JP2008005637A - 永久磁石埋込型電動機 - Google Patents

Abstract

【課題】永久磁石埋込型電動機の低振動、低騒音化という要求でトルクリップルを低減するため、回転子外径を異形な花弁形状にすることなく製作がしやすく、また鉄心をスキューしないため工数の増加もなく容易に低振動、低騒音、小型高出力で高効率な永久磁石埋込型電動機を提供することを目的とする。
【解決手段】環状のヨークと巻線用溝となる周方向間隔をおいて放射状に複数のティースが形成されている固定子２と、前記固定子２と僅かな空隙を介して対向し、回転自在に保持された回転子鉄心に埋設された永久磁石にて界磁を発生する回転子とを備えた電動機において、回転子中心側に凸となる逆円弧形状と平板形状の磁石を交互に配置した第一の回転子３と逆円弧形状の磁石を配置した第二の回転子６とを軸方向に積層して回転子を構成したことを特徴とする永久磁石埋込型電動機。
【選択図】図２

Description

本発明は、特に永久磁石埋込型電動機で小型高効率な特性が要求される、コンプレッサ、電気自動車、ハイブリッド自動車、燃料電池自動車用等小型高効率を求められる電動機に関するものである。

近年、地球環境との共存や省エネに対する認識が高まり、エアコンや冷蔵庫等に用いられるコンプレッサを初めとする電気機器に搭載される電動機や、電気自動車、ハイブリッド自動車、燃料電池自動車等に搭載される電動機も小型高効率を求められており、回転子内部に磁石を配置した磁石埋込みモータ等が用いられることが多い。さらに低振動、低騒音に対する要求も強く、低振動、低騒音化には、トルクリップルを低減することは重要である。

従来例では、永久磁石を埋め込むために設けた回転子内スリットの単部形状や外径の一部を直線状にしたもの（例えば特許文献１参照）や、また、固定子鉄心や回転子鉄心にスキューをしたものがある（例えば特許文献２参照）。
特開２００４−３２０９８９号公報（第９頁、図２） 特開２０００−１７５３８０号公報（第３頁、図１）

図６は従来の永久磁石埋込型電動機の一例を示す。１０１は回転子鉄心、１０２は回転子鉄心の溝に配置された永久磁石、１０３は回転子鉄心磁極端部に設けられたスリットを示す。回転子鉄心の外形は円ではなく、最大半径Ｒの中心からａ１オフセットした半径Ｒ１の円弧をつないで構成された花弁形状である。回転子外径が円形ではなく花弁状となるため、打ち抜き金型の製作が円形に比較して困難となり、回転子の精度の確保が難しいといった課題を有する。

図７は従来の永久磁石埋込型電動機の一例を示す。（Ａ）は固定子の例を表し、１０４は固定子鉄心、１０５はティースを示す。固定子鉄心１０４はティース１０５を回転方向旋回して積層したスキューをしている。（Ｂ）は回転子を表し、１０６は回転子鉄心、１０７は回転子鉄心１０６の溝に配置された永久磁石を示す。磁極が回転方向旋回して積層したスキューとなっている。スキューすることにより磁極の切り替わりを滑らかにする効果があり、振動、騒音低減に効果がある。しかし、スキューした固定子鉄心に高占積の巻線を施すことは困難であり、回転子同一鉄心シートを積層しては磁石形状が複雑になり、磁石形状を単純にすると異なる回転子鉄心シートを複数積層することになり、いずれも組立て工数が複雑になり信頼性の低下につながるおそれがある。

本発明は、このような従来の課題を解決するものであり、回転子の外径は円形であり製作がしやすく、また、スキューしないため工数の増加もなく容易に低振動、低騒音、小型高出力で高効率な永久磁石埋込型電動機を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために本発明は、環状のヨークと巻線用溝となる周方向間隔をおいて放射状に複数のティースが形成されている固定子と、前記固定子と僅かな空隙を介して対向し、回転自在に保持された回転子鉄心に埋設された永久磁石にて界磁を発生する回転子とを備えた電動機において、回転子中心側に凸となる逆円弧形状と平板形状の磁石を
交互に配置した第一の回転子と回転子中心側に凸となる逆円弧の磁石を配置した第二の回転子とを軸方向に積層して回転子を構成したことを特徴とする永久磁石埋込型電動機である。

環状のヨークと巻線用溝となる周方向間隔をおいて放射状に複数のティースが形成されている固定子と、前記固定子と僅かな空隙を介して対向し、回転自在に保持された回転子鉄心に埋設された永久磁石にて界磁を発生する回転子とを備えた電動機において、回転子中心側に凸となる逆円弧形状と平板形状の磁石を交互に配置した第一の回転子と回転子中心側に凸となる逆円弧の磁石を配置した第二の回転子とを軸方向に積層して回転子を構成した永久磁石埋込型電動機としたことにより、第一の回転子のトルク脈動と第二の回転子のトルク脈動が概略反転することにより合成されたトルク脈動を小さくでき、小型高出力で高効率な永久磁石埋込型電動機を提供することができる。

本発明の実施の形態は、環状のヨークと巻線用溝となる周方向間隔をおいて放射状に複数のティースが形成されている固定子と、前記固定子と僅かな空隙を介して対向し、回転自在に保持された回転子鉄心に埋設された永久磁石にて界磁を発生する回転子とを備えた電動機において、回転子中心側に凸となる逆円弧形状と平板形状の磁石を交互に配置した第一の回転子と回転子中心側に凸となる逆円弧の磁石を配置した第二の回転子とを軸方向に積層して回転子を構成したことを特徴とする永久磁石埋込型電動機であり、第一の回転子のトルク脈動と第二の回転子のトルク脈動が概略反転することにより合成されたトルク脈動を小さくできる。

また、本発明の実施の形態は、前記第一の回転子と第二の回転子との積厚比が異なることを特徴とした請求項１に記載の永久磁石埋込型電動機であり、前記合成トルク脈動をより小さくできる。

また、本発明の実施の形態は、前記第一の回転子と第二の回転子に加えて、第一の回転子とは逆の磁極配列で平板形状と回転子中心側に凸となる逆円弧形状の磁石を交互に配置した第三の回転子とを軸方向に積層して回転子を構成したことを特徴とする永久磁石埋込型電動機であり、Ｎ極、Ｓ極ともに、平板形状の永久磁石と逆円弧形状の永久磁石の２種類の永久磁石で構成しているので、両極ともに磁気的に平衡した構成にできる。

また、本発明の実施の形態は、平板形状磁石が回転子中心側に凸となる逆円弧形状磁石よりもエネルギー積の高い磁石としたことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の永久磁石埋込型電動機であり、磁束の弱い、例えばフェライト磁石の磁束を集中させ、磁束の強い、例えば希土類磁石とのバランスが平衡したモータとすることで、各々の永久磁石の活用がはかれる。

また、本発明の実施の形態は、圧粉焼結による回転子鉄心を用いたことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の永久磁石埋込型電動機であり、回転子鉄心の形状の自由度が高まり、各回転子間の永久磁石の磁束を固定子鉄心へ最適に導入することができる。

さらにまた、本発明の実施の形態は、前記請求項１から５のいずれかに記載の永久磁石埋込型電動機を搭載したコンプレッサ、さらには、電気自動車、ハイブリッド自動車および燃料電池自動車である。

以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。
（実施例１）
図１は本発明の第一の実施例を示す永久磁石埋込型電動機１の平面図である。固定子２は環状のヨークと巻線用溝となる周方向間隔をおいて放射状に複数のティースが形成されている。

図２（ａ）は第一の回転子の断面図、図２（ｂ）は第二の回転子の断面図、図２（ｃ）は回転子の側面図を示す。第一の回転子３は、平板形状の永久磁石４（Ｎ極）と回転子中心側に凸となる逆円弧形状の永久磁石５（Ｓ極）を回転子内部に交互に配置している。一方、第二の回転子６は、回転子中心側に凸となる逆円弧形状の永久磁石７のみを配置した構造となっている。なお、隣接する永久磁石は異極であり、溝または穴で構成された空間部８で回転子鉄心を通って短絡する磁束を防いでいる。図２（ｃ）では永久磁石の配置について、平板形状の永久磁石４を破線で、逆円弧形状の永久磁石５を太線で模式的に示した。Ｎ極は平板形状の永久磁石４と逆円弧形状の永久磁石５の２種類で構成され、Ｓ極は逆円弧形状の永久磁石５のみで構成されている。

この構成の回転子によるトルク特性について図３を用いて説明する。図３は横軸に回転子電気角を縦軸にトルクを示す。本モータは３相６極モータであり、電気角２０度で１周期のトルク脈動となる。

◇は第一の回転子３のみで構成された場合のトルク波形である。□は第二の回転６のみで構成された場合のトルク波形である。第一の回転子３では概略下に凸のグラフであり、第二の回転子６では概略上に凸のグラフの傾向がある。△で示したのは本実施例のトルク波形でありトルク脈動が大幅に低減されていることがわかる。

以上のように、本実施例では、回転子外径を花弁状の異形状とすることや、鉄心をスキューするといったことを行うことなく２種類の回転子を積層することでトルク脈動を容易に大幅に低減することができ、低振動、低騒音で、小型高出力、高効率な永久磁石埋込型電動機を提供することができる。

なお、平板形状の永久磁石４に逆円弧形状の磁石５よりもエネルギー積の高い磁石を用いることにより、磁束の弱い、例えばフェライト磁石の磁束を集中させ、磁束の強い、例えば希土類磁石とのバランスが平衡したモータとすることで、各々の永久磁石の活用がはかれ、安価で小型高出力で高効率な永久磁石埋込型電動機を提供することができ、より小型高出力で高効率な永久磁石埋込型電動機を提供することができる。

また、本実施例では第一の回転子３に挿入された逆円弧形状の永久磁石５と、第二の回転子６に挿入された逆円弧形状の永久磁石７は別々に構成されているが、軸方向に一体で構成されていても良い。またＮ極とＳ極が逆で構成されても良い。本実施例は６極の埋込磁石型電動機の例であるが、極数が異なる場合でも、同様の効果を得られる。

（実施例２）
前記実施例１において、第一の回転子３と第二の回転子６の積層比率を変化させることでさらにトルク脈動を低減できる例を示す。図４は横軸に第一の回転子３の積層比率を、縦軸に永久磁石埋込型電動機のトルク脈動比率を示すグラフである。なお、第一の回転子３の積層厚みが第二の回転子６と同じ、すなわち、第一の回転子３の積層比率が５０％の構成のトルク脈動を１とした。

図４から明らかなように、第一の回転子３の積層比率を５５％、第二の回転子の積層比率を４５％とした構成がトルク脈動が最も小さく、第一の回転子３の積層比率を５０％とした構成に対して９６％以下にすることができ、より効果がある。

以上のように、本実施例では、回転子外径を花弁状の異形状とすることや、鉄心をスキューするといったことを行うことなく、第一の回転子３と第二の回転子６の２種類の回転子の積層比率を最適にすることによりトルク脈動を容易に大幅に低減することができ、低振動、低騒音で、小型高出力、高効率な永久磁石埋込型電動機を提供することができる。

（実施例３）
本実施例と第一の実施例との差異は、回転子の構成を三段とした点であり、第一の回転子３、第二の回転子６に加え、第三の回転子９を積層した構成とする。以下図５を用いて説明する。

図５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）はそれぞれ、第一の回転子３の断面、第二の回転子６の断面、第三の回転子９の断面、本実施例の回転子の側面を示す。第一の回転子３は、図５（ａ）に示すように、Ｎ極に平板形状の永久磁石４を、Ｓ極に逆円弧形状の永久磁石５を交互に配置して構成している。第二の回転子６は、図５（ｂ）に示すように、Ｎ極、Ｓ極ともに逆円弧形状の永久磁石７を配置して構成している。さらに、第三の回転子９は、図５（ｃ）に示すように、第一の回転子３とは逆に、Ｎ極に逆円弧形状の永久磁石１０を、Ｓ極に平板形状の永久磁石１１を交互に配置して構成している。図５（ｄ）において、永久磁石の配置について、平板形状の永久磁石４、１１を破線で、逆円弧形状の永久磁石５、７、１０を太線で模式的に示した。Ｎ極、Ｓ極ともに、平板形状の永久磁石と逆円弧形状の永久磁石の２種類の永久磁石で構成しているので、両極ともに磁気的に平衡した構成となっている特徴がある。例えば、逆円弧形状の磁石よりもエネルギー積の高い平板形状の磁石を用いた場合、第一の回転子３のＮ極の磁束が強くなり部分的な磁気飽和が起こる可能性があるが、第三の回転子９でＳ極の磁束を強くすることで部分的な磁気飽和を起こりにくくする効果がある。磁束の弱い例えばフェライト磁石の磁束の集中と、磁束の強い例えば希土類磁石とのバランスが平衡したモータとすることで各々の永久磁石の活用がはかれ、安価で小型高出力で高効率な永久磁石埋込型電動機を提供することができ、より小型高出力で高効率な永久磁石埋込型電動機を提供することができる。

また、圧粉焼結による回転子鉄心を用いることで回転子鉄心の形状の自由度が高まり、各回転子間の永久磁石の磁束を固定子鉄心へ最適に導入することができ、より小型高出力で高効率な永久磁石埋込型電動機を提供することができる。

また、本発明の永久磁石埋込型電動機を搭載することでコンプレッサや、電気自動車、ハイブリッド自動車および燃料電池自動車の小型高効率化に寄与することができる。

本発明は、簡単な構成で小型高出力高効率な電動機を実現できるため、コンプレッサ用や、電気自動車、ハイブリッド自動車、燃料電池自動車用等の永久磁石埋込型電動機として有用である。

本発明の一実施例における永久磁石埋込型電動機を示す平面図 （ａ）は同第一の回転子を示す断面図、（ｂ）は同第二の回転子を示す断面図、（ｃ）同回転子を示す側面図 同トルク波形を示すグラフ 同トルク脈動比率を示すグラフ （ａ）は本発明の他の実施例の第一の回転子を示す断面図、（ｂ）は同第二の回転子を示す断面図、（ｃ）は同第三の回転子を示す断面図、（ｄ）は同回転子を示す側面図 従来の永久磁石埋込型電動機の回転子を示す半断面図 従来の永久磁石埋込型電動機の回転子と固定子を示す斜視図

符号の説明

１ 永久磁石埋込型電動機
２ 固定子
３ 第一の回転子
４、１１ 平板形状の永久磁石
５、７、１０ 逆円弧形状の永久磁石
６ 第二の回転子
８ 空間部
９ 第三の回転子
１０１、１０６ 回転子鉄心
１０２、１０７ 永久磁石
１０３ 空間部
１０４ 固定子鉄心
１０５ 固定子ティース

Claims (7)

1. 環状のヨークと巻線用溝となる周方向間隔をおいて放射状に複数のティースが形成されている固定子と、前記固定子と僅かな空隙を介して対向し、回転自在に保持された回転子鉄心に埋設された永久磁石にて界磁を発生する回転子とを備えた電動機において、回転子中心側に凸となる逆円弧形状と平板形状の磁石を交互に配置した第一の回転子と回転子中心側に凸となる逆円弧の磁石を配置した第二の回転子とを軸方向に積層して回転子を構成したことを特徴とする永久磁石埋込型電動機。
2. 前記第一の回転子と第二の回転子との積厚比が異なることを特徴とした請求項１に記載の永久磁石埋込型電動機。
3. 前記第一の回転子と第二の回転子に加えて、第一の回転子とは逆の磁極配列で平板形状と回転子中心側に凸となる逆円弧形状の磁石を交互に配置した第三の回転子とを軸方向に積層して回転子を構成したことを特徴とする永久磁石埋込型電動機。
4. 平板形状磁石が回転子中心側に凸となる逆円弧形状磁石よりもエネルギー積の高い磁石としたことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の永久磁石埋込型電動機。
5. 圧粉焼結による回転子鉄心を用いたことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の永久磁石埋込型電動機。
6. 前記請求項１から５のいずれかに記載の永久磁石埋込型電動機を搭載したコンプレッサ。
7. 前記請求項１から５のいずれかに記載の永久磁石埋込型電動機を搭載した電気自動車、ハイブリッド自動車および燃料電池自動車。