JPH10136596A

JPH10136596A - 電動機

Info

Publication number: JPH10136596A
Application number: JP8324506A
Authority: JP
Inventors: Kenji Tanaka; 剣治田中; Mitsuhiko Sato; 光彦佐藤
Original assignee: Aichi Elec Co
Current assignee: Aichi Elec Co
Priority date: 1996-10-29
Filing date: 1996-10-29
Publication date: 1998-05-22

Abstract

(57)【要約】【目的】固定子と、この内側にエアギャップを介して
対向配置した回転子よりなり、前記固定子は固定子鉄心
に三相巻線を装着して構成し、前記回転子は回転子鉄心
の外周部に複数の磁石を装着するとともに、前記磁石の
外周部を保護部材で覆って構成し、前記固定子の巻線に
三相台形波１２０゜通電を行うことによって前記回転子
を回転させる電動機において、電動機の高トルク化ある
いは高効率化を達成する。【構成】複数の磁石２ｂは周方向の相互間に隙間を設
けて配置し、また回転子鉄心１ｂの外周部には前記隙間
へ向けて突出して保護部材３ｂまで達する突起部８ｂを
備え、前記固定子の巻線へ流す電流が進み角となるよう
に通電制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、冷凍機や空調機の圧縮
機駆動用電動機等に代表される永久磁石を装着した内転
型回転子を有する電動機に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】上記電動機として、図３及び図４に示す
構成のものが知られている。図中１１は回転子であり、
一般に表面磁石構造（以下ＳＰＭと称す）と称される回
転子であり、例えば特開平５−１５０９２号公報等に開
示される構成のものである。この回転子は、厚肉円筒状
の鉄心１の外周部に瓦状の磁石２を複数配置し、この磁
石２の外周部に薄肉の金属管３を嵌着し、一方磁石２の
軸方向両端には端板４，５を装着して構成されている。

【０００３】回転子鉄心１は、珪素鋼板を打ち抜いた薄
鉄板を多数積層することによって形成されており、外周
部に磁石２の相互間の隙間へ突出して磁石２の周方向の
位置決めを行う突起部８を備えている。磁石２は主にフ
ェライト系磁石が用いられ、鉄心１の外周部に等配状に
装着され、１個の磁石が１極を形成するように周方向に
隣接するものが互いに異極に着磁されている。尚、これ
ら磁石相互間の磁束の漏洩を防止するために、前述の突
起部８の突出寸法は、図示するように磁石２の位置決め
が可能な範囲で極力小さく形成されている。

【０００４】金属管３は、磁石２の外周を覆って密閉す
るとともに、回転時の遠心力によって磁石２が飛散や移
動を生じないための保護部材であり、引張強度及び耐食
性に優れることが要求され、同時に磁石の磁束の漏洩が
生じないように非磁性体であることも要求される。従っ
て一般にはＳＵＳ３０４等の非磁性ステンレス材が使用
され、焼きばめ等の手段によって嵌着されている。端板
４，５は、磁石２の軸方向両端部を覆って密閉するもの
であり、黄銅等の非磁性の円形板が使用され、鉄心１を
軸方向に貫通する複数のカシメピン７によって取り付け
られている。

【０００５】上記回転子１１は、中心部に嵌入されたシ
ャフト６によって支持されて、固定子１２の鉄心１３の
内周部との間に所定のエアギャップ１０を介して対向す
るように配置されて永久磁石型の同期電動機を構成する
ものである。固定子鉄心１３は、回転子鉄心１と同様に
薄鉄板を多数積層することによって形成されており、内
周部に複数のティース１４とこのティース間にスロット
１５を備え、このスロット１５には絶縁材を介して三相
巻線１６が装着されている。この巻線１６にはインバー
タを介して三相台形波１２０゜通電がなされ、回転子１
１が回転を行うようになっている。

【０００６】また、図３及び図４に示した電動機におい
ては、回転子１１に代えて、図５に示すような回転子を
用いることができる。図５に示す回転子は、埋込磁石構
造（以下ＩＰＭと称す）の例を示しており、例えば特開
平５−１７６４８７号公報等に開示される構成のものを
示している。この構成の場合は、鉄心１ａに設けた磁石
を収容するための複数の収容孔９に、この収容孔９と略
相似形の磁石２ａを挿入して構成するものであり、磁石
が回転子鉄心の内部に収容されることを特徴としてい
る。従って、通電巻線に鎖交する磁石の磁束と電流によ
って得られる主磁束トルク以外に、回転子位置による磁
気抵抗の相違によって得られるリラクタンストルクが利
用できる特長を備えている。

【０００７】図５において、磁石２ａの磁気中心を矢印
ｄで示すｄ軸とし、このｄ軸に対する電気角９０゜位相
を矢印ｑで示すｑ軸とし、磁石による磁束量をΦ、ｄ軸
電流をＩｄ、ｑ軸電流をＩｑ、ｄ軸インダクタンスをＬ
ｄ、ｑ軸インダクタンスをＬｑとしたとき、電動機のト
ルクＴは一般に下式によって表される。Ｔ＝Φ・Ｉｑ＋（Ｌｄ−Ｌｑ）Ｉｄ・Ｉｑ…（１）図３及び図４に示したＳＰＭの回転子の場合、ほぼＬｄ
＝Ｌｑとなって非突極性であるのに対し、図５に示した
ＩＰＭの回転子の場合は、Ｌｄ＜Ｌｑとなって電動機は
逆突極機となる。従ってＩＰＭの場合は、主磁束Φが若
干減少する代わりにリラクタンストルク成分が存在する
ため、このリラクタンストルクを有効に活用すればＳＰ
Ｍと比較して大トルク化や高効率化を図ることができ
る。

【０００８】また上記のようにＩＰＭの場合は、ＳＰＭ
と比較してｑ軸インダクタンスＬｑが大きいために、特
定の印加電圧に対して高速域まで運転を行うことが可能
となる。このことは、例えば空調機における急速暖房等
の用途に好適であるため、圧縮機駆動用電動機等におい
てはＩＰＭを採用するケースが多くなって来ている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】図５に示すＩＰＭの回
転子の場合、磁石２ａの磁束が磁石とエアギャップ間に
介在する回転子鉄心１ａのブリッジ部１７を経路として
短絡するため、これによる主磁束Φの減少を抑制するた
めには、ブリッジ部１７の径方向の幅は極力小さく設計
する必要がある。ところがこのブリッジ部１７は、磁石
２ａに作用する遠心力を保持する役目も有しているた
め、この遠心力に対する強度との兼ね合いから決定され
る。一般にリラクタンストルクに比べて主磁束トルクの
占める割合の方が断然大きく、従って高速回転用途の電
動機においては、ブリッジ部１７の幅が大きくなるた
め、主磁束トルクが減少して効率が悪化してしまう欠点
が存在する。

【００１０】また、回転子鉄心１ａを構成する薄鉄板の
打ち抜きは、順送プレス型を用いて行われるものである
が、ブリッジ部１７を形成する場合、収容孔９を抜き落
とすステーションと鉄心１ａの外周部を抜き落とすステ
ーションでは抜き方向が異なる方向となる。この結果、
図６に示すように、板厚がＷ２なる各薄鉄板には鉄心の
外周部１８と内周側の収容孔９との間に幅がＷ１なるブ
リッジ部１７が打ち抜かれ、このブリッジ部１７の内外
周面のそれぞれはせん断面１９と破断面２０によって形
成されており、破断面２０の先端にはバリ２１が生じて
いる。また打ち抜き型の刃が打ち込まれる板面からせん
断面１９にかけては薄板材料が刃に引き込まれて生じる
だれ込み部２２が生じる。従ってだれ込み部２２によっ
て、ブリッジ部１７の上下板面はせん断方向へ傾斜して
形成されることになる。

【００１１】積層直後の回転子鉄心は、図６に示すよう
に各薄鉄板に生じたバリ２１によって積層間が浮いた状
態となっていて積層密度が悪いため、一般に積層方向に
再加圧して増し締めがなされる。このとき鉄心のブリッ
ジ部１７においては、幅寸法Ｗ１が小さいために、この
寸法Ｗ１に対する前述のだれ込み部２２による傾斜部分
の割合がかなり大きくなっており、この結果図７に示す
ように、加圧によってブリッジ部１７の上下面が滑って
積層間にズレが生じたり、ブリッジ部１７自体が傾斜し
て収容孔９側あるいは外周部１８側へ突出するといった
いわゆる座屈現象を生じる。このようにブリッジ部１７
が本来のブリッジ幅Ｗ１に対して径方向内外へ凹凸を生
じることにより、収容孔９への磁石２ａの挿入ができな
くなったり、回転子の外周部１８が固定子と接触して電
動機として回転不能となったりする問題があった。

【００１２】また、ＩＰＭの回転子の場合は、収容孔９
内へ磁石２ａを固定することが難しく、特にフェライト
系磁石等の焼結磁石は脆いために、圧入による場合は研
磨等の寸法管理に多大なコストをかけないと適切なしめ
しろが得られない欠点がある。一方、すきまばめによっ
て磁石を挿入すると、鉄心内で磁石が移動し易くなり、
磁石が割れたり、回転子の加減速時に騒音が発生したり
する問題がある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明の電動機は、回転
子鉄心の外周部に装着する複数の磁石は周方向の相互間
に隙間を設けて配置し、また前記回転子鉄心の外周部に
は前記隙間へ向けて突出して磁石外周部の保護部材まで
達する突起部を備え、固定子の巻線へ流す電流が進み角
となるように通電制御するものである。

【００１４】また、前記保護部材として磁性体を用いる
ことにより、性能をより向上させることができる。さら
に保護部材としては、機械的強度の面からステンレス鋼
等が適し、筒状のものを嵌着するかもしくは線材を巻回
することにより装着する。

【００１５】

【作用】回転子鉄心の突起部によってｑ軸インダクタン
スが増加して電動機が逆突極機となるため、固定子巻線
の電流が進み角となるように通電制御することによりリ
ラクタンストルクを得ることができる。また保護部材を
磁性体とした場合は、固定子磁束が回転子鉄心の突起部
へ効果的に誘導されてリラクタンストルクを増加させる
ことができる。またステンレス材は引張強度に優れるた
め、薄肉の保護部材とすることができ、主磁束の減少が
抑制されるとともに、磁石の固定も容易に行い得る。

【００１６】

【実施例】図１は、本発明の実施例を示す電動機の回転
子を示している。回転子鉄心１ｂは、珪素鋼板を打ち抜
いた薄鉄板を多数積層することによって形成されてお
り、薄鉄板に設けた切り起こし突起による凹凸部を隣接
して積層される薄鉄板相互で嵌合させる周知のクランプ
手段によって固定されている。この鉄心１ｂの外周部に
は、磁石２ｂが周方向の相互間に隙間を設けて配置され
ており、鉄心１ｂの外周部に設けた突起部８ｂが、磁石
２ｂの相互間の隙間へ突出して磁石２の周方向の位置決
めを行うようになっている。この突起部８ｂは、図３に
示した従来のＳＰＭの突起部８と異なり、放射方向へ長
く突出して磁石２ｂの外周の保護部材３ｂまで達してい
る。

【００１７】磁石２ｂとしては、例えばフェライト系磁
石を使用するが、希土類磁石等であっても基本構造は変
わらない。等配状に装着された磁石２ｂは、１個の磁石
が１極を形成するように周方向に隣接するものが互いに
異極に着磁され、それぞれの磁石の周方向中央を磁気中
心として４極を形成している。尚、磁石の形状として
は、外周側と内周側を共に円弧状に形成した図示する略
Ｃ形状のもの以外に、内周側を直線状に形成した略カマ
ボコ状の磁石等であってもよい。

【００１８】磁石２ｂの外周部を覆う保護部材３ｂとし
ては、例えば金属管を焼きばめ等の手段によって嵌着し
たもの、あるいは金属線を巻回して装着したもの等が適
するが、いずれにしても磁石２ｂの装着後にその外周へ
装着するものであるため、磁石２ｂを容易且つ強固に固
定することが可能となる。この保護部材３ｂを構成する
金属としては、回転時の遠心力によって磁石２ｂが飛散
や移動を生じないような強度が求められるため、ＳＵＳ
３０４等のオーステナイト系ステンレス鋼や、ＳＵＳ４
２０Ｊ２等のマルテンサイト系ステンレス鋼が適し、こ
れらの鋼は図５に示した従来のＩＰＭのブリッジ部１７
を構成する珪素鋼板よりも機械的強度に優れているた
め、径方向に薄肉とした構成とすることができる。

【００１９】上記回転子は、中心部に嵌入されたシャフ
ト６によって支持されて、図３及び図４に示した回転子
同様、固定子１２の鉄心１３の内周部との間に所定のエ
アギャップ１０を介して対向するように配置されて永久
磁石型の同期電動機を構成するものである。尚、この電
動機の正面断面形状は、保護部材３ｂとして金属管を用
いる場合は、図４に示したものとほぼ同様であり、回転
子の軸方向両端には端板４，５がカシメピン７によって
装着される。また必要に応じて、金属管の軸方向両端の
突出部分を内側へ折り曲げ成形して、端板４，５との隙
間をなくすとともに、金属管の抜け止めを図るように構
成してもよい。

【００２０】図１に示す回転子の場合、鉄心１ｂに設け
た突起部８ｂの存在によってｑ軸インダクタンスが大き
くなるため、Ｌｄ＜Ｌｑとなって本電動機は逆突極機と
なる。固定子の巻線１６にはインバータを介して三相台
形波１２０゜通電がなされるが、この通電電流が進み角
となるように通電制御することによりリラクタンストル
クを得ることができる。このようにして得られるリラク
タンストルクは、突起部８ｂの存在による主磁束の漏洩
に伴う主磁束トルクの減少を大きく上回るため、結果的
に、図３に示した従来のＳＰＭと比較して電動機のトル
クが大幅に増加し、また同一トルクで比較した場合は高
効率の電動機が構成される。また、特定の印加電圧に対
して高速域まで運転を行うことが可能となる。

【００２１】図２は、図１に示した回転子を用いた本発
明の電動機における固定子磁束の流れを示すものであ
る。固定子の巻線１６が励磁されて生じる固定子磁束２
３，２４，２５は、固定子鉄心１３の複数のティース１
４からエアギャップ１０を通って回転子へ入り、再びエ
アギャップ１０を通って固定子鉄心１３へ帰還するルー
プを形成する。回転子鉄心１ｂに設けた突起部８ｂの存
在によって、ｑ軸の磁気抵抗は小さくなるため、突起部
８ｂ近辺の固定子磁束２４は積極的に回転子に流入する
ことになり、これによるリラクタンストルクが得られる
ことになる。

【００２２】例えば保護部材３ｂを非磁性のオーステナ
イト系ステンレス鋼によって形成すると、突起部８ｂか
ら離れたティースから流入する固定子磁束２３や２５は
わずかしか回転子に流入しないことになる。従ってこの
保護部材３ｂを磁性体であるマルテンサイト系ステンレ
ス鋼によって形成すると、突起部８ｂに漏斗を取り付け
たような効果が生じ、遠方の固定子磁束２３や２５も多
量に突起部８ｂへ誘導されて集合し、この結果突極比が
増加してリラクタンストルクもより大きなものとなる。
これは、磁性体の保護部材３ｂにおいては、極間部は磁
石２ｂによる主磁束によって飽和に近い状態にあるが、
それでもなお空気や磁石といった磁気抵抗が大きな部分
と比較した場合、固定子磁束２３，２５がはるかに流れ
易い状態であるといえる。また、磁性体の保護部材３ｂ
を用いた場合は、突起部８ｂを経由する固定子磁束以外
に、エアギャップ１０から保護部材３ｂ内を周方向に通
過して再びエアギャップ１０を通って固定子鉄心１３へ
帰還するループを形成する固定子磁束も存在し、この存
在によってもリラクタンストルクは増加される。

【００２３】上記マルテンサイト系ステンレス鋼は非常
に硬い材料であるために、保護部材３ｂとするための加
工性が悪いという欠点を有している。この改善策として
は、加工性が比較的良好なＳＵＳ３０４等のオーステナ
イト系ステンレス鋼を用い、これに大きな加工歪みを与
えることによってマルテンサイト化し、磁性及び機械的
強度を付与する方法がある。即ち、例えば保護部材３ｂ
として用いる金属管は、肉厚０．２〜０．５ｍｍ程度の
板材を丸めて溶接して管状とするものであるが、この管
状としたオーステナイト系ステンレス鋼板に対して拡管
成形を施して磁石２ｂの外径への嵌着に適した寸法に仕
上げるようにし、さらに前記拡管の割合（拡管率）を大
きく設定すれば、材料に著しい加工歪みを与えることが
できる。また上記拡管成形によって、磁石の外径寸法に
最も適した金属管の内径寸法が得られ、磁石のロット毎
の寸法上のばらつきに対応できるといった効果も生じ
る。さらに加工硬化に伴う機械的強度の向上により、保
護部材をさらに薄肉化し得るものである。

【００２４】また保護部材３ｂとしてオーステナイト系
ステンレス鋼線を巻回して装着するものについては、巻
回工程において線材を伸張させることによって加工歪み
を与えることができる。また、オーステナイト系ステン
レス鋼は、−１５０℃くらいに冷却することによってマ
ルテンサイト化することもできる。

【００２５】回転子鉄心１ｂに設ける突起部８ｂの先端
は、保護部材３ｂになるべく近接する位置まで達してい
ることが望ましいが、実際には前述の磁石２ｂの寸法上
のばらつきが存在するため、磁石の仕上がり公差を考慮
して磁石外径よりは出っ張らないように形成する。また
突起部８ｂの周方向の幅は、磁石による磁束と固定子磁
束とによって飽和しない程度の幅であって、且つ極力細
いことが望ましい。

【００２６】

【発明の効果】本発明によれば、従来のＳＰＭと比較し
た場合、主磁束トルクに加えてリラクタンストルクを得
ることが可能となり、電動機の高トルク化あるいは高効
率化が達成される。また、電動機の可変速運転を広範囲
なものとすることができる。

【００２７】また従来のＩＰＭと比較した場合、鉄心と
同一材のブリッジ部が存在しないため、ブリッジ部の座
屈によって磁石が装着不能となったり、回転子が固定子
と接触して回転不能になるといったことが解消される。
同時に、磁石の保護部材として高強度の材料が選択でき
るため、薄肉の保護部材によって回転子を構成すること
が可能となり、主磁束の減少が抑制できて、特に高速回
転用途の電動機における効率を向上させ得るものであ
る。さらに磁石の固定が容易に達成できることにより、
磁石寸法の管理にコストを要することなく、また磁石が
割れたり加減速時に騒音を生じるといった問題も生じる
ことがない。即ち、本発明の電動機は、従来のＳＰＭと
ＩＰＭの両者の長所を有し、両者の欠点を解消するとい
う特長を備えている。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例を示す電動機の回転子の平面断
面図。

【図２】本発明の電動機における固定子磁束の流れを示
す説明図。

【図３】従来例を示す電動機の平面断面図。

【図４】図３の電動機の正面断面図。

【図５】別の従来例を示す電動機の回転子の平面断面
図。

【図６】従来の回転子鉄心のブリッジ部の打ち抜き後の
状態を示す正面断面図。

【図７】図６のブリッジ部の加圧後の状態を示す正面断
面図。

【符号の説明】

１，１ａ，１ｂ回転子鉄心２，２ａ，２ｂ磁石３，３ｂ保護部材８，８ｂ突起部１０エアギャップ１１回転子１２固定子１３固定子鉄心１６巻線

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】固定子と、この内側にエアギャップを介
して対向配置した回転子よりなり、前記固定子は固定子
鉄心に三相巻線を装着して構成し、前記回転子は回転子
鉄心の外周部に複数の磁石を装着するとともに、前記磁
石の外周部を保護部材で覆って構成し、前記固定子の巻
線に三相台形波１２０゜通電を行うことによって前記回
転子を回転させる電動機において、前記複数の磁石は周
方向の相互間に隙間を設けて配置し、また前記回転子鉄
心の外周部には前記隙間へ向けて突出して前記保護部材
まで達する突起部を備え、前記固定子の巻線へ流す電流
が進み角となるように通電制御することを特徴とする電
動機。
【請求項２】保護部材として磁性体を用いたことを特
徴とする請求項１記載の電動機。
【請求項３】保護部材としてステンレス鋼を用いたこ
とを特徴とする請求項１または２記載の電動機。