８は、回転軸９と、この回転軸９の外周部に固着された円環状をなす回転子コア１０とを備えている。回転軸９は、前記上ケース２および下ケース３に軸受１１，１２を介して回転自在に支持されている。回転子コア１０は、固定子コア５と同様に、軟磁性体である珪素鋼板を打ち抜き多数枚積層して構成されたものである。この回転子コア１０の外周面と固定子コア５の内周面，つまり各突極部６の先端部との間には微少な空隙１３が形成されている。回転子８は、固定子４に対してその空隙１３を介して回転可能に設けられている。回転子コア１０の外周面は、固定子４との間の空隙１３に臨む空隙面１０ａとなる。

回転子８の磁極数Ｐは、この場合６極である。なお、Ｐは４以上の偶数である。回転子コア１０の内部には、図２に示すように、反時計回り方向に傾いた概ねＶ字状の磁石挿入口１４が６か所に形成されている。１つの磁石挿入口１４は、それぞれが概ね矩形状である４つの挿入部１４ａ〜１４ｄからなり、挿入部１４ｂ及び１４ｃの一端が繋がることでＶ字状の分岐部分を成している。そして、挿入部１４ｂの外周側に挿入部１４ａが図中左方向に屈曲した状態で繋がっており、挿入部１４ｃの外周側に挿入部１４ｄが同じく左方向に屈曲した状態で繋がっている。また、ある１つの磁極に対応する挿入部１４ａ，１４ｂは、その右隣に位置する磁極に対応する挿入部１４ｄ，１４ｃとそれぞれ平行になるように配置されている。挿入部１４ａ，１４ｄの先端側は、回転子コア１０の外周縁に沿うように斜辺を切った形状となっている。

各挿入部１４ａ〜１４ｄには、それぞれに永久磁石１５ａ〜１５ｄが挿入される。永久磁石１５は例えばフェライト系磁石であり、断面が扁平な矩形状をなし、回転子コア１０の軸方向、つまり珪素鋼板の積層方向に延びる平板状をなしている。挿入部１４ａ，１４ｄの先端部や、挿入部１４ａ及び１４ｂの連結部分，挿入部１４ｄ及び１４ｃの連結部分の形状は、永久磁石１５の端部形状と一致しないため、それぞれの箇所に空隙が生じている。

図１において、一部の永久磁石１５の着磁方向を矢印で示すと共に、回転子コア１０に各磁極（１）〜（６）を示している。磁極（１）では、永久磁石１５で囲まれた部分がＮ極となり、それに隣接する磁極（２）及び（６）では、永久磁石１５で囲まれた部分がＳ極となるように、各永久磁石１５が着磁されている。

図３では、各磁極に対応する永久磁石１５を、１磁極措きにハッチングを付して示している。そして、同図中に示すように１つの磁極に対応する永久磁石１５ａ〜１５ｄの分布範囲は、その中心角が３６０度を磁極数「６」で除した６０度を超える範囲となっている。つまり、上述のように、１つの磁極に対応する挿入部１４ａ，１４ｂを、その右隣に位置する磁極に対応する挿入部１４ｄ，１４ｃとそれぞれ平行になるように配置したことで、１磁極を成す永久磁石１５の分布範囲の中心角が６０度を超えるようになっている。以上が永久磁石型回転電機に相当するモータ１６を構成している。

図６は、様々な永久磁石の配置形態の磁束量をシミュレーションにより比較したものであり、各配置形態を図５に示す。尚、固定子の図示は省略している。また、回転子コアに長穴等が形成されている点は、実施形態と相違している。「提案配置」は、図１と同様に反時計回り方向に傾いた概ねＶ字状の配置である。その他は、特許文献１に開示されている「ひ」の字型の配置や、Ｗ字型やＶ字型，磁極毎に１つの永久磁石を周方向に配置したものがある。これらのうち「提案配置」が最大の磁束量を示している。

以上のように構成される本実施形態によれば、固定子４と、この固定子４に対して空隙１３を介して回転可能に設けられ回転子コア１０の内部に永久磁石１５を配置して構成される極数が「６」の回転子８とを備え、１つの磁極を構成する永久磁石１５を、回転中心における中心角が６０度を超える領域に亘って配置した。

具体的には、１つの磁極を構成する永久磁石１５を、周方向に傾斜して延びるように配置し、且つその一部が、隣接する磁極を構成する永久磁石１５の一部と径方向において重なるように、概ね渦巻き状に配置した。このような配置形態を採用することで、過度な磁気飽和が生じることなく回転子コア１０の内部に永久磁石を多く配置することができ、
磁束量を増加させてコイル鎖交磁束量を増加させることができる。したがって、永久磁石１５がフェライト系磁石であっても、モータ１６は十分なトルクを得ることができる。

（第２実施形態）
以下、第１実施形態と同一部分には同一符号を付して説明を省略し、異なる部分について説明する。図７に示すように、第２実施形態のモータ２１は、回転子コア２２おける永久磁石２３の配置形態が異なっている。図８に示すように、各磁石挿入口２４は「へ」の字型であり挿入部２４ａに対して挿入部２４ｂが、図中左方向に屈曲した状態で繋がっている。

挿入部２４ａの一端面は、挿入部１４ａ，１４ｄと同様に、回転子コア２２の外周縁に沿うように斜辺を切った形状となっている。また、挿入部２ｂａの一端部は、その右隣に位置する磁極に対応する挿入部２４ａの１辺に当接する部分において、その１辺と平行になるように斜辺が切られている。挿入部２４ａ，２４ｂには、それぞれに同じ形状の永久磁石２３が挿入されている。その結果、挿入部２４ａ，２４ｂの一端部，挿入部２４ａ及び２４ｂの連結部分には、永久磁石２３で満たされない空隙が生じている。また、図８に示すように、挿入部２４ｂの一端と、隣接する磁極の挿入部２４ｂとの間には、回転子コア２２のブリッジ部２５が存在している。

ここで、図９に示すように、磁極(１)の両側に位置する２つの永久磁石をＡ，Ｂとし、磁極(６)の両側に位置する２つの永久磁石をＢ，Ｃとする。すなわち、磁極(１)に対応するのはブリッジ部２５を介して並ぶ永久磁石Ａ，Ｂであり、磁極(６)に対応するのは、同じくブリッジ部２５を介して並ぶ永久磁石Ｂ，Ｃである。図中の（→ＡＢ←）が磁極(１)の磁石配置領域であり、（→ＢＣ←）が磁極(６)の磁石配置領域である。つまり、永久磁石Ｂについては、隣接する磁極(１)，（６）で共有する構成となっている。以上のように構成される第２実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果が得られる。

（第３実施形態）
図１０に示すように、第３実施形態のモータ３１は、やはり回転子コア３２おける永久磁石３３の配置形態が異なっている。各磁極を構成する磁石挿入口３４は、一端が回転中心付近にあって、他端が外周方向に延びながら図中左側に緩やかに曲がる曲線状を成しており、一端側が狭く、他端側に行くほど広くなる形状である。そして、６つの磁石挿入口３４が渦を巻くような形態で配置されている。

磁石挿入口３４の一端側は、隣接する磁極の磁石挿入口３４の曲線に沿うように狭められており、他端側は、回転子コア３２の外周縁に沿うように切られた辺に合せて尖塔状を成している。永久磁石３３は、概ね磁石挿入口３４の形状に合わせた形状であるが、磁石挿入口３４の一端側と他端側とには、永久磁石３３で満たされない空隙が生じている。以上のように構成される第３実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果が得られる。

（その他の実施形態）
永久磁石の配置形態は、各実施形態に開示したものに限ることなく、１つの磁極を構成する永久磁石を、回転中心における中心角が（３６０／Ｐ）度以上となる領域に亘って配置する形態であれば良い。
永久磁石はフェライト系磁石に限ることはない。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

図面中、４は固定子、５は固定子コア、７は固定子コイル、８は回転子、９は回転軸、１０は回転子コア、１４は永久磁石挿入口、１４ａ〜１４ｄは挿入部、１５は永久磁石、１６はモータ、２１はモータ、２２は回転子コア、２３は永久磁石、２４は磁石挿入口、２４ａ，２４ｂは挿入部、２５はブリッジ部、３１はモータ、３２は回転子コア、３３は永久磁石、３４は磁石挿入口を示す。

Claims (4)

1. 固定子と、この固定子に対して空隙を介して回転可能に設けられ回転子コアの内部に永久磁石を配置して構成される回転子とを備え、前記回転子の磁極数をＰとする永久磁石型回転電機において、
   １つの磁極を構成する永久磁石が、回転中心における中心角が（３６０／Ｐ）度以上となる領域に亘って配置されており、
   各磁極は、スロット内に矩形状の永久磁石を複数配置してなる永久磁石型回転電機。
2. 各磁極のスロットの回転軸側にある端部が、隣り合う磁極のスロットの途中部位に位置している請求項１記載の永久磁石型回転電機。
3. 前記１つの磁極を構成する永久磁石が、周方向に傾斜して延びるように配置され、且つその一部が、隣接する磁極を構成する永久磁石の一部と、径方向において重なるように配置されている請求項１又は２記載の永久磁石型回転電機。
4. 前記永久磁石はフェライト系磁石であることを特徴とする請求項１から３の何れか一項に記載の永久磁石型回転電機。

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